2016 동기부여영상-독립 4분 42초
- 물질 수지(material balance)
- 공정 장치에 출입하는 물질에 대한 수지 균형을 수량적으로 취급하는 것
- 기본 원리는 질량 보존의 법칙
(1) 계(system)의 종류
- 물리적 변화와 화학적 변화에 의하여 발생하는 물질 및 에너지의 흐름을 설명하기 위해서 전체 공정 또는 단위 공정을 하나의 계로 설정
- 계의 설정
- 계 내의 복잡한 시스템에 관계없이 계의 경계를 넘어 드나드는 물질과 에너지의 양을 설정하기 위함
- 계에 포함되는 영역은 단순한 장치로부터 복잡한 반응기 혹은 공장 전체가 될 수 있음
- 설정된 계를 제외한 다른 나머지 부분을 주위 혹은 외계
- 계의 설정시 고려 사항
- 물질과 에너지의 이동에 있어 두 가지 영역만 고려
- 계와 외계만을 고려할 뿐，계 내에서 물질이 어디로 이동하는지 외계에서 에너지가 어디로 이동하는지에 대해서는 고려하지 않음.
- 계와 주위의 경계를 통한 물질 및 에너지 흐름의 형태를 기준으로 대표적인 3가지 계
열린계
- 경계를 통한 에너지 이동 유무와 관계없이 물질(질량)이 출입하는 계
- 대부분의 실제 공정은 이러한 열린 계의 형태를 취함
- 공정에는 일정한 열량을 가진 원료들이 공정 안(계 )으로 유입되고 일정한 열량을 가진 생산물들이 공정 밖(외계)으로 유출됨
(ㄱ) 열린계 (ㄴ)
닫힌계
그림 Ⅰ-3 열린계와 닫힘계
닫힘 계
고립계
(2) 질량 보존의 법칙
질량
- 질량이란 어떤 물체에 포함되어 있는 물질의 양을 의미
- 질량은 우리가 알고 있는 무게의 개념과는 구분되는 다른 개념
- 질량은 장소나 상태에 따라 변하지 않으며 물질의 고유한 양
- 단위로는 kg, g, mg 등의 단위를 사용
- 지구상에서 의 1 kg의 쇳덩이는 달에서도 1 kg
- 지구와 달의 중력에 의한 무게만 차이가 있을뿐
1kg 쇳덩이의 무게
- 지구 1kg × 9.81m/s2= 9.81kg·m/s2
- 달 1kg × 1.62m/s2= 1.62kg·m/s2
질량 보존의 법칙
- 물질을 구성하는 원자의 종류와 수는 변하지 않는 다는 법칙
고립 계에서 어떤 물질이 물리적인 변화나 화학적인 변화를 겪을 때 처음의 물질을 구 성하는 원자의 종류와 수는 변하지 않고 원자에 의해 구성되는 분자의 종류나 수가 변 할
뿐이라는 의미
(3) 정상 상태와 비정상 상태
- 공정 또는 계의 상태를 설명하기 위해서는 온도, 압력, 질량 및 부피 등의 다양한 특성들이 활용됨
- 정상 상태 (steady state) : 특성들이 시간에 따라서 변함이 없는 상태
- 비정상 상태 (unsteady state) : 특성들이 시간에 따라서 변화가 있을 상태
- 정상 상태와 비정상 상태를 구분하는 기준은 시간에 따른 공정 특성 변화의 유무
정상 상태
- 정상 상태 : 화공 장치안에서 온도, 압력 농도 등이 시간에 따라 변하지 않고 일정하게 유지될 때
- 정상 상태에서는 장치 안에 있는 물질의 양이 증가하거나 감소하지 않는다. 즉 축적량이 0
- 열린 계의 정상 상태공정에서는 계 내의 물질 축적이나 소모가 없다.
- 일반적으로 화학 공정의 대부분은 24시간 365 일 연속 운전되는 경우가 많으며 많은 공정들이 특별한 이유가 없는 한 정상 상태로 운전
- 정상 상태에서 총괄 물질 수지
정상 상태 흐름이므로
도입 질량 유량 = 배출 질량 유량
30kg/s = 12kg/s ＋ 
∴ = 18kg/s
비정상 상태
- 비정상 상태 (unsteady state) : 계의 상태가 시간에 따라 변화하는 계 또는 공정을 공정 또는 비정상 상태계라고 한다.
떡을 만드는 가게에서 아침에 분주하게 준비를 하고 떡을 안정적인 속도로 만들어 내기 까지의 기간은 비정상상태, 떡이 안정적인 속도로 만들어지는 영업 시간 은
정상 상태
- 화학 공정이 어떤 이유에 의해서 가동을 중단하거나 새롭게 운전을 시작하는 동안 관찰될 수 있는 현상
(4) 물질 수지의 기본 개념
- 물질 수지 (mass balance) : 계를 설정하였을 때 계의 경계를 통해 도입되고 유출되는물질의 양, 또는 계 내에 축적되거나 소진되는 물질 의 양 사이의 관계를 수학적 으로 해석한 결과
- 물질 수지란 질량보존의 법칙 을 바탕으로 계의 물질 변화및 경계 를 통한 물질 흐름 관계를 정량적으로 수식화
- 물질 수지는 화학 반응이 수반될 때와 수반되지 않을 경우로 나늄
- 화학 반응이 수반되지 않을 경우에는 물질의 물리적 분리와 병합만을 고려하면 되지만 원료 물질의 소진과 새로운 물질의 생성 등을 고려
-
반응 공정의 경우， 반응이 진행됨에 따라 계 내의 반응물과 생성물의 양이 함께 변화하게 되므로 물질 수지식이 다소 복잡1
그림 Ⅰ-4 반응을 수반한 공정의 물질 수지
- 반응량은 반응에 의하여 유입되는 물질이 소모되는 경우 음( - )의 부호를, 생성 물질이 증가되는 경우 양(+ )의 부호
- 만일 정상 상태라면 물질 축적량 항은 사라지고 0 이 되며, 반응이 수반되지 않을 경우에는 반응량이 사라지고 0이 된다.
- 일반적인 화학 공정은 24시간 365일 연속 운전되는 경우가 대부분이다. 공정 운전을 중단한다는 말은 공정에 심각한 결함이 있어 다른 원료의 유입과 생산물의 생산이 중단된다는 의미이다.
- 중단된 공정을 다시 정상 상태로 끌어올라는 동안은 비정상 상태의 운전이 수반된다. 이런 비 정상 상태에서는 시간에 따라 상태가 변하기 때문에 고려해야 하는 변수가 매우 많아 복잡한 계산이 수반
