Review Office：029-82656327-801 Mobile：15877657967 Email：mengge@mail.xjtu.edu.cn Time：2014, 9, 28，2:30~4:30 pm Location：药教楼5

Review on 2014, 9, 28 Section I Introduction Action，Task，Basic procedures， Result Section II Techniques for Designing Engineering and Process Flow Comparison，Euphorization，Techinical Problems Section III Diagram of Engineering and Process Flow 1. Block Flow Sheet （BFS） 2. Simplified Flow Sheet （SFS） 3. Material Flow Chart （MFC） 4. Process Control Diagram (PCD) Piping and Instrumentation Diagram (PID)

四、常见单元仪表的自控流程

② 减压精馏塔 改变不凝性气体抽吸量 旁路吸入空气或惰性气体

③ 加压塔 调节冷却剂流量 分程控制方案 不含不凝性气体 少量不凝性气体

若含不凝性气体，则改变气相排放量控制塔压 ③ 加压塔 若含不凝性气体，则改变气相排放量控制塔压

精馏塔的温度控制 扬汤止沸： 改变塔顶冷凝液的回流量是控制塔顶温度的常用方法。 釜底抽薪： 再沸器的温度一般可通过调节加热剂的流量来控制。

精馏塔的流量控制 改变釜中物量：精馏塔的进料量、回流量、塔顶出料量、塔釜出料量等流量可以进行控制和改变。

精馏塔的液位控制 塔釜、回流罐的液位自控流程图

4. 反应器的自控流程 反应器是药品生产中的常用设备，其控制变量主要有温度、压力、进料量等。 温度控制 必要性：化学反应大多具有一定的温度要求，保持生产方法所规定的反应温度，是使生产过程按照给定方法进行的必要条件之一。因此，对反应温度进行控制时十分必要的。

釜式反应器的温度控制 优点：简单，仪表较少。 缺点：当釜内物料较多时，温度滞后比较严重；当物料温度不均时还会造成局部过冷或过热。 改变冷却剂流量控制反应温度：适用于对温度要求不高的场合。

串接温度的控制方案 反应温度与冷却剂流量串联 反应温度与夹套温度串联

进料流量控制 进料流量控制方案

（五）带控制点的工艺流程图 当物料流程确定后，即可进行设备和管道以及仪表和自控设计，在此基础上，可绘制出带控制点的工艺流程图。 Example：由对氯甲苯生产二氯甲苯

例：二氯甲苯的生产工艺 氯化：反应釜 水洗：水洗釜 精馏：精馏塔 产品收集：接收管

二氯甲苯精馏工段带控制点的工艺流程图 图例解释：图中设备位号V1102表示反应工段的水洗釜。对生产过程要求较高的参数采用集中检测和控制，由计算机统一管理。分离工段的显示仪表主要有各泵出口的压力显示、蒸馏罐及精馏塔顶的温度和压力显示与记录 (包括现场指示仪表及控制室计算机集中显示)、全凝器热介质的出口温度、接收罐和缓冲罐的压力显示与记录等。控制回路有循环泵的流量控制、全凝器热介质的出口温度控制、回流比的控制、缓冲罐的真空度控制等。

丙烯酸甲酯施工阶段工艺流程图

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第四章 物料衡算 Chapter IV. Material Balance 孟歌 Office：029-82656327-801 Mobile：15877657967 Email：mengge@mail.xjtu.edu.cn Time：2014, 9, 28，2:30~4:30 pm Location：药教楼5

物料衡算的概念 在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。”对物料平衡进行计算称为物料衡算。 物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。

第四章 物料衡算 4.1 概述 4.2 物料衡算的基本理论 4.3 物料衡算举例 4.3.1 物理过程的物料衡算 第四章 物料衡算 4.1 概述 4.2 物料衡算的基本理论 4.3 物料衡算举例 4.3.1 物理过程的物料衡算 4.3.2 化学过程的物料衡算 1.反应转化率、选择性及收率 （1）限制反应物 （2）过量反应物 （3）过量百分数 （4）转化率x （5）选择性

4.1 概述 4.1.1.物料衡算的重要性 求出各种物料的数量和组成，设计由定性转入定量。 设计中，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。 4.1.2.物料衡算的依据 工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有关资料。

4.1.3.物料衡算的作用 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、台数和主要工艺尺寸、确定消耗定额、进行车间布置设计和管道设计。 对已投产的设备、装置、车间或工厂进行物料衡算，以寻找薄弱环节，为改进生产、完善管理提供可靠的依据 可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。

4.1.4.物料衡算的类型 按物质变化分为： 物理过程的物料衡算 化学过程的物料衡算 按操作方式分为： 连续过程的物料衡算 间歇过程的物料衡算 按衡算目的分为： 操作型——对已有设备或装置进行衡算 设计型——设计新的设备或装置

4.2 物料衡算的基本理论 4.2.1物料平衡方程式 理论基础是质量守恒定律。 1.物理过程 稳态过程，物料在体系内没有累积

2.化学过程 对i组分的物料衡算式 对于稳态过程 I：input， O：output，P：produce：R：Reacted；A：aggregate

使用上述各式时要注意以下几点： 1）当无化学反应时，各式对总物料、各组分或元素均成立，物料单位可用千克，也可用摩尔。 2）当有化学反应时,（4-3）和（4-4）式可对总物料、各个组分列衡算式，单位既可用千克，也可用摩尔。 3）无论有无化学反应，各式对各元素均可使用。单位可用千克或摩尔。 4）物理过程，优先对总物料列式，化学过程，优先对组分列式。

4.2.2 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 4.2.2 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。 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。

3、体积基准 对气体选用体积作基准。通常取标况下体积Nm3(Hm3) 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

基准选取中几点说明： （1）上面几种基准具体选哪种（有时几种共用）视具体条件而定，难以硬性规定。 （2）通常选择已知变量数最多的物料流股作基准较方便。 （3）取一定物料量作基准，相当于增加了一个已知条件（当产物和原料的量均未知时，使隐条件明朗化）。 （4）选取相对量较大的物流作基准，可减少计算误差。

4.2.3 衡算范围 体系——为讨论一个过程，人为地圈定这个过程的全部或一部分作为一个完整的研究对象，这个圈定的部分叫体系。 衡算范围可以是一台设备、一套装置、一个工段、一个车间、一个工厂等。 环境—— 体系以外的部分叫环境。 边界——体系与环境的分界线（人为地圈定）。 衡算中只涉及通过（进出）边界的物料流股。其余可不考虑。

4.2.4 物料衡算的方法和步骤 (1) 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。 4.2.4 物料衡算的方法和步骤 (1) 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。 (2) 绘出物料流程示意图，划定衡算范围 画流程简图步骤及要点如下： 1）流程简图中的设备可用方框表示; 2）用线条和箭头表示物料流股的途径和流向； 3）标出流股的已知变量（流量、组成等） 4）未知量用符号表示。 根据已知量和未知量划定体系，应特别注意尽量利用已知条件，要求的未知量要通过体系边界，且应使通过边界的物料流股的未知项尽量少。

(3) 写出所有化学反应方程式。 包括所有主副反应，且为配平后的，将各反应的选择性、收率注明。 (4) 收集与物料衡算有关的计算数据 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；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。 获取数据的途径 实验、中试或生产装置测定 手册或专业书籍查取 估算 注意所得数据的单位要统一。

(5) 选定衡算基准。 计算中要将基准交代清楚，过程中基准变换时，要加以说明。 (6) 列出物料平衡方程式，进行物料衡算。 无化学反应体系，按：（4-1）、（4-2）（连续稳定过程）式 有化学反应体系，按：（4-3）、（4-4）（稳定过程）式。 要求所列独立方程式的数目=未知数的数目

由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围 (8)必要时画出物料衡算图（过程复杂时） (7) 编制物料平衡表。 组分 输入 输出 kg/h w% kmol/h y% A B C 总计 由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围 (8)必要时画出物料衡算图（过程复杂时）

4.3 物料衡算举例 4.3.1 物理过程的物料衡算 1.简单物理过程的物料衡算 4.3 物料衡算举例 4.3.1 物理过程的物料衡算 1.简单物理过程的物料衡算 例4-1 硝化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 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。 硝化混酸 1000kg 混酸配制搅 拌 釜 图4-1 混酸配制过程物料衡算示意图

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 混酸配制过程的物料平衡表(略）

注意几个问题： （1）无化学反应的体系，可列出独立的物料衡算式数目至多等于体系中输入和输出的化学组分数目。如未知数的数目大于组分数目，需找另外关系列方程，否则无法求解。 （2）首先列出含未知量最少的衡算方程，以便求解 （3）若进出体系的物料流股很多，则将流股编号，列表表示已知量和组成。

例4-2 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。 图4-2 苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算 F=200kmol.h-1 xF=0.4 D, xD W, xW=0.01

对全塔进行总物料衡算得 D+W=200 (a) 对苯进行物料衡算得 DxD +0.01W =2000.4 (b) 由塔顶馏出液中苯的回收率得 DxD =2000.4 0.985 (c) 联解式(a)、(b)和(c)得 D=80kmolh-1，W=120 kmolh-1，xD=0.985

4.3.2. 化学过程的物料衡算 1.反应转化率、选择性及收率 （1）限制反应物 ——化学反应原料不按化学计量比配料时，以 最小化学计量数存在的反应物。 （2）过量反应物 ——反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量的，该反应物叫过量反应物。

注意 （1）按化学计量数最小而非绝对量最小； （2）当体系有几个反应时，按主反应计量关系考虑； （3）计算过量反应物的理论量时，限制反应物必须完全反应（无论实际情况如何，按转化率100%计。) （3）过量百分数 ——过量反应物超过限制反应物完全反应所需理论量Nt的部分占所需理论量的百分数。

（4）转化率x ——某反应物反应掉的量占其输入量的百分数。 反应：aA + bB → cC + dD 反应体系 NA1 NA2

注意： 1）要注明是指那种反应物的转化率 ； 2）反应掉的量应包括主副反应消耗的原料之和； 3）若未指明是那种反应物的转化率，则常指限制反应物的转化率。 限制反应物的转化率也叫反应完全程度。 反应完全程度= 限制反应物的反应量 限制反应物的输入量

（5）选择性 ——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。 若有反应 ：aA → dD

（6）收率 Y ——生成目的产物所消耗的某原料量占该原料通入量的百分数。 质量收率：

转化率选择性和收率的关系 （7）总收率 产品生产有多个工序完成时，总收率等于各工序收率之积。 注意不能有遗漏及重复考虑。

例4-3 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸 已知甲苯的投料量为1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸1460kg，未反应的甲苯20kg。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。 解：化学反应方程式为 分子量： 92 98 172 18

则甲苯的转化率为 对甲苯磺酸的收率为 对甲苯磺酸的选择性为 产品的生产工艺过程通常由若干组成，各工序的收率之积即为总收率。

（8）单程转化率和总转化率 循环过程的物料衡算 如下循环物料——加到进料中循环使用的部分物料（产物）。 过程流程示意图如下 反 应 器 分 离 器 新鲜原料 F MF RP 产品P 循环物料R

以反应器为体系得单程转化率x单， 以整个过程为体系得总转化率x总， 当体系中仅有一个反应器，则系统内反应掉的A的量与反应器内反应掉的A的量相同。 此关系在物料衡算中可利用之。采用循环提高原料总转化率。

总收率的计算实例 总收率的定义回顾： 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，各工序都有一定的收率，各工序的收率之乘积即为总收率。 【实例4-4】邻氯甲苯经α-氯代、氰化、水解工序可制得邻氯苯乙酸，邻氯苯乙酸再与2，6-二氯苯胺缩合即可制得消炎镇痛药——双氯芬酸。

例4-4 由邻氯甲苯制备邻氯苯乙酸 已知氯代、氰化、水解、缩合多步骤反应的各工序的收率分别为：氯代工序y1 = 83.6％、氰化工序y2 = 90％、水解工序y3= 88.5％、缩合工序y4 = 48.4％。试计算以邻氯甲苯为起始原料制备双氯芬酸的总收率。 设以邻氯甲苯为起始原料制备双氯芬酸的总收率为YT，则 yT = y1 × y2 × y3 × y4 = 83.6％×90％×88.5％×48.4％ = 32.2％

单程转化率和总转化率计算实例 某些化学反应过程，主要反应物经一次反应的转化率不高，甚至很低，但未反应的主要反应物经分离回收后可循环套用，此时的转化率有单程转化率和总转化率之分。 对于某些反应，主要反应物的单程转化率可以很低，但总转化率却可以提高。

例4-5 用苯氯化制备一氯苯 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。

例：苯氯化制备一氯苯 已知: 每100mol苯与40mol氯反应，反应产物中含38mol氯苯、1mol二氯苯以及61mol未反应的苯。 回收套用：反应产物经分离后可回收60mol的苯，损失1mol苯。试计算苯的单程转化率和总转化率。 解：苯的单程转化率为

设苯的总转化率为xT 对于该氯代反应，主要反应物单程转化率很低，但总转化率却因为回收套用而得到了提高。

2.间歇过程的物料衡算 对于发生在间歇式反应釜中的反应， 衡算基准的选择技巧： 选取一个操作周期内的投料量为物料衡算的基准，进行物料衡算比较方便。

例4-6 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1000kg，纯度99 例4-6 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1000kg，纯度99.9％（质量）；浓硫酸1100kg，纯度98％，甲苯转化率为98％，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9.2％，生成间甲苯磺酸的选择行为8.8％，物料中的水约90％经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且磺化过程中无物料损失。

解：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。 原料甲苯：1000kg 纯度 99.9% 浓硫酸：1100kg 纯度 98% 磺化液 脱水器 排 水 甲苯磺化釜 原料甲苯中的甲苯量为：10000.999=999kg 原料甲苯中的水量为： 1000-999=1kg

浓硫酸中的硫酸量为：11000.98=1078kg 浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg 进料总量为： 1000+1100=2100kg ， 其中含甲苯999kg，硫酸1078kg，水23kg。 出料： 甲苯:

过程主反应副反应 主反应 副反应I 副反应II 分子量 92 98 172 18

对甲苯磺酸: 邻甲苯磺酸： 间甲苯磺酸： 水：

经脱水器排出的水量为：214.590%=193.1kg 磺化液中剩余的水量为：214.5-193.1=21.4kg 硫酸: GO=1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为： 1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg

表4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表 输 入 物料名称 质量/kg 质量组成/% 纯品量/kg 原料甲苯 1000 甲苯 99.9 999 水   入 物料名称 质量/kg 质量组成/% 纯品量/kg 原料甲苯 1000 甲苯 99.9 999 水 0.1 1 浓硫酸 1100 硫酸 98.0 1078 2.0 22 总计 2100 出 磺化液 1906.9 对甲苯磺酸 78.7 1500.8 邻甲苯磺酸 8.83 168.4 间甲苯磺酸 8.45 161.1 1.05 20.0 1.85 35.2 1.12 21.4 脱水器排水 193.1 100

3.连续操作过程的物料衡算 衡算基准的选择技巧： 若过程为连续操作过程，以单位时间内，即1h内的进料量为基准 进行物料衡算比较方便。

例4-7 在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其反应方程式为 同时存在副反应 已知原料为无水乙醇(纯度以100%计)，流量为1000kgh-1，其转化率为95%，乙醛收率为80%，试对该过程进行物料衡算

解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。 乙醇催化 脱氢制 乙醛反应器 乙醇：1500kg 纯度100% 产物     过程为连续操作过程，以单位时间，即1h内的进料量为基准进行物料衡算。 主反应方程式为 分子量 46 44 2

氢气流量为 或

副反应方程式为: 分子量 92 88 4 出料：乙醇流量为 kg/h 乙醛流量为 乙酸乙酯流量为

表4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡表 输 入 物料名称 流量/kgh-1 出 质量组成/% 乙醇 1000 100 50.0 5.0 乙醛   入 物料名称 流量/kgh-1 出 质量组成/% 乙醇 1000 100 50.0 5.0 乙醛 727.0 72.7 乙酸乙酯 181.7 18.2 氢气 41.3 4.1 总计 100.0 质量组 成/%

4. 含有化学平衡的物料计算 例4-8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为：硝基蒽醌5.6%(质量百分比，下同)、H2SO4 34.5%、HNO3 6.7%、H2O 53.2%。拟采用含量为18%、密度为932kgm-3的氨水将硝化液中和至pH=7。已知每批操作硝化液的投料量为3000kg，硝化液的密度为1170kgm-3，K水＝1/1.7710-9 ，试对硝化液中和过程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料的总体积保持不变。

解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图， 中 和 反应器 中和液 硝化液: 3000kg 18%氨水 以每批操作硝化液的投料量3000kg为计算基准

硝化液总量为：3000kg， 其中含硝基蒽醌的量为： 30005.6%=168kg 硫酸的量为： 300034.5%=1035kg H2SO4中和反应方程式为： 分子量 98 217=34 132

生成的硫酸铵量为 kg kg NH3的消耗量为： HNO3中和反应方程式为： 分子量 63 17 80 反应生成的硝酸铵量为：

NH3的消耗量为： 中和反应中18%氨水的消耗量为 18%氨水的体积为：

pH=7时溶液中的氨量计算，式中 [H+]=10-7 ，平衡方程式为 ： 硝化液的体积为

mol/L mol/L 需过量8％氨水的量为 其中含氨量 13.018％＝2.3kg

为达到中和要求需加入18％氨水总量为 2296 + 13＝2309kg 物料平衡表略。

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