第4章物料衡算.ppt
1第第4章章 物料衡算物料衡算 4.1 概述概述 4.2 物料衡算基本理论物料衡算基本理论4.3 物料衡算举例物料衡算举例 2 4.1 概述概述 物料衡算是最先进行的一个计算项目，其结物料衡算是最先进行的一个计算项目，其结果是后续的能量衡算、设备选型或工艺设计、果是后续的能量衡算、设备选型或工艺设计、车间布置设计、管道设计等各单项设计的依车间布置设计、管道设计等各单项设计的依据，因此，物料衡算结果的正确与否直接关据，因此，物料衡算结果的正确与否直接关系到整个工艺设计可靠程度。系到整个工艺设计可靠程度。3 物料衡算的物料衡算的依据依据是是工艺流程示意图工艺流程示意图以及为以及为物料衡算收集的有关资料。虽然工艺流程示意物料衡算收集的有关资料。虽然工艺流程示意图只是定性地给出了物料的来龙去脉，但它决图只是定性地给出了物料的来龙去脉，但它决定了应对哪些过程或设备进行物料衡算，以及定了应对哪些过程或设备进行物料衡算，以及这些过程或设备所涉及的物料。可见，工艺流这些过程或设备所涉及的物料。可见，工艺流程示意图对物料衡算起着重要的指导作用。程示意图对物料衡算起着重要的指导作用。4.1 概述概述 4 制药工业包括原料药工业和制剂工业制药工业包括原料药工业和制剂工业,其中其中制剂工业的生产过程通常为制剂工业的生产过程通常为物理过程物理过程,其物料其物料衡算比较简单。原料药的生产途径很多衡算比较简单。原料药的生产途径很多,如化如化学合成、生物发酵、中草药提取等。学合成、生物发酵、中草药提取等。本章主要讨论本章主要讨论化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算。4.1 概述概述 5 4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式4.2.2 衡算基准衡算基准4.2.3 衡算范围衡算范围 4.2.4 衡算方法和步骤衡算方法和步骤 4.2 物料衡算基本理论物料衡算基本理论 6 1.物理过程物理过程 根据质量守恒定律，根据质量守恒定律，(4-1)式中式中 输入体系的总物料量；输入体系的总物料量；输出体系的总物料量；输出体系的总物料量；GA物料在体系中的总累积量。物料在体系中的总累积量。上式也适用于物理过程任一组分或元素的物料衡算。上式也适用于物理过程任一组分或元素的物料衡算。AOIGGGIGOG4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式7 对于稳态过程，物料在体系内没有累积，式对于稳态过程，物料在体系内没有累积，式(4-1)可简化为可简化为 (4-2)式式(4-2)表明，对于物理过程，若物料在体系内表明，对于物理过程，若物料在体系内没有累积没有累积，则输入体系的物料量等于离开体系的，则输入体系的物料量等于离开体系的物料量，不仅总质量平衡，而且对其中的任一组物料量，不仅总质量平衡，而且对其中的任一组分或元素也平衡。分或元素也平衡。OIGG4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式8 2.化学过程化学过程 对于有化学反应的体系，式对于有化学反应的体系，式(4-1)和和(4-2)仍可仍可用于体系的用于体系的总物料衡算总物料衡算或任一元素的物料衡算，或任一元素的物料衡算，但但不能用于组分的物料衡算不能用于组分的物料衡算。(4-3)4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式AiRiOiPiIiGGGGG9 同样，对于稳态过程，组分在体系内没有累同样，对于稳态过程，组分在体系内没有累积，则式积，则式(4-3)可简化为可简化为:4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式RiOiPiIiGGGG10 在进行物料衡算或热量衡算时，都必须在进行物料衡算或热量衡算时，都必须选择相应的衡算基准作为选择相应的衡算基准作为计算的基础计算的基础。(1)单位时间单位时间 (2)单位质量单位质量 (3)单位体积单位体积 4.2.2 衡算基准衡算基准11 对于间歇生产过程和连续生产过程，均可对于间歇生产过程和连续生产过程，均可以以单位时间间隔内的投料量或产品量单位时间间隔内的投料量或产品量为基准为基准进行物料衡算进行物料衡算。根据计算的方便，对于间歇。根据计算的方便，对于间歇生产过程，单位时间间隔常取生产过程，单位时间间隔常取一批操作的生一批操作的生产周期产周期；对于连续生产过程，单位时间间隔；对于连续生产过程，单位时间间隔可以是可以是1秒、秒、1小时、小时、1天或天或1年。年。(1)衡算基准衡算基准单位时间单位时间12 产品的年产量、日产量和年生产日之间的产品的年产量、日产量和年生产日之间的关系为关系为 (4-5)式中的年产量由设计任务所规定；年生产日式中的年产量由设计任务所规定；年生产日要视具体的生产情况而定。要视具体的生产情况而定。年生产日年产量日产量(1)衡算基准衡算基准单位时间单位时间13 对于间歇生产过程和连续生产过程，对于间歇生产过程和连续生产过程，也可以一定质量，如也可以一定质量，如1kg、1000kg(1吨吨)或或1mol、1kmol的的原料原料或或产品产品为基准进为基准进行物料衡算。行物料衡算。(2)衡算基准衡算基准单位质量单位质量14 若所处理的物料为若所处理的物料为气相气相，则可以单位体积，则可以单位体积的原料或产品为基准进行物料衡算。由于气体的原料或产品为基准进行物料衡算。由于气体的体积随温度和压力而变化的体积随温度和压力而变化,因此因此,应将操作状态应将操作状态下的气体体积全部换算成下的气体体积全部换算成标准状态下的体积标准状态下的体积,即即以以1m3(标况下标况下)的原料或产品为基准进行物料衡的原料或产品为基准进行物料衡算。这样既能消除温度和压力变化所带来的影算。这样既能消除温度和压力变化所带来的影响响,又能方便地将气体体积换算成摩尔数。又能方便地将气体体积换算成摩尔数。(3)衡算基准衡算基准单位体积单位体积15 在进行物料衡算时在进行物料衡算时,经常会遇到比较复杂的经常会遇到比较复杂的计算。为计算方便计算。为计算方便,一般要划定物料衡算范围。一般要划定物料衡算范围。根据衡算目的和对象的不同根据衡算目的和对象的不同,衡算范围衡算范围可以是可以是一台设备、一套装置、一个工段、一个车间、一台设备、一套装置、一个工段、一个车间、一个工厂一个工厂等。衡算范围一经划定等。衡算范围一经划定,即可视为一即可视为一个独立的体系。凡进入体系的物料均为个独立的体系。凡进入体系的物料均为输入输入项项，离开体系的物料均为，离开体系的物料均为输出项输出项。4.2.3 衡算范围衡算范围 164.2.3 衡算范围衡算范围水水蒸蒸汽汽冷冷却却水水连连续续式式脱脱水水器器磺磺化化釜釜浓浓硫硫酸酸甲甲苯苯冷冷凝凝器器水水 17 (1)明确衡算明确衡算目的目的，如通过物料衡算，如通过物料衡算确定确定生生产能力、纯度、收率等数据。产能力、纯度、收率等数据。(2)明确衡算明确衡算对象对象，划定衡算范围，绘出物，划定衡算范围，绘出物料衡算示意图，并在图上标注与物料衡算有关料衡算示意图，并在图上标注与物料衡算有关的已知和未知的数据。的已知和未知的数据。(3)对于有化学反应的体系，应写出对于有化学反应的体系，应写出化学反化学反应方程式应方程式(包括主、副反应包括主、副反应)，以确定反应前后，以确定反应前后的物料组成及各组分之间的摩尔比。的物料组成及各组分之间的摩尔比。4.2.4 衡算方法和步骤衡算方法和步骤 18 (4)收集与物料衡算有关的收集与物料衡算有关的计算数据计算数据，包括生产，包括生产规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；有关的定额和消耗指标，如产品单耗、配料比、回有关的定额和消耗指标，如产品单耗、配料比、回收率、转化率、选择性、收率等；有关的物理化学收率、转化率、选择性、收率等；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。(5)选定衡算基准。选定衡算基准。(6)列出物料平衡方程式，进行物料衡算。列出物料平衡方程式，进行物料衡算。(7)编制物料平衡表。编制物料平衡表。4.2.4 衡算方法和步骤衡算方法和步骤 19 4.3 物料衡算举例物料衡算举例 4.3.1物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 4.3.2化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算20 例例4-1 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为酸组成为H2SO4 46%(质量百分比，下同质量百分比，下同)、HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料为，配制混酸用的原料为92.5%的的工业硫酸工业硫酸、98%的的硝酸硝酸及含及含H2SO4 69%的硝化的硝化废酸废酸。试通过物料衡算确定配制。试通过物料衡算确定配制1000kg混酸时混酸时各原料的用量各原料的用量。为简化计算，。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 21 解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌解：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釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示物料衡算示意图意图。图中。图中 为为92.5%的硫酸用量，的硫酸用量，为为98%的硝酸用量，的硝酸用量，为含为含69%硫酸的废酸用量。硫酸的废酸用量。硝化混酸硝化混酸 1000kg 3HNOG42SOHG废废G混酸配制混酸配制搅搅 拌拌 釜釜 42SOHG3HNOG废G图图4-1 4-1 混酸配制过程物料衡算示意图混酸配制过程物料衡算示意图4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 92.5%98%69%46%46%8%22 对对HNO3进行物料衡算得进行物料衡算得 0.98 =0.46 1000 (a)对对H2SO4进行物料衡算得进行物料衡算得 0.925 +0.69 =0.46 1000 (b)对对H2O进行物料衡算得进行物料衡算得 0.02 +0.075 +0.31 =0.08 1000 (c)3HNOG42SOHG废G3HNOG42SOHG废G4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 23v联解式联解式(a)、(b)和和(c)得得v =469.4kg，v =399.5kg，v =131.1kg3HNOG42SOHG废G24 表表4-1 4-1 混酸配制过程的物料平衡表混酸配制过程的物料平衡表 输输 入入 物料物料名称名称 工业品工业品量量/kg/kg 质量组质量组成成/%/%输输 出出 物料物料名称名称 工业品工业品量量/kg/kg 硝酸硝酸 469.4469.4 HNOHNO3 3：98 98 H H2 2O O：2 2 硝化硝化混酸混酸 10001000 H H2 2SOSO4 4：46 46 HNOHNO3 3：46 46 H H2 2O O：8 8 硫酸硫酸 399.5 399.5 H H2 2SOSO4 4：92.5 92.5 H H2 2O O：7.5 7.5 废酸废酸 131.1 131.1 H H2 2SOSO4 4：6969 H H2 2O O：3131 总计总计 10001000 总计总计 10001000 质量组质量组成成/%/%4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 25 例例4-2 拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。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已知混合液的进料流量为200kmol h-1，其中，其中含苯含苯0.4(摩尔分率，下同摩尔分率，下同)，其余为甲苯。若规，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于定塔底釜液中苯的含量不高于0.01，塔顶馏出，塔顶馏出液中苯的回收率不低于液中苯的回收率不低于98.5%，试通过物料衡，试通过物料衡算确定算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。以摩尔流量和摩尔分率表示。4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 26 精精馏馏塔塔图图4-2 4-2 苯和甲苯混合液精苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算馏过程物料衡算 解：以连续精馏塔为衡解：
