【《福多司坦生产的物料衡算和能量衡算计算案例》4000字】

福多司坦生产的物料衡算和能量衡算计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u28101第一章绪论 2190711.1福多司坦 2327011.2福多司坦的基本信息 231089第二章物料衡算 333222.1衡算基本理论 3106582.2生产产品的规模 35952.3异构化工段物料衡算 438282.4氧化-还原反应物料衡算 5319692.4.1氧化-还原阶段 5122502.4.2重结晶阶段 6143692.4.3离心过滤、干燥阶段 6136702.5精制、脱水工段物料衡算 7200312.5.1精制 763802.6干燥过程物料衡算 8255162.7总衡算结果 8962第三章能量衡算 9246843.1能量衡算目的及依据 966183.2物性数据计算方法及过程 9114523.3各个工段的能量衡算 10282323.3.1异构化工段的能量衡算 10215013.3.2氧化-还原反应工段的能量衡算 1163963.3.3精制阶段的能量衡算 1318455冷凝器用水量/kg/天 1524366181.39 154257/ 1511346/ 15第一章绪论1.1福多司坦福多司坦(Fudosteine)，化学名为(-)-(R)-2-氨基-3-(3-羟丙基硫代)丙酸，是由日本的三菱制药股份有限公司和S.S制药股份有限公司共同研发的具有司坦基本骨架的一类具有祛痰作用的半胱氨酸衍生物，该药物对慢性的呼吸系统疾病有着多重的药理作用：抑制呼吸道上皮细胞增生，使痰中海藻糖/唾液酸的比值正常化，恢复纤毛输送气道分泌液的状态[1]，并有抗炎作用；具有药效强,副作用小，适应症广，市场潜力大等优点，适用于慢性支气管炎、肺结核、支气管扩张症、尘肺症、支气管哮喘、肺气肿、非结核性分枝杆菌感染、弥漫性细支气管炎等慢性呼吸系统疾病的祛痰[2]。1.2福多司坦的基本信息化学结构式：分子式：C6H13NO3S分子量:：179.246CAS编号：13189-98-5密度：1.301g/cm3.熔点：1210.9-212.5℃。沸点：354.5℃at760mmHg。闪点：168.2℃。折射率：1.558。蒸汽压：1.92E-06mmHgat25℃。比旋度：-19.0—-23.0°外观：本品呈现为灰白色结晶性粉末状、无臭。分类名称：①一级分类：呼吸系统药物②二级分类：祛痰药物③三级分类：促进痰液溶解的药物第二章物料衡算按照质量守恒的定律，研究的对象为生产过程或单元设备中物料量的变化，对进出口处的物料进行定量计算的过程，称为物料衡算[19]。通过物料衡算可以计算出原料与产品之间的数量关系，各原料的消耗量，以及中间的主产品、副产品的产量、损耗量及组成[20]。2.1衡算基本理论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[21]。∑G1=∑G2+∑G3+∑G4当系统内物料累积量为零时，上式可以写为∑G1=∑G2+∑G3在进行物料衡算的时候，必须对整个生产工艺的物理变化，化学反应及副反应和环境等情况进行全面的了解，在有了原料的用量和最终产品收率的基础数据后，可以通过物料衡算来确定生产设备的容积、台数以及生产设备的尺寸大小和其他参数[22]。2.2生产产品的规模计划年产量：20t，一年工作日：按250天计，产品纯度：99.0%，总收率：57.94%通过小试试验可知，各个生产工段原始物料物性如下：表2-1生产原始物料一览表反应工序原料名称纯度/％摩尔比密度g/ml(25℃）异构化环氧丙烷99.5/0.830氧化-还原、重结晶离心、过滤、L-半胱氨酸991.01.2烯丙醇（自制）991.00.85精制、脱水////烯丙醇摩尔质量:58.08g/mol福多司坦摩尔质量:179.246g/molL-半胱氨酸摩尔质量:121.158g/mol由小批试数据可知：异构化阶段：环氧丙烷消耗量20g时，烯丙醇的产量为13.39g，收率为：13.39÷20=66.95%氧化-还原、重结晶阶段：消耗L-半胱氨酸24.23g（0.2mol）和烯丙醇11.62g（0.2mol）时，福多司坦粗品产出量为：32.71g，产率为：32.71÷（179.246×0.2）=91.23%离心，过滤、洗涤、精制脱水阶段：粗品量为32.71g，最终得到产品量为31.03g，该工段产率为：31.03÷32.71=94.86%总收率为：66.95%×91.23%×94.86%=57.94%2.3异构化工段物料衡算由小试实验可知，环氧丙烷的转化率：20−5.93÷20=70.35%烯丙醇产量：13.39g烯丙醇产率：13.39烯丙醇选择性：66.95%÷70.35%根据设计要求：福多司坦的理论日产量为：20日所需环氧丙烷的量：m烯丙醇m环氧丙烷表进料物名称物料质量/出料物名称物料质量/环氧丙烷44.74烯丙醇29.95磷酸锂0.03磷酸锂0.03混合物14.79合计44.77合计44.772.4氧化-还原反应物料衡算2.4.1氧化-还原阶段小试实验中L-半胱氨酸与烯丙醇的摩尔比已知，根据摩尔比，可以计算出L-半胱氨酸和烯丙醇的日消耗量，过程及结果如下：n(L−半胱氨酸):n(烯丙醇)=1:1mLmLm(纯化水)=62.48×10=624.8kg催化剂K2S2O8-NaHSO3配制为nK2催化剂的使用量为m催化剂日用量为：（62.48+29.95）÷10=9.243kg固相产量：62.48÷121.158×179.246=92.44kg计算所使用的物料的质量汇总见下表2-2。表2−3日氧化−还原反应进出物料衡算数据汇总进料物名称物料质量/出料物名称物料质量/L-半胱氨酸62.48液相料624.79烯丙醇29.95K2S2O8-NaHSO39.243K2S2O8-NaHSO39.243固相料92.44纯化水624.8合计726.473合计726.4732.4.2重结晶阶段由小试实验可知，在氧化-还原阶段完后，将反应物料直接至于减压蒸馏装置中，蒸除溶剂至干后，再加入25%乙醇溶剂溶解，溶剂量为m固相所以理论25%乙醇溶剂日用量为m25%乙醇溶解后，过滤，滤液浓缩，当混合液中出现固体后，停止浓缩，并进行下一阶段操作。表进料物名称物料质量/kg出料物名称物料质量/混合物料726.47混合料1558.4325%乙醇924.4乙醇出量92.44合计1650.87合计1650.872.4.3离心过滤、干燥阶段由小试实验可知，在滤液重结晶后，将混合物全部转移至离心过滤机中，进行过滤，出现滤饼后，采用无水乙醇洗涤两次后，再进行干燥，此时由小试实验可知，无水乙醇日用量为：由小试实验可知，重结晶过滤后滤饼质量为理论质量的：m滤饼m无水乙醇所以，无水乙醇的理论日用量为：m无水乙醇干燥时，由小试实验可知，粗品产率为：32.71÷35.85=91.24%所以，理论干燥后的粗品产量为：m表进料物名称物料质量/kg出料物名称物料质量/混合物料1231.47液相1274.92无水乙醇135.88福多司坦醋粗品84.33失去的乙醇8.1合计1367.35合计1367.352.5精制、脱水工段物料衡算2.5.1精制小试实验中根据产品与纯化水、无水乙醇、活性炭的质量比已知,根据质量比，可以计算出纯化水、无水乙醇、活性炭的日消耗量：m粗品所以，纯化水日消耗量为：84.33kg由小试实验可知，无水乙醇与福多司坦粗品质量比：m无水乙醇所以日理论无水乙醇用量为：m活性炭与福多司坦粗品质量比为：m活性炭所以活性炭的用量为：m活性炭由小试实验可知，精制工段中，滤饼重量为：36.85g滤饼重量为原物质量的：36.85÷32.71=113.66%所以，理论滤饼质量为：84.33×113.66%=95.96表2−6日精制工段进出物料衡算数据汇总进料物名称物料质量/kg出料物名称物料质量/福多司坦粗品84.33活性炭0.56纯化水84.33滤液（水）77.61无水乙醇47.44滤液（乙醇）42.53活性炭0.56滤饼95.96合计216.66合计216.662.6干燥过程物料衡算根据小试实验中滤饼与最终产物福多司坦的的质量比,可以计算出最终物质的产量：m产率为：30.77÷36.85=83.51%所以，理论福多司坦产量为：95.96×83.51%=80.14kg产率：80.14÷84.33=95.03%表2−7分散工段进出物料衡算数据汇总进料物名称物料质量/出料物名称物料质量/滤饼95.96福多司坦80.14失去的液相15.82合计95.96合计95.962.7总衡算结果从重结晶后的阶段乙醇、水可回收后，经蒸馏提纯后循环利用。整个生产过程中，投料量如表2−8所示：表2−8物料衡算汇总表物料名称投料量/kg/年环氧丙烷11185L-半胱氨酸15620无水乙醇103605水177282.5磷酸锂7.5高硫酸钾1155.5亚硫酸氢钠1155.5活性炭140第三章能量衡算3.1能量衡算目的及依据能量衡算的主要目的：是为了确定生产设备的热负荷，在计算得到了反应中热负荷后的数据后，再根据已经得到的热负荷大小的数据、生产原物料的性质以及生产中的工艺要求，从而来确定生产所需要的设备的款式，以及选用设备的型号和主要工艺尺寸[23]。能量守恒定律是可以进行能量衡算的依据，而能量衡算又是需要以物料衡算的结果为基础的，所以，能量衡算是对整体的物料的反应热以及设备的功率，进行的能量变化的计算。所以，在整个能量衡算的计算过程中，车间的物料衡算是进行能量衡算的前提条件，其还应当查找相关的文献资料，来了解有关物质的热力学数据，如：物料的比热容大小等[24]。在本设计中，已经将所涉及到的所有物料的比热容的数据绘制成了一张表格，以便于对每个工段的能量衡算的计算。3.2物性数据计算方法及过程物质比热的估算（kJ/kg·℃）式中：M−化合物分子量，kg/kmolni−分子中同种元素原子数Ci−原子比热容，kJ/kg·℃元素原子的比热容相关数据如下表3−1元素的比热容的值。表3−1元素原子的比热容原子Ci（kJ/（kg·℃）碳C7.535氢H9.628氧O16.740氮N10.886硫S1.091如：L−半胱氨酸M=121.16Cp=经查询工具书以及相关计算，得到的物质比热容的相关汇总见表3−2。表3−2物质比热容汇总名称结构式比热容/kJ/（kg•℃）L-半胱氨酸C3H7NO2S1.12环氧丙烷C3H6O1.95烯丙醇C3H6O2.66福多司坦C6H13NO3S1.28乙醇CH3CH2OH2.40水H2O4.193.3各个工段的能量衡算3.3.1异构化工段的能量衡算在该反应工段中，物料温度的变化为：环氧丙烷温度从25℃上升至290℃转化为气相后，在保持温度（290℃）进入固定床反应器中进行异构化，异构化产物经过冷凝从290℃降至25℃Q环氧丙烷Q烯丙醇Q1在异构化反应结束后，物料将会进入冷凝器，在这个过程中，能量的损失约为10%，所以此时物料还能传给冷凝器的能量为19000.58KJ，由于该工段循环冷凝水的进口温度为20℃，出口温度为45℃，所以：热量计算公式：Q=cm∆t式中：c为水的比热容，KJ/（kg﹒℃）m为水的用量，kg△t为温度差，℃所以冷凝用水量为：m冷凝阶段，损失能量为2111.18KJ，则整体异构化工段所需机器额外提供的能量为42119.98KJ，由设备选型可知，该阶段中，所用设备有3种：空温式汽化器（15kw/h）、固定床反应器(18.5kw/h)、冷凝器(15kw/h)，查询数据可知：1度电=1KW/h=3600KJ，所以，该工段的用电量为：60.20度。3.3.2氧化-还原反应工段的能量衡算3.3.2.1氧化-还原反应工段的能量衡算氧化-还原反应工段，进入物料的温度由从25℃上升到了30℃:QLQ烯丙醇Q水氧化-还原阶段反应所需的能量QQQ减压蒸馏时所需的能量：Q电功率公式：W=PT式中：W为设备所做的功，JP为设备的功率，WT为设备运行的时间，sW=PT=5.5×103×5×3600=99000000J=99000KJ所以在氧化还原工段电机所提供的总功率为：99000KJ+13836.78KJ＋40849.66KJ=153686.44KJ所以用电量为每天：42.69度3.3.2.2重结晶工段的能量衡算该阶段反应为，在减压蒸除溶剂，得到固体物后，将固体物加入至25%乙醇（20℃）中搅拌，过滤，滤液浓缩（条件：60℃、真空度≤-0.08）至析出固体时，停止浓缩，冷却降温至30℃，缓慢搅拌析晶，至出现大量白色固体。升温蒸除溶剂阶段：Q升温搅拌阶段：QQ滤液浓缩，降温搅拌析晶阶段：QQQ所以该工段，需设备提供能量113133.03KJ电机做工：W所以该工段每天耗电量为：37.43度电3.3.2.3过滤工段的能量衡算电功率公式：W=PT式中：W−−过滤机所做的功，J；P−−过滤机的功率，W；T−−过滤机的运转时间，s；W即在这一步的过滤工段中，所选用的过滤机用电量为每日每台为1.5度3.3.2.4离心工段的能量衡算电功率公式：W=PT式中：W−−离心机所做的功，J；P−−离心机的功率，W；T−−离心机的运转时间，s；W=PT=30×103×1×3600=108000000J=108000KJ所以，在该离心工段，所用离心机的用电量为每台每日30度电。3.3.2.5干燥工段的能量衡算在这一阶段的干燥操作中，物料的温度会从进入时的25℃上升到40℃QQQ所以该阶段需电机额外提供能量1910.74KJ电功率公式：W=PT式中：W−−离心机所做的功，J；P−−离心机的功率，W；T−−离心机的运转时间，s；W所以，这一干燥工段中，干燥机的用电量为每台每日60.53度电。3.3.3精制阶段的能量衡算3.3.3.1脱色工段的能量衡算这个脱色工段的物料温度会由进入时的25℃上升至40℃QQQ该工段所需要设备额外提供能量6919.28KJ电功率公式：W=PT式中：W−−过滤机所做的功，J；P−−过滤机的功率，W；T−−过滤机的运转时间，s；W所以，该脱色工段中，所使用的反应釜的用电量为每台每日4.12度电。3.3.3.2过滤工段的能量衡算在这一工段中，进入的物料的温度将会保持从反应釜中出来时的温度（40℃），所以该工段物料温度不变，仅有电机做功。电功率公式：W=PT式中：W—干燥所做的功，J；P—干燥机的功率，W；T—干燥机的运转时间，s；W=PT=3×103×0.5×3600=5400000J=5400KJ所以，在这一过滤工段中，设计所选用的设备的用电量为每台每日1.5度电。3.3.3.3重结晶工段的能量衡算在重结晶发生工段，进入设备的物料温度需要达到常温时的温度，即20℃，所用乙醇也为20℃，该工段物料没有