工厂设计之工艺流程设计和工艺计算共25页

2）对一个或几个设备进行物料衡算
3）既可以对参加生产过程的全部物料进行物 料衡算，又可以对部分物料进行物料衡算。
4）若发生了生化反应，混合物的组成变了， 但各元素的质量还是不变的，所以，对各元 素还可以用该关系式进行物料衡算。
许多生产过程是连续的，正常条件下的操作 状态基本上都可以认为是稳定的，系统内的累积 量可以忽略，近似为零，稳态过程是一种理想化 的概念。
单程收率的大小说明反应器生产能力的大小， 单程收率高，说明反应器的生产能力大，未反应 的原料量少，副反应也少，可减少水、电、汽的 消耗；说明过程既经济又合理，所以，在实际生 产过程中。通常追求单程收率达到最高。
转化率、选择性、单程收率之间的关系： 转化率×选择性＝单程收率
这说明它们三者之中只有两个是独立的。
第一节 物料平衡计算
一、物料衡算的意义、方法和步骤
物料衡算是工艺计算的基础，在整个工艺计 算工作中开始得最早，并且是最先完成的项目。 当生产方法确定并完成了工艺流程示意图设计后， 即可进行物料平衡计算，设计工作即从定性分析 发展到定量计算。
一、物料衡算方程式
物料衡算的理论依据是：质量守恒定律，即物 质既不能产生，也不能消灭。
物料平衡是指“进入一个装置(或设备)的全部物 料的量必定等于离开这个装置(或设备)的全部物料的 量、加上损失掉的和系统内累计起来的物料的量”。
如果把损失掉的物料量合并到出料量当中，物 料衡算可用下式表示：
FDW
即 输入=输出+累积
上式是物料衡算的本关系式，这个公式可以
1）对整个生产过程进行物料衡算
工艺计算是运用数学、物理、化学等基础知识 研究生产过程中物料和能量的相互关系。主要包 括物料衡算和热量衡算。工艺计算是工艺设计最 基本的、最核心的内容，对任何一个生物工程过 程，无论是生产挖潜，还是科学研究(开发)、或 装置的设计，通常需要进行工艺计算。
工艺计算也是整个工程设计的基础，由此，
1）整个设计工作从定性分析阶段进入定量计算阶段。
有几个名词概念容易模糊，给予解释：
(1)消耗量：指生产一定时间(或数量)产品所需要的 原料或辅助材料等的数量。消耗量的大小并不能说 明生产情况的好坏。
(2)消耗定额：指生产一吨合格的产品所需要的原 料、辅辅助材料的数量。消耗定额的大小说明原材 料利用是否充分。
盲目地追求某项低的消耗定额，住住导致失衡或 产率低、分离要求太高，设备的投资费用会相应地 增加，从而致使产品成本增加。
在实际生产过程中，对已有的装置进行物料衡 算，可以由一些实际操作数据，算出另外一些不能 直测定的数据，对过程的生产情况进行分析，以确 定实际的生产水平，衡量操作水平。并找出薄弱环 节，挖掘生产潜力，提出改进生产的有效措施。
在设计中，当进行新车间、新工段、新设备设 计时，可以根据工厂或实验得到的数据以及文献中 查来的和理论计算得来的数据，进行分析、比较， 选定先进、可行的数据作为新装置的设计指标，设 计出先进而合理的工艺流程。
选择性高只说明副反应少，不说明过程就经济 合理。因此要确定一个工艺过程是否合理，就需要 对转化率和选择性进行综合考虑。
(5)单程收率：通过反应器后，反应生成为目的产 物的原料量占原料总量的比率。其计算式为：
单 程 收 率 = 反 应 为 目 的 产 物 的 原 料 量 1 0 0 % 原 料 的 总 量
在各种相关的书籍手册上经常看到一些名词。
1）与“量”有关的名词有：流量(有时叫流率)、 产量、消耗量、循环量、回流量、排放量等；
2）与“率”有关的关的名词有：浓度、纯度、分离度 等；
4）与“比”有关的名词有：配料比、循环比、回 流比等；
上述名词都与物料衡算有关、所有这些量都 要经过物料衡算才能确定下来。
实际过程中质量积累速率可能很小。然而不 可能为零，流率不可能为一常数，而是在平均流 率的上下变动，虽然如此，为简化计算。对积累 量也可以忽略，仍以稳态过程来表示之。此时， 物料衡算式可简化为：
FD
即 输入=输出
Gm=Gp+Gt
物料衡算的具体任务是：对过程(装置)的每一股物 料进行分析和定量计算，以确定它们 的数量、组成和相互的比例关系，并 且确定它们在物料变化或生物化学变 比过程中相互转移或转化的定量关系。
消耗定额是工程师进行物料衡算的重要数据， 也是衡量生产技术水平的重要经济指标。
(3)转化率：是指原料通过反应器之后发生化学变 比的程度：其计算式为：
转化率=反应掉的原料量110% 原料投料量
投原料的总量反应后原料的剩余量100% 原料投料量
转化率越高，说明发生转化的原料占总投料量 的比率越大，这种转化，既包括生成主产品的主要 的反应。也包括生成副产品的副反应。
2）通过对整个工艺过程或某个单元过程进行物料衡 算，可以计算出主产品、副产物产量、三废的生 成量；原材料的消耗定额和消耗量；生产过程中 物料的损耗量。
3）在物料衡算的基础上做出热量衡算，计算出水、 电、汽、气、煤或其它燃料的消耗定额和消耗量。
4）最后根据计算确定产品总的经济效果，从而，对 过程进行可行性分析和评价。
(4)选择性 对于某个反应产物，生成它所消耗的原 料量在全部转化了的原料量中所占的比率。其计算 式为：
选 择 性 = 反 应 为 反 目 应 的 掉 产 的 物 原 的 料 原 量 料 量 100%
选择性的大小可以说明反应在各种主、副反应 中所占的百分比，当提高转化率的同时，必须考虑 选择性的变化趋势，如果选择性变差。副产物增加 过多，则原料的消耗定额增大，因此，一般选择性 越高越好。
对于每一个反应过程都有它的收率和转化率 的最适宜的指标。
当反应原料不止一种时，对不同的原料就有 不同的转化率、选择性和单程收率，一般要着重 考虑最昂贵的原料。
一般来看，转化率是越高越好，但从反应速度 看，随着反应的不断进行，转化率逐渐升高，必然 使原料浓度降低，从而导致反应速度逐渐变慢，因 此要达到较高转化率所需要的反应时间往往很长。
同时，由于反应过程中，往往有多种副反应存 在，生成主产品的主反应转比率提高了，生成副产 品的副反应转化率也可能提高了，就增加了分离精 制设备的负担。