De wet van behoud van ellende

Het eerst kwartaal in 2014 is bijna ten einde en zeg nu eerlijk: zijn er alweer een aantal goede voornemens die je 3 maanden geleden hebt bedacht gesneuveld? Toch weer gaan roken, weer teveel werken en te weinig ontspanning of een te hoog gewicht? Tja, je moet wel heel sterk in je schoenen staan om niet in de dagelijkse sleur terug te vallen. Zolang je dit patroon niet doorbreekt zal er niet veel veranderen. Neem nou die eeuwige discussie over overgewicht. Het is vrij eenvoudig: wat je lichaam ingaat minus wat eruit gaat blijft achter, en ja, dat zet zich ondermeer als vet af in je buik. Dus: óf minder eten óf meer bewegen. Op die manier zal je zien dat het vet (langzamerhand) verdwijnt.

De wet van behoud van ellende

Dit heeft alles te maken met een natuurwet die ook in de chemische industrie voorkomt en, soms handig, maar soms ook een pain in the ass is: de wet van behoud van massa en energie, oftewel de massabalans (materiaalbalans) en de energiebalans. In de industriële wereld ook wel gekscherend de wet van behoud van ellende genoemd. Er kan geen massa of energie in een fabriek spontaan bijkomen of verdwijnen. Dit lijkt een voor de hand liggende stelling maar in praktijk toch behoorlijk lastig te doorgronden. De meest simpele vorm van de massabalans luidt:

Totaal aan kilogrammen dat per tijdseenheid de fabriek ingaat = totaal aan kilogrammen dat per tijdseenheid de fabriek uitgaat

Dus als er bijvoorbeeld 100 kg/uur het proces ingaat moet er in totaal ook 100 kg/uur uitgaan. Simpel toch?

De auto in balans

Ik zal proberen om de massabalans inzichtelijk te maken aan de hand van een groepje auto’s op een weg waar een viaduct overheen loopt. Wat er onder het viaduct gebeurt wordt ons aan het oog onttrokken. Een gele auto weegt evenveel als een blauwe auto, namelijk 100 kg. Als je het aantal gele auto’s en blauwe auto’s telt die naar het viaduct toe rijden weet je ook hoeveel kilogram het viaduct “ingaat”. Als de massabalans klopt moet dat evenveel zijn als de totale hoeveelheid aan kilogrammen die onder het viaduct uitkomt: “uitgaat”. In de tabel onder het plaatje zie je dat dat inderdaad het geval is: totale kilogrammen in = totale kilogrammen uit = 1600. De massabalans moet ook gelden voor de individuele auto’s: de totale kilogrammen van de gele auto’s in (1200) = totale kilogrammen van de gele auto’s uit (1200). Voor de blauwe auto’s geldt: 400 kg “in” = 400 kg “uit”.  Dat klopt dus weer, evenals dat het totaal ook weer klopt: totaal aan geel + blauw “in” = totaal van geel + blauw “uit” (1200 + 400 = 1200 + 400). Geen speld tussen te krijgen.

Massabalans-1

In het volgende scenario worden er onder het viaduct snel een gele en een blauwe auto in een vrachtwagen geladen die vervolgens weer onder het viaduct vandaan rijdt. Neem even aan dat de trailer zelf niets weegt, dus dat de vrachtwagen 200 kg weegt (100 kg van de gele auto + 100 kg van de blauwe auto). In de tabel onder het plaatje zie je weer dat alle balansen kloppen, ondanks dat een deel van de hoeveelheid gele en blauwe auto’s die onder het viaduct uitkomen zijn “omgezet” in vrachtwagens. Als de vrachtwagens dicht zijn zie je dus niet dat er gele en blauwe auto’s onder het viaduct uitkomen, maar zie je alleen 4 vrachtwagens.

Massabalans-2

In de volgende situatie lijkt de massabalans toch niet te kloppen. In de tabel is duidelijk te zien dat de totale kilogrammen “in” (1600) hoger zijn dan de totale kilogrammen “uit” (1100).

Massabalans-3

Wat is hier aan de hand? Als we het viaduct doorzichtig maken zien we dat de verdwenen massa onder het viaduct verstopt is: de auto’s staan daar keurig geparkeerd. Als je die erbij optelt klopt het weer. Wat er in de opslag staat, moet je dus optellen bij wat eruit gaat. Staat er niets in de opslag, dan is “in” weer gelijk aan “uit”.

Massabalans-4

Dan tenslotte nog een scenario waar weer een extra dimensie aan is toegevoegd, namelijk een recycle. Als we het magische viaduct nu reactor noemen, waar een deel van de auto’s in vrachtwagens wordt veranderd, rijdt het deel van de auto’s dat niet in de vrachtwagens terecht is gekomen weer terug naar het begin van het viaduct om het opnieuw te proberen. De stroom aan auto’s die het viaduct in rijden is dus hoger dan wat er in eerste instantie inreed; de auto’s uit de recycle worden er immers bij opgeteld. De hoeveelheid die in de reactor wordt omgezet wordt de conversie genoemd. Als we naar de blauwe auto’s kijken, gaat er 600 kg de reactor in en wordt 200 kg gerecycled, d.w.z. wordt niet omgezet. Er is dus 600 kg – 200 kg = 400 kg wél omgezet. De conversie is dan 400/600 = 67%. Als je alle stromen weer apart bekijkt zie je dat de balansen overal weer kloppen.

Massabalans-5

Samenvattend:

kilogrammen “in” – kilogrammen omgezet – kilogrammen in opslag = kilogrammen “uit”

 Als er geen opslag is en geen reactie wordt de massabalans eenvoudigweg:

kilogrammen “in = kilogrammen “uit”

De massabalans van een chemische fabriek

In de chemische plant (fabriek) werkt dit principe uiteraard ook. Als de in- en uitgaande stromen op een bepaald tijdstip niet gelijk zijn vindt er dus bewust of onbewust ergens een ophoping of afname van een stof plaats. Het kan zijn dat op dat moment ergens een tank  of een vat wordt opgevuld of juist leeg wordt getrokken. Als er een deel van de componenten niet wordt teruggevonden kan dit, ook weer bewust of onbewust, door een chemische reactie zijn weg-gereageerd. Met name als een fabriek wordt opgestart, is het heel goed uitkijken waar alles blijft. Je hebt daar zeker te maken met apparatuur die eerst opgevuld moet worden. Aangezien de fabriek tijdens deze fase nog niet op bedrijfscondities (druk, temperatuur) werkt, zal de samenstelling van de verschillende stromen ook niet kloppen. Sommige metingen werken op dat moment niet eens goed, wat de speurtocht waar alles blijft nogeens een extra dimensie geeft. Het is een van de taken van de procestechnoloog om de massabalans continu in de gaten te houden. Als je onderstaand vereenvoudigd blokschema van een raffinaderij ziet, waarbij een blokje vaak een hele installatie voorstelt met destillatietorens, reactoren, vaten etc., begrijp je dat dat een hele kluif is en geen eenmans actie.

OIL10F28

Nu je een beeld hebt van een massabalans kan je ook gefundeerd begrijpen dat je dat overgewicht alleen kan voorkomen door de massabalans van je lichaam continu in de gaten te houden. Heb je even een periode teveel gegeten, dan is er maar een remedie: veel bewegen en de omzetting en opslag componenten in de massabalans naar nul te brengen.

massabalans bewegen

6 antwoorden
  1. Tiebo Jacobs
    Tiebo Jacobs zegt:

    En zo leer je al bij het dauwen van de dag een belangrijke les en krijg ik op simpele wijze inzicht hoe complex jouw vakgebied eigenlijk is; hetgeen ook meteen de grootste uitdaging lijkt.

    Beantwoorden
  2. Tiebo
    Tiebo zegt:

    En dan heb je zo een artikel gelezen en dan zet je koffie; het valt me al vaker op dat als ik 8 grote koppen koffie zeg, er uiteindelijk maar net meer dan 6 overblijven. Wat gebeurd er? Er verdampt natuurlijk water, de damp is namelijk zichtbaar. Ik heb er ook 6 scheppen koffie in gedaan (ik houd van sterk) en dat wordt toch gedeeltelijk toegevoegd aan het water cq de massa. Maar de massa zit nu dus als ik het goed begrijp, behoudens het verdampte water, opgeslagen in het eindresultaat dat wij koffie noemen zoals de auto’s in de vrachtwagen.

    Kan ik met het invullen van enkele variabelen nu ook eindelijk berekenen hoeveel scheppen er op 4/6/8 en 10 koppen moeten om dezelfde eindsterkte te betrachten 😉

    Sorry dat ik je kennis voor eigen gewin aanwend Enrico. (En dat van mijn gasten dan) 😉

    Beantwoorden
    • Enrico
      Enrico zegt:

      Hoi Tiebo, mooi vak hè? Je ziet hoe lastig het is om dit sluitend te krijgen, al is het maar voor zoiets simpels als koffie zetten. Ook hier geldt de totale massabalans en per component. Een deel van het water verdampt, het grootste deel komt in de koffie terecht (gelukkig) en een deel blijft achter in de koffieprut en het filterzakje (of gebruik jij espresso?). Dit alles bij elkaar opgeteld moet weer gelijk zijn aan de hoeveelheid water die je voor het koffiezetten heb toegevoegd. Het punt is alleen hoe bepaal je nou hoeveel er verdampt is en wat waar in terecht komt? Je kan ook in een fabriek niet alle stromen meten, dus zal je bepaalde dingen moeten berekenen.

      Beantwoorden
  3. Ronald Burggraaf
    Ronald Burggraaf zegt:

    Het zou geweldig zijn als ze dit principe ook eens zouden toepassen in de financiële wereld. Feitelijk zijn de bubbles negatieve opslag die uiteindelijk toch een keer betaald moeten worden. Zo zijn we met z’n alle eigenaar geworden van een aantal banken.

    Het zou niet mooi zijn als je een chemische fabriek een opbrengst toedicht terwijl er eigenlijk maar 4% (dekkingsgraad bij banken) van die hoeveelheid het systeem ingaat.

    Ook het bankensysteem is dermate instabiel dat als er dezelfde risico’s gelopen zouden worden in een plant deze meteen gesloten zouden worden. Winsten verdampen als of het runaway reactie zijn.

    Chemical engineers for bank directors zou ik zeggen, dan is de balans weer hersteld.

    Beantwoorden
    • Enrico
      Enrico zegt:

      Hoi Ronald,

      De bank heeft natuurlijk ook zoiets als een balans die altijd…in balans is, alleen wordt dat op een aparte manier kloppend gemaakt die in een fabriek niet kan. (vreemd vermogen, huh….?). Verder is er nog een belangrijk verschil met de chemie: bij de bank kan “massa” (geld) uit het niets worden gecreëerd. Dit kan alleen bij een kerncentrale. Aparte wereld die bancaire sector, waar ik als chemisch technoloog ver van weg wil blijven

      Beantwoorden
  4. Johne982
    Johne982 zegt:

    Appreciating the time and energy you put into your blog and in depth information you provide. It’s good to come across a blog every once in a while that isn’t the same unwanted rehashed information. Excellent read! I’ve saved your site and I’m adding your RSS feeds to my Google account. cfdfbdeebcce

    Beantwoorden

Plaats een Reactie

Meepraten?
Draag gerust bij!

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *