【《盐酸环丙沙星生产的物料衡算和能量衡算计算过程案例》5600字】

盐酸环丙沙星生产的物料衡算和能量衡算计算过程案例1设计内容1.1工艺说明在文献[13]的基础上，选择通过1-环丙基-7-氯-6-氟-1,4-二氢-4-氧代喹啉-3-羧酸（化合物I）与哌嗪缩合，得到1-环丙基-6-氟-1,4-二氢-4-氧代-7-（1-哌嗪基）喹啉-3-羧酸（化合物II），然后使之与盐酸成盐，最后得到产品盐酸环丙沙星（化合物III）的工艺路线。合成反应方程式如下：1.2工艺描述和工艺流程1.2.1工艺描述第一步，选用乙氧羰基哌嗪与化合物I反应，反应摩尔比为2:1，反应得到中间体II，即化合物II，此步反应收率为86%；第二步，将化合物II与盐酸进行反应，即可得到产品盐酸环丙沙星，此步反应的收率为82.6%[14]。1.2.2工艺流程(1)II的合成将化合物I、N-乙氧羰基哌嗪和DMSO投入反应釜中，搅拌使反应物充分混合。混合完毕后，加热升温至温度为140~145°C，回流反应6h，待充分反应后，再向反应釜中加入5%KOH溶液，在温度为98~100°C下水解反应6h。热滤，滤液用冰醋酸调节溶PH至7~8。抽滤，得淡黄色固体，即化合物II，收率86%。(2)盐酸环丙沙星的合成将化合物II、10%盐酸溶液投入反应釜中，在不断搅拌下加热，直至固体全部溶解，再加入活性炭，继续加热1.5h，热滤。过滤后将滤液加热至70℃，再向滤液中加入乙醇，继续加热，至溶液透明为止。放置，待固体结晶析出后，将产品进行抽滤，洗涤，烘干，最后得到白色晶体盐酸环丙沙星，收率为82.6%。粉碎，得到白色至微黄色结晶性粉末，即盐酸环丙沙星粉末。包装，得到盐酸环丙沙星精品。1.2.3工艺流程框图绘制了工艺流程框图，如图=1\*Arabic1所示。1.2.4带控制点的工艺流程框图带控制点的工艺流程图详情见附录1。D级D级图=1\*Arabic1工艺流程框图2生产计划2.1生产规格表=2\*Arabic2生产规格产品名称生产规模（吨/年）含量生产方式盐酸环丙沙星15≥99.0%间歇式生产2.2生产班次为满足市场需求，暂定年产量为15吨，生产时间暂定为240天。生产班次及设备使用时间如图2所示。由图2可知，生产批次为1批/天，生产计划如表=3\*Arabic3所示。图2生产班次及设备使用时间表=3\*Arabic3生产计划表年处理量/吨年工作日/天生产班次生产方式15240一日三班，8小时/班间歇式生产2.3生产制度排班表生产制度排班表详见附录2。3物料衡算3.1物料衡算的依据物料衡算是以质量守恒定律为基础进行的计算，本次盐酸环丙沙星化学原料药的车间设计，其生产设计过程是间歇式操作过程，在计算的过程中，是以每批生产所需的各种物料的质量进行的，其起始投料是稍微多于理论投料值的，因为，不论是在理论生产过程中，还是实际生产过程中，中间过程物料的损耗是不可忽略掉的。对于稳定的体系，总物料的平衡方程式通常满足以下关系：∑G1=∑G0+GA式中∑G1——输入体系的总物料量∑G0——输出体系的总物料量GA——物料在体系中的总累积量3.2年用物料量实验过程中，乙氧羰基哌嗪缩合反应阶段，反应摩尔比为2:1，收率为86.0%，第二步经成盐反应后可得产品盐酸环丙沙星，此步反应的收率为82.6%。本设计基本条件是：年产15吨盐酸环丙沙星原料药，工作日：240天/年，产品纯度要求：≥99.0%。实际需盐酸环丙沙星(纯度为99%)的需要量为：15×1000×1000÷385.82÷99.0%÷86%÷82.6%÷240=230.347mol/天（88.873kg/天）；理论需盐酸环丙沙星(纯度为99%)的需要量为：15×1000÷240kg=62.500kg/天；理论=1\*ROMANI纯品需要量：230.347mol×281.67×10^(-3)kg=64.882kg/天；实际生产投料=1\*ROMANI纯品：64.882kg+6kg=70.882kg，70.882kg×1000÷281.67=251.650mol，=1\*ROMANI的纯度为99%，实际生产投料=1\*ROMANI的质量：70.882kg÷99%=71.600kg；3.2.1缩合反应阶段（1）缩合反应方程式（2）哌嗪缩合加热回流反应阶段进料：在反应釜中，化合物=1\*ROMANI在5%KOH碱性条件下与10%DMSO溶液中，与N-乙氧羰基哌嗪发生缩合反应；出料：充分反应后，反应釜中含有生产的中间体，即化合物=2\*ROMANII，剩余的N-乙氧羰基哌嗪，未完全反应的化合物=1\*ROMANI，10%DMSO溶液，新产生的乙醇，以及新生成的甲酸钠，水等其他物质。物料衡算：反应物化合物=1\*ROMANI：反应实际消耗=1\*ROMANI的质量=71.60kg×86%=61.576kg，剩余=1\*ROMANI的质量=71.600kg-61.576kg=10.024kg；反应物N-乙氧羰基哌嗪：需N-乙氧羰基哌嗪纯品的质量=2×251.650mol×158.20÷1000=79.622kg，N-乙氧羰基哌嗪的纯度为99%，实际需要的质量=79.622kg÷99%=80.426kg；反应实际消耗N-乙氧羰基哌嗪质量=80.426kg×86%=69.166kg，剩余N-乙氧羰基哌嗪的质量=80.426kg-69.166kg=11.26kg；反应物DMSO（浓度为10%）：每天所需DMSO（浓度为10%）的体积=78.13×251.650mol÷1.10ml÷10%=178.740L，其质量=178.740×1000×1.10×10^（-3）=196.614kg；反应物5%KOH：每天所需5%KOH的体积投料=56.11×251.650mol÷2.04ml÷5%=138.432L，其质量=138.432×1000×2.04÷1000=282.401kg；实际消耗5%KOH的质量=282.401kg×86%=242.865kg，剩余5%KOH的质量=282.401kg-242.865kg=39.536kg；生成物乙醇：新生成乙醇的质量=251.650mol×86%×46.07÷1000=9.970kg；生成物甲酸钠：新生成甲酸钠的质量=251.650mol×86%×54.024÷1000=11.692kg；生成物的化合物=2\*ROMANII：生成化合物=2\*ROMANII的质量=251.650mol×86%×331.34÷1000=71.708kg；生成物水：新生成水的质量=251.650mol×86%×18.015÷1000kg=3.899kg；总共含有水的质量=3.899kg+242.865kg÷56.11×18.015kg=81.875kg。表=4\*Arabic4哌嗪缩合加热回流反应工段物料衡算进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg化合物=1\*ROMANI71.600化合物=1\*ROMANI10.024N-乙氧羰基哌嗪80.426N-乙氧羰基哌嗪11.2610%DMSO196.61410%DMSO196.6145%KOH282.4015%KOH39.536甲酸钠11.692化合物=2\*ROMANII71.708水81.875乙醇9.970其他198.362总计631.041总计631.041（3）哌嗪缩合反应热滤阶段进料：将反应釜中的反应物全部转移到过滤装置中过滤。出料：充分过滤后，得到滤饼和滤液，滤饼中含有未完全反应的化合物=1\*ROMANI、N-乙氧羰基哌嗪、生成化合物=2\*ROMANII以及其他物质，滤液中含有生成的化合物=2\*ROMANII、KOH、甲酸钠、DMSO、乙醇、水等其他物质。物料衡算：此步热滤过程，绝大部分水分被蒸发；热滤过程物料化合物=2\*ROMANII损失率为1%，其他物质损失不计；损失化合物=2\*ROMANII的质量=71.708×1%=0.717kg，剩余化合物=2\*ROMANII的质量=71.708-0.717=70.991kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg化合物=1\*ROMANI10.024滤饼化合物=1\*ROMANI10.024N-乙氧羰基哌嗪11.26N-乙氧羰基哌嗪11.2610%DMSO196.614其他198.362水81.875化合物=2\*ROMANII0.7175%KOH39.536滤液化合物=2\*ROMANII70.991乙醇9.9705%KOH39.536甲酸钠11.692甲酸钠11.692化合物=2\*ROMANII71.708乙醇9.970其他198.36210%DMSO196.614水10.024其他71.851总计631.041总计631.041（4）哌嗪缩合反应调节PH阶段进料：将上步热滤后得到的滤液全部放入配液罐中，在配液罐中加入冰醋酸，调节pH至7~8。出料：调节好PH完成后，配液罐中含有化合物=2\*ROMANII、DMSO、乙醇、以及新生成醋酸钾，水，甲酸钠等其他物质。物料衡算：原滤液中含有KOH的质量=39.536kg×5%=1.9768kg，其中含有H2O的质量为=39.536kg-1.9768kg=37.5592kg；加入冰醋酸纯品的质量=(39.536kg×5%×1000÷56.11)×60.05÷1000=2.116kg，冰醋酸的纯度为99%，实际需要冰醋酸的质量=2.116kg÷99%=2.137；生成醋酸钾的质量=(39.536kg×5%×1000÷56.11)×98.14÷1000kg=3.458kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg化合物=2\*ROMANII70.991化合物=2\*ROMANII70.9915%KOH39.536醋酸钾3.458甲酸钠11.692甲酸钠11.692乙醇9.970乙醇9.97010%DMSO196.61410%DMSO196.614水10.024水47.583冰醋酸2.137其他72.507其他71.851总计412.815总计412.815（5）哌嗪缩合反应抽滤阶段进料：将上步配液罐调节PH后得到的全部液体放入过滤器中过滤。出料：过滤完成后，滤饼中含有生成的化合物=2\*ROMANII以及其他物质，滤液中含有生成的化合物=2\*ROMANII、甲酸钠、DMSO、乙醇、醋酸钾、水等其他物质。物料衡算：抽滤阶段物料损耗率为1%；损耗化合物=2\*ROMANII的质量=70.991kg×1%=0.710kg，剩余化合物=2\*ROMANII的质量=70.991kg-0.710kg=70.281kg；进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg化合物=2\*ROMANII70.991滤饼化合物=2\*ROMANII70.281醋酸钾3.458其他0.6甲酸钠11.692滤液甲酸钠11.492乙醇9.970乙醇9.87010%DMSO196.61410%DMSO196.514水47.583水47.483其他72.507醋酸钾3.358其他73.217总计412.815总计412.8153.2.2成盐反应阶段（1）成盐反应方程式（2）成盐反应阶段进料：将生成的化合物=2\*ROMANII、以及含有的杂质和10%盐酸加入反应釜中进行反应。出料：充分反应后，得到粗品盐酸环丙沙星、以及未反应完全的化合物=2\*ROMANII、盐酸等其他物质。物料衡算：成盐反应初始反应物为第一步反应得到的全部产物，即生成物的化合物=2\*ROMANII的质量为70.281kg(212.111mol)以及含有的杂质0.6kg，纯度=70.281kg÷(70.281kg+0.6kg)=99.154%；反应收率为82.6%，则实际消耗化合物=2\*ROMANII的质量=70.281kg×82.6%=58.052kg，剩余化合物=2\*ROMANII的质量=70.281kg-58.052kg=12.229kg；反应需要投入10%盐酸的质量=36.5×70.281kg×1000÷331.34÷10%×10^（-3）=77.421kg，实际消耗10%盐酸的质量=77.421kg×82.6%=63.950kg，剩余10%盐酸的质量=77.421kg-63.950kg=13.471kg；反应生成盐酸环丙沙星的质量=70.281kg×1000÷331.34×82.6%×385.82÷1000=67.597kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg化合物=2\*ROMANII70.281化合物=2\*ROMANII12.22910%盐酸77.421盐酸13.471其他0.6盐酸环丙沙星67.597其他55.005总计148.302总计148.302（3）成盐加活性炭热滤阶段进料：将盐酸成盐工段反应釜中的物质全部放入过滤器中，并加入活性炭吸附过滤；出料：充分过滤后，得到滤饼和滤液，滤饼中含有化合物=2\*ROMANII、活性炭、少量盐酸环丙沙星等其他物质。物料衡算：热滤阶段产品损失率为1.0%，损失盐酸环丙沙星的质量=67.597kg×1.0%=0.676kg，剩余盐酸环丙沙星的质量=67.597kg-0.676kg=66.921kg；加入活性炭颗粒的质量=77.421×1000÷1.05÷28×0.2÷1000=0.527kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg化合物=2\*ROMANII12.229滤饼化合物=2\*ROMANII11.729盐酸13.471盐酸环丙沙星0.676盐酸环丙沙星67.597其他54.705其他55.005活性炭0.327活性炭0.527滤液盐酸环丙沙星66.921盐酸12.471其他2.00总计148.829总计148.829（4）表成盐后抽滤洗涤阶段进料：将活性炭热滤阶段得到的滤液置于过滤器中，向其中加入乙醇和纯化水；出料：充分过滤后，得到滤饼和滤液，滤饼中含有盐酸环丙沙星、盐酸、乙醇等其他物质，滤液中含有盐酸、乙醇、少量盐酸环丙沙星、水等其他物质。物料衡算：抽滤阶段物料损失率为1.0%，损失环丙沙星的质量=66.921kg×1.0%=0.669kg，剩余环丙沙星的质量=66.921kg-0.669kg=66.252kg；加入乙醇的质量=77.421kg÷1.05×0.79=58.250kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg盐酸环丙沙星66.921滤饼盐酸环丙沙星66.252盐酸12.471盐酸1.351其他2.00乙醇0.750乙醇58.250其他0.3纯化水100滤液盐酸环丙沙星0.669盐酸11.120乙醇57.500水100其他1.700总计239.642总计239.642（5）表成盐后烘干阶段进料：将上步抽滤洗涤得到的滤饼上的物质全部放入烘干机中进行烘干；出料：烘干结束后，留下绝大部分盐酸环丙沙星等其他1物质，盐酸、乙醇等其他2物质挥发出去。物料衡算：烘干阶段物料损失率为1.0%，损失盐酸环丙沙星的质量=66.252kg×1.0%=0.663kg，剩余盐酸环丙沙星的质量=66.252kg-0.663kg=65.589kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg盐酸环丙沙星66.252盐酸环丙沙星65.589盐酸1.351其他10.593乙醇0.750盐酸1.351其他0.3乙醇0.750其他20.37总计68.653总计68.653（6）表成盐后粉碎阶段进料：将上步烘干阶段后得到的产品盐酸环丙沙星以及其附带的其他物质放入粉碎机中进行粉碎；出料：粉碎完成后得到盐酸环丙沙星粉末，其纯度为99.1%。物料衡算：粉碎过程中盐酸环丙沙星和杂质的损耗率皆为1%，其他1为产品中存在的杂质的质量，其他2为损失的盐酸环丙沙星与损失的杂质总和。损失盐酸环丙沙星的质量=65.589kg×0.1%=0.656kg，剩余盐酸环丙沙星的质量=65.589kg-0.656kg=64.933kg；杂质损失的质量=0.593kg×1%=0.00593kg，杂质剩余的质量=0.593kg-0.00593kg=0.587kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg盐酸环丙沙星65.589盐酸环丙沙星64.933其他0.593其他10.587其他20.662总计66.182总计66.1823.2.3包装阶段进料：将上步经粉碎得到的盐酸环丙沙星粉末放入包装机内进行包装；出料：包装规格为5kg/袋的盐酸环丙沙星原料药。物料衡算：包装过程中损耗率为1%，损耗盐酸环丙沙星的质量=64.933×1%=0.649kg，剩余盐酸环丙沙星的质量=64.933kg-0.649kg=64.282kg；损耗其他1的质量=0.587kg×1%=0.00587kg，剩余杂质其他1的质量=0.587kg-0.00587kg=0.581kg。进物料名称进物料质量/kg出物料名称出物料质量/kg盐酸环丙沙星64.933盐酸环丙沙星64.282其他10.587其他10.581其他0.657总计65.520总计65.520此步共得到盐酸环丙沙星的质量：64.282kg，其中含杂质的质量：0.581kg，盐酸环丙沙星的纯度：64.282kg÷（64.282kg+0.581kg）×100%=99.12%。3.3原辅料质量控制此工艺所需原辅料质量控制如表=14\*Arabic14所示：原辅料化学式分子量纯度相对密度（g/cm3）化合物=1\*ROMANIC13H9O3NFCl281.67≥99%1.700N-乙氧羰基哌嗪C7H15N2O2159.206≥99%1.100DMSOC2H6OS78.13≥99%1.100KOHKOH56.11≥99%2.04410%盐酸HCl36.46≥99%1.047乙醇C2H6O46.07≥99%0.789冰醋酸C2H4O260.05≥99%1.050活性炭C12.01≥99%1.800纯化水H2O18.02≥99%1.000

4能量衡算4.1能量衡算的依据能量衡算的理论基础是热力学第一定律，即能量守恒定律，能量衡算基本方程为：由环境输入到系统的能量=由系统输出到环境的能量+系统内积累的能量。4.2热量平衡方程热量平衡方程式：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中Q1——物料带入设备的热量Q2——加热剂或冷却剂传递给设备及所处理物料的热量或冷量Q3——过程热效应Q4——物料带出设备的热量Q5——加热或冷却设备需消耗的热量或冷量Q6——设备向环境散失的热量对于连续反应Q5=0。本次生产为间歇式生产，根据经验，(Q5+Q6)一般为（Q4+Q5+Q6）的5%~10%。4.3工艺过程中各物质比热容25℃各物质比热如表15所示。物质分子式分子量相态比热(25℃)KJ/(kg·K)化合物=1\*ROMANIC13H9O3NFCl281.67固态1.057N-乙氧羰基哌嗪C7H15N2O2159.206固态1.587DMSOC2H6OS78.13液态1.9505%KOHKOH56.11固态0.934冰醋酸C2H4O260.05固态1.450化合物=2\*ROMANIIC17H18O3N3F331.34固态1.23810%HClHCl36.46液态3.470活性炭C12.01固态0.628乙醇C2H6O46.07液态2.440醋酸钠C2H3O2Na82.03液态2.593纯化水H2O18.02液态4.200盐酸环丙沙星C17H21FN3O4Cl385.82固态1.249其他----液态1.5004.4衡算基准本次设计以25℃和1.013×10^5Pa为计算基准。4.5单批生产的能量衡算4.5.1哌嗪缩合反应阶段反应进料温度为25℃，加入物料后降温到10℃，反应温度为10℃，反应结束后保持温度在10℃。反应结束后，反应釜中含有反应生成的化合物=2\*ROMANII，未反应完全的化合物=1\*ROMANI，N-乙氧羰基哌嗪，DMSO，KOH等物质。杂质热量忽略不计。哌嗪缩合反应阶段能量衡算：物料输入的能量：化合物=1\*ROMANI：71.600kg×（10-25）×1.057KJ/(kg·K)=-1135.218KJ；N-乙氧羰基哌嗪：80.426kg×（10-25）×1.587KJ/(kg·K)=-1914.541KJ；10%DMSO：196.614kg×（10-25）×1.950KJ/(kg·K)=-5750.9595KJ；5%KOH：282.401kg×（10-25）×0.934KJ/(kg·K)=-3956.438KJ；冰醋酸：2.137kg×(10-0)×1.450KJ/(kg·K)=+30.987KJ。物料输出的能量：化合物=2\*ROMANII：-70.281kg×10×1.238KJ/(kg·K)=-870.079KJ；DMSO：196.514kg×（10-25）×1.950KJ/(kg·K)=-5748.035KJ；水：47.483kg×（10-25）×1.000KJ/(kg·K)=-712.245KJ；甲酸钠：-11.492kg×10×2.593KJ/(kg·K)=-297.988KJ；乙醇：-9.870kg×10×2.440KJ/(kg·K)=-240.828KJ；其他：-198.362kg×10×1.500KJ/(kg·K)=-2975.43KJ。输入输出项目名称热量/KJ项目名称热量/KJ化合物=1\*ROMANI:71.600kg-1135.218KJ化合物=2\*ROMANII:70.281kg-870.079KJN-乙氧羰基哌嗪:80.426kg-1914.541KJDMSO:196.514kg-5748.035KJ10%DMSO:196.614kg-5750.9595KJ水:47.483kg-712.245KJ5%KOH:282.401kg-3956.438KJ甲酸钠:11.492kg-297.988KJ冰醋酸:2.137kg+30.987KJ乙醇:9.870kg-240.828KJ过程热效应