第3章 物料衡算和能量衡算
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4.109kmol/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
未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h 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
干
解
滤
滤
燥
5
8
13
15
物料衡算计算框图
1—粗品； 2－注射用水； 3－溶解液； 4－活性炭； 5－滤渣； 6－滤液； 7－洗涤水；8－两级滤渣； 9－两级滤液； 10－溶析剂； 11－结晶料液； 12－丙酮； 13－母液；14－湿品； 15－水； 16－产品
系统衡算组分编码表
组分名称 头孢曲松钠
杂质
催化反应器
CH3OH HCHO
H2O百度文库O2 N2
采用直接计算法进行物料衡算:
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
输入量：
CH3OH （输入） =1 mol（基准） O2（需要）= 0.5mol； O2（输入）= 1.5×0.5 = 0.75mol； N2（输入）= N2（输出）= 0.75×（79/21）= 2.82mol；
输出量：
HCHO（输出）= 0.75mol； CH3OH（输出）= 1－反应的CH3OH = 1－ 0.75 = 0.25mol； O2（输出）= 0.75－ 0.75×0.5=0.375mol； H2O（输出）= 0.75mol N2（输出） = 2.82mol 列出物料衡算表(见附表)
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
【例5】苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为
8000h，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为 90%，苯选择性为3%，甲苯选择性为5%，焦油选择性为2%。原 料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热 量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要 求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。
C6H5C2H5
C6H5CH3 H2O
反应器
C6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3 H2O、CH4、C2H4、C、H2
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
❖ 解：反应器中发生了以下化学反应：
❖ C6H5C2H5
C6H5C2H3 +H2
料浆
F1=2000kg/h 75%液体 25%固体
过滤机
滤液 F2=？kg/h 1% 固体 99%液体
化学工程系化工与制药教研室
滤饼
F3=？kg/h 90%固体 10%液体
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
【例3】某蒸发过程及已知条件如下图所示 求：⒈ 母液量； ⒉ 蒸发水分量； ⒊ 结晶出的NaCl量
（1）
❖ C6H5C2H5+H2
C6H5CH3 +CH4
❖
❖ C6H5C2H5
C2H4+C6H6
❖
❖ C6H5C2H5
7C +3H2+CH4
（2） （3） （4）
❖ 各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。
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
水蒸汽F2
解：本题为间歇过程 总平衡： F1=F2＋F3＋F4 NaOH平衡：0.1F1=0.5F4 NaCl平衡：0.1F1=0.02F4＋F3
联解上三式可得： F4 = 200kg F2 = 704kg F3 = 96kg
原料液F11000kg NaOH X11=0.10
蒸
NaCl X12=0.10
表3-1 各物料的摩尔质量
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
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 ❖ 乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444 ❖ 参加反应的总乙苯量980 kg/h×0.4444=435.11kg/h，即为
二、直接推算法
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
1. 无化学反应的物料衡算
【例2】 过滤过程物料衡算
解：
总平衡： F1 = 2000=F2＋F3
固体平衡： 2000×0.25=0.01F2＋0.9F3 联解上两式可得：
F2=1460.7kg/h F3=539.3kg/h
发
H20 X13=0.80
器
X41=0.50 X42=0.02 母液F4 X43=0.48
NaCl晶体F3
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制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
4
7
10
12
2
粗
碳
两
溶
洗
产
品3
析
6
级9
结 11
涤 14
品 16
晶
1
溶
滤
过
罐
过
水
活性炭
丙酮
编码
1
2
3
4
5
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2. 有化学反应的物料衡算
【例4】甲醇氧化制甲醛（甲醇转化率 xA = 0.75)
CH3OH + 1/2 O2
HCHO + H2O
CH3OH
空气 （过量50%）
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未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h 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
干
解
滤
滤
燥
5
8
13
15
物料衡算计算框图
1—粗品； 2－注射用水； 3－溶解液； 4－活性炭； 5－滤渣； 6－滤液； 7－洗涤水；8－两级滤渣； 9－两级滤液； 10－溶析剂； 11－结晶料液； 12－丙酮； 13－母液；14－湿品； 15－水； 16－产品
系统衡算组分编码表
组分名称 头孢曲松钠
杂质
催化反应器
CH3OH HCHO
H2O百度文库O2 N2
采用直接计算法进行物料衡算:
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
输入量：
CH3OH （输入） =1 mol（基准） O2（需要）= 0.5mol； O2（输入）= 1.5×0.5 = 0.75mol； N2（输入）= N2（输出）= 0.75×（79/21）= 2.82mol；
输出量：
HCHO（输出）= 0.75mol； CH3OH（输出）= 1－反应的CH3OH = 1－ 0.75 = 0.25mol； O2（输出）= 0.75－ 0.75×0.5=0.375mol； H2O（输出）= 0.75mol N2（输出） = 2.82mol 列出物料衡算表(见附表)
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【例5】苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为
8000h，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为 90%，苯选择性为3%，甲苯选择性为5%，焦油选择性为2%。原 料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热 量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要 求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。
C6H5C2H5
C6H5CH3 H2O
反应器
C6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3 H2O、CH4、C2H4、C、H2
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❖ 解：反应器中发生了以下化学反应：
❖ C6H5C2H5
C6H5C2H3 +H2
料浆
F1=2000kg/h 75%液体 25%固体
过滤机
滤液 F2=？kg/h 1% 固体 99%液体
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滤饼
F3=？kg/h 90%固体 10%液体
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【例3】某蒸发过程及已知条件如下图所示 求：⒈ 母液量； ⒉ 蒸发水分量； ⒊ 结晶出的NaCl量
（1）
❖ C6H5C2H5+H2
C6H5CH3 +CH4
❖
❖ C6H5C2H5
C2H4+C6H6
❖
❖ C6H5C2H5
7C +3H2+CH4
（2） （3） （4）
❖ 各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。
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水蒸汽F2
解：本题为间歇过程 总平衡： F1=F2＋F3＋F4 NaOH平衡：0.1F1=0.5F4 NaCl平衡：0.1F1=0.02F4＋F3
联解上三式可得： F4 = 200kg F2 = 704kg F3 = 96kg
原料液F11000kg NaOH X11=0.10
蒸
NaCl X12=0.10
表3-1 各物料的摩尔质量
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
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❖ 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 ❖ 乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444 ❖ 参加反应的总乙苯量980 kg/h×0.4444=435.11kg/h，即为
二、直接推算法
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
1. 无化学反应的物料衡算
【例2】 过滤过程物料衡算
解：
总平衡： F1 = 2000=F2＋F3
固体平衡： 2000×0.25=0.01F2＋0.9F3 联解上两式可得：
F2=1460.7kg/h F3=539.3kg/h
发
H20 X13=0.80
器
X41=0.50 X42=0.02 母液F4 X43=0.48
NaCl晶体F3
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
4
7
10
12
2
粗
碳
两
溶
洗
产
品3
析
6
级9
结 11
涤 14
品 16
晶
1
溶
滤
过
罐
过
水
活性炭
丙酮
编码
1
2
3
4
5
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2. 有化学反应的物料衡算
【例4】甲醇氧化制甲醛（甲醇转化率 xA = 0.75)
CH3OH + 1/2 O2
HCHO + H2O
CH3OH
空气 （过量50%）