制药工艺学(化药工艺4)课件

中试放大的研究内容中试放大的研究内容1 物料衡算物料衡算2生产工艺规程生产工艺规程3第四章第四章 化学制药工艺的放大化学制药工艺的放大一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大（又叫中试放大（又叫中间试验中间试验）,目的目的是是验证、验证、复审和完善实验室工艺所研究确定的反应条复审和完善实验室工艺所研究确定的反应条件件，及，及研究选定的工业化生产设备结构、材研究选定的工业化生产设备结构、材质、安装和车间布置质、安装和车间布置等，等，为正式生产提供数为正式生产提供数据，以及物质量和消耗据，以及物质量和消耗等。等。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 概概 述述 1.1.工艺过程工艺过程在生产过程中凡直接关系到在生产过程中凡直接关系到化学合化学合成反应成反应或或生物合成途径生物合成途径的的次序、条件次序、条件（配料比、温（配料比、温度、反应时间、搅拌方式、后处理方法和精制条件度、反应时间、搅拌方式、后处理方法和精制条件等）等）统称为工艺条件。统称为工艺条件。由由原料原料到到成品成品之间的各个相之间的各个相互连接的互连接的单元操作过程单元操作过程及其及其质量监控质量监控是生产工艺过是生产工艺过程。程。一个产品由若干个车间线完成生产。一个产品由若干个车间线完成生产。2.2.辅助过程辅助过程其它过程（包括动力供应、原料供其它过程（包括动力供应、原料供应、包装、储运、三废处理等）则成为辅助过程。应、包装、储运、三废处理等）则成为辅助过程。3.3.放大的概念放大的概念 将将实验室实验室和和中试车间试验中试车间试验取得的研究结果应用到取得的研究结果应用到大规模的工业生产中的过程就是大规模的工业生产中的过程就是放大放大。工艺的放大包括工艺的放大包括实验室、小量试制、中试工厂实验室、小量试制、中试工厂（车间）和生产车间（车间）和生产车间4 4个步骤。个步骤。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 （1 1）实验室研究阶段：）实验室研究阶段：新药研究的探索阶段，新药研究的探索阶段，目目的的是是发现发现先导化合物和对先导化合物的结构修饰，先导化合物和对先导化合物的结构修饰，找出新药苗头。找出新药苗头。任务任务通过实验找出科学合理的合成通过实验找出科学合理的合成路线和最佳反应条件尽快完成化合物的合成；利用路线和最佳反应条件尽快完成化合物的合成；利用各种手段，确证化学结构；测定化合物的主要物理各种手段，确证化学结构；测定化合物的主要物理参数，了解化合物的一般性质。参数，了解化合物的一般性质。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 （2 2）实验室小试：）实验室小试：在实验室规模的条件下进行，在实验室规模的条件下进行，提供足够数量的药物供临床前评价。提供足够数量的药物供临床前评价。考查工艺参数、考查工艺参数、设备与原料，设备与原料，转化率，收率，成本估算转化率，收率，成本估算等等。目的目的是是为为中试做技术准备中试做技术准备。要求收率稳定，质量可靠。确。要求收率稳定，质量可靠。确定操作条件，制成品、半成品、中间品、原料等建定操作条件，制成品、半成品、中间品、原料等建立相应的分析方法。立相应的分析方法。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 1 1）选择比较成熟的工艺路线）选择比较成熟的工艺路线 合成步骤短，总产率高，设备技术条件和工艺合成步骤短，总产率高，设备技术条件和工艺 流程简单，原材料来源充裕而且便宜。流程简单，原材料来源充裕而且便宜。2 2）用工业级原料代替化学试剂）用工业级原料代替化学试剂 找出工业级原料生产的最佳反应条件和处理方找出工业级原料生产的最佳反应条件和处理方 法，达到优质、价廉和高产的目的。法，达到优质、价廉和高产的目的。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 3 3）原料和溶剂的回收套用）原料和溶剂的回收套用 溶剂中含有的反应副产物，反应不完全的剩余溶剂中含有的反应副产物，反应不完全的剩余 原料，挥发性杂质等。原料，挥发性杂质等。4 4）安全生产和环境卫生）安全生产和环境卫生 去掉有毒物质和有害气体参与的合成反应，提去掉有毒物质和有害气体参与的合成反应，提 出出“三废三废”处理方案。处理方案。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容（3 3）中试放大：）中试放大：把实验室小试研究确定的工艺路把实验室小试研究确定的工艺路线与条件，线与条件，放大放大5050100100倍的中等规模倍的中等规模，进行工艺，进行工艺试验，试验，工业化生产考查、优化，包括产品质量、经工业化生产考查、优化，包括产品质量、经济效益、劳动强度等，确定最佳操作条件济效益、劳动强度等，确定最佳操作条件。目的目的是是为为车间设计、施工安装、中间质控，制定质量要求车间设计、施工安装、中间质控，制定质量要求与规程提供数据和资料与规程提供数据和资料。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 制定车间生产工艺：制定车间生产工艺：在大型设备和车间投入生在大型设备和车间投入生产，试制若干批号后，制定出生产工艺规程。产，试制若干批号后，制定出生产工艺规程。（4 4）工业化生产阶段）工业化生产阶段一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大的重要性中试放大的重要性1.以便进一步研究在一定规模装置中以便进一步研究在一定规模装置中操作参数和条操作参数和条件的变化规律件的变化规律，验证实验室工艺路线的可行性，验证实验室工艺路线的可行性，并并解决实验室阶段未能解决或尚未发现的问题解决实验室阶段未能解决或尚未发现的问题。2.2.为新药开发过程提供一定数量的样品，通常需要为新药开发过程提供一定数量的样品，通常需要2 210kg10kg数量。数量。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大的重要性中试放大的重要性 3.3.确定工艺路线后，每步化学合成反应或生物合确定工艺路线后，每步化学合成反应或生物合成反应不会因小试、中试放大和大型生产条件不同成反应不会因小试、中试放大和大型生产条件不同而有明显变化，但而有明显变化，但各步各步最佳工艺条件最佳工艺条件，则随试验规，则随试验规模和设备等外部条件的不同而有可能需要调整模和设备等外部条件的不同而有可能需要调整。一一、中试放大的研究内容中试放大的研究内容 中试放大的重要性中试放大的重要性 4.4.为原料药的生产报批和新药审批提供最主要的为原料药的生产报批和新药审批提供最主要的实验数据。实验数据。5.5.为产品投产前的为产品投产前的GMPGMP认证打下一定的基础。认证打下一定的基础。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大的研究的条件中试放大的研究的条件 1.1.小试工艺收率稳定，质量可靠。小试工艺收率稳定，质量可靠。2.2.操作条件的确定。操作条件的确定。3.3.产品、中间体、原料分析方法的确定。产品、中间体、原料分析方法的确定。4.4.小试用试剂不影响收率、质量。小试用试剂不影响收率、质量。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大的研究的条件中试放大的研究的条件 5.5.进行物料衡算及计算所需原料成本。进行物料衡算及计算所需原料成本。6.6.“三废三废”量的计算。量的计算。7.7.工艺中的注意事项、安全问题提出，并有工艺中的注意事项、安全问题提出，并有 防范措施。防范措施。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大研究的基本方法中试放大研究的基本方法 中试放大的方法有：中试放大的方法有：逐级经验放大法逐级经验放大法 相似放大法相似放大法 数学模拟放大法数学模拟放大法一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容逐级经验放大法逐级经验放大法 主要凭借经验通过主要凭借经验通过逐级放大逐级放大（试验装置（试验装置中中间装置间装置中型装置中型装置大型装置）大型装置）来摸索反应来摸索反应器的特征器的特征。是制药工艺研究和药物合成科研中的。是制药工艺研究和药物合成科研中的主要方法。主要方法。前提条件前提条件放大的反应装置必须与提供经验放大的反应装置必须与提供经验数据的装置保持完全相同的操作数据的装置保持完全相同的操作条件。条件。搅拌反应器构成：搅拌反应器构成：一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 搅拌器的选型原则？搅拌器的选型原则？搅拌反应器的放大准则？搅拌反应器的放大准则？搅拌反应器放大设计的基础搅拌反应器放大设计的基础常用的搅拌器：常用的搅拌器：一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容锥螺带锥螺带(VCR)前进式前进式(AR)最大叶片式最大叶片式泛能式泛能式叶片组合式叶片组合式扭格子式扭格子式EKATO同轴同轴多臂行星式多臂行星式真空乳化釜真空乳化釜新型立新型立式搅拌式搅拌一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容搅拌器的搅拌器的分类分类选型选型一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容搅拌器的搅拌器的分类分类选型选型搅拌器搅拌器型式型式槽容积范槽容积范围围 m3转速范围转速范围r/min最高粘度最高粘度Pa.s气体气体吸收吸收结结晶晶传传热热液相液相反应反应涡轮式涡轮式11001030050桨式桨式12001030050推进式推进式110001005002一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容搅拌器型搅拌器型式式对对流流循循环环湍湍流流扩扩散散剪剪切切流流低粘低粘度液度液混合混合高粘高粘度液度液混合混合传热传热反应反应分分散散溶溶解解固固体体悬悬浮浮折叶开启折叶开启涡轮式涡轮式布尔马布尔马金式金式锚式锚式螺杆式螺杆式螺带式螺带式一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容搅拌器型搅拌器型式式槽容积槽容积范围范围 m3转速范围转速范围r/min最高粘度最高粘度Pa.s气体气体吸收吸收结结晶晶传传热热液相液相反应反应折叶开启折叶开启涡轮式涡轮式110001030050布尔马布尔马金式金式11001030050锚式锚式11001100100螺杆式螺杆式1500.550100螺带式螺带式1500.5501001.空心夹套空心夹套3.螺旋导流板夹套螺旋导流板夹套2.半管夹套半管夹套5.内部夹套内部夹套常用的夹套：常用的夹套：一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容常用的挡板：常用的挡板：一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容常用的内冷管：常用的内冷管：一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容（1 1）几何相似放大）几何相似放大。按反应器各部件的几何尺寸。按反应器各部件的几何尺寸比例进行放大，放大倍数是实际反应器体积的倍数。比例进行放大，放大倍数是实际反应器体积的倍数。当体积放大时，反应器的高度和直径均放大当体积放大时，反应器的高度和直径均放大 。1212HHDD 常数32211VDmVD一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容1132HmH1132DmDHDV式中式中:反应器的高度反应器的高度，m；反应器的内径反应器的内径，m；下标下标“1”-模型反应器下标模型反应器下标,“2”放大的反应器。放大的反应器。反应器的体积反应器的体积，m3；若按几何相似放大法，当体积增加若按几何相似放大法，当体积增加1010倍时，生物反倍时，生物反应器的直径和高度均放大应器的直径和高度均放大10101/31/3倍。倍。5.37.1 DH3121 DDi0.18.0 iDC12181 DB52iDS20DHDiDBha=1Di/4hb=1ha/10=1Di/40一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容DiDB体积体积DhDhDhDVbab614642221 椭圆形封头体积：椭圆形封头体积：反应器的总体积：反应器的总体积：21246bVDHhD一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容（2 2）恒定等体积搅拌功率恒定等体积搅拌功率放大放大，是一般化学反应器，是一般化学反应器的放大准则。的放大准则。以以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一这一准则进行的反应器的放大，是一般机械搅拌式化学准则进行的反应器的放大，是一般机械搅拌式化学反应器的放大准则。反应器的放大准则。常数LPV一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容31513112)(iipLDDnNVP32523222)(iipLDDnNVP根据根据()32211DPPD212312()iiDnnD一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容（3 3）恒定混合时间恒定混合时间放大放大 混合时间混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所需的时间混合均匀时所需的时间。在小反应器中，比较容。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难。易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容32111362222()MiiLitnDgDHD对于几何相似的反应器对于几何相似的反应器，21MMtt时时，从上式可以得出：从上式可以得出：142112()nDnD注意注意 经验放大法适用于经验放大法适用于反应器的搅拌反应器的搅拌形式、结构等反应条件相似的情况，形式、结构等反应条件相似的情况，而且放大倍数不宜过大而且放大倍数不宜过大。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容v 例：某厂在例：某厂在100L100L的机械搅拌反应罐的机械搅拌反应罐中进行对氨基苯酚生中进行对氨基苯酚生产试验，所用的原料为对硝基苯酚，并获得良好的试验效产试验，所用的原料为对硝基苯酚，并获得良好的试验效果，反应液的果，反应液的密度密度1020kg/m1020kg/m3 3。v 现拟现拟放大至放大至20m20m3 3生产罐生产罐。试验罐的尺寸为：。试验罐的尺寸为：直径直径D D375mm375mm，搅拌叶轮，搅拌叶轮D Di i=125mm=125mm，高径比，高径比H/DH/D2.42.4，液深，液深H HL L1.5D1.5D，4 4块挡板的块挡板的W/DW/D0.10.1；装液量为装液量为60L60L，使用两档圆盘，使用两档圆盘六直叶涡轮搅拌器，六直叶涡轮搅拌器，转速转速n n为为350r/min350r/min。试用。试用P/VP/VL L相等的相等的原则进行放大计算。原则进行放大计算。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容对试验罐，有对试验罐，有21)()(LLVPVP31513112)(iipLDDnNVP32523222)(iipLDDnNVP同理，对放大罐，有同理，对放大罐，有根据根据P/VLP/VL相等原则，相等原则，则有则有212312()iiDnnD一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容由题设，知由题设，知221332120.125()350()109/min0.72iiDnnrDn1350r/min，Di1=125mm按照几何相似原则放大，放大罐的按照几何相似原则放大，放大罐的Di2=0.72m用用D Di1i1和和D Di2i2的值代入，可求得出放大罐的搅拌转速：的值代入，可求得出放大罐的搅拌转速：3535221092261020()(0.72)6014199()14.2()PiPNn DWKW一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容项项 目目试验罐试验罐放大罐放大罐公称体积公称体积V/m30.120装料体积装料体积VL/m30.0612放大倍数放大倍数1200高径比高径比H/D2.42.4液柱高液柱高VL/D1.51.5搅拌转速搅拌转速n350109一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容相似放大法相似放大法 根据根据相似理论，保持无因次准数（相似准数）相似理论，保持无因次准数（相似准数）相等的原则进行放大相等的原则进行放大。基于对过程的了解，确定影。基于对过程的了解，确定影响因素，用因次分析求得相似准数，根据相似理论响因素，用因次分析求得相似准数，根据相似理论的第一定律，系统相似时同一相似准数的数值相同，的第一定律，系统相似时同一相似准数的数值相同，计算后，进行放大。计算后，进行放大。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容数学模拟放大法数学模拟放大法 数学模拟放大是数学模拟放大是用数学方程式表述用数学方程式表述实际过程实际过程和实验结果，然后和实验结果，然后计算机模拟研究、设计，放大。计算机模拟研究、设计，放大。一般地，先对过程一般地，先对过程进行合理简化，提出物理模型，进行合理简化，提出物理模型，模拟实际过程模拟实际过程。再对物理模型。再对物理模型进行数学描述，从而进行数学描述，从而得到数学模型得到数学模型。最后。最后在计算机上研究各参数在计算机上研究各参数的变化对过程的影响。的变化对过程的影响。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 中试放大的研究内容中试放大的研究内容1.1.生产工艺路线的复审生产工艺路线的复审 在中试放大阶段，只是确定具体工艺操作和条在中试放大阶段，只是确定具体工艺操作和条件以适应工业生产。件以适应工业生产。但是当选定的工艺路线和工但是当选定的工艺路线和工艺过程，艺过程，在中试放大时暴露出难以克服的重大问在中试放大时暴露出难以克服的重大问题时，就需要复审实验室工艺路线，修正其工艺题时，就需要复审实验室工艺路线，修正其工艺过程。过程。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容2.2.设备材质与型式的选择设备材质与型式的选择 开始中试放大时应考虑所需各种开始中试放大时应考虑所需各种设备的材质设备的材质和和型式型式，并，并考查是否合适考查是否合适，尤其应注意，尤其应注意接触腐蚀性接触腐蚀性物料的设备材质的选择物料的设备材质的选择。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 一般来讲，如果反应是在酸性介质中进行，一般来讲，如果反应是在酸性介质中进行，就要用就要用防酸材料的设备防酸材料的设备,如搪玻璃容器如搪玻璃容器。如果是。如果是在碱性介质中反应，就得采用在碱性介质中反应，就得采用防碱材料的设备防碱材料的设备，如如不锈钢设备不锈钢设备。贮存。贮存浓盐酸应采用玻璃容器浓盐酸应采用玻璃容器，贮，贮存存浓硫酸应采用铁制容器浓硫酸应采用铁制容器，贮存，贮存浓硝酸应采用铝浓硝酸应采用铝制容器。制容器。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容3.3.搅拌器型式与搅拌速度的考查搅拌器型式与搅拌速度的考查 药物合成反应中的反应大多是非均相反应，其药物合成反应中的反应大多是非均相反应，其反应热效应较大。反应热效应较大。在实验室中由于物料体积较小，搅拌效率好，在实验室中由于物料体积较小，搅拌效率好，传热、传质的问题表现不明显，但是在中试放大传热、传质的问题表现不明显，但是在中试放大时，由于时，由于搅拌效率的影响，传热，传质的问题搅拌效率的影响，传热，传质的问题就就突出地暴露出来。突出地暴露出来。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 因此，中试放大时必须根据因此，中试放大时必须根据物料性质物料性质和和反应特反应特点点注意研究搅拌器的型式，考察搅拌速度对反应规注意研究搅拌器的型式，考察搅拌速度对反应规律的影响，特别是在固液非均相反应时，要选择律的影响，特别是在固液非均相反应时，要选择合乎反应要求的合乎反应要求的搅拌器型式搅拌器型式和和适宜的搅拌速度适宜的搅拌速度。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容4.4.反应条件的进一步研究反应条件的进一步研究 实验室阶段获得的最佳反应条件不一定能符合实验室阶段获得的最佳反应条件不一定能符合中试放大要求。应该就其中的中试放大要求。应该就其中的主要的影响因素，主要的影响因素，如放热反应中的如放热反应中的加料速度加料速度，反应罐的，反应罐的传热面积与传热面积与传热系数传热系数，以及制冷剂等，以及制冷剂等因素因素进行深入的试验研进行深入的试验研究，究，掌握它们在中试装置中的变化规律，以得到掌握它们在中试装置中的变化规律，以得到更合适的反应条件更合适的反应条件。例如：磺胺例如：磺胺5 5甲氧嘧啶生产的中间体甲氧嘧啶生产的中间体甲氧基乙醛缩二甲氧基乙醛缩二甲酯甲酯是由是由氯乙醛缩二甲酯氯乙醛缩二甲酯与与甲醇钠甲醇钠反应制得的。反应制得的。ClCHClCH2 2CH(OCHCH(OCH3 3)2 2 CHCH3 3OCHOCH2 2CH(OCHCH(OCH3 3)2 2 实验室阶段甲醇钠浓度用实验室阶段甲醇钠浓度用2020左右，在反应罐内显示左右，在反应罐内显示101010105 5PaPa的压力时，反应温度才能达到为的压力时，反应温度才能达到为140140。中试时中试时在在反应罐上安装了反应罐上安装了分馏塔分馏塔，随着甲醇馏分流出，罐内甲醇钠浓，随着甲醇馏分流出，罐内甲醇钠浓度逐渐升高，同时反应生成物沸点较高，反应物可在常压下度逐渐升高，同时反应生成物沸点较高，反应物可在常压下顺利加热到顺利加热到140 140，从而把原来，从而把原来加压条件加压条件改进为改进为常压条件常压条件。CH3ONa一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容5.5.工艺流程与操作方法的确定工艺流程与操作方法的确定 在中试放大阶段由于处理物料增加，因而又必在中试放大阶段由于处理物料增加，因而又必要考虑使反应与后处理的操作方法如何适应工业要考虑使反应与后处理的操作方法如何适应工业生产的要求，特别要注意生产的要求，特别要注意缩短工序、简化操作缩短工序、简化操作。主要从主要从加料方法加料方法、物料分离物料分离和和输送输送等方面考虑。等方面考虑。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容6.6.原辅材料和中间体的质量控制原辅材料和中间体的质量控制 1)1)原辅材料、中间体的物理性质和化工参数的测原辅材料、中间体的物理性质和化工参数的测定。如比热、粘度、定。如比热、粘度、爆炸极限爆炸极限等。等。2)2)原辅材料、中间体质量标准的制定。原辅材料、中间体质量标准的制定。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 7.7.安全生产与安全生产与“三废三废”防治措施的研究防治措施的研究 小试时由于原料用量少，安全生产与小试时由于原料用量少，安全生产与“三废三废”问问题不时很明显，但在中试阶段，原料用量多，安题不时很明显，但在中试阶段，原料用量多，安全生产与全生产与“三废三废”问题就会明显暴露出来，因此，问题就会明显暴露出来，因此，在在该阶段应就使用易燃、易爆和有毒物质的安全该阶段应就使用易燃、易爆和有毒物质的安全生产和劳动保护等问题进行研究，提出妥善的安生产和劳动保护等问题进行研究，提出妥善的安全技术措施。全技术措施。一、中试放大的研究内容一、中试放大的研究内容 8.8.消耗定额、原料成本、操作工时与生产周期的计算。消耗定额、原料成本、操作工时与生产周期的计算。1 1成品所消耗各成品所消耗各种物料的千克数。种物料的千克数。1 1成品所消耗各种成品所消耗各种物料价值的总和。物料价值的总和。每一操作工序每一操作工序从开始从开始至终了所需的至终了所需的实际作实际作业时间业时间从合成的第一步反应开始从合成的第一步反应开始到最后一步获得成品为止，到最后一步获得成品为止，生产一个批号成品生产一个批号成品所需时所需时间的总和。间的总和。二、物料衡算二、物料衡算 物料衡算也反应了生产过程的实际情况和完善物料衡算也反应了生产过程的实际情况和完善程度，如果对一个生产过程的物料衡算做的很完程度，如果对一个生产过程的物料衡算做的很完善，就表示我们对这个生产过程的了解比较深入。善，就表示我们对这个生产过程的了解比较深入。根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其备为研究对象，对其进出口处进行定量计算进出口处进行定量计算，称，称为物料衡算。为物料衡算。二、物料衡算二、物料衡算 物料衡算的理论基础物料衡算的理论基础物料衡算有两种情况：物料衡算有两种情况：针对已有的生产设备和装置针对已有的生产设备和装置，利用实际测定，利用实际测定的数据，的数据，计算出一些不能直接测定的物料量计算出一些不能直接测定的物料量。利用。利用计算结果，对计算结果，对生产生产情况进行情况进行分析和判断分析和判断，提出改进提出改进措施措施；也可用于；也可用于检查原料利用率检查原料利用率和和“三废三废”处理处理情情况。况。二、物料衡算二、物料衡算 物料衡算的理论基础物料衡算的理论基础 为了为了设计一种新的设备或装置设计一种新的设备或装置，根据，根据设计任务，设计任务，先作物料衡算，再经能量平衡求出设备或过程的先作物料衡算，再经能量平衡求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个设备流程。热负荷，从而确定设备尺寸及整个设备流程。二、物料衡算二、物料衡算 确定物料衡算的计算基准确定物料衡算的计算基准 (1)(1)以以每批操作每批操作为基准，适用于为基准，适用于间歇操作设备间歇操作设备、标准或定型设备标准或定型设备的物料平衡，合成药物的生产以的物料平衡，合成药物的生产以间歇操作居多。间歇操作居多。(2)(2)以以单位时间单位时间为基准，适用于为基准，适用于连续操作设备连续操作设备的的物料衡算。物料衡算。(3)(3)以以每公斤产品每公斤产品为基准，以确定为基准，以确定原材料的消耗原材料的消耗定额定额。二、物料衡算二、物料衡算 每年设备操作时间每年设备操作时间 车间设备车间设备每年正常开工生产的天数，一般以每年正常开工生产的天数，一般以330330天计算天计算，余下的，余下的3636天作为车间检修时间天作为车间检修时间。对于工艺。对于工艺技术尚未成熟或腐蚀性大的车间一般以技术尚未成熟或腐蚀性大的车间一般以300300天或更天或更少一些时间计算（少一些时间计算（270270天）。天）。连续操作连续操作设备也有按每年设备也有按每年8000800070007000小时为设小时为设计计算的基础。计计算的基础。二、物料衡算二、物料衡算 物料衡算步骤物料衡算步骤1)1)收集和计算所必需的基本数据。收集和计算所必需的基本数据。4)4)进行物料衡算进行物料衡算2)2)列出化学反应方程式，包括主反应和副反应；列出化学反应方程式，包括主反应和副反应；根据给定条件画出流程简图。根据给定条件画出流程简图。3)3)选择物料计算的基准。选择物料计算的基准。二、物料衡算二、物料衡算 物料衡算步骤物料衡算步骤5)5)列出物料平衡表：输入与输出的物料衡算表；列出物料平衡表：输入与输出的物料衡算表；“三废三废”排放量表；计算原辅材料消耗定额，排放量表；计算原辅材料消耗定额，通常按生产通常按生产1kg1kg产品计算。产品计算。二、物料衡算二、物料衡算物理过程物理过程例例1 1 拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知混合液的进料流量为混合液的进料流量为200kmol200kmol h h-1-1，其中含苯，其中含苯0.4(0.4(摩尔分率，下同摩尔分率，下同)，其余为甲苯。若规定塔，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于底釜液中苯的含量不高于0.010.01，塔顶馏出液中苯，塔顶馏出液中苯的回收率不低于的回收率不低于98.5%98.5%，试通过物料衡算确定塔，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。和摩尔分率表示。二、物料衡算二、物料衡算对全塔进行总物料衡算得对全塔进行总物料衡算得 (a)对苯进行物料衡算得对苯进行物料衡算得 (b)由塔顶馏出液中苯的回收率得由塔顶馏出液中苯的回收率得 (c)联解式联解式(a)(a)、(b)(b)和和(c)(c)得得 =80kmol h-1，=120 kmol h-1，=0.985WD200W01.0Dx4.0200D985.04.0200DxDDWDx二、物料衡算二、物料衡算表表1 1 苯和甲苯精馏过程的物料平衡表苯和甲苯精馏过程的物料平衡表摩尔组摩尔组成成/%/%苯：苯：0.010.01甲苯：甲苯：0.990.99输输 入入物料物料名称名称流量流量/kmol/kmol h h-1摩尔组摩尔组成成/%/%输输 出出物料物料名称名称流量流量/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馏出液馏出液8080釜液釜液120120总计总计200200 总计总计200200 二、物料衡算二、物料衡算1.1.收集有关计算数据收集有关计算数据 为了进行物料衡算，应根据中试放大数据或生产为了进行物料衡算，应根据中试放大数据或生产操作记录，收集下列各项数据：操作记录，收集下列各项数据：反应物的配料比反应物的配料比，原辅材料原辅材料、半成品半成品、成品成品及及副产品副产品等的等的名称、浓度、名称、浓度、纯度或组成等纯度或组成等。化学过程化学过程二、物料衡算二、物料衡算2.2.限制反应物限制反应物 在参与反应的反应物中，其中之一为有限的，在参与反应的反应物中，其中之一为有限的，以最小的化学计量存在的反应物。以最小的化学计量存在的反应物。二、物料衡算二、物料衡算3.3.过量反应物过量反应物 该反应物超过与限制反应物反应的化学计量。该反应物超过与限制反应物反应的化学计量。反应物的过量程度，常以过量百分数表示，即反应物的过量程度，常以过量百分数表示，即%100需要量需要量输入量过量摩尔二、物料衡算二、物料衡算4.4.反应完全程度反应完全程度 这是用以衡量反应是否进行完全。这是用以衡量反应是否进行完全。%100限制反应物的进料量限制反应物的反应量反应的完全程度二、物料衡算二、物料衡算5.5.转化率转化率 对某一组分来说，对某一组分来说，反应物所消耗的物料量反应物所消耗的物料量与与投投入反应物料量入反应物料量之比简称该组分的转化率。一般以之比简称该组分的转化率。一般以百分率表示。百分率表示。%100AA组分的量投入反应组分的量反应消耗AX二、物料衡算二、物料衡算 某些化学反应过程，主要反应物经一次反应的某些化学反应过程，主要反应物经一次反应的转化率不高，甚至很低，但未反应的主要反应物转化率不高，甚至很低，但未反应的主要反应物经分离回收后可循环使用，此时的转化率有单程经分离回收后可循环使用，此时的转化率有单程转化率和总转化率之分。转化率和总转化率之分。单程转化率与总转化率单程转化率与总转化率二、物料衡算二、物料衡算例例2 2 用苯氯化制备氯苯时，为减少副产物二氯苯的用苯氯化制备氯苯时，为减少副产物二氯苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每生成量，应控制氯的消耗量。已知每100mol100mol苯与苯与40mol40mol氯反应，反应产物中含氯反应，反应产物中含38mol38mol氯苯、氯苯、1mol1mol二氯二氯苯以及苯以及61mol61mol未反应的苯。反应产物经分离可回收未反应的苯。反应产物经分离可回收60mol60mol的苯，损失的苯，损失1mol1mol苯。试计算苯的单程转化率苯。试计算苯的单程转化率和总转化率。和总转化率。单程转化率与总转化率单程转化率与总转化率二、物料衡算二、物料衡算%0.39%10010061100Ax苯的总转化率：苯的总转化率：单程转化率与总转化率单程转化率与总转化率苯的单程转化率：苯的单程转化率：%5.97%1006010061100Tx二、物料衡算二、物料衡算6.6.收率（产率）收率（产率）某重要产物某重要产物实际收的量实际收的量与投入原料计算的与投入原料计算的理论产理论产量量之比值，也以百分率表示。之比值，也以百分率表示。%100理论产量按某一主要原料计算的产物实际得量Y%100原料投入量量产物收得量折算成原料Y二、物料衡算二、物料衡算7.7.选择性选择性各种主、副产物中，主产物所占分率。各种主、副产物中，主产物所占分率。%100反应掉原料量料量主产物生成量折算成原二、物料衡算二、物料衡算 例例3 3：甲氧苄氨嘧啶生产中由没食子酸经甲基化：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，测得投料没食子酸反应制备三甲氧苯甲酸工序，测得投料没食子酸25.0kg25.0kg，未反应的没食子酸，未反应的没食子酸2.0kg2.0kg，生成三甲氧，生成三甲氧苯甲酸苯甲酸24.0kg24.0kg，求转化率、选择性和收率。，求转化率、选择性和收率。二、物料衡算二、物料衡算%2.89%1000.250.20.25X%1.83%1001882120.250.24YO HO HOHC O O HC O O HO MeO MeMeO3(C H3)2SO4N aO H23C H3O SO2O H+188212OHNaClClNHCNaNOHClNHHC2256225622二、物料衡算二、物料衡算%1.93%1000.20.252121880.24%1.93%2.89%1.83%100XY 实际测得的转化率、收率和选择性等数据将作为实际测得的转化率、收率和选择性等数据将作为设计工业反应器的依据，同时这些数据是评价这套设计工业反应器的依据，同时这些数据是评价这套生产装置效果优劣的重要指标。生产装置效果优劣的重要指标。二、物料衡算二、物料衡算 一个化学合成药物的生产过程由若干物理及一个化学合成药物的生产过程由若干物理及化学反应工序组成，车间总收率为各个工序收率化学反应工序组成，车间总收率为各个工序收率的乘积。的乘积。8.8.车间总收率车间总收率二、物料衡算二、物料衡算 例例4 4：甲氧苄氨嘧啶生产中，有甲基化反应工序：甲氧苄氨嘧啶生产中，有甲基化反应工序（甲基化反应制备三甲氧苯甲酸）（甲基化反应制备三甲氧苯甲酸）Y Y1 183.183.1；SGCSGC酯化反应工序（酯化反应制备三甲氧苯甲酸甲酯）酯化反应工序（酯化反应制备三甲氧苯甲酸甲酯）Y Y2 291.091.0；肼化反应工序（肼化反应制备三甲氧；肼化反应工序（肼化反应制备三甲氧苯甲酰肼）苯甲酰肼）Y Y3 386.086.0；氧化反应工序（应用高铁；氧化反应工序（应用高铁氰化钾制备三甲氧苯甲醛）氰化钾制备三甲氧苯甲醛）Y Y4 476.576.5；缩和反应；缩和反应工序（与甲氧丙氰缩合制备三甲氧苯甲醚苯烯氰）工序（与甲氧丙氰缩合制备三甲氧苯甲醚苯烯氰）Y Y5 578.078.0；环合反应工序（环合反应合成三甲氧；环合反应工序（环合反应合成三甲氧苄氨嘧啶）苄氨嘧啶）Y Y6 6=78.0%;=78.0%;精制精制Y Y7 791.091.0，求车间总收求车间总收率。率。二、物料衡算二、物料衡算%56.27%0.91%0.78%0.78%5.76%0.86%0.91%1.837654321YYYYYYYY二、物料衡算二、物料衡算例例5 5 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，其工艺流程如图所示，试对该过程进行甲苯磺酸，其工艺流程如图所示，试对该过程进行物料衡算。已知每批投料量为：甲苯物料衡算。已知每批投料量为：甲苯1000kg1000kg，纯度，纯度99.9%(wt%99.9%(wt%，下同，下同)；浓硫酸；浓硫酸1100kg1100kg，纯度，纯度98%98%；甲；甲苯的转化率为苯的转化率为98%98%，生成对甲苯磺酸的选择性为，生成对甲苯磺酸的选择性为82%82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%9.2%，生成间甲苯磺酸，生成间甲苯磺酸的选择性为的选择性为8.8%8.8%；物料中的水约；物料中的水约90%90%经连续脱水器经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。是水，且在磺化过程中无物料损失。二、物料衡算二、物料衡算解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。示意图。原料甲苯：原料甲苯：1000kg 纯度纯度99.9%浓硫酸：浓硫酸：1100kg 纯度纯度98%磺化液磺化液 水水硫硫酸酸甲甲苯苯间间甲甲苯苯磺磺酸酸邻邻甲甲苯苯磺磺酸酸对对甲甲苯苯磺磺酸酸脱水器脱水器排排 水水 甲甲 苯苯磺化釜磺化釜二、物料衡算二、物料衡算 图中共有图中共有4 4股物料，物料衡算的目的就股物料，物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成，并据此编是确定各股物料的数量和组成，并据此编制物料平衡表。制物料平衡表。对于间歇操作过程，常以单位时间间对于间歇操作过程，常以单位时间间隔隔(一个操作周期一个操作周期)内的投料量为基准进行内的投料量为基准进行物料衡算。物料衡算。二、物料衡算二、物料衡算进料：进料：原料甲苯中的甲苯量为原料甲苯中的甲苯量为：1000 0.999=999kg 原料甲苯中的水量为原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg 浓硫酸中的硫酸量为浓硫酸中的硫酸量为：1100 0.98=1078kg 浓硫酸中的水量为浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg 进料总量为进料总量为：1000+1100=2100kg，其中含甲苯其中含甲苯 999kg，硫酸硫酸1078kg，水水23kg。二、物料衡算二、物料衡算出料：反应消耗的甲苯量为出料：反应消耗的甲苯量为：999 98%=979kg 未反应的甲苯量为未反应的甲苯量为：999-979=20kgCH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110140 0C主反应主反应副反应副反应I ICH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110140 0C110140 0C+H2O+H2SO4CH3SO3HCH3副反应副反应IIII二、物料衡算二、物料衡算CH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110140 0C分子量分子量 92 98 172 1892 98 172 18反应生成的对甲苯磺酸量为：反应生成的对甲苯磺酸量为：8.1500%8292172979kg二、物料衡算二、物料衡算反应生成的邻甲苯磺酸量为：反应生成的邻甲苯磺酸量为：反应生成的间甲苯磺酸量为：反应生成的间甲苯磺酸量为：反应生成的水量为：反应生成的水量为：4.168%2.992172979kg1.161%8.892172979kg5.1919218979kg二、物料衡算二、物料衡算经脱水器排出的水量为：经脱水器排出的水量为：(23+191.5)90%=193.1kg磺化液中剩余的水量为：磺化液中剩余的水量为：(23+191.5)-193.1=21.4kg反应消耗的硫酸量为：反应消耗的硫酸量为：kg 未反应的硫酸量为未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为磺化液总量为：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg8.10429298979甲苯磺化过程的物料平衡表甲苯磺化过程的物料平衡表输输 入入物料名称物料名称质量质量/kg/kg质量组成质量组成/%/%纯品量纯品量/kg/kg原料甲苯原料甲苯10001000甲苯甲苯99.999.9999999水水0.10.11 1浓硫酸浓硫酸11001100硫酸硫酸98.098.010781078水水2.02.02222总计总计21002100 21002100输输 出出磺化液磺化液1906.91906.9对甲苯磺酸对甲苯磺酸78.778.71500.81500.8邻甲苯磺酸邻甲苯磺酸8.838.83168.4168.4间甲苯磺酸间甲苯磺酸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脱水器排水脱水器排水193.1193.1水水100100193.1193.1总计总计21002100 21002100二、物料衡算二、物料衡算例例6 6 在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其在催化剂作用下，乙醇脱氢可制备乙醛，其反应方程式为反应方程式为 已知原料为无水乙醇已知原料为无水乙醇(纯度以纯度以100%100%计计)，流量为，流量为1000kg1000kg h h-1-1，其转化率为，其转化率为95%95%，乙醛收率为，乙醛收率为80%80%，试，试对该过程进行物料衡算对该过程进行物料衡算。C2H5OH CH3CHO +H2CH3COOC2H5 +2H22C2H5OH 二、物料衡算二、物料衡算解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。解：以反应器为衡算范围，绘出物料衡算示意图。该过程为连续操作过程，以单位时间，即该过程为连续操作过程，以单位时间，即1h1h内的内的进料量为基准进行物料衡算比较方便。进料量为基准进行物料衡算比较方便。乙醇乙醇：1500kg 纯度纯度100%产物产物 氢氢气气乙乙酸酸乙乙酯酯乙乙醛醛乙乙醇醇乙醇催化乙醇催化脱氢制脱氢制乙醛反应器乙醛反应器二、物料衡算二、物料衡算C2H5OH CH3CHO +H2CH3COOC2H5 +2H22C2H5OH 主反应方程式为主反应方程式为:副反应方程式为副反应方程式为:分子量分子量 46 44 2 分子量分子量 2 2 46=9246=92 88 2 88 2 2=4 2=4 二、物料衡算二、物料衡算 0.50)95.01(1000kg h-10.72746448.095.01000kg h-17.1819288)8.01(95.01000kg h-1乙酸乙酯流量为乙酸乙酯流量为乙醛流量为乙醛流量为乙醇流量为乙醇流量为出料：出料：二、物料衡算二、物料衡算 氢气流量为氢气流量为 3.417.181727501000kg h-13.41924)8.01(95.010004628.095.01000kg h-1 或或 乙醇催化脱氢过程物料平衡表乙醇催化脱氢过程物料平衡表输输 入入物料物料名称名称流量流量/kg/kg h h-1输输 出出物料物料名称名称流量流量/kg/kg h h-1质量组质量组成成/%/%乙醇乙醇10001000100100乙醇乙醇50.050.05.05.0乙醛乙醛727.0727.072.772.7乙酸乙酸乙酯乙酯181.7181.718.218.2氢气氢气41.341.34.14.1总计总计10001000100100总计总计10001000100.0100.0质量组质量组成成/%/%二、物料衡算二、物料衡算例例7:7:以每年产以每年产300t300t的安替比林，试作出重氮化过程的安替比林，试作出重氮化过程（苯胺重氮化是整个生产第一个工序）的物料衡算。（苯胺重氮化是整个生产第一个工序）的物料衡算。设自苯胺开始的总收率为设自苯胺开始的总收率为58.42%58.42%，重氮化过程在，重氮化过程在管道内进行，苯胺、亚硝酸钠、盐酸的浓度分别为管道内进行，苯胺、亚硝酸钠、盐酸的浓度分别为98%98%，95.9%95.9%，30%30%；实际投料比为：；实际投料比为：1:1.026:2.321:1.026:2.32。重氮化产物因分解及机械损失占生成量的重氮化产物因分解及机械损失占生成量的4%。二、物料衡算二、物料衡算OHNaClClNHCNaNOHClNHHC2256225622 解：根据已定的生产能力，每年以解：根据已定的生产能力，每年以300300个工作日个工作日计，则每昼夜的生产任务为计，则每昼夜的生产任务为1t1t安替比林。根据总收安替比林。根据总收率推算出苯胺每天的投料量。率推算出苯胺每天的投料量。93236.569140.558.521812.321.026：kg8475842.0188931000纯苯胺每天的耗量纯苯胺每天的耗量二、物料衡算二、物料衡算OHNaClClNHCNaNOHClNHHC22562256221x4x93236.569140.558.521812.321.026：8475x2x3xkg3.86498.0847粗苯胺每天的耗量粗苯胺每天的耗量kgxkgx4.6289369847665935.36284721根据反应式根据反应式二、物料衡算二、物料衡算kgxkgxkgx32893182847533935.588471280935.140847543实际投料量：实际投料量：盐酸用量盐酸用量kg2.771935.3632.284730%30%盐酸用量盐酸用量kg25713.02.771其中：水量其中：水量kg18002.7712571过量过量HClHClkg2.1066652.771二、物料衡算二、物料衡算NaNONaNO2 2用量用量kg6459369026.1847粗粗NaNONaNO2 2用量用量kg3.672%9.95645粗粗NaNONaNO2 2中杂质中杂质kg3.276453.672配成配成27%NaNO27%NaNO2 2溶液的量溶液的量kg238927.0645其中：水量其中：水量kg17173.6722389过量过量NaNONaNO2 2kg6.164.628645二、物料衡算二、物料衡算C C6 6H H5 5N N2 2ClCl因分解及机械损失占生成量的因分解及机械损失占生成量的4%4%kg2.5104.01280则则C C6 6H H5 5N N2 2ClCl损失量损失量kg8.12282.511280C C6 6H H5 5N N2 2ClCl实际生成量实际生成量副反应副反应22HNONaClNaNOHCl分子量分子量投料量投料量36.5694758.51y16.62y3y二、物料衡算二、物料衡算kgykgykgy3.1169476.161.14695.586.1678.8695.366.16321；剩余剩余100%100%的的HClHClkg42.9778.82.106投料投料847847，杂质杂质17.317.3645645杂质杂质27.327.3771.2771.2，水水18001800苯胺苯胺亚硝亚硝酸钠酸钠水水盐酸盐酸合计合计物料物料名称名称含量含量/%/%989895.995.9折纯折纯量量/kg/kg实际投入量实际投入量质量质量/kg/kg，体积体积/m/m3 3分子比分子比理论理论 实际实际864.3864.3672.3672.31717171741744174257125719998.69998.60.8420.8420.3110.3111.7171.7174.1744.1742.2402.2409.2489.2481 11 12 21 11.0261.0262.322.32出料出料重氮盐重氮盐氯化钠氯化钠水水亚硝酸亚硝酸盐酸盐酸杂质杂质合计合计物料物料名称名称折纯折纯量量/kg/kg实际投入量实际投入量质量质量/kg/kg，体积体积/m/m3 3分子比分子比实际实际1228.8547.1备备 注注1228.8547.18.01911.397.4295.8999.49.34211.07533+14.1328+17171800+417451.2+17.3+27.3密度密度=1070kg/m3三、生产工艺规程三、生产工艺规程 一个药物可以采用几种不同的生产工艺过程，但一个药物可以采用几种不同的生产工艺过程，但其中必有一种是在特定条件下最为合理、最为经济其中必有一种是在特定条件下最为合理、最为经济又最能保证产品重量的。人们把这种生产工艺过程又最能保证产品重量的。人们把这种生产工艺过程的的各项内容写成文件形式各项内容写成文件形式即为即为生产工艺规程生产工艺规程。三、生产工艺规程三、生产工艺规程 先进的生产工艺规程是工程技术人员、岗位工人先进的生产工艺规程是工程技术人员、岗位工人和企业管理人员的集体创造，属于知识产权的范畴，和企业管理人员的集体创造，属于知识产权的范畴，要积极组织申报专利，以保护发明者和企业要积极组织申报专利，以保护发明者和企业的合法利益。的合法利益。三、生产工艺规程三、生产工艺规程 生产工艺规程的主要作用生产工艺规程的主要作用1.1.生产工艺规程是组织工业生产的生产工艺规程是组织工业生产的指导性文件指导性文件。2.2.生产工艺规程也是生产工艺规程也是生产准备工作的依据生产准备工作的依据。3.3.生产工艺规程又是生产工艺规程又是新建和扩建生产车间或工厂的新建和扩建生产车间或工厂的基本技术条件基本技术条件。三、生产工艺规程三、生产工艺规程 制订生产工艺规程的原始资料和基本内容制订生