第四章中试放大与生产工艺规程

COOH
188
212
X 25.0 2.0 100% 89.2% 25.0
Y

24.0 25.0 212
100%

83.1%
188
24.0 188

212 100% 93.1%
25.0 2.0
甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的 投料量为1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸 1460kg，未反应的甲苯20kg。试分别计算甲苯 的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。
1、物料衡算的理论基础
物料衡算的理论基础为质量守恒定律：
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。
进入反应器的物料量－流出反应器物料量 －反应器中的转化量＝反应器中的积累量
在化学反应系统中，物质的转化服从化学 反应规律，可以根据化学反应方程式求出 物质转化的定量关系。
生产工艺上会继续发生许多以前没有发现的问题； 中间体和产品质量要求不断提高；
随着原材料和新工艺的发展、新技术的发展，常 常迫使车间采用新原料、新工艺设备，于是要求 重新研究工艺过程和反应条件；
副产品和“三废”的回收、综合利用及处理问题 在中试阶段不可能全部解决。
二、中试放大的研究方法
物料衡算有两种情况：
①对已有的生产设备和装置，利用实际 测定的数据，计算出另一些不能直接测 定的物料量，利用计算结果，可对生产 情况进行分析，作出判断，提出改进措 施。
②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，求出每个主 要设备进出的物料量，然后再作能量衡 算，求出设备或过程的热负荷，从而确 定设备尺寸及整个工艺流程。
如计量、传热、搅拌等现象，少数场合也可使反 应得到改善—正放大效应。
2、研究方法
1）经验放大法：根据小试成功的方法和实验数 据，结合研究开发者的经验，不断适当增大实验
规模，修正前一次实验的参数，摸索反应过程和
反应器的规模而进行的放大研究。 优点：每次放大均建立在实验基础上，可靠程度
高。 缺点：缺乏理论指导，对放大过程中存在的问题
z kg HNO3 0.90 H2O 0.10
废酸 xkg HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20
混合过程
y kg H2SO4 0.93 H2O 0.07
混合酸 HNO3 0.27 H2SO4 0.60 H2O 0.13
（2）选择计算基准 4个物流均可选，选取 100kg混酸为基准。
解：取设备为衡算体系，1000kg混酸为计算基 准
对HNO3进行物料衡算得
0.98 G硝酸= 0.461000
(a)
对H2SO4进行物料衡算得
0.925 G硫酸+ 0.69G废酸=0.461000 (b)
对H2O进行物料衡算得
0.02G硝酸+0.075G硫酸+0.31G废酸 =0.081000 (c)
3．数学模拟放大法：是用数学方程式表达实际过程和 实际结果，然后计算机模拟研究、设计放大。
数学模拟放大虽有先进性，但建模十分困难，至今成功 的例子并不多。
三、中试放大的研究内容
1．生产工艺路线的复审
2、设备材质与型式的选择 根据物质的性质来选择，通过防腐专 业工具书，如《腐蚀数据手册》来选 择不同的材质。
解：以连续精馏塔 为衡算范围,绘出 物料衡算示意图。 图中F为混合液的 进料流量,D为塔顶 馏出液的流量,W 为塔底釜液的流 量,x为苯的摩尔分 率。
D, xD
F=200kmol.h-1 xF=0.4
精 馏
塔
W, xW=0.01
图中共有3股物料， 图4-2 苯和甲苯混合液精馏
3个未知数，需列
第五章 中试放大与生产工艺规程
第一节 中试放大研究
一、化学制药工艺研究的三个阶段 1、实验室研究阶段 1） 本阶段的任务：通过实验找出科学合理的合成路线和
最佳的反应条件，为放大研究提供技术资料。 2）小试进行到什么阶段才能中试? ①工艺过程明确，操作条件确定，产品收率稳定，质量可
靠； ②建立了产品、中间体及原料的质量标准和分析方法； ③某些设备、管道材质的耐腐蚀实验已经进行，提出所需
3、 收集有关计算数据
① 相关计算数据 反应物的配料比，原辅材料、半成品、成品 副产品等的浓度、纯度或组成，车间总产率 阶段产率，转化率。
② 转化率 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 以百分率表示。
反应消耗 A组分的量 X A 投入反应 A组分的量 100 %
第二节物料衡算
物料衡算：是根据质量作用定律，对某体 系进、出口处物料进行定量计算。研究某 一个体系内进、出物料及组成的变化情况。
体系：就是物料衡算的范围，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。
意义：通过物料衡算，可深入分析生产过 程，了解原料消耗定额，揭示物料利用情 况；了解产品收率是否达到最佳数值，设 备生产能力还有多大潜力；各设备生产能 力是否匹配等。
2）为什么要进行中试放大 原料来源不同 搅拌方式不同 热量的传递方式不同 反应器的材质不同
表5-1 小试工艺与工业化生产工艺的比较
3）中试放大的目的
①研究在中试规模装置中各单元反应的条件及变 化规律。
②验证、复审和完善实验室工艺所研究确定的反 应条件，并解决实验室阶段所未能解决以及尚未 发现的问题。
Y=Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7 = 83.1％×91.0％ ×86.0％×76.5％×78.0％×78.0％ ×91.0％ = 27.56％
5、物料衡算的步骤 ①明确衡算的目的
②确定衡算对象。收集必需的基本数据， 写出化学反应方程式，包括主反应和副 反应；根据给定条件画出流程简图，物 料的流向用箭头表示
③ 收率（产率） 某重要产物实际收得量与投入原料计 算的理论产量之比值，也以百分率表 示。 产物实际得量
Y 按某一主要原料计算的 理论产量 100 %
产物收得量折算成原料 量
Y
原料投入量
100 %
④ 选择性 各种主、副产物中，主产物所占分率。
主产物生成量折算成原 料量

反应掉原料量
的一般设备和某些特殊设备及管道材质的性能； ④有初步的“三废”处理方案和安全生产要求。 ⑤已提出所需原料的规格和单耗数量
2、中试放大 1）什么是中试放大
中试放大就是把实验室小试研究确定的工艺
路线与条件，在中试车间进行试验研究，考察
小试工艺的工业化生产的可能性，核对、校正
和补充实验室数据，并优化工艺条件。
③通过中试放大可以得到先进、合理的生产工艺， 并获得较确切的消耗定额，为物料衡算以及经济、 有效的生产管理创造条件。
④为临床前药学和药理毒理学研究以及临床试验 提供一定数量的药品。
⑤研究确定工业化生产所需设备结构、材质、安 装和车间布置。
3、工业化生产阶段 设计、建厂、设备安装完成以后，进入试车阶段， 如果一切顺利的话，即可进行正式生产。 正式生产后，工艺研究还需要继续进行，这是因 为：
解：化学反应方程式为
CH3 110~140 0C
+ H2SO4
分子量 92 98
CH3 + H2O
SO3H
172 18
则甲苯的转化率为
xA

1000 20 1000
100%

98%
对甲苯磺酸的收率为
y 1460 92 100% 78.1% 1000 172
对甲苯磺酸的选择性为
很难提出解决方法； 因放大系数不能太高。开发周期长； 对同一过程，每次放大都要建立装置，开发成
本高。
2．相似放大法：主要应用相似理论，即根据放大后体 系与原体系之间的相似性进行的放大研究 几何相似： 运动相似： 动力相似： 热相似： 化学相似 一般来说，相似模拟放大仅适于简单的物理过程，不适 用于化学反应。
1.相关概念 ⑴放大系数：在放大过程中，称放大后的试验(或
生产)规模与放大前规模之比为放大系数。
⑵放大现象：由于未充分认识放大规律，因过程 规模变大造成指标不能重复的现象，称为放大现 象。
⑶放大效应 ①多指放大后反应状况的恶化、转化率下降、选
择性下降，造成收率下降或产品质量劣化的现 象—负放大效应。 ②放大中较好地解决了小型实验中不易解决的诸
100 %
例1 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25.0kg，未反应的没食子酸2.0kg， 生成三甲氧苯甲酸24.0kg。试求没食子酸的 转化率、选择性和产品收率。 NhomakorabeaOH
HO
OH
+ NaOH
3(CH3)2SO4
MeO 2
COOH
OMe OMe
+ 3CH3OSO2OH
1460 92 100% 79.7% (1000 20) 172
4、车间总收率 Y=Y1Y2Y3Y4…
例2 甲氧苄氨嘧啶生产中，有甲基化反应工序 Y1=83.1％；酯化反应工序Y2＝91.0％；肼化反 应工序）Y3＝86.0％；氧化反应工序Y4＝76.5 ％；缩合反应工序Y5＝78.0％；环合反应工序 Y6＝78.0％；精制Y7＝91.0％，求车间总收率。
（3）列物料衡算式 总物料衡算式 x+y+z=100 H2SO4的衡算式
0.57x+0.93y=1000.6=60 HNO3的衡算式
例2、在精馏塔中分离苯和甲苯的混合液。已 知混合液的进料流量为200kmol.h-1，其中含 苯40%（摩尔分数),其余为甲苯。若规定塔底 釜液中苯的含量不高于1%，塔顶馏出液中苯 的回收率不低于98.5%，试通过物料衡算确定 塔顶馏出液、塔底釜液的流量。