制药工程原理与设计物料衡算

制药工程原理与设计物料衡算制药工程原理与设计物料衡算制药工程原理与设计物料衡算概述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。主副产品的产量原材料消耗定额生产过程中的损耗三废产生量物料的浪费生产过程的反常现象物料衡算制药工程原理与设计物料衡算制药工程原理与设计物料衡算制药工程1概述

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。主副产品的产量原材料消耗定额生产过程中的损耗三废产生量物料的浪费生产过程的反常现象物料衡算概述物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内容，2物料衡算的理论依据“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（包括损失量）和系统内累积起来的物料的量。输入=输出+累积∑F=∑D+W物料衡算的理论依据“质量守衡定律”在化工过程中，物料平衡是指3（1）基本式：输入+生成=输出+消耗+累积“生成”、“消耗”是指由于化学反应而生成、消耗的质量（2）对稳态过程：累积项=0输入+生成=输出+消耗*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无化学反应的稳态过程：输入=输出（1）基本式：输入+生成=输出+消耗+累积*稳态（定态）过4稳态过程物料衡算式物料平衡形式无化学反应有化学反应总平衡式总质量平衡式是是总摩尔平衡式是否组分平衡式组分质量平衡式是否组分摩尔平衡式是否元素原子

平衡式元素原子质量平衡式是是元素原子摩尔平衡式是是稳态过程物料衡算式物料平衡形式无化学反应有化学反应总平5物

料

衡

算

的

基

本

步

骤1.画出工艺流程示意图2.列出化学方程式3.确定计划任务4.收集数据物料的名称，数量，组成及流向与计算有关的工艺条件如：P，T，配比等未知的，待求的未知项，用字母，符号标定清楚。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省略次要的副反应分析未知选择公式物

料

衡

算

的

基

本

步

骤1.画出工艺流程示意图26收集数据生产规模和生产时间（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8000小时/年

对要经常维修或试验性车间一般7200小时/年

很少的厂可达8400小时/年有关的定额，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原料，辅助材料，产品，中间产品的规格与计算有关的物理化学常数

如密度，蒸汽压，相平衡常数收集数据75.选择计算基准6.建立物料平衡方程，进行物料衡算7.整理并校核计算结果8.绘制物料流程图，填写物料平衡表。列出的数学关联式的数目应与所求未知项的数目相同，若数学式不够，用试差法求解。时间基准质量基准体积基准干湿基准5.选择计算基准6.建立物料平衡方程，7.整理并8对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的产品量作计算基准。

对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。

如一个反应釜，每次投料800kg，完成一个操作周期为4h，则每小时处理物料200kg/h作计算基准。时间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时间基准9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。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。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10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STP（标准状态）下的体积，这样可排除T，P变化带来的影响，而且容易把体积换算成mol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，把水分一起算入称为湿基，二者可互算。干湿基准*选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料关系明确之物。体积基准当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成不论是11物料平衡表输入输出名称重量组成%单重名称重量组成%单重混酸435HNO347H2SO449H2O4204.5213.117.4废酸291HNO31H2SO473.2H2O25.82.9213.175氯苯混合料394C6H5Cl92NO2C6H4Cl8362.531.5硝基

物层538C6H5Cl0.65NO2C6H4Cl99.353.5

534.6共计829100100829共计829100100829基准：每小时单位：kg物料平衡表输入输出名称重量12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-2.6+2.6废酸层165.3组分重量%HNO32.601.57混合料13概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算2141.摩尔分数、质量分数、平均分子量摩尔分数对于流动物系质量分数对于流动物系平均分子量摩尔流量质量流量质量流速1.摩尔分数、质量分数、平均分子量摩尔分数对于流动物系质量152.流体的流量和流速体积流量：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kg/h、kg/min、kg/s质量流速G：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kg/h、kg/min、kg/s摩尔流量：kmol/h、kmol/min、kmol/s体积流量质量流量线速度W=Qρ=uAρ2.流体的流量和流速体积流量：m3/h、m3/min163.气体的体积和密度1）一般压力、温度<1MPa按理想气体对待PV=nRT或3.气体的体积和密度1）一般压力、温度<1MPa172）高压下>1MPa按真实气体对待PV=ZnRTZ为压缩因子，为对比压力pr、对比温度Tr的函数临界值H2、He和Ne根据pr和Tr查表得Z如为混合气体2）高压下>1MPa按真实气体对待PV=Zn183）真实气体混合物假临界值仍用压缩因子法计算4）标准状况用标准状况下的体积表示气体的量下标“0”表示标准状况，下标“1”表示工作状态3）真实气体混合物假临界值仍用压缩因子法计算4）标准状况194.液体的密度对比密度临界密度由pr和Tr查表液体混合物密度与温度、压力和组成有关体积加合法4.液体的密度对比密度临界密度由pr和Tr查表液体混合物密205.物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压：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6.溶液上方蒸汽中各组分的分压1）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拉乌尔定律5.物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压：液体在一定温度下相应的蒸212）非理想溶液活度系数，ri＝ai/xi由范拉尔方程或威尔逊方程求得7.气液平衡常数1）完全理想系低压下组分结构十分相似的溶液2）理想系中压(<1.5~2.0Mpa)的理想溶液2）非理想溶液活度系数，ri＝ai/xi7.气液平衡常227.转化率x、收率Y和选择性S起始量的选择：连续反应器反应器进口处原料的状态为起始状态间歇反应器反应开始时的状态为起始状态串联反应器进入第一个反应器的原料组成为计算基准限制反应物过量反应物Y=Sx7.转化率x、收率Y和选择性S起始量的选择：限制反应物23概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算224物理过程的物料衡算无化学反应发生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

物理过程的物料衡算无化学反应发生25例：在过滤机中把含有25%（质量%）固体的浆料进行过滤，现在料浆的进料量为2000kg/h滤饼含有90%固体，滤液含1%固体。试计算滤液，滤饼的量（设过滤有一个稳态连续过程）1.过滤：用过滤设备把液固分开的操作例：在过滤机中把含有25%（质量%）固体的浆料进行过滤，现在26例：在蒸发器中把含NaOH10%、NaCl10%的水溶液浓缩为含NaOH50%、NaCl2%的溶液。若每批处理1000kg原料液。试求

（1）每一批操作中可得的母液量？

（2）蒸发水量？

（3）析出NaCl固体量2.蒸发：把溶质不挥发的溶液加热至沸腾，使溶剂气化从而获得浓缩液或析出固体的单元操作。例：在蒸发器中把含NaOH10%、NaCl10%的水溶液27概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算228常用计算方法利用联系物做物料衡算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带有物料循环的流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常用计算方法化学反应的物料衡算291.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，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、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100%转化下的值，而不论真实反应时限制反应物是否完全反应。直接计算法反应速度法平衡常数法结点法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301）直接计算法根据化学反应方程式进行计算例1：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1.5，甲醇转化率为75%。计算反应后气体混合物的mol组成（反应物与产物均为气态）。1）直接计算法根据化学反应方程式进行计算例1：用甲醇催化氧化31 反应后气体混合物组成：组分molmol%CH3OH0.255HCHO0.7515.2H2O0.7515.2O20.3757.6N22.8257共计4.945100 反应后气体混合物组成：组分molmol%CH3O322.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器的mol流量之差称为该组分的反应速率。(mol·m-3/s)RS=FS′-FS

S—组分;RS—S组分的反应速率（以单位时间表示） 则FS′=FS+RS

FS—S组分的输入流量kmol/sFS’—S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mol平衡式已不成立，这时利用反应速率来建立衡算式。2.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33a