年产90吨维生素B6的制备加成过程工艺设计 精品.docx
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年产90吨维生素B6的制备加成过程工艺设计精品
学号：
0120620400210
课程设计
题目
年产90吨维生素B6的制备加成过程工艺设计
学院
化学工程学院
专业
制药工程
班级
制药0602
姓名
指导教师
2010
年
1
月
29
日
1绪论
1.1产品概述
1.1.1名称、化学结构、理化性质
1.1.1.1名称
法定名称维生素B6
VitaminumB6
VitamineB6
化学名称：
6-甲基-5-羟基-3，4-吡啶二甲醇盐酸盐
商品名称：
盐酸吡多辛
PyridoxineHydrochloride
1.1.1.2化学结构
结构式：
分子式：
C8H11O3N•HCl
（分子量205.64）
1.1.1.3理化性质
本品为白色或类白色，结晶或结晶性粉末，无臭，味微苦遇光渐变质。
本品易溶于水（1：
4.5），微溶于乙醇（1：
90）。
微溶于丙酮，不溶于乙醚或氯仿。
水溶液呈酸性反应（10%水溶液PH2.4-3.0）。
水溶液对浓酸或热碱液都比较稳定，在过氧化剂或光的照射下易破坏，在中性水溶液中加热到120℃即发生聚合，形成二聚体或三聚体。
1.2质量标准、临床用途
1.2.1质量标准
标准
项目
中国药典90版
内控标准
等级品标准
出口品标准
国家二级企业标准北京二厂
优级品
合格品
英国药典88版
美国药典22版
外观
白色或类白色结晶或结晶性粉末
白色结晶或结晶性粉末
白色结晶或结晶性粉末
白色结晶或结晶性粉末
白色或几乎白色结晶性粉末
含量
≥99.0%
99.0%-100.5%
99%-100.5%
99.0%
99.0-101.0%
98.0-102.0%
熔点
205-209℃
206-209℃
206-209℃
205-209℃
约205℃
203
酸度
PH=2.4-3.0
PH=2.4-3.0
PH=2.4-3.0
PH=2.4-3.0
PH=2.4-3.0
炽灼残渣
≤0.1%
≤0.1%
≤0.1%
≤0.1%
≤0.1%
≤0.1%
重金属
≤10PPm
≤10PPm
≤10PPm
≤10PPm
≤20PPm
≤30PPm
溶液色泽
无
420nm，≤0.05
420nm，
≤0.05
≤Y7
≤Y7
溶液澄清度
≤1号浊度标准液
≤1/8浊度标准
≤1/8浊度标准
1号浊度标准液
层澄清
氯含量
16.9-17.6%
16.9-17.6%
16.9-17.6%
干燥失重
≤0.5%
≤0.5%
≤0.5%
≤0.5%
≤0.5%
≤0.5%
无菌试验
均符合药品卫生标准
1.2.2临床应用
本品为具有酶作用的维生素，参与氨基酸及脂肪酸的代谢。
临床上可以治疗各种因缺乏维生素B6引起的病症，如癞皮症，皮脂溢出性皮炎、恶性贫血，妊娠呕吐、肌无力和颗粒型白血球缺乏症。
也可以治疗脑炎后遗症及其它类型的帕金森氏综合症。
能预防因服异烟肼而引起的神经炎。
对肝病，血管硬化或短波辐射所引起的灼伤也有疗效。
1.2.3包装规格要求及贮藏
装量
材料
规格
要求
附注
贮藏
25Kg（净重）
黄色圆形收口纸板桶
内径╳外高╳纸厚
37cm╳47╳6层（6层纸张类型、360g）
1、内层聚乙烯袋排气后热合封口白纱带扎口
2、外层牛皮纸袋袋口向内折叠桶内放合格证
3、桶口穿铁丝铅封
4、桶外贴标签
5、室温包装双人复称装量正确
原用纤维板圆桶
37cm╳52cm
遮光防潮密封
透明圆底聚乙烯袋
内径╳外高╳袋厚
38cm╳80cm╳0.09cm
原用透明圆底聚乙烯袋
37cm╳80cm
黄色圆底牛皮纸袋
内径╳外高╳纸重
38cm╳80cm╳60-80g
原用黄色圆底牛皮纸袋
37cm╳80cm╳60-80g
桶盖印批号
2设计依据
2.1设计条件
加成过程投料量一览表
名称
投料量（Kg）
重量比
摩尔比
恶唑*
75.0（粗重）
1（基准）
1（基准）
正丙基七元环
1150.0
15.3333
13.9872
盐酸*
33.7（纯HCl）
0.4493
1.5971
乙醇
542.6
7.2347
20.3731
去离子水
620.0
8.2667
59.5157
设产品的年产量为80～120吨维生素B6，酯草过程收率为95%，环合过程收率为80%，加成过程收率为90%，精制过程收率为75%，七环过程收率为65%。
所得维生素B6含量为99%，水分少于0.5%。
残渣少于0.1%。
每年工作日为300～330天（具体见设计题目分配方案），每天24小时连续运行。
2.2依据《中华人民共和国药典》2005年版和《环境保护法》
2.3噁唑法合成维生素B6中的加成工艺，即4-甲基-5-乙氧基恶唑与正丙基七元环经Diels-Alder加成反应得到中间体，再经芳构反应、水解反应得到粗品维生素B6。
反应如下：
加成反应：
芳构反应:
水解反应：
3工艺路线论证
用α-丙氨酸与草酸乙醇同步进行酯化和酰化制得N-乙氧草酰-α-丙氨酸乙酯，再经环合脱羧制得4-甲基-5-乙氧基噁唑，最后与2-异丙基-4,7-二氢-1,3-二庚噁英经Diels-Alder反应，再经芳构化、水解反应制得维生素B6总收率68.4%。
此法较以往工艺相比步骤简单、易于操作、成本低、收率较高，适于工业化生产。
考虑到Diels-Alder加成时2-正丙基-4,7-二氢-1,3-二庚噁英的空间位阻和反应活性改用2-异丙基-4,7-二氢-1,3-二庚噁英粗品收率可达82%维生素B6的精制收率因成品质量不一而相差较大采用两次脱色一次无水乙醇重结晶精制率95%含量熔点指标能达到药典标准但外观和溶液色泽不完全合格工业上采用两次溶解脱色滤液浓缩后在无水乙醇中两次重结晶的方法生产质量合格但精制率只有84%中树脂法脱色工艺尚处于探索阶段目前工业化应用程度不高本文采用三次脱色二次水相结晶合理利用活性炭精制率达到89%质量符合BP98和USP24版标准而且不用无水乙醇结晶成本大幅下降。
4工艺流程设计
5生产工艺与流程概述
将噁唑，正丙基七元环，按一定配比加入加成锅，在150℃下反应15小时。
反应结束，冷却，抽至回收锅回收正丙基七元环（套用），将锅内残留物抽至芳构锅，低温滴加0.1mol/L盐酸，然后在25℃保温反应15小时；升温至60℃，在60℃下保温反应2小时。
将锅内物料抽至水解锅，减压回收乙醇（打回收组），然后，加入3mol/L盐酸在60-70℃下，水解反应一小时。
减压回收正丁醛、酸水。
再加入乙醇带水，回收的酸水弃去；正丁醛处理后共七环组套用，回收的乙醇中和后打回收组。
再加入适量乙醇，搅拌溶解、离心出料、即得VB6粗品。
6物料衡算
6.1生产要求：
维生素B6的年产量为90t，一年为300天，每天24小时连续运行。
6.2反应要求：
所得维生素B6含量为99%，加成过程总收率为90%，加成反应产率为93%，芳构反应产率为98%，水解反应产率为99%。
（加成、芳构、水解反应的产率根据总产量假设的）
6.3计算要求：
噁唑含量按98%计算摩尔比、实际使用的盐酸是由31%（w/w）工业低铁盐酸加去离子水配制而成。
6.4投料要求：
加成过程投料量一览表
名称
投料量（Kg）
重量比
摩尔比
噁唑*
75.0（粗重）
1（基准）
1（基准）
正丙基七元环
1150.0
15.3333
13.9872
盐酸*
33.7（纯HCl）
0.4493
1.5971
乙醇
542.6
7.2347
20.3731
去离子水
620.0
8.2667
59.5157
6.6工艺时间安排
操作步骤
操作工时（小时）
生产周期（小时）
投料
1
72
收低沸
1.5
升温
1
加成反应
16
冷却
0.5
回收七环
8
加醇溶解
0.5
抽料
0.5
滴加盐酸
2
芳构反应
19
抽料
0.5
回收乙醇
3
水解反应
1
减压回收
5
加醇溶解
1
回收乙醇
1
加醇溶解
0.5
冷却静置
7
离心出料
3
每批生产所需时间为72小时
则，年工作时间为：
年生产批数为：
批
纯维生素B6的年产量为：
平均每批纯维生素产量为：
。
6.7物料计算
6.7.1加成反应原料噁唑及正丙基七元环消耗量的计算
以噁唑用量为基准，加成工序过程收率为90%，
则，纯噁唑消耗量为：
原料中噁唑的含量是98%，所以噁唑（粗）的投料量为：
粗噁唑中杂质的质量为：
624.5×0.02=12.49kg
按投料量重量比的正丙基七元环的投料量为：
反应消耗的正丙基七元环的量为：
反应剩余的正丙基七元环的量为：
6.7.2芳构反应加成物的计算
加成反应所得加成物的质量为：
芳构反应所得芳构物的质量为；
6.7.3水解反应总盐酸（纯）消耗量的计算
由投料比得盐酸的总投料量为：
实际使用的盐酸是用31%（w/w）工业低铁盐酸加去离子水配置而成，故使用的工业盐酸量为：
水解反应盐酸的反应量为：
由于使用稀盐酸为3mol/L（10.5%），得水解反应消耗的稀盐酸的量为：
6.7.4其他原料的投料量计算
乙醇的投料量为：
乙醇的生成量为：
去离子水的投料量为：
去离子水的反应量为：
正丁醛的生成量为：
物料平衡表
加成工序总物料平衡表
进料
出料
最终残余液
名称
质量（kg）
名称
质量（kg）
名称
质量（kg）
98%噁唑
624.5
VB6粗品
900
乙醇
4719.9
正丙级七元环
9575.6
正丁醛
311.96
正丙级七元环
8927
3M盐酸
311.8
加成物
24.116
乙醇
4518.1
去离子水
5083.59
去离子水
5162.55
噁唑（杂）
12.49
芳构物
9.795
盐酸
153.3
7热量衡算
7.1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：
Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5＋Q6
式中Q1—物料带入到设备的热量，kJ
Q2—加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJ
Q3—过程热效应，kJ；
Q4—物料离开设备所带走的热量，kJ
Q5—加热或冷却设备所消耗的热量，kJ
Q6—设备向环境散失的热量，kJ
热量衡算以273K为基准温度，以液态为基准物态。
（1）Q1与Q4
Q1与Q4均可用下式计算：
Q1（Q4）=∑m·（T-T0）·CpkJ
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℃
T0—计算基准温度℃
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Q3
化学过程的热效应包括化学反应热（Qr）与状态变化热（Qp）。
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Q3的符号为：
放热为正；吸热为负。
7.2化学反应热的计算原理
为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为298K及标准大气压时反应
热的数值为标准反应热，习惯上用ΔH°表示，负值表示放热，正值表示吸热。
这与在热量衡算中所规定的符号正好相反，为避免出错，现用符号q0r表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则qr=－ΔH°。
标准反应热的数据可以在《化学工程手册》（第一册）或《化学工艺设计手册》（下）中查到；当缺乏数据时用标准生成热或标准燃烧热求得。
（1）用标准生成热求q0r，其公式为：
q0r=∑ν·q0fkJ/mol
式中ν—反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正；
q0f—标准生成热，kJ/mol。
（2）用标准燃烧热求q0r，其公式：
q0r=∑νq0ckJ/mol
式中ν—反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正；
q0c—标准燃烧热，kJ/mol。
（3）标准燃烧热的计算
理查德认为：
有机化合物的燃烧热与完全燃烧该有机化合物所需的氧原子数成直线关系，即：
q0c=Âa＋xÂbkJ/mol
式中a、b—常数，与化合物结构相关，其值见《药厂反应设备及车间工艺设计》（P213～217表6—6和表6—7）；
X—化合物完全燃烧时所需的氧原子数
（4）q0c和q0f换算，有盖斯定律其公式为：
q0c+q0f=∑nq0ce
式中q0c—标准燃烧热，KJ/mol
q0f—标准生成热，KJ/mol
n—化合物中同种元素的原子个数
q0ce——元素标准燃烧热
元素标准燃烧热一览表
元素的燃烧过程
元素燃烧热
kJ/（g·atm）
元素的燃烧过程
元素燃烧热
kJ/（g·atm）
CCO2（气）
395.15
BrHBr（溶液）
119.32
H1/2H2O（液）
143.15
II（固）
0
FHF（溶液）
316.52
N1/2N2（气）
0
Cl1/2Cl2（气）
0
NHNO3（溶液）
205.57
ClHCl（溶液）
165.80
SSO2（气）
290.15
Br1/2Br2（液）
0
SH2SO4（溶液）
886.8
Br1/2Br2（气）
-15.37
PP2O5（固）
765.8
（5）状态变化热（Qp）
状态热一般也称潜热，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：
qv=（-28.5）lg{PR·TR·TC/[0.62·（1-TR）]}kJ/kg
式中PR—对比压强（实际压强与临界压强之比值）
TR—对比温度（实际温度与临界温度之比值）
TC—临界温度，K
液体在沸点下的汽化热可按下式计算：
qvb=Tb·（39.8lgTb－0.029Tb）/MkJ/kg
式中Tb—液体的沸点，K
M—液体的分子量
2）熔融热
不同物质的熔融热可根据以下公式求出：
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=（37.7～46.0）TF
其中qF——熔融热，J/mol
TF——熔点，K
3）溶解热
气态溶质的溶解热可取蒸发潜热的负值；固态溶质的溶解热则近似可取其
熔融热的值。
4）消耗在加热设备各个部件的热量Q5的计算
Q5=∑Mi·（T2-T1）·CpikJ
式中Mi—设备上i部件质量，kg
Cpi—设备上i部件比热容，kJ/kg·℃
T2—设备各部件终温，℃
T1—设备各部件初温，℃
5）设备向四周散失的热量Q6的计算
Q6=∑A·at（Tw2-T0）t
10-3kJ
式中A—设备散热表面积，m2
at—散热表面向四周介质的联合给热系数，W/（m2·℃）
T2—设备各部件终温，℃
T1—设备各部件初温，℃
Tw1—四壁向四周散热时的表面温度，℃
T0—周围介质温度，℃
t—过程持续时间，s
Q5与Q6的确定根据工艺操作经验，（Q5＋Q6）一般为（Q4＋Q5＋Q6）的5%～10%，只要计算出Q4，就可以确定（Q5＋Q6），从而计算出Q2。
6）Q2的计算
由以上计算过程得到Q1、Q3、Q4、Q5、Q6后，根据热量平衡方程式求出设备的热负荷Q2。
Q2正值表示需对设备加热；负值表示需冷却。
7.3能量衡算
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、汽化热、熔融热、溶解热、浓度变化热效应、燃烧热等，以下介绍他们的计算方法。
7.3.1比热容的计算
（1）气态物质的比热容的计算
对于压强低于5×105Pa的气体或蒸汽均可作理想气体处理，其定压比热容为Cp=4.187•（2n＋3）/MkJ/（kg•OC）
式中n—化合物分子中原子个数；
M—化合物分子量。
（2）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》第208页表6—4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。
（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=∑Can/M（kJ/kg•0C）
式中C—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。
元素原子的比热容
元素
Ca—kcal/kg•℃
元素
Ca—kcal/kg•℃
液态
固态
液态
固态
碳C
2.8
1.8
硫S
7.4
5.5
氢H
4.3
2.3
磷P
7.4
5.4
硼B
4.7
2.7
氯Cl
8.0
6.2
硅Si
5.8
3.8
氮N
8.0
2.6
氧O
6.0
4.0
其他元素
8.0
6.2
氟F
7.0
5.0
注：
1Kcal=4.187kJ
上述公式计算出的是20℃时的比热容，不再20℃时的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在加大20~25%。
由上可得，
物质的Cp一览表
物质
噁唑
1
七元环
2
加成物
3
比热容
（KJ/kg•℃）
1.564
2.785
2.648
7.3.1每步反应的能量计算
1.加成反应
进料温度按25℃计算，出料温度为120℃
（1）各物质的Q1的计算
Q1-1=1.564×624.5×25=24417.95KJ
Q1-2=2.785×9575.6×25=666701.15KJ
所以，Q1=24417.95+666701.15=691119.1KJ
（2）各物质Q4的计算
Q4-1=1.564×12.49×120=2344.1232KJ
Q4-2=2.785×9575.6×120=3200165.52KJ
Q4-3=2.648×1205.8×120=383155.008KJ
所以Q4=2344.1232+3200165.52+383155.008=3585664.65KJ
（3）Q3的计算
由于投料都是液体，故熔解热可以忽略不计。
稀释热：
忽略不计。
化学反应热
化学反应方程式：
查化学工艺手册可知
噁唑的q0f=-107.2Kcal/mol
正丙基七元环的q0f=68.52Kcal/mol
加成物的q0f的求取：
加成物C14H23O4N+11.75O27CO2+11.5H2O+NO2
根据“理查德法”，则有：
q0c=∑a＋X∑b（kJ/mol），可知X=23.5
a、b值一览表
基团
a
b
基本数据
5.7
52.08
烷基支链
-3.7
0.09
醚
46.5
0.02
亚胺
11.8
-0.02
呋喃
35
-1.17
∑a=95.3
∑b=51
q0c=∑a＋x∑b=95.3+23.5×51=1293.8Kcal/mol
元素燃烧热：
∑nq0ce=14×395.15+23×143.15+0+290.15=9114.7KJ/mol
故q0f=∑nq0ce-q0c=9114.7-1293.8×4.187=3697.5594KJ/mol
故q0r=∑q0f=3697.5594-（-107.2+68.52）×4.187=3859.5126KJ/mol
Q3=q0r×n=3859.5126×1205.8×1000÷269.36=17277250.87KJ
（4）Q5＋Q6的计算
据工艺要求，可以有：
Q5＋Q6=5%～10%（Q5＋Q6＋Q4）
故取Q5＋Q6=8%（Q5＋Q6＋Q4）
∴Q5＋Q6=
Q4=
×3585664.65=311796.93KJ
（5）Q2的计算
∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5＋Q6
∴Q2=Q4＋Q5＋Q6－Q1－Q3
=3585664.65＋311796.93－691119.1－17277250.87=-14070908.39KJ
2.芳构反应
进料温度为25℃，出料温度为60℃
物质
加成物
1
乙醇
2
芳构物
3
平均比热（KJ/kg•℃）
2.648
2.680
2.492
（1）Q1的计算
Q1-1=2.648×1205.8×25=79823.96KJ
所以Q1=79823.96KJ
（2）Q4的计算
Q4-1=2.648×24.116×60=3831.55KJ
Q4-2=2.680×201.8×60=32449.44KJ
Q4-3=2.492×979.5×60=146454.84KJ
故Q4=3831.55+32449.4+146454.84=182735.83KJ
（3）Q3的计算
化学反应方程式
已知加成物的q0f=3697.5594kJ/mol
乙醇的q0f=-277.8075kJ/mol
芳构物的q0f计算如下
芳构物C12H17O3N+15.75O26CO2+8.5H2O+NO2
则X=31.5
q0c=∑a＋x∑b
基团
a
b
基本数据
5.7
52.08
烷基支链
-3.7
0.09
醚
46.5
0.02
吡啶
14
-0.77
芳羟基
7.0
-0.29
∑a=95.3
∑b=51.13
q0c=（∑a＋x∑b）×4.187=（95.3+51.13×
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