制藥工程學第04章

1、1CHAPTER 4 MATERIAL BALANCE Pharmaceutical EngineeringChapter 4 Material Balance4.1 Introduction 4.2 Basic Concepts4.3 Examples Pharmaceutical Engineering4.1 Introduction 在制藥工程設計中，當工藝流程示意圖確定之在制藥工程設計中，當工藝流程示意圖確定之后，即可進行物料衡算。通過物料衡算，可以深入后，即可進行物料衡算。通過物料衡算，可以深入地分析和研究生產(chǎn)過程，得出生產(chǎn)過程中所涉及的地分析和研究生產(chǎn)過程，得出生產(chǎn)過程中所涉及的各

2、種物料的數(shù)量和組成，從而使設計由定性轉(zhuǎn)入定各種物料的數(shù)量和組成，從而使設計由定性轉(zhuǎn)入定量。量。 在整個工藝設計中，物料衡算是最先進行的一在整個工藝設計中，物料衡算是最先進行的一個計算項目，其個計算項目，其結(jié)果是后續(xù)的能量衡算、設備選型結(jié)果是后續(xù)的能量衡算、設備選型或工藝設計、車間布置設計、管道設計等各單項設或工藝設計、車間布置設計、管道設計等各單項設計的依據(jù)計的依據(jù)，因此，因此，物料衡算結(jié)果的正確與否直接關(guān)物料衡算結(jié)果的正確與否直接關(guān)系到整個工藝設計可靠程度系到整個工藝設計可靠程度。 要求：要求： Pharmaceutical Engineering 物料衡算的依據(jù)是物料衡算的依據(jù)是工藝流程示

3、意圖以及為工藝流程示意圖以及為物料衡算收集的有關(guān)資料物料衡算收集的有關(guān)資料。 工藝流程示意圖對物料衡算起著重要的指工藝流程示意圖對物料衡算起著重要的指導作用。導作用。雖然工藝流程示意圖只是定性地給出雖然工藝流程示意圖只是定性地給出了物料的來龍去脈，但它決定了應對哪些過程了物料的來龍去脈，但它決定了應對哪些過程或設備進行物料衡算，以及這些過程或設備所或設備進行物料衡算，以及這些過程或設備所涉及的物料，使之既不遺漏，也不重復。涉及的物料，使之既不遺漏，也不重復。4.1 Introduction 依據(jù)：依據(jù)： Pharmaceutical Engineering 根據(jù)物料衡算結(jié)果，將工藝流程示意圖進

4、根據(jù)物料衡算結(jié)果，將工藝流程示意圖進一步深化，可繪制出物料流程圖。在物料衡算一步深化，可繪制出物料流程圖。在物料衡算的基礎上，可進行能量衡算、設備的選型或工的基礎上，可進行能量衡算、設備的選型或工藝設計，以確定設備的容積、臺數(shù)和主要工藝藝設計，以確定設備的容積、臺數(shù)和主要工藝尺寸，進而可進行車間布置設計和管道設計等尺寸，進而可進行車間布置設計和管道設計等項目。項目。 4.1 Introduction 目的：目的： Pharmaceutical Engineering 在實際應用中，根據(jù)需要，也可對已經(jīng)投在實際應用中，根據(jù)需要，也可對已經(jīng)投產(chǎn)的一臺設備、一套裝置、一個車間或整個工產(chǎn)的一臺設備、一

5、套裝置、一個車間或整個工廠進行物料衡算，以尋找生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，廠進行物料衡算，以尋找生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，為改進生產(chǎn)、完善管理提供可靠的依據(jù)，并可為改進生產(chǎn)、完善管理提供可靠的依據(jù)，并可作為判斷工程項目是否達到設計要求以及檢查作為判斷工程項目是否達到設計要求以及檢查原料利用率和三廢處理完善程度的一種手段。原料利用率和三廢處理完善程度的一種手段。 4.1 Introduction 對象：對象： Pharmaceutical Engineering 制藥工業(yè)包括制藥工業(yè)包括原料藥工業(yè)原料藥工業(yè)和和制劑工業(yè)制劑工業(yè),其中其中制劑工業(yè)的生產(chǎn)過程通常為物理過程制劑工業(yè)的生產(chǎn)過程通常為物理過程,其物料其物料

6、衡算比較簡單。原料藥的生產(chǎn)途徑很多衡算比較簡單。原料藥的生產(chǎn)途徑很多,如化如化學合成、生物發(fā)酵、中草藥提取等。學合成、生物發(fā)酵、中草藥提取等。 本章主要討論化學過程的物料衡算。本章主要討論化學過程的物料衡算。 4.1 Introduction Pharmaceutical Engineering4.2.1 Material Balance Equations 4.2.2 Criterion of Balance Calculation 4.2.3 Range of Balance Calculation 4.2.4 Methods and Approaches 4.2 Basic Concep

7、ts Pharmaceutical Engineering 物料衡算的理論基礎是物料衡算的理論基礎是質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，運用該定，運用該定律可以得出各種過程的律可以得出各種過程的物料平衡方程式物料平衡方程式。 1.物理過程物理過程 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，根據(jù)質(zhì)量守恒定律， (4-1)式中式中 GI 輸入體系的總物料量；輸入體系的總物料量； GO 輸出體系的總物料量；輸出體系的總物料量； GA物料在體系中的總累積量。物料在體系中的總累積量。上式也適用于物理過程任一組分或元素的物料衡算。上式也適用于物理過程任一組分或元素的物料衡算。 AOIGGG4.2.1 Material Balance Eq

8、uations Pharmaceutical Engineering 對于穩(wěn)態(tài)過程，物料在體系內(nèi)沒有累積，式對于穩(wěn)態(tài)過程，物料在體系內(nèi)沒有累積，式(4-1)可簡化為可簡化為 (4-2) 式式(4-2)表明，對于物理過程，若物料在體系內(nèi)表明，對于物理過程，若物料在體系內(nèi)沒有累積，則輸入體系的物料量等于離開體系的沒有累積，則輸入體系的物料量等于離開體系的物料量，不僅總質(zhì)量平衡，而且對其中的任一組物料量，不僅總質(zhì)量平衡，而且對其中的任一組分或元素也平衡。分或元素也平衡。OIGG4.2.1 Material balance Equations Pharmaceutical Engineering 2.

9、化學過程化學過程 對于有化學反應的體系，式對于有化學反應的體系，式(4-1)和和(4-2)仍可用于體系的總物料衡算或任一元仍可用于體系的總物料衡算或任一元素的物料衡算，但不能用于組分的物料素的物料衡算，但不能用于組分的物料衡算。衡算。4.2.1 Material balance Equations Pharmaceutical Engineering 對于化學過程，某組分的物料平衡方程式可表對于化學過程，某組分的物料平衡方程式可表示為示為 GIi輸入體系的輸入體系的i組分的量；組分的量； GOi輸出體系的輸出體系的i組分的量；組分的量； GPi體系中因化學反應而產(chǎn)生的體系中因化學反應而產(chǎn)生的i

10、組分的量；組分的量； GRi 因化學反應而消耗的因化學反應而消耗的i組分的量；組分的量； GAii組分的累積量。組分的累積量。4.2.1 Material balance Equations AiRiOiPiIiGGGGG Pharmaceutical Engineering 同樣，對于穩(wěn)態(tài)過程，組分在體系內(nèi)沒有同樣，對于穩(wěn)態(tài)過程，組分在體系內(nèi)沒有累積，則式累積，則式(4-3)可簡化為可簡化為:RiOiPiIiGGGG4.2.1 Material balance Equations Pharmaceutical Engineering 在進行物料衡算或熱量衡算時，都必須在進行物料衡算或熱量衡算

11、時，都必須選擇相應的選擇相應的衡算基準衡算基準作為計算的基礎。根據(jù)作為計算的基礎。根據(jù)過程特點合理地選擇衡算基準，不僅可以簡過程特點合理地選擇衡算基準，不僅可以簡化計算過程，而且可以縮小計算誤差。化計算過程，而且可以縮小計算誤差。(1) 單位時間單位時間(2) 單位質(zhì)量單位質(zhì)量(3) 單位體積單位體積4.2.2 Criterion of Balance Calculation Pharmaceutical Engineering 無論間歇生產(chǎn)過程還是連續(xù)生產(chǎn)過程，均無論間歇生產(chǎn)過程還是連續(xù)生產(chǎn)過程，均可可以單位時間間隔內(nèi)的投料量或產(chǎn)品量以單位時間間隔內(nèi)的投料量或產(chǎn)品量為基為基準進行物料衡算。準

12、進行物料衡算。 對于對于間歇生產(chǎn)過程間歇生產(chǎn)過程，單位時間間隔常，單位時間間隔常取一取一批操作的生產(chǎn)周期批操作的生產(chǎn)周期； 對于對于連續(xù)生產(chǎn)過程連續(xù)生產(chǎn)過程，單位時間間隔可以是，單位時間間隔可以是1秒秒、1小時小時、1天天或或1年年。 (1) CriterionUnit Time Pharmaceutical Engineering 以單位時間為基準進行物料衡算可直接聯(lián)以單位時間為基準進行物料衡算可直接聯(lián)系到生產(chǎn)規(guī)模和設備的設計計算。系到生產(chǎn)規(guī)模和設備的設計計算。 例如，對于給定的生產(chǎn)規(guī)模，以時間天為基準例如，對于給定的生產(chǎn)規(guī)模，以時間天為基準就是根據(jù)產(chǎn)品的就是根據(jù)產(chǎn)品的年產(chǎn)量年產(chǎn)量和和年生產(chǎn)

13、日年生產(chǎn)日計算出產(chǎn)品的計算出產(chǎn)品的日日產(chǎn)量產(chǎn)量，再根據(jù)產(chǎn)品的，再根據(jù)產(chǎn)品的總收率總收率折算出折算出1天操作所需的天操作所需的投料量投料量,并以此為基礎進行物料衡算。并以此為基礎進行物料衡算。(1) CriterionUnit Time Pharmaceutical Engineering 產(chǎn)品的年產(chǎn)量、日產(chǎn)量和年生產(chǎn)日之間的產(chǎn)品的年產(chǎn)量、日產(chǎn)量和年生產(chǎn)日之間的關(guān)系為關(guān)系為 (4-5)式中的年產(chǎn)量由設計任務所規(guī)定；年生產(chǎn)日式中的年產(chǎn)量由設計任務所規(guī)定；年生產(chǎn)日要視具體的生產(chǎn)情況而定。要視具體的生產(chǎn)情況而定。年生產(chǎn)日年產(chǎn)量日產(chǎn)量 (1) CriterionUnit Time Pharmaceuti

14、cal Engineering 制藥廠尤其是化學制藥廠在生產(chǎn)過程中制藥廠尤其是化學制藥廠在生產(chǎn)過程中大多具有腐蝕性，設備需要定期檢修或更換。大多具有腐蝕性，設備需要定期檢修或更換。因此，每年一般要安排一次大修和次數(shù)不定因此，每年一般要安排一次大修和次數(shù)不定的小修，年生產(chǎn)日常按的小修，年生產(chǎn)日常按10個月即個月即300天來計天來計算，腐蝕較輕或較重的，年生產(chǎn)日可根據(jù)具算，腐蝕較輕或較重的，年生產(chǎn)日可根據(jù)具體情況適當增加或縮短。體情況適當增加或縮短。(1) CriterionUnit Time Pharmaceutical Engineering 對于間歇生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程，對于間歇生產(chǎn)過程和

15、連續(xù)生產(chǎn)過程，也也可以一定質(zhì)量可以一定質(zhì)量，如，如1kg、1000kg(1噸噸)或或1mol、1kmol的原料或產(chǎn)品的原料或產(chǎn)品為基準進為基準進行物料衡算。行物料衡算。 (2) CriterionUnit Mass Pharmaceutical Engineering 若所處理的物料為若所處理的物料為氣相氣相，則可以，則可以單位體積的單位體積的原料或產(chǎn)品原料或產(chǎn)品為基準進行物料衡算。為基準進行物料衡算。 由于氣體的體積隨溫度和壓力而變化，因此，由于氣體的體積隨溫度和壓力而變化，因此，應將操作狀態(tài)下的氣體體積全部換算成標準狀態(tài)下應將操作狀態(tài)下的氣體體積全部換算成標準狀態(tài)下的體積的體積,即即以以1

16、m3(標況下標況下)的原料或產(chǎn)品的原料或產(chǎn)品為基準進行為基準進行物料衡算。這樣既能消除溫度和壓力變化所帶來的物料衡算。這樣既能消除溫度和壓力變化所帶來的影響，又能方便地將氣體體積換算成摩爾數(shù)。影響，又能方便地將氣體體積換算成摩爾數(shù)。(3) CriterionUnit Volume=M.p.To/(22.4.po.T) Pharmaceutical Engineering 在進行物料衡算時，常會遇到比較復雜的在進行物料衡算時，常會遇到比較復雜的計算。為計算方便，一般要劃定計算。為計算方便，一般要劃定物料衡算范物料衡算范圍圍。 根據(jù)衡算目的和對象的不同，衡算范圍可以是根據(jù)衡算目的和對象的不同，衡算

17、范圍可以是一臺設備一臺設備、一套裝置一套裝置、一個工段一個工段、一個車間一個車間、一個工廠一個工廠等。衡算范圍一等。衡算范圍一經(jīng)劃定經(jīng)劃定,即可視為一個獨立的體系。即可視為一個獨立的體系。凡進入體系的物料均為輸凡進入體系的物料均為輸入項入項，離開體系的物料均為輸出項離開體系的物料均為輸出項。4.2.3 Range of Balance Calculation Pharmaceutical Engineering (1) 明確衡算目的，如通過物料衡算確定生明確衡算目的，如通過物料衡算確定生產(chǎn)能力、純度、收率等數(shù)據(jù)。產(chǎn)能力、純度、收率等數(shù)據(jù)。 (2) 明確衡算對象，劃定衡算范圍，繪出物明確衡算對象

18、，劃定衡算范圍，繪出物料衡算示意圖，并在圖上標注與物料衡算有關(guān)料衡算示意圖，并在圖上標注與物料衡算有關(guān)的已知和未知的數(shù)據(jù)。的已知和未知的數(shù)據(jù)。 (3) 對于有化學反應的體系，應寫出化學反對于有化學反應的體系，應寫出化學反應方程式應方程式(包括主、副反應包括主、副反應)，以確定反應前后，以確定反應前后的物料組成及各組分之間的摩爾比。的物料組成及各組分之間的摩爾比。 4.2.4 Methods and Approaches Pharmaceutical Engineering (4) 收集與物料衡算有關(guān)的計算數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)收集與物料衡算有關(guān)的計算數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)規(guī)模和年生產(chǎn)日；原輔材料、中間體及產(chǎn)品

19、的規(guī)格；規(guī)模和年生產(chǎn)日；原輔材料、中間體及產(chǎn)品的規(guī)格；有關(guān)的定額和消耗指標，如產(chǎn)品單耗、配料比、回有關(guān)的定額和消耗指標，如產(chǎn)品單耗、配料比、回收率、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率等；有關(guān)的物理化學收率、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率等；有關(guān)的物理化學常數(shù)，如密度、蒸氣壓、相平衡常數(shù)等。常數(shù)，如密度、蒸氣壓、相平衡常數(shù)等。 (5) 選定衡算基準。選定衡算基準。 (6) 列出物料平衡方程式，進行物料衡算。列出物料平衡方程式，進行物料衡算。 (7) 編制物料平衡表。編制物料平衡表。4.2.4 Methods and Approaches Pharmaceutical Engineering4.3 Examples 4.

20、3.1 Material Balances in Non-reacting Systems 4.3.2 Material Balances in Reacting Systems Pharmaceutical Engineering試通過物料衡算確定配制試通過物料衡算確定配制1000kg混酸時各原混酸時各原料的用量。為簡化計算，設原料中除水外的其料的用量。為簡化計算，設原料中除水外的其它雜質(zhì)可忽略不計。它雜質(zhì)可忽略不計。4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems例例4-1 硝化混酸配制過程的物料衡算。硝化混酸配制過程的物料衡算。H2SO4 4

21、6%(質(zhì)量百分比，下同質(zhì)量百分比，下同)HNO3 46%H2O 8%已知混酸組成已知混酸組成配制混酸用的原料配制混酸用的原料工業(yè)硫酸工業(yè)硫酸 92.5%、硝酸硝酸 98%、硝化廢酸硝化廢酸H2SO4 69%。 Pharmaceutical Engineering 解：混酸配制過程可在攪拌釜中進行。以攪拌解：混酸配制過程可在攪拌釜中進行。以攪拌釜為衡算范圍，繪出混酸配制過程的物料衡算示釜為衡算范圍，繪出混酸配制過程的物料衡算示意圖。圖中意圖。圖中 為為92.5%的硫酸用量，的硫酸用量， 為為98%的硝酸用量，的硝酸用量， 為含為含69%硫酸的廢酸用量。硫酸的廢酸用量。硝化混酸硝化混酸1000kg

22、 3HNOG42SOHG廢廢G混酸配制混酸配制攪攪 拌拌 釜釜42SOHG3HNOG廢G圖圖4-1 4-1 混酸配制過程物料衡算示意圖混酸配制過程物料衡算示意圖4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering 對對HNO3進行物料衡算得進行物料衡算得 0.98 GHNO3= 0.46 1000 (a) 對對H2SO4進行物料衡算得進行物料衡算得0.925 GH2SO4 + 0.69 Gwaste = 0.46 1000 (b) 對對H2O進行物料衡算得進行物料衡算得0.02 GHNO3+0.07

23、5 GH2SO4+0.31 Gwaste=0.08 1000 (c)聯(lián)解式聯(lián)解式(a)、(b)和和(c)得得GHNO3=469.4kg，GH2SO4=399.5kg，Gwaste =131.1kg4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering表表4-1 混酸配制過程的物料平衡表混酸配制過程的物料平衡表輸輸 入入物料物料名稱名稱工業(yè)品工業(yè)品量量/kg質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%輸輸 出出物料物料名稱名稱工業(yè)品工業(yè)品量量/kg硝酸硝酸469.4HNO3：98H2O：2硝化硝化混酸混酸1000H2SO4：4

24、6 HNO3：46H2O：8硫酸硫酸399.5H2SO4：92.5 H2O：7.5廢酸廢酸131.1H2SO4：69 H2O：31總計總計1000 總計總計1000 質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering例例4-2 擬用連續(xù)精餾塔分離苯和甲苯混合液。擬用連續(xù)精餾塔分離苯和甲苯混合液。已知混合液的進料流量為已知混合液的進料流量為200kmol h-1，其中含，其中含苯苯0.4(摩爾分率，下同摩爾分率，下同)，其余為甲苯。若規(guī)定，其余為甲苯。若規(guī)定塔底釜液中塔底釜液中苯

25、苯的含量不高于的含量不高于0.01，塔頂餾出液，塔頂餾出液中苯的回收率不低于中苯的回收率不低于98.5%，試通過物料衡算，試通過物料衡算確定塔頂餾出液、塔釜釜液的流量及組成，以確定塔頂餾出液、塔釜釜液的流量及組成，以摩爾流量和摩爾分率表示。摩爾流量和摩爾分率表示。 4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering精精餾餾塔塔圖圖4-2 4-2 苯和甲苯混合液精苯和甲苯混合液精餾過程物料衡算餾過程物料衡算 解：以連續(xù)精餾塔為衡算解：以連續(xù)精餾塔為衡算范圍范圍,繪出物料衡算示意圖。繪出物料衡算示意圖

26、。圖中圖中F為混合液的進料流為混合液的進料流量，量，D為塔頂餾出液的流為塔頂餾出液的流量，量，W為塔底釜液的流為塔底釜液的流量量,x為苯的摩爾分率。為苯的摩爾分率。 圖中共有圖中共有3股物料，股物料，3個個未知數(shù)，需列出未知數(shù)，需列出3個獨立方個獨立方程。程。F=200kmol. h-1xF=0.4D, xDW, xW=0.014.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering對全塔進行總物料衡算得對全塔進行總物料衡算得 (a)對苯進行物料衡算得對苯進行物料衡算得 (b)由塔頂餾出液中苯的回收率得

27、由塔頂餾出液中苯的回收率得 (c)聯(lián)解式聯(lián)解式(a)、(b)和和(c)得得 = 80kmol h-1， = 120 kmol h-1， = 0.985WD200W01. 0Dx4 . 0200D985. 0FFxDxDDWDx4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering表表4-2 4-2 苯和甲苯精餾過程的物料平衡表苯和甲苯精餾過程的物料平衡表摩爾組摩爾組成成/%/% 苯：苯：0.9850.985甲苯：甲苯： 0.0150.015 苯：苯：0.010.01甲苯：甲苯：0.990.99輸輸入入

28、物料物料名稱名稱流量流量/kmol/kmol h h-1摩爾組摩爾組成成/%/%輸輸出出物料物料名稱名稱流量流量/kmol/kmol h h-1苯和苯和甲苯甲苯混合混合液液200200 苯：苯：0.40.4甲苯：甲苯：0.60.6餾出液餾出液8080釜液釜液120120總計總計200200 總計總計200200 4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering(1) Basic Concepts (2) Batch Operated Process (3) Continuous Operated

29、 Process (4) Process involved Chemical Equilibrium4.3.2 Material Balances in Reacting Systems Pharmaceutical Engineering 某反應物的某反應物的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率可用該反應物的反應消耗量與可用該反應物的反應消耗量與反應物的原始投料量之比來表示，即反應物的原始投料量之比來表示，即 (4-6)式中式中 xA反應物反應物A的轉(zhuǎn)化率。的轉(zhuǎn)化率。 Note: 由于各反應物的原始投料量不一定符合化由于各反應物的原始投料量不一定符合化學計量關(guān)系學計量關(guān)系,因此因此以不同反應物為基準進行計算所得的以

30、不同反應物為基準進行計算所得的轉(zhuǎn)化率不一定相同轉(zhuǎn)化率不一定相同。應指明是何反應物的轉(zhuǎn)化率應指明是何反應物的轉(zhuǎn)化率。若。若沒有指明沒有指明,一般是指主要反應物或限制反應物的轉(zhuǎn)化率。一般是指主要反應物或限制反應物的轉(zhuǎn)化率。%100AAxA的投料量反應物的反應消耗量反應物(1) Basic Concepts Conversion Pharmaceutical Engineering 某產(chǎn)物的收率可用實際轉(zhuǎn)化為該產(chǎn)物的反應物某產(chǎn)物的收率可用實際轉(zhuǎn)化為該產(chǎn)物的反應物A的的量與反應物量與反應物A的原始投料量之比來表示，即的原始投料量之比來表示，即 (4-7)式中式中 y目標產(chǎn)物的收率目標產(chǎn)物的收率 。 某

31、產(chǎn)物的收率也可用該產(chǎn)物的實際獲得量與按投某產(chǎn)物的收率也可用該產(chǎn)物的實際獲得量與按投料量計算應得到的理論量之比來表示，即料量計算應得到的理論量之比來表示，即 (4-8)(1) Basic Concepts Yield %100AAy的投料量反應物的量的反應物按目標產(chǎn)物收得量折算%100y產(chǎn)物量按投料量計算應得到的實際得到的產(chǎn)物量 Pharmaceutical Engineering 若反應體系中存在副反應，則在各種主、副產(chǎn)物若反應體系中存在副反應，則在各種主、副產(chǎn)物中，轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物的反應物中，轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物的反應物A的量與反應物的量與反應物A的的反應消耗量之比稱為反應消耗量之比稱為反應的選擇性

32、反應的選擇性，即，即 (4-9) 由式由式(4-6)、(4-8)和和(4-9)得得 (4-10)(1) Basic Concepts Selectivity %100的反應總消耗量反應物的量算的反應物按目標產(chǎn)物實際得量折AA xy Pharmaceutical Engineering例例4-3 甲苯用濃硫酸磺化制備對甲苯磺酸。甲苯用濃硫酸磺化制備對甲苯磺酸。已知甲苯的投料量為已知甲苯的投料量為1000kg，反應產(chǎn)物中，反應產(chǎn)物中含對甲苯磺酸含對甲苯磺酸1460kg，未反應的甲苯，未反應的甲苯20kg。試分別計算甲苯的轉(zhuǎn)化率、對甲苯磺酸的試分別計算甲苯的轉(zhuǎn)化率、對甲苯磺酸的收率和選擇性。收率和選

33、擇性。(1) Basic Concepts Pharmaceutical Engineering解：化學反應方程式為解：化學反應方程式為 分子量分子量 92 98 172 18則甲苯的轉(zhuǎn)化率為則甲苯的轉(zhuǎn)化率為 對甲苯磺酸的收率為對甲苯磺酸的收率為對甲苯磺酸的選擇性為對甲苯磺酸的選擇性為CH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C%98%1001000201000 xA%1 .78%1001721000921460y%7 .79%100172)201000(921460(1) Basic Concepts 甲苯甲苯1000kg，甲苯磺酸甲苯磺酸1460kg，未反應甲苯未反應甲苯

34、20kg。 Pharmaceutical Engineering 產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程通常由若干個產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程通常由若干個物理工序和化學反應工序所組成，各工物理工序和化學反應工序所組成，各工序都有一定的收率，各工序的收率之積序都有一定的收率，各工序的收率之積即為即為總收率總收率。(1) Basic Concepts Total Yield Pharmaceutical EngineeringCH3ClCl2ClClClCNClCOOHNH2ClClNHHOOCClClNaCN83.6%90%88.5%48.4% 例例4-4 鄰氯甲苯經(jīng)鄰氯甲苯經(jīng) -氯代、氰化、水解工序可制得鄰氯苯氯代、氰化

35、、水解工序可制得鄰氯苯乙酸，鄰氯苯乙酸再與乙酸，鄰氯苯乙酸再與2，6-二氯苯胺縮合即可制得消炎鎮(zhèn)痛二氯苯胺縮合即可制得消炎鎮(zhèn)痛藥藥雙氯滅痛。已知各工序的收率分別為：氯代工序雙氯滅痛。已知各工序的收率分別為：氯代工序y1=83.6%、氰化工序、氰化工序y2=90%、水解工序、水解工序y3=88.5%、縮合工序、縮合工序y4=48.4%。試計算以鄰氯甲苯為起始原料制備雙氯滅痛的總。試計算以鄰氯甲苯為起始原料制備雙氯滅痛的總收率。收率。 (1) Basic Concepts Total Yield 4321Tyyyyy %4 .48%5 .88%90%6 .83%2 .32解：設以鄰氯甲苯為起始原料

36、制備雙氯滅痛的總收率為解：設以鄰氯甲苯為起始原料制備雙氯滅痛的總收率為yT，則，則 Pharmaceutical Engineering 某些反應過程某些反應過程,主要反應物經(jīng)一次反應的轉(zhuǎn)化率不主要反應物經(jīng)一次反應的轉(zhuǎn)化率不高高,甚至很低甚至很低,但未反應主要反應物經(jīng)分離回收后可循但未反應主要反應物經(jīng)分離回收后可循環(huán)套用環(huán)套用,此時轉(zhuǎn)化率有此時轉(zhuǎn)化率有單程轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率和和總轉(zhuǎn)化率總轉(zhuǎn)化率之分。之分。 例例4-5 用苯氯化制備一氯苯時，為減少副產(chǎn)二氯用苯氯化制備一氯苯時，為減少副產(chǎn)二氯苯的生成量，應控制氯的消耗量。已知每苯的生成量，應控制氯的消耗量。已知每100mol苯與苯與40mol氯反應

37、，反應產(chǎn)物中含氯反應，反應產(chǎn)物中含38mol氯苯、氯苯、1mol二氯苯二氯苯以及以及61mol未反應的苯。反應產(chǎn)物經(jīng)分離后可回收未反應的苯。反應產(chǎn)物經(jīng)分離后可回收60mol的苯，損失的苯，損失1mol苯。試計算苯的單程轉(zhuǎn)化率和苯。試計算苯的單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率?？傓D(zhuǎn)化率。(1)Basic Concepts Per Pass Conversion and Total Conversion Pharmaceutical Engineering解：苯的單程轉(zhuǎn)化率為解：苯的單程轉(zhuǎn)化率為設苯的總轉(zhuǎn)化率為設苯的總轉(zhuǎn)化率為xT，則，則 對于某些反應，主要反應物的單程轉(zhuǎn)化率可對于某些反應，主要反應物的單程轉(zhuǎn)化

38、率可以很低，但總轉(zhuǎn)化率卻可以提高以很低，但總轉(zhuǎn)化率卻可以提高。 %0 .39%10010061100Ax%5 .97%1006010061100 xT(1)Basic Concepts Per Pass Conversion and Total Conversion Pharmaceutical Engineering例例4-6 在間歇釜式反應器中用濃硫酸磺化甲苯生產(chǎn)在間歇釜式反應器中用濃硫酸磺化甲苯生產(chǎn)對甲苯磺酸，其工藝流程如圖對甲苯磺酸，其工藝流程如圖3-11所示，試對該過所示，試對該過程進行物料衡算。已知批投料量為：甲苯程進行物料衡算。已知批投料量為：甲苯1000kg，純度純度99.9%

39、(wt%，下同，下同)；濃硫酸；濃硫酸1100kg，純度，純度98%；甲苯的轉(zhuǎn)化率為甲苯的轉(zhuǎn)化率為98%，生成對甲苯磺酸的選擇性為，生成對甲苯磺酸的選擇性為82%，生成鄰甲苯磺酸的選擇性為，生成鄰甲苯磺酸的選擇性為9.2%，生成間甲，生成間甲苯磺酸的選擇性為苯磺酸的選擇性為8.8%；物料中的水約；物料中的水約90%經(jīng)連續(xù)經(jīng)連續(xù)脫水器排出。此外，為簡化計算，假設原料中除純脫水器排出。此外，為簡化計算，假設原料中除純品外都是水，且在磺化過程中無物料損失。品外都是水，且在磺化過程中無物料損失。 (2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering

40、解：以間歇釜式反應器為衡算范圍，繪出物料衡算解：以間歇釜式反應器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。示意圖。圖圖4-3 4-3 甲苯磺化過程物料衡算示意圖甲苯磺化過程物料衡算示意圖 原料甲苯：原料甲苯：1000kg 純度純度99.9% 濃硫酸：濃硫酸：1100kg 純度純度98% 磺化液磺化液 水水硫硫酸酸甲甲苯苯間間甲甲苯苯磺磺酸酸鄰鄰甲甲苯苯磺磺酸酸對對甲甲苯苯磺磺酸酸脫水器脫水器排水排水(90%)(90%) 甲甲 苯苯磺化釜磺化釜(2) Batch Operated Process82%9.2%8.8%選擇性選擇性 Pharmaceutical Engineering 圖中共有圖中共有4股物

41、料，物料衡算的目的就股物料，物料衡算的目的就是確定各股物料的數(shù)量和組成，并據(jù)此編是確定各股物料的數(shù)量和組成，并據(jù)此編制物料平衡表。制物料平衡表。 對于間歇操作過程，常以單位時間間對于間歇操作過程，常以單位時間間隔隔(一個操作周期一個操作周期)內(nèi)的投料量為基準進行內(nèi)的投料量為基準進行物料衡算。物料衡算。(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering進料：進料： 原料甲苯中的原料甲苯中的甲苯量甲苯量為：為：1000 0.999=999kg 原料甲苯中的原料甲苯中的水量水量為：為：1000-999=1kg 濃硫酸中的濃硫酸中的硫酸量硫酸量為

42、：為：1100 0.98=1078kg 濃硫酸中的濃硫酸中的水量水量為：為：1100-1078=22kg 進料總量為：進料總量為：1000+1100=2100kg，其中含甲苯，其中含甲苯999kg，硫酸，硫酸1078kg，水，水23kg。(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering出料：反應消耗的甲苯量為：出料：反應消耗的甲苯量為：999 98%=979kg 未反應的甲苯量為：未反應的甲苯量為：999-979=20kgCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C主反應主反應副反應副反應I ICH3CH3SO3H+

43、H2SO4+ H2O110140 0C110140 0C+ H2O+ H2SO4CH3SO3HCH3 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18副反應副反應IIII(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering反應生成的對甲苯磺酸量為：反應生成的對甲苯磺酸量為： 反應生成的鄰甲苯磺酸量為：反應生成的鄰甲苯磺酸量為： 反應生成的間甲苯磺酸量為：反應生成的間甲苯磺酸量為： 反應生成的水量為：反應生成的水量為： 8 .1500%82921729794 .168%2 . 9921729791 .161%8 . 892172

44、9795 .1919218979kgkgkgkg(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering經(jīng)脫水器排出的水量為：經(jīng)脫水器排出的水量為：(23+191.5) 90%=193.1kg磺化液中剩余的水量為：磺化液中剩余的水量為：(23+191.5)-193.1=21.4kg反應消耗的硫酸量為：反應消耗的硫酸量為： kg 未反應的硫酸量為：未反應的硫酸量為：1078-1042.8=35.2kg 磺化液總量為：磺化液總量為：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg8 .10429298979(2) B

45、atch Operated Process Pharmaceutical Engineering表表4-3 4-3 甲苯磺化過程的物料平衡表甲苯磺化過程的物料平衡表輸輸入入物料名稱物料名稱質(zhì)量質(zhì)量/kg/kg質(zhì)量組成質(zhì)量組成/%/%純品量純品量/kg/kg原料甲苯原料甲苯10001000甲苯甲苯99.999.9999999水水0.10.11 1濃硫酸濃硫酸11001100硫酸硫酸98.098.010781078水水2.02.02222總計總計21002100 21002100輸輸出出磺化液磺化液1906.91906.9對甲苯磺酸對甲苯磺酸78.778.71500.81500.8鄰甲苯磺酸鄰甲苯

46、磺酸8.838.83168.4168.4間甲苯磺酸間甲苯磺酸8.458.45161.1161.1甲苯甲苯1.051.0520.020.0硫酸硫酸1.851.8535.235.2水水1.121.1221.421.4脫水器排水脫水器排水193.1193.1水水100100193.1193.1總計總計21002100 21002100(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering例例4-7 在催化劑作用下，乙醇脫氫可制備乙醛，在催化劑作用下，乙醇脫氫可制備乙醛，其反應方程式為其反應方程式為 已知原料為無水乙醇已知原料為無水乙醇(純度以純度以

47、100%計計)，流量為，流量為1000kg h-1，其轉(zhuǎn)化率為，其轉(zhuǎn)化率為95%，乙醛收率為，乙醛收率為80%，試對該過程進行物料衡算。試對該過程進行物料衡算。 CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 同時存在副反應同時存在副反應C2H5OH CH3CHO + H2 (3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering解：以反應器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。解：以反應器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。圖圖4-4 4-4 乙醇催化脫氫制乙醛過程物料衡算示意圖乙醇催化脫氫制乙醛過程物料衡算示意圖 乙醇：乙醇：1500kg

48、純度純度100% 產(chǎn)物產(chǎn)物 氫氫氣氣乙乙酸酸乙乙酯酯乙乙醛醛乙乙醇醇乙醇催化乙醇催化脫氫制脫氫制乙醛反應器乙醛反應器 (3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering 圖中僅有圖中僅有1股進料和股進料和1股出料，且進料乙股出料，且進料乙醇的數(shù)量和組成為已知，因此，物料衡算的醇的數(shù)量和組成為已知，因此，物料衡算的目的就是為了確定出料的組成。該過程為連目的就是為了確定出料的組成。該過程為連續(xù)操作過程，以單位時間，即續(xù)操作過程，以單位時間，即1h內(nèi)的進料量內(nèi)的進料量為基準進行物料衡算比較方便。為基準進行物料衡算比較方便。(3) Co

49、ntinuous Operated Process Pharmaceutical EngineeringC2H5OH CH3CHO + H2CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 主反應方程式為主反應方程式為: 副反應方程式為副反應方程式為: :分子量分子量 46 44 2 分子量分子量 2 2 46=9246=92 88 2 88 2 2=4 2=4 (3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering出料：乙醇流量為出料：乙醇流量為 乙醛流量為乙醛流量為 乙酸乙酯流量為乙酸乙酯流量為 氫氣流量為氫氣流量為 或或 0 .

50、50)95.01 (10000 .72746448 .095.010007 .1819288)8 .01 (95.010003.417.1817275010003 .41924)8 . 01 (95. 010004628 . 095. 01000kg h-1kg h-1kg h-1kg h-1kg h-1(3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering表表4-4 4-4 乙醇催化脫氫過程物料平衡表乙醇催化脫氫過程物料平衡表輸輸入入物料物料名稱名稱流量流量/kg/kg h h-1輸輸出出物料物料名稱名稱流量流量/kg/kg h

51、h-1質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%/%乙醇乙醇10001000100100乙醇乙醇50.050.05.05.0乙醛乙醛727.0727.072.772.7乙酸乙酸乙酯乙酯181.7181.718.218.2氫氣氫氣41.341.34.14.1總計總計10001000100100總計總計10001000100.0100.0質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%/%(3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering 例例4-8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的組成為：蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的組成為：硝基蒽醌硝基蒽醌5.6%(質(zhì)量百分比，下同質(zhì)量百分比，下同)

52、、H2SO4 34.5%、HNO3 6.7%、H2O 53.2%。擬采用含量為。擬采用含量為18%、密、密度為度為932kg m-3的氨水將硝化液中和至的氨水將硝化液中和至pH=7。已知。已知每批操作硝化液的投料量為每批操作硝化液的投料量為3000kg，硝化液的密度，硝化液的密度為為1170kg m-3， ，試對硝化液中和過，試對硝化液中和過程進行物料衡算。為簡化計算，假設中和前后物料程進行物料衡算。為簡化計算，假設中和前后物料的總體積保持不變。的總體積保持不變。91077. 11K水(4) Process involved Chemical Equilibrium Pharmaceutical Engineering 解：以中和反應器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖，解：以中和反應器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖，如圖如圖4-5所示。所示。 水水氨氨水水硝硝酸酸銨銨硫硫酸酸銨銨硝硝基基蒽蒽醌醌中和液中和液 %2 .53: %7 . 6: %5 .34:%6 . 5:水水硝硝酸酸硫硫酸酸硝硝基基蒽蒽醌醌硝化液硝化液:3000kg18%氨水氨水中中 和和反應器反應器圖圖4-5 4-5