第九章制药设备设计物料衡算(1)

第九章物料衡算9.1概述物料衡算即通过计算，求出各种物料的数量和组成。此时设计由定性转入定量。物料衡算是医药设计的基础，物料衡算是最先进行的计算项目，其结果是后续各单项设计，包括热量衡算、设备选型和计算、原材料消耗定额、管路设计等的依据。物料衡算结果的直接关系到整个工艺设计可靠程度。一、物料衡算的作用利用实测得到的数据（文献和理论数据）计算出一些不能直接测定的数据。计算出原料的消耗定额、产品和副产品的产了以及三废的生成量，并在此数据基础上计算能量平衡。在物料衡算的基础上，可进行设备的选型或工艺设计，以确定设备的容积、台数和主要工艺尺寸、确定消耗定额、并进行车间布置设计和管道设计。二、物料衡算的类型1.按物质变化分为：•物理过程的物料衡算：只发生相态和浓度的变化，主要体现在混合、分离过程，如流体的输送、结晶、过滤、干燥、粉碎、萃取、等单元操作丙酮6194.5kg丙酮476.5kg结晶罐纯品176.2kg母液6487.4kg损失7.4kg•化学过程的物料衡算：发生化学合成反应，通过化学组分平衡和元素平衡进行计算。主要涉及化学反应速率、转化率、收率等。甲苯：1000kg浓硫酸：1100kg磺化液排水193.1kg磺化釜水1.12kg硫酸1.85甲苯1.05kg间甲苯磺酸8.45kg邻甲苯磺酸8.83kg对甲苯磺酸78.7kgCH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110~1400C•按操作方式分为：•连续过程的物料衡算•间歇过程的物料衡算•按衡算目的分为：操作型——对已有设备或装置进行衡算设计型——设计新的设备或装置三、物料衡算的基本理论物料平衡方程式•理论基础是质量守恒定律：它是指在一个特定的物系中，进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和必定等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和积累起来的物料质量只和。公式表示为：Σm进料Σm生成Σm出料Σm积累Σm消耗+++=物系:是人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完成的研究对象,也称体系或系统.他可以是一个单元操作,一个反应,也可以是一个车间、工段或设备。对孤立的封闭系统，公式为：Σm积累Σm进料Σm出料-=若物系中没有积累计量时，公式可简化为：Σm进料Σm出料=四、物料衡算的基本方法和步骤•计算前，要尽可能收集足够的的合乎实际的准确数据，称原始数据。•设定值：如年生产天数、班次等•现场实际数据或文献数据：如投料量、配料比回收率、转化率、效价等•假定值（设定值、借用、推断值）：如产品的纯度要求，物料的损失率等。1.收集与计算所必需的基本数据•若有化学反应，要写出所有物系的化学反应方程式。•如硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸2.列出反应方程式，包括主反应和副反应主反应•副反应I•副反应IICH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110~1400CCH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110~1400C110~1400C+H2O+H2SO4CH3SO3HCH3分子量9298172183.根据给定条件画出流程简图画流程简图步骤及要点如下：•1）流程简图中的设备可用方框表示;•2）用线条和箭头表示物料流股的途径和流向；•3）标出流股的已知变量（流量、组成等）•4）未知量用符号表示。•根据已知量和未知量划定体系，利用已知条件，或设定条件计算出未知量•５)列出物料平衡方程式，进行物料衡算。•要求所列独立方程式的数目=未知数的数目反应系统原料苯500kg含５％甲苯F3Ｙ异丙苯F1原料丙烯800kgＹ剩余丙烯Ｙ剩余苯Ｙ剩余甲苯4.选定物料衡算基准•1）时间基准•对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基准可与生产规模直接联系•对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准。对连续过程可１天、１月或１年。•2）质量基准•对于液、固系统，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准。•若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（mol）作基准更方便。对生药和中药可取单位质量的产品作基准。3、体积基准•对气体和液体也可选用体积作基准。即以单位体积的原料或产品为基准进行物料衡算。•在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的衡算基准。合理地选择衡算基准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差例题丙烷充分燃烧时，通入的空气量为理论量的125％，反应式为C3H8+5O2＝＝3CO2+4H2O问100mol燃烧产物需要多少摩尔空气？3燃烧过程C3H81空气O221％,2N279％CO2H2OO2N2解：画出物料流程示意图（一）取1molC3H8为计算基准完全燃烧所需氧的理论量5mol实际供氧量1.25×5＝6.25mol供空气量6.25／0.21＝29.76mol烟道气中N2量29.76×0.79＝23.51mol烟道气中水量4mol烟道气中CO2量3mol烟道气中氧量6.25－5＝1.25mol产生烟道气的量＝3+4+1.25+23.51＝31.76mol100mol烟道气所需空气的量100×29.76／31.76＝93.7mol（二）取1mol空气为计算基准1mol空气为计算基准中氧量为0.21mol燃烧丙烷耗氧量0.21／1.25＝0.168mol燃烧丙烷的量0.168／5＝0.0336mol100mol烟道气所需空气的量:100／1.068＝93.6mol5.列出物料平衡表。•包括输入和输出的物料•由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围组分输入输出kg/hw%kmol/hy%kg/hw%kmol/hy%ABC总计第二节物理过程的物料衡算•1.简单物理过程的物料衡算•例1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。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。42SOHG3HNOG废G硝化混酸1000kg3HNOG42SOHG废G混酸配制搅拌釜图4-1混酸配制过程物料衡算示意图解：取设备为衡算体系，1000千克混酸为计算基准•对HNO3进行物料衡算得•0.98G硝酸=0.461000(a)•对H2SO4进行物料衡算得•0.925G硫酸+0.69G废酸=0.461000(b)•对H2O进行物料衡算得•0.02G硝酸+0.075G硫酸+0.31G废酸=0.081000(c)•解得：G硝酸=469kg,G硫酸=399.5kg,G废酸=131.1kg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质量组成%硝酸469.4HNO3：98H2O:2硝化混酸1000H2SO4:92.5HNO3：98H2O:31硫酸399.5H2SO4:92.5H2O:7.5废酸131.1H2SO4:69H2O:31总计1000总计1000•混酸配制过程的物料平衡表•表中输入、输出两栏中的总量与个分量的合计总数应当都相等例2一种废酸，组成为23％(w%)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的HNO3，要求混合成27％HNO3，60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量。•解：（1）画出流程简图混合过程废酸xkgHNO30.23H2SO40.57H2O0.20zkgHNO30.90H2O0.10混合酸HNO30.27H2SO40.60H2O0.13ykgH2SO40.93H2O0.07•（2）选择计算基准4个物流均可选，选取100kg混酸为基准。•（3）列物料衡算式•总物料衡算式x+y+z=100•H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60•HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100х0.27=27•解方程得：x=41.8kg;y=39kg;z=19.2kg•例3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。•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。精馏塔图4-2苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算F=200kmol.h-1xF=0.4D,xDW,xW=0.01•对全塔进行总物料衡算得，以１小时为计算基准•D+W=200(a)•对苯进行物料衡算得•D×xD+0.01W=2000.4(b)•由塔顶馏出液中苯的回收率得•D×xD=2000.40.985(c)•联解式(a)、(b)和(c)得D=80kmolh-1，W=120kmolh-1，xD=0.985２.中药制药过程的物料衡算•例４某复方中药制剂，其各味原药材采用三级逆流罐水提取工艺，每级提取罐每批拟投中药材总重100kg,药材在罐内预先用水润湿，据测定每1kg干药材可吸水1kg。浸提加８倍量药材的水．已知三级水提取的总出液系数：8.04kg提取液／kg药材；提取液中固溶物含量0.578%;三级提取后得到的浓浸提液密度为1020kg/m3;蒸汽蒸馏得挥发油0.001kg挥发油／kg药材，馏出时的组成0.3%。对该三级提取作物料衡算。M浓浸提液(100℃)三级浸提提取罐图4-４三级提取过程物料衡算示意图3×100kg3×100kg3×800kg中药材润湿药材水浸提用水M水汽(100℃)M挥发油＋M水(100℃)M药渣(100℃)M挥发油=300×0.001=0.3(kg)蒸汽蒸馏得挥发油0.001kg挥发油／kg药材，馏出时的组成0.3%。M水(100℃)×0.3%=M挥发油→M水(100℃)=100(kg)M浓浸提液(100℃)=300×8.04=2412(kg)已知三级水提取的总出液系数：8.04kg提取液／kg药材提取液中固溶物含量0.578%;Σ输入=Σ输出3×100＋3×100＋3×800+100=M浓浸提液(100℃)+M挥发油＋M水(100℃)+M药渣(100℃)得：M药渣(100℃)＝587.70kgΣ输入水量=Σ输出水量提取液中固溶物含量0.578%;3×800+100=M浓浸提液(100℃)－M固溶物＋M水(100℃)+M药渣含水M固溶物＝M浓浸提液×0.578%=13.94(kg)得：M药渣含水＝301.94(kg)浓浸提液(100℃)2412kg三级浸提提取罐图4-４三级提取过程物料衡算示意图3×100kg3×100kg3×800kg中药材润湿药材水浸提用水100℃水汽100kg挥发油＋水(100℃)0.3kg＋100kg药渣587.70kg(100℃)内含物质量物流名称输入输出总量可浸出物挥发油净药渣水总量可浸出物挥发油净药渣水投入中药材300300240010013.940.3285.763002400100100.32412587.713.940.3285.761002398.06301.94润湿药材用水浸提用水水蒸汽直接蒸汽挥发油馏出物浓浸提液药渣合计310013.940.3285.762800310013.940.3285.762800三级提取过程物料衡算表第三节化学过程的物料衡算•1.反应转化率、选择性及收率•（1）转化率•限制反应物•——化学反应原料不按化学计量比配料时，以•最小化学计量数存在的反应物。•过量反应物•——反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量的，该反应物叫过量反应物。转化率x•——某反应物的反应消耗量与反应物的原始投料量之比。•反应：aA+bB→cC+dD反应体系NA1NA2%100121AAAANNNX例５甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸