물질 수지(material balance)

공정 장치에 출입하는 물질에 대한 수지 균형을 수량적으로 취급하는 것

기본 원리는 (                            )

(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

(                                                    )

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

(                                                           )

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

닫힘 계

(                                                  )

경계를 통한 에너지의 출입 여부와는 관계없이 물질(질행)의 출입만이 없는 계

고립계

(                                                                )

주위에서 어떠한 변화가 일어나더라도 계 내의 모든 특성들은 외부의 변화에 의해 전혀 영향 받지 않음

현실적으로 존재하지 않음. 왜냐하면 열의 이동을 완벽하게 차단할 수 있는 단열 물질은 이 세상에 존재하지 않기 때문

(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

질량 보존의 법칙

물질을 구성하는 원자의 종류와 수는 변하지 않는다는 법칙

(3) 정상 상태와 비정상 상태

공정 또는 계의 상태를 설명하기 위해서는 온도, 압력, 질량 및 부피 등의 다양한 특성들이 활용됨

정상 상태 (steady state) : (                                          )

비정상 상태 (unsteady state) : (                                          )

정상 상태와 비정상 상태를 구분하는 기준은 시간에 따른 공정 특성 변화의 유무

정상 상태

정상 상태 : (

)

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

그림과 같은 유로에 소금물이 흐르고 있다. 측관에서의 질량 유량 구하여라.

그림과 같은 수도관에 물이 흐르고 있다. 정상 상태일 때 측관의 유량을 구하여라.

비정상 상태

비정상 상태 (unsteady state) : (

)

(4) 물질 수지의 기본 개념

물질 수지 (mass balance) :계를 설정하였을 때 계의 경계를 통해 도입되고 유출되는물질의 양, 또는 계내에 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 나눔

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 복잡

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. 이런비 정상 상태에서는 시간에 따라 상태가 변하기 때문에 고려해야 하는 변수가 매우 많아 복잡한 계산이 수반