制药工程学第04章

1、1CHAPTER 4 MATERIAL BALANCE Pharmaceutical EngineeringChapter 4 Material Balance4.1 Introduction 4.2 Basic Concepts4.3 Examples Pharmaceutical Engineering4.1 Introduction 在制药工程设计中，当工艺流程示意图确定之在制药工程设计中，当工艺流程示意图确定之后，即可进行物料衡算。通过物料衡算，可以深入后，即可进行物料衡算。通过物料衡算，可以深入地分析和研究生产过程，得出生产过程中所涉及的地分析和研究生产过程，得出生产过程中所涉及的各

2、种物料的数量和组成，从而使设计由定性转入定各种物料的数量和组成，从而使设计由定性转入定量。量。 在整个工艺设计中，物料衡算是最先进行的一在整个工艺设计中，物料衡算是最先进行的一个计算项目，其个计算项目，其结果是后续的能量衡算、设备选型结果是后续的能量衡算、设备选型或工艺设计、车间布置设计、管道设计等各单项设或工艺设计、车间布置设计、管道设计等各单项设计的依据计的依据，因此，因此，物料衡算结果的正确与否直接关物料衡算结果的正确与否直接关系到整个工艺设计可靠程度系到整个工艺设计可靠程度。 要求：要求： Pharmaceutical Engineering 物料衡算的依据是物料衡算的依据是工艺流程示

3、意图以及为工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有关资料物料衡算收集的有关资料。 工艺流程示意图对物料衡算起着重要的指工艺流程示意图对物料衡算起着重要的指导作用。导作用。虽然工艺流程示意图只是定性地给出虽然工艺流程示意图只是定性地给出了物料的来龙去脉，但它决定了应对哪些过程了物料的来龙去脉，但它决定了应对哪些过程或设备进行物料衡算，以及这些过程或设备所或设备进行物料衡算，以及这些过程或设备所涉及的物料，使之既不遗漏，也不重复。涉及的物料，使之既不遗漏，也不重复。4.1 Introduction 依据：依据： Pharmaceutical Engineering 根据物料衡算结果，将工艺流程示意图进

4、根据物料衡算结果，将工艺流程示意图进一步深化，可绘制出物料流程图。在物料衡算一步深化，可绘制出物料流程图。在物料衡算的基础上，可进行能量衡算、设备的选型或工的基础上，可进行能量衡算、设备的选型或工艺设计，以确定设备的容积、台数和主要工艺艺设计，以确定设备的容积、台数和主要工艺尺寸，进而可进行车间布置设计和管道设计等尺寸，进而可进行车间布置设计和管道设计等项目。项目。 4.1 Introduction 目的：目的： Pharmaceutical Engineering 在实际应用中，根据需要，也可对已经投在实际应用中，根据需要，也可对已经投产的一台设备、一套装置、一个车间或整个工产的一台设备、一

5、套装置、一个车间或整个工厂进行物料衡算，以寻找生产中的薄弱环节，厂进行物料衡算，以寻找生产中的薄弱环节，为改进生产、完善管理提供可靠的依据，并可为改进生产、完善管理提供可靠的依据，并可作为判断工程项目是否达到设计要求以及检查作为判断工程项目是否达到设计要求以及检查原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。 4.1 Introduction 对象：对象： Pharmaceutical Engineering 制药工业包括制药工业包括原料药工业原料药工业和和制剂工业制剂工业,其中其中制剂工业的生产过程通常为物理过程制剂工业的生产过程通常为物理过程,其物料其物料

6、衡算比较简单。原料药的生产途径很多衡算比较简单。原料药的生产途径很多,如化如化学合成、生物发酵、中草药提取等。学合成、生物发酵、中草药提取等。 本章主要讨论化学过程的物料衡算。本章主要讨论化学过程的物料衡算。 4.1 Introduction Pharmaceutical Engineering4.2.1 Material Balance Equations 4.2.2 Criterion of Balance Calculation 4.2.3 Range of Balance Calculation 4.2.4 Methods and Approaches 4.2 Basic Concep

7、ts Pharmaceutical Engineering 物料衡算的理论基础是物料衡算的理论基础是质量守恒定律质量守恒定律，运用该定，运用该定律可以得出各种过程的律可以得出各种过程的物料平衡方程式物料平衡方程式。 1.物理过程物理过程 根据质量守恒定律，根据质量守恒定律， (4-1)式中式中 GI 输入体系的总物料量；输入体系的总物料量； GO 输出体系的总物料量；输出体系的总物料量； GA物料在体系中的总累积量。物料在体系中的总累积量。上式也适用于物理过程任一组分或元素的物料衡算。上式也适用于物理过程任一组分或元素的物料衡算。 AOIGGG4.2.1 Material Balance Eq

8、uations Pharmaceutical Engineering 对于稳态过程，物料在体系内没有累积，式对于稳态过程，物料在体系内没有累积，式(4-1)可简化为可简化为 (4-2) 式式(4-2)表明，对于物理过程，若物料在体系内表明，对于物理过程，若物料在体系内没有累积，则输入体系的物料量等于离开体系的没有累积，则输入体系的物料量等于离开体系的物料量，不仅总质量平衡，而且对其中的任一组物料量，不仅总质量平衡，而且对其中的任一组分或元素也平衡。分或元素也平衡。OIGG4.2.1 Material balance Equations Pharmaceutical Engineering 2.

9、化学过程化学过程 对于有化学反应的体系，式对于有化学反应的体系，式(4-1)和和(4-2)仍可用于体系的总物料衡算或任一元仍可用于体系的总物料衡算或任一元素的物料衡算，但不能用于组分的物料素的物料衡算，但不能用于组分的物料衡算。衡算。4.2.1 Material balance Equations Pharmaceutical Engineering 对于化学过程，某组分的物料平衡方程式可表对于化学过程，某组分的物料平衡方程式可表示为示为 GIi输入体系的输入体系的i组分的量；组分的量； GOi输出体系的输出体系的i组分的量；组分的量； GPi体系中因化学反应而产生的体系中因化学反应而产生的i

10、组分的量；组分的量； GRi 因化学反应而消耗的因化学反应而消耗的i组分的量；组分的量； GAii组分的累积量。组分的累积量。4.2.1 Material balance Equations AiRiOiPiIiGGGGG Pharmaceutical Engineering 同样，对于稳态过程，组分在体系内没有同样，对于稳态过程，组分在体系内没有累积，则式累积，则式(4-3)可简化为可简化为:RiOiPiIiGGGG4.2.1 Material balance Equations Pharmaceutical Engineering 在进行物料衡算或热量衡算时，都必须在进行物料衡算或热量衡算

11、时，都必须选择相应的选择相应的衡算基准衡算基准作为计算的基础。根据作为计算的基础。根据过程特点合理地选择衡算基准，不仅可以简过程特点合理地选择衡算基准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差。化计算过程，而且可以缩小计算误差。(1) 单位时间单位时间(2) 单位质量单位质量(3) 单位体积单位体积4.2.2 Criterion of Balance Calculation Pharmaceutical Engineering 无论间歇生产过程还是连续生产过程，均无论间歇生产过程还是连续生产过程，均可可以单位时间间隔内的投料量或产品量以单位时间间隔内的投料量或产品量为基为基准进行物料衡算。准

12、进行物料衡算。 对于对于间歇生产过程间歇生产过程，单位时间间隔常，单位时间间隔常取一取一批操作的生产周期批操作的生产周期； 对于对于连续生产过程连续生产过程，单位时间间隔可以是，单位时间间隔可以是1秒秒、1小时小时、1天天或或1年年。 (1) CriterionUnit Time Pharmaceutical Engineering 以单位时间为基准进行物料衡算可直接联以单位时间为基准进行物料衡算可直接联系到生产规模和设备的设计计算。系到生产规模和设备的设计计算。 例如，对于给定的生产规模，以时间天为基准例如，对于给定的生产规模，以时间天为基准就是根据产品的就是根据产品的年产量年产量和和年生产

13、日年生产日计算出产品的计算出产品的日日产量产量，再根据产品的，再根据产品的总收率总收率折算出折算出1天操作所需的天操作所需的投料量投料量,并以此为基础进行物料衡算。并以此为基础进行物料衡算。(1) CriterionUnit Time Pharmaceutical Engineering 产品的年产量、日产量和年生产日之间的产品的年产量、日产量和年生产日之间的关系为关系为 (4-5)式中的年产量由设计任务所规定；年生产日式中的年产量由设计任务所规定；年生产日要视具体的生产情况而定。要视具体的生产情况而定。年生产日年产量日产量 (1) CriterionUnit Time Pharmaceuti

14、cal Engineering 制药厂尤其是化学制药厂在生产过程中制药厂尤其是化学制药厂在生产过程中大多具有腐蚀性，设备需要定期检修或更换。大多具有腐蚀性，设备需要定期检修或更换。因此，每年一般要安排一次大修和次数不定因此，每年一般要安排一次大修和次数不定的小修，年生产日常按的小修，年生产日常按10个月即个月即300天来计天来计算，腐蚀较轻或较重的，年生产日可根据具算，腐蚀较轻或较重的，年生产日可根据具体情况适当增加或缩短。体情况适当增加或缩短。(1) CriterionUnit Time Pharmaceutical Engineering 对于间歇生产过程和连续生产过程，对于间歇生产过程和

15、连续生产过程，也也可以一定质量可以一定质量，如，如1kg、1000kg(1吨吨)或或1mol、1kmol的原料或产品的原料或产品为基准进为基准进行物料衡算。行物料衡算。 (2) CriterionUnit Mass Pharmaceutical Engineering 若所处理的物料为若所处理的物料为气相气相，则可以，则可以单位体积的单位体积的原料或产品原料或产品为基准进行物料衡算。为基准进行物料衡算。 由于气体的体积随温度和压力而变化，因此，由于气体的体积随温度和压力而变化，因此，应将操作状态下的气体体积全部换算成标准状态下应将操作状态下的气体体积全部换算成标准状态下的体积的体积,即即以以1

16、m3(标况下标况下)的原料或产品的原料或产品为基准进行为基准进行物料衡算。这样既能消除温度和压力变化所带来的物料衡算。这样既能消除温度和压力变化所带来的影响，又能方便地将气体体积换算成摩尔数。影响，又能方便地将气体体积换算成摩尔数。(3) CriterionUnit Volume=M.p.To/(22.4.po.T) Pharmaceutical Engineering 在进行物料衡算时，常会遇到比较复杂的在进行物料衡算时，常会遇到比较复杂的计算。为计算方便，一般要划定计算。为计算方便，一般要划定物料衡算范物料衡算范围围。 根据衡算目的和对象的不同，衡算范围可以是根据衡算目的和对象的不同，衡算

17、范围可以是一台设备一台设备、一套装置一套装置、一个工段一个工段、一个车间一个车间、一个工厂一个工厂等。衡算范围一等。衡算范围一经划定经划定,即可视为一个独立的体系。即可视为一个独立的体系。凡进入体系的物料均为输凡进入体系的物料均为输入项入项，离开体系的物料均为输出项离开体系的物料均为输出项。4.2.3 Range of Balance Calculation Pharmaceutical Engineering (1) 明确衡算目的，如通过物料衡算确定生明确衡算目的，如通过物料衡算确定生产能力、纯度、收率等数据。产能力、纯度、收率等数据。 (2) 明确衡算对象，划定衡算范围，绘出物明确衡算对象

18、，划定衡算范围，绘出物料衡算示意图，并在图上标注与物料衡算有关料衡算示意图，并在图上标注与物料衡算有关的已知和未知的数据。的已知和未知的数据。 (3) 对于有化学反应的体系，应写出化学反对于有化学反应的体系，应写出化学反应方程式应方程式(包括主、副反应包括主、副反应)，以确定反应前后，以确定反应前后的物料组成及各组分之间的摩尔比。的物料组成及各组分之间的摩尔比。 4.2.4 Methods and Approaches Pharmaceutical Engineering (4) 收集与物料衡算有关的计算数据，包括生产收集与物料衡算有关的计算数据，包括生产规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品

19、的规格；规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；有关的定额和消耗指标，如产品单耗、配料比、回有关的定额和消耗指标，如产品单耗、配料比、回收率、转化率、选择性、收率等；有关的物理化学收率、转化率、选择性、收率等；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。 (5) 选定衡算基准。选定衡算基准。 (6) 列出物料平衡方程式，进行物料衡算。列出物料平衡方程式，进行物料衡算。 (7) 编制物料平衡表。编制物料平衡表。4.2.4 Methods and Approaches Pharmaceutical Engineering4.3 Examples 4.

20、3.1 Material Balances in Non-reacting Systems 4.3.2 Material Balances in Reacting Systems Pharmaceutical Engineering试通过物料衡算确定配制试通过物料衡算确定配制1000kg混酸时各原混酸时各原料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。它杂质可忽略不计。4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems例例4-1 硝化混酸配制过程的物料衡算。硝化混酸配制过程的物料衡算。H2SO4 4

21、6%(质量百分比，下同质量百分比，下同)HNO3 46%H2O 8%已知混酸组成已知混酸组成配制混酸用的原料配制混酸用的原料工业硫酸工业硫酸 92.5%、硝酸硝酸 98%、硝化废酸硝化废酸H2SO4 69%。 Pharmaceutical Engineering 解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图中意图。图中 为为92.5%的硫酸用量，的硫酸用量， 为为98%的硝酸用量，的硝酸用量， 为含为含69%硫酸的废酸用量。硫酸的废酸用量。硝化混酸硝化混酸1000kg

22、 3HNOG42SOHG废废G混酸配制混酸配制搅搅 拌拌 釜釜42SOHG3HNOG废G图图4-1 4-1 混酸配制过程物料衡算示意图混酸配制过程物料衡算示意图4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering 对对HNO3进行物料衡算得进行物料衡算得 0.98 GHNO3= 0.46 1000 (a) 对对H2SO4进行物料衡算得进行物料衡算得0.925 GH2SO4 + 0.69 Gwaste = 0.46 1000 (b) 对对H2O进行物料衡算得进行物料衡算得0.02 GHNO3+0.07

23、5 GH2SO4+0.31 Gwaste=0.08 1000 (c)联解式联解式(a)、(b)和和(c)得得GHNO3=469.4kg，GH2SO4=399.5kg，Gwaste =131.1kg4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering表表4-1 混酸配制过程的物料平衡表混酸配制过程的物料平衡表输输 入入物料物料名称名称工业品工业品量量/kg质量组质量组成成/%输输 出出物料物料名称名称工业品工业品量量/kg硝酸硝酸469.4HNO3：98H2O：2硝化硝化混酸混酸1000H2SO4：4

24、6 HNO3：46H2O：8硫酸硫酸399.5H2SO4：92.5 H2O：7.5废酸废酸131.1H2SO4：69 H2O：31总计总计1000 总计总计1000 质量组质量组成成/%4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering例例4-2 拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知混合液的进料流量为已知混合液的进料流量为200kmol h-1，其中含，其中含苯苯0.4(摩尔分率，下同摩尔分率，下同)，其余为甲苯。若规定，其余为甲苯。若规定塔底釜液中塔底釜液中苯

25、苯的含量不高于的含量不高于0.01，塔顶馏出液，塔顶馏出液中苯的回收率不低于中苯的回收率不低于98.5%，试通过物料衡算，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。摩尔流量和摩尔分率表示。 4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering精精馏馏塔塔图图4-2 4-2 苯和甲苯混合液精苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算馏过程物料衡算 解：以连续精馏塔为衡算解：以连续精馏塔为衡算范围范围,绘出物料衡算示意图。绘出物料衡算示意图

26、。图中图中F为混合液的进料流为混合液的进料流量，量，D为塔顶馏出液的流为塔顶馏出液的流量，量，W为塔底釜液的流为塔底釜液的流量量,x为苯的摩尔分率。为苯的摩尔分率。 图中共有图中共有3股物料，股物料，3个个未知数，需列出未知数，需列出3个独立方个独立方程。程。F=200kmol. h-1xF=0.4D, xDW, xW=0.014.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering对全塔进行总物料衡算得对全塔进行总物料衡算得 (a)对苯进行物料衡算得对苯进行物料衡算得 (b)由塔顶馏出液中苯的回收率得

27、由塔顶馏出液中苯的回收率得 (c)联解式联解式(a)、(b)和和(c)得得 = 80kmol h-1， = 120 kmol h-1， = 0.985WD200W01. 0Dx4 . 0200D985. 0FFxDxDDWDx4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering表表4-2 4-2 苯和甲苯精馏过程的物料平衡表苯和甲苯精馏过程的物料平衡表摩尔组摩尔组成成/%/% 苯：苯：0.9850.985甲苯：甲苯： 0.0150.015 苯：苯：0.010.01甲苯：甲苯：0.990.99输输入入

28、物料物料名称名称流量流量/kmol/kmol h h-1摩尔组摩尔组成成/%/%输输出出物料物料名称名称流量流量/kmol/kmol h h-1苯和苯和甲苯甲苯混合混合液液200200 苯：苯：0.40.4甲苯：甲苯：0.60.6馏出液馏出液8080釜液釜液120120总计总计200200 总计总计200200 4.3.1 Material Balances in Non-reacting Systems Pharmaceutical Engineering(1) Basic Concepts (2) Batch Operated Process (3) Continuous Operated

29、 Process (4) Process involved Chemical Equilibrium4.3.2 Material Balances in Reacting Systems Pharmaceutical Engineering 某反应物的某反应物的转化率转化率可用该反应物的反应消耗量与可用该反应物的反应消耗量与反应物的原始投料量之比来表示，即反应物的原始投料量之比来表示，即 (4-6)式中式中 xA反应物反应物A的转化率。的转化率。 Note: 由于各反应物的原始投料量不一定符合化由于各反应物的原始投料量不一定符合化学计量关系学计量关系,因此因此以不同反应物为基准进行计算所得的以

30、不同反应物为基准进行计算所得的转化率不一定相同转化率不一定相同。应指明是何反应物的转化率应指明是何反应物的转化率。若。若没有指明没有指明,一般是指主要反应物或限制反应物的转化率。一般是指主要反应物或限制反应物的转化率。%100AAxA的投料量反应物的反应消耗量反应物(1) Basic Concepts Conversion Pharmaceutical Engineering 某产物的收率可用实际转化为该产物的反应物某产物的收率可用实际转化为该产物的反应物A的的量与反应物量与反应物A的原始投料量之比来表示，即的原始投料量之比来表示，即 (4-7)式中式中 y目标产物的收率目标产物的收率 。 某

31、产物的收率也可用该产物的实际获得量与按投某产物的收率也可用该产物的实际获得量与按投料量计算应得到的理论量之比来表示，即料量计算应得到的理论量之比来表示，即 (4-8)(1) Basic Concepts Yield %100AAy的投料量反应物的量的反应物按目标产物收得量折算%100y产物量按投料量计算应得到的实际得到的产物量 Pharmaceutical Engineering 若反应体系中存在副反应，则在各种主、副产物若反应体系中存在副反应，则在各种主、副产物中，转化成目标产物的反应物中，转化成目标产物的反应物A的量与反应物的量与反应物A的的反应消耗量之比称为反应消耗量之比称为反应的选择性

32、反应的选择性，即，即 (4-9) 由式由式(4-6)、(4-8)和和(4-9)得得 (4-10)(1) Basic Concepts Selectivity %100的反应总消耗量反应物的量算的反应物按目标产物实际得量折AA xy Pharmaceutical Engineering例例4-3 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料量为已知甲苯的投料量为1000kg，反应产物中，反应产物中含对甲苯磺酸含对甲苯磺酸1460kg，未反应的甲苯，未反应的甲苯20kg。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。收率和选

33、择性。(1) Basic Concepts Pharmaceutical Engineering解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为 分子量分子量 92 98 172 18则甲苯的转化率为则甲苯的转化率为 对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的选择性为对甲苯磺酸的选择性为CH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C%98%1001000201000 xA%1 .78%1001721000921460y%7 .79%100172)201000(921460(1) Basic Concepts 甲苯甲苯1000kg，甲苯磺酸甲苯磺酸1460kg，未反应甲苯未反应甲苯

34、20kg。 Pharmaceutical Engineering 产品的生产工艺过程通常由若干个产品的生产工艺过程通常由若干个物理工序和化学反应工序所组成，各工物理工序和化学反应工序所组成，各工序都有一定的收率，各工序的收率之积序都有一定的收率，各工序的收率之积即为即为总收率总收率。(1) Basic Concepts Total Yield Pharmaceutical EngineeringCH3ClCl2ClClClCNClCOOHNH2ClClNHHOOCClClNaCN83.6%90%88.5%48.4% 例例4-4 邻氯甲苯经邻氯甲苯经 -氯代、氰化、水解工序可制得邻氯苯氯代、氰化

35、、水解工序可制得邻氯苯乙酸，邻氯苯乙酸再与乙酸，邻氯苯乙酸再与2，6-二氯苯胺缩合即可制得消炎镇痛二氯苯胺缩合即可制得消炎镇痛药药双氯灭痛。已知各工序的收率分别为：氯代工序双氯灭痛。已知各工序的收率分别为：氯代工序y1=83.6%、氰化工序、氰化工序y2=90%、水解工序、水解工序y3=88.5%、缩合工序、缩合工序y4=48.4%。试计算以邻氯甲苯为起始原料制备双氯灭痛的总。试计算以邻氯甲苯为起始原料制备双氯灭痛的总收率。收率。 (1) Basic Concepts Total Yield 4321Tyyyyy %4 .48%5 .88%90%6 .83%2 .32解：设以邻氯甲苯为起始原料

36、制备双氯灭痛的总收率为解：设以邻氯甲苯为起始原料制备双氯灭痛的总收率为yT，则，则 Pharmaceutical Engineering 某些反应过程某些反应过程,主要反应物经一次反应的转化率不主要反应物经一次反应的转化率不高高,甚至很低甚至很低,但未反应主要反应物经分离回收后可循但未反应主要反应物经分离回收后可循环套用环套用,此时转化率有此时转化率有单程转化率单程转化率和和总转化率总转化率之分。之分。 例例4-5 用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每100mol苯与苯与40mol氯反应

37、，反应产物中含氯反应，反应产物中含38mol氯苯、氯苯、1mol二氯苯二氯苯以及以及61mol未反应的苯。反应产物经分离后可回收未反应的苯。反应产物经分离后可回收60mol的苯，损失的苯，损失1mol苯。试计算苯的单程转化率和苯。试计算苯的单程转化率和总转化率。总转化率。(1)Basic Concepts Per Pass Conversion and Total Conversion Pharmaceutical Engineering解：苯的单程转化率为解：苯的单程转化率为设苯的总转化率为设苯的总转化率为xT，则，则 对于某些反应，主要反应物的单程转化率可对于某些反应，主要反应物的单程转化

38、率可以很低，但总转化率却可以提高以很低，但总转化率却可以提高。 %0 .39%10010061100Ax%5 .97%1006010061100 xT(1)Basic Concepts Per Pass Conversion and Total Conversion Pharmaceutical Engineering例例4-6 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，其工艺流程如图对甲苯磺酸，其工艺流程如图3-11所示，试对该过所示，试对该过程进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯程进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯1000kg，纯度纯度99.9%

39、(wt%，下同，下同)；浓硫酸；浓硫酸1100kg，纯度，纯度98%；甲苯的转化率为甲苯的转化率为98%，生成对甲苯磺酸的选择性为，生成对甲苯磺酸的选择性为82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%，生成间甲，生成间甲苯磺酸的选择性为苯磺酸的选择性为8.8%；物料中的水约；物料中的水约90%经连续经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。 (2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering

40、解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。示意图。图图4-3 4-3 甲苯磺化过程物料衡算示意图甲苯磺化过程物料衡算示意图 原料甲苯：原料甲苯：1000kg 纯度纯度99.9% 浓硫酸：浓硫酸：1100kg 纯度纯度98% 磺化液磺化液 水水硫硫酸酸甲甲苯苯间间甲甲苯苯磺磺酸酸邻邻甲甲苯苯磺磺酸酸对对甲甲苯苯磺磺酸酸脱水器脱水器排水排水(90%)(90%) 甲甲 苯苯磺化釜磺化釜(2) Batch Operated Process82%9.2%8.8%选择性选择性 Pharmaceutical Engineering 图中共有图中共有4股物

41、料，物料衡算的目的就股物料，物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成，并据此编是确定各股物料的数量和组成，并据此编制物料平衡表。制物料平衡表。 对于间歇操作过程，常以单位时间间对于间歇操作过程，常以单位时间间隔隔(一个操作周期一个操作周期)内的投料量为基准进行内的投料量为基准进行物料衡算。物料衡算。(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering进料：进料： 原料甲苯中的原料甲苯中的甲苯量甲苯量为：为：1000 0.999=999kg 原料甲苯中的原料甲苯中的水量水量为：为：1000-999=1kg 浓硫酸中的浓硫酸中的硫酸量硫酸量为

42、：为：1100 0.98=1078kg 浓硫酸中的浓硫酸中的水量水量为：为：1100-1078=22kg 进料总量为：进料总量为：1000+1100=2100kg，其中含甲苯，其中含甲苯999kg，硫酸，硫酸1078kg，水，水23kg。(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering出料：反应消耗的甲苯量为：出料：反应消耗的甲苯量为：999 98%=979kg 未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：999-979=20kgCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C主反应主反应副反应副反应I ICH3CH3SO3H+

43、H2SO4+ H2O110140 0C110140 0C+ H2O+ H2SO4CH3SO3HCH3 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18副反应副反应IIII(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering反应生成的对甲苯磺酸量为：反应生成的对甲苯磺酸量为： 反应生成的邻甲苯磺酸量为：反应生成的邻甲苯磺酸量为： 反应生成的间甲苯磺酸量为：反应生成的间甲苯磺酸量为： 反应生成的水量为：反应生成的水量为： 8 .1500%82921729794 .168%2 . 9921729791 .161%8 . 892172

44、9795 .1919218979kgkgkgkg(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering经脱水器排出的水量为：经脱水器排出的水量为：(23+191.5) 90%=193.1kg磺化液中剩余的水量为：磺化液中剩余的水量为：(23+191.5)-193.1=21.4kg反应消耗的硫酸量为：反应消耗的硫酸量为： kg 未反应的硫酸量为：未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为：磺化液总量为：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg8 .10429298979(2) B

45、atch Operated Process Pharmaceutical Engineering表表4-3 4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表甲苯磺化过程的物料平衡表输输入入物料名称物料名称质量质量/kg/kg质量组成质量组成/%/%纯品量纯品量/kg/kg原料甲苯原料甲苯10001000甲苯甲苯99.999.9999999水水0.10.11 1浓硫酸浓硫酸11001100硫酸硫酸98.098.010781078水水2.02.02222总计总计21002100 21002100输输出出磺化液磺化液1906.91906.9对甲苯磺酸对甲苯磺酸78.778.71500.81500.8邻甲苯磺酸邻甲苯

46、磺酸8.838.83168.4168.4间甲苯磺酸间甲苯磺酸8.458.45161.1161.1甲苯甲苯1.051.0520.020.0硫酸硫酸1.851.8535.235.2水水1.121.1221.421.4脱水器排水脱水器排水193.1193.1水水100100193.1193.1总计总计21002100 21002100(2) Batch Operated Process Pharmaceutical Engineering例例4-7 在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其反应方程式为其反应方程式为 已知原料为无水乙醇已知原料为无水乙醇(纯度以纯度以

47、100%计计)，流量为，流量为1000kg h-1，其转化率为，其转化率为95%，乙醛收率为，乙醛收率为80%，试对该过程进行物料衡算。试对该过程进行物料衡算。 CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 同时存在副反应同时存在副反应C2H5OH CH3CHO + H2 (3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。图图4-4 4-4 乙醇催化脱氢制乙醛过程物料衡算示意图乙醇催化脱氢制乙醛过程物料衡算示意图 乙醇：乙醇：1500kg

48、纯度纯度100% 产物产物 氢氢气气乙乙酸酸乙乙酯酯乙乙醛醛乙乙醇醇乙醇催化乙醇催化脱氢制脱氢制乙醛反应器乙醛反应器 (3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering 图中仅有图中仅有1股进料和股进料和1股出料，且进料乙股出料，且进料乙醇的数量和组成为已知，因此，物料衡算的醇的数量和组成为已知，因此，物料衡算的目的就是为了确定出料的组成。该过程为连目的就是为了确定出料的组成。该过程为连续操作过程，以单位时间，即续操作过程，以单位时间，即1h内的进料量内的进料量为基准进行物料衡算比较方便。为基准进行物料衡算比较方便。(3) Co

49、ntinuous Operated Process Pharmaceutical EngineeringC2H5OH CH3CHO + H2CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 主反应方程式为主反应方程式为: 副反应方程式为副反应方程式为: :分子量分子量 46 44 2 分子量分子量 2 2 46=9246=92 88 2 88 2 2=4 2=4 (3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering出料：乙醇流量为出料：乙醇流量为 乙醛流量为乙醛流量为 乙酸乙酯流量为乙酸乙酯流量为 氢气流量为氢气流量为 或或 0 .

50、50)95.01 (10000 .72746448 .095.010007 .1819288)8 .01 (95.010003.417.1817275010003 .41924)8 . 01 (95. 010004628 . 095. 01000kg h-1kg h-1kg h-1kg h-1kg h-1(3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering表表4-4 4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡表乙醇催化脱氢过程物料平衡表输输入入物料物料名称名称流量流量/kg/kg h h-1输输出出物料物料名称名称流量流量/kg/kg h

51、h-1质量组质量组成成/%/%乙醇乙醇10001000100100乙醇乙醇50.050.05.05.0乙醛乙醛727.0727.072.772.7乙酸乙酸乙酯乙酯181.7181.718.218.2氢气氢气41.341.34.14.1总计总计10001000100100总计总计10001000100.0100.0质量组质量组成成/%/%(3) Continuous Operated Process Pharmaceutical Engineering 例例4-8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为：蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为：硝基蒽醌硝基蒽醌5.6%(质量百分比，下同质量百分比，下同)

52、、H2SO4 34.5%、HNO3 6.7%、H2O 53.2%。拟采用含量为。拟采用含量为18%、密、密度为度为932kg m-3的氨水将硝化液中和至的氨水将硝化液中和至pH=7。已知。已知每批操作硝化液的投料量为每批操作硝化液的投料量为3000kg，硝化液的密度，硝化液的密度为为1170kg m-3， ，试对硝化液中和过，试对硝化液中和过程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料的总体积保持不变。的总体积保持不变。91077. 11K水(4) Process involved Chemical Equilibrium Pharmaceutical Engineering 解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图，解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图，如图如图4-5所示。所示。 水水氨氨水水硝硝酸酸铵铵硫硫酸酸铵铵硝硝基基蒽蒽醌醌中和液中和液 %2 .53: %7 . 6: %5 .34:%6 . 5:水水硝硝酸酸硫硫酸酸硝硝基基蒽蒽醌醌硝化液硝化液:3000kg18%氨水氨水中中 和和反应器反应器图图4-5 4-5