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第九章制药设备设计物料衡算(一)

9.1 概述 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。 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 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。 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量平衡。 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、台数和主要工艺尺寸、确定消耗定额、并进行车间布置设计和管道设计。 二、物料衡算的类型 1.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,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 三、物料衡算的基本理论 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累起来的物料质量只和。公式表示为: 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准确数据,称原始数据。 设定值:如年生产天数、班次等 现场实际数据或文献数据:如投料量、配料比回收率、转化率、效价等 假定值(设定值、借用、推断值):如产品的纯度要求,物料的损失率等。 4.选定物料衡算基准 1)时间基准 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 对间歇过程,以处理一批物料的生产周期作基准。对连续过程可1天、1月或1年。 2)质量基准 对于液、固系统 ,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 。 若原料产品为单一化合物或组成已知,取物质量(mol)作基准更方便。对生药和中药可取单位质量的产品作基准。 3、体积基准 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。 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,不仅可以简化计算过程,而且可以缩小计算误差 5. 列出物料平衡表。 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 1.简单物理过程的物料衡算 例1 混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为H2SO4 46%(质量百分比,下同)、HNO3 46%、H2O 8%,配制混酸用的原料为92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含H2SO4 69%的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制1000kg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。 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意图。图中 为92.5%的硫酸用量, 为98%的硝酸用量, 为含69%硫酸的废酸用量。 解:取设备为衡算体系,1000千克混酸为计算基准 对HNO3进行物料衡算得 0.98 G硝酸= 0.46?1000 (a) 对H2SO4进行物料衡算得 0.925 G硫酸+ 0.69G废酸=0.46?1000 (b) 对H2O进行物料衡算得 0.02G硝酸+0.075G硫酸+0.31G废酸=0.08?1000 (c) 解得:G硝酸=469kg, G硫酸=399.5kg, G废酸=131.1kg 例2 一种废酸,组成为23%(w%) HNO3,57%H2SO4和20%H2O,加入93%的H2SO4及90%的HNO3,要求混合成 27%HNO3,60%H2SO4的混合酸,计算所需废酸及加入浓酸的量。 解:(1)画出流程简图 (2)选择计算基准 4个物流均可选,选取100kg混酸为基准。 (3)列物料衡算式 总物料衡算式 x+y+z=100 H2SO4的衡算式 0.57x+0.93y=100??0.6=60 HNO3的衡算式 0.23x+0.90z=100х0.27=27 解方程得: x=41.8kg; y=39kg; z=19.2kg 例3 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200kmol?h-1,其中含苯0.4(摩尔分率,下同),其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于0.01,塔顶馏出液中苯的回收率不低于98.5%,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。 解:以连续精馏塔为衡算范围,绘出物料衡算示意图。图中F为混合液的进料流量,D为塔顶馏出液的流量,W为塔底釜液的流量,x为苯的摩尔分率。 图中共有3股物料,3个未知数,需列出3个独立方程。 对全塔进行总物料衡算得,以1小时为计算基准 D+W=200

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