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1、 北京化工大学北方学院 NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY （）本科生毕业设计 题 目： 年产50吨氢化可松车间工艺设计 △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：5月 指导老师： 林 贝 诚信申明 本人申明： 本人所递交本科
2、毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识和试验工作全方面总结。用所学过课程，除了文中尤其加以标注和致谢中所罗列内容以外，论文中创新处不包含其它人已经发表或撰写过研究结果，也不包含为取得北京化工大学或其它教育机构学位或证书而已经使用过材料。和我一同完成毕业设计（论文）同学对本课题所做任何贡献均已在文中做了明确说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人负担一切相关责任。 本人署名： 年 月 日 年产50吨
3、氢化可松车间工艺设计 —Δ4孕甾烯－17α，21-二醇－3,20-二酮制备 傅宇德 应用化学专业 应化0905班 学号 指导老师 林贝 摘 要 本工段设计所采取工艺路线为：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℃。将碘溶于其它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℃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-2
4、1-碘代黄体酮。加入DMF总量3/4，使其溶解降温到10℃左右加入新配制好乙酸钾溶液(将碳酸钾溶于余下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，经过静置分层、减压浓缩、过滤洗涤、干燥等工序，得到成品。设计要求经过物料衡算，能量衡算，选择适宜设备、车间部署及管道设计。查阅英文并翻译、绘制对应工艺图。 关键词:氢化可松 车间工艺设计 加成
5、 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 1
6、7α-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,
7、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 ℃,
8、 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 p
9、rocess 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 ba
10、sed 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
11、 设计依据 8 1.2节 产品概述 8 第二章 工艺设计和工艺步骤 10 2.1节 设计任务 10 第三章 物料核实 13 3.1 衡算依据 13 3.2 物料衡算基础数据 13 3.3 物料衡算步骤图 19 第四章 热量衡算 20 4.1 热量衡算目标 20 4.2 衡算依据 20 4.3 热量衡算基础数据计算和查取 21 4.4 化学反应热量衡算 25 第五章 设备选型 38 5.1节 工艺设备选型方法 38 5.2节 关键设备选型和计算 38 5.3节 非关键设备计算和选型 42 5.4节 设备一览表 46 第六章 管道设
12、计 47 6.1节 管道设计基础资料 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 劳动保障和安全生产 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 氢化可松又称为皮质醇，是天然存在糖皮质激素，其抗炎作用为可松1．25倍，也含有免疫抑制作用、抗毒作用、抗休克及一定盐皮质激素活性等，故而在临床医学上得到了广泛应用。关键用于肾上腺皮质功效不足，本身
13、免疫性疾病，变态反应性疾病，和急性白血病、眼炎及何杰金氏病，也用于一些严重感染所致高热综合诊疗。 中国以薯蓣皂素生产氢化可松企业及药厂众多，为愈加好工业化半合成氢化可松。所以未来几年，氢化可松将继续在中国得到长足发展，以适应经济全球化市场竞争,所以挖掘和完善基于半合成方法氢化可松将是未来中国制药行业一个发展点。基于对氢化可松了解和认识，同时结合专业课深入学习及老师悉心教导，我开始了对氢化可松车间工艺设计。 此次设计内容以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，经过过滤、浓缩、洗涤、干燥等工序，得到成品。本设计要求我们要有扎实专业理论知识，同时要熟练掌握
14、计算机，熟练利用画图工具。设计结果包含了工艺步骤设计、物料衡算、能量衡算、工艺设备选型计算、车间部署设计、管道计算选型、设计说明书撰写、查阅英文并翻译、并绘制对应工艺图。 本设计为工段初步设计，根据设计任务书所要求内容完成。但因为经验、理论和实践知识不足，造成设计中还存在着大量不足之处，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设计技术依据 以毕业设计任务书要求对氢化可松车间工艺展开，其具体过程见工
15、艺路线论证。 1.1.3设计遵照技术法规 （1） 《药品生产质量管理规范实施指南》（ 年版，中国化学制药工业协会，中国医药工业企业）； （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”排放实施标准》GBJ4-73； （6） 《建筑工程消防监督审核管理要求》公安部第30 号令； （7） 《建筑结构设计统一标准》GB50068－； （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要求》HG/20688－
16、10）《化工工艺设计施工图内容和深度统一要求》HG 20519-92 （11）《相关出版医药建设项目可行性研究汇报和初步设计内容及深度要求 通知》国药综经字[1995]，第397 号 （12）《化工装置设备部署设计要求》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 汉字名：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：
17、 ②分子式：C21H30O5 ③分子量：363 1.2.2临床用途 （1）临床用途： 用于肾上腺功效不全所引发疾病、类风湿性关节炎、风湿性发烧、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： 和降糖药、抗癫痫药、噻嗪类利尿药、水杨酸盐、抗凝血药、强心甙等适用须考虑相互作用，应合适调整剂量。不可骤然停药，并避免减量过快，以免引发肾上腺皮质功效不全不良反应，应缓慢减量停药。并在停药后六个月内使用促肾上
18、腺皮质激素。 （3）不良反应： 长久大量服用引发柯兴氏征、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 工艺设计和工艺步骤 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。工艺资料包含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。本设计生产工艺操作方法采取是间歇操作，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-醋酸酯制备 ②16α－17α－环氧黄体酮制备 ③17α－羟基黄体酮制备 ④Δ4孕甾烯－17α，
19、21-二醇－3,20-二酮制备 ⑤氢化可松制备 2.1.2化学反应方程式及各步收率 各步反应收率：因为设计是依据终产物量推算所需各阶段原辅料量，我所做设计为第三阶段，只需知道第四、五阶段收率即可。查阅资料可得第四阶段收率为95%，第五阶段收率为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
20、 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、工艺步骤简述 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，待全溶后加入氧化钙，搅拌冷至0℃。将碘溶于其它2/3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℃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3/4,使其溶解，降温到10 ℃ 左右，加入新配制醋酸钾液，逐步升温反应到90 ℃ ,再保温反
21、应0.5h，冷却到－10 ℃ ,过滤，用水洗涤，干燥得醋酸化合物。 第三章 物料核实 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： 减压回收收率： 98% 减压浓缩收率： 99% 过滤洗涤收率： 99% 干燥工段收率： 98% 总收率：98%×
22、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 第四阶段收率为95%，第五阶段收率为44%，依据以上这二个收率算出后二个阶段总收率进而算出由我所做设计阶段反应物所应得到氢化可松批产量。过程以下： ⑴由反应方程式可知17ɑ-羟基黄体酮和氢化可松反应百分比是1︰1； ⑵总收率：95%×44%=41.8%； ⑶50000÷300=166kg（每批氢化可松产量）； 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
23、可松分子量。 3.2.2原辅料、产物及配比关系 关键原料：17ɑ-羟基黄体酮，关键辅料有氯仿、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
24、 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：查阅相关资料得悉，且以上配17ɑ-羟基黄体酮为基准 ⑵ 各单元物料衡算： ① 碘化反应单元 A B C D E 碘 代 反 应 F
25、 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氯化钙-甲醇溶液 （243.55kg
26、 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
27、 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
28、 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
29、 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799.7×0.0
30、1=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 醋酸钾剩下量 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%）
31、 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 醋酸钾剩下量250.00kg 其它杂质量966.04kg 含水198.90kg 过滤水（2898
32、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（产物损失1%）
33、 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
34、 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
35、
36、
37、 100.00 1295.88 2 氯
38、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 1
39、00.00 327.15 （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
40、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 100.00 847
41、4.170 3.3 物料衡算步骤图 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9
42、08.75kg 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 药品生产整个过程由许很多多基础单元操作组成，每个基础单元操作过程均伴随能量转换，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，对应，外界需对系统提供或移出能量。由此确定外供公用工程消耗，如蒸汽、冷却水、循环水等等用量。 4.1 热量衡算目标 热量衡算关键目标是为了确定设备热负荷，依据设备热负荷大小、所处理物料性质及工艺要求再选择传热面型式、计
43、算传热面积、确定设备关键工艺尺寸。 4.2 衡算依据 热量衡算关键依据是能量守恒定律，以车间物料衡算结果为基础而进行,所以车间物料衡算表是进行车间热量衡算首要条件。 4.2.1设备热量平衡方程式 对于有传热要求设备，其热量平衡方程式为： ＋＋=＋＋ (4·1) 式中 —物料带入到设备热量kJ； —辅料及催化剂传给设备和所处理物料热量kJ； —过程热效应kJ； —物料离开设备所带走热量kJ； —加热或冷却设备所消耗热量kJ；
44、 —设备向环境散失热量kJ。 （1）() 和均可用下式计算： （）= kJ (4·2) 式中 m—输入（或输出）设备物料量kg； Cp—物料平均比热容kJ/kg·℃； t—物料温度℃。 该式计算基准是标准状态，即0℃及1.013×105Pa 为计算基准。因为物料比热容是温度函数，上式中物料比热容是指进、出口物料定压平均比热容，对于进口物料取基准温度和物料进口温度平均温度下比热容；对于出口物料取基准温度和物料出口温度平均温度下比热容。对于不一样物料比热容可查《化学工程手册》（第1册）或《化学工艺设计手册》（下），
45、若查不到，多种估算方法求出对应温度下比热容值。 （2）过程热效应 化学过程热效应包含化学反应热和状态改变热。纯物理过程只产生状态改变热；而对于化学反应过程，在产生化学反应同时，往往还伴有状态改变热。在热量衡算中，过程热效应符号为：放热为正；吸热为负。 （3）和确实定 依据工艺操作经验，（＋）通常为（＋＋）5%～10%，只要计算出，就能够确定＋，从而计算出。 （4）Q2计算 由以上计算过程得到、、、、后，依据热量平衡方程式求出设备热负荷。正值表示需对设备加热；负值表示需冷却。 4.3 热量衡算基础数据计算和查取 在热量衡算中，大部分物料物性常数可经
46、过相关物性常数手册查取，如《化学工程手册》（第1 册），《化工工艺设计手册》（下）。当碰到手册中数据不全情况时，就需经过部分公式来估算这些物性常数。在本设计中包含物性计算有比热容、化学反应热效应等，以下介绍她们计算方法。 4.3.1比热容计算 （1）液体比热容计算 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。先依据化合物分子结构，将多种基团结构摩尔热容数值加和，求出摩尔热容，再由化合物分子量换算成比热容。另外，假如作为近似计算，液体比热容也可根据计算固体比热容科普定律求取，其具体计算过程见固体比热容计算。 表4. 1 Missenard基团贡
47、献法基团参数值 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
48、59.0 61.1 63.2 —COOH 74.1 78.7 83.7 90.0 （3）固体比热容计算 固体比热容可应用科普定律来计算： C=( kJ/kg·℃) (4·3) 式中 Ca—元素原子比热容kJ/kg·℃，其值见下表； n—固体分子中同种原子个数； M—化合物分子量。 表4.2 元素原子比热容 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
49、公式计算出是20℃时比热容，不在20℃时各化合物比热容将和算出比热容有出入。凡高于20℃时化合物，比热容可依据上述公式计算所得结果再加大20～25%。 4.3.2状态热计算 状态热通常也称为潜热。它包含汽化热、熔融热、熔解热等，下面分别加以叙述。 （1）汽化热 任何温度、压强下，化合物汽化热均可按下式计算： （4·4） 式中 -对比压强（实际压强和临界压强之比值）； -对比温度（实际温度和临界温度之比值）； -临界温度K。 （2）熔融热 不一样物质熔融热可依据以下公式求出： 元 素 =（8.4～12.6）
50、 （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 -熔点K。 （3）溶解热 气态溶质溶解热可取蒸发潜热负值；固态溶质溶解热则近似可取其熔融热值。 4.3.3化学反应热计算 为计算多种温度下反应热，要求当反应温度为298K及标准大气压时反应热数值为标准反应热，习惯上用ΔH°表示，负值表示放热，正值表示吸热。这和在热量衡算中所要求符号恰好相反，为避免犯错，现用符号 表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则 =－ΔH°
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