化学工艺制药学 第五章 中试放大与生产工艺(新)

1、 药物合成研究的三个阶段 n药物合成按研究阶段大致可分为药物合成按研究阶段大致可分为3个阶段，个阶段， n其一为实验室小试阶段，其一为实验室小试阶段，即在实验室规模研究克级即在实验室规模研究克级(到公到公 斤级斤级)的产品的合成方法；的产品的合成方法； n其二为中试放大阶段其二为中试放大阶段，对实验室的工艺进行，对实验室的工艺进行50100倍的倍的 放大，以对小试工艺进行验证以及进一步优化；放大，以对小试工艺进行验证以及进一步优化； n其三为工业化放大其三为工业化放大，即在小试和中试的基础上，完善工艺，即在小试和中试的基础上，完善工艺， 实现药物的工业化生产。实现药物的工业化生产。 n中试的目

2、的：中试的目的： 1. 在中试装置上打通工艺路线；在中试装置上打通工艺路线； 2.优化工艺条件；优化工艺条件； 3.提供试验用药品；提供试验用药品； 4. 进一步评价工艺路线；进一步评价工艺路线； 5. 为工业装置工艺设计和设备选型提供数据。为工业装置工艺设计和设备选型提供数据。 中试放大的研究内容中试放大的研究内容 n工艺过程工艺过程- -在生产过程中，化学合成反应的顺在生产过程中，化学合成反应的顺 序、条件序、条件( (摩尔比、反应温度、反应时间、反摩尔比、反应温度、反应时间、反 应压力、搅拌方式、后处理方法和精制条件等应压力、搅拌方式、后处理方法和精制条件等) ) 统称为统称为工艺过程工

3、艺过程，其它过程，比如动力供应、，其它过程，比如动力供应、 产品包装等则称为产品包装等则称为辅助过程辅助过程。 n中试放大的内容是研究在一定规模设备中的操中试放大的内容是研究在一定规模设备中的操 作参数和条件的变化规律，验证实验室工艺路作参数和条件的变化规律，验证实验室工艺路 线的可行性，解决在实验室阶段未能解决或尚线的可行性，解决在实验室阶段未能解决或尚 未发现的问题。未发现的问题。 中试放大研究的基本方法中试放大研究的基本方法 n经验放大是根据已有的操作经验，所建立的一经验放大是根据已有的操作经验，所建立的一 些规律，通过摸索反应器的特征，从实验室装些规律，通过摸索反应器的特征，从实验室装

4、 置到中试装置、再到车间大型装置，实现逐级置到中试装置、再到车间大型装置，实现逐级 放大。这些规律大多是半定性的，是简单和粗放大。这些规律大多是半定性的，是简单和粗 放的定量。放的定量。 n经验放大是基于空时得率相等的原则，经验放大是基于空时得率相等的原则，即虽然即虽然 反应规模不同，但单位时间、单位体积反应器反应规模不同，但单位时间、单位体积反应器 所生产的产品量所生产的产品量( (或处理的原料量或处理的原料量) )是相同的，是相同的， 通过物料平衡，求出为完成规定的生产任务所通过物料平衡，求出为完成规定的生产任务所 需处理的原料量后，得到空时得串的经验数据，需处理的原料量后，得到空时得串的

5、经验数据， 即可求得放大反应所需反应器的容积。即可求得放大反应所需反应器的容积。 经验放大经验放大 n采用经验放大法的前提条件采用经验放大法的前提条件是放大的反应装是放大的反应装 置必须与提供经验数据的装置保持完全相同置必须与提供经验数据的装置保持完全相同 的操作条件。经验放大法适用于反应器的搅的操作条件。经验放大法适用于反应器的搅 拌形式、结构等反应条件相似的情况，而且拌形式、结构等反应条件相似的情况，而且 放大倍数不宜过大。放大倍数不宜过大。 相似放大相似放大 n应用相似理论进行放大。应用相似理论进行放大。 n已成功应用于各种物理过程，但化学反应过程和已成功应用于各种物理过程，但化学反应过

6、程和 生化反应有一定困难。生化反应有一定困难。 数学模拟放大数学模拟放大 n数学模拟放大是用数学方程式表述实际过程和实数学模拟放大是用数学方程式表述实际过程和实 验结果，然后计算机模拟研究、设计，放大。验结果，然后计算机模拟研究、设计，放大。 n影响反应的因素复杂，不可能用数学方程全面、影响反应的因素复杂，不可能用数学方程全面、 定量描述过程的真实情况。一般地，先对过程进定量描述过程的真实情况。一般地，先对过程进 行合理简化，提出物理模型，模拟实际过程。再行合理简化，提出物理模型，模拟实际过程。再 对物理模型进行数学描述，从而得到数学模型。对物理模型进行数学描述，从而得到数学模型。 n对数学模

7、型，在计算机上研究各参数的变化对过对数学模型，在计算机上研究各参数的变化对过 程的影响。数学模拟放大法以过程参数间的定量程的影响。数学模拟放大法以过程参数间的定量 关系为基础，能进行高倍数放大，缩短放大周期。关系为基础，能进行高倍数放大，缩短放大周期。 数学模型方法数学模型方法 分析过程机理分析过程机理物理模型物理模型 数学模型数学模型模型参数模型参数 合理简化合理简化 法描述法描述 数学方数学方 数学方数学方 法求解法求解 实验实验 数学模型方数学模型方 法的用途法的用途 过程的设计计算过程的设计计算 设备的设计计算设备的设计计算 属于半理论半经验的研究方法，属于半理论半经验的研究方法， 已

8、逐步成为主要的研究方法。已逐步成为主要的研究方法。 中试放大的研究中试放大的研究 中试放大是对已确定的工艺路线进行实践中试放大是对已确定的工艺路线进行实践 性审查。性审查。 不仅要考察产品质量和经济效益，而且要不仅要考察产品质量和经济效益，而且要 考察工人的劳动强度和环境保护。考察工人的劳动强度和环境保护。 1. 生产工艺路线的确认和复审 例：抗癌药物氮芥（chlormethine，5-6）曾用乙醇做溶剂 精制，所得产品熔程长，杂物较多，质量难以保证。 中试放大时，改变氯化反应条件和提纯方法，先用无 水乙醇溶解，再加入非极性溶剂二氯乙烷，使其结晶 析出，从而解决了产品质量问题。 例：硝基苯电解

9、还原生成对氨基酚，进一步反 应制备对乙酰氨基酚（paracetamol ，扑热息痛， 5-7） 电解还原 NO2 NH2 OH N OH CH3 O H (5-7) HOAc or H2/Pt-C NHOH 2. 设备材质与形式的选择 3. 搅拌器形式与搅拌速度的考查 例: 由儿茶酚与二氯甲烷和固体烧碱在含有少 量水分的DMSO存在下，反应合成小檗碱 （berberine，黄连素，5-8）中间体胡椒环（5-9） 4. 反应条件的进一步研究 例如，磺胺对甲氧嘧啶（sulfametoxydiazine，磺胺- 5-甲氧嘧啶，5-10）的合成 甲氧基乙醛缩二甲醇（5-11），氯乙醛缩二甲醇 （5-1

10、2） (5-10) CH3O OCH3 OCH3 CH3ONa/CH3OH Cl OCH3 OCH3 OCH3 N N N S H2N H O O PCl3/DMF/CH3ONa BaSiO3-H2SiO3 Cl2/CH3OH CH3CHO CH3O OCH3 NH NH2 N S H2N H O O (5-12)(5-11) 5. 工艺流程与操作方法的确定 6. 原辅材料和中间体的质量监控 (1) 原辅材料、中间体的物理性质和化工参数的 测定 (2) 原辅材料、中间体质量标准的制定 。 第二节第二节 物料衡算物料衡算 一、物料衡算的理论基础一、物料衡算的理论基础 物料衡算物料衡算是研究某一个

11、体系内进、出物是研究某一个体系内进、出物 料及组成的变化，即物料平衡。所谓体系就是料及组成的变化，即物料平衡。所谓体系就是 物料衡算的范围，可以是一个设备或多个设备，物料衡算的范围，可以是一个设备或多个设备， 可以是一个单元操作或整个化工过程。可以是一个单元操作或整个化工过程。 物料衡算的理论基础为质量守恒定律：物料衡算的理论基础为质量守恒定律： 进入反应器的物料量流出反应器的物料量反进入反应器的物料量流出反应器的物料量反 应器中的转化量反应器中的积累量应器中的转化量反应器中的积累量 n物料衡算有两种情况：物料衡算有两种情况： 针对已有的生产设备和装置，利用实际针对已有的生产设备和装置，利用实

12、际 测定的数据，计算出一些不能直接测定的物料测定的数据，计算出一些不能直接测定的物料 量。利用计算结果，对生产情况进行分析和判量。利用计算结果，对生产情况进行分析和判 断，提出改进措施；也可用于检查原料利用率断，提出改进措施；也可用于检查原料利用率 和和“三废三废”处理情况。处理情况。 为了设计一种新的设备或装置，根据设为了设计一种新的设备或装置，根据设 计任务，先作物料衡算，再经能量平衡求出设计任务，先作物料衡算，再经能量平衡求出设 备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个 设备流程。设备流程。 二、确定物料衡算的计算基准及每年设备操作时间二、确定物料

13、衡算的计算基准及每年设备操作时间 1.1.物料衡算的基准物料衡算的基准 通常采用的基准有：通常采用的基准有： 1)1)以每批操作为基准以每批操作为基准，适用于间歇操作设备、标准或，适用于间歇操作设备、标准或 定型设备的物料衡算，化学制药产品的生产间歇操作定型设备的物料衡算，化学制药产品的生产间歇操作 居多。居多。 2)2)以单位时间为基准以单位时间为基准，适用于连续操作设备的物料衡，适用于连续操作设备的物料衡 算。算。 3)3)以每公斤产品为基准以每公斤产品为基准，以确定原辅材料的消耗定额。，以确定原辅材料的消耗定额。 2.2.每年设备操作时间每年设备操作时间 车间每年设备正常开工生产的天数一

14、般以车间每年设备正常开工生产的天数一般以330330天天 计算，其中余下的计算，其中余下的3636天作为车间检修时间。天作为车间检修时间。 三、收集有关计算数据和物料衡算步骤三、收集有关计算数据和物料衡算步骤 1.1.收集有关计算数据收集有关计算数据 反应物的配料比，原辅材料、半成品、成品及副产反应物的配料比，原辅材料、半成品、成品及副产 品等的浓度、纯度或组成，车间总产率，阶段产率，品等的浓度、纯度或组成，车间总产率，阶段产率， 转化率。转化率。 2.2.转化率转化率 对某一组分来说，反应物所消耗的物料量与投入反对某一组分来说，反应物所消耗的物料量与投入反 应物料量之比简称该组分的转化率。一

15、般以百分率表应物料量之比简称该组分的转化率。一般以百分率表 示。示。 %100 A A 组分的量投入反应 组分的量反应消耗 A X 4.4.选择性选择性 各种主、副产物中，主产物所占分率。各种主、副产物中，主产物所占分率。 %100 理论产量按某一主要原料计算的 产物实际得量 Y %100 原料投入量 量产物收得量折算成原料 Y %100 反应掉原料量 料量主产物生成量折算成原 3.3.收率（产率）收率（产率） 某重要产物实际收的量与投入原料计算某重要产物实际收的量与投入原料计算 的理论产量之比值，也以百分率表示。的理论产量之比值，也以百分率表示。 例 甲氧苄氨嘧啶生产中由没食子酸经甲基化反应

16、制备三甲氧苯 甲酸工序，测得投料没食子酸（1)25.0kg，未反应的没食子酸 2.0kg，生成三甲氧苯甲酸（2）24.0kg，求选择性和收率 OH OH OH COOH COOH OMe OMe MeO 3(CH3)2SO4 NaOH 2 3CH3OSO2OH + + 188 212 %2 .89%100 0 .25 0 . 20 .25 X %1 .83%100 188 212 0 .25 0 .24 Y %1 .93%100 0 . 20 .25 212 188 0 .24 四、车间总收率四、车间总收率 车间总收率为各个工序收率的乘积。车间总收率为各个工序收率的乘积。 五、物料计算的步骤五

17、、物料计算的步骤 1)1)收集和计算所必需的基本数据。收集和计算所必需的基本数据。 2)2)列出化学反应方程式，包括主反应和副反应；根据给定列出化学反应方程式，包括主反应和副反应；根据给定 条件画出流程简图。条件画出流程简图。 3)3)选择物料计算的基准。选择物料计算的基准。 4)4)进行物料衡算进行物料衡算 5)5)列出物料平衡表列出物料平衡表 （1 1）输入与输出的物料平衡表）输入与输出的物料平衡表 （2 2）三废排量表）三废排量表 （3 3）计算原辅材料消耗定额（）计算原辅材料消耗定额（kgkg） 例例1 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸 组成为组

18、成为H2SO4 46%(质量百分比，下同质量百分比，下同)、 HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料为，配制混酸用的原料为 92.5%的工业硫酸、的工业硫酸、98%的硝酸及含的硝酸及含H2SO4 69%的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制 1000kg混酸时各原料的用量。为简化计算，混酸时各原料的用量。为简化计算， 设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌 釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示釜为

19、衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示 意图。图中意图。图中 为为92.5%的硫酸用量，的硫酸用量， 为为 98%的硝酸用量，的硝酸用量， 为含为含69%硫酸的废酸用量。硫酸的废酸用量。 硝化混酸硝化混酸 1000kg 3 HNO G 42SO H G 废废 G 混酸配制混酸配制 搅搅 拌拌 釜釜 42SO H G 3 HNO G 废 G 图图1 1 混酸配制过程物料衡算示意图混酸配制过程物料衡算示意图 对对HNO3进行物料衡算得进行物料衡算得 0.98 = 0.46 1000 (a) 对对H2SO4进行物料衡算得进行物料衡算得 0.925 + 0.69 = 0.46 1000 (b) 对对H

20、2O进行物料衡算得进行物料衡算得 0.02 +0.075 +0.31 = 0.08 1000 (c) 3 HNO G 42SO H G 废 G 3 HNO G 42SO H G 废 G 表表1 1 混酸配制过程的物料平衡表混酸配制过程的物料平衡表 输输 入入 物料物料 名称名称 工业品工业品 量量/kg/kg 质量组质量组 成成/%/% 输输 出出 物料物料 名称名称 工业品工业品 量量/kg/kg 硝酸硝酸469.4469.4 HNOHNO3 3：9898 H H2 2O O：2 2 硝化硝化 混酸混酸 10001000 H H2 2SOSO4 4：46 46 HNOHNO3 3：4646

21、H H2 2O O：8 8 硫酸硫酸399.5399.5 H H2 2SOSO4 4：92.5 92.5 H H2 2O O：7.57.5 废酸废酸131.1131.1 H H2 2SOSO4 4：6969 H H2 2O O：3131 总计总计10001000 总计总计10001000 质量组质量组 成成/%/% 例例2 拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已 知混合液的进料流量为知混合液的进料流量为200kmol h-1，其中含，其中含 苯苯0.4(摩尔分率，下同摩尔分率，下同)，其余为甲苯。若规定，其余为甲苯。若规定 塔底釜液中苯的含量不高于塔底釜液中苯

22、的含量不高于0.01，塔顶馏出液，塔顶馏出液 中苯的回收率不低于中苯的回收率不低于98.5%，试通过物料衡算，试通过物料衡算 确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以 摩尔流量和摩尔分率表示。摩尔流量和摩尔分率表示。 精精 馏馏 塔塔 图图2 2 苯和甲苯混合液精馏苯和甲苯混合液精馏 过程物料衡算过程物料衡算 解：以连续精馏塔为衡解：以连续精馏塔为衡 算范围算范围,绘出物料衡算示意绘出物料衡算示意 图。图中图。图中F为混合液的进为混合液的进 料流量料流量,D为塔顶馏出液的为塔顶馏出液的 流量流量,W为塔底釜液的流为塔底釜液的流 量量,x为苯的摩尔分率。为

23、苯的摩尔分率。 图中共有图中共有3股物料，股物料，3个个 未知数，需列出未知数，需列出3个独立个独立 方程。方程。 F=200kmol. h-1 xF=0.4 D, xD W, xW=0.01 对全塔进行总物料衡算得对全塔进行总物料衡算得 (a) 对苯进行物料衡算得对苯进行物料衡算得 (b) 由塔顶馏出液中苯的回收率得由塔顶馏出液中苯的回收率得 (c) 联解式联解式(a)、(b)和和(c)得得 = 80kmol h-1， = 120 kmol h-1， = 0.985 WD200 W01. 0Dx4 . 0200 D 985. 0 4 . 0200 Dx D DW D x 表表2 2 苯和甲苯

24、精馏过程的物料平衡表苯和甲苯精馏过程的物料平衡表 摩尔组摩尔组 成成/%/% 苯：苯：0.9850.985 甲苯：甲苯： 0.0150.015 苯：苯：0.010.01 甲苯：甲苯： 0.990.99 输输 入入 物料物料 名称名称 流量流量 /kmol/kmol h h-1 摩尔组摩尔组 成成/%/% 输输 出出 物料物料 名称名称 流量流量 /kmol/kmol h h-1 苯和苯和 甲苯甲苯 混合混合 液液 200200 苯：苯：0.40.4 甲苯：甲苯：0.60.6 馏出液馏出液 8080 釜液釜液120120 总计总计200200 总计总计200200 例例3 甲苯用浓硫酸磺化制备对

25、甲苯磺酸。甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。 已知甲苯的投料量为已知甲苯的投料量为1000kg，反应产物中，反应产物中 含对甲苯磺酸含对甲苯磺酸1460kg，未反应的甲苯，未反应的甲苯20kg。 试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的 收率和选择性。收率和选择性。 化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算 解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为 分子量分子量 92 98 172 18 则甲苯的转化率为则甲苯的转化率为 对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的收率为 对甲苯磺酸的选择性为对甲苯磺酸的选择性为 CH3CH3 SO3H + H2SO4+ H2O 110140 0C

26、 %98%100 1000 201000 x A %1 .78%100 1721000 921460 y %7 .79%100 172)201000( 921460 某些反应过程某些反应过程,主要反应物经一次反应的转化率不主要反应物经一次反应的转化率不 高高,甚至很低甚至很低,但未反应主要反应物经分离回收后可循但未反应主要反应物经分离回收后可循 环套用环套用,此时转化率有单程转化率和总转化率之分。此时转化率有单程转化率和总转化率之分。 例例5 用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯苯用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯苯 的生成量，应控制氯的消耗量。已知每的生成量，应控制氯的消耗量。已知每100

27、mol苯与苯与 40mol氯反应，反应产物中含氯反应，反应产物中含38mol氯苯、氯苯、1mol二氯苯二氯苯 以及以及61mol未反应的苯。反应产物经分离后可回收未反应的苯。反应产物经分离后可回收 60mol的苯，损失的苯，损失1mol苯。试计算苯的单程转化率和苯。试计算苯的单程转化率和 总转化率。总转化率。 解：苯的单程转化率为解：苯的单程转化率为 设苯的总转化率为设苯的总转化率为xT，则，则 可见，对于某些反应，主要反应物的单程转可见，对于某些反应，主要反应物的单程转 化率可以很低，但总转化率却可以提高。化率可以很低，但总转化率却可以提高。 %0 .39%100 100 61100 A x

28、 %5 .97%100 60100 61100 x T 例例6 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对 甲苯磺酸，其工艺流程如图甲苯磺酸，其工艺流程如图3-11所示，试对该过程所示，试对该过程 进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯1000kg，纯，纯 度度99.9%(wt%，下同，下同)；浓硫酸；浓硫酸1100kg，纯度，纯度98%； 甲苯的转化率为甲苯的转化率为98%，生成对甲苯磺酸的选择性为，生成对甲苯磺酸的选择性为 82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%，生成间甲，生成间甲 苯磺酸的选择

29、性为苯磺酸的选择性为8.8%；物料中的水约；物料中的水约90%经连续经连续 脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯 品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。 间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算 解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算 示意图。示意图。 图图4-3 4-3 甲苯磺化过程物料衡算示意图甲苯磺化过程物料衡算示意图 原料甲苯：原料甲苯：1000kg 纯度纯度99.9% 浓硫酸：浓硫酸：1100kg 纯度纯度98% 磺化液磺化液 水水 硫硫酸酸

30、 甲甲苯苯 间间甲甲苯苯磺磺酸酸 邻邻甲甲苯苯磺磺酸酸 对对甲甲苯苯磺磺酸酸 脱水器脱水器 排排 水水 甲甲 苯苯 磺化釜磺化釜 图中共有图中共有4股物料，物料衡算的目的就股物料，物料衡算的目的就 是确定各股物料的数量和组成，并据此编是确定各股物料的数量和组成，并据此编 制物料平衡表。制物料平衡表。 对于间歇操作过程，常以单位时间间对于间歇操作过程，常以单位时间间 隔隔(一个操作周期一个操作周期)内的投料量为基准进行内的投料量为基准进行 物料衡算。物料衡算。 原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：1000 0.999=999kg 原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：1000-999=

31、1kg 浓硫酸中的硫酸量为：浓硫酸中的硫酸量为：1100 0.98=1078kg 浓硫酸中的水量为：浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg 进料总量为：进料总量为：1000+1100=2100kg ，其中含甲苯，其中含甲苯 999kg，硫酸，硫酸1078kg，水，水23kg。 出料：反应消耗的甲苯量为：出料：反应消耗的甲苯量为：999 98%=979kg 未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：999-979=20kg CH3CH3 SO3H + H2SO4+ H2O 110140 0C 主反应主反应 副反应副反应I I CH3CH3 SO3H + H2SO4+ H2O 110140 0C

32、 110140 0C + H2O+ H2SO4 CH3 SO3H CH3 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18 副反应副反应IIII 反应生成的对甲苯磺酸量为：反应生成的对甲苯磺酸量为： kg 反应生成的邻甲苯磺酸量为：反应生成的邻甲苯磺酸量为： kg 反应生成的间甲苯磺酸量为：反应生成的间甲苯磺酸量为： kg 反应生成的水量为：反应生成的水量为： kg 8 .1500%82 92 172 979 4 .168%2 . 9 92 172 979 1 .161%8 . 8 92 172 979 5 .191 92 18 979 经脱水器排出的水量为：经脱水器排出的水量为

33、： (23+191.5) 90%=193.1kg 磺化液中剩余的水量为：磺化液中剩余的水量为：(23+191.5)- 193.1=21.4kg 反应消耗的硫酸量为：反应消耗的硫酸量为： 未反应的硫酸量为：未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为：磺化液总量为： 1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg 8 .1042 92 98 979 表表4-3 4-3 甲苯磺化过程的物料平衡表甲苯磺化过程的物料平衡表 输输 入入 物料名称物料名称质量质量/kg/kg质量组成质量组成/%/%纯品量纯品量/kg/kg 原料甲苯原料甲苯1000

34、1000 甲苯甲苯99.999.9999999 水水0.10.11 1 浓硫酸浓硫酸11001100 硫酸硫酸98.098.010781078 水水2.02.02222 总计总计21002100 21002100 输输 出出 磺化液磺化液1906.91906.9 对甲苯磺酸对甲苯磺酸78.778.71500.81500.8 邻甲苯磺酸邻甲苯磺酸8.838.83168.4168.4 间甲苯磺酸间甲苯磺酸8.458.45161.1161.1 甲苯甲苯1.051.0520.020.0 硫酸硫酸1.851.8535.235.2 水水1.121.1221.421.4 脱水器排水脱水器排水193.1193

35、.1水水100100193.1193.1 总计总计21002100 21002100 例例7 在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其 反应方程式为反应方程式为 已知原料为无水乙醇已知原料为无水乙醇(纯度以纯度以100%计计)，流量为，流量为 1000kg h-1，其转化率为，其转化率为95%，乙醛收率为，乙醛收率为80%， 试对该过程进行物料衡算。试对该过程进行物料衡算。 CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 同时存在副反应同时存在副反应 C2H5OH CH3CHO + H2 连续操作过程的物料衡算连续操作过程的物料衡算 解：以反应器为衡算范围，

36、绘出物料衡算示意图。解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。 图图4-4 4-4 乙醇催化脱氢制乙醛过程物料衡算示意图乙醇催化脱氢制乙醛过程物料衡算示意图 乙醇：乙醇：1500kg 纯度纯度100% 产物产物 氢氢气气 乙乙酸酸乙乙酯酯 乙乙醛醛 乙乙醇醇 乙醇催化乙醇催化 脱氢制脱氢制 乙醛反应器乙醛反应器 图中仅有图中仅有1股进料和股进料和1股出料，且进料乙股出料，且进料乙 醇的数量和组成为已知，因此，物料衡算的醇的数量和组成为已知，因此，物料衡算的 目的就是为了确定出料的组成。该过程为连目的就是为了确定出料的组成。该过程为连 续操作过程，以单位时间，即续操作过程，以单位时间，即1h内

37、的进料量内的进料量 为基准进行物料衡算比较方便。为基准进行物料衡算比较方便。 C2H5OH CH3CHO + H2 CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 主反应方程式为主反应方程式为: 副反应方程式为副反应方程式为: : 分子量分子量 46 44 2 分子量分子量 2 2 46=92 88 246=92 88 2 2=4 2=4 出料：乙醇流量为出料：乙醇流量为 乙醛流量为乙醛流量为 乙酸乙酯流量为乙酸乙酯流量为 氢气流量为氢气流量为 或或 0 .50)95.01 (1000 0 .727 46 44 8 .095.01000 7 .181 92 88 )8 .01 (95.0100

38、0 3.417.181727501000 3 .41 92 4 )8 . 01 (95. 01000 46 2 8 . 095. 01000 kg h-1 kg h-1 kg h-1 kg h-1 kg h-1 表表4-4 4-4 乙醇催化脱氢过程物料平衡乙醇催化脱氢过程物料平衡 表表 输输 入入 物料物料 名称名称 流量流量 /kg/kg h h-1 输输 出出 物料物料 名称名称 流量流量 /kg/kg h h-1 质量组质量组 成成/%/% 乙醇乙醇10001000100100 乙醇乙醇50.050.05.05.0 乙醛乙醛727.0727.072.772.7 乙酸乙酸 乙酯乙酯 181

39、.7181.718.218.2 氢气氢气41.341.34.14.1 总计总计10001000100100总计总计10001000100.0100.0 质量组质量组 成成/%/% 例例8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为：蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的组成为： 硝基蒽醌硝基蒽醌5.6%(质量百分比，下同质量百分比，下同)、H2SO4 34.5%、 HNO3 6.7%、H2O 53.2%。拟采用含量为。拟采用含量为18%、密、密 度为度为932kg m-3的氨水将硝化液中和至的氨水将硝化液中和至pH=7。已知。已知 每批操作硝化液的投料量为每批操作硝化液的投料量为3000kg，硝化液的密度，硝化

40、液的密度 为为1170kg m-3， ，试对硝化液中和过，试对硝化液中和过 程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料程进行物料衡算。为简化计算，假设中和前后物料 的总体积保持不变。的总体积保持不变。 9 10 77. 1 1 K 水 含有化学平衡的物料衡算含有化学平衡的物料衡算 解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图，解：以中和反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图， 如图如图4-5所示。所示。 水水 氨氨水水 硝硝酸酸铵铵 硫硫酸酸铵铵 硝硝基基蒽蒽醌醌 中和液中和液 %2 .53: %7 . 6: %5 .34: %6 . 5: 水水 硝硝酸酸 硫硫酸酸 硝硝基基蒽蒽醌醌 硝化液

41、硝化液: 3000kg 18%氨水氨水 中中 和和 反应器反应器 图图4-5 4-5 蒽醌硝化液中和过程物料衡算示意图蒽醌硝化液中和过程物料衡算示意图 硝化液总量为：硝化液总量为：3000kg，其中含硝基蒽醌的量为：，其中含硝基蒽醌的量为： 3000 5.6%=168kg 硫酸的量为：硫酸的量为：3000 34.5%=1035kg 硝酸的量为：硝酸的量为：3000 6.7%=201kg 水的量：水的量：3000 53.2%=1596kg H2SO4中和反应方程式为：中和反应方程式为： 分子量分子量 98 2 17=34 132 反应生成的硫酸铵量为：反应生成的硫酸铵量为： kg NH3的消耗量

42、为：的消耗量为： kg H2SO4 + 2NH3(NH4)2SO4 1 .1394 98 1321035 1 .359 98 341035 HNO3中和反应方程式为：中和反应方程式为： 分子量分子量 63 17 80 反应生成的硝酸铵量为：反应生成的硝酸铵量为： NH3的消耗量为：的消耗量为： kg2 .255 63 80201 kg2 .54 63 17201 NH4NO3 HNO3 + NH3 中和反应中中和反应中18%氨水的消耗量为：氨水的消耗量为： kg 18%氨水的体积为：氨水的体积为： m3 2296 18. 0 2 .541 .359 464. 2 932 2296 pH=7时溶

43、液中的氨量计算：时溶液中的氨量计算： 平衡方程式为平衡方程式为 式中式中 H+=10-7 硝化液的体积为硝化液的体积为 则则 mol L-1 故故 mol L-1 NH4+ + H2ONH4OH + H+ H NH KOHNH 4 水4 9 10 77.1 1 K 水 3 m564.2 1170 3000 835.4 )564.2464.2(17 2.541.359 NH 4 2 7- 9 4 10732.2 10 4.835 10 77.1 1 OHNH 需过量氨水的量为需过量氨水的量为 其中含其中含NH3量为量为 需加入氨水的总量需加入氨水的总量 其中含其中含NH3量为量为 含水量为含水量

44、为 故溶液中水的总量为故溶液中水的总量为 )(13 %18 17564. 2464. 210732. 2 2 kg )(3 . 2%1813kg )(2309)132296(kg )(416%182309kg )(1893%822309kg )(348918931596kg 表表4-5 4-5 蒽醌硝化液中和过程的物料平衡表蒽醌硝化液中和过程的物料平衡表 输输 入入 物料名称物料名称 质量质量/kg质量组成质量组成/%纯品量纯品量/kg 硝化液硝化液3000 硝基蒽醌硝基蒽醌5.6168 硫酸硫酸34.51035 硝酸硝酸6.7201 水水53.21596 氨水氨水2309 氨氨(NH3)18416 水水821893 总计总计53095309 输输 出出 中和液中和液5309 硝基蒽醌硝基蒽醌3.2168 硫酸铵硫酸铵26.31394.1 硝酸铵硝酸铵4.8255.2 水水65.73489 氨氨(NH3)0.02.3 误差误差0.00.4 总计总计53095309 第三节 生产工艺规程 一、生产工艺规程的主要作用