第三章物料衡算
第三章物料衡算
第三章物料衡算第一节概述一、物料衡算的作用和任务物料衡算是医药工艺设计的基础，根据所需要设计项目的年产量，通过对全过程或者单元操作的物料衡算计算，可以得到的单耗(生产1Kg产品所需要消耗的原料的Kg数)、副产品量以及输出过程中物料损耗量以及“三废”生成量等，使设计由定性转向定量。
在制药过程中经常遇到有关物料的各种数量和质量指标，如“量”(产量、流量、消耗量、排出量、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、回流比等)；“率”(转化率、单程收率、产率、回收率、利用率等)等。
这些量都与物料衡算有关，都影响到实际上的物料平衡。
因此，物料衡算是制药生产(及设计)的基本依据，是衡量制药生产(以及任何生产)经济效果的基础，对改进生产和指导设计具有重大意义。
二、物料衡算的类型在医药生产中，我们按照物质的变化过程来分，可以将物料衡算分为两类：一类是物理过程的物料衡算，即在生产系统中，物料没有发生化学反应的过程，它所发生的只是相态和浓度的变化，这类物理过程在医药工业中主要体现在混合过程和分离过程。
如流体输送、吸附、结晶、过滤、干燥、粉碎、蒸馏、萃取等单元操作。
图3-1盐酸林可霉素结晶过程物料衡算另一类是化学过程的物料衡算，即由于化学反应，原子与分子之间形成新的化学键，从而形成完全不同的新物质的过程。
在进行计算时候，经常用到组分平衡和化学元素平衡，特别是当化学反应计量系数未知或很复杂以及只有参加反应的各物质的化学分析数据时，用元素平衡最方便，有时甚至只能用该方法才能解决(如非那西丁酰化反应见图3-2)。
同时，在化学反应中，还涉及化学反应速率、转化率、产物收率等因素。
图3-2非那西丁酰化工段物料衡算此外，物料衡算还可以按照操作方式的不同，可以分为两类：一类是连续操作。
如生产枸橼酸铋钾的喷雾干燥操作，需要向干燥器中输送具有一定速度、湿度和温度的空气，同时湿物料从反方向以速度通过干燥器，尽管物料在干燥器中不断被加热，所处的状态在不断改变，但对某一具体部位而言，其所处的状态是不随时间的改变而改变的。
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：
2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的内容，本文将从物料衡算和能量衡算两个方面进行介绍。
一、物料衡算物料衡算是指在化工生产过程中，对各种原料、中间体和产品的质量、数量和成分进行准确计算的过程。
物料衡算的目的是确定生产过程中各种物料的需求量，确保生产过程稳定和产品质量符合要求。
物料衡算的方法主要有质量衡算和量衡衡算两种。
质量衡算是以物料的质量为基础进行计算，通过分析反应进入和离开反应器的质量，计算物料的损失和转化率等。
量衡衡算是以物料的容积或重量为基础进行计算，通过对物料流动的速度、压力、体积和化学反应速率等参数的测量，来计算物料的数量和流动性。
物料衡算的具体步骤包括：确定物料流程图，定义物料的属性和流动参数，编写物料表，进行物料平衡方程的建立，计算各物料的需求量和产量等。
二、能量衡算能量衡算是指在化工生产过程中，对能量的输入、输出和损失进行准确计算和分析的过程。
能量衡算的目的是确保生产过程中的能量平衡和能源利用效率的提高。
能量衡算的方法主要有热平衡法和能量流平衡法两种。
热平衡法是基于热力学原理，通过测量和计算热量的流入和流出来进行能量衡算。
能量流平衡法是基于能量守恒原理，通过对能量流动的速度、温度和压力等参数的测量，来计算能量的输入和输出。
能量衡算的具体步骤包括：确定能量流程图，定义能量的属性和流动参数，编写能量表，进行能量平衡方程的建立，计算各能量的输入量和输出量等。
三、物料衡算和能量衡算的关系在进行物料衡算和能量衡算时，需要考虑以下几个方面：1.反应进程的热力学和动力学特性对物料和能量衡算有重要影响。
在确定衡算方法和参数时，需考虑反应的热效应和速率等因素。
2.物料的组成和性质对衡算结果有重要影响。
不同物料具有不同的热容量、蒸发潜热和燃烧热等参数，这些参数直接影响到能量衡算的结果。
3.流程设计和设备选择对衡算结果也有影响。
不同的流程和设备对物料流动的速度、压力和温度等参数有不同的要求，这些参数直接影响到物料和能量衡算的结果。
第三章物料平衡计算
按①条确定的配合比即为设计配合比；当二者之差超过2％时，应将
配合比中各组成材料用量均乘以校正系数δ，得到设计配合比。
通常简易的做法是：通过试压，选出既满足混凝土强度要求，水泥用 量又较少的配合比为所需配合比，再做表观密度的校正。
(三) 计算施工配合比
假定现场砂、石子的含水率分别为a％和b%，则施工配 合比中1m3混凝土的各组成材料用量分别为：
①按上述方法确定的各组成材料用量按下式计算混凝土的体积密度
计算值ρc,c： ρc,c＝mc+ ms+mg+mw
②应按下式计算混凝土配合比校正系数δ：
＝ c，t c，c
式中： ρc,t——混凝土体积密度实测值，kg/m3； ρc,c——混凝土体积密度计算值，kg/m3。
③当体积密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2％时，
βs——混凝土砂率。
7.计算基准配合比
（1）以1m3混凝土中各组成材料的实际用量表示。
（2）以组成材料用量之比表示：mc0：ms0：mg0＝1：x：y， mw/mc ＝？
(二) 试配调整，确定设计配合比
1.试配
按基准配合比称取一定质量的组成材料，拌制15L或25L混凝土，分 别测定其和易性、强度。
单位用水量（mw）应在基准配合比用水量的基础上，根据制作强 度试件时测得的坍落度或维勃稠度进行调整确定；
水泥用量（mc）应以用水量乘以选定出来的灰水比计算确定；
粗集料和细集料用量（ms、mg）应在基准配合比的用量基础上， 按选定的灰水比进行调整后确定。
（2）经试配确定配合比后，按下列步骤进行校正：
第三章 物料平衡计算
物料平衡计算的作用：
1．计算从原料进厂至成品出厂各工序所需处理的物 料量，作为确定车间生产任务、设备选型及人员编制 的依据。
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。
化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的环节，它们是进行化工过程的关键步骤，对化工产品的质量和产量有着直接的影响。
本章将介绍物料衡算与能量衡算的概念、原则和方法，并结合实际案例进行详细说明。
一、物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种物料的用量和流量。
物料衡算的目的是保证化工过程中物料的平衡，确保物料的流动和转化符合设计要求。
物料衡算的基本原则是质量守恒定律和能量守恒定律。
根据质量守恒定律，物理系统中的物质质量是不变的，即输入物质的总质量等于输出物质的总质量。
根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。
物料衡算的方法主要有两种：物质衡算和元素衡算。
物质衡算是根据物料的化学组成进行衡算，以化学方程式为基础，通过分子计数法和平衡方程法计算物料的输入和输出量。
元素衡算是根据物料中各元素的含量进行衡算，以确定每种元素的输入和输出量。
物料衡算的步骤一般包括以下几个方面：确定衡算参考物质，编写化学方程式，计算输入物质的总质量，计算输出物质的总质量，计算每种物质的输入和输出量。
在实际衡算过程中，还需要考虑补料和损耗等因素，对补料和损耗进行补偿。
二、能量衡算能量衡算是指在化工过程中对能量的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种能量的用量和转化效率。
能量衡算的目的是保证化工过程中能量的平衡，以提高能量利用效率。
能量衡算的基本原则是能量守恒定律和能量转化效率的最大化。
根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。
能量转化效率是指能量输入与输出的比值，衡量能量转化过程的效果。
提高能量转化效率有助于降低能源消耗和环境污染。
能量衡算的方法主要有两种：热力衡算和焓能衡算。
热力衡算是根据化学反应的热效应进行衡算，以热平衡方程为基础，计算输入和输出热量的总量。
焓能衡算是根据物料的热焓变化进行衡算，以焓平衡方程为基础，计算输入和输出焓能的总量。
化工计算第三章-3化学反应过程物料衡算
= 0 . 9952
( 995 4 . 75 ) kmol h
= 0 . 0048
衡算体系：混合器
MF 1 = FF 1 R 1
-1
-1
代入数据得：MF 1 = (100 995 ) kmol h
= 1095 kmol h
-1
MF 2 = R 2 = 4 . 75 kmol h
第三章物料横算
一般反应过程的物料衡算 对有化学反应过程的物料衡算，由于各组 输入(某种元素)＝ 分在过程中发生了化学反应，因此就不能简单 输出(同种元素) 地列组分的衡算式，必须考虑化学反应中生成 对反应过程中化学反应 或消耗的量，应该根据化学反应式，列衡算方 很复杂，无法用一、两 程。对一般的反应过程，可用下列几种方法求 个反应式表示的物料衡 解。 算题，可以列出元素衡 1、直接求解法 有些化学反应过程的物料衡算， 算式，用代数法求解。 有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简 单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列 出衡算式。 2、元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重 要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体 的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新 组合的概念表示为
R
FF
MF 混合器 反应器
RP
分离器
P
图 4-27
循环过程的物料流程图
另外，具有循环过程的体系还有两个过程限制参数，通 常称为循环比和混合比，定义如下：
循环比=
循环物流流量 产品物流流量
循环物流流量 新鲜原料流量
＝
R P
R
（4-15）
混合比=
＝
FF
（4-16）
在对分离器和混合器进行物料衡算时这两个参数很重要，
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。
第三章物料平衡计算
第三章物料平衡计算物料平衡计算是工程中的一项重要工作，其主要目的是通过对物料的输入、输出和转化过程进行分析和计算，确保工艺流程的稳定和可行性。
物料平衡计算需要考虑物料的质量、能量和动量方面的平衡，以及相应的测试和测量方法。
在进行物料平衡计算之前，首先需要了解和收集有关工艺流程的物料参数，如输入物料的质量流量、组成和温度，以及输出物料的质量流量、组成和温度等信息。
这些信息通常可以从实验、数据手册和现场测量获得。
接下来，进行物料平衡计算时需要考虑物料的输入、输出和转化过程。
输入物料可以是原料、能源或辅助材料等，输出物料可以是产品、废弃物或副产物等。
转化过程可以是化学反应、物理转化或传递过程等。
在计算过程中，需要将输入物料的质量流量、组成和温度与输出物料的质量流量、组成和温度进行对比和平衡，确保它们之间的一致性。
物料平衡计算的方法包括输入输出法和进退法。
输入输出法是通过累积分析输入物料和输出物料的质量和能量变化，计算物料的转化率和能量效率。
进退法是通过分析物料在不同过程中的流动和转化情况，计算各物料之间的平衡关系。
在进行物料平衡计算时，还需要考虑物料的测试和测量方法。
常用的测试方法包括采样、化验和仪器测量等。
采样是获取物料样本的过程，化验是通过实验室测试获取物料组成和性质的过程，仪器测量是通过使用各种仪器设备对物料进行质量、温度和压力等性质的测量。
物料平衡计算在实际工程中有着广泛的应用。
它可以帮助工程师了解和优化工艺流程，改进生产效率和产品质量。
在化工工程中，物料平衡计算可以用于计算化学反应的反应物和产物之间的转化率和收率。
在环境工程中，物料平衡计算可以用于衡量废水处理过程中的污染物去除效率。
在能源工程中，物料平衡计算可以用于优化能源利用和能源消耗。
总之，物料平衡计算是工程中不可或缺的一项工作，通过对物料的输入、输出和转化过程进行分析和计算，确保工艺流程的稳定和可行性。
它需要考虑物料的质量、能量和动量方面的平衡，以及相应的测试和测量方法。
化工基础第三章(精馏过程的物料衡算与操作线方程)
操作压力
操作压力的选择会影响精馏塔的分离效果和能源消耗，因此需要合理选择。
通过建立精馏塔的数学模型，可以模拟不同操作条件下的性能，从而进行优化。
数学模型法
通过实验测定精馏塔在不同操作条件下的性能，找出最优的操作条件。
实验法
利用人工智能技术，如神经网络、遗传算法等，对精馏塔进行优化。
在实际应用中，操作线方程的精度会受到多种因素的影响，如进料组成的变化、温度和压力的波动等。
使用操作线方程时需要注意其适用范围和限制条件，并采取相应的措施来减小误差和提高计算精度。
精馏塔的设计与优化
CATALOGUE
04
分离效率
精馏塔的设计首要考虑的是其分离效率，即塔顶和塔底产品之间的质量差异。
热力学效率
1
2
3
操作线方程在精馏过程中用于描述原料液与塔顶、塔底产品之间的相互关系，是进行物料衡算和能量衡算的基础。
通过操作线方程，可以计算出原料液的进料量、塔顶产品的采出量以及塔底产品的采出量，以满足生产需求。
操作线方程还可以用于优化精馏过程，通过调整操作参数，提高产品质量、降低能耗和减少环境污染。
操作线方程的应用有一定的限制，例如在处理非理想溶液时可能会出现偏差。
原理
基于溶液的蒸汽压随温度升高而增大，在一定温度下，溶液的蒸汽压是组分的蒸汽压之和。通过加热溶液，使部分溶液汽化，利用组分蒸汽压的不同，使轻组分随蒸汽一起汽化，重组分留在母液中，再经冷凝得到各组分的液体产品。
分类
按操作方式可分为连续精馏和间歇精馏；按进料位置可分为原料液、加料液、回流液和釜残液。
特点
01
操作线方程
第3章_物料衡算
适等，同时及时发现和解决流程设计中存在的问题。
工厂设计概论 Conspectus of Manufactory-design
§3.2 连续生产过程的物料衡算
第 3 章
直接求算法 对反应比较简单或仅有一个反应且只有一个未知数 的情况可直接求算；对反应比较复杂，物料衡算应依物 料流动顺序分步进行。 利用结点进行衡算 在化工生产中常有某些产品的组成需要用旁路调节才 能送往下一个工序的情况，可采用结点进行衡算如图3-1
物 料 衡 算
率、单程收率、回收率等) 、质量标准(原料、助剂、
中间产物和产品规格、组成及相关物理化学常数) 、化 学变化及物理化学变化的变化关系。 选择计算基准及计算单位 整个计算过程应保持计算基准与计算单位一致,避免
出错。有时根据特殊需要局部工序或设备可另设计算
基准及单位,最后要求进行单位换算建立各工序或各设 备之间正确的物料时间平衡关系。
② 物理化学变化（相变化）。在各酯化釜中，由于反应
第 3 章
温度高于水和EG的沸点,酯化生成的水被蒸出反应体系。
根据气液平衡关系，反应液中仍含有少量的水,水蒸出时 夹带出一定比例的EG, 蒸出的EG经分离后全部返回到反 应器中，因此各酯化反应器中原料配比不变,即Mr＝Mr0 。 在缩聚反应釜中，为了使缩聚反应向生成聚合物的方 向移动，需尽量降低反应液中EG的含量，因此,缩聚阶段 特别是反应后期，需在高真空的条件下进行, 各缩聚釜中 生成的EG大部分被蒸出，使Mr< Mr0 。
物 料 衡 算
工厂设计概论 Conspectus of Manufactory-design
第 3 章
3.1.2 物料衡算的基本概念
进入生产装臵的各种原料 之间的比例关系,如质量比、 摩尔比 反应物参加反应的百分率 生成目标产物的反应物数 量占参加反应的反应物数 量的百分比 生产为目标产物的反应物
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
化工设计概论第三章物料衡算与能量衡算
化工设计概论第三章物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的内容，对于化工流程的合理设计和优化具有重要意义。
物料衡算主要是指通过对原料、中间体和产物等物质在化工过程中的流动情况进行定量分析和计算，以达到合理使用和节约能源的目的。
能量衡算则是指化工过程中的能量流动情况的定量分析和计算。
物料衡算从物质的守恒原理出发，根据质量守恒定律和组分守恒定律，通过对物料在化工过程中的流动情况进行分析和计算，掌握物料流动的方式、速度和量，以及各个组分的分布情况。
物料衡算可以帮助化工工程师确定化工过程中原料的用量、中间体的产率、产品的纯度等重要参数，以及评估流程的合理性和可行性。
此外，物料衡算还可以帮助化工工程师预测和解决流程中可能遇到的问题，如混合不均、反应转化率低等，从而优化化工过程。
能量衡算在化工设计中同样非常重要。
能量衡算通过对化工过程中能量的流动和转换情况进行分析和计算，掌握能量的源头、消耗和转化等关键信息。
在能量衡算中，化工工程师需要对化工过程中的各个单位操作和设备进行能量平衡分析，如反应器、蒸发器、冷凝器等，以此来评估和优化能量利用的效率。
同时，能量衡算还可以帮助化工工程师检查和解决可能存在的能量损失和能量不平衡问题，从而提高化工过程的能量利用效率。
物料衡算和能量衡算在化工设计中有很多应用。
例如，在新工艺的设计和改进中，通过物料衡算可以确定合理的原料用量和物料流动方式，从而达到降低生产成本和提高产品质量的目的。
在设备的设计和选型中，通过能量衡算可以评估不同设备的能量消耗和效益，选择最适合的设备。
在工艺的优化和节能改造中，通过物料衡算和能量衡算可以找出能量损失的原因和途径，提出相应的改进方案，从而降低能耗和生产成本。
总之，物料衡算和能量衡算是化工设计中非常重要的内容。
通过物料衡算和能量衡算，化工工程师可以更好地理解和掌握化工过程中物质和能量的流动情况，从而进行合理的设计和优化，以实现降低成本、提高效益和节约资源的目标。
第三章 物料衡算
杂质含量：273.02－270.29=2.73kg (1) 环合工序物料衡算 投料量： 纯化水：273.02×0.5=136.51kg 原碳酸四乙酯：273.02×0.80=218.42kg 冰醋酸：273.02×0.2=54.60kg 氢氧化钠：273.02×0.20=54.60kg AZ-6(2) 加成工序物料衡算 投料量： AZ-6: 273.02×0.91=248.4 5kg 滤饼原含量：248.45÷0.8=310.56kg 蒸发量：310.56×0.2=62.11kg
无水乙醇 99%
4.00
435.66
滤液
335.03
活性炭
99%
0.10
10.89
蒸发量 25.05
合计
555.47
555.47
(7) 粉碎包装 按要求粉碎、总混、内包、外包、入库。粉碎包装总收率为 99.8%。 阿齐沙坦成品：100.20×0.998=100.00kg
计算。 3. 本设计的生产方式为间歇式生产。 4. 包装形式：纸板桶，25kg/桶。 3.4 物料衡算的过程 3.4.1 生产规程 本次设计内容为化学原料药多功能生产车间工程项目，该车间拟生产 阿齐沙坦（产品年产量为 25t/a）。 该工厂每年根据节假日、设备维护与工艺验证时间，全年生产时间为 250 天。 生产组织根据车间工艺要求可采用以下倒班方式： 倒班方式一：3 班制／天，每天生产时间 24 h（0:00-24:00），每周工 作 5 天； 倒班方式二：2 班制／天，每天工作 16 h（7:00-23:00），每周工作 7 天; 注：倒班方式任选其中 1 种或 2 种组合；结晶釜日常连续运行不纳 入倒班时间。 3.4.2 原辅料衡算过程 1. 阿齐沙坦原辅料衡算过程 每批产生硫辛酸 4 桶，包装规格 25kg ／桶，一批的产量为：4×25=100kg 生产一批阿齐沙坦需要 AZ-5 量为：
第三章物料衡算和能量衡算
方法进行求解。
与
能
量
衡
算
26
例3-4 苯乙烯制取过程如图3-3所示，先由乙烯与苯反应生 成乙苯
C2H4+C6H6 C6H5C2H5
第 C6H5C2H5
C6H5C2H3+H2
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
15
组分
C6H5C2H5 C6H5CH3
H2O C6H5C2H3
C6H6 C2H4 CH4
物料
C6H5C2H5 C6H5C2H3 C6H6 C6H5CH3 H2O CH4 C2H4 C H2
摩尔质量/(g/mol)
106
104
78
92
18 16 28 12 2
基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准
13
进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即为 9.245kmol/h
H2O CaCO3 CaO Ca(OH)2 合计
表3-4 计算结果汇总
输入 物质的量/kmol
0.0135 0.1285 4.2973 0.012 0.015 0.0116 296.169
质量/kg 0.54 13.62 77.35 1.2 6.44 0.86 100
输出 物质的量/kmol
0.2590 0.00575 4.182 0.137
1
第一节物料衡算的基本方法
教学内容： 了解物料衡算和能量衡算的意义和基本概念。 重点和难点： 重点：掌握物料衡算基准和物料衡算的基本步
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第三章 物料衡算3.1物料衡算3.1.1基础数据表1、玉米糁的物理性质 项目 结果 淀粉 71.86% 水分 15.10% 蛋白质 7.93% 脂肪 0.48% 粗纤维 4.63% 色泽 正常 气味正常3.1.2以1000Kg 糖浆计算(1)1000Kg 中的含糖量：1000*75%=750 (Kg)(2)淀粉对糖的转化率为105.2%,则生产1000Kg 糖浆所需的淀粉:750÷105.2%=713 (Kg) (3)生产1000Kg 糖浆实际淀粉耗量: 设原料处理中淀粉损失0.4%蒸煮过程中因淀粉残留及糖分破坏损失淀粉0.5% 板框压滤过程中糟中含糖而损失淀粉1.0% 脱色、浓缩过程中损失0.8% 总淀粉损失为2.7%生产1000Kg 糖浆实际淀粉耗量为: 713÷(100%-2.7%)=732.8 (Kg)(4)生产1000Kg 糖浆玉米糁原料消耗量: 已知玉米糁含淀粉71.86%故1000Kg 糖浆耗玉米糁原料:732.8÷71.86%=1019.8 (Kg)设调浆罐中粉浆温度为50℃,应用喷射液化器使粉浆迅速升温至96℃,然后经层流罐连续液化,再经120℃灭酶后,在真空冷却器中闪急蒸发至60℃后进糖化罐 (5)蒸煮醪量的计算根据生产实践,玉米糁原料的粉料加水比为1:3 故粉浆量为:1019.8*(1+3)=4079.2 (Kg) 干物质含量Bo=86.8%的玉米糁比热容为: Co=4.18*(1-.7Bo)=1.63 [KJ/(Kg.K)] 粉浆物质浓度为:B 1=86.8÷(4*100)=21.7% 蒸煮醪的比热容为:C 1= B 1 Co+(1.0- B 1)C w表2、糖浆的检测结果 项目 单位 葡萄糖+果糖 7.58% 麦芽糖+麦芽三糖81.43% 蛋白质 0.42% 发酵度 68.84% 淀粉转化率105.20%=21.7%*1.63+(1.0-21.7%)*4.18=3.63 [KJ/(Kg.K)]为简化计算,假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变①经喷射液化器加热后蒸煮醪量为:4079.2 3.63⨯9650-()⨯268296 4.18⨯-4079.2+ 4.378103⨯=K g()②经层流罐后温度从96℃→94℃,蒸煮醪量可忽略不计,仍为4378(Kg)③经第二次喷射液化后的蒸煮醪为：4378 3.63⨯12094-()⨯2706120 4.18⨯-4378+ 4.565103⨯=K g()2706—0.2Mpa饱和蒸汽的焓(KJ/K) ④经汽液分离器后的蒸煮醪液量为45654565 3.63⨯120104.3-()⨯2245- 4.449103⨯=K g()2245——104.3℃下饱和蒸汽的汽化潜热(KJ/K)⑤经真空冷却后醪液量按工艺要求，真空冷却前后蒸煮醪液的温度分别为t1=104.3℃，t2=60℃真空冷却过程的二次蒸汽量为：W1=G1C1(t1-t2)/I-C2t2=4449*3.63*(104.3-60)/(2609-3.63*60)=300 KJ经真空冷却后醪液量为:4449-300=4149 (Kg)⑥糖化过程中视为无物质加入和损失,糖化醪量仍是4149Kg⑦湿糖化糟量根据小实验得湿玉米糟含水量81.35%玉米淀粉浸出率94.3%(《淀粉糖品生产与应用手册》)[(1-15.1%)*(100-94.3)/(100-81.35)]*1019.8=264.6 (Kg)⑧再经过脱色工序,到达真空浓缩之前的稀糖浆量:4149-264.6=3884.4 (Kg)3.2年产50000t糖浆厂的衡算①糖浆成品日产糖浆量:50000/300=167 (t/d)实际年产量:300*167=50100(t/y)②原料玉米糁耗用量日耗量:167*1019.8=170.3 (t/d)年耗量:170.3*300=51090 (t/y)③蒸煮粉浆日产量:4079.2*167=681.2 (t/d)年产量:681.2*300=204360 (t/y)④第一次喷射后的醪液量日产量:4378*167=731.1 (t/d)年产量:731.1*300=219330 (t/y)⑤成熟蒸煮醪(送糖化前)日产量:4149*167=693 (t/d)年产量:693*300=207900 (t/y)⑥稀糖浆量:日产量:3884.4*167=648.8 (t/d)年产量:648.8*300=194640 (t/y)⑦活性炭耗量根据经验,干炭耗量10kg/t糖日耗量:167*75%*10=1252.5 (Kg)年耗量:1252.5*300=375750 (Kg)⑧酶的耗量耐高温α-淀粉酶 12u/g原料β-淀粉酶 80u/g原料普鲁蓝酶 3μl/g原料耐高温α-淀粉酶耗量:170.3*1000*12000/20000=102.18(L)β-淀粉酶耗量:170.3*1000*80000/120000=113.5(Kg)普鲁蓝酶耗量：170.3*1000*3/1000=510.9(ml)年产50000吨玉米糖浆厂物料衡算项目单位日产（耗）量年产（耗）量糖浆成品t16750100原料耗量t170.351090蒸煮粉浆t681.2204360第一次喷射后的醪液量t731.1219330成熟蒸煮醪（送糖化前）t693207900稀糖浆量t648.8194640活性炭耗量kg1252.5375750耐高温α-淀粉酶L 102.18 30654 β-淀粉酶Kg113.534050 普鲁蓝酶ml510.9 1532703.3热量衡算(日耗量)（1）调浆用水耗热以日耗原料玉米糁170.3t计,料水比1:3每天需调浆水170.3*3=510.9 (t)取自来水平均温度20℃,调浆用水温度50℃，故耗热为Q1=510.9*4.18*(50-20)=6.407*107 (KJ)（2）设醪液的初温为t o,原料的初温为20℃，而热水为50℃则t o=( G玉米C o*20+G水C w)/G醪液C醪液=（170.3*1.63*20+510.9*4.18*50）/（170.3*4.3.63）=45.4℃第一次喷射液化耗热：Q2= G醪液C醪液*(104-45.4)=681.2*3.63*58.6=1.449*108 (KJ)（3）在层流过程中能量的损失Q3=731.1*3.63*（96-94）=0.531*107（KJ）（4）第二次喷射灭酶的能耗为Q4G’醪液=731.1 （t）Q4= G’醪液C醪（120-94）=731.1*3.63*26=6.900*107（KJ）（5）糖化过程耗热Q5糖化过程为24h,主要耗热为糖化设备向环境散热Q5=FαT(t w-t a)τF—设备总表面积αT—壁面对空气的联合给热系数（W/m2.℃）t w—壁面温度（℃）t a—环境空气温度（℃）τ—操作过程时间（S）αT=8+0.05* t w设t w=60℃，αT=8+0.05*60=11 （W/m2.℃）F=πDH+41.6=3.14*3.5*7+41.6=810.9m2Q5=6*810.9*11*(60-30)*24*3600/1000=1.386*108KJ3.4抽真空量的计算3.4.1真空冷却醪液一．真空冷却过程中产生的二次蒸汽按工艺要求，真空冷却前后蒸煮醪的温度分别为t1=104.3℃，t2=60℃49970Kg/d查表知60℃饱和蒸汽比容为V g=7.68m3/Kg,故二次蒸汽的体积为：V=V g W1=49970*7.68=383770 m3/d二．水力喷射泵循环水量设循环水的初温t 3=34℃，t 4=42℃，则循环水量为： W 2= W 1(I- t 4C w )/ C w (t 4- t 3)=49970*(2609-42*4.18)/4.18(42-34) =363663Kg/d=3636m 3/d=151.5m 3/h 三．抽气量验算泵吸入蒸汽压力Ps=20.314(相当与60℃)，泵工作压力P 1=0.4Mpa(排出压力)，吸入口P 2=0.1Mpa 若取系统空气等不凝性气体渗透量A=0.3% W 1 则（1） 应排除的不凝性气体量为：Ga=2.5*10-5(W 1+ W 2)+A =242Kg/d式中2.5*10-5—水中溶解的空气量 （2） 喷射器引射系数0.85400100-10020.314-⨯1-0.649K0.85P1P2-P2Ps-⨯（3） 喷射泵排除的气体量为Va’=K W 2/ρ=0.649*3636333/1000=2360 m 3/d 相当质量流量为：Ga’=349 Va’(Ps -Pw)/(273+ t 4)*105=349*2360*(20314-8208)/(273+42)* 105 =316.5Kg/d ＞Ga=242 Kg/dPw 为相应喷射泵循环水终温42℃所对应的饱和蒸汽压由计算可知：所设计的喷射泵的循环水量因不低于151.5m 3/h ；工作水压即泵排出口压力为0.4MPa,吸入端压力为0.1Mpa ； 相应循环水进出口温度为34℃和42℃。
在上述条件下，可实现预期冷却效果。