制药工程原理与设计物料衡算-PPT课件
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物料衡算
Material Balance
概述
物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内 容，是工艺设计的基础。
主副产品的产量 原材料消耗定额 生产过程中的损耗 三废产生量
物
料
物料的浪费
衡
生产过程的反常现象
算
物料衡算的理论依据 “质量守衡定律”
在化工过程中，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（包括损失量）和系统内累积起 来的物料的量。
时间基准
对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的 产品量作计算基准。
对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。 如一个反应釜，每次投料800kg，完成一个操作周期为 4h，则每小时处理物料200kg/h作计算基准。
质量基准
当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时，可选择一定 质量的原料或产品作为计算基准，可选用1kg原料为计算基准。 特别是原料或产品是单一化合物，或其组成是已知的，选 此作计算基准更为方便。
1. 摩尔分数、质量分数、平均分子量
摩尔分数
摩尔流量
对于流动物系
质量分数
wi
mi mt
xi
Fi Ft
质量流量
对于流动物系
wi
Wi Wt
n
平均分子量 M M i xi
i 1
yi
Fi Ft
质量流速
wi
Gi Gt
2. 流体的流量和流速 W=Qρ=uAρ
质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s
料 1. 画出工艺流程示意图 T，配比等 ➢未知的，待求的未知项，用字母，
衡
符号标定清楚。
算
➢画出与物料衡算有关的设备及管线
的 2. 列出化学方程式 基 本 3. 确定计划任务 步 4. 收集数据 骤
➢写明反应过程的热效应 ➢省略次要的副反应
➢分析未知 ➢选择公式
收集数据
➢ 生产规模和生产时间（年生产时数）
物料平衡表
基准：每小时 单位：kg
输入 名称 重量 组成%
输出
单重 名称 重量
组成%
单重
混酸
435 HNO3 H2SO4
47 204.5 49 213.1 废酸
H2O
4 17.4
氯 苯 394 C6H5Cl 92 362.5 硝基
混合料
NO2C6H4Cl 8 31.5 物层
共计 829
100
829 共计
体积基准
当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成 STP（标准状态）下的体积，这样可排除T，P变化带 来的影响，而且容易把体积换算成mol数（除以22.4）。
干湿基准
不论是固态，液态或气态物质往往都含有一定的水分，因 此就出现干基，湿基的问题。 若进行衡算时，把水分去掉则称干基，把水分一起算入 称为湿基，二者可互算。 *选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料 关系明确之物。
1） 一般压力、温度
< 1M Pa 按理想气体对待 PV=nRT
V 22.4n 273 t 0.1013
273
p
Q 22.4F 273 t 0.1013
273
p
g
22.4
M 273 t
0.1013
或
273
p
g
Mp RT
2） 高压下 >1M Pa 按真实气体对待 PV=ZnRT
Z为压缩因子，为对比压力pr、对比温度Tr的函数
体积流量： m3/h、 m3/min、 m3/s
摩尔流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s
流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流 经的距离, m/s
线速度
体积流量
质量流量
质量流速G：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积 的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s
3. 气体的体积和密度
NCB 2.85 1.72
混合料 210.7 组分 重量 % NCB 2.6 1.23 CB 201.35 98.7
+2.6
萃
取
-2.6
萃取废酸 162.7 组分 重量 %
氯苯 208.1
组分 重量 %
CB
208. 1
100
单 位：kg/h
目录
1 概述 2 计算中用的基本量 3 物理过程的物料衡算 4 化学反应的物料衡算
无化学反应的稳态过程：输入=输出
总平衡式
组分平衡式 元素原子 平衡式
稳态过程物料衡算式
物料平衡形式 总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子质量平衡式 元素原子摩尔平衡式
无化学反应 是 是 是 是 是 是
有化学反应 是 否 否 否 是 是
物
➢物料的名称，数量，组成及流向 ➢与计算有关的工艺条件如：P，
100
291 HNO3
1
2.9
H2SO4 73.2 213.1
H2O 25.8
75
538 C6H5Cl 0.65
3.5
NO2C6H4Cl 99.35 534.6
100
829wenku.baidu.com
829
100
废酸层 165.3
组分 重量 % 物料流程图
硝
HNO3 2.60 1.57
化
H2SO4 118.6 71.74
H2O 41.3 24.98
➢ 与计算有关的物理化学常数 如密度，蒸汽压，相平衡常数
5. 选择计算基准
➢时间基准 ➢质量基准 ➢体积基准 ➢干湿基准
6. 建立物料平衡方程， 列出的数学关联式的数目应与
进行物料衡算
所求未知项的数目相同，若数学
式不够，用试差法求解。
7. 整理并校核计算结果
8. 绘制物料流程图， 填写物料平衡表。
根据pr 和Tr查 表得Z
pr
p pc
临界值
H2、He和Ne
pr
p pc 8
T Tr Tc
Tr
T Tc 8
g
Mp ZRT
如为混合气体
g
Mp Zmix RT
3） 真实气体混合物 仍用压缩因子法计算
pr
p pc '
假临界值
输入=输出+累积 ∑F=∑D+W
有化学反应时的物料衡算 （1）基本式： 输入+生成=输出+消耗+累积
“生成”、“消耗”是指由于化学反应而 生
成、消耗的质量 （2）对稳态过程：累积项=0 *稳态输（入定+态生）成过=输程出：+系消统耗内任一部分的参数， 不随时间而变，只随空间位置而改变，是存在 于连续操作的一个过程，其特征为：累积项=0
生产规模在设计任务书中已有，若是中间车间应根据消耗 定额来确定生产规模，要考虑物料在车间回流的情况。 大型企业一般8000小时/年 对要经常维修或试验性车间一般7200小时/年 很少的厂可达8400小时/年
➢ 有关的定额，收率，转化率的数据收集 要注意可靠性准确性，并了解其单位与基准
➢ 原料，辅助材料，产品，中间产品的规格
Material Balance
概述
物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内 容，是工艺设计的基础。
主副产品的产量 原材料消耗定额 生产过程中的损耗 三废产生量
物
料
物料的浪费
衡
生产过程的反常现象
算
物料衡算的理论依据 “质量守衡定律”
在化工过程中，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（包括损失量）和系统内累积起 来的物料的量。
时间基准
对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的 产品量作计算基准。
对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。 如一个反应釜，每次投料800kg，完成一个操作周期为 4h，则每小时处理物料200kg/h作计算基准。
质量基准
当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时，可选择一定 质量的原料或产品作为计算基准，可选用1kg原料为计算基准。 特别是原料或产品是单一化合物，或其组成是已知的，选 此作计算基准更为方便。
1. 摩尔分数、质量分数、平均分子量
摩尔分数
摩尔流量
对于流动物系
质量分数
wi
mi mt
xi
Fi Ft
质量流量
对于流动物系
wi
Wi Wt
n
平均分子量 M M i xi
i 1
yi
Fi Ft
质量流速
wi
Gi Gt
2. 流体的流量和流速 W=Qρ=uAρ
质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s
料 1. 画出工艺流程示意图 T，配比等 ➢未知的，待求的未知项，用字母，
衡
符号标定清楚。
算
➢画出与物料衡算有关的设备及管线
的 2. 列出化学方程式 基 本 3. 确定计划任务 步 4. 收集数据 骤
➢写明反应过程的热效应 ➢省略次要的副反应
➢分析未知 ➢选择公式
收集数据
➢ 生产规模和生产时间（年生产时数）
物料平衡表
基准：每小时 单位：kg
输入 名称 重量 组成%
输出
单重 名称 重量
组成%
单重
混酸
435 HNO3 H2SO4
47 204.5 49 213.1 废酸
H2O
4 17.4
氯 苯 394 C6H5Cl 92 362.5 硝基
混合料
NO2C6H4Cl 8 31.5 物层
共计 829
100
829 共计
体积基准
当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成 STP（标准状态）下的体积，这样可排除T，P变化带 来的影响，而且容易把体积换算成mol数（除以22.4）。
干湿基准
不论是固态，液态或气态物质往往都含有一定的水分，因 此就出现干基，湿基的问题。 若进行衡算时，把水分去掉则称干基，把水分一起算入 称为湿基，二者可互算。 *选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料 关系明确之物。
1） 一般压力、温度
< 1M Pa 按理想气体对待 PV=nRT
V 22.4n 273 t 0.1013
273
p
Q 22.4F 273 t 0.1013
273
p
g
22.4
M 273 t
0.1013
或
273
p
g
Mp RT
2） 高压下 >1M Pa 按真实气体对待 PV=ZnRT
Z为压缩因子，为对比压力pr、对比温度Tr的函数
体积流量： m3/h、 m3/min、 m3/s
摩尔流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s
流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流 经的距离, m/s
线速度
体积流量
质量流量
质量流速G：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积 的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s
3. 气体的体积和密度
NCB 2.85 1.72
混合料 210.7 组分 重量 % NCB 2.6 1.23 CB 201.35 98.7
+2.6
萃
取
-2.6
萃取废酸 162.7 组分 重量 %
氯苯 208.1
组分 重量 %
CB
208. 1
100
单 位：kg/h
目录
1 概述 2 计算中用的基本量 3 物理过程的物料衡算 4 化学反应的物料衡算
无化学反应的稳态过程：输入=输出
总平衡式
组分平衡式 元素原子 平衡式
稳态过程物料衡算式
物料平衡形式 总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子质量平衡式 元素原子摩尔平衡式
无化学反应 是 是 是 是 是 是
有化学反应 是 否 否 否 是 是
物
➢物料的名称，数量，组成及流向 ➢与计算有关的工艺条件如：P，
100
291 HNO3
1
2.9
H2SO4 73.2 213.1
H2O 25.8
75
538 C6H5Cl 0.65
3.5
NO2C6H4Cl 99.35 534.6
100
829wenku.baidu.com
829
100
废酸层 165.3
组分 重量 % 物料流程图
硝
HNO3 2.60 1.57
化
H2SO4 118.6 71.74
H2O 41.3 24.98
➢ 与计算有关的物理化学常数 如密度，蒸汽压，相平衡常数
5. 选择计算基准
➢时间基准 ➢质量基准 ➢体积基准 ➢干湿基准
6. 建立物料平衡方程， 列出的数学关联式的数目应与
进行物料衡算
所求未知项的数目相同，若数学
式不够，用试差法求解。
7. 整理并校核计算结果
8. 绘制物料流程图， 填写物料平衡表。
根据pr 和Tr查 表得Z
pr
p pc
临界值
H2、He和Ne
pr
p pc 8
T Tr Tc
Tr
T Tc 8
g
Mp ZRT
如为混合气体
g
Mp Zmix RT
3） 真实气体混合物 仍用压缩因子法计算
pr
p pc '
假临界值
输入=输出+累积 ∑F=∑D+W
有化学反应时的物料衡算 （1）基本式： 输入+生成=输出+消耗+累积
“生成”、“消耗”是指由于化学反应而 生
成、消耗的质量 （2）对稳态过程：累积项=0 *稳态输（入定+态生）成过=输程出：+系消统耗内任一部分的参数， 不随时间而变，只随空间位置而改变，是存在 于连续操作的一个过程，其特征为：累积项=0
生产规模在设计任务书中已有，若是中间车间应根据消耗 定额来确定生产规模，要考虑物料在车间回流的情况。 大型企业一般8000小时/年 对要经常维修或试验性车间一般7200小时/年 很少的厂可达8400小时/年
➢ 有关的定额，收率，转化率的数据收集 要注意可靠性准确性，并了解其单位与基准
➢ 原料，辅助材料，产品，中间产品的规格