制药工艺设计讲义版-2.5工艺计算-物料衡算

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2012-4-21
2 固体制剂车间
2 固体制剂车间
2.3 固体制剂车间设计 2.3.1 流程设计 2.3.2 物料衡算 2.3.3 能量衡算 2.3.4 设备选型 2.3.5 车间布置
2.3 固体制剂车间设计
2.3.2 物料衡算
物料衡算的类型 物理过程：物料没有发生化学变化，主要体现在混 合和分离中，如吸附、结晶、过滤、干燥、粉碎、 蒸馏、萃取等单元操作 化学过程：原子与分子之间形成新的化学键，形成 新物质。组分平衡和化学元素平衡。
热量衡算（Heat Balance），简称“HB” 能量衡算（Energy Balance），简称“EB” 物料衡算与能量衡算的联立计算（Combined Balance）， 简称“CB”
基本守恒方程
质量（能量）守衡定律 ∑G进料+∑G生成=∑G出料+∑G累积+∑G消耗 +∑G损失 当 有： ∑G生成、 ∑G累积、∑G消耗=0 ∑G进料=∑G出料
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2.3 固体制剂车间设计 简单化学过程衡算
2.3.2 物料衡算
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2.3 固体制剂车间设计
3.1.2流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取
例：丙烷完全燃烧，要供给所需空气量的125％，反应式为： C3H8 ＋5O2＝3CO2 +4H2O 问每100 mol燃烧产物需要多少摩尔空气？ 解①：基准量1mol原料气C3H8 收入 支出 所需空气量为（按照反应式）：燃烧用氧 5mol 化合物 mol g (克) 实际用氧 化合物 5×1.25 mol＝6.25mol g ( 克) 需供空气量[（空气中氧占21％（体积）]6.25÷21％＝29.76mol C 3 H8 1 44 CO2 3 132 其中氮气量为： 空气 29.76 29.76×79％＝ H 23.51mol O 4 72
3、生产天数 6、副产品年产量 11、劳动生产率 14、投资回收年限 16、主要管件管材总重
MB与HB计算是化工工艺设计中最基 本，也是最主要的计算内容。 工艺计算
物料衡算（Material Balance），简称“MB”
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物料衡算 能量衡算及公用工程量计算（耗热、耗 冷量、压缩空气、真空量） 设备、管路的设计和选型
2.3.2 物料衡算 2.3.2.1 根据计算目的选取衡算范围 2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计 算基准
（1）基准量的选取 （2）流程的操作状态及其对应的衡算计算基准
2.3.2.3 2.3.2.4 2.3.2.5 2.3.2.6
联系物质 物料衡算的方法和步骤 物料流程图 生产计算实例
2.3.2 物料衡算
损耗率是对实际耗量说的加入氧量理论需氧量理论需氧量多于理论需用量的氧理论需氧量其生产过程分以下几个阶段反应式如下4nh5o4no6ho3222noo2no223noho2hnono2232固体制剂车间23固体制剂车间设计23固体制剂车间设计232物料衡算2326生产计算实例输入和输出物料平衡表232物料衡算进料量出料量2321根据计算目的选取衡算范围输入物料名称质量kg含量输出物料名称质量kg含量2322流程的操作状态及其对应的衡算计算基准1基准量的选取原辅材料消耗定额表2流程的操作状态及其对应的衡算计算基准原料名单规成品消耗定小时消耗年消耗备序号称位格额单耗量量注2323联系物质2324物料衡算的方法和步骤2325物料流程图三废排量表2326生产计算实例序名特性和组单吨产品排出小时排出量年排备号称成位量kgkg量t注23固体制剂车间设计23固体制剂车间设计232物料衡算232物料衡算2326生产计算实例物料衡算的方法和步骤例
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取 哪一股物料作基准？ 选多少什么样的量（或单位），即是多少质量（千克）， 还是多少摩尔或体积？ 一般选取数据齐全的物料流作为基准物料流。 恰当地选取计算基准量可以使计算简化，同时也可以缩小 计算误差
解联立方程组可得： 空气 A＝93.7mol C3H8 B=3.148 mol N2 N=74.02 mol
2.3.2 物料衡算
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取
例：铁矿在空气中干燥时，失去5％的重量，干燥后的铁矿中含水 3％，铁61.5％，杂质9％，其中铁可认为是Fe2O3的形式存在，试 计算干燥前铁矿成分？ 解： 以干燥前铁矿100千克进行计算 由于干燥时失去5％的水分，故干燥后铁矿质量为95千克， 其中 水：95×0.03＝2.85千克 杂质 ：95×0.09＝8.55千克 铁： 95×0.615＝58.4千克 铁换算为：Fe2O3 58.4×159.7/111.7＝83.6千克（Fe2O3分子量 为159.7 ， 铁的原子量为55.85）
2.3.2 物料衡算
例：某酒精车间，为了获取无水酒精，以95%的工业酒精为 原料，加入第三组分纯苯，将混合物在精馏设备中进行精馏。 塔顶产物为含C2H5OH 18.5%,H2O 7.4%,C6H6 74.1%的共沸混合 物，塔底产物为无水酒精，如果生产10吨无水酒精，需多少 苯和工业酒精？ 例：欲使60%的稀硝酸浓缩到99%的浓硝酸，工业上不能直接 用蒸发法，而是用加入另外一种物质进行蒸馏的方法，现加 入72%的Mg(NO3)2溶液。其生产流程图如下，并附以各种溶液 的浓度和生产步骤。 当生产1吨浓硝酸时，试计算： ①：加入的稀硝酸量；②：离开蒸发器的蒸汽量；③：循环 溶液中的Mg(NO3)2溶液量。
2.3.2 物料衡算
2.3.2 物料衡算
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取 解②：基准量为1mol空气 ③：基准量为100mol烟道气
设：N为烟道气中N2的mol数； Ｍ为烟道气中O2的mol数； Ｐ为烟道气中CO2的mol数； Ｑ为烟道气中Ｈ2O的mol数； Ａ为入口空气的mol数； Ｂ入口的C3H8的mol数； 共有6个未知数，因此必须有6个独立的方程式才可求解，由于 有化学反应，故以元素平衡为宜: C平衡 3B＝P H2平衡 4B＝Q O2平衡 0.21A＝M＋Q/2+P N2平衡 0.79A＝N 烟道气总量为N＋M＋P＋Q＝100 过剩氧量0.21A×0.25/1.25=M
物料流程图 有三纵行 左边的表示原 料和中间体； 中间的表示单 元反应和单元 操作；
图2-4
框表示出过程 名称、流程号 及物料组成和 数量 箭头和数字表 示物料流向及 其数量 为了突出单元 过程，通常把 中间纵行的图 框绘成双线。
右边的表示副 产品和“三废” 排放物。
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2.3 固体制剂车间设计 简单物理过程衡算
注意：在二种操作模式的交界处，必须设置储罐。 衡算计算基准： 以二者之间的储罐为分界点，按间歇、连续分段计算。
常统一按每天产量计算：/d。 日产量=年产量/年工作日（一般330d/Y）
在变化过程中，某一物质的数量在进出物料流中不变化，可以 利用这种物质和另一些物质在组成中的比例关系，来计算未知 量，我们称这种作为计算关系的物质为衡算联系物质。
2.3 固体制剂车间设计
2.3.2 物料衡算
2.3.2.5物料衡算的方法和步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 绘出物料衡算流程示意图 收集设计基础数据和有关物化常数 确定已知数据（工艺指标及消耗定额） 选择计算体系范围和基准 进行物料衡算 校核计算结果 绘出物料流程图
PFD （Process Flowsheet Diagram） 过程物料流程图
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氧气O2 氮气N2 总计
6.25 23.51 30.76
200 658.28 902.28
氧气O2 氮气N2 总计
1.25 23.51 31.76
40 658.28 902.28
从表中看出，得到产物（即烟道气）31.76mol，需供给空气 29.76mol,100mol产物需空气Ｘmol X=100×29.76/31.76=93.7
O2 M=3.935 mol CO2 P=9.445 mol H2O Q=12.59 mol
2.3.2 物料衡算
2.3.2 物料衡算
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准
（2）流程的操作状态及其对应的衡算计算基准
（a）、连续生产流程（稳态流程） 特点： 参数是位置的函数，而不随时间而变。 衡算计算基准：时间基准（ /s, /h, /d） （b）、间歇生产流程（动态流程、批处理过程） 特点： 参数不仅是位置的函数，也是时间的函数。
生产班制
9、原料单耗 10、总投资 12、单位成本 13、利润 15、全厂设备总重 17、钢铁、水泥、木材单耗
1、生产规模 2、生产方法 4、产品日产量 5、产品年产量 7、产品质量 8、总回收率 9、原料单耗 10、总投资 12、单位成本 13、利润 15、全厂设备总重 17、钢铁、水泥、木材单耗
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取 干燥前进料 干燥后出料 例：铁矿在空气中干燥时，失去 5％的重量，干燥后的铁矿 铁矿 100 95 中含水3％，铁61.5％，杂质 9％，其中铁可认为是 Fe2O3的形 式存在，试计算干燥前铁矿成分？ 水 5 解： 以干燥前铁矿100千克进行计算 总计/kg 100 100 由于干燥时失去5％的水分，故干燥后铁矿质量为95 干燥前湿铁矿组成 干燥后铁矿组成 千克，其中 铁矿组成水： 数量 /0.03 千克＝2.85 质量 /％ 铁矿组成 数量/千克 质量/％ 95× 千克 95×0.09＝8.55 千克 Fe2O3 杂质 ： 83.6 83.6 Fe 83.6 88 2O3 ×0.615＝58.4 千克 杂质 铁： 95 8.55 8.55 杂质 8.55 9 铁换算为： Fe2＋ O35＝ 58.4×159.7/111.7 ＝ 83.6千克（Fe2O 3分 水 2.85 7.85 水 2.85 3 子量为159.7 7.85 ， 铁的原子量为55.85） 总计 100 100 总计 95 100 基准量：计算开始时选取某物质一定的量，针对这一步分物 料作计算，这种物料的一定量叫基准量。
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生产企业主要技术经济指标 生产企业主要技术经济指标
1、生产规模 4、产品日产量 7、产品质量 2、生产方法 5、产品年产量 8、总回收率 3、生产天数 6、副产品年产量 定额指标
物料消耗定额 原材料储备定额 劳动定额 工时定额
产量定额
看管定额
工作制度 年工作日 车间劳动定员 11、劳动生产率 14、投资回收年限 16、主要管件管材总重

∑G进料+∑G生成=∑G出料+∑G累积+∑G消耗+∑G损失
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2.3 固体制剂车间设计
2.3 固体制剂车间设计
2.3.2 物料衡算
2.3.2.1 根据计算目的选取衡算范围
化工流程设计衡算的范围可能有如下几种情况： 1、流程中某一个单元设备或结点； 2、流程中某几个单元设备组合的子流程； 3、整个流程。
MB、HB的任务
流股状态可用一组流股变量来描述： F，T，P，x1， x2 ，„„，xn－1 设备的单元变量： dQ/dt （Q）、dW/dt （W）、 ri （i＝1，2，„,m） 其它方程包括： 设计约束方程（最常见）； 相平衡方程，等等。 MB、HB衡算计算的任务 就是解MB、HB、其它方程组成 的方程（组），求解出衡算范围内未知的流股变量和 设备单元变量。
基准量：计算开始时选取某物质一定的量，针对这一步分物 料作计算，这种物料的一定量叫基准量。
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2.3.2.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）基准量的选取
例：丙烷完全燃烧，要供给所需空气量的125％，反应式为： C3H8 ＋5O2＝3CO2 +4H2O 问每100 mol燃烧产物需要多少摩尔空气？ 解①：基准量1mol原料气C3H8 所需空气量为（按照反应式）：燃烧用氧 5mol 实际用氧5×1.25＝6.25mol 需供空气量[（空气中氧占21％（体积）]6.25÷21％＝29.76mol 其中氮气量为：29.76×79％＝23.51mol
（c）、半间歇半连续生产流程 特点：间歇操作和连续操作同时出现在一个流程内。
连续部分 储罐 间歇部分
2.3.2.3 联系物质
例：有5吨电解液，密度为1.15，每升中含有NaCl 170克， NaOH 40.5克，送入蒸发器蒸浓，在蒸发过程中，有食盐析 出，此时溶液密度为1.53，每升内含NaCl 60 克，NaOH 765 克，试计算析出的食盐量及蒸发出去的水量。
常用基准量
①单位时间处理量为基准 ②质量基准 ③摩尔基准 ④体积基准 ⑤干湿基准
具体计算中可以根据需要进行变换
衡算计算基准： /批（ /Batch）
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2.3.2 物料衡算
2.3 固体制剂车间设计
2.3.2.2 流程的操作状态及其对应的衡算计算基准
2.3.2 物料衡算
（2）流程的操作状态及其对应的衡算计算基准