موازنه جرم

موازنه جرم که موازنه ماده نیز خوانده می‌شود کاربرد عملی قانون بقای جرم در مورد آنالیز سیستم فیزیکی است. با استفاده از اندازه‌گیری ماده ورودی و ماده خروجی در یک سیستم، مقدار شارش ماده به دست می‌آید که بدون استفاده از این تکنیک، بدست آوردن آن غیرممکن یا دشوار است.
برای طراحی و احداث یک کارخانه جدید 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 ضمنا 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 ابعاد دستگاه‌های مختلف کارخانه مشخص شود. ابعاد اکثر 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 اوقات ممکن است یک کارخانه برای چندین سال مورد بهره‌برداری قرار گرفته باشد اما به علت نیاز به محصولات جدید لازم است تغییراتی در کارخانه ایجاد گردد. در این حالت، طرح‌های پیشنهادی برای تولید محصولات جدید، ابتدا موازنه جرم شده سپس دستگاه‌های جدید طراحی شوند.
همچنین برخی اوقات در یک فرایند تولید لازم است مشخصات یک جریان را بدست آوریم اما روی 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 معمولا دارای مواد زائد می‌باشند و در اکثر موارد وارد محیط زیست می‌گردند. مطابق قوانین حفاظت از محیط زیست، دفع مواد زائد با شرایط و غلظت خاصی به محیط صورت گرفته به نحوی که کمترین تاثیر ممکن را بر روی موجودات و اکوسیستم‌ها داشته باشد. به‌طور مثال 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 اتمسفر را از محل مناسبی در نظر گرفت تا مشکلات زیست‌محیطی به حداقل برسد.
تبدیل واحد
ابعاد هر کمیت ابتدا باید در یک سیستم خاص بیان شود. در منابع مهندسی شیمی معمولا دو سیستم SI و سیستم مهندسی (سیستم آمریکایی) مورد استفاده قرار می‌گیرند.
گاهی اوقات لازم است برای حل مسئله یک مبنا در نظر گرفته شود تا مسئله حل شود یا اینکه مسئله راحت‌تر حل شود. انتخاب مبنا به دلایل زیر می‌باشد.
1- انتخاب یک مقدار برای نمونه‌برداری
هرگاه لازم باشد که یک کمیت در یک محلول مورد بررسی قرار گیرد، ابتدا لازم است که یک مقدار از محلول به عنوان نمونه در نظر گرفته شود که به این مقدار، مبنا گفته می‌شود.
2- انتخاب مبنا برای کامل کردن اطلاعات مسئله
گاهی اوقات یکی از اطلاعات مسئله کم بوده و قابل حل نمی‌باشد. برای حل این مسایل می‌توان یکی از متغیرهای مجهول را برابر مقدار خاصی در نظر گرفت و بقیه متغیرها را بدست آورد که به این مقدار خاص، مبنا گفته می‌شود.
3- انتخاب یک مبنا برای حذف کمیت زمان
در برخی از مسایل، جریان‌های ورودی و خروجی از یک فرایند بر واحد زمان بیان شده‌است. در این حالت برای حذف کمیت زمان، یک بازه زمانی را به عنوان مبنا در نظر گرفته می‌شود.
غلظت
وقتی در یک محلول مایع یا بخار، چند جزء وجود دارد لازم است که غلظت هر کدام از اجزاء مشخص باشد. برای این منظور می‌توان غلظت را به صورت‌های زیر بیان نمود.
1- کسر مولی
کسر مولی هر جزء برابر با تعداد مول همان جزء در محلول تقسیم بر کل مول‌های موجود در محلول می‌باشد.
2- کسر جرمی یا وزنی
کسر جرمی هر جزء برابر با جرم همان جزء در محلول تقسیم بر کل جرم موجود در محلول می‌باشد.
3- کسر حجمی
کسر حجمی هر جزء برابر با حجم همان جزء در محلول تقسیم بر کل حجم موجود در محلول می‌باشد
دانسیته نسبی
نقت خام شامل مقدار کمی از آب همراه و گاز می‌باشد که وقتی در مخازن جمع‌آوری می‌شود به سه فاز تقسیم می‌شود. فاز گاز به دلیل دانسیته کم نسبت به بقیه فازها، بالا قرار گرفته و فاز آب به دلیل دانسیته بالاتر نسبت به بقیه فازها، پایین قرار می-گیرد و فاز نفت بین دو فاز ذکر شده قرار خواهد گرفت. محل قرار گرفتن مایعات نسبت به یکدیگر را می‌توان با استفاده از دانسیته و همچنین دانسیته نسبی تشخیص داد.
جریان کنار گذر
در برخی از فرایندها بخشی از یک جریان وارد یک یا چند دستگاه شده و بخش دیگر جریان، این دستگاه‌ها را دور زده و اصلا وارد آن‌ها نمی‌شود. به این جریان، جریان کنار گذر گویند. وجود جریان کنار گذر به دلایل زیر می‌تواند باشد.
1- گاهی اوقات تغییراتی که قرار است در یک جریان داده شود، کم است به همین دلیل بخشی از جریان وارد دستگاه شده و بخش دیگر دستگاه را دور می‌زند. به‌طور مثال وقتی می‌خواهیم هوا را مرطوب کنیم بخشی از هوا وارد دستگاه شده و کاملا مرطوب می‌شود سپس با بخش دیگر جریان که اصلا وارد دستگاه نشده است مخلوط شده و در نهایت رطوبت هوا افزایش می‌یابد. در مهندسی شیمی ابعاد دستگاه به دبی ورودی بستگی دارد در صورتی که بخواهیم کل جریان را وارد دستگاه کنیم باید ابعاد دستگاه بزرگتر شود که ممکن است از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نباشد.
2- وقتی می‌خواهیم از یک دستگاه قدیمی در فرایند دیگری با دبی بالاتر استفاده کنیم لازم است بخشی از خوراک وارد دستگاه شود زیرا این دستگاه برای دبی کمتری طراحی شده‌است و نمی‌تواند دبی بالاتری را پذیرا باشد.
3- در برخی از فرایندهای جداسازی با استفاده از غشاء یا تبخیرکننده‌ها می‌توان یک جزء را تقریبا به صورت خالص جدا نمود اما ممکن است جریان کاملا خالص مد نظر نباشد. در چنین حالتی از جریان کنار گذر استفاده می‌شود تا بخشی از ناخالصی موجود در ورودی به جریان خروجی نیز منتقل شود. به‌طور مثال در تصفیه آب از هر کدام از دو روش ذکر شده که استفاده شود منجر به تولید آب مقطر خواهد شد از آنجا که آب مقطر برای شرب مناسب نیست بخشی از خوراک ورودی را وارد دستگاه نمی-کنیم و مستقیما وارد محصول خروجی می‌نماییم تا غلظت املاح موجود در آب را تا حد لازم افزایش دهد.
گازهای زاید خروجی و مایع زیر ریز
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 نهایت 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.
موازنه جرم در فرایندهای پایا با واکنش شیمیایی
در فرایندهای بدون واکنش شیمیایی، اجزاء خوراک در طی فرایند ماهیت خود را حفظ می‌کردند به همین دلیل می‌توانستیم به تعداد اجزاء موازنه جرم بنویسیم. اما در فرایندهایی که واکنش شیمیایی رخ می‌دهد، اجزاء ماهیت 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. در این فصل سعی می‌شود برای حل چنین مسائلی، یک موازنه جرم ساده معرفی شده تا به سرعت تولید و مصرف مواد نیازی نباشد.
واکنش‌های شیمیایی از نظر پیشرفت واکنش به دو دسته تقسیم می‌شوند.
1- واکنش‌هایی که پیشرفت آن‌ها 100% بوده و تا زمانی که مواد واکنشگر وجود داشته باشد، واکنش پیش خواهد رفت.
برای مثال می‌توان به احتراق گازهای هیدروکربنی اشاره کرد. در این واکنش‌ها تا جایی که سوخت و اکسیژن به صورت هم‌زمان وجود داشته باشد، واکنش انجام خواهد شد. در این واکنش‌ها ممکن است یکی از اجزاء به صورت اضافی در سیستم وجود داشته باشد. بنابراین مقداری از این واکنشگر مصرف شده و بخشی از آن که به صورت اضافه وارد شده است، بدون انجام واکنش خارج می‌گردد.
2- واکنش‌هایی که به رغم وجود اجزاء واکنشگر، پیشرفت آن‌ها کمتر از 100% است.
واکنش تولید بسیاری از مواد شیمیایی در این دسته قرار می‌گیرد. در این فرایندها با توجه به اینکه بخشی از مواد اولیه در واکنش شرکت نمی‌کنند، همراه با محصول از ظرف واکنش خارج می‌شوند و برای استفاده مجدد، بازیابی شده و به ظرف بازگردانده می-شوند. بنابراین در فرایندهایی که چنین واکنش‌هایی وجود داشته باشد معمولا جریان برگشتی نیز وجود دارد.
احتراق
در واکنش‌های احتراق، یک ماده سوختی جهت تولید گرما وارد محفظه احتراق شده و با اکسیژن وارد واکنش می‌شود. معمولا اکسیژن لازم از طریق ورود هوا به محفظه احتراق تامین می‌شود. برای اطمینان از ورود اکسیژن لازم برای واکنش، سعی می‌شود هوا به صورت اضافی وارد محفظه احتراق 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.
آنالیز گازهای خروجی
تجزیه گازهای خروجی از محفظه احتراق به صورت‌های مختلفی بیان می‌شود که در زیر به آن‌ها اشاره شده‌است.
1- مبنای مرطوب
هرگاه در آنالیز گازهای خروجی، غلظت آب نیز در نظر گرفته شود اصطلاحا می‌گوییم آنالیز گاز بر مبنای مرطوب بیان شده‌است.
2- مبنای خشک یا تجزیه ارسات
هرگاه در آنالیز گازهای خروجی، اصلا مقدار آب در نظر گرفته نشود. اصطلاحا می‌گوییم گاز بر مبنای خشک آنالیز شده‌است.
3- مبنای مرطوب عاری از جزء C
هرگاه در تجزیه مرطوب، جزء C در نظر گرفته نشود. اصطلاحا می‌گوییم گاز بر مبنای مرطوب عاری از جزء C آنالیز شده‌است.
4- مبنای خشک عاری از جزء C
هرگاه در تجزیه خشک، جزء C در نظر گرفته نشود. اصطلاحا می‌گوییم گاز بر مبنای خشک عاری از جزء C آنالیز شده‌است.
واکنش‌های تعادلی
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 شده تا شرایط برای انجام واکنش فراهم گردد. 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 احتراق، جریان برگشتی وجود ندارد.
گازهای زائد خروجی
جریان برگشتی در فرایندهایی شامل واکنش شیمیایی به علت تعادلی بودن واکنش و همچنین عدم پیشرفت صد در صدی واکنش می‌باشد. 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 نهایت باعث عدم تولید محصول خواهد شد.
اشباع مطلق
یکی از راه‌های دیگر برای بیان غلظت جزئی از مخلوطی که قابل میعان می‌باشد استفاده از درصد اشباع مطلق است. اشباع مطلق برابر با نسبت مول‌های بخار به ازای هر مول گاز عاری از بخار در مخلوط مورد نظر تقسیم بر نسبت مول‌های بخار به ازای هر مول گاز عاری از بخار در حالت اشباع می‌باشد.
موازنه جرم فرایندهای ناپایا
در موارد زیر لازم است موازنه جرم ناپایا برای فرایندها اعمال شود.
1- فرایندهای پیوسته معمولا به صورت پایا کار می‌کنند اما در ابتدای راه‌اندازی این دستگاه‌ها، عملیات ناپایا می‌باشد و باید زمان رسیدن به حالت پایا را محاسبه نمود. همچنین وقتی میخواهیم فرایندهای پایا را از سرویس خارج کنیم، عملیات ناپایا خواهد بود.
2- هرگاه عملیات ناپیوسته بوده و زمان عملیات مد نظر باشد.