موازنه جرم
موازنه جرم که موازنه ماده نیز خوانده می‌شود کاربرد عملی قانون پایستگی جرم در مورد آنالیز یک ‌سامانه فیزیکی است. با استفاده از اندازه‌گیری ماده ورودی و ماده خروجی در یک ‌سامانه، مقدار شارش ماده به دست می‌آید که بدون استفاده از این روش، بدست‌آوردن آن غیرممکن یا دشوار است.
برای طراحی و ساخت یک کارخانه، لازم است که مواد خام ورودی به کارخانه و محصولات خروجی مشخص باشند. برای بررسی اقتصادی طرح، مقدار محصولات خروجی با نوشتن موازنه جرم بدست می‌آید. همچنین غلظت و کیفیت محصولات خروجی به نیاز بازار بستگی دارد. به این ترتیب بدون در نظر گرفتن سرمایه‌گزاری اولیه می‌توان طرح را به صورت ابتدایی بررسی نمود. در مراحل بعد لازم است که اندازه دستگاه‌های مختلف کارخانه مشخص شود. اندازه بیشتر دستگاه‌های مورد استفاده در صنایع شیمیایی به دبی ورودی وابسته است. بنابراین لازم است دبی جریان‌های ورودی و خروجی از همه دستگاه‌ها مشخص باشد و این کار با استفاده از موازنه جرم امکان‌پذیر است.
گاهی ممکن است یک کارخانه برای چندین سال مورد بهره‌برداری قرار گرفته باشد. اما به علت نیاز به محصولات تازه لازم است تغییراتی در کارخانه ایجاد شود. در این حالت، طرح‌های پیشنهادی برای تولید محصولات تازه، ابتدا موازنه جرم شده سپس دستگاه‌های تازه طراحی شوند.
همچنین برخی اوقات در یک فرایند تولید لازم است مشخصات یک جریان بدست آید. اما برای این جریان هیچگونه دستگاهی برای اندازه‌گیری مشخصات جریان وجود نداشته باشد. در چنین شرایطی با استفاده از جریان‌های قبل از این جریان و اعمال موازنه جرم می‌توان مشخصات جریان مورد نظر را بدست آورد. و در صورتی که جریان‌های بعد از جریان مورد نظر معلوم باشد با استفاده از اعمال موازنه جرم روی دستگاه‌های بعد از جریان مورد نظر می‌توان مشخصات جریان مورد نظر را محاسبه نمود.
کارخانه‌های تولید مواد شیمیایی معمولاً دارای مواد زائد هستند و در اکثر موارد وارد محیط زیست می‌گردند. بر پایه قوانین حفاظت از محیط زیست، دفع مواد زائد با شرایط و غلظت خاصی به محیط صورت گرفته به نحوی که کمترین تأثیر ممکن را بر روی موجودات و اکو‌سامانه‌ها داشته باشد. برای نمونه در واحد آمونیاک برای خارج کردن مواد زائد از دستگاه‌ها، لازم است مقداری از گازهای خروجی از رآکتور شیمیایی وارد اتمسفر شود. برای این منظور با اعمال موازنه جرم باید خروجی به هواکره را از محل مناسبی در نظر گرفت تا مشکلات محیط زیستی به کمینه برسد.
اندازه هر کمیت ابتدا باید در یک ‌سامانه خاص بیان شود. در منابع مهندسی شیمی معمولاً دو ‌سامانه دستگاه بین‌المللی یکاها و ‌واحدهای اندازه‌گیری آمریکایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
گاهی لازم است برای حل مسئله، یک مبنا در نظر گرفته شود یا اینکه مسئله راحت‌تر حل شود.
انتخاب مبنا به چند دلیل است:وقتی در یک محلول مایع یا بخار، چند جزء وجود دارند لازم است که غلظت هر کدام از اجزاء مشخص باشد. برای این منظور می‌توان غلظت را به صورت‌های زیر بیان نمود:نفت خام دارای مقدار کمی آب و گاز طبیعی است که وقتی در مخازن جمع‌آوری می‌شود به سه فاز تقسیم می‌شود. فاز گاز به دلیل چگالی کم نسبت به بقیه فازها، بالا قرار گرفته و فاز آب به دلیل چگالی بیشتر نسبت به بقیه فازها، پایین قرار می‌گیرد و فاز نفت بین دو گاز و آب قرار می‌گیرد. قرار گیری مایعات نسبت به یکدیگر را می‌توان با استفاده از چگالی و همچنین چگالی نسبی تشخیص داد.
در برخی فرایندها بخشی از یک جریان وارد یک یا چند دستگاه شده و بخش دیگر آن جریان، این دستگاه‌ها را دور زده و وارد آن‌ها نمی‌شود. به این جریان «جریان کنار گذر» می‌گویند. وجود جریان کنار گذر می‌تواند به دلایل زیر باشد.:در صورتی که خوراک دارای ناخالصی جزئی بوده و این ناخالصی‌ها همراه با محصولات از فرایند خارج نشود، وجود جریان برگشتی باعث افزایش این ناخالصی‌ها در داخل فرایند خواهد شد تا جایی که ناخالصی‌ها حجم زیادی از فرایند را اشغال کرده و تولید را در فرایند کاهش می‌دهند و در پایان، میزان تولید محصولات به صفر برسد. برای جلوگیری از این پدیده منفی باید ابتدا فرایند مورد بررسی قرار گیرد و هر جایی از فرایند که غلظت ناخالصی بیشترین مقدار خود را دارد، یک شاخه برای دفع ناخالصی‌ها به بیرون از فرایند در نظر گرفته شود. در صورتی که بیشترین غلظت ناخالصی در جریان گازی باشد، شاخه‌ای از گاز تحت عنوان گازهای زائد خروجی از فرایند خارج شده و در صورتی که جریان مایع باشد، مقداری از مایع تحت عنوان مایع زیر ریز از فرایند خارج می‌شود.
در فرایندهای بدون واکنش شیمیایی، اجزاء خوراک در طی فرایند، ویژگی‌های خود را حفظ می‌کردند به همین دلیل می‌توان به تعداد اجزاء، موازنه جرم نوشت. اما در فرایندهایی که واکنش شیمیایی رخ می‌دهد اجزاء ویژگی‌های خود را حفظ نمی‌کنند و برای اینکه بتوان از معادله مربوطه استفاده نمود لازم است سرعت تولید و مصرف اجزاء را داشته باشیم. پیدا کردن سرعت تولید و مصرف، حل مسائل موازنه جرم را مشکل خواهد نمود.
واکنش‌های شیمیایی از نظر پیشرفت واکنش به دو دسته تقسیم می‌شوند:در واکنش‌های سوختی، یک ماده سوختی برای تولید گرما وارد محفظه سوخت شده و با اکسیژن واکنش می‌دهد. معمولاً اکسیژن لازم از طریق ورود هوا به محفظه سوخت تأمین می‌شود. برای اطمینان از ورود اکسیژن لازم برای واکنش، سعی می‌شود هوا به صورت اضافی وارد محفظه سوخت شود. مقدار اکسیژن لازم یا هوای لازم را می‌توان با استفاده از دبی سوخت ورودی و داشتن معادله واکنش شیمیایی محاسبه نمود. در صورتی که یک سوخت هیدروکربنی، هوای کافی در اختیار داشته باشد به‌طور کامل می‌سوزد.
تجزیه گازهای خروجی از محفظه سوخت به صورت‌های مختلفی بیان می‌شود که در زیر به آن‌ها اشاره شده‌است:برخی از واکنش‌های شیمیایی، تعادلی بوده و پس از مدت زمانی به رغم وجود اجزاء واکنشگر، غلظت آن‌ها ثابت بوده و در واقع واکنشگرها و محصولات با هم به تعادل می‌رسند. برای چنین واکنش‌هایی لازم است پس از انجام واکنش، محصولات، جدا شوند تا شرایط برای انجام واکنش فراهم شود. برای این منظور واکنشگرها و محصولات از رآکتور شیمیایی خارج شده و وارد بخش جداسازی می‌شوند. در واحد جداسازی، محصولات واکنش جدا شده و از فرایند، خارج خواهند شد و واکنشگرها جهت تولید محصول به رآکتور بازگشت داده می‌شوند. بنابراین یکی از دلایل وجود جریان برگشتی، تعادلی بودن و پیشرفت نکردن واکنش است. به همین دلیل است که در واکنش‌های سوختی، جریان برگشتی وجود ندارد.
جریان برگشتی در فرایندهایی شامل واکنش شیمیایی به علت تعادلی بودن واکنش و همچنین عدم پیشرفت ٪۱۰۰ واکنش است. در صورتی که در مواد واکنشگر جزء زائدی وجود داشته باشد که در واکنش شیمیایی شرکت نکند و جداسازی آن نیز مشکل باشد باید بخشی از جریان برگشتی به محیط دفع شود تا این جزء زائد از فرایند خارج شود. در غیر این صورت این جزء در فرایند جمع شده و باعث اشغال فضای رآکتور و فرایند می‌شود در نتیجه تولید محصول کاهش یافته و در پایان، باعث عدم تولید محصول خواهد شد.
یکی از راه‌های دیگر برای بیان غلظت جزئی از مخلوطی که قابل میعان است استفاده از درصد اشباع مطلق است. اشباع مطلق برابر با نسبت مول‌های بخار به ازای هر مول گاز بدون بخار در مخلوط مورد نظر تقسیم بر نسبت مول‌های بخار به ازای هر مول گاز بدون بخار در حالت اشباع است.
در موارد زیر لازم است موازنه جرم ناپایا برای فرایندها اعمال شود: