化工中物料衡算和热量衡算公式

物料衡算和热量衡算

物料衡算

根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。

物料衡算的基础

物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。 ∑G1=∑G2+∑G3+∑G4 ∑G2：--输人物料量总和； ∑G3：--输出物料量总和； ∑G4：--物料损失量总和； ∑G5：--物料积累量总和。

当系统内物料积累量为零时，上式可以写成： ∑G1=∑G2+∑G3

物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。

物料衡算的基准

(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。

(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。

消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。

制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。 热量衡算

制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。

热量衡算的基础

热量衡算按能量守恒定律\在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡\，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 （1-1） 式中： Q1-所处理的物料带入设备总的热量，KJ;

Q2-加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为\，冷却剂吸收热量为\），KJ; Q3-过程的热效率，（符号规定过程放热为\；过程吸热为\） Q4-反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓） Q5-设备部件所消耗的热量，KJ;

Q6-设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;

热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，而该时间必须是稳定传热时间）热量衡算温度基准，一般规定25℃。热量衡算式中各项计算 从 （1-1）式中可得：

Q2 =Q 4+Q5+Q6-Q1-Q3 (1-2) 式中各项可用以下计算方法 （1）Q1和Q4的计算

Q1和Q4均可以用下式计算： Q=∑miciT1(T2)

式中： mi-反应物体系中组分I的质量，Kg;

ci-组分i在0-T℃时的平均比热容，KJ/(Kg*℃)或KJ/(Kmol·℃); T1(T2)-反应物系反应前后的温度，℃

（2） Q3的计算

Q3 作为过程的热效率分为化学反应热效应和物理过程热效应，在这次反应中由于物理过程热效应较低，相比化学反应热效应可忽略不计，故过程热效应可由下式表示：

式中 -化学反应热效应，KJ；

-物理过程热效应，KJ；(可忽略不计)可通过标准化学反应热计算：

式中 -标准化学反应热，KJ/mol；

-参与化学反应的A物质质量，Kg； -A物质分子量。

反应体系中各物质标准焓为： 乙苯（40.219KJ/mol） 苯（33.871 KJ/mol） 甲苯（18.029KJ/mol）

=（33.871+18.029-40.219）KJ/mol=51.86KJ/mol ==(1000×35430×51.86/104.15)=17641860.78KJ Q 5=∑Micpi (T2-T1)

Mi--设备上i部件质量，kg；

cpi--设备上i部件比热容，kJ／(kg?℃)

T1--设备各部件初温，℃； T2--设备各部件终温，℃。

设备向四周散失的热量(Q6)的计算 Q6=∑Aα t(TW2一T0)t ×10-3 A--设备散热表面积，m2；

α t--散热表面向四周介质的联合给热系数，W／(m2?℃)； Tw2--四壁向四周散热时的表面温度，℃； To--周围介质温度，℃； t --过程持续时间，s。

由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量的计算 Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3

选定加热剂(或冷却剂)，即可从有关手册查出该物质cp，再确定其进出口温差ΔT，则加热剂(或冷却剂)的用量为： w=Q2／cp?ΔT Q2=κA1?ΔT m

κ--传热系数，kJ／(m2?h．℃)； Al--传热面积，m2；

ΔT m --对数平均温差，℃。

ΔT m=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔTl／ΔT2)

从上式即可计算所需的传热面积。对不需加热或冷却的设备可不必进行热量计算，此时水、汽等消耗量的确定可从同类型的生产车间取得。 热量衡算结束应列成动力消耗定额及消耗量表。

物料和热量恒算举例

物料恒算和热量恒算主要用于设计中的设备选型。 每个工艺段都应该进行核算。

列：某厂年生产速效感冒胶囊3亿粒/年，年工作时间为250天，一天一班，实行8小时工作制。 处方：

对乙酰基粉 0.3g 维生素C 0.1g 胆汁粉 0.1g 咖啡因 0.003g 扑尔敏 0.003g 10%淀粉浆 适量 色用色素 适量

速效感冒胶囊工艺流程：粉碎、过筛、填充、包装。 现只针对粉碎工段进行物料恒算，其他相同。

注：处方中对乙酰基粉、维生素C、胆汁粉、咖啡因、扑尔敏都要经过粉碎。并且考虑20%的富余量。

300000000*0.3*10-3

对乙酰基粉每天用量：-------------------- *1.2 =432kg 250

300000000*0.1*10-3 维生素C每天用量： ------------------- *1.2=144kg 250

300000000*0.1*10-3 胆汁粉每天用量： ------------------ *1.2 =144kg 250

300000000*0.003*10-3 咖啡因每天用量： -------------------- *1.2 =4.32kg 250

300000000*0.003*10-3 扑尔敏每天用量： -------------------- *1.2 =4.32kg 250

根据以上计算，可以选择粉碎设备有： 40B型万能粉碎机：160-800kg/h 40B型粉碎机组：160-800kg/h

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