摘 要

α,α-二氟乙酸乙酯是一类用途广泛的含氟精细化学品，常作为二氟乙酰基化（CF₂HCO-）试剂应用于各类含氟农药、医药中间体的合成。本文主要研究年产100吨的α,α-二氟乙酸乙酯的车间厂房设计，其研究目的是通过设计简单的合成工艺，提高α,α-二氟乙酸乙酯的工业生产产率和产品的纯净度。主要内容包括：1）确定α,α-二氟乙酸乙酯的生产工艺流程；2）完成工艺流程中的各个工段的工艺计算（物料衡算、能量衡算）；3）依据计算结果，进行工艺设备选型；4）确定车间平面布置方案和厂房的设计规划；5）使用CAD绘图软件绘制工艺流程图、反应釜装配图、车间平面布置图、管道图，并且手绘厂房总平面布置图。此外，本文还对安全卫生、环境保护等非工艺设计等相关内容进行概述。

关键词：α,α-二氟乙酸乙酯，生产工艺，工艺流程，厂房设计

Abstract

α,α-ethyl difluoroacetate is a class of extensive fluorine-containing fine chemicals, which are often used as Difluoroacetylate (CF2HCO-) reagents for the synthesis of all kinds of fluorinated pesticides and pharmaceutical intermediates. In this thesis, it mainly studies the workshop design of 100 tons of α,α-ethyl difluoroacetate. The purpose of the study is to improve the industrial production rate and the purity of of α,α-ethyl difluoroacetate by designing a simple synthetic process. The main contents include: 1) determine the production process of α,α-ethyl difluoroacetate; 2) complete the process calculation (material balance, energy balance) in each section of the process flow; 3) based on the calculation results, process the selection of process equipment; 4) determine the plan of workshop layout and the design of the factory building; 5) drawing the process including figure software flow chart, reaction kettle assembly drawing, workshop floor plan, and pipe diagram by using CAD, and hand painted plant general layout plan. In addition, this paper also summarizes the relevant contents such as safety, hygiene, environmental protection and other non-process design.

Key words: α,α-ethyl difluoroacetate, production process, technological process, plant design.

目录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪 论 1

1.1 设计背景 1

1.2 产品介绍 1

1.3 设计简介 1

1.3.1 设计指导思想 1

1.3.2 设计依据 1

1.3.3 设计内容和重点 2

第二章 工艺路线研究 3

2.1 工艺路线研究 3

2.2 工艺流程图 6

第三章 工艺计算 7

3.1 物料衡算 7

3.1.1 物料衡算的目的 7

3.1.2 物料衡算的依据 7

3.1.3 生产安排 7

3.1.4 总物料衡算 7

3.1.5 全过程物料衡算（每批） 8

3.2 能量衡算 9

3.2.1 能量衡算的目的和意义 9

3.2.2 能量衡算的基础 9

3.2.3 能量衡算 10

第四章 设备选型 13

4.1 设备选型方法和原理 13

4.1.1 设备选型的目的 13

4.1.2 设备选型的根据 13

4.1.3 设备选型基准 13

4.2 主要常规设备选型 13

4.2.1 加氢脱氯阶段的反应釜的选型 14

4.2.2 精馏塔的选型 15

4.2.3 过滤设备的选型 15

4.2.4 贮罐的选型 16

4.2.5 计量槽的选型 17

第五章 车间布置与管道设计 18

5.1 车间布置 18

5.1.1 车间布置概述 18

5.1.2 车间设计的依据 18

5.1.3 车间设计内容 18

5.2 管道设计 19

5.2.1 管道设计计算基准 19

5.2.2 管件及其材质要求 20

第六章 厂址的选择和总平面布置 21

6.1 厂址选择 21

6.1.1 厂址选择概述 21

6.1.2 厂址选择的基本原则 21

6.2 总平面设计 21

6.2.1 总平面设计概述 21

6.2.2 总平面设计的依据 22

6.2.3 总平面设计的原则 22

第七章 非工艺设计 23

7.1 防火防爆与安全卫生 23

7.1.1 防火防爆 23

7.1.2 防雷与防静电 23

7.1.3 通风 23

7.1.4 消防 23

7.1.5 安全卫生 23

7.2 电气 23

第八章 环境保护 24

8.1 概述 24

8.2 “三废”的处理 24

8.2.1 废气的处理 24

8.2.2 废水的处理 24

8.2.3 废渣的处理 25

8.3 噪音的控制 25

结 论 26

参考文献 27

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 设计背景

氟原子引入药物分子后，通常可以改变原来分子的药理活性，增强其代谢稳定性、亲酯性以及提高生物利用度。由于氟原子独特的电子效应，向有机分子引入氟原子和含氟基团的合成策略，已被广泛运用于药物分子的设计、合成、改造和修饰中。同样，合成含氟化合物和设计工业化的合成工艺路线，也引起了科学家们的极大关注。二氟乙酸乙酯是一类用途广泛的含氟精细化学品，常作为二氟乙酰基化（CF₂HCO-）试剂应用于各类含氟农药、医药中间体的合成。二氟乙酸乙酯可以发生还原、缩合、酰胺化和其他反应，进一步制备氟化农药和药物。鉴于二氟乙酸乙酯的广泛用途，发展一种高效的工业合成方法和技术，设计工业化生产工艺及厂房布局是一项意义深远的工作。

1.2 产品介绍

化学名称：α,α - 二氟乙酸乙酯

英文名称：α,α - ethyl difluoroacetate

CAS: 454 - 31 - 9

分子式：C₄H₆F₂O₂

分子量：124.03

1.3 设计简介

1.3.1 设计指导思想

本设计的指导思想如下：

1. 坚持保证产品质量、提高经济效益；

2. 保证符合国家有关规定、符合生产卫生要求，争取利用科学先进的技术和装置来提高产率；

3. 在设计时，充分依据厂房选址地区的自然条件和建厂所在地的实际情况，并且厂区车间布置机动，来满足市场不断变化的需要。

1.3.2 设计依据

1. 武汉理工大学制药工程专业课程设计任务；

2. 城市建设用地规划要求；

3. 《药品生产质量管理规范》（2010）；

4. 《工业企业噪音控制设计规划》（GB/T50087-2013）

5. 《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）

6. 《污水综合排放标准》（DB12356-2018）

7. 《化工工厂初步设计内容深度的规定》（HG/20688-2000）；

8. 《化工装备设备布置设计规定》（HGT20546-2009）

9. 《中华人民共和国药典》（2015）

10. 《工业企业设计卫生标准》（GBZ1-2010）

1.3.3 设计内容和重点

发展合适的生产工艺，设计要求操作恰当有序、技术先进、节能高效、达到现行厂房设计规范。生产车间的设计分两部分：工艺设计和非工艺设计。工艺设计需满足施工图设计阶段的需要，其中部分计算简化处理；非工艺设和公用系统设计方面需达到扩大初步设计的需要，还需要根据生产任务对设备的处理能力进行简化计算，以此来完成主要设备的选型等任务。内容如下

1. 文字部分

依据设计任务的要求进行工艺流程、工艺计算、设备选型和车间布置设计，撰写设计说明书。

2. 图纸部分

（1）厂区总平面布置图

（2）工艺流程图

（3）单体设备装配图

（4）管道图

（5）车间布置图

第二章 工艺路线研究

2.1 工艺路线研究

近几年来，α，α-二氟乙酸乙酯的合成研究鲜有报道，但其生产工艺都可以良好应用于工业化生产。合成α，α-二氟乙酸乙酯主要有以下10种方法：

1. 在催化条件下用四氟乙烯和甲醇加成，合成甲氧基四氟乙烷，之后将甲氧基四氟乙烷进行催化裂解得到二氟乙酰氯，然后将二氟乙酰氯与乙醇酯化，得到相应的产物α，α-二氟乙酸乙酯。

2. 利用四氟乙烯、乙二胺和水在高压釜中反应得到N,N-二乙基二氟乙酰胺，N,N-二乙基二氟乙酰胺水解得到二氟乙酸后，再进行酯化反应的到α，α-二氟乙酸乙酯。

3. 以二氟乙酸作为原料，进行溴化或者氯化后，在硫酸汞和硫酸亚汞的催化条件下，用发烟硫酸处理得到酰溴或酰氯，再同乙醇发生酯化反应，最后在锌粉的作用下脱卤获得α，α-二氟乙酸乙酯。

4. 使用二氯乙酸氯为原料，以甲苯作为溶剂，二氯乙酸与二乙胺发生反应合成N,N-二乙基二氯乙酰胺，再用氟化钾氟化得到N,N-二乙基二氟乙酰胺，所得产物用氢氧化钾水解后，与乙醇酯化得到α，α-二氟乙酸乙酯。

5. 将R132a、氯气、氧气混合，在80 ^oC下用高压汞灯照射10 min得到二氟乙酰氯，然后产物与水反应生成到二氟乙酸，最后进行酯化反应生成二氟乙酸乙酯。

6. 通式为HCF₂CF₂OR₁(R₁为C₁-4的烷基)的化合物在金属氧化物催化下气相裂解得到二氟乙酰氟，二氟乙酰氟与醇酯化得到二氟乙酰酯。

7. 用二氯乙酰二乙胺为原料与无水氟化钾在溶剂和相转移催化剂下进行氟代反应制得二氟乙酰二乙胺，然后加入乙醇与二氟乙酰二乙胺进行酯化反应制得α，α-二氟乙酸乙酯。

8. 以三氟乙醇和氯乙烷为原料在强碱性条件下生成三氟乙基乙醚，之后利用强碱性条件进行脱氟生成半缩醛二氟乙烯基乙醚，二氟乙烯基乙醚在催化剂存在的条件下与乙醇反应生成缩醛，缩醛在五氧化二钒催化下用双氧水氧化得到α，α-二氟乙酸乙酯。

9. 以四氟乙基乙基醚为原料，在80-100 ^oC的温度条件和催化剂的作用下生成酰氟，然后再无水乙醇的作用下生成α，α-二氟乙酸乙酯。

10. 将二氯乙酸作为原料，乙醇作为溶剂，用氯化铁为催化剂，环己烷为带水剂，制备出二氯乙酸乙酯，再将二氯乙酸乙酯与无水氟化剂反应生成二氟乙酸乙酯。

本次设计的目的通过完成α,α-二氟乙酸乙酯的生产工艺设计，简化生产步骤并提高α,α-二氟乙酸乙酯的工业生产产率和纯净度。

（1）合成步骤简单，使用的原料辅料种类尽可能的少且价格低廉、容易获得。

（2）合成中间体容易提纯，且质量稳定。

（3）反应条件容易控制，条件要求容易实现。

（4）三废少并且易于处理，对于环境污染少。

（5）在高收率，低成本的情况下完成较高的经济效益。

基于以上考量，拟采用如下方案：

以二氟氯乙酸乙酯生产原料，在乙醇为溶剂，钯碳为催化剂，在氢气氛围中催化氢化，得到相应的α,α-二氟乙酸乙酯。该制备过程克服了制备二氟乙酸再酯化的问题，减少了中间环节的污染和不必要的浪费；克服了用四氟乙烯为原料的生产过程产生有剧毒的副产物的问题和原料很容易爆炸的危险性问题；克服了R132a、氯气、氧气制备时工业生产氯气的危险性和采用光催化氧化不能放大生产的缺点；克服了以二氯乙酸氯为原料经胺化、氟化和酯化制备二氟乙酸乙酯时副反应多，“三废”量大和污染重的问题，影响产品的大规模生产；克服了氟乙酸类化合物制备二氟乙酸的生产过程原料不易得到并且污染严重、不利于大规模生产的问题；该制备过程较为简单，原料通过氯代二氟乙酸制备易于获得，成本相对较低且无污染，反应条件温和容易控制，产品纯度大于99%，收率大于75%，同时也具备污染极低的优点。钯碳催化剂可回收重复利用十次催化效率无下降，极大的降低了生产成本、提高了企业效益，有利于实现工业化生产。

图 1 二氟氯乙酸乙酯合成方法

该工艺路线所用的原料质量份数为

二氟氯乙酸乙酯 1份

三乙胺 0.5份

乙醇 5份

钯碳 0.0002份

具体操作如下：

（1）在高压反应釜中分别投入1份二氟氯乙酸乙酯、0.5份三乙胺、5份溶剂乙醇和0.002份的钯碳催化剂

（2）反应前，利用氮气，用脱气和充气的方法三次置换反应釜中的空气。维持温度为30 ^oC，保持此时的反应釜压力为0.1 Mpa左右。

（3）将氢气缓慢通入到反应釜中，直到反应釜釜压升至0.4 Mpa，使其进行加氢反应；当反应釜内压力达到0.1 Mpa时，再次通入氢气使反应釜内的压力达到0.4 Mpa。

（4）重复第（3）步，一直到反应釜釜内压力不再下降

（5）反应结束后，取样分析反应物中原料二氟氯乙酸乙酯的含量

（6）精馏单元操作：将第（4）步骤中所得产物进行常压精馏，分馏出所需产品α，α-二氟乙酸乙酯和溶剂乙醇，反应釜底料经过过滤后回收催化剂钯碳，可重复利用

2.2 工艺流程图

否

产品

合格

是

图 2 二氟氯乙酸乙酯合成工艺流程框图

第三章 工艺计算

3.1 物料衡算

3.1.1 物料衡算的目的

物料衡算是工艺设计的根本。以所需设计项目的年产量或者单元过程为依据进行物料衡算，可以得到原料的消耗量、产生副产品的量和输出过程物料的损耗量和三废量等重要的工艺参数。同时，经过物料衡算可以算得各个单元的物流量以及构成、能量负荷及其品级，为生产设备和辅助设备进行选型或者设计提供数据基础。本次设计中，物料衡算的主要目的是根据产量要求衡算，为下一步的设备选型提供基础些参考。

3.1.2 物料衡算的依据

为了完成物料衡算，首先要根据工艺流程要求设定控制体，然后对物料衡算的物料质量基准进行选择。此项工艺设计采用间歇操作，以一批原料为计算标准。根据质量守恒定律，工艺过程的物料衡算方程式如下

∑G_I = ∑G_O ∑G_A

式中：

∑G_I —— 输入体系的总物料量，kg；

∑G_O —— 输出体系的总物料量，kg；

∑G_A —— 物料在体系中的总积累量，kg；

本设计为稳态过程，在各工序中的物料积累可忽略不计，即∑G_I = ∑G_O

3.1.3 生产安排

生产能力：年产量为100吨

生产方式：间歇操作

生产基准：以每批的产品质量为计算基准

生产批次：一年三百批

生产时间：300天

3.1.4 总物料衡算

α，α-二氟乙酸乙酯的年生产计划为100吨，全年生产300批，每日每批实际产量为333.33 kg。

表3.1 生产产量计算

3.1.5 全过程物料衡算（每批）

1. 计算依据

二氟氯乙酸乙酯与乙醇投料量的摩尔比为1：5

二氟氯乙酸乙酯与三乙胺投料量的摩尔比为1：0.5

二氟氯乙酸乙酯与催化剂钯碳投料量的摩尔比为1：0.002

二氟氯乙酸乙酯与氢气反应的摩尔比为1：1

2. 物料衡算

α，α-二氟乙酸乙酯的实际出料量为100000 ÷ 300 = 333.33 Kg

α，α-二氟乙酸乙酯的理论出料量为100000 ÷ 300 ÷ 75% = 444.44 Kg

进料情况如下：

二氟氯乙酸乙酯投料量为444.44 ÷ 124.03 × 158.53 = 568.06 kg

三乙胺投料量为444.44 ÷ 124.03 × 0.5 × 101.19 = 181.30 kg