年产50吨氢化可的松车间工艺设计设计

北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF
CHEMICAL TECHNOLOGY
（2013届）本科生毕业设计
题目：年产50吨氢化可的松车间工艺设计
△4孕甾烯-17α，21-二醇-3,20-二酮专业：应用化学
姓名：傅宇德
班级：0905 学生学院：理工院
日期：2013年5月
指导教师：林贝
诚信申明
本人申明：
本人所递交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识和实验工作的全面总结。

用所学过的课程，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。

与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：
年月日
年产50吨氢化可的松车间工艺设计
—Δ4孕甾烯－17α，21-二醇－3,20-二酮的制备
傅宇德
应用化学专业应化0905班学号090105126
指导教师林贝
摘要
本工段设计所采用的工艺路线为：在反应罐内投入氯仿及氯化钙-甲醇溶液1/3量搅拌下投入17α-羟基黄体酮(8-13),待全溶后加入氧化钙，搅拌冷至0℃。

将碘溶于其余2/3量氯化钙-甲醇液中，慢慢滴入反应罐，保待T=0±2℃，滴毕，继续保温搅拌1.5h。

加入预冷至－10℃的氯化铵溶液，静置，分出氯仿层，减压回收氯仿到结晶析出，加入甲醇，搅拌均匀，减压浓缩至干，即为17α-羟基-21-碘代黄体酮。

加入DMF总量的3/4，使其溶解降温到10℃左右加入新配制好的乙酸钾溶液(将碳酸钾溶于余下的
1/4DMF中，搅拌下加入乙酸和乙酸酐，升温到90℃反应0.5h,再冷却备用)。

逐步升温反应到90℃ ,再保温反应0.5h，冷却到-10℃，过滤，用水洗涤，干燥得化合物S，熔点226℃，收率95%。

以17ɑ—羟基黄体酮为原料，经过加成反应得到中间产物，再经过碘化反应和置换反应，通过静置分层、减压浓缩、过滤洗涤、干燥等工序，得到成品。

设计要求通过物料衡算，能量衡算，选择合适的设备、车间布置及管道设计。

查阅英文并翻译、绘制相应的工艺图。

关键词:氢化可的松车间工艺设计加成
Annual output of 50 tons of hydrocortisone Process Design
Workshop
-Δ4 progesterone ene-17α, 21 - diol -3,20 – dioPreparation
Abstract
The design process route is mainly used: in the reaction tank into chloroform and calcium chloride - methanol solution of 1 / 3 volume, stirring into 17α-hydroxy progesterone, to be fully dissolved after adding calcium oxide, mixing cold to 0 ℃. The iodine dissolved in the remaining 2 / 3 of calcium chloride - methanol solution can slowly drip into the reaction, maintaining the temperature at 0 ± 2 ℃, drop complete, continue to heat stirred 1.5h, join the pre-cooling to -10 ℃ The ammonium chloride solutions, standing, separate the chloroform layer, vacuum recovery of chloroform to crystallization by adding methanol, mix, evaporated to dry, namely 17α-21-iodine-hydroxy-progesterone. Adding the total DMF 3 / 4, to dissolve, cool to about 10 ℃, a new liquid formulation of potassium acetate, gradually warming response to 90 ℃, and then heat reaction 0.5h, cooled to -10 ℃, filtration, water washing , dried, so acetic acid compounds. Melting point 226 ℃, yield 95%.
The design mainly consists of factors on HC workshop layout, design of process flow, calculation of matirial in the flow, calculation of quantity of heat, design of workshop layout, Selection of pipeline calculation, composition of design spec, translation of foreign document, blueprint drawing, et cetera. Which the material balance in the quality of conservation law based on the heat balance to the law of conservation of energy and the basis of materials and energy based on the data, select the appropriate response equipment.
key words:Hydrocortisone workshop’s technology design Addition
目录
前言 (7)
第一章产品概述 (8)
1.1节设计依据 (8)
1.2节产品概述 (8)
第二章工艺设计与工艺流程 (10)
2.1节设计任务 (10)
第三章物料核算 (13)
3.1衡算依据 (13)
3.2物料衡算基础数据 (13)
3.3物料衡算流程图 (19)
第四章热量衡算 (20)
4.1热量衡算目的 (20)
4.2衡算依据 (20)
4.3热量衡算基础数据的计算和查取 (21)
4.4化学反应的热量衡算 (25)
第五章设备选型 (38)
5.1节工艺设备选型的方法 (38)
5.2节主要设备的选型与计算 (38)
5.3节非主要设备的计算与选型 (42)
5.4节设备一览表 (46)
第六章管道设计 (47)
6.1节管道设计的基础资料 (47)
6.2节管道设计要求 (47)
6.3节管道计算 (48)
6.4节管道选型一览表 (51)
第七章劳动保障与安全生产 (52)
7.1节车间安全生产规则 (52)
7.2节环境卫生 (52)
7.3节生产装置安全操作要则 (52)
附录 (54)
结论 (55)
前言
氢化可的松又称为皮质醇，是天然存在的糖皮质激素，其抗炎作用为可的松的1．25倍，也具有免疫抑制作用、抗毒作用、抗休克及一定的盐皮质激素活性等，故而在临床医学上得到了广泛的应用。

主要用于肾上腺皮质功能不足，自身免疫性疾病，变态反应性疾病，以及急性白血病、眼炎及何杰金氏病，也用于某些严重感染所致的高热综合治疗。

我国以薯蓣皂素生产氢化可的松的企业及药厂众多，为更好的工业化半合成氢化可的松。

所以未来几年，氢化可的松将继续在我国得到长足发展，以适应经济全球化的市场竞争,因此挖掘和完善基于半合成方法的氢化可的松将是未来中国制药行业的一个发展点。

基于对氢化可的松的了解与认识，同时结合专业课的深入学习及老师的悉心教导，我开始了对氢化可的松的车间工艺设计。

本次设计内容以17ɑ—羟基黄体酮为原料，经过加成反应得到中间产物，再经过碘化反应和置换反应，通过过滤、浓缩、洗涤、干燥等工序，得到成品。

本设计要求我们要有扎实的专业理论知识，同时要熟练掌握计算机，熟练运用画图工具。

设计成果包括了工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、工艺设备选型计算、车间布置设计、管道计算选型、设计说明书的撰写、查阅英文并翻译、并绘制相应的工艺图。

本设计为工段的初步设计，按照设计任务书所要求的内容完成。

但由于经验、理论和实践知识的不足，导致设计中还存在着大量的不足之处，请老师指出和修正。

第一章产品概述
1.1节设计依据
1.1.1设计任务依据
北京化工大学北方学院制药工程专业毕业设计任务书。

1.1.2设计的技术依据
以毕业设计任务书的要求对氢化可的松车间工艺展开，其详细过程见工艺路线论证。

1.1.3设计遵循的技术法规
（1）《药品生产质量管理规范实施指南》（2001 年版，中国化学制药工业协会，中国医药工业公司）；
（2）《工业企业噪声控制设计规范》GBJ87-85；
（3）《环境空气质量标准》GB3095-1996；
（4）《污水综合排放标准》GB8978-1996；
（5）《工业“三废”排放执行标准》GBJ4-73；
（6）《建筑工程消防监督审核管理规定》公安部第30 号令；
（7）《建筑结构设计统一标准》GB50068－2001；
（8）《工业企业设计卫生标准》TJ36-79；
（9）《化工工厂初步设计内容深度的规定》HG/20688－2000
（10）《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》HG 20519-92
（11）《关于出版医药建设项目可行性研究报告和初步设计内容及深度规定的通知》国药综经字[1995]，第397 号
（12）《化工装置设备布置设计规定》HG 20546-92
1.2节产品概述
1.2.1产品名称、化学结构
（1）产品名称
中文名：Δ4孕甾烯－17α，21-二醇－3,20-二酮
英文名：Δ4 progesterone ene -17α, 21 - diol -3,20 - dione Preparation
（2）化学结构式、分子式及分子量
②分子式：C 21H 30O 5
③分子量：363
1.2.2临床用途
（1）临床用途：
用于肾上腺功能不全所引起的疾病、类风湿性关节炎、风湿性发热、痛风、支气管哮喘等；用于过敏性皮炎、脂溢性皮炎、瘙痒症等；用于虹膜睫状体炎、角膜炎、巩膜炎、结膜炎等；用于神经性皮炎；用于结核性脑膜炎、胸膜炎、关节炎、腱鞘炎、急慢性捩伤、腱鞘劳损等。

（2）注意事项：
与降糖药、抗癫痫药、噻嗪类利尿药、水杨酸盐、抗凝血药、强心甙等合用须考虑相互作用，应适当调整剂量。

不可骤然停药，并避免减量过快，以免引起肾上腺皮质功能不全的不良反应，应缓慢减量停药。

并在停药后半年内使用促肾上腺皮质激素。

（3）不良反应：
长期大量服用引起柯兴氏征、水钠潴留、精神症状、消化系统溃疡、骨质疏松、生长发育受抑制。

第二章 工艺设计与工艺流程
2.1节 设计任务
本项目设计产品生产工艺资料部分由建设单位提供。

工艺资料包括各部反应化学方程式、原辅料配比、操作条件、操作周期、各步收率及原辅料、中间体、成品等物料性质等等。

本设计的生产工艺的操作方式采用的是间歇操作，整个工艺总体上分为五个工段。

2.1.1工艺过程及工序划分
①Δ5,16-孕甾二烯-3β－醇－20-酮－3-醋酸酯的制备
②16α－17α－环氧黄体酮的制备
③17α－羟基黄体酮的制备
④Δ4孕甾烯－17α，21-二醇－3,20-二酮的制备
⑤氢化可的松的制备
2.1.2化学反应方程式及各步收率
各步反应收率：由于设计是根据终产物的量推算所需各阶段的原辅料量，我所做
设计为第三阶段，只需知道第四、五阶段的收率即可。

查阅资料可得第四阶段收率为95%，第五阶段的收率为44%。

H CH 2OH CH 3CH 3CH 3CO O CH 3OH
CO O
CH 2I OH CO O
CH 3O O H CO O CH 3O O CH 3CO O CH 3O OH CH 2OAc NNHCNH 2O
2.2.1、工艺流程简述
在反应罐内投入氯仿及氯化钙－甲醇溶液的1/3量，搅拌下投入17α－羟基黄体酮，待全溶后加入氧化钙，搅拌冷至0℃。

将碘溶于其余2/3的氯化钙－甲醇溶液中，慢慢滴入反应罐中，保持温度在0±2 ℃,滴毕，继续保温搅拌反应1.5h，加入预冷至－10℃的氯化铵溶液，静置，分出氯仿层，减压回收氯仿到结晶析出，加入甲醇，搅拌
均匀，减压浓缩至干，即为17α－21-碘羟基黄体酮。

加入DMF 总量的3/4,使其溶解，降温到10 ℃ 左右，加入新配制的醋酸钾液，逐步升温反应到90 ℃ ,再保温反应0.5h ，冷却到－10 ℃ ,过滤，用水洗涤，干燥得醋酸化合物。

O
CH 2I
O
OH
O
CH 2OAc
O
OH
CH 3
O OH
CH 2-O OH
CH 2I
O OH
第三章物料核算
3.1 衡算依据
3.1.1设计任务
⑴设计项目：Δ4孕甾烯－17α，21-二醇－3,20-二酮车间
⑵产品名称：Δ4孕甾烯－17α，21-二醇－3,20-二酮
⑶工作日：300 天/年
⑷日产量：日产量=年产量/年工作日
⑸各工段收率：
减压回收的收率：98%
减压浓缩的收率：99%
过滤洗涤的收率：99%
干燥工段的收率：98%
总收率：98%×99%×99%×98%=95%
基准：物料衡算以天计算，物料单位为kg。

3.2 物料衡算基础数据
3.2.1年生产批数计算
第四阶段的收率为95%，第五阶段的收率为44%，根据以上这二个收率算出后二个阶段的总收率进而算出由我所做设计阶段的反应物所应得到氢化可的松的批产量。

过程如下：
⑴由反应方程式可知17ɑ-羟基黄体酮和氢化可的松的的反应比例是1︰1；
⑵总收率：95%×44%=41.8%；
⑶50000÷300=166kg（每批氢化可的松的产量）；
⑷17ɑ-羟基黄体酮日需要量：166.6÷41.8%×330÷362=363.5kg；
注：330、362分别是17ɑ-羟基黄体酮和氢化可的松的分子量。

3.2.2原辅料、产物及配比关系
主要原料：17ɑ-羟基黄体酮，主要辅料有氯仿、氯化钙-甲醇、氧化钙、氯化铵、甲醇、DMF、醋酸钾
产物：17ɑ，21—二醇—3，20—二醇
表2.1 工段原料用量（投料及配比）
注：查阅相关资料得知，且以上配17ɑ-羟基黄体酮为基准
⑵各单元的物料衡算：
①碘化反应单元
图2.1 碘化反应
A17ɑ-羟基黄体酮(363.5kg) 纯品363.5kg
B氧化钙（61.795kg）纯品61.795kg
C碘（327.15kg）纯品327.15kg
D氯仿（1454kg）纯品1454kg
杂质29.08kg
E的氯化钙-甲醇溶液（243.55kg）纯品243.55kg
水243.55×0.55=133.95kg
F反应后混合物(2449.99kg) 中间产物17ɑ-21-碘羟基黄体酮为497.27kg
碘化钙：245.20kg
碘: 140.68kg
杂质 1304.75kg 水： 261.77kg ② 静置分层单元
A 反应后混合物： （2449.99kg ）
B 氯化铵溶液： （908.75）
C 分层产物 （2062.86kg ）
氯仿 1424.92kg
碘 140.68kg 17ɑ—21—碘羟基黄体酮 497.27kg
D 废液1 （1295.88kg ） ③
图2.3 减压浓缩
A 分层有机层 2062.86kg
B17ɑ—21—碘羟基黄体酮晶体 497.27×97%=482.35kg C 甲醇溶液 872.4kg 含水 4.362kg D 废气 （2452.91kg ）
④置换反应单元
图2.4 置换反应
A 17ɑ—21—碘羟基黄体酮晶体 (482.35kg)
B DMF (799.7kg) 纯品799.7×0.99=791.70kg
杂质799.7×0.01=7.99kg
C 醋酸钾（545.25kg ） 纯品545.25×0.65=354.41kg 含水545.25×0.35=190.84kg
D 反应混合物（1827.3kg ） 产物 412.35kg 醋酸钾剩余量 250.00kg 其它杂质量 966.04kg
含水 198.90kg
⑤过滤洗涤单元（产物损失1%）
B
C
图2.5 过滤洗涤
A 反应混合物(1827.3kg) 产物412.35kg
醋酸钾剩余量250.00kg
其它杂质量966.04kg
含水198.90kg
过滤水（2898.08kg）
B滤液（4313.03kg）溶质1216.04kg
水3096.99kg
C产品（412.35kg）纯品412.35×99%=408.23kg
含水4.12kg
⑥干燥单元（产物的损失1%）
B
图2.6 干燥
A 进料（412.35）含水4.1kg
B 产品（408.23kg）408.23×99%=404.15
表2.2 进、出物料平衡表
3.3 物料衡算流程图
第四章 热量衡算
药物生产的整个过程由许许多多的基本单元操作组成，每个基本单元操作过程均伴随能量的转换，并需要保持平衡。

每个过程均需要由系统吸收能量或放出能量，相应的，外界需对系统提供或移出能量。

由此确定外供的公用工程消耗，如蒸汽、冷却水、循环水等等用量。

4.1 热量衡算目的
热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、所处理
物料的性质及工艺要求再选择传热面的型式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。

4.2 衡算依据
热量衡算的主要依据是能量守恒定律，以车间物料衡算的结果为基础而进行的,所以车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。

4.2.1设备的热量平衡方程式
对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式为：
1Q ＋2Q ＋3Q =4Q ＋5Q ＋6Q (4·1)
式中 1Q —物料带入到设备的热量kJ ；
2Q —辅料及催化剂传给设备和所处理物料的热量kJ ； 3Q —过程热效应kJ ；
4Q —物料离开设备所带走的热量kJ ； 5Q —加热或冷却设备所消耗的热量kJ ； 6Q —设备向环境散失的热量kJ 。

（1）1Q (4Q )
1Q 与4Q 均可用下式计算：
1Q （4Q ）
= mtCp kJ (4·2) 式中 m —输入（或输出）设备的物料量kg ；
Cp —物料的平均比热容kJ/kg·℃； t —物料的温度℃。

该式的计算基准是标准状态，即0℃及1.013×105Pa 为计算基准。

因为物料的比热容是温度的函数，上式中物料的比热容是指进、出口物料的定压平均比热容，对于进口物料取基准温度与物料进口温度的平均温度下的比热容；对于出口物料取基准温度与物料出口温度的平均温度下的比热容。

对于不同物料的比热容可查《化学工程手册》（第1册）或《化学工艺设计手册》（下），若查不到，各种估算方法求出相应温度下的比热容值。

（2）过程热效应3Q
化学过程的热效应包括化学反应热与状态变化热。

纯物理过程只产生状态变化热；而对于化学反应过程，在产生化学反应的同时，往往还伴有状态变化热。

在热量衡算中，过程热效应3Q 的符号为：放热为正；吸热为负。

（3）5Q 与6Q 的确定
根据工艺操作经验，（5Q ＋6Q ）一般为（4Q ＋5Q ＋6Q ）的5%～10%，只要计算出4Q ，就可以确定5Q ＋6Q ，从而计算出2Q 。

（4）Q 2的计算
由以上计算过程得到1Q 、3Q 、4Q 、5Q 、6Q 后，根据热量平衡方程式求出设备的热负荷2Q 。

2Q 正值表示需对设备加热；负值表示需冷却。

4.3 热量衡算基础数据的计算和查取
在热量衡算中，大部分物料的物性常数可通过相关的物性常数手册查取，如《化学工程手册》（第1 册），《化工工艺设计手册》（下）。

当遇到手册中数据不全的情况时，就需通过一些公式来估算这些物性常数。

在本设计中涉及的物性计算有比热容、化学反应热效应等，以下介绍他们的计算方法。

4.3.1比热容的计算
（1）液体的比热容的计算
对于绝大多数有机化合物，其比热容可依据《药厂反应设备及车间工艺设计》求得。

先根据化合物的分子结构，将各种基团结构的摩尔热容数值加和，求出摩尔热容，再由化合物的分子量换算成比热容。

另外，如果作为近似计算，液体的比热容也可按照计算固体比热容的科普定律求取，其具体计算过程见固体的比热容计算。

表4. 1 Missenard 基团贡献法的基团参数值
（3）固体的比热容的计算
固体的比热容可应用科普定律来计算：
C=M
Can ( kJ/kg·℃) (4·3)
式中 Ca —元素的原子比热容kJ/kg·℃，其值见下表；
n —固体分子中同种原子的个数； M —化合物分子量。

表4.2 元素原子的比热容
注：1Kcal=4.187kJ
上述公式计算出的是20℃时的比热容，不在20℃时各化合物的比热容将与算出的比热容有出入。

凡高于20℃时的化合物，比热容可根据上述公式计算所得结果再加大20～25%。

4.3.2状态热的计算
状态热一般也称为潜热。

它包括汽化热、熔融热、熔解热等，下面分别加以论述。

（1）汽化热
任何温度、压强下，化合物的汽化热均可按下式计算：
)]}kJ/kg
-(1/[0.62lg{5.28T T T P q R
C
R
R
v
•••-=）（ （4·4）
式中 R P -对比压强（实际压强与临界压强之比值）； R T -对比温度（实际温度与临界温度之比值）； C T -临界温度K 。

（2）熔融热
不同物质的熔融热可根据以下公式求出：
元 素 F q =（8.4～12.6）F T （4·5）
无机化合物 F q =（20.9～29.3）F T 有机化合物 F q =（37.7～46.0）F T
其中：F q -熔融热J/mol F T -熔点K 。

（3）溶解热
气态溶质的溶解热可取蒸发潜热的负值；固态溶质的溶解热则近似可取其熔融热的值。

4.3.3化学反应热的计算
为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为298K 及标准大气压时反应热的数值为标准反应热，习惯上用ΔH°表示，负值表示放热，正值表示吸热。

这与在热量衡
算中所规定的符号正好相反，为避免出错，现用符号r q 表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则r q =－ΔH°。

标准反应热的数据可以在《化学工程手册》（第一册）或《化学工艺设计手册》（下）中查到；当缺乏数据时用标准生成热或标准燃烧热求得。

（1）用标准生成热求r q ，其公式为
r q =∑f vq kJ/mol （4·6）
式中 ν-反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负，生成物为正； f q -标准生成热 kJ/mol 。

（2）用标准燃烧热求r q ，其公式为
r q =∑c vq kJ/mol （4·7） 式中 ν-反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负，生成物为正； c q -标准燃烧热 kJ/mol 。

（3）标准燃烧热的计算
理查德认为：有机化合物的燃烧热与完全燃烧该有机化合物所需的氧原子数成直线关系［7］。

即：
c q =∑a ＋∑b x kJ/mol
（4·8）
式中 a 、b -常数，与化合物结构相关 x -化合物完全燃烧时所需的氧原子数 （4）f q 与c q 的换算，符合盖斯定律，其公式为
f q ＋c q =∑ce nq kJ/mol
（4·9）
式中 f q —标准生成热kJ/mol ；
c q —标准燃烧热kJ/mol ；
n --化合物中同种元素的原子数；
ce q -元素标准燃烧热 kJ/（g·atom ），其值见表4-3。

（5）不同温度下反应热tr q 的计算
因反应恒定在t ℃温度下进行，而且反应物及生成物在（25～t ）℃范围内均无相变化，则tr q 的计算公式为：
tr q =r q －（t-25）（∑vCp ）kJ/mol （4·10）
式中 r q -标准反应热kJ/mol ；
v -反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负，生成物为正； Cp -反应物或生成物在（25～t ）℃范围内的平均比热容 kJ/kg·℃； t -反应温度 ℃。

4.4 化学反应的热量衡算 4.4.1碘代反应的热量衡算
A B
C
图4.1 碘化反应
A 17ɑ—羟基黄体酮 纯品363.5kg
B 碘 （327.15kg ）
C 中间产物 497.27kg 碘化钙 245.2kg 计算过程： （1）1Q 的计算：
1Q =∑mtCp （以0℃为基准）
Cp 的求取：（即：0℃～25℃之间的平均比热容） A 17ɑ—羟基黄体酮可根据“科普法则”估算而得； B 碘可查阅《化工工艺设计手册》； 则所得各物质的Cp 值见下表：
⑴ 各物质Q1
A Q -1=363.5×0.6286×30=6854.88KJ
B Q -1=327.15×0.25×30=2453.63KJ 所以
1Q =A Q -1＋B Q -1 =6854.88+2453.63 =9308.51KJ 杂质的1Q 忽略不计 （2）4Q 的计算：
4Q =∑mtCp （以0℃为基准）
Cp 的求取：（即：0℃～25℃之间的平均比热容） ① 中间产物的Cp 可根据“科普法则”估算而得； ② 碘化钙的Cp 可查阅《化工工艺设计手册》；
则所得各物质的Cp 值见下表：
表4.5 物质的Cp 值一览表
① 各物质的Q4：
A Q -4=497.27×1.2745×30=19013.12KJ
B Q -4=245.2×0.2423×30=1782.36KJ 所以4Q =A Q -4＋B Q -4=20795.48 KJ （3）3Q 的计算： ① 状态变化热： ⅰ 熔解热：
17α－羟基黄体酮的熔解热可查阅《化工工艺设计手册》
S Q =161.7364 KJ/kg
ⅱ 稀释热：忽略不计
各物质生成热的求取：
ⅰ17ɑ—羟基黄体酮：
C21H29O3+
2
x
O2→21CO2+14.5H2O
x=53.5 根据“理查德法”，则有：
c q =∑a ＋∑b x kJ/mol
CH 3
O OH
CH 2-O OH
CH 2I
O OH
乙酰35.76 -0.12
环己烯-33.28 0.36
∑a=22.84 ∑b=219.37
q=-22.84＋53.5×219.37=11759.14KJ/mol
所以：
1c
元素燃烧热：∑0ce nq= 21×395.15＋29×143.15 =12449.5 KJ/mol
所以：
q=12449.5-11662.76=689.74KJ/mol
1f
ⅱ碘（查阅《化工工艺设计手册》）
可得：
q= 97.15 KJ/mol
f
2
ⅲ碘化钙（查阅《化工工艺设计手册》）
可得：
q= 107.206 KJ/mol
3f
ⅳ中间产物：
C21H29O3I+ （x/2）O2→21CO2+14H2O+HI x=53
根据“理查德法”，则有：
q c=a＋xb kJ/mol
基团a b
基数23.86 218.05
甲基⨯2 23.71⨯2 0.27⨯2
环戊烷-32.36 0.29 酮23.03 -0.8 环己烷⨯2 -32.65⨯2 0.39⨯2 乙酰35.76 -0.12
环己烯-33.28 0.36
∑a=-0.87 ∑b=219.1
q=-0.87+53×219.1=11611.43 KJ/mol
3c
燃烧热：∑0ce nq= 21×395.15＋28×143.15= 12306.35 KJ/mol
所以：
q=12306.35-11611.43=694.92 KJ/mol
4
f
r q =∑f vq [-(1f q ＋2f q )+ 3f q +4f q ] =15.236 KJ/m
⑶ 求反应温度（25℃～33℃）下的化学反应热：取反应温度为30℃则：
tr q =r q －（t-25）（∑vCp ）kJ/mol
A Cp 的求取：（即：0℃～25℃之间的平均比热容）
ⅰ17α－羟基黄体酮、中间产物的Cp 值可根据“科普法则”估算而得； ⅱ碘 、碘化钙的Cp 可查阅《化工工艺设计手册》；
B 反应温度为30℃下的化学反应热即：
qtr=tr q =15.236-5×（-0.2423-1.2745＋0.6286＋0.25）=12.045 kJ/mol
∴ r Q =12.045×330
363.5
= 13.28KJ
由上可知：3Q =s Q ＋r Q
=161.7364＋13.28 =175.02 KJ
（4）5Q ＋6Q 的计算: 据工艺要求，可以有：
5Q ＋6Q =5%～10%（5Q ＋6Q ＋4Q ）
故取5Q ＋6Q =7%（5Q ＋6Q ＋4Q ）
∴ 5Q ＋6Q =7/93×4Q
=7/93×20795.48 =1565.25 KJ
（5）2Q 的计算
∵1Q ＋2Q ＋3Q = 4Q ＋5Q ＋6Q
∴2Q =4Q ＋5Q ＋6Q －1Q －3Q
=20795.48＋1565.25－9308.51-175.02 =12877.20KJ
4.3.3浓缩过程能量衡算
℃
①上工段带进来的4Q 即：20795.48KJ ②17ɑ-21-碘羟基黄体酮： 497.27kg ③甲醇（872.4 kg ） ④废气（2452.97 kg ） 计算过程： （1）1Q 的计算：
1Q 为上工段进来的4Q 即：20795.48KJ （2）4Q 的计算：
4Q = mtCp （以0℃为基准）
①Cp 的求取（即：0℃～100℃之间的平均比热容） ⅰ甲醇的Cp 可查阅《化工工艺设计手册》；
ⅱ、17α—21－碘羟基黄体酮Cp 可根据“科普法则”法估算而得；
ⅲ、废气的Cp 可查阅《化工工艺设计手册》；
表4.9 各物质的Cp 值一览表
②各物质的4Q
A Q -4（甲醇）=872.4×2.6785×100=234154.47 KJ
B -4Q （17α-21-碘羟基黄体酮）=482.35×0.2656×100=12811.22 KJ
C 4-Q （废气）=2452.97×0.1856×100=45527.12 KJ 4Q = A Q -4+B -4Q +C 4-Q =292492.81KJ
（3）3Q 的计算 ①状态变化热： 汽化热：
甲醇（查阅《化学原理》第449页） 可得q v =-1101KJ/kg 则Q 1v =-381.97KJ
②此过程没有化学变化，因此化学变化热为0。

∴Q3=Q 1v =-381.97 KJ （4）Q5+Q6的计算
据工艺要求，可以有：5Q ＋6Q =5%～10%（5Q ＋6Q ＋4Q ） 故取5Q ＋6Q =7%（5Q ＋6Q ＋4Q ）
∴ 5Q ＋6Q =7/93×4Q
=7/93×292492.81 =22015.59 KJ
（5）2Q 的计算
∵1Q ＋2Q ＋3Q = 4Q ＋5Q ＋6Q ∴2Q =4Q ＋5Q ＋6Q －1Q －3Q
=22015.59＋292492.81－20795.48＋381.97 =294094.89 KJ
4.4.3置换反应的热量衡算：
③
图4.3 置换反应
① 17ɑ-21-碘羟基黄体酮 a482.35 kg ② 醋酸钾（545.25kg ） a 纯品354.41 kg
b 含水190.84 kg ③ 反应混合物（1827.3kg ）a 产物412.35kg
计算过程： (1) Q1的计算：
1Q =∑mtCp （以0℃为基准）
①Cp 的求取：（即：0℃～25℃之间的平均比热容） ⅰ17ɑ-21-碘羟基黄体酮可根据“科普法则”估算而得； ⅱ 醋酸钾可查阅《化工工艺设计手册》； 则所得各物质的Cp 值 见下表：
②各物质的Q1：
A Q -1=482.35×0.2656×90 =11530.09KJ
B Q -1= 545.25×0.39×90
=19138.28 KJ
所以 1Q =A Q -1＋B Q -1 =11530.09＋19138.28 =30668.37 KJ
注：杂质的1Q 忽略不计 （2） 4Q 的计算：
4Q = mtCp （以0℃为基准） ①Cp 的求取：
ⅰ 产物的Cp 可查阅《化工工艺设计手册》； 则所得各物质的Cp 值见下表：
表4.11 物质的Cp 值一览表
物质 温度 A 产物 90℃
1.2745
②各物质的Q 4：
A -4Q =412.35×1.2745×90=47298.61KJ 4Q = A -4Q =47298.61KJ
（3）Q3的计算： ①状态变化热： ⅰ 熔解热：
a 17α－21—碘羟基黄体酮的熔解热可查阅《化工工艺设计手册》 可得： 547.9920 KJ/kg
b 醋酸钾的熔解热可查阅《化工工艺设计手册》 可得： 230.0760 KJ/kg 所以： S Q =547.9920＋230.0760
=778.068 KJ
注：各液体的熔解热可忽略不计 ⅱ 稀释热：忽略不计 ②化学反应热：
ⅰ 各物质生成热的求取： a 中间产物： C 21H 29O 3I+
2
x
O 2→21CO 2+14H 2O+HI x=53 根据“理查德法”，则有：
表4.12 a 、b 值一览表
c
q =∑a ＋∑b x kJ/mol
所以：
1c q = -15.85＋53×219.08=11595.39KJ/mol
元素燃烧热：
∑0
ce nq = 21×395.15＋30×143.15+11.32=12711.97 KJ/mol
∴qf1=12711.97-11595.39=1116.58 KJ/mol b 醋酸钾（查阅《化工工艺设计手册》）
可得：2f q =230.0760 KJ/mol
c 终产物：
C 21H 31O 5+ 2
x
O 2→21CO 2+15H 2O x=52
根据“理查德法”，则有：
c q =∑a ＋∑b x kJ/mol
所以：
3c q =29.92＋52×219=11417.92 KJ/mol
元素燃烧热：
∑0
ce
nq
=21×395.15＋31×143.15=12735.8 KJ/mol
∴3f q = 12735.8-11417.92=1317.88KJ/mol
ⅱ 标准状态下的反应热的求取
r q =∑f vq
=[-(1f q ＋2f q )+（3f q +4f q )] =201.3 KJ/mol
ⅲ 求反应温度100℃下的化学反应热：
tr q =r q －（t-25）（∑vCp ）kJ/mol
①Cp 的求取：（即：0℃～100℃之间的平均比热容） ⅰCp 值可根据“科普法则”估算而得；
② 反应温度为100℃下的化学反应热
即：tr q =201.3-65×1.2745=120.2125 kJ/mol
∴r Q =120.2125×412.35/330=-150.21 KJ 由上可知：
3Q =s Q ＋r Q
=150.21+778.068=928.28
（4）5Q ＋6Q 的计算: 据工艺要求，可以有：
5Q ＋6Q =5%～10%（Q5＋6Q ＋4Q ）
故取5Q ＋6Q =7%（5Q ＋6Q ＋4Q ）
∴∴5Q ＋6Q =7/93×4Q
=7/93×47298.61 =3560.11 KJ
（5）Q2的计算
∵1Q ＋2Q ＋3Q = 4Q ＋5Q ＋6Q ∴2Q =4Q ＋5Q ＋6Q －1Q －3Q
=47298.61＋3560.11－928.28-30668.37 =19262.07 KJ
4.3.5冷却过程能量衡算：
①↓90℃
②↓-10℃ 图4.4 冷却过程
①上工段带进来的Q4即：47298.61 KJ
② 置换反应后的混合物(1816.81 kg) 产物412.35kg 醋酸钾250.00kg 含水198.90kg 计算过程： （1）1Q 的计算：
1Q 为上工段进来的4Q 即：47298.61KJ （2）4Q 的计算：
4Q = p mt C （以0℃为基准） ①Cp 的求取
ⅰ醋酸钾 的Cp 可查阅《化工工艺设计手册》；
表4.15 各物质的Cp 值一览表
②各物质的4Q
A Q -4=412.35×1.2745×-10=-5255.40KJ
B 4-Q =250.00×0.39×-10=-975 KJ
C 4-Q =198.90×4.1828×-10=-8319.59 KJ
4Q =A Q -4+B 4-Q +C 4-Q =-14549.99KJ （3）3Q 的计算 ①状态变化热
状态变化热忽略不计，所以为0KJ/mol 。

②化学反应热
因为此过程没有化学变化，所以化学反应热为0KJ/mol 。

∴3Q =0KJ
（4）5Q ＋6Q 的计算:
据工艺要求，可以有：5Q ＋6Q =5%～10%（5Q ＋6Q ＋4Q ）
故取5Q ＋6Q =5%～10%（5Q ＋6Q ＋4Q ）
∴ 5Q ＋6Q =7/93×4Q
=7/93×（-14549.99） =-1095.16 KJ
（5）2Q 的计算
∵1Q ＋2Q ＋3Q = 4Q ＋5Q ＋6Q ∴2Q =4Q ＋5Q ＋6Q －1Q －3Q
=－14549.99－1095.16－47298.61＋0 =－62943.76 KJ
第5章 设备选型
5.1节 工艺设备选型的方法
1、以生产过程所属的单元操作类型确定设备型式
2、以物料衡算结果确定设备容积等参数
3、以能量衡算结果确定设备传热等参数
4、根据物料性质确定设备材质
5、根据生产过程操作参数确定设备温度、压力等指标
6、根据同类生产设备的适用情况以及经验来验证工艺设备选型的合理性和可 靠性，并最终由生产实践检验。

5.2节 主要设备的选型与计算
V d —根据生产任务，通过物料衡算确定的每天处理物理量，3m /d ； V a —设备的名义容积，3m ； V p —设备的有效容积，3m ； ε=V p /V a —设备的装料系数；
T —设备每一生产周期的持续时间，h （生产过程的持续时间T 包括反应T 1和 辅助过程时间T 2）；
a —每天总的操作批数； β—每天每台设备的操作批数； n p —需用设备台数； n —实际安装的设备台数； δ—设备生产能力的后备系数，%。

p n a V =
24VdT
(5·1) 实际上，往往由于设备的检修及其它原因，不能连续地进行生产，因此，还得考虑设备的后备系数δ，故实际安装的设备台数为：
n =p n （1+100
δ
）=
Va
VdT εδ
24)
1001(+
(5·2) 对于不起泡的物理或化学过程，一般装料系数=0.7～0.8；
对于沸腾的或有泡沫产生的物理或化学过程，一般装料系数=0.4～0.6； 流体的计量及储存设备，一般装料系数=0.85～0.9［9］。

5.2.1碘化反应罐的选型与计算
(1)设备选型 生产周期:2h
查的资料， 17ɑ-羟基黄体酮，（B 1）密度为0.85g/cm 3, 氯仿（B 2）密度1.40g/cm 3；
氯化钙-甲醇溶液密度为1.12 g/cm 3
体积：V=m/ρ
17ɑ-羟基黄体酮（B 1）投料量：363.5kg ，约合为427.65L 氯仿（B 2）每批投料量为：1454kg ,约合为1038.57L 氯化钙-甲醇的（B 3）量：243.55kg ，约合为217.46L 则V 总=427.65+1038.57+217.46=1683.68L
对于不起泡的物理或化学过程，一般装料系数=0.7～0.8；
对于沸腾的或有泡沫产生的物理或化学过程，一般装料系数=0.4～0.6； 流体的计量及储存设备，一般装料系数=0.85～0.9；
装料系数取ϕ=0.8,则计算出反应罐的容积为V=V 总/0.8=2104.6L 。

依据《化工工艺设计手册》第三版（下册）表35-42，即P709页，故取得一台2500L
的K 式搪玻璃反应釜（符合92国标，它的优点是首先耐腐蚀性，能耐有机酸，无机酸，有机溶剂等；其次是不粘性，容易清洗；绝缘性；隔离性；保鲜性等等）可满足生产需求，其基本参数为：
型号标记：K2500Ⅰ0.25-12mIDMAS-HG/T2371-1992（代表搪玻璃开式搅拌釜，1000L ，采用机型Ⅱ传动装置，公称压力0.25MPa,配带视镜和平衡器入孔，轴密封采用冷却水夹套填料箱，温度计套管带测温头，搅拌器为锚式，容器支座为悬挂式支座，配上展式放料阀。

）。