第4章物料衡算

1PharmaceuticalEngineering第4章物料衡算4.1概述4.2物料衡算基本理论4.3物料衡算举例2PharmaceuticalEngineering4.1概述物料衡算是最先进行的一个计算项目，其结果是后续的能量衡算、设备选型或工艺设计、车间布置设计、管道设计等各单项设计的依据，因此，物料衡算结果的正确与否直接关系到整个工艺设计可靠程度。3PharmaceuticalEngineering物料衡算的依据是工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有关资料。虽然工艺流程示意图只是定性地给出了物料的来龙去脉，但它决定了应对哪些过程或设备进行物料衡算，以及这些过程或设备所涉及的物料。可见，工艺流程示意图对物料衡算起着重要的指导作用。4.1概述4PharmaceuticalEngineering制药工业包括原料药工业和制剂工业,其中制剂工业的生产过程通常为物理过程,其物料衡算比较简单。原料药的生产途径很多,如化学合成、生物发酵、中草药提取等。本章主要讨论化学过程的物料衡算。4.1概述5PharmaceuticalEngineering4.2.1物料衡算平衡方程式4.2.2衡算基准4.2.3衡算范围4.2.4衡算方法和步骤4.2物料衡算基本理论6PharmaceuticalEngineering1.物理过程根据质量守恒定律，(4-1)式中——输入体系的总物料量；——输出体系的总物料量；GA——物料在体系中的总累积量。上式也适用于物理过程任一组分或元素的物料衡算。AOIGGGIGOG4.2.1物料衡算平衡方程式7PharmaceuticalEngineering对于稳态过程，物料在体系内没有累积，式(4-1)可简化为(4-2)式(4-2)表明，对于物理过程，若物料在体系内没有累积，则输入体系的物料量等于离开体系的物料量，不仅总质量平衡，而且对其中的任一组分或元素也平衡。OIGG4.2.1物料衡算平衡方程式8PharmaceuticalEngineering2.化学过程对于有化学反应的体系，式(4-1)和(4-2)仍可用于体系的总物料衡算或任一元素的物料衡算，但不能用于组分的物料衡算。(4-3)4.2.1物料衡算平衡方程式AiRiOiPiIiGGGGG9PharmaceuticalEngineering同样，对于稳态过程，组分在体系内没有累积，则式(4-3)可简化为:4.2.1物料衡算平衡方程式RiOiPiIiGGGG10PharmaceuticalEngineering在进行物料衡算或热量衡算时，都必须选择相应的衡算基准作为计算的基础。(1)单位时间(2)单位质量(3)单位体积4.2.2衡算基准11PharmaceuticalEngineering对于间歇生产过程和连续生产过程，均可以单位时间间隔内的投料量或产品量为基准进行物料衡算。根据计算的方便，对于间歇生产过程，单位时间间隔常取一批操作的生产周期；对于连续生产过程，单位时间间隔可以是1秒、1小时、1天或1年。(1)衡算基准——单位时间12PharmaceuticalEngineering产品的年产量、日产量和年生产日之间的关系为(4-5)式中的年产量由设计任务所规定；年生产日要视具体的生产情况而定。年生产日年产量日产量(1)衡算基准——单位时间13PharmaceuticalEngineering对于间歇生产过程和连续生产过程，也可以一定质量，如1kg、1000kg(1吨)或1mol、1kmol的原料或产品为基准进行物料衡算。(2)衡算基准——单位质量14PharmaceuticalEngineering若所处理的物料为气相，则可以单位体积的原料或产品为基准进行物料衡算。由于气体的体积随温度和压力而变化,因此,应将操作状态下的气体体积全部换算成标准状态下的体积,即以1m3(标况下)的原料或产品为基准进行物料衡算。这样既能消除温度和压力变化所带来的影响,又能方便地将气体体积换算成摩尔数。(3)衡算基准——单位体积15PharmaceuticalEngineering在进行物料衡算时,经常会遇到比较复杂的计算。为计算方便,一般要划定物料衡算范围。根据衡算目的和对象的不同,衡算范围可以是一台设备、一套装置、一个工段、一个车间、一个工厂等。衡算范围一经划定,即可视为一个独立的体系。凡进入体系的物料均为输入项，离开体系的物料均为输出项。4.2.3衡算范围16PharmaceuticalEngineering4.2.3衡算范围水蒸汽冷却水连续式脱水器磺化釜浓硫酸甲苯冷凝器水17PharmaceuticalEngineering(1)明确衡算目的，如通过物料衡算确定生产能力、纯度、收率等数据。(2)明确衡算对象，划定衡算范围，绘出物料衡算示意图，并在图上标注与物料衡算有关的已知和未知的数据。(3)对于有化学反应的体系，应写出化学反应方程式(包括主、副反应)，以确定反应前后的物料组成及各组分之间的摩尔比。4.2.4衡算方法和步骤18PharmaceuticalEngineering(4)收集与物料衡算有关的计算数据，包括生产规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；有关的定额和消耗指标，如产品单耗、配料比、回收率、转化率、选择性、收率等；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。(5)选定衡算基准。(6)列出物料平衡方程式，进行物料衡算。(7)编制物料平衡表。4.2.4衡算方法和步骤19PharmaceuticalEngineering4.3物料衡算举例4.3.1物理过程的物料衡算4.3.2化学过程的物料衡算20PharmaceuticalEngineering例4-1硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为H2SO446%(质量百分比，下同)、HNO346%、H2O8%，配制混酸用的原料为92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含H2SO469%的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制1000kg混酸时各原料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。4.3.1物理过程的物料衡算21PharmaceuticalEngineering解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图中为92.5%的硫酸用量，为98%的硝酸用量，为含69%硫酸的废酸用量。硝化混酸1000kg3HNOG42SOHG废G混酸配制搅拌釜42SOHG3HNOG废G图4-1混酸配制过程物料衡算示意图4.3.1物理过程的物料衡算92.5%98%69%46%46%8%22PharmaceuticalEngineering对HNO3进行物料衡算得0.98=0.461000(a)对H2SO4进行物料衡算得0.925+0.69=0.461000(b)对H2O进行物料衡算得0.02+0.075+0.31=0.081000(c)3HNOG42SOHG废G3HNOG42SOHG废G4.3.1物理过程的物料衡算23联解式(a)、(b)和(c)得=469.4kg，=399.5kg，=131.1kg3HNOG42SOHG废G24PharmaceuticalEngineering表4-1混酸配制过程的物料平衡表输入物料名称工业品量/kg质量组成/%输出物料名称工业品量/kg硝酸469.4HNO3：98H2O：2硝化混酸1000H2SO4：46HNO3：46H2O：8硫酸399.5H2SO4：92.5H2O：7.5废酸131.1H2SO4：69H2O：31总计1000总计1000质量组成/%4.3.1物理过程的物料衡算25PharmaceuticalEngineering例4-2拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知混合液的进料流量为200kmolh-1，其中含苯0.4(摩尔分率，下同)，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于0.01，塔顶馏出液中苯的回收率不低于98.5%，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。4.3.1物理过程的物料衡算26PharmaceuticalEngineering精馏塔图4-2苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算解：以连续精馏塔为衡算范围,绘出物料衡算示意图。图中F为混合液的进料流量,D为塔顶馏出液的流量,W为塔底釜液的流量,x为苯的摩尔分率。图中共有3股物料，3个未知数，需列出3个独立方程。F=200kmol.h-1xF=0.4D,xDW,xW=0.014.3.1物理过程的物料衡算27PharmaceuticalEngineering对全塔进行总物料衡算得(a)对苯进行物料衡算得(b)由塔顶馏出液中苯的回收率得(c)联解式(a)、(b)和(c)得=80kmolh-1，=120kmolh-1，=0.985WD200W01.0Dx4.0200D985.04.0200DxDDWDx4.3.1物理过程的物料衡算28PharmaceuticalEngineering表4-2苯和甲苯精馏过程的物料平衡表摩尔组成/%苯：0.985甲苯：0.015苯：0.01甲苯：0.99输入物料名称流量/kmolh-1摩尔组成/%输出物料名称流量/kmolh-1苯和甲苯混合液200苯：0.4甲苯：0.6馏出液80釜液120总计200总计2004.3.1物理过程的物料衡算29PharmaceuticalEngineering(1)化学过程的几个概念(2)间歇操作过程的物料衡算(3)连续操作过程的物料衡算(4)含有化学平衡的物料衡算4.3.2化学过程的物料衡算30PharmaceuticalEngineering某反应物的转化率可用该反应物的反应消耗量与反应物的原始投料量之比来表示，即(4-6)式中xA——反应物A的转化率。由于各反应物的原始投料量不一定符合化学计量关系,因此以不同反应物为基准进行计算所得的转化率不一定相同。%100AAxA的投料量反应物的反应消耗量反应物(1)概念——转化率31PharmaceuticalEngineering某产物的收率可用转化为该产物的反应物A的量与反应物A的原始投料量之比来表示，即(4-7)式中y——目标产物的收率。某产物的收率也可用该产物的实际获得量与按投料量计算应得到的理论量之比来表示，即(4-8)(1)概念——收率%100AAy的投料量反应物的量的反应物按目标产物收得量折算%100y产物量按投料量计算应得到的实际得到的产物量32PharmaceuticalEngineering若反应体系中存在副反应，则在各种主、副产物中，转化成目标产物的反应物A的量与反应物A的反应消耗量之比称为反应的选择性，即(4-9)式中——反应的选择性。由式(4-6)、(4-8)和(4-9)得(4-10)(1)概念——选择性%100AA的反应消耗量反应物的量的反应物按目标产物收得量折算xy33PharmaceuticalEngineering例4-3甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料量为1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸1460kg，未反应的甲苯20kg。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。(1)概念——选择性34PharmaceuticalEngineering解：化学反应方程式为分子量929817218则甲苯的转化率为对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的选择性为CH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110~1400C%98%1001000201000xA%1.78%1001721000921460y%7.79%100172)201000(921460(1)概念——选择性35PharmaceuticalEngineering产品的生产工艺过程通常由若干个物理工序和化学反应工序所组成，各工序都有一定的收率，各工序的收率之积即为总收率。(1)概念——总收率36PharmaceuticalEngineering某些反应过程,主要反应物经一次反应的转化率不