昆明理工大学年产900吨对硝基苯乙酮毕业设计说明书.docx
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昆明理工大学年产900吨对硝基苯乙酮毕业设计说明书
前言
对硝基苯乙酮是一种有机合成的中间体，它是工业上生产氯霉素（氯霉素是广谱抗菌素，主要用于伤寒杆菌、痢疾杆菌、脑腊炎双球菌、肺炎球菌及其它紫色阴性杆菌的感染，亦可用于立克次氏体的感染）的主要原料。
合成对硝基苯乙酮的方法很多，其中乙苯硝化氧化法是目前应用最广泛和工艺最成熟的生产方法。
本设计所采用的就是此生产方法。
与其它生产方法相比，此路线的优点是：
原料乙苯易得，反应的连续性较强，容易控制，并且反应的副产物较少。
具体反应路线如下：
其中硝化过程采用了混酸（硫酸、硝酸、水）作硝化剂，氧化过程则采用空气作氧化剂。
1设计依据及设计范围
1.1、设计依据
（1）文件：
毕业设计任务书-年产900吨对硝基苯乙酮车间工艺设计。
（2）技术资料：
上海市第六制药厂对硝基苯乙酮（1000吨/年）的实习报告及日记。
（3）《药品生产质量管理规范》（GMP）及《化工工艺设计手册》[2]中的相关要求。
（4）昆明理工大学制药工程专业毕业设计指导书。
（5）厂区自然条件资料：
设计地点：
广东省顺德市；顺德位于广州市的南方，珠江三角洲平原中部,地处北回归线以南。
属亚热带海洋性季风气候，日照时间长，雨量充沛，常年温暖湿润，四季如春，景色怡人。
夏季自4月中旬至10月下旬，长达半年多。
年平均气温21.9度，极端最低气温为1.1度，极端最高气温37.7度。
日最高气温≥30度的日数有120天，而≥35度的日数仅有5.5天。
年总降雨量为1639mm，降雨日数为147.6天。
4~9月是雨季，各月降雨量都在170mm以上，其间的降雨量占总降雨量的83%。
5、6月和8月份的降雨量都超过260mm，3个月的降雨量占年总雨量的49%。
全年有暴雨日数6.6天，雨季各月平均每月约有1天。
全年以东南风较多。
年平均风速为2.5m/s，1~7月平均风速为2.5~2.7m/s，8～12月为2.3~2.5m/s。
年平均大风日数为3天。
夏秋受台风影响，大风暴雨较多。
全年雷暴日数为80天，各月均有雷暴出现，5~8月各月有10天以上，占全年雷暴日数的70%，其中8月最多，达到15天。
12月至次年2月，在强寒潮侵袭时，亦有霜冻发生，主要出现于1月份。
1.2、设计范围
车间范围内工艺设计（含配酸、硝化、粗蒸、分馏、精蒸、氧化、去酸、冷冻结晶、干燥），不包含土建、设备仪表自控、给排水、概算等非工艺专业内容。
2设计原则
2.1、工艺路线选择
本设计采用乙苯硝化后再经氧化制得对硝基苯乙酮的生产工艺路线。
2.2、设备选型和材质选用
反应釜均选用HG5-251-79型K式搪玻璃反应釜。
高位槽及计量槽采用立式椭圆形封头容器，材质符合JB1426-74。
贮槽采用卧式椭圆形封头容器，材质符合JB1428-74。
分馏塔选用填料塔，填料为BX金属丝波纹填料，材料为不锈钢。
氧化塔选用浮阀板式塔，材料为不锈钢。
换热器一般均采用管壳式换热器中的列管式固定管板换热器，当△Tm＞60℃时管壳采用膨胀结。
2.3、生产过程中主要化学反应方程式
2.3.1硝化工段
2.3.2氧化工段
3产品方案
3.1产品
3.1.1产品名称及生产规模
产品名称：
对硝基苯乙酮
年产量：
900吨/年
3.1.2产品规格
（1）化学名称：
对硝基苯乙酮（对酮）
（2）结构式：
（3）分子式：
C8H7NO3
（4）分子量：
165.15
（5）技术规格：
符合《中国药典》10版规定。
淡黄色晶体，熔点77-79℃，含酸量≤0.2%,含水量≤0.2%。
3.1.3产品主要物性
本品为淡黄色不定型颗粒状结晶、略带硝基物气味、在空气中不易受潮。
以酸、碱、盐稳定，常温下不分解。
沸点为202℃。
冷水中溶解度极小，可溶于苯、乙醇、氯苯等有机物中。
毒性不详。
3.1.4临床用途和包装规格
（1）临床用途：
制造氯霉素的中间体。
（2）包装规格：
通常采用铁桶或木桶内衬塑料袋包装。
50kg/包（66×100）的聚烯塑料袋，然后分装编织袋，贴好标签出厂。
3.2副产品
3.2.1副产品名称及产量
邻硝基乙苯：
1207吨/年
对硝基苯甲酸钠溶液：
167吨/年
废酸：
3323吨/年
3.2.2技术规格
邻硝基乙苯：
含量≥95%，nD19≤1.5357
对硝基苯甲酸钠溶液：
含量≥14%
废酸：
含量H2SO4≈70%，硝酸≤1~2%。
3.2.3主要物性
邻硝基乙苯为淡黄色液体，纯品沸点223-224℃，比重1.126（24.5℃），nD19=1.5370以下。
3.2.4包装
邻硝基乙苯：
桶装200kg/桶
对硝基苯甲酸钠溶液：
散装
废酸：
散装
4生产方法及工艺过程
4.1生产方法
4.1.1设计采用原料
H2SO4（含量≥93%）
HNO3（含量≥97%）
乙苯（含量≥95%）
4.1.2生产工艺路线
乙苯经过混酸硝化、空气氧化得对硝基苯乙酮。
4.2化学反应式
4.2.1对硝基乙苯的制造（硝化）
乙苯硝酸对硝基乙苯水
副反应：
①
乙苯硝酸邻硝基乙苯水
②
乙苯硝酸间硝基乙苯水
③
乙苯硝酸二硝基乙苯水
4.2.2对硝基苯乙酮的制造（氧化）
对硝基乙苯氧气对硝基苯乙酮水
副反应：
①
对硝基乙苯氧气对硝基苯甲酸甲酸水
②
对硝基乙苯氧气对硝基苯甲酸二氧化碳水
4.3生产工艺流程
4.3.1车间分为硝化和氧化两个工段
硝化组：
混酸、硝化、分酸、洗涤、粗蒸、分馏、精蒸
氧化组：
氧化、去酸、冷冻、甩滤、洗涤、干燥、复蒸
4.3.2工艺过程简述
用物料流程简图表述，工艺流程如图4-2所示：
图4-2年产900吨对硝基苯乙酮生产工艺流程图
（1）混酸配制
将已知含量的硝酸、硫酸计算用量后分别送入硝酸计量槽（铝）和硫酸计量槽，先将96%的硝酸投入反应釜，良好搅拌和充分冷却条件下，控制温度在45℃以下，再加入93%的硫酸，最后加入水，加完后冷却到25℃，抽样于干燥洁净的样瓶中送样化验，合格后放入混酸贮罐内备用。
注意：
a、混酸釜应绝对避免甘油、木屑等有机易氧化物落入，以免引起硝酸剧烈作用而发生以外事故。
b、混酸配制时，如遇停冷、停电等情况，应立即停止加料。
c、操作人员在操作时，应注意检查混酸釜上塑料排空管是否畅通，配制的混酸含量超出合格范围应经过计算补加调节到合格。
（2）硝化
将检验合格的乙苯，混酸分别送入计量槽，先将乙苯投入硝化釜中，搅拌，控制温度在25~30℃之间，控制流量均匀加入混酸，整个加酸过程中控制温度于30~35℃之间。
加完后，原保温搅拌1小时，然后升温到40℃，在40~45℃再保温搅拌1小时，冷却到28℃，停止搅拌，静置2小时，（如用低沸乙苯，则按低沸乙苯：
合格乙苯=1∶7进料，其余操作同上）。
注意：
a、硝化釜内严禁甘油、木屑等。
b、加酸过程中，如遇停电应立即停止加酸，继续冷却，注意温度情况，恢复通电后，搅拌到温度无上升现象后方可继续加酸。
c、加酸过程中，如盐水冷却系统发生故障，停止供冷，应立即停止加酸，继续搅拌，同时夹层用自来水冷却。
d、仓库乙苯每次换槽后，第一次备好料，应将计量槽底部的水分去掉。
（3）洗涤
先加2400L水于洗涤釜内，同时搅拌，水加完后再搅拌5分钟，静置约15分钟，下层硝基乙苯进入另一洗涤釜，上层废水弃去。
第二次碱洗时加水，同时加入30%的NaOH溶液约50kg，控制pH值于10，同上法处理，分去酸水后，同法水洗二次；静置后，下层硝基乙苯洗涤液静置罐内，上层二次水液作下批第一次洗水，并抽样化验。
（4）粗馏
洗涤液整批加入粗馏釜内，以公用真空作为减压来源，真空度保持在0.053MPa以上，控制蒸汽表压于0.1-0.2MPa，蒸出水及低沸物，收集于低沸点受槽中。
后期加大蒸汽压力和真空，使加热釜上温度大130℃，出料视盅无明显滴液时，停止蒸汽，水冷却到釜温80℃时，通过高位槽，在滤桶中过滤去固体杂质，计量后抽样送验折光，料液放入邻对位贮槽备用，蒸出低沸物回收套用。
（5）一次分馏
检查整个分馏系统空塔真空度应稳定在0.098MPa以上，才可进行正常操作。
（a）空塔投料：
一次性投入全部邻对位1000kg，以专用真空作为减压来源，加热同时开启所以冷却系统，待塔温度升高到120℃有邻位馏出时，全回流1小时后调整回流比，同时将邻对位预热到120℃左右，以80-100公斤/小时的流量加入塔内在总量达1900kg（包括一次性投入1000kg），暂停加料待蒸出邻位总量达950-1000kg时即可进行连续操作。
（b）连续投料：
以每小时300-350kg的流量加入邻对位，预热温度120-130℃之间，并适当调节回流比（应在3以上），保证分馏比于规定值。
（c）分馏的主要考核项目为折光率。
粗对位：
nD19=1.5460以上
一次邻位：
nD19=1.5380以上
分馏比：
粗对位：
邻位=40-45∶60-55
注意：
分馏塔停止使用时应先切断电源，加热器中料液以夹层冷却方式冷却到100℃以下时，才可切断真空，放入空气。
（6）精蒸
精蒸釜真空度应稳定在-0.099MPa表压以上时，才可进行正常操作。
一次性投入一批粗对位（2400kg），用专用真空减压，加热，保证蒸汽压表压于0.8-0.9MPa，同时开启有关冷却系统连续馏出精对位，到加热釜上液位刻度存残液250kg时冷却后停止真空，放入空气，精对位均匀抽样，折光nD19≥1.5456时移交氧化备用，残液留于釜内，可以进行下一批料。
注意：
a、残液每五批出清一次，每次清出量250kg。
b、如遇紧急停电，应立即关闭真空阀门，保持真空，停止加热，直到恢复通电为止。
（7）氧化
先将精对位与回收以1∶0.5-0.6的比例混和存于混合对位贮罐中。
压缩空气经空气冷却器除去水、油后，经过滤器送入氧化塔底节（出料节）调节流量与尾气泄阀，维持塔顶压力在0.5-0.52MPa表压，将混合对位用输料泵流经触媒溶解釜（空塔投料时内装钴触媒100g，连续投料时每8小时补加钴触媒15g，满塔停车后第一天进料时补加钴触媒50g），以300~350kg/h的流量送入氧化塔顶节（激发节），同时升温激发反应开始，随着料液在塔内不断溢降，调节各塔节温度，除激发为155℃外，反应节（共五节）为135℃，出料节则为80-100℃左右。
氧化液自出料节连续保温流入去酸釜，正常情况下，含酮≥50%以上，含酸5-7%，每班计量，抽样送验后移交去酸甩滤岗位。
尾气通过塔顶除沫器，气液分离循环返回液体部分，气体再经过冷凝器回收对硝基乙苯和收集生成水，最后废气经过排空塔排空。
注意：
a、严格控制反应温度。
b、当遇停电，应即时紧急停车，关闭进气阀，立即通知值班长，电工间等有关人员。
c、如遇停水，应立即采取区别对待措施，如断软水，可供硬水；如硬水因故供应不上，则应立即关闭通气紧急停车。
d、如因故压缩空气停送，各节塔进水紧急冷却至80℃以下，以免反应液颜色变深。
（8）去酸
对酸钠盐水溶液，静止分层，下层氧化油送入结晶釜，上层水液供回收对酸。
去酸温度不得高于90℃，以免引起冲料事故，并会使对酮色泽转深。
（9）结晶
氧化油于结晶釜内先搅拌升温到80℃，保温10分钟。
夹套开入自来水冷却到55-80℃保温30分钟后冷却到40-45℃，保温结晶两小时后，盐水冷却到-2℃，滤饼甩干，以40-45℃温水冲洗甩干，后送烘房，甩回收油时，滤饼套入整批中，母液计量后洗涤岗位。
（10）干燥
对酮湿品经颗粒机进入沸腾干燥床，控制进风温度76~80℃，待出风温度回升到54℃时出料，称量，装袋抽样化验，合格后包装送仓库，不合格对酮要返工，并将旋风分离器回收的细对酮粉沫送冷冻结晶釜结晶。
去酸温度不得高于90℃以免冲料事故，并会使对酮色泽转深。
（11）回收油洗涤、精馏
甩滤母液进入洗涤釜，搅拌，加入约50~60kg40%的焦亚硫酸钠水溶液，用30的液碱调节pH值6~7，于70℃保温1小时后，下层油液于另一洗涤釜中碱洗一次，pH为10-11，碱洗操作重复一次，然后水洗到中性，抽样化验，过氧化物低于0.01%（W/V），可交精馏岗位。
检查回收油蒸馏釜真空表压应稳定在-0.098MPa以上时，才可进行操作。
回收油投料量为2500kg左右（液位器刻度），先公用真空减压加热，开启冷却系统，调节蒸汽表压于0.3MPa时蒸出水分，在釜温140℃，出料视盅处无明显液滴后，换槽，改用专用真空，同时加大蒸汽表压于0.8-0.9MPa蒸出回收对位，总蒸出量控制在投量的75-77%时，停止加热，冷却，降温到釜温120℃时，才可停止真空，放入空气。
回收对位以一定比例和精对位混合使用，残馏每批出清。
注意：
如遇紧急停电，应立即关闭真空阀门，保持负压状态，停止加热，直到恢复供电为止。
5生产制度
5.1年工作日
330天/年
5.2生产班制
混酸、粗蒸、洗涤、精馏、去酸、冷冻、干燥、还原洗涤为是中两班；
硝化、分馏、氧化采用四班三运转制。
5.3生产方式
主要采取间歇生产的方式式，部分操作（一次分馏、氧化）采用连续生产方式。
6物料衡算
6.1物料衡算基准
以年产900吨对硝基苯乙酮，年工作日330天为标准。
6.2物料进出口平衡表
1、乙苯投料
投入量
纯量
杂质
乙苯
6126kg/d
5819.7kg/d
306.3kg/d
2、混酸配置
投入量（kg/d）
纯量（kg/d）
杂质（水）（kg/d）
硝酸（97%）
3755.37
3642.71
112.66
硫酸（93%）
6854.56
6374.74
479.28
水
773.54
773.54
——
总量
11383.47
10790.99
591.94
3、硝化
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
乙苯（纯）
5819.7
17511.17
混酸（纯）
11383.47
杂质
308
出料
油层
硝基乙苯=8318.06
17543.51
乙苯=58.45
杂质=308
废酸
8856
4、洗涤
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
油层（9712kg/d）
硝基乙苯=8318.06
55246
乙苯=58.45
杂质=308
洗涤水
46100
30%NaOH
461.46
出料
油层（10578kg/d）
硝基乙苯=8318.06
51006
乙苯=58.45
水=831
杂质=308
废水
41490
5、粗蒸
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
油层
硝基乙苯=8318.06
9515.51
乙苯=58.45
水=831
杂质=308
出料
油层（8318.06kg/d）
对间位=5111.10
9515.51
邻位=3206.96
杂质=270
低沸物（1032kg/d）
乙苯=58.45
水=831
杂质=38
6、一次分馏
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
油层（8318.06kg/d）
对间位=5111.10
8899.06
邻位=3206.96
杂质=270
回收对位（319kg/d）
对间位=311
邻位=7
出料
塔顶油层（4328kg/d）
对间位=423
9898
邻位=3805
杂质=100
塔底油层（5570kg/d）
对位=4743
间位=357
邻位=270
杂质=200
邻位=3798
杂质=100
塔底油层（352kg/d）
对间位=345
邻位=7
7、精蒸
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
油层（5570kg/d）
对位=4743
5570
间位=357
邻位=270
杂质=200
出料
低沸物
250
5570
精对位（5137）
对位=4623
杂质=514
釜底残液
183
8.氧化
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
精对位（5137）
对位=4623
32040
杂质=514
复蒸对位（2568）
对位=1798
杂质=912
空气
24335
出料
塔底油层（8254kg/d）
对硝基苯乙酮=3016
32040
对硝基乙苯=3008
对硝基苯乙酸=497
过酸=39
水=444
杂质=1250
塔顶废气
23596
塔顶吹出油（190kg/d）
对硝基乙苯=170
杂质=20
9.去酸
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
氧化油（8254kg/d）
对硝基苯乙酮=3016
11054
对硝基乙苯=3008
对硝基苯甲酸=497
过酸=39
水=444
杂质=1250
Na2CO3溶液（800）
Na2CO3=240
水=560
水
2000
出料
油层（7613kg/d）
对硝基苯乙酮=3016
11054
对硝基乙苯=3008
过酸=39
水=300
杂质=1250
水层（3441kg/d）
对硝基苯甲钠=562
水=3194
杂质=85
10.结晶过滤
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
油层（7613kg/d）
对硝基苯乙酮=3016
7613
对硝基乙苯=3008
过酸=39
水=300
杂质=1250
出料
粗对酮（3356kg/d）
对硝基苯乙酮=2916
7613
对硝基乙苯=210
杂质=230
二次母液（4257kg/d）
对硝基苯乙酮=100
对硝基乙苯=2798
过酸=39
水=300
杂质=1020
11.洗涤
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
粗对酮（3356kg/d）
对硝基苯乙酮=2916
11356
对硝基乙苯=210
杂质=230
水
8000
出料
湿对酮（3376kg/d）
对硝基苯乙酮=2916
11356
水=330
杂质=130
废水（7980kg/d）
水=7670
杂质=310
12.干燥
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
湿对酮（3376kg/d）
对硝基苯乙酮=2916
3376
水=330
杂质=130
出料
产品（3037）
对硝基苯乙酮=2901
3376
水=6
杂质=130
损失
15
水
324
13.去过酸
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
二次母液（4257kg/d）
对硝基苯乙酮=100
8875
对硝基乙苯=2798
过酸=39
水=300
杂质=1020
吹出油（190kg/d）
对硝基乙苯=170
杂质=20
40%焦亚硫酸钠溶液
200
30%NaOH
228
水
4000
出料
油层（3480kg/d）
对硝基苯乙酮=80
8875
对硝基乙苯=2600
杂质=800
废水
5395
14.复蒸
单位（kg/d）
总重（kg/d）
进料
洗涤油
对硝基苯乙酮=80
3480
对硝基乙苯=2600
杂质=800
出料
复蒸对位（2568kg/d）
对硝基乙苯=1798
3480
杂质=770
高低沸物
912
6.3物料平衡图
物料平衡图如附图《年产900吨对硝基苯乙苯车间物料平衡图》所示。
7原料及中间产品的技术规格
7.1原料的技术规格
表7-1原料的技术规格表
序号
名称
技术规格
备注
1
硝酸
97%nD19=1.5077
密度测定ρ=1.5077
2
硫酸
93%nD19=1.83
密度测定ρ=1.83
3
乙苯
95%nD19=0.87
密度测定ρ=0.87
4
液碱
30%氢氧化钠
密度测定ρ=1.107
5
纯碱
15%碳酸钠
6
焦亚硫酸钠
95%焦亚硫酸钠
7.2中间产品技术规格
表7-2中间产品技术规格
序号
名称
技术规格
备注
1
混酸
硝酸32±1%
硫酸56±1%
水12±1%
酸碱中和法
2
硝化液水层
硝酸1±1%
硫酸72±1%
酸碱中和法
3
对位乙苯
折光1.5456以上
折光率测定
4
邻位乙苯
折光1.5370以下
折光率测定
8主要设备选择
8.1设备选型及选材
在设备选型之中贮槽除硝酸和硫酸外其余均用碳钢。
贮罐除硝酸（有较强的腐蚀性）用铝制，其它均用碳钢，塔设备使用不锈钢。
8.1.1反应器的选择
本反应中的反应物均有较强的腐蚀性且反应中大部分需要加热或冷却，因而反应器选用带夹套的搪玻璃反应罐。
因为搅拌往往可以加速物料之间的混和，提高传热、传质速率，促进反应的进行，减少副产物的生成，因而在反应釜中加入了搅拌器，搅拌器均用框式。
表8-1反应器（R）
序号
流程图
设备位号
名称
数量
（台）
材料
容积
（m3）
搅拌
功率（kW）
传热面积（m2）
备注
1
R101
混酸配制釜
1
搪玻璃
3m3
5.5
9.3
2
R102
硝化反应釜
3
搪玻璃
4m3
5.5
11.7
3
R103
分酸釜
1
不锈钢
4m3
0
0
4
R104
洗涤釜
2
搪玻璃
5m3
5.5
13.4
5
R105
碱液配制釜
1
不锈钢
1m3
1.5
4.3
6
R106
去酸釜
1
搪玻璃
4m3
5.5
11.7
7
R107
冷冻釜
4
搪玻璃
3m3
5.5
9.3
8
R108
去过酸釜
1
搪玻璃
3m3
5.5
9.3
8.1.2塔设备的选择
BX波纹填料塔可以解决流体分布均匀，有效传质面积大和阻力小等问题，目前已在分馏、精馏、吸收、解吸等单元操作中得到广泛的应用，取得了较好的效果，因而一次分馏及二次分馏操作均用波纹填料塔。
由于浮阀塔的操作弹性大、效率高、处理能力大、液气比范围大、不易堵塞、易于操作、因而氧化反应选用泡罩塔。
表8-2塔（T）
序号
流程图
设备
位号
名称
操作温度（℃）
塔顶
压力（MPa）
回流比
塔径（mm）
塔高（mm）
塔板数
塔板
型式
备注
塔顶
塔底
1
T101
一次分馏塔
128
155
-0.098
3
800
8300
11
填料塔
2
T102
二次分馏塔
128
155
-0.098
2
800
8800
13
填料塔
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