年产800t4氯2硝基酚车间生产工艺设计说明书设计论文毕设论文.docx
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年产800t4氯2硝基酚车间生产工艺设计说明书设计论文毕设论文
常州大学制药与生命科学学院
（制药工程）
课程设计
班级制药113
姓名张文泽邵智豪
学号1143553111435517
指导教师
2014年12月8日
第一章概述
4-氯2-硝基苯酚是药物氯唑沙宗的重要中间体，氯唑沙宗是一种广泛使用的中枢性肌肉松弛药，用于各种急、慢性扭伤挫伤，肌肉劳损等引起的软组织疼痛以及由中枢神经引起的肌肉痉挛疼痛等，总有效率达98．59％，其生产工艺和复方技术成为制,药界研究的热点,本文研究了4-氯2-硝基苯酚的合成工艺，侧重改进合成中间体4-氯2-硝基苯酚的水解工艺，通过优化水解条件，提高产品收率，降低生产成本和减少污染。
1.1设计依据
配料比：
2,5-二氯硝基苯:
氢氧化钠:
水=1:
0.505:
6.428（重量比）
在3000升压热釜中加入2100升水及675公斤30%液碱，搅拌均匀后取样分析，氢氧化钠的浓度应为75-80克/升。
然后加入400公斤2,5-二氯硝基苯，密闭反应釜，加热至60℃左右，开动搅拌，在1.5-2小时内升温至130-136℃反应10小时。
反应毕，压送至结晶锅，在80-90℃时加入300公斤工业盐，使比重达到1.18-1.20（25℃），于25℃过滤。
得100%4-氯-2-硝基苯酚钠盐324公斤，收率为90%。
用盐酸酸化即得4-氯-2-硝基酚。
生产任务：
800吨/年。
生产方法：
间歇反应
1.2反应原理
2,5-二氯硝基苯与氢氧化钠水溶液在高温下发生水解反应水，形成酚的钠盐。
反应如下：
1.3物料理化性质
2,5-二氯硝基苯：
相对密度1.4390g/cm3（75℃）。
熔点56℃。
沸点267℃。
不溶于水,溶于氯仿、热乙醇、乙醚、二硫化碳和苯。
性状从乙醇中结晶得棱柱体或片状体，从醋酸乙酯中结晶得片状体。
2,5二氯硝基苯可由对二氯苯以混酸硝化，反应产物经水洗、中的、分离而得。
氢氧化钠：
氢氧化钠，化学式为NaOH，俗称烧碱、火碱、苛性钠，为一种具有很强腐蚀性的强碱，一般为片状或颗粒形态，易溶于水（溶于水时放热）并形成碱性溶液，另有潮解性，易吸取空气中的水蒸气。
NaOH是化学实验室其中一种必备的化学品，亦为常见的化工品之一。
纯品是无色透明的晶体。
密度2.130g/cm³。
熔点318.4℃。
沸点1390℃。
工业品含有少量的氯化钠和碳酸钠，是白色不透明的固体。
有块状、片状、粒状和棒状等。
水：
分子量：
18.02，密度：
1g/cm3，熔点：
0℃，沸点：
100℃（1atm）。
在常温常压下为无色无味的透明液体。
1.4工艺设计
对硝基苯甲酸乙酯的传统制备方法是以浓硫酸作催化剂进行酯化反应，产率一般在75%左右，浓硫酸虽价廉，催化活性高，但反应复杂、副反应多、产品色泽较深，后续处理麻烦，对设备腐蚀严重，有废酸排放造成环境污染。
近期也有报道采用杂多酸、钨锗酸、苯磺酸、甲磺酸、固体酸和稀土配合物等作为新型催化剂。
但由于催化剂价格较高或具有一定毒害性，限制了其工业推广。
本设计采用2,5-二氯硝基苯在氢氧化钠水溶中水解法来生产4-氯-2-硝基酚，以2,5-二氯硝基苯作为起始原料，经过水解、结晶、过滤、酸化等化学、物理过程生产4-氯-2-硝基苯酚产品。
本设计主要分为两个工段：
第一工段为反应阶段、第二工段为精制阶段。
工业盐
2,5-二氯硝基苯
过滤
结晶锅
130-136℃反应
（1）生产工艺流程
水
盐酸酸化
30%氢氧化钠
每个单元操作均有各种典型的设备组合型式，通过以上各单元操作的合适设备组合形成了相应的生产流程。
每个单元操作的设备类型选择要根据生产工艺性质需要和设计者经验来确定，而设备的大小则需要进行物料衡算和能量衡算，并考虑设备的制备性能。
（2）工艺流程图
（3）工艺过程说明
A、水解反应（预计该过程13h）
在3000升压热釜中加入2100升水及675公斤30%液碱，开动搅拌，搅拌均匀后，停搅拌，取样分析，氢氧化钠的浓度应为75-80克/升，如果碱液合格，再向反应釜加入400公斤2,5-二氯硝基苯，密闭水解反应釜R101，加热至60℃左右，开动搅拌，在1.5-2小时内升温至130-136℃反应10小时。
B、析出结晶（预计该过程3h）
反应完毕，压送至结晶釜R201，待反应液冷却到80-90℃，在80-90℃时加入300公斤工业盐，使比重达到1.18-1.20（25℃），待结晶锅温度降至25℃时，用作下一步处理。
C、离心过滤（预计该过程1.5h）
将结晶锅中物料放入离心机M201中，将料摊开，将含水甩净，全速甩1.5小时。
D、盐酸酸化（预计该过程2.5h）
将离心分离所得的滤饼放入酸化反应釜R202中，加盐酸酸化搅匀。
E、离心过滤（预计该过程1.5h）
将酸化结束的物料放入离心机M202中，将料摊开，将含水甩净，全速甩1.5小时。
F、气流干燥（预计需要1h）
将离心机M202离心所得滤饼均匀放入气流干燥器中，待含水量低于1%时放料，得最终产物对硝基苯甲酸乙酯结晶。
第二章物料衡算
物料衡算是根据原料与产品之间的定量转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成，进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打基础。
物料衡算是以质量守恒定律为基础对物料平衡进行计算。
物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉的和积累起来的物科质量”。
2.1生产安排
生产要求：
年生产量为800吨；年工作日为300天；收率为90%。
根据生产工艺过程可知共需操作时间为22.5小时（投料时间+反应时间+处理时间），利用间歇反应，设计分两条生产线生产，每天每条生产线生产3批，则年产批次为1800批。
操作时间安排甘特图
13h3h1.5h2.5h1.5h1h
14h
时间
2.2水解反应釜R101的物料衡算
根据反推法：
日产量800吨/300天=2.67吨/天，每天两条生产线生产，每条生产线生产3批，设每批产444.44kg4-氯-2-硝基苯酚。
则每批产4-氯-2-硝基苯酚钠444.44×195.53/173.55=500.73kg。
总收率90%，则4-氯-2-硝基苯酚493.83kg，n（2,5-二氯硝基苯）：
n（4-氯-2-硝基苯酚）=1:
1
M（2,5-二氯硝基苯）=192.00kg；M（4-氯-2-硝基苯酚）=173.55；M（4-氯-2-硝基苯酚钠）=195.53
收率=产品/（m（2,5-二氯硝基苯）×173.55/192.00）=0.90
对硝基苯甲酸的投料量=（444.5×192.00）/（0.90×173.55）=546.32kg
则每天每批2,5-二氯硝基苯的投料量为546.32kg。
根据设计任务书得知；
本步反应的收率为96%
配料比：
2,5-二氯硝基苯:
30%氢氧化钠溶液:
水=1:
1.6825:
5.25（重量比）
则30%氢氧化钠溶液投料量=546.32×1.6825
=919.18kg
30%氢氧化钠溶液中：
纯氢氧化钠919.18×30%=275.76kg；
水919.18×70%=643.42kg
水投料量=546.32×5.25
=2868.18kg
另外反应产生的水为49.22kg（546.32/192.00）×18.02×96%
生成4-氯-2-硝基苯酚钠=（546.32/192.00）×195.53×96%
=534.11kg
生成氯化钠=（546.32/192.00）×58.44×96%
=159.63kg
未参与反应的2,5-二氯硝基苯=546.32×5%
=21.85kg
未参与反应的氢氧化钠=275.76-（546.32/192.00）×2×40.00×96%
=57.23kg
总投料量=2,5-二氯硝基苯+30%氢氧化钠溶液+水
=546.32+919.18+2868.18
=4333.68kg
总出料量=4-氯-2-硝基苯酚钠+氯化钠+反应生成的水+未反应水+残留2,5-二氯硝基苯+残留氢氧化钠
=534.11+159.63+49.22+（643.42+2868.18）+21.85+57.23
=4333.64kg
水解反应釜R101物料衡算数据见下表2：
表1水解反应釜R101物料衡算表
进料物名称
进料物质量/kg
进料物体积/L
出料物名称
出料物质量/kg
出料物体积/L
2,5-二氯硝基苯
546.32
379.65
4-氯-2-硝基苯酚钠
534.11
272.50
30%氢氧化钠溶液
919.18
691．11
氯化钠
159.63
73.73
溶剂水
2868.18
2868.18
反应生成的水
49.22
51.36
未反的水
3511.60
3664.23
残留2,5-二氯硝基苯
21.85
15.18
残留氢氧化钠
57.23
26.87
合计
4333.68
3938.94
合计
4333.64
4103.87
2.3结晶釜R201的物料衡算
根据结晶釜生产能力，本次操作的收率为97%
进料：
完全来自水解反应釜中的总量为4333.64kg
其中：
4-氯-2-硝基苯酚钠：
534.11kg
氯化钠：
159.63kg
氢氧化钠：
57.23kg
2,5-二氯硝基苯：
21.85kg
水：
3560.82kg
结晶加入的工业盐：
300kg
本次操作中损耗率为5%
损耗的4-氯-2-硝基苯酚钠=534.11×3%
=16.02kg
出料：
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）：
518.09kg（534.11-16.02）
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）：
16.02kg
氯化钠：
159.63kg
氢氧化钠：
57.23kg
2,5-二氯硝基苯：
21.85kg
水：
3560.82kg
工业盐：
300kg
结晶釜R201物料衡算数据见下表2：
表2结晶釜R201物料衡算表
进料物名称
进料物质量/kg
进料物体积/L
出料物名称
出料物质量/kg
出料物体积/L
4-氯-2-硝基苯酚钠
534.11
272.50
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）
518.09
264.33
氯化钠
159.63
73.73
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）
16.02
8.17
反应生成的水
49.22
51.36
氯化钠
159.63
73.73
未反的水
3511.60
3664.23
氢氧化钠
57.23
26.87
残留2,5-二氯硝基苯
21.85
15.18
2,5-二氯硝基苯
21.85
15.18
残留氢氧化钠
57.23
26.87
水
3560.82
3571.53
工业盐
300
138.57
工业盐
300
138.57
合计
4633.64
4242.44
合计
4633.64
4098.38
2.4离心机M201的物料衡算
进料：
完全来自结晶化反应釜中的总量为4633.64kg
其中：
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）：
518.09kg
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）：
16.02kg
氯化钠：
159.63kg
氢氧化钠：
57.23kg
2,5-二氯硝基苯：
21.85kg
水：
3560.82kg
工业盐：
300kg
本次操作中损耗率为3%
损耗的4-氯-2-硝基苯酚钠=518.09×3%
=15.54kg
出料：
滤饼（以滤饼含水量残留为总液体5%计）
其中
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）：
502.55kg
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）：
0.80kg
氯化钠：
7.98kg
氢氧化钠：
2.86kg
2,5-二氯硝基苯：
1.09kg
水：
178.04kg
工业盐：
15.00kg
母液质量：
1363.45Kg
其中：
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）：
15.22kg
氯化钠：
151.65kg
氢氧化钠：
54.37kg
2,5-二氯硝基苯：
20.76kg
水：
3382.78kg
工业盐：
285.00kg
离心机M201物料衡算数据见下表2：
表3离心机M201物料衡算表
进料物名称
进料物质量/kg
出料物名称
出料物质量/kg
滤饼
母液
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）
518.09
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）
502.55
0
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）
16.02
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）
0.80
15.22
氯化钠
159.63
氯化钠
7.98
151.65
氢氧化钠
57.23
氢氧化钠
2.86
54.37
2,5-二氯硝基苯
21.85
2,5-二氯硝基苯
1.09
20.76
水
3560.82
水
178.04
3382.78
工业盐
300
工业盐
15.00
285.00
损耗量
15.54
合计
4644.32
合计
4633.64
2.5酸化反应釜R202的物料衡算
为了使滤饼更好的分散，采用该滤饼质量的5倍的水通过搅拌搅匀。
通过加盐酸调节溶液pH至6.5-7。
滤饼密度约为1.25g/cm3,10%的碳酸钠的密度为1.1g/ml。
NaOH+HCl→NaCl+H2O
滤饼的体积=（502.55+0.80+7.98+2.86+1.09+178.04+15.00）/1.25
=566.66L
所加水的质量=708.32×5
=3541.60kg
与4-氯-2-硝基苯酚钠反应所需HCl：
（502.55+0.80）/195.53×36.46=93.86kg
与氢氧化钠反应所需HCl：
2.86/40.00×36.46=2.61kg
假设所用盐酸浓度31%，反应所需盐酸质量总共：
（93.86+2.61）/31%=311.19kg其中：
96.47kgHCl、214.72kg水
反应生成4-氯-2-硝基苯酚：
（502.55+0.80）/195.53×173.55=446.77kg
反应生成氯化钠：
（502.55+0.80）/195.53×58.44+2.86/40.00×58.44=154.62kg
反应生成水：
2.86/40.00×18.02=1.29kg
最终出料所有水：
178.04+3541.60+1.29+214.72=3935.65kg
综上可知：
2,5-二氯硝基苯、工业盐在反应过程中均未变化
进料：
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）：
502.55kg
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）：
0.80kg
氯化钠：
7.98kg
氢氧化钠：
2.86kg
2,5-二氯硝基苯：
1.09kg
水：
178.04kg
工业盐：
15.00kg
31%盐酸：
311.19kg
介质水：
3541.60kg
出料：
4-氯-2-硝基苯酚：
446.77kg
氯化钠：
162.6kg
2,5-二氯硝基苯：
1.09kg
水：
3935.65kg
工业盐：
15.00kg
酸化反应釜R202物料衡算数据见下表2：
表3酸化反应釜R202物料衡算表
进料物名称
进料物质量/kg
进料物体积/L
出料物名称
出料物质量/kg
出料物体积/L
4-氯-2-硝基苯酚钠（固）
502.55
256.40
4-氯-2-硝基苯酚
446.77
417.54
4-氯-2-硝基苯酚钠（溶）
0.80
0.41
氯化钠
162.6
75.10
氯化钠
7.98
3.68
2,5-二氯硝基苯
1.09
0.76
氢氧化钠
2.86
1.09
水
3935.65
3947.49
2,5-二氯硝基苯
1.09
0.76
工业盐
15.00
6.93
水
178.04
178.58
工业盐
15.00
6.93
31%盐酸
311.19
270.79
介质水
3541.60
3552.26
合计
4561.11
4270.9
合计
4561.11
4447.82
2.6离心机M202的物料衡算
因加水量较多，溶质全部溶于水流出体系，以离心分离后滤饼中只含有水和目标产物对硝基苯甲酸乙酯。
本次操作损耗0.4%滤饼含水量为5%。
进料：
4-氯-2-硝基苯酚：
446.77kg
氯化钠：
162.6kg
2,5-二氯硝基苯：
1.09kg
水：
3935.65kg
工业盐：
15.00kg
出料：
滤饼：
水：
23.42kg
对硝基苯甲酸乙酯：
444.98kg
滤液：
4-氯-2-硝基苯酚：
1.79kg
氯化钠：
162.60kg
2,5-二氯硝基苯：
1.09kg
水：
3912.23kg
工业盐：
15.00kg
离心机M202物料衡算数据见下表2：
表3离心机M202物料衡算表
进料物名称
进料物质量/kg
出料物名称
出料物质量/kg
滤饼
母液
4-氯-2-硝基苯酚
446.77
4-氯-2-硝基苯酚
444.98
1.79
氯化钠
162.6
氯化钠
0
162.60
2,5-二氯硝基苯
1.09
2,5-二氯硝基苯
0
1.09
水
3935.65
水
23.42
3912.23
工业盐
15.00
工业盐
0
15.00
合计
4561.11
合计
4561.11
2.7气流干燥的物料衡算
根据物料计算，干燥物料总重为：
468.40kg，含水量为5%，即23.42kg
进行完全脱水即干燥失重为444.98kg
验证：
444.98kg＞444.44kg（符合设计要求）
综合以上计算，得：
进料：
4-氯-2-硝基苯酚（湿品）=468.40kg。
出料：
得到成品=444.98kg
第三章能量衡算
能量消耗费用是生产产品的主要成本之一，合理的利用能量可以降低成本。
因此，在产品生产工艺设计中，能量衡算是十分重要的基本设计项目。
能量衡算的目的在于定量地表示出工艺过程各部分的能量变化，确定需要加入或可供利用的能量，确定过程及设备的工艺条件和热负荷。
能量衡算主要包括热能、动能、电能、化学能等。
在该设计中，主要涉及到的是热能、化学能的衡算。
3.1比热容的计算
（一）经《化学化工物性数据手册（无机卷）》可查得氢氧化钠、氯化钠、水、氯化氢的比热容。
（二）比热容的计算
大多数液体的比热容在1.7～2.5KJ/（Kg.℃）之间，少数液体例外，如液氨与水的比热容比较大，在4左右；而汞和液体金属的比热容比较小。
液体比热容一般与压强无关，随温度上升而稍有增大。
作为水溶液比热容的近似计算，可先求出固体的比热容，再按下式计算
C=CSa+（1-a）
式中C-----水溶液的比热容KJ/（Kg.℃）;
CS----固体的比热容KJ/（Kg.℃）;
a-----水溶液中固体的质量分数。
对于绝大多数有机化合物，其比热容可利用下表求得。
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成比热容。
基团结构摩尔热容[J/（mol.℃）]
温度
-C6H5（苯环）
-NO2
-OH
-O-
-CH3
-Cl
5℃
113.84
65.02
35.6
58.04
40.34
25℃
117.2
65.7
44．00
43.34
41.7
29.7
80℃
131.06
68.44
63.68
45.38
46.4
所以：
2,5-二氯硝基苯的比热容=[（C6H5-）+（-Cl）+（-NO2）]/192.00
4-氯-2-硝基苯酚钠的比热容=[（C6H5-）+（-NO2）+（-Cl-）+（-ONa）]/195.53
4-氯-2-硝基苯酚的比热容=[（C6H5-）+（-NO2）+（-Cl）+（-OH）]/173.55
经以上式子可求得
所需比热容（KJ/Kg℃）
比热容数据（KJ/Kg℃）
物质
5℃
25℃
80℃
平均值
2,5-二氯硝基苯
1.24
1.26
1.35
1.28
4-氯-2-硝基苯酚钠
1.44
1.56
1.63
1.54
4-氯-2-硝基苯酚
1.41
1.48
1.69
1.52
氢氧化钠
1.64
1.64
1.64
1.64
氯化钠
0.005
0.13
1.389
0.51
水
4.20
4.18
4.20
4.19
3.2反应釜能量衡算
Q3
Q1、t1Q4、t4
Q2、t2Q5、t5
Q6
反应罐能量衡算可表示如下式：
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
Q1------对2,5-二氯硝基苯、30%氢氧化钠溶液、溶剂水带入设备的热kJ；
Q2------加热剂水蒸汽传给物料的热量kJ；
Q3------过程反应热kJ；
Q4------生成4-氯-2-硝基苯酚钠和水等物质带走的热量kJ；
Q5------加热剂水蒸汽带走的热量KJ；
Q6------设备向环境散失的热量KJ；
t1------原料进入设备的温度℃，t1=25℃；
t2------加热器水蒸气的进入温度℃，t2=150℃；
t3------最终反应罐中温度℃，t3=130℃；
t4------物料流出时的温度℃，t4=136℃；
t5------加热剂水蒸汽流出时的温度℃，t5=110℃。
（1）Q1、Q4的计算公式
Q=Σmct
式中m---输入（输出）设备的物料质量Kg；
c---物料的平均比热容KJ/Kg℃;
t---物料的温度℃；
以25℃为基准
Q1=0
Q4=（534.11×1.54+159.63×0.51+3560.82×4.19+21.85×1.28
+57.23×1.64）×（133-25）
=1722124.98kJ≈1.722×106kJ
（2）Q3的计算（过程反应热，生成过程中产生）
Qc（2,5-二氯硝基苯）=128.68×29+58.82+46.37=3836.91kJ/mol
Qc（氢氧化钠）=417.88kJ/mol
Qc（4-氯-2-硝基苯酚钠）=5736.91kJ/mol
Qc（氯化钠）=406.99kJ/mol
Qc（水）=49.67kJ/mol
Q3=5736.91×534.11/0.19593+406.99×159.63/0.05844+49.67×49.22/0.01802-3836.91×524.47/0.0192-417.88×581.13/0.040
=334303.61kJ≈3.34×105kJ
（4）Q5的计算公式
Q=ΣmCpt
Q5=3300×0.46×47=102232.05kJ
（5）Q6计算公式
Q6=ΣAαt
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