制药工艺设计习题库第三章 物料衡算

[例3-1] 某药厂要求设计一套从气体中挥发丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。

系统的流程框图见图3-9，要求由已知的数据，列出各物流的流率（Kg/h ），以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。

解：本系统包括吸收塔、蒸馏塔和冷凝器三个单元操作。

由于除空气进料的其余组成均是质量百分数表示的，所以将空气-丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分数。

基准：100kmol 气体进料。

进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中已知一个物流量，因此有四个物流是未知的。

可列出总物料平衡方程式：
1200+F 2=F 3+F 4+F 5
各组分平衡式：
丙酮 0.0295F 2=0.99F 4+0.05F 5 水
1200=0.01F 4+0.95F 5
空气 0.9705F 2=F 3
以上4个方程式，实际上独立方程式数为3个，因此本方案求解尚缺少数据，其补充的数据可以是：
（1）每小时进入系统的气体混合物，离开系统的产品或废液的物流量； （2）进入蒸馏塔的组分
此例子体现了物料平衡式中未知变量数与独立方程式数目不相等时，需补充数据才能进行衡算或与能量衡算联立解算才能求解。

[例3-2] 年产量700吨非那西丁烃化工段的物料衡算。

设计基本条件：工作日：300天/年；收率：总收率为83.93%，其中烃化工段收率为93%，还原工段为95%，酰化工段精制收率为95%。

设产品的纯度为99。

5%。

已知生产原始投料量 投料物 对硝基氯苯 乙醇 碱液 投料量 含量
2000 95%
514.46 95%
4653 46%
解：日产纯品量=
300
1000
700⨯×99.5%=2321.67㎏
每天所需纯对消投料量=%
95%95%9322.17956
.15767.2321⨯⨯⨯⨯=2431.81
（其中：179.22为非那西丁的摩尔质量，157.56为对硝基氯苯的摩尔质量） NO 2
+
NaOH
+C 2H 5OH
NO 2
2H 5
+
H 2O
+
NaCl
cat.
157.56 40.00 46.07 167.17 18.02 ⑴ 进料量：
95% 对硝基氯苯的量为：2431.81/95%=2559.80㎏ 其中杂质为：2559.80-2431.81=127.99㎏ 95%的乙醇的量为：2559.80/2000×514.56=658.59㎏ 其中纯品量为：658.59×95%=625.66㎏
杂质的量为：658.59-625.66=32.93㎏
46%的碱液的量为：2559.80×4653/2000=5955.37㎏纯品量为：5955.37×46%=2739.47㎏
水的量为：5955.37-2739.47=3215.90㎏
39.5%的催化剂的量为：2559.80×344.68/2000=441.16㎏纯催化剂的量为：441.16×39.5%=174.26㎏
纯乙醇的量为：441.16×56.95%=251.3㎏
杂质的量为：441.16-174.26-251.24=15.6㎏
（2）出料量
设转化率为99.3%
反应用的NO2
的量为：2431.81×99.3%=2414.79㎏
剩余的量为：2431.81-2414.79=17.02㎏
用去的NaOH的量为：
56
.
157
% 3.
99
81
.
2431⨯
×40.00=613.08㎏剩余的NaOH的量为：2739.47-613.08=2126.39㎏
用去的乙醇的量为：
56
.
157
% 3.
99
81
.
2431⨯
×46.07=706.08㎏进料中的乙醇的量为：625.66+251.3=876.96㎏
剩余的乙醇的量为：876.96-706.08=170.88㎏
生成的水的量为：
56
.
157
% 3.
99
81
.
2431⨯
×18.02=276.18㎏总的水量：276.18+3215.90=3492.08㎏
生成的NaCl的量：
56
.
157
% 3.
99
81
.
2431⨯
×55.84=895.66㎏
生成的O2NC6H4OC2H5的量为：
56
.
157
% 3.
99
81
.
2431⨯
×167.17=2562.07㎏杂质总量为：15.6+32.93+127.99=176.52㎏
衡算数据汇总表3-5。

表3-5 进出物料品平衡表
[例3-3]今拟用60％发烟硫酸来磺化硝基苯以生产间硝基苯磺酸。

已知该厂的生产任务为每天投料1t硝基苯，试作物料衡算。

已知收率为90%，而硝基苯100%转化。

假定过程中除了主要反应外，还有5-硝基-1，3苯二磺酸生成，反应损失不计。

硝基苯的纯度98%。

查得硝基苯磺化时的∏值为82，物料密度ρ=1173Kg/m3，60%发烟硫酸ρ=2020 Kg/m3。

解：每天投入硝基苯的量=1000/123=8.13kmol
其中7.317kmol按反应(1)进行，0.813kmol按反应(2)进行。

所以，消耗SO3量=x1+y1=7.317×80+0.813×2×80=715.56Kg
生成一磺化物的量=x2=7.317×203=1485.4Kg
生成二磺化物的量=y2=0.813×283=230.1Kg
随硝基苯带入杂质的量=1000×2/98=20.4Kg，因此，共投入粗硝基苯的量=1000+20.4=1020.4Kg，则粗硝基苯的体积V=1020.4/1173=0.870m3。

依据下式：
式中M S——磺化剂用量，Kg
M c——被磺化物的用量，Kg，
S——以SO3量表示的磺化剂浓度，％
∏——以SO3含量表示的废酸浓度，％，
M——被磺化物的分子量；
n——引入磺酸基的个数。

磺化剂的用量：
其中60%发烟硫酸的S=60+40×80/98=92.7
M C`——一磺化物的量，Kg
M C``——二磺化物的量，Kg
投入SO3量=1203.5× 0.927＝1115.6Kg
投入H20量＝1203.5×(1-0.927)＝87.9Kg
磺化剂的体积V=＝1230.5/2020=0.596m3：
在废酸中剩下的SO3量＝1115.6-715.5=400.1Kg
废酸量=1203.5-715.5=488Kg
废酸浓度＝400.1/488×100＝82(即∏值)
[例3-4] 浓度20%的羟丙哌嗪酒石酸盐，以每小时10000Kg的流速进入一高效蒸发器，浓缩至50%后，放入结晶罐，上层的饱和溶液（37.8℃时，溶解度0.6Kg羟丙哌嗪酒石酸盐/Kg 水）进行循环（如图3-18），求循环物料流速。

图3-18 羟丙哌嗪酒石酸盐浓缩-结晶流程
解：
按题意有4个未知数，即W、M、C和R，而对每一个单元设备均可列出两个组分物料衡算式，因此可得唯一解。

(1)R的质量分率
以lkg水为基准时，饱和循环物流含1.6kg溶液，故组成为
0.6／1.6＝0.375kg羟丙哌嗪酒石酸盐／(kg溶液)-1
R的质量分数为0.375kg羟丙哌嗪酒石酸盐和0.625H20
(2)以羟丙哌嗪酒石酸盐为联系组分，计算结晶的羟丙哌嗪酒石酸盐的量
基准：1h，l0000kg料液；加入的羟丙哌嗪酒石酸盐量=输出的羟丙哌嗪酒石酸盐量即10000×0.20/0.96＝2083kg/h。

(3)计算循环物流R
循环物流R可以来用：1)对蒸发器进行衡算；（2）对结晶罐衡算；但第二种方法比较容易。

总物料衡算
M＝C+R
M＝2083+R
组分(羟丙哌嗪酒石酸盐)物料衡算
Mx M=Cx C+Rx R
0.5M＝0.96C+0.375R＝2000+0.375R
解上面两个方程式，得
M=9751kg/h R=7668kg/h。