課程設計：年產(chǎn)850噸頭孢氨芐的車間工藝設計（完整版）

年產(chǎn)850噸頭孢氨芐的車間工藝設計感染，如：流行性感冒，出血性敗血癥、鏈球菌病、豬丹腫、放線菌病、壞死桿菌病、鉤端螺旋體病等所引起的敗血性高熱(41～43℃)或持續(xù)低溫(37℃以下)、消化不良、喜喝冷水、無神嗜睡、行走拐跛、耳部變藍、流淚等。同時用于治療各種炎癥疾患，如：傳染性胸膜肺炎、耳病、乳腺炎、子宮炎、口腔炎、尿道炎等引起的胎多或仔豬出生7-10天后死亡，乳房紅腫、乳汁變壞、產(chǎn)乳下降、口蹄潰爛、流涎關(guān)鍵詞：頭孢氨芐工藝流程物料衡算Cephalexinisacephalosporinantibioticthathasbeenusedagainstbacteria.Itworksbyinterferingwiththeformationofbacterialcellwalls,causingthecellstobreakdownandkillingbacteria.Cephalexinismainlyusedforthetreatmentofinfectionscausedbybacteria,includingupperrespiratorytractinfections,earinfections,skinandsofttissueinfectionsandurinarytractinfections.Theprocessofthedesignismainly:first,penicillinGpotassiumthroughesterification,oxidation,hydrolysis,esterification,condensationandaseriesofcomplexreactionandfinallygetwhatweneedcefalexin.Thisdesigncontentmainlyincludestheproductionofcephalexinacylationworkshopsection,processdesign,processdesign,materialbalance,heatbalance,siteselection,layoutdesign,detaildesignoftwowastehandlingetc..Keywords:CephalexinProcessmaterialbalance目錄 1第1.1節(jié)研究背景及意義 1第1.2節(jié)產(chǎn)品概述 1第2章國內(nèi)外研究的歷史和現(xiàn)狀以及我們要研究的目標 5第2.1節(jié)國內(nèi)狀況 5第2.2節(jié)國外現(xiàn)狀 6第2.3節(jié)研究目標 6第3章生產(chǎn)工藝的選擇以及設計所要完成的內(nèi)容 7第3.1節(jié)國內(nèi)生產(chǎn)頭孢氨芐的方法 7第3.2節(jié)設計方案的選擇 7第4章物料衡算 第4.1節(jié)整個化學反應方程式及各步反應收率 第4.2節(jié)物料衡算的基礎(chǔ) 第4.3節(jié)具體物料衡算 第5章熱量衡算 29第5.1節(jié)能量衡算原理 第5.2節(jié)熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查取與計算 第5.3節(jié)熱量衡算具體計算過程 第6章設備選型與計算 49第6.1節(jié)設備選型概述 49第6.2節(jié)主要工藝設備的選型方法 49第6.3節(jié)?；ざ沃饕O備選型 49第7章車間布置 第7.1節(jié)車間設計的要求 第7.2節(jié)具體設計方案 第8章管道布置與計算 第8.1節(jié)管道設計與布置的目的 第8.2節(jié)管道設計的基礎(chǔ)資料 第8.3節(jié)管道設計及管道材質(zhì)的基本要求 第8.4節(jié)車間管道設計 第9章生產(chǎn)控制 第9.1節(jié)原料主要技術(shù)指標 第9.2節(jié)產(chǎn)品主要技術(shù)指標 第9.3節(jié)生產(chǎn)控制要點 第10章車間定員 第10.1節(jié)勞動組織 第10.2節(jié)崗位定員 第11章勞動保障與安全生產(chǎn) 結(jié)論 參考文獻 致謝…………………731第1.1節(jié)研究背景及意義頭孢菌素類抗生素分子中含有頭孢烯的半合成抗生素。本類藥可破壞細菌的細胞壁，并在繁殖期殺菌。對細菌的選擇作用強，而對人幾乎沒有毒性，具有抗菌譜廣、抗菌作用強、耐青霉素酶、過敏反應較青霉素類少見等優(yōu)點。所以是一類高效、低毒、臨床廣泛應用的重要抗生素。頭孢菌素屬于β-內(nèi)酰胺類抗生素，是β-內(nèi)酰胺類抗生素中的7-氨基頭孢烷酸(7-ACA)的衍生物，因此它們具有相似的殺菌機制。它分為以7-ADCA為母核和以7-ACA為母核兩大系列。前一系列為青霉素的深加工產(chǎn)品，生產(chǎn)流程為青霉素工業(yè)鹽—7-ADCA—半合成頭孢菌素?，F(xiàn)在7-ADCA已經(jīng)被列入國家急需發(fā)展的重點醫(yī)藥中間體之中。它用于合成頭孢氨芐，頭孢拉定，頭孢克羅等，這些藥物都是市場用量較大的抗生素。國內(nèi)7-ADCA的合成技術(shù)尚不是很成熟，產(chǎn)量還很低，在質(zhì)量和產(chǎn)量上都無法滿足國內(nèi)市場需求。因此，7-ADCA的生產(chǎn)和應用存在很大的發(fā)展空間。第1.2節(jié)產(chǎn)品概述1產(chǎn)品名稱本次設計任務的主角—頭孢氨芐，又叫苯甘頭孢霉素或頭孢立新。學名為(6R,7R)-3-甲基-7-[(R)-2-氨基-2-苯乙酰氨基]-8-氧代-5-硫雜-1-氮雜雙環(huán)[4.2.0]辛-2-烯-2-甲酸-水合物。22化學結(jié)構(gòu)分子量：347.393理化性質(zhì)本品在水中微溶，在乙醇、氯仿或乙醚中不溶。比旋度取本品，精密稱定，加水溶解并稀釋成每1ml中含5mg的溶液，依法測定，比旋度為+144度至+158度。吸收系數(shù)取本品，精密稱定，加水溶解并稀釋成每1ml中約含20μg的溶液，照分光光度法，在262nm的波長處測定吸收度，吸收系數(shù)為220～245。4臨床用途廣譜抗菌素類藥。主用于革蘭氏陽性菌和陰性菌感染，如：流行性感冒，出血性敗血癥、鏈球菌病、豬丹毒、炭疽、氣腫疽、惡性水腫、放線菌病、壞死桿菌病、鉤端螺旋體病等所引起的敗血性高熱(41～43℃)或持續(xù)低溫(37℃以下)、消化不良、喜喝冷水、無神嗜睡、行走拐跛、耳部變藍、流淚等。同時用于治療各種炎癥疾患，如：傳染性胸膜肺炎、肺疫肺炎、萎縮性鼻炎、藍耳病、乳腺炎、子宮炎、口腔炎、尿道炎等引起的咳嗽氣喘、呼吸困難、懷孕低、死胎多或仔豬出生7-10天后死亡，乳房紅腫、乳汁變壞、產(chǎn)乳下降、口蹄潰爛、流涎不止、生瘡化膿等。5藥理毒理1、藥理頭孢氨芐屬第一代頭孢菌素，抗菌譜與頭孢噻吩相仿，但其抗菌活性較后者為差。除腸球菌屬、甲氧西林耐藥葡萄球菌外，肺炎鏈球菌、溶血性鏈球菌、產(chǎn)或不產(chǎn)青霉素酶葡萄球菌的大部分菌株對本品敏感。本品對奈瑟菌屬有較好抗菌作用，但流感嗜血桿菌對本品的敏感性較差；本品對部分大腸埃希菌、奇異變形桿菌、沙門菌和志賀菌有一定抗菌作用。其余腸桿菌科細菌、不動桿菌、3銅綠假單胞菌、脆弱擬桿菌均對本品呈現(xiàn)耐藥。梭桿菌屬和韋容球菌一般對本品敏感，厭氧革蘭陽性球菌對本品中度敏感。2、毒理頭孢氨芐的小鼠口服半數(shù)致死量為2.6g/kg。6藥代動力學本品吸收良好，空腹口服本品0.5g后1小時達血藥峰濃度(Cmax),平均為18mg/L。餐后服藥延長吸收并降低血藥峰濃度，但吸收量不減。本品的吸收在幼兒乳糜瀉和小腸憩室患者可增加，在克隆病和肺囊性纖維化患者可延緩和減少。老年人胃腸道吸收雖無減少，但血藥濃度維持較年輕人為久。本品血消除半衰期(t1/2b)為0.6～1.0小時，加服丙磺舒可提高血藥濃度，t1/2b可延長至1.8小時；腎衰竭時t1/2b可延長至5～30小時；新生兒t1/2b為6.3小時。本品吸收后廣泛分布于各組織體液中，每6小時口服0.5g后痰液中平均濃度為0.32mg/L,膿性痰液中濃度較高。膿液藥物濃度與血藥濃度基本相等，關(guān)節(jié)腔滲出液中藥物濃度為血藥濃度的50%。本品可透過胎盤進入胎兒血循環(huán)，產(chǎn)婦羊水；乳婦口服0.5g后乳汁濃度為5mg/L。約5%的口服給藥量自膽汁排出，膽汁中藥物濃度為血藥濃度的1~4倍。血清蛋白結(jié)合率為10%～15%。本品體內(nèi)不代謝，24小時尿中累積排出給藥量的80%～90%,口服0.5g后尿藥峰濃度可達2.2g/L。頭孢氨芐可為血液透析和腹膜透析所清除。7不良反應本藥不良反應發(fā)生率為8%,一般均呈暫時性和可逆性。1、胃腸道：較多見惡心、嘔吐、腹瀉和腹部不適等胃腸道癥狀，偶見假膜性腸炎。2、過敏反應：少見皮疹、蕁麻疹、紅斑，藥物熱等過敏反應癥狀，偶可發(fā)生過敏性休克。3、中樞神經(jīng)系統(tǒng)：少見頭暈、復視、耳鳴、抽搐等神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。4、肝臟：少見——過性肝功能異常(血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和堿性磷酸酶短暫性升高)。5、腎臟：少見暫時性尿素氮、肌酸、肌酸酐升高，偶見蛋白尿，少尿。46、血液：偶見血紅蛋白下降、血小板減少、中性粒細胞減少、嗜酸粒細胞增多等，罕見溶血性貧血。7、其它：長期用藥時可致菌群失調(diào)，發(fā)生二重感染；也可出現(xiàn)維生素K、維生素B缺乏。5第2章國內(nèi)外研究的歷史和現(xiàn)狀以及我們要研究的目標第2.1節(jié)國內(nèi)狀況目前國內(nèi)已有15種頭孢類原料藥實現(xiàn)國產(chǎn)化，頭孢類原料藥生產(chǎn)企業(yè)達31家。隨著國內(nèi)7-ACA,7-ADCA的規(guī)?；a(chǎn)，國內(nèi)頭孢菌素生產(chǎn)規(guī)模也逐漸擴大，現(xiàn)已能滿足國內(nèi)生產(chǎn)用藥需要。主要生產(chǎn)廠家有華藥，山東新華和廣東僑光。其中華北制藥為了增加規(guī)模效益，適應自身發(fā)展的需要，又新上了一套裝置。年產(chǎn)量可達800t。國內(nèi)以華北制藥生產(chǎn)水平最高，質(zhì)量收率可以達42%,但生產(chǎn)上不穩(wěn)定，導致質(zhì)量和收率不穩(wěn)定。近些年來，我國頭孢氨芐原料藥工業(yè)的發(fā)展取得重大進展，生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)量從無到有，產(chǎn)品己實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)并投放國內(nèi)市場，近10家生產(chǎn)企業(yè)具有頭孢氨芐原料藥的生產(chǎn)批準文號。表2.1主要廠家生產(chǎn)狀況企業(yè)化北制藥山東魯抗新東海合資永進上海醫(yī)藥產(chǎn)量(ta-1)生產(chǎn)情況擴產(chǎn)停產(chǎn)正常正常擬建我國基本都是國產(chǎn)化，生產(chǎn)規(guī)模不大，生產(chǎn)成本偏高；國內(nèi)產(chǎn)品在晶形、外觀上與進口產(chǎn)品有一定差距，而且含量偏低；質(zhì)量收率底，但生產(chǎn)上不穩(wěn)定，導致質(zhì)量和收率不穩(wěn)定。由于工藝過程復雜，限制頭孢氨芐的生產(chǎn)，很多企業(yè)從國外進口7-ADCA用于合成相關(guān)藥物。同分異構(gòu)型明顯較高，對下游產(chǎn)品的有一定的影響；國內(nèi)的回收工藝明顯落后于印度，特別是氧化中醋酸，擴環(huán)中的吡啶，未能充分回收，既造成環(huán)境污染，又增加了成本。2004年國內(nèi)需求量在1200t左右，而進口量達600t。說明國內(nèi)企業(yè)需要進步的空間還很大。6第2.2節(jié)國外現(xiàn)狀頭孢氨芐的國外生產(chǎn)廠家主要有美國TEVA、荷蘭DSM、臺灣駿祥、印度等企業(yè)，2000年世界產(chǎn)量達6250t,估計到2005年將突破萬噸。目前，國外企業(yè)基本上是自動化生產(chǎn)，收率從40%到46%不等，質(zhì)量指標較好。第2.3節(jié)研究目標針對這種成本高，收率低的情況，對頭孢氨芐的生產(chǎn)工藝進行設計與優(yōu)化，爭取改善目前這種落后于國際的生產(chǎn)狀況，是極其必要的。本次課題設計的目標就是對車間工藝的設計可以使頭孢氨芐生產(chǎn)自動化、規(guī)?；?、制度化，可以減少過多的勞力浪費和經(jīng)濟成本，頭孢氨芐新品的研發(fā)和改進也有著重要的影響。7第3章生產(chǎn)工藝的選擇以及設計所要完成的內(nèi)容第3.1節(jié)國內(nèi)生產(chǎn)頭孢氨芐的方法國內(nèi)頭孢氨芐的生產(chǎn)方法主要有如下三種：1微生物酶法：以苯甘氨酸為原料，進行二次?；?，將7-ADCA與三甲基氯硅烷反應得到二硅烷基化的產(chǎn)物，再將上述兩步反應進一步反應得到頭孢氨芐O2苯甘氨酸法：多采用固相酶技術(shù)，將無色桿菌細胞吸附在乙胺乙基-纖維素載體上，將此固相裝柱，通入0.1%-7-氨基脫乙酰氧基頭孢烷酸和0.5%D-苯甘氨酸甲酯，5h后，85%的7-ADCA轉(zhuǎn)化為頭孢氨芐。3苯甘氨酰氯與7-ADCA縮合法：原理是以青霉素鹽類(青霉素G或青霉素V)為主要原料，通過擴還重排、裂解為7-ADCA。再與D-(-)-苯甘氨酸酰氯縮合而得。第3.2節(jié)設計方案的選擇由于，現(xiàn)在我國用酶法制備頭孢氨芐的工藝還沒有成熟，而酰氯法的工藝已經(jīng)熟練，而且相對污染和產(chǎn)率等都由于前兩種化學法。所以本次設計選擇第三種方案，采用苯甘氨酰氯與7-ADCA縮合法來合成頭孢氨芐[9]。苯甘氨酰氯與7-ADCA縮合法也屬于半化學合成法，既是半化學合成法，就要經(jīng)過復雜化學反應來生成一種化合物，在通過化學變化使新和成的化合物再轉(zhuǎn)化成另一種化合物。所以，其制作工藝相當復雜，而且還伴有大量的污染和副反應產(chǎn)物的生成，最終的收率是有百分之三十到四十左右。頭孢氨芐的合成目前仍然以化學半合成方法(即第三種方法)為主。它的原理是以青霉素G鉀為原料，通過擴環(huán)重排裂解為7-氨基酸脫乙?；^孢烷酸(7-ADCA),再與D-苯甘氨酸縮合。它的生產(chǎn)工藝流程為：8過氧乙酸雙氧水結(jié)晶氧化酯化青霉素G過氧乙酸雙氧水結(jié)晶氧化酯化丙酮吡啶三氯乙醇三氯氧磷過濾乙酸丁酯干燥S-氧化物重排、擴環(huán)干燥結(jié)晶干燥過濾重排物濃縮結(jié)晶干燥過濾二氯乙烷吡啶五氯化磷氫氧化鈉萃取分離中和水解醚化氧化萃取分離7-ADCA7-ADCA酉濃縮苯甘氨酰干燥二氯乙烷酰化物甲酸干燥過濾過濾結(jié)晶結(jié)晶成品鋅粉乙腈鋅粉鋅泥回收圖3.1頭孢氨芐生產(chǎn)總工藝流程圖設計的具體任務則是要求在整個生產(chǎn)工段中，?；ざ蔚纳a(chǎn)工藝設計。它包括了反應器的設計與選型，車間布置，管道的計算與設計等等內(nèi)容。酰化工段的具體反應為：這個階段的具體工藝流程為：將7-ADCA酯PTS鹽加入二氯乙烷中，加入碳和苯甘氨酰氯鹽酸鹽。于0℃反應1h,15-20℃反應2h。反應過程中使PH為5.5-6.0。有機層經(jīng)薄膜濃縮后加入乙醚，析出酰化物，過濾、洗滌、干燥即得頭孢酯?；铩Ｊ章蕿?0%。9操作流程如下圖：鹽+飽和碳酸氫鈉0℃,有機層+NaHCO?苯甘氨酰氯鹽酸鹽?；?圖3.2頭孢氨芐制備的?；ざ渭尤脒拎ず臀迓然?，加入吡啶和五氯化磷，-5℃下反應2小時冷卻至-10℃重排物二氯乙烷氯化產(chǎn)物醚化水解階段：加甲醇-10℃、1.5加甲醇-10℃、1.5h加水室溫30min分取有機層、濃縮氯化產(chǎn)物-15℃水解產(chǎn)物結(jié)晶7-ADCA水解產(chǎn)物結(jié)晶7-ADCA酯PTS鹽干燥圖3.3頭孢氨芐氯化、醚化、水解、成鹽工藝流程圖第4章物料衡算第4.1節(jié)整個化學反應方程式及各步反應收率乙脫數(shù)基去乙膚氧基關(guān)他尊位職三能乙溶《華乙意7-ADCA各步反應收率：青霉素G鉀(酯化80%)→青霉素烷酸三氯乙酯(氧化80%)→S-氧化物(重排-成鹽70%)→7-ADCA對甲苯磺酸(?；?0%)→頭孢酯?；?水解68%)→頭孢氨芐總收率：38%注：收率(φ)=實際生成物量/理論生成物量。第4.2節(jié)物料衡算的基礎(chǔ)生產(chǎn)安排如下：全年生產(chǎn)天數(shù)：工作日=365-法定假日-停機保養(yǎng)日=365-52-13=300天年產(chǎn)量：850噸日產(chǎn)量：850/300=2.833噸/天全年生產(chǎn)班數(shù)：300×3=900班日有效工作時間：24小時全年生產(chǎn)小時數(shù)：900×8=7200小時4.2.1物料衡算原理本次課題物料衡算根據(jù)設計任務書進行設計制定的工藝流程及車間生產(chǎn)安排對該生產(chǎn)工藝進行物料衡算，通過計算，得出還原工序中各個生產(chǎn)工段的物料比例，投料以及出料。(1)計算基礎(chǔ)資料以及相關(guān)設計手冊、物理化學常數(shù)；(2)計算的基準為每批的生產(chǎn)量，物料單位為千克；(3)物料衡算的依據(jù)是物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律，即進入一個系統(tǒng)的全部物料量必等于離開系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中的損失量和在系統(tǒng)中的積累量。在整個工藝設計中，物料衡算是最先進行的一個計算項目，其結(jié)果是后面的能量衡算設備選型或工藝設計車間布置設計及管道設計等各項設計的依據(jù)，因此物料衡算的的正確與否直接關(guān)系到整個工藝設計的可靠程度。概念：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，以生產(chǎn)過程或生產(chǎn)單元設備為研究對象，對其進出口處進行定量計算，稱為物料衡算。通過物料衡算可以計算原料與產(chǎn)品間的定量轉(zhuǎn)變關(guān)系，以及計算各種原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量、損耗量及組成。定律：物料衡算的基礎(chǔ)是物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律，即進入一個系統(tǒng)的全部物料量必等于離開系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中的損失量和在系統(tǒng)中的積累量。ZG?=ZG?+ZG?+EGZG?:——輸人物料量總和；ZG?:——輸出物料量總和；ZG?:——物料損失量總和；EG?:——物料積累量總和。當系統(tǒng)內(nèi)物料積累量為零時，上式可以寫成：EG1=EG2+EG34.2.2物料衡算的基準對于間歇式操作的過程，常采用一批原料為基準進行計算。對于連續(xù)式操作的過程，可以采用單位時間產(chǎn)品數(shù)量或原料量為基準進行計算。物料衡算的結(jié)果應列成原材料消耗定額及消耗量表。消耗定額是指每噸產(chǎn)品或以一定量的產(chǎn)品(如每千克針劑、每萬片藥片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等時間所消耗的原材料量。制劑車間的消耗定額及消耗量計算時應把原料、輔料及包裝材料一起算入。4.2.3物料衡算式對任一組分A在單元時間△T。單元體積△V內(nèi)有：[A的積累量]=[A的進入量]-[A的離開量]-[A的反應量]目的：給出反應物濃度或轉(zhuǎn)化率隨反應器內(nèi)位置或時間的變化的函數(shù)關(guān)系。物料衡算是所有工藝計算的基礎(chǔ)，通過物料衡算可確定設備容積、臺數(shù)、主要尺寸，同時可進行熱量衡算、管路尺寸計算等2。第4.3節(jié)物料衡算計算4.3.1酰化過程a基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表4.1投料及配比(均為重量比)青霉素G鉀7-ADCA酯PTS鹽碳酸氫鈉苯甘氨酰氯鹽酸鹽乙醚二氯乙烷設：青霉素G鉀為A,7-ADCA酯PTS鹽為B,7-ADCA酯為C,碳酸氫鈉為K,苯甘氨酰氯鹽酸鹽為D,頭孢脂?；餅镋,乙醚為S,最終的頭孢氨芐為Q。已知最后年產(chǎn)的頭孢氨芐為850噸，反應總收率為38%,所以代入公式得出：應得到的產(chǎn)物量為：850/0.38=2236.84t。Q=2796.05t——應得到的產(chǎn)物量。Q=2796.05t——應得到的產(chǎn)物量。設：青霉素G鉀完全反應，則第一步到最后一部的反應中物質(zhì)的模不變。根據(jù)公式可以得出：m?/M?=me/Mg=Mo/MM=372.47g/molM。=149.4g/molMc=345.5g/molM,=168.57g/molM,=478.50g/molM?=364g/molm?/M?=Mo/Mom?=M?·Mo/M?=372.47×2236.84/364=2288.883t;ME=478.50×2236.84/364=2940.47t。上面求出的各物質(zhì)的質(zhì)量都是實際反應的物質(zhì)的質(zhì)量，所以還要引入純度問題。A的純度為98%;B的純度為97%;C為96%;D的純度為97%;E的純度為96%。由于我們知道最后要生產(chǎn)出850t的頭孢氨芐，這個即為實際生成物量，那么應當利用收率表示出它的理論生成量再代入方程式求解。則可以求出原料A的理論量(即投料量),此時由于是最后一推到第一步，所以收率應該代入總收率38%,代入數(shù)據(jù)得：M?=850×372.47/0.38×364=2288.88(為純物質(zhì)),引入純度后，得出A的原始投料量應該為：M?(實)=2288.88/0.98=2335.59t。青霉素G鉀的實際投料量為：2335.59t。其配料比為其質(zhì)量比，得出：D(苯甘氨酰氯鹽酸鹽)的實際投料量為：2335.59×1.0=2335.59t;碳酸氫鈉的投料量為：2335.590t。同理，可利用第一步數(shù)據(jù)，推出第二步反應中C的實際產(chǎn)量作為?；ざ蔚姆磻镉嬎慊A(chǔ)。由于?；^程的收率為φ=60%/70%=86%。me=2123.15t(理論量);引入收率φ=0.86得：me實=1825.909t(純度為96%)。此時正是進入?；磻A段，此時C就作為了反應物，可表示為me。化階段收率為86%,mc/Mc=me/M。代入數(shù)據(jù)：m?=1825.909×0.96×478.50/345.5=2427.64t(理論量),實際應該得到的量應為引入收率φ之后得：m,實=2087.77t(純度為99%)。至此，要完成年產(chǎn)量任務，本?；磻ざ嗡枰奈锪狭烤呀?jīng)確定：(苯甘氨酰氯鹽酸鹽)——→E(頭孢酯酰化物)1825.9092335.592087.77b生產(chǎn)周期的確定由于間歇反應器是分批操作，其操作時間，也就是生產(chǎn)周期分為兩部分，即由反應時間和輔助時間(即裝料，卸料，檢查及清洗設備，人工換班等所需時間)列出本工段的幾個單元操作：(1)?；磻^程---約用時3h;(2)濃縮過程---約用時2h;(3)加水過濾過程---約用時3h;(4)干燥過程---約用時2h;(5)其它人工操作時間---約為2h。即是總的生產(chǎn)周期為3h。全年的工作日為360天，則一年中生產(chǎn)批數(shù)為：360×24/3=2880(批/年)。對于間歇式操作的過程，常采用一批原料為基準進行計算。c計算每一匹的投料量表4.2批起始投料量投料名稱規(guī)格分子量(g/mol)批投料量(kg)C(7-ADCA酯)D(苯甘氨酰氯鹽酸鹽添加水96%(純度)97%(純度)d計算過程C?H?Cl?N?O?SC+C?H?C1ONC??H??Cl?N?0S→+D2HClEF(1)每批起始投料物量：①7-ADCA酯(C)的起始投料量：633.99kg雜質(zhì)：31.70kg②苯甘氨酰氯鹽酸鹽(D)的起始投料量：810.96kg③添加過濾用水量：2975kg總量：4419.95kg(2)每個單元的物料衡算①?；磻^程：實際最終產(chǎn)量：725kg則苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液總用量：296.97/0.97=306.15kg810.96-633.99×0.96×168.57/345.5=513.69kgD.雜質(zhì)生成量：73.12kgA濃縮BA.?；磻蠡旌弦?b)過量苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液：306.15kg純苯甘氨酰氯鹽酸鹽量：296.97kg雜質(zhì)：306.15-296.9=9.25kg(c)雜質(zhì)：73.124kgB.濃縮完成后母液(a)頭孢酯酰化物粗晶：1065.68×85%=905.83kg(b)過量苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液：306.15kg(c)雜質(zhì)：73.12+(1065.68×2%)=94.43kg(d)水：(633.99+810.96)-(905.83+306.15)=232.97kg③加水過濾過程過濾C(a)頭孢酯?；锎忠海?05.83kg(b)過量苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液：306.15kgB.添加過濾用水：5100kgC.濾餅(905.836×98%=887.71kg)(a)頭孢酯?；锎忠海?25kg(b)水：1200×2.5%=30kg(c)雜質(zhì)：130kg(a)苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液：382.67kg(b)水：83.55+5100=5183.55kg(c)雜質(zhì)：95+905.83×2%=113.12kg④干燥過程AC干燥A.濾餅(887kg)(a)頭孢酯?；锎忠海?25kg(b)水：887×2.5%=22.175kg(a)純量頭孢脂?；铮?41.14×99%=337.73kg(b)水：725×(1-99%)/2=3.625kg(c)雜質(zhì)：3.625kg4.3.2氯化、醚化、水解、成鹽工段a基礎(chǔ)數(shù)據(jù)氯乙烷=1:9。收率為65%-70%(以S-氧化物計)。為方便表示最終的頭孢氨芐設為Q。已知：整個藥物反應過程其中酯化過程和氧化過程的收率均為80%,重排-成鹽過程收率為65%(以S-氧化物計),?；^程收率為60%(以S-氧化物計),重排過程收率為90%(以S-氧化物計),氯化、醚化、水解、成鹽過程收率為都為93%(以S-氧化物計)(反應總收率為38%。明確了收率的定義，收率(φ)=實際生成物量/理論生成物量。)mQ=400t,MQ=416kg/mol,Ms-氧化物=550.51kg/mol,M重排物=529.7氧化物的純度為99%,重排物的純度為98%,M7-ADCA酯PTS鹽純度為98%。mS-氧化物=mQ×MS-氧化物×80%÷Q÷MQ=850×481.78×80%÷0.38÷364=2072.3t純度為99%則MS-氧化物(實)=2072.3/0.99=2093.23tm重排物=mS-氧化物×9重排×M重排物/MS-氧化物=2072.3×0.9×463.5/481.78=1794.30t重排物純度98%則m重排物(實)=1794.30/0.98=1830.92t=2072.3×70%×517.5/481.78純度98%則m7-ADCA酯PTS鹽(實)=1558.16/0.98=1589.96t根據(jù)投料比m吡啶=2093.23×0.025=52.33tm甲醇=1830.92×57.5=105277.9tm對甲苯磺酸=1830.92×1.345=2462.59tm二氯乙烷=1589.96×9=14309.64t水解成鹽收率為88%b生產(chǎn)周期的確定要完成年產(chǎn)任務(1)氯化、醚化、水解成鹽工段需4h(2)結(jié)晶過程---約用時1.5h;(3)加水過濾過程---約用時2h;(4)干燥過程---約用時1.5h;則，確定生產(chǎn)周期為4h小時則全年工作日設300天，生產(chǎn)批數(shù)為300×24/4=1800(批/年)c計算每一批投料表4.2投料量投料名稱苯乙酰二氯乙烷吡啶五氯化磷甲醇水對甲苯磺酸規(guī)格(純度)分子量批投料量密度(g/cm3)體積(L)d計算過程(1)反應過程m氮亞胺物理論生成1076.9×0.98×482÷463.5=1097.5kg實際生成1076.9×93%×482÷463.5=1041.5kg反應的二氯乙烷1076.9×98%×99÷463.5=225.4kg未反應的二氯乙烷為8248.9-225.4=8023.5kg雜質(zhì)為260.8kg氯亞胺物+甲醇—→亞胺物理論生成亞胺物：1041.5×98%×477.5÷482=1011.2kg反應的甲醇量為：1076.9×98%×93%×32.04÷463.5=67.9kg未反應的甲醇量為：61927.1-67.9=61859.2kg=645.14/0.98=658.3kg理論生成：1076.9×98%×345.5÷463.5=706.4kg反應的水：1076.9×98%×18.01÷463.5=36.1kg雜質(zhì)：976.3+36.1-658.3=354.1kg理論生成7-ADCAPTS鹽為：658.3×98%×517.5/345.5=946.9kg實際生成880.7kg對苯甲酸反應量為658.3×98%×172/345.5=314.7kg未反應的對苯甲酸為1133.8kg雜質(zhì)為79.1kg未反應的二氯乙烷8023.5kg未反應的甲醇61859.2kg未反應的對甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg雜質(zhì)：260.8+133.1+354+79.1=827kgA結(jié)晶BA反應后混合液①7-ADCAPTS鹽粗液924.1kg②未反應的二氯乙烷8023.5kg未反應的甲醇61859.2kg未反應的對甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg③雜質(zhì)827kgB結(jié)晶完成后母液①7-ADCAPTS鹽粗晶924.1×98%=905.6kg②雜質(zhì)827+924.1×2%=845.4kg③未反應的二氯乙烷8023.5kg未反應的甲醇61859.2kg未反應的對甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg(3)加水過濾過程BBCA結(jié)晶完成后母液①7-ADCAPTS鹽粗晶905.6kg②雜質(zhì)827kg③未反應的二氯乙烷8023.5kg未反應的甲醇61859.2kg未反應的對甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kgB添加過濾用水：7000kgC濾餅(905.6×0.98=887.5kg)①7-ADCAPTS鹽880.7kg③雜質(zhì)1.8kg①水：6860kg②未反應的二氯乙烷8023.5kg未反應的甲醇61859.2kg未反應的對甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg③雜質(zhì)：827+(905.6+7000)×2%=985.1kgA干燥CBA濾餅(887.5kg)①7-ADCAPTS鹽880.7kg③雜質(zhì)1.8kgB7-ADCAPTS鹽880.7kg①水15kg,②雜質(zhì)2.1kg③7-ADCAPTS鹽880.7×98%=863.6kg(純)C水6.8g4.3.3物料衡算流程圖(單位均為kg)73.12(雜質(zhì))D(苯甘氨酰氯鹽酸鹽)94.43(雜質(zhì))濃縮232.97(水)905.8345(雜質(zhì))過濾5100(水)887.71150.1(水)E(頭孢脂?；?306.15(過量的苯甘氨酰氯鹽酸鹽)酰應干燥圖4.3?；锪虾馑懔鞒虉D頭孢酯酰化物水解一水解一甲酸水洗滌、過濾廢渣母液回收濃縮母液回收↓乙腈廢液→乙腈廢液→三廢處理↓乙醇→母液回收乙醇→母液回收|√|頭孢氨芐圖4.4水解物料衡算流程圖4.3.4進出物料平衡表表4.3酰化進、出物料平衡表進料出料序號物料名稱組成數(shù)量序物料名稱組成數(shù)量(kg)號17-ADCA酯1濾液純量苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液雜質(zhì)雜質(zhì)2苯甘氨酰氯鹽酸鹽水純量2頭孢脂?；镫s質(zhì)純量3添加水3水雜質(zhì)干燥去水0水解進出物料平衡表4.4進料出料序號物料名稱組成(%)數(shù)量(kg)序號物料名稱組成(%)數(shù)量(kg)1酰化物粗品5568.5281濾餅542.43?；?5.005038.18鋅泥26.21雜質(zhì)265.16雜質(zhì)46.13250.222甲酸溶液9418.78水27.66甲酸48.004521.022甲酸溶液5925.13水4897.76甲酸2018.343鋅粉284.2水4乙腈溶液4136.64雜質(zhì)4.70乙腈99.504115.963濾液3272.15水20.65乙腈62.892057.985乙醇溶液5091.20三氯甲酸乙酯28.56934.46乙醇95.004836.66水水344.56雜質(zhì)6添加水3555.364母液2801.43乙醇86.192418.33水4.70雜質(zhì)257.485水23.446成品頭孢氨芐98.00水雜質(zhì)27789.6227786.59表4.5氯化醚化進出物料平衡表(單位kg)進料出料序號物料名稱組成數(shù)量序號物料名稱組成序號1苯乙酰1濾液純量二氯乙烷雜質(zhì)甲醇2二氯乙烷吡啶純量對甲苯磺酸3五氯化磷五氯化磷純量雜質(zhì)4吡啶2純量純量5水雜質(zhì)純量水6對甲苯磺酸3干燥去水純量4水雜質(zhì)7甲醇純量6表4.6氧化工段物料平衡表進料出料序號物料名稱組成數(shù)量序號物料名稱組成數(shù)量1青霉烷酸三氯乙酯1濾液純量雙氧水溶液雜質(zhì)雜質(zhì)2雙氧水溶液水純量2S-氧化物成品水純量3添加水水雜質(zhì)3干燥去水第5章熱量衡算第5.1節(jié)能量衡算原理熱量衡算得主要目的是為了確定設備的熱負荷，根據(jù)設備熱負荷的大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求再選擇傳熱面的型式、計算傳熱面積、確定設備的主要工藝尺寸。1能量衡算的目的當物料衡算完成后，對于沒有熱效應的過程，可直接根據(jù)物料衡算的結(jié)果和物料的性質(zhì)、處理量和工藝的要求進行工藝設計，以確定設備的型式、數(shù)量和工藝尺寸。而對于伴有熱效應的過程，則還必須進行能量衡算，才能確定設備的工藝尺寸，在藥品生產(chǎn)中，無論是進行物理過程的設備還是進行化學過程的設備，大多都存在著一定的熱效應。因此，通常都要進行能量衡算4。目的：能量衡算的目的主要是為了確定設備或裝置的熱負荷。根據(jù)熱負荷的大小和物料的性質(zhì)及工藝要求，進一步的確定傳熱設備的形式、數(shù)量和主要工藝2能量衡算的依據(jù)能量衡算的依據(jù)是物料衡算的結(jié)果以及為能量衡算而收集的有關(guān)物料的熱力學數(shù)據(jù)。如定壓比熱、相變熱、反應熱等。3熱量平衡方程式熱量平衡方程：當內(nèi)能、動能、勢能的變化量可以忽略且無軸功時，輸入系統(tǒng)的熱量與離開系統(tǒng)的熱量平衡，由此可得出傳熱設備的熱量平衡方程為：Q?——物料帶入設備的熱量(kJ);Q,——加熱劑或冷卻劑傳給設備及所處理物料的熱量(kJ);Q?——過程的熱效應(kJ);Q?——物料帶出設備的熱量(k·);Qs——加熱或冷卻設備所消耗的熱量或冷量(kJ);Q,——設備向環(huán)境散失的熱量(kJ);過程熱效應Q?:化學過程的熱效應包括化學反應熱和狀態(tài)變化熱，純物理過程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱，而對于化學反應的過程，在產(chǎn)生化學反應熱的同時也產(chǎn)生狀態(tài)變化熱，在熱量衡算中當反應放熱時Q,取正；反應吸熱時，取負。求出Q,:當Q,為正值時，表明需要對設備及所處物料提供熱量，即需要加熱，反之，當Q?為負值時，表明需要移走熱量，即需要冷卻。Q,和Q?的確定：根據(jù)工藝操作經(jīng)驗，Q?+Q。一般為(Q?+Q?+Q?)的5%--10%。只要計算出Q就可算出Qs+Q。。第5.2節(jié)熱量衡算具體計算過程在熱量衡算中，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，像《化學工程手冊》,《化工工藝設計手冊》。當遇到手冊中數(shù)據(jù)不全的時候，就需要通過一些公式來估算這些物性常數(shù)。下面介紹本設計中遇到的物性常數(shù)的計算方法。(1)液體比熱容的計算對于絕大多數(shù)有機化合物，其比熱容都根據(jù)《化學工程手冊》114頁表3-13求得。先根據(jù)化合物的分子結(jié)構(gòu)，將各種基團的摩爾熱容值加和，求出摩爾熱容，再與分子量相換算成比熱容[8]。另外，若是作為近似計算，液體的比熱容可以按照固體的比熱容餓科普定律來進行估算，具體見固體比熱容的計算。(2)固體比熱容的計算固體比熱容可應用科普定律來計算：Ca——元素的原子比熱容(kJ/kg℃),n——固體分子中同種原子的個數(shù)；M——化合物分子量。其值見下表；表5.1元素原子的比熱容元素Ca(kcal/kg·℃)元素Ca(kcal/kg·℃)碳C氫H硼B(yǎng)硅Si氧0氟F液態(tài)固態(tài)硫S磷P氯Cl氮N其他元素液態(tài)固態(tài)上述公式計算出的是20℃的比熱容，不在20℃的各化合物的比熱容將與算出的比熱容有出入。凡高于20℃時的化合物，比熱容可根據(jù)上述公式計算所得結(jié)果再加大20%-25%。(3)狀態(tài)熱的計算狀態(tài)熱液稱為潛熱。它包括汽化熱，熔融熱，熔解熱等。熔融熱：不同物質(zhì)的熔融熱可根據(jù)以下公式求出元素無機化合物有機化合物qr=(8.4-12.6)T;qr=(20.9-29.3)T;qr=(37.7-46.0)T其中：q-熔融熱J/mol;Tp-熔點K。溶解熱：氣態(tài)溶質(zhì)的溶解熱可取蒸發(fā)潛熱的負值，固態(tài)溶質(zhì)的溶解熱則近似可取其熔融熱。(4)化學反應熱的計算為計算各種溫度下的反應熱，規(guī)定當反應溫度為298K及標準大氣壓時反應熱的數(shù)值為標準反應熱，習慣上用△H表示，負值表示放熱，正值表示吸熱。由于這與在熱量衡算中所規(guī)定的符號正好相反，所以為避免出錯，現(xiàn)在用符號qr表示標準反應熱，放熱為正，吸熱為負，則q°=-△H。一般的標準反應熱的數(shù)據(jù)都可以在《化學工程手冊》或者《化學工藝設計手冊》中查到，不過，當缺乏數(shù)據(jù)是就要用標準生成熱或者標準燃燒熱來求得。①用標準生成熱求q°:v——反應方程中各物質(zhì)的化學計量數(shù)(反應物為負，生成物為正);q°——標準生成熱。②用標準燃燒熱求qrv——反應方程中各物質(zhì)的化學計量數(shù)(反應物為負，生成物為正);q°——標準燃燒熱8。③標準燃燒熱的計算：理查德認為，有機化合物的燃燒熱與完全燃燒該有機化合物所需要的氧原子成直線關(guān)系。a,b——常數(shù)，與化合物結(jié)構(gòu)相關(guān)，其值見《藥廠反應設備及車間工藝設計》;x——化合物完全燃燒時所需要的氧原子數(shù)。q°——標準生成熱(kJ/mol);q°-——標準燃燒熱(kJ/mol);n——化合物中同種元素的原子數(shù)q°——元素標準燃燒熱(kJ/(g.atom)),其值見下表。表5.2元素的標準燃燒熱元素的燃燒過程元素燃燒熱元素的燃燒過程元素燃燒執(zhí)C→CO?(氣)H→1/2HzO(液)F→HF(溶液)C1→1/2C12(氣)C1→HC1(溶液)Br→1/2Brz(液)Br→1/2Br?(氣)00Br→HBr(溶液)N→1/2N?(氣)N→HNO?(溶液)S→SO?(氣)S→H?SO?(溶液)P→P2Os(固)00⑤不同溫度下的反應熱q'的計算：因為反應恒定在溫度t℃下進行，而且反應物和生成物在(25-t)溫度下均q=q?-(t-25)(Zv.Cp)kJ/molv——反應方程中各物質(zhì)的化學計量數(shù)(反應物為負，生成物為正);Cp——反應物或生成物在(25-t)范圍內(nèi)的平均比熱容(kJ/kg.℃)[21;第5.3節(jié)熱量衡算具體計算過程5.3.1?；磻^程(0℃-20℃,凈反應2h)氧化反應釜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自物料衡算圖：(1)7-ADCA酯(C溶液)的起始投料量：633.99kg純量：602.29kg雜質(zhì)：31.70kg(2)苯甘氨酰氯鹽酸鹽(D溶液)的起始投料量：810.96kg純量：76.63kg雜質(zhì)：24.33kg(3)①頭孢酯?；锎忠?E溶液):725kg②過量苯甘氨酰氯鹽酸鹽(D溶液):810.96kga.純苯甘氨酰氯鹽酸鹽：786.63kgb.雜質(zhì)：24.33kg③反應生成的鹽酸(F):128.60kg④雜質(zhì)：73.12kg(1)Q?的計算(0℃)根據(jù)公式Q=ZmtCp由于反應物均在0℃進料，所以Q?為0。(2)Q?的計算(20℃)①生成的頭孢酯?；?液態(tài))的Cp可以根據(jù)“科普法則”法估算而得：Ca——元素的原子比熱容kJ/kg℃,;n——固體分子中同種原子的個數(shù)；ZCan=2.8×18+4.3×17+8.0×3+8×2+6×4+7.4=194.9×4.187=816.0463kJ/kg℃D過量時，純量的苯甘氨酰氯鹽酸鹽的Cp同樣按“Missenard”法估算而得：取得其值Cp?=1.9573kJ/kg℃,而其中所含鹽酸的Cp可通過《化學工程手冊》表5.3各物質(zhì)C,值物質(zhì)溫度E頭孢酯?；?苯甘氨酰氯鹽酸鹽鹽酸各物質(zhì)的QQ?e=1065.687×1.7054×20=36348.45kJQ?-p=786.63×1.9573×20=30793.42kJQ?=36348.45+30793.42+5980.67=73112.54kg(3)Q?的計算(本步屬于化學反應過程)C?H?Cl?N?O?S+C?H?C1ONC??HrC+N?O?S可得出X=23,根據(jù)“理查德法”,則有：表5.4a、b值一覽表基團ab氯基數(shù)氯酮伯胺噻唑烷烴支鏈酯總和q^c=284.86+23×209.79=5110.03kJ/mol元素燃燒熱可利用蓋斯公式：Enq^c=395.15×10+8×143.15+3×165.8+290.15=5883.25kJ/mol所以qrc=Znq°c-q°c=773.22kJ/molB-D(苯甘氨酰氯鹽酸鹽)的標準生成熱可估算得：CH?C1ON+X/2O?—8C0,+3H?O+可得出X=18,根據(jù)“理查德法”,則有q°=Za+xZb(kJ/mol),表5.5a、b值一覽表基團ab基數(shù)苯酮苯酮伯胺氯總和元素燃燒熱可利用蓋斯公式：C-E(頭孢脂酰化物)的標準生成熱可估算而得：kJ/mol表5.6a、b值一覽表基團ab氯氯酯苯酮伯胺噻唑烷烴支鏈總和故q=265.66+37×211.06=8075.62(kJ/mol)Enq=18×395.15+14×143.15+3×165.8+290.15=10476.95(kJ/mol)D-F(鹽酸)的標準生成熱可查《物理化學下冊》P312頁，qm=92.311(kJ/mol)則標準狀態(tài)下反應熱的求取：=-773.22-428.91+8075.62+92.311=6965.801(kJ/mol)那么在反應溫度下的化學反應熱為：q?=q?-(t-25)(Zv.Cp)Cp的求取(即在標準狀況0℃-20℃)之間的平均比熱容，其值如下：表5.7各物質(zhì)Cp值物質(zhì)溫度C7-ADCA酯D苯甘氨酰氯鹽酸鹽E頭孢酯?；颋鹽酸=6965.801-(20-20)(-1.3684-2.5052+1.3844+4.1928)=6965.80(kJ/mol)所以，化學反應熱Qr=6965.801×624.33/478.50=9088.69kJ狀態(tài)變化熱為0(本反應段的狀態(tài)變化熱可忽略不計，故為0),Q?=Qr=9088.69(kJ)(4)Q?+Q?的計算據(jù)工藝要求，可有：Q?+Q?=5%-10%(Q?+Q?+Q?)可取Q?+Q=7%(Q?+Q?+Q?)=7/93×Q=7/93×34341.52=2584.825(kJ)得出Q?=73112.54+2684.825-0-9088.69=66708.675kJ(6)水蒸汽消耗量(間接加熱)D=Q?/(I-θ)I——蒸汽的熱焓，查《化工設計手冊》得出：2675.9117kg;0——冷凝水溫為40℃;D=66708.675/(2675.9117-40)=25.30kg;即所需要的水蒸汽的消耗量為25.30kg。氧化反應后濃縮過程(20℃-5℃)濃縮裝置(1)上工段所帶進來的Q,即：73112.54kg(2)E(頭孢酯?；?粗液：905.83kgD(苯甘氨酰氯鹽酸鹽):306.15kg雜質(zhì)：27.55kg①本段Q=Q?(上工段帶入的熱量)=34341.52kgCp的求取(0℃-5℃之間的平均比熱容):A-E(頭孢脂?；?的Cp可根據(jù)“科普法則”估算而得：C=ECan/MkJ/kg℃式中Ca-元素的原子比熱容kJ/kg℃,;n-固體分子中同種原子的個數(shù)；ZCan=2.8×18+4.3×17+8.0×3+8×2+6×4+7.4=194.9×4.187=354.2068kJ/kg℃Cpe=816.0463/478.50=1.0252kJ/kg℃B-D(苯甘氨酰氯鹽酸鹽)的Cp可根據(jù)“Missenard”法估算而得：Cpo=1.1326C-F(鹽酸)的Cp也可根據(jù)“Missenard”法估算而得：Cpr=2.1324kJ/kg℃表5.8各物質(zhì)Cp值物質(zhì)溫度E頭孢脂酰化物D苯甘氨酰氯鹽鹽F鹽酸各物質(zhì)的QQ=905.83×1.0252×5=4619.73kJQ=278.60×1.1326×5=1577.71kJQ?r=130×2.1324×5=1384.5kJQ?=3572.54kJ化學反應熱：此過程沒有發(fā)生化學反應，故為0;狀態(tài)變化熱，即結(jié)晶熱：已知，頭孢脂?；锏娜廴跓釣?6T=46×(209+273)=22172J/mol,則結(jié)晶熱為(-424.56×1000/478.50)×22172×0.001=-19671.82kJ:Q?=-19671.82kJ(4)Q?+Q?的計算據(jù)工藝要求，可有Q?+Q=5%-10%(Q?+Q?+Q?),可取Q?+Q=7%(Q?+Q+Q?)故Q?+Q=7/93×Q=268.89kJ。(5)Q?的計算得出Q=3572.54+268.89+19671.82-343431.52=-10828.27kJ(6)冷卻劑消耗量W=-Q?/C(T?-T?)T?——冷卻劑的初溫為-5℃;T——放出的冷卻劑末溫為15℃;C——冷卻劑的比熱容(-5℃與15℃之間的平均比熱容),可查《化工工藝設計手冊》647頁，得出：2.8197kJ/kg℃;則帶入數(shù)據(jù)之后，W=66708.675/2.8197(15+5)=1182.90kg,即所需要的冷凍鹽水量為493.63kg。氯化醚化水解成鹽過程計算過程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自物料衡算圖Q-甲醇=2.28×61927.141×(-10)=-1411938.8KJQ?=-1477619.3KJ(2)Q?的計算C?=1.5KJ/(mol·℃),二氯乙烷C,=1.23KJ/(mol·℃),甲醇C,=2.48KJ/(mol·℃),對甲苯磺酸C,=1.52KJ/(mol·℃)Q?二氯乙烷=1.23×8023.499×20=197378.0KJQ?甲醇=2.48×61859.289×20=3068220.7KJQ?=3318266.4KJ(3)Q?的計算C??H?Cl?N?O?S+X/2O?18CO?+7H?O+3HCl+N?+SO?X=37根據(jù)“理查德法”,則有qc=Za+xZbKJ/mol表5.1a,b值一覽表基團ab基數(shù)23.86218.05苯-42.29酮23.03×2-0.8仲胺-0.5噻嗪-4.9烷烴支鏈-15.49氯-1.26×3-1.34酯-1.1總和Ea=265.6Eb=210.08元素燃燒熱可利用蓋斯公式CA=395.15×18+143.15×14+165.8×3+290.15=9904.3KJ/mol查得二氯乙烷的標準生成熱為-160.2KJ/mol氯亞胺物標準生成熱根據(jù)“理查德法”估算而得C?gH??Cl?N?O?S+X/2O?→18CO?+6H?O+4HCl+N?+SO?43表5.2a,b值一覽表基團Ab基數(shù)苯酮叔胺噻嗪烷烴支鏈氯酯總和Ea=335.14Eb=210.08q°c氯業(yè)胺物=335.14+41×210.08=8948.42KJ/mol元素燃燒熱：Znqc氯亞胺物=18×395.15+12×143.15+4×165.8+290.15=9783.8KJqr氯亞胺物=9783.85-8948.42=835.4KJ/mol=835.43-(1839.15-160.2)=-843.5KJ/mol表5.3各物質(zhì)C,值 物質(zhì)溫度苯乙酰-7ADCA二氯乙烷氯亞胺物Cp/KJ/(mol·℃)=-843.52-(-2-25)×(-1.43-1.18+1.45)=-874.8KJ/mol氯化反應熱Q=-874.84×1076.994÷463.5=-2032.7KJ甲醇的標準生成熱可查得-238.66KJ/mol氯亞胺物標準生成熱得835.43KJ/mol亞胺物標準生成熱根據(jù)“理查德法”估算X=44Za=336.4Eb=210.08165.8+290.15=10585.8KJ=-835.43+238.66+1005.88=409.1KJ/molJ—q°-(t-25)(EvCo)==409.11-(-10-25)醚化反應熱Q=334.56×1041.58÷482=722.9KJ表5.4各物質(zhì)C,值×X物質(zhì)溫度甲醇亞胺物氯亞胺物Co/KJ/(mol·℃)水的標準生成熱可查得285.830KJ/mol亞胺物標準生成熱為1005.88KJ/molC10H11C13N203S+X/202→10C02+4H2O+3HC1+N2+SO2X=23Za=397.05Zb=210.08qoc,7-ADCA酯=397.05+23×210.08=5228.8KJ/mol元素燃燒熱Znqoc7-ADCA酯=10×359.15+8×143.15+3×qf7-ADCA酯=5884.2-5228.8=655.3KJ/molqor水解=Zvqof=-(1005.8+285.8)+655.3=-636.3KJ/mol表5.5各物質(zhì)C,值物質(zhì)溫度水亞胺物7-ADCA酯Cp/KJ/(mol·℃)4.19Q水解=-657.9×976.378÷345.5=-1859.2KJ對磺苯甲酸的標準生成熱可查得517.08KJ/mol7-ADCA酯標準生成熱為655.36KJ/mol7-ADCAPTS鹽標準生成熱根據(jù)“理查德法X=40Za=305.19Zb=211.95qoc7-ADCAPTS鹽=305.1+40×211.95=8783.1KJ/mol鹽=17×359.15+16×143.15+3×=10085.6KJ/molqf7-ADCAPTS鹽=Enqoc7-ADCAPTS鹽—qoc7-ADCAPTS鹽=10085.6一8783.1=1302.4KJ/molqor成鹽=Zvqof=-(10085.6+517.0)+1302.4=130.0KJ/mol表5.6各物質(zhì)C,值物質(zhì)溫度對磺苯甲酸7-ADCAPTS鹽7-ADCA酯Co/KJ/(mol.℃)Q成鹽=122.52×645.14÷345.5=228.7KJ(4)Q5+Q6=7%(Q5+Q6+Q4)=7/93×3318266.4=249761.9KJQ2=249761.9+3318266.4-(-1477619.3)-(-958.5)=5046606.2KJ(6)水蒸氣的消耗量Q2/(I-θ)=5046606.2/(2675.9117-40)=1914.6kg5.3.2結(jié)晶過程7-ADCAPTS鹽粗液924.1kg未反應的二氯乙烷8023.5kg未反應的甲醇61859.2kg未反應的對甲苯磺酸1133.8kg(1)本段Q1=Q4(上工段帶入的熱量)=3318266.4KJ(2)Q4計算過程表5.7各物質(zhì)C,值物質(zhì)溫度對磺苯甲酸7-ADCAPTS鹽二氯乙烷7-ADCA酯Co/KJ/(mol.℃)Q4-二氯乙烷=1.23×8023.499×5=49344.5KJQ4-甲醇=2.48×61859.289×5=767055.1KJQ4-對甲苯磺酸=1.52×1133.8×5=8616.8KJQ4=831947.5KJ(3)Q3的計算則結(jié)晶熱為—924.15/517.5×19780=-35323.1KJQ3=—35323.1KJ(4)Q5+Q6的計算Q5+Q6=7%(Q5+Q6+Q4)=7/93Q4=7/93×831947.5=62619.7KJQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q2=831947.5+62619.7-3318266.4-(6)冷卻劑消耗量(一35323.1)=-2388375.9KJW=-Q2/C(Tk-Th)Th—冷卻劑的初溫為-5℃;Tk—放出的冷卻劑末溫為15℃;C—冷卻劑的比熱容(-5℃與15℃之間的平均比熱容),查《化工工藝設計手冊》647頁，得出：2.8197KJ/kg℃。W=-2388375.9/(2.8197×20)=42351.3kg即所需要的冷凍鹽水量為42351.3kg。5.3.3能量平衡表所有能量衡算如表5.9所示：以?；磻恳慌磕芰亢馑銥橐粋€體系。表5.9能量衡算表(單位：kJ)進料出料7-ADCA酯：0頭孢酯酰化物：19671.77苯甘氨酰氯鹽酸鹽：0碳酸氫鈉：3887794.175碳酸氫鈉：3887794.175冷卻劑傳給設備或物料的熱量：48481.725冷卻設備所消耗的熱量及設備向環(huán)境散失的熱量：3572.52過程的熱效應：161.35雜質(zhì)和副產(chǎn)物消耗的熱量：總計：3936437.253總計：3936437.253能量衡算結(jié)果：進料的全部能量=出料的全部能量。能量平衡，滿足能量守恒定律。49第6章設備選型與計算第6.1節(jié)設備選型概述每個單元的操作均有各種典型的設備組合型式，通過各個單元操作的合適設備型式組合形成了相應的生產(chǎn)流程。由于本次任務運用了間歇反應相關(guān)方法來進行工藝設計，所謂間歇反應器，就是指所有物料均在操作前一次加入，隨著反應的進行，釜內(nèi)溫度，濃度，和反應速度都隨時間變化，一直進行達到預定的轉(zhuǎn)化率出料為止。其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，靈活性大，應用廣泛，一般應用于液—液相，氣—液相等系統(tǒng)，如染料，醫(yī)藥，農(nóng)藥等小批量多品種的行業(yè)。第6.2節(jié)主要工藝設備的選型方法(1)以生產(chǎn)過程所屬的單元操作類型確定設備型式(根據(jù)反應系統(tǒng)動力學特性，如反應過程的濃度效應，溫度效應及反應的熱效應，結(jié)合反應的流動特性和傳遞特性，如反應的返混程度，選擇合適的反應器，以滿足反應過程的需要，(2)以物料衡算結(jié)果確定設備容積等參數(shù)；(3)以能量衡算結(jié)果確定設備傳熱等參數(shù)；(4)根據(jù)物料性質(zhì)確定設備材質(zhì)；(5)根據(jù)生產(chǎn)過程操作參數(shù)確定設備溫度，壓力等指標；(6)根據(jù)同類生產(chǎn)設備的使用情況以及經(jīng)驗來驗證工藝設備選型的合理性和可靠性并最終由生產(chǎn)實踐檢驗。第6.3節(jié)主要設備選型已知本反應溫度為20℃,由以上物料衡算過程可以確定出來：(1)每一批C的投料量為633.99kg,p=1.20g/cm3(為估計數(shù)值),故Vc約合為528.325L。(2)每一批D的投料量為810.96kg,而查的資料可知，工業(yè)上一般常用97%的苯甘氨酰氯鹽酸鹽作為氧化劑使用，查的此濃度下，D的密度p=1.364g/cm3,故V約合為594.55L。由裝料系數(shù)的取值表確定裝料系數(shù)：表6.1裝料系數(shù)取值表條件裝料系數(shù)φ范圍條件裝料系數(shù)φ范圍不帶攪拌或攪拌緩慢的反應釜易起泡沫和在沸騰下操作的設備帶攪拌的反應釜貯槽和計量槽(液面平由于反應料液不發(fā)生泡沫，不沸騰，所以取得P=0.8,則計算出反應罐的容積為V總/0.8=1403.59。依據(jù)《化工工藝設計手冊》第三版P282頁，取得一個2000L的K式搪玻璃反應釜(符合92國標，它的優(yōu)點是首先耐腐蝕性20,能耐有機酸，無機酸，有機溶劑等；其次是不粘性，容易清洗；絕緣性；隔離性；保鮮性等等)可滿足生產(chǎn)需求，其基本參數(shù)為：型號標記：K1000Ⅱ0.25-25GIDMAS-HG/T2371-1992(代表搪玻璃開式攪拌釜，1000L,采用機型Ⅱ傳動裝置，公稱壓力0.25MPa,配帶視鏡和平衡器入孔，軸密封采用冷卻水夾套填料箱，溫度計套管帶測溫頭，攪拌器為錨式，容器支座為懸掛式支座21,配上展式放料閥。)公稱容積：2000L實際容積：2176L電機功率：3.0Kw傳熱面積：4.6m2公稱直徑：2100mm總高度：3415mm設備總重：2610kg校核計算：(1)裝料系數(shù)校核：根據(jù)以上選型可知，每臺釜每批的進料體積為V=1403.59L,則φ=1403.59/2000=0.70<0.8,則符合要求。(2)傳熱面積校核：根據(jù)氧化反應熱量衡算可以知道，傳熱量為Q?=66708.675kJ,其反應時間為2h,則平均每小時傳熱量：Q=66708.675/2=33354.34kJ/h。工藝條件：進，出料溫度0℃-20℃,設計蒸汽進，出口溫度120℃-110℃。則平均溫差：氧化反應釜為夾套式反應器，夾套內(nèi)流體為水蒸汽，加熱對象為有機料液，反應器材質(zhì)為搪玻璃(搪瓷)。據(jù)此可查《化工設計大全》P?得總傳熱系數(shù)為Q;=KA?△t可得A=66708.675/(214×4.187×104.28)=4.31m2<4.6m2,即滿足傳熱需綜合裝料系數(shù)和傳熱面積校核，所選的氧化反應釜滿足生產(chǎn)工藝需求。2苯甘氨酰氯鹽酸鹽的儲罐已知本工段苯甘氨酰氯鹽酸鹽需要總體積為V=1399L,取裝料系數(shù)φ=0.85,所以V=344.75/0.85=411.47L。依據(jù)《化工工藝設計手冊》P?g?頁，選取1個公稱容積為2000L的搪玻璃開式儲存容器。其主要參數(shù)如下：公稱容積：1000L實際容積：1176L公稱直徑：1100mm設備總重：1120kg3濃縮罐(T=2h)由物料衡算圖可知，進入本段物料有：頭孢酯?；锎忠?密度1.36),苯甘氨酰氯鹽酸鹽(密度1.421),雜質(zhì)(密度近似1)。本單元段濃縮設備每批處理物料總體積為：V總=474.48kg/1.36+144.067/1.421+36.297/1=486.557L取得裝料系數(shù)φ=0.8,則V=486.557/0.8=608.19L依據(jù)《化工工藝設計手冊》P?81頁，選取1個公稱容積為1000L搪玻璃開式攪拌釜，其主要參數(shù)如下：公稱容積：1000L實際容積：1176L傳熱面積：4.6m2公稱直徑：1100mm設備總重：1610kg(1)裝料系數(shù)校核：根據(jù)以上計算可知，每臺結(jié)晶釜每批進料體積V=608.19L,則φ=608.19/1000=0.608<0.8,則符合要求。(2)傳熱面積校核：根據(jù)結(jié)晶過程熱量衡算過程可知，傳熱量為Q=-7255.53kJ,其反應時間為2h,則平均每小時傳熱量Q=7255.53/2=3627.76/h。工藝條件：進，出料溫度20℃-5℃,設計冷凍鹽水進，出口溫度-5℃-15℃l2),則平均溫差：△t=(△t?-△t?)/(1n△t?/△t?)=(5+5)-(20-15)/(1n10/5)結(jié)晶釜帶夾套，夾套內(nèi)流體為冷凍鹽水，加熱對象為有機料液，反應器材質(zhì)得總傳熱系數(shù)為據(jù)Q?=KA,△t可得A=3627.76/(214×4.187×7.2)=0.56m2<4.6m2,即滿足傳熱需求。綜合裝料系數(shù)和傳熱面積校核，所選的濃縮罐滿足生產(chǎn)工藝需求。4過濾設備(T=3h)由物料衡算圖可知，進入本單元段的物料為：頭孢酯?；锎忠?密度3.14),加水1400L,苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液(密度1.421),總雜質(zhì)(密度近似為1)?？傎|(zhì)量m=424.557+2400+46.427+57.43+144.57=3.07t那么每小時進入過濾器的流量為U=3.07/3=1.023/h,查閱相關(guān)資料，選擇新型設備，多層板框壓濾器，其主要參數(shù)如下：濾板層數(shù)：10過濾面積：0.3m2過濾孔徑：0.8微米過濾壓力：0.15Mpa流量：2.0t/h外形尺寸：650×400×7800mm材質(zhì)：不銹鋼為加快過濾速度，共取2臺即可滿足工藝需要。5干燥設備(T=2h)由物料衡算圖可知，進入本單元段的物料有：頭孢酯?；锎忠海?16.06kg不過由于量大，可以分成2次操作，則每次進入干燥器的物料量為：208.03Kg。依據(jù)《化工工程設計手冊》P?3頁，選取JCT-C系列熱風循環(huán)烘箱(它適用于制藥、化工、食品、農(nóng)副產(chǎn)品、水產(chǎn)品、輕工、重工等行業(yè)物料及產(chǎn)品的加熱固化，干燥脫水，可以說屬于通用設備。熱風循環(huán)烘箱的特點有：大部分熱風在箱內(nèi)循環(huán)，熱效率高，節(jié)約能源，利用強制通風作用，箱內(nèi)設有可調(diào)式風板，物料干燥均勻，熱源可利用蒸汽、熱水電、遠紅外等，選擇廣泛，整機噪音小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，溫度自控，安裝維修方便)。其主要參數(shù)如下：型號規(guī)格：RXH-274-BCT-Ⅱ每次干燥量：200kg配用功率：1.1Kw散熱面積：40m2風量：5200m3h外形尺寸：2430×2200×2433總質(zhì)量：1500kg為加快干燥速度，共取2臺即可滿足工藝需要。6母液儲罐由于過濾之后，母液中過量苯甘氨酰氯鹽酸鹽溶液需進行回收，所以，依據(jù)《化工工藝設計手冊》P291頁，選取1個公稱容積為1000L的搪玻璃開式儲存容器。其主要參數(shù)如下：公稱容積：1000L7母液槽按照過濾之后母液存放需求，選擇SLT5m3的母液槽一個。其主要參數(shù)如下：8濕晶和干晶儲槽按照過濾與干燥之后的晶體存放需求，選擇SLT20OL的臥式儲槽2個。其主長：1005mm9離心泵按照離心母液的特性，及輸送揚程揚量的工程要求，選擇臥式不銹鋼耐腐蝕化工離心泵3臺。其主要參數(shù)如下；揚程：8m轉(zhuǎn)速：1450r/min已知苯乙酰-7ADCA需要總體積為V=872.7L,取裝料系數(shù)Φ=0.85,所以V=872.7/0.85=1026.7依據(jù)《化工工藝設計手冊》P292頁，選取1個公稱容積為1250L的搪玻璃開式儲存容器[3]。型號標記為K1250HG/T2373-1922,其主要參數(shù)如下：公稱容積：1250L實際容積：1391L公稱直徑：1200mm設備總重：1020kg(3)二氯乙烷計量儲罐V=6599.1/0.85=7763.6L。依據(jù)《化工工藝設計手冊》P294頁，選取1個公稱容積為8000L的搪玻璃閉式儲存容器[3]。型號標記為F8000HG/T2374-1922其主要參數(shù)如下：公稱容積：8000L實際容積：8910L公稱直徑：1900mm設備總重：3580kg(4)吡啶計量儲罐已知吡啶需要總體積為V=31.2L,取裝料系數(shù)9=0.85,所以V=31.2/0.85=36.7L。依據(jù)《化工工藝設計手冊》P291頁，選取1個公稱容積為50L的搪玻璃開式儲存容器[3]。型號標記為K50HG/T2373-1922,其主要參數(shù)如下：公稱容積：50L實際容積：61.3L設備總重：150kgV=6599.1/0.85=92105.4。依據(jù)《化工工藝設計手冊》P295頁，選取6個公稱容積為16000L的搪玻璃臥式儲存容器[3],標記為W16000HG/T2375-1922。其主要參數(shù)如下：公稱容積：16000L實際容積：17766L公稱直徑：2400mm設備總重：5570kg(6)五氯化磷升斗提升機依據(jù)《生物加工設備選型與應用》P40頁，選取D350D型深斗斗式提升機[4]。其主要參數(shù)如下：料斗運行速度：1.25m/s驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)速：47.5r/min為滿足實際需要選取三臺升斗提升機(7)水計量儲罐已知水需要總體積為V=36.2L,取裝料系數(shù)9=0.85,所以V=36.2/0.85=42.6L。依據(jù)《化工工藝設計手冊》P294頁[3],選取1個公稱容積為50L的搪玻璃開式儲存容器。型號標記為K50HG/T2373-1922,其主要參數(shù)如下：公稱容積：50L實際容積：61.3L公稱直徑：400mm設備總重：150kg(8)對甲苯磺酸計量儲罐V=1351.2/0.85=1589.6L。依據(jù)《化工工藝設計手冊》P292頁，選取1個公稱容積為2000L的搪玻璃開式儲存容器[3]。型號標記為K2000HG/T2373-1922,其主要參數(shù)如下：公稱容積：2000L實際容積：2219L公稱直徑：1300mm設備總重：1470kg(9)結(jié)晶釜(T=1.5h)由物料衡算圖可知，進入本段物料有：7-ADCAPTS鹽粗液924.1kg(密度1.202)未反應的二氯乙烷8023.5kg(密度1.250),未反應的甲醇61859.2kg(密度0.791),未反應的對甲苯磺酸1133.8kg(密度1.072),吡啶30.7kg(密度0.983),五氯化磷2396