制药工程工艺设计之三

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第三章 物料衡算,Contents,概 述,物理过程的物料衡算,化学反应过程的物料衡算,连续过程的物料衡算,4,1,2,3,物料流程图,5,第一节,概,述,两类问题：一是新产品的工艺流程或生产设备的设计和改造；二是对实际操作过程的分析和控制,根据项目年产量，通过对全过程或者单元操作的物料衡算计算，得到单耗（生产,1kg,产品所需要原料的质量）、副产品量以及输出过程中物料损耗量等，是设计由定性向转向定量,是设计最先完成的一个计算项目，其结果是后续的车间热量衡算、设备工艺设计与选型、确定原材料消耗定量、进行管路设计等各种项目的依据,物料衡算结果的正确与否将直接关系到工艺设计的可靠程度,第一节 概述,一、物料衡算的作用和任务,确定物系和该物系衡算的界限,解释开放与封闭物系之间的差异,反应式、进出物料量等内容,不发生累积，不生成或消耗,解释进出物系的质量情况,步骤,列出输入,=,输出等式,第一节,概,述,量,度,率,比,配料,比、循环比、回流比、气液比等,-,纯度、浓度、分离度等,-,转换率、产率、回收率等,-,产量、流量、消耗量、排出量、投料量等,第一节,概,述,二、物料衡算的类型,操作方式,物质的变化过程,物理过程物料衡算,化学过程物料衡算,连续操作物料衡算,间歇操作物料衡算,类型,第一节,概,述,三、物料衡算的基本理论,物料衡算以质量守恒定律和化学计量关系为理论基础，指“在一个特定物系中，进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和必等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和累积起来的物料质量之和”,第一节,概,述,物系是认为规定一个过程的全部或其一部分作为研究对象，也称为体系或系统,若物系中的物质无生成或消耗，即该物系为孤立的封闭体系，,若物系中没有累积量，过程是稳态过程时，任何简单或复杂的生产过程都可简化为：,第一节,概,述,四、物料衡算的基本方法和步骤,收集基本数据,1,列出主、副反应的化学方程式,2,年产量、投料量、配料比、转化率、选择性、总收率以及物料物性参数、反应方程、分配系数等,全面了解化学反应的类型和产物；选择性、收率等,第一节,概,述,四、物料衡算的基本方法和步骤,根据给定条件画出流程简图,3,确定衡算的物性，画出示意流程图,表示所有物料线，标注原始数据（包括数量和组成）,重点考虑：物料种类和走向,第一节,概,述,四、物料衡算的基本方法和步骤,选择物料计算基准,4,时间,基准,质量,基准,体积,基准,干湿,基准,以一段时间的投料量或产量作为计算基准,按单位质量作为基准或物质的量作为基准,把实际体积按标准体积，用,m,3,（,STP,）表示,物料存在一定水分，其中水分计不计算即干湿基,第一节,概,述,四、物料衡算的基本方法和步骤,选择物料计算基准,4,选用原则：,应选择已知量最多的流股作为计算基准；如某一体系，进料已知其主要组分，而产物的组成已知，就可以选用产物的单位质量或单位体积为基准,对液体或固体体系，常选用单位质量作基准,对于连续流动的体系，用单位时间内的物流量作基准,对于间歇体系，可选用加入设备的批量作基准,对于气体物料，若环境条件已定，可选用体积作基准,第一节,概,述,四、物料衡算的基本方法和步骤,列出物料平衡表,5,第一节,概,述,四、物料衡算的基本方法和步骤,绘制物料流程框图,6,是物料衡算计算结果的一种表示方式,优点,：简单清楚，查阅方便，并能表示出各物料的流程中的位置和相互关系,注意事项,：成品的质量标准、原辅料的质量和规格、各工序中间体的检验方法和监控、回收套用处理等,第一节,概,述,五、计算数据说明,收 率,转化率,1,2,第一节,概,述,五、计算数据说明,选择性,3,单 耗,4,第二节 物理过程的物料衡算,物质不发生变化，只是它们的相态和浓度发生变化，主要有混合过程和分离过程,分离包括机械分离和,传质分离,一是在原料中加入分离剂而形成两相，组分在两相中传质而被分离，如吸收、吸附和萃取,另一种是给原料物流加入能量或除去能量，即加热或冷却物流，使之成为两相，如蒸馏和结晶,第二节 物理过程的物料衡算,用固体吸附分离气体或液体混合物,吸 附,质量传递,用液体萃取剂分离均相液体混合物,萃 取,质量传递,各组分挥发度不同分离混合物,蒸 馏,质量传递,用液体吸收剂分离气体混合物,吸 收,质量传递,传递基础,单元操作,目 的,Description of the contents,固体膜、液体膜分离气体、液体混合物,膜分离,质量传递,第二节 物理过程的物料衡算,不带过程限制条件的物料衡算,1,带过程限制条件的物料衡算,2,只需用物料平衡关系式和浓度限制关系式，且关联方程式均为线性或均可线性化，通过物料平衡关系和浓度限制关系列出相关的关联方程，进而求解物料衡算结果,不仅要用物料平衡关系式和浓度限制关系式，还要有过程限制关系式，且过程限制关联方程式通常为非线性并难以线性化，通过物料平衡关系浓度限制关系和过程限制关系列出相关的关联方程式，进而求解物料衡算结果,例,1,在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，已知批投料量为：甲苯,1000kg,，纯度,99.9%(wt%,，下同,),；浓硫酸,1100kg,，纯度,98%,；甲苯的转化率为,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性为,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，且在磺化过程中无物料损失。,其工艺流程如图,10-11,所示，试对该过程进行物料衡算。,批次操作的物料衡算,1100kg, 98%,1000kg,，,99.9%,甲苯磺酸,转化率为,98%,解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。,图,11-3,甲苯磺化过程物料衡算示意图,原料甲苯：,1000kg,纯度,99.9%,浓硫酸：,1100kg,纯度,98%,磺化液,脱水器,排 水,甲 苯,磺化釜,范例： 批次操作的物料衡算,图中共有,4,股物料，物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成，并据此编制物料平衡表。,对于间歇操作过程，常以单位时间间隔,(,一个操作周期,),内的投料量为基准进行物料衡算。,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,浓硫酸中的硫酸量为：,1100,0.98=1078kg,浓硫酸中的水量为：,1100-1078=22kg,进料总量为：,1000+1100=2100kg,，其中含甲苯,999kg,，硫酸,1078kg,，水,23kg,。,出料：反应消耗的甲苯量为：,999,98%=979kg,未反应的甲苯量为：,999-979=20kg,主反应,副反应,I,分子量,92 98 172 18,副反应,II,反应生成的对甲苯磺酸量为：,反应生成的邻甲苯磺酸量为：,反应生成的间甲苯磺酸量为：,反应生成的水量为：,kg,kg,kg,kg,经脱水器排出的水量为：,(23+191.5),90%=193.1kg,磺化液中剩余的水量为：,(23+191.5)-193.1=21.4kg,反应消耗的硫酸量为：,kg,未反应的硫酸量为：,1078-1042.8=35.2kg,磺化液总量为：,1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg,表,11-3,甲苯磺化过程的物料平衡表,输,入,物料名称,质量,/kg,质量组成,/%,纯品量,/kg,原料甲苯,1000,甲苯,99.9,999,水,0.1,1,浓硫酸,1100,硫酸,98.0,1078,水,2.0,22,总计,2100,2100,输,出,磺化液,1906.9,对甲苯磺酸,78.7,1500.8,邻甲苯磺酸,8.83,168.4,间甲苯磺酸,8.45,161.1,甲苯,1.05,20.0,硫酸,1.85,35.2,水,1.12,21.4,脱水器排水,193.1,水,100,193.1,总计,2100,2100,Thank You!,