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
热量衡算的基础是能量守恒定律,在无轴功的条件下,进入系统的热量与离开热量相互平衡。实际生产中传热设备的热量衡算可由下式表示。
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
Q1——物料进入设备带入热量,kJ;
Q2——由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量,kJ;
Q3——过程热效应,kJ;
Q4——物料离开设备带出的热量,kJ;
Q5——消耗在加热设备各个部件上的热量,kJ;
Q6——设备向四周散失的热量,kJ。
热量衡算的方法
热量衡算时一般建议以273K为基准温度,以液态为基准物态。
(1)物料进入设备带人热量Q1(或物料由设备带出的热量Q4)的计算
Ql(Q4)=∑Gicpi(T—T0)
Gi——1物料质量,kg;
Gi——1物料平均等压比热容,kJ/(kg•℃);
T ——物料温度,℃;
T0——计算基准温度,℃。
生产过程中有相变化时还要加上相变热。
(2)过程热效应(Q3)
过程热效应包括化学过程热效应(Qr)和物理过程热效应(Qp)。即:
Q3=Qr+Qp
Qr=1000×qr?×GA/MA
GA——参与反应的A物质量,kg;
qr?——标准化学反应热,kJ/mol;
MA——A物质的分子量。
Qp可通过盖斯定律来计算。
消耗在加热设备各个部件上的热量(Qs)的计算
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
胆汁粉
扑尔敏
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 =
250
300000000*0.1*10-3
维生素C每天用量: ------------------- *1.2=
250
300000000*0.1*10-3
胆汁粉每天用量: ------------------ *1.2 =
250
300000000*0.003*10-3
咖啡因每天用量: -------------------- *1.2 =
250
300000000*0.003*10-3
扑尔敏每天用量: -------------------- *1.2 =
250
根据以上计算,可以选择粉碎设备有:
40B型万能粉碎机:160
40B型粉碎机组:160