物料管理-物料衡算培训课件(ppt 71页)

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78.7kg 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： m进料m生成m出料m积累 m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： m积累m进料m出料-= 若物系中没有积累计量时，公式可简化为： m进料m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II 分子量 92 98 172 18 3.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 )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 含甲苯 F3 异丙苯 F1 原料丙烯800kg剩余丙烯 剩余苯 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 。对连续过程可天、月或年。 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+5O23CO2+4H2O 问100mol 燃烧产物需要多少摩尔空气？ 3 燃烧过程 C3H8 1 空气 O221, 2 N279 CO2 H2O O2 N2 解：画出物料流程示意图 （一）取1mol C3H8 为计算基准 完全燃烧所需氧的理论量 5mol 实际供氧量 1.2556.25mol 供空气量 6.250.2129.76mol 烟道气中N2量 29.760.7923.51mol 烟道气中水量 4mol 烟道气中CO2量 3mol 烟道气中氧量 6.2551.25mol 产生烟道气的量3+4+1.25+23.5131.76mol 100mol烟道气所需空气的量 10029.7631.7693.7mol （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 0.211.250.168 mol 燃烧丙烷的量 0.16850.0336mol 100mol烟道气所需空气的量: 1001.068 93.6mol 5. 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/h w% kmol/h y% kg/h w% kmol/h y% A B C 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 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。 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 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 0.98 G硝酸= 0.461000 (a) 对H2SO4进行物料衡算得 0.925 G硫酸+ 0.69G废酸=0.461000 (b) 对H2O进行物料衡算得 0.02G硝酸+0.075G硫酸+0.31G废酸=0.081000 (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469.4 HNO3： 98 H2O:2 硝化混酸1000H2SO4:92.5 HNO3：98 H2O:31 硫酸399.5 H2SO4:9 2.5 H2O:7.5 废酸131.1 H2SO4:6 9 H2O: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%) HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的H2SO4及90的 HNO3，要求混合成 27HNO3，60H2SO4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 xkg HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20 z kg HNO3 0.90 H2O 0.10 混合酸 HNO3 0.27 H2SO4 0.60 H2O 0.13 y kg H2SO4 0.93 H2O 0.07 （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=1000.6=60 HNO3的衡算式 0.23x+0.90z=1000.27=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。 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。 图4-2 苯和甲苯混合液精馏 过程物料衡算 F=200kmol.h-1 xF=0.4 D, xD W, xW=0.01 对全塔进行总物料衡算得，以小时为计算基准 D+W=200 (a) 对苯进行物料衡算得 DxD +0.01W =2000.4 (b) 由塔顶馏出液中苯的回收率得 DxD =2000.4 0.985 (c) 联解式(a)、(b)和(c)得 D=80kmolh-1，W=120 kmolh-1，xD=0.985 .中药制药过程的物料衡算 例 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- 三级提取过程物料衡算示意图 3100kg 3100kg 3800kg 中药药材 润润湿药药材水 浸提用水 M水汽 (100) M挥发挥发油M水 (100) M药药渣(100) M挥发挥发油 = 3000.001 = 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%; 输输入 = 输输出 310031003800+100=M浓浸提液(100)+ M挥发挥发油 M水(100) + M药药渣 (100) 得：M药药渣(100) 587.70kg 输输入水量 = 输输出水量 提取液中固溶物含量0.578%; 3800+100=M浓浸提液(100) M固溶物M水(100) + M药药渣含水 M固溶物 M浓浓浸提液 0.578%=13.94 (kg) 得：M药药渣含水 301.94 (kg) 浓浸提液 (100) 2412kg 三级浸提 提取罐 图4- 三级提取过程物料衡算示意图 3100kg 3100kg 3800kg 中药药材 润润湿药药材水 浸提用水 100 水汽 100kg 挥发挥发油水(100) 0.3kg100kg 药药渣 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300 300 2400 100 13.94 0.3285.76 300 2400 100 100.3 2412 587.7 13.94 0.3 285.76 100 2398.06 301.94 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 NA1 NA2 例 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。 解：化学反应方程式为 分子量 92 98 172 18 则甲苯的转化率为 注意： 1）要注明是指那种反应物的转化率 ； 2）反应掉的量应包括主副反应消耗的原料之和； 3）若未指明是那种反应物的转化率，则常指主要反 应物或限制反应物的转化率。 （）收率Y 目标产物的收率可用转化为该产物的反应物 的量与反应物的原始投料量之比来表示。 y= 按目标产标产物收得量折算的反应应物的量 反应应物的投料量 100% aA + bB cC + dD l - 生成目标产物所消耗的某原料的量该原料投 入量的百分数。 y= ND 100% aMd dMa NA1 质量收率 ym= 目标产标产物的质质量 投入某原料的质质量 100% （3）选择性 生成目的产物所消耗的某原料量占该原料反应量 的百分数。 若有反应 ：aA dD 反应体系 NA1NA2 = ND 100% aMd dMa NA1 NA 若反应体系中存在副反应，则在各主、副产物中，转 化成目标产物的反应物的量与反应物的反应消耗量 之比称反应的选择性。 y= 按目标产标产物收得量折算的反应应物的量 反应应物的消耗量 100% 转化率选择性和收率的关系 例 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。试分别计算对甲苯磺酸 的收率和选择性。 解：化学反应方程式为 分子量 92 98 172 18 对甲苯磺酸的收率为 对甲苯磺酸的选择性为 例题 苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为84， 温度为523K、压力1.722MPa、苯与丙烯的摩尔比为5。 原料苯中含有5的甲苯，假定不考虑甲苯的反应，计 算产物的组成。 解：画 出流程 简图 反应系统 原料苯 含甲苯 F3 异丙苯 F1 .间歇过程物料衡算 原料丙烯 剩余丙烯 剩余苯 剩余甲苯 选定体系如图，基准为原料苯F2100mol，由题意 知：原料丙烯F120mol。 过程中化学反应式 C6H6+C3H6C6H5C3H7 纯原料苯100mol 95%=95mol 已知丙烯转化率为84 原料丙烯 剩余丙烯 原料丙烯 =84% 则 剩余丙烯3.2mol 则 消耗丙烯=20-3.216.8 (mol) 剩余苯=95-16.8=78.2（mol） 剩余甲苯=5mol 衡算式：输入输出 原料丙烯剩余丙烯 消耗丙烯 则 消耗苯=消耗丙烯 16.8 (mol) 异丙烯=消耗丙烯 16.8 (mol) 输 入 输 出 苯9578.2 丙烯203.2 甲苯55 异丙烯16.8 总计120103.2 反应过程的物料平衡表 过程中化学反应式 C6H6+C3H6C6H5C3H7 输 入 输 出 苯74106099.6 丙烯840134.4 甲苯460460 异丙烯2016 总计87108710 78 42 120 例46在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对 甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料 甲苯1000kg，纯度99.9（质量）；浓硫酸 1100kg，纯度98，甲苯转化率为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行为 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，且磺化过程中无物料损失。 解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算 示意图，取一个操作周期内的投料量为基准。 进料： 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 原料甲苯：1000kg 纯度 99.9% 浓浓硫酸：1100kg 纯度 98% 磺化液 脱水器 排 水 甲苯磺 化釜 过程主反应副反应 主反应 副反应I 副反应II 分子量 92 98 172 18 生成对甲苯磺酸的选择性为82 N甲苯N对甲苯磺酸 N对甲苯磺酸 92 172 N甲苯消耗 82 N对对甲苯磺酸979 172 92 82%=1500.88(kg ) 同理 N邻邻甲苯磺酸979 172 92 9.2%=168.4(kg) N间间甲苯磺酸979 172 92 8.8%=161.1(kg) 反应生成的水量为 N水979 18 92 =191.5(kg) 经脱水器排出的水量为 N水排（23+191.5) 90%=193.1(kg) 磺化液中剩余的水量为 N水剩余（23+191.5) -193.1=21.4(kg) 反应消耗的硫酸量为 N硫酸消耗979 98 92 =1042.8(kg) 未反应的硫酸量为 N硫酸1078- 1042.8=35.2(kg) 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99.9999 水0.11 浓硫酸1100 硫酸98.01078 水2.022 总计21002100 输 出 磺化液1906.9 对甲苯磺酸78.71500.8 邻甲苯磺酸8.83168.4 间甲苯磺酸8.45161.1 甲苯1.0520.0 硫酸1.8535.2 水1.1221.4 脱水器排水 193.1水100193.1 总计2100 2100 例4-6-1在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对 甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料 甲苯1000kg，纯度99.9（质量）；浓硫酸 1100kg，纯度98，甲苯转化率为98，收率 为80.36，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，且磺化过程中无物料损失。 产品收率80.36%: 合成主产品甲苯消耗99980.36%=802.796 (kg) 物质的量=802.796/92=8.726kmol 反应1：1进行，生成产品对甲苯磺酸的量： Y产品=8.726172=1500.88kg 年产500吨对甲苯磺酸车间设计 对甲苯磺酸产品的纯度99，磺化液中对甲苯 磺酸的提取率为79，对甲苯磺酸的精制过程收率 为98. 原料甲苯：1000kg 纯度 99.9% 浓浓硫酸：1100kg 纯度 98% 磺化液 脱水器 排 水 甲苯磺 化釜 衡算基准：1000kg对甲苯磺酸产品 设磺化液中纯对甲苯磺酸的量为kg 则：79% 98%=1000 99% =1000 99%=1278.7 (kg) W原料甲苯 1278.7 1500.8 1000=852(kg) W原料硫酸 1278.7 1500.8 1100=937.2(kg) 则生产500吨对甲苯磺酸需原料的量为： 甲苯852 500=426000 (kg) 硫酸937.2500=468600 (kg) 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%，乙醛收率为80%，试对 该过程进行物料衡算 同时存在副反应 .连续过程物料衡算 解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。 过程为连续操作过程，以单位时间，即1h内的进料 量为基准进行物料衡算比较方便 主反应方程式为 乙醇催化 脱氢制 乙醛反应器 乙醇：1500kg 纯度100% 产物 分子量 46 44 2 副反应方程式为: 出料：乙醇流量为 分子量 92 88 4 乙醛流量为 乙酸乙酯流量为 kg/h 氢气流量为 或 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1000100 乙醇50.05.0 乙醛727.072.7 乙酸 乙酯 181.718.2 氢气41.34.1 总计1000100总计1000100.0 质量组 成/% 生物制药物料衡算 例：硫酸新霉素发酵车间物料衡算 砂土孢孢子 斜面孢孢子 母摇摇瓶培养 孢孢子培养 2 孢孢子培养2，(小于三天) 摇摇瓶培养 27，68-72h 种子培养 27，45-48h 发发酵培养液 27.5，180-220H通气1：0.58V/V/min 发发酵液 提取，精制 硫酸新霉素发酵工艺流程框图 种子培养基 发发酵培养基 种类指标量种类指标量种类指标量 玉米 浆 2.5硫酸铵0.275玉米油0.08 蔗糖1.75碳酸钙0.275消沫剂0.04 表2-1 种子培养基：（） 种类指标量种类指标量种类指标量 CaCO30.3Na2SO40.7玉米浆5 FeSO40.03消沫剂0.01接种量10% 表2-2 发酵培养基：（） 发酵培养基组成配比 指标名 称 单位 指标 数 指标名称单位 指标 数 生产规 模 t/a300发酵周期天8 生产方 法 微生物发酵 共沸结晶 发酵糖浓 度 Kg/m3 137. 5 发酵单 位 /ml 22000 发酵液收 率 98% 成品效 价 /mg 677提炼收率85% 产品质 量 纯度 98%糖化率85% 倒罐率1.0% 硫酸新霉素对新霉素 产率 147% 硫酸新霉素发酵工艺指标 衡算基准1000kg硫酸新霉素成品： 成品效价：677U/mg=6771000000U/kg 意为：kg成品中含有67710000