第二章精细化工计量学

解：为方便起见，可将磺化过程列成下图，
萘 1600L H2SO4 690L H2O 磺化反应 蒸汽(萘,SO 3,H2O),1.8% 产物(1,2 萘磺酸,萘，H2SO4,H2O) 8%,71%,5.5%,7%
① 进料衡算 963 1600 加入 精萘kg数= 1000 =1540㎏ 其中 萘=1540×98.4%=1515㎏， 水=1540×（1－98.4%）=25㎏ 1840 加入 浓H2SO4㎏数= 690 =1270㎏ 1000 其中 H2SO4=1270×98%=1245㎏， 水=1270×（1－98%）=25㎏ ∴ 共加料㎏数=1540+1270=2810㎏， 其中萘=1515㎏，H2SO4=1245㎏，H2O=25+25=50㎏。
(1或2-萘磺酸)
由于生成1和2萘磺酸量=221+1960=2181㎏
128 ∴ 消耗萘量= 2181 208
=1342㎏
98 消耗H2SO4量= 2181 =1028㎏ 208
18 生成水量= 2181 208
=189㎏
所以，蒸汽中： 萘量=加入量－转化量－液相输出量 =1515－1342－152=21㎏ SO3量=（加入量－H2SO4反应量H2SO4输出量）= (1254－1028－193)=19.6㎏ 水量*=50－萘量－SO3量 =50－21－19.6=9.4㎏ （*水量也可以用H2SO4分解反应来算）。 所以，蒸汽中各组分的组成为：
分析：蒸汽中有萘、水、SO3三个组分；萘量=加入量－ 转化量－输入量，水=加入量+生成量－输出量； SO3=80/98（H2SO4加入量－反应量－输出量）。所以要 由产物中1,2-萘磺酸的量计算反应中萘、H2SO4、H2O的 变化量。 由反应式：
+ H 2SO4 128 98 208
SO3H + H 2O 18
r p

1 1
87
100 2
100% 88.8%
yp
Np
N R ,in
87 100% 87% 100
或yP=sR×xR=98%×88.8%=87%
7. 质量收率（mass yield）：ym 目标产品质量占某一输入反应物质量的百分比，在工 业上应用较多，用yw表示。 例4：100kg苯胺（分子量93，纯度99%），经烘焙磺化和 精制后，得对氨基苯磺酸217kg（分子量213.2，纯度 97%），求理论收率和质量收率。 解： 理论收率y
⑵ 化学过程（间歇操作）：
该过程有物质的转化，所以质量守恒定律中要考虑物 质的转化量，一般可由化学方程式计量。 【例2.7】萘磺化制备2-萘磺酸的反应中，萘磺化为间隙 操作。已知每批操作的投料量为：精萘1600L（纯度 98.4%，密度963㎏/m3），浓硫酸690L（纯度98%，密度 1840 ㎏/m3）。磺化产物组成为：1-萘磺酸8%，2-萘磺酸 71%，游离硫酸7%，游离萘5.5%。在磺化过程中有1.8% （质量）的物料转化为蒸汽排出。要求对此全过程进行 物料衡算 。
3. 物料衡算实例 实际生产过程包括物理过程、化学反应过程 （间歇、连续）、化学平衡过程，下面分别举例 说明： ⑴ 物理过程： 如混合、萃取、蒸馏、过滤、结晶等过程，没 有深化反应。所以转化量=0，即： 流入量=流出量+积累量
【例2.6】硝化混酸配置过程的物料衡算。已知混酸的组 成为：H2SO4:HNO3:H2O=46:46: 8，配置混酸用的原料为 工业硫酸（98%）、硝酸（97%）、含H2SO4为69%的硝 化废酸。求配置1000kg混酸时各原料的用量。设混酸配 置过程中无机械损失，产率为100%，并假设原料中除水 外其它杂质可忽略。 解：设硝酸的用量为GN，硫酸的用量为GS，废酸的用 量为G废（单位：㎏） 所配置的混酸中，三种组分的平衡为： HNO3平衡：0.97GN=1000×46% H2SO4平衡：0.93GS+0.69G废=1000×46% H2O平衡：0303GN+0.07GS+0.31G废=1000×8% 联立，解出： GN=474㎏，GS=404㎏，G废=122㎏。
4. 转化率（conversion ratio）：x 某一反应物R反应掉的量NR，r,占其反应器中输入量 NR,in的百分比，称为反应物R 的转化率。即：
xR=
N R ,r N R.in

N R ,in N R.out N R ,in
100%
其中NR,out是反应物R的剩余量，均以mol数表示。
1.
物料衡算的理论基础： 质量守恒定律，对某一个反应器，物料的关系 为：加入量=流出量+转化量－积累量 物料衡算的基准： ① 以每批操作为基准，适用于间歇操作。 ② 以单位时间为基准，适用于连续操作。 ③ 以每t产品为基准，适用于确定原料的消耗定 额。
2.
物料衡算的步骤
① 收集有关数据（各种物料的浓度、纯度、组成、，反 应物的摩尔比、收率、转化率、选择性等）。 ② 衡算：分五个步骤： a. 收集、整理必要的数据； b. 列出化学反应式（配平），包括主反应及所有副反 应； c. 选择衡算基准； d. 衡算； e. 列出物料衡算表。
1 1 0.470 t 212 .6%
9. 单程转化率与总转化率 反应物一次经过反应器所消耗的mol数，占 输入反应物mol数的百分比，称为单程（one pass） 转化率。 反应物经过全过程所消耗的mol数，占输入反 应物mol数的百分比，称为总（overall）转化率。
例5：苯的一氯化反应，制备氯苯，为了减少二 氯苯的生成，使Cl2为限制反应物。每100mol苯， 用40molCl2反应，产物中有38mol氯苯，1mol二 氯苯，61mol未反应的苯，该苯经分离得60mol苯 回用（1mol苯损失），即
y
2170.97 213.2 1000.99 93
100% 85.6%
质量收率ym
217 0.97 yw 100 % 212 .6% 100 0.99
注：ym100%，是由于产物分子量（213.2）大于反应分子 量（93）。
8. 原料消耗定额 生产1t产品，所需各种原料的t数。对于主要反 应物，是ym的倒数。 例如上例中，苯胺的消耗定额为：
苯60mol
(苯40mol)
反应器
分离器
苯100mol Cl240mol
苯 60mol 一氯苯38mol 二氯苯 1mol
苯 1 mol 一氯苯38mol 二氯苯 1 mol
解：苯的单程转化率（一次反应）：
N in N out 100 61 x1 100% 39.00% N in 100
解：苯胺（R）：NR,in=100mol，NR,out=2mol 对氨基苯磺酸（P），Np=87mol ∴ N R ,r N R ,in N R.out 100 2 xR 100% 98% N R ,in N R ,in 100
sR
r p
Np
1 1
N R ,in N R ,out
19 .6 21 100 %=39%， 100 % 萘%= =42%， SO3%= 50 50
H2O%=
9.4 100 % =19 50
④
物料衡算表：P12，表2-1（每批）
物料名称
工业品量／ kg
纯度(%) 98.4 98
纯品量(kg) 1515 1245
输入
精萘 浓H2SO4
1540 1270
H2SO4
实际反应时，反应物的摩尔比为苯酐/异丁醇=1/1.38， 与化学计量比（1/2）不同。 目的：保证异丁醇完全转化。
2. 限制反应物，过量反应物： 当反应物不按化学计量比投料时，其中以最小化学 计量数的反应为“限制反应物”。而投料量大于“限制 反应物”完全反应所需的反应物。为“过量反应物”。 如上例的异丁醇为限制反应物，苯酐为过量反应物。 3. 过量百分数： 过量反应物超过限制反应物所需的理论量，与所需 过量反应物的理论量之比。如Ne——过量反应物的mol数； Nt——过量反应物与限制反应物全部反应所消耗的理论 量mol数，则过量百分数：
苯的总转化率（全过程）：
100 61 x 100 % 97.50% 100 60
注：分母（下）为输入苯的mol数， 分子（上）为反应掉的mol数。 可见，单程转化率很低，但总转化率很高。
§2.2 反应过程的物料衡算 物料衡算，对生产过程有定量的了解，目的： ① 确定原料消耗定额。 ② 收率、设备生产能力是否达到最佳。 ③ 各设备生产能力是否平衡。 ④ 进行设计工作（设备的大小，个数）
§2.1 基本概念 1. 反应物的摩尔比
加入反应器中的几种反应物之间的摩尔比。可以和 化学计量相同；也可以不同（为了某一反应物转化完 全）。 例如1：生产邻苯二甲酸二异丁酯（增塑剂DIBP）反应。
O C C O CH3 O + 2CH 3CHCH 2OH CH3 COOCH 2CHCH 3 + H 2O COOCH 2CHCH 3 CH3
Np
N R ,in
100%
注意： ① 对于某一反应物R，转化率、选择性和收率： y=s×x ② 收率有时也称为产率。
例3：苯胺的烘焙磺化反应。反应式为
NH2 NH2 H2SO4 NH3+·-SO3H -H2O -NHSO 3H 重排 SO3H
反应时，100mol苯胺，产物中对氨基本磺酸 87mol、苯胺2mol，R一定量焦油。求：苯胺的转 化率，生产对氨基苯磺酸的选择性和理论收率。
Ne Nt 100 % 过量%= Nt
例2：氯苯的二硝化反应：
Cl + 2HNO 3 O2N Cl + 2H 2O NO2
投料摩尔数为氯苯5.00mol，硝酸10.70mol，求限制反 应物，过量反应物，过量百分比。 解：化学计量比，氯苯/HNO3=1/2， 反应物mol比，氯苯/HNO3=1/2.14 所以，HNO3是过量反应物，氯苯是限制反应物。 Nt=2×5.00=10.00 , Ne=10.70 ∴过量%=
N R ,in N R ,out
N R ,r
注意：
① 有副反应发生时，s<100% ② 实际反应时，s往往是不断变化的，与转化率 x 有 关，这是由副反应。
6. 理论收率（yield）：y 得到目标产物所需的反应物理论摩尔数，占输入反应器 的反应物mol数之比，称为理论收率。见下式：
y
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱr p
5. 选择性（selectivity）：s 某一反应物转化为目标产物时，理论上消耗的摩尔数占 该实际消耗的摩尔数的百分比，设反应为：
rR
反应前： NR，in 反应后： NR，out
pP
0 Np
则： R反应物实际消耗的mol数=NR,in－NR,out=NR,r 生产目标产物的量Np时，理论上消耗R的mol数为： r r (Np×r)/R N p p p Np 100% ∴选择性s为：
② 出料衡算（产物） 磺化产物=2810×（1－1.8%）=2760㎏。 由于产物中各物质的百分含量已知，所以： 1-萘磺酸=2760×8%=221㎏ 2-萘磺酸=2760×71%=1960㎏ H2SO4=2760×7%=193㎏ 萘=2760×5.5%=152㎏ 水=2760×（1－8%－71%－7%－5.5%）=234㎏ ③ 蒸汽衡算 蒸汽质量=2810×1.8%=50㎏ 组成如何？待下面求算：
第二章 精细化工计量学
特点及目的 §2.1 基本概念 §2.2 反应过程的物料衡算

第二章 精细化工计量学



精细有机合成的特点： 多数为间歇式生产。部分产量大，周期长的实 现自动化；（小批量） 建立了多功能的生产车间；（多品种） 分析测试设备较先进；（纯度高） 计量学的目的： 各个过程的物料有定量的了解； 确定最佳反应条件，提高效益。
10.70 10.00 100 % 7% 10.00
注意： ①过量%≠
10.70 10.00 100 % 6.5% 10.70
因为过量%是以所需过量反应物的理论量为准（Nt）。 ②限制反应物一般是价格较贵的。 或者限制某副反应时，不确定某一物为限制反应物。 如苯的一硝化过程，为限制二硝化,HNO3为限制反应物。