制药分离工程课程设计

制药分离工程课程设计 一、设计基础 1、设计题目：夹带剂除水制备辛酸乙酯 2、设计背景：采用夹带剂除水方法改进常规酯化，降低生产成本 3、基本思路： （1）先设计夹带剂带水酯化方法 （2）同等条件下，不用夹带剂带水方法酯化 （3）比对两种实验结果，计算实际降低成本金额（元/吨） 二、设计过程(请依据下述题目要求逐步进行) 1、查阅文献总结（详细注明文章名称、刊物、作者、发表时间、卷……按照科技文献引用，总数不少于6篇；专利请注明专利号、作者、发表时间） ○1 任越红，董金龙等TiSiW12O40 / TiO2 催化合成辛酸乙酯【J】化学工程师 2010.10（10）17~19 ○2 冯震恒，张忠诚 乙酸乙酯生成过程的间歇反应精馏的模拟和优化【J】山东大学学报 2006.6（3）:155~158 ○3 张毓瑞，赵承卜 用固体酸H101催化辛酸醋化反应 【J】化学世界 ○4 张才芬，张友伟 杂多酸在辛酸醋化反应中的催化作用【J】1993（4）164~166

○5 张丽红. 乙酸乙酯精制方法的研究.河北化工.2009.32(3). ○6 白鹏.正己烷和乙酸乙酯间歇共沸精馏分离共沸剂的研究[J].石油化工.2006,35（1)：37. ○7 《有机溶剂分析手册》化学工业出版社 附录一 ○8 刘幸平.物理化学[M].北京：中国中医药出版社，2004:103-136. ○9 李淑芬，白鹏 制药分离工程 ○10 王志祥 制药化工原理 ○11 专利CN 101723828A 谷长安 2008.10.27

2、确定酯化条件 （1）原料的基本物理性质（注意查阅MSDS文件，外观、沸点、闪点、LD50） 辛酸MSDS： 辛酸 外观 无色油状液体或结晶，有不愉快的气味。

沸点 240 闪点 >110 LD50 10080mg/kg(大鼠经口)

乙醇MSDS： 乙醇 外观 无色液体，有酒香 沸点 78.3 闪点 12 LD50 7060mg/kg（兔经口）

浓硫酸（催化剂） 浓硫酸 外观 纯品为无色透明油状液体，无臭 沸点 315~338

闪点 / LD50 2140mg/kg(大鼠经口)

环己烷（夹带剂） 环己烷 外观 无色液体，有刺激性气味 沸点 80.7 闪点 -16.5 LD50 12705mg/kg(大鼠经口)

资料来源：MSDS查询网。 （2）夹带剂确定的原因、依据，并列出夹带剂与本项目原料的共沸点。 夹带剂选择的依据： 1、夹带剂必须与待分离共沸物中的一个组分形成二元或三元最低共沸点共沸物，并且新共沸物最好与待分离共沸物以及混合物中每一组分存在较大的沸点差，这样有利于分离。形成的新共沸物最好是非均相的，以便直接分层，减小共沸物回收的难度。 2、在形成的新共沸物中夹带剂的含量应尽可能小，有利于减少共沸物含量，节省能耗。 3、夹带剂应易于回收、廉价、低毒、热稳定性好以及腐蚀性小等。 资料来源：制药分离工程课本P122 夹带剂与原料的共沸点：

环己烷和水、乙醇形成的三元共沸物的沸点是62.1℃，与乙醇，水，辛酸的沸点低很多，降低分离的温度。环己烷的加入使原料液中的水全部转入三组分共沸物中。利用乙醇和环己烷的共沸物沸点与三组分沸点相差2.8℃，而且环己烷不溶于水，易溶于有机溶剂乙醇，形成的新共沸物是非均相的，直接分层有利于分离，减小共沸物回收的难度。形成的新的共沸物中夹带剂的含量较其他的夹带剂小，有利于减小共沸物用量，节省能耗。而其他的夹带剂，例如，四氯化碳因为夹带剂含量太高，甲基环己烷因为LD50太小，毒性太大而被放弃。 资料来源：《有机溶剂分析手册》化学工业出版社，附录Ι （3）投料量确定（需要参考文献支持。同时，按辛酸为一个当量，计算所有原料摩尔比） 辛酸：乙醇=1:1.3（摩尔比）； 催化剂用量为反应物料总质量的2.0%； 夹带剂用量为总进料量的18%

产物得率：47.97% （4）制备过程的确定（需要参考文献支持。温度、时间） 制备过程：将辛酸、乙醇按1:1.3的比例在配料罐中配料，加入催化剂浓硫酸、夹带剂环己烷进入精馏塔内，加热回流4~6小时。待反应一段时间后，蒸出未反应的乙醇和水，及其与环己烷的三沸点共沸物。利用乙醇和环己烷的共沸物沸点64.9，分离出水。然后中和催化剂浓硫酸。这时料液为辛酸乙酯，洗涤后减压蒸馏得产品。即可 反应温度：120~125℃ 反应时间：4~6小时

资料来源：专利CN 101723828A 乙酸乙酯生成过程的间歇反应精馏的模拟和优化 冯震恒，张忠诚 （山东大学化学与化工学院） （5）制备产物杂质的可能性分析 可能存在的杂质有：辛酸、乙醇。 （6）杂质的去除，产物的分离方法： 用碳酸钠中和辛酸。利用溶剂水来溶解极易溶于水的乙醇，因为乙醇与水可以以任意比互溶，所以加入饱和碳酸钠，溶解乙醇，吸收辛酸减少辛酸乙酯的溶解度。然后蒸馏出去乙醇。 （7）各原料的来源及价格（运输距离应尽量短） 辛酸：11000元/吨 上海晶沪化工有限公司 乙醇：4200元/吨 江都市江淮化工厂 浓硫酸：480元/吨 南京农用化学有限公司 环己烷：7100元/吨 上海圣宇化工有限公司 信息来源：http://www.qrx.cn/ http://china.chemnet.com （8）确定是否有原料可以套用，如何套用。（请针对两种不同制备方法加以说明，注：套用原料损耗以10%计算） 夹带剂可以套用 夹带剂环己烷的套用为：夹带剂，水，乙醇三组分共沸物从塔顶溜出，在分离器里分相，上层液富含环己烷回流进塔，下层液富含水和乙醇则收入水接受罐中，则回收使用了环己烷。 （9）两种方式生产成本计算（注：夹带剂带水方法较常规方法按收率提高20%计算） 以辛酸为当量，设辛酸投1吨，则

144 46 172 辛酸的摩尔量为6.94kmol 按照投料比1:1.3可得： 乙醇的摩尔量为9.03kmol，则乙醇投料量为0.4153吨 催化剂用量为总投料量的2﹪，则催化剂投料量为 （1+0.4153）*2﹪=0.02831吨 夹带剂用量为总投料量的18%，则夹带剂投料量为 （1+0.4153）*18﹪*10﹪=0.0254736吨 辛酸乙酯理论产量为1.1944吨，原始方法得率为47.97%，优化方法得率提高20%，则原始方法1吨辛酸产得0.572975吨，改进后方法产得0.81183吨。 常规生产方式： （11000*1+4200*0.4152+480*0.028304）/0.572975=22265元/吨 夹带剂带水生产方式： （11000*1+4200*0.4152+480*0.028304+7100*0.0254736）/0.81183=15937元/吨 夹带剂带水方法比常规方法节省了6328元/吨 （10）请参考《制药分离工程》教科书p122（图7-13），来设计并画出夹带剂除水的反应装置简图。

（11）请画出带回流比装置的间歇精馏塔，并在图中标识出流量计。同时，文字说明流量计种类，并说明读数和实际流量的关系。 本装置采用转子流量计，转子流量计通过量测设在直流管道内的转动部件的 （位置 )来推算流量的装置，它阻力损失较小，且读数方便，测量范围广，具有很强的适应能力,能用于腐蚀性流体的测量。在本装置中，冷凝下来的液体流量不稳定，随着时间和温度不断变化，是非稳态状态，转子流量计有其优越性，所以选择转子流量计。 但是实际使用时，由于被测介质的密度和操作状态的改变，使得转子流量计的指示值读数与实际流量之间存在着一定的误差： 流量计用来测量液体时，如被测液体不是水，其修正公式为：

式中：qv----被测液体的实际流量； qv1---流量计的读数； 1/K-----体积流量的修正系数； ρ1—标定液体(水)的密度 ρ----被测液体的密度。

（12）现目前间歇精馏塔正常精馏工作时可达50mmHg的真空度，请详细画出本项目在精馏过程中（请标注具体的产物/杂质），下列对应的关系图： （a） 塔顶中各产物浓度随时间的变化曲线。 （b） 塔釜中各产物浓度随时间的变化曲线。 （c） 塔顶和塔釜温度（请标明具体的温度数值）随时间的变化曲线（注：乙醇在50mmHg下沸点约为40℃）。 （d） 请说明，在实际精馏操作中，能否运用塔顶和塔釜的温度来判断精馏生产的终点，如何可以，请用文字详细说明如何判断。 可以通过塔顶和塔釜的温度来判断精馏生产的终点： 由于一般的测量方法需要时间，所以无法通过测量组分的含量来控制精馏的过程，一般可以使用塔顶和塔釜的温度来判断精馏生产的终点，因为就塔顶而言，温度变化是很有规律的，轻组分的先蒸馏出来，随着温度的升高，中间也有过渡的温度变化，说明蒸馏出来的组分成分正在发生变化，可以根据产品的温度来判断精馏的终点。就塔釜而言，温度也是总体在升高的，可以通过产物的沸点来判断精馏是否达到终点。 比如，在本次的精馏中，塔顶在温度达到上图中的 时达到终点，塔釜达到辛酸乙酯的沸点208℃-210℃，则可以判断达到终点。