畢業(yè)論文年產(chǎn)50噸氫化可的松車間工藝設(shè)計(jì)

1、北京化工大學(xué)北方學(xué)院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY（2013屆）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)50噸氫化可的松車間工藝設(shè)計(jì)4孕甾烯-17，21-二醇-3,20-二酮專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)姓名：傅宇德班級(jí)： 0905 學(xué)生學(xué)院：理工院日期：2013年5月指導(dǎo)教師：林貝年產(chǎn)50噸氫化可的松車間工藝設(shè)計(jì)4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮的制備摘要本工段設(shè)計(jì)所采用的工藝路線為：在反應(yīng)罐內(nèi)投入氯仿及氯化鈣-甲醇溶液1/3量攪拌下投入17-羥基黃體酮(8-13),待全溶后加入氧化鈣，攪拌冷至0。將碘溶于其余2/3量氯化鈣-甲醇液中

2、，慢慢滴入反應(yīng)罐，保待T=0±2，滴畢，繼續(xù)保溫?cái)嚢?.5h。加入預(yù)冷至10的氯化銨溶液，靜置，分出氯仿層，減壓回收氯仿到結(jié)晶析出，加入甲醇，攪拌均勻，減壓濃縮至干，即為17-羥基-21-碘代黃體酮。加入DMF總量的3/4，使其溶解降溫到10左右加入新配制好的乙酸鉀溶液(將碳酸鉀溶于余下的1/4DMF中，攪拌下加入乙酸和乙酸酐，升溫到90反應(yīng)0.5h,再冷卻備用)。逐步升溫反應(yīng)到90 ,再保溫反應(yīng)0.5h，冷卻到-10，過濾，用水洗滌，干燥得化合物S，熔點(diǎn)226，收率95%。以17羥基黃體酮為原料，經(jīng)過加成反應(yīng)得到中間產(chǎn)物，再經(jīng)過碘化反應(yīng)和置換反應(yīng)，通過靜置分層、減壓濃縮、過濾洗滌、

3、干燥等工序，得到成品。設(shè)計(jì)要求通過物料衡算，能量衡算，選擇合適的設(shè)備、車間布置及管道設(shè)計(jì)。查閱英文并翻譯、繪制相應(yīng)的工藝圖。關(guān)鍵詞:氫化可的松車間工藝設(shè)計(jì)加成Annual output of 50 tons of hydrocortisone Process Design Workshop-4 progesterone ene-17, 21 - diol -3,20 dioPreparationAbstractThe design process route is mainly used: in the reaction tank into chloroform and calcium chl

4、oride - methanol solution of 1 / 3 volume, stirring into 17-hydroxy progesterone, to be fully dissolved after adding calcium oxide, mixing cold to 0 . The iodine dissolved in the remaining 2 / 3 of calcium chloride - methanol solution can slowly drip into the reaction, maintaining the temperature at

5、 0 ± 2 , drop complete, continue to heat stirred 1.5h, join the pre-cooling to -10 The ammonium chloride solutions, standing, separate the chloroform layer, vacuum recovery of chloroform to crystallization by adding methanol, mix, evaporated to dry, namely 17-21-iodine-hydroxy-progesterone. Add

6、ing the total DMF 3 / 4, to dissolve, cool to about 10 , a new liquid formulation of potassium acetate, gradually warming response to 90 , and then heat reaction 0.5h, cooled to -10 , filtration, water washing , dried, so acetic acid compounds. Melting point 226 , yield 95%. The design mainly consis

7、ts of factors on HC workshop layout, design of process flow, calculation of matirial in the flow, calculation of quantity of heat, design of workshop layout, Selection of pipeline calculation, composition of design spec, translation of foreign document, blueprint drawing, et cetera.Which the materia

8、l balance in the quality of conservation law based on the heat balance to the law of conservation of energy and the basis of materials and energy based on the data, select the appropriate response equipment.key words:Hydrocortisone workshops technology design Addition目錄前言7第一章產(chǎn)品概述81.1節(jié)設(shè)計(jì)依據(jù)81.2節(jié)產(chǎn)品概述8第

9、二章工藝設(shè)計(jì)與工藝流程102.1節(jié)設(shè)計(jì)任務(wù)10第三章物料核算133.1 衡算依據(jù)133.2 物料衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)133.3 物料衡算流程圖19第四章熱量衡算204.1 熱量衡算目的204.2 衡算依據(jù)204.3 熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算和查取214.4 化學(xué)反應(yīng)的熱量衡算25第五章設(shè)備選型385.1節(jié)工藝設(shè)備選型的方法385.2節(jié)主要設(shè)備的選型與計(jì)算385.3節(jié)非主要設(shè)備的計(jì)算與選型425.4節(jié)設(shè)備一覽表46第六章管道設(shè)計(jì)476.1節(jié)管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料476.2節(jié)管道設(shè)計(jì)要求476.3節(jié)管道計(jì)算486.4節(jié)管道選型一覽表51第七章勞動(dòng)保障與安全生產(chǎn)527.1節(jié)車間安全生產(chǎn)規(guī)則527.2節(jié)環(huán)境衛(wèi)生52

10、7.3節(jié)生產(chǎn)裝置安全操作要?jiǎng)t52附錄53結(jié)論54前言氫化可的松又稱為皮質(zhì)醇，是天然存在的糖皮質(zhì)激素，其抗炎作用為可的松的125倍，也具有免疫抑制作用、抗毒作用、抗休克及一定的鹽皮質(zhì)激素活性等，故而在臨床醫(yī)學(xué)上得到了廣泛的應(yīng)用。主要用于腎上腺皮質(zhì)功能不足，自身免疫性疾病，變態(tài)反應(yīng)性疾病，以及急性白血病、眼炎及何杰金氏病，也用于某些嚴(yán)重感染所致的高熱綜合治療。我國以薯蕷皂素生產(chǎn)氫化可的松的企業(yè)及藥廠眾多，為更好的工業(yè)化半合成氫化可的松。所以未來幾年，氫化可的松將繼續(xù)在我國得到長足發(fā)展，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的市場競爭,因此挖掘和完善基于半合成方法的氫化可的松將是未來中國制藥行業(yè)的一個(gè)發(fā)展點(diǎn)?；趯浠?/p>

11、的松的了解與認(rèn)識(shí)，同時(shí)結(jié)合專業(yè)課的深入學(xué)習(xí)及老師的悉心教導(dǎo)，我開始了對氫化可的松的車間工藝設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)內(nèi)容以17羥基黃體酮為原料，經(jīng)過加成反應(yīng)得到中間產(chǎn)物，再經(jīng)過碘化反應(yīng)和置換反應(yīng)，通過過濾、濃縮、洗滌、干燥等工序，得到成品。本設(shè)計(jì)要求我們要有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，同時(shí)要熟練掌握計(jì)算機(jī)，熟練運(yùn)用畫圖工具。設(shè)計(jì)成果包括了工藝流程設(shè)計(jì)、物料衡算、能量衡算、工藝設(shè)備選型計(jì)算、車間布置設(shè)計(jì)、管道計(jì)算選型、設(shè)計(jì)說明書的撰寫、查閱英文并翻譯、并繪制相應(yīng)的工藝圖。本設(shè)計(jì)為工段的初步設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)任務(wù)書所要求的內(nèi)容完成。但由于經(jīng)驗(yàn)、理論和實(shí)踐知識(shí)的不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中還存在著大量的不足之處，請老師指出和修正。第一

12、章產(chǎn)品概述1.1節(jié)設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)依據(jù)北京化工大學(xué)北方學(xué)院制藥工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書。設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)以畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求對氫化可的松車間工藝展開，其詳細(xì)過程見工藝路線論證。設(shè)計(jì)遵循的技術(shù)法規(guī)（1）藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范實(shí)施指南（2001 年版，中國化學(xué)制藥工業(yè)協(xié)會(huì)，中國醫(yī)藥工業(yè)公司）；（2）工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ87-85；（3）環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-1996；（4）污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978-1996；（5）工業(yè)“三廢”排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GBJ4-73；（6）建筑工程消防監(jiān)督審核管理規(guī)定公安部第30 號(hào)令；（7）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB500682001；（8）工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)

13、準(zhǔn)TJ36-79；（9）化工工廠初步設(shè)計(jì)內(nèi)容深度的規(guī)定HG/206882000（10）化工工藝設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定HG 20519-92（11）關(guān)于出版醫(yī)藥建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告和初步設(shè)計(jì)內(nèi)容及深度規(guī)定的通知國藥綜經(jīng)字1995，第397 號(hào)（12）化工裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)規(guī)定HG 20546-921.2節(jié)產(chǎn)品概述產(chǎn)品名稱、化學(xué)結(jié)構(gòu)（1）產(chǎn)品名稱中文名：4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮英文名：4 progesterone ene-17, 21 - diol -3,20 - dione Preparation（2）化學(xué)結(jié)構(gòu)式、分子式及分子量化學(xué)結(jié)構(gòu)式：分子式：C21H30O5分子量：36

14、3臨床用途（1）臨床用途：用于腎上腺功能不全所引起的疾病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕性發(fā)熱、痛風(fēng)、支氣管哮喘等；用于過敏性皮炎、脂溢性皮炎、瘙癢癥等；用于虹膜睫狀體炎、角膜炎、鞏膜炎、結(jié)膜炎等；用于神經(jīng)性皮炎；用于結(jié)核性腦膜炎、胸膜炎、關(guān)節(jié)炎、腱鞘炎、急慢性捩?zhèn)㈦烨蕜趽p等。（2）注意事項(xiàng)：與降糖藥、抗癲癇藥、噻嗪類利尿藥、水楊酸鹽、抗凝血藥、強(qiáng)心甙等合用須考慮相互作用，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整劑量。不可驟然停藥，并避免減量過快，以免引起腎上腺皮質(zhì)功能不全的不良反應(yīng)，應(yīng)緩慢減量停藥。并在停藥后半年內(nèi)使用促腎上腺皮質(zhì)激素。（3）不良反應(yīng)：長期大量服用引起柯興氏征、水鈉潴留、精神癥狀、消化系統(tǒng)潰瘍、骨質(zhì)疏松、生長發(fā)育

15、受抑制。第二章工藝設(shè)計(jì)與工藝流程2.1節(jié)設(shè)計(jì)任務(wù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝資料部分由建設(shè)單位提供。工藝資料包括各部反應(yīng)化學(xué)方程式、原輔料配比、操作條件、操作周期、各步收率及原輔料、中間體、成品等物料性質(zhì)等等。本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝的操作方式采用的是間歇操作，整個(gè)工藝總體上分為五個(gè)工段。工藝過程及工序劃分5,16-孕甾二烯-3醇20-酮3-醋酸酯的制備1617環(huán)氧黃體酮的制備17羥基黃體酮的制備4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮的制備氫化可的松的制備化學(xué)反應(yīng)方程式及各步收率各步反應(yīng)收率：由于設(shè)計(jì)是根據(jù)終產(chǎn)物的量推算所需各階段的原輔料量，我所做設(shè)計(jì)為第三階段，只需知道第四、五階段的收率即可。查閱資料可得

16、第四階段收率為95%，第五階段的收率為44%。靜置分層減壓回收減壓濃縮廢液廢氣17羥基黃體酮過濾，洗滌濾液干燥孕甾烯17，21二醇3，20二酮水DMF醋酸鉀溶液氯仿氯化鈣甲醇 1/3氧化鈣、碘氯化鈣甲醇 2/3氯化銨甲醇碘化反應(yīng)置換2.2.1、工藝流程簡述在反應(yīng)罐內(nèi)投入氯仿及氯化鈣甲醇溶液的1/3量，攪拌下投入17羥基黃體酮，待全溶后加入氧化鈣，攪拌冷至0。將碘溶于其余2/3的氯化鈣甲醇溶液中，慢慢滴入反應(yīng)罐中，保持溫度在0±2 ,滴畢，繼續(xù)保溫?cái)嚢璺磻?yīng)1.5h，加入預(yù)冷至10的氯化銨溶液，靜置，分出氯仿層，減壓回收氯仿到結(jié)晶析出，加入甲醇，攪拌均勻，減壓濃縮至干，即為1721-碘羥

17、基黃體酮。加入DMF總量的3/4,使其溶解，降溫到10 左右，加入新配制的醋酸鉀液，逐步升溫反應(yīng)到90 ,再保溫反應(yīng)0.5h，冷卻到10 ,過濾，用水洗滌，干燥得醋酸化合物。第三章物料核算3.1 衡算依據(jù)3.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目：4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮車間產(chǎn)品名稱：4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮工作日：300 天/年日產(chǎn)量：日產(chǎn)量=年產(chǎn)量/年工作日各工段收率：減壓回收的收率： 98%減壓濃縮的收率： 99%過濾洗滌的收率： 99%干燥工段的收率： 98%總收率：98%×99%×99%×98%=95%基準(zhǔn)：物料衡算以天計(jì)算，物料單位為kg。

18、3.2物料衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)3.2.1年生產(chǎn)批數(shù)計(jì)算第四階段的收率為95%，第五階段的收率為44%，根據(jù)以上這二個(gè)收率算出后二個(gè)階段的總收率進(jìn)而算出由我所做設(shè)計(jì)階段的反應(yīng)物所應(yīng)得到氫化可的松的批產(chǎn)量。過程如下：由反應(yīng)方程式可知17-羥基黃體酮和氫化可的松的的反應(yīng)比例是11；總收率：95%×44%=41.8%；50000÷300=166kg（每批氫化可的松的產(chǎn)量）；17-羥基黃體酮日需要量：166.6÷41.8%×330÷362=363.5kg；注：330、362分別是17-羥基黃體酮和氫化可的松的分子量。3.2.2原輔料、產(chǎn)物及配比關(guān)系主要原料：17

19、-羥基黃體酮，主要輔料有氯仿、氯化鈣-甲醇、氧化鈣、氯化銨、甲醇、DMF、醋酸鉀產(chǎn)物：17，21二醇3，20二醇表2.1 工段原料用量（投料及配比）原料名稱規(guī)格配比批投料量分子量17-羥基黃體酮純度100%1.00363.5330氯仿純度98%4.001454119氯化鈣-甲醇溶液純度45%0.67243.55氧化鈣純度100%0.1761.79556碘純度100%0.90327.15127氯化銨純度42%2.50908.7552.5甲醇純度99.5%2.40872.432DMF（2，5-二甲基呋喃）純度99%2.20799.773醋酸鉀純度65%1.5545.2598添加水密度1.00kg/

20、L8.0290818注：查閱相關(guān)資料得知，且以上配17-羥基黃體酮為基準(zhǔn)各單元的物料衡算：碘化反應(yīng)單元 A B C D E碘 代 反 應(yīng) F圖2.1 碘化反應(yīng)A17-羥基黃體酮(363.5kg) 純品363.5kgB氧化鈣（61.795kg）純品61.795kgC碘（327.15kg）純品327.15kgD氯仿（1454kg）純品1454kg雜質(zhì)29.08kgE的氯化鈣-甲醇溶液（243.55kg）純品243.55kg水243.55×0.55=133.95kgF反應(yīng)后混合物(2449.99kg) 中間產(chǎn)物 17-21-碘羥基黃體酮為497.27kg 碘化鈣：245.20kg碘: 14

21、0.68kg雜質(zhì)1304.75kg 水：261.77kg 靜置分層單元A靜置分層 B D C圖2.2 靜置分層A反應(yīng)后混合物：（2449.99kg）B氯化銨溶液：（908.75）C分層產(chǎn)物（2062.86kg）氯仿1424.92kg碘140.68kg1721碘羥基黃體酮497.27kgD廢液1（1295.88kg）A減壓濃縮（產(chǎn)物的損失3%）減壓濃縮CBD圖2.3 減壓濃縮A分層有機(jī)層2062.86kgB1721碘羥基黃體酮晶體497.27×97%=482.35kgC甲醇溶液872.4kg含水4.362kgD廢氣（2452.91kg）置換反應(yīng)單元 A B C置換反應(yīng)D圖2.4 置換反

22、應(yīng)A 1721碘羥基黃體酮晶體(482.35kg)B DMF (799.7kg) 純品799.7×0.99=791.70kg雜質(zhì)799.7×0.01=7.99kgC 醋酸鉀（545.25kg）純品545.25×0.65=354.41kg含水545.25×0.35=190.84kgD 反應(yīng)混合物（1827.3kg）產(chǎn)物412.35kg醋酸鉀剩余量250.00kg其它雜質(zhì)量966.04kg 含水198.90kg過濾洗滌單元（產(chǎn)物損失1%） A過濾洗滌水 BC 圖2.5 過濾洗滌A反應(yīng)混合物(1827.3kg) 產(chǎn)物412.35kg醋酸鉀剩余量250.00kg

23、其它雜質(zhì)量966.04kg 含水198.90kg過濾水（2898.08kg）B濾液（4313.03kg）溶質(zhì)1216.04kg水 3096.99kgC產(chǎn)品（412.35kg）純品412.35×99%=408.23kg含水4.12kg干燥單元（產(chǎn)物的損失1%） A 干燥 B圖2.6 干燥A 進(jìn)料（412.35）含水4.1kgB 產(chǎn)品（408.23kg）408.23×99%=404.15表2.2 進(jìn)、出物料平衡表進(jìn)料出料序號(hào)物料名稱組成（%）數(shù)量（kg）序號(hào)物料名稱組成（%）數(shù)量（kg）117-羥基黃體酮粗品100.00363.51廢液100.001295.882氯化鈣-甲醇溶

24、液100243.55（1）氯化銨30.52395.50（1）純品45109.60（2）雜志55133.953氯仿100.001454（2）雜質(zhì)16.69216.28（1）純品98.001424.92（3）水52.79684.10（2）雜質(zhì)2.0029.082廢氣100.002452.914氧化鈣100.0061.795（1）氯仿57.011360.205碘100.00327.15（2）甲醇34.90832.686氯化銨100.00908.75（3）碘7.50178.94（1）純品42.00381.68（4）損失0.6014.32（2）雜質(zhì)58.00527.073濾液100.004313.037

25、甲醇100.00872.4（1）溶質(zhì)27.061167.11（1）純品99.50863.68（2）水72.943145.92（2）雜質(zhì)0.504.3624產(chǎn)物100.00412.358DMF100.00799.7（1）水14.12（1）純品99.00791.70（2）純品99408.23（2）雜質(zhì)1.007.999醋酸鉀100.00545.25（1）純品99.00539.80（1）雜質(zhì)1.005.511添加水100.002898.08合計(jì)100.008474.175合計(jì)100.008474.1703.3 物料衡算流程圖靜置分層減壓回收減壓濃縮廢液1294.66kg廢氣 2450.61kg17羥

26、基黃體酮363.5kg過濾，洗滌濾液 4311.69kg干燥孕甾烯17，21二醇3，20二酮水2908kgDMF 799.7kg醋酸鉀545.25kg氯仿1454kg氯化鈣甲醇 243.55kg氧化鈣61.795、碘327.15kg氯化鈣甲醇 氯化銨908.75kg甲醇 299.05kg碘化反應(yīng)置換2447.68kg有機(jī)層分層2062.86kg反應(yīng)混合物1827.3kg408.23kg產(chǎn)品403.51kg第四章熱量衡算藥物生產(chǎn)的整個(gè)過程由許許多多的基本單元操作組成，每個(gè)基本單元操作過程均伴隨能量的轉(zhuǎn)換，并需要保持平衡。每個(gè)過程均需要由系統(tǒng)吸收能量或放出能量，相應(yīng)的，外界需對系統(tǒng)提供或移出能量。

27、由此確定外供的公用工程消耗，如蒸汽、冷卻水、循環(huán)水等等用量。4.1 熱量衡算目的熱量衡算的主要目的是為了確定設(shè)備的熱負(fù)荷，根據(jù)設(shè)備熱負(fù)荷的大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求再選擇傳熱面的型式、計(jì)算傳熱面積、確定設(shè)備的主要工藝尺寸。4.2 衡算依據(jù)熱量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律，以車間物料衡算的結(jié)果為基礎(chǔ)而進(jìn)行的,所以車間物料衡算表是進(jìn)行車間熱量衡算的首要條件。4.2.1設(shè)備的熱量平衡方程式對于有傳熱要求的設(shè)備，其熱量平衡方程式為：=(4·1) 式中物料帶入到設(shè)備的熱量kJ；輔料及催化劑傳給設(shè)備和所處理物料的熱量kJ；過程熱效應(yīng)kJ；物料離開設(shè)備所帶走的熱量kJ；加熱或冷卻設(shè)備所消耗的

28、熱量kJ；設(shè)備向環(huán)境散失的熱量kJ。（1）()與均可用下式計(jì)算：（）= kJ (4·2)式中 m輸入（或輸出）設(shè)備的物料量kg；Cp物料的平均比熱容kJ/kg·；t物料的溫度。該式的計(jì)算基準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即0及1.013×105Pa 為計(jì)算基準(zhǔn)。因?yàn)槲锪系谋葻崛菔菧囟鹊暮瘮?shù)，上式中物料的比熱容是指進(jìn)、出口物料的定壓平均比熱容，對于進(jìn)口物料取基準(zhǔn)溫度與物料進(jìn)口溫度的平均溫度下的比熱容；對于出口物料取基準(zhǔn)溫度與物料出口溫度的平均溫度下的比熱容。對于不同物料的比熱容可查化學(xué)工程手冊（第1冊）或化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊（下），若查不到，各種估算方法求出相應(yīng)溫度下的比熱容值。（2）過

29、程熱效應(yīng)化學(xué)過程的熱效應(yīng)包括化學(xué)反應(yīng)熱與狀態(tài)變化熱。純物理過程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱；而對于化學(xué)反應(yīng)過程，在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，往往還伴有狀態(tài)變化熱。在熱量衡算中，過程熱效應(yīng)的符號(hào)為：放熱為正；吸熱為負(fù)。（3）與的確定根據(jù)工藝操作經(jīng)驗(yàn)，（）一般為（）的5%10%，只要計(jì)算出，就可以確定，從而計(jì)算出。（4）Q2的計(jì)算由以上計(jì)算過程得到、后，根據(jù)熱量平衡方程式求出設(shè)備的熱負(fù)荷。正值表示需對設(shè)備加熱；負(fù)值表示需冷卻。4.3 熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算和查取在熱量衡算中，大部分物料的物性常數(shù)可通過相關(guān)的物性常數(shù)手冊查取，如化學(xué)工程手冊（第1 冊），化工工藝設(shè)計(jì)手冊（下）。當(dāng)遇到手冊中數(shù)據(jù)不全的情況時(shí)，就需通過一

30、些公式來估算這些物性常數(shù)。在本設(shè)計(jì)中涉及的物性計(jì)算有比熱容、化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)等，以下介紹他們的計(jì)算方法。4.3.1比熱容的計(jì)算（1）液體的比熱容的計(jì)算對于絕大多數(shù)有機(jī)化合物，其比熱容可依據(jù)藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝設(shè)計(jì)求得。先根據(jù)化合物的分子結(jié)構(gòu)，將各種基團(tuán)結(jié)構(gòu)的摩爾熱容數(shù)值加和，求出摩爾熱容，再由化合物的分子量換算成比熱容。另外，如果作為近似計(jì)算，液體的比熱容也可按照計(jì)算固體比熱容的科普定律求取，其具體計(jì)算過程見固體的比熱容計(jì)算。表4. 1 Missenard基團(tuán)貢獻(xiàn)法的基團(tuán)參數(shù)值基團(tuán)T,K0298323348基團(tuán)參考值H13.414.615.516.7CH340.041.643.545.8CH2

31、27.628.229.129.9CH 23.824.925.726.6>C<8.48.48.48.4O29.329.730.130.1CO(酮)42.743.544.445.2OH33.543.952.361.7COO(酯)57.759.061.163.2COOH74.178.783.790.0（3）固體的比熱容的計(jì)算固體的比熱容可應(yīng)用科普定律來計(jì)算：C=( kJ/kg·) (4·3) 式中 Ca元素的原子比熱容kJ/kg·，其值見下表；n固體分子中同種原子的個(gè)數(shù)；M化合物分子量。表4.2 元素原子的比熱容元素Ca (kcal/kg·)液態(tài)固

32、態(tài)C2.81.8H4.32.3O6.04.0注：1Kcal=4.187kJ上述公式計(jì)算出的是20時(shí)的比熱容，不在20時(shí)各化合物的比熱容將與算出的比熱容有出入。凡高于20時(shí)的化合物，比熱容可根據(jù)上述公式計(jì)算所得結(jié)果再加大2025%。4.3.2狀態(tài)熱的計(jì)算狀態(tài)熱一般也稱為潛熱。它包括汽化熱、熔融熱、熔解熱等，下面分別加以論述。（1）汽化熱任何溫度、壓強(qiáng)下，化合物的汽化熱均可按下式計(jì)算：（4·4）式中-對比壓強(qiáng)（實(shí)際壓強(qiáng)與臨界壓強(qiáng)之比值）；-對比溫度（實(shí)際溫度與臨界溫度之比值）；-臨界溫度K。（2）熔融熱不同物質(zhì)的熔融熱可根據(jù)以下公式求出：元素=（8.412.6）（4·5）無機(jī)化

33、合物=（20.929.3）有機(jī)化合物=（37.746.0）其中：-熔融熱J/mol-熔點(diǎn)K。（3）溶解熱氣態(tài)溶質(zhì)的溶解熱可取蒸發(fā)潛熱的負(fù)值；固態(tài)溶質(zhì)的溶解熱則近似可取其熔融熱的值。4.3.3化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算為計(jì)算各種溫度下的反應(yīng)熱，規(guī)定當(dāng)反應(yīng)溫度為298K及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)反應(yīng)熱的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，習(xí)慣上用H°表示，負(fù)值表示放熱，正值表示吸熱。這與在熱量衡算中所規(guī)定的符號(hào)正好相反，為避免出錯(cuò)，現(xiàn)用符號(hào)表示標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，放熱為正，吸熱為負(fù)，則 =H°。標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)可以在化學(xué)工程手冊（第一冊）或化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊（下）中查到；當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)生成熱或標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求得。（1）用標(biāo)準(zhǔn)生

34、成熱求，其公式為 =kJ/mol （4·6）式中-反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；-標(biāo)準(zhǔn)生成熱kJ/mol。（2）用標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求，其公式為 = kJ/mol （4·7）式中-反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；-標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 kJ/mol。（3）標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱的計(jì)算理查德認(rèn)為：有機(jī)化合物的燃燒熱與完全燃燒該有機(jī)化合物所需的氧原子數(shù)成直線關(guān)系7。即：= kJ/mol （4·8）式中、-常數(shù)，與化合物結(jié)構(gòu)相關(guān)-化合物完全燃燒時(shí)所需的氧原子數(shù)（4）與的換算，符合蓋斯定律，其公式為= kJ/mol （4·9）式中標(biāo)準(zhǔn)生成熱kJ/

35、mol；標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱kJ/mol；-化合物中同種元素的原子數(shù)； -元素標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱kJ/（g·atom），其值見表4-3。表4.3 元素標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱一覽表元素的燃燒過程元素燃燒熱 kJ/（g·atom）C CO2（氣）395.15 H H2O（液）143.15（5）不同溫度下反應(yīng)熱的計(jì)算因反應(yīng)恒定在t溫度下進(jìn)行，而且反應(yīng)物及生成物在（25t）范圍內(nèi)均無相變化，則的計(jì)算公式為：=（t-25）（）kJ/mol （4·10）式中-標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱kJ/mol；-反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；-反應(yīng)物或生成物在（25t）范圍內(nèi)的平均比熱容kJ/kg·

36、；t -反應(yīng)溫度。4.4 化學(xué)反應(yīng)的熱量衡算4.4.1碘代反應(yīng)的熱量衡算A B碘 代 反 應(yīng) C 圖4.1 碘化反應(yīng)A 17羥基黃體酮純品363.5kgB碘（327.15kg）C中間產(chǎn)物497.27kg碘化鈣245.2kg計(jì)算過程：（1）的計(jì)算：=（以0為基準(zhǔn)）Cp 的求?。海矗?25之間的平均比熱容）A 17羥基黃體酮可根據(jù)“科普法則”估算而得；B碘可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；則所得各物質(zhì)的值見下表：表4.4 物質(zhì)的Cp 值一覽表物質(zhì)溫度17羥基黃體酮碘300.62860.251 各物質(zhì)Q1=363.5×0.6286×30=6854.88KJ =327.15×0.

37、25×30=2453.63KJ所以= =6854.88+2453.63 =9308.51KJ雜質(zhì)的忽略不計(jì)（2）的計(jì)算：=（以0為基準(zhǔn)）的求?。海矗?25之間的平均比熱容）中間產(chǎn)物的可根據(jù)“科普法則”估算而得；碘化鈣的可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；則所得各物質(zhì)的值見下表：表4.5物質(zhì)的Cp 值一覽表物質(zhì)溫度中間產(chǎn)物碘化鈣301.27450.2423 各物質(zhì)的Q4：=497.27×1.2745×30=19013.12KJ=245.2×0.2423×30=1782.36KJ所以=20795.48 KJ（3）的計(jì)算：狀態(tài)變化熱：熔解熱：17羥基黃體酮的熔

38、解熱可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊=161.7364 KJ/kg稀釋熱：忽略不計(jì)化學(xué)反應(yīng)熱：各物質(zhì)生成熱的求?。?7羥基黃體酮： C21H29O3+ O221CO2+14.5H2O x=53.5根據(jù)“理查德法”，則有：= kJ/mol表4.6 a、b 值一覽表基團(tuán)基數(shù)23.86218.05甲基323.7130.273環(huán)戊烷-32.360.29酮23.03-0.8環(huán)己烷2-32.6520.392乙酰35.76-0.12環(huán)己烯-33.280.36=22.84=219.37所以：=-22.8453.5×219.37=11759.14KJ/mol元素燃燒熱：= 21×395.1529

39、15;143.15 =12449.5 KJ/mol所以：=12449.5-11662.76=689.74KJ/mol碘（查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊）可得：= 97.15 KJ/mol碘化鈣（查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊）可得：= 107.206 KJ/mol中間產(chǎn)物： C21H29O3I+ （x/2）O221CO2+14H2O+HI x=53根據(jù)“理查德法”，則有：qc=åaxb kJ/mol表4. 7 a、b 值一覽表基團(tuán)基數(shù)23.86218.05甲基223.7120.272環(huán)戊烷-32.360.29酮23.03-0.8環(huán)己烷2-32.6520.392乙酰35.76-0.12環(huán)己烯-33.280

40、.36=-0.87=219.1 =-0.87+53×219.1=11611.43 KJ/mol燃燒熱： = 21×395.1528×143.15= 12306.35 KJ/mol所以：=12306.35-11611.43=694.92 KJ/mol =-()+ + =15.236 KJ/m求反應(yīng)溫度（2533）下的化學(xué)反應(yīng)熱：取反應(yīng)溫度為30則：=（t-25）（）kJ/molA的求取：（即：025之間的平均比熱容）17羥基黃體酮、中間產(chǎn)物的Cp 值可根據(jù)“科普法則”估算而得；碘、碘化鈣的Cp可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；表4. 8 物質(zhì)的Cp 值一覽表物質(zhì)溫度17羥基黃

41、體酮碘中間產(chǎn)物碘化鈣300.62860.251.27450.2423B反應(yīng)溫度為30下的化學(xué)反應(yīng)熱即：qtr=15.236-5×（0.62860.25）=12.045 kJ/mol =12.045×= 13.28KJ由上可知：=161.736413.28=175.02 KJ（4）的計(jì)算:據(jù)工藝要求，可以有：=5%10%（）故取=7%（） =7/93×=7/93×20795.48=1565.25 KJ（5）的計(jì)算 = =20795.481565.259308.51-175.02=12877.20KJ4.3.3濃縮過程能量衡算濃縮罐100圖4.2 濃縮罐上工

42、段帶進(jìn)來的即：20795.48KJ17-21-碘羥基黃體酮：497.27kg甲醇（872.4 kg）廢氣（2452.97 kg）計(jì)算過程：（1）的計(jì)算：為上工段進(jìn)來的即：20795.48KJ（2）的計(jì)算：=（以0為基準(zhǔn)）的求?。矗?100之間的平均比熱容）甲醇的可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；、1721碘羥基黃體酮可根據(jù)“科普法則”法估算而得；、廢氣的可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；表4.9 各物質(zhì)的Cp值一覽表物質(zhì)溫度A甲醇B 1721碘羥基黃體酮 C 廢氣1002.67850.26560.1856各物質(zhì)的（甲醇）=872.4×2.6785×100=234154.47 KJ（17-21

43、-碘羥基黃體酮）=482.35×0.2656×100=12811.22 KJ（廢氣）=2452.97×0.1856×100=45527.12 KJ= +=292492.81KJ（3）的計(jì)算狀態(tài)變化熱：汽化熱：甲醇（查閱化學(xué)原理第449頁）可得q=-1101KJ/kg則Q=-381.97KJ此過程沒有化學(xué)變化，因此化學(xué)變化熱為0。Q3=Q=-381.97 KJ（4）Q5+Q6的計(jì)算據(jù)工藝要求，可以有：=5%10%（）故取=7%（） =7/93×=7/93×292492.81=22015.59 KJ（5）的計(jì)算 = =22015.5929

44、2492.8120795.48381.97=294094.89 KJ4.4.3置換反應(yīng)的熱量衡算：置換反應(yīng)裝置圖4.3 置換反應(yīng) 17-21-碘羥基黃體酮 a482.35 kg 醋酸鉀（545.25kg） a純品354.41 kg b含水190.84 kg反應(yīng)混合物（1827.3kg）a產(chǎn)物412.35kg計(jì)算過程：(1) Q1的計(jì)算：=（以0為基準(zhǔn)）的求取：（即：025之間的平均比熱容）17-21-碘羥基黃體酮可根據(jù)“科普法則”估算而得；醋酸鉀可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；則所得各物質(zhì)的值見下表：表4.10 物質(zhì)的Cp 值一覽表物質(zhì)溫度A 1721碘羥基黃體酮B醋酸鉀900.26560.39各物質(zhì)

45、的Q1：=482.35×0.2656×90=11530.09KJ= 545.25×0.39×90=19138.28 KJ所以= =11530.0919138.28 =30668.37 KJ注：雜質(zhì)的忽略不計(jì)（2）的計(jì)算：=（以0為基準(zhǔn)）的求取：產(chǎn)物的可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊；則所得各物質(zhì)的Cp 值見下表：表4.11 物質(zhì)的Cp 值一覽表物質(zhì)溫度A產(chǎn)物901.2745各物質(zhì)的Q4：=412.35×1.2745×90=47298.61KJ= =47298.61KJ（3）Q3的計(jì)算：狀態(tài)變化熱：熔解熱：a 1721碘羥基黃體酮的熔解熱可查閱化

46、工工藝設(shè)計(jì)手冊可得： 547.9920 KJ/kgb 醋酸鉀的熔解熱可查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊可得： 230.0760 KJ/kg所以： =547.9920230.0760=778.068 KJ注：各液體的熔解熱可忽略不計(jì)稀釋熱：忽略不計(jì)化學(xué)反應(yīng)熱：各物質(zhì)生成熱的求?。篴 中間產(chǎn)物： C21H29O3I+ O221CO2+14H2O+HI x=53根據(jù)“理查德法”，則有：表4.12 a、b 值一覽表基團(tuán)基數(shù)23.86218.05甲基223.7120.27x2羥基21.78-0.16環(huán)戊烯-33.360.31環(huán)己烷2-32.6520.39x2酮23.03-0.8環(huán)己烯-33.280.36=-15.8

47、5=219.08= kJ/mol所以：= -15.8553×219.08=11595.39KJ/mol元素燃燒熱：= 21×395.1530×143.15+11.32=12711.97 KJ/molqf1=12711.97-11595.39=1116.58 KJ/molb 醋酸鉀（查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊）可得：=230.0760 KJ/molc 終產(chǎn)物： C21H31O5+ O221CO2+15H2O x=52根據(jù)“理查德法”，則有：= kJ/mol表4.13 a、b 值一覽表基團(tuán)基數(shù)23.86218.05甲基323.7130.27x3羥基21.78-0.16環(huán)戊烯

48、-33.360.31酯22.06-0.35環(huán)己烷2-32.6520.39x2酮23.03-0.8環(huán)己烯-33.280.36=29.92=219所以：=29.9252×219=11417.92 KJ/mol元素燃燒熱：=21×395.1531×143.15=12735.8 KJ/mol= 12735.8-11417.92=1317.88KJ/mol標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)熱的求取=-()+（+)=201.3 KJ/mol求反應(yīng)溫度100下的化學(xué)反應(yīng)熱：=（t-25）（）kJ/mol的求?。海矗?100之間的平均比熱容）值可根據(jù)“科普法則”估算而得；表4.14 物質(zhì)的Cp 值一覽表物質(zhì)溫度A產(chǎn)物901.2745反應(yīng)溫度為100下的化學(xué)反應(yīng)熱即： =201.3-65×1.2745=120.2125 kJ/mol=120.2125×412.35/330=-150.21 KJ由上可知：=150.21+778.068=928.28（4）的計(jì)算:據(jù)工藝要求，可以有：=5%10%（Q5）故取=7%（） =7/93×=7/93×47298.61=3560.11 KJ（5）Q2的計(jì)算 = =47298.613560.11928.28-30668.37=19262.07 KJ4.3.5冷卻過程能量