Расчет и технологическая схема производства 2-оксо-1-пирролидинацетамида

Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский химико-технологический университет

имени Д.И. Менделеева

Факультет химико‑фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов

Кафедра химии и технологии биомедицинских препаратов

Курсовой проект

на тему

«Расчет и технологическая схема периодического производства 2-оксо-1-пирролидинацетамида мощностью 1т/год»

                                            Выполнила:

                                                               Студентка группы О-46

                                                 Клименко А.А.

                                                                   Проверил преподаватель:

                                                Ощепков М.С.

Москва 2016

Оглавление

1. Введение........................................................................
.......................3

2. Научное обоснование.....................................................................
.....4

3. Описание технологического процесса стадии................................. 6

4. Технологическая часть........................................................................7

o   4.1 Характеристика готового продукта.......................................7

o   4.2 Характеристика исходного сырья..........................................8

o   4.3 Стадии процесса......................................................................9

o   4.4 Материальный баланс.............................................................9

o   4.5 Технологический расчет оборудования...............................14

o   4.6 Тепловой баланс......................................................................15

1. Введение   

1. 2-оксо-1-пирролидинацетамид (пирацетам, торговая марка "Ноотропил") -  ноотропное лекарственное средство. Оказывает положительное влияние на обменные процессы и кровообращение мозга. Стимулирует окислительно-восстановительные процессы, усиливает утилизацию глюкозы, улучшает регионарный кровоток в ишемизированных участках мозга. Препарат увеличивает энергетический потенциал организма за счёт ускорения оборота АТФ, повышения активности аденилатциклазы и ингибирования нуклеотидфосфатазы. Улучшение энергетических процессов под влиянием пирацетама приводит к повышению устойчивости тканей мозга при гипоксии и токсических воздействиях.

2. В России препарат применяется в неврологической, психиатрической и наркологической практике. В результате действия препарата повышается концентрация АТФ в мозговой ткани, усиливается биосинтез рибонуклеиновой кислоты и фосфолипидов, стимулируются гликолитические процессы. Считается, что пирацетам эффективен при восстановлении после инсульта, способствует улучшению при таких состояниях как синдром Дауна и дислексия

3. Задачей данной работы является расчет производства лекарственного препарата пирацетама по периодической схеме синтеза. Пирацетам был впервые синтезирован в 1964 году учеными из бельгийской фармацевтической компании UCB во главе с Cornelio Е. Giurgea.

2. Научное обоснование  

Из структуры пирацетама очевидно, что наиболее подходящим исходным сырьем для его синтеза является α-пирролидон. Однако, его прямое N-алкилирование  хлоруксусной кислотой (схема 2), требующее достаточно жестких условий, отличается невысокой селективностью вследствие возможности побочной реакции О-алкилирования лактимной структуры α-пирролидона. В связи с этим предварительно специально защищают гидроксигруппу лактимной структуры путем ее О-метилирования (схема 1).

Последний, в отличие от α-пирролидона, однозначно алкилируется по атому азота. При взаимодействии с этиловым эфиром хлоруксусной кислоты с образованием, вероятно, промежуточной четвертичной соли, которая при нагревании в вакууме легко деметилируется с отщеплением хлористого метила и восстановлением лактамной структуры, характерной для α-пирролидона. Таким образом, химическая схема синтеза пирацетама :

                                                            Схема 1.

                                                         Схема 2.

Выход  этилового эфира 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты на α-пирролидон составляет около 50-50,5%. Выход технического пирацетама составляет около 82% от теории, считая на “этиловый эфир”, фармакопейного -71,2% на технический. Таким образом, суммарный выход по схеме составляет около 29,3-29,5%, считая на α-пирролидон.

3. Описание технологического процесса выбранной стадии

Для расчетов выбрана следующая стадия:

Описание:

Все жидкие вещества: О-метил-α- пирролидон в смеси с бензолом,  этиловый эфир хлоруксусной кислоты подаются из соответствующих ёмкостей в отборные мерники 1 и 2 соответственно.

После постепенного приливания  этилового эфира  хлоруксусной кислоты к О-метил-α- пирролидону  при атмосферном давлении в аппарате с обратным холодильником и отгонки бензола алкилирование ведут при температуре  (124-128)^оС с фракционированием массы под вакуумом. После отгонки легколетучих продуктов (остатков бензола, хлористого метила) отбирают фракцию этилового эфира 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты.

4. Технологическая часть

4.1      Характеристика готового продукта

·        Название продукта - этиловый эфир 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты

·        Структурная формула:

                                      

·        Эмпирическая формула:             C₈H₁₃N₁O₃

·        Молекулярная масса:                  171 г/моль

·        Физические свойства:  

Бесцветная жидкость с характерным запахом. Легко растворим во многих органических растворителях, практически не растворяется в воде.

·        Применение: 

Встречается при синтезе пирацетама-  ноотропное лекарственное средство, нашедшее своё применение в неврологической, психиатрической и наркологической практике.

4.2  Характеристика исходного сырья

№	Наименование	ГОСТ (CAS номер)	Обязательные показатели для проверки в производстве	Примечание
1	О-метил-α- пирролидон			Раздражает кожу и слизистые оболочки глаз. Проникает через неповрежденные кожные покровы. Обладает эмбриотоксическим, тератогенным и мутагенным действием.
2	Этиловый эфир хлоруксусной кислоты	CAS №, 105-39-5	Чистота: ≥98%	Опасен при вдыхании, попадании внутрь или на кожу. ЛД50 (крысы, орально) = 235 мг/кг
3	Бензол	CAS № 71-43-2	Массовая доля примесей, %, не более: н-гептана.......0,01 метилциклогексана +толуола........0,05 Метилциклопентана ........................0,02	В больших дозах бензол вызывает тошноту и головокружение,  в тяжёлых случаях может повлечь смертельный исход, является сильным канцерогеном.

4.3 Стадии процесса (алкилирование)

                  

1. Приготовление смеси (О-метил-α- пирролидон + Этиловый эфир хлоруксусной кислоты)

2. Отгонка бензола

3. Алкилирование  при температуре (124-128)^оС с фракционированием массы под вакуумом

4. Отбор фракций легколетучих компонентов (бензол, хлористый метил)

5. Отбор фракции этилового эфира 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты

4.4 Материальный баланс стадии алкилирования

                    

Вещество (А)-  О-метил-α- пирролидон (M_A=99 г/моль)

Вещество (В) - Этиловый эфир хлоруксусной кислоты (M_B=122,5 г/моль)

Вещество (С) - Хлористый метил (M_C=50,5 г/моль)

Вещество (D) - этиловый эфир 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты (M_D=171 г/моль)

1) Расчет количества загружаемых веществ

Для расчета выбираем стандартный реактор объёмом  3,2 м³ .

Коэффициент заполнения  j примем равным 0,8.

Тогда объём реакционной массы в аппарате должен быть р

авен:

V_р = V_апп × j = 3200 × 0,8 = 2560 л

По данным технологического регламента, на одну операцию алкилирования при данном объёме реакционной массы необходимо  253,44  кг технического О-метил-α- пирролидона (получали на предыдущей стадии), в котором содержится 2% примесей с предыдущей стадии.

G_A= m× w_масс = 258,61 × 0,98 = 253,44 кг

G_{примеси} = 258,61 - 253,44 = 5,17 кг

Для алкилирования 210,21 кг  О-метил-α- пирролидона по данным технологического регламента требуется 225 кг этилового эфира хлоруксусной кислоты (98%) или 220,5 кг (100%):

G_B= m× w_масс = 225 × 0,98 = 220,5 кг

G_{примеси} = 225 - 220,5 = 4,5 кг

    Количество исходных веществ:

u_A = G_A/M_A = 253,44/99 = 2,56 кмоль

u_B = G_B/M_B = 220,5/122,5 = 1,8 кмоль

               2) Расчет количества полученных веществ

В результате реакции образуется 184,68 кг  эфира 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты и 27,27 кг хлористого метила. Их количество:

u_D = G_D/M_D = 184,68/171 = 1,08 кмоль

u_C = G_C/M_C = 27,27/50,5 = 0,54 кмоль

       Количества веществ после реакции:

u_A = 2,56 - 1,00 = 1,56 моль

u_B = 1,8 - 1,00 = 0,8 моль

u_D = 1,08 кмоль

u_C = 0,54 кмоль

   Масса веществ после реакции:

G_A = u_A × M_A = 1,56 × 99 = 154,44

G_B = u_B × M_B = 0,8 × 122,5 = 98

G_D  =  184,68

G_C  = 27,27

                                              å G_ИСХ = å G_КОН

Загружено	Получено
Наименование	Масса, кг	Объем, л	Наименование	Масса, кг	Объем, л
Техн.	100 %	Техн.	100%
О-метил-α- пирролидон	258,61	253,44		О-метил-α- пирролидон	154,44	154,44
Этиловый эфир хлоруксусной кислоты	225	220,5		Этиловый эфир хлоруксусной кислоты	122,5	98
этиловый эфир 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты	------	------		этиловый эфир 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты	184,68	184,68
Хлористый метил	------	------		Хлористый метил	27,27	27,27
				Примеси	12
Итого	483,61	473,94		Итого	476,39	464,39

                     3) Расчет расходных коэффициентов по сырью

Выход готового продукта составляет:

h = u_практ./u_теор. = 1,08/1.8 = 0,6

Теоретически из 1 моль О-метил-α- пирролидона можно получить 1 моль этилового эфира 2-оксо-1-пирролидинил-уксусной кислоты. Отсюда, для производства 1000 кг готового продукта необходимо:

R_A = (u_A´M_A´1000)/( u_D ´M_D´h) = (2,56´99´1000)/(1,08´171´0,6) = 2287,2кг

100 %  О-метил-α- пирролидона.

Исходя из загрузки  О-метил-α- пирролидона на операцию и расходного коэффициента определим коэффициент пересчета:

К_П = R_A/G_A = 2287,2 / 253,44 = 9,02

Расходный коэффициент для этилового эфира хлоруксусной кислоты:

R_В = К_П ´ G_В = 9,02 ´ 220,5 = 1988,91

4.5 Технологический расчет оборудования

Годовая мощность производства  G = 0,952 т/год (100 % продукта). Число рабочих дней в году - 330. Суточная мощность производства G_сут = 0,952/330 = 2,88 кг/сут.

Объём реакционной массы, соответствующий получению 1т готового продукта, будет равен:

V_Т (1) = V_P´ К_П = 2560 ´ 9.02 = 23091,2 л/т

Объем реакционной массы на стадии в сутки:

V_сут (1) = V_Т (1) ´ G_сут = 23,0912 ´ 2,88 = 66,5 л/сут

Продолжительность стадии конденсации t_опт = 8 ч (данные технологического регламента)

Необходимое число реакторов:

n(1) = V_сут(1)  ´ (1+z(1)) ´ t_опт(1)/ (V_апп ´ j ´ 24) = 66,5´ (1+0,1) ´ 10/ (3200´0,8´24) = 0,012

Таким образом, на стадии алкилирования необходимо установить один реактор объемом 3200 л .

Исходя из технологических условий процесса выбран эмалированный реактор со следующими характеристками:

-объем аппарата 3200 л

 -высота 2,4 м

-диаметр 1600 мм

- диаметр с рубашкой 1700 мм

- поверхность 10 м²

- масса аппарата 3810 кг

4.6 Тепловой баланс

                                          Q1+ Q2+ Q3 = Q4+ Q5+ Q6

Q1 - тепло, вносимое в аппарат с исходными веществами или теплосодержание веществ в аппарате в начале стадии теплообмена;

Q2 - тепло, отдаваемое теплоносителем перерабатываемым веществам и аппарату или отнимаемое от них хладагентом;

Q3 - тепловой эффект процесса;

Q4 - тепло, уносимое из аппарата конечными продуктами или теплосодержание веществ в аппарате в конце стадии теплообмена;

Q5 - тепло, расходуемое на нагревание отельных деталей аппарата или отнимаемое от них хладагентом;

Q6 - тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду.

№	Наименование операции	Время, час	Температура, оC
1	Осмотр реакторов_	0,5	Окр. среда
2	Загрузка О-метил-α- пирролидона в 1аппарат	0,25	Окр. среда
3	Загрузка этилового эфира хлоруксусной кислоты в 1 аппарат	0,25	Окр.среда
4	Проверка и герметизация	1,0	Окр. среда
5	Подогрев	0,5	30-90 оC
6	Выдержка (отгонка С6Н6)	1,0	90 оC
7	Перенос смеси во 2 апп.	0,5	90 оC
8	Нагрев смеси	1,0	128 оC
9	Отгонка легколетучих компонентов	1,0	128 оC
10	Отгонка целевого продукта	1,0	128 оC
11	Охлаждение	1,0	30 оC

            Температурный график процесса алкилирования:

4.6.1 Стадия нагрева

Наименование	G, кг	M, г/моль	CP, ккал/кг оC
О-метил-α- пирролидон	253,44	99	0.648
Этиловый эфир хлоруксусной кислоты	220,5	122,5	0,500

                                 Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆

С_рА=∑(С_{р эл-та} · n)/M_A=(2.8·5+4.3·9+6·1+5.5·1)/99 = 0.648 ккал/(кг·°С)

С_рВ=∑(С_{р эл-та} · n)/M_В=(2.8·4+4.3·7+8,0·1+6·2)/122,5 = 0.500 ккал/(кг·°С)

Q₁=∑G_н · C_Pн · T_н, где Т_н=25°С

Q₁=25·4190·(253,44·0,648+220,5·0,500)= 28.75 МДж

Q₃=0, так как нет химических превращений и физико-химических процессов

Q₄=∑G_н · C_Pк · T_к, где Т_к=128°С

Q₄=128·4190(253,44·0,648+220,5·0,500)= 147,21 МДж

Q₅=G_ап · С_{р ап} · (Т_{ап к} – Т_{ап н})

Принимаем G_ап =3810 кг, С_{р ап} = 0,5 ккал/(кг·°С)

Тогда Q₅=3810·0,5·(128-25)·4190= 822,14 МДж

Q₆=S_mn· β_m ·(T_cm-T_cp)· τ=0.05 Q₂

Тогда тепловой баланс:

Q₁+Q₂=Q₄+Q₅+0.05Q₂

Q₂= (Q₄+Q₅-Q₁)/0.95=(147,21+822.14-28.75)/0.95= 990.1 МДж

Q₂=K_m·S_m· ΔT_cp· τ

ΔT_cp=(ΔT_б- ΔT_м)/ln (ΔT_б/ΔT_м)=(140-12)/ln(140/12)= 52.1°C

K_m=500 Вт/(м²·К)

S_m=Q₂/(K_m· ΔT_cp· τ)=(990,1·10^6)/(500·52.1·3·3600)=3,5 м²

Нагрев осуществляется через рубашку аппарата, поверхность аппарата: F=10 м²

F> S_m, следовательно поверхности рубашки хватит для нагрева реакционной массы.

Запас поверхности: (10-3,5)/10=0,65

Следовательно, выбранный реактор с рубашкой подходит для проведения данного процесса.

4.6.2 Стадия выдержки (химическая реакция)

                                          Q1+ Q2+ Q3 = Q4+ Q5+ Q6

Q₁=Q₄ (1)=....  МДж

Q₃= å Q_P+ Q_ф/хп , где Q_ф/хп = 0

Q_P = G ´ q_P /M

q_P = q⁰(C)+ 2´ q⁰(D) - q⁰(A) - q⁰(B)

q⁰_C = ån ´ q_Э ^сг -  q_с ^сг

q_с ^сг = 26,05  ´ m + åDx -формула Караша

(1)  m = 4´4 + 2´1 + 1´2 +  1´7

q⁰(A) = (8´94,38 + 6´34,19 +0) - (26,05´31+ D(A) + D(B) + 2D(???) = 152, 63 - (D(A) + D(B) + 2D(???))

(2) m = 4´5 + 3´1 + 5´1 = 28

q⁰(B) = (6´94,38 + 6´34,19 +0) - (26,05´28+D (A)) = 68,38 - D (A)

(3) m= 4´8+3´2+2´2+1´10 = 52

q⁰(C) = (16´94,38 + 10´34,19 +0) - (26,05´52+ 2D(A) + 2D(B) + 2D(???)) - 152,63 - (DA