物料管理_物料衡算概述

1 PharmaceuticalEngineering 第4章物料衡算 4 1概述 4 2物料衡算基本理论 4 3物料衡算举例 2 PharmaceuticalEngineering 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 3 PharmaceuticalEngineering 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 4 PharmaceuticalEngineering 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 5 PharmaceuticalEngineering 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 4 2 4衡算方法和步骤 4 2物料衡算基本理论 6 PharmaceuticalEngineering 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 7 PharmaceuticalEngineering 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 8 PharmaceuticalEngineering 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 9 PharmaceuticalEngineering 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 10 PharmaceuticalEngineering 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 单位时间 2 单位质量 3 单位体积 4 2 2衡算基准 11 PharmaceuticalEngineering 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 单位时间 12 PharmaceuticalEngineering 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 单位时间 13 PharmaceuticalEngineering 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 单位质量 14 PharmaceuticalEngineering 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 单位体积 15 PharmaceuticalEngineering 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 16 PharmaceuticalEngineering 4 2 3衡算范围 17 PharmaceuticalEngineering 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 18 PharmaceuticalEngineering 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 19 PharmaceuticalEngineering 4 3物料衡算举例 4 3 1物理过程的物料衡算 4 3 2化学过程的物料衡算 20 PharmaceuticalEngineering 例4 1硝化混酸配制过程的物料衡算 已知混酸组成为H2SO446 质量百分比 下同 HNO346 H2O8 配制混酸用的原料为92 5 的工业硫酸 98 的硝酸及含H2SO469 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 21 PharmaceuticalEngineering 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 22 PharmaceuticalEngineering 对HNO3进行物料衡算得0 98 0 46 1000 a 对H2SO4进行物料衡算得0 925 0 69 0 46 1000 b 对H2O进行物料衡算得0 02 0 075 0 31 0 08 1000 c 4 3 1物理过程的物料衡算 23 联解式 a b 和 c 得 469 4kg 399 5kg 131 1kg 24 PharmaceuticalEngineering 表4 1混酸配制过程的物料平衡表 4 3 1物理过程的物料衡算 25 PharmaceuticalEngineering 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200kmol h 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 26 PharmaceuticalEngineering 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 1xF 0 4 D xD W xW 0 01 4 3 1物理过程的物料衡算 27 PharmaceuticalEngineering 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 80kmol h 1 120kmol h 1 0 985 4 3 1物理过程的物料衡算 28 PharmaceuticalEngineering 表4 2苯和甲苯精馏过程的物料平衡表 苯 0 01甲苯 0 99 4 3 1物理过程的物料衡算 29 PharmaceuticalEngineering 1 化学过程的几个概念 2 间歇操作过程的物料衡算 3 连续操作过程的物料衡算 4 含有化学平衡的物料衡算 4 3 2化学过程的物料衡算 30 PharmaceuticalEngineering 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 转化率 31 PharmaceuticalEngineering 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 32 PharmaceuticalEngineering 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 选择性 33 PharmaceuticalEngineering 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 选择性 34 PharmaceuticalEngineering 解 化学反应方程式为分子量929817218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 选择性 35 PharmaceuticalEngineering 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 总收率 36 PharmaceuticalEngineering 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 单程转化率和总转化率 37 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 38 PharmaceuticalEngineering 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 间歇操作过程的物料衡算 39 PharmaceuticalEngineering 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 浓硫酸 1100kg纯度98 磺化液 脱水器排水 甲苯磺化釜 2 间歇操作过程的物料衡算 82 转化率为98 9 2 8 8 90 40 PharmaceuticalEngineering 投料量的计算 原料甲苯中的甲苯量为 1000 0 999 999kg原料甲苯中的水量为 1000 999 1kg浓硫酸中的硫酸量为 1100 0 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 间歇操作过程的物料衡算 41 PharmaceuticalEngineering 出料 反应消耗的甲苯量为 999 98 979kg未反应的甲苯量为 999 979 20kg 主反应 副反应I 分子量929817218 副反应II 2 间歇操作过程的物料衡算 42 PharmaceuticalEngineering 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 间歇操作过程的物料衡算 43 PharmaceuticalEngineering 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 间歇操作过程的物料衡算 44 PharmaceuticalEngineering 表4 3甲苯磺化过程的物料平衡表 2 间歇操作过程的物料衡算 45 PharmaceuticalEngineering 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1000kg h 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 连续操作过程的物料衡算 46 PharmaceuticalEngineering 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 产物 乙醇催化脱氢制乙醛反应器 3 连续操作过程的物料衡算 转化率为95 80 47 PharmaceuticalEngineering 主反应方程式为 副反应方程式为 分子量46442 分子量2 46 92882 2 4 3 连续操作过程的物料衡算 48 PharmaceuticalEngineering 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 kg h 1 kg h 1 kg h 1 kg h 1 kg h 1 3 连续操作过程的物料衡算 49 PharmaceuticalEngineering 表4 4乙醇催化脱氢过程物料平衡表 3 连续操作过程的物料衡算 50 PharmaceuticalEngineering 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 H2SO434 5 HNO36 7 H2O53 2 拟采用含量为18 密度为932kg m 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1170kg m 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 51 PharmaceuticalEngineering 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 52 PharmaceuticalEngineering 硝化液总量为 3000kg 其中含硝基蒽醌的量为 3000 5 6 168kg硫酸的量为 3000 34 5 1035kg硝酸的量为 3000 6 7 201kg水的量 3000 53 2 159