毕业设计-年产300吨阿司匹林合成车间初步-设计

毕业设计（论文）

题目年产300吨阿司匹林合成车间初步设计

学院化学与化学工程学院

专业班级制药工程

学号

学生姓名

指导老师

成绩

年月日

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权属于培养单位。

本人签名：日期：

摘要

阿司匹林是现代医学临床上，常用的一种非甾体抗炎药，在全世界范围内被广泛应用。阿司匹林的药理作用在临床上的应用主要有以下五大方面：阵痛、解热、消炎、抗风湿和抑制血小板凝集。近几年来，阿司匹林在心血管病治疗方面用药量也显著增加。

本课题的任务是年产量为300吨的阿司匹林合成。选择的合成方法是以苯酚和氢氧化钠为原料，经二氧化碳羧化后，再加入浓硫酸酸化，最后与醋酸酐反应经结晶、离心等操作得到阿司匹林粗品。主要设计内容除了工艺流程的确定外，还有物料恒算、热量恒算、主要设备选型、车间设备的布置设计、管路设计。完成了初步设计说明书，绘制了工艺流程图、车间的平面布置图和主要设备图。

关键词：阿司匹林；工艺流程；车间布置

Abstract

Aspirin is a commonly used non-steroidal anti-inflammatory drug in modern medicine and is widely used throughout the world.Aspirin pharmacological effects in the clinical application of the following five major aspects: pain, heat, anti-inflammatory, anti-rheumatism and inhibition of platelet aggregation.In recent years, the dose of aspirin in the heart vascular disease treatment significantly increased.

The task of this topic is the annual production of 300 tons of aspirin synthesis.The selected synthesis method is based on phenol and sodium hydroxide as raw material, after carbon dioxide carboxylation, then add concentrated sulfuric acid acidification, and finally with acetic anhydride reaction by crystallization, centrifugation and other operations to obtain aspirin crude.The main design content in addition to the process to determine, there are materials constant calculation, heat constant calculation, the main equipment selection, workshop equipment layout design, pipeline https://www.360docs.net/doc/113738398.html,pleted the preliminary design specifications, drawing the process flow chart, the layout of the workshop and the main equipment map.

Key words：A spirin；Process flow；Workshop layout

目录

摘要......................................................................................................................................... I Abstract................................................................................................................................... II

第1章绪论 (1)

1.1 概述 (1)

1.1.1 生产方法简介 (1)

1.1.2 设计原则及要求 (1)

1.1.3 设计依据及设计范围 (2)

1.1.4 车间概况 (2)

1.2 厂址选择 (3)

1.2.1 厂址选择原则 (3)

1.2.2 建厂条件 (3)

1.2.3 方案比较 (3)

1.3 原材料及产品主要技术规格 (4)

1.3.1 原材料技术规格 (4)

1.3.2 产品技术规格 (4)

1.4 原材料消耗定额及消耗量 (5)

第2章工艺流程设计 (6)

2.1 生产方法选择 (6)

2.2 工艺流程示意图 (6)

2.3 工艺流程叙述 (7)

2.3.1 成盐工段 (7)

2.3.2 羧化工段 (7)

2.3.3 酸化工段 (7)

2.3.4 酰化工段 (7)

第3章化工计算 (9)

3.1 物料计算 (9)

3.1.1 基础数据 (9)

3.1.2 酰化工段物料计算 (9)

3.1.3 酸化工段物料计算 (10)

3.1.4 羧化工段物料计算 (10)

3.1.5 成盐工段物料计算 (11)

3.2 设备工艺计算 (12)

3.2.1 氢氧化钠溶液配料罐 (12)

3.2.2 成盐反应釜 (12)

3.2.3 羧化反应釜 (13)

3.2.4 浓硫酸配料罐 (13)

3.2.5 酸化反应釜 (14)

3.2.6 结晶反应釜 (14)

3.3 热量计算 (15)

3.3.1热量计算的依据 (15)

3.3.2 成盐工段热量计算 (16)

3.3.3 羧化工段热量计算 (17)

3.3.4 酰化工段热量计算 (18)

3.4 冷量计算 (19)

3.4.1 成盐工段冷量计算 (19)

3.4.2 酰化工段冷量计算 (20)

3.4.3 结晶釜冷量计算 (21)

第4章主要设备设计 (23)

4.1 设备材质选择及结构形式 (23)

4.2 设备工艺尺寸的计算 (23)

4.2.1体积的计算 (23)

4.2.2 筒体的直径和高度 (23)

4.3 附件的选择 (25)

4.3.1 夹套 (25)

4.3.2 釜体法兰 (25)

4.3.3 视镜 (25)

4.3.4 管法兰 (25)

4.3.5 手孔 (26)

4.3.6 支座 (26)

4.3.7 搅拌器 (26)

4.4 设备壁厚设计 (26)

4.4.1 筒体壁厚 (26)

4.4.2 标准椭圆封头壁厚 (27)

4.5 设备操作控制 (28)

第5章车间设备布置设计 (29)

5.1 车间设备布置设计概述 (29)

5.1.1 车间设备布置设计原则 (29)

5.1.2 车间组成 (29)

5.2 车间设备布置方案 (30)

第6章公用工程 (31)

6.1 动力（水、电、汽、气） (31)

6.1.1 蒸汽用量 (31)

6.1.2 电用量 (31)

6.1.3 水用量 (32)

6.2 空调部分 (32)

6.2.1 车间洁净级要求 (33)

6.2.2 车间温、湿度要求 (33)

第7章环境保护 (34)

7.1 三废产生 (34)

7.2 治理方案 (34)

7.2.1 废渣的处理 (35)

7.2 2 废水的处理 (35)

7.2.3 废气的处理 (35)

第8章防火安全卫生 (36)

8.1 防火措施 (36)

8.2 生产安全措施 (36)

结语 (37)

参考文献 (38)

致谢 (39)

附录 (40)

第1章绪论

1.1 概述

阿司匹林是一种非甾体抗炎药，其药理作用主要有五大方面：解热、镇痛、消炎、抗风湿、抑制血小板凝集等。因为阿司匹林是临床上的常用药物，所以研究阿司匹林的合成对现代医学有着重要的意义。

1.1.1 生产方法简介

阿司匹林作为百年老药，其生产方法也在不断的改进。百年前合成阿司匹林所用的传统方法是用醋酸酐和水杨酸为原料，使用浓硫酸作反应的催化剂，经酯化反应制得[1]。这一工艺合成路线虽然使用了很多年，其工艺也较为成熟，但反应收率并不是很高，而且浓硫酸有强腐蚀性会腐蚀设备，这样就大大地增加了生产成本，同时还有一个不可忽视的缺点，此方法会产生较大量的废酸液体，这些液体会污染周围的环境。

在近百年的发展探索中，现代阿司匹林的合成有很多不同方法，实验室较为常用的是以水杨酸和乙酸酐为主要原料，通过新型催化、碱催化、酸催化三种不同的催化方法合成[2]。主要改变的是反应的催化剂，催化剂不同时，产品的收率、后处理、成色以及成本有着重要的影响。现代阿司匹林的合成主要以改变催化剂为主。利用酸催化制阿司匹林，原料不变，由起初的浓硫酸发展为草酸，磷酸二氢钠，硫酸氢钠等为催化剂，对阿司匹林的合成来讲，这一进步犹如里程碑一样。利用碱催化合成阿司匹林的方法原料基本不变，常用的催化剂主要有氢氧化钾，无水碳酸钠和乙酸钠等。但该方法工艺合成路线不大成熟，产品收率较低，这不符合工业生产的原则。新型催化剂合成阿司匹林是比较具有热度的合成方法[3]。目前比较有前景的催化剂是维生素C和离子液体型催化剂。这种新型催化剂优点明显，经济环保并且性能优异，生产成本低。

目前，新型催化剂合成阿司匹林是国内外研究的主要方向，其低碳经济且环保，非常符合绿色化学的理念，深深受到研究人员的喜爱。

1.1.2 设计原则及要求

本设计的原则是：在工艺流程设计方面，要做到操作过程简洁可行，流程的设计要选择最适合工厂生产的，产品收率较高的，易达到较高的经济效益，做到绿色经济且环保。在车间设计方面，保证车间的安全生产，并且车间设备要布置合理等。

本设计的要求是：在一年的工作日内可以生产300吨阿司匹林，并且保证设计的工艺流程便于工人操作，对车间的设计要保证设备的选择与安装符合工厂生产要求。

1.1.3 设计依据及设计范围

本次的设计依据如下：

（1）《毕业设计任务书》

（2）2017年《齐齐哈尔大学本科生毕业设计（论文）工作手册》

（3）《天然药物合成》（天津大学出版社出版）

（4）《制药工艺与设备》（化学工业出版社出版）

（5）《化工工艺设计手册》（上海医药设国家医药管理局设计院编著）

（6）《化工原理》（天津大学出版社出版）

（7）《制药工程工艺设计》（人民卫生出版社出版）

（8）《化学工程CAD技术应用及实例》（化学工业出版社出版）

（9）《药理学》（天津大学出版社出版）

（10）《药物制剂生产工艺与注解》（人民卫生出版社出版）

本次设计的范围，是以苯酚和氢氧化钠反应，经过四个反应工段得到阿司匹林粗品的的工艺生产流程设计，包括物料计算，热量计算，主要设备计算与选型，管道计算，车间布置等。本设计任务主要以工艺流程的设计和流程图以及车间布置图的绘制为主。

1.1.4 车间概况

本合成车间共有四个工段，第一个工段是成盐反应，第二个工段是羧化反应，第三个工段是酸化工段，最后一个工段是酰化工段[4]。为了在操作过程中的方便性，尽量把每一个工段的设备摆放在较为集中的区域。因为本设计的设计任务是年产300吨阿司匹林合成车间的初步设计，流程操作较容易，设备较少[5]。结合实际的生产过程，本设计选择的是单层敞开式的车间设计，生产规模属于中等规模。

整个车间的工作时间为300天，岗位实行的工作制度是三班倒，一天工作总时间为24小时，每班工作时间符合国家要求的8小时。所以车间设备年运转时间为7 200小时，车间工作人员安排见表1-1。

表1-1 车间定员表

序号工作名称每班定员管理人员操作人员轮休人员合计

1 成盐 4 1

2 4 7

2 羧化 4 1 2 4 7

3 酸化

4 1 2 4 7

4 酰化 4 1 2 4 7

1.2 厂址选择

1.2.1 厂址选择原则

药厂厂址的选择是一个比较复杂的问题，因为它涉及到多个方面的结合，比如原料、水源、投资、产品生产、经济效益交通运输和环境保护等因素。在实际建设厂房时，这些因素要互相结合后，根据实际情况做出判断[6]。

厂址的选择应遵循以下原则：宜选在水源充足，水质良好，电力供应充足的地方；宜选在交通便利，原料燃料供应便利的地方；选址应做到不占或少占耕地；选址应注意周围的自然环境，土质以及植被，应尽量远离居民区；避免在具有开采价值的矿区和易受泥石流、山体滑坡的地区等。

1.2.2 建厂条件

根据以上药厂选择原则的考虑，建厂条件应考虑以下几点：

（1）因为药品的生产对洁净度要求较高，故药厂不可以建立在一些重工业区或化工厂附近。

（2）厂址选择必须考虑到原料药材，水源，电力等客观因素。水的质量严重影响到成品药的质量，所以选择场地时水源及水质为首要考虑因素。其次要选择电力充沛燃料充足的地区，这样不但可以使工厂正常运行，还可以减少生产成本。

（3）原料以及药物的运输也是生产过程中必须要考虑的问题。制药厂的车辆运输比较频繁，厂区附近应有已建成的完善的市政道路设施，可以提供便捷的公路或水路等运输条件。

（4）通常情况下药厂的厂址占地面积较大。所以在厂址的选择上要尽量做到不占用农民的可用耕地，多选择荒废的土地并且距离市区不能过远。

（5）厂址选择还有一项重要因素要考虑，生产过程中三废的处理。因为有三废的产生，所以厂房不能建在居民区，会破坏居民的生活环境，应建在人流稀少的城镇或城郊，避免打扰周围居民的正常生活。

1.2.3 方案比较

综合上述建厂需要考虑的因素，我选择了以下四个厂址：

（1）哈尔滨市的江北地区，这里紧邻松花江，水资非常丰富，交通方便，不论是水路还是陆路，运输都较为方便，也远离闹市区，但这里地价较高，在此处选厂的话，会导致建厂成本过高，不符合经济效益。

（2）齐齐哈尔市嫩江畔。这里水源充足，空气清新，也是非居民区，相对人员稀少，温度，风力，空气湿度等都较为适宜，而且最突出的优点是交通便利，得益于齐齐哈尔铁路运输相对发达。另一较大的优势是齐齐哈尔大学坐落于齐齐哈尔市建华区，相

对来说算是人才较多，人力资源较为丰富。综合多方面因素，此处较为适合建厂。

（3）哈尔滨下属的五常市，磨盘山水库。这里相对来说，人口密集度较低，紧邻哈尔滨，陆运和铁路比较便捷。水源充足，水质较好，唯一的缺点就是没有较大面积的闲置土地。

（4）紧邻哈尔滨阿城区的玉泉水库。这里水源供应充足，电力充沛，运输也很方便，但美中不足的是这里有旅游区，因此不大适合建厂。

综合以上因素列出了下表：

表1-2 方案比较表

项目方案1 方案2 方案3 方案4

地理位置哈尔滨市齐齐哈尔市哈尔滨五常市哈尔滨玉泉县地形平原平原平原平原

水利条件良好良好良好良好

交通运输便利便利便利一般

人才密度一般良好一般较多

地价高一般较高一般

1.3 原材料及产品主要技术规格

1.3.1 原材料技术规格

本设计中所使用的原材料及其技术规格和标准见表1-3。

表1-3 原材料技术规格

序号名称规格标准

1 氢氧化钠原料251 kg

2 苯酚原料 1 930 kg

3 三氯化铁催化剂92 kg

4 二氧化碳原料 1 351 kg

5 硫酸原料289 kg

6 水杨酸原料782 kg

7 醋酸酐原料547 kg

1.3.2 产品技术规格

本设计中所产生的产品及其技术规格和标准见表1-4。

表1-4 产品技术规格

序号

名称 规格 标准 1

苯酚钠 密度 898.0 3cm g 2

水杨酸钠 密度 9.0 3cm g 3

水杨酸 密度 44.1 3cm g 4 乙酰水杨酸 密度 35.1 3cm g

1.4 原材料消耗定额及消耗量

原材料消耗量见表1-5。

表1-5 原材料消耗量

序号

名称 规格 单位 年消耗量 1

氢氧化钠 原材料 kg 75 300 2

苯酚 原材料 kg 579 000 3

三氯化铁 催化剂 kg 27 600 4

二氧化碳 原材料 kg 405 300 5

浓硫酸 原材料 kg 86 700 6

水杨酸 原材料 kg 234 600 7 醋酸酐 原材料 kg 164 100

第2章 工艺流程设计

2.1 生产方法选择

阿司匹林的合成方法近百年来不断的在改善与优化，本设计采取的是以苯酚和氢氧化钠为原料，制得苯酚钠，经二氧化碳羧化后，得到水杨酸钠，再加入浓硫酸酸化，得到水杨酸粗品，再加入醋酸酐与水杨酸反应，经过结晶离心等过程，制得阿司匹林粗品

[7]。本设计所选的催化剂为三氯化铁，并没有选择传统的浓硫酸为催化剂，它的工艺路线虽然较为成熟，但它的强腐蚀性严重影响设备的使用寿命，增加了生产成本，然而三氯化铁属于绿色催化剂，清洁环保，且反应收率较高，流程简单易于工人操作，因此本设计选择以三氯化铁为催化剂[8]。

2.2 工艺流程示意图

工艺流程示意图见图2-1。

图2-1 工艺流程示意图 母液 酸酐 硫酸 粗品

水杨酸 酰化反应釜 结晶 离心 蒸汽 羧化反应釜 水杨酸钠 酸化反应釜 成盐反应釜 苯酚 氢氧化钠

2.3 工艺流程叙述

本设计任务为年产300吨阿司匹林合成车间的初步设计，本流程共分四个工段，具体阐述如下。其中苯酚：氢氧化钠：二氧化碳的投料比为1：0.13：0.7，水杨酸与醋酸酐的投料比为1：0.7，下面为具体的流程操作[9]。

2.3.1 成盐工段

在氢氧化钠配料罐中加入氢氧化钠固体和水，配制成50％的氢氧化钠溶液，打开搅拌桨，混合均匀后待用[10]。在成盐反应釜中加入苯酚，打开氢氧化钠溶液储罐阀门，将配好的溶液加入成盐反应釜中。打开蒸汽阀门，通蒸汽加热，使温度控制在95℃左右，回流1小时后，继续通蒸汽加热到135℃，反应5小时后，关闭蒸汽阀门，停止通入蒸汽。打开冷却水阀门，通入冷却水冷却。待反应釜温度降至40℃以后，关闭冷却水阀门，打开抽真空阀门，脱水，得到苯酚钠，备用。

2.3.2 羧化工段

反应前先通入干燥的二氧化碳，共计通入三次，以排空反应釜内的空气。将成盐工段得到的苯酚钠粗品，加入到羧化反应釜，并通入二氧化碳到反应釜内压力为0.5-0.6Mpa 且压力下降不明显时，停止通入二氧化碳，打开蒸汽阀门，通入水蒸气加热至80℃[11]。待反应釜内压力自然降到0.2-0.3Mpa后，继续通入二氧化碳，待反应釜内压力升到0.4-0.5Mpa后，停止通入二氧化碳。使反应釜内温度维持在130℃左右，保温2小时，完成反应后，待温度自然降温至50-60℃左右时，将反应釜的压力调至常压，待反应釜温度降至室温后，将产品从阀门放出，备用。

2.3.3 酸化工段

将水加入浓硫酸配料罐中，打开搅拌桨，加入浓硫酸，将其配制成40％的硫酸溶液，配好后放在配料罐中待用[12]。将羧化工段得的产品，加入酸化反应釜内，打开浓硫酸配料罐的阀门，将配好的硫酸溶液加入酸化反应釜内，打开搅拌桨，使溶液混合均匀，至混合液的PH值为1-2时，关闭浓硫酸的阀门，停止加入浓硫酸。将混合液打入三足式离心机中，进行固液分离，得到水杨酸粗品，母液放入储罐中。

2.3.4 酰化工段

反应前将醋酸酐加入储罐中，备好待用。将总投料量三分之二的水杨酸加入酰化反应釜中，将醋酸酐全部加入反应釜内，加入催化剂三氯化铁。打开搅拌桨搅拌，打开蒸汽阀门，通入水蒸气升温至75℃左右，反应开始，反应过程放热，打开冷凝器，开始反应6小时后，当反应液中水杨酸含量低于0.02％时，停止反应，关闭蒸汽阀门和冷凝器[13]。打开冷却水降温，使温度降至室温后，将产物通过过滤机过滤，过滤后加入结晶反应釜内，同冷冻盐水结晶，再将产物打到离心机中过滤，回收的母液按照与一次母液体

积比1：1.5回收，将回收后的母液存入母液计量罐中，待用。将剩余的三分之一水杨酸加入到酰化反应釜中，重复上述操作，价格得到的乙酰水杨酸粗品用离心机过滤，得到阿司匹林粗品[14]。