制藥工程原理與設(shè)計(jì)物料衡算-2010

1、物料衡算Material Balance,,概 述,物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。,主副產(chǎn)品的產(chǎn)量原材料消耗定額生產(chǎn)過(guò)程中的損耗三廢產(chǎn)生量,物料的浪費(fèi)生產(chǎn)過(guò)程的反?，F(xiàn)象,物料衡算,,,,物料衡算的理論依據(jù),“質(zhì)量守衡定律”,在化工過(guò)程中，物料平衡是指：進(jìn)入一個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量，必定等于離開(kāi)這個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)累積起來(lái)的物料的量。,輸入=輸出

2、+累積 ∑F=∑D+W,（1）基本式： 輸入+生成=輸出+消耗+累積 “生成”、“消耗”是指由于化學(xué)反應(yīng)而生 成、消耗的質(zhì)量（2）對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程：累積項(xiàng)=0 輸入+生成=輸出+消耗,*穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)任一部分的參數(shù)，不隨時(shí)間而變，只隨空間位置而改變，是存在于連續(xù)操作的一個(gè)過(guò)程，其特征為：累積項(xiàng)=0,有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的物料衡算,無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程：輸入=輸出,穩(wěn)態(tài)過(guò)

3、程物料衡算式,物料衡算的基本步驟,1. 畫(huà)出工藝流程示意圖,2. 列出化學(xué)方程式,3. 確定計(jì)劃任務(wù),4. 收集數(shù)據(jù),物料的名稱(chēng)，數(shù)量，組成及流向與計(jì)算有關(guān)的工藝條件如：P， T，配比等未知的，待求的未知項(xiàng)，用字母， 符號(hào)標(biāo)定清楚。畫(huà)出與物料衡算有關(guān)的設(shè)備及管線,寫(xiě)明反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)省略次要的副反應(yīng),分析未知選擇公式,收集數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間（年生產(chǎn)時(shí)數(shù)） 生產(chǎn)規(guī)模在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中已

4、有，若是中間車(chē)間應(yīng)根據(jù)消耗定額來(lái)確定生產(chǎn)規(guī)模，要考慮物料在車(chē)間回流的情況。大型企業(yè)一般8000小時(shí)/年對(duì)要經(jīng)常維修或試驗(yàn)性車(chē)間一般7200小時(shí)/年很少的廠可達(dá)8400小時(shí)/年有關(guān)的定額，收率，轉(zhuǎn)化率的數(shù)據(jù)收集要注意可靠性準(zhǔn)確性，并了解其單位與基準(zhǔn)原料，輔助材料，產(chǎn)品，中間產(chǎn)品的規(guī)格與計(jì)算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù),5. 選擇計(jì)算基準(zhǔn),6. 建立物料平衡方程，進(jìn)行物料衡算,7. 整理并校核計(jì)算結(jié)果

5、,8. 繪制物料流程圖，填寫(xiě)物料平衡表。,列出的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式的數(shù)目應(yīng)與所求未知項(xiàng)的數(shù)目相同，若數(shù)學(xué)式不夠，用試差法求解。,時(shí)間基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn),,對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程可用單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的產(chǎn)品量作計(jì)算基準(zhǔn)。 對(duì)間歇生產(chǎn)過(guò)程可以一套或一批料的生產(chǎn)周期作基準(zhǔn)。如一個(gè)反應(yīng)釜，每次投料800kg，完成一個(gè)操作周期為4h，則每小時(shí)處理物料200kg/h作計(jì)算基準(zhǔn)。,時(shí)間基準(zhǔn),質(zhì)量基準(zhǔn),當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣

6、于固相或液相時(shí)，可選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)，可選用1kg原料為計(jì)算基準(zhǔn)。特別是原料或產(chǎn)品是單一化合物，或其組成是已知的，選此作計(jì)算基準(zhǔn)更為方便。,體積基準(zhǔn),當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成STP（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下的體積，這樣可排除T，P變化帶來(lái)的影響，而且容易把體積換算成mol數(shù)（除以22.4）。,不論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)往往都含有一定的水分，因此就出現(xiàn)干基，濕基的問(wèn)題。若進(jìn)行衡算時(shí)，把水分去掉則稱(chēng)干

7、基，把水分一起算入稱(chēng)為濕基，二者可互算。,干濕基準(zhǔn),*選作基準(zhǔn)的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料關(guān)系明確之物。,物料平衡表,基準(zhǔn)：每小時(shí) 單位：kg,萃取,硝化,,,,,,,,,,單 位：kg/h,物料流程圖,-2.6,+2.6,概述,計(jì)算中用的基本量,物理過(guò)程的物料衡算,化學(xué)反應(yīng)的物料衡算,目 錄,,1. 摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均分子量,摩爾分?jǐn)?shù),對(duì)于流動(dòng)物系,質(zhì)量分?jǐn)?shù),對(duì)于流動(dòng)物系,平均分子量,

8、摩爾流量,質(zhì)量流量,質(zhì)量流速,,,,2. 流體的流量和流速,體積流量： m3/h、 m3/min、 m3/s,流體的線速度：流體單位時(shí)間內(nèi)在流動(dòng)的方向上所流 經(jīng)的距離, m/s,質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量 kg/h、 kg/min、 kg/s,質(zhì)量流速G：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的單位橫截面積

9、 的流體的質(zhì)量 kg/h、 kg/min、 kg/s,摩爾流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s,,體積流量,,質(zhì)量流量,,線速度,W=Qρ=uAρ,3. 氣體的體積和密度,1） 一般壓力、溫度,< 1M Pa 按理想氣體對(duì)待 PV=nRT,或,2） 高壓下,>1M Pa 按真實(shí)氣體對(duì)待 PV=ZnRT,Z為壓縮因子，為對(duì)比壓力pr、對(duì)比溫度Tr的函數(shù),臨界值,,,H2

10、、He和Ne,根據(jù)pr和Tr查表得Z,如為混合氣體,3） 真實(shí)氣體混合物,假臨界值,,,仍用壓縮因子法計(jì)算,4） 標(biāo)準(zhǔn)狀況,用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積表示氣體的量,下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀況，下標(biāo)“1”表示工作狀態(tài),4. 液體的密度,對(duì)比密度,臨界密度,,,,,由pr和Tr查表,液體混合物,密度與溫度、壓力和組成有關(guān),體積加合法,5. 物質(zhì)的飽和蒸汽壓,飽和蒸汽壓：,液體在一定溫度下相應(yīng)的蒸發(fā)-凝結(jié)的平衡狀態(tài)的蒸汽壓力,6. 溶液上方蒸汽中各組

11、分的分壓,1）理想溶液,由化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似，相對(duì)分子質(zhì)量又相近的組分所形成的溶液,拉烏爾定律,2）非理想溶液,,活度系數(shù)，ri＝ai/ xi由范拉爾方程或威爾遜方程求得,7. 氣液平衡常數(shù),1）完全理想系,低壓下組分結(jié)構(gòu)十分相似的溶液,2）理想系,中壓(< 1.5~2.0Mpa)的理想溶液,7. 轉(zhuǎn)化率x、收率Y 和選擇性S,起始量的選擇：連續(xù)反應(yīng)器 反應(yīng)器進(jìn)口處原料的狀態(tài)為起始狀態(tài)間歇反應(yīng)器 反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)為起始狀態(tài)

12、串聯(lián)反應(yīng)器 進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料組成為計(jì)算基準(zhǔn),限制反應(yīng)物過(guò)量反應(yīng)物,,,Y = Sx,概述,計(jì)算中用的基本量,物理過(guò)程的物料衡算,化學(xué)反應(yīng)的物料衡算,目 錄,,物理過(guò)程的物料衡算,無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生屬于化工單元操作過(guò)程的衡算如過(guò)濾、混合、吸收、干燥、結(jié)晶、精餾等,例：在過(guò)濾機(jī)中把含有25%（質(zhì)量%）固體的漿料進(jìn)行過(guò)濾，現(xiàn)在料漿的進(jìn)料量為2000kg/h 濾餅含有90%固體，濾液含1%固體。試計(jì)算濾液，濾餅的量（設(shè)過(guò)濾有

13、一個(gè)穩(wěn)態(tài)連續(xù)過(guò)程）,1. 過(guò)濾： 用過(guò)濾設(shè)備把液固分開(kāi)的操作,例：在蒸發(fā)器中把含NaOH 10%、NaCl 10%的水溶液濃縮為含NaOH 50%、NaCl 2%的溶液。若每批處理 1000kg原料液。試求（1）每一批操作中可得的母液量？（2）蒸發(fā)水量？（3）析出NaCl固體量,2. 蒸發(fā)：把溶質(zhì)不揮發(fā)的溶液加熱至沸騰，使溶劑氣化 從而獲得濃縮液或析出固體的單元操作。,概述,計(jì)算中用的基本量,物理過(guò)程的物料衡算,

14、化學(xué)反應(yīng)的物料衡算,目 錄,,常用計(jì)算方法利用聯(lián)系物做物料衡算復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算,化學(xué)反應(yīng)的物料衡算,,1.常用計(jì)算方法,由于化學(xué)反應(yīng)的存在，總摩爾平衡式，組分的質(zhì)量， 摩爾平衡式是不成立的。在化學(xué)反應(yīng)中常涉及轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、收率、 過(guò)量系數(shù)等，要注意其定義式。特別是過(guò)量系數(shù)它 是基于限制反應(yīng)物100%轉(zhuǎn)

15、化下的值，而不論真實(shí)反 應(yīng)時(shí)限制反應(yīng)物是否完全反應(yīng)。,直接計(jì)算法反應(yīng)速度法平衡常數(shù)法結(jié)點(diǎn)法,,1）直接計(jì)算法,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算,例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反應(yīng)式為： CH3OH + 0.5O2 → HCHO+H2O氧由空氣中來(lái)，已知空氣過(guò)剩系數(shù)為1.5，甲醇轉(zhuǎn)化率為75%。計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的mol組成（反應(yīng)物與產(chǎn)物均為氣態(tài)）。,反應(yīng)后氣體混合物組成：,2. 反應(yīng)速度法,

16、反應(yīng)速率的定義：某一組分進(jìn)單位體積反應(yīng)器與出反應(yīng)器的mol流量之差稱(chēng)為該組分的反應(yīng)速率。( mol·m-3/s) RS=FS′-FS S—組分; RS—S組分的反應(yīng)速率（以單位時(shí)間表示） 則 FS′=FS+RS FS—S組分的輸入流量kmol/s FS ’—S組分輸出流量kmol/s,當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，以

17、組分建立的質(zhì)量平衡式和mol平衡式已不成立，這時(shí)利用反應(yīng)速率來(lái)建立衡算式。,aA + bB → cC + dD表示反應(yīng)的速率有RA、RB、RC、RD，這四者之間的關(guān)系式為：,通式,σi—i組分的化學(xué)計(jì)算系數(shù)，對(duì)反應(yīng)物取負(fù)值，生成物取正值由此得Ri=r×σi代入上面式子得 Fi′=Fi+ r×σi,利用聯(lián)系物做物料衡算,惰性物料的數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)口、出口物料中沒(méi)有變化,計(jì)算時(shí)可以利用它在設(shè)備進(jìn)、出口的數(shù)量(質(zhì)量

18、或摩爾 數(shù))不變的關(guān)系列物料衡算方程。稱(chēng)這種惰性物料為聯(lián)系物。,,對(duì)于,,,復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算,,一個(gè)生產(chǎn)車(chē)間（或多個(gè)乃至全廠）有許多設(shè)備與工序，各工序之間又相互牽制，反應(yīng)組分很多，物料衡算比較復(fù)雜。一般可按下述步驟進(jìn)行：① 按生產(chǎn)工藝流程畫(huà)出示意圖，注上有關(guān)條件。② 根據(jù)本車(chē)間的年產(chǎn)量及年工作時(shí)間及產(chǎn)品產(chǎn)率確定單位時(shí)間的投料量。③ 按物料流程的順序分別對(duì)各單元操作（工序）作物料衡算，列出各