Кіріспе
Физикалық жүйеге массаның кіру және одан шығу ағындарын талдау. Физикада массалық тепе-теңдік, сондай-ақ материалдық тепе-теңдік, физикалық жүйелерді талдау үшін масса сақталу принципін қолдану болып табылады. Жүйеге кіретін және одан шығатын материалды есепке алу арқылы, бұл техникасыз белгісіз немесе өлшеу қиын болған масса ағындарын анықтауға болады. Жүйені талдау кезінде қолданылатын нақты сақталу заңы мәселенің контекстіне байланысты, бірақ олардың барлығы масса сақталу принципіне негізделген, яғни материя өздігінен жоғалу немесе пайда болуы мүмкін емес. Сондықтан, массалық тепе-теңдіктер инженерлік және экологиялық талдауларда кеңінен қолданылады. Мысалы, массалық тепе-теңдік теориясы химиялық реакторларды жобалауда, химиялық заттарды өндірудің баламалы процестерін талдауда, сондай-ақ ластанудың таралуын және физикалық жүйелердің басқа да процестерін модельдеуде қолданылады. Массалық тепе-теңдіктер процестерді жобалаудың негізін құрайды. Тығыз байланысты және толықтыратын талдау әдістеріне халық санының тепе-теңдігі, энергия тепе-теңдігі және біршама күрделі энтропия тепе-теңдігі жатады. Мұндай әдістер, мысалы, салқындату циклы сияқты жүйелерді толыққанды жобалау және талдау үшін қажет. Қоршаған ортаны мониторингте, бюджеттік есептеулер термині мониторинг деректерін бағалау үшін қолданылатын массалық тепе-теңдік теңдеулерін сипаттау үшін пайдаланылады (кіріс пен шығысты салыстыру және т.б.). Биологияда метаболизмдік ұйымдастыру үшін динамикалық энергия бюджеті теориясы массалық және энергиялық тепе-теңдікті нақты қолданады.
In physics, a mass balance, also called a material balance, is an application of conservation of mass to the analysis of physical systems. By accounting for material entering and leaving a system, mass flows can be identified which might have been unknown, or difficult to measure without this technique. The exact conservation law used in the analysis of the system depends on the context of the problem, but all revolve around mass conservation, i. e., that matter cannot disappear or be created spontaneously. Therefore, mass balances are used widely in engineering and environmental analyses. For example, mass balance theory is used to design chemical reactors, to analyse alternative processes to produce chemicals, as well as to model pollution dispersion and other processes of physical systems. Mass balances form the foundation of process engineering design. Closely related and complementary analysis techniques include the population balance, energy balance and the somewhat more complex entropy balance. These techniques are required for thorough design and analysis of systems such as the refrigeration cycle. In environmental monitoring, the term budget calculations is used to describe mass balance equations where they are used to evaluate the monitoring data (comparing input and output, etc.). In biology, the dynamic energy budget theory for metabolic organisation makes explicit use of mass and energy balance.
Кіріспе
Массалық тепе-теңдіктің жалпы формуласы: Массаны сақтау заңына сәйкес, жүйеге кіретін масса жүйеден шығуы тиіс немесе жүйеде жинақталуы керек. Химиялық реакция жоқ жүйе үшін массалық тепе-теңдік математикалық түрде келесідей жазылады: Көптеген химия оқулықтары реакция кинетикасы және химиялық тепе-теңдік туралы жазғанда зертенеін жүйені үзіліссіз реактор ретінде қарастырады. А затының массалық тепе-теңдігі мына түрде жазылады:
мұнда:
rA – А затының түзілу жылдамдығын білдіреді;
V – көлем (тұрақты немесе өзгермелі болуы мүмкін);
nA – А затының мольдерінің (n) саны. Үзіліссіз қоректік реакторда кейбір реагенттер/ингредиенттер үздіксіз немесе порциялармен қосылады (мысалы, барлық ингредиенттерді бірден араластырып, содан кейін қайнату – бұл үзіліссіз реактор, ал бірінші тек су мен тұзды араластырып, қайнатып, содан кейін қалған ингредиенттерді қосу – бұл үзіліссіз қоректік реактор). Үзіліссіз қоректік реакторлар үшін массалық тепе-теңдік теңдеулері біршама күрделі болады.
rA denotes the rate at which substance A is produced;
V is the volume (which may be constant or not);
nA the number of moles (n) of substance A. In a fed batch reactor some reactants/ingredients are added continuously or in pulses (compare making porridge by either first blending all ingredients and then letting it boil, which can be described as a batch reactor, or by first mixing only water and salt and making that boil before the other ingredients are added, which can be described as a fed batch reactor). Mass balances for fed batch reactors become a bit more complicated.
Идеалдық танк реакторы/толық араластырылатын танк реакторы
Тұрақты аралас танк реакторы – реактивтердің кіріс ағыны және өнімдердің шығыс ағыны бар ашық жүйе. Химиялық реакция жылдамдығы температураға тәуелді болғандықтан, жүйені толық сипаттау үшін энергия балансын (көбінесе толыққанды энергия балансы емес, жылу балансы) және массалық баланстарды жасау қажет. Энергия балансы үшін реактордың басқа моделі қажет болуы мүмкін: масса бойынша жабық жүйе энергия бойынша ашық болуы мүмкін, мысалы, жылу өткізгіштік арқылы жүйеге кіруі мүмкін.
Коммерциялық пайдалану
Өнеркәсіптік өндіріс орындарында, кез келген өндіріс бөлігіне кіретін және шығатын масса мөлшері тең болуы керек екенін пайдалана отырып, деректерді тексеру және келісу алгоритмдері қолданылуы мүмкін, егер ағын өлшемдерінің жеткілікті артықшылығы болса, бұл статистикалық келісуді және анықталған қате өлшемдерді жоюға мүмкіндік береді. Нақты әлемдегі барлық өлшенген мәндерде қателік болатынын ескере отырып, келістірілген өлшемдер қаржылық есеп беру, оңтайландыру және реттеу есептері үшін өлшенген мәндерге қарағанда сенімдірек негіз болып табылады. Бұл процесті күнделікті коммерциялық тұрғыда жүзеге асыру үшін арнайы бағдарламалық қамтамасыздар бар.