間歇式反應器專業(yè)教育

1、第三章第三章 間歇式反應器間歇式反應器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、反應器類型一、反應器類型 反應、分離、制劑構成了藥品生產的主要工藝過程。原反應、分離、制劑構成了藥品生產的主要工藝過程。原料在反應器內進行反應，通過分離等方法獲得原料藥，原料料在反應器內進行反應，通過分離等方法獲得原料藥，原料藥經過一定的制劑工藝藥經過一定的制劑工藝(如混合、造粒、干燥、壓片、包衣、如混合、造粒、干燥、壓片、包衣、包裝等包裝等)即成為出廠的藥品。其中，反應是整個生產工藝過程即成為出廠的藥品。其中，反應是整個生產工藝過程的核心，而反應器則是反應過程的核心設備。的核心，而反應器則是反應過程的核心設備。 反應器的類型很多

2、，特點不一，為便于分析研究各種反反應器的類型很多，特點不一，為便于分析研究各種反應器的性能、基本原理和工藝設計等問題，需將反應器進行應器的性能、基本原理和工藝設計等問題，需將反應器進行科學的分類。常用的分類方法如下：科學的分類。常用的分類方法如下：按幾何形狀分按幾何形狀分1特備參考立式攪拌反應鍋立式攪拌反應鍋2特備參考管式反應器管式反應器3特備參考臥式反應器臥式反應器4特備參考塔式反應器塔式反應器5特備參考固定床反應器固定床反應器6特備參考流化反應器流化反應器噴射反應器噴射反應器泵式反應器泵式反應器7特備參考按傳熱方式分類按傳熱方式分類間壁傳熱間壁傳熱 特點：特點：反應物與傳熱劑通過間壁傳熱反

3、應物與傳熱劑通過間壁傳熱圖圖 適用場合：適用場合：反應物不能與傳熱劑直接接觸，溫度控制較反應物不能與傳熱劑直接接觸，溫度控制較嚴格。嚴格。 控制溫度的方法：控制溫度的方法：傳熱劑的流量、溫度和壓力。傳熱劑的流量、溫度和壓力。 如：如：夾套傳熱、蛇管傳熱、電熱、列管傳熱等。夾套傳熱、蛇管傳熱、電熱、列管傳熱等。 8特備參考直接傳熱直接傳熱 特點：特點：反應物直接與傳熱劑接觸反應物直接與傳熱劑接觸圖圖 適用場合：適用場合：反應物允許接觸傳熱劑，要求快速升反應物允許接觸傳熱劑，要求快速升溫或降溫。溫或降溫。 控制溫度的方法：控制溫度的方法：傳熱劑的用量及溫度。傳熱劑的用量及溫度。 如：如：直接蒸汽加

4、熱、直接加水冷卻等。直接蒸汽加熱、直接加水冷卻等。9特備參考蒸發(fā)傳熱蒸發(fā)傳熱 特點：特點：靠蒸發(fā)性反應物或反應介質（如溶劑）靠蒸發(fā)性反應物或反應介質（如溶劑）的蒸發(fā)移除熱量。的蒸發(fā)移除熱量。 適用場合：適用場合：在沸騰下進行的化學反應。在沸騰下進行的化學反應。 控制溫度的方法：控制溫度的方法：沸點溫度、氣相壓力。沸點溫度、氣相壓力。 如：如：通過回流冷凝器除熱。通過回流冷凝器除熱。10特備參考絕熱型絕熱型 特點：特點：靠進料的顯熱及反應熱維持一定的溫靠進料的顯熱及反應熱維持一定的溫度變化。度變化。 適用場合：適用場合：反應熱不太大的情況下，允許溫反應熱不太大的情況下，允許溫度在一定范圍變化的場

5、合。度在一定范圍變化的場合。 控制溫度的方法：控制溫度的方法：進料的溫度、流速。進料的溫度、流速。 如：如：乙烯水合制乙醇的絕熱固定床反應器。乙烯水合制乙醇的絕熱固定床反應器。 當反應器內部不能設置傳熱構件時，或需要當反應器內部不能設置傳熱構件時，或需要強化傳熱速率時，常常采用外循環(huán)傳熱方式，外部強化傳熱速率時，常常采用外循環(huán)傳熱方式，外部熱交換器常用列管式或螺旋板式的。熱交換器常用列管式或螺旋板式的。11特備參考均相：均相：無相間界面，反應速率僅與溫度、濃度有關。無相間界面，反應速率僅與溫度、濃度有關。 氣相氣相管式管式 均液相均液相鍋式、管式、噴射器型鍋式、管式、噴射器型非均相：非均相：過

6、程的速率與溫度、濃度、相間傳質速率均有關。過程的速率與溫度、濃度、相間傳質速率均有關。 氣氣-液相液相鍋式、塔式、管式鍋式、塔式、管式 液液-液相液相鍋式、列管式鍋式、列管式 氣氣-固相固相沸騰床、固定床、鍋式沸騰床、固定床、鍋式 液液-固相固相鍋式鍋式 氣氣-液液-固相固相鍋式、塔式、流化床鍋式、塔式、流化床 固固-半固相半固相球磨機型、螺桿型、臥式帶鋼球的鍋式球磨機型、螺桿型、臥式帶鋼球的鍋式 按反應物相態(tài)分按反應物相態(tài)分12特備參考按操作方式分按操作方式分間歇操作（也稱分批操作）反應器間歇操作（也稱分批操作）反應器連續(xù)操作反應器連續(xù)操作反應器半連續(xù)操作（或稱半間歇操作）反應器：半連續(xù)操作

7、（或稱半間歇操作）反應器： 原料與產物只要其中的一種為連續(xù)輸入或輸出，而其余原料與產物只要其中的一種為連續(xù)輸入或輸出，而其余則為分批加入或卸出的操作。則為分批加入或卸出的操作。a.常用反應器：常用反應器：鍋式、塔式鍋式、塔式b.操作特征：操作特征：半連續(xù)反應器中的反應物系組成必然隨時間而半連續(xù)反應器中的反應物系組成必然隨時間而改變，也隨反應器內的位置而改變。改變，也隨反應器內的位置而改變。c.適用場合：適用場合：改變連續(xù)流動物料的加料速度，可調節(jié)反應速率。改變連續(xù)流動物料的加料速度，可調節(jié)反應速率。13特備參考第三章第三章 間歇式反應器間歇式反應器 二、間歇式反應器間歇式反應器1.1.間歇操作

8、：間歇操作：參與反應的物料一次性投入反應器，反參與反應的物料一次性投入反應器，反 應完畢后產物又一次性卸出的操作過程應完畢后產物又一次性卸出的操作過程 （或稱分批操作）。（或稱分批操作）。間歇反應器：間歇反應器：用于間歇操作的反應器。用于間歇操作的反應器。2.2.操作特點：操作特點：反應器內的工藝參數（溫度、壓力、反反應器內的工藝參數（溫度、壓力、反 應物的應物的濃度等）隨時間而變；操作過程的靈活性大，濃度等）隨時間而變；操作過程的靈活性大，便于改變工藝條件和更換產品。便于改變工藝條件和更換產品。3.3.使用場合：使用場合：反應速率較慢，熱效應較小，生產規(guī)模不大的反應速率較慢，熱效應較小，生產

9、規(guī)模不大的場合，以及多品種的生產和工藝條件變化復場合，以及多品種的生產和工藝條件變化復雜的場合。在制藥工業(yè)中應用較廣。雜的場合。在制藥工業(yè)中應用較廣。 14特備參考4.4.間歇式反應器的類型間歇式反應器的類型 從幾何形式上看：常用鍋式（釜式）反應器，也有用管從幾何形式上看：常用鍋式（釜式）反應器，也有用管式和塔式反應器的。式和塔式反應器的。 從所處理物料的相態(tài)上來看，有：從所處理物料的相態(tài)上來看，有：保保證證質質量量傳傳遞遞對對非非均均相相反反應應物物料料必必須須要要盡盡量量擴擴大大相相接接觸觸面面積積固固相相固固相相液液液液相相液液液液相相氣氣非非均均相相反反應應器器：熱熱交交換換器器，以以

10、提提高高物物料料擴擴散散和和液液相相物物料料有有時時還還裝裝攪攪拌拌般般用用管管式式或或塔塔式式反反應應器器對對反反應應器器要要求求較較低低，一一相相或或均均液液相相均均相相反反應應器器：物物料料為為氣氣 15特備參考* *對于氣對于氣液相反應器要采用能形成液膜或鼓泡的裝置；液相反應器要采用能形成液膜或鼓泡的裝置；液液液及液液及液固相反應器（甚至固相）要有攪拌裝置；液固相反應器（甚至固相）要有攪拌裝置；液固相反應常用塔式反應器，將固體物料做成固定床，使液體固相反應常用塔式反應器，將固體物料做成固定床，使液體物料通過床層，因此要裝液體噴淋裝置。物料通過床層，因此要裝液體噴淋裝置。如：混酸的硝化過

11、程即是液如：混酸的硝化過程即是液液非均相反應，硝化反應同時液非均相反應，硝化反應同時在兩相內進行，但在酸相內反應速度比在有機相中的速度大在兩相內進行，但在酸相內反應速度比在有機相中的速度大好幾倍，好幾倍，當相接觸面小時，總反應速度會顯著下降。當相接觸面小時，總反應速度會顯著下降。為了擴為了擴大流體兩相間的接觸面積，通常在反大流體兩相間的接觸面積，通常在反應器內裝有高效攪拌器，在急劇應器內裝有高效攪拌器，在急劇攪拌下，使液滴分散的很細，大攪拌下，使液滴分散的很細，大大增加兩相間的接觸面積，同時大增加兩相間的接觸面積，同時由于各相內所形成的湍流而強化由于各相內所形成的湍流而強化傳質過程。傳質過程。

12、16特備參考 制藥工業(yè)屬于精細有機合成工業(yè)，其產量小、規(guī)模一制藥工業(yè)屬于精細有機合成工業(yè)，其產量小、規(guī)模一般較小，因此大多采用間歇操作，所用反應器常為帶攪拌裝般較小，因此大多采用間歇操作，所用反應器常為帶攪拌裝置的鍋式反應器（間歇式反應器）。置的鍋式反應器（間歇式反應器）。5.5.典型攪拌反應鍋的結構典型攪拌反應鍋的結構 這類設備的化工零部件國內這類設備的化工零部件國內已標準化，可參見已標準化，可參見化工設備設計手化工設備設計手冊冊第一分冊（材料與零部件）。第一分冊（材料與零部件）。 主要由以下部分組成：主要由以下部分組成：鍋的主體鍋的主體 軸密封裝置軸密封裝置換熱裝置換熱裝置 傳動裝置傳動裝

13、置攪拌裝置攪拌裝置 工藝接管工藝接管17特備參考鍋式反應器的特點及應用鍋式反應器的特點及應用 1、特點：結構簡單、加工方便、傳質效率好、溫度分布結構簡單、加工方便、傳質效率好、溫度分布均勻、便于控制和改變反應條件、操作上靈活性較大，適合均勻、便于控制和改變反應條件、操作上靈活性較大，適合于多品種、小批量生產。于多品種、小批量生產。2、應用： 從反應物料看：從反應物料看：它能夠適應于各種不同相態(tài)組合的反它能夠適應于各種不同相態(tài)組合的反應物料。如：均液相、非均液相、液應物料。如：均液相、非均液相、液固相、氣固相、氣液相等液相等 從反應類型看：從反應類型看：它幾乎適用于所有有機合成的單元操作。它幾乎

14、適用于所有有機合成的單元操作。如：氧化、還原、硝化、磺化、鹵化、縮合、聚合、烷化、如：氧化、還原、硝化、磺化、鹵化、縮合、聚合、烷化、?；⒅氐?、偶合等。酰化、重氮化、偶合等。18特備參考3、缺點：設備生產效率低，間歇操作的輔助時間有時占設備生產效率低，間歇操作的輔助時間有時占的比例較大，特別是壓熱釜的操作，升溫和降溫所占的時間的比例較大，特別是壓熱釜的操作，升溫和降溫所占的時間長。若采用連續(xù)操作，由于返混效應，要求達到與間歇操作長。若采用連續(xù)操作，由于返混效應，要求達到與間歇操作相同轉化率時，需要更大的反應體積。由于間歇操作勞動生相同轉化率時，需要更大的反應體積。由于間歇操作勞動生產率低，

15、大噸位產品常常需要多個反應鍋同時操作。產率低，大噸位產品常常需要多個反應鍋同時操作。4、結構：典型攪拌反應鍋由下面幾部分組成典型攪拌反應鍋由下面幾部分組成 鍋的主體、傳熱裝置、攪拌裝置、軸密封裝置、傳動鍋的主體、傳熱裝置、攪拌裝置、軸密封裝置、傳動裝置、工藝接管裝置、工藝接管19特備參考第二節(jié)第二節(jié) 反應鍋的物料衡算反應鍋的物料衡算一、物料衡算的基本內容一、物料衡算的基本內容1.1.物料衡算的依據物料衡算的依據質量守恒定律質量守恒定律。物料衡算就是依據此定。物料衡算就是依據此定律定量地對生產工藝的各個間段作物料計算。律定量地對生產工藝的各個間段作物料計算。2.2.目的和意義：目的和意義：通過物

16、料衡算可以得出原料、中間產物、成品、副產物及通過物料衡算可以得出原料、中間產物、成品、副產物及廢料的質量、容積和組成，以及每一生產步驟中的損失。廢料的質量、容積和組成，以及每一生產步驟中的損失?？梢詭椭O計者正確選擇生產過程的流程，考慮過程中原可以幫助設計者正確選擇生產過程的流程，考慮過程中原料用量的多少以及生產的廢料是否可利用等問題。料用量的多少以及生產的廢料是否可利用等問題。 可揭示實際生產中的物料浪費情況，以作為減少廢料、提可揭示實際生產中的物料浪費情況，以作為減少廢料、提高產品質量、降低消耗定額及選用回收設備等的有力依據、高產品質量、降低消耗定額及選用回收設備等的有力依據、核算生產過程

17、中的經濟效益。核算生產過程中的經濟效益。為設備的工藝計算及系統(tǒng)的熱量衡算提供必要的條件。為設備的工藝計算及系統(tǒng)的熱量衡算提供必要的條件。20特備參考3.3.物料衡算時應注意的問題物料衡算時應注意的問題計算基準計算基準 必須自始至終地選定一個固定不變的基準作為計必須自始至終地選定一個固定不變的基準作為計算的基礎，通常是以單位時間內處理多少物料，或者是在單算的基礎，通常是以單位時間內處理多少物料，或者是在單位時間內生成多少成品或半成品作為依據。位時間內生成多少成品或半成品作為依據?；鶞实倪x擇是按具體情況而定的：基準的選擇是按具體情況而定的：在大型的連續(xù)的設計計算中在大型的連續(xù)的設計計算中，先對設計

18、提出生產任務，以，先對設計提出生產任務，以此折算成每晝夜生產多少成品作為基準。此折算成每晝夜生產多少成品作為基準。在折算過程中可以在折算過程中可以采用年工作日為采用年工作日為300300天或天或330330天天( (個別場合亦有以個別場合亦有以270270天計的天計的) )。也可以每小時生產成品量或每小時消耗原料量作為計算基準。也可以每小時生產成品量或每小時消耗原料量作為計算基準。 總之是總之是單位時間內所處理的物料量或單位時間內所生產單位時間內所處理的物料量或單位時間內所生產的產品量作為計算基準的產品量作為計算基準。即：即：kg/d kg/hkg/d kg/h 等等 21特備參考 天天原料投

19、料量原料投料量天天產量產量年工作日年工作日年產量年產量總總/間歇操作：間歇操作：除上述外，最常用除上述外，最常用“每批投料量每批投料量”或或“每批生產每批生產產品量產品量”作為計算基準。作為計算基準。 即即 千克千克/ /批批 噸噸/ /批批 取每噸產物或原料作為計算基準，可直接求出原料消耗定額。取每噸產物或原料作為計算基準，可直接求出原料消耗定額。取每摩爾或每千摩爾的投料量作為計算基準。取每摩爾或每千摩爾的投料量作為計算基準。 究竟如何選取計算基準，視計算方便而定。究竟如何選取計算基準，視計算方便而定。 轉化率、階段收率和車間總收率轉化率、階段收率和車間總收率 在物料計算過程中，常用到這些名

20、詞及其數據。在物料計算過程中，常用到這些名詞及其數據。轉化率轉化率指某一物料所參加包括主反應和副反應在內的化學指某一物料所參加包括主反應和副反應在內的化學轉化過程的百分率。以符號轉化過程的百分率。以符號x xa a表示表示a a組分（物料）的轉化率，組分（物料）的轉化率，則：則：22特備參考 轉化率反映出原料通過反應器后產生化學變化的程度，轉化率反映出原料通過反應器后產生化學變化的程度，轉化率增大說明產生化學變化的原料在總投料量中所占比例轉化率增大說明產生化學變化的原料在總投料量中所占比例增大。增大。產率：產率：一般是指單程收率。是指主產物的實際收得量與按一般是指單程收率。是指主產物的實際收得

21、量與按投入原料計算的理論產量之比值。用百分率或分率表示，并投入原料計算的理論產量之比值。用百分率或分率表示，并用符號用符號表示產率。表示產率。組組分分的的量量投投入入反反應應器器中中組組分分的的量量反反應應消消耗耗aaxa原原料料的的投投入入量量原原料料量量反反應應掉掉的的aaxa或或 %100產量產量按投入原料計算的理論按投入原料計算的理論目的產物實際得量目的產物實際得量23特備參考 單程收率（產率）單程收率（產率），反映出反應器的生產能力，反映出反應器的生產能力，這，這就可減少未反應原料的回收量，并減少動力（如水、電、汽就可減少未反應原料的回收量，并減少動力（如水、電、汽等）消耗，標志整個

22、過程既經濟又合理，所以等）消耗，標志整個過程既經濟又合理，所以在生產中力求在生產中力求達到最高的產率。達到最高的產率。%100某原料投入量某原料投入量原料量原料量由主產物量折算成的某由主產物量折算成的某反應器反應器不考慮不考慮或24特備參考總收率和成品產量及原料消耗關系如下：總收率和成品產量及原料消耗關系如下：%100原料消耗量原料消耗量成品產量折算為原料量成品產量折算為原料量總總 總收率總收率或或總收率與階段收率之間的關系可用下式表示：總收率與階段收率之間的關系可用下式表示：階段收率：階段收率：也稱各個工段的收率。是指該階段（工段）也稱各個工段的收率。是指該階段（工段）產品實際得量與理論得量

23、的比例百分數。產品實際得量與理論得量的比例百分數。%100量量原料消耗量折算為成品原料消耗量折算為成品成品產量成品產量總總%100投入物料量投入物料量量折算為投入物料量量折算為投入物料量階段產品或半成品輸出階段產品或半成品輸出階段階段n321總25特備參考 引起實際得量與理論得量差值的因素是原料的副反應、引起實際得量與理論得量差值的因素是原料的副反應、產物的進一步反應或分解，以及包括一切物理效應及機械漏產物的進一步反應或分解，以及包括一切物理效應及機械漏損在內的消耗。損在內的消耗。 無論轉化率或收率，一般是對主要物料而言，即轉化率無論轉化率或收率，一般是對主要物料而言，即轉化率是指主要原料；收

24、率是指主要產物。是指主要原料；收率是指主要產物。反應的選擇性：反應的選擇性：是表示各種主、副反應產物中，主產物所是表示各種主、副反應產物中，主產物所占的百分率（或分率）。占的百分率（或分率）。100%反反應應掉掉的的某某原原料料量量料料量量（主主要要原原料料）由由主主產產物物量量折折算算成成某某原原26特備參考 選擇性反映出反應系統(tǒng)中主反應所占的百分比。選擇性反映出反應系統(tǒng)中主反應所占的百分比。一般要求一般要求選擇性愈高愈好。因選擇性差，副反應多，原料消耗量大，而選擇性愈高愈好。因選擇性差，副反應多，原料消耗量大，而目的產物的產量低。但不能單從選擇性高的一方面去考慮，因目的產物的產量低。但不能

25、單從選擇性高的一方面去考慮，因選擇性高，只能說明過程的副反應少，并不意味著過程就一定選擇性高，只能說明過程的副反應少，并不意味著過程就一定經濟合理。例如，若通過反應器的原料只有很少一部分進行反經濟合理。例如，若通過反應器的原料只有很少一部分進行反應，即使這部分反應掉的原料全部變成目的產物，其設備的利應，即使這部分反應掉的原料全部變成目的產物，其設備的利用率仍然很低，因此，用率仍然很低，因此，要確定合理的工藝參數，就必須對轉化要確定合理的工藝參數，就必須對轉化率和選擇性這兩個指標進行綜合考慮，要在較高轉化率的前提率和選擇性這兩個指標進行綜合考慮，要在較高轉化率的前提下考慮選擇性。下考慮選擇性。

26、以上三者之中只有兩個是獨立的，當它們式中各量的單位以上三者之中只有兩個是獨立的，當它們式中各量的單位相同時：相同時： 收收率率選選擇擇性性轉轉化化率率27特備參考 例例1：鄰硝基氯苯經氨化與硫化鈉還原生產鄰苯二胺。已鄰硝基氯苯經氨化與硫化鈉還原生產鄰苯二胺。已知工業(yè)鄰硝基氯苯純度為知工業(yè)鄰硝基氯苯純度為98%，生產每噸鄰苯二胺消耗，生產每噸鄰苯二胺消耗1800kg工業(yè)鄰硝基氯苯。氨化工段收率為工業(yè)鄰硝基氯苯。氨化工段收率為95%。求該車間總。求該車間總收率及還原工段收率。收率及還原工段收率。 解：反應式如下解：反應式如下nh2nh2nh3no2nh2na2sno2cl分子量：分子量：157.5

27、 138 108車間總收率：車間總收率：%83%100%9818001085 .1571000 總總 還原工段收率：還原工段收率：%5 .87%100%95%83 氨化氨化總總還原還原 28特備參考+ hno3no2+h2o 主反應主反應 例例2：在苯的混酸硝化生產硝基苯車間，投入含量為在苯的混酸硝化生產硝基苯車間，投入含量為98%的苯的苯300kg，經硝化反應后得酸性硝基物，經硝化反應后得酸性硝基物468kg，其中硝基苯，其中硝基苯含量含量98%，二硝基苯含量，二硝基苯含量0.1%，廢酸帶走損失硝基苯，廢酸帶走損失硝基苯0.5kg，忽略其他副反應等損失。求硝化反應中苯的轉化率、收率和忽略其他

28、副反應等損失。求硝化反應中苯的轉化率、收率和選擇性。選擇性。 解：化學反應方程式為解：化學反應方程式為+2hno3no2no2+2h2o 副反應副反應 苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分別為苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分別為78、123和和16829特備參考%9 .9952.45914.459 52.459123784 .291%99%10062.46314.459 62.46378123%9830014.4595 . 0%98468991. 02944 .291 4 .291 16878%1 . 046812378)5 . 0%98468(294%98300 反應消耗折成硝基苯反應消耗折成硝基苯

29、按投入苯應得硝基苯按投入苯應得硝基苯反應實得硝基苯反應實得硝基苯反應消耗苯反應消耗苯投入苯投入苯苯苯kgkgkgxkgkg 30特備參考4.物料衡算的基本步驟物料衡算的基本步驟畫出物料流程框圖，畫出物料流程框圖，在圖上寫出物料名稱、組成及流向，在圖上寫出物料名稱、組成及流向，確定確定計算范圍計算范圍。收集計算所必須的基本數據收集計算所必須的基本數據原料、中間體、產物組成（規(guī)格）及物化性質。原料、中間體、產物組成（規(guī)格）及物化性質。原料轉化率、產物收率，包括階段收率和車間總收率。原料轉化率、產物收率，包括階段收率和車間總收率。原料間的理論配比及實際配比。原料間的理論配比及實際配比。反應工藝條件，

30、如過程時間、溫度、壓力及過程熱效應等反應工藝條件，如過程時間、溫度、壓力及過程熱效應等。31特備參考硫硫 酸酸質質%h2so4 93h2o 7硝硝 酸酸質質%hno3 96h2o 4 混酸混酸 配制釜配制釜 混混 酸酸質質%h2so4 56hno3 32h2o 12h2o（kg）*32特備參考寫出主、副反應方程式。寫出主、副反應方程式。對物理過程可免去這一步。對物理過程可免去這一步。說明計算任務。說明計算任務。如年產量、年工作日、產品純度及確定如年產量、年工作日、產品純度及確定每天生產能力每天生產能力。確定計算基準。確定計算基準。如分批操作（間歇操作）可用一天或一如分批操作（間歇操作）可用一天

31、或一批的量為基準，即噸批的量為基準，即噸/ /天、千克天、千克/ /天或噸天或噸/ /批、千克批、千克/ /批。連批。連續(xù)生產可用噸續(xù)生產可用噸/ /時或千克時或千克/ /時。根據生產任務及總收率確定時。根據生產任務及總收率確定投料量。投料量。根據已知數據進行物料衡算。根據已知數據進行物料衡算。把計算結果分別列成進、出物料衡算表，檢查進、出量把計算結果分別列成進、出物料衡算表，檢查進、出量是否平衡（相等或相差不多）。是否平衡（相等或相差不多）。在物料衡算表中盡可能包在物料衡算表中盡可能包括：括：物料純度、投入量的百分比、體積等。物料純度、投入量的百分比、體積等。 物料衡算表形式如下：物料衡算表

32、形式如下：33特備參考畫出物料衡算圖畫出物料衡算圖，對一個車間設計必須畫出物料衡算總圖。，對一個車間設計必須畫出物料衡算總圖。5.物料衡算方程 gginin進入系統(tǒng)的物料總量；進入系統(tǒng)的物料總量；ggoutout 輸出系統(tǒng)的物料總量；輸出系統(tǒng)的物料總量；gga a系統(tǒng)內累積量之和。系統(tǒng)內累積量之和。 對于間歇操作的設備，其中的累積量對于間歇操作的設備，其中的累積量gga a為零（終點時物為零（終點時物料全部排出）料全部排出）物料衡算表（千克物料衡算表（千克/天）天）物料名稱物料名稱含量含量% 折純量折純量kg實際量實際量質量質量kg kmol體積體積m3物質的量比物質的量比理論理論 實際實際備

33、注備注系統(tǒng)系統(tǒng)ga+ g反應反應goutgin g損耗損耗34特備參考 gingout gag損耗損耗 g反應反應說明：說明：對于物理過程對于物理過程，因為系統(tǒng)中各組分的質量和，因為系統(tǒng)中各組分的質量和摩爾數摩爾數均不變，所以一般采用均不變，所以一般采用組分守恒組分守恒（即對過程的某一組分作衡（即對過程的某一組分作衡算）較方便，而不用總量守恒，而且常用摩爾數守恒。算）較方便，而不用總量守恒，而且常用摩爾數守恒。對于化學反應過程對于化學反應過程有惰性組分的化學過程：因為惰性組分不發(fā)生化學反應，有惰性組分的化學過程：因為惰性組分不發(fā)生化學反應，可采用可采用組分守恒。組分守恒。參加反應的各組分：因各

34、組分的摩爾數、質量一般均要發(fā)參加反應的各組分：因各組分的摩爾數、質量一般均要發(fā)生變化，必須考慮組分在化學過程中質量（或摩爾數）的產生變化，必須考慮組分在化學過程中質量（或摩爾數）的產生或消耗（可根據化學方程式求算物質轉化的定量關系）。生或消耗（可根據化學方程式求算物質轉化的定量關系）。35特備參考式中：式中：fi物流物流i的摩爾流量，物流進入系統(tǒng)的摩爾流量，物流進入系統(tǒng)fi為正；為正；離開系統(tǒng)為負。離開系統(tǒng)為負。 xij組分組分j在物流在物流i中的摩爾分數。中的摩爾分數。 ns物流的總個數。物流的總個數。 rj 組分在系統(tǒng)中的變化速率，產生為正；組分在系統(tǒng)中的變化速率，產生為正；消耗為負。消耗

35、為負。 i代表物流，代表物流，i=1，2，3， ns j代表組分，代表組分，j=0，1，2， ncjnsiijirxf 136特備參考當化學反應的計量系數未知或反應很復雜，生成物組分多，當化學反應的計量系數未知或反應很復雜，生成物組分多，但所涉及的化學元素的種類不多時但所涉及的化學元素的種類不多時( (如：裂解、燃燒、聚合如：裂解、燃燒、聚合等等) )，可采用原子守恒的方法來進行物料衡算。，可采用原子守恒的方法來進行物料衡算。例2-1/p31010 jkijnsincjimxf（原子或元素的摩爾數守恒）（原子或元素的摩爾數守恒）mjk 元素元素k在組分在組分j中的原子個數中的原子個數37特備參

36、考二、典型過程的物料衡算二、典型過程的物料衡算 在原料藥生產中，對常見的幾個有機單元反應（如磺化、在原料藥生產中，對常見的幾個有機單元反應（如磺化、硝化、氯化等）已經進行了一系列的研究，各計算也比較成硝化、氯化等）已經進行了一系列的研究，各計算也比較成熟。分別討論如下。熟。分別討論如下。1.磺化過程磺化過程磺化劑：磺化劑：磺化過程所用磺化劑多為硫酸、發(fā)煙硫酸和三氧化磺化過程所用磺化劑多為硫酸、發(fā)煙硫酸和三氧化硫。硫。硫酸由于制造和使用上的考慮，一般有兩種規(guī)格，即硫酸由于制造和使用上的考慮，一般有兩種規(guī)格，即92%93%的的綠礬油綠礬油和和98%100%的的一水合物一水合物（也可以看作是（也可以

37、看作是三氧化硫與水以三氧化硫與水以1 1的摩爾比率組成的混合物）。如果有過的摩爾比率組成的混合物）。如果有過量的三氧化硫存在于硫酸中，就成為量的三氧化硫存在于硫酸中，就成為發(fā)煙硫酸發(fā)煙硫酸。 在計算時，可將前兩者折算為在計算時，可將前兩者折算為so3，后者也可折算成硫酸。，后者也可折算成硫酸。38特備參考磺化反應方程式磺化反應方程式 在用硫酸和發(fā)煙硫酸進行有機物的磺化在用硫酸和發(fā)煙硫酸進行有機物的磺化時，可認為是硫酸或是硫酐為有效的成分，因此反應方程式時，可認為是硫酸或是硫酐為有效的成分，因此反應方程式可表示如下：可表示如下：2133212342 80 )( 18 98 )( mnmhsorn

38、sorhnmnmonhhsorsonhrhnnnn 或或rhn被磺化物；被磺化物； n 被磺基所取代的氫原子數；被磺基所取代的氫原子數；r(so3h)n磺化產物（磺酸）；磺化產物（磺酸）；m1被磺化物的分子量；被磺化物的分子量； m2磺化產物的分子量；磺化產物的分子量；39特備參考 在多數場合下，磺化反應的實際硫酸用量要比上式所列在多數場合下，磺化反應的實際硫酸用量要比上式所列的理論量大得多，因采用硫酸或發(fā)煙硫酸作磺化劑時，隨著的理論量大得多，因采用硫酸或發(fā)煙硫酸作磺化劑時，隨著反應的進行，每引進一個磺基必須消耗一個反應的進行，每引進一個磺基必須消耗一個so3，因此隨著，因此隨著反應過程中反應

39、過程中so3的消耗及水的生成，逐漸使硫酸的濃度降低，的消耗及水的生成，逐漸使硫酸的濃度降低，當降到某一程度后，磺化反應幾乎不再進行。此時的硫酸濃當降到某一程度后，磺化反應幾乎不再進行。此時的硫酸濃度即為度即為“極限濃度極限濃度”。苯在。苯在373k時，磺化反應的硫酸極限濃時，磺化反應的硫酸極限濃度為度為81.6%。也。也可用含可用含so3的百分數來表示極限濃度，并稱為的百分數來表示極限濃度，并稱為磺化磺化值。值。則苯的磺化則苯的磺化值：值： 81.6809866.6。 值不是固定不變的，濃度和溫度對值不是固定不變的，濃度和溫度對值均有影響。值均有影響。 發(fā)煙硫酸的含量是以發(fā)煙硫酸中發(fā)煙硫酸的含

40、量是以發(fā)煙硫酸中過量的三氧化硫過量的三氧化硫占發(fā)煙占發(fā)煙硫酸的質量百分率表示。硫酸的質量百分率表示。40特備參考 在磺化劑的初始濃度在磺化劑的初始濃度時，時，值和磺化劑用量之間值和磺化劑用量之間的關系的關系可以根據物料平衡導出。可以根據物料平衡導出。采用下列符號：采用下列符號：mc被磺化物的用量，被磺化物的用量，kg； ms磺化劑的用量，磺化劑的用量，kg；s 以以so3含量表示的磺化劑的質量百分濃度，含量表示的磺化劑的質量百分濃度，%；m1被磺化物分子量。被磺化物分子量。按反應方程式，在生成磺化產物上所消耗的按反應方程式，在生成磺化產物上所消耗的so3量為：量為：kgmnmc 801過程完畢

41、后剩余的過程完畢后剩余的so3量為：量為：kgmnmcmss 801 41特備參考廢酸量：廢酸量：kgmnmcms 801 廢酸中的廢酸中的so3含量應該等于含量應該等于，所以，按反應前后的所以，按反應前后的so3進行平衡得：進行平衡得： )80(8011mnmcmsmnmcmss 整理可得磺化劑用量的計算式：整理可得磺化劑用量的計算式：kgsmnmcms )()1(801 （p33）42特備參考 在生產實際中，磺化反應往往并不進行到當硫酸濃度降在生產實際中，磺化反應往往并不進行到當硫酸濃度降低到低到值值時才終止，這樣會使磺化過程的時間持續(xù)太長，同時才終止，這樣會使磺化過程的時間持續(xù)太長，同時

42、會發(fā)生副反應。時會發(fā)生副反應。反應終了時酸的濃度叫做廢酸濃度，有反應終了時酸的濃度叫做廢酸濃度，有時也稱時也稱值值。則則1009880-9880 ）（消消耗耗的的硫硫酸酸質質量量原原用用硫硫酸酸質質量量廢廢酸酸中中所所含含硫硫酸酸的的質質量量 )()()(988010024242ohwsohwsohw 43特備參考 例例3.苯的硫酸液相磺化劑制苯磺酸，苯的硫酸液相磺化劑制苯磺酸，值為值為64%，求磺化，求磺化反應生成反應生成1000kg苯磺酸時，至少需要苯磺酸時，至少需要98%的硫酸量（忽略副反的硫酸量（忽略副反應和損失）。應和損失）。 解：反應方程式為解：反應方程式為+ h2so4so3h+

43、 h2o 78 98 158 1880. 0988098. 0 781581000 skgmckgsmnmcms2 .1139)64. 080. 0(78)64. 01(80781581000)()1(801 見例見例2-2/p3444特備參考 用混酸（用混酸（hno3+h2so4）進行硝化的過程，可）進行硝化的過程，可以用下列方程式來表示其物料平衡的關系。以用下列方程式來表示其物料平衡的關系。 rhxx hno3yh2so4zh2o r(no3)x yh2so4 (zx)h2o硝酸過剩率硝酸過剩率 大多數硝化反應的大多數硝化反應的hno3用量接近于用量接近于方程式表示的理論量（這是用混酸硝化

44、的特點之方程式表示的理論量（這是用混酸硝化的特點之一），但有一些硝化反應，在實際生產中一），但有一些硝化反應，在實際生產中hno3量則量則往往超過理論量較多。往往超過理論量較多。超過理論量的超過理論量的hno3質量百分質量百分數稱為數稱為“硝酸過剩率硝酸過剩率” ，用符號，用符號表示。表示。2.2.硝化過程物料衡算硝化過程物料衡算45特備參考硫酸脫水值和廢酸計算濃度硫酸脫水值和廢酸計算濃度 有時候根據不同硝化過程所需的混酸硝化能力有時候根據不同硝化過程所需的混酸硝化能力（即硫酸的脫水值和廢酸計算濃度）的要求，先計算（即硫酸的脫水值和廢酸計算濃度）的要求，先計算出所需混酸的組成，再進行混酸配制計

45、算。出所需混酸的組成，再進行混酸配制計算。 硫酸脫水值（也稱混酸硝化的脫水值，或簡稱脫硫酸脫水值（也稱混酸硝化的脫水值，或簡稱脫水值）是指硝化終了時廢酸中硫酸和水計算質量之比，水值）是指硝化終了時廢酸中硫酸和水計算質量之比，通常以符號通常以符號d.v.s (dehydrating value of sulfuric acid）表示。表示。廢酸中水的質量廢酸中水的質量廢酸中硫酸的質量廢酸中硫酸的質量 svd.46特備參考在硝化廢酸中，在硝化廢酸中，h2so4與與h2o的質量比應為：的質量比應為：)(1898xzy d.v.s在一定程度上反映出硝化過程的難易程在一定程度上反映出硝化過程的難易程度。

46、脫水值愈大表示硝化反應愈難。度。脫水值愈大表示硝化反應愈難。47特備參考 表表2-1/p37列出一些有機物硝化時的混酸組成和脫水值列出一些有機物硝化時的混酸組成和脫水值及硝酸過剩率及硝酸過剩率 。 設設m和和l分別為混酸中硫酸和硝酸的質量百分含量，分別為混酸中硫酸和硝酸的質量百分含量，為硝酸比（投料硝酸摩爾數為硝酸比（投料硝酸摩爾數/投料投料1摩爾被硝化物）。以摩爾被硝化物）。以100份混合酸為計算基準，被硝化物完全反應。份混合酸為計算基準，被硝化物完全反應。則則反應生成水反應生成水混酸中的水混酸中的水llmmsvdlllm 72)100(. 726318100l/為反應的硝酸量，為反應的硝酸

47、量，假設被硝化物全部反應假設被硝化物全部反應。48特備參考 廢酸計算濃度（亦稱硝化活性因數）其含義是指混酸硝化廢酸計算濃度（亦稱硝化活性因數）其含義是指混酸硝化終了時，廢酸中硫酸的計算濃度，以終了時，廢酸中硫酸的計算濃度，以 m 表示。如以表示。如以100份混酸份混酸為計算基準。為計算基準。廢酸總量廢酸總量生成水量生成水量反應消耗硝酸量反應消耗硝酸量lllll 751007210072則則lmlmm 14014075100100 :49特備參考所以可得所以可得d.v.s和和m之間的關系：之間的關系：1401)72100(.lllmsvdm 如果投料比如果投料比1，則有下述關系：則有下述關系：1

48、00. 100.1. mmsvdsvdsvdm 或或50特備參考混酸的組成方程式混酸的組成方程式 實踐證明：每一種物質在一定條件下進行硝化時，只實踐證明：每一種物質在一定條件下進行硝化時，只要將脫水值維持在一定的數值，則混酸組成可以在一定范要將脫水值維持在一定的數值，則混酸組成可以在一定范圍內變動而不會明顯影響硝化效果。因此，當規(guī)定了脫水圍內變動而不會明顯影響硝化效果。因此，當規(guī)定了脫水值值d.v.s及及hno3過剩百分率過剩百分率 后，混酸中后，混酸中hno3濃度濃度(l)與與h2so4濃度濃度(m)的關系式如下：的關系式如下： m=kl+b （混酸組成方程式）（混酸組成方程式）式中：式中：

49、 上式是根據硝化反應的物理平衡導出的。導出過程如下：上式是根據硝化反應的物理平衡導出的。導出過程如下：51特備參考令：令：mh被硝化物的質量，被硝化物的質量，kg； m被硝化物的摩爾質量，被硝化物的摩爾質量，kg/kmol； mm.a硝化過程中混酸用量，硝化過程中混酸用量，kg； l硝化混酸中硝酸的質量百分數，硝化混酸中硝酸的質量百分數，%； m硝化混酸中硫酸的質量百分數，硝化混酸中硫酸的質量百分數，%； n硝化混酸中水的質量百分數，硝化混酸中水的質量百分數，%； hno3的過剩百分率，的過剩百分率，%； x硝化物中被硝化物中被-no2取代的取代的h數。數。對對hno3作物料衡算：作物料衡算：

50、對對h2so4作物料衡算：作物料衡算：(1) 100)01.01(63.lmmxmamh 100.18100100.mmsvdmmmlmamham 52特備參考化簡得：化簡得：(1)、(2)兩式相除，并化簡得：兩式相除，并化簡得： 在生產實際中，被硝化物的在生產實際中，被硝化物的d.v.s往往未知，但一般可往往未知，但一般可以規(guī)定其廢酸組成，則以規(guī)定其廢酸組成，則：（推倒過程見教材（推倒過程見教材p38） (2) 100.)100(.18.svdmlmmsvdmxmamh (3) .1.100.1)(01. 01(7.)001. 01(72bklsvdsvdlsvdsvdm (4) 14014

51、0140blklmllmm 53特備參考上式即規(guī)定了廢酸組成時，混酸組成必須遵循的規(guī)律。上式即規(guī)定了廢酸組成時，混酸組成必須遵循的規(guī)律。 (3)、(4)式只能用來確定硝化混酸中硝酸與硫酸間的含式只能用來確定硝化混酸中硝酸與硫酸間的含量關系，不能最終確定硝化混酸的組成。有實際意義的混量關系，不能最終確定硝化混酸的組成。有實際意義的混酸組成只可在一定范圍內，選擇混酸組成時，應考慮以下酸組成只可在一定范圍內，選擇混酸組成時，應考慮以下原則：原則：在原料酸所能配出的范圍內；在原料酸所能配出的范圍內；盡量節(jié)省盡量節(jié)省h2so4用量（在滿足脫水值的前提下）；用量（在滿足脫水值的前提下）；盡量少生成多硝基化

52、合物（不能過量太多）。盡量少生成多硝基化合物（不能過量太多）。 54特備參考硝化混酸組成的圖解法硝化混酸組成的圖解法 為了最后確定硝化混酸的組成，采用直角三角座標來為了最后確定硝化混酸的組成，采用直角三角座標來處理處理hno3 、h2so4、h2o三組分之間的關系（有時也采用三組分之間的關系（有時也采用等邊三角座標）。如圖等邊三角座標）。如圖2-1/p39 采用直角三角座標除了具有等邊三角座標的特性之外，采用直角三角座標除了具有等邊三角座標的特性之外，還具有以下優(yōu)點：還具有以下優(yōu)點：容易讀取圖內各點組成；容易讀取圖內各點組成；繪制容易，可按自己所需的座標繪制；繪制容易，可按自己所需的座標繪制；

53、對組分含量精確度要求不一致時，可采用不等腰直角三對組分含量精確度要求不一致時，可采用不等腰直角三角座標，將含量精度要求高的組分放在較長一邊。角座標，將含量精度要求高的組分放在較長一邊。55特備參考 直線直線 代表混酸組成方程式。代表混酸組成方程式。則 硝 化 混 酸 的 組 成 應 該 是 在則 硝 化 混 酸 的 組 成 應 該 是 在 線上的一點。在生產實踐中往往線上的一點。在生產實踐中往往是采用兩種或兩種以上的不同組是采用兩種或兩種以上的不同組成的酸（其中之一可以是水）來成的酸（其中之一可以是水）來進行配制硝化混酸的。如果兩種進行配制硝化混酸的。如果兩種組成酸組成酸的組成在圖的組成在圖2

54、-1中分別用點中分別用點g、h來表示，那么用它們來配制來表示，那么用它們來配制成的混酸必定是在成的混酸必定是在 線上的任一線上的任一點點o，o點的位置決定于點的位置決定于g、h兩原兩原料酸的配比大小，它們的關系是：料酸的配比大小，它們的關系是：efefghmg、mh 分別代表原料酸分別代表原料酸g、h的投料量的投料量以上方程式為混和方程以上方程式為混和方程 ogohmmhg 56特備參考 由于最后配制的混酸既要服從由于最后配制的混酸既要服從m=kl+b(或或m=kl+b)，又，又要符合混和方程，因此，要符合混和方程，因此，o點必在兩直線的交點。點必在兩直線的交點。 在確定了混酸的組成之后，即可

55、利用式在確定了混酸的組成之后，即可利用式2-5/p37算出混算出混酸的投料量酸的投料量mm.a。 mm.a=mg+mh 故原料酸故原料酸g，h的投料量相應地為：的投料量相應地為：amgmghohm. amhmghogm. 例2-3/p39 57特備參考 作業(yè)作業(yè)：甲苯硝化反應：甲苯硝化反應d.v.s = 2.3，硝酸比硝酸比=1，酸油比酸油比=2.5（混酸與有機物之比）。計算硝化廢酸（混酸與有機物之比）。計算硝化廢酸的的m值及所用混酸的組成。值及所用混酸的組成。 作業(yè)作業(yè)：對蒽醌間歇硝化過程進行物料衡算。已：對蒽醌間歇硝化過程進行物料衡算。已知被硝化物為知被硝化物為bb酸酸(苯甲酰苯甲酸苯甲酰

56、苯甲酸)縮合、稀釋后的縮合、稀釋后的混合物料，每批投料中含蒽醌混合物料，每批投料中含蒽醌318kg，bb酸等雜質酸等雜質14.5kg，h2so4 1437.5kg，h2o 349kg。加入。加入97.5%的濃硝酸進行硝化，硝酸比為的濃硝酸進行硝化，硝酸比為4.5。硝化終點時硝基。硝化終點時硝基物粗硝基蒽醌中含二硝基蒽醌物粗硝基蒽醌中含二硝基蒽醌23%，未反應蒽醌，未反應蒽醌2%。58特備參考kg質質%aq雜質雜質h2so4h2o31814.51437.5349-計計m1100kg質質%hno3h2o-97.52.5計計m2100濃硝酸濃硝酸蒽醌混料蒽醌混料硝基物硝基物廢酸硝化硝化kg質質%aq

57、no2aq(no2)aq-232計計m3100物料衡算框圖物料衡算框圖雜質雜質m4：14.5kgkg質質%h2so4hno3h2o-計計m510059特備參考3.3.氯化過程的物料衡算氯化過程的物料衡算 氯化反應的氯化反應的顯著特點是串聯(lián)反應，因此，在氯顯著特點是串聯(lián)反應，因此，在氯化生產過程中，化生產過程中，首先考慮的不是氯化劑的用量，而首先考慮的不是氯化劑的用量，而是一氯化物及多氯化物的相對生成量。是一氯化物及多氯化物的相對生成量。 在工業(yè)上常用氯化劑為在工業(yè)上常用氯化劑為cl2，也可用，也可用so2cl2(硫硫酰二氯，在惰性有機溶劑中進行時使用，反應溫和，酰二氯，在惰性有機溶劑中進行時使

58、用，反應溫和，但價太高但價太高)；在水介質中進行時，還可用鹽酸加氧；在水介質中進行時，還可用鹽酸加氧化劑（如：化劑（如：h2o2、naclo、 naclo3 等）；在氣相等）；在氣相高溫氯化時，可用高溫氯化時，可用hcl(g)加空氣。加空氣。 60特備參考 許多有機化合物的氯化過程可用下列一般方程許多有機化合物的氯化過程可用下列一般方程式表示之：式表示之： rhn+ncl2rcln+nhcl 氯化時得到一氯、二氯及三氯化合物，其數量氯化時得到一氯、二氯及三氯化合物，其數量間的比率，可根據化學動力學定律來決定。間的比率，可根據化學動力學定律來決定。令：令：ca0擬氯化原料的原始濃度，擬氯化原料的

59、原始濃度，mol分數；分數； cx氯化物的濃度，氯化物的濃度，mol分數；分數； cy二氯化物的濃度，二氯化物的濃度，mol分數；分數； c氯的濃度；氯的濃度；反應時間；反應時間； n反應級數反應級數(以氯為準以氯為準)；k1，k2分別為一氯化和二氯化的反應速度常數。分別為一氯化和二氯化的反應速度常數。61特備參考 由于生成氯化物的反應具有相同的級數，而且由于生成氯化物的反應具有相同的級數，而且是順序進行的（串聯(lián)反應），則：是順序進行的（串聯(lián)反應），則：)(2yxnyccckddc )()()()(0012xayxxayxxycccckcccckkdcdc )(01xanxccckddc 兩式

60、相除：兩式相除： 解此微分方程式，并取相應的邊界條件后得：解此微分方程式，并取相應的邊界條件后得：1)()()1()(0001 xayxkxaacccckccc62特備參考令：令：ch=ca0cx 未反應原料的濃度未反應原料的濃度 cm=cx cy 一氯化物的濃度一氯化物的濃度則未反應物料的濃度與一氯化物濃度之關系：則未反應物料的濃度與一氯化物濃度之關系：kcckcchkhkam 1110二氯化物的濃度應為：二氯化物的濃度應為：mhaycccc 0反應液中一氯化物可能達到的最大濃度應為：反應液中一氯化物可能達到的最大濃度應為：kkamkc 10c最最大大 在不同的操作條件下，在不同的操作條件下