制药工程原理与设计物料衡算-2010

1、 物料衡算Material Balance概概 述述 物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内容，是工艺设计的基础。容，是工艺设计的基础。主副产品的产量主副产品的产量原材料消耗定额原材料消耗定额生产过程中的损耗生产过程中的损耗三废产生量三废产生量物料的浪费物料的浪费生产过程的反常现象生产过程的反常现象物物料料衡衡算算物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据“质量守衡定律质量守衡定律”在化工过程中，物料平衡是指：进入一个装置（或设在化工过程中，物料平衡是指：进入一个装置（或设备）的全部物料的量，必定等于离开这个装置（或设备）的全部物料的量，必定等于离开这个装置（或

2、设备）的全部物料的量（包括损失量）和系统内累积起备）的全部物料的量（包括损失量）和系统内累积起来的物料的量。来的物料的量。输入输入=输出输出+累积累积 F=D+W（1）基本式：）基本式： 输入输入+生成生成=输出输出+消耗消耗+累积累积 “生成生成”、“消耗消耗”是指由于化学反应而是指由于化学反应而生生 成、消耗的质量成、消耗的质量（2）对稳态过程：累积项）对稳态过程：累积项=0 输入输入+生成生成=输出输出+消耗消耗* *稳态（定态）过程：系统内任一部分的参数，稳态（定态）过程：系统内任一部分的参数，不随时间而变，只随空间位置而改变，是存在不随时间而变，只随空间位置而改变，是存在于连续操作的

3、一个过程，其特征为：累积项于连续操作的一个过程，其特征为：累积项=0有化学反应时的物料衡算有化学反应时的物料衡算无化学反应的稳态过程无化学反应的稳态过程：输入：输入= =输出输出稳态过程物料衡算式稳态过程物料衡算式物料平衡形式物料平衡形式 无化学反应无化学反应 有化学反应有化学反应 总平衡式总平衡式总质量平衡式总质量平衡式 是是 是是 总摩尔平衡式总摩尔平衡式是是 否否组分平衡式组分平衡式 组分质量平衡式组分质量平衡式是是 否否 组分摩尔平衡式组分摩尔平衡式 是是 否否元素原子元素原子平衡式平衡式 元素原子质量平衡式元素原子质量平衡式 是是 是是 元素原子摩尔平衡式元素原子摩尔平衡式 是是 是

4、是 物料衡算的基本步骤1. 画出工艺流程示意图画出工艺流程示意图2. 列出化学方程式列出化学方程式3. 确定计划任务确定计划任务4. 收集数据收集数据物料的名称，数量，组成及流向物料的名称，数量，组成及流向与计算有关的工艺条件如：与计算有关的工艺条件如：P， T，配比等，配比等未知的，待求的未知项，用字母，未知的，待求的未知项，用字母， 符号标定清楚。符号标定清楚。画出与物料衡算有关的设备及管线画出与物料衡算有关的设备及管线写明反应过程的热效应写明反应过程的热效应省略次要的副反应省略次要的副反应分析未知分析未知选择公式选择公式收集数据收集数据生产规模和生产时间（年生产时数）生产规模和生产时间（

5、年生产时数） 生产规模在设计任务书中已有，若是中间车间应根据消耗生产规模在设计任务书中已有，若是中间车间应根据消耗定额来确定生产规模，要考虑物料在车间回流的情况。定额来确定生产规模，要考虑物料在车间回流的情况。大型企业一般大型企业一般8000小时小时/年年对要经常维修或试验性车间一般对要经常维修或试验性车间一般7200小时小时/年年很少的厂可达很少的厂可达8400小时小时/年年有关的定额，收率，转化率的数据收集有关的定额，收率，转化率的数据收集要注意可靠性准确性，并了解其单位与基准要注意可靠性准确性，并了解其单位与基准原料，辅助材料，产品，中间产品的规格原料，辅助材料，产品，中间产品的规格与计

6、算有关的物理化学常数与计算有关的物理化学常数如密度，蒸汽压，相平衡常数如密度，蒸汽压，相平衡常数5. 选择计算基准选择计算基准6. 建立物料平衡方程，建立物料平衡方程，进行物料衡算进行物料衡算7. 整理并校核计算结果整理并校核计算结果 8. 绘制物料流程图，绘制物料流程图，填写物料平衡表。填写物料平衡表。 列出的数学关联式的数目应与列出的数学关联式的数目应与所求未知项的数目相同，若数学所求未知项的数目相同，若数学式不够，用试差法求解。式不够，用试差法求解。时间基准时间基准质量基准质量基准体积基准体积基准干湿基准干湿基准对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的对连续生产过程可用单位时间的物

7、料量或单位时间的产品量作计算基准。产品量作计算基准。 对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。如一个反应釜，每次投料如一个反应釜，每次投料800kg，完成一个操作周期为，完成一个操作周期为4h，则每小时处理物料，则每小时处理物料200kg/h作计算基准。作计算基准。时间基准时间基准质量基准质量基准当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时，可选择一定当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时，可选择一定质量的原料或产品作为计算基准，可选用质量的原料或产品作为计算基准，可选用1kg原料为计算基准。原料为计算基准。特别是原料或产品是单一化合物，或其组

8、成是已知的，选特别是原料或产品是单一化合物，或其组成是已知的，选此作计算基准更为方便。此作计算基准更为方便。 体积基准体积基准当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成STP（标准状态）下的体积，这样可排除（标准状态）下的体积，这样可排除T，P变化带变化带来的影响，而且容易把体积换算成来的影响，而且容易把体积换算成mol数（除以数（除以22.4）。）。不论是固态，液态或气态物质往往都含有一定的水分，因不论是固态，液态或气态物质往往都含有一定的水分，因此就出现干基，湿基的问题。此就出现干基，湿基的问题。若进行衡算时，把水分去掉则称干基，把水分一起

9、算入若进行衡算时，把水分去掉则称干基，把水分一起算入称为湿基，二者可互算。称为湿基，二者可互算。干湿基准干湿基准* *选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料关系明确之物。关系明确之物。物料平衡表物料平衡表 输输 入入输输 出出 名称名称重量重量组成组成%单重单重名称名称重量重量组成组成%单重单重混酸混酸 435HNO3 47H2SO4 49H2O 4 204.5213.117.4 废酸废酸291HNO3 1H2SO4 73.2H2O 25.8 2.9213.175氯氯 苯苯混合料混合料 394C6H5Cl 92NO2C6H4Cl 8 3

10、62.531.5 硝基硝基物层物层538C6H5Cl 0.65NO2C6H4Cl 99.353.5534.6共计共计 829100100829 共计共计829100100829基准：每小时基准：每小时 单位：单位：kgkg废酸层 165.3组分重量%HNO3H2SO4H2ONCB2.60118.641.32.851.5771.7424.981.72混合料 210.7组分重量%NCBCB2.6201.351.2398.7萃取废酸 162.7组分重量%氯苯 208.1组分重量%CB208.1100萃取硝化单 位：kg/h物料流程图物料流程图 -2.6+2.6概述概述1计算中用的基本量计算中用的基本

11、量物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算化学反应的物料衡算234目 录1. 摩尔分数、质量分数、平均分子量摩尔分数、质量分数、平均分子量tiinnx tiinny tiiFFx tiiFFy tiimmw tiiWWw tiiGGw iniixMM1摩尔分数摩尔分数对于流动物系对于流动物系质量分数质量分数对于流动物系对于流动物系平均分子量平均分子量摩尔流量摩尔流量质量流量质量流量质量流速质量流速2. 流体的流量和流速流体的流量和流速AQu 体积流量：体积流量： m3/h、 m3/min、 m3/s流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流流体的线速度：流体单位时间内在流动的

12、方向上所流 经的距离经的距离, m/s质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s质量流速质量流速G：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积 的流体的质量的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/sAWG 摩尔流量：摩尔流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s体积流量体积流量质量流量质量流量线速度线速度W=Q=uA3. 气体的体积和密度气体的体积和密度1） 一般压力、温度一般压力、温度1M Pa 按真实气体对待按真实气体对待 PV=ZnRTZ为压缩因

13、子，为对比压力为压缩因子，为对比压力pr、对比温度、对比温度Tr的函数的函数cpprpcTTrT8prcpp8TrcTT临界值临界值H2、He和和Ne根据根据pr和和Tr查查表得表得ZZRTMpgRTZpMmixg如为混合气体如为混合气体3） 真实气体混合物真实气体混合物prcppTrcTT假临界值假临界值ciicpxpciicTxT仍用压缩因子法计算仍用压缩因子法计算4） 标准状况标准状况用标准状况下的体积表示气体的量用标准状况下的体积表示气体的量111000TVpTVp111000TQpTQp下标下标“0”表示标准状况，下标表示标准状况，下标“1”表示工作状态表示工作状态4. 液体的密度液

14、体的密度3201tttcr对比密度对比密度临界密度临界密度1212rr77. 077. 0)(MpRTZkcccrcr1212kkrr1212kk由由pr和和Tr查表查表液体混合物液体混合物密度与温度、压力和组成有关密度与温度、压力和组成有关体积加合法体积加合法ii15. 物质的饱和蒸汽压物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压：饱和蒸汽压：液体在一定温度下相应的蒸发液体在一定温度下相应的蒸发-凝结的平衡状态的蒸汽压力凝结的平衡状态的蒸汽压力CtBAp0lg6. 溶液上方蒸汽中各组分的分压溶液上方蒸汽中各组分的分压1）理想溶液）理想溶液由化学结构非常相似，相对分子质量又相近的组分所形成的溶液由化学结构非常相

15、似，相对分子质量又相近的组分所形成的溶液拉乌尔定律拉乌尔定律iiixpp02）非理想溶液）非理想溶液iiiixprp0活度系数，活度系数，riai/ xi由范拉尔方程或威尔逊方程求得由范拉尔方程或威尔逊方程求得7. 气液平衡常数气液平衡常数iixyK 1）完全理想系）完全理想系 低压下组分结构十分相似的溶液低压下组分结构十分相似的溶液ppKii02）理想系）理想系中压中压( 1.52.0Mpa)的理想溶液的理想溶液00,0,iiigiliipvpvffK7. 转化率转化率x、收率、收率Y 和选择性和选择性S该反应物的起始量某反应物的转化量转化率起始量的选择：起始量的选择：连续反应器连续反应器

16、反应器进口处原料的状态为起始状态反应器进口处原料的状态为起始状态间歇反应器间歇反应器 反应开始时的状态为起始状态反应开始时的状态为起始状态串联反应器串联反应器 进入第一个反应器的原料组成为计算基准进入第一个反应器的原料组成为计算基准关键组分的起始量关键组分量生成目的产物所消耗的收率已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的反应选择性限制反应物限制反应物过量反应物过量反应物Y = Sx概述概述1计算中用的基本量计算中用的基本量物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算化学反应的物料衡算234目 录物理过程的物料衡算n无化学反应发生无化学反应发生n属于化工单元操作过程的衡算如过滤

17、、混属于化工单元操作过程的衡算如过滤、混合、吸收、干燥、结晶、精馏等合、吸收、干燥、结晶、精馏等输出输入例：在过滤机中把含有例：在过滤机中把含有25%（质量（质量%）固体的浆料进行）固体的浆料进行过滤，现在料浆的进料量为过滤，现在料浆的进料量为2000kg/h 滤饼含有滤饼含有90%固固体，滤液含体，滤液含1%固体。试计算滤液，滤饼的量（设过滤固体。试计算滤液，滤饼的量（设过滤有一个稳态连续过程）有一个稳态连续过程）1. 1. 过滤：过滤： 用过滤设备把液固分开的操作用过滤设备把液固分开的操作例：在蒸发器中把含例：在蒸发器中把含NaOH 10%、NaCl 10%的水溶液浓缩的水溶液浓缩为含为含

18、NaOH 50%、NaCl 2%的溶液。若每批处理的溶液。若每批处理 1000kg原料液。试求原料液。试求（1）每一批操作中可得的母液量？）每一批操作中可得的母液量？（2）蒸发水量？）蒸发水量？（3）析出）析出NaCl固体量固体量2. 蒸发：把溶质不挥发的溶液加热至沸腾，使溶剂气化蒸发：把溶质不挥发的溶液加热至沸腾，使溶剂气化 从而获得浓缩液或析出固体的单元操作。从而获得浓缩液或析出固体的单元操作。概述概述1计算中用的基本量计算中用的基本量物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算化学反应的物料衡算234目 录u常用计算方法常用计算方法u利用联系物做物料衡算利用联系物做物料衡算u复

19、杂反应体系使用产物、副产物各自复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率数据作物料衡算的收率数据作物料衡算u带有物料循环的流程的物料衡算带有物料循环的流程的物料衡算u多步串联过程的物料衡算多步串联过程的物料衡算化学反应的物料衡算1.常用计算方法由于化学反应的存在，总摩尔平衡式，组分的质量，由于化学反应的存在，总摩尔平衡式，组分的质量， 摩尔平衡式是不成立的。摩尔平衡式是不成立的。在化学反应中常涉及转化率、反应速率、收率、在化学反应中常涉及转化率、反应速率、收率、 过量系数等，要注意其定义式。特别是过量系数它过量系数等，要注意其定义式。特别是过量系数它 是基于限制反应物是基于限制反应物100%转化下

20、的值，而不论真实反转化下的值，而不论真实反 应时限制反应物是否完全反应。应时限制反应物是否完全反应。u直接计算法直接计算法u反应速度法反应速度法u平衡常数法平衡常数法u结点法结点法1）直接计算法）直接计算法根据化学反应方程式进行计算根据化学反应方程式进行计算例例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反应式为：用甲醇催化氧化制甲醛，反应式为： CH3OH + 0.5O2 HCHO+H2O氧由空气中来，已知空气过剩系数为氧由空气中来，已知空气过剩系数为1.5，甲醇转，甲醇转化率为化率为75%。计算反应后气体混合物的。计算反应后气体混合物的mol组成组成（反应物与产物均为气态）。（反应物与产物均为气态）。反应后

21、气体混合物组成：反应后气体混合物组成：组 分molmol %CH3OH0.255HCHO0.7515.2H2O0.7515.2O20.3757.6N22.8257共 计4.9451002. 反应速度法反应速度法反应速率的定义：某一组分进单位体积反应器与出反应反应速率的定义：某一组分进单位体积反应器与出反应器的器的mol流量之差称为该组分的反应速率。流量之差称为该组分的反应速率。( molm-3/s) RS=FS-FS S组分组分; RSS组分的反应速率（以单位时间表示）组分的反应速率（以单位时间表示） 则则 FS=FS+RS FSS组分的输入流量组分的输入流量kmol/s FS S组分输出流量组分输出流量kmol/s 当有化学反应时，以组分建立的质量平衡式和当有化学反应时，以组分建立的质量平衡式和mol平衡式已不成立，这时利用反应速率来建立平衡式已不成立，这时利用反应速率来建立衡算式。衡算式。aA + bB cC + dD表示反应的速率有表示反应的速率有RA、RB、RC、RD，这四者之，这四者之间的关系式为：间的关系式为： rdRcRbRaRDCBA通式通式iiRrii组分的化学计算系数，对反应物取负值，生成物组分的化学计算系数，对反应物取负值，生成物取正值取正值由此得由此得Ri=r