化學(xué)工藝制藥學(xué)第五章中試放大與生產(chǎn)工藝(新)

1、 藥物合成研究的三個(gè)階段n藥物合成按研究階段大致可分為藥物合成按研究階段大致可分為3個(gè)階段，個(gè)階段，n其一為實(shí)驗(yàn)室小試階段，其一為實(shí)驗(yàn)室小試階段，即在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究克級(jí)即在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究克級(jí)(到公到公斤級(jí)斤級(jí))的產(chǎn)品的合成方法；的產(chǎn)品的合成方法；n其二為中試放大階段其二為中試放大階段，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的工藝進(jìn)行，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的工藝進(jìn)行50100倍的倍的放大，以對(duì)小試工藝進(jìn)行驗(yàn)證以及進(jìn)一步優(yōu)化；放大，以對(duì)小試工藝進(jìn)行驗(yàn)證以及進(jìn)一步優(yōu)化；n其三為工業(yè)化放大其三為工業(yè)化放大，即在小試和中試的基礎(chǔ)上，完善工藝，即在小試和中試的基礎(chǔ)上，完善工藝，實(shí)現(xiàn)藥物的工業(yè)化生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)藥物的工業(yè)化生產(chǎn)。n中試的目的：中試的目的：

2、1. 在中試裝置上打通工藝路線；在中試裝置上打通工藝路線；2.優(yōu)化工藝條件；優(yōu)化工藝條件；3.提供試驗(yàn)用藥品；提供試驗(yàn)用藥品；4. 進(jìn)一步評(píng)價(jià)工藝路線；進(jìn)一步評(píng)價(jià)工藝路線；5. 為工業(yè)裝置工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供數(shù)據(jù)。為工業(yè)裝置工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供數(shù)據(jù)。中試放大的研究?jī)?nèi)容中試放大的研究?jī)?nèi)容n工藝過(guò)程工藝過(guò)程- -在生產(chǎn)過(guò)程中，化學(xué)合成反應(yīng)的順在生產(chǎn)過(guò)程中，化學(xué)合成反應(yīng)的順序、條件序、條件( (摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、反摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)壓力、攪拌方式、后處理方法和精制條件等應(yīng)壓力、攪拌方式、后處理方法和精制條件等) )統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為工藝過(guò)程工藝過(guò)程，其它過(guò)程，比如動(dòng)力供應(yīng)、，其

3、它過(guò)程，比如動(dòng)力供應(yīng)、產(chǎn)品包裝等則稱為產(chǎn)品包裝等則稱為輔助過(guò)程輔助過(guò)程。n中試放大的內(nèi)容是研究在一定規(guī)模設(shè)備中的操中試放大的內(nèi)容是研究在一定規(guī)模設(shè)備中的操作參數(shù)和條件的變化規(guī)律，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室工藝路作參數(shù)和條件的變化規(guī)律，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室工藝路線的可行性，解決在實(shí)驗(yàn)室階段未能解決或尚線的可行性，解決在實(shí)驗(yàn)室階段未能解決或尚未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。中試放大研究的基本方法中試放大研究的基本方法 n經(jīng)驗(yàn)放大是根據(jù)已有的操作經(jīng)驗(yàn)，所建立的一經(jīng)驗(yàn)放大是根據(jù)已有的操作經(jīng)驗(yàn)，所建立的一些規(guī)律，通過(guò)摸索反應(yīng)器的特征，從實(shí)驗(yàn)室裝些規(guī)律，通過(guò)摸索反應(yīng)器的特征，從實(shí)驗(yàn)室裝置到中試裝置、再到車間大型裝置，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)置到中試裝

4、置、再到車間大型裝置，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)放大。這些規(guī)律大多是半定性的，是簡(jiǎn)單和粗放大。這些規(guī)律大多是半定性的，是簡(jiǎn)單和粗放的定量。放的定量。n經(jīng)驗(yàn)放大是基于空時(shí)得率相等的原則，經(jīng)驗(yàn)放大是基于空時(shí)得率相等的原則，即雖然即雖然反應(yīng)規(guī)模不同，但單位時(shí)間、單位體積反應(yīng)器反應(yīng)規(guī)模不同，但單位時(shí)間、單位體積反應(yīng)器所生產(chǎn)的產(chǎn)品量所生產(chǎn)的產(chǎn)品量( (或處理的原料量或處理的原料量) )是相同的，是相同的，通過(guò)物料平衡，求出為完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所通過(guò)物料平衡，求出為完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需處理的原料量后，得到空時(shí)得串的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需處理的原料量后，得到空時(shí)得串的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可求得放大反應(yīng)所需反應(yīng)器的容積。即可求得放大反應(yīng)所需反

5、應(yīng)器的容積。 經(jīng)驗(yàn)放大經(jīng)驗(yàn)放大n采用經(jīng)驗(yàn)放大法的前提條件采用經(jīng)驗(yàn)放大法的前提條件是放大的反應(yīng)裝是放大的反應(yīng)裝置必須與提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置保持完全相同置必須與提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置保持完全相同的操作條件。經(jīng)驗(yàn)放大法適用于反應(yīng)器的攪的操作條件。經(jīng)驗(yàn)放大法適用于反應(yīng)器的攪拌形式、結(jié)構(gòu)等反應(yīng)條件相似的情況，而且拌形式、結(jié)構(gòu)等反應(yīng)條件相似的情況，而且放大倍數(shù)不宜過(guò)大。放大倍數(shù)不宜過(guò)大。相似放大相似放大n應(yīng)用相似理論進(jìn)行放大。應(yīng)用相似理論進(jìn)行放大。n已成功應(yīng)用于各種物理過(guò)程，但化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和已成功應(yīng)用于各種物理過(guò)程，但化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和生化反應(yīng)有一定困難。生化反應(yīng)有一定困難。數(shù)學(xué)模擬放大數(shù)學(xué)模擬放大n數(shù)學(xué)模擬放大是

6、用數(shù)學(xué)方程式表述實(shí)際過(guò)程和實(shí)數(shù)學(xué)模擬放大是用數(shù)學(xué)方程式表述實(shí)際過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后計(jì)算機(jī)模擬研究、設(shè)計(jì)，放大。驗(yàn)結(jié)果，然后計(jì)算機(jī)模擬研究、設(shè)計(jì)，放大。n影響反應(yīng)的因素復(fù)雜，不可能用數(shù)學(xué)方程全面、影響反應(yīng)的因素復(fù)雜，不可能用數(shù)學(xué)方程全面、定量描述過(guò)程的真實(shí)情況。一般地，先對(duì)過(guò)程進(jìn)定量描述過(guò)程的真實(shí)情況。一般地，先對(duì)過(guò)程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，提出物理模型，模擬實(shí)際過(guò)程。再行合理簡(jiǎn)化，提出物理模型，模擬實(shí)際過(guò)程。再對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，從而得到數(shù)學(xué)模型。對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，從而得到數(shù)學(xué)模型。n對(duì)數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上研究各參數(shù)的變化對(duì)過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上研究各參數(shù)的變化對(duì)過(guò)程的影響。數(shù)學(xué)模擬放大法以

7、過(guò)程參數(shù)間的定量程的影響。數(shù)學(xué)模擬放大法以過(guò)程參數(shù)間的定量關(guān)系為基礎(chǔ)，能進(jìn)行高倍數(shù)放大，縮短放大周期。關(guān)系為基礎(chǔ)，能進(jìn)行高倍數(shù)放大，縮短放大周期。數(shù)學(xué)模型方法數(shù)學(xué)模型方法分析過(guò)程機(jī)理分析過(guò)程機(jī)理物理模型物理模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型模型參數(shù)模型參數(shù)合理簡(jiǎn)化合理簡(jiǎn)化法描述法描述數(shù)學(xué)方數(shù)學(xué)方數(shù)學(xué)方數(shù)學(xué)方法求解法求解實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型方數(shù)學(xué)模型方法的用途法的用途過(guò)程的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)的研究方法，屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)的研究方法，已逐步成為主要的研究方法。已逐步成為主要的研究方法。中試放大的研究中試放大的研究 中試放大是對(duì)已確定的工藝路線進(jìn)行實(shí)踐中試放大是對(duì)已確定的

8、工藝路線進(jìn)行實(shí)踐性審查。性審查。 不僅要考察產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，而且要不僅要考察產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，而且要考察工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境保護(hù)。考察工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境保護(hù)。1. 生產(chǎn)工藝路線的確認(rèn)和復(fù)審例：抗癌藥物氮芥（chlormethine，5-6）曾用乙醇做溶劑精制，所得產(chǎn)品熔程長(zhǎng)，雜物較多，質(zhì)量難以保證。中試放大時(shí)，改變氯化反應(yīng)條件和提純方法，先用無(wú)水乙醇溶解，再加入非極性溶劑二氯乙烷，使其結(jié)晶析出，從而解決了產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。 例：硝基苯電解還原生成對(duì)氨基酚，進(jìn)一步反應(yīng)制備對(duì)乙酰氨基酚（paracetamol ，撲熱息痛，5-7） 電解還原 NO2NH2OHNOHCH3OH(5-7)HOAco

9、r H2/Pt-CNHOH2. 設(shè)備材質(zhì)與形式的選擇3. 攪拌器形式與攪拌速度的考查 例: 由兒茶酚與二氯甲烷和固體燒堿在含有少量水分的DMSO存在下，反應(yīng)合成小檗堿（berberine，黃連素，5-8）中間體胡椒環(huán)（5-9）4. 反應(yīng)條件的進(jìn)一步研究 例如，磺胺對(duì)甲氧嘧啶（sulfametoxydiazine，磺胺-5-甲氧嘧啶，5-10）的合成 甲氧基乙醛縮二甲醇（5-11），氯乙醛縮二甲醇（5-12）(5-10)CH3OOCH3OCH3CH3ONa/CH3OHClOCH3OCH3OCH3NNNSH2NHOOPCl3/DMF/CH3ONaBaSiO3-H2SiO3Cl2/CH3OHCH3C

10、HOCH3OOCH3NHNH2NSH2NHOO(5-12)(5-11)5. 工藝流程與操作方法的確定6. 原輔材料和中間體的質(zhì)量監(jiān)控 (1) 原輔材料、中間體的物理性質(zhì)和化工參數(shù)的測(cè)定 (2) 原輔材料、中間體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定 。 第二節(jié)第二節(jié) 物料衡算物料衡算一、物料衡算的理論基礎(chǔ)一、物料衡算的理論基礎(chǔ) 物料衡算物料衡算是研究某一個(gè)體系內(nèi)進(jìn)、出物是研究某一個(gè)體系內(nèi)進(jìn)、出物料及組成的變化，即物料平衡。所謂體系就是料及組成的變化，即物料平衡。所謂體系就是物料衡算的范圍，可以是一個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備，物料衡算的范圍，可以是一個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備，可以是一個(gè)單元操作或整個(gè)化工過(guò)程?？梢允且粋€(gè)單元操作或整個(gè)化工

11、過(guò)程。 物料衡算的理論基礎(chǔ)為質(zhì)量守恒定律：物料衡算的理論基礎(chǔ)為質(zhì)量守恒定律：進(jìn)入反應(yīng)器的物料量流出反應(yīng)器的物料量反進(jìn)入反應(yīng)器的物料量流出反應(yīng)器的物料量反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化量反應(yīng)器中的積累量應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化量反應(yīng)器中的積累量 n物料衡算有兩種情況：物料衡算有兩種情況： 針對(duì)已有的生產(chǎn)設(shè)備和裝置，利用實(shí)際針對(duì)已有的生產(chǎn)設(shè)備和裝置，利用實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)，計(jì)算出一些不能直接測(cè)定的物料測(cè)定的數(shù)據(jù)，計(jì)算出一些不能直接測(cè)定的物料量。利用計(jì)算結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析和判量。利用計(jì)算結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析和判斷，提出改進(jìn)措施；也可用于檢查原料利用率斷，提出改進(jìn)措施；也可用于檢查原料利用率和和“三廢三廢”處理情況。處理情況

12、。 為了設(shè)計(jì)一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)為了設(shè)計(jì)一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，先作物料衡算，再經(jīng)能量平衡求出設(shè)計(jì)任務(wù)，先作物料衡算，再經(jīng)能量平衡求出設(shè)備或過(guò)程的熱負(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個(gè)備或過(guò)程的熱負(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個(gè)設(shè)備流程。設(shè)備流程。 二、確定物料衡算的計(jì)算基準(zhǔn)及每年設(shè)備操作時(shí)間二、確定物料衡算的計(jì)算基準(zhǔn)及每年設(shè)備操作時(shí)間1.1.物料衡算的基準(zhǔn)物料衡算的基準(zhǔn) 通常采用的基準(zhǔn)有：通常采用的基準(zhǔn)有： 1)1)以每批操作為基準(zhǔn)以每批操作為基準(zhǔn)，適用于間歇操作設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)或，適用于間歇操作設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)或定型設(shè)備的物料衡算，化學(xué)制藥產(chǎn)品的生產(chǎn)間歇操作定型設(shè)備的物料衡算，化學(xué)制藥產(chǎn)品的生產(chǎn)間

13、歇操作居多。居多。 2)2)以單位時(shí)間為基準(zhǔn)以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，適用于連續(xù)操作設(shè)備的物料衡，適用于連續(xù)操作設(shè)備的物料衡算。算。 3)3)以每公斤產(chǎn)品為基準(zhǔn)以每公斤產(chǎn)品為基準(zhǔn)，以確定原輔材料的消耗定額。，以確定原輔材料的消耗定額。2.2.每年設(shè)備操作時(shí)間每年設(shè)備操作時(shí)間 車間每年設(shè)備正常開(kāi)工生產(chǎn)的天數(shù)一般以車間每年設(shè)備正常開(kāi)工生產(chǎn)的天數(shù)一般以330330天天計(jì)算，其中余下的計(jì)算，其中余下的3636天作為車間檢修時(shí)間。天作為車間檢修時(shí)間。三、收集有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)和物料衡算步驟三、收集有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)和物料衡算步驟1.1.收集有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)收集有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù) 反應(yīng)物的配料比，原輔材料、半成品、成品及副產(chǎn)反應(yīng)物的配

14、料比，原輔材料、半成品、成品及副產(chǎn)品等的濃度、純度或組成，車間總產(chǎn)率，階段產(chǎn)率，品等的濃度、純度或組成，車間總產(chǎn)率，階段產(chǎn)率，轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率。2.2.轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 對(duì)某一組分來(lái)說(shuō)，反應(yīng)物所消耗的物料量與投入反對(duì)某一組分來(lái)說(shuō)，反應(yīng)物所消耗的物料量與投入反應(yīng)物料量之比簡(jiǎn)稱該組分的轉(zhuǎn)化率。一般以百分率表應(yīng)物料量之比簡(jiǎn)稱該組分的轉(zhuǎn)化率。一般以百分率表示。示。%100AA組分的量投入反應(yīng)組分的量反應(yīng)消耗AX4.4.選擇性選擇性 各種主、副產(chǎn)物中，主產(chǎn)物所占分率。各種主、副產(chǎn)物中，主產(chǎn)物所占分率。%100理論產(chǎn)量按某一主要原料計(jì)算的產(chǎn)物實(shí)際得量Y%100原料投入量量產(chǎn)物收得量折算成原料Y%100反應(yīng)掉原料

15、量料量主產(chǎn)物生成量折算成原3.3.收率（產(chǎn)率）收率（產(chǎn)率） 某重要產(chǎn)物實(shí)際收的量與投入原料計(jì)算某重要產(chǎn)物實(shí)際收的量與投入原料計(jì)算的理論產(chǎn)量之比值，也以百分率表示。的理論產(chǎn)量之比值，也以百分率表示。例 甲氧芐氨嘧啶生產(chǎn)中由沒(méi)食子酸經(jīng)甲基化反應(yīng)制備三甲氧苯甲酸工序，測(cè)得投料沒(méi)食子酸（1)25.0kg，未反應(yīng)的沒(méi)食子酸2.0kg，生成三甲氧苯甲酸（2）24.0kg，求選擇性和收率OHOHOHCOOHCOOHOMeOMeMeO3(CH3)2SO4NaOH23CH3OSO2OH+188212%2 .89%1000 .250 . 20 .25X%1 .83%1001882120 .250 .24Y%1 .

16、93%1000 . 20 .252121880 .24四、車間總收率四、車間總收率 車間總收率為各個(gè)工序收率的乘積。車間總收率為各個(gè)工序收率的乘積。五、物料計(jì)算的步驟五、物料計(jì)算的步驟1)1)收集和計(jì)算所必需的基本數(shù)據(jù)。收集和計(jì)算所必需的基本數(shù)據(jù)。2)2)列出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)和副反應(yīng)；根據(jù)給定列出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)和副反應(yīng)；根據(jù)給定條件畫出流程簡(jiǎn)圖。條件畫出流程簡(jiǎn)圖。3)3)選擇物料計(jì)算的基準(zhǔn)。選擇物料計(jì)算的基準(zhǔn)。4)4)進(jìn)行物料衡算進(jìn)行物料衡算5)5)列出物料平衡表列出物料平衡表 （1 1）輸入與輸出的物料平衡表）輸入與輸出的物料平衡表 （2 2）三廢排量表）三廢排量表 （

17、3 3）計(jì)算原輔材料消耗定額（）計(jì)算原輔材料消耗定額（kgkg）例例1 硝化混酸配制過(guò)程的物料衡算。已知混酸硝化混酸配制過(guò)程的物料衡算。已知混酸組成為組成為H2SO4 46%(質(zhì)量百分比，下同質(zhì)量百分比，下同)、HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料為，配制混酸用的原料為92.5%的工業(yè)硫酸、的工業(yè)硫酸、98%的硝酸及含的硝酸及含H2SO4 69%的硝化廢酸。試通過(guò)物料衡算確定配制的硝化廢酸。試通過(guò)物料衡算確定配制1000kg混酸時(shí)各原料的用量。為簡(jiǎn)化計(jì)算，混酸時(shí)各原料的用量。為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)原料中除水外的其它雜質(zhì)可忽略不計(jì)。設(shè)原料中除水外的其它雜質(zhì)可忽略不計(jì)。物理過(guò)程的物料衡算物理過(guò)

18、程的物料衡算 解：混酸配制過(guò)程可在攪拌釜中進(jìn)行。以攪拌解：混酸配制過(guò)程可在攪拌釜中進(jìn)行。以攪拌釜為衡算范圍，繪出混酸配制過(guò)程的物料衡算示釜為衡算范圍，繪出混酸配制過(guò)程的物料衡算示意圖。圖中意圖。圖中 為為92.5%的硫酸用量，的硫酸用量， 為為98%的硝酸用量，的硝酸用量， 為含為含69%硫酸的廢酸用量。硫酸的廢酸用量。硝化混酸硝化混酸1000kg 3HNOG42SOHG廢廢G混酸配制混酸配制攪攪 拌拌 釜釜42SOHG3HNOG廢G圖圖1 1 混酸配制過(guò)程物料衡算示意圖混酸配制過(guò)程物料衡算示意圖 對(duì)對(duì)HNO3進(jìn)行物料衡算得進(jìn)行物料衡算得 0.98 = 0.46 1000 (a) 對(duì)對(duì)H2SO

19、4進(jìn)行物料衡算得進(jìn)行物料衡算得0.925 + 0.69 = 0.46 1000 (b) 對(duì)對(duì)H2O進(jìn)行物料衡算得進(jìn)行物料衡算得0.02 +0.075 +0.31 = 0.08 1000 (c)3HNOG42SOHG廢G3HNOG42SOHG廢G表表1 1 混酸配制過(guò)程的物料平衡表混酸配制過(guò)程的物料平衡表輸輸 入入物料物料名稱名稱工業(yè)品工業(yè)品量量/kg/kg質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%/%輸輸 出出物料物料名稱名稱工業(yè)品工業(yè)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廢酸廢酸131.1131.1H H2 2SOSO4 4：6969 H H2 2O O：3131總計(jì)總計(jì)10001000 總計(jì)總計(jì)10001000 質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%/%例例2 擬用連續(xù)精餾塔分離苯和甲苯混合液。已擬用連續(xù)精餾塔分離苯和甲苯混合液。已知混合液的進(jìn)料流量為知混合液的進(jìn)料流量為200kmol h-1，其中含，其中含苯苯0.4(摩爾分率，下同摩爾分率，下同)，其余為甲苯。若規(guī)定，其余為甲苯。若規(guī)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，塔頂餾出液，塔頂餾出液中苯的回收率不低于中苯的回收率不低于98.5%，試通過(guò)物料衡算，試通過(guò)物料衡算確定塔頂餾出液、塔釜釜液的流量及組成，以確定塔頂餾出液、塔釜釜液的流量及組成，以摩爾流量和摩爾分率表示。摩爾流量和摩爾分率表示。 精精餾餾塔塔圖圖2 2 苯和甲苯混合液精餾苯和甲苯混合液精餾過(guò)程物料衡算過(guò)程物料衡算 解：以連續(xù)精餾塔為衡解：以連續(xù)精餾塔為衡算范圍算范圍,繪出物料衡算示意繪出物料衡算示意圖。圖中圖。圖中F為混合液的進(jìn)為混合液的進(jìn)料流量料流量,D為塔頂餾出液的為塔頂餾出液的流量流量,W為塔底釜液的流為塔底釜液的流量量,x為苯的摩爾分率。為苯的摩爾分率。 圖中共有圖

22、中共有3股物料，股物料，3個(gè)個(gè)未知數(shù)，需列出未知數(shù)，需列出3個(gè)獨(dú)立個(gè)獨(dú)立方程。方程。F=200kmol. h-1xF=0.4D, xDW, xW=0.01對(duì)全塔進(jìn)行總物料衡算得對(duì)全塔進(jìn)行總物料衡算得 (a)對(duì)苯進(jìn)行物料衡算得對(duì)苯進(jìn)行物料衡算得 (b)由塔頂餾出液中苯的回收率得由塔頂餾出液中苯的回收率得 (c)聯(lián)解式聯(lián)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 苯和甲苯精餾過(guò)程的物料平衡表苯和甲苯精餾過(guò)程的物料平衡表摩爾組摩爾組成成/%

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輸輸 入入物料物料名稱名稱流量流量/kmol/kmol h h-1摩爾組摩爾組成成/%/%輸輸 出出物料物料名稱名稱流量流量/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餾出液餾出液8080釜液釜液120120總計(jì)總計(jì)200200 總計(jì)總計(jì)200200 例例3 甲苯用濃硫酸磺化制備對(duì)甲苯磺酸。甲苯用濃硫酸磺化制備對(duì)甲苯磺酸。已知甲苯的投料量為已知甲苯的投料量為1000kg，反應(yīng)產(chǎn)物中，反應(yīng)產(chǎn)物中含對(duì)甲苯

24、磺酸含對(duì)甲苯磺酸1460kg，未反應(yīng)的甲苯，未反應(yīng)的甲苯20kg。試分別計(jì)算甲苯的轉(zhuǎn)化率、對(duì)甲苯磺酸的試分別計(jì)算甲苯的轉(zhuǎn)化率、對(duì)甲苯磺酸的收率和選擇性。收率和選擇性。化學(xué)過(guò)程的物料衡算化學(xué)過(guò)程的物料衡算解：化學(xué)反應(yīng)方程式為解：化學(xué)反應(yīng)方程式為 分子量分子量 92 98 172 18則甲苯的轉(zhuǎn)化率為則甲苯的轉(zhuǎn)化率為 對(duì)甲苯磺酸的收率為對(duì)甲苯磺酸的收率為對(duì)甲苯磺酸的選擇性為對(duì)甲苯磺酸的選擇性為CH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C%98%1001000201000 xA%1 .78%1001721000921460y%7 .79%100172)201000(921460 某

25、些反應(yīng)過(guò)程某些反應(yīng)過(guò)程,主要反應(yīng)物經(jīng)一次反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不主要反應(yīng)物經(jīng)一次反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不高高,甚至很低甚至很低,但未反應(yīng)主要反應(yīng)物經(jīng)分離回收后可循但未反應(yīng)主要反應(yīng)物經(jīng)分離回收后可循環(huán)套用環(huán)套用,此時(shí)轉(zhuǎn)化率有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率之分。此時(shí)轉(zhuǎn)化率有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率之分。 例例5 用苯氯化制備一氯苯時(shí)，為減少副產(chǎn)二氯苯用苯氯化制備一氯苯時(shí)，為減少副產(chǎn)二氯苯的生成量，應(yīng)控制氯的消耗量。已知每的生成量，應(yīng)控制氯的消耗量。已知每100mol苯與苯與40mol氯反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物中含氯反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物中含38mol氯苯、氯苯、1mol二氯苯二氯苯以及以及61mol未反應(yīng)的苯。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)分離后可回收未反應(yīng)的苯。反應(yīng)

26、產(chǎn)物經(jīng)分離后可回收60mol的苯，損失的苯，損失1mol苯。試計(jì)算苯的單程轉(zhuǎn)化率和苯。試計(jì)算苯的單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率?？傓D(zhuǎn)化率。解：苯的單程轉(zhuǎn)化率為解：苯的單程轉(zhuǎn)化率為設(shè)苯的總轉(zhuǎn)化率為設(shè)苯的總轉(zhuǎn)化率為xT，則，則 可見(jiàn)，對(duì)于某些反應(yīng)，主要反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)可見(jiàn)，對(duì)于某些反應(yīng)，主要反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)化率可以很低，但總轉(zhuǎn)化率卻可以提高?；士梢院艿?，但總轉(zhuǎn)化率卻可以提高。 %0 .39%10010061100Ax%5 .97%1006010061100 xT例例6 在間歇釜式反應(yīng)器中用濃硫酸磺化甲苯生產(chǎn)對(duì)在間歇釜式反應(yīng)器中用濃硫酸磺化甲苯生產(chǎn)對(duì)甲苯磺酸，其工藝流程如圖甲苯磺酸，其工藝流程如圖3-11所示，

27、試對(duì)該過(guò)程所示，試對(duì)該過(guò)程進(jìn)行物料衡算。已知批投料量為：甲苯進(jìn)行物料衡算。已知批投料量為：甲苯1000kg，純，純度度99.9%(wt%，下同，下同)；濃硫酸；濃硫酸1100kg，純度，純度98%；甲苯的轉(zhuǎn)化率為甲苯的轉(zhuǎn)化率為98%，生成對(duì)甲苯磺酸的選擇性為，生成對(duì)甲苯磺酸的選擇性為82%，生成鄰甲苯磺酸的選擇性為，生成鄰甲苯磺酸的選擇性為9.2%，生成間甲，生成間甲苯磺酸的選擇性為苯磺酸的選擇性為8.8%；物料中的水約；物料中的水約90%經(jīng)連續(xù)經(jīng)連續(xù)脫水器排出。此外，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)原料中除純脫水器排出。此外，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)原料中除純品外都是水，且在磺化過(guò)程中無(wú)物料損失。品外都是水，且在磺

28、化過(guò)程中無(wú)物料損失。 間歇操作過(guò)程的物料衡算間歇操作過(guò)程的物料衡算解：以間歇釜式反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算解：以間歇釜式反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。示意圖。圖圖4-3 4-3 甲苯磺化過(guò)程物料衡算示意圖甲苯磺化過(guò)程物料衡算示意圖 原料甲苯：原料甲苯：1000kg 純度純度99.9% 濃硫酸：濃硫酸：1100kg 純度純度98% 磺化液磺化液 水水硫硫酸酸甲甲苯苯間間甲甲苯苯磺磺酸酸鄰鄰甲甲苯苯磺磺酸酸對(duì)對(duì)甲甲苯苯磺磺酸酸脫水器脫水器排排 水水 甲甲 苯苯磺化釜磺化釜 圖中共有圖中共有4股物料，物料衡算的目的就股物料，物料衡算的目的就是確定各股物料的數(shù)量和組成，并據(jù)此編是確定各股物

29、料的數(shù)量和組成，并據(jù)此編制物料平衡表。制物料平衡表。 對(duì)于間歇操作過(guò)程，常以單位時(shí)間間對(duì)于間歇操作過(guò)程，常以單位時(shí)間間隔隔(一個(gè)操作周期一個(gè)操作周期)內(nèi)的投料量為基準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)的投料量為基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。物料衡算。原料甲苯中的甲苯量為：原料甲苯中的甲苯量為：1000 0.999=999kg原料甲苯中的水量為：原料甲苯中的水量為：1000-999=1kg濃硫酸中的硫酸量為：濃硫酸中的硫酸量為：1100 0.98=1078kg濃硫酸中的水量為：濃硫酸中的水量為：1100-1078=22kg進(jìn)料總量為：進(jìn)料總量為：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：反應(yīng)消耗的甲苯量為：出料：反應(yīng)消耗的甲苯量為：999 98%=979kg 未反應(yīng)的甲苯量為：未反應(yīng)的甲苯量為：999-979=20kgCH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C主反應(yīng)主反應(yīng)副反應(yīng)副反應(yīng)I ICH3CH3SO3H+ H2SO4+ H2O110140 0C110140 0C+ H2O+ H2SO4CH3SO3HCH3 分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18副反應(yīng)副反應(yīng)IIII反應(yīng)生成的對(duì)甲苯磺酸量為：反應(yīng)生成的對(duì)甲苯磺酸量為： kg 反應(yīng)生成的鄰甲苯磺酸量為：反應(yīng)生成的鄰甲苯磺酸量為： kg 反應(yīng)生成的間甲苯磺酸

31、量為：反應(yīng)生成的間甲苯磺酸量為： kg 反應(yīng)生成的水量為：反應(yīng)生成的水量為： kg 8 .1500%82921729794 .168%2 . 9921729791 .161%8 . 8921729795 .1919218979經(jīng)脫水器排出的水量為：經(jīng)脫水器排出的水量為：(23+191.5) 90%=193.1kg磺化液中剩余的水量為：磺化液中剩余的水量為：(23+191.5)-193.1=21.4kg反應(yīng)消耗的硫酸量為：反應(yīng)消耗的硫酸量為： 未反應(yīng)的硫酸量為：未反應(yīng)的硫酸量為：1078-1042.8=35.2kg磺化液總量為：磺化液總量為：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+

32、21.4=1906.9kg8 .10429298979表表4-3 4-3 甲苯磺化過(guò)程的物料平衡表甲苯磺化過(guò)程的物料平衡表輸輸 入入物料名稱物料名稱質(zhì)量質(zhì)量/kg/kg質(zhì)量組成質(zhì)量組成/%/%純品量純品量/kg/kg原料甲苯原料甲苯10001000甲苯甲苯99.999.9999999水水0.10.11 1濃硫酸濃硫酸11001100硫酸硫酸98.098.010781078水水2.02.02222總計(jì)總計(jì)21002100 21002100輸輸 出出磺化液磺化液1906.91906.9對(duì)甲苯磺酸對(duì)甲苯磺酸78.778.71500.81500.8鄰甲苯磺酸鄰甲苯磺酸8.838.83168.4168.

33、4間甲苯磺酸間甲苯磺酸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脫水器排水脫水器排水193.1193.1水水100100193.1193.1總計(jì)總計(jì)21002100 21002100例例7 在催化劑作用下，乙醇脫氫可制備乙醛，其在催化劑作用下，乙醇脫氫可制備乙醛，其反應(yīng)方程式為反應(yīng)方程式為 已知原料為無(wú)水乙醇已知原料為無(wú)水乙醇(純度以純度以100%計(jì)計(jì))，流量為，流量為1000kg h-1，其轉(zhuǎn)化率為，其轉(zhuǎn)化率為95%，乙醛收率為，乙醛收率為80%，試對(duì)該過(guò)程進(jìn)行物料衡算。試對(duì)該過(guò)程進(jìn)

34、行物料衡算。 CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 同時(shí)存在副反應(yīng)同時(shí)存在副反應(yīng)C2H5OH CH3CHO + H2 連續(xù)操作過(guò)程的物料衡算連續(xù)操作過(guò)程的物料衡算 解：以反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。解：以反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。圖圖4-4 4-4 乙醇催化脫氫制乙醛過(guò)程物料衡算示意圖乙醇催化脫氫制乙醛過(guò)程物料衡算示意圖 乙醇：乙醇：1500kg 純度純度100% 產(chǎn)物產(chǎn)物 氫氫氣氣乙乙酸酸乙乙酯酯乙乙醛醛乙乙醇醇乙醇催化乙醇催化脫氫制脫氫制乙醛反應(yīng)器乙醛反應(yīng)器 圖中僅有圖中僅有1股進(jìn)料和股進(jìn)料和1股出料，且進(jìn)料乙股出料，且進(jìn)料乙醇的數(shù)量和組成為已知，因此，物料

35、衡算的醇的數(shù)量和組成為已知，因此，物料衡算的目的就是為了確定出料的組成。該過(guò)程為連目的就是為了確定出料的組成。該過(guò)程為連續(xù)操作過(guò)程，以單位時(shí)間，即續(xù)操作過(guò)程，以單位時(shí)間，即1h內(nèi)的進(jìn)料量?jī)?nèi)的進(jìn)料量為基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算比較方便。為基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算比較方便。C2H5OH CH3CHO + H2CH3COOC2H5 + 2H22C2H5OH 主反應(yīng)方程式為主反應(yīng)方程式為: 副反應(yīng)方程式為副反應(yīng)方程式為: :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：乙醇流量為出料：乙醇流量為 乙醛流量為乙醛流量為 乙酸乙酯流量為乙酸乙酯流量為 氫

36、氣流量為氫氣流量為 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 乙醇催化脫氫過(guò)程物料平衡乙醇催化脫氫過(guò)程物料平衡表表輸輸 入入物料物料名稱名稱流量流量/kg/kg h h-1輸輸 出出物料物料名稱名稱流量流量/kg/kg h h-1質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%/%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氫氣氫氣41.341.34.14.1總計(jì)總計(jì)10001000100100總計(jì)總計(jì)10001000100.0100.0質(zhì)量組質(zhì)量組成成/%/% 例例8 蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的組成為：蒽醌用混酸硝化后所得硝化液的組成為：硝基蒽醌硝基蒽醌5.6%(質(zhì)量百分比，下同質(zhì)量百分比，下同)、H2SO4 34.5%、HNO3 6.7%、H2O 53.2%。擬采用含量為。擬采用含量為18%、密、密度為度為932kg m-3的氨水將硝化液中和至的氨水將硝化液中和至pH=7。已知。已知每批操作

38、硝化液的投料量為每批操作硝化液的投料量為3000kg，硝化液的密度，硝化液的密度為為1170kg m-3， ，試對(duì)硝化液中和過(guò)，試對(duì)硝化液中和過(guò)程進(jìn)行物料衡算。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)中和前后物料程進(jìn)行物料衡算。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)中和前后物料的總體積保持不變。的總體積保持不變。91077. 11K水含有化學(xué)平衡的物料衡算含有化學(xué)平衡的物料衡算 解：以中和反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖，解：以中和反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖，如圖如圖4-5所示。所示。 水水氨氨水水硝硝酸酸銨銨硫硫酸酸銨銨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 和和反應(yīng)器反應(yīng)器圖圖4-5 4-5 蒽醌硝化液中和過(guò)程物料衡算示意圖蒽醌硝化液中和過(guò)程物料衡算示意圖硝化液總量為：硝化液總量為：3000kg，其中含硝基蒽醌的量為：，其中含硝基蒽醌的量為： 3000 5.6%=168kg硫酸的量為：硫酸的量為：3000 34.5%=1035kg硝酸的量為：硝酸的量為：3000 6.7%=201kg水的量：水的量：3000 53.2%=1596kgH2SO4中和反應(yīng)方程式為：中和反應(yīng)方程式為：分子量分子量 98 2 17=34 132 反應(yīng)生成的硫酸銨量為：反應(yīng)生成的硫酸銨量為： kgNH3的消

40、耗量為：的消耗量為： kgH2SO4 + 2NH3(NH4)2SO4 1 .13949813210351 .35998341035HNO3中和反應(yīng)方程式為：中和反應(yīng)方程式為： 分子量分子量 63 17 80反應(yīng)生成的硝酸銨量為：反應(yīng)生成的硝酸銨量為：NH3的消耗量為：的消耗量為：kg2 .2556380201kg2 .546317201NH4NO3 HNO3 + NH3 中和反應(yīng)中中和反應(yīng)中18%氨水的消耗量為：氨水的消耗量為： kg 18%氨水的體積為：氨水的體積為： m3229618. 02 .541 .359464. 29322296pH=7時(shí)溶液中的氨量計(jì)算：時(shí)溶液中的氨量計(jì)算：平衡方

41、程式為平衡方程式為式中式中 H+=10-7 硝化液的體積為硝化液的體積為則則 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需過(guò)量氨水的量為需過(guò)量氨水的量為其中含其中含NH3量為量為需加入氨水的總量需加入氨水的總量其中含其中含NH3量為量為含水量為含水量為故溶液中水的總量為故溶液中水的總量為)(13%1817564. 2464. 210732. 22kg)(3 . 2%181

42、3kg)(2309)132296(kg)(416%182309kg)(1893%822309kg)(348918931596kg表表4-5 4-5 蒽醌硝化液中和過(guò)程的物料平衡表蒽醌硝化液中和過(guò)程的物料平衡表輸輸入入物料名稱物料名稱質(zhì)量質(zhì)量/kg質(zhì)量組成質(zhì)量組成/%純品量純品量/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總計(jì)總計(jì)53095309輸輸出出中和液中和液5309硝基蒽醌硝基蒽醌3.2168硫酸銨硫酸銨26.31394.1硝酸銨硝酸銨4.8255.2水水65.73489氨氨(NH3)0.02.3誤差誤差0.00.4總計(jì)總計(jì)53095309第三節(jié) 生產(chǎn)工藝規(guī)程