年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺设计

1、制药工程专业课程设计任务书专业_#_ 班级_2_ 姓名_# _ _设计题目：年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺设计设计时间：2015.10.8-2014.11.13。设计内容和要求：1、确定工艺流程及净化区域划分；2、详细叙述制备工艺及设备的工作原理、结构组成及关于此工艺及设备的国内外的现状、研究前沿。3、物料衡算、热量衡算、设备选型及设计（按间歇操作考虑，每年开工300天）；4、按规范要求设计车间工艺平面图；5、画出带控制点、辅助管线的物料工艺流程图；6、反应器的安装图（平、立、剖面图1：50）7、编写设计说明书。设计成果：1、设计说明书一份，包括工艺概述、工艺流程及净化区域划分说

2、明、物料衡算、热量衡算、工艺设备选型说明、工艺主要设备一览表、车间工艺平面布置说明、车间技术要求。2、工艺平面布置图一套（1：100）；3、带控制点及辅助管线的物料工艺流程图（1：100）；4、反应器的安装图（平、立、剖面图1：50）。目录1 设计依据及设计基础11.1 设计依据11.2 生产能力11.3 产品规格11.4 原辅材料技术规格22 工艺说明32.1 工艺概述32.1.1 氯化法32.1.2 乙撑亚胺法42.1.3 酯化法42.1.4 工艺设备及生产现状52.2 工艺流程说明62.2.1 牛磺酸生产方法62.2.2 工艺流程叙述83 物料衡算93.1 概述93.2 衡算过程93.2

3、.1 确定每批产量93.2.2每批主要原料投料量计算93.2.2化学反应过程衡算103.3 物料流程框图134 能量衡算164.1 概述164.2 能量衡算依据164.2.1设备的热量平衡方程式164.2.2 热量衡算基础数据计算与查取184.3 热量衡算过程194.4 热量衡算结果225 设备选型225.1 设备选型的依据225.1.1 设备选型的原则225.1.2 设备材料选择依据235.1.3 主要设备选型9235.2 设备选型计算过程245.2.1 反应釜选型计算245.2.2 储罐设备选型计算265.2.3 过滤器选型计算275.2.4 干燥器选型计算275.2.5 冷凝器选型计算2

4、75.3 主要设备一览表286 车间布置296.1 概述296.2 布置依据296.3 布置原则296.4 车间布置说明306.5 车间工艺平面布置图317 节能与环保327.1回收利用327.2 环保与安全337.2.1危险性概述337.2.2急救措施及泄露应急处理347.2.3安全防护34参考文献35附录35 1 设计依据及设计基础1.1 设计依据本设计的题目为“年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间设计”，设计依据为制药工程专业课程设计任务书和相关规范及标准：药品生产质量管理规范（2010 年修订）医药工业洁净厂房设计规范2010GMP 实施指南-原料药2010GMP 实施指南-厂房、

5、设施和设备中华人民共和国药典（二部）生产过程安全卫生要求总则（GB/T 12801-2008）工业企业设计卫生标准（GBZ1-2010）1.2 生产能力本车间为生产原料药牛磺酸的合成工段，其年产量为200t/a，含量为99%以上。年总工作日300天，考虑到生产周期约为1天，每天生产2批，则每批次需生产牛磺酸成品333.3Kg。1.3 产品规格牛磺酸（1） 中文名称：牛磺酸（2-氨基乙磺酸），又名牛胆酸、牛胆素（2） 英文名称：Taurine（3） 分子式：C2H7O3NS（4） 分子量：125.14（5） 质量规格：企业标准，25Kg/桶（6） 主要物理性质及用途：本品为白色晶体或结晶型粉末，

6、无臭无毒、味微酸，熔点328329（分解），较易溶于水，微溶于95%的乙醇，不溶于无水乙醇、醚、烃等有机溶剂。牛磺酸最早由牛黄中分离而来，是一种非蛋白质类氨基酸，具有独特的药理及营养保健作用。广泛应用于医药、食品添加剂、荧光增白剂、有机合成等领域，也可用于生化试剂、湿润剂、PH缓冲剂等。1.4 原辅材料技术规格本车间产品牛磺酸生产所涉及到的原辅料见下表1-1表1-1牛磺酸生产工艺用原辅料名称状态常温分子量工业级含量熔点沸点密度g/mL(25)溶解度乙醇胺液体61.0899%10.5170.51.011与水、乙醇混溶浓硫酸液体98.0898%10.353381.840与水混溶甲苯液体92.149

7、9%-94.99110.630.862微溶水，溶于多数有机溶剂无水乙醇液体46.0799%-114.178.50.804与水、多数有机溶剂混溶纯化水液体18.02符合药典标准01001.000与乙醇互溶，微溶有机溶剂亚硫酸铵固体116.1499%60-701501.410溶于水，微溶于醇2 工艺说明2.1 工艺概述牛磺酸的生产方法一般有两种：一种方法是从动物内脏中提取，另一种方法为合成方法。因为动物内脏中提取含量极少，所以工业上获取牛磺酸主要应用合成的方法。根据合成原料的不同，牛磺酸的制备方法主要有乙醇胺硫酸酯化法、乙醇胺氯化法、羟基乙醇法、2-氨基乙醇法、亚乙基亚胺法、乙二磺酸酐法等十多种。

8、目前，国内外多数生产厂家采用乙醇胺法来生产牛磺酸，该方法原料易得，合成工艺简单，设备投资少。以乙醇胺为原料合成牛磺酸，按合成路线又分为氯化法、乙撑亚胺法和酯化法。2.1.1 氯化法氯化法以乙醇胺、盐酸、亚硫酸钠为原料，反应分氯化、磺化两步进行，经过2-氯乙胺盐酸盐中间体合成牛磺酸，反应方程式如下：该方法原料易得，但反应条件难控制，收率仅能达到48%。在氯化法中，有工艺以乙醇胺盐酸盐与氯化亚砜为原料，以甲苯作溶剂，先反应生成氯乙胺盐酸盐，然后产物再与亚硫酸钠反应生成牛磺酸。1989年，德国的D.Pauluth等人1在等当量的羧酸中，氯化亚砜与乙醇胺盐酸盐按化学计量式于60下反应7h，得到-氯乙胺

9、盐酸盐，产率接近理论值，高达99.1%，副产物为气体，不需要对产物进行分离。然而，该法反应条件要求苛刻，而且成本高。此外，氯化亚飒具有剧毒性、腐蚀性、催泪性、易挥发性、且有强烈的窒息性气味以及遇水强烈反应等特点。因此，此方法并不具备市场竞争力，至今未被工业化。另一德国专利2采用37%的盐酸与溶于甲苯中的乙醇胺进行反应，于110下共沸除去水分，冷却至50后加入NH4CI催化剂，然后滴加氯化亚砜生成2-氨乙胺盐酸盐。该工艺收率较高，但成本也高，且使用有毒的甲苯以及氯化亚砜作溶剂，因此也不是理想的生产工艺。2.1.2 乙撑亚胺法80年代初，美国联合碳化公司的K.D.Oison等人3以乙醇胺经过气相催

10、化脱水环化合成乙撑亚胺，然后用硫酸开环加成制备牛磺酸。反应方程式如下：日本催化剂化学公司对此反应的催化体系做了广泛研究，典型的催化体系是以体积比为98:3的氮气雾化乙醇胺，在装填有Cs0.9Ba0.1P0.8催化剂的反应塔内发生分子内环化反应生成乙撑亚胺，再将其蒸发之后直接与亚硫酸氢铵反应制得牛磺酸，产率可达84%。该工艺的特点是投资少、成本低，不需要分离副产物，工艺较先进，国外己经在上世纪八十年代末投入工业化生产。尽管乙撑亚胺法生产牛磺酸的收率较高，但由于乙撑亚胺具有剧毒性、沸点低易挥发，容易发生聚合爆炸，原料的储存和运输具有很大的困难。从可持续发展和绿色化工的观点来看，显然也不是最佳的工艺

11、路线。2.1.3 酯化法由于氯化法和乙撑亚胺法合成牛磺酸的工艺中大多存在有毒物质参与、反应，或者是生产成本较高，制约了牛磺酸的大规模工业生产，因此以乙醇胺为原料酯化法合成牛磺酸成为当今国际上牛磺酸生产企业采用最多的一种生产方法。该反应以乙醇胺、硫酸、亚硫酸钠或亚硫酸铵为原料，首先硫酸与乙醇胺进行酯化反应合成中间体2-氨基乙醇硫酸醋，中间体2-氨基乙醇硫酸醋再与亚硫酸钠或亚硫酸铵进行磺化反应合成牛磺酸4。反应方程式如下：在合成牛磺酸的第一步酯化反应过程中，乙醇胺与浓硫酸直接混合，会产生大量的热，这样会使乙醇胺炭化，所以实验室合成需采用冰浴环境，并采取滴加浓硫酸的方法进行。加入浓硫酸的时候温度控制

12、在10以下，加入50%浓硫酸温度可控制在20以下。同时酯化反应为可逆反应，需完全脱水，而常压需加热至120 160 , 温度过高不但操作困难，且易产生杂质。本法采用加入带水剂甲苯的方法，既降低了脱水反应温度，又不影响脱水程度，产物易于处理。当前，单乙醇胺酯化转化率可达98%以上，但牛磺酸的收率却很低且成本偏高。这是因为磺化反应才是该合成工艺路线的控制步骤，磺化时加热回流所需时间长、能耗大，且2-氨基乙醇硫酸酯易水解，反应产物牛磺酸和无机盐难以分离。日本学者山本勇等针对磺化反应中存在的问题进行了改进，通过通入氨气添加适量的硫酸酯抑制水解反应，并采用电渗析脱盐，可提高牛磺酸收率达90%以上。但是，

13、目前我国在工业上采用酯化法生产牛磺酸的收率仅为53%左右，能耗和成本高，与国外工艺相比还有很大差距。因此，缩短酯法的反应时间，提高牛磺酸和无机盐分离收率是我国牛磺酸合成研究者和生产企业所面临的难题和挑战。2.1.4 工艺设备及生产现状我国是20世纪80年代初开始牛磺酸生产的。首先由中科院应用化学研究所与长春市春城制药厂合作试制牛磺酸成功并投入生产，随后相继有上海第二制药厂等近40 家企业上马投产。其中，产量最大的是南京制药厂1500t/a ，与国内外蓬勃发展的需求相比有很大差距5。目前，我国牛磺酸行业面临的主要问题：一是收率低。目前国内大部分企业牛磺酸生产的总收率只有约52%，接近其成本收率4

14、9%，导致成本高，效益低，严重制约了牛磺酸的生产和发展。为此，各相关企业、大专院校和科研单位应积极进行牛磺酸制备技术的研究与开发，不断改进和完善牛磺酸的合成工艺或寻求更加经济合理的工艺路线，以提高收率和品质，降低成本，增强市场竞争力。二是生产企业多，规模小，竞争混乱。虽然近年来上马的牛磺酸生产线较多，但大多数企业的规模较小，一般为100-200t/a，有的只有几十吨，且技术和管理落后，没有市场竞争力。同时，众多企业都来分割这块“市场蛋糕”，不少企业相互压价销售，市场竞争处于混乱状态，直接损害了牛磺酸行业的整体利益。所以，应加强行业联合，发展规模经济，全行业统一协调，统一布置，实施行业自律，建立

15、良好的市场秩序，提高全行业整体经济、技术、管理水平和抗风险能力。还要加强国际合作，积极开发国际市场，将更多的产品销往国外。三是消费量少。这也在很大程度上影响了牛磺酸生产的发展。要积极进行牛磺酸的应用研究，开发出适合不同消费群体的各种牛磺酸产品，以扩大牛磺酸的消费，激活国内潜在市场，促进国内牛磺酸行业的快速发展6。2.2 工艺流程说明2.2.1 牛磺酸生产方法（1）反应过程本次课程设计采用酯化法生产牛磺酸7。该方法以乙醇胺、硫酸、亚硫酸铵为原料，首先硫酸与乙醇胺进行酯化反应合成中间体2-氨基乙醇硫酸酯，中间体再与亚硫酸铵进行磺化反应合成牛磺酸，反应如下：（2）工艺过程牛磺酸合成工艺流程框图如下：

16、图2-1 牛磺酸合成工段工艺流程框图（3）操作过程a. 酯化工序冰浴（2.70m2，符合要求。（2）降温釜选型计算降温釜主要用于对酯化后料液进行降温，设备型号可与酯化釜相同，具体参数见表5-1。换热面积校核：降温釜所需冷量为Q=1.07105kJ，使用冷冻盐水降温，取K=500W/m2，降温时间约15min，则可估计该釜所需换热面积为：A=QKt=1.07(105-25)1560=2.97m2同样实际换热面积5.8m22.97m2，符合要求。（3）磺化釜选型计算每批投料得混合液为3495.65kg，包括固体物料2-氨基乙醇硫酸酯601.2kg，亚硫酸铵824.45kg，溶剂2070kg，体积简

17、单加和估算V=601.21.782+824.451.41+20701.00=2992.09L，装料系数取0.8，V0=2992.090.8=3740.11L，圆整后体积为4000L，实际生产中使用2个磺化釜，因此选用2个2000L的不锈钢反应釜，其参数见下表：表5-2 磺化釜技术参数表设备名称公称容积L实际容积L夹套换热面积m2公称直径mm釜体高度mm参考重量kg电机功率kW不锈钢磺化釜200021797.21300386026744换热面积校核：磺化釜需供热量Q=9.0104kJ，蒸汽加热，加热时间15min， 取K=800W/m2，则换热面积为：A=QKt=9.0(105-50)1560=

18、2.27m2实际换热面积7.2m22.27m2，符合要求。5.2.2 储罐设备选型计算（1）乙醇胺计量罐：每批投料284.79kg，V=284.791.011=281.69L，装料系数取0.8，V0=281.690.8=352.11L，圆整后体积为500L，选用500L的耐压PP储罐。（2）浓硫酸计量罐：每批投料485.99kg，V=485.991.84=264.13L，装料系数取0.8，V0=264.130.8=330.16L，圆整后体积为500L，选用500L耐压PP储罐。（3）甲苯储罐：每批投料424.93kg， V=424.930.864=491.82L，装料系数取0.8，V0=491.820.8=614.77L，圆整后体积为1000L，选用1000L耐压PP储罐。（4）水储罐：酯化反应中蒸出水量79.10kg，V=79.101.00=79.10L，装料系数取0.8，V0=79.100.8=98.88L，圆整后体积为100L，选用100L耐压PP储罐。（5）无水乙醇储罐：每批投料309.80kg，V=309.800.804=385.32 L，装料系数取0.8，V0=385.32 0.8=481.65L，圆整后体积为500L，选用500L耐压PP储罐。（6）洗涤液回收储罐：每批