制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算

制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算概述物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。主副產(chǎn)品的產(chǎn)量原材料消耗定額生產(chǎn)過(guò)程中的損耗三廢產(chǎn)生量物料的浪費(fèi)生產(chǎn)過(guò)程的反常現(xiàn)象物料衡算制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算制藥工程1概述

物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。主副產(chǎn)品的產(chǎn)量原材料消耗定額生產(chǎn)過(guò)程中的損耗三廢產(chǎn)生量物料的浪費(fèi)生產(chǎn)過(guò)程的反?，F(xiàn)象物料衡算概述物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，2物料衡算的理論依據(jù)“質(zhì)量守衡定律”在化工過(guò)程中，物料平衡是指：進(jìn)入一個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量，必定等于離開這個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)累積起來(lái)的物料的量。輸入=輸出+累積∑F=∑D+W物料衡算的理論依據(jù)“質(zhì)量守衡定律”在化工過(guò)程中，物料平衡是指3（1）基本式：輸入+生成=輸出+消耗+累積“生成”、“消耗”是指由于化學(xué)反應(yīng)而生成、消耗的質(zhì)量（2）對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程：累積項(xiàng)=0輸入+生成=輸出+消耗*穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)任一部分的參數(shù)，不隨時(shí)間而變，只隨空間位置而改變，是存在于連續(xù)操作的一個(gè)過(guò)程，其特征為：累積項(xiàng)=0有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程：輸入=輸出（1）基本式：輸入+生成=輸出+消耗+累積*穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過(guò)4穩(wěn)態(tài)過(guò)程物料衡算式物料平衡形式無(wú)化學(xué)反應(yīng)有化學(xué)反應(yīng)總平衡式總質(zhì)量平衡式是是總摩爾平衡式是否組分平衡式組分質(zhì)量平衡式是否組分摩爾平衡式是否元素原子

平衡式元素原子質(zhì)量平衡式是是元素原子摩爾平衡式是是穩(wěn)態(tài)過(guò)程物料衡算式物料平衡形式無(wú)化學(xué)反應(yīng)有化學(xué)反應(yīng)總平5物

料

衡

算

的

基

本

步

驟1.畫出工藝流程示意圖2.列出化學(xué)方程式3.確定計(jì)劃任務(wù)4.收集數(shù)據(jù)物料的名稱，數(shù)量，組成及流向與計(jì)算有關(guān)的工藝條件如：P，T，配比等未知的，待求的未知項(xiàng)，用字母，符號(hào)標(biāo)定清楚。畫出與物料衡算有關(guān)的設(shè)備及管線寫明反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)省略次要的副反應(yīng)分析未知選擇公式物

料

衡

算

的

基

本

步

驟1.畫出工藝流程示意圖26收集數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間（年生產(chǎn)時(shí)數(shù)）生產(chǎn)規(guī)模在設(shè)計(jì)任務(wù)書中已有，若是中間車間應(yīng)根據(jù)消耗定額來(lái)確定生產(chǎn)規(guī)模，要考慮物料在車間回流的情況。

大型企業(yè)一般8000小時(shí)/年

對(duì)要經(jīng)常維修或試驗(yàn)性車間一般7200小時(shí)/年

很少的廠可達(dá)8400小時(shí)/年有關(guān)的定額，收率，轉(zhuǎn)化率的數(shù)據(jù)收集

要注意可靠性準(zhǔn)確性，并了解其單位與基準(zhǔn)原料，輔助材料，產(chǎn)品，中間產(chǎn)品的規(guī)格與計(jì)算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)

如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù)收集數(shù)據(jù)75.選擇計(jì)算基準(zhǔn)6.建立物料平衡方程，進(jìn)行物料衡算7.整理并校核計(jì)算結(jié)果8.繪制物料流程圖，填寫物料平衡表。列出的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式的數(shù)目應(yīng)與所求未知項(xiàng)的數(shù)目相同，若數(shù)學(xué)式不夠，用試差法求解。時(shí)間基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)5.選擇計(jì)算基準(zhǔn)6.建立物料平衡方程，7.整理并8對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程可用單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的產(chǎn)品量作計(jì)算基準(zhǔn)。

對(duì)間歇生產(chǎn)過(guò)程可以一套或一批料的生產(chǎn)周期作基準(zhǔn)。

如一個(gè)反應(yīng)釜，每次投料800kg，完成一個(gè)操作周期為4h，則每小時(shí)處理物料200kg/h作計(jì)算基準(zhǔn)。時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程可用單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的時(shí)間基準(zhǔn)9質(zhì)量基準(zhǔn)當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣于固相或液相時(shí)，可選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)，可選用1kg原料為計(jì)算基準(zhǔn)。特別是原料或產(chǎn)品是單一化合物，或其組成是已知的，選此作計(jì)算基準(zhǔn)更為方便。質(zhì)量基準(zhǔn)當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣于固相或液相時(shí)，可選擇一定10體積基準(zhǔn)當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成STP（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下的體積，這樣可排除T，P變化帶來(lái)的影響，而且容易把體積換算成mol數(shù)（除以22.4）。不論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)往往都含有一定的水分，因此就出現(xiàn)干基，濕基的問(wèn)題。

若進(jìn)行衡算時(shí)，把水分去掉則稱干基，把水分一起算入稱為濕基，二者可互算。干濕基準(zhǔn)*選作基準(zhǔn)的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料關(guān)系明確之物。體積基準(zhǔn)當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成不論是11物料平衡表輸入輸出名稱重量組成%單重名稱重量組成%單重混酸435HNO347H2SO449H2O4204.5213.117.4廢酸291HNO31H2SO473.2H2O25.82.9213.175氯苯混合料394C6H5Cl92NO2C6H4Cl8362.531.5硝基

物層538C6H5Cl0.65NO2C6H4Cl99.353.5

534.6共計(jì)829100100829共計(jì)829100100829基準(zhǔn)：每小時(shí)單位：kg物料平衡表輸入輸出名稱重量12廢酸層165.3組分重量%HNO3H2SO4H2ONCB2.60118.641.32.851.5771.7424.981.72混合料210.7組分重量%NCBCB2.6201.351.2398.7萃取廢酸162.7組分重量%氯苯208.1組分重量%CB208.1100萃

取硝

化單位：kg/h物料流程圖-2.6+2.6廢酸層165.3組分重量%HNO32.601.57混合料13概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目錄概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算2141.摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均分子量摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)于流動(dòng)物系質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于流動(dòng)物系平均分子量摩爾流量質(zhì)量流量質(zhì)量流速1.摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均分子量摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)于流動(dòng)物系質(zhì)量152.流體的流量和流速體積流量：m3/h、m3/min、m3/s流體的線速度：流體單位時(shí)間內(nèi)在流動(dòng)的方向上所流經(jīng)的距離,m/s質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量kg/h、kg/min、kg/s質(zhì)量流速G：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的單位橫截面積的流體的質(zhì)量kg/h、kg/min、kg/s摩爾流量：kmol/h、kmol/min、kmol/s體積流量質(zhì)量流量線速度W=Qρ=uAρ2.流體的流量和流速體積流量：m3/h、m3/min163.氣體的體積和密度1）一般壓力、溫度<1MPa按理想氣體對(duì)待PV=nRT或3.氣體的體積和密度1）一般壓力、溫度<1MPa172）高壓下>1MPa按真實(shí)氣體對(duì)待PV=ZnRTZ為壓縮因子，為對(duì)比壓力pr、對(duì)比溫度Tr的函數(shù)臨界值H2、He和Ne根據(jù)pr和Tr查表得Z如為混合氣體2）高壓下>1MPa按真實(shí)氣體對(duì)待PV=Zn183）真實(shí)氣體混合物假臨界值仍用壓縮因子法計(jì)算4）標(biāo)準(zhǔn)狀況用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積表示氣體的量下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀況，下標(biāo)“1”表示工作狀態(tài)3）真實(shí)氣體混合物假臨界值仍用壓縮因子法計(jì)算4）標(biāo)準(zhǔn)狀況194.液體的密度對(duì)比密度臨界密度由pr和Tr查表液體混合物密度與溫度、壓力和組成有關(guān)體積加合法4.液體的密度對(duì)比密度臨界密度由pr和Tr查表液體混合物密205.物質(zhì)的飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓：液體在一定溫度下相應(yīng)的蒸發(fā)-凝結(jié)的平衡狀態(tài)的蒸汽壓力6.溶液上方蒸汽中各組分的分壓1）理想溶液由化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似，相對(duì)分子質(zhì)量又相近的組分所形成的溶液拉烏爾定律5.物質(zhì)的飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓：液體在一定溫度下相應(yīng)的蒸212）非理想溶液活度系數(shù)，ri＝ai/xi由范拉爾方程或威爾遜方程求得7.氣液平衡常數(shù)1）完全理想系低壓下組分結(jié)構(gòu)十分相似的溶液2）理想系中壓(<1.5~2.0Mpa)的理想溶液2）非理想溶液活度系數(shù)，ri＝ai/xi7.氣液平衡常227.轉(zhuǎn)化率x、收率Y和選擇性S起始量的選擇：連續(xù)反應(yīng)器反應(yīng)器進(jìn)口處原料的狀態(tài)為起始狀態(tài)間歇反應(yīng)器反應(yīng)開始時(shí)的狀態(tài)為起始狀態(tài)串聯(lián)反應(yīng)器進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料組成為計(jì)算基準(zhǔn)限制反應(yīng)物過(guò)量反應(yīng)物Y=Sx7.轉(zhuǎn)化率x、收率Y和選擇性S起始量的選擇：限制反應(yīng)物23概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目錄概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算224物理過(guò)程的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生屬于化工單元操作過(guò)程的衡算如過(guò)濾、混合、吸收、干燥、結(jié)晶、精餾等

物理過(guò)程的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生25例：在過(guò)濾機(jī)中把含有25%（質(zhì)量%）固體的漿料進(jìn)行過(guò)濾，現(xiàn)在料漿的進(jìn)料量為2000kg/h濾餅含有90%固體，濾液含1%固體。試計(jì)算濾液，濾餅的量（設(shè)過(guò)濾有一個(gè)穩(wěn)態(tài)連續(xù)過(guò)程）1.過(guò)濾：用過(guò)濾設(shè)備把液固分開的操作例：在過(guò)濾機(jī)中把含有25%（質(zhì)量%）固體的漿料進(jìn)行過(guò)濾，現(xiàn)在26例：在蒸發(fā)器中把含NaOH10%、NaCl10%的水溶液濃縮為含NaOH50%、NaCl2%的溶液。若每批處理1000kg原料液。試求

（1）每一批操作中可得的母液量？

（2）蒸發(fā)水量？

（3）析出NaCl固體量2.蒸發(fā)：把溶質(zhì)不揮發(fā)的溶液加熱至沸騰，使溶劑氣化從而獲得濃縮液或析出固體的單元操作。例：在蒸發(fā)器中把含NaOH10%、NaCl10%的水溶液27概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目錄概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算228常用計(jì)算方法利用聯(lián)系物做物料衡算復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算常用計(jì)算方法化學(xué)反應(yīng)的物料衡算291.常用計(jì)算方法由于化學(xué)反應(yīng)的存在，總摩爾平衡式，組分的質(zhì)量，摩爾平衡式是不成立的。在化學(xué)反應(yīng)中常涉及轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、收率、過(guò)量系數(shù)等，要注意其定義式。特別是過(guò)量系數(shù)它是基于限制反應(yīng)物100%轉(zhuǎn)化下的值，而不論真實(shí)反應(yīng)時(shí)限制反應(yīng)物是否完全反應(yīng)。直接計(jì)算法反應(yīng)速度法平衡常數(shù)法結(jié)點(diǎn)法1.常用計(jì)算方法由于化學(xué)反應(yīng)的存在，總摩爾平衡式，組分的質(zhì)量301）直接計(jì)算法根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反應(yīng)式為：CH3OH+0.5O2→HCHO+H2O氧由空氣中來(lái)，已知空氣過(guò)剩系數(shù)為1.5，甲醇轉(zhuǎn)化率為75%。計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的mol組成（反應(yīng)物與產(chǎn)物均為氣態(tài)）。1）直接計(jì)算法根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算例1：用甲醇催化氧化31 反應(yīng)后氣體混合物組成：組分molmol%CH3OH0.255HCHO0.7515.2H2O0.7515.2O20.3757.6N22.8257共計(jì)4.945100 反應(yīng)后氣體混合物組成：組分molmol%CH3O322.反應(yīng)速度法反應(yīng)速率的定義：某一組分進(jìn)單位體積反應(yīng)器與出反應(yīng)器的mol流量之差稱為該組分的反應(yīng)速率。(mol·m-3/s)RS=FS′-FS

S—組分;RS—S組分的反應(yīng)速率（以單位時(shí)間表示） 則FS′=FS+RS

FS—S組分的輸入流量kmol/sFS’—S組分輸出流量kmol/s

當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，以組分建立的質(zhì)量平衡式和mol平衡式已不成立，這時(shí)利用反應(yīng)速率來(lái)建立衡算式。2.反應(yīng)速度法反應(yīng)速率的定義：某一組分進(jìn)單位體積反應(yīng)器與33a