第三章物料衡算

第三章
1.概述
物料衡算是医药工艺设计的基础。 通过对全过程或单元操作的物料衡算，可以得到单耗、 副产品量、输出过程中物料损耗量以及“三废”生成 量，使设计由定性转向定量。 物料衡算是车间工艺设计中最先完成的一个计算项目， 其结果是后续热量衡算、设备工艺设计与选型、确定 原材料消耗定额、进行管路设计等各种设计内容的依 据。
各种数量和质量指标： 量：产量、流量、消耗量、投料量、损失量、循 环量等； 度：纯度、浓度、分离度等； 比：配料比、循环比、固液比、气液比、固流比 等； 率：转化率、单程收率、产率、回收率、利用率；
分类：
按照物质的变化过程，可将物料衡算分为： 物理过程的物料衡算，表现为混合和分离过程。如：流体输送、吸 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。
例题2. 列出例1中组分NaHCO3，CO2和Na2CO3的 摩尔衡算式并计算各自的累积量。 解： NaHCO3累积量：n积＝2-0+（-2）＝0 Na2CO3累积量：n积＝0-0+（+1）＝1 CO2累积量：n积＝0-1+（+1）＝0
对乙酰氨基苯乙醚（非那西丁）, （phenacetin)
例题3. 三氯苯可作干洗剂，由于连串反应会同时产生 各种取取代物：
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
G = G1 (1 − w1 ) = G2 (1 − w2 )
干基含水量：X=w/（1-w)， 蒸发的水量为： W = G ( X 1 − X 2 ) 物料衡算： L( x2 − x1 ) = G ( X 1 − X 2 ) 单位干空气消耗量： l＝L/W＝1/（x2-x1）
3.3 循环
循环体系通常包括混合器、分离器和反应器三 个子体系。 总物料衡算可以提供新鲜原料和产物之间的关 系，子体系的物料衡算可以提供循环物料的流 量和组成，以提供设备设计所需的数据。 循环体系的总转化率和总收率大于单程转化率， 需增大反应器和附属分离设备，同时流程变得 更复杂。
根据工艺过程的要求和特点，分为单循环、多循环及循 环圈相套的工艺过程。
8. 摩尔分数：混合物中某组分的物质的量（摩尔流量） 与混合物的物质的量（摩尔流量）之比称为该组分的 摩尔分数。 质量分数：混合物中，某组分质量（质量流量）与混合 物质量（质量流量）之比为该组分的质量分数。 9. 含水量： 湿基含水量：以湿物料为计算基准，表示水分在湿物 料中所占的质量分数； 干基含水量：以绝干物料为计算基准，表示湿物料中 水分与绝干料的质量分数；
∑G
i =1
ij
2 化学反应过程的物料衡算
化学反应包括简单反应，复杂反应；可逆反应，不可 逆反应；平衡反应和不平衡反应。 化学反应过程物料衡算可以根据组分平衡和元素平衡 列出物料平衡关联式进行物料衡算。 物质的量衡算式： n
∑ n + ∆n
i =1 i
生成
= n累积
∆ni表示进出系统的物流i的物质的量（mol或kmol），规定进入系统的物质的量 取+，离开的取“-”，累积项n累积中，增加的取“+”，消耗的取“-”。 ∆n生成表示由于化学反应按化学计量关系增加的物质的量，称为反应生成项。 ∆n生成＝生成的反应产物的摩尔数-按化学计量关系消耗的反应物摩尔数。
4. 萃取过程的物料衡算 对于萃取剂S和原溶剂A不互溶的物质，萃取相 E和萃余相R中溶质B的浓度分别以溶剂量S和 A 原溶剂A 为基准。 以Y表示溶质b在萃取相中的比质量浓度，X 表 示溶质b中萃余相中的比质量浓度。 单极萃取：
多级错流萃取：
多级逆流萃取：
物料衡算基本步骤
1. 2. 3. 4.
nC6 H 6 6molC 1molH ' ' ' ' ' ' = nHCl + n1' (6 xC6 H 6 + 5 xC H Cl + 4 xC6 H 4Cl2 + 3xC6 H 3Cl3 + 2 xC H Cl ) 6 5 6 2 4 1molC6 H 6 1molHCl
' 6000 = nHCl + 3240 ' nHCl = 2760mol / h
元素衡算式： 以质量为基准： 以摩尔量为基准：
s
∑G
i＝1
s i＝ i＝1
i ,e
= G积，e e＝1， 3..., E ) （ 2，
= n积，e e＝1， 3..., E ) （ 2，
∑n
i ,e
注：元素衡算式不需考 虑生成项。
例题1. 烧瓶中原有Na2CO3106g，加入NaHCO3168g后用火灼 烧，发生下列反应 2NaHCO 3 Na2CO3+CO2+H2O 若NaHCO3完全分解且生成CO2与H2O均逸出烧瓶，以烧瓶为 系统，求： 1.系统进出物流量是多少mol？ 2.∆n生成是多少mol？ 3.系统中的物质积累n积与G积各为多少？ 4.最后系统中还有多少克物料？ 已知Na2CO3和NaHCO3的分子量分别为106和84。
C6 H 6 + Cl2 = C6 H 5Cl + HCl C6 H 5Cl + Cl2 = C6 H 4Cl2 + HCl C6 H 4Cl2 + Cl2 = C6 H 3Cl3 + HCl C6 H 3Cl3 + Cl2 = C6 H 2Cl4 + HCl
进料氯气与苯的摩尔比为3.6：1，反应后的Cl2和HCl呈 气相逸出，得到的液相产物组成（摩尔百分数）为： C6H61%，C6H5Cl 7%，C6H4Cl2 12%，C6H3Cl3 75%， C6H2Cl4 5%,苯的投料量为1000mol/h。求液相产物与 气相物的排出量，mol/h。
解：1.进入的物流量168克NaHCO3即2mol，离开系统的 物料为分解产生的CO2和H2O各为1mol。 2.∆n生成＝1mol（CO2）＋ 1mol（H2O）＋ 1mol （Na2CO3）－ 1mol（NaHCO3）＝1mol n 3. ∑ ni + ∆n生成 = n累积，所以n积＝2-1-1+1＝1mol i =1 G积＝168-（1x18+1x44)=106g 4. 最后烧瓶中，除原有的质量外还应增加G积质量，即 有 106+106＝212 g Na2CO3
求解方法： 1. 逐步解法 已知循环物流的流量和组成，按流程顺序计 进行计算。 2. 试差法： 估算循环流量，计算至循环回流那一点。将 估计值与计算值进行比较，若大于误差范围， 以计算值作为新值重新计算，直至前后两次 值之差小于误差范围。
确定衡算范围 确定衡算基准 确定衡算对象 列衡算方程：总 或
∑G ∑G
n in =1
进
− ∑ G出＝G 累
i
= G累积
= G累积, j ( j = 1,2,3...k )
组分物料衡算： Gij物料流i中组分j的质量，G累积，j 表示系统中组分j累积的质 量。 5. 作进出物料平衡表 6. 绘制物料流程框图
V (Y1 − Y2 ) = L( X 1 − X 2 )
最小液气比: Lmin Y1 − Y2 = * V X − X2 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:
F = D +W
易挥发组分的物料衡算:
FxF = DxD + Wxw
10. 湿度： 绝对湿度：每1kg干空气 含有水蒸汽的量，也称 空气湿度或湿含量。 相对湿度：在一定温度 和压力下，湿空气的实 际蒸汽压与相同温度下 的饱和蒸汽压之比，一 般用Φ表示。
pA ϕ= pS
物理过程的物料衡算
物质在物理单元操作的化工过程， 物质不发生变化，只是相态和浓 度发生变化，该类物理过程主要 有混合和分离过程。 1. 吸收过程的物料衡算:
3.2 并联和旁路
旁路过程是指反应物流从一个阶段绕过一个或 几个阶段（或设备）直接进入另一个阶段的过 程。如图所示； 一般以节点（两股或多股物料的交汇）法做衡 算比较方便。
在工艺流程中如新鲜原料加入到循环系统中、 物料的混合、溶液的配制以及精馏塔塔顶回流 和取出产品处，均属于此情况。 单元设备的并联常用来多大药品生成系统的处 理能力，并联单元设备的物料衡算同串联单元 设备一样采用逐步解法。
6. 分配系数： 将溶质C在A相的浓度与在 B 相中的浓度y之比称为 分配系数。 选择性系数：反应溶剂 对溶质C和溶剂D混合物 的分离特性。
x α= y
αC β= αD
7. 体积流量:单位时间内流经管道或设备的流体 的体积称为体积流量,m3/h; 质量流量:单位时间内流经管道或设备的流体的 质量称为质量流量,kg/h。 ,kg/h 质量流速：单位时间内流经管道或设备单位截 面积的流体质量称为质量流速。 摩尔流量：单位时间内流经管道或设备的流体 的物质的量。mol/h
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。
∑G

累积
＝∑ G进料 + ∑ G生成 − ∑ G出料 − ∑ G消耗
对于稳态过程：
∑G
进料
＝∑ G出料
1. 2. 3. 4.
复杂反应器
3 连续过程的物料衡算
复杂化工过程包括多个单元设备，各单元设备 由物流或能量流联系起来。 复杂化工过程的物料衡算可分解为单元设备的 串联、并联和物流的旁路、循环等几种基本形 式进行。 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。