化工中物料衡算和热量衡算公式

物料衡算和热量衡算
物料衡算
根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。

通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。

物料衡算的基础
物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。

∑G1=∑G2+∑G3+∑G4
∑G2：——输人物料量总和；
∑G3：——输出物料量总和；
∑G4：——物料损失量总和；
∑G5：——物料积累量总和。

当系统内物料积累量为零时，上式可以写成：
∑G1=∑G2+∑G3
物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。

物料衡算的基准
(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。

(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。

物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。

消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。

制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。

热量衡算
制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。

又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。

生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。

通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。

热量衡算的基础
热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示
Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6 （1—1）
式中： Q 1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;
Q 2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热
量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;
Q 3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）
Q 4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）
Q 5—设备部件所消耗的热量，KJ;
Q 6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;
热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。

（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，而该时间必须是稳定传热时间）热量衡算温度基准，一般规定25℃。

热量衡算式中各项计算 从 （1—1）式中可得：
Q 2 =Q 4+Q 5+Q 6-Q 1-Q 3 (1—2)
式中各项可用以下计算方法
（1）Q 1和Q 4的计算
Q 1和Q 4均可以用下式计算：
Q=∑m i c i T 1(T 2)
式中： m i —反应物体系中组分I 的质量，Kg; c i —组分i 在0—T℃时的平均比热容，KJ/(Kg*℃)或KJ/(Kmol·℃);
T 1(T 2)—反应物系反应前后的温度，℃
（2）Q 3的计算
Q 3 作为过程的热效率分为化学反应热效应和物理过程热效应，在这次反应中
由于物理过程热效应较低，相比化学反应热效应可忽略不计，故过程热效应可由下式表示：
3r p Q Q Q =+
式中 r Q —化学反应热效应，KJ ；
p Q —物理过程热效应，KJ ；(可忽略不计)r Q 可通过标准化学反应热0r q 计算：
0(1000/)r A A r Q G M q =
式中 0r q —标准化学反应热，KJ/mol ；
A G —参与化学反应的A 物质质量，Kg ； A M —A 物质分子量。

000()()r c R c P q q q =∑-∑
反应体系中各物质标准焓为：
乙苯（40.219KJ/mol ）
苯（33.871 KJ/mol ）
甲苯（18.029KJ/mol ）
0r q =（33.871+18.029-40.219）KJ/mol=51.86KJ/mol
r Q =3Q =(1000×35430×51.86/104.15)=17641860.78KJ
Q 5=∑Micpi (T2—T1)
Mi ——设备上i 部件质量，kg ；
cpi ——设备上i 部件比热容，kJ ／(kg •℃)
T1——设备各部件初温，℃；
T2——设备各部件终温，℃。

设备向四周散失的热量(Q6)的计算
Q6=∑A α t(TW2一T0)t ×10-3
A ——设备散热表面积，m2；
α t ——散热表面向四周介质的联合给热系数，W ／(m2•℃)；
Tw2——四壁向四周散热时的表面温度，℃；
To ——周围介质温度，℃；
t ——过程持续时间，s 。

由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量的计算
Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3
选定加热剂(或冷却剂)，即可从有关手册查出该物质cp ，再确定其进出口温差ΔT ，则加热剂(或冷却剂)的用量为：
w=Q2／cp •ΔT
Q2=κA1•ΔT m
κ——传热系数，kJ／(m2•h．℃)；
Al——传热面积，m2；
ΔT m ——对数平均温差，℃。

ΔT m=(ΔT1—ΔT2)/ln(ΔTl／ΔT2)
从上式即可计算所需的传热面积。

对不需加热或冷却的设备可不必进行热量计算，此时水、汽等消耗量的确定可从同类型的生产车间取得。

热量衡算结束应列成动力消耗定额及消耗量表。

物料和热量恒算举例
物料恒算和热量恒算主要用于设计中的设备选型。

每个工艺段都应该进行核算。

列：某厂年生产速效感冒胶囊3亿粒/年，年工作时间为250天，一天一班，实行8小时工作制。

处方：
对乙酰基粉 0.3g 维生素C 0.1g
胆汁粉 0.1g 咖啡因 0.003g
扑尔敏 0.003g 10%淀粉浆适量
色用色素适量
速效感冒胶囊工艺流程：粉碎、过筛、填充、包装。

现只针对粉碎工段进行物料恒算，其他相同。

注：处方中对乙酰基粉、维生素C、胆汁粉、咖啡因、扑尔敏都要经过粉碎。

并且考虑20%的富余量。

300000000*0.3*10-3
对乙酰基粉每天用量：-------------------- *1.2 =432kg
250
300000000*0.1*10-3
维生素C每天用量： ------------------- *1.2=144kg
250
300000000*0.1*10-3
胆汁粉每天用量： ------------------ *1.2 =144kg
250
300000000*0.003*10-3
咖啡因每天用量： -------------------- *1.2 =4.32kg
250
300000000*0.003*10-3
扑尔敏每天用量： -------------------- *1.2 =4.32kg
250
根据以上计算，可以选择粉碎设备有：
40B型万能粉碎机：160-800kg/h
40B型粉碎机组：160-800kg/h。