Massabalans bij fabrieken

In de energiesector en de industrie bevinden zich veel fabrieken die continu produceren: er gaat voortdurend een aantal massastromen de fabriek in, terwijl er ook 24 uur per dag, 7 dagen in de week, producten en reststromen de fabriek verlaten. Een aantal voorbeelden daarvan met hun stromen zijn:
• een pindakaasfabriek, waar continu pinda's, water, energie en (glas)verpakking wordt toegevoerd, en een continue stroom potten gevuld met pindakaas de fabriek verlaat.
• een elektriciteitscentrale gestookt op aardgas; de inputs zijn aardgas en lucht, de output (massa) is rookgas.
• een waterkrachtcentrale: zowel de (massa) input als de (massa) output is water.
• een afvalwaterzuiveringsinstallatie (awzi) die bijvoorbeeld het rioolwater van de regio Haaglanden verwerkt. De belangrijkste (massa)input is zuurstof (in lucht) voor de biologische afbraak, de outputs zijn CO₂, effluent en zuiveringsslib.

Als er géén netto accumulatie of depletie in zo'n fabriek (in het continue systeem) optreedt, dan is deze te beschouwen als een open stationair systeem waarvoor de wet van behoud van massa en de balansvergelijking gelden. Voor de uitvoering van een systeemanalyse is deze vergelijking bijzonder handig. Door in de analyse van een fabriek te veronderstellen dat het gaat om een stationair systeem, is het mogelijk na inventarisatie van alle stromen ontbrekende of onbekende informatie af te leiden:

• Een pindakaasfabriek produceert dagelijks 100.000 potten pindakaas, met netto inhoud 700 g pindakaas. Bekend is dat de fabriek dagelijks slechts 60.000 kg pinda's verwerkt. De balansvergelijking vertelt hoeveel water, zout en suiker er bij de pindakaas wordt gemengd.
• Een moderne bierbrouwerij produceert 1 miljoen liter bier per dag. Het bedrijf gebruikt daarvoor dagelijks 6 miljoen liter water. Hieruit is direct duidelijk dat zo'n brouwerij dagelijks 5 miljoen liter afvalwater genereert.
• Een moderne 1000 MW aardgascentrales stookt zo'n 33,3 kg/s methaan (CH₄) met 600 kg/s lucht. Uit de schoorsteen verdwijnt dan onvermijdelijk 633,3 kg/s rookgas(*).
• de awzi's in de regio Haaglanden hebben een zuiveringsrendement van 90%. Dat betekent dat het effluent het equivalent van 10% van de vuillast van de 1,5 miljoen inwoners in de Noordzee loost.

Uit deze voorbeelden blijkt dat het met een systeembenadering en kwantitatieve gegevens van een massabalans mogelijk is om relatief eenvoudig een idee te krijgen van de fysieke omvang van de stromen en daarmee de operatie van dergelijke fabrieken.


(*) Onderbouwing: het rendement van de modernste aardgascentrale in Nederland, de Máximacentrale in Flevoland, is 60%. Het thermisch vermogen van zo'n centrale is dus 1000 / 0,6 = 1667 MW. De stookwaarde (LHV) van methaan (aardgas) is ongeveer 50 MJ/kg; er is dus ca. 1667/50 = 33,3 kg/s methaan nodig. Een mol methaan wordt verbrand met 2 mol zuurstof. In lucht zit per mol zuurstof ongeveer 4 mol stikstof. Dat betekent dat voor elke 16 g methaan er 2 · 32 g zuurstof en 8 · 28 g stikstof wordt toegevoerd. Dat is dus (2 · 32 + 8 · 28) / 16 = 18 gram lucht per gram methaan. Dus bij 33,3 kg/s methaan hoort (stoichiometrisch) 33,3 · 18 = 600 kg/s lucht.