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中试的目的：中试的目的：

2、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艺过程，其它过程，比如动力供应、，其

3、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，从实验室装置到中试装置、再到车间大型装置，实现逐级置到中试装

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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 NO2NH2OHNOHCH3OH(5-7)HOAco

9、r H2/Pt-CNHOH2. 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（5-12）(5-10)CH3OOCH3OCH3CH3ONa/CH3OHClOCH3OCH3OCH3NNNSH2NHOOPCl3/DMF/CH3ONaBaSiO3-H2SiO3Cl2/CH3OHCH3C

10、HOCH3OOCH3NHNH2NSH2NHOO(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

11、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

12、。 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

13、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

14、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。%100AA组分的量投入反应组分的量反应消耗AX4.4.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

15、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OHOHOHCOOHCOOHOMeOMeMeO3(CH3)2SO4NaOH23CH3OSO2OH+188212%2 .89%1000 .250 . 20 .25X%1 .83%1001882120 .250 .24Y%1 .

16、93%1000 . 20 .252121880 .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、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 （

17、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

18、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 3HNOG42SOHG废废G混酸配制混酸配制搅搅 拌拌 釜釜42SOHG3HNOG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H2SO

19、4进行物料衡算得进行物料衡算得0.925 + 0.69 = 0.46 1000 (b) 对对H2O进行物料衡算得进行物料衡算得0.02 +0.075 +0.31 = 0.08 1000 (c)3HNOG42SOHG废G3HNOG42SOHG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469.4469.4HNOHNO3 3：9898H H2 2O O：2 2硝化硝化混酸混酸10001000H H2 2SOSO4 4：46 46 HNOHN

20、O3 3：4646H H2 2O O：8 8硫酸硫酸399.5399.5H H2 2SOSO4 4：92.5 92.5 H H2 2O O：7.57.5废酸废酸131.1131.1H 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的

21、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。为苯的摩尔分率。 图中共有图

22、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-1xF=0.4D, xDW, 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， = 0.985WD200W01. 0Dx4 . 0200D985. 04 . 0200DxDDWDx表表2 2 苯和甲苯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/%

23、/% 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

24、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CH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C%98%1001000201000 xA%1 .78%1001721000921460y%7 .79%100172)201000(921460 某

25、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100mol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

26、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%10010061100Ax%5 .97%1006010061100 xT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，

27、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

28、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

29、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=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1078k

30、g，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=20kgCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C主反应主反应副反应副反应I ICH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C110140 0C+ H2O+ H2SO4CH3SO3HCH3 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

31、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%82921729794 .168%2 . 9921729791 .161%8 . 8921729795 .1919218979经脱水器排出的水量为：经脱水器排出的水量为：(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+

32、21.4=1906.9kg8 .10429298979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10001000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.

33、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193.1193.1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

34、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，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

35、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 + H2CH3COOC2H5 + 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

36、气流量为氢气流量为 或或 0 .50)95.01 (10000 .72746448 .095.010007 .1819288)8 .01 (95.010003.417.1817275010003 .41924)8 . 01 (95. 010004628 . 095. 01000kg h-1kg h-1kg h-1kg h-1kg 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.

37、050.05.05.0乙醛乙醛727.0727.072.772.7乙酸乙酸乙酯乙酯181.7181.718.218.2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

38、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。91077. 11K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

39、硫酸酸硝硝基基蒽蒽醌醌硝化液硝化液:3000kg18%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%=1596kgH2SO4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： kgNH3的消

40、耗量为：的消耗量为： kgH2SO4 + 2NH3(NH4)2SO4 1 .13949813210351 .35998341035HNO3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 .2556380201kg2 .546317201NH4NO3 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： m3229618. 02 .541 .359464. 29322296pH=7时溶液中的氨量计算：时溶液中的氨量计算：平衡方

41、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-1NH4+ + H2ONH4OH + H+HNHKOHNH4水491077.11K水3m564.211703000835.4)564.2464.2(172.541.359NH427-9410732.2104.8351077.11OHNH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为故溶液中水的总量为故溶液中水的总量为)(13%1817564. 2464. 210732. 22kg)(3 . 2%181

42、3kg)(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