Производство дибазола

ПРОИЗВОДСТВО ДИБАЗОЛА

Мощность 3 т/год

1. Аналитический обзор

2. Инженерные расчеты

2.1 Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов

2.2 Расчет материального баланса

2.3 Расчет теплового баланса

3. Технологическая часть

3.1 Описание технологического процесса

3.2 Выбор основного и вспомогательного оборудования Выводы к проекту Список использованных источников

В середине XX столетия во многих странах мира резко возросло число людей страдающих гипертонической болезнью, которая стала одной из «болезней века». Значительно вырос спрос на лекарства, понижающие артериальное давление. Но выбор таких средств был очень ограничен, по существу сводился к двум — трем препаратам. Самым эффективным из них считался папаверин, содержащийся в опии — млечном соке снотворного мака. Это лекарство производилось в ограниченном количестве из растительного сырья, и было весьма дорогим. К тому же далеко не во всех странах климат подходил для разведения снотворного мака, поэтому приходилось закупать папаверин за границей. Эти обстоятельства и заставили ученых приступить к поискам синтетических аналогов препарата.

В 1948 г. ленинградские химики Б.А. Порай-Кошиц, А. С. Эфрос, О. Ф. Гинзбург синтезировали такое соединение; сначала его сокращенно называли ББИ, а потом переименовали в дибазол. Оказалось, что новый препарат расширяет сосуды не хуже папаверина и к тому же менее токсичен.

Оказывает сосудорасширяющее, спазмолитическое и гипотензивное действие.

Дибазол применяют при спазмах гладких мышц внутренних органов (язвенная болезнь желудка, спазмы привратника и кишечника и т. п.), при бронхиальной астме (для предупреждения приступов стенокардии), но особенно эффективен дибазол при снятии спазмов кровеносных сосудов (обострение гипертонической болезни, гипертонические кризы).

Также дибазол оказывает стимулирующее влияние на функции спинного мозга (улучшает проведение нервных импульсов). Поэтому он помогает бороться с некоторыми формами параличей, развивающихся после перенесенного полиомиелита, облегчает страдания больных при невралгиях и невритах.

Еще одна область применения дибазола — профилактика и лечение травматического шока, т.к. препарат повышает устойчивость организма к самым различным неблагоприятным воздействиям. Дибазол понижает чувствительность организма и к действию различных ядов, а также ослабляет развитие инфекционного воспаления. Особенно заметно его защитные свойства проявляются при профилактическом лечении.

Также препарат обладает умеренной иммуностимулирующей активностью. Дибазол можно использовать для профилактики гриппа и сезонных катаров верхних дыхательных путей.

Назначают дибазол внутривенно, внутримышечно и внутрь.

Формы выпуска: таблетки по 0,02; 0,002; 0,003 и 0,004 г; 0,5% или 1% раствор в ампулах по 1; 2 и 5 мл. Дибазол входит также в состав ряда комбинированных таблеток: «Папазол» (см. Папаверин), «Амазол» (см. Амидопирин), «Андипал» (см. Анальгин), «Теодибаверин» (см. Теобромин). Имеются также готовые таблетки, содержащие дибазола и фенобарбитала по 0,025 г; дибазола 0,03 г, теобромина 0,25 г и платифиллина гидротартрата 0,003 г. Выпускавшиеся ранее таблетки «Дивенал» исключены из номенклатуры. Также дибазол входит в состав противовирусных и иммуностимулирующих препаратов, например «Цитовир~3». 1]

1. Аналитический обзор

дибазол медицинский химический реагент Основание дибазола (2-бензилбензимидазол) из о-фенилендиаминов или замещенных о-фенилендиаминов и кислот или их производных.

1) Из ацилпроизводных о-фенилендиаминов или ацилпроизводных о-нитроаминов. Ладенбург первый отметил, что моноацильные производные о-фенилендиамина при простом нагревании легко переходят в соответствующие бензимидазолы. Эти превращения происходят при температуре несколько более высокой, чем температура плавления исходного соединения. Поскольку моноацильные производные легкодоступны, этот метод является удобным для синтеза бензимидазолов. Для предотвращения окисления моноацильное производное целесообразно нагревать в атмосфере азота. В этих условиях вещество получается с хорошим выходом и легко очищается. Бензимидазолы можно получить и из диацильных производных о-фенилендиамина, однако, в этом случае реакция проходит при более высокой температуре. Высокая температура способствует побочным реакциям, что снижает выход основного продукта.

Бис-фенилацетильное производное образует соответствующий 2-бензилбензимидазол при нагревании до 140 °C с соляной кислотой:

Если о-диаминосоединения труднодоступны, то целесообразно использовать в качестве исходных веществ более доступные ацильные производные соответствующих 1-амино-2-нитросоединений. Последние при восстановлении металлами и кислотами, образуют соответствующие бензимидазолы. Промежуточный амин можно выделить восстановлением нитросоединения в присутствии платины или палладия. Эти амины переходят в бензимидазолы при нагревании или кипячении с разбавленной соляной кислотой.

2) Из о-фенилендиаминов и альдегидов либо кетонов.

2-бензилбенимидазол получают при нагревании до 200 — 250 °C в атмосфере азота о-фенилендиамина и метилбензилкетона:

Но одновременно протекает побочная реакция с образованием 2-метилбензимидазола.

3) Из о-фенилендиаминов и кислот.

2-бензилбензимидазол может быть получен конденсацией четырехатомного фрагмента о-фенилендиамина с одноуглеродным фрагментом фенилуксусной кислоты при нагревании до 150 — 160 °C, в присутствии 20% соляной кислоты:

Видоизмененный метод Филипса состоит в кипячении о-фенилендиамина и одноосновной кислоты в 4Н соляной кислоте. Затем бензимидазол осаждают при нейтрализации раствора водным аммиаком.

4) Из о-фенилендиаминов и производных кислот.

Этот метод, хотя и рассматривается отдельно, представляет лишь видоизменение предыдущих методов. Данную реакцию можно рассматривать как аммонолиз производных кислот (хлорангидридов, ангидридов, эфиров, амидов, амидинов и нитрилов), причем диамин функционирует в качестве аммонолизирующего агента, а производные кислоты в качестве карбонильной компоненты.

Дибазол получают взаимодействием о-фенилендиамина с фенилацетамидом или цианистым бензилом с последующим солеобразованием и перекристаллизацией из водного раствора с осветлением углем [3]:

Синтез дибазола был осуществлен также сплавлением о-фенилендиамина и фенилуксусной кислоты с последующим переводом основания в гидрохлорид[4]. Смесь о-фенилендиамина и фенилуксусной кислоты в эквимолекулярных количествах нагревают до 140 °C, при этом смесь расплавляется. Реакционную массу нагревают при перемешивании 3 часа с постепенным повышением температуры до 200 °C. Массу охлаждают до 110 °C. Затем приливают воду и соляную кислоту. Смесь нагревают до полного растворения плава в течение 1 часа. Из водного раствора при перемешивании и охлаждении до 20 °C выпадает гидрохлорид 2-бензилбензимидазола (выход 79,3%), который для получения фармакопейного продукта трижды перекристаллизовывают из воды. С целью уменьшить потери продукта для первой и второй кристаллизации используют маточные растворы от предыдущих кристаллизаций с добавлением угля и для первой кристаллизации — раствора двухромовокислого калия, а также соляной кислоты. Выход составляет 74,4% от теоретического.

2. Инженерные расчеты

2.1 Физико-химические свойства исходных реагентов и продуктов

О-фенилендиамин.

Синоним: 1,2-диаминобензол.

Внешний вид: белые чешуйки (технический о-фенилендиамин в виде хлопьев имеет желто-коричневый цвет и может темнеть при хранении). Брутто-формула (система Хилла): C₆H₈N₂. Формула в виде текста: C6H4(NH2)2. Молекулярная масса (в а.е.м.): 108,1. Температура плавления (в °C): 104,0. Температура кипения: 252,0°C. Плотность: 1,031 (160°C, г/см³).

Области применения: химикаты для сельского хозяйства, красители, замедлители коррозии, химические полупродукты.

Фенилуксусная кислота.

Синоним: б-толуиловая кислота.

Внешний вид: блестящие иглы с запахом меда. Брутто-формула (система Хилла): C₈H₈O₂. Формула в виде текста: C6H5CH2COOH. Молекулярная масса (в а.е.м.): 136,2. Температура плавления (в °C): 76,9°C. Температура кипения: 266,5°C. Растворима в диэтиловом эфире, хлороформе, этаноле, не растворима в воде. Плотность: 1,228 (20°C, относительно воды при 4°C). Показатель преломления: 1,454 (20°C).

Применение: фенилуксусная кислота и ее эфиры применяют при составлении парфюмерных композиций и пищевых эссенций. Фенилуксусная кислота — исходный продукт для синтеза фенамина; используется в синтезе бензилпенициллина (вводят в качестве предшественника в питательную среду при культивировании плесени Penicillium chrisogenum или P. notatum), а также в синтезе фенантрена.

Вода.

Внешний вид: бесцветная жидкость. Брутто-формула (система Хилла): H₂О. Молекулярная масса (в а.е.м.): 18,0. Температура замерзания (в °C): 0. Температура кипения (в °C): 100. Является хорошим растворителем, хорошо смешивается с различными жидкостями. Плотность: 0,998 (20°C, г/см3). Стандартная мольная теплоемкость C_p (298 К, Дж/моль· K): 4,19. Динамический коэффициент вязкости (20°C, мПа•с): 1. Коэффициент теплопроводности (20°C, Вт/(м•К)): 0,599.

Соляная кислота.

Внешний вид: бесцветная жидкость с неприятным запахом. Брутто-формула (система Хилла): HCl. Молекулярная масса (в а.е.м.): 36,5.

Гидрохлорид 2-бензилбензимидазола.

Международное название: бендазол.

Синонимы: Дибазол, дибазол — Акос, дибазол — УБФ, глиофен.

Бесцветные кристаллы горько — соленого вкуса. Молекулярная масса (в а.е.м.): 244,7. Температура плавления (в °C): 182 — 186. Плохо растворим в воде, ацетоне и хлороформе, легко — в этаноле. Гигроскопичен. По химическому строению дибазол относится к производным бензимидазола.

2.2 Расчет материального баланса

Поскольку процесс производства дибазола является периодическим необходимо составить баланс времени работы аппарата, по которому определяются размеры аппарата для достижения заданной суточной производительности (а так же, в случае необходимости нескольких аппаратов, их число). Для этого проведем следующие расчеты.

Определим суточную производительность отделения:

где Q — годовая мощность;

m — число рабочих дней в году.

Примем, что аппарат для производства гидрохлорида 2-бензилбензимидазола будет работать 15 суток год, т. е. m = 15.

W_сут = 3000 / 15 = 200,00 ч Рассчитаем период работы аппарата (цикл) как сумму продолжительностей отдельных операций.

Таблица 1. — Продолжительность операций

Найдем число периодов в сутки:

в = 24 / 8,5 = 2,82

Зададим производительность одного аппарата за период W_a= 75 кг.

Найдем суточную производительность аппарата:

W_сут.а.= в • W_a = 2,82 • 75 = 211,50 кг.

Рассчитаем необходимое число аппаратов для заданной производительности:

n = W_сут / W_{сут а} = 200 / 211,5 = 0,945

Округлим n до целого числа, n = 1

Далее составим материальный баланс процесса на одну загрузку, т. е. на 75 кг гидрохлорида 2-бензилбензимидазола:

1. Материальный баланс стадии гидрохлорирования 2-бензилбензимидазола.

Реакция получения гидрохлорида 2-бензилбензимидазола:

75 кг

C₁₄H₁₂N₂ + HCl > C₁₄H₁₂N₂•HCl

208,2 36,5 244,7

Количество 2-бензилбензимидазола чистого:

Количество соляной кислоты:

По методике для получения 4,04 кг гидрохлорида 2-бензилбензимидазола требуется 5,6 л (5,6 кг) воды (растворитель).

Найдем необходимое количество растворителя для производительности 75 кг гидрохлорида 2-бензилбензимидазола по пропорции.

Количество воды:

Эти количества получены при условии стопроцентного выхода. Поскольку по методике выход 59,0% (79,3% по данной стадии и 74,4% по последующей стадии кристаллизации) от теоретического, пересчитаем количества реагентов.

Количество 2-бензилбензимидазола чистого:

Количество соляной кислоты:

Рассчитаем количество реагентов, не вступивших в реакцию.

Количество непрореагировавшего 2-бензилбензимидазола:

108,15 — 63,81 = 44,34 кг

Количество непрореагировавшей соляной кислоты:

18,97 — 11,19 = 7,78 кг

2. Материальный баланс стадии образования 2-бензилбензимидазола.

Реакция получения 2-бензилбензимидазола:

108,15 кг

C₆H₄(NH₂)₂ + C₆H₅CH₂COOH = C₁₄H₁₂N₂ + 2H₂O

108,1 136,1 208,2 2•18,0

Количество о-фенилендиамина чистого:

Количество о-фенилендиамина с учетом примесей (1,5%):

Количество примесей в о-фенилендиамине: 57,01 — 56,15 = 0,86 кг.

В том числе м-фенилендимин + п-фенилендиамин: 0,86 • 0,67 = 0,58 кг.

вода: 0,86 • 0,33 = 0,28 кг.

Количество фенилуксусной кислоты чистой:

Количество фенилуксусной кислоты с учетом примесей (2%):

Количество примесей в фенилуксусной кислоте: 72,14 — 70,70 = 1,44 кг.

Количество образовавшейся воды:

Эти количества получены при условии стопроцентного выхода. Поскольку по методике выход 83,0% от теоретического, пересчитаем количества реагентов.

Количество о-фенилендиамина чистого:

Количество о-фенилендиамина с учетом примесей (1,5%):

Количество примесей в о-фенилендиамине: 68,68 — 67,65 = 1,03 кг.

В том числе м-фенилендимин + п-фенилендиамин: 1,03 • 0,67 = 0,69 кг.

вода: 1,03 • 0,33 = 0,34 кг.

Количество фенилуксусной кислоты чистой

Количество фенилуксусной кислоты с учетом примесей (2%):

Количество примесей в фенилуксусной кислоте: 86,92 — 85,18 = 1,74 кг.

Рассчитаем количество реагентов, не вступивших в реакцию.

Количество непрореагировавшего о-фенилендиамина:

67,65 — 56,15 = 11,5 кг

Количество непрореагировавшей фенилуксусной кислоты:

85,18 — 70,70 = 14,48 кг.

Полученные результаты сведем в таблицу.

Таблица 2. — Результаты материального баланса

Абсолютная погрешность:

.

Следовательно, абсолютная погрешность расчетов материального баланса также равна нулю.

Величина реакционного объема рассчитывается по формуле[6]:

где W — объем реакционной смеси (W = УG_расх + G_{ратв-ля}), кг;

с — плотность реакционной смеси (принимаем минимальную по всему процессу), кг/м³;

ц — коэффициент заполнения (ц = 0,6 для аппаратов с мешалками).

Таким образом, получим:

V = (174,57 + 103,96) / (1003 • 0,6) = 0,46 м³.

Выберем объем аппарата по объему реакционной смеси.

Таким образом, по расчетам материального баланса для данного процесса подходит вертикальный аппарат объемом 0,63 м³ с эллиптическим днищем, эллиптической разъемной крышкой, рубашкой и лопастной мешалкой. Диаметр аппарата 0,9 м, высота — 2,77 м. Поверхность теплообмена 2,9 м².

2.3 Расчет теплового баланса

Цель теплового расчета — определение требуемой поверхности теплообмена проектируемого аппарата. Расчет поверхности теплообмена основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи.

В уравнение теплового баланса включаются теплосодержания теплоносителя, реагентов и продуктов (при начальной и конечной температурах соответственно) и потери теплового потока в окружающую среду. В теплообменных аппаратах, снабженных рубашкой, тепловые потери не превышают 3−5% полезно используемой теплоты. Поэтому в расчетах ими можно пренебречь. Если в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловым эффектом, то в тепловом балансе теплота, выделяющаяся при физическом и химическом превращении.

Для дальнейшего расчета теплового баланса потребуются значения удельных теплоемкостей исходных и конечных веществ. Рассчитаем эти значения через величины мольных теплоемкостей и молярную массу. Значения мольных теплоемкостей рассчитаем по аддитивной формуле. Полученные данные сведем таблицу.

Таблица 3. — Теплоемкость исходных и конечных веществ

Мольные теплоемкости были рассчитаны по следующей формуле [8]:

где с_i — атомная теплоемкость, Дж/(г-а•К);

n_i — число атомов данного вида, г-а/моль.

с_{офд, тв} = 7,53 • 6 + 9,62 • 8 + 11,3 • 2 = 144,72 Дж/(моль•К);

с_{офд, ж} = 11,72 • 6 + 17,99 • 8 = 214,24 Дж/(моль•К);

с_{фук, тв} = 7,53 • 8 + 9,62 • 8 + 16,74 • 2 = 170,68 Дж/(моль•К);

с_{фук, ж} = 11,72 • 8 + 17,99 • 8 + 25,1 • 2 = 287,88 Дж/(моль•К);

с_бби = 7,53 • 14 + 9,62 • 12 + 11,3 • 2 = 243,46 Дж/(моль•К);

с_гбби = 7,53 • 14 + 9,62 • 13 + 11,3 • 2 + 26,50 = 279,58 Дж/(моль•К).

Процесс теплообмена в аппарате состоит из четырех последующих стадий:

1) нагревание реагентов до 200 °C дифенилметаном;

2) охлаждение реакционной массы до 110 °C;

3) нагревание реагентов до 96 °C дифенилметаном;

Рассмотрим процесс нагревания реагентов.

Уравнение теплового баланса [6]:

здесь Q₁ — теплосодержание реагентов при начальной температуре, кДж;

Q₂ — количество тепла, отданного дифенилметаном реагентам, кДж;

Q₃ — тепловой эффект химического процесса, кДж;

Q₄ — теплосодержание продуктов реакции при конечной температуре, кДж.

Таким образом, количество тепла, отданного дифенилметаном, равно разнице теплосодержаний на конечной и начальной стадии за вычетом теплового эффекта химического процесса, т. е.:

Теплосодержание реагентов и продуктов находятся по формулам [6]:

где G_{i, исх}, G_{i, пр} — количества i-го компонента на начальной и конечной стадиях соответственно, кг;

с_{i, исх}, с_{i, пр} — удельная теплоемкость i-го компонента на начальной и конечной стадиях соответственно, кДж/(кг•К);

Т_нач, Т_кон — начальная и конечная температуры соответственно, К.

Примем, что начальная температура реагентов 20 °C и рассчитаем величину Q₁ для каждого компонента:

Q_1,ОФД = 68,68 • 1,34 • 293 = 26 965,14 кДж;

Q_1,ФУК = 86,92 • 1,25 • 293 = 31 834,45 кДж;

Таким образом,

Q₁ = 26 965,14 + 31 834,45 = 58 799,59 кДж.

Рассчитаем величину Q₄ компонента:

Q_4,ОФД = 12,53 • 1,98 • 473 = 11 734,85 кДж;

Q_4,ФУК = 16,22 • 2,11 • 473 = 16 188,05 кДж;

Q_4,ББИ = 180,15 • 1,17 • 473 = 99 696,81 кДж;

Q_4,Н2О = 18,70 • 4,23 • 473 = 37 414,77 кДж;

Таким образом,

Q₄ = 11 734,85 + 16 188,05 + 99 696,81 + 37 414,77 = 165 034,48 кДж.

Тепловой эффект химического процесса находится по формуле [6]:

где Q_Р — тепловой эффект реакции, кДж;

Q_Ф-Х.П — тепловой эффект физико-химического превращения, кДж.

Тепловой эффект реакции рассчитывается по формуле [6]:

где G — количество компонента, кг;

М — молярная масса, г/моль;

q_P — удельный тепловой эффект реакции (q_P = - ДH_Р), кДж/моль.

Так как значения ДH_Р для 2-бензилбензимидазола в справочной литературе нет, то рассчитаем эту величину через теплоты образования по закону Гесса [6]:

^{разрыва образования}

Получим:

ДН_Р = (3 • 339 + 2 • 1076,5) — (2 • 743 + 3 • 429,99) = 3170 — 2775,97 = 394,03 кДж/моль.

q_P = - 394,03 кДж/моль.

Следовательно:

Q_P = 108,15 • 1000 / 208,2 • (- 394,03) = - 204 678,85 кДж.

Тепловой эффект физико-химического превращения рассчитывается по формуле [6]:

где G — количество компонента, кг;

М — молярная масса, г/моль;

q — удельный тепловой эффект физико-химического превращения, кДж/моль.

C₆H₄(NH₂)₂ + C₆H₅CH₂COOH = C₁₄H₁₂N₂ + 2H₂O

q = q_H2O + Ѕ q_C14H12N2 — Ѕ q_C6H4(NH2)2 — Ѕ q_C6H5CH2COOH

Физико-химические превращения претерпевают вода (кипение), о-фенилендиамин (плавление) и фенилуксусная кислота (плавление).

Для начала рассчитаем теплоты испарения веществ, для этого используем правило Нернста [6]:

где q_исп — теплота испарения, Дж/моль;

Т_кип — температура кипения жидкости, К.

Получим:

q_{исп, ОФД} = 4,19 • 525 • (9,5 • lg525 + 0,007 • 525) = 64,93 кДж/моль;

q_{исп, ФУК} = 4,19 • 540 • (9,5 • lg540 + 0,007 • 540) = 67,29 кДж/моль;

Между температурой плавления Т_пл и температурой кипения Т_кип существует зависимость [6]:

Т_пл / Т_кип = К, где К — постоянная, равная 0,58 для органических соединений.

Таким образом,

q_исп / q_пл = 22 • Т_кип / 10 • Т_пл = 22 • Т_кип / 10 • 0,58 • Т_кип = 3,8

или q_пл = 0,26 • q_исп

Получим:

q_{пл, ОФД} = 0,26 • 64,93 = 16,88 кДж/моль;

q_{пл, ФУК} = 0,26 • 67,29 = 17,50 кДж/моль.

Соответственно:

Q_{Ф-Х.П, ОФД} = 68,68 • 1000 / 108,1 • 16,88 = 10 724,50 кДж;

Q_{Ф-Х.П, ФУК} = 86,92 • 1000 / 136,2 • 17,50 = 11 168,14 кДж;

Q_{Ф-Х.П, Н2О} = 18,70 • 1000 / 108,1 • 40,66 = 42 241,22 кДж.

Получим:

Q_Ф-Х.П = 42 241,22 — Ѕ 10 724,50 — Ѕ 11 168,14 = 31 294,90 кДж.

Таким образом,

Q₃ = - 204 679,85 + 31 294,90 = - 173 384,95 кДж.

И соответственно получим:

Q_отд = 165 033,98 — (58 799,59 + (- 173 384,95)) = 279 619,34 кДж.

Уравнение теплопередачи для периодического процесса [9]:

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•К);

F — поверхность теплообмена, м²;

Дt_cp. — средняя разность температур горячего и холодного теплоносителей, К;

ф_{процесса} — время процесса, с.

Таким образом, необходимая поверхность теплообмена:

.

Примем начальную температуру дифенилметана равной 250 °C, конечную — 230 °C и рассчитаем среднюю разность температур по следующей формуле [9]:

°C,

где Дt_б, Дt_м — большая и меньшая разности температур.

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по следующей формуле [9]:

где б_см, б_ДФМ — коэффициенты теплоотдачи для реакционной смеси и греющего теплоносителя — дифенилметана, Вт/(м²•К);

д_ст. — толщина стальной стенки (примем, что толщина стенки 12 мм), м;

л_ст. — коэффициент теплопроводности для стальной стенки, 46.4 Вт/(м²•К).

Для дальнейшего расчета требуются значения величин плотности, коэффициента теплопроводности и динамической вязкости реакционной смеси при средней температуре жидкости в аппарате и при температуре стенки. Температуру стенки примем равной 210 °C, а среднюю температуру реакционной смеси в аппарате — 140 °C. Таким образом средняя температура 0,5 • (t_ср.см + t_ст) = 0,5 • (210 + 140) = 175 °C.

Плотность жидкости в зависимости от температуры выражается формулой [6]:

где с₂₀ — плотность жидкости при температуре 20 °C, г/см³;

в_t — температурная поправка на 1^оС, г/см³•°C;

t — температура, °C.

Так как при 20 °C о-фенилендиамин кристаллическое вещество и в жидкость переходит при Т_кип=104°C, а в справочной литературе имеется плотность жидкого о-фенилендиамина при 160 °C, следовательно получим:

с_{ОФД, 140} = с₁₆₀ + в_t • (160 — t) = 1,031 + 0,663 • (160 — 140) = 1,044 г/см³;

с_{ОФД, 175} = с₁₆₀ — в_t • (t — 160) = 1,031 — 0,663 • (175 — 160) = 1,022 г/см³;

с_{ОФД, 210} = с₁₆₀ — в_t • (t — 160) = 1,031 — 0,663 • (210 — 160) = 1,001 г/см³;

Значения плотности фенилуксусной кислоты в жидком виде в справочной литературе нет, поэтому эту величину мы рассчитаем по формуле Эйкмана [8]:

где n_D — показатель преломления жидкости.

с_ФУК = (1,454² — 1) / 0,6 • (1,454 + 0,4) = 1,002 г/см³

Значения плотности для воды при различных температурах находятся методом интерполяции по таблице XXXIX [10];

с_{Н2О, 140} = 0,986 г/см³;

с_{Р2О, 175} = 0,992 г/см³;

с_{Р20, 210} = 0,997 г/см³;

Плотность реакционной смеси будем вычислять по формуле расчета плотности для суспензий [6]:

где х — массовая доля твердой фазы в суспензии;

с_тв, с_ж — плотности твердой и жидкой фаз, г/см³

Соответственно:

1/с_{см, 140} = 0,695 / 1,031 + 0,081 / 1,044 + 0,104 / 1,002 + 0,120 / 0,926 = 0,986;

1/с_{см, 175} = 0,695 / 1,031 + 0,081 / 1,022 + 0,104 / 1,002 + 0,120 / 0,892 = 0,992;

1/с_{см, 210} = 0,695 / 1,031 + 0,081 / 1,001 + 0,104 / 1,002 + 0,120 / 0,867 = 0,997.

Таким образом, с_{см, 140} = 1,014 г/см³;

с_{см, 175} = 1,008 г/см³;

с_{см, 210} = 1,003 г/см³;

Для приближенного вычисления вязкости жидкостей можно применить зависимость по Саудерсу [8]:

где с_ж — плотность жидкости, г/см³;

М — молярная масса, г/моль;

J — постоянная вязкости (она определяется аддитивно путем суммирования составляющих).

J_ОФД = 6© + 8(Н) + 2(N) + 3(двойные связи) + 1(6-членное кольцо) + 2(боковые группы) + 1(орто-положение) = 6 • 50,2 + 6 • 50,2 + 2 • 37,0 + 3 • (- 15,5) — 21 + 2 • (- 9) + 3 = 314,3

J_ФУК = 6© + 5(Н) + 3(двойные связи) + 1(6-членное кольцо) + 1(СООН) + + 1(- СН2 -) = 6 • 50,2 + 6 • 50,2 + 3 • (- 15,5) — 21 + 104,4 + 55,6 = 407,2

Для о-фенилендиамина:

при температуре 140^оС:

J/M • с_ж — 2,9 = 314,3 / 108,1 • 1,044 — 2,9 = 0,1354

при температуре 175^оС:

J/M • с_ж — 2,9 = 314,3 / 108,1 • 1,022 — 2,9 = 0,0715

при температуре 210^оС:

J/M • с_ж — 2,9 = 314,3 / 108,1 • 1,001 — 2,9 = 0,0104

По номограмме [8]:

при значении 0,1354 искомая м_{ОФД, 140} = 2,275 мПа•с при значении 0,0715 искомая м_{ОФД, 175} = 1,520 мПа•с при значении 0,0104 искомая м_{ОФД, 210} = 1,055 мПа•с Для фенилуксусной кислоты:

J/M • с_ж — 2,9 = 407,2 / 136,2 • 1,002 — 2,9 = 0,0957

По номограмме [8]:

при значении 0,0957 искомая м_ФУК = 1,775 мПа•с Значения коэффициентов динамической вязкости для воды при различных температурах находятся методом интерполяции по таблице XXXIX [9];

м_{Н2О, 140} = 0,196 мПа•с; м_{Н2О, 175} = 0,169 мПа•с м_{Н2О, 210} = 0, 131 мПа•с Вязкость смеси жидкостей находится по формуле [6]:

где м_см.ж, м₁, …, м_n — динамические коэффициенты вязкости смеси жидкостей и ее компонентов, мПа•с;

х₁, …, х_n — мольные доли компонентов в смеси.

Соответственно:

м_{см. ж, 140} = 2,275^0,085 • 1,775^0,085 • 0,196^0,830 = 0,291 мПа•с м_{см. ж, 175} = 1,520^0,085 • 1,775^0,085 • 0,169^0,830 = 0,249 мПа•с м_{см. ж, 210} = 1,055^0,085 • 1,775^0,085 • 0,131^0,830 = 0,195 мПа•с Динамический коэффициент вязкости суспензии (по Эйнштейну) рассчитывается по формуле [6]:

где м_ж — динамический коэффициент вязкости жидкости (дисперсионной среды), мПа•с;

ц — объемная доля твердой (дисперсной) фазы.

Таким образом, м_{см, 140} = 0,291 • (1 + 2,5 • 0,70) = 0,800 мПа•с м_{см, 175} = 0,249 • (1 + 2,5 • 0,70) = 0,685 мПа•с м_{см, 210} = 0,195 • (1 + 2,5 • 0,70) = 0,536 мПа•с Удельная теплоемкость смесей жидкостей, эмульсий и суспензий рассчитывается по формуле [6]:

где с₁, с_2, …, с_n — удельные теплоемкости компонентов, кДж/(кг•К);

х₁, х₂, …, х_n — массовые доли компонентов.

Получим:

с = 1,17 • 0,695 + 1,98 • 0,081 + 2,11 • 0,104 + 4,23 • 0,120 = 1,701 кДж/(кг•К) Для вычисления коэффициентов теплопроводностей жидкостей используем уравнение Предводителева и Варгафтика [8]:

где л — коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м•К);

с — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг•К);

с — плотность жидкости, кг/м³;

М — мольная масса жидкости, кг/кмоль;

А — коэффициент, зависящий от степени ассоциации жидкости (для неассоциированных жидкостей, А = 4,22•10^-8), м³•кмоль^-1/3•с^-1.

Для о-фенилендиамина:

при температуре 140^оС:

л_{ОФД, 140} = 4,22•10^-8 • 1980 • 1044 • ³v 1044 / 108,1 = 0,186 Вт/(м•К) при температуре 175^оС:

л_{ОФД, 175} = 4,22•10^-8 • 1980 • 1022 • ³v 1022 / 108,1 = 0,181 Вт/(м•К) при температуре 210^оС:

л_{ОФД, 210} = 4,22•10^-8 • 1980 • 1001 • ³v 1001 / 108,1 = 0,176 Вт/(м•К) Для фенилуксусной кислоты:

л_ФУК = 4,22•10^-8 • 2110 • 1002 • ³v 1002 / 136,2 = 0,174 Вт/(м•К) Значения коэффициентов теплопроводности для воды при различных температурах находятся методом интерполяции по таблице XXXIX [9];

л_{Н2О, 140} = 0,685 Вт/(м•К) л_{Н2О, 175} = 0,677 Вт/(м•К) л_{Н2О, 210} = 0,663 Вт/(м•К) Для смеси жидкостей коэффициент теплопроводности находится по аддитивной формуле [6]:

где л₁, л_2, …, л_n — коэффициенты теплопроводности отдельных жидкостей, Вт/(м•К);

х₁, х₂, …, х_n — мольные доли отдельных жидкостей.

Соответственно:

л_{см. ж, 140} = 0,186 • 0,085 + 0,174 • 0,085 + 0,685 • 0,830 = 0,599 Вт/(м•К) л_{см. ж, 175} = 0,181 • 0,085 + 0,174 • 0,085 + 0,677 • 0,830 = 0,592 Вт/(м•К) л_{см. ж, 210} = 0,176 • 0,085 + 0,174 • 0,085 + 0,663 • 0,830 = 0,580 Вт/(м•К) Для расчета коэффициента теплопроводности суспензий воспользуемся правилом для оценки среднего приближенного значения л_см ~ 90% от коэффициента теплопроводности жидкой фазы [6]:

Таким образом, л_{см, 140} = 0,9 • 0,599 = 0,539 Вт/(м•К) л_{см, 175} = 0,9 • 0,592 = 0,534 Вт/(м•К) л_{см, 210} = 0,9 • 0,580 = 0,522 Вт/(м•К) Для того, чтобы рассчитать коэффициент теплоотдачи для реакционной смеси, используем уравнение для теплоотдачи при перемешивании жидкости мешалками [9]:

где

D — диаметр аппарата, м;

n — частота вращения мешалки, об/с;

d_м — диаметр окружности, ометаемой мешалкой, м;

м_ст — динамический коэффициент вязкости реакционной смеси при температуре стенки (210°C), Па•с;

м — динамический коэффициент вязкости реакционной смеси при средней температуре (175°C), Па•с.

Для аппаратов с рубашками С = 0,36; m = 0,67.

Значение остальных физических констант реакционной смеси взяты при средней температуре жидкости в аппарате (140°C).

Тогда

и Вт/(м²•К).

Ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи для дифенилметана лежит в пределах 120 — 270 Вт/(м²•К). Поэтому для оценки требуемой поверхности теплообмена рассчитаем значение коэффициента теплопередачи при максимальном и минимальном значении коэффициента теплоотдачи.

Вт/(м²•К),

Вт/(м²•К).

Тогда требуемая поверхность теплообмена:

м²,

м²

Далее рассмотрим процесс охлаждения реакционной массы.

Количество тепла, принятого дифенилметаном, равно количеству тепла, отданному реагентами. Количество тепла, отданное реагентами, равно разнице теплосодержаний на начальной и конечной стадии.

Таким образом,

где G_i — количество i-вещества, кг;

с_i — удельная теплоемкость i-вещества, кДж/(кг•К);

Т_кон., Т_нач. — конечная и начальная температуры соответственно, °C.

Конечная температура реагентов 110 °C, начальная температура 200 °C, рассчитаем величину Q для каждого вещества:

Q_ОФД = 12,53 • 1,98 • (200 — 110) = 1984,75 кДж;

Q_ФУК = 16,22 • 2,11 • (200 — 110) = 2737,94 кДж;

Q_ББИ = 180,15 • 1,17 • (200 — 110) = 16 862,04 кДж;

Q_Н2О = 18,70 • 4,23 • (200 — 110) = 6328,08 кДж;

Таким образом,

Q_прин. = 1984,75 + 2737,94 + 16 862,04 + 6328,08 = 27 912,81 кДж По уравнению теплопередачи необходимая поверхность теплообмена:

.

Примем, что температура дифенилметана изменяется от 40 °C до 120 °C и рассчитаем среднюю разность температур по следующей формуле:

°C.

Аналогично, чтобы рассчитать коэффициент теплоотдачи для реакционной смеси, используем уравнение для теплоотдачи при перемешивании жидкости мешалками:

где

м_ст — динамический коэффициент вязкости реакционной смеси при температуре стенки (температуру стенки примем равной 80°C), Па•с;

м — динамический коэффициент вязкости реакционной смеси при средней температуре 0,5 • (t_ср.см + t_ст) = 0,5 • (170 + 80) =125°C, Па•с.

Значение остальных физических констант реакционной смеси взяты при средней температуре жидкости в аппарате (170°C). Расчет ведется аналогично расчету приведенному выше.

Тогда

и Вт/(м²•К).

Ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи для дифенилметана лежит в пределах 120 — 270 Вт/(м²•К). Поэтому для оценки требуемой поверхности теплообмена рассчитаем значение коэффициента теплопередачи при максимальном и минимальном значении коэффициента теплоотдачи.

Вт/(м²•К),

Вт/(м²•К).

Тогда требуемая поверхность теплопередачи:

м²,

м².

Далее рассмотрим процесс нагревания реагентов.

Уравнение теплового баланса:

здесь Q₁ — теплосодержание реагентов при начальной температуре, кДж;

Q₂ — количество тепла, отданного дифенилметаном реагентам, кДж;

Q₃ — тепловой эффект химического процесса, кДж;

Q₄ — теплосодержание продуктов реакции при конечной температуре, кДж.

Для упрощения расчетов тепловой эффект химического процесса учитывать не будем, при t = 96 °C агрегатных превращений веществ не происходит, а теплоты образования и растворения в воде 2-бензилбензимидазола друг друга взаимоисключают.

Таким образом, количество тепла, отданного дифенилом, равно разнице теплосодержаний на конечной и начальной стадии за вычетом теплового эффекта химического процесса, т. е.:

Теплосодержание реагентов и продуктов находятся по формулам:

где G_{i, исх}, G_{i, пр} — количества i-го компонента на начальной и конечной стадиях соответственно, кг;

с_{i, исх}, с_{i, пр} — удельная теплоемкость i-го компонента на начальной и конечной стадиях соответственно, кДж/(кг•К);

Т_нач, Т_кон — начальная и конечная температуры соответственно, К.

Примем, что начальная температура реагентов 25 °C и рассчитаем величину Q₁ для каждого компонента:

Q_1,ОФД = 11,50 • 1,34 • 298 = 4592,18 кДж;

Q_1,ФУК = 14,48 • 1,25 • 298 = 5393,80 кДж;

Q_1,ББИ = 108,15 • 1,17 • 298 = 37 707,58 кДж;

Q_1,Н2О = 122,66 • 4,23 • 298 = 154 617,84 кДж;

Q_1,НСl = 18,97 • 1,32 • 298 = 7462,04 кДж.

Таким образом,

Q₁ = 4592,18 + 5393,80 + 37 707,58 + 154 617,84 + 7462,04 = 209 773,44 кДж.

Рассчитаем величину Q₄ для каждого компонента:

Q_4,ОФД = 12,53 • 1,34 • 369 = 6195,58 кДж;

Q_4,ФУК = 16,22 • 1,25 • 369 = 7481,48 кДж;

Q_4,ББИ = 44,34 • 1,17 • 369 = 19 142,91 кДж;

Q_4,Н2О = 122,66 • 4,23 • 369 = 191 456,31 кДж;

Q_4,НСl = 7,78 • 1,32 • 369 = 3789,48 кДж;

Q_4,2ББИ = 75 • 1,14 • 369 = 31 549,50 кДж.

Таким образом,

Q₄ = 6195,58 + 7481,48 + 19 142,91 + 191 456,31 + 3789,48 + 31 549,50 = 259 615,26 кДж.

И, соответственно получим:

Q_отд = 259 615,26 — 209 773,44 = 49 841,82 кДж.

Уравнение теплопередачи для периодического процесса:

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•К);

F — поверхность теплообмена, м²;

Дt_cp. — средняя разность температур горячего и холодного теплоносителей, К;

ф_{процесса} — время процесса, с.

Таким образом, необходимая поверхность теплообмена:

.

Примем начальную температуру дифенилметана равной 150 °C, конечную — 130 °C и рассчитаем среднюю разность температур по следующей формуле:

°C,

где Дt_б, Дt_м — большая и меньшая разности температур.

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по следующей формуле:

где б_Н2О, б_ДФМ — коэффициенты теплоотдачи для воды (т.к. все компоненты смеси кристаллические вещества, а вода является растворителем, то для упрощения будем рассчитывать по воде) и греющего теплоносителя — дифенилметана, Вт/(м²•К);

д_ст. — толщина стальной стенки (примем, что толщина стенки 12 мм), м;

л_ст. — коэффициент теплопроводности для стальной стенки, 46.4 Вт/(м²•К).

Для того чтобы рассчитать коэффициент теплоотдачи для воды, используем уравнение для теплоотдачи при перемешивании жидкости мешалками:

где

м_ст — динамический коэффициент вязкости воды при температуре стенки (температуру стенки примем равной 110°C), Па•с;

м — динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре 0,5 • (t_ср.Н2О + t_ст) = 0,5 • (110 + 60) = 85 °C, Па•с.

Значение остальных физических констант воды взяты при средней температуре жидкости в аппарате (60°C).Для аппаратов с рубашками С = 0,36; m = 0,67.

Тогда

и Вт/(м²•К).

Ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи для дифенила лежит в пределах 120 — 270 Вт/(м²•К). Поэтому для оценки требуемой поверхности теплообмена рассчитаем значение коэффициента теплопередачи при максимальном и минимальном значении коэффициента теплоотдачи.

Вт/(м²•К),

Вт/(м²•К).

Тогда требуемая поверхность теплообмена:

м²,

м²

Фактическая поверхность теплообмена 2,9 м².

Таким образом, очевидно, что условие теплообмена выполняется, т.к. фактическая поверхность теплообмена больше требуемой поверхности теплообмена как для процессов нагревания (1,32 — 2,60; 0,84 — 1,74 м²), так и для процесса охлаждения (0,31−0,63 м²).

3. Технологическая часть

3.1 Описание технологического процесса

В аппарат с мешалкой и приварной рубашкой поз. А загружают о-фенилендиамин из бункера поз. Б1 и фенилуксусную кислоту из бункера поз. Б2. Реакционную массу нагревают до 200 °C подачей дифенилметана в рубашку аппарата. Дифенилметан подогревается в нагревателе с электрической спиралью поз. НЭ. Отработанный дифенилметан через кожухотрубчатый теплообменник поз. Т1 возвращают в линию дифенилметана. В межтрубное пространство теплообменника поз. Т1 подается охлаждающая вода, которая затем также возвращается в цикл насосом поз. Н1. Пары воды из реактора поз. А поступают в дефлегматор поз. Д1, часть конденсата возвращают в аппарат, а другую часть сливают в канализацию. Дефлегматор охлаждают подачей воды в межтрубное пространство, которую затем возвращают в цикл насосом поз. Н1.

Когда реакционная масса нагреется до 200 °C, обогрев снимают (примерно через 3 часа) и ведут охлаждение реакционной массы. После охлаждения реакционной массы до 110 °C (в течение 1,5 часов) охлаждение прекращают и в аппарат поз. А загружают воду из мерника поз. М1 и соляную кислоту из мерника поз. М2. Реакция в аппарате идет примерно в течение часа при перемешивании и нагреве реакционной смеси до 96 °C дифенилметаном.

По окончании реакции снимают обогрев и реакционную смесь из аппарата поз. А центробежным насосом поз. НЦ1 перекачивают в кристаллизатор (снабженный рамной мешалкой и приварной рубашкой) поз. К, загружают активированный уголь из бункера поз. Б3, соляную кислоту из мерника поз. М 2, 1% раствор двухромовокислого калия из мерника поз. М3. Затем ведут процесс нагрева реакционной смеси до температуры кипения растворителя. Кристаллизатор поз. К обогревается подачей греющего пара в рубашку аппарата, конденсат через конденсатооводчик сливают в канализацию. Пары воды из кристаллизатора поз. К поступают в дефлегматор поз. Д2, часть конденсата возвращают в аппарат, а другую сливают в канализацию. Дефлегматор охлаждают подачей охлаждающей воды в межтрубное пространство, которая затем сливается в канализацию.

После разогрева реакционной смеси до 100 °C и протекания процесса растворения, обогрев снимают и реакционную массу перекачивают центробежным насосом поз. НЦ2 в нутч-фильтр поз. НФ, где происходит горячая фильтрация. Температура реакционной массы в фильтре поддерживается подачей греющего пара в рубашку нутч-фильтра поз. НФ. Конденсат через конденсатоотводчик сливают в канализацию. После фильтрования реакционная масса самотеком поступает в кристаллизатор поз. К, где охлаждается подачей воды в рубашку аппарата. При охлаждении до 20 °C выпадает осадок гидрохлорида 2-бензилбензимидазола. Процесс перекристаллизации проводят еще два раза с использованием для перекристаллизаций маточных растворов от предыдущих перекристаллизаций. Вторая и третья перекристаллизации ведутся только с осветлением углем. Отфильтрованный после всех перекристаллизаций уголь идет на утилизацию.

После перекристаллизации осадок гидрохлорида 2-бензилбензимидазола направляют направляют на фильтрацию в барабанный вакуум-фильтр поз. ФВ. Фильтрат собирают в промежуточную емкость поз. Е, куда подается раствор щелочи, после промежуточной емкости (pH = 7) сливается в канализацию. Затем осадок сушат в полочной сушилке поз. С. Газодувкой поз. Г в сушилку подают воздух, который предварительно подогревается в теплообменнике поз. Т2. В межтрубное пространство теплообменника поз. Т2 подают греющий пар, конденсат через конденсатоотводчик сливают в канализацию.

Дибазол после сушки направляют на таблетирование и упаковку.

3.2 Выбор основного и вспомогательного оборудования

· Бункер для о-фенилендиамина поз. Б1 представляет собой вертикальный аппарат, выполненный из низкоуглеродистой стали, с плоской крышкой и коническим днищем. Загрузка происходит либо вручную, либо с помощью транспортера.

· Бункер для фенилуксусной кислоты поз. Б2 представляет собой вертикальный аппарат, выполненный из коррозионностойкой стали, с плоской крышкой и коническим днищем. Загрузка происходит либо вручную, либо с помощью транспортера.

· Бункер для активированного угля представляет собой неразъемный вертикальный аппарат, выполненный из низкоуглеродистой стали, с плоским и коническим днищами. Загрузка происходит либо вручную, либо с помощью транспортера.

· Мерник для воды поз. М1 представляет собой вертикальный аппарат без рубашки с эллиптическими крышкой и днищем. Аппарат выполнен из низкоуглеродистой стали. Объем аппарата 0,63 м³, диаметр аппарата 0,8 м.

· Мерник для соляной кислоты поз. М2 представляет собой вертикальный аппарат без рубашки с эллиптическими крышкой и днищем. Аппарат выполнен из коррозийностойкой стали. Объем аппарата 0,1 м³, диаметр аппарата 0,4 м.

· Мерник для раствора двухромовокислого калия поз. М3 представляет собой вертикальный аппарат без рубашки с эллиптическими крышкой и днищем. Аппарат выполнен из низкоуглеродистой стали. Объем аппарата 0,01 м³, диаметр аппарата 0,25 м.

· Реактор для получения гидрохлорида 2-бензилбензимидазола поз. А представляет собой аппарат с эллиптическим днищем, съемной эллиптической крышкой, гладкой приварной рубашкой, лопастной мешалкой. Аппарат выполнен из коррозионностойкой стали. Объем аппарата 0,63 м³, диаметр аппарата 0,9 м.

· Кристаллизатор поз. К представляет собой аппарат с коническим днищем, съемной эллиптической крышкой, гладкой приварной рубашкой, рамной мешалкой. Аппарат выполнен из коррозионностойкой стали. Объем аппарата 0,63 м³, диаметр аппарата 0,9 м.

· Теплообменник поз. Т1 представляет собой вертикальный одноходовой кожухотрубчатый аппарат с неподвижными трубными решетками. Диаметр аппарата 0,273 м. Длина аппарата 1 м, поверхность теплообмена 4 м².

· Теплообменник поз. Т2 представляет собой вертикальный одноходовой кожухотрубчатый аппарат с неподвижными трубными решетками. Диаметр аппарата 0,273 м. Длина аппарата 1 м, поверхность теплообмена 4 м².

· Дефлегматор поз. Д1 представляет собой вертикальный одноходовой кожухотрубчатый аппарат с неподвижными трубными решетками. Диаметр аппарата 0,273 м. Длина аппарата 1 м, поверхность теплообмена 4 м².

· Дефлегматор поз. Д2 представляет собой вертикальный одноходовой кожухотрубчатый аппарат с неподвижными трубными решетками. Диаметр аппарата 0,273 м. Длина аппарата 1 м, поверхность теплообмена 4 м².

· Емкость для сбора маточного раствора поз. Е представляет собой неразъемный горизонтальный аппарат с двумя эллиптическими днищами. Аппарат выполнен из коррозионностойкой стали. Объем аппарата 0,63 м³, диаметр аппарата 0,9 м.

· Нутч-фильтр поз. НФ представляет собой вертикальный аппарат, выполненный из низкоуглеродистой стали, со съемной крышкой и эллиптической крышкой, снабженный рубашкой.

· Полочная сушилка поз. С изготовляется непосредственно на предприятии.

Выводы к проекту

В данной работе были проведены инженерные и научные расчеты (расчёт материального и теплового балансов, расчёт физико-химических свойств продуктов и реагентов), в результате которых были выбраны основное и вспомогательное технологическое оборудование. Предложена технологическая схема производства дибазола.

Список использованных источников

1. Машковский, М. Д. Лекарственные средства. В двух частях. Ч. 1 — 12-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1998. — 736 с.