第九章 制药设备设计物料衡算(1)

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MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714223056949_0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：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反应，要写出所有物系的化学反应方程式。如硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸2.列出反应方程式，包括主反应和副反应主反应副反应I副反应II分子量9298172183.根据给定条件画出流程简图画流程简图步骤及要点如下：1）流程简图中的设备可用方框表示;2）用线条和箭头表示物料流股的途径和流向；3）标出流股的已知变量（流量、组成等）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4.选定物料衡算基准1）时间基准对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基准可与生产规模直接联系对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准。对连续过程可１天、１月或１年。2）质量基准对于液、固系统，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准。若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（mol）作基准更方便。对生药和中药可取单位质量的产品作基准。3、体积基准对气体和液体也可选用体积作基准。即以单位体积的原料或产品为基准进行物料衡算。在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的衡算基准。合理地选择衡算基准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差例题丙烷充分燃烧时，通入的空气量为理论量的125％，反应式为C3H8+5O2＝＝3CO2+4H2O问100mol燃烧产物需要多少摩尔空气？解：画出物料流程示意图（一）取1molC3H8为计算基准完全燃烧所需氧的理论量5mol实际供氧量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烟道气中水量4mol烟道气中CO2量3mol烟道气中氧量6.25－5＝1.25mol产生烟道气的量＝3+4+1.25+23.51＝31.76mol100mol烟道气所需空气的量100×29.76／31.76＝93.7mol（二）取1mol空气为计算基准1mol空气为计算基准中氧量为0.21mol燃烧丙烷耗氧量0.21／1.25＝0.168mol燃烧丙烷的量0.168／5＝0.0336mol100mol烟道气所需空气的量:100／1.068＝93.6mol5.列出物料平衡表。包括输入和输出的物料由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围组分输入输出kg/hw%kmol/hy%kg/hw%kmol/hy%ABC总计第二节物理过程的物料衡算1.简单物理过程的物料衡算例1混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为H2SO446%(质量百分比，下同)、HNO346%、H2O8%，配制混酸用的原料为92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含H2SO469%的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制1000kg混酸时各原料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图中为92.5%的硫酸用量，为98%的硝酸用量，为含69%硫酸的废酸用量。解：取设备为衡算体系，1000千克混酸为计算基准对HNO3进行物料衡算得0.98G硝酸=0.461000(a)对H2SO4进行物料衡算得0.925G硫酸+0.69G废酸=0.461000(b)对H2O进行物料衡算得0.02G硝酸+0.075G硫酸+0.31G废酸=0.081000(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混酸配制过程的物料平衡表表中输入、输出两栏中的总量与个分量的合计总数应当都相等例2一种废酸，组成为23％(w%)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的HNO3，要求混合成27％HNO3，60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量。解：（1）画出流程简图（2）选择计算基准4个物流均可选，选取100kg混酸为基准。（3）列物料衡算式总物料衡算式x+y+z=100H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100х0.27=27解方程得：x=41.8kg;y=39kg;z=19.2kg例3拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知混合液的进料流量为200kmolh-1，其中含苯0.4(摩尔分率，下同)，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于0.01，塔顶馏出液中苯的回收率不低于98.5%，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。解：以连续精馏塔为衡算范围,绘出物料衡算示意图。图中F为混合液的进料流量,D为塔顶馏出液的流量,W为塔底釜液的流量,x为苯的摩尔分率。图中共有3股物料，3个未知数，需列出3个独立方程。对全塔进行总物料衡算得，以１小时为计算基准D+W=200(a)对苯进行物料衡算得D×xD+0.01W=2000.4(b)由塔顶馏出液中苯的回收率得D×xD=2000.40.985(c)联解式(a)、(b)和(c)得D=80kmolh-1，W=120kmolh-1，xD=0.985２.中药制药过程的物料衡算例４某复方中药制剂，其各味原药材采用三级逆流罐水提取工艺，每级提取罐每批拟投中药材总重100kg,药材在罐内预先用水润湿，据测定每1kg干药材可吸水1kg。浸提加８倍量药材的水．已知三级水提取的总出液系数：8.04kg提取液／kg药材；提取液中固溶物含量0.578%;三级提取后得到的浓浸提液密度为1020kg/m3;蒸汽蒸馏得挥发油0.001kg挥发油／kg药材，馏出时的组成0.3%。对该三级提取作物料衡算。M浓浸提液(100℃)三级浸提提取罐图4-４三级提取过程物料衡算示意图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)蒸汽蒸馏得挥发油0.001kg挥发油／kg药材，馏出时的组成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)已知三级水提取的总出液系数：8.04kg提取液／kg药材提取液中固溶物含量0.578%;Σ输入=Σ输出3×100＋3×100＋3×800+100=M浓浸提液(100℃)+M挥发油＋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物含量0.578%;3×800+100=M浓浸提液(100℃)－M固溶物＋M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4-４三级提取过程物料衡算示意图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物料衡算表第三节化学过程的物料衡算1.反应转化率、选择性及收率（1）转化率限制反应物——化学反应原料不按化学计量比配料时，以最小化学计量数存在的反应物。　　　过量反应物——反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量的，该反应物叫过量反应物。转化率x——某反应物的反应消耗量与反应物的原始投料量之比。反应：aA+bB→cC+dD例５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20kg。试分别计算甲苯的转化率。解：化学反应方程式为分子量929817218则甲苯的转化率为注意：1）要注明是指那种反应物的转化率；2）反应掉的量应包括主副反应消耗的原料之和；3）若未指明是那种反应物的转化率，则常指主要反应物或限制反应物的转化率。（２）收率Y目标产物的收率可用转化为该产物的反应物Ａ的量与反应物Ａ的原始投料量之比来表示。y=按目标产物收得量折算的反应物Ａ的量反应物Ａ的投料量×100%aA+bB→　cC+dD--生成目标产物所消耗的某原料的量该原料投入量的百分数。yｄ=ND××100%aMddMaNA1质量收率ym=目标产物的质量投入某原料的质量×100%（3）选择性——生成目的产物所消耗的某原料量占该原料反应量的百分数。若有反应：aA→dDψ=ND××100%aMddMaNA1－NA２若反应体系中存在副反应，则在各主、副产物中，转化成目标产物的反应物Ａ的量与反应物Ａ的反应消耗量之比称反应的选择性。y=按目标产物收得量折算的反应物Ａ的量反应物Ａ的消耗量×100%转化率选择性和收率的关系例５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20kg。试分别计算对甲苯磺酸的收率和选择性。解：化学反应方程式为分子量929817218对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的选择性为例题苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为84％，温度为523K、压力1.722MPa、苯与丙烯的摩尔比为5。原料苯中含有5％的甲苯，假定不考虑甲苯的反应，计算产物的组成。解：画出流程简图反应系统Ｘ原料苯含５％甲苯F3Ｙ异丙苯F1２.间歇过程物料衡算Ｘ原料丙烯Ｙ剩余丙烯Ｙ剩余苯Ｙ剩余甲苯选定体系如图，基准为原料苯F2＝100mol，由题意知：原料丙烯F1＝20mol。过程中化学反应式C6H6+C3H6→C6H5C3H7Ｘ纯原料苯＝100mol×95%=95mol已知丙烯转化率为84％Ｘ原料丙烯　－Ｙ剩余丙烯Ｘ原料丙烯　=84%则　Ｙ剩余丙烯＝3.2mol则　Ｙ消耗丙烯=20-3.2＝16.8(mol)Ｙ剩余苯=95-16.8=78.2（mol）Ｙ剩余甲苯=5mol衡算式：Σ输入＝Σ输出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反应过程的物料平衡表≠过程中化学反应式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在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料甲苯1000kg，纯度99.9％（质量）；浓硫酸1100kg，纯度98％，甲苯转化率为98％，生成对甲苯磺酸的选择性为82％，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2％，生成间甲苯磺酸的选择行为8.8％，物料中的水约90％经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且磺化过程中无物料损失。解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图，取一个操作周期内的投料量为基准。进料：原料甲苯中的甲苯量为：10000.999=999kg原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg过程主反应副反应主反应副反应I副反应II分子量929817218生成对甲苯磺酸的选择性为82％N甲苯→N对甲苯磺酸N对甲苯磺酸×92172N甲苯消耗＝82％→　N对甲苯磺酸＝979×17292×82%=1500.88(kg)同理　N邻甲苯磺酸＝979×17292×9.2%=168.4(kg)　　N间甲苯磺酸＝979×17292×8.8%=161.1(kg)反应生成的水量为　　N水＝979×1892=191.5(kg)经脱水器排出的水量为　　N水排＝（23+191.5)×90%=193.1(kg)磺化液中剩余的水量为　　N水剩余＝（23+191.5)-193.1=21.4(kg)反应消耗的硫酸量为　　N硫酸消耗＝979×9892=1042.8(kg)未反应的硫酸量为　N硫酸＝1078-1042.8=35.2(kg)表4-3甲苯磺化过程的物料平衡表例4-6-1在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料甲苯1000kg，纯度99.9％（质量）；浓硫酸1100kg，纯度98％，甲苯转化率为98％，收率为80.36％，物料中的水约90％经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且磺化过程中无物料损失。产品收率80.36%:合成主产品Ｙ甲苯消耗＝999×80.36%=802.796(kg)物质的量=802.796/92=8.726kmol反应1：1进行，生成产品对甲苯磺酸的量：Y产品=8.726×172=1500.88kg年产500吨对甲苯磺酸车间设计对甲苯磺酸产品的纯度99％，磺化液中对甲苯磺酸的提取率为79％，对甲苯磺酸的精制过程收率为98％.衡算基准：1000kg对甲苯磺酸产品设磺化液中纯对甲苯磺酸的量为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吨对甲苯磺酸需原料的量为：甲苯＝852×500=426000(kg)硫酸＝937.2×500=468600(kg)例4-7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1000kgh-1，其转化率为95%，乙醛收率为80%，试对该过程进行物料衡算同时存在副反应３.连续过程物料衡算解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。过程为连续操作过程，以单位时间，即1h内的进料量为基准进行物料衡算比较方便主反应方程式为  分子量46442副反应方程式为:出料：乙醇流量为分子量92884乙醛流量为乙酸乙酯流量为氢气流量为表4-4乙醇催化脱氢过程物料平衡表生物制药物料衡算例：硫酸新霉素发酵车间物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1：0.58V/V/min发酵液提取，精制硫酸新霉素发酵工艺流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发酵培养基：（％）发酵培养基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1.0%硫酸新霉素对新霉素产率147%硫酸新霉素发酵工艺指标衡算基准1000kg硫酸新霉素成品：成品效价：677U/mg=677×1000000U/kg意为：１kg成品中含有677×1000000个抑（抗）菌单位．发酵液的发酵单位为：22000U/ml＝22000×1000000U/m3意为：1m3发酵液中含有22000×1000000个发酵单位．设Ｘm3发酵液可发酵出１kg成品Ｘm3发酵液中含有677×1000000个抑（抗）菌单位．则：Ｘ×98%×85%×22000×1000000=677×10000000解得：X=0.0369m3所以生产1000kg纯新霉素要0.0369×1000=36.9m3的发酵液．种子培养基量：V=10%×X=10%×36.9=3.7m3１.玉米浆的用量：　种子培养基2.5%,即25kg/m3种子培养基玉米浆用量：25×V=25×3.7=92.5Kg发酵培养基玉米浆用量：50×X=50×36.9=1845Kg故玉米浆总消耗量：92.5+1845=1937.5Kg2.CaCO3的用量：种子培养基CaCO3用量：2.75×V=2.75×3.7=10.2Kg发酵培养基用量：3×X=3×36.9=110.7Kg故CaCO3总消耗量：10.2+110.7=120.9Kg３.硫酸铵的用量：种子培养基硫酸铵的用量：2.75×V=2.75×3.7=10.２Kg４.消沫剂用量：种子基消沫剂用量：0.4×3.7=1.48Kg发酵培养基消沫剂用量：0.1×36.9=3.69Kg故消沫剂总消耗量：1.48+3.69=5.17Kg硫酸新霉素发酵原料消耗物料名称生产1吨硫酸新霉素(100%)物料量发酵液36.9m3种子培养基3.7m3硫酸铵10.2KgCaCO3120.9Kg玉米浆1937.5Kg消沫剂5.17Kg玉米油231.37Kg氨水110.28KgFeSO411.07KgMnSO40.11KgNa2SO4258.44Kg硫酸新霉素发酵车间物料衡算表作业：年产700吨非那西丁烃化工段物料衡算。已知：原料对硝基氯苯、氢氧化钠、乙醇的纯度分别为99%、98%、97%，非那西丁成品纯度为99.5%。烃化反应时（对硝基氯苯：氢氧化钠：乙醇）的摩尔比（1.2:1.1:1)产品收率最高。以对硝基氯苯计，烃化工段非那西丁的收率为65%，烃化后非那西丁的精制过程收率为95%.+NaOH+C2H5OHCAT.+H2O+NaCl（非那西丁)反应方程式：