课程设计：年产850吨头孢氨苄的车间工艺设计（完整版）

年产850吨头孢氨苄的车间工艺设计感染，如：流行性感冒，出血性败血症、链球菌病、猪丹肿、放线菌病、坏死杆菌病、钩端螺旋体病等所引起的败血性高热(41～43℃)或持续低温(37℃以下)、消化不良、喜喝冷水、无神嗜睡、行走拐跛、耳部变蓝、流泪等。同时用于治疗各种炎症疾患，如：传染性胸膜肺炎、耳病、乳腺炎、子宫炎、口腔炎、尿道炎等引起的胎多或仔猪出生7-10天后死亡，乳房红肿、乳汁变坏、产乳下降、口蹄溃烂、流涎关键词：头孢氨苄工艺流程物料衡算Cephalexinisacephalosporinantibioticthathasbeenusedagainstbacteria.Itworksbyinterferingwiththeformationofbacterialcellwalls,causingthecellstobreakdownandkillingbacteria.Cephalexinismainlyusedforthetreatmentofinfectionscausedbybacteria,includingupperrespiratorytractinfections,earinfections,skinandsofttissueinfectionsandurinarytractinfections.Theprocessofthedesignismainly:first,penicillinGpotassiumthroughesterification,oxidation,hydrolysis,esterification,condensationandaseriesofcomplexreactionandfinallygetwhatweneedcefalexin.Thisdesigncontentmainlyincludestheproductionofcephalexinacylationworkshopsection,processdesign,processdesign,materialbalance,heatbalance,siteselection,layoutdesign,detaildesignoftwowastehandlingetc..Keywords:CephalexinProcessmaterialbalance目录 1第1.1节研究背景及意义 1第1.2节产品概述 1第2章国内外研究的历史和现状以及我们要研究的目标 5第2.1节国内状况 5第2.2节国外现状 6第2.3节研究目标 6第3章生产工艺的选择以及设计所要完成的内容 7第3.1节国内生产头孢氨苄的方法 7第3.2节设计方案的选择 7第4章物料衡算 第4.1节整个化学反应方程式及各步反应收率 第4.2节物料衡算的基础 第4.3节具体物料衡算 第5章热量衡算 29第5.1节能量衡算原理 第5.2节热量衡算基础数据的查取与计算 第5.3节热量衡算具体计算过程 第6章设备选型与计算 49第6.1节设备选型概述 49第6.2节主要工艺设备的选型方法 49第6.3节酰化工段主要设备选型 49第7章车间布置 第7.1节车间设计的要求 第7.2节具体设计方案 第8章管道布置与计算 第8.1节管道设计与布置的目的 第8.2节管道设计的基础资料 第8.3节管道设计及管道材质的基本要求 第8.4节车间管道设计 第9章生产控制 第9.1节原料主要技术指标 第9.2节产品主要技术指标 第9.3节生产控制要点 第10章车间定员 第10.1节劳动组织 第10.2节岗位定员 第11章劳动保障与安全生产 结论 参考文献 致谢…………………731第1.1节研究背景及意义头孢菌素类抗生素分子中含有头孢烯的半合成抗生素。本类药可破坏细菌的细胞壁，并在繁殖期杀菌。对细菌的选择作用强，而对人几乎没有毒性，具有抗菌谱广、抗菌作用强、耐青霉素酶、过敏反应较青霉素类少见等优点。所以是一类高效、低毒、临床广泛应用的重要抗生素。头孢菌素属于β-内酰胺类抗生素，是β-内酰胺类抗生素中的7-氨基头孢烷酸(7-ACA)的衍生物，因此它们具有相似的杀菌机制。它分为以7-ADCA为母核和以7-ACA为母核两大系列。前一系列为青霉素的深加工产品，生产流程为青霉素工业盐—7-ADCA—半合成头孢菌素。现在7-ADCA已经被列入国家急需发展的重点医药中间体之中。它用于合成头孢氨苄，头孢拉定，头孢克罗等，这些药物都是市场用量较大的抗生素。国内7-ADCA的合成技术尚不是很成熟，产量还很低，在质量和产量上都无法满足国内市场需求。因此，7-ADCA的生产和应用存在很大的发展空间。第1.2节产品概述1产品名称本次设计任务的主角—头孢氨苄，又叫苯甘头孢霉素或头孢立新。学名为(6R,7R)-3-甲基-7-[(R)-2-氨基-2-苯乙酰氨基]-8-氧代-5-硫杂-1-氮杂双环[4.2.0]辛-2-烯-2-甲酸-水合物。22化学结构分子量：347.393理化性质本品在水中微溶，在乙醇、氯仿或乙醚中不溶。比旋度取本品，精密称定，加水溶解并稀释成每1ml中含5mg的溶液，依法测定，比旋度为+144度至+158度。吸收系数取本品，精密称定，加水溶解并稀释成每1ml中约含20μg的溶液，照分光光度法，在262nm的波长处测定吸收度，吸收系数为220～245。4临床用途广谱抗菌素类药。主用于革兰氏阳性菌和阴性菌感染，如：流行性感冒，出血性败血症、链球菌病、猪丹毒、炭疽、气肿疽、恶性水肿、放线菌病、坏死杆菌病、钩端螺旋体病等所引起的败血性高热(41～43℃)或持续低温(37℃以下)、消化不良、喜喝冷水、无神嗜睡、行走拐跛、耳部变蓝、流泪等。同时用于治疗各种炎症疾患，如：传染性胸膜肺炎、肺疫肺炎、萎缩性鼻炎、蓝耳病、乳腺炎、子宫炎、口腔炎、尿道炎等引起的咳嗽气喘、呼吸困难、怀孕低、死胎多或仔猪出生7-10天后死亡，乳房红肿、乳汁变坏、产乳下降、口蹄溃烂、流涎不止、生疮化脓等。5药理毒理1、药理头孢氨苄属第一代头孢菌素，抗菌谱与头孢噻吩相仿，但其抗菌活性较后者为差。除肠球菌属、甲氧西林耐药葡萄球菌外，肺炎链球菌、溶血性链球菌、产或不产青霉素酶葡萄球菌的大部分菌株对本品敏感。本品对奈瑟菌属有较好抗菌作用，但流感嗜血杆菌对本品的敏感性较差；本品对部分大肠埃希菌、奇异变形杆菌、沙门菌和志贺菌有一定抗菌作用。其余肠杆菌科细菌、不动杆菌、3铜绿假单胞菌、脆弱拟杆菌均对本品呈现耐药。梭杆菌属和韦容球菌一般对本品敏感，厌氧革兰阳性球菌对本品中度敏感。2、毒理头孢氨苄的小鼠口服半数致死量为2.6g/kg。6药代动力学本品吸收良好，空腹口服本品0.5g后1小时达血药峰浓度(Cmax),平均为18mg/L。餐后服药延长吸收并降低血药峰浓度，但吸收量不减。本品的吸收在幼儿乳糜泻和小肠憩室患者可增加，在克隆病和肺囊性纤维化患者可延缓和减少。老年人胃肠道吸收虽无减少，但血药浓度维持较年轻人为久。本品血消除半衰期(t1/2b)为0.6～1.0小时，加服丙磺舒可提高血药浓度，t1/2b可延长至1.8小时；肾衰竭时t1/2b可延长至5～30小时；新生儿t1/2b为6.3小时。本品吸收后广泛分布于各组织体液中，每6小时口服0.5g后痰液中平均浓度为0.32mg/L,脓性痰液中浓度较高。脓液药物浓度与血药浓度基本相等，关节腔渗出液中药物浓度为血药浓度的50%。本品可透过胎盘进入胎儿血循环，产妇羊水；乳妇口服0.5g后乳汁浓度为5mg/L。约5%的口服给药量自胆汁排出，胆汁中药物浓度为血药浓度的1~4倍。血清蛋白结合率为10%～15%。本品体内不代谢，24小时尿中累积排出给药量的80%～90%,口服0.5g后尿药峰浓度可达2.2g/L。头孢氨苄可为血液透析和腹膜透析所清除。7不良反应本药不良反应发生率为8%,一般均呈暂时性和可逆性。1、胃肠道：较多见恶心、呕吐、腹泻和腹部不适等胃肠道症状，偶见假膜性肠炎。2、过敏反应：少见皮疹、荨麻疹、红斑，药物热等过敏反应症状，偶可发生过敏性休克。3、中枢神经系统：少见头晕、复视、耳鸣、抽搐等神经系统症状。4、肝脏：少见——过性肝功能异常(血清丙氨酸氨基转移酶、天门冬氨酸氨基转移酶和碱性磷酸酶短暂性升高)。5、肾脏：少见暂时性尿素氮、肌酸、肌酸酐升高，偶见蛋白尿，少尿。46、血液：偶见血红蛋白下降、血小板减少、中性粒细胞减少、嗜酸粒细胞增多等，罕见溶血性贫血。7、其它：长期用药时可致菌群失调，发生二重感染；也可出现维生素K、维生素B缺乏。5第2章国内外研究的历史和现状以及我们要研究的目标第2.1节国内状况目前国内已有15种头孢类原料药实现国产化，头孢类原料药生产企业达31家。随着国内7-ACA,7-ADCA的规模化生产，国内头孢菌素生产规模也逐渐扩大，现已能满足国内生产用药需要。主要生产厂家有华药，山东新华和广东侨光。其中华北制药为了增加规模效益，适应自身发展的需要，又新上了一套装置。年产量可达800t。国内以华北制药生产水平最高，质量收率可以达42%,但生产上不稳定，导致质量和收率不稳定。近些年来，我国头孢氨苄原料药工业的发展取得重大进展，生产企业及产量从无到有，产品己实现商业化生产并投放国内市场，近10家生产企业具有头孢氨苄原料药的生产批准文号。表2.1主要厂家生产状况企业化北制药山东鲁抗新东海合资永进上海医药产量(ta-1)生产情况扩产停产正常正常拟建我国基本都是国产化，生产规模不大，生产成本偏高；国内产品在晶形、外观上与进口产品有一定差距，而且含量偏低；质量收率底，但生产上不稳定，导致质量和收率不稳定。由于工艺过程复杂，限制头孢氨苄的生产，很多企业从国外进口7-ADCA用于合成相关药物。同分异构型明显较高，对下游产品的有一定的影响；国内的回收工艺明显落后于印度，特别是氧化中醋酸，扩环中的吡啶，未能充分回收，既造成环境污染，又增加了成本。2004年国内需求量在1200t左右，而进口量达600t。说明国内企业需要进步的空间还很大。6第2.2节国外现状头孢氨苄的国外生产厂家主要有美国TEVA、荷兰DSM、台湾骏祥、印度等企业，2000年世界产量达6250t,估计到2005年将突破万吨。目前，国外企业基本上是自动化生产，收率从40%到46%不等，质量指标较好。第2.3节研究目标针对这种成本高，收率低的情况，对头孢氨苄的生产工艺进行设计与优化，争取改善目前这种落后于国际的生产状况，是极其必要的。本次课题设计的目标就是对车间工艺的设计可以使头孢氨苄生产自动化、规模化、制度化，可以减少过多的劳力浪费和经济成本，头孢氨苄新品的研发和改进也有着重要的影响。7第3章生产工艺的选择以及设计所要完成的内容第3.1节国内生产头孢氨苄的方法国内头孢氨苄的生产方法主要有如下三种：1微生物酶法：以苯甘氨酸为原料，进行二次酰化，将7-ADCA与三甲基氯硅烷反应得到二硅烷基化的产物，再将上述两步反应进一步反应得到头孢氨苄O2苯甘氨酸法：多采用固相酶技术，将无色杆菌细胞吸附在乙胺乙基-纤维素载体上，将此固相装柱，通入0.1%-7-氨基脱乙酰氧基头孢烷酸和0.5%D-苯甘氨酸甲酯，5h后，85%的7-ADCA转化为头孢氨苄。3苯甘氨酰氯与7-ADCA缩合法：原理是以青霉素盐类(青霉素G或青霉素V)为主要原料，通过扩还重排、裂解为7-ADCA。再与D-(-)-苯甘氨酸酰氯缩合而得。第3.2节设计方案的选择由于，现在我国用酶法制备头孢氨苄的工艺还没有成熟，而酰氯法的工艺已经熟练，而且相对污染和产率等都由于前两种化学法。所以本次设计选择第三种方案，采用苯甘氨酰氯与7-ADCA缩合法来合成头孢氨苄[9]。苯甘氨酰氯与7-ADCA缩合法也属于半化学合成法，既是半化学合成法，就要经过复杂化学反应来生成一种化合物，在通过化学变化使新和成的化合物再转化成另一种化合物。所以，其制作工艺相当复杂，而且还伴有大量的污染和副反应产物的生成，最终的收率是有百分之三十到四十左右。头孢氨苄的合成目前仍然以化学半合成方法(即第三种方法)为主。它的原理是以青霉素G钾为原料，通过扩环重排裂解为7-氨基酸脱乙酰基头孢烷酸(7-ADCA),再与D-苯甘氨酸缩合。它的生产工艺流程为：8过氧乙酸双氧水结晶氧化酯化青霉素G过氧乙酸双氧水结晶氧化酯化丙酮吡啶三氯乙醇三氯氧磷过滤乙酸丁酯干燥S-氧化物重排、扩环干燥结晶干燥过滤重排物浓缩结晶干燥过滤二氯乙烷吡啶五氯化磷氢氧化钠萃取分离中和水解醚化氧化萃取分离7-ADCA7-ADCA酉浓缩苯甘氨酰干燥二氯乙烷酰化物甲酸干燥过滤过滤结晶结晶成品锌粉乙腈锌粉锌泥回收图3.1头孢氨苄生产总工艺流程图设计的具体任务则是要求在整个生产工段中，酰化工段的生产工艺设计。它包括了反应器的设计与选型，车间布置，管道的计算与设计等等内容。酰化工段的具体反应为：这个阶段的具体工艺流程为：将7-ADCA酯PTS盐加入二氯乙烷中，加入碳和苯甘氨酰氯盐酸盐。于0℃反应1h,15-20℃反应2h。反应过程中使PH为5.5-6.0。有机层经薄膜浓缩后加入乙醚，析出酰化物，过滤、洗涤、干燥即得头孢酯酰化物。收率为60%。9操作流程如下图：盐+饱和碳酸氢钠0℃,有机层+NaHCO₃苯甘氨酰氯盐酸盐酰化物+图3.2头孢氨苄制备的酰化工段加入吡啶和五氯化磷，加入吡啶和五氯化磷，-5℃下反应2小时冷却至-10℃重排物二氯乙烷氯化产物醚化水解阶段：加甲醇-10℃、1.5加甲醇-10℃、1.5h加水室温30min分取有机层、浓缩氯化产物-15℃水解产物结晶7-ADCA水解产物结晶7-ADCA酯PTS盐干燥图3.3头孢氨苄氯化、醚化、水解、成盐工艺流程图第4章物料衡算第4.1节整个化学反应方程式及各步反应收率乙脱数基去乙肤氧基关他尊位职三能乙溶《华乙意7-ADCA各步反应收率：青霉素G钾(酯化80%)→青霉素烷酸三氯乙酯(氧化80%)→S-氧化物(重排-成盐70%)→7-ADCA对甲苯磺酸(酰化60%)→头孢酯酰化物(水解68%)→头孢氨苄总收率：38%注：收率(φ)=实际生成物量/理论生成物量。第4.2节物料衡算的基础生产安排如下：全年生产天数：工作日=365-法定假日-停机保养日=365-52-13=300天年产量：850吨日产量：850/300=2.833吨/天全年生产班数：300×3=900班日有效工作时间：24小时全年生产小时数：900×8=7200小时4.2.1物料衡算原理本次课题物料衡算根据设计任务书进行设计制定的工艺流程及车间生产安排对该生产工艺进行物料衡算，通过计算，得出还原工序中各个生产工段的物料比例，投料以及出料。(1)计算基础资料以及相关设计手册、物理化学常数；(2)计算的基准为每批的生产量，物料单位为千克；(3)物料衡算的依据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。在整个工艺设计中，物料衡算是最先进行的一个计算项目，其结果是后面的能量衡算设备选型或工艺设计车间布置设计及管道设计等各项设计的依据，因此物料衡算的的正确与否直接关系到整个工艺设计的可靠程度。概念：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。定律：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。ZG₁=ZG₂+ZG₃+EGZG₁:——输人物料量总和；ZG₂:——输出物料量总和；ZG₃:——物料损失量总和；EG₄:——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：EG1=EG2+EG34.2.2物料衡算的基准对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。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、辅料及包装材料一起算入。4.2.3物料衡算式对任一组分A在单元时间△T。单元体积△V内有：[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量]目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间的变化的函数关系。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2。第4.3节物料衡算计算4.3.1酰化过程a基础数据表4.1投料及配比(均为重量比)青霉素G钾7-ADCA酯PTS盐碳酸氢钠苯甘氨酰氯盐酸盐乙醚二氯乙烷设：青霉素G钾为A,7-ADCA酯PTS盐为B,7-ADCA酯为C,碳酸氢钠为K,苯甘氨酰氯盐酸盐为D,头孢脂酰化物为E,乙醚为S,最终的头孢氨苄为Q。已知最后年产的头孢氨苄为850吨，反应总收率为38%,所以代入公式得出：应得到的产物量为：850/0.38=2236.84t。Q=2796.05t——应得到的产物量。Q=2796.05t——应得到的产物量。设：青霉素G钾完全反应，则第一步到最后一部的反应中物质的模不变。根据公式可以得出：m₄/M₄=me/Mg=Mo/MM=372.47g/molM。=149.4g/molMc=345.5g/molM,=168.57g/molM,=478.50g/molM₉=364g/molm₄/M₄=Mo/Mom₄=M₄·Mo/M₀=372.47×2236.84/364=2288.883t;ME=478.50×2236.84/364=2940.47t。上面求出的各物质的质量都是实际反应的物质的质量，所以还要引入纯度问题。A的纯度为98%;B的纯度为97%;C为96%;D的纯度为97%;E的纯度为96%。由于我们知道最后要生产出850t的头孢氨苄，这个即为实际生成物量，那么应当利用收率表示出它的理论生成量再代入方程式求解。则可以求出原料A的理论量(即投料量),此时由于是最后一推到第一步，所以收率应该代入总收率38%,代入数据得：M₄=850×372.47/0.38×364=2288.88(为纯物质),引入纯度后，得出A的原始投料量应该为：M₄(实)=2288.88/0.98=2335.59t。青霉素G钾的实际投料量为：2335.59t。其配料比为其质量比，得出：D(苯甘氨酰氯盐酸盐)的实际投料量为：2335.59×1.0=2335.59t;碳酸氢钠的投料量为：2335.590t。同理，可利用第一步数据，推出第二步反应中C的实际产量作为酰化工段的反应物计算基础。由于酰化过程的收率为φ=60%/70%=86%。me=2123.15t(理论量);引入收率φ=0.86得：me实=1825.909t(纯度为96%)。此时正是进入酰化反应阶段，此时C就作为了反应物，可表示为me。化阶段收率为86%,mc/Mc=me/M。代入数据：m₄=1825.909×0.96×478.50/345.5=2427.64t(理论量),实际应该得到的量应为引入收率φ之后得：m,实=2087.77t(纯度为99%)。至此，要完成年产量任务，本酰化反应工段所需要的物料量均已经确定：(苯甘氨酰氯盐酸盐)——→E(头孢酯酰化物)1825.9092335.592087.77b生产周期的确定由于间歇反应器是分批操作，其操作时间，也就是生产周期分为两部分，即由反应时间和辅助时间(即装料，卸料，检查及清洗设备，人工换班等所需时间)列出本工段的几个单元操作：(1)酰化反应过程---约用时3h;(2)浓缩过程---约用时2h;(3)加水过滤过程---约用时3h;(4)干燥过程---约用时2h;(5)其它人工操作时间---约为2h。即是总的生产周期为3h。全年的工作日为360天，则一年中生产批数为：360×24/3=2880(批/年)。对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。c计算每一匹的投料量表4.2批起始投料量投料名称规格分子量(g/mol)批投料量(kg)C(7-ADCA酯)D(苯甘氨酰氯盐酸盐添加水96%(纯度)97%(纯度)d计算过程C₀H₁Cl₃N₂O₃SC+C₈H₈C1ONC₁₈H₁₇Cl₃N₂0S→+D2HClEF(1)每批起始投料物量：①7-ADCA酯(C)的起始投料量：633.99kg杂质：31.70kg②苯甘氨酰氯盐酸盐(D)的起始投料量：810.96kg③添加过滤用水量：2975kg总量：4419.95kg(2)每个单元的物料衡算①酰化反应过程：实际最终产量：725kg则苯甘氨酰氯盐酸盐溶液总用量：296.97/0.97=306.15kg810.96-633.99×0.96×168.57/345.5=513.69kgD.杂质生成量：73.12kgA浓缩BA.酰化反应后混合液(b)过量苯甘氨酰氯盐酸盐溶液：306.15kg纯苯甘氨酰氯盐酸盐量：296.97kg杂质：306.15-296.9=9.25kg(c)杂质：73.124kgB.浓缩完成后母液(a)头孢酯酰化物粗晶：1065.68×85%=905.83kg(b)过量苯甘氨酰氯盐酸盐溶液：306.15kg(c)杂质：73.12+(1065.68×2%)=94.43kg(d)水：(633.99+810.96)-(905.83+306.15)=232.97kg③加水过滤过程过滤C(a)头孢酯酰化物粗液：905.83kg(b)过量苯甘氨酰氯盐酸盐溶液：306.15kgB.添加过滤用水：5100kgC.滤饼(905.836×98%=887.71kg)(a)头孢酯酰化物粗液：725kg(b)水：1200×2.5%=30kg(c)杂质：130kg(a)苯甘氨酰氯盐酸盐溶液：382.67kg(b)水：83.55+5100=5183.55kg(c)杂质：95+905.83×2%=113.12kg④干燥过程AC干燥A.滤饼(887kg)(a)头孢酯酰化物粗液：725kg(b)水：887×2.5%=22.175kg(a)纯量头孢脂酰化物：341.14×99%=337.73kg(b)水：725×(1-99%)/2=3.625kg(c)杂质：3.625kg4.3.2氯化、醚化、水解、成盐工段a基础数据氯乙烷=1:9。收率为65%-70%(以S-氧化物计)。为方便表示最终的头孢氨苄设为Q。已知：整个药物反应过程其中酯化过程和氧化过程的收率均为80%,重排-成盐过程收率为65%(以S-氧化物计),酰化过程收率为60%(以S-氧化物计),重排过程收率为90%(以S-氧化物计),氯化、醚化、水解、成盐过程收率为都为93%(以S-氧化物计)(反应总收率为38%。明确了收率的定义，收率(φ)=实际生成物量/理论生成物量。)mQ=400t,MQ=416kg/mol,Ms-氧化物=550.51kg/mol,M重排物=529.7氧化物的纯度为99%,重排物的纯度为98%,M7-ADCA酯PTS盐纯度为98%。mS-氧化物=mQ×MS-氧化物×80%÷Q÷MQ=850×481.78×80%÷0.38÷364=2072.3t纯度为99%则MS-氧化物(实)=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重排物纯度98%则m重排物(实)=1794.30/0.98=1830.92t=2072.3×70%×517.5/481.78纯度98%则m7-ADCA酯PTS盐(实)=1558.16/0.98=1589.96t根据投料比m吡啶=2093.23×0.025=52.33tm甲醇=1830.92×57.5=105277.9tm对甲苯磺酸=1830.92×1.345=2462.59tm二氯乙烷=1589.96×9=14309.64t水解成盐收率为88%b生产周期的确定要完成年产任务(1)氯化、醚化、水解成盐工段需4h(2)结晶过程---约用时1.5h;(3)加水过滤过程---约用时2h;(4)干燥过程---约用时1.5h;则，确定生产周期为4h小时则全年工作日设300天，生产批数为300×24/4=1800(批/年)c计算每一批投料表4.2投料量投料名称苯乙酰二氯乙烷吡啶五氯化磷甲醇水对甲苯磺酸规格(纯度)分子量批投料量密度(g/cm³)体积(L)d计算过程(1)反应过程m氮亚胺物理论生成1076.9×0.98×482÷463.5=1097.5kg实际生成1076.9×93%×482÷463.5=1041.5kg反应的二氯乙烷1076.9×98%×99÷463.5=225.4kg未反应的二氯乙烷为8248.9-225.4=8023.5kg杂质为260.8kg氯亚胺物+甲醇—→亚胺物理论生成亚胺物：1041.5×98%×477.5÷482=1011.2kg反应的甲醇量为：1076.9×98%×93%×32.04÷463.5=67.9kg未反应的甲醇量为：61927.1-67.9=61859.2kg=645.14/0.98=658.3kg理论生成：1076.9×98%×345.5÷463.5=706.4kg反应的水：1076.9×98%×18.01÷463.5=36.1kg杂质：976.3+36.1-658.3=354.1kg理论生成7-ADCAPTS盐为：658.3×98%×517.5/345.5=946.9kg实际生成880.7kg对苯甲酸反应量为658.3×98%×172/345.5=314.7kg未反应的对苯甲酸为1133.8kg杂质为79.1kg未反应的二氯乙烷8023.5kg未反应的甲醇61859.2kg未反应的对甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg杂质：260.8+133.1+354+79.1=827kgA结晶BA反应后混合液①7-ADCAPTS盐粗液924.1kg②未反应的二氯乙烷8023.5kg未反应的甲醇61859.2kg未反应的对甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg③杂质827kgB结晶完成后母液①7-ADCAPTS盐粗晶924.1×98%=905.6kg②杂质827+924.1×2%=845.4kg③未反应的二氯乙烷8023.5kg未反应的甲醇61859.2kg未反应的对甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg(3)加水过滤过程BBCA结晶完成后母液①7-ADCAPTS盐粗晶905.6kg②杂质827kg③未反应的二氯乙烷8023.5kg未反应的甲醇61859.2kg未反应的对甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kgB添加过滤用水：7000kgC滤饼(905.6×0.98=887.5kg)①7-ADCAPTS盐880.7kg③杂质1.8kg①水：6860kg②未反应的二氯乙烷8023.5kg未反应的甲醇61859.2kg未反应的对甲苯磺酸1133.8kg吡啶30.7kg五氯化磷2396.1kg③杂质：827+(905.6+7000)×2%=985.1kgA干燥CBA滤饼(887.5kg)①7-ADCAPTS盐880.7kg③杂质1.8kgB7-ADCAPTS盐880.7kg①水15kg,②杂质2.1kg③7-ADCAPTS盐880.7×98%=863.6kg(纯)C水6.8g4.3.3物料衡算流程图(单位均为kg)73.12(杂质)D(苯甘氨酰氯盐酸盐)94.43(杂质)浓缩232.97(水)905.8345(杂质)过滤5100(水)887.71150.1(水)E(头孢脂酰化物)306.15(过量的苯甘氨酰氯盐酸盐)酰应干燥图4.3酰化物料衡算流程图头孢酯酰化物水解一水解一甲酸水洗涤、过滤废渣母液回收浓缩母液回收↓乙腈废液→乙腈废液→三废处理↓乙醇→母液回收乙醇→母液回收|√|头孢氨苄图4.4水解物料衡算流程图4.3.4进出物料平衡表表4.3酰化进、出物料平衡表进料出料序号物料名称组成数量序物料名称组成数量(kg)号17-ADCA酯1滤液纯量苯甘氨酰氯盐酸盐溶液杂质杂质2苯甘氨酰氯盐酸盐水纯量2头孢脂酰化物杂质纯量3添加水3水杂质干燥去水0水解进出物料平衡表4.4进料出料序号物料名称组成(%)数量(kg)序号物料名称组成(%)数量(kg)1酰化物粗品5568.5281滤饼542.43酰化物95.005038.18锌泥26.21杂质265.16杂质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锌粉284.2水4乙腈溶液4136.64杂质4.70乙腈99.504115.963滤液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杂质6添加水3555.364母液2801.43乙醇86.192418.33水4.70杂质257.485水23.446成品头孢氨苄98.00水杂质27789.6227786.59表4.5氯化醚化进出物料平衡表(单位kg)进料出料序号物料名称组成数量序号物料名称组成序号1苯乙酰1滤液纯量二氯乙烷杂质甲醇2二氯乙烷吡啶纯量对甲苯磺酸3五氯化磷五氯化磷纯量杂质4吡啶2纯量纯量5水杂质纯量水6对甲苯磺酸3干燥去水纯量4水杂质7甲醇纯量6表4.6氧化工段物料平衡表进料出料序号物料名称组成数量序号物料名称组成数量1青霉烷酸三氯乙酯1滤液纯量双氧水溶液杂质杂质2双氧水溶液水纯量2S-氧化物成品水纯量3添加水水杂质3干燥去水第5章热量衡算第5.1节能量衡算原理热量衡算得主要目的是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的型式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。1能量衡算的目的当物料衡算完成后，对于没有热效应的过程，可直接根据物料衡算的结果和物料的性质、处理量和工艺的要求进行工艺设计，以确定设备的型式、数量和工艺尺寸。而对于伴有热效应的过程，则还必须进行能量衡算，才能确定设备的工艺尺寸，在药品生产中，无论是进行物理过程的设备还是进行化学过程的设备，大多都存在着一定的热效应。因此，通常都要进行能量衡算4。目的：能量衡算的目的主要是为了确定设备或装置的热负荷。根据热负荷的大小和物料的性质及工艺要求，进一步的确定传热设备的形式、数量和主要工艺2能量衡算的依据能量衡算的依据是物料衡算的结果以及为能量衡算而收集的有关物料的热力学数据。如定压比热、相变热、反应热等。3热量平衡方程式热量平衡方程：当内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功时，输入系统的热量与离开系统的热量平衡，由此可得出传热设备的热量平衡方程为：Q₁——物料带入设备的热量(kJ);Q,——加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量(kJ);Q₃——过程的热效应(kJ);Q₄——物料带出设备的热量(k·);Qs——加热或冷却设备所消耗的热量或冷量(kJ);Q,——设备向环境散失的热量(kJ);过程热效应Q₃:化学过程的热效应包括化学反应热和状态变化热，纯物理过程只产生状态变化热，而对于化学反应的过程，在产生化学反应热的同时也产生状态变化热，在热量衡算中当反应放热时Q,取正；反应吸热时，取负。求出Q,:当Q,为正值时，表明需要对设备及所处物料提供热量，即需要加热，反之，当Q₂为负值时，表明需要移走热量，即需要冷却。Q,和Q₆的确定：根据工艺操作经验，Q₅+Q。一般为(Q₄+Q₃+Q₆)的5%--10%。只要计算出Q就可算出Qs+Q。。第5.2节热量衡算具体计算过程在热量衡算中，大部分物料的物性常数可通过相关的物性常数手册查取，像《化学工程手册》,《化工工艺设计手册》。当遇到手册中数据不全的时候，就需要通过一些公式来估算这些物性常数。下面介绍本设计中遇到的物性常数的计算方法。(1)液体比热容的计算对于绝大多数有机化合物，其比热容都根据《化学工程手册》114页表3-13求得。先根据化合物的分子结构，将各种基团的摩尔热容值加和，求出摩尔热容，再与分子量相换算成比热容[8]。另外，若是作为近似计算，液体的比热容可以按照固体的比热容饿科普定律来进行估算，具体见固体比热容的计算。(2)固体比热容的计算固体比热容可应用科普定律来计算：Ca——元素的原子比热容(kJ/kg℃),n——固体分子中同种原子的个数；M——化合物分子量。其值见下表；表5.1元素原子的比热容元素Ca(kcal/kg·℃)元素Ca(kcal/kg·℃)碳C氢H硼B硅Si氧0氟F液态固态硫S磷P氯Cl氮N其他元素液态固态上述公式计算出的是20℃的比热容，不在20℃的各化合物的比热容将与算出的比热容有出入。凡高于20℃时的化合物，比热容可根据上述公式计算所得结果再加大20%-25%。(3)状态热的计算状态热液称为潜热。它包括汽化热，熔融热，熔解热等。熔融热：不同物质的熔融热可根据以下公式求出元素无机化合物有机化合物qr=(8.4-12.6)T;qr=(20.9-29.3)T;qr=(37.7-46.0)T其中：q-熔融热J/mol;Tp-熔点K。溶解热：气态溶质的溶解热可取蒸发潜热的负值，固态溶质的溶解热则近似可取其熔融热。(4)化学反应热的计算为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为298K及标准大气压时反应热的数值为标准反应热，习惯上用△H表示，负值表示放热，正值表示吸热。由于这与在热量衡算中所规定的符号正好相反，所以为避免出错，现在用符号qr表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则q°=-△H。一般的标准反应热的数据都可以在《化学工程手册》或者《化学工艺设计手册》中查到，不过，当缺乏数据是就要用标准生成热或者标准燃烧热来求得。①用标准生成热求q°:v——反应方程中各物质的化学计量数(反应物为负，生成物为正);q°——标准生成热。②用标准燃烧热求qrv——反应方程中各物质的化学计量数(反应物为负，生成物为正);q°——标准燃烧热8。③标准燃烧热的计算：理查德认为，有机化合物的燃烧热与完全燃烧该有机化合物所需要的氧原子成直线关系。a,b——常数，与化合物结构相关，其值见《药厂反应设备及车间工艺设计》;x——化合物完全燃烧时所需要的氧原子数。q°——标准生成热(kJ/mol);q°-——标准燃烧热(kJ/mol);n——化合物中同种元素的原子数q°——元素标准燃烧热(kJ/(g.atom)),其值见下表。表5.2元素的标准燃烧热元素的燃烧过程元素燃烧热元素的燃烧过程元素燃烧执C→CO₂(气)H→1/2HzO(液)F→HF(溶液)C1→1/2C12(气)C1→HC1(溶液)Br→1/2Brz(液)Br→1/2Br₂(气)00Br→HBr(溶液)N→1/2N₂(气)N→HNO₃(溶液)S→SO₂(气)S→H₂SO₄(溶液)P→P2Os(固)00⑤不同温度下的反应热q'的计算：因为反应恒定在温度t℃下进行，而且反应物和生成物在(25-t)温度下均q=q⁰-(t-25)(Zv.Cp)kJ/molv——反应方程中各物质的化学计量数(反应物为负，生成物为正);Cp——反应物或生成物在(25-t)范围内的平均比热容(kJ/kg.℃)[21;第5.3节热量衡算具体计算过程5.3.1酰化反应过程(0℃-20℃,净反应2h)氧化反应釜基础数据来自物料衡算图：(1)7-ADCA酯(C溶液)的起始投料量：633.99kg纯量：602.29kg杂质：31.70kg(2)苯甘氨酰氯盐酸盐(D溶液)的起始投料量：810.96kg纯量：76.63kg杂质：24.33kg(3)①头孢酯酰化物粗液(E溶液):725kg②过量苯甘氨酰氯盐酸盐(D溶液):810.96kga.纯苯甘氨酰氯盐酸盐：786.63kgb.杂质：24.33kg③反应生成的盐酸(F):128.60kg④杂质：73.12kg(1)Q₁的计算(0℃)根据公式Q=ZmtCp由于反应物均在0℃进料，所以Q₁为0。(2)Q₄的计算(20℃)①生成的头孢酯酰化物(液态)的Cp可以根据“科普法则”法估算而得：Ca——元素的原子比热容kJ/kg℃,;n——固体分子中同种原子的个数；ZCan=2.8×18+4.3×17+8.0×3+8×2+6×4+7.4=194.9×4.187=816.0463kJ/kg℃D过量时，纯量的苯甘氨酰氯盐酸盐的Cp同样按“Missenard”法估算而得：取得其值Cp₀=1.9573kJ/kg℃,而其中所含盐酸的Cp可通过《化学工程手册》表5.3各物质C,值物质温度E头孢酯酰化物)苯甘氨酰氯盐酸盐盐酸各物质的QQ₄e=1065.687×1.7054×20=36348.45kJQ₄-p=786.63×1.9573×20=30793.42kJQ₄=36348.45+30793.42+5980.67=73112.54kg(3)Q₃的计算(本步属于化学反应过程)C₀H₁Cl₃N₂O₃S+C₈H₈C1ONC₁₈HrC+N₂O₄S可得出X=23,根据“理查德法”,则有：表5.4a、b值一览表基团ab氯基数氯酮伯胺噻唑烷烃支链酯总和q^c=284.86+23×209.79=5110.03kJ/mol元素燃烧热可利用盖斯公式：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(苯甘氨酰氯盐酸盐)的标准生成热可估算得：CH₄C1ON+X/2O₂—8C0,+3H₂O+可得出X=18,根据“理查德法”,则有q°=Za+xZb(kJ/mol),表5.5a、b值一览表基团ab基数苯酮苯酮伯胺氯总和元素燃烧热可利用盖斯公式：C-E(头孢脂酰化物)的标准生成热可估算而得：kJ/mol表5.6a、b值一览表基团ab氯氯酯苯酮伯胺噻唑烷烃支链总和故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(盐酸)的标准生成热可查《物理化学下册》P312页，qm=92.311(kJ/mol)则标准状态下反应热的求取：=-773.22-428.91+8075.62+92.311=6965.801(kJ/mol)那么在反应温度下的化学反应热为：q⁵=q⁴-(t-25)(Zv.Cp)Cp的求取(即在标准状况0℃-20℃)之间的平均比热容，其值如下：表5.7各物质Cp值物质温度C7-ADCA酯D苯甘氨酰氯盐酸盐E头孢酯酰化物F盐酸=6965.801-(20-20)(-1.3684-2.5052+1.3844+4.1928)=6965.80(kJ/mol)所以，化学反应热Qr=6965.801×624.33/478.50=9088.69kJ状态变化热为0(本反应段的状态变化热可忽略不计，故为0),Q₃=Qr=9088.69(kJ)(4)Q₅+Q₆的计算据工艺要求，可有：Q₅+Q₆=5%-10%(Q₅+Q₆+Q₄)可取Q₅+Q=7%(Q₅+Q₆+Q₄)=7/93×Q=7/93×34341.52=2584.825(kJ)得出Q₂=73112.54+2684.825-0-9088.69=66708.675kJ(6)水蒸汽消耗量(间接加热)D=Q₂/(I-θ)I——蒸汽的热焓，查《化工设计手册》得出：2675.9117kg;0——冷凝水温为40℃;D=66708.675/(2675.9117-40)=25.30kg;即所需要的水蒸汽的消耗量为25.30kg。氧化反应后浓缩过程(20℃-5℃)浓缩装置(1)上工段所带进来的Q,即：73112.54kg(2)E(头孢酯酰化物)粗液：905.83kgD(苯甘氨酰氯盐酸盐):306.15kg杂质：27.55kg①本段Q=Q₄(上工段带入的热量)=34341.52kgCp的求取(0℃-5℃之间的平均比热容):A-E(头孢脂酰化物)的Cp可根据“科普法则”估算而得：C=ECan/MkJ/kg℃式中Ca-元素的原子比热容kJ/kg℃,;n-固体分子中同种原子的个数；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(苯甘氨酰氯盐酸盐)的Cp可根据“Missenard”法估算而得：Cpo=1.1326C-F(盐酸)的Cp也可根据“Missenard”法估算而得：Cpr=2.1324kJ/kg℃表5.8各物质Cp值物质温度E头孢脂酰化物D苯甘氨酰氯盐盐F盐酸各物质的QQ=905.83×1.0252×5=4619.73kJQ=278.60×1.1326×5=1577.71kJQ₄r=130×2.1324×5=1384.5kJQ₄=3572.54kJ化学反应热：此过程没有发生化学反应，故为0;状态变化热，即结晶热：已知，头孢脂酰化物的熔融热为46T=46×(209+273)=22172J/mol,则结晶热为(-424.56×1000/478.50)×22172×0.001=-19671.82kJ:Q₃=-19671.82kJ(4)Q₅+Q₆的计算据工艺要求，可有Q₅+Q=5%-10%(Q₅+Q₆+Q₄),可取Q₅+Q=7%(Q₅+Q+Q₄)故Q₅+Q=7/93×Q=268.89kJ。(5)Q₂的计算得出Q=3572.54+268.89+19671.82-343431.52=-10828.27kJ(6)冷却剂消耗量W=-Q₂/C(T₄-T₁)T₁——冷却剂的初温为-5℃;T——放出的冷却剂末温为15℃;C——冷却剂的比热容(-5℃与15℃之间的平均比热容),可查《化工工艺设计手册》647页，得出：2.8197kJ/kg℃;则带入数据之后，W=66708.675/2.8197(15+5)=1182.90kg,即所需要的冷冻盐水量为493.63kg。氯化醚化水解成盐过程计算过程基础数据来自物料衡算图Q-甲醇=2.28×61927.141×(-10)=-1411938.8KJQ₁=-1477619.3KJ(2)Q₄的计算C₀=1.5KJ/(mol·℃),二氯乙烷C,=1.23KJ/(mol·℃),甲醇C,=2.48KJ/(mol·℃),对甲苯磺酸C,=1.52KJ/(mol·℃)Q₄二氯乙烷=1.23×8023.499×20=197378.0KJQ₄甲醇=2.48×61859.289×20=3068220.7KJQ₄=3318266.4KJ(3)Q₃的计算C₁₈H₇Cl₃N₂O₄S+X/2O₂18CO₂+7H₂O+3HCl+N₂+SO₂X=37根据“理查德法”,则有qc=Za+xZbKJ/mol表5.1a,b值一览表基团ab基数23.86218.05苯-42.29酮23.03×2-0.8仲胺-0.5噻嗪-4.9烷烃支链-15.49氯-1.26×3-1.34酯-1.1总和Ea=265.6Eb=210.08元素燃烧热可利用盖斯公式CA=395.15×18+143.15×14+165.8×3+290.15=9904.3KJ/mol查得二氯乙烷的标准生成热为-160.2KJ/mol氯亚胺物标准生成热根据“理查德法”估算而得C₁gH₁₆Cl₄N₂O₃S+X/2O₂→18CO₂+6H₂O+4HCl+N₂+SO₂43表5.2a,b值一览表基团Ab基数苯酮叔胺噻嗪烷烃支链氯酯总和Ea=335.14Eb=210.08q°c氯业胺物=335.14+41×210.08=8948.42KJ/mol元素燃烧热：Znqc氯亚胺物=18×395.15+12×143.15+4×165.8+290.15=9783.8KJqr氯亚胺物=9783.85-8948.42=835.4KJ/mol=835.43-(1839.15-160.2)=-843.5KJ/mol表5.3各物质C,值 物质温度苯乙酰-7ADCA二氯乙烷氯亚胺物Cp/KJ/(mol·℃)=-843.52-(-2-25)×(-1.43-1.18+1.45)=-874.8KJ/mol氯化反应热Q=-874.84×1076.994÷463.5=-2032.7KJ甲醇的标准生成热可查得-238.66KJ/mol氯亚胺物标准生成热得835.43KJ/mol亚胺物标准生成热根据“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)醚化反应热Q=334.56×1041.58÷482=722.9KJ表5.4各物质C,值×X物质温度甲醇亚胺物氯亚胺物Co/KJ/(mol·℃)水的标准生成热可查得285.830KJ/mol亚胺物标准生成热为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元素燃烧热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各物质C,值物质温度水亚胺物7-ADCA酯Cp/KJ/(mol·℃)4.19Q水解=-657.9×976.378÷345.5=-1859.2KJ对磺苯甲酸的标准生成热可查得517.08KJ/mol7-ADCA酯标准生成热为655.36KJ/mol7-ADCAPTS盐标准生成热根据“理查德法X=40Za=305.19Zb=211.95qoc7-ADCAPTS盐=305.1+40×211.95=8783.1KJ/mol盐=17×359.15+16×143.15+3×=10085.6KJ/molqf7-ADCAPTS盐=Enqoc7-ADCAPTS盐—qoc7-ADCAPTS盐=10085.6一8783.1=1302.4KJ/molqor成盐=Zvqof=-(10085.6+517.0)+1302.4=130.0KJ/mol表5.6各物质C,值物质温度对磺苯甲酸7-ADCAPTS盐7-ADCA酯Co/KJ/(mol.℃)Q成盐=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)水蒸气的消耗量Q2/(I-θ)=5046606.2/(2675.9117-40)=1914.6kg5.3.2结晶过程7-ADCAPTS盐粗液924.1kg未反应的二氯乙烷8023.5kg未反应的甲醇61859.2kg未反应的对甲苯磺酸1133.8kg(1)本段Q1=Q4(上工段带入的热量)=3318266.4KJ(2)Q4计算过程表5.7各物质C,值物质温度对磺苯甲酸7-ADCAPTS盐二氯乙烷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-对甲苯磺酸=1.52×1133.8×5=8616.8KJQ4=831947.5KJ(3)Q3的计算则结晶热为—924.15/517.5×19780=-35323.1KJQ3=—35323.1KJ(4)Q5+Q6的计算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)冷却剂消耗量(一35323.1)=-2388375.9KJW=-Q2/C(Tk-Th)Th—冷却剂的初温为-5℃;Tk—放出的冷却剂末温为15℃;C—冷却剂的比热容(-5℃与15℃之间的平均比热容),查《化工工艺设计手册》647页，得出：2.8197KJ/kg℃。W=-2388375.9/(2.8197×20)=42351.3kg即所需要的冷冻盐水量为42351.3kg。5.3.3能量平衡表所有能量衡算如表5.9所示：以酰化反应每一批全部能量衡算为一个体系。表5.9能量衡算表(单位：kJ)进料出料7-ADCA酯：0头孢酯酰化物：19671.77苯甘氨酰氯盐酸盐：0碳酸氢钠：3887794.175碳酸氢钠：3887794.175冷却剂传给设备或物料的热量：48481.725冷却设备所消耗的热量及设备向环境散失的热量：3572.52过程的热效应：161.35杂质和副产物消耗的热量：总计：3936437.253总计：3936437.253能量衡算结果：进料的全部能量=出料的全部能量。能量平衡，满足能量守恒定律。49第6章设备选型与计算第6.1节设备选型概述每个单元的操作均有各种典型的设备组合型式，通过各个单元操作的合适设备型式组合形成了相应的生产流程。由于本次任务运用了间歇反应相关方法来进行工艺设计，所谓间歇反应器，就是指所有物料均在操作前一次加入，随着反应的进行，釜内温度，浓度，和反应速度都随时间变化，一直进行达到预定的转化率出料为止。其结构简单，操作方便，灵活性大，应用广泛，一般应用于液—液相，气—液相等系统，如染料，医药，农药等小批量多品种的行业。第6.2节主要工艺设备的选型方法(1)以生产过程所属的单元操作类型确定设备型式(根据反应系统动力学特性，如反应过程的浓度效应，温度效应及反应的热效应，结合反应的流动特性和传递特性，如反应的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，(2)以物料衡算结果确定设备容积等参数；(3)以能量衡算结果确定设备传热等参数；(4)根据物料性质确定设备材质；(5)根据生产过程操作参数确定设备温度，压力等指标；(6)根据同类生产设备的使用情况以及经验来验证工艺设备选型的合理性和可靠性并最终由生产实践检验。第6.3节主要设备选型已知本反应温度为20℃,由以上物料衡算过程可以确定出来：(1)每一批C的投料量为633.99kg,p=1.20g/cm³(为估计数值),故Vc约合为528.325L。(2)每一批D的投料量为810.96kg,而查的资料可知，工业上一般常用97%的苯甘氨酰氯盐酸盐作为氧化剂使用，查的此浓度下，D的密度p=1.364g/cm³,故V约合为594.55L。由装料系数的取值表确定装料系数：表6.1装料系数取值表条件装料系数φ范围条件装料系数φ范围不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜易起泡沫和在沸腾下操作的设备带搅拌的反应釜贮槽和计量槽(液面平由于反应料液不发生泡沫，不沸腾，所以取得P=0.8,则计算出反应罐的容积为V总/0.8=1403.59。依据《化工工艺设计手册》第三版P282页，取得一个2000L的K式搪玻璃反应釜(符合92国标，它的优点是首先耐腐蚀性20,能耐有机酸，无机酸，有机溶剂等；其次是不粘性，容易清洗；绝缘性；隔离性；保鲜性等等)可满足生产需求，其基本参数为：型号标记：K1000Ⅱ0.25-25GIDMAS-HG/T2371-1992(代表搪玻璃开式搅拌釜，1000L,采用机型Ⅱ传动装置，公称压力0.25MPa,配带视镜和平衡器入孔，轴密封采用冷却水夹套填料箱，温度计套管带测温头，搅拌器为锚式，容器支座为悬挂式支座21,配上展式放料阀。)公称容积：2000L实际容积：2176L电机功率：3.0Kw传热面积：4.6m²公称直径：2100mm总高度：3415mm设备总重：2610kg校核计算：(1)装料系数校核：根据以上选型可知，每台釜每批的进料体积为V=1403.59L,则φ=1403.59/2000=0.70<0.8,则符合要求。(2)传热面积校核：根据氧化反应热量衡算可以知道，传热量为Q₂=66708.675kJ,其反应时间为2h,则平均每小时传热量：Q=66708.675/2=33354.34kJ/h。工艺条件：进，出料温度0℃-20℃,设计蒸汽进，出口温度120℃-110℃。则平均温差：氧化反应釜为夹套式反应器，夹套内流体为水蒸汽，加热对象为有机料液，反应器材质为搪玻璃(搪瓷)。据此可查《化工设计大全》P₂得总传热系数为Q;=KA₅△t可得A=66708.675/(214×4.187×104.28)=4.31m²<4.6m²,即满足传热需综合装料系数和传热面积校核，所选的氧化反应釜满足生产工艺需求。2苯甘氨酰氯盐酸盐的储罐已知本工段苯甘氨酰氯盐酸盐需要总体积为V=1399L,取装料系数φ=0.85,所以V=344.75/0.85=411.47L。依据《化工工艺设计手册》P₂g₁页，选取1个公称容积为2000L的搪玻璃开式储存容器。其主要参数如下：公称容积：1000L实际容积：1176L公称直径：1100mm设备总重：1120kg3浓缩罐(T=2h)由物料衡算图可知，进入本段物料有：头孢酯酰化物粗液(密度1.36),苯甘氨酰氯盐酸盐(密度1.421),杂质(密度近似1)。本单元段浓缩设备每批处理物料总体积为：V总=474.48kg/1.36+144.067/1.421+36.297/1=486.557L取得装料系数φ=0.8,则V=486.557/0.8=608.19L依据《化工工艺设计手册》P₂81页，选取1个公称容积为1000L搪玻璃开式搅拌釜，其主要参数如下：公称容积：1000L实际容积：1176L传热面积：4.6m²公称直径：1100mm设备总重：1610kg(1)装料系数校核：根据以上计算可知，每台结晶釜每批进料体积V=608.19L,则φ=608.19/1000=0.608<0.8,则符合要求。(2)传热面积校核：根据结晶过程热量衡算过程可知，传热量为Q=-7255.53kJ,其反应时间为2h,则平均每小时传热量Q=7255.53/2=3627.76/h。工艺条件：进，出料温度20℃-5℃,设计冷冻盐水进，出口温度-5℃-15℃l²),则平均温差：△t=(△t₁-△t₂)/(1n△t₁/△t₂)=(5+5)-(20-15)/(1n10/5)结晶釜带夹套，夹套内流体为冷冻盐水，加热对象为有机料液，反应器材质得总传热系数为据Q₁=KA,△t可得A=3627.76/(214×4.187×7.2)=0.56m²<4.6m²,即满足传热需求。综合装料系数和传热面积校核，所选的浓缩罐满足生产工艺需求。4过滤设备(T=3h)由物料衡算图可知，进入本单元段的物料为：头孢酯酰化物粗液(密度3.14),加水1400L,苯甘氨酰氯盐酸盐溶液(密度1.421),总杂质(密度近似为1)。总质量m=424.557+2400+46.427+57.43+144.57=3.07t那么每小时进入过滤器的流量为U=3.07/3=1.023/h,查阅相关资料，选择新型设备，多层板框压滤器，其主要参数如下：滤板层数：10过滤面积：0.3m²过滤孔径：0.8微米过滤压力：0.15Mpa流量：2.0t/h外形尺寸：650×400×7800mm材质：不锈钢为加快过滤速度，共取2台即可满足工艺需要。5干燥设备(T=2h)由物料衡算图可知，进入本单元段的物料有：头孢酯酰化物粗液：416.06kg不过由于量大，可以分成2次操作，则每次进入干燥器的物料量为：208.03Kg。依据《化工工程设计手册》P₆3页，选取JCT-C系列热风循环烘箱(它适用于制药、化工、食品、农副产品、水产品、轻工、重工等行业物料及产品的加热固化，干燥脱水，可以说属于通用设备。热风循环烘箱的特点有：大部分热风在箱内循环，热效率高，节约能源，利用强制通风作用，箱内设有可调式风板，物料干燥均匀，热源可利用蒸汽、热水电、远红外等，选择广泛，整机噪音小，运转平稳，温度自控，安装维修方便)。其主要参数如下：型号规格：RXH-274-BCT-Ⅱ每次干燥量：200kg配用功率：1.1Kw散热面积：40m²风量：5200m³h外形尺寸：2430×2200×2433总质量：1500kg为加快干燥速度，共取2台即可满足工艺需要。6母液储罐由于过滤之后，母液中过量苯甘氨酰氯盐酸盐溶液需进行回收，所以，依据《化工工艺设计手册》P291页，选取1个公称容积为1000L的搪玻璃开式储存容器。其主要参数如下：公称容积：1000L7母液槽按照过滤之后母液存放需求，选择SLT5m³的母液槽一个。其主要参数如下：8湿晶和干晶储槽按照过滤与干燥之后的晶体存放需求，选择SLT20OL的卧式储槽2个。其主长：1005mm9离心泵按照离心母液的特性，及输送扬程扬量的工程要求，选择卧式不锈钢耐腐蚀化工离心泵3台。其主要参数如下；扬程：8m转速：1450r/min已知苯乙酰-7ADCA需要总体积为V=872.7L,取装料系数Φ=0.85,所以V=872.7/0.85=1026.7依据《化工工艺设计手册》P292页，选取1个公称容积为1250L的搪玻璃开式储存容器[3]。型号标记为K1250HG/T2373-1922,其主要参数如下：公称容积：1250L实际容积：1391L公称直径：1200mm设备总重：1020kg(3)二氯乙烷计量储罐V=6599.1/0.85=7763.6L。依据《化工工艺设计手册》P294页，选取1个公称容积为8000L的搪玻璃闭式储存容器[3]。型号标记为F8000HG/T2374-1922其主要参数如下：公称容积：8000L实际容积：8910L公称直径：1900mm设备总重：3580kg(4)吡啶计量储罐已知吡啶需要总体积为V=31.2L,取装料系数9=0.85,所以V=31.2/0.85=36.7L。依据《化工工艺设计手册》P291页，选取1个公称容积为50L的搪玻璃开式储存容器[3]。型号标记为K50HG/T2373-1922,其主要参数如下：公称容积：50L实际容积：61.3L设备总重：150kgV=6599.1/0.85=92105.4。依据《化工工艺设计手册》P295页，选取6个公称容积为16000L的搪玻璃卧式储存容器[3],标记为W16000HG/T2375-1922。其主要参数如下：公称容积：16000L实际容积：17766L公称直径：2400mm设备总重：5570kg(6)五氯化磷升斗提升机依据《生物加工设备选型与应用》P40页，选取D350D型深斗斗式提升机[4]。其主要参数如下：料斗运行速度：1.25m/s驱动滚筒转速：47.5r/min为满足实际需要选取三台升斗提升机(7)水计量储罐已知水需要总体积为V=36.2L,取装料系数9=0.85,所以V=36.2/0.85=42.6L。依据《化工工艺设计手册》P294页[3],选取1个公称容积为50L的搪玻璃开式储存容器。型号标记为K50HG/T2373-1922,其主要参数如下：公称容积：50L实际容积：61.3L公称直径：400mm设备总重：150kg(8)对甲苯磺酸计量储罐V=1351.2/0.85=1589.6L。依据《化工工艺设计手册》P292页，选取1个公称容积为2000L的搪玻璃开式储存容器[3]。型号标记为K2000HG/T2373-1922,其主要参数如下：公称容积：2000L实际容积：2219L公称直径：1300mm设备总重：1470kg(9)结晶釜(T=1.5h)由物料衡算图可知，进入本段物料有：7-ADCAPTS盐粗液924.1kg(密度1.202)未反应的二氯乙烷8023.5kg(密度1.250),未反应的甲醇61859.2kg(密度0.791),未反应的对甲苯磺酸1133.8kg(密度1.072),吡啶30.7kg(密度0.983),五氯化磷2396