物料衡算培训课件 二

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浓硫酸：1100kg磺化液

排水193.1kg

磺化釜ïïïïîïïïïíì

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：Σm进料Σm生成Σm出料Σm积累Σm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：Σm积累Σm进料Σm出料-=若物系中没有积累计量时，公式可简化为：Σm进料Σm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学反应，，要写出出所有物物系的化化学反应应方程式式。如硫酸磺磺化甲苯苯生产对对甲苯磺磺酸2.列出出反应方方程式，，包括主主反应和和副反应应主反应副反应I副反应II分子量9298172183.根据据给定条条件画出出流程简简图画流程程简图图步骤骤及要要点如如下：：1）流流程简简图中中的设设备可可用方框表示;2）用用线条条和箭箭头表表示物物料流流股的的途径和和流向向；3）标标出流流股的的已知变变量（流量量、组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５)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５％甲苯F3Ｙ异丙苯F1原料丙烯800kgＹ剩余丙烯Ｙ剩余苯Ｙ剩余甲苯4.选选定物物料衡衡算基基准1）时时间基基准对连续续稳定定流动动体系系，以以单位位时间间作基基准。。该基基准可可与生生产规规模直直接联联系对间歇过程程，以处理理一批物料的生产周期期作基准。对连续过程程可１天、１月月或１年。2）质量基基准对于液、固固系统，，因其多为为复杂混合合物选择一一定质量的的原料或产产品作为计计算基准。。若原料产品品为单一化化合物或组组成已知，，取物质量量（mol）作基准准更方便。。对生药和和中药可取取单位质量量的产品作作基准。3、体积基基准对气体和液液体也可选选用体积作作基准。即即以单位体体积的原料料或产品为为基准进行行物料衡算算。在进行物料料衡算或热热量衡算时时，均须选选择相应的的衡算基准准。合理地地选择衡算算基准，不不仅可以简简化计算过过程，而且且可以缩小小计算误差差例题丙丙烷充分燃燃烧时，通通入的空气气量为理论论量的125％，反反应式为C3H8+5O2＝＝3CO2+4H2O问100mol燃燃烧产物需需要多少摩摩尔空气？？3燃烧过程C3H81空气O221％,2N279％CO2H2OO2N2解：画出物物料流程示示意图（一）取1molC3H8为计算基准准完全燃烧所所需氧的理理论量5mol实际供氧量量1.25×5＝6.25mol供空气量6.25／0.21＝29.76mol烟道气中N2量29.76×0.79＝＝23.51mol烟道气中水水量4mol烟道气中CO2量3mol烟道气中氧氧量6.25－5＝1.25mol产生烟道气气的量＝3+4+1.25+23.51＝31.76mol100mol烟道气气所需空气气的量100×29.76／31.76＝93.7mol（二）取1mol空空气为计计算基准1mol空空气为计计算基准中中氧量为0.21mol燃烧丙烷耗耗氧量0.21／1.25＝0.168mol燃烧丙烷的的量0.168／5＝＝0.0336mol100mol烟道气气所需空气气的量:100／1.068＝93.6mol5.列出物料平平衡表。包括输入和和输出的物物料由计算结果果查核计算算正确性，，必要时说说明误差范范围组分输入输出kg/hw%kmol/hy%kg/hw%kmol/hy%ABC总计第二节物物理过程的的物料衡算算1.简单物物理过程的的物料衡算算例1混混酸配制过过程的物料料衡算。已已知混酸组组成为H2SO446%(质质量百分比比，下同)、HNO346%、H2O8%，，配制混酸酸用的原料料为92.5%的工工业硫酸、、98%的的硝酸及含含H2SO469%的硝硝化废酸。。试通过解：混酸配制过过程可在搅搅拌釜中进进行。以搅搅拌釜为衡衡算范围，，绘出混酸酸配制过程程的物料衡衡算示意图图。图中为为92.5%的硫硫酸用量，，为为98%的硝酸用用量，为为含69%硫酸酸的废酸用用量。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：取设备备为衡算体体系，1000千千克混酸为计算算基准对HNO3进行物料料衡算得得0.98G硝酸=0.461000(a)对H2SO4进行物料料衡算得得0.925G硫酸+0.69G废酸=0.461000(b)对H2O进行物物料衡算算得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469.4HNO3：98H2O:2硝化混酸1000H2SO4:92.5HNO3：98H2O:31硫酸399.5H2SO4:92.5H2O:7.5废酸131.1H2SO4:69H2O:31总计1000总计1000混酸配制制过程的的物料平平衡表表中输入入、输出出两栏中中的总量量与个分分量的合合计总数数应当都都相等例2一种废酸酸，组成成为23％(w%)HNO3，57％％H2SO4和20％％H2O，加入入93％％的H2SO4及90％％的HNO3，要求混混合成27％％HNO3，60％％H2SO4的混合酸酸，计算算所需废废酸及加加入浓酸酸的量。。解：（1）画出出流程简简图混合过程废酸xkgHNO30.23H2SO40.57H2O0.20zkgHNO30.90H2O0.10混合酸HNO30.27H2SO40.60H2O0.13ykgH2SO40.93H2O0.07（2）选选择计算算基准4个个物流均均可选，，选取100kg混酸酸为基准准。（3）列列物料衡衡算式总物料衡衡算式x+y+z=100H2SO4的衡算式式0.57x+0.93y=1000.6=60HNO3的衡算式式0.23x+0.90z=100х0.27=27解方程得得：x=41.8kg;y=39kg;z=19.2kg例3拟用连续续精馏塔塔分离苯苯和甲苯苯混合液液。已知知混合液液的进料料流量为为200kmolh-1，其中含含苯0.4(摩摩尔分率率，下同同)，其其余为甲甲苯。若若规定塔塔底釜液液中苯的的含量不不高于0.01，塔顶顶馏出液液中苯的的回收率率不低于于98.5%，，试通过过物料衡衡算确定定塔顶馏馏出液、、塔釜釜釜液的流流量及组组成，以以摩尔流流量和摩摩尔分率率表示。。解：以连续精精馏塔为为衡算范范围,绘绘出物料料衡算示示意图。。图中F为混合合液的进进料流量量,D为为塔顶馏馏出液的的流量,W为塔塔底釜液液的流量量,x为为苯的摩摩尔分率率。图中共有有3股物物料，3个未知知数，需需列出3个独立立方程。。图4-2苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算F=200kmol.h-1xF=0.4D,xDW,xW=0.01对全塔进进行总物物料衡算算得，以以１小时时为计算算基准D+W=200(a)对苯进行行物料衡衡算得D×xD+0.01W=2000.4(b)由塔顶馏馏出液中中苯的回回收率得得D×xD=2000.40.985(c)联解式(a)、、(b)和(c)得D=80kmolh-1，W=120kmolh-1，xD=0.985２.中药药制药过过程的物物料衡算算例４某复方中中药制剂剂，其各各味原药药材采用用三级逆逆流罐水水提取工工艺，每每级提取取罐每批批拟投中中药材总总重100kg,药材材在罐内内预先用用水润湿湿，据测测定每1kg干干药材可可吸水1kg。。浸提加加８倍量量药材的的水．已已知三级级水提取取的总出出液系数数：8.04kg提取取液／kg药材材；提取取液中固固溶物含含量0.578%;三三级提取取后得到到的浓浸浸提液密密度为1020kg/m3;蒸汽蒸蒸馏得挥挥发油0.001kg挥发油油／kg药材，，馏出时时的组成成0.3%。对对该三级级提取作作物料衡衡算。M浓浸提液液(100℃)三级浸提提提取罐图4-４４三三级提取取过程物物料衡算算示意图图3×100kg3×100kg3×800kg中药材润湿药材水浸提用水M水汽(100℃)M挥发油＋M水(100℃)M药渣(100℃)M挥发油=300×0.001=0.3(kg)蒸汽蒸馏得挥挥发油0.001kg挥挥发油／kg药材，馏出出时的组成0.3%。M水(100℃)×0.3%=M挥发油→→M水(100℃)=100(kg)M浓浸提液(100℃)=300×8.04=2412(kg)已知三级水提提取的总出液液系数：8.04kg提提取液／kg药材提取液中固溶溶物含量0.578%;Σ输入=Σ输出＋M水(100℃)+M药渣(100℃)得：M药渣(100℃)＝587.70kgΣ输入水量=Σ输出水量提取液中固溶溶物含量0.578%;3×800+100=M浓浸提液(100℃)－－M固溶物＋M水水(100℃)+M药渣含水M固溶物＝M浓浸提液×0.578%=13.94(kg)得：M药渣含水＝301.94(kg)浓浸提液(100℃)2412kg三级浸提提取罐图4-４三三级提取过过程物料衡算算示意图3×100kg3×100kg3×800kg中药材润湿药材水浸提用水100℃水汽100kg挥发油＋水(100℃)0.3kg＋＋100kg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300300240010013.940.3285.763002400100100.32412587.713.940.3285.761002398.06301.94

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程物料衡算表表第三节化学学过程的物料料衡算1.反应转化化率、选择性性及收率（1）转化率率限制反应物——化学反应应原料不按化化学计量比配配料时，以最小化学计量量数存在的反应物物。过量反应物——反应物的量超过限制反应应物完全反应应所需的理论论量的，该反应物物叫过量反应应物。转化率x——某反应物物的反应消耗耗量与反应物物的原始投料料量之比。反应：aA+bB→cC+dD反应体系NA1NA2例５甲甲苯用浓硫硫酸磺化制备备对甲苯磺酸酸。已知甲苯苯的投料量为为1000kg，反应产产物中含对甲甲苯磺酸1460kg，，未反应的甲甲苯20kg。试分别计计算甲苯的转转化率。解：化化学反反应方方程式式为分子量量929817218则甲苯苯的转转化率率为注意：：1）要要注明明是指指那种种反应物物的转化化率；；2）反反应掉掉的量量应包包括主副反反应消耗的的原料料之和和；3）若若未指指明是是那种种反应应物的的转化化率，，则常常指主要反反应物物或限限制反反应物物的转化化率。。（２））收率率Y目标产产物的的收率率可用用转化化为该该产物物的反反应物物Ａ的的量与与反应应物ＡＡ的原原始投投料量量之比比来表表示。。y=按目标标产物物收得得量折折算的的反应应物ＡＡ的量量反应物物Ａ的的投料料量×100%aA+bB→→cC+dD--生生成目目标产产物所所消耗耗的某某原料料的量量该原原料投投入量yｄ=ND××100%aMddMaNA1质量收收率ym=目标产产物的的质量量投入某某原料料的质质量×100%（3）选选择性性——生生成目目的产产物所所消耗耗的某某原料料量占占该原原料反反应量量的百百分数数。若有反反应：：aA→→dD反应体系NA1NA2ψ=ND××100%aMddMaNA1－－NA２若反应y=按目目标标产产物物收收得得量量折折算算的的反反应应物物ＡＡ的的量量反应应物物ＡＡ的的消消耗耗量量×100%转化化率率选选择择性性和和例５解：：化化学学反反应应方方程程式式为为分子子量量929817218对甲甲苯苯磺磺酸酸的的收收率率为为对甲甲苯苯磺磺酸酸的的选选择择性性为为例题题苯与与丙丙烯烯反反应应生生产产异异丙丙苯苯，，丙丙烯烯转转化化率率为为84％％，，温温度度为为523K、、压压力力1.722MPa、、苯苯与与丙丙烯烯的的摩摩尔尔比比为为5。。原原料料苯苯中中含含有有5％％的的甲甲苯苯，，假假定定不不考考虑虑甲甲苯苯的的反反应应，，计计算算产产物物的的组组成成。。解：：画画出出流流程程简简图图反应应系系统统Ｘ原料料苯苯含５５％％甲甲苯苯F3Ｙ异丙丙苯苯F1２.间间歇歇过过程程物物Ｘ原料料丙丙烯烯Ｙ剩余余丙丙烯烯Ｙ剩余余苯苯Ｙ剩余余甲甲苯苯选定定体体系系如如图图，基基准准为为原原料料苯苯F2＝100mol，，由由题题意意知知：：原原料料丙丙烯烯F1＝20mol。。过程程中中化化学学反反应应式式C6H6+C3H6→C6H5C3H7Ｘ纯原原料料苯苯＝100mol×95%=95mo已知知丙丙烯烯转转化化率率为为84％％Ｘ原料料丙丙烯烯－－Ｙ剩余余丙丙烯烯Ｘ原料料丙丙烯烯=84%则Ｙ剩余余丙丙烯烯＝3.2mol则Ｙ消耗耗丙丙烯烯=20-3.2＝16.8Ｙ剩余苯=95-16.8=78.2（mol）Ｙ剩余甲苯=5mol衡算式：Σ输输入＝Σ输出出Ｙ原料丙烯＝Ｙ剩余丙烯＋Ｙ消耗丙烯则Ｙ消耗苯=Ｙ消耗丙烯＝16.8(mol)Ｙ异丙烯=Ｙ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反应过程的物物料平衡表≠过程中化学学反应式C6H6+C3H6→C6H5C3H7输入输出苯74106099.6丙烯840134.4甲苯460460异丙烯2016总计871087107842120例4－6在间歇式反反应釜中用用浓硫酸磺磺化生产对对甲苯磺酸酸，试对该该过程作物物料衡算。。已知投料料甲苯1000kg，纯度99.9％％（质量））；浓硫酸酸1100kg，纯纯度98％％，甲苯转转化率为98％，生生成对甲苯苯磺酸的选选择性为82％，生生成邻甲苯苯磺酸的选选择性为9.2％，，生成间甲甲苯磺酸的的选择行为为8.8％％，物料中中的水约90％经连连续脱水器器排出。此此外，为简简化计算，，假设原料料中除纯品品外都是水水，且磺化化过程中无无物料损失失。解：以间歇釜式式反应器为为衡算范围围，绘出物物料衡算示示意图，取取一个操作作周期内的的投料量为为基准。进料：原料甲苯中中的甲苯量量为：10000.999=999kg原料甲苯中中的水量为为：1000-999=1kg原料甲苯：1000kg

纯度99.9%

浓硫酸：1100kg

纯度98%

磺化液

脱水器排水

甲苯磺化釜过程主反应应副反应主反应副反应I副反应II分子量929817218生成对甲苯苯磺酸的选选择性为82％N甲苯→N对甲苯磺酸酸N对甲苯磺酸酸×92172N甲苯消耗＝82％→N对甲苯磺酸酸＝979×17292×82%=1500.88(kg)同理N邻甲苯磺酸酸＝979×17292×9.2%=168.4(kg)N间甲苯磺酸酸＝979×17292×8.8%=161.1(kg)反应生成的的水量为N水＝979×1892=191.5(kg)经脱水器排排出的水量量为N水排＝（23+191.5)×90%=193.1(kg)磺化液中剩剩余的水量量为N水剩余＝（23+191.5)-193.1=21.4(kg)反应消耗的的硫酸量为为N硫酸消耗＝979×9892=1042.8(kg)未反应的硫硫酸量为N硫酸＝1078-1042.8=35.2(kg)表4-3甲甲苯磺磺化过程的的物料平衡衡表输

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在间歇式反反应釜中用用浓硫酸磺磺化生产对对甲苯磺酸酸，试对该该过程作物物料衡算。。已知投料料甲苯1000kg，纯度99.9％％（质量））；浓硫酸酸1100kg，纯纯度98％％，甲苯转转化率为98％，收收率为80.36％％，物料中中的水约90％经连连续脱水器器排出。此此外，为简简化计算，，假设原料料中除纯品品外都是水水，且磺化化过程中无无物料损失失。产品收率80.36%:合成主产品品Ｙ甲苯消消耗＝999×80.36%=802.796(kg)物质的量=802.796/92=8.726kmol反应1：1进行，生生成产品对甲苯磺酸酸的量：Y产品=8.726×172=1500.88kg年产500吨对甲苯苯磺酸车间间设计对甲苯磺酸酸产品的纯纯度99％％，磺化液液中对甲苯苯磺酸的提提取率为79％，对对甲苯磺酸酸的精制过过程收率为为98％.原料甲苯：1000kg

纯度99.9%

浓硫酸：1100kg

纯度98%

磺化液

脱水器排水

甲苯磺化釜衡算基准：：1000kg对甲甲苯磺酸产产品设磺化液中中纯对甲苯苯磺酸的量量为Ｗkg则：Ｗ×79%××98%=1000×99%Ｗ=1000×99%=1278.7(kg)W原料甲苯＝1278.71500.8×1000=852(kg)W原料硫酸＝1278.71500.8×1100=937.2(kg)则生产500吨对甲甲苯磺酸需需原料的量量为：甲苯＝852×500=426000(kg)硫酸＝937.2×500=468600(kg)例4-7在在催化剂剂作用下，，乙醇脱氢氢可制备乙乙醛，其反反应方程式式为已知原料为无无水乙醇(纯纯度以100%计)，流流量为1000kgh-1，其转化率为为95%，乙乙醛收率为80%，试对对该过程进行行物料衡算同时存在副反反应３.连续过程程物料衡算解：以反应器器为衡算范围围，绘出物料料衡算示意图图。过程为连续操操作过程，以以单位时间，，即1h内的的进料量为基基准进行物料料衡算比较方方便主反应方程式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46442副反应方程式式为:出料：乙醇流流量为分子量92884乙醛流量为乙酸乙酯流量量为kg/h氢气流量为或表4-4乙乙醇催化脱脱氢过程物料料平衡表输

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/%生物制药物料料衡算例：硫酸新霉素发发酵车间物料料衡算砂土孢子斜面孢子母摇瓶培养孢子培养2℃孢子培养2℃，(小于三天)摇瓶培养27℃，68-72h种子培养27℃，45-48h发酵培养液27.5℃，，180-220H通气气1：0.58V/V/min发酵液提取，精制硫酸新霉素发发酵工艺流程程框图种子培养基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5FeSO40.03消沫剂0.01接种量10%表2-2发发酵培养基：：（％）发酵培养基组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/m3137.5发酵单位Ｕ/ml22000

发酵液收率98%成品效价Ｕ/mg677提炼收率85%产品质量纯度98%糖化率85%倒罐率1.