年产198吨甲磺酸培氟沙星的甲基化反应的反应器设计计划书.docx
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年产198吨甲磺酸培氟沙星的甲基化反应的反应器设计计划书
年产198吨甲磺酸培氟沙星的甲基化反应的反应器设计计划书
一设计题目
年产198吨甲磺酸培氟沙星的甲基化反应的反应器（釜）的设计
二工艺条件
该产品的年产量为198吨，终产品诺氟沙星甲基化物的纯度为98％，诺氟沙星投料富余系数为1.05，反应转化率为99.5％甲基化收率98％，用活性炭抽滤时，活性炭损失为20％（重量比），假设其他中间体及最终产品均无损失。
每年工作日为300天，每天24小时连续运行。
原料参数一览表
原料名称
配料比（重体比）
原料规格
诺氟沙星
1Kg
药用98.5％
乙醇
1L
80.5％
甲酸
1.5L
85.5％
甲醛
1L
36.9％
活性炭
0.05Kg
针用767型
氨水
13％—15％（自取）
三设计项目
1设计内容
1）确定反应器形式、材质
2）进行物料衡算，确定反应釜的体积
3）确定反应釜的台数和连接方式
4）确定反应釜的直径和筒体高度
5）进行热量衡算，确定反应釜的换热面积和传热装置
6）转速、搅拌功率的计算，确定反应釜的搅拌器
7）辅助设备的设计与选型
2设计说明书，包括如下内容
1）目录
2）设计方案简介
3）设计内容
4）收获感想
5）参考文献
3设备图
要求用CAD画出反应器的装配图
一产品概述
1.1产品名称、化学结构、理化性质
1.1.1产品名称
1：
中文名 甲磺酸培氟沙星
2：
拉丁名 PEFLOXACIN MESYLATE
3：
英文名 pelfoxaein mesylate
4：
化学名 1-乙基-6-氟-1、4-二氢-7-（4-甲基-1-哌嗪）-4-氧-3-喹啉羧甲磺酸盐
1.1.2化学结构和分子量
1：
分子式
2：
结构式
3：
分子量 465.49
1.1.3理化性质
本产品是白色或微黄色晶体，没有臭，味苦，在水中极易溶解，在乙醇、氯仿或乙醚中几乎不会溶。
1.2临床用途
本品主要适用于肠杆菌科细菌及绿脓杆菌等格兰氏阴性杆菌所致的各种感染，如支气管及肺部感染、肾盂及复杂性尿路感染、前列腺炎、细菌性痢疾或其他肠道感染、伤寒及沙门菌属感染和皮肤软组织感染等，也可用于葡萄球菌感染病例。
1.3固体原料的密度、熔点
①诺氟沙星（C16H18FN3O3）
密度：
1.344g/cm3 熔点：
221℃ （221℃～222℃ ）
②培氟沙星（C17H20FN3O3）
密度：
1.320g/cm3熔点：
273℃（272℃～274℃ ）
③甲磺酸培氟沙星（C18H24FSN3O6）
熔点：
282℃ （282℃ ～284℃ ）
二设计方案简介
2.1本设计采用的工艺路线
辅助反应：
2.1.1甲基化
依次向甲基化罐中投入诺氟沙星、甲酸、甲醛，并且加热至100℃，回流2h；降温至80℃投入活性炭，再升温至98℃，回流半h；降温至60℃，投入乙醇，搅拌5分钟放料，趁热抽滤。
2.1.2中和
接甲基化产物，搅拌散热，加氨水（13%~15%）。
保持反应温度不会超过45℃。
当反应液pH值在7.0~7.5时，停止加氨水。
静止1h，放料，用去离子水洗，甩料3h。
检验保证收率99%，转化率100%，合格品待用。
2.1.3成盐
成盐过程各物料投料比
配料比
甲基化物
甲烷磺酸
乙醇（82.5%）
活性炭
乙醇（95%）
质量比
1
4.65
1/27.8
1/27.8
摩尔比
1
1.05
投入合格的甲基化物（含量97.5%，水分7.9%），乙醇（82.5%），然后投入甲烷磺酸（99.3%）。
升温至78℃，回流1h；降温至60℃，投入活性炭；升温至78℃，回流1h。
出料，抽滤，至冷冻罐。
降温至-10℃。
冷却结晶后，离心分离。
投入95%的乙醇洗涤，分离液回收至粗母蒸馏岗位。
成品检验，保证收率91.29%，转化率100%，合格品至精制岗位。
2.1.4精制
投入乙醇（86.0%），粗品升温至45℃，至溶解；投入活性炭，升温至78℃，回流30分钟，抽滤至冷冻罐。
降温至-10℃，离心分离。
投入乙醇（95%）洗涤，分离液回收至精母蒸馏岗位，保证收率88.24%。
合格后自然风干，除湿至产品。
2.1.5工艺路线的的主要依据
本设计以诺氟沙星为原料，与甲醛、甲酸甲基化生成培氟沙星，再与甲烷磺酸成盐，得甲磺酸培氟沙星，后精制得到产品。
本路线工序较短，对反应条件，反应设备的要求也不会高，而且生产成本呢较低，最适合于工业化大规模生产的。
三甲磺酸培氟沙星的甲基化反应的反应器设计
3.1设计内容
根据所给的以诺氟沙星为原料，与甲醛、甲酸甲基化生成培氟沙星，再与甲烷磺酸成盐，得甲磺酸培氟沙星，后精制得到产品的工艺条件，为甲磺酸培氟沙星的甲基化反应设计合适的反应器或者反应釜。
3.2反应器的形式与材质
3.2.1甲磺酸培氟沙星的甲基化反应工艺流程图如下
3.2.2搅拌釜式反应器的分类（按操作方式）
按操作方式分类为间歇（分批）式、半连续（半间歇）式和连续式操作。
（1）间歇式操作：
一次加入反应物料，在一定的反应条件下，经过一定的反应时间，当达到所要求的转化率时取出全部产物的生产过程。
间歇式操作设备利用率不高、劳动强度大，只适用于小批量、多品种生产，在染料及制药工业中广泛采用这种操作。
（2）连续操作:
连续加入反应物和取出产物。
连续操作设备利用率高、产品质量稳定、易于自动控制，适用于大规模生产。
（3）半间歇操作:
一种物料分批加入，而另一种物料连续加入的生产过程；或者是一批加入物料，用蒸馏的方法连续移走部分产品的生产过程。
半间歇操作特别适用于要求一种反应物的浓度高而另一种反应物的浓度低的化学反应，适用于可以通过调节加料速度来控制反应温度的反应。
3.2.3反应器形式、材质的确定
由甲磺酸培氟沙星的甲基化反应工艺流程图可以看出甲磺酸培氟沙星的甲基化反应过程属于液固非均相反应，需要对反应物料进行搅拌，反应伴随有副反应发生，在工艺反应中间还要投料，所以根据搅拌釜式反应器的分类可以得到本设计应该选用间歇搅拌釜式反应器。
反应器采用带夹套的不锈钢反应器、换热器、电动机、离心泵等，与物料直接接触的相关设备均采用耐酸不锈钢材料。
反应器由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。
搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。
支承座有支承式或耳式支座等。
转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。
3.3物料衡算
3.3.1物料平衡总线
1、此次设计的是年产量为198吨甲磺酸培氟沙星的成品，折合纯干品为：
M=198000Kg×95％=188100Kg
一次单程的收率为y=99.5％×98％=97.51％
2、工艺设计的要求：
年产量：
198吨
年工作日：
300天（a=300）
每天工作：
24小时
收率：
98％
3.3.2反应器中的物料衡算
由反应工艺路线：
所投料诺氟沙星原料规格为药用98.5％，富余系数1.05，诺氟沙星分子量为319.34，甲基磺酸培氟沙星的分子量为465.49
则每日所投的诺氟沙星为：
198000Kg×95％÷97.51％÷465.49×319.34÷300÷98.5％=447.84Kg（诺氟沙星的含量为98.5％）
1、甲基化工艺段
原料参数一览表
原料名称
配料比（重体比）
原料规格
诺氟沙星
1Kg
药用98.5％
乙醇
1L
80.5％
甲酸
1.5L
85.5％
甲醛
1L
36.9％
活性炭
0.05Kg
针用767型
氨水
13％—15％（自取）
投98.5％的诺氟沙星（分子量319.34）447.84Kg，富余系数1.05，即470.23Kg，折纯463.18Kg，甲基化得甲基化物（分子量333.36）493.38Kg，含量为98％，折干折纯后为483.51Kg
36.9％的甲醛447.84×1=447.84Kg折纯：
165.25Kg
85.5％的甲酸447.84×1.5=671.76Kg折纯：
574.35Kg
活性炭447.84×0.05=22.39Kg
整个甲基化工艺段物液总量为1612.22Kg
1、生产甲磺酸培氟沙星甲基化物的质量为=447.84×333.36÷319.34×98％×99.5％=455.86Kg
2、生成的甲酸的质量=455.86×46.03÷333.36=62.94Kg
3、反应的甲醛的质量=455.86×30.03÷333.36×2=82.13Kg
4、水总量=447.84-165.25+671.76-574.35=380Kg
5、杂质总量=1612.22-（455.86+380+83.12+637.29+22.39）=33.56Kg
由以上计算数据可得：
甲基化过程的物料衡算：
生成甲基物：
455.86Kg甲醛带进的水量：
282.59Kg
反应的甲醛：
82.13Kg甲酸带进的水量：
97.41Kg
剩余的甲醛：
83.12Kg水的总量：
380Kg
生成的甲酸：
66.08Kg杂质总量：
12.5Kg
剩余的甲酸：
637.29Kg
甲基化过程进出物料表：
进料
出料
名称
质量（Kg）
名称
质量（Kg）
诺氟沙星
463.18
甲基化物
455.86
甲酸
574.35
甲酸
637.29
甲醛
165.25
甲醛
83.12
活性炭
22.39
活性炭
22.39
水
380
水
380
杂质
7.05
杂质
33.56
合计
1612.22
合计
1612.22
3.4设备相关参数的计算和主要工艺设备的选型
3.4.1工艺设备选型原则
设备的相关参数的计算与主要工艺设备选型是在物料衡算和热量衡算的基础上进行的，其目的是决定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和台数，为车间布置设计、施工图纸设计及非工艺设计项目提供足够的设计数据。
由于化工过程的多样性，设备类型也非常多，所以，实现同一工艺要求，不但可以选用不同的操作方式，也可以选用不同类型的设备。
当单元操作方式确定之后，应根据物料平衡所确定的物料量以及指定的工艺条件（如操作时间、操作温度、操作压力、反应体系特征和热平衡数据等），选择一种满足工艺要求而效率高的设备类型。
定型产品应选定规格型号，非定型产品要通过计算以确定设备的主要尺寸。
3.4.2反应器的台数和连接方式的确定
甲基化反应器中各物料的投料量和物化性质如下表所示：
物料名称
质量（Kg）
密度（Kg/dm3）
体积（L）
诺氟沙星
470.23
1.34
350.92
甲酸
671.76
1.22
550.62
甲醛
447.84
1.08
414.67
乙醇
385.14
0.85
453.11
由于甲基化反应的生产周期为300min，则：
每天甲基化反应的批次是N=24×60/300=4.8批
由上表可计算每批投料的总体积：
V总=（350.92+550.62+414.67+563.11）/4.8
=391.53L
查《化学工程手册》得
选取公称容积为800L的搪玻璃K型反应罐（HG-251-79）,实际计算容积为878L,总重量为1115Kg，台数为一台。
（校核）
装料系数ϕ
不同的操作过程以及物化状态对反应器的要求均不同，下表是各种情况下反应器需要满足的装料系数要求：
装料系数要求
条件
装料系数范围
不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜
0.8-0.85
带搅拌的反应釜
0.7-0.8
易起泡和在沸腾条件下操作的反应釜
0.4-0.6
贮缸核计量槽（液面平静）
0.85-0.90
所设计的反应器的装料系数ϕ=391.53÷878=0.446
由于甲基化反应是在沸腾状态下进行的，所以装料系数ϕ应取0.4-0.6之间，显然ϕ=0.446，符合要求。
3.4.3反应器的直径和筒体高度的确定
选择釜体高径比（H/Di）的原则：
（1）、高径比对搅拌功率的影响：
在转速不变的情况下，
（其中D—搅拌器直径，P—搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。
因此一般情况下，高径比应选择大一些。
（2）、高径比对传热的影响：
当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。
高径比经验值表
种类
罐体物料类型
H/Di
一般搅拌釜
液—固或液—液相物料
1~1.3
气—液相物料
1~2
发酵罐类
气—液相物料
1.7~2.5
1、由于为液固物料，所以先假定高径比为i=H/Di=1.1，忽略釜底容积
D≈
=
=0.975m，取标准1000mm
表3标准圆球型封头参数表
公称直径（mm）
曲面高度（mm）
直边高度（mm）
内表面积（m2）
容积（m3）
1000
275
25
1.3980
0.1505
2、筒体的高度
H=
=0.8274m（反应釜容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和）
3、釜体高径比的复核
在1－1.3之间
故满足要求。
所以取DN=1000mm，H=1145mm。
3.5热量衡算
3.5.1各物质物化参数的查取与计算
1、原料比热的计算与查取
固体原料比热的计算与查取
依据《药厂反应设备及车间工艺设计》
计算依据：
化合物的比热容C=1/M∑nCaKJ/（kg.℃）
n--------分子中同种元素原子数
M-------化合物分子量
Ca-------元素的原子比热容KJ/（kg..℃）;其值见下表：
元素原子的比热容表
元素
CaKJ/（kg.℃）
元素
CaKJ/（kg.℃）
元素
CaKJ/（kg.℃）
C
7.535
F
20.93
H
9.628
S
22.604
B
11.302
P
22.604
Si
15.907
O
16.74
其他
25.953
固体热熔用科普法计算如下:
（1）诺氟沙星（C16H18FN3O3）
C=[16×7.535+18×9.628+1×20.93+3×（25.953+16.74）]/319.34=1.387KJ/（kg.℃）
（2）活性炭（C）
C=7.535/12=0.6279KJ/（kg.℃）
（3）培氟沙星（C17H20FN3O3）
C=（17×7.535+20×9.628+20.93+3×25.953+3×16.74）/333.37=1.409KJ/（kg﹒℃）
（4）甲酸铵（HCOONH4）
C=[7.535+5×9.628+2×16.74+1×25.953]/63.06=1.825KJ/（kg﹒℃）
液体原料比热的计算与查取
（1）液体有机化合物比热的计算
依据《药厂反应设备及车间工艺设计》
进行乙醇，甲酸比热容的计算如下表所示：
乙醇，甲酸不会同温度下的比热表
温度（℃）
基团结构摩尔热容值J/（mol.℃）
化合物比热值KJ/（kg.℃）
-CH3
-CH2-
-OH
-H
-COOH
C2H5OH
HCOOH
25
41.7
28.3
44.0
40
42.78
28.78
48.98
120.54～2.62
45
43.14
28.94
50.64
122.72～2.66
50
43.5
29.1
52.3
75
45.9
29.8
61.8
78
46.20
29.94
62.93
139.07～3.02
100
48.4
31.0
71.2
18.8
94.2
113～2.45
①13%的氨水比热可如下获得
氨水比热表
氨浓度%
（分子）
温度℃
20.6
37.5
41
10.5
0.995
1.049
1.06
20.9
0.99
1.023
1.03
于是就有了如下数据表
氨水比热表
氨浓度%（分子）
温度℃
20.6
37.5
41
10.5
0.995
1.049
1.06
13.1
1.046
20.9
0.99
1.023
1.03
由上表可知，13%的氨水比热为1.046kcal/（kg.℃）即4.383KJ/（kg.℃）
②水的比热的查取:
当温度为40℃、45℃、78℃、100℃时水的比热分别为0.997kcal/（kg.℃）、0.997kcal/（kg.℃）、1.002kcal/（kg.℃）、1.008kcal/（kg.℃）
③个别气体比热的查取
a.甲醛（HCHO）
在温度为45、100℃时甲醛的比热分别为1.18KJ/（kg.℃），1.21KJ/（kg.℃）
b.氨（NH3）
35℃时的氨比热为2.20KJ/（kg.℃）
2、部分原料燃烧热的计算和查取
（1）部分原料燃烧热的计算
①诺氟沙星（C16H18FN3O3）
C16H18FN3O3+37.5/2O216CO2+17/2H2O+3/2N2+HF
a
b
正烷烃基数
1
液体
23.86
218.05
氟
1
固体
59.45
0.80
酮
1
固体
23.03
-0.80
酸
1
液体
-19.68
0.29
苯
1
固体
-69.08
1.88
叔胺
1
液体
2×83.74
0.34
仲胺
1
固体
0
2.26
∑a=185.06
∑b=222.82
qc=∑a+x∑b=185.06+37.5×222.82=8540.81kJ/mol
②培氟沙星（C17H20FN3O3）
C17H20FN3O3+40.5/2O217CO2+19/2H2O+3/2N2+HF
a
b
正烷烃基数
1
液体
23.86
218.05
氟
1
固体
59.45
0.80
酮
1
固体
23.03
-0.80
酸
1
液体
19.68
+0.29
苯
1
固体
-69.08
+1.88
叔胺
1
液体
2×83.74
0.34
叔胺
1
液体
83.74
0.34
∑a=268.8
∑a=220.9
qc=∑a+x∑b=268.8+40.5×220.9=9215.25kJ/mol
③甲酸铵（HCOONH4）
HCOONH4+5/4O2CO2+5/2H2O+1/2N2
a
b
正烷烃基数
1
液体
23.86
218.05
酸
1
固体
-15.91
-0.04
成盐
-67.41
∑a=-59.46
∑a=218.01
qc=∑a+x∑b=-59.46+2/5×218.01=485.565kJ/mol
④甲烷磺酸（H3CSO3H）
H3CSO3H+3/2O2CO2+2H2O+SO2
a
b
正烷烃基数
1
液体
23.86
218.05
磺酸
1
固体
-247.02
0
∑a=-223.16
∑a=218.05
qc=∑a+x∑b=-223.16+3×218.05=430.99kJ/mol
（2）部分原料的燃烧热选取
qc0（kJ/mol）
△fHm（kJ/mol）
HCHO（g）
570.78
HCOOH（l）
254.6
NH3（g）
387.63
-46.11
qc0（NH3）=（3×143.15×1.01）+（-46.11）=387.63kJ/mol
（3）熔解热的计算
气态溶质的熔解热可取蒸发潜热的负值，固态溶质可取其熔融热的数值。
①熔融热
元素qF=（8.4～12.6）TF
无机化合物qF=（20.9～29.3）TF
有机化合物qF=（37.7～46）TF
qF熔融热，J/mol
TF熔点，K
a.诺氟沙星
熔点:
221+273.15=494.15K
qF=37.7×494.15=18.629kJ/mol=58.32kJ/㎏
b.培氟沙星
熔点:
273+273.15=546.15K
qF=37.7×546.15=20.590kJ/mol=61.76kJ/㎏
②汽化热
a.水（H2O）
100℃时水的汽化热为539Kcal/Kg=2256.25KJ/kg
b.乙醇（C2H5OH）78.5℃时乙醇的汽化热为204.3Kcal/Kg=855.20KJ/kg
3、相关反应物焓的估算
利用键焓法估算生成焓，键焓法的相关公式如下:
一些元素（i）的原子化焓〔
（i,298.15K）/kJ·mol-1〕
元素（i）
（i,298.15K）
元素（i）
（i,298.15K）
元素（i）
（i,298.15K）
元素（i）
（i,298.15K）
元素
（i）
（i,298.15K）
H
217.97
O
249.17
C
716.68
N
472.70
F
79.10
键焓数据〔
（A-B,298.15K）/kJ·mol-1〕
N=O
607
C-C
348
O-H
463
C-H
413
（1）、诺氟沙星的焓计算：
诺氟沙星的分子式为C16H18FN3O3,则：
△atHmo（F）+3△atHmo（N）+3△atHmo（O）
=16×716.68+18×217.97+1×79.1+3×472.7+3×249.17
=17635.05kJ·mol-1
诺氟沙星中含12个C-C，14个C-H，则：
（由于苯的碳碳键能介于碳碳单键与碳碳双键之间，故其一个碳碳键的键能相当于1.5碳碳键的键能）
12×348+14×413
=9958kJ·mol-1
=17635.05-9958=-7677.05kJ·mol-1
（2）、甲磺酸培氟沙星甲基化物的焓计算:
甲磺酸培氟沙星甲基化物的分子式为C17H20FN3O3,则
=
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