物料管理-物料衡算概述(ppt 60页)

Pharmaceutical Engineering 第4章 物料衡算 4.1 概述 4.2 物料衡算基本理论论 4.3 物料衡算举举例 1 Pharmaceutical Engineering 4.1 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。 2 Pharmaceutical Engineering 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 3 Pharmaceutical Engineering 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 4 Pharmaceutical Engineering 4.2.1 物料衡算平衡方程式 4.2.2 衡算基准 4.2.3 衡算范围围 4.2.4 衡算方法和步骤骤 4.2 物料衡算基本理论论 5 Pharmaceutical Engineering 1.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。 4.2.1 物料衡算平衡方程式 6 Pharmaceutical Engineering 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。 4.2.1 物料衡算平衡方程式 7 Pharmaceutical Engineering 2.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 8 Pharmaceutical Engineering 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 9 Pharmaceutical Engineering 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) 单单位时间时间 (2) 单单位质质量 (3) 单单位体积积 4.2.2 衡算基准 10 Pharmaceutical Engineering 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) 衡算基准单单位时间时间 11 Pharmaceutical Engineering 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。 (1) 衡算基准单单位时间时间 12 Pharmaceutical Engineering 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) 衡算基准单单位质质量 13 Pharmaceutical Engineering 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) 衡算基准单单位体积积 14 Pharmaceutical Engineering 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 衡算范围围 15 Pharmaceutical Engineering 4.2.3 衡算范围 16 Pharmaceutical Engineering (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 衡算方法和步骤骤 17 Pharmaceutical Engineering (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 衡算方法和步骤骤 18 Pharmaceutical Engineering 4.3 物料衡算举举例 4.3.1物理过程的物料衡算 4.3.2化学过程的物料衡算 19 Pharmaceutical Engineering 例4-1 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混 酸组成为H2SO4 46%(质量百分比，下同)、 HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料为 92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含H2SO4 69%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 20 Pharmaceutical Engineering 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 1000kg 混酸配制 搅 拌 釜 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% 21 Pharmaceutical Engineering 对HNO3进行物料衡算得 0.98 = 0.461000 (a) 对H2SO4进行物料衡算得 0.925 + 0.69 = 0.461000 (b) 对H2O进行物料衡算得 0.02 +0.075 +0.31 = 0.081000 (c) 4.3.1 物理过程的物料衡算 22 v联解式(a)、(b)和(c)得 v =469.4kg， v =399.5kg， v =131.1kg 23 Pharmaceutical Engineering 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 469.4 HNO3：98 H2O：2 硝化 混酸 1000 H2SO4：46 HNO3：46 H2O：8 硫酸 399.5 H2SO4：92.5 H2O：7.5 废酸 131.1 H2SO4：69 H2O：31 总计 1000 总计 1000 质量组 成/% 4.3.1 物理过程的物料衡算 24 Pharmaceutical Engineering 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200kmolh-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 25 Pharmaceutical Engineering 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-1 xF=0.4 D, xD W, xW=0.01 4.3.1 物理过程的物料衡算 26 Pharmaceutical Engineering 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 = 80kmolh-1， = 120 kmolh-1， = 0.985 4.3.1 物理过程的物料衡算 27 Pharmaceutical Engineering 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 /kmolh-1 摩尔组 成/% 输 出 物料 名称 流量 /kmolh-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 200 4.3.1 物理过程的物料衡算 28 Pharmaceutical Engineering (1)化学过过程的几个概念 (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 (3) 连续连续 操作过过程的物料衡算 (4) 含有化学平衡的物料衡算 4.3.2 化学过程的物料衡算 29 Pharmaceutical Engineering 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。 (1) 概念 转转化率 30 Pharmaceutical Engineering 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 31 Pharmaceutical Engineering 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 选择选择 性 32 Pharmaceutical Engineering 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 选择选择 性 33 Pharmaceutical Engineering 解：化学反应方程式为 分子量 92 98 172 18 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 (1) 概念 选择选择 性 34 Pharmaceutical Engineering 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 总总收率 35 Pharmaceutical Engineering 某些反应过程,主要反应物经一次反应的转化率不 高,甚至很低,但未反应主要反应物经分离回收后可循 环套用,此时转化率有单程转化率和总转化率之分。 例4-5 用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯 苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每100mol苯与 40mol氯反应，反应产物中含38mol氯苯、1mol二氯苯 以及61mol未反应的苯。反应产物经分离后可回收 60mol的苯，损失1mol苯。试计算苯的单程转化率和 总转化率。 (1)概念 单单程转转化率和总转总转 化率 36 解：苯的单程转化率为 设苯的总转化率为xT，则 可见，对于某些反应，主要反应物的单程转化率 可以很低，但总转化率却可以提高。 37 Pharmaceutical Engineering 例4-6 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产 对甲苯磺酸，其工艺流程如图3-11所示，试对该过 程进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯1000kg， 纯度99.9%(wt%，下同)；浓硫酸1100kg，纯度98% ；甲苯的转化率为98%，生成对甲苯磺酸的选择性 为82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%，生成间 甲苯磺酸的选择性为8.8%；物料中的水约90%经连 续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除 纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。 (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 38 Pharmaceutical Engineering 解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示 意图。 图4-3 甲苯磺化过程物料衡算示意图 原料甲苯：1000kg 纯度99.9% 浓浓硫酸：1100kg 纯纯度98% 磺化液 脱水器 排 水 甲 苯 磺化釜 (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 82% 转化率为98% 9.2% 8.8% 90% 39 Pharmaceutical Engineering 投料量的计算： 原料甲苯中的甲苯量为：10000.999=999kg 原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg 浓硫酸中的硫酸量为：11000.98=1078kg 浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg 进料总量为：1000+1100=2100kg ，其中含甲苯 999kg，硫酸1078kg，水23kg。 (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 40 Pharmaceutical Engineering 出料：反应消耗的甲苯量为：99998%=979kg 未反应的甲苯量为：999-979=20kg 主反应 副反应I 分子量 92 98 172 18 副反应II (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 41 Pharmaceutical Engineering 反应生成的对甲苯磺酸量为： 反应生成的邻甲苯磺酸量为： 反应生成的间甲苯磺酸量为： 反应生成的水量为： kg kg kg kg (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 42 Pharmaceutical Engineering 经脱水器排出的水量为： (23+191.5)90%=193.1kg 磺化液中剩余的水量为： (23+191.5)-193.1=21.4kg 反应消耗的硫酸量为： kg 未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为： 1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 43 Pharmaceutical Engineering 表4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表 输 入 物料名称 质量/kg 质量组成/% 纯品量/kg 原料甲苯 1000 甲苯 99.9 999 水 0.1 1 浓硫酸 1100 硫酸 98.0 1078 水 2.0 22 总计 2100 2100 输 出 磺化液1906.9 对甲苯磺酸 78.7 1500.8 邻甲苯磺酸 8.83 168.4 间甲苯磺酸8.45 161.1 甲苯 1.05 20.0 硫酸 1.85 35.2 水 1.12 21.4 脱水器排水 193.1 水 100 193.1 总计 2100 2100 (2) 间间歇操作过过程的物料衡算 44 Pharmaceutical Engineering 例4-7 在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛， 其反应方程式为 已知原料为无水乙醇(纯度以100%计)，流量为 1000kgh-1，其转化率为95%，乙醛选择性为 80%，试对该过程进行物料衡算。 同时存在副反应 (3) 连续连续 操作过过程的物料衡算 45 Pharmaceutical Engineering 解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。 图4-4 乙醇催化脱氢制乙醛过程物料衡算示意图 乙醇：1500kg 纯度100% 产产物 乙醇催化 脱氢氢制 乙醛醛反应应器 (3) 连续连续 操作过过程的物料衡算 转化率为95% 80% 46 Pharmaceutical Engineering 主反应方程式为: 副反应应方程式为为: 分子量 46 44 2 分子量 246=92 88 22=4 (3) 连续连续 操作过过程的物料衡算 47 Pharmaceutical Engineering 出料：乙醇流量为 乙醛流量为 乙酸乙酯流量为 氢气流量为 或 kgh-1 kgh-1 kgh-1 kgh-1 kgh-1 (3) 连续连续 操作过过程的物料衡算 48 Pharmaceutical Engineering 表4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡表 输 入 物料 名称 流量 /kgh-1 输 出 物料 名称 流量 /kgh-1 质量组 成/% 乙醇 1000 100 乙醇 50.0 5.0 乙醛 727.0 72.7 乙酸 乙酯 181.7 18.2 氢气 41.3 4.1 总计 1000 100 总计 1000 100.0 质量组 成/% (3) 连续连续 操作过过程的物料衡算 49 Pharmaceutical Engineering 例4-8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为 ：硝基蒽醌5.6%(质量百分比，下同)、H2SO4 34.5%、HNO3 6.7%、H2O 53.2%。拟采用含量为 18%、密度为932kgm-3的氨水将硝化液中和至 pH=7。已知每批操作硝化液的投料量为3000kg， 硝化液的密度为1170kgm-3， ，试对 硝化液中和过程进行物料衡算。为简化计算，假设 中和前后物料的总体积保持不变。 (4) 含有化学平衡的物料衡算 50 Pharmaceutical Engineering 解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图 ，如图4-5所示。 中和液 硝化液: 3000kg 18%氨水 中 和 反应应器 图4-5 蒽醌硝化液中和过程物料衡算示意图 (4) 含有化学平衡的物料衡算 51 Pharmaceutical Engineering 硝化液总量为：3000kg，其中含硝基蒽醌的量为 ： 30005.6%=168kg 硫酸的量为：300034.5%=1035kg 硝酸的量为：30006.7%=201kg 水的量：300053.2%=1596kg (4) 含有化学平衡的物料衡算 52 Pharmaceutical Engineering H2SO4中和反应应方程式为为： 分子量 98 217=34 132 反应应生成的硫酸铵铵量为为： kg NH3的消耗量为为： kg (4) 含有化学平衡的物料衡算 53 Pharmaceutical Engi