年产50吨氢化可的松车间工艺设计.docx

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 53
结 论 54

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

①化学结构式：

②分子式：C21H30O5
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%。

静置分层
减压回收
减压浓缩
废液
废气
17ɑ—羟基黄体酮

过滤，洗涤
滤液
干燥
孕甾烯—17ɑ，21—二醇—3，20—二酮
水
DMF
醋酸钾溶液
氯仿
氯化钙—甲醇 1/3
氧化钙、碘
氯化钙—甲醇 2/3
氯化铵
甲醇
碘化反应
置换

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。

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）
原料名称
规格
配比
批投料量
分子量
17ɑ-羟基黄体酮
纯度100%
1.00
363.5
330
氯仿
纯度98%
4.00
1454
119
氯化钙-甲醇溶液
纯度45%
0.67
243.55

氧化钙
纯度100%
0.17
61.795
56
碘
纯度100%
0.90
327.15
127
氯化铵
纯度42%
2.50
908.75
52.5
甲醇
纯度99.5%
2.40
872.4
32
DMF（2，5-二甲基呋喃）
纯度99%
2.20
799.7
73
醋酸钾
纯度65%
1.5
545.25
98
添加水
密度1.00kg/L
8.0
2908
18
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
A B C D E

碘 代 反 应

F
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

静置分层
B D

C
图2.2 静置分层
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）
A
③ 减压浓缩（产物的损失3%）

减压浓缩

C
B

D

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
A B C

置换反应

D

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%）

A
过滤洗涤
水 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%）

A
干燥

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
进料
出料
序号
物料名称
组成（%）
数量（kg）
序号
物料名称
组成（%）
数量（kg）
1
17ɑ-羟基黄体酮粗品
100.00
363.5
1
废液
100.00
1295.88
2
氯化钙-甲醇溶液
100
243.55
（1）
氯化铵
30.52
395.50
（1）
纯品
45
109.60

（2）
杂志
55
133.95

3
氯仿
100.00
1454
（2）
杂质
16.69
216.28
（1）
纯品
98.00
1424.92
（3）
水
52.79
684.10
（2）
杂质
2.00
29.08
2
废气
100.00
2452.91
4
氧化钙
100.00
61.795
（1）
氯仿
57.01
1360.20
5
碘
100.00
327.15
（2）
甲醇
34.90
832.68
6
氯化铵
100.00
908.75
（3）
碘
7.50
178.94
（1）
纯品
42.00
381.68
（4）
损失
0.60
14.32
（2）
杂质
58.00
527.07
3
滤液
100.00
4313.03
7
甲醇
100.00
872.4
（1）
溶质
27.06
1167.11
（1）
纯品
99.50
863.68
（2）
水
72.94
3145.92
（2）
杂质
0.50
4.362
4
产物
100.00
412.35
8
DMF
100.00
799.7
（1）
水
1
4.12
（1）
纯品
99.00
791.70
（2）
纯品
99
408.23
（2）
杂质
1.00
7.99

9
醋酸钾
100.00
545.25

（1）
纯品
99.00
539.80

（1）
杂质
1.00
5.5

11
添加水
100.00
2898.08

合 计
100.00
8474.175
合 计
100.00
8474.170

3.3 物料衡算流程图

静置分层
减压回收
减压浓缩
废液1294.66kg
废气 2450.61kg
17ɑ—羟基黄体酮363.5kg

过滤，洗涤
滤液 4311.69kg
干燥
孕甾烯—17ɑ，21—二醇—3，20—二酮
水2908kg
DMF 799.7
kg
醋酸钾545.25kg
氯仿1454kg
氯化钙—甲醇 243.55kg
氧化钙61.795、碘327.15kg
氯化钙—甲醇
氯化铵908.75kg
甲醇 299.05kg
碘化反应
置换
2447.68kg
有机层分层2062.86kg
反应混合物1827.3kg
408.23kg
产品403.51kg

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：
＋＋=＋＋ (4·1) 式中 —物料带入到设备的热量kJ；
—辅料及催化剂传给设备和所处理物料的热量kJ；
—过程热效应kJ；
—物料离开设备所带走的热量kJ；
—加热或冷却设备所消耗的热量kJ；
—设备向环境散失的热量kJ。
（1）()
与均可用下式计算：
（）= 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
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，过程热效应的符号为：放热为正；吸热为负。
（3）与的确定
根据工艺操作经验，（＋）一般为（＋＋）的5%～10%，只要计算出，就可以确定＋，从而计算出。
（4）Q2的计算
由以上计算过程得到、、、、后，根据热量平衡方程式求出设备的热负荷。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
基团
T,K
0
298
323
348
基团参考值
—H
13.4
14.6
15.5
16.7
—CH3
40.0
41.6
43.5
45.8
—CH2—
27.6
28.2
29.1
29.9
—CH—
23.8
24.9
25.7
26.6
>C<
8.4
8.4
8.4
8.4
—O—
29.3
29.7
30.1
30.1
—CO—(酮)
42.7
43.5
44.4
45.2
—OH
33.5
43.9
52.3
61.7
—COO—(酯)
57.7
59.0
61.1
63.2
—COOH
74.1
78.7
83.7
90.0
（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=( 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
元素
Ca (kcal/kg·℃)

液态
固态
C
2.8
1.8
H
4.3
2.3
O
6.0
4.0
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：
（4·4）
式中 -对比压强（实际压强与临界压强之比值）；
-对比温度（实际温度与临界温度之比值）；
-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 =（8.4～12.6） （4·5）
无机化合物 =（20.9～29.3）
有机化合物 =（37.7～46.0）
其中：-熔融热J/mol