第九章 制药设备设计物料衡算(1)

1、第九章第九章 物料衡算物料衡算9.1 9.1 概述概述物料衡算即通过计算，求出各种物料的数量物料衡算即通过计算，求出各种物料的数量和组成。此时设计由定性转入定量。和组成。此时设计由定性转入定量。物料衡算是医药设计的基础，物料衡算是最物料衡算是医药设计的基础，物料衡算是最先进行的计算项目，其结果是后续各单项设先进行的计算项目，其结果是后续各单项设计，包括热量衡算、设备选型和计算、原材计，包括热量衡算、设备选型和计算、原材料消耗定额、管路设计等的依据。物料衡算料消耗定额、管路设计等的依据。物料衡算结果的直接关系到整个工艺设计可靠程度。结果的直接关系到整个工艺设计可靠程度。一、物料衡算的作用一、物料

2、衡算的作用利用实测得到的数据（文献和理论数据）计算利用实测得到的数据（文献和理论数据）计算出一些不能直接测定的数据。出一些不能直接测定的数据。计算出原料的消耗定额、产品和副产品的产了计算出原料的消耗定额、产品和副产品的产了以及三废的生成量，并在此数据基础上计算能以及三废的生成量，并在此数据基础上计算能量平衡。量平衡。在物料衡算的基础上，可进行设备的选型或工在物料衡算的基础上，可进行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、确定消耗定额、并进行车间布置设计和尺寸、确定消耗定额、并进行车间布置设计和管道设计。管道设计。二、物料衡算的类型二、

3、物料衡算的类型1.1.按物质变化分为：按物质变化分为： 物理过程的物料衡算：只发生相态和浓度的变化，物理过程的物料衡算：只发生相态和浓度的变化，主要体现在混合、分离过程，如流体的输送、结晶、主要体现在混合、分离过程，如流体的输送、结晶、过滤、干燥、粉碎、萃取、等单元操作过滤、干燥、粉碎、萃取、等单元操作丙酮丙酮6194.5kg6194.5kg丙酮丙酮476.5kg476.5kg结结晶晶罐罐纯品纯品176.2kg176.2kg母液母液6487.4kg6487.4kg损失损失7.4kg7.4kg 化学过程的物料衡算：发生化学合成反应，通过化化学过程的物料衡算：发生化学合成反应，通过化学学 组分平衡

4、和元素平衡进行计算。主要涉及化学反组分平衡和元素平衡进行计算。主要涉及化学反应速率、转化率、收率等。应速率、转化率、收率等。甲苯：甲苯：1000kg 1000kg 浓硫酸：浓硫酸：1100kg 1100kg 磺化液磺化液 排水排水193.1kg193.1kg 磺化釜磺化釜 水水1.12kg1.12kg 硫酸硫酸1.851.85 甲苯甲苯1.05kg1.05kg 间甲苯磺酸间甲苯磺酸8.45kg8.45kg 邻甲苯磺酸邻甲苯磺酸8.83kg8.83kg 对甲苯磺酸对甲苯磺酸78.7kg78.7kgCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C 按操作方式分为：按操作方式分为： 连

5、续过程的物料衡算连续过程的物料衡算 间歇过程的物料衡算间歇过程的物料衡算 按衡算目的分为：按衡算目的分为： 操作型操作型对已有设备或装置进行衡算对已有设备或装置进行衡算 设计型设计型设计新的设备或装置设计新的设备或装置三、物料衡算的基本理论三、物料衡算的基本理论物料平衡方程式物料平衡方程式 理论基础是质量守恒定律：它是指在一个特定的物系理论基础是质量守恒定律：它是指在一个特定的物系中，进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和必中，进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和必定等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和积定等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和积累起来的物料质量只和。公式表示为

6、：累起来的物料质量只和。公式表示为：m进料进料m生成生成m出料出料m积累积累m消耗消耗+ + + += =物系物系: :是人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完是人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完成的研究对象成的研究对象, ,也称体系或系统也称体系或系统. .他可以是一个单元操作他可以是一个单元操作, ,一个反应一个反应, ,也可以是一个车间、工段或设备。也可以是一个车间、工段或设备。对孤立的封闭系统，公式为：对孤立的封闭系统，公式为：m积累积累m进料进料m出料出料-= =若物系中没有积累计量时，公式可简化为：若物系中没有积累计量时，公式可简化为：m进料进料m出料出料=四、物料衡算

7、的基本方法和步骤四、物料衡算的基本方法和步骤 计算前，要尽可能收集足够的的合乎实际的计算前，要尽可能收集足够的的合乎实际的准确数据，称原始数据。准确数据，称原始数据。 设定值：设定值：如年生产天数、班次等如年生产天数、班次等 现场实际数据或文献数据：现场实际数据或文献数据：如投料量、配料如投料量、配料比回收率、转化率、效价等比回收率、转化率、效价等 假定值（设定值、借用、推断值）：假定值（设定值、借用、推断值）：如产品如产品的纯度要求，物料的损失率等。的纯度要求，物料的损失率等。1.1.收集与计算所必需的基本数据收集与计算所必需的基本数据 若有化学反应，要写出所有物系的化学反应若有化学反应，要

8、写出所有物系的化学反应方程式。方程式。 如硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸如硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸2.2.列出反应方程式，包括主反应和副反应列出反应方程式，包括主反应和副反应 主反应主反应 副反应副反应I I 副反应副反应IIIICH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0CCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C110140 0C+ H2O+ H2SO4CH3SO3HCH3 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 183.3.根据给定条件画出流程简图根据给定条件画出流程简图画流程简图步骤及要点如下：画流程简图步骤及要点如下： 1 1）流程

9、简图中的设备可用）流程简图中的设备可用方框方框表示表示; ; 2 2）用线条和箭头表示物料流股的）用线条和箭头表示物料流股的途径和流向途径和流向； 3 3）标出流股的）标出流股的已知变量已知变量（流量、组成等）（流量、组成等） 4 4）未知量未知量用用符号符号表示。表示。 根据已知量和未知量划定体系，利用根据已知量和未知量划定体系，利用已知条件已知条件，或或设定条件设定条件计算出计算出未知量未知量 ) )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。 要求所列要求所列独立方程式的数目独立方程式的数目= =未知数的数目未知数的数目 反应系统反应系统原料苯原料苯500kg含甲

10、苯含甲苯F3异丙苯异丙苯F1原料丙烯原料丙烯800kg剩余丙烯剩余丙烯剩余苯剩余苯剩余甲苯剩余甲苯4.4.选定物料衡算基准选定物料衡算基准 1 1）时间基准）时间基准 对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基准可与生产规模直接联系准可与生产规模直接联系 对间歇过程，以处理对间歇过程，以处理一批物料一批物料的生产周期作基准的生产周期作基准。对连续过程可对连续过程可天、月或年天、月或年。 2 2）质量基准）质量基准 对于液、固系统对于液、固系统 ，因其多为复杂混合物选择一定，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准质量的原料或产品作为计算基

11、准 。 若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（molmol）作基准更方便。对生药和中药可取单位质）作基准更方便。对生药和中药可取单位质量的产品作基准。量的产品作基准。 3 3、体积基准、体积基准 对气体和液体也可选用体积作基准。即以单位体对气体和液体也可选用体积作基准。即以单位体积的原料或产品为基准进行物料衡算。积的原料或产品为基准进行物料衡算。 在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的衡算基准。合理地选择衡算基准，不仅可以简化衡算基准。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计算

12、过程，而且可以缩小计算误差例题 丙烷充分燃烧时，通入的空气量为理论量的125，反应式为C3H8+5O23CO2+4H2O问100mol 燃烧产物需要多少摩尔空气？3燃烧过程燃烧过程C3H8 1空气空气 O221, 2 N279CO2H2OO2N2解：画出物料流程示意图（一）取（一）取1mol C3H8 为计算基准为计算基准完全燃烧所需氧的理论量完全燃烧所需氧的理论量 5mol实际供氧量实际供氧量 1.2556.25mol供空气量供空气量 6.250.2129.76mol烟道气中烟道气中N2量量 29.760.7923.51mol烟道气中水量烟道气中水量 4mol烟道气中烟道气中CO2量量 3m

13、ol烟道气中氧量烟道气中氧量 6.2551.25mol产生烟道气的量3+4+1.25+23.5131.76mol100mol烟道气所需空气的量10029.7631.7693.7mol（二）取（二）取1mol 空气为计算基准空气为计算基准1mol 空气为计算基准中氧量为0.21mol燃烧丙烷耗氧量 0.211.250.168 mol燃烧丙烷的量 0.16850.0336mol100mol烟道气所需空气的量: 1001.068 93.6mol5. 列出物料平衡表。列出物料平衡表。 包括输入和输出的物料包括输入和输出的物料 由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围由计算结果查核计算正确性，必要时

14、说明误差范围组分组分 输入输入 输出输出 kg/h kg/h w% w% kmol/hkmol/h y% y% kg/h kg/h w% w% kmol/hkmol/h y% y% A AB BC C总计总计 第二节第二节 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 1.1.简单物理过程的物料衡算简单物理过程的物料衡算 例例1 1 混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为H H2 2SOSO4 4 46%( 46%(质量百分比，下同质量百分比，下同) )、HNOHNO3 3 46% 46%、H H2 2O 8O 8% %，配制混酸用的原料为，配制混酸用的原料为92

15、.5%92.5%的工业硫酸、的工业硫酸、98%98%的的硝酸及含硝酸及含H H2 2SOSO4 4 69% 69%的硝化废酸。试通过物料衡算的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制确定配制1000kg1000kg混酸时各原料的用量。为简化计混酸时各原料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。解：解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡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意图。图算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图中中 为为92.5%92.5%的硫酸用量，的硫酸用量， 为为98%98%的硝酸

16、用的硝酸用量，量， 为含为含69%69%硫酸的废酸用量。硫酸的废酸用量。42SOHG3HNOG废G硝化混酸硝化混酸1000kg 1000kg 3HNOG42SOHG废废G混酸配制混酸配制搅搅 拌拌 釜釜图图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解：取设备为衡算体系，解：取设备为衡算体系，10001000千克千克混酸为计算基准混酸为计算基准 对对HNOHNO3 3进行物料衡算得进行物料衡算得 0.98 G0.98 G硝酸硝酸= 0.46= 0.46 1000 (a)1000 (a) 对对H H2 2SOSO4 4进行物料衡算得进行物料衡算得 0.925 G0.925

17、 G硫酸硫酸+ 0.69G+ 0.69G废酸废酸=0.46=0.46 1000 (b) 1000 (b) 对对H H2 2O O进行物料衡算得进行物料衡算得 0.02G0.02G硝酸硝酸+0.075G+0.075G硫酸硫酸+0.31G+0.31G废酸废酸=0.08=0.08 1000 (c)1000 (c) 解得：解得：G G硝酸硝酸=469kg,=469kg, G G硫酸硫酸=399.5kg,=399.5kg, G G废酸废酸=131.1kg=131.1kg 输输入入物料名物料名称称工业品工业品量量/kg质量组成质量组成%输输出出物料名称物料名称工业品量工业品量/kg质量组成质量组成%硝酸硝

18、酸469.4HNO3：98H2O:2硝化混酸硝化混酸1000H2SO4:92.5HNO3：98H2O:31硫酸硫酸399.5H2SO4:92.5H2O:7.5废酸废酸131.1H2SO4:69H2O:31总计总计1000总计总计1000混酸配制过程的物料平衡表混酸配制过程的物料平衡表表中输入、输出两栏中的总量与个分量的合计总数应当都相等表中输入、输出两栏中的总量与个分量的合计总数应当都相等例例2 2 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(w%)(w%)HNOHNO3 3，5757H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2O O，加入，加入9393的的H H2 2SOSO4 4及及9

19、090的的HNOHNO3 3，要求混合成，要求混合成 2727HNOHNO3 3，6060H H2 2SOSO4 4的混合酸，计的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量。算所需废酸及加入浓酸的量。 解：解：（1 1）画出流程简图）画出流程简图混合过程混合过程废酸废酸 xkgxkgHNOHNO3 3 0.23 0.23H H2 2SOSO4 4 0.57 0.57H H2 2O 0.20O 0.20 z kgz kgHNOHNO3 3 0.90 0.90H H2 2O 0.10O 0.10混合酸混合酸 HNOHNO3 3 0.27 0.27H H2 2SOSO4 4 0.60 0.60H H2 2O

20、 0.13O 0.13y kgy kgH H2 2SOSO4 4 0.93 0.93H H2 2O 0.07O 0.07 （2 2）选择计算基准）选择计算基准 4 4个物流均可选，选取个物流均可选，选取100kg100kg混酸为基准。混酸为基准。 （3 3）列物料衡算式）列物料衡算式 总物料衡算式总物料衡算式 x+y+zx+y+z=100=100 H H2 2SOSO4 4的衡算式的衡算式 0.57x+0.93y=1000.57x+0.93y=1000.6=600.6=60 HNOHNO3 3的衡算式的衡算式 0.23x+0.90z=1000.27=270.23x+0.90z=1000.27=

21、27 解方程得：解方程得： x=41.8kg; y=39kg; z=19.2kgx=41.8kg; y=39kg; z=19.2kg 例例3 3 拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知混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合液的进料流量为200kmol200kmol h h-1-1，其中含苯，其中含苯0.4(0.4(摩尔摩尔分率，下同分率，下同) )，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于含量不高于0.010.01，塔顶馏出液中苯的回收率不低于，塔顶馏出液中苯的回收率不低于9 98.5%8.5%，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液，

22、试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。 解：解：以连续精馏塔为以连续精馏塔为衡算范围衡算范围, ,绘出物料衡绘出物料衡算示意图。图中算示意图。图中F F为混为混合液的进料流量合液的进料流量,D,D为为塔顶馏出液的流量塔顶馏出液的流量,W,W为塔底釜液的流量为塔底釜液的流量,x,x为苯的摩尔分率。为苯的摩尔分率。 图中共有图中共有3 3股物料，股物料，3 3个未知数，需列出个未知数，需列出3 3个个独立方程。独立方程。精精馏馏塔塔图图4-2 4-2 苯和甲苯混合液精馏苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算过程物料衡算F=20

23、0kmol. h-1 xF=0.4D, xDW, xW=0.01 对全塔进行总物料衡算得，以小时为计算基准对全塔进行总物料衡算得，以小时为计算基准 D+W=200 (a) D+W=200 (a) 对苯进行物料衡算得对苯进行物料衡算得 D Dx xD D +0.01W =200 +0.01W =200 0.40.4 (b) (b) 由塔顶馏出液中苯的回收率得由塔顶馏出液中苯的回收率得 D Dx xD D =200 =200 0.40.4 0.985 0.985 (c) (c) 联解式联解式(a)(a)、(b)(b)和和(c)(c)得得 D=80kmolD=80kmol h h-1-1，W=120

24、 kmolW=120 kmol h h-1-1，x xD D=0.985=0.985. .中药制药过程的物料衡算中药制药过程的物料衡算 例例 某复方中药制剂，其各味原药材采用三级某复方中药制剂，其各味原药材采用三级逆流罐水提取工艺，每级提取罐每批拟投中药材逆流罐水提取工艺，每级提取罐每批拟投中药材总重总重100kg,100kg,药材在罐内预先用水润湿，据测定每药材在罐内预先用水润湿，据测定每1 1kgkg干药材可吸水干药材可吸水1kg1kg。浸提加倍量药材的水已。浸提加倍量药材的水已知三级水提取的总出液系数：知三级水提取的总出液系数：8.04kg8.04kg提取液提取液kgkg药材；提取液中固

25、溶物含量药材；提取液中固溶物含量0.578%;0.578%;三级提取后得三级提取后得到的浓浸提液密度为到的浓浸提液密度为1020kg/m3;1020kg/m3;蒸汽蒸馏得挥发蒸汽蒸馏得挥发油油0.001kg0.001kg挥发油挥发油kgkg药材，馏出时的组成药材，馏出时的组成0.3%0.3%。对该三级提取作物料衡算。对该三级提取作物料衡算。MM浓浸提液浓浸提液(100)(100)三级浸提三级浸提提取罐提取罐图图4-4- 三级提取过程物料衡算示意图三级提取过程物料衡算示意图3 3100kg100kg3 3100kg100kg3 3800kg800kg中中药药材材润湿药润湿药材水材水浸提用水浸提用

26、水MM水汽水汽(100(100)MM挥发挥发油油MM水水(100)(100)MM药药渣渣(100)(100)MM挥发挥发油油 = 300= 3000.001 = 0.3 (kg)0.001 = 0.3 (kg)蒸汽蒸馏得挥发油蒸汽蒸馏得挥发油0.001kg0.001kg挥发油挥发油kgkg药材，馏出时的组成药材，馏出时的组成0.3%0.3%。MM水水(100) (100) 0.3% 0.3% = MM挥发挥发油油 MM水水(100)(100) =100 (kg)=100 (kg)MM浓浸提液浓浸提液(100) = 300 (100) = 300 8.04 = 2412 (kg) 8.04 =

27、2412 (kg)已知三级水提取的总出液系数：已知三级水提取的总出液系数：8.04kg8.04kg提取液提取液kgkg药材药材提取液中固溶物含量提取液中固溶物含量0.578%;0.578%; 输输入入 = = 输输出出 3 31001003 31001003 3800+100=800+100=MM浓浸提液浓浸提液(100)+ (100)+ MM挥发挥发油油 MM水水(100)(100) + + MM药药渣渣(100)(100)得：得：MM药药渣渣(100)(100) 587.70kg587.70kg 输输入水量入水量 = = 输输出水量出水量 提取液中固溶物含量提取液中固溶物含量0.578%;

28、0.578%;3 3800+100=800+100=MM浓浸提液浓浸提液(100)(100) MM固溶物固溶物MM水水(100)(100) + + MM药药渣含渣含水水MM固溶物固溶物 MM浓浓浸提液浸提液 0.578%=13.94 (kg) 0.578%=13.94 (kg)得：得：MM药药渣含水渣含水 301.94 (kg)301.94 (kg)浓浸提液浓浸提液(100)(100)2412kg 2412kg 三级浸提三级浸提提取罐提取罐图图4-4- 三级提取过程物料衡算示意图三级提取过程物料衡算示意图3 3100kg100kg3 3100kg100kg3 3800kg800kg中中药药材材

29、润湿药润湿药材水材水浸提用水浸提用水100100水汽水汽100kg100kg挥发挥发油水油水(100)(100)0.3kg0.3kg100kg100kg药药渣渣587.70kg (100587.70kg (100)内含物内含物质质量量物流名称物流名称输入输入输出输出总量总量可浸可浸出物出物挥发挥发油油净药渣净药渣水水总量总量可浸可浸出物出物挥发挥发油油净药渣净药渣水水投入中药材投入中药材3003003003002402400 010010013.94 13.94 0.30.3285.76285.7630030024002400100100100.3100.324122412587.7587.7

30、13.9413.940.30.3285.76285.761001002398.062398.06301.94301.94 润湿药材用水润湿药材用水浸提用水浸提用水水蒸汽直接蒸水蒸汽直接蒸汽汽挥发油馏出物挥发油馏出物浓浸提液浓浸提液药渣药渣合计合计3103100 013.9413.940.30.3285.76285.76280028003100310013.9413.940.30.3285.76285.7628002800三级提取过程物料衡算表三级提取过程物料衡算表第三节第三节 化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算 1.1.反应转化率、选择性及收率反应转化率、选择性及收率 （1 1）转化率）转化

31、率 限制反应物限制反应物 化学反应原料不按化学计量比配料时，以化学反应原料不按化学计量比配料时，以 最小化学计量数最小化学计量数存在的反应物。存在的反应物。 过量反应物过量反应物 反应物的量反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理超过限制反应物完全反应所需的理论量论量的，该反应物叫过量反应物。的，该反应物叫过量反应物。转化率转化率x x 某反应物的反应消耗量与反应物的原始投料量之比。某反应物的反应消耗量与反应物的原始投料量之比。 反应：反应：aA+bB cC +dDaA+bB cC +dD 反应体系反应体系N NA1A1N NA2A2%100121AAAANNNX例例 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲

32、苯磺酸。已知甲甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料量为苯的投料量为1000kg1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸，反应产物中含对甲苯磺酸1460k1460kg g，未反应的甲苯，未反应的甲苯20kg20kg。试分别计算甲苯的转化率。试分别计算甲苯的转化率。解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为 CH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C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%98%1001000201000 xA 注意：注意： 1 1）要注明是指那种）要注明是指那种反应物反应物的转化率的转化率 ； 2 2）反应掉的量应包括）反

33、应掉的量应包括主副反应主副反应消耗的原料之和；消耗的原料之和； 3 3）若未指明是那种反应物的转化率，则常指）若未指明是那种反应物的转化率，则常指主要主要反应物或限制反应物反应物或限制反应物的转化率。的转化率。（）收率（）收率Y Y 目标产物的收率可用转化为该产物的反应物目标产物的收率可用转化为该产物的反应物的量与反应物的原始投料量之比来表示。的量与反应物的原始投料量之比来表示。y y= = 按目按目标产标产物收得量折算的反物收得量折算的反应应物的量物的量 反反应应物的投料量物的投料量 100%100%aA + bBaA + bB cC + cC + dDdDl - - 生成目标产物所消耗的某

34、原料的量该原料投生成目标产物所消耗的某原料的量该原料投入量的百分数。入量的百分数。y y= = N ND D 100%100%aMdaMddMadMaN NA1A1质量收率质量收率y ymm= = 目目标产标产物的物的质质量量 投入某原料的投入某原料的质质量量 100%100%（3 3）选择性）选择性 生成目的产物所消耗的某原料量占该原料反应量生成目的产物所消耗的某原料量占该原料反应量的百分数。的百分数。 若有反应若有反应 ：aA dDaA dD 反应体系反应体系N NA1A1N NA2A2 = = N ND D 100%100%aMdaMddMadMaN NA1A1 N NA A 若反应体系

35、中存在副反应，则在各主、副产物中，若反应体系中存在副反应，则在各主、副产物中，转化成目标产物的反应物的量与反应物的反应消耗转化成目标产物的反应物的量与反应物的反应消耗量之比称反应的选择性。量之比称反应的选择性。y y= = 按目按目标产标产物收得量折算的反物收得量折算的反应应物的量物的量 反反应应物的消耗量物的消耗量 100%100%xy转化率选择性和收率的关系转化率选择性和收率的关系例例 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料量为苯的投料量为1000kg1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸，反应产物中含对甲苯磺酸1460k1460kg g，未反应

36、的甲苯，未反应的甲苯20kg20kg。试分别计算对甲苯磺酸的收率。试分别计算对甲苯磺酸的收率和选择性。和选择性。解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为 CH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C分子量分子量 92 98 172 18 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%1 .78%1001721000921460y%7 .79%100172)201000(921460例题例题 苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为8484，温度为温度为523K523K、压力、压力1.722MPa1.722MPa

37、、苯与丙烯的摩尔比为、苯与丙烯的摩尔比为5 5。原料苯中含有原料苯中含有5 5的甲苯，假定不考虑甲苯的反应，计的甲苯，假定不考虑甲苯的反应，计算产物的组成。算产物的组成。 解：画解：画出流程出流程简图简图 反应系统反应系统原料苯原料苯含甲苯含甲苯F3异丙苯异丙苯F1. .间歇过程物料衡算间歇过程物料衡算原料丙烯原料丙烯剩余丙烯剩余丙烯剩余苯剩余苯剩余甲苯剩余甲苯选定体系如图选定体系如图，基准为原料苯，基准为原料苯F F2 2100mol100mol，由题意，由题意知：原料丙烯知：原料丙烯F F1 120mol20mol。 过程中化学反应式过程中化学反应式 C C6 6H H6 6+C+C3 3

38、H H6 6CC6 6H H5 5C C3 3H H7 7纯原料苯纯原料苯100mol 100mol 95%=95mol 95%=95mol已知丙烯转化率为已知丙烯转化率为8484原料丙烯原料丙烯剩余丙烯剩余丙烯原料丙烯原料丙烯=84%=84%则则剩余丙烯剩余丙烯3.2mol3.2mol则则消耗丙烯消耗丙烯= =20-3.220-3.216.8 (mol)16.8 (mol)剩余苯剩余苯=95-16.8=78.295-16.8=78.2（molmol）剩余甲苯剩余甲苯=5mol衡算式：衡算式： 输入输入 输出输出原料丙烯原料丙烯剩余丙烯剩余丙烯消耗丙烯消耗丙烯则则消耗苯消耗苯= =消耗丙烯消耗

39、丙烯 16.8 (mol)16.8 (mol)异丙烯异丙烯=消耗丙烯消耗丙烯 16.8 (mol)16.8 (mol) 输输 入入 输输 出出苯苯9578.2丙烯丙烯203.2甲苯甲苯55异丙烯异丙烯16.8 总计总计120103.2反应过程的物料平衡表反应过程的物料平衡表 过程中化学反应式过程中化学反应式 C C6 6H H6 6+C+C3 3H H6 6CC6 6H H5 5C C3 3H H7 7 输输 入入 输输 出出苯苯74106099.6丙烯丙烯840134.4甲苯甲苯460460异丙烯异丙烯2016 总计总计8710871078 42 12078 42 120例例4 46 6在间

40、歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料甲苯甲苯1000kg1000kg，纯度，纯度99.999.9（质量）；浓硫酸（质量）；浓硫酸111100kg00kg，纯度，纯度9898，甲苯转化率为，甲苯转化率为9898，生成对，生成对甲苯磺酸的选择性为甲苯磺酸的选择性为8282，生成邻甲苯磺酸的，生成邻甲苯磺酸的选择性为选择性为9.29.2，生成间甲苯磺酸的选择行为，生成间甲苯磺酸的选择行为8.8.8 8，物料中的水约，物料中的水约9090经连续脱水器排出。经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设

41、原料中除纯品外都是此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且磺化过程中无物料损失。水，且磺化过程中无物料损失。解：解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图，取一个操作周期内的投料量为基准。示意图，取一个操作周期内的投料量为基准。 进料：进料： 原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：10001000 0.999=999kg0.999=999kg 原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg 1000-999=1kg 原料甲苯：原料甲苯：1000kg 1000kg 纯度纯度 99.9%99.9% 浓硫酸：浓硫酸：110

42、0kg 1100kg 纯度纯度 98%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 排排 水水 甲苯磺甲苯磺化釜化釜过程主反应副反应过程主反应副反应 主反应主反应 副反应副反应I I 副反应副反应IIIICH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0CCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C110140 0C+ H2O+ H2SO4CH3SO3HCH3 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18生成对甲苯磺酸的选择性为生成对甲苯磺酸的选择性为8282N N甲苯甲苯N N

43、对甲苯磺酸对甲苯磺酸N N对甲苯磺酸对甲苯磺酸9292172172N N甲苯消耗甲苯消耗8282 N N对对甲甲苯苯磺酸磺酸979979172172929282%=1500.882%=1500.88 8(kg)(kg)同理同理N N邻邻甲甲苯苯磺酸磺酸97997917217292929.2%=168.4(kg)9.2%=168.4(kg) N N间间甲甲苯苯磺酸磺酸97997917217292928.8%=161.1(kg)8.8%=161.1(kg)反应生成的水量为反应生成的水量为 N N水水97997918189292=191.5(kg)=191.5(kg)经脱水器排出的水量为经脱水器排出

44、的水量为 N N水排水排（23+191.5) 23+191.5) 90%=193.1(kg)90%=193.1(kg)磺化液中剩余的水量为磺化液中剩余的水量为 N N水剩余水剩余（23+191.5) 23+191.5) -193.1=21.4(kg)-193.1=21.4(kg)反应消耗的硫酸量为反应消耗的硫酸量为 N N硫酸消耗硫酸消耗97997998989292=1042.8(kg)=1042.8(kg)未反应的硫酸量为未反应的硫酸量为N N硫酸硫酸1078-1042.8=35.2(k1078-1042.8=35.2(kg)g)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

45、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2100210021002100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.

46、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例例4-6-14-6-1在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产在间歇式反应釜中用浓硫酸磺化生产对甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投对甲苯磺酸，试对该过程作物料衡算。已知投料甲苯料甲苯1000kg1000kg，纯度，纯度99.999.9（质量）；浓硫酸（质量）；浓硫酸1100kg1100kg，纯度，纯度9898，甲苯转化率为，甲苯转化率为9898，收率，收率为为80.3680.36，物料中的水约，物料中的水约9090经连续脱水

47、器经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且磺化过程中无物料损失。外都是水，且磺化过程中无物料损失。产品收率产品收率80.36%: 80.36%: 合成主产品甲苯消耗合成主产品甲苯消耗99999980.3680.36%=%=802.796 802.796 (kg)(kg) 物质的量物质的量= =802.796/92802.796/92= =8.726kmol8.726kmol 反应反应1 1：1 1进行，生成产品进行，生成产品对甲苯磺酸的量：对甲苯磺酸的量： Y Y产品产品=8.726=8.726172=1500.88kg172=1

48、500.88kg年产年产500500吨对甲苯磺酸车间设计吨对甲苯磺酸车间设计 对甲苯磺酸产品的纯度对甲苯磺酸产品的纯度9999，磺化液中对甲苯，磺化液中对甲苯磺酸的提取率为磺酸的提取率为7979，对甲苯磺酸的精制过程收率，对甲苯磺酸的精制过程收率为为9898. .原料甲苯：原料甲苯：1000kg 1000kg 纯度纯度 99.9%99.9% 浓硫酸：浓硫酸：1100kg 1100kg 纯度纯度 98%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 排排 水水 甲苯磺甲苯磺化釜化釜衡算基准：衡算基准：1000kg1000kg对甲

49、苯磺酸产品对甲苯磺酸产品 设磺化液中纯对甲苯磺酸的量为设磺化液中纯对甲苯磺酸的量为kgkg 则：则：79% 79% 98%=1000 98%=1000 99%99% =1000 =1000 99%=1278.7 (kg)99%=1278.7 (kg) W W原料甲苯原料甲苯1278.71278.71500.81500.81000=852(kg)1000=852(kg) W W原料硫酸原料硫酸1278.71278.71500.81500.81100=937.2(kg)1100=937.2(kg) 则生产则生产500500吨对甲苯磺酸需原料的量为：吨对甲苯磺酸需原料的量为：甲苯甲苯852 852

50、500=426000 (kg)500=426000 (kg)硫酸硫酸937.2937.2500=468600 (kg)500=468600 (kg)例例4-7 4-7 在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其反应方程式为醛，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100%100%计计) )，流量为，流量为10001000kgkg h h-1-1，其转化率为，其转化率为95%95%，乙醛收率为，乙醛收率为80%80%，试对该，试对该过程进行物料衡算过程进行物料衡算CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 同时存在副反应同时存在副反

51、应C2H5OH CH3CHO + H2. .连续过程物料衡算连续过程物料衡算解：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。 过程为连续操作过程，以单位时间，即过程为连续操作过程，以单位时间，即1h1h内的进料内的进料量为基准进行物料衡算比较方便量为基准进行物料衡算比较方便 主反应方程式为主反应方程式为 乙醇催化乙醇催化 脱氢制脱氢制 乙醛反应器乙醛反应器 乙醇：乙醇：1500kg 1500kg 纯度纯度100% 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C2H5OH CH3CHO + H2分子量分子量 46 44 2 46 44 2

52、副反应方程式为副反应方程式为: : 出料：乙醇流量为出料：乙醇流量为CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 分子量分子量 92 88 492 88 4乙醛流量为乙醛流量为 hkg0 .72746448 . 095. 01000乙酸乙酯流量为乙酸乙酯流量为 hkg7 .18192888 . 0195. 010000 .50)95. 01 (1000kg/h氢气流量为氢气流量为 hkg3 .417 hkg3.419248.0195.010004628.095.01000 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

53、名称流量流量/kg/kg h h-1-1输输 出出物料物料名称名称流量流量/kg/kg h h-1-1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/% /% 生物制药物料衡算生物制药物料衡算例：例：硫酸新霉素发酵车间物料衡算硫酸新霉素发酵车间物料衡算 砂土孢子砂土孢子 斜面孢子斜面孢子 母摇瓶培养母摇瓶培养 孢子培养

54、孢子培养 2 2孢子培养孢子培养22，( (小于三天小于三天) )摇瓶培养摇瓶培养 2727，68-72h68-72h种子培养种子培养2727，45-48h 45-48h 发酵培养液发酵培养液27.527.5，180-220H180-220H通通气气1 1：0.58V/V/min0.58V/V/min发酵液发酵液 提取，精制提取，精制硫酸新霉素发酵工艺流程框图硫酸新霉素发酵工艺流程框图 种子培养基种子培养基发酵培养基发酵培养基种类种类指标量指标量种类种类指标量指标量种类种类指标量指标量玉米浆玉米浆2.52.5硫酸铵硫酸铵0.2750.275玉米油玉米油0.080.08蔗糖蔗糖1.751.75碳

55、酸钙碳酸钙0.2750.275消沫剂消沫剂0.040.04表表2-1 2-1 种子培养基：（）种子培养基：（） 种类种类指标量指标量种类种类指标量指标量种类种类指标量指标量CaCOCaCO3 30.30.3NaNa2 2SOSO4 40.70.7玉米浆玉米浆5 5FeSOFeSO4 40.030.03消沫剂消沫剂0.010.01接种量接种量10%10%表表2-2 2-2 发酵培养基：（）发酵培养基：（）发酵培养基组成配比发酵培养基组成配比 指标名称指标名称单位单位指标数指标数指标名称指标名称单位单位指标数指标数生产规模生产规模t/at/a300300发酵周期发酵周期天天8 8生产方法生产方法微

56、生物发酵微生物发酵共沸结晶共沸结晶发酵糖浓度发酵糖浓度Kg/mKg/m3 3137.5137.5发酵单位发酵单位 /ml/ml2200022000 发酵液收率发酵液收率98%98%成品效价成品效价/mg/mg677677提炼收率提炼收率85%85%产品质量产品质量纯度纯度 98%98%糖化率糖化率85%85%倒罐率倒罐率1.0%1.0%硫酸新霉素对新霉素产率硫酸新霉素对新霉素产率147%147%硫酸新霉素发酵工艺指标硫酸新霉素发酵工艺指标 衡算基准衡算基准1000kg1000kg硫酸新霉素成品：硫酸新霉素成品： 成品效价：成品效价：677U/mg=677677U/mg=6771000000U/kg 1000000U/kg 意为：意为：kgkg成品中含有成品中含有67767710000001000000个抑（抗）菌单位个抑（抗）菌单位发酵液的