制藥工程原理與設計物料衡算-2010

1、物料衡算Material Balance,,概 述,物料衡算是化工工藝設計中最基本的設計內容，是工藝設計的基礎。,主副產品的產量原材料消耗定額生產過程中的損耗三廢產生量,物料的浪費生產過程的反?，F(xiàn)象,物料衡算,,,,物料衡算的理論依據,“質量守衡定律”,在化工過程中，物料平衡是指：進入一個裝置（或設備）的全部物料的量，必定等于離開這個裝置（或設備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內累積起來的物料的量。,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”是指由于化學反應而生 成、消耗的質量（2）對穩(wěn)態(tài)過程：累積項=0 輸入+生成=輸出+消耗,*穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過程：系統(tǒng)內任一部分的參數(shù)，不隨時間而變，只隨空間位置而改變，是存在于連續(xù)操作的一個過程，其特征為：累積項=0,有化學反應時的物料衡算,無化學反應的穩(wěn)態(tài)過程：輸入=輸出,穩(wěn)態(tài)過

3、程物料衡算式,物料衡算的基本步驟,1. 畫出工藝流程示意圖,2. 列出化學方程式,3. 確定計劃任務,4. 收集數(shù)據,物料的名稱，數(shù)量，組成及流向與計算有關的工藝條件如：P， T，配比等未知的，待求的未知項，用字母， 符號標定清楚。畫出與物料衡算有關的設備及管線,寫明反應過程的熱效應省略次要的副反應,分析未知選擇公式,收集數(shù)據生產規(guī)模和生產時間（年生產時數(shù)） 生產規(guī)模在設計任務書中已

4、有，若是中間車間應根據消耗定額來確定生產規(guī)模，要考慮物料在車間回流的情況。大型企業(yè)一般8000小時/年對要經常維修或試驗性車間一般7200小時/年很少的廠可達8400小時/年有關的定額，收率，轉化率的數(shù)據收集要注意可靠性準確性，并了解其單位與基準原料，輔助材料，產品，中間產品的規(guī)格與計算有關的物理化學常數(shù)如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù),5. 選擇計算基準,6. 建立物料平衡方程，進行物料衡算,7. 整理并校核計算結果

5、,8. 繪制物料流程圖，填寫物料平衡表。,列出的數(shù)學關聯(lián)式的數(shù)目應與所求未知項的數(shù)目相同，若數(shù)學式不夠，用試差法求解。,時間基準質量基準體積基準干濕基準,,對連續(xù)生產過程可用單位時間的物料量或單位時間的產品量作計算基準。 對間歇生產過程可以一套或一批料的生產周期作基準。如一個反應釜，每次投料800kg，完成一個操作周期為4h，則每小時處理物料200kg/h作計算基準。,時間基準,質量基準,當進行衡算的系統(tǒng)其物料緣

6、于固相或液相時，可選擇一定質量的原料或產品作為計算基準，可選用1kg原料為計算基準。特別是原料或產品是單一化合物，或其組成是已知的，選此作計算基準更為方便。,體積基準,當物料是氣體時，可選用體積為基準，通常都換算成STP（標準狀態(tài)）下的體積，這樣可排除T，P變化帶來的影響，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)物質往往都含有一定的水分，因此就出現(xiàn)干基，濕基的問題。若進行衡算時，把水分去掉則稱干

7、基，把水分一起算入稱為濕基，二者可互算。,干濕基準,*選作基準的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料關系明確之物。,物料平衡表,基準：每小時 單位：kg,萃取,硝化,,,,,,,,,,單 位：kg/h,物料流程圖,-2.6,+2.6,概述,計算中用的基本量,物理過程的物料衡算,化學反應的物料衡算,目 錄,,1. 摩爾分數(shù)、質量分數(shù)、平均分子量,摩爾分數(shù),對于流動物系,質量分數(shù),對于流動物系,平均分子量,

8、摩爾流量,質量流量,質量流速,,,,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：流體單位時間內在流動的方向上所流 經的距離, m/s,質量流量：單位時間內流經管道或設備的流體的質量 kg/h、 kg/min、 kg/s,質量流速G：單位時間內流經管道或設備的單位橫截面積

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

10、、He和Ne,根據pr和Tr查表得Z,如為混合氣體,3） 真實氣體混合物,假臨界值,,,仍用壓縮因子法計算,4） 標準狀況,用標準狀況下的體積表示氣體的量,下標“0”表示標準狀況，下標“1”表示工作狀態(tài),4. 液體的密度,對比密度,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,體積加合法,5. 物質的飽和蒸汽壓,飽和蒸汽壓：,液體在一定溫度下相應的蒸發(fā)-凝結的平衡狀態(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,由化學結構非常相似，相對分子質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,低壓下組分結構十分相似的溶液,2）理想系,中壓(< 1.5~2.0Mpa)的理想溶液,7. 轉化率x、收率Y 和選擇性S,起始量的選擇：連續(xù)反應器 反應器進口處原料的狀態(tài)為起始狀態(tài)間歇反應器 反應開始時的狀態(tài)為起始狀態(tài)

12、串聯(lián)反應器 進入第一個反應器的原料組成為計算基準,限制反應物過量反應物,,,Y = Sx,概述,計算中用的基本量,物理過程的物料衡算,化學反應的物料衡算,目 錄,,物理過程的物料衡算,無化學反應發(fā)生屬于化工單元操作過程的衡算如過濾、混合、吸收、干燥、結晶、精餾等,例：在過濾機中把含有25%（質量%）固體的漿料進行過濾，現(xiàn)在料漿的進料量為2000kg/h 濾餅含有90%固體，濾液含1%固體。試計算濾液，濾餅的量（設過濾有

13、一個穩(wěn)態(tài)連續(xù)過程）,1. 過濾： 用過濾設備把液固分開的操作,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,計算中用的基本量,物理過程的物料衡算,

14、化學反應的物料衡算,目 錄,,常用計算方法利用聯(lián)系物做物料衡算復雜反應體系使用產物、副產物各自的收率數(shù)據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)過程的物料衡算,化學反應的物料衡算,,1.常用計算方法,由于化學反應的存在，總摩爾平衡式，組分的質量， 摩爾平衡式是不成立的。在化學反應中常涉及轉化率、反應速率、收率、 過量系數(shù)等，要注意其定義式。特別是過量系數(shù)它 是基于限制反應物100%轉

15、化下的值，而不論真實反 應時限制反應物是否完全反應。,直接計算法反應速度法平衡常數(shù)法結點法,,1）直接計算法,根據化學反應方程式進行計算,例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反應式為： CH3OH + 0.5O2 → HCHO+H2O氧由空氣中來，已知空氣過剩系數(shù)為1.5，甲醇轉化率為75%。計算反應后氣體混合物的mol組成（反應物與產物均為氣態(tài)）。,反應后氣體混合物組成：,2. 反應速度法,

16、反應速率的定義：某一組分進單位體積反應器與出反應器的mol流量之差稱為該組分的反應速率。( mol·m-3/s) RS=FS′-FS S—組分; RS—S組分的反應速率（以單位時間表示） 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,當有化學反應時，以

17、組分建立的質量平衡式和mol平衡式已不成立，這時利用反應速率來建立衡算式。,aA + bB → cC + dD表示反應的速率有RA、RB、RC、RD，這四者之間的關系式為：,通式,σi—i組分的化學計算系數(shù)，對反應物取負值，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)量在反應器的進口、出口物料中沒有變化,計算時可以利用它在設備進、出口的數(shù)量(質量

18、或摩爾 數(shù))不變的關系列物料衡算方程。稱這種惰性物料為聯(lián)系物。,,對于,,,復雜反應體系使用產物、副產物各自的收率數(shù)據作物料衡算,,一個生產車間（或多個乃至全廠）有許多設備與工序，各工序之間又相互牽制，反應組分很多，物料衡算比較復雜。一般可按下述步驟進行：① 按生產工藝流程畫出示意圖，注上有關條件。② 根據本車間的年產量及年工作時間及產品產率確定單位時間的投料量。③ 按物料流程的順序分別對各單元操作（工序）作物料衡算，列出各