制藥工程工藝設(shè)計(jì)之三

1、第三章 物料衡算Contents概 述 物理過程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算連續(xù)過程的物料衡算4123物料流程圖5第一節(jié) 概 述 兩類問題：一是新產(chǎn)品的工藝流程或生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和改造；二是對實(shí)際操作過程的分析和控制根據(jù)項(xiàng)目年產(chǎn)量，通過對全過程或者單元操作的物料衡算計(jì)算，得到單耗（生產(chǎn)1kg產(chǎn)品所需要原料的質(zhì)量）、副產(chǎn)品量以及輸出過程中物料損耗量等，是設(shè)計(jì)由定性向轉(zhuǎn)向定量是設(shè)計(jì)最先完成的一個計(jì)算項(xiàng)目，其結(jié)果是后續(xù)的車間熱量衡算、設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與選型、確定原材料消耗定量、進(jìn)行管路設(shè)計(jì)等各種項(xiàng)目的依據(jù)物料衡算結(jié)果的正確與否將直接關(guān)系到工藝設(shè)計(jì)的可靠程度第一節(jié) 概述一、物料衡算的作用和任務(wù)確定物系和

2、該物系衡算的界限解釋開放與封閉物系之間的差異反應(yīng)式、進(jìn)出物料量等內(nèi)容不發(fā)生累積，不生成或消耗解釋進(jìn)出物系的質(zhì)量情況步驟列出輸入=輸出等式第一節(jié) 概 述 量度率比配料比、循環(huán)比、回流比、氣液比等- 純度、濃度、分離度等- 轉(zhuǎn)換率、產(chǎn)率、回收率等- 產(chǎn)量、流量、消耗量、排出量、投料量等第一節(jié) 概 述 二、物料衡算的類型操作方式物質(zhì)的變化過程物理過程物料衡算化學(xué)過程物料衡算連續(xù)操作物料衡算間歇操作物料衡算類型第一節(jié) 概 述 三、物料衡算的基本理論物料衡算以質(zhì)量守恒定律和化學(xué)計(jì)量關(guān)系為理論基礎(chǔ)，指“在一個特定物系中，進(jìn)入物系的全部物料質(zhì)量加上所有生成量之和必等于離開該系統(tǒng)的全部產(chǎn)物質(zhì)量加上消耗掉的和累

3、積起來的物料質(zhì)量之和”第一節(jié) 概 述 物系是認(rèn)為規(guī)定一個過程的全部或其一部分作為研究對象，也稱為體系或系統(tǒng)若物系中的物質(zhì)無生成或消耗，即該物系為孤立的封閉體系，若物系中沒有累積量，過程是穩(wěn)態(tài)過程時，任何簡單或復(fù)雜的生產(chǎn)過程都可簡化為：第一節(jié) 概 述 四、物料衡算的基本方法和步驟收集基本數(shù)據(jù)1列出主、副反應(yīng)的化學(xué)方程式2年產(chǎn)量、投料量、配料比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率以及物料物性參數(shù)、反應(yīng)方程、分配系數(shù)等全面了解化學(xué)反應(yīng)的類型和產(chǎn)物；選擇性、收率等第一節(jié) 概 述 四、物料衡算的基本方法和步驟根據(jù)給定條件畫出流程簡圖3確定衡算的物性，畫出示意流程圖表示所有物料線，標(biāo)注原始數(shù)據(jù)（包括數(shù)量和組成）重點(diǎn)考

4、慮：物料種類和走向第一節(jié) 概 述 四、物料衡算的基本方法和步驟選擇物料計(jì)算基準(zhǔn)4時間基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)以一段時間的投料量或產(chǎn)量作為計(jì)算基準(zhǔn)按單位質(zhì)量作為基準(zhǔn)或物質(zhì)的量作為基準(zhǔn)把實(shí)際體積按標(biāo)準(zhǔn)體積，用m3（STP）表示物料存在一定水分，其中水分計(jì)不計(jì)算即干濕基第一節(jié) 概 述 四、物料衡算的基本方法和步驟選擇物料計(jì)算基準(zhǔn)4選用原則：應(yīng)選擇已知量最多的流股作為計(jì)算基準(zhǔn)；如某一體系，進(jìn)料已知其主要組分，而產(chǎn)物的組成已知，就可以選用產(chǎn)物的單位質(zhì)量或單位體積為基準(zhǔn)對液體或固體體系，常選用單位質(zhì)量作基準(zhǔn)對于連續(xù)流動的體系，用單位時間內(nèi)的物流量作基準(zhǔn)對于間歇體系，可選用加入設(shè)備的批量作基準(zhǔn)對于氣體物

5、料，若環(huán)境條件已定，可選用體積作基準(zhǔn)第一節(jié) 概 述 四、物料衡算的基本方法和步驟列出物料平衡表5第一節(jié) 概 述 四、物料衡算的基本方法和步驟繪制物料流程框圖6是物料衡算計(jì)算結(jié)果的一種表示方式優(yōu)點(diǎn)：簡單清楚，查閱方便，并能表示出各物料的流程中的位置和相互關(guān)系注意事項(xiàng)：成品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、原輔料的質(zhì)量和規(guī)格、各工序中間體的檢驗(yàn)方法和監(jiān)控、回收套用處理等第一節(jié) 概 述 五、計(jì)算數(shù)據(jù)說明收 率轉(zhuǎn)化率12第一節(jié) 概 述 五、計(jì)算數(shù)據(jù)說明選擇性3單 耗4第二節(jié) 物理過程的物料衡算物質(zhì)不發(fā)生變化，只是它們的相態(tài)和濃度發(fā)生變化，主要有混合過程和分離過程分離包括機(jī)械分離和傳質(zhì)分離一是在原料中加入分離劑而形成兩相，組

6、分在兩相中傳質(zhì)而被分離，如吸收、吸附和萃取另一種是給原料物流加入能量或除去能量，即加熱或冷卻物流，使之成為兩相，如蒸餾和結(jié)晶第二節(jié) 物理過程的物料衡算用固體吸附分離氣體或液體混合物吸 附質(zhì)量傳遞用液體萃取劑分離均相液體混合物萃 取質(zhì)量傳遞各組分揮發(fā)度不同分離混合物蒸 餾質(zhì)量傳遞用液體吸收劑分離氣體混合物吸 收質(zhì)量傳遞傳遞基礎(chǔ)單元操作目 的 Description of the contents固體膜、液體膜分離氣體、液體混合物膜分離質(zhì)量傳遞第二節(jié) 物理過程的物料衡算不帶過程限制條件的物料衡算1帶過程限制條件的物料衡算2只需用物料平衡關(guān)系式和濃度限制關(guān)系式，且關(guān)聯(lián)方程式均為線性或均可線性化，通過

7、物料平衡關(guān)系和濃度限制關(guān)系列出相關(guān)的關(guān)聯(lián)方程，進(jìn)而求解物料衡算結(jié)果不僅要用物料平衡關(guān)系式和濃度限制關(guān)系式，還要有過程限制關(guān)系式，且過程限制關(guān)聯(lián)方程式通常為非線性并難以線性化，通過物料平衡關(guān)系濃度限制關(guān)系和過程限制關(guān)系列出相關(guān)的關(guān)聯(lián)方程式，進(jìn)而求解物料衡算結(jié)果例1 在間歇釜式反應(yīng)器中用濃硫酸磺化甲苯生產(chǎn)對甲苯磺酸，已知批投料量為：甲苯1000kg，純度99.9%(wt%，下同)；濃硫酸1100kg，純度98%；甲苯的轉(zhuǎn)化率為98%，生成對甲苯磺酸的選擇性為82%，生成鄰甲苯磺酸的選擇性為9.2%，生成間甲苯磺酸的選擇性為8.8%；物料中的水約90%經(jīng)連續(xù)脫水器排出。此外，為簡化計(jì)算，假設(shè)原料中除

8、純品外都是水，且在磺化過程中無物料損失。其工藝流程如圖10-11所示，試對該過程進(jìn)行物料衡算。批次操作的物料衡算1100kg, 98%1000kg，99.9%甲苯磺酸轉(zhuǎn)化率為98%解：以間歇釜式反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。圖11-3 甲苯磺化過程物料衡算示意圖 原料甲苯：1000kg 純度99.9% 濃硫酸：1100kg 純度98% 磺化液 脫水器排 水 甲 苯磺化釜范例： 批次操作的物料衡算 圖中共有4股物料，物料衡算的目的就是確定各股物料的數(shù)量和組成，并據(jù)此編制物料平衡表。 對于間歇操作過程，常以單位時間間隔(一個操作周期)內(nèi)的投料量為基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。進(jìn)料： 原料甲苯中的甲苯量

9、為：10000.999=999kg 原料甲苯中的水量為：1000-999=1kg 濃硫酸中的硫酸量為：11000.98=1078kg 濃硫酸中的水量為：1100-1078=22kg 進(jìn)料總量為：1000+1100=2100kg，其中含甲苯999kg，硫酸1078kg，水23kg。出料：反應(yīng)消耗的甲苯量為：99998%=979kg 未反應(yīng)的甲苯量為：999-979=20kg主反應(yīng)副反應(yīng)I 分子量 92 98 172 18副反應(yīng)II反應(yīng)生成的對甲苯磺酸量為： 反應(yīng)生成的鄰甲苯磺酸量為： 反應(yīng)生成的間甲苯磺酸量為： 反應(yīng)生成的水量為： kgkgkgkg經(jīng)脫水器排出的水量為：(23+191.5)90%=193.1kg磺化液中剩余的水量為：(23+191.5)-193.1=21.4kg反應(yīng)消耗的硫酸量為： kg 未反應(yīng)的硫酸量為：1078-1042.8=35.2kg 磺化液總量為：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg表11-3 甲苯磺化過程的物料平衡表輸入物料名稱質(zhì)量/kg質(zhì)量組成/%純品量/kg原料甲苯1000甲苯99.9999水0.11濃硫酸