第三章物料衡算习题1
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=3001000700⨯×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 5OHNO 22H 5+H 2O+NaClcat.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% 3.9981.2431⨯×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% 3.9981.2431⨯×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% 3.9981.2431⨯×18.02=276.18㎏总的水量：276.18+3215.90=3492.08㎏生成的NaCl的量：56.157% 3.9981.2431⨯×55.84=895.66㎏生成的O2NC6H4OC2H5的量为：56.157% 3.9981.2431⨯×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。
化工过程设计 第三章 物料衡算与热量衡算(1)
各流股组份数一览表
HAC 24%
11 循环流 进料 HAC 30％ H2O 69.8% H2SO4 0.2% 萃 取 塔 4
流股号 1 2 3
组份数 3 3 3 4 2 2 2 2
1
2
12
3
混合器1
4
5 6 7 8 9 10 11 12
E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
溶 剂 回 收 塔
7（2） E 99% H2O 1％
附加关系式数
自由度
9（4）
（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析
11（2） 循环流
HAC 24%
进料 HAC 30％ 1（3） H2O 69.8% H2SO4 0.2% 混合器1 2（3）
萃 取 塔
3（3） 12（2） 溶 剂 回 收 塔 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
独立MB方程数
已知流股变量数 已知其它关系式数 自由度 2、具体MB计算（略）
在开始下一节讲授之前，大家先考虑一个精馏塔的MB问题。 例题：有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案，试做其MB计算:
100 C3 i-C4 i-C5 C5 kmol/h 0.20 0.30 0.20 0.30
2 1 精 馏 塔 3
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。
一、化工流程（过程）中MB、HB、EB三者之间的关系 1、MB与HB之间的关系 MB有可能能单独（不依赖HB而独立）求解； HB一般不能单独求解； （间壁式换热器除外） 当MB不能独立求解时，它就必须与HB联合起来，求解CB。 2、EB与HB之间的关系 流程压力水平不高，而且压力变化也不大，系统能量只考虑其热 焓，而忽略其动能、势能等机械能，在这种情况下：
制药工艺设计习题库第三章 物料衡算
计算题：
1. 在离心过程中将含有25％(质量比)的诺氟沙星料浆进行过滤，料浆的进料流量为2000Kg/h。
滤饼含有90％的固体，而滤液含有1％的固体，试计算滤液和滤饼的流量？（答案：1460.7Kg/h；539.3Kg/h）
2.一精馏塔的进料流量为loooKg/h，组成(质量％)为：苯60％，甲苯25％，二甲苯15％。
精馏塔顶馏出物的组成(质量％)为：苯94％，甲苯
3.5％，二甲苯2.5％。
塔底产物中的二甲苯占进料二甲苯的95％。
求馏出物、塔底产物的流量和塔底产物的组成。
（答案见下表）
3.某药厂用清水吸收含有5%（体积）SO2的混合气，需处理的混合气量为1000m3/h，吸收率为90%，吸收水温20℃，操作压力1atm，试计算用水量。
已知SO2溶解度数据如下（20℃）：SO2 [kgSO2／100kg H2O] 1 0.7 0.5 0.3 0.2 0.15。
最新第三章物料衡算和能量衡算(热量)
例题： • 两种组成不同的煤气在预热器中混合。并从25℃加热到127℃，
以供燃烧炉使用。两种煤气的流量分别为0.4kmol/s和0.1kmol/s。 预热器的热损失为150kJ/s。试计算预热器应提供的热量。 计算中煤气的焓取下列数值： 25℃时，第一种煤气为765kJ／kmol；第二种煤气为846kJ／kmol。 127℃时，混合煤气的焓值为3640kJ／kmol。
p
' c
和假临界温度
T
' c
，求得
混合气体的对比压力和对比温度，
解： 以1s为计算基准。根据公式：
( ) ∑ ∑ ( ) ∑ Q =n iH io- utn jH jin
Q Q 提 ＋ Q 供 损 Q 提 1 供 k 5J0
H o＝ u ( 0 t .4 0 .1 ) 3k 6 J 1 4k 8 0J 20
H in ( 0 . 4 7 0 6 . 1 8 5 ) k 4 3 J 6 . 6 k 9J 0
• 例题： 已知常压下气体甲烷0～t℃的平均定压摩尔热容数据如下：
• 试求常压下甲烷在200℃到800℃温度范围的平均定压摩尔热容， 并计算15kmol甲烷在常压下从800℃降温到200℃所放出的热量。
解：假设如下热力学途径：
• 从 C p,m t 表中查得，
Cp,m3.9 6k6J/k ( mK o)l Cp,m5.5k6J/k ( mK o)l
• 1、热容 • 2、焓 • 3、汽化热 • 4、反应热
1. 热容
(1)热容与温度的关系 • 热容是给定条件下，系统每升高1K所吸收的热。随温度
而变。根据过程不同，用分为等压热容和等容热容。 • 描述定压热容Cp与温度之间的关系一般有三种方法：
化工计算第三章物料衡算1
冷却
中和
产物
确定进出体系的物料种类
第三章 物料衡算
3.1.2 物料衡算的基本方法
进行物料、能量 衡算时，必须选 择一个计算基准
2、确定计算基准 可以将产量、原料量等作为计算基准，也可以设定 某种组分的量作为计算基准。
计算基准的确定很重要
第三章 物料衡算
3、物料衡算的步骤 (1) 搜集计算数据。
分 则别反表应示物反A的应转物化xAA率输为入N及输A1N出A体1N系A2的´摩1尔0数0%，
第三章 物料衡算
不同一的个转化化学率反。应因，此S由，不应同用N反时D应必´物须da可指计明´ 1算某0得个0%到反 应物的转化率。若没有指N明A时1 ， N则A往2往是指限
制反应物的转化率。 5、选择性（式以中S表N示A1）－：NA反2应为物反反应应物成A反目应的掉 产物所消耗的的量摩占尔反数应。物转反化应率掉与的选量择的性百是分 数。若反应物反为应A过，程生的成两的个目主的要产技物术为指D标，。Nn 表示生成的目的产物D的摩尔数，。、d分别 为反应物d与目的产物D的化学计量系数，则 选择性为
理选择基准的重要性。
下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要
性。
方法一 基准：1mol
1molC3H8完全燃烧需要C的3H理8 论空气量计算： 由反应式，完全燃烧理论上需氧量（即实际耗氧量）：5mol
由空气过量125%即氧气过量125%，有：
实际供氧量
折算成实际供空气量（空气中含氧21%）
2、物料衡算式
输入的 物料量
＝ 物输料出量的
＋
积累的 物料量
基本方程
第三章 物料衡算
3.1 .1 物料衡算式
第三章物料衡算(新)
C2H4 + 3 O2
以100kmol进料为基准，用x和y分别代表环氧乙 烷和二氧化碳的生成量，根据题给组成和该系统 的化学反应方程式，可列出下表3-5。
18
表3-5 物料组成
由于反应器出口气体中乙烯和氧的浓度已知， 所以可列出下面两个方程：
解：设 2A+B→2D+E A+D→2C+E C+2B→2F
速率为r1 速率为r2 速率为r3
22
各物质在反应中的变化如表3-4所示 A 进料
/(mol.h-1)
B 100 － r1
C 0
D 0 2r1
E 0 r1
F 0`
200 r2
－2r3
200-2r1-r2 100-r1-2r3
14
有循环物料的反应系统，有两种不同含义的转化 率。一种是新鲜原料通过反应器一次所达到的转 化率，叫单程转化率。这可以理解为以反应器进 口物料为基准的转化率。另一种是新鲜原料进入 反应系统起到离开反应系统止所达到的转化率， 称为全程转化率。显然，全程转化率大于单程转 化率。 （4）收率：转化率是针对反应物而言的，收率则 是针对产物而言的。收率的定义式为：
2.物料衡算基准 选定一个计算基准，并在整个运算中保持一致。 （1）t基准：1d，1h，1s等。 （2）批量基准：每批物料量，Kg/批 。 （3）质量基准：例如取100Kg，一般取某一己知 变量最多或未知变量最少的物流作为基准最为合 适。 （4）体积基准：对气体物料，采用标准体积为基 准，m3,L等。 （5）物质的量基准：有化学反应的取物质的量基 准，mol。
《化工设计》 第三章物料衡算和热量衡算
对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程， 只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。
• 稳态过程（连续），体系内无物料积累。
F
x f1
P
xp1
W
xw1
F
x f2
P xp2
W
xw2
7.将物料衡算结果列成输入－输出物料表（物料平 衡表），画出物料平衡图。
物料衡算表
组分
输入
质量，kg/d
组分
输出
质量，kg/d
杂质 合计
杂质 合计
8.校核计算结果（结论）。
五、无化学反应的物料衡算
• 在系统中，物料没有发生化学反应的过程， 称为无反应过程。
（三）、物料衡算基准 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算
中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。
①时间基准 （单位时间可取1d、1h或1s等等）。 ②批量基准； ③质量基准 例如: 可取某一基准物流的质量为100Kg
为基准计算。 ④物质的量基准； ⑤标准体积基准；
（四）、物料衡算的基本程序
100.00
解：
水F1 1200kg/h
吸 收 塔
混合气体F2，1.5 （mol）%丙酮
空气F3
蒸 馏 塔
冷凝器
废料F5:丙酮5%，
95% 水
产品F4 丙酮99%，水1%
本系统包括三个单元．即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。由于 除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，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气体进进料。
化工设计知识题及解答第三章
第三章物料衡算与热量衡算习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38％(wt)和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。
进料流量为20000kg ／h ，求馏出液和釜残液的流量和组成。
解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。
以下标B 代表苯。
进料中苯的摩尔分数 38780.419638627892FB x ==+釜残液中苯的摩尔分数 2780.023*********WB x ==+进料平均相对分子质量 0.419678(10.4196)9286.13M =⨯+-⨯= 进塔原料的摩尔流量 2000232.2/86.13F kmol h == 依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以97.430.9794.51/DB Dx kmol h =⨯=作全塔苯的质量衡算得 FB DB WB Fx Dx Wx =+作全塔总质量衡算得 F W D =+ 将已知数据代人上述质量衡算方程得 232.20.419694.510.02351⨯=+ 232.2W D =+解得 124.2/,108/W kmol h D kmol h == 所以，94.5194.510.8752DB x ===习题2 采用蒸发方法将浓度为10%NaOH （质量浓度）及10%NaCl 的水溶液进行浓缩。
蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl 结晶成晶粒而留在母液中。
操作停止后，分析母液的成分为：50%NaOH ，2%NaCl 及48%H 2O 。
若每批处理1000kg 原料液，试求每批操作中：1）获得的母液量，2）蒸发出的水分量，3）结晶出的NaCl 量。
解：所选择的基准为：每批处理量，1000kg 原料液总物料衡算F1 = F2 + F3 + F4组分物料衡算NaOH 平衡 1000×0.1=0.5F4 NaCl 平衡 1000×0.1=0.02F4+F3H 2O 平衡 1000（1-0.1-0.1）=F2+0.48F4 解得： F2=704kg ，F3=96kg ，F4=200kg 习题3 丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为： 38222534C H O CO H O +→+试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。
第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)
转化率、选择性和收率
（1）转化率
某一反应物的转化总量 X 该反应物的起始量 （2-13）
关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使 其尽可能转化，常使其他反应组分过量。
不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。
可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。
排放
新鲜原料
反应系统
分离系统产品循ຫໍສະໝຸດ 物流物料、能量衡算的目的和内容
• 在于定量研究生产过程，为过程设计和操 作最佳化提供依据。
• 对过程中的各个设备和工序，逐个计算各 物料的流量、组成及热流量和温度，定量 地表示所研究的对象。
物料、能量衡算的意义
• ①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产 率等 。
• ②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度， 可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和 能量衡算是设备计算的依据。
应特别注意，过量百分比是基于限制反应物 100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完 全。
在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空 气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量， 多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气 过量为5-20%。
①燃气或烟道气
经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸 气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。
二、物料衡算基准
物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料
量或产品量为计算基准。
(2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产
物料衡算练习
物料衡算练习：例5 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，其工艺流程如图所示，试对该过程进行物料衡算。
已知每批投料量为：甲苯1000kg ，纯度99.9%(wt%，下同)；浓硫酸1100kg ，纯度98%；甲苯的转化率为98%，生成对甲苯磺酸的选择性为82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%，生成间甲苯磺酸的选择性为8.8%；物料中的水约90%经连续脱水器排出。
此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。
解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。
原料甲苯：1000kg 纯度99.9% → 甲 苯 →磺化液浓硫酸：1100kg 纯度98% → 磺化釜→排水器脱水图中共有4股物料，物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成，并据此编制物料平衡表。
对于间歇操作过程，常以单位时间间隔(一个操作周期)内的投料量为基准进行物料衡算。
进料：原料甲苯中的甲苯量为：1000⨯0.999=999kg 原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg 浓硫酸中的硫酸量为：1100⨯0.98=1078kg 浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg进料总量为：1000+1100=2100kg ，其中含甲苯999kg ，硫酸1078kg ，水23kg 。
出料：反应消耗的甲苯量为：999⨯98%=979kg未反应的甲苯量为：999-979=20kg 主反应：副反应I副反应II110~140 C+ H 2O+ H 2SO 4CH 3SO 3H CH 3CH 3CH 3SO 3H+ H 2SO 4+ H 2O110~140 0CCH 3CH 33H + H 2SO 4+ H 2O110~140 C⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧水硫酸甲苯间甲苯磺酸邻甲苯磺酸对甲苯磺酸分子量 92 98 172 18反应生成的对甲苯磺酸量为：反应生成的邻甲苯磺酸量为： 反应生成的间甲苯磺酸量为：反应生成的水量为：经脱水器排出的水量为：(23+191.5)⨯90%=193.1kg 磺化液中剩余的水量为：(23+191.5)-193.1=21.4kg反应消耗的硫酸量为： kg未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg磺化液总量为：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg工艺优化例题：例1：为了提高某药物中间体的转化率，选择了三个有关因素进行试验，即反应温度（A)、反应时间（B ）、用碱量（C ），并确定了它们的试验范围（A,80～90℃; B ：90～150 分钟；C,5%～7%）。
化工计算第三章物料衡算1
化工计算第三章物料衡算11. 引言在化工领域，物料的衡算是非常重要的一个环节。
物料衡算是指根据化工过程中所使用的原料和产物，计算原料的用量、产物的得率以及各种物料之间的比例关系等。
在化工生产过程中，准确的物料衡算能够提高生产效率、节约原料成本，并且确保产品质量的稳定性。
本文将介绍化工计算中的物料衡算的基本概念和计算方法，并通过实例来说明物料衡算的具体操作步骤。
2. 物料衡算的基本概念在进行物料衡算之前，我们首先需要了解一些基本概念：2.1 原料在化工生产过程中，原料是指用于制造产品的起始物质。
原料可以是固体、液体或气体，具体取决于化工过程的需求。
2.2 产物产物是指化工过程中生成的最终产品或副产品。
产物的种类和质量取决于原料的配比和反应条件。
2.3 用量用量是指在化工过程中，各种原料的加入量或消耗量。
用量可以通过实验或计算得到。
2.4 得率得率是指产物与理论产物之间的比值，用于衡量化工过程的效率。
得率可以通过实验或计算得到。
3. 物料衡算的计算方法在进行物料衡算时，我们可以运用各种数学和化学的计算方法，例如质量守恒定律、化学方程式的平衡等。
3.1 质量守恒定律质量守恒定律是物料衡算中最基本的原则之一。
根据质量守恒定律，化学反应前后的总质量保持不变。
在物料衡算中，可以通过质量守恒定律来计算原料的用量和产物的得率。
3.2 化学方程式的平衡在进行物料衡算时，往往需要考虑化学方程式的平衡问题。
化学方程式的平衡可以通过调整配比来实现。
根据化学方程式的平衡，可以计算各种原料的用量和产物的得率。
3.3 实验方法在进行物料衡算时，实验方法是一种常用的手段。
通过实验，可以确定原料的用量和产物的得率，并且验证计算结果的准确性。
4. 实例分析下面通过一个实例来说明物料衡算的具体操作步骤。
假设某化工过程需要用到A、B两种原料，化学方程式如下：2A + 3B → C已知反应中A的用量为100 g，B的用量为200 g。
我们需要计算产物C的得率。
第三章物料衡算
例题 例题4.
C
整个系统的物 料衡算
结晶罐的 物料衡算
解：1. R的质量分数
以1kg水为基准时，饱和循环物流含1.6kg溶液，故R的质量 分数为 0.6/1.6＝0.375 kg A/kg溶液
2. 对A进行总物料衡算，以一小时10000kg料液为基准，列物 料衡算式：
一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循 环系统衡算，列出方程式求解。
3.1串联
单元设备串联有三种情况：分离设备与分离设 备串联，反应器与反应器串联，分离器和反应 器串联；
单元设备串联体系对物料衡算一般采用逐步解 法，对每个单元设备进行物料衡算。也可将串 联单元作为一个体系来衡算。
3.2 并联和旁路
1. 吸收过程的物料衡算:
V (Y 1 Y 2 ) L (X 1 X 2 )
2. 最小液气比:
3L. min V
Y1 Y2 X* X2
4. x*:与气相平衡的液相浓度;
吸收剂量: L=(1.2~2.0)Lmin
2. 蒸馏过程的物料衡算 总物料衡算:
FDW
易挥发组分的物料衡算:
FF xDDxWwx
3. 干燥过程的物料衡算 进入干燥器的湿物料质 量G1,离开干燥器的湿物 料质量G2,干燥前后物料 的湿基含水量分别为w1 和w2。绝干物料的量G 是不变的，即
附、结晶、过滤、干燥、粉碎、蒸馏、萃取 化学过程的物料衡算：用组合平衡和化学元素平衡。
按照操作方式的不同分为两类： 连续操作的物料衡算和间歇操作的物料衡算。
物料衡算的基本理论： 以质量守恒定律和化学计量关系为基础。 衡算方程式：在一个特定的体系中，进入物系的全部物料质
量加上所有生成量之和减去离开该系统的全部产物和消耗 掉的量等于累积的量。
第3章 物料衡算和能量衡算
化学工程系化工与制药教研室
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h
化学工程系化工与制药教研室
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即为
9.245kmol/h
原料中甲苯量1000 kg/h×2%=20kg/h，即为0.217kmol/h
水蒸气量980 kg/h×1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
表3-1 各物料的摩尔质量
物料
摩尔质量/(g/mol)
C6H5C2H5
106
C6H5C2H3
104
C6H6
78
C6H5CH3
92
H2O
18
CH4
16
C2H4
28
C
12
H2
2
基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准
【例7】 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2
由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h×90%=3.698 kmol/h， 即为384.60kg/h 由各物质的选择性，有 输出的甲苯量4.109 kmol/h×5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即为38.92kg/h 生成的苯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为9.60kg/h 生成的乙烯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为3.44kg/h 生成的碳量4.109 kmol/h×2%×7 =0.575 kmol/h，即为6.9kg/h 生成的甲烷量4.109 kmol/h×（5%+2%） =0.288 kmol/h，即为4.61kg/h 输出的氢量4.109 kmol/h×（90%-5%+2%×3） =3.739 kmol/h，即为7.48kg/h 输出水量=输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h 实际每小时要求苯乙烯的产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h 比例系数1250/384.60=3.25
制药工艺设计(4.1.3)--物料衡算习题答案
100mol 苯与 40mol 氯反应，反应产物中含 38mol 一氯苯、1mol 二氯苯以及 61mol 未反应的 苯。反应产物经分离后可回收 60mol 的苯，损失 1mol 苯，则苯的总转化率为【D】。 A、39.0% B、60% C、61% D、97.5%
第三章 物料衡算
一、填空题 1 进行物料衡算所选择的计算基准有时间基准、质量基准、体积基准和干湿基准。 2 按照物质的变化过程，可将物料衡算分为物理过程物料衡算和化学过程物料衡算；按照 操作方式不同，又可以分为连续操作和间歇操作的物料衡算。 3 复杂化工过程包括多个单元设备，循环体系有循环比、混合比、总转化率、单程转化率、总 收率和单程收率六个有关参数。循环体系的总转化率和总收率大于单程转化率，基于这一点， 才采用循环物流。 二、判断题 【×】1 对某一组分来说，反应组分消耗量与反应物料剩余量之比称为该组分的转化率。 因为：对某一组分来说，反应组分消耗量与反应物料原始量之比称为该组分的转化率。 【×】2 收率是指主要产物实际所得量与反应原料消耗的理论量之比。总收率为各个工序收率 的乘积。 因为：收率是指主要产物实际所得量与按投入原料计算的该产物理论产量之比。总收率为各 个工序收率的乘积。 【√】3 选择性是指主、副产物中，主产物生成量折算成原料消耗量所占反应消耗原料量的百 分数，一般用表示。 【×】4 在精馏过程中，将塔顶馏出液流量 D 与回流至塔的冷凝液流量 L 之比称为回流比，一 般用 R 表示 因为：在精馏过程中，将回流至塔的冷凝液流量 L 与塔顶馏出液流量 D 之比称为回流比， 一般用 R 表示。
第3章 物料衡算和能量衡算
上例中，m=2, n=4 ∴ 独立反应数： N反应= 4-2=2
1. 2.
对有化学反应的过程，应写独立的反应方程 式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过程 ：
C O2 CO2 1 C O2 CO 2 1 CO O2 CO2 2 CO2 C 2CO
①
②
③ ④
这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？
10
反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应 时，独立反应数为： N反应=n-m
设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进 行，而设计任务却是指定年产量，此时应注意计算基 准。 12
例3-1 设计一个年产量为10000t（吨）的间歇本 体法聚丙烯设备装置，由二个反应釜并联操作， 反应釜的操作时间表如下 置换 进料 聚合反应 0.5h 0.5h 5.0h
z kg H N O 3 0.90 H 2 O 0.10 y kg H 2 S O 4 0.93 0.07 H2O
废酸
x kg
混合过程
混合酸
H NO 3 0.27 H 2 S O 4 0.60 H2O 0.13
H N O 3 0.23 H 2 S O 4 0.57 H 2 O 0.20
23
2)、选择基准
a）稳定操作过程（即稳流过程）： （3-2） （3-3） b）系统内无化学反应：
( ) ( Fi FiFo )FoW W
石油化工技术《物料衡算习题》
物料衡算习题
一、选择题
1．物料和能量衡算一般在哪项工作完成之后进行〔〕。
A 工艺路线与生产方法确实定
B 设备选型
C 车间平面立面布置
D 管道布置
2．化工计算包括工艺设计中的〔〕
A 物料衡算、能量衡算、设备计算
B 物料衡算、能量衡算、设备选型和计算
C 设备选型和计算、管路计算
D 物料衡算、能量衡算、管路计算
3．物料衡算基准有〔〕
A 时间
B 批
次
C 质量
D 体积
4．在化工计算中有一表达式为：生成目的产物的原料量/原料投料量 100%，请问以下哪一选择项正确：〔〕。
A 该式表示反响的转化率；
B 该式表示反响的选择性
C 该式表示反响的单程收率
D 都不是
5．转化率、选择性与收率是衡量一个化工过程的重要指标。
以下关于转化率、选择性与收率说法错误的选项是：
A 转化率是针对反响物而言的
B 选择性是针对目的产物而言的
C 转化率越高，选择性也越高
D 收率
等于转化率与选择性之积
二、填空题
1．化工计算包括工艺设计中的、以及设备选型和计算三个内容。
2．物料衡算的依据是。
3．物料衡算应用于两种情况：一种是对；另一种是对。
一、选择题参考答案
1A 2B 4C 5C
二、填空题参考答案
1物料衡算能量衡算
2守恒定律
3已有装置进行标定新装置进行设计。
化工设计习题及答案(陈声宗)讲解
第一章化工厂设计的内容与程序（陈声宗习题与思考题2010.9）1、化工设计的种类有哪些？答：根据项目性质化工设计可分为：新建项目设计、重复建设项目设计、已有装置的改造设计。
根据化工过程开发程序化工设计可分为：概念设计、中试设计、基础设计和工程设计；其中工程设计又包括：初步设计、扩大初步设计和施工图设计。
2、请画出化工厂设计的工作程序示意图。
3、化工厂通常由哪些部门和设施所构成？答：化工厂通常由化工生产车间、辅助生产装置、公用工程及罐区、服务性工程、生活福利设施、三废处理设施和厂外工程等构成。
4、化工车间工艺设计的程序及主要内容有哪些？答：一、设计准备工作（1）熟悉设计任务书（2）制定设计工作计划（3）查阅文献资料（4）收集第一手资料。
二、方案设计方案设计的任务是确定生产方法和生产流程，是整个工艺设计的基础。
三、化工计算化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备选型与计算三个内容，其任务是在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。
四、车间布置设计主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。
五、配管工程设计任务是确定生产流程中全部管线、阀门及各种管架的位置、规格尺寸和材料，综合权衡建设投资和操作费用。
六、提供设计条件工艺专业设计人员向非工艺专业设计人员提供设计条件。
七、编制概算书及编制设计文件概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。
第二章 工艺流程设计1、化工工艺设计包括哪些内容？答：生产方法选择，工艺流程设计，工艺计算，设备的设计与选型，设备布置，管道设计对非工艺设计提条件，设计说明书，概预算书。
2、在选择生产方法和工艺流程时，应该着重考虑的原则有哪些？其步骤有哪些？ 答：先进性、可靠性、合理性；资料搜集与项目调研、生产设备类型与制造厂商调研、对调研结果进行全面分析对比。
3、工艺流程设计的步骤有哪些？ 答：确定整个流程的组成，确定每个过程或工序的组成，确定工艺操作条件，确定控制方案，原料与能量的合理利用，制定“三废”处理方案，制定安全生产措施。
物料衡算实例
物料衡算婴幼儿配方粉1．配方： ①全脂乳粉55% ②乳清粉30% ③大豆分离蛋白10%④植物油4% ⑤多种维生素0.5% ⑥多种微量元素0.5%2．原料乳标准化(以1000kg 为例)原料乳脂肪含量4%，稀奶油脂肪含量40%，标准化乳脂肪含量3%，脱脂乳脂肪含量0.05%。
（1）脱脂设脱脂乳质量为χ kg ，则稀奶油质量为（1000-χ）kg ，有：1000×4%=0.05%χ+40%×(1000-χ)得：χ=901kg（2）标准化乳配制设配制标准化乳需要稀奶油的质量为χ1901×0.05%+40%χ1=(901+χ1) ×3%得：χ1=71.83≈72kg3．配料以1吨(1000kg)粉为例：①1000kg 婴幼儿粉中：全脂乳粉550kg乳清粉300kg 大豆分离蛋白100kg植物油40kg 多种维生素5kg 多种微量元素5kg②550kg 全脂粉需要原料乳的质量设为χ2kg(标准化乳总干物质为11%)则： 11%χ2=550×97%得： χ2=4850kg③把上述固体物料(把植物油看做固体物料)也溶解稀释到11%的浓度，需要用水量为χ3 kg ，则： (450+χ3) ×11%=450×97%得： χ3=3518kg④一批物料为：辅料：450kg标准化乳：4850kg工艺水：3518kg总计：8818kg4．每个工段的物料变化情况(不计损失)①配料工段：8818kg②浓缩工段(11%～45%)：浓奶量=kg 2156%45%118818=⨯ 蒸发掉水分=8818-2156=6662kg③干燥工段(45%～97%)粉量=kg 1000%97%452156=⨯蒸发掉水分=2156-1000=1156kg。
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kg
水的生成量为 ：
200 × 1404.8 kg = 989.3 284
18 × 1404.8 = 89.1 kg 284
由于生产过程中要求己醇少过量40%， 即实际生产过程中己醇用量为 1513.6*40%+1513.6=2119 kg ∴生产过程中的投料比为：顺酐比己醇
O C C O OC6H13 OC6H13
+
OC6H13
NaHSO3
280 x
104 y
388 1919.2
∴马来酸双酯的消耗量为
284 × 1919.2 = 1404.8 388
kg
亚硫酸氢钠的消耗量为
104 × 1919.2 = 530.5 388
而NaHSO3用质量分数为30%的溶液， 故NaHSO3为530.5
969 2119 = = 1 : 2 .1 98 102
表2-2 反应釜各物料数据表 反应釜物料衡算表 选料 969.5 2119 0 0 1768.3 0 9.695
物料 顺酐 正乙醇 马来酸双酯 马来酸单酯 NaHSO3 水 催化剂
出料 0 0 1404.8 989.3 0 89.1 9.695
5500T/年
• • • •
4、根据计算结果画出物料衡算流程图
5631.6 吨 5851T/年
造粒工段
(5558.4+292.6)
挤出成型工段
制品
351T/年(损失+下脚料)
• •
最后根据上表（每吨产品的消耗定额kg）填表 配方 原材料消耗综合表 每吨产品
序号 名称 规格 单位 消耗定额 每时 每天
2020.2 × 95% = 1919.2
kg
以此作为物料衡算基准
反应釜的物料衡算图见图2—1
马来酸双酯 NaHSO3 反应釜 磺基琥珀酸双已酯钠
设主反应过程中消耗的马来酸双酯为x吨， 亚硫酸氢钠y吨，则根据反应方程式 磺基反应：
O CH CH C C O OC6H13 CH cat NaSO3 CH
•
• • •
下脚料 成品 321.8 5500
• • • •
• • • • • • • • • • • •
3、造粒工段的物料衡算 、 每年需要粉好的粉料量为： （5851－292.6）÷（1 － 1.3%）＝5631.6吨 粉料中各组分需求量
原料 名称 PVC CPE 三盐 PbSt HSt ACR DOP 石蜡 CaCO3 炭黑 配方 百分率 份数 % 100 77 8 6.2 2 1.5 0.8 0.62 0.6 0.46 3 2.31 5 3.81 0.5 0.38 10 7.7 0.03 0.02 每吨产品消 耗定额kg 770 62 15 6.2 4.6 23.1 38.1 3.8 77 0.2 5631.6吨混合粉料 年需要量T 每天需要量T 每小时需要量kg 4336.3 14.6 609.2 349.2 1.18 49.1 84.5 0.285 11.8 34.92 0.12 4.8 25.9 0.09 3.6 130.1 0.44 18.3 214.6 0.72 30.1 21.4 0.07 3.01 433.6 1.46 60.91 1.126 0.00375 0.16
表2-1 流程示意图
乙醇 顺酐 酯化 反 应 釜 催化剂
冷凝 器
NaHSO3 水 蒸 馏 塔
真 空 泵
磺化 反 应 釜
NaOH
产品 贮罐
表2—1 工艺参数
序 号 1 2 3 4 5 6 7 名称 压力 温度 时间 投已酯 NaHSO3 顺酐 催化剂 单位 MPa ℃ h 吨 吨 吨 吨 设定值 105Pa 120～130℃ 8 2119 1768.3 969.5 9.695
H+
2C 4 H 2 O3 + 3C 6 H 14 OH → C 6 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 28 O 4 + C10 H 16 O 4 + H 2 O
2*98
3 *102 z
284
200
18
w
1404.8
u
p
顺酐的消耗量为：
2 × 98 × 1404.8 kg = 969.5 284
乙醇的消耗量为：
3 × 102 × 1404.8 = 1513.6 284
kg
÷ 30%=176803 kg
酯化反应：
O CH C OH CH C O H+ CH CH
O C C O OC6H13 CH
O C C O OH
2
+ 3 NaHSO
3
+
OC6H13
+HO
2
CH
OC6H13
顺酐乙醇
马来酸双酯
马来酸单酯
水
设反应过程中消耗的顺酐为w kg，乙醇为z kg马来酸单酯为ukg， 水为p kg，则根据反应方程式：
消耗量 每年
备注
年产2000吨磺基琥珀酸双己酯钠的车间的初步设计
原料与产品规格 顺丁烯二酸酐：C4H2O3 分子量：98.06 密度：1.48 熔点：52.8℃ 沸点：200℃ 闪点：110℃ 性状：无色结晶粉末，有强烈刺激气味。 溶解情况：溶于乙醇、乙醚和丙酮，难溶于四氯化碳。 正己醇：C6H14O 分子量：102.18 密度：0.8136 熔点：-51.6℃ 沸点：68.74℃ 闪点：60℃ 折射率：1.4178 性状:有果子香味的无色液体 溶解情况:不溶于水，溶于乙醇、乙醚。 亚硫酸氢钠：NaHSO3 分子量：104 密度:1.48 性状：成品为白色单斜晶体式粉末。 溶解情况：极易溶于水，加热时易水解，微溶于乙醇， 水溶性呈酸性。
生产原理 工艺原理所采取的方法是：采用控制酯 化率和非外加相转移催化剂在敞开体系催化 磺化反应的方法，其反应分两步进行；第一 步是酯化反应。 方程式为：
2C4H2O3+3C6H14O C16H28O4+C10H16O4+H2O
磺化反应的方程式为：
C16H28O4+NaHSO3
→
cat
C16H29ONaSO3
×
物料衡算的方法与步骤 物料衡算是在给定某些物料量的值的情况下求解另一些 物料量的值。步骤如下： 1.收集计算数据 （1）原料、辅料、中间产物及产品的规格 （2）过程中单位时间内的物流量 （3）有关消耗定额 （4）有关转化率、选择性、单程收率 （5）有关物理化学常数的相对密度、视比重、 相平衡常数。 2．画流程图 3．确定衡算范围 4．选定计算基准 5．列出输入—输出物料平衡表
• • • • • •
•
挤出成型工段物料损失率
工 序 自然损耗 扫 地 下脚料 百分率 % 0.1 0.4 5.5 • 求出每天所用原料量（将计算结果填入原料消耗综合表）。
• • • • • • • • • • • • • •
解： 1、计算基准的选择 、 年工作日的确定： 365－11－（15+25）=314天 （314÷6）×8÷24=17.4 天 因此年工作日为：314－ 17.4=296.6天 设备的利用系数：k＝296.6/365＝0.81 2、挤出成型工段的物料衡算 、 进入本工段的物料量＝出料量/（1－本工序的损失率） ＝5500（1 － 6%） ＝5851吨/年 自然损耗量： 5851×0.1%＝5.58吨/年 扫 地 量： 5851×0.4%＝23.4吨/年 下脚料损耗量： 5851×5.5%＝321.8吨/年 颗粒料中需加回收料量： 5851×5%＝292.6吨/年 回收率： 292.6÷321.8 ＝90.9% 挤出成型工段的物料平衡表 工序 输入物料量 自然损耗量 扫地料 物料量T 5851 5.85 23.4
（1）反应釜 根据设计任务，磺基琥珀酸双已酯钠的 生产能力为2000吨/年 全年365天，除去大修理，中修理，休息日等 共 35天， 则年工作日为：365-35=330天 （每批物料需8 小时完全反 应）每釜生产能力为
2000 × 10 3 × 8 = 2020.2 kg 330 × 24
按产品纯度为95%，计算
物料衡算的例子
• 年产量5500吨聚氯乙烯异型材车间设计 吨聚氯乙烯异型材车间设计 年产量 已知：法定假日11天/年，设备大修25天/年，特殊停车15天/年，机头清 理换过滤网1次/6天，且每次8小时。 造粒工段各岗位物料损失率 工序 筛选输送 高速混合 挤出造粒 粒料风送 自然 扫地 自然 扫地 损耗率% 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.2 总损耗% 1.3 注：半成品粒料1吨中加入了回收料5 %