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当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 第3章物料衡算和能量衡算
制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室二、直接推算法1.无化学反应的物料衡算料浆滤饼过滤机F1=2000kg/hF3=?kg/h75%液体90%固体25%固体10%液体滤液F2=?kg/h1%固体99%液体【例2】过滤过程物料衡算解:总平衡:F1=2000=F2+F3固体平衡:2000×0.25=0.01F2+0.9F3联解上两式可得:F2=1460.7kg/hF3=539.3kg/h制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室【例3】某蒸发过程及已知条件如下图所示求:⒈母液量;⒉蒸发水分量;⒊结晶出的NaCl量蒸发器原料液F11000kgNaOHX11=0.10NaClX12=0.10H20X13=0.80NaCl晶体F3X41=0.50X42=0.02母液F4X43=0.48水蒸汽F2解:本题为间歇过程总平衡:F1=F2+F3+F4NaOH平衡:0.1F1=0.5F4NaCl平衡:0.1F1=0.02F4+F3联解上三式可得:F4=200kgF2=704kgF3=96kg制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室粗品溶解碳滤两级过滤溶析结晶罐14365971410281113151612物料衡算计算框图1—粗品;2-注射用水;3-溶解液;4-活性炭;5-滤渣;6-滤液;7-洗涤水;8-两级滤渣;9-两级滤液;10-溶析剂;11-结晶料液;12-丙酮;13-母液;14-湿品;15-水;16-产品系统衡算组分编码表组分名称头孢曲松钠杂质水活性炭丙酮编码12345产品干燥洗涤过滤制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室2.有化学反应的物料衡算【例4】甲醇氧化制甲醛(甲醇转化率xA=0.75)CH3OH+1/2O2HCHO+H2OCH3OHCH3OHHCHO催化反应器H2O空气O2(过量50%)N2采用直接计算法进行物料衡算:制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室CH3OH(输入)=1mol(基准)O2(需要)=0.5mol;O2(输入)=1.5×0.5=0.75mol;N2(输入)=N2(输出)=0.75×(79/21)=2.82mol;HCHO(输出)=0.75mol;CH3OH(输出)=1-反应的CH3OH=1-0.75=0.25mol;O2(输出)=0.75-0.75×0.5=0.375mol;H2O(输出)=0.75molN2(输出)=2.82mol列出物料衡算表(见附表)输入量:输出量:制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室反应器C6H5C2H5C6H5CH3H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H2【例5】苯乙烯的反应器,年生产能力为10000t,年工作时间为8000h,苯乙烯收率为40%,以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为90%,苯选择性为3%,甲苯选择性为5%,焦油选择性为2%。原料乙苯中含甲苯2%(质量分数),反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压,乙苯原料和水蒸气比为1:1.5(质量比),要求对该反应器进行物料衡算,即计算进出反应器各物料的流量。制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室解:反应器中发生了以下化学反应:C6H5C2H5C6H5C2H3+H2(1)C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4(2)C6H5C2H5C2H4+C6H6(3)C6H5C2H57C+3H2+CH4(4)各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩尔质量/(g/mol)1061047892181628122表3-1各物料的摩尔质量基准:选1000kg/h乙苯原料为计算基准制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h,即为9.245kmol/h原料中甲苯量1000kg/h×2%=20kg/h,即为0.217kmol/h水蒸气量980kg/h×1.5=1470kg/h,即为81.667kmol/h乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444参加反应的总乙苯量980kg/h×0.4444=435.11kg/h,即为4.109kmol/h制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室未反应的乙苯量(980-435.11)kg/h=544.89kg/h,即为5.140kmol/h由苯乙烯选择性,生成苯乙烯量4.109kmol/h×90%=3.698kmol/h,即为384.60kg/h由各物质的选择性,有输出的甲苯量4.109kmol/h×5%+0.217kmol/h=0.423kmol/h,即为38.92kg/h生成的苯量4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h,即为9.60kg/h生成的乙烯量4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h,即为3.44kg/h生成的碳量4.109kmol/h×2%×7=0.575kmol/h,即为6.9kg/h生成的甲烷量4.109kmol/h×(5%+2%)=0.288kmol/h,即为4.61kg/h输出的氢量4.109kmol/h×(90%-5%+2%×3)=3.739kmol/h,即为7.48kg/h输出水量=输入水量(不参与反应)1470kg/h,即为81.667kmol/h实际每小时要求苯乙烯的产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h比例系数1250/384.60=3.25制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室表3-2乙苯脱氢反应器物料衡算表组分输入输出摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合计296.1698027.5310.4828028.93制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室三、原子平衡法【例6】将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化,已知碳酸钠溶液组成为NaOH0.59%(质量分数),Na2CO314.88%,H2O84.53%,反应后的苛化液含CaCO313.48%,Ca(OH)20.28%,Na2CO30.61%,NaOH10.36%,H2O75.27%。计算:1)每100kg苛化液需加石灰的质量及石灰的组成;2)每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化反应器FNaOH0.59%Na2CO314.88%H2O84.53%CaCO313.48%Ca(OH)20.28%Na2CO30.61%NaOH10.36%H2O75.27%CaCO3x/WCaOy/WCa(OH)2z/W图3-2物料流程示意图制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室解:设碳酸钠溶液的质量为F(kg)石灰的质量为W(kg)石灰中CaCO3、CaCO3及Ca(OH)2的质量分别设为x、y和z,则石灰中各物质的组成可表示为:x/W,y/W,z/W基准:100kg苛化液画出物料流程示意图(图3-2)Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaOH制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室表3-3各种物料质量和物质的量计算结果Na2CO3溶液中苛化钠溶液中物料摩尔质量(g/mol)质量(kg)物质的量(kmol)物料摩尔质量(g/mol)质量(kg)物质的量(kmol)NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.1347制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室列元素平衡式Na平衡:0.000148F+0.001404F×2=(0.00575×2+0.2590)kmolC平衡:Ca平衡:总物料平衡:F+W=100kg/mol石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z计算结果汇总列入表3-4x100g/mol0.001404F+=(0.1348+0.00575)kmolx100g/mol56g/mol74g/mol++=(0.1348+0.00378)kmolyz制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室表3-4计算结果汇总组分输入输出物质的量/kmol质量/kg物质的量/kmol质量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合计296.1691004.5875100制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室四、平衡常数法对反应aA+bB=cC+dD平衡时,其平衡常数为:=式中,为化学反应的平衡常数,其可以表示为(浓度以mol·L-1表示),(浓度以分压p表示),(N浓度以摩尔分率表示)。K[][][][]cdabCDAB制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室【例7】试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2与CO摩尔比为4.5,惰性组分(I)含量为13.8%,压力为30MPa,温度为365℃,平衡常数=2.505×10-3MPa-2。写出化学反应平衡方程式:CO+2H2CH3OH设进料为1mol,其组成为:I=0.138mol;H2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567基准:1mol原料气制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室设转化率为,则出口气体组成为:CO:0.1567(1-x);H2:0.7053-2×0.1567x;CH3OH:0.1567x;I:0.138;Σ1-0.3134制药工程设计课程DesignofPharmaceuticalEngineering化学工程系化工与制药教研室30.156710.313430CHOHxxp0.1567(1)10.313430COxxp
本文标题:第3章物料衡算和能量衡算
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