1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式1物料衡算概述物料衡算概述 Pharmaceutical EngineeringNoImage4.1 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。2 Pharmaceutical EngineeringNoImage 物料衡
2、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 3 Pharmaceutical EngineeringNoImage 制药工业包括原料药工业和制剂工业制药工业包括原料
3、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 4 Pharmaceutical EngineeringNoImage4.2.1 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 5 Pharm
4、aceutical EngineeringNoImage 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。4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式6 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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(
5、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。4.2.1 物料衡算平衡方程式物料衡算平衡方程式7 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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
6、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8 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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9 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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
7、位体积 4.2.2 衡算基准衡算基准10 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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11 Pharmac
8、eutical EngineeringNoImage 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。(1)衡算基准衡算基准单位时间单位时间12 Pharmaceutical Engineering 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
9、基准衡算基准单位质量单位质量13 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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
10、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14 Pharmaceutical EngineeringNoImage 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
11、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 15Pharmaceutical Engineering4.2.3 衡算范围衡算范围 16 Pharmaceutical EngineeringNoImage (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
12、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 17 Pharmaceutical EngineeringNoImage (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
13、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 18 Pharmaceutical EngineeringNoImage4.3 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19 Pharmaceutical Engineer
14、ingNoImage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 20 Pharm
15、aceutical EngineeringNoImage 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 混酸配制混酸配制搅搅 拌拌 釜釜 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%21 Pha
16、rmaceutical EngineeringNoImage 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)4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 22v联解式联解式(a)、(b)和和(c)得得v =469.4kg，v =399.5kg，v =131.1kg23 Pharmaceutical EngineeringNoImage表表4-1 4-1 混酸配
17、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 4：69
18、69 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 24 Pharmaceutical EngineeringNoImage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9
19、8.5%，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 25 Pharmaceutical EngineeringNoImage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：以连续精馏塔为衡算范围算范围,绘出物料衡算示意绘出物料衡算示意图。图中图。图中F为混合液的进为混合液的进料流量料流量,D为塔顶馏出液的为塔顶馏出液的流量流量,W为塔底釜液的流为塔底釜液的流量量,x为苯的摩尔
20、分率。为苯的摩尔分率。图中共有图中共有3股物料，股物料，3个个未知数，需列出未知数，需列出3个独立个独立方程。方程。F=200kmol.h-1 xF=0.4D,xD W,xW=0.014.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 26 Pharmaceutical EngineeringNoImage对全塔进行总物料衡算得对全塔进行总物料衡算得 (a)对苯进行物料衡算得对苯进行物料衡算得 (b)由塔顶馏出液中苯的回收率得由塔顶馏出液中苯的回收率得 (c)联解式联解式(a)、(b)和和(c)得得 =80kmol h-1，=120 kmol h-1，=0.9854.3.1 物理过程的物料衡算物
21、理过程的物料衡算 27 Pharmaceutical EngineeringNoImage表表4-2 4-2 苯和甲苯精馏过程的物料平衡表苯和甲苯精馏过程的物料平衡表 摩尔组摩尔组成成/%/%苯：苯：0.985 0.985 甲苯：甲苯：0.0150.015 苯：苯：0.01 0.01 甲苯：甲苯：0.990.99 输输 入入 物料物料名称名称 流量流量/kmol/kmol h h-1 摩尔组摩尔组成成/%/%输输 出出 物料物料名称名称 流量流量/kmol/kmol h h-1 苯和苯和甲苯甲苯混合混合液液 200200 苯：苯：0.4 0.4 甲苯：甲苯：0.6 0.6 馏出液馏出液 808
22、0 釜液釜液 120120 总计总计 200200 总计总计 200200 4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 28 Pharmaceutical EngineeringNoImage(1)化学过程的几个概念化学过程的几个概念(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 (3)连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 4.3.2 化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算 29 Pharmaceutical EngineeringNoImage 某反应物的某反应物的转化率转化率可用该反应物的反应消耗量与可用该反应物的反应消耗量
23、与反应物的原始投料量之比来表示，即反应物的原始投料量之比来表示，即 (4-6)式中式中 xA反应物反应物A的转化率。的转化率。由于各反应物的原始投料量不一定符合化学计量由于各反应物的原始投料量不一定符合化学计量关系关系,因此以因此以不同反应物为基准进行计算所得的转化率不同反应物为基准进行计算所得的转化率不一定相同不一定相同。(1)概念概念 转化率转化率30 Pharmaceutical EngineeringNoImage 某产物的某产物的收率收率可用转化为该产物的反应物可用转化为该产物的反应物A的量的量与反应物与反应物A的原始投料量之比来表示，即的原始投料量之比来表示，即 (4-7)式中式中
24、 y目标产物的收率。目标产物的收率。某产物的收率也可用该产物的实际获得量与按投某产物的收率也可用该产物的实际获得量与按投料量计算应得到的理论量之比来表示，即料量计算应得到的理论量之比来表示，即 (4-8)(1)概念概念 收率收率31 Pharmaceutical EngineeringNoImage若反应体系中存在副反应，则在各种主、副产物中，若反应体系中存在副反应，则在各种主、副产物中，转化成目标产物的反应物转化成目标产物的反应物A的量与的量与反应物反应物A的反应消耗的反应消耗量量之比称为反应的选择性，即之比称为反应的选择性，即 (4-9)式中式中 反应的选择性。反应的选择性。由式由式(4-
25、6)、(4-8)和和(4-9)得得 (4-10)(1)概念概念 选择性选择性32 Pharmaceutical EngineeringNoImage例例4-3 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料量为已知甲苯的投料量为1000kg，反应产物中，反应产物中含对甲苯磺酸含对甲苯磺酸1460kg，未反应的甲苯，未反应的甲苯20kg。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。收率和选择性。(1)概念概念 选择性选择性33 Pharmaceutical EngineeringNoImage解：化学反应方程式为解：化学反
26、应方程式为 分子量分子量 92 98 172 18 则甲苯的转化率为则甲苯的转化率为 对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的收率为 对甲苯磺酸的选择性为对甲苯磺酸的选择性为(1)概念概念 选择性选择性34 Pharmaceutical EngineeringNoImage 产品的生产工艺过程通常由若干个产品的生产工艺过程通常由若干个物理工序物理工序和和化学反应工序化学反应工序所组成，各工所组成，各工序都有一定的收率，各工序的收率之积序都有一定的收率，各工序的收率之积即为即为总收率总收率。(1)概念概念 总收率总收率 35 Pharmaceutical EngineeringNoImage 某些反应过程
27、某些反应过程,主要反应物经一次反应的转化率不主要反应物经一次反应的转化率不高高,甚至很低甚至很低,但未反应主要反应物经但未反应主要反应物经分离回收分离回收后可循后可循环套用环套用,此时转化率有单程转化率和总转化率之分。此时转化率有单程转化率和总转化率之分。例例4-5 用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每100mol苯与苯与40mol氯反应，反应产物中含氯反应，反应产物中含38mol氯苯、氯苯、1mol二氯苯二氯苯以及以及61mol未反应的苯。反应产物经分离后可未反应的苯。反应产物经分离后
28、可回收回收60mol的苯，损失的苯，损失1mol苯。试计算苯的单程转化率和苯。试计算苯的单程转化率和总转化率。总转化率。(1)概念概念 单程转化率和总转化率单程转化率和总转化率 36解：苯的单程转化率为解：苯的单程转化率为 设苯的总转化率为设苯的总转化率为xT，则，则 可见，对于某些反应，主要反应物的单程转化率可见，对于某些反应，主要反应物的单程转化率可以很低，但总转化率却可以提高。可以很低，但总转化率却可以提高。37 Pharmaceutical EngineeringNoImage例例4-6 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，其工艺流程
29、如图对甲苯磺酸，其工艺流程如图3-11所示，试对该过所示，试对该过程进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯程进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯1000kg，纯度纯度99.9%(wt%，下同，下同)；浓硫酸；浓硫酸1100kg，纯度，纯度98%；甲苯的转化率为甲苯的转化率为98%，生成对甲苯磺酸的，生成对甲苯磺酸的选择性选择性为为82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%，生成间甲，生成间甲苯磺酸的选择性为苯磺酸的选择性为8.8%；物料中的水约；物料中的水约90%经连续经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且
30、在磺化过程中无物料损失。品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 38 Pharmaceutical EngineeringNoImage解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。示意图。图图4-3 4-3 甲苯磺化过程物料衡算示意图甲苯磺化过程物料衡算示意图 原料甲苯：原料甲苯：1000kg 纯度纯度99.9%浓硫酸：浓硫酸：1100kg 纯度纯度98%磺化液磺化液 脱水器脱水器 排排 水水 甲甲 苯苯 磺化釜磺化釜(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 82%转化率为转化率为9
31、8%9.2%8.8%90%39 Pharmaceutical EngineeringNoImage投料量的计算：投料量的计算：原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：1000 0.999=999kg 原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg 浓硫酸中的硫酸量为：浓硫酸中的硫酸量为：1100 0.98=1078kg 浓硫酸中的水量为：浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg 进料总量为：进料总量为：1000+1100=2100kg，其中含甲苯，其中含甲苯999kg，硫酸，硫酸1078kg，水，水23kg。(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 40
32、Pharmaceutical EngineeringNoImage出料：反应消耗的甲苯量为：出料：反应消耗的甲苯量为：999 98%=979kg 未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：999-979=20kg 主反应主反应副反应副反应I I 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18副反应副反应IIII(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 41 Pharmaceutical EngineeringNoImage反应生成的对甲苯磺酸量为：反应生成的对甲苯磺酸量为：反应生成的邻甲苯磺酸量为：反应生成的邻甲苯磺酸量为：反应生成的间甲苯磺酸量为：反应生成的间甲苯磺酸量为
33、：反应生成的水量为：反应生成的水量为：kgkgkgkg(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 42 Pharmaceutical EngineeringNoImage经脱水器排出的水量为：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：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：反应消耗的硫酸量为：kg 未反应的硫酸量为：未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为：磺化液总量为：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg(2)间歇操作
34、过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 43 Pharmaceutical EngineeringNoImage表表4-3 4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表甲苯磺化过程的物料平衡表 输输 入入 物料名称物料名称 质量质量/kg/kg 质量组成质量组成/%/%纯品量纯品量/kg/kg 原料甲苯原料甲苯 10001000 甲苯甲苯 99.999.9 999999 水水 0.10.1 1 1 浓硫酸浓硫酸 11001100 硫酸硫酸 98.098.0 10781078 水水 2.02.0 2222 总计总计 21002100 21002100 输输 出出磺化液磺化液1906.91906.9 对甲苯磺酸
35、对甲苯磺酸 78.778.7 1500.81500.8 邻甲苯磺酸邻甲苯磺酸 8.838.83 168.4168.4 间甲苯磺酸间甲苯磺酸8.458.45 161.1161.1甲苯甲苯 1.051.05 20.020.0 硫酸硫酸 1.851.85 35.235.2 水水 1.121.12 21.421.4 脱水器排水脱水器排水 193.1193.1 水水 100100 193.1193.1 总计总计 21002100 21002100(2)间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 44 Pharmaceutical EngineeringNoImage例例4-7 在催化剂作用下，乙醇脱氢
36、可制备乙醛，在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其反应方程式为其反应方程式为 已知原料为无水乙醇已知原料为无水乙醇(纯度以纯度以100%计计)，流量为，流量为1000kg h-1，其，其转化率转化率为为95%，乙醛选择性为，乙醛选择性为80%，试对该过程进行物料衡算。，试对该过程进行物料衡算。同时存在副反应同时存在副反应 (3)连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算 45 Pharmaceutical EngineeringNoImage解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。图图4-4 4-4 乙醇催化脱氢制乙醛过程物料衡算示意图乙醇催化
37、脱氢制乙醛过程物料衡算示意图 乙醇：乙醇：1500kg 纯度纯度100%产物产物 乙醇催化乙醇催化 脱氢制脱氢制 乙醛反应器乙醛反应器 (3)连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算 转化率转化率为为95%80%46 Pharmaceutical EngineeringNoImage主反应方程式为主反应方程式为:副反应方程式为副反应方程式为:分子量分子量 46 44 2 分子量分子量 2 2 46=92 88 246=92 88 2 2=4 2=4(3)连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算 47 Pharmaceutical EngineeringNoImage出料：乙醇流量为出料
38、：乙醇流量为 乙醛流量为乙醛流量为 乙酸乙酯流量为乙酸乙酯流量为 氢气流量为氢气流量为 或或 kg h-1 kg h-1kg h-1kg h-1kg h-1(3)连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算 48 Pharmaceutical EngineeringNoImage表表4-4 4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡乙醇催化脱氢过程物料平衡表表 输输 入入 物料物料名称名称 流量流量/kg/kg h h-1 输输 出出 物料物料名称名称 流量流量/kg/kg h h-1 质量组质量组成成/%/%乙醇乙醇 10001000 100100 乙醇乙醇 50.050.0 5.05.0 乙醛乙醛
39、727.0727.0 72.772.7 乙酸乙酸乙酯乙酯 181.7181.7 18.218.2 氢气氢气 41.341.3 4.14.1 总计总计 10001000 100100 总计总计 10001000 100.0100.0 质量组质量组 成成/%/%(3)连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算 49 Pharmaceutical EngineeringNoImage 例例4-8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为：蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为：硝基蒽醌硝基蒽醌5.6%(质量百分比，下同质量百分比，下同)、H2SO4 34.5%、HNO3 6.7%、H2O 53.2%。拟采用
40、含量为。拟采用含量为18%、密、密度为度为932kg m-3的氨水将硝化液中和至的氨水将硝化液中和至pH=7。已知。已知每批操作硝化液的投料量为每批操作硝化液的投料量为3000kg，硝化液的密度，硝化液的密度为为1170kg m-3，试对硝化液中和过，试对硝化液中和过程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料的总体积保持不变。的总体积保持不变。(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 50 Pharmaceutical EngineeringNoImage 解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图，解：以中和反应器为衡算范围，绘出物
41、料衡算示意图，如图如图4-5所示。所示。中和液中和液硝化液硝化液:3000kg 18%氨水氨水中中 和和 反应器反应器图图4-5 4-5 蒽醌硝化液中和过程物料衡算示意图蒽醌硝化液中和过程物料衡算示意图(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 51 Pharmaceutical EngineeringNoImage硝化液总量为：硝化液总量为：3000kg，其中含硝基蒽醌的量为：，其中含硝基蒽醌的量为：3000 5.6%=168kg 硫酸的量为：硫酸的量为：3000 34.5%=1035kg 硝酸的量为：硝酸的量为：3000 6.7%=201kg 水的量：水的量：3000 53.2%=
42、1596kg(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 52 Pharmaceutical EngineeringNoImageH2SO4中和反应方程式为：中和反应方程式为：分子量分子量 98 2 17=34 132 反应生成的硫酸铵量为：反应生成的硫酸铵量为：kg NH3的消耗量为：的消耗量为：kg(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 53 Pharmaceutical EngineeringNoImageHNO3中和反应方程式为：中和反应方程式为：分子量分子量 63 17 80 反应生成的硝酸铵量为：反应生成的硝酸铵量为：NH3的消耗量为：的消耗量为：(4)含有化学平
43、衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 54 Pharmaceutical EngineeringNoImage 中和反应中中和反应中18%氨水的消耗量为：氨水的消耗量为：kg 18%氨水的体积为：氨水的体积为：m3(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 55 Pharmaceutical EngineeringNoImagepH=7时溶液中的氨量计算：时溶液中的氨量计算：平衡方程式为平衡方程式为 式中式中 H+=10-7 硝化液的体积为硝化液的体积为 则则 mol L-1 故故 mol L-1(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 56v 需过量需过量18%氨水的量为氨水
44、的量为 v kgv其中含其中含NH3量为量为v13.0 18%=2.3kgv 因此，为达到中和要求，需加入因此，为达到中和要求，需加入18%氨水的总量为氨水的总量为v(2296+13)=2309kgv其中含其中含NH3量为量为v2309 18%=416kgv含水量为含水量为v kgv故溶液中水的总量为故溶液中水的总量为v(1596+1893)=3489kg57 Pharmaceutical EngineeringNoImage表表4-5 4-5 蒽醌硝化液中和过程的物料平衡表蒽醌硝化液中和过程的物料平衡表 输输 入入物料名称物料名称质量质量/kg质量组成质量组成/%纯品量纯品量/kg硝化液硝化液3000硝基蒽醌硝基蒽醌5.6168硫酸硫酸34.51035硝酸硝酸6.7201水水53.21596氨水氨水2309氨氨(NH3)18416水水821893总计总计53095309输输 出出中和液中和液5309硝基蒽醌硝基蒽醌3.2168硫酸铵硫酸铵26.31394.1硝酸铵硝酸铵4.8255.2水水65.73489氨氨(NH3)0.02.3误差误差0.00.4总计总计53095309(4)含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 58作业作业v名词解释：选择性。名词解释：选择性。v名词解释：总转化率。名词解释：总转化率。v 59
