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第四屆“國藥工程杯”全國大學(xué)生
制藥工程設(shè)計(jì)競賽
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目錄
目錄 3
第一章 總論 1
1.1 設(shè)計(jì)理念 1
1.1.1 理念概述 1
1.1.2 理念詳解 1
1.1.3 設(shè)計(jì)思路 2
1.2 項(xiàng)目概況 2
1.2.1 項(xiàng)目簡介 2
1.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 3
1.2.3 國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景 3
1.3 設(shè)計(jì)依據(jù) 5
第二章 工藝概述 7
2.1 工藝流程概述 7
2.2 工藝難點(diǎn)剖析 7
2.3工藝分析 8
2.4 工藝特點(diǎn) 8
2.4.1 硫辛酸工藝特點(diǎn) 8
2.4.2 依非韋倫工藝特點(diǎn) 8
2.4.3 纈沙坦工藝特點(diǎn) 8
2.5 工藝路線 8
第三章 物料衡算 9
3.1 物料衡算目的 9
3.2 物料衡算依據(jù) 9
3.3 物料衡算基準(zhǔn) 9
3.4 硫辛酸工藝過程物料衡算 9
3.4.1 生產(chǎn)日的確定 9
3.4.2 工藝過程物料衡算 10
3.5 依非韋倫工藝過程物料衡算 10
3.5.1 生產(chǎn)日的確定 10
3.5.2 工藝過程物料衡算 10
3.6 纈沙坦工藝過程物料衡算 10
3.6.1 生產(chǎn)日的確定 10
3.6.2 工藝過程物料衡算 10
第四章 熱量衡算 11
4.1 計(jì)算依據(jù) 11
4.1.1 Q1（Q4）計(jì)算 11
4.1.2 過程熱效應(yīng)Q3 11
4.1.3 Q5與Q6的確定 11
4.1.4 Q2的計(jì)算 12
4.2 熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算和查取 12
4.2.1 比熱容的計(jì)算 12
4.2.2 物理變化熱的計(jì)算 13
4.2.3 化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算 14
第五章 主要設(shè)備選型計(jì)算及驗(yàn)證 15
5.1 設(shè)備選型計(jì)算驗(yàn)證依據(jù) 15
5.2 精餾塔選型計(jì)算 15
5.2.1 流程確定和說明 15
5.2.2 精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算 15
5.3 反應(yīng)釜選型驗(yàn)證 17
5.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 17
5.3.2 釜體材料的選擇 17
5.3.3 筒體幾何尺寸計(jì)算 18
5.3.4 水壓試驗(yàn)的校核計(jì)算 20
5.4.5攪拌裝置選型 21
5.4 設(shè)備選型一覽表 21
第六章 主要設(shè)備選型及說明 22
6.1 設(shè)備選型依據(jù) 22
6.2 具體設(shè)備選型 22
6.2.1襯氟反應(yīng)釜 22
6.2.2氫化反應(yīng)釜 22
6.2.3 反應(yīng)釜（減壓濃縮） 23
6.2.4 反應(yīng)罐（脫色） 23
6.2.5 結(jié)晶罐 24
6.2.6雙錐真空干燥器 24
6.2.7 三足式離心機(jī) 25
6.2.8搖擺式顆粒機(jī) 25
6.2.9 濾芯過濾器 26
6.2.10 不銹鋼儲罐 26
6.2.11 計(jì)量罐 27
6.2.12粉碎機(jī) 27
6.2.13 充氮包裝機(jī) 28
第七章 公用工程 29
7.1 純化水系統(tǒng) 29
7.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 29
7.1.2 設(shè)計(jì)要求 29
7.1.3 純化水用途 29
7.1.4 系統(tǒng)描述 29
7.1.5 主要設(shè)備概述 30
7.1.6 主要部件 30
7.1.7 殺菌系統(tǒng) 31
7.1.8 非無菌原料藥的的用水點(diǎn)及用水量 32
7.2 潔凈空調(diào)系統(tǒng) 32
7.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 32
7.2.2 設(shè)計(jì)要求 32
7.2.3 設(shè)計(jì)目的 33
7.2.4 基本構(gòu)成 33
7.2.5 工作原理 33
7.2.6 參數(shù)要求 33
7.2.7 空氣凈化處理 34
7.2.8 空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)方案 35
7.3 純蒸汽系統(tǒng) 36
7.3.1 純蒸汽用途 36
7.3.2 純蒸汽系統(tǒng)組成 36
7.3.3 純蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)選材 37
7.4 氣體系統(tǒng) 37
7.4.1 氮?dú)庀到y(tǒng) 37
7.4.2 氫氣系統(tǒng) 39
7.5 給水排水 39
7.5.1 供水的水源 39
7.5.2 供水系統(tǒng) 39
7.5.3 冷卻水的循環(huán)使用 40
7.5.4 排水系統(tǒng) 40
7.6 通風(fēng)排風(fēng) 40
7.6.1 通風(fēng)目的 40
7.6.2 通風(fēng)分類 40
7.6.3 自然通風(fēng) 40
7.6.4 機(jī)械通風(fēng) 42
7.7 供電配電 42
7.7.1 車間供電系統(tǒng) 42
7.7.2 電氣設(shè)計(jì)條件 44
7.8 冷凍和采暖 44
7.8.1 冷凍系統(tǒng) 44
7.8.2 采暖系統(tǒng) 44
第八章 管道系統(tǒng) 46
8.1設(shè)計(jì)概述 46
8.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 46
8.3管道布置原則 46
8.3.1 主管道布置 46
8.3.2 公用系統(tǒng)布置 46
8.3.3 管道連接方式 46
8.3.4 潔凈區(qū)管道 47
8.3.5 管道坡度 47
8.3.6 技術(shù)夾層管道鋪設(shè) 47
8.4 管道材質(zhì)、閥門和附件 47
8.4.1 公用工程管道 47
8.4.2 管道材質(zhì)、閥門和附件 47
8.4.3 管道保溫材料 48
8.5 管道連接 48
8.6管道敷設(shè) 48
8.7管道排列 48
8.8管道坡度 49
8.9管道布置 49
8.9.1設(shè)備管道 49
8.9.2 其它管道 49
8.10管路安全措施 50
8.11管道平面圖 51
8.12管道選型計(jì)算 51
8.12.1 計(jì)算依據(jù) 51
8.12.2 管徑選擇表 51
8.12.3 管徑計(jì)算 52
第九章 車間建筑與設(shè)計(jì) 55
9.1 車間廠址選擇 55
9.1.1 車間廠址選擇依據(jù) 55
9.1.2 車間廠址選擇方案 55
9.2土建及項(xiàng)目施工 57
9.2.1 土建設(shè)計(jì)條件 57
9.2.2 項(xiàng)目施工設(shè)計(jì) 58
9.3 車間設(shè)計(jì) 58
9.3.1 車間設(shè)計(jì)依據(jù) 58
9.3.2 車間布置 59
第十章 車間管理與生產(chǎn)班次 64
10.1 車間管理 64
10.1.1 車間管理的概念 64
10.1.2 車間管理的內(nèi)容 64
10.2 車間文化建設(shè) 64
10.2.1 車間文化的重要性 64
10.2.2 車間文化的建設(shè) 65
10.3 車間生產(chǎn)班次 65
10.3.1 班次的作用 65
10.3.2 班次管理 65
第十一章 非工藝生產(chǎn)條件 67
11.1 廠房防火防爆 67
11.1.1. 廠房的耐火等級 67
11.1.2 防火防爆技術(shù) 67
11.1.3 消防安全 69
11.2 環(huán)境保護(hù) 69
11.2.1 制藥工業(yè)污染特點(diǎn)及現(xiàn)狀 69
11.2.2 工藝改進(jìn) 70
11.2.3 污染防治措施 72
第十二章 設(shè)備清潔與原料藥驗(yàn)證 78
12.1 設(shè)備清潔 78
12.1.1 設(shè)備清潔依據(jù) 78
12.1.2 設(shè)備清潔方法 78
12.2 設(shè)備清潔驗(yàn)證 79
12.2.1 驗(yàn)證方法 79
12.2.2 取樣方法的確定 80
12.2.3 殘留限度標(biāo)準(zhǔn)確定 80
12.2.4 注意事項(xiàng) 80
12.3 原料藥工藝設(shè)備驗(yàn)證 81
12.3.1 主要工藝設(shè)備 81
12.3.2 工藝設(shè)備驗(yàn)證中的風(fēng)險(xiǎn)評估 81
12.3.3 工藝設(shè)備驗(yàn)證 81
第十三章 工程經(jīng)濟(jì) 84
13.1 工程概況 84
13.2 項(xiàng)目投資 84
13.3 投資及成本估算 84
13.3.1 工程費(fèi)用估算 85
13.3.2 流動資金估算 85
13.3.3 成本估算 85
13.4 設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可行性 86
13.4.1 產(chǎn)品銷售 86
13.4.2 車間拓展 87
第一章 總論
1.1 設(shè)計(jì)理念
本次設(shè)計(jì)中，我們遵循的設(shè)計(jì)理念是“安全、合理、經(jīng)濟(jì)、高效”的八字方針。
1.1.1 理念概述
從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)逐一進(jìn)行剖析?！鞍踩奔床扇∠?、預(yù)防或降低裝置危險(xiǎn)性、提高裝置安全運(yùn)行等級的安全衛(wèi)生措施，保證操作人員的人身安全；“合理”即系統(tǒng)設(shè)備單元的配置要綜合考慮三個(gè)產(chǎn)品的交替生產(chǎn)，以合成單元操作為基礎(chǔ)，充分考慮設(shè)備管道的通用性，兼顧考慮化學(xué)反應(yīng)的放大效應(yīng)，在規(guī)定的300天工作日內(nèi)實(shí)現(xiàn)合理的排班生產(chǎn)；“經(jīng)濟(jì)”即為在滿足功能和法規(guī)的前提下，盡可能降低項(xiàng)目投資，從多方面考慮經(jīng)濟(jì)開支，把投資成本降到最低；“高效”即為具體問題具體對待，針對三種產(chǎn)品不同的合成工藝，物料的理化性質(zhì)，單元操作過程的特點(diǎn)等，兼顧其通用性，靈活性，做適應(yīng)性強(qiáng)，高效運(yùn)行的多功能車間。
1.1.2 理念詳解
（1） 安全
本次設(shè)計(jì)中，該多功能原料藥車間屬甲級防爆車間，生產(chǎn)安全是第一位的。第三個(gè)產(chǎn)品纈沙坦的生產(chǎn)中，要用到氫氣的防爆車間，安全性需要特別考慮。首先考慮的是地面和墻體：為防止車間有火花出現(xiàn)，地面可采用橡膠、塑料、橡膠摻石墨或?yàn)r青混凝土等。為了工作人員的安全，在防火防爆的廠房中，盡量不設(shè)辦公室或休息室等輔助房間。本次設(shè)計(jì)中，將這類房間設(shè)在車間外層，并且與本車間之間用耐火極限不低于3.5h的非燃燒墻體隔開。還要考慮電氣設(shè)備和防雷設(shè)施等，在多方面做好防火防爆措施，真正從各方面做好人員的安全保障。
（2） 合理
如何在300天的工作日內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)產(chǎn)品的達(dá)標(biāo)生產(chǎn)，需要合理地估算生產(chǎn)時(shí)間，安排生產(chǎn)班次。在保證設(shè)計(jì)要求，所有化學(xué)反應(yīng)器的體積不大于2000升，裝料系數(shù)為0.6～0.8之間，每天一批次等生產(chǎn)條件下，我們合理設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方式如下表1-1所示。
表1-1 生產(chǎn)方式
藥品名稱
生產(chǎn)線
批次
天數(shù)
硫辛酸
2條
260
131
依非韋倫
2條
132
66
纈沙坦
第二次濃縮后分為2條線
100
100
共計(jì)297天完成生產(chǎn)。
（3）經(jīng)濟(jì)
經(jīng)濟(jì)是任何企業(yè)都必須關(guān)注的核心問題。本次設(shè)計(jì)中，我們體現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)”理念的方面很多。首先從設(shè)備選型方面，我們盡可能合理地選型，就不會造成設(shè)備、資源的浪費(fèi)；其次在選購原輔材料和儀器設(shè)備時(shí)，我們也考慮到了運(yùn)輸過程中的費(fèi)用，在相同條件下，選擇了離廠址較近的廠家，不但減少了原輔材料運(yùn)輸過程中的高昂費(fèi)用，而且降低了設(shè)備維修等的費(fèi)用。還有，在做工程投資概算時(shí)，合理地規(guī)劃建筑工程和安裝工程，減少專項(xiàng)費(fèi)用等，就會降低經(jīng)濟(jì)預(yù)算，進(jìn)一步提高企業(yè)效益。
（4）高效
效率決定效益。如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效，是我們設(shè)計(jì)格外注意的方面之一。一年300天的工作日，高效合理地完成三個(gè)產(chǎn)品每年25噸的計(jì)劃生產(chǎn)量，同時(shí)保證生產(chǎn)質(zhì)量最優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)預(yù)算最小化。因此我們設(shè)計(jì)硫辛酸、依非韋倫及纈沙坦的生產(chǎn)均采用兩條生產(chǎn)線（纈沙坦生產(chǎn)中的加氫及第二次濃縮之前，因?yàn)榉阑鸱辣蛩夭捎脝为?dú)的一條線），同時(shí)300天內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的清洗及清洗驗(yàn)證。
1.1.3 設(shè)計(jì)思路
本設(shè)計(jì)的思路如圖1-1所示。
圖1-1 設(shè)計(jì)思路
1.2 項(xiàng)目概況
1.2.1 項(xiàng)目簡介
1.2.1.1 多功能車間的優(yōu)勢
原料藥多功能車間不同于傳統(tǒng)的原料藥車間，它可以同時(shí)或分期生產(chǎn)不同品種的多種原料藥。這些原料藥之間有一定的相似性，具有相近的生產(chǎn)工藝或者所用的設(shè)備多數(shù)可以通用等。多功能車間的建設(shè)可以滿足小批量、多品種的生產(chǎn)要求，應(yīng)對市場的迅速變化，為制藥企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。
隨著越來越多的制藥公司大量從我國采購原料藥，這些交易的主要特點(diǎn)也顯現(xiàn)出來，產(chǎn)品年交易噸位較少，但是原料藥品種較多。傳統(tǒng)的原料藥生產(chǎn)方式產(chǎn)品單一，且產(chǎn)品的年產(chǎn)量較大。面對原料藥生產(chǎn)的這種發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足需要，多功能車間應(yīng)運(yùn)而生。
1.2.1.2 設(shè)計(jì)項(xiàng)目簡介
本次設(shè)計(jì)的項(xiàng)目是硫辛酸、依非韋倫、纈沙坦這三種非無菌原料藥的多功能車間設(shè)計(jì)。在年工作日為300天，并且采用間歇生產(chǎn)的背景條件下，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的放大效應(yīng)，充分考慮設(shè)備與管道的通用性，滿足三種產(chǎn)品的精制、烘干、粉碎、包裝等生產(chǎn)操作在D級潔凈區(qū)的要求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)模如表1-2所示。
表1-2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)模
產(chǎn)品名稱
設(shè)計(jì)規(guī)模（t/a）
含量
包裝規(guī)格
硫辛酸
25
99.5%
紙板桶（25Kg/桶）
依非韋倫
25
99.5%
紙板桶（25Kg/桶）
纈沙坦
25
99.5%
紙板桶（25Kg/桶）
1.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
1.2.2.1 產(chǎn)品介紹
三種產(chǎn)品介紹如表1-3所示。
表1-3 產(chǎn)品介紹
名稱
硫辛酸
依非韋倫
纈沙坦
英文名稱
Thioctic acid
Efavirene
Valsartan
中文化學(xué)名
1,2-二硫戊環(huán)-3-戊酸
（-）-6-氯-4-環(huán)丙基乙炔基-4-三氟甲基-1,4-二氫-2H-3,1-苯并噁嗪-2-酮
N-戊酰基-N-[[2ˊ-（1H-四氮唑-5-基）[1，1ˊ-聯(lián)苯]-4-基]甲基]-L-纈氨酸
分子式
C8H14O2S2
C14H9ClF3NO2
C24H29N5O3
分子量
206.33
315.67
435．52
分子結(jié)構(gòu)
性狀
淡黃色針狀結(jié)晶體。易溶于苯，乙醇和三氯甲烷等有機(jī)溶劑，難溶于水，可溶于稀堿。
白色晶體。溶于甲醇。
白色結(jié)晶體；有吸濕性。本品在乙醇中極易溶解，在甲醇中易溶，在乙酸乙酯中略溶，在水中幾乎不溶。
物性數(shù)據(jù)
熔點(diǎn)：60~62℃
沸點(diǎn)：160~165 ℃
溶解性：0.9 g/L (20℃)
閃點(diǎn)：173℃
熔點(diǎn):139-141℃
熔點(diǎn)：116~117°C
密度：1.212g/cm3
沸點(diǎn)：684.9 ℃
閃點(diǎn)：368 ℃
產(chǎn)品用途
抗氧化劑，臨床上主要用于治療糖尿病的微血管病變。還用于治療急性及慢性肝炎、肝硬化、肝性昏迷、脂肪肝等。
非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑，抗艾滋病毒感染的藥物。與其他病毒逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑聯(lián)合使用，用于HIV-1病毒感染病人的治療。
是血管緊張素受體拮抗劑，可用于各種類型高血壓，避免了鈣拮抗劑和ACEI 的不良反應(yīng)，療效顯著,耐受性好，并對心腦腎有較好的保護(hù)作用。
1.2.2.2 生產(chǎn)路線簡述
硫辛酸：以硫化鈉、硫磺、6,8-二氯辛酸乙酯等為原料，經(jīng)環(huán)合、水解、精制等過程制得。
依非韋倫：以環(huán)丙基乙炔鋰、4-氯-2-(三氟乙?；?苯胺為原料，經(jīng)加成、環(huán)合、精制等過程制得。
纈沙坦：以N-正戊?；i氨酸甲酯為起始原料，經(jīng)加氫還原、精制等過程制得。
1.2.2.3 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
硫辛酸：淡黃色針狀結(jié)晶體，含量 99.5%。
依非韋倫：白色晶體，含量 99.5%。
纈沙坦：白色結(jié)晶體，含量 99.5%。
1.2.3 國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景
1.2.3.1 硫辛酸生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景
硫辛酸因?yàn)榫哂袕?qiáng)力抗氧化作用，被廣泛用于治療和預(yù)防糖尿病、心臟病等多種疾病，在歐洲硫辛酸是防治糖尿病性神經(jīng)病變或神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的一線藥物，并獲得廣泛認(rèn)同。此外，硫辛酸還具有緩解機(jī)體過度疲勞，延緩衰老與美容等功效，被美國和日本等國批準(zhǔn)為食品和保健品的功能成份，廣泛應(yīng)用于食品和飲料中。除此之外，現(xiàn)代科學(xué)研究證明人類多個(gè)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展均與氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)聯(lián)，因此作為抗氧化劑的硫辛酸在醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域具有廣闊的市場前景。
此外，從疾病角度分析，糖尿病目前已成為人類四大死因，全球每年有超過380萬人死于糖尿病及并發(fā)癥，糖尿病引起的慢性并發(fā)癥不僅是致殘、致死的主要原因，而且是造成醫(yī)療費(fèi)用的急劇增長。
僅2007-2008年中華醫(yī)學(xué)會糖尿病分會（CDS）流行病學(xué)調(diào)研表明中國糖尿病患者多達(dá)6000萬人，診斷率為44％，在新確診的糖尿病患者中有并發(fā)癥的患者多達(dá)1/3。其中糖尿病神經(jīng)病變已經(jīng)嚴(yán)重威脅到病人的健康與生命。因此，預(yù)防和治療糖尿病神經(jīng)病變，提高人們的生活質(zhì)量，是具有深遠(yuǎn)的社會意義的。由此可見硫辛酸的市場前景。
截止2008年底的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球硫辛酸（右旋硫辛酸)總銷量一直維持在每年 400噸左右，但近年來國際市場上僅硫辛酸年銷量已猛增至每年500噸，據(jù)了解硫辛酸銷量上升的主要原因是，國外將其大量用于各種食品中，如添加到牛奶、餅干、面包、糖果、奶制品等大眾食品中以此增強(qiáng)其保健功能。則其國際市場增長率將繼續(xù)保持在每年10％～12％的速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的硫辛酸大部分用于出口，生產(chǎn)前景非常廣闊。
1.2.3.2 依非韋倫生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景
依非韋倫等抗艾滋病的藥物銷路與其他常規(guī)藥物不同，因?yàn)橹袊鴱?003年開始,為艾滋病(AIDS)病人提供免費(fèi)抗病毒藥品?？拱滩∷幤返墓?yīng)，以國家統(tǒng)一招標(biāo),各省分散采購的模式進(jìn)行。據(jù)省級藥品管理人員進(jìn)行的抗病毒藥品的年度需求預(yù)測，目前抗病毒藥品需求量及抗病毒治療人數(shù)在逐步增加。下圖1-2為全國2003年至2010年正在抗病毒治療的人數(shù)統(tǒng)計(jì)。
圖1-2 2003年至2010年正在抗病毒治療的人數(shù)統(tǒng)計(jì)
據(jù)聯(lián)合國艾滋病規(guī)劃署數(shù)據(jù)顯示，截至2010年底，全球有3400萬艾滋病患者，并且每年還有250萬人感染艾滋病病毒。業(yè)內(nèi)人士據(jù)此認(rèn)為，抗艾滋病藥物在全球具有較好的銷售前景。
依非韋倫是治療艾滋病的一線用藥，原研藥是默沙東的施多寧，全球銷售規(guī)模約為8億美元，國內(nèi)仿制藥較少，市場空間較大，由此可見，依非韋倫的市場前景非常不錯(cuò)。
1.2.3.3 纈沙坦生產(chǎn)現(xiàn)狀及前景
沙坦類降壓藥是血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑（ARBs）的簡稱，是近20年全球上市并陸續(xù)進(jìn)入我國臨床使用的降壓藥。已在全球普遍上市的沙坦類藥物有七種，這七種在我國均已批準(zhǔn)。
纈沙坦最早于1996年由瑞士諾華公司上市，在我國均有原料藥和制劑上市。沙坦類藥物在七大類抗高血壓藥物中是上市較晚的一類，但是卻是成長最快的，并且已成為與鈣拮抗劑（CaA）、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑（ACEI）、β受體阻滯劑，并駕齊驅(qū)的四大主力抗高血壓藥物。沙坦類藥物雖然只有6、7種，卻占據(jù)30%以上的銷售額份額。沙坦藥物的重要地位將人們尋找市場增長點(diǎn)的目光吸引過來，成為近年來抗血壓的成長最快的品類。
在中國市場頒上，纈沙坦最高達(dá)到33%；全球各類沙坦類藥物所占份額如圖1-3表所示。
圖1-3 全球各類沙坦類藥物所占份額
纈沙坦是我國“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目，2010年國內(nèi)22個(gè)重點(diǎn)城市樣本醫(yī)院纈沙坦用藥銷售額為3.63億元，同比上一年增長了20.51%，近五年復(fù)合增長率為42.90%，如圖1-4所示。
圖1-4 近年樣本醫(yī)院纈沙坦市場銷售額及增長圖
纈沙坦是國內(nèi)沙坦市場的領(lǐng)頭羊，是抗高血壓市場僅次于氨氯地平的第2位的藥物，在抗高血壓市場領(lǐng)先的25個(gè)品種中占10.23%的比重。
纈沙坦市場上最顯著的亮點(diǎn)是國內(nèi)仿制藥已進(jìn)入快速增長期，在國家政策推動下，國產(chǎn)仿制藥在國內(nèi)總體市場份額將高于樣本醫(yī)院，由于二級醫(yī)院基本被仿制藥所占據(jù)，預(yù)計(jì)仿制藥可達(dá)40%的規(guī)模。預(yù)測2011年，國內(nèi)纈沙坦總體市場將達(dá)到20億元的規(guī)模，由此可看出，纈沙坦市場前景廣闊。
1.3 設(shè)計(jì)依據(jù)
本設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，如表1-4所示。
表1-4 設(shè)計(jì)依據(jù)
設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
標(biāo)準(zhǔn)編號
《第四屆制藥工程設(shè)計(jì)競賽任務(wù)書》
2014
《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》
2010版
《歐洲藥品生產(chǎn)和質(zhì)量管理規(guī)范》
2008版
《原料藥GMP實(shí)施指南》
2010版
《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50073-2001
《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50457-2008
《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》
GB50034-2004
《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50015-2003
《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》
GB8978-1996
《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50052-95
《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》
GBZ1-2010
《采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50019-2003
《中華人民共和國藥品管理法》
2013修訂版
88
第二章 工藝概述
2.1 工藝流程概述
本次設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方式為間歇式生產(chǎn)。
間歇生產(chǎn)是制藥行業(yè)中主要的生產(chǎn)方式。在間歇控制標(biāo)準(zhǔn)SP88中，間歇過程的定義為：將有限量的物質(zhì)，按規(guī)定的加工順序，在一個(gè)或多個(gè)加工設(shè)備中加工，以獲得有限量的產(chǎn)品的加工過程。如果需要更多的產(chǎn)品則必須重復(fù)整個(gè)過程。
與連續(xù)生產(chǎn)相比較，間歇生產(chǎn)主要有以下特點(diǎn)：
（1）周期性批量生產(chǎn)。間歇生產(chǎn)要求按配方規(guī)定的生產(chǎn)順序、時(shí)間段和操作參數(shù)組織生產(chǎn)。
（2）物料狀態(tài)和操作參數(shù)是動態(tài)的。動態(tài)特性是間歇過程的本質(zhì)。這種特性就決定了間歇生產(chǎn)過程的安全生產(chǎn)主要依靠作業(yè)人員的操作，因此間歇生產(chǎn)設(shè)計(jì)中保證安全非常重要。
（3）柔性生產(chǎn)能力較強(qiáng)。間歇生產(chǎn)過程中，在一個(gè)定性設(shè)備上，根據(jù)不同的配方，應(yīng)用不同的原料和操作參數(shù)可完成不同的工藝操作過程，有利于多品種小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，例如本次設(shè)計(jì)中多功能車間可以生產(chǎn)三種不同的原料藥。這種運(yùn)行的特點(diǎn)也給安全生產(chǎn)帶來許多隨機(jī)的不穩(wěn)定的因素。
（4）工藝控制要求高。工藝條件的變化顯著，過程復(fù)雜，一些參數(shù)的控制要求較高，并且操作中開關(guān)量應(yīng)用較多，有些參數(shù)的控制需要人工干預(yù)。人機(jī)匹配就成了安全生產(chǎn)的必須條件。
（5）生產(chǎn)能力低，能耗大。
（6）間歇生產(chǎn)的投料、出料、混配、分離等作業(yè)單元往往是暴露性的，這種作業(yè)方式給安全運(yùn)行和作業(yè)條件帶來許多不利的因素。
2.2 工藝難點(diǎn)剖析
說明書上所描寫的工藝過程，需要轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)中的具體實(shí)現(xiàn)方式，在轉(zhuǎn)化過程中，我們將遇到的難點(diǎn)進(jìn)行了剖析，下表以硫辛酸的難點(diǎn)工藝剖析為例，如表2-1所示。
表2-1 硫辛酸工藝剖析
硫辛酸工藝剖析
過程
說明書工藝
難點(diǎn)
實(shí)現(xiàn)方式
環(huán)合工序
在環(huán)合反應(yīng)釜中加入115.79kg純化水，254.73kg水合硫化鈉，攪拌升溫至60℃
水和硫化鈉的加料方式
在計(jì)量罐中用115.79kg純化水將254.73Kg水和硫化鈉溶解，再加入反應(yīng)釜。
分批加入39.37kg硫磺粉，反應(yīng)1.5h
分批加入硫磺
真空上料機(jī)
分別加入463.14kg乙醇，20.84kg四丁基溴化銨，升溫至75℃
四丁基溴化銨的加料方式
在計(jì)量罐中用463.14kg乙醇將四丁基溴化銨溶解，再加入反應(yīng)釜。
緩慢滴加231.57kg 6,8-二氯辛酸乙酯（約2h）加熱回流，反應(yīng)8h,冷卻至室溫
緩慢加入
20%的氫氧化鈉在計(jì)量罐中由166.73kg純化水和41.68kg氫氧化鈉固體配液后加入反應(yīng)釜
水解工序
在上述環(huán)合液中緩慢加入208.41kg 20%氫氧化鈉，升溫至60℃，反應(yīng)3h
將上述反應(yīng)液減壓濃縮除去乙醇，餾出液約為反應(yīng)液體積的1/2，將濃縮液降至室溫，然后緩慢加入適量2mol/L鹽酸，調(diào)節(jié)pH至2（耗時(shí)約1.5h）
2mol/L的鹽酸在計(jì)量罐中由98.17Kg的36%的鹽酸和400.84Kg的純化水配液后加入反應(yīng)釜
用578.92kg 乙酸乙酯萃取上述酸化液，有機(jī)相用43.75kg 飽和食鹽水洗滌分層，再用無水硫酸鎂干燥，過濾，水相經(jīng)預(yù)處理后排至污水處理站
飽和食鹽水的配制
飽和食鹽水在計(jì)量罐中由11.58Kg食鹽和32.17kg純化水配液
2.3工藝分析
見附錄2硫辛酸工藝分析表；附錄3依非韋倫工藝分析表；附錄4纈沙坦工藝分析表。
2.4 工藝特點(diǎn)
2.4.1 硫辛酸工藝特點(diǎn)
本工藝路線以6,8-二氯辛酸乙酯為原料，以水，乙醇為溶劑，四丁基溴化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，合成目標(biāo)產(chǎn)物，反應(yīng)收率約50％。中間體硫辛酸乙酯無需分離，可直接進(jìn)行水解，酸化得到硫辛酸。6.8-二氯辛酸乙酯的方法，與其他幾種方法比較，一鍋法、Jiors合成法、環(huán)己酮乙烯基乙醚法、F-C烷基化等方法，步驟簡單，收率較高，工業(yè)化成本低，合成工藝條件相對簡單，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件下可以合成。該方法簡化了反應(yīng)操作，原料易得，降低了生產(chǎn)成本，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。反應(yīng)條件溫和，選擇性好，操作簡便和費(fèi)用低廉。另外在整個(gè)合成路線中，反應(yīng)所要求的工藝條件都很溫和，所用設(shè)備也均是常見設(shè)備，沒有特殊要求，并且體系所排放的三廢總量不是很大，所用有機(jī)溶劑可以回收利用，對環(huán)境的污染較小，工藝中也沒有用到毒性特別大，腐蝕性特別強(qiáng)的物質(zhì)。總之，6.8-二氯辛酸乙酯是一條已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的較為理想的路線。
2.4.2 依非韋倫工藝特點(diǎn)
該設(shè)計(jì)采用依非韋倫的生產(chǎn)方式是一個(gè)羰基化合物的格氏反應(yīng)，羰基化合物中含有羰氧雙鍵，是由SP2雜化的碳原子以一個(gè)Sp2雜化軌道和一個(gè)p軌道與氧相連得到，由于氧的電負(fù)性比碳的強(qiáng)很多，故電子云偏向氧，而且π電子比σ電子更易極化，使電子向氧偏移比醇中羰氧鍵（C-O）的電子偏移更加突出，因此，羰基的碳原子上帶有部分正電荷，從而使帶負(fù)電荷的親核試劑容易和它發(fā)生碳氧雙鍵的親核加成反應(yīng)，并且形成穩(wěn)定的烷氧負(fù)離子。當(dāng)和格氏試劑加成時(shí)，形成醇鹽，它和醇化鈉相似，和水或烯酸反應(yīng)，很快就分解為醇。醇鹽用水處理時(shí)，常形成膠體很難處理，因此常用烯酸破壞膠體，也用氯化銨的飽和水溶液分解。該反應(yīng)相當(dāng)于對氨基的?；瑢αu基的酯化成環(huán)。由于羥基直接和叔碳原子相連接，所以和羥基的酯化反應(yīng)比較難進(jìn)行。故該反應(yīng)方式較為簡便，在化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛。
2.4.3 纈沙坦工藝特點(diǎn)
本次設(shè)計(jì)選用的纈沙坦的生產(chǎn)方式是只有一步反應(yīng)的過程，特點(diǎn)是無其他副反應(yīng)發(fā)生，終產(chǎn)物只有纈沙坦，產(chǎn)品收率高，符合綠色化學(xué)的要求。相對其它合成路線，溶劑用量少，廢水、廢氣、廢渣排放減少，有利于環(huán)境的保護(hù)，適合工業(yè)化生產(chǎn)。該反應(yīng)過程為“一鍋反應(yīng)”，提高了反應(yīng)的選擇性，同時(shí)提高了纈沙坦的合成收率，所采用的“一鍋反應(yīng)”工藝簡化了操作程序，省略了中間體制備過程中有機(jī)溶劑的使用，降低了對環(huán)境的污染。纈沙坦其它合成方法，應(yīng)用氰基與疊氮化物高溫反應(yīng)制備四氮唑環(huán)，污染大，危險(xiǎn)性高。中間體合成過程中反應(yīng)控制難，容易發(fā)生副反應(yīng)。
另外要注意的是，本反應(yīng)需要催化加氫，危險(xiǎn)性較大。
2.5 工藝路線
見附錄1工藝路線流程圖。
第三章 物料衡算
生產(chǎn)工藝流程示意圖確定后，就可以進(jìn)行車間物料衡算。通過計(jì)算，得出車間所處理的各種物料數(shù)量及其組成，從而使設(shè)計(jì)由定性轉(zhuǎn)向定量。物料衡算分為化學(xué)過程與物理過程的計(jì)算，通常采用按車間生產(chǎn)的各步驟逐一進(jìn)行物料衡算的方法。本章介紹三種產(chǎn)品的計(jì)算方法。
3.1 物料衡算目的
通過物料衡算，能夠得出進(jìn)入與離開每一過程或設(shè)備的各種物料數(shù)量、組分，以及各組分的含量。為后續(xù)的車間能量衡算、設(shè)備選型或工藝設(shè)計(jì)、確定原材料消耗定額、進(jìn)行化工管路設(shè)計(jì)等各種設(shè)計(jì)項(xiàng)目的依據(jù)。
3.2 物料衡算依據(jù)
物料衡算的依據(jù)如下。
（1）設(shè)計(jì)項(xiàng)目：化學(xué)原料藥多功能車間
（2）產(chǎn)品名稱：硫辛酸、依非韋倫、纈沙坦
（3）工作日：300 天/年（三個(gè)產(chǎn)品不重疊生產(chǎn)，每次僅生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品）
（4）生產(chǎn)班次：兩班/三班，8小時(shí)/班。原則上各工序每套設(shè)備每天處理一批物料，工序具體生產(chǎn)班制按操作周期確定。
（5）日產(chǎn)量：日產(chǎn)量=年產(chǎn)量/年工作日
（6）生產(chǎn)方式：間歇式生產(chǎn)
3.3 物料衡算基準(zhǔn)
基準(zhǔn)：物料衡算以批計(jì)算，物料單位為kg。
3.4 硫辛酸工藝過程物料衡算
3.4.1 生產(chǎn)日的確定
硫辛酸年產(chǎn)量25t，含量為99.5%，由工藝路線可知反應(yīng)的總收率為58%×90%×94%×99.5%= 48.8%，根據(jù)反應(yīng)方程式可以得出需要投入的原料6,8-二氯辛酸乙酯的總量W總=25×99.5%×241/（48.8%×206）=59606.19kg。由工藝配比可得出反應(yīng)釜中每種物料需要的總質(zhì)量，如表3-1所示。
表3-1 反應(yīng)原料用量
原輔料名稱
規(guī)格
質(zhì)量 kg
6,8-二氯辛酸乙酯
≥99%
60208.28
純化水
符合藥典標(biāo)準(zhǔn)
30104.14
水合硫化鈉
≥99%
66229.11
硫磺
≥99%
10235.41
四丁基溴化銨
≥99%
5418.75
95%乙醇
工業(yè)
120416.56
反應(yīng)釜中的總物料質(zhì)量：
M=60208.28+30104.14+66229.11+10235.41+5418.75+120416.56=341050.22 kg
體積V=M/ρ=(341050.22/1000)×1000=341050.22 L
由于反應(yīng)有回流，所以裝料系數(shù)取0.6-0.7較為合理
（1）裝料系數(shù)為0.6時(shí)，反應(yīng)釜中應(yīng)該加入的體積為2000/0.6=1200L
生產(chǎn)批次為341050.22/1200=284.2批
（2）裝料系數(shù)為0.7時(shí)，反應(yīng)釜中應(yīng)該加入的體積為2000/0.7=1400L
生產(chǎn)批次為341050.22/1400=243.6批
綜合考慮可確定生產(chǎn)批次為260批，生產(chǎn)日為130天。則每批投入6,8-二氯辛酸乙酯的質(zhì)量W=114.63kg。
3.4.2 工藝過程物料衡算
詳見附錄5硫辛酸物料衡算方框圖。
3.5 依非韋倫工藝過程物料衡算
3.5.1 生產(chǎn)日的確定
依非韋倫年生產(chǎn)量25t，含量為99.5%，由工藝路線可知總收率為90%×85%×95%×99.5%=72.3%?？傻迷?-氯-2-(三氟乙?；?苯胺的總質(zhì)量：W總=25000×99.5%×220.5/（72.3%×312.5）=25263.48kg
反應(yīng)釜中總質(zhì)量M=0.45W+0.45W+0.39W+0.5W+1W+1W+2W+0.07W+0.48W=6.34W
體積V=M/ρ=(6.34W/950)×1000=6.67W
（1）裝料系數(shù)0.6時(shí)，反應(yīng)釜中物料體積為V=6.67W=2000×0.6 求得W=179.91kg
生產(chǎn)批次為25263.48/179.91=140.42批
（2）裝料系數(shù)0.65時(shí)，反應(yīng)釜中物料體積為V=6.67W=2000×0.65 求得W=194.90kg
生產(chǎn)批次為25263.48/194.91=129.62批
綜合考慮可確定生產(chǎn)批次為132批，生產(chǎn)日為66天。則每批投入4-氯-2-(三氟乙?；?苯胺的質(zhì)量W=191.39kg。
3.5.2 工藝過程物料衡算
詳見附錄6依非韋倫物料衡算方框圖。
3.6 纈沙坦工藝過程物料衡算
3.6.1 生產(chǎn)日的確定
根據(jù)說明書要求生產(chǎn)日300天，綜合硫辛酸生產(chǎn)日，依非韋倫生產(chǎn)日，預(yù)留清洗維修時(shí)間，排班的要求，可確定纈沙坦的生產(chǎn)日為90天。則每批投入N-正戊?；i氨酸甲酯的質(zhì)量W=161.11kg
3.6.2 工藝過程物料衡算
詳見附錄7纈沙坦物料衡算方框圖。
注：生產(chǎn)日依據(jù)每天兩條生產(chǎn)線，反應(yīng)容器最大2000L，裝料系數(shù)0.6-0.8之間的原則確定。
第四章 熱量衡算
藥物生產(chǎn)的整個(gè)過程由許多基本單元組成，每個(gè)基本單元操作過程均伴隨能量轉(zhuǎn)換，并需要保持平衡。每個(gè)過程均需要由系統(tǒng)吸收或放出能量，相應(yīng)的，外界需對系統(tǒng)提供或移除能量。由此可以確定外供的公用工程消耗，如蒸汽、冷卻水、循環(huán)水等的用量。
4.1 計(jì)算依據(jù)
熱量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律，以車間物料衡算的結(jié)果為基礎(chǔ)而進(jìn)行,所以車間物料衡算表是進(jìn)行車間熱量衡算的首要條件。
對于有傳熱要求的設(shè)備，其熱量平衡方程式為：
Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5＋Q6 （4-1）
式中Q1—物料帶入到設(shè)備的熱量 KJ；
Q2—加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和所處理物料的熱量 KJ；
Q3—過程熱效應(yīng) KJ；
Q4—物料離開設(shè)備所帶走的熱量 KJ；
Q5—加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量 KJ；
Q6—設(shè)備向環(huán)境散失的熱量 KJ。
4.1.1 Q1（Q4）計(jì)算
Q1（Q4）可用下式計(jì)算：
Q1（Q4）= KJ （4-2）
式中m—輸入（或輸出）設(shè)備的物料質(zhì)量kg；
Cp—物料的平均比熱容 kJ/(kg·℃)；
T—物料的溫度℃； T0—基準(zhǔn)溫度。
因?yàn)槲锪系谋葻崛菔菧囟鹊暮瘮?shù)，上式中物料的比熱容是指進(jìn)、出口物料的定壓平均比熱容，對于進(jìn)口物料取基準(zhǔn)溫度與物料進(jìn)口溫度的平均溫度下的比熱容；對于出口物料取基準(zhǔn)溫度與物料出口溫度的平均溫度下的比熱容。對于不同物料的比熱容可查《化學(xué)工程手冊》（第1冊）或《化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊》（下），若查不到，應(yīng)用估算方法求出相應(yīng)溫度下的比熱容值。
4.1.2 過程熱效應(yīng)Q3
化學(xué)過程的熱效應(yīng)包括化學(xué)反應(yīng)熱與狀態(tài)變化熱。純物理過程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱；而對于化學(xué)反應(yīng)過程，在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，往往還伴有狀態(tài)變化熱。在熱量衡算中，過程熱效應(yīng)Q3的符號為：放熱為正；吸熱為負(fù)。
4.1.3 Q5與Q6的確定
根據(jù)工藝操作經(jīng)驗(yàn)，一般（Q5＋Q6）=5%～10%（Q4＋Q5＋Q6）；一般情況Q5可省略，Q6可按下式計(jì)算：
Q6=∑AαT（tT-t0）τ×10-3 kJ （4-3）
式中 A—設(shè)備散熱表面積m2
αT—設(shè)備散熱表面與周圍介質(zhì)之間的聯(lián)合給熱系數(shù) W/(m2·℃)
tT—與周圍介質(zhì)直接接觸額設(shè)備表面溫度 ℃
t0—周圍介質(zhì)溫度 ℃
τ—過程持續(xù)時(shí)間 s
對于室內(nèi)操作的鍋式反應(yīng)器，αT的數(shù)值可近似取作10 W/(m2·℃)。
4.1.4 Q2的計(jì)算
由以上計(jì)算過程得到Q1、Q3、Q4、Q5、Q6后，根據(jù)熱量平衡方程式求出設(shè)備的熱負(fù)荷Q2=Q1+Q5+Q6-Q1-Qs。Q2正值表示需對設(shè)備加熱；負(fù)值表示需冷卻。也可用公式Q總≈1.1Q估算需要的總熱量。
在熱量衡算中，大部分物料的物性常數(shù)可通過相關(guān)的物性常數(shù)手冊查取，如《化學(xué)工程手冊》（第1冊），《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》（下），《制藥工程學(xué)》、《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 有機(jī)卷》、《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 無機(jī)卷》。當(dāng)遇到手冊中數(shù)據(jù)不全的情況時(shí)，就需通過一些公式來估算這些物性常數(shù)。在本設(shè)計(jì)中涉及的物性計(jì)算有比熱容、化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)等，以下介紹他們的計(jì)算方法。
4.2 熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算和查取
4.2.1 比熱容的計(jì)算
4.2.1.1 液體的比熱容的計(jì)算
大多數(shù)液體的比熱容在1.7～2.5kJ/(kg·℃)之間，少數(shù)液體例外。
液體比熱容一般與壓強(qiáng)無關(guān)，隨溫度上升而略有增大。
對于絕大多數(shù)有機(jī)化合物，其比熱容可依據(jù)《藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝設(shè)計(jì)》P208求得。先根據(jù)化合物的分子結(jié)構(gòu)，將各種基團(tuán)結(jié)構(gòu)的摩爾熱容數(shù)值加和，求出摩爾熱容，再由化合物的分子量換算成比熱容。常用數(shù)值見表4-1。
表4-1 基團(tuán)結(jié)構(gòu)摩爾熱容值〈J/(mol.℃)〉
基團(tuán)
溫度 ℃
-25
0
25
50
75
100
—H
—CH3
—CH2—
—CH—
季碳
炔碳
—O—
—CO—
—OH
—COO—
—COOH
—NH2
C6H5—
—Cl
—S—
12.6
38.5
27.2
20.9
8.4
46.1
28.9
41.9
27.2
56.5
71.2
58.6
108.9
28.9
37.3
13.4
40.0
27.6
23.9
8.4
46.1
29.3
42.7
33.5
57.8
74.1
58.6
113.0
29.3
37.3
14.7
41.7
28.3
24.9
8.4
46.1
29.7
43.5
44.0
59.0
78.7
62.8
117.2
29.7
38.5
15.5
43.5
29.1
25.8
8.4
46.1
30.1
44.4
52.3
61.1
83.7
67.0
123.5
30.1
39.4
16.7
45.9
29.8
26.6
8.4
30.6
45.2
61.8
63.2
90.0
129.8
30.8
18.8
48.4
31.0
28.1
31.0
46.1
71.2
64.9
94.2
136.1
31.4
4.2.1.2 固體的比熱容的計(jì)算
固體的比熱容可用科普定律來計(jì)算：
C=(kJ/(kg·℃) （4-4）
式中 Ca—元素的原子比熱容kJ/kg·℃，其值見表4-2；
n—固體分子中同種原子的個(gè)數(shù)；
M—化合物分子量。
表4-2 元素原子的比熱容
元素
Ca , KJ/(kg·℃)
元素
Ca , KJ/(kg·℃)
碳 C
7.535
氟 F
20.93
氫 H
9.628
硫 S
22.604
氧 O
16.74
磷 P
22.604
硼 B
11.302
其他元素
25.953
硅 Si
15.907
4.2.2 物理變化熱的計(jì)算
物理變化熱是指物料的狀態(tài)或濃度發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，常見的有相變熱和濃度變化熱。
4.2.2.1 相變熱
物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)變至另一相的過程，稱為相變過程，如蒸發(fā)、冷凝、熔融等都是常見的相變過程。相變過程常在恒溫恒壓下進(jìn)行，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為相變熱。由于相變過程中，體系的溫度不發(fā)生變化，故相變熱常稱為潛熱。
各種純化合物的相變熱可從相關(guān)手冊或文獻(xiàn)上查得，但應(yīng)注意相變熱的單位和符號。一般熱力學(xué)數(shù)據(jù)的相變熱以吸熱為正，放熱為負(fù)。
4.2.2.2 濃度變化熱
恒溫恒壓下，溶液因濃度發(fā)生改變而產(chǎn)生的熱效應(yīng)，稱為濃度變化熱。在藥品生產(chǎn)中，以物質(zhì)在水溶液中的濃度變化熱最為常見。但除了某些酸、堿水溶液的濃度變化熱較大外，大多數(shù)物質(zhì)在水溶液的濃度變化熱并不大，不會影響整個(gè)過程的熱效應(yīng)，因此，一般不予考慮。
某些物質(zhì)在水溶液中的濃度變化熱可直接從相關(guān)手冊或資料中查得，也可根據(jù)溶解熱或稀釋熱的數(shù)據(jù)來計(jì)算。
（1）積分溶解熱
恒溫恒壓下，將1mol溶質(zhì)溶解于n mol溶劑中，該過程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為積分溶解熱，簡稱溶解熱，ΔHs表示。
如鹽酸溶解熱可由下式計(jì)算：
ΔHs=50.158n/(1+n)+22.5 （4-5）
式中ΔHs —鹽酸的積分溶解熱 kJ/(mol HCL)；
n—溶解1molHCL的H2O的摩爾數(shù) mol。
4.2.3 化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算
為計(jì)算各種溫度下的反應(yīng)熱，規(guī)定當(dāng)反應(yīng)溫度為298K及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)反應(yīng)熱的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，習(xí)慣上用ΔH°表示，負(fù)值表示放熱，正值表示吸熱。這與在熱量衡算中所規(guī)定的符號正好相反，為避免出錯(cuò)，現(xiàn)用符號 表示標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，放熱為正，吸熱為負(fù)，則=－ΔH°。
標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)可以在《化學(xué)工程手冊》（第一冊）或《化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊》（下）中查到；當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)生成熱或標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求得。
（1）用標(biāo)準(zhǔn)生成熱求，其公式為：
qr0=-∑vqf kJ/mol （4-6）
式中：ν-反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；
qf—標(biāo)準(zhǔn)生成熱kJ/mol
（2）用標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求，其公式為
=∑vqr kJ/mol （4-7）
式中：ν-反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；
-標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 kJ/mol。
（3）標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱的計(jì)算
理查德法計(jì)算有機(jī)物的燃燒熱，即：
=＋ kJ/mol （4-8）
式中：、—常數(shù)，與化合物結(jié)構(gòu)相關(guān)
—化合物完全燃燒時(shí)所需的氧原子數(shù)
遵循規(guī)律見《藥廠反應(yīng)設(shè)備及車間工藝設(shè)計(jì)》P212，化合物中各基團(tuán)的a、b值查P213~217表6-6、表6-7。
（4）不同溫度下反應(yīng)熱的計(jì)算
反應(yīng)恒定在t℃溫度下進(jìn)行，而且反應(yīng)物及生成物在（25～t）℃范圍內(nèi)均無相變化，則的計(jì)算公式為：
=-（t-25）（）kJ/mol （4-9）
式中 —標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱kJ/mol；
—反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正；
Cp—反應(yīng)物或生成物在（25～t）℃范圍內(nèi)的平均比熱kJ/kg·℃；
t —反應(yīng)溫度℃。
具體計(jì)算過程見附錄8 熱量衡算。
第五章 主要設(shè)備選型計(jì)算及驗(yàn)證
5.1 設(shè)備選型計(jì)算驗(yàn)證依據(jù)
設(shè)備選型的標(biāo)準(zhǔn)要符合GMP要求，設(shè)備選型計(jì)算時(shí)，首先要滿足工藝流程和各項(xiàng)工藝參數(shù)，計(jì)算時(shí)，要假定設(shè)備最大生產(chǎn)能力要大于設(shè)計(jì)工藝要求。
5.2 精餾塔選型計(jì)算
5.2.1 流程確定和說明
5.2.1.1 加料方式
加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接加料。前者通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。并可以節(jié)省一筆動力費(fèi)用，但建設(shè)費(fèi)用增加；后者受泵的影響、流量和流速不穩(wěn)定，從而影響傳質(zhì)效率，但結(jié)構(gòu)簡單安裝方便。本次采用高位槽進(jìn)料。
5.2.1.2 進(jìn)料狀況
進(jìn)料狀況一般 有冷液進(jìn)料、泡點(diǎn)進(jìn)料。前者當(dāng)組成一定時(shí)，流量一定，對分離有利，節(jié)省加熱費(fèi)用，但受環(huán)境影響較大。后者不僅對穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。本次采用泡點(diǎn)進(jìn)料。
5.2.1.3 回流方式
回流方式可分為重力回流和強(qiáng)制回流。對于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。其優(yōu)點(diǎn)回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是回流控制較難。如果塔較高，回流冷凝器不適合于塔頂安裝，所以可以采用強(qiáng)制回流。本次設(shè)計(jì)為小型塔，故采用重力回流。
5.2.1.4 加熱方式
加熱方式分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。 直接蒸汽加熱是用蒸汽直接由塔底進(jìn)入塔內(nèi)。但在一定的回流比條件下塔底蒸汽對回流液有稀釋作用。間接蒸汽加熱優(yōu)點(diǎn)是使釜液部分汽化，維持原來的濃度，以減少理論板數(shù)，缺點(diǎn)是增加加熱裝置。
5.2.2 精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算
5.2.2.1 操作壓力與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
（1）操作壓力
操作壓力分為常壓、加壓和減壓操作。精餾操縱中壓力影響非常大。當(dāng)壓力增大時(shí)，混合液的相對揮發(fā)度將減小，對分離不利；當(dāng)操作壓減小時(shí)，相對揮發(fā)度將增大，對分離有利。當(dāng)壓力不太低時(shí)，對設(shè)備的要求較高，設(shè)備費(fèi)用增加。因此在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用常壓蒸餾。此設(shè)計(jì)采用常壓蒸餾。
（2）氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù)
表5-1：氯甲酸甲酯-乙酸乙酯氣液兩相平衡圖
平衡溫度t
40
55
58
60
62
66
70
74
80.1
液相y
14.1
4.05
50.0
15.1
9.8
5.3
3.1
1.6
0
氣相x
50.7
35.18
58.6
51.6
47.2
38.2
28.5
18.2
0
（3）物料平衡計(jì)算
① 物料衡算F＇=900=14.3%，x＇D=99%，x＇W =1%，M氯甲酸甲酯=94.5，M乙酸乙酯 =88.11
摩爾分率： xF ==13.65%，
xD ==98.93%，
xW ==0.93%
進(jìn)料平均相對分子質(zhì)量：
M平=0.1365×94.5+0.8635×88.11=88.98kg/kmol
② 根據(jù)氣液平衡表利用內(nèi)插法求塔頂溫度tL,tV,塔釜溫度tw,進(jìn)料溫度tf
a.塔頂溫tL,tV：
解得tL=71.43℃
解得td=71.43℃
b.塔釜溫度tW
解得tw=76.55℃
c.進(jìn)料溫度tf
解得tf=75.77℃
③相對揮發(fā)度α：
t=74℃時(shí) α1
t=40℃時(shí) α2
α
5.2.2.2 精餾塔工藝計(jì)算
已知：進(jìn)料為泡點(diǎn)進(jìn)料xq=xF=0.1365，xD=0.9893
………………………………………（5-1）
解得：yq=0.61；Rmin =0.44
可知 R=1.5×Rmin=0.66
精餾段方程 …………………………………………（5-２）
=0.398X+0.596
已知xq=0.1365 yq=0.61 xw=yw=0.0093
得：提餾段方程 y=4.72x-0.035
根據(jù)平衡線與操作線可得精餾塔板數(shù) 24塊，提餾段 8 塊 ，精餾段 16塊。
5.3 反應(yīng)釜選型驗(yàn)證
本次設(shè)計(jì)中，設(shè)備的選型多且復(fù)雜，我們主要列出依非韋倫反應(yīng)中反應(yīng)釜的選型驗(yàn)證。
5.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
5.3.1.1 設(shè)計(jì)壓力
設(shè)計(jì)壓力是指設(shè)定的容器頂部最高的壓力 ，設(shè)計(jì)壓力一般取稍高于最大工作壓力，最大工作壓力是指容器在工藝操作過程中局部可能達(dá)到的最大表壓力。當(dāng)液體物料的靜壓力不超過最大工作壓力5%則不計(jì)入，否則需計(jì)入液體靜壓力。因本次用于反應(yīng)的反應(yīng)釜對壓力的要求不高，所以設(shè)計(jì)壓力為0.3Mpa。
5.3.1.2 設(shè)計(jì)溫度
設(shè)計(jì)溫度取在相應(yīng)設(shè)計(jì)壓力下筒壁金屬可能達(dá)到最高或最低的溫度，根據(jù)兩種產(chǎn)品物料反應(yīng)所需溫度，估算后取100℃。
5.3.1.3 許用應(yīng)力
許用應(yīng)力據(jù)表查得1270kg/cm2，焊縫系數(shù)φ應(yīng)根據(jù)焊接接頭的形式和焊縫無損探傷檢驗(yàn)要求，按表22-12選取，因是雙面焊的對接焊縫，不作無損探傷，所以選取焊縫系數(shù)0.7。
壁厚附加量由鋼板負(fù)偏差C1，腐蝕裕量C2，加工減薄量C3，計(jì)算封頭時(shí)C3取0.5mm，三部分構(gòu)成。C1取0.6mm；因硫辛酸的制備用到強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，所以腐蝕裕量C2取2mm；C3取0mm。
5.3.2 釜體材料的選擇
釜體材料選用316L不繡鋼，因不銹鋼中添加Mo，故耐腐蝕性，耐高溫、抗蠕變性能優(yōu)秀，能在871℃下間斷使用和在927℃等苛刻條件下連續(xù)使用。因反應(yīng)用到強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，故反應(yīng)釜內(nèi)罐體材料為鋼襯聚四氟乙烯PTFE、ETFE。鋼襯聚四氟乙烯PTFE、ETFE具有耐強(qiáng)酸，如鹽酸、硝酸等；耐強(qiáng)堿；耐高溫；幾乎能耐任何無機(jī)有機(jī)溶劑、氧化劑等化學(xué)品的優(yōu)秀特性。
5.3.3 筒體幾何尺寸計(jì)算
筒體基本尺寸首先決定于化學(xué)工藝要求，對于帶攪拌器的反應(yīng)釜來說，設(shè)備容積V為主要決定參數(shù)。由于攪拌功率與攪拌器直徑的五次方成正比，而攪拌器直徑往往隨容器直徑的加大而增大，因此反應(yīng)釜直徑不宜太大。長徑比的確定通常采用經(jīng)驗(yàn)值，具體如下：
表5-2 幾種反應(yīng)釜的H筒/D內(nèi)值
種類
釜內(nèi)物料類型
H筒/D內(nèi)
一般反應(yīng)釜
液-固相或液-液相物料
1-1.3
氣-液相物料
1-2
發(fā)酵釜類
1.7-2.5
5.3.3.1 確定筒體和封頭的直徑
設(shè)備容積為2000L，容器不大，所以長徑比取1.2。從工藝知反應(yīng)狀態(tài)有沸騰，綜合考慮反應(yīng)釜的裝料系數(shù)η取0.75，設(shè)備容積V與操作容積V有如下關(guān)系：V操=η×V。根據(jù)容積及選定的H筒/D內(nèi)值可初步估算筒體內(nèi)徑V=D2內(nèi)×H筒,
………………………………………（5-３）
式中：V-設(shè)備容積，m3；D內(nèi)-筒體內(nèi)徑，m；H筒-筒體高度，m
代入數(shù)據(jù)，
反應(yīng)釜的估算直徑D內(nèi)應(yīng)圓整到公稱直徑Dg