制药工程学第五章 物料衡算.ppt

1、1,第五章 物料衡算,5.1 物料衡算的基本原理 5.2 无化学反应过程的物料衡算 5.3 反应过程的物料衡算,2,化工工艺设计的”三算”:物料衡算、能量衡算和设备(工艺)计算 物料衡算和热量衡算: 工艺设计的基础 物料衡算: 热量衡算和设备工艺计算的基础 通过物料衡算，计算: (1)生产过程的主、副产品的产量 (2)原材料的消耗定额 (3)生产过程的物料损耗 (4)三废的生成量 (5)各单元设备的流体流量及其组成,3,通过能量衡算计算:(1)水、电、蒸汽或其它燃料的消耗定额(2)各单元设备的能量负荷及其等级,在物料及能量衡算的基础上，通过设备计算确定: (1)设计和选择反应器和其他设备的类型

2、、尺寸及台数 (2)所需设备的投资 对原有装置作物料衡算和能量衡算可以核查: (1)生产过程中各物料量及有关数据是否正常，有否泄漏 (2)热量回收、利用水平和热损失的大小 从而查找出生产上的薄弱环节和瓶颈部位，为改善操作和进行系统的最优化提供依据,4,5.1 物料衡算的基本原理物料衡算:围绕一个特定范围进行称此范围为衡算系统,衡算系统:一个总厂，一个分厂或车间，一套装置 一个设备，甚至一个节点等 5.1.1 物料衡算的质量守恒 理论依据:质量守恒定律 按此定律写出衡算系统的物料衡算通式为 输入物料的总质量= 输出物料的总质量 十 系统内积累的物料质量,5,5.1.2 间歇操作过程的物料衡算 间

3、歇操作:批量生产，一次投料到设备内进行处理， 处理后一次出料，后再进行第二批生产 特点: 在过程中浓度等参数随时间而变化 分批投料和分批出料也属于间歇操作 间歇操作过程的物料衡算:以每批生产时间为基准，输入物料量为每批投入的所有物料质量的总和（包括反应物、溶剂、充入的气体、催化剂等）,6,投入料总量卸出料总量= 残存在设备内的物料量及 其他机械损失 设备的生产能力=每批生产所获得的目的产物量/ 每批操作循环耗费的总时间 间歇操作过程:包括投料、设备加盖密封、试漏、 气体置换、加压、升温、反应、吹净、 开盖、卸料和清洗设备等操作 完成一个循环的非反应时间较多，生产能力低,7,5.1.3 稳定流动

4、过程的物料衡算 连续式操作，设备或装置可连续运行很长时间，除了开工和停工阶段外，在绝大多数时间内是处于稳定状态的流动过程，物料不断地流进和流出系统。 特点:系统中各点的参数(例如T、P、浓度和流量等) 不随时间而变化，系统中没有积累 当然，设备内不同点或截面的参数可相同，也可不同 稳定流动过程的物料衡算式: 输入系统的物料总质量= 输出系统的物料总质量,8,5.1.4 物料衡算形式(1)总质量平衡式:输入系统的物料总质量= 输出系统的物料总质量,(2)组分质量平衡式: 输入系统的i组分质量之和 = 输出系统的i组分质量之和 有化学反应的过程不成立 (3)元素原子平衡式: 在反应中，原子本身不发

5、生变化可用元素的原子的物质的量来做衡算 不涉及化学反应式中的化学计量关系 对复杂反应体系的计算很方便 对稳定流动过程: 输入物料中所有原子的物质的量（mol）之和 = 输出物料中所有原子的物质的量（ mol ）之和,9,5.1.5 物料衡算基本步骤 做物料衡算时，应该按一定步骤来进行，才能给出清晰的计算过程和正确的结果 通常遵循以下步骤: 第一步 绘出流程的方框图，以便选定衡算系统 图形表达方式宜简单，但代表的内容要准确，进、出物料不能有任何遗漏，否则衡算会造成错误 第二步 列出已知数据 衡算时须有足够的原始数据 如物性数据、工艺数据等。要注意数据的适用范围和条件。所有的数据单位必须要统一 第

6、三步 列出由物料平衡所求解的问题,10,第四步 确定计算范围 第五步 写出主副化学反应方程式。第六步 选定衡算基准,第七步 设未知数，列方程式组，联立求解 有几个未知数则应列出几个独立的方程式，这些方程式除物料衡算式外，有时尚需其他关系式，诸如组成关系约束式、化学平衡约束式、相平衡约束式、物料量比例等。 第八步 计算和核对 第九步 整理计算结果 已知数据及计算结果列成物料平衡表，表格可以有不同形式，但要全面反映输入及输出的各种物料和包含的组分的绝对量和相对含量,11,5.1.6 衡算基准及选择 衡算基准:进行物料衡算所选择的起始物理量包括物料名称、数量和单位，衡算结果得到的其他物料量均是相对该

7、基准而言 衡算基准的选择以计算方便为原则，恰当地选择基准可使计算简化，同时也可缩小计算误差 选择基准大致有一下几种: 以时间为基准 连续稳定过程:可选取以单位时间（1a ，1h，1min，1s等）的投料量或产品量为计算基准 这种基准可直接联系到生产规模和设备的生产能力 如年产300kt 乙烯的装置，年操作时间为8000 h ， 则每一小时的平均产量为37.5 t 一般年生产时间取为330天=7920 h 或取8000 h,12,以质量为基准,对液体或固体物料，可选取一定量原料或产品（混合物用1kg或 100kg；单一化合物或已知组成和相对分子质量的混合物用1mol或 1kmol等）为基准 间歇

8、操作，一般可选取一批或一釜原料或产品作为基准 以体积为基准 对气体物料选取体积为基准， 用标准体积， m3(STP)表示，实际状况下的体积换算为标准体积 选择衡算基准是个技巧问题，基准选择恰当， 可以使计算大为简化,13,5.1.7 变量分析,物料衡算过程需要根据已知变量，建立方程式，求解方程式，解出未知的物流量和组成。 首先，建立物料平衡式和约束式。 （1）方程式和约束式 物料衡算式：i个组分(元素)写出（i+1）方程式 物流约束式:如归一化方程， xi=1 相平衡方程式， yi=ki xi 等 设备约束式:如物料分配器中分配比(精馏回流比)等,14,（2）设计变量设计一个装置要求确定各个物

9、理量数值，如F, x, y等 这些物理量之间是相互关联，相互制约的 其中一部分是设计者所能规定的 设计变量：指在设计时，设计者所指定的独立变量 设计中，设计变量过少，设计缺条件，设计无法进行 设计变量过多，变量之间相互矛盾，设计也无法进行 设计变量数取决于独立变量数N(v)和约束条件数（独立方程式的数目），有时也称约束关系式数 Nd = Nv Nc 式中：Nv 描述系统的独立变量数； Nc 独立变量之间约束关系式数； Nd 设计变量数,15,f = c - + 2 单相系： Nv = f = c 1 + 2 = c + 1 两相系： Nv = f = c 2 + 2 = c 流动物系需要再加流

10、率变量（物流变量） 对于每一单相物流： Nv = f + 1 = c + 1 + 1 = c + 2 如果所讨论的物系除物流外尚有与外界的热与功的交换时则相应的增加Q、W 变量,（3）独立变量数封闭平衡物系的独立变量数。由相律,16,518 主要工艺指标 生产能力 指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量 单位:kgh，t/d或kt/a，万吨a等 （2）生产强度 为设备单位特征几何量的生产能力 设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力 单位: kg（hm3），t（dm3）， 或kg（hm2），或t（dm2）等 主要用于比较那些相同反应过程或物理加

11、工过程的 设备或装置的优劣 设备中进行的过程速率高，其生产强度就高,17,(3）有效生产周期开工因子通常在0.9左右，开工因子大意味着停工检 修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长 （4）原子经济性 是美国 Stanbrd大学的 BMTrost教授首次提出 因此获得1998年美国“总统绿色化学挑战奖”的学术奖 原子经济性AE定义：,式中: Pj目的产物分子中各类原子数 Fj一 反应原料中各类原子数 Mj 一相应各类原子的相对质量,18,指标从本质上反映其合成工艺是否最大限度地利用了 资源，避免废物的产生和由此而带来的环境污染 （6）转化率（conversion） 指某一反应物参加反应而转

12、化的数量占该反应物起始量的分率或百分率 定义式： 转化率表征原料的转化程度,(5)环境因子由荷兰化学家Sheldon提出环境因子E的定义为：,100%,19,对同一反应，若反应物不只一个，则不同反应组分 的转化率在数值上可能不同对反应,反应物A和B的转化率分别: XA ，XB 分别为组分A和组分B的转化率 nA,0，nB,0 分别为组分 A和组分 B的起始量，mol nA，nB 分别为反应后组分A和B的剩余量，mol A ，B ， R ，S化学计量系数 人们对关键(限制)反应物的转化率感兴趣， 关键反应物:反应物中价值最高的组分，使其尽可能转化，常使其他反应组分（过量反应物）过量,20,不可逆

13、反应:关键组分转化率最大为100可逆反应:关键组分转化率最大为其平衡转化率 xWA0.02; 提出产品的回收率: 塔顶A产品回收率为98%等 (塔顶A产品回收率= DXDA / FXFA 100%) 塔顶 ：LNK, LK, HK ; 塔釜：LK, HK, HNK 非清晰分割：塔顶流出物中还含有重组分（HNK）,釜液 中还含有轻组分（LNK）,36,（2）多组分精馏的物料衡算的变量分析已知条件： F , xFi , xwL , xDL c+2总独立变量数目：xFi（c-1）,xwi (c-1), xDi (c-1), F ,D, W 3c 未知变量数： 3c-(c+2)=2c-2 物平式： c

14、 未知变量数-物平式= 2c-2c = c-2 说明方程式数目比未知变量数少c-2个，不可解 （3）清晰分割的物料衡算 塔顶：xD1, xD2, , xDL, xDH, 0, 0, ,0 c个 塔釜：0， 0，, xwL, XwH, , xwN-1,xwN c个 c-2为零。也就消去了c-2个未知数 方程组可解,37,(4)非清晰分割的物料衡算 Henstebook(亨斯特伯克)法，1964年提出 假设：在任意回流比下的塔顶、塔釜组分分配与 全回流时相同 非关键组分与分配与关键组分相同 计算步骤： 按清晰分割求xDi , xwi 求T顶, T釜, T进（泡、露点） 求（LH）顶，（LH ）釜，

15、（LH ）进 ,（ LH ）均 用轻、重关键组分的数据(Fenske公式)求Nm Nm=lg(xLK/xHK)D/( xLK/xHK)W/lg(LH)均,38,由假设上式适用于任意组分i与HK之间，即,39,40,5.3 反应过程的物料衡算 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。 本节主要讨论化学过程的物料衡算。 5.3.1 利用反应计量方程式作物料衡算 例5-1 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20

16、kg。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。,41,解：化学反应方程式为 相对分子质量 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,(1755),(1720),42,例5-2 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1000 kgh-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,解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。,乙醇：1000kg 纯度100%,乙醇催化 脱氢制 乙醛反应器,产物,43,有1股进料和1股出料，且已知进料乙醇的数量和组

17、成 物算的目的 确定出料组成。 连续操作以单位时间，即1h的进料量为基准方便。 主反应方程式为:,相对分子质量 46 44 2,副反应方程式为:,246=92 88 22=4,相对分子质量,44,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-1,45,乙醇催化脱氢过程物料平衡表,46,5.3.2 利用联系物作物料衡算,生产过程中常有不参加反应的物质,习惯上叫惰性物质 惰性物质的数量在反应器的进口和出口物料中不发生变化,可利用它在进口和出口的数量(质量或摩尔数)不变的关系列物料衡算方程 惰性物质=联系物 采用惰性物质为联系物

18、作物料衡算是常使用的一种方法 注意:当惰性物质数量很小时,且此组分分析的相对误差又很大时,则不宜选用惰性物质为联系物,47,例5-3 用甲烷和氢气的混合气完全燃烧来加热锅炉。反应方程式如下: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O H2 + O2 H2O 烟道气的组成如下: 组分 N2 CO2 O2 H2O 合计 %(mol) 72.19 8.12 2.44 17.25 100 计算: 燃料中甲烷和氢气的摩尔比; 空气与(CH4+ H2)的摩尔比。,48,解: 100 mol烟道气为计算基准;已知其组成 进入燃烧室的空气含O2量可用N2作联系物求出: 72.19(21/79)=19.19 m

19、ol 烟道气中所含8.12 mol CO2是由CH4燃烧产生, 从式(1)可知，甲烷消耗8.12 mol 和甲烷燃烧O2量为8.122=16.24 mol H2燃烧所消耗的O2量为 19.19 - 16.24 - 2.44 = 0.51 mol 燃料中H2量计算: 20.51=1.02 mol 把计算结果列表如下(100 mol烟道气为计算基准): 燃料中CH4/H2(mol)= 8.12/1.02=7.96 空气/(CH4+ H2)=91.38/9.14=9.94,49,50,5.3.3 利用元素的原子平衡法作物料衡算 在反应中，原子本身不发生变化 可用元素的原子物质的量来做衡算 不涉及化学

20、反应式中的化学计量关系 对复杂反应体系的计算很方便 例5-4 丙烷充分燃烧时要使空气过量25%,燃烧反应式: C3o + 5O2 CO2 + H2O 求每100mol燃烧产物(烟道气)需要加入多少C3o和空气? 解: 以100mol烟道气为计算基准 用N-烟道气中N2的物质的量,mol;P-烟道气中CO2的物质的量,mol; Q-烟道气中H2O的物质的量,mol;M-烟道气中O2的物质的量,mol; A入口空气中的物质的量,mol;B-入口C3o的物质的量,mol.,51,作碳原子平衡得: B(C3o)=P(CO2)/3 作氢原子平衡得: B(C3o)=Q(H2O)/4 作氧原子平衡得: 0.21A(空气中物质的量)=