물질 수지 계산은 화학 공정에서 물질의 유입 및 유출되는 양으로부터 다른 미지의 양을 계산하는 것

공정 내의 여러 가지 흐름 양에서 알고 있는 양과 미지의 변수와의 수학적인 상관 관계를 이용하여 적절한 방정식을 세운 뒤 이를 풀어 해를 구하는것을 의미

기본 원리는 질량 보존의 법칙

(1) 공정도

물질 수지 들 계산하기 위해서는 공정도를 사용하는 것이 일반적

공정도는 지정된 계로 유입되거냐 계로부터 유출되는 물질의 방향과 양을 알기 쉽게 간략한 그림으로 나타낸 도면

다음 그림은 간단한 정상 상태 공정의 물질 수지를 공정도로 나타낸 것

(2) 총괄 물질 수지

총괄물질 수지 : 질량 보존의 법칙에 근거하여 계로 유입 혹은 유출되는 전체 흐름과 계 내에 촉적되는 물질 전제의 양적 관계를나타낸 물질 수지

총괄물질 수지에서는 성분 물질의 독립적얀 양적 관계 를 고려하지 않으며 흐름 내 전체 질량과 축적량 변화의 총량만을 기준으로 물질 수지들 설정

총괄 질량 수지 일반식

아래에는 하수 슬러 지 농축 공정을 공정도로 나타낸 것

그림 1-6 농축기의 물질 수지

열린 계이고 반응에 의한 축적이나 소비가 없다. 따라서 위 공정의 총괄 물질 수지 는 다음과 같다.

지난 1주동안 정유 회사의 저장 탱크에 10,000배럴의 원유를 저장한 후 7,500배럴의 원유를 선적하였다. 처음에 300배럴의 원유가 들어 있었다면 남아 있는 원유는 몇 배럴인가?

지난 1주일 동안에 프로판 탱크에 20kg의 프로판 가스를 주입하고 14kg을 사용하였다. 처음에 5kg이 들어 있었다면, 그 주말에는 얼마나 남아 있는가?

(3) 성분 물질 수지

공정에 대한 물질 수지에서는 물질의 전체 질량뿐 아니라 흔합물을 구성하는 각각의 성분에 대해서도 질량 보존의 법칙이 유효

하나의 흐름에 두 가지 이상의 성분이 흔합되어 있논 경우 각 성분 물질에 대한 개별적인 물질 수지가 존재하는데 이 를 성분 물질 수지

예 를 들어 아래의 그림과 같이 야구공과 테니 스공이 섞여 있는 두 개의 바구니를 하나의 큰 바구니에 넣어서 섞였다고 생각해 보자.

혼합 공정에 대한 물질 수지

야구공과 테스공에 대한 성분 물질 수지

50 wt%의 벤젠 (B)과 50 wt%의 톨루엔 (T)을 포함하는 혼합물이 1,000 kg/h의 질량 유속으로 증류탑으로 유입되어 두 흐름으로 분리된다. 증류탑의 윗부분으로 나오는 흐름에서 툴루엔의 질량 흐름은 모르지만 벤젠의 질량 흐름은 450 kg/h이라고 확인되었고 아래쪽으로 나오는 벤젠의 질량 흐름은 모르지만 톨루엔의 질량 흐름은 475 kg/h이라고 확인되었다고 하자. 이 공정이 정상 상태라고한다면 위 공정에서 알려지지 않은 성분들의 질량 흐름은 물질 수지를 통해서 계산할 수 있다.

증류 공정의 공정도

공정의 성분 물질 수지

알려지지 않은 두 물질 흐름

화학 반응이 없는 장치 안에서 정상 상태로 물질이 이동하는 동안 각 성분의 질량은 변하지 않고 보존된다.

물질 수지는 질량에 대하여만 성립

물질 수지를 계산하는 일반적인 원칙

주어진 내용을 간단히 표시할 수 있는 공정도를 그린다.

필요한 데이터(수치), 조건을 적어 넣는다.

질량보다는 몰(mol) 단위를 사용하는 것이 좋다.(물리적 변화시는 질량 단위를 써도 상관없지만 화학 변화가 일어날 때는 몰(mol) 단위의 정수비를 가지기 때문)

총괄·성분 물질 수지식을 세운다.수지 계산에 필요한 계산 기준량을 세운다.

화학 반응이 없는 정상 상태 물질량 수지

그림과 같은 증류 공정에서 정상 상태로 공정이 이루어질 때 벤젠과 톨루엔의 양을 구하여라.

물질량 기준으로 벤젠 30%, 톨루엔 70%인 원료를 100kmol/h로 증류탑에 도입하여 연속 증류한다. 탑 위 생성물의 조성은 벤젠 95%, 탑 밑 생성물의 조성은 톨루엔 90%로 할 때 각 흐름의 유량과 벤젠의 회수율을 구하여라.

20%의 황산 100L에 50% 황산을 혼합하여 30% 황산을 만들려고 한다. 필요한 황산의 양을 얼마인가?

A통에는 30% 메탄올을 함유하는 수용액 500kg이 들어 있고 B통에는 70% 메탄올을 함유하는 수용액 200kg이 들어 있다. A, B 2통의 수용액을 혼합하면 최종 용액의 질량과 조성은 어떻게 되겠는가?

(4) 화학 반응과 물질 수지

반응이 일어 나는 화학 공정 의 물질 수지

석탄 연소로에 원료로 매시간(시간당) 100kg의 석탄과 320kg의 산소가 유입되고 있다면 연소가 일어난 후 나오는 연소가스의 양은 얼마가 될 것인가? 이때 연소로에 남는 물질은 없다고 가정

물질 수지

석탄의 연소 반응식

석탄과 산소의 몰 수 계산

한계 반응물 : 필요량 보다 적게 공급된 반응물

과잉 반응물 : 필요량 또는 필요량보다 많이 공급된 반응물