物料衡算概述

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(1) 衡算基准——单位时间
对于间歇生产过程和连续生产过程，均可 以单位时间间隔内的投料量或产品量为基准 进行物料衡算。根据计算的方便，对于间歇 生产过程，单位时间间隔常取一批操作的生 产周期；对于连续生产过程，单位时间间隔 可以是1秒、1小时、1天或1年。
由于各反应物的原始投料量不一定符合化学计量 关系,因此以不同反应物为基准进行计算所得的转化率 不一定相同。
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(1) 概念 —— 收率
某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，即
(4-7)
式中 y——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
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(1) 衡算基准——单位时间
产品的年产量、日产量和年生产日之间的 关系为
(4-5) 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。
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(2) 衡算基准——单位质量
产品的生产工艺过程通常由若干个 物理工序和化学反应工序所组成，各工 序都有一定的收率，各工序的收率之积 即为总收率。
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4.2.1 物料衡算平衡方程式
2.化学过程 对于有化学反应的体系，式(4-1)和(4-2)仍可
用于体系的总物料衡算或任一元素的物料衡算 ，但不能用于组分的物料衡算。
(4-3)
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4.3.1 物理过程的物料衡算
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。
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4.2.3 衡算范围
在进行物料衡算时,经常会遇到比较复杂的 计算。为计算方便,一般要划定物料衡算范围 。根据衡算目的和对象的不同,衡算范围可以 是一台设备、一套装置、一个工段、一个车 间、一个工厂等。衡算范围一经划定,即可视 为一个独立的体系。凡进入体系的物料均为 输入项，离开体系的物料均为输出项。
(1)化学过程的几个概念 (2) 间歇操作过程的物料衡算 (3) 连续操作过程的物料衡算 (4) 含有化学平衡的物料衡算
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(1) 概念 —— 转化率
某反应物的转化率可用该反应物的反应消耗量与 反应物的原始投料量之比来表示，即
(4-6) 式中 xA——反应物A的转化率。
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(1) 概念 —— 选择性
解：化学反应方程式为
分子量
92 98
则甲苯的转化率为 对甲苯磺酸的收率为
对甲苯磺酸的选择性为
172 18
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(1) 概念 —— 总收率
料量计算应得到的理论量之比来表示，即
(4-8)
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(1) 概念 —— 选择性
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A的量与反应物A的反应消耗 量之比称为反应的选择性，即
式中 ——反应的选择性。 由式(4-6)、(4-8)和(4-9)得
对于间歇生产过程和连续生产过程 ，也可以一定质量，如1kg、1000kg(1吨 )或1mol、1kmol的原料或产品为基准进 行物料衡算。
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(3) 衡算基准——单位体积
若所处理的物料为气相，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 的体积随温度和压力而变化,因此,应将操作状态 下的气体体积全部换算成标准状态下的体积,即 以1m3(标况下)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 响,又能方便地将气体体积换算成摩尔数。
H2O：8
1000
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4.3.1 物理过程的物料衡算
例4-2 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200kmolh-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。
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4.3.1 物理过程的物料衡算
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。
92.5% 98% 69%
混酸配制 搅拌釜
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4.2.1 物料衡算平衡方程式
同样，对于稳态过程，组分在体系内没有累 积，则式(4-3)可简化为:
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4.2.2 衡算基准
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计算的基础。
(1) 单位时间 (2) 单位质量 (3) 单位体积
(4-9) (4-10)
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(1) 概念 —— 选择性
例4-3 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、对甲苯 磺酸的收率和选择性。
(3) 对于有化学反应的体系，应写出化学反 应方程式(包括主、副反应)，以确定反应前后 的物料组成及各组分之间的摩尔比。
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4.2.4 衡算方法和步骤
(4) 收集与物料衡算有关的计算数据，包括生产 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。
(b)
对H2O进行物料衡算得
0.02
+0.075
+0.31 = 0.081000 (c)
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❖ 联解式(a)、(b)和(c)得
❖
=469.4kg，
❖
=399.5kg，
❖
=131.1kg
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4.3.1 物理过程的物料衡算
表4-1 混酸配制过程的物料平衡表
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4.1 概述
物料衡算的依据是工艺流程示意图以及为 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 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 程示意图对物料衡算起着重要的指导作用。
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4.2 物料衡算基本理论
4.2.1 物料衡算平衡方程式
4.2.2 衡算基准 4.2.3 衡算范围
4.2.4 衡算方法和步骤
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4.2.1 物料衡算平衡方程式
1.物理过程 根据质量守恒定律，
(4-1)
式中
——输入体系的总物料量；
——输出体系的总物料量；
GA——物料在体系中的总累积量。
上式也适用于物理过程任一组分或元素的物料衡算。
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4.2.1 物料衡算平衡方程式
对于稳态过程，物料在体系内没有累积，式(41)可简化为
(4-2) 式(4-2)表明，对于物理过程，若物料在体系内 没有累积，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 分或元素也平衡。
D, xD
F=200kmol.h-1 xF=0.4
W, xW=0.01 图4-2 苯和甲苯混合液精
馏过程物料衡算 26
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4.3.1 物理过程的物料衡算
对全塔进行总物料衡算得
(a) 对苯进行物料衡算得
(b) 由塔顶馏出液中苯的回收率得
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4.1 概述
制药工业包括原料药工业和制剂工业,其中 制剂工业的生产过程通常为物理过程,其物料 衡算比较简单。原料药的生产途径很多,如化 学合成、生物发酵、中草药提取等。
本章主要讨论化学过程的物料衡算。
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物料衡算概述
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4.1 概述
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 、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 关系到整个工艺设计可靠程度。
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4.3.1 物理过程的物料衡算
例4-1 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混 酸组成为H2SO4 46%(质量百分比，下同)、 HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料为 92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含H2SO4 69%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。
物料 名称 硝酸 输
硫酸 入
废酸
总计
工业品 量/kg 469.4
399.5
131.1
质量组 成/% HNO3：98 H2O：2 输
H2SO4：92.5
H2O：7.5 出
H2SO4：69 H2O：31
物料 名称
硝化 混酸
1000
总计
工业品 质量组 量/kg 成/%
1000
H2SO4：46 HNO3：46
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4.2.3 衡算范围
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4.2.4 衡算方法和步骤
(1) 明确衡算目的，如通过物料衡算确定生 产能力、纯度、收率等数据。
(2) 明确衡算对象，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 的已知和未知的数据。
(c) 联解式(a)、(b)和(c)得
= 80kmolh-1， = 120 kmolh-1，
= 0.985
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4.3.1 物理过程的物料衡算
表4-2 苯和甲苯精馏过程的物料平衡表
物料 流量 摩尔组 名称 /kmolh-1 成/%
物料 流量 摩尔组 名称 /kmolh-1 成/%
输 苯和 甲苯 混合
入液
输 馏出液
80
200
苯：0.4
甲苯：0.6 出 釜液
120
总计 200
总计 200
苯：0.985 甲苯： 0.015
苯：0.01 甲苯： 0.99
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4.3.2 化学过程的物料衡算
硝化混酸 46%
1000kg
46% 8%
图4-1 混酸配制过程物料衡算示意图
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4.3.1 物理过程的物料衡算
对HNO3进行物料衡算得
0.98
= 0.461000
(a)
对H2SO4进行物料衡算得
0.925
+ 0.69 = 0.461000
(5) 选定衡算基准。 (6) 列出物料平衡方程式，进行物料衡算。 (7) 编制物料平衡表。
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4.3 物料衡算举例
4.3.1物理过程的物料衡算
4.3.2化学过程的物料衡算
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