完整版化工工艺设计

化工与药学院

化工工艺学课程设计

设计题目： 牛磺酸加成反应器的设计

专 业： 化学工程与工艺

学 号：

学生姓名：

指导教师： 郭孝天

2011年12 月26日

- 1 -

第一章 设计任务综述

1.1 设计题目：

牛磺酸加成反应器的设计

1.2、设计任务及操作条件

1、 设计任务：

环氧乙烷处理能力（进料量）： 6000 吨／年

生产时间： 8000

小时／年

2、 操作条件

控制反应温度70～75℃

反应压力≤0.1MPa

反应器出口pH值≥11.0

反应停留时间0.5小时

填料系数为0.85

基准温度为25℃

物料流量取单位时间（1h）的流量

3、物料的物性参数

物料 分子量molg 密度

3310mKg 熔点

C 燃烧热

molKJ 纯度（工业一级）

%

环氧乙烷 44.05 1.48 -112.2 1262.8 98.0

亚硫酸氢钠 104.06 0.87 150.0 0 5.99

羟乙基磺酸钠 148.11 —— 191 —— 98.0

1.3、设计内容：

1、物料衡算，确定反应器的体积类型，样式及其各种参数。

2、热量衡算，确定反应器是否需要传热以及传热的方式等。

3、反应器的辅助设计

4、画出反应器的设计图

- 2 -

第二章 综述

牛磺酸(taurine)，因最初来自牛的胆汁，故又得名牛胆酸、牛胆素，化学名称：2～氨基乙磺酸，呈白色结晶或粉末状，无毒、无臭，微酸味，溶于水，不溶于乙醇、乙醚或丙酮；熔点：328～329C(分解)；分子式：372NSOHC；结构式：3222SOCHCHNH,分子量：125.14,CAS:[107-35-_7]。

牛磺酸是一种结构简单的含硫氨基酸，它以游离形式大量存在于人和动物的几乎所有脏器中，其中以脑、心脏及肌肉中含量最高，是人和动物的重要营养物质，具有特殊的药理作用和生理功能，可消炎、镇痛、解热、抗惊厥、降血压、降血糖、维持正常机能、调节神经传导、调节脂类消化与吸收，并能参与内分泌活动，增强脏收缩能力，提高人体免疫力等。牛磺酸可以体内合成，但婴幼儿时期因牛磺酸合成所需CSAD活性较低，合成量不能满足需要，必须通过食物或药物来加以补充，为此美国、日本等发达国家早已规定在全部婴幼JD-％制品中添加牛磺酸，一些保健饮品中也要适量添加牛磺酸。鉴于牛磺酸在医药和保健中的重要作用，单靠从生物体内提取牛磺酸已远远不能满足需求，所以上世纪50．年代国外便开始了人工合成牛磺酸的研究。70年代中期，国外相继推出多种化学合成牛磺酸的方法。合成法较之天然提取牛磺酸具有产量大，成本低等优点，为牛磺酸的广泛应用奠定了物质基础。目前，美、日等发达国家牛磺酸的销量很大，已超过上万吨／年，其中90％ 以上用作食品添加剂，饮料行业中的消费量也呈上升趋势，逐渐成为大众化产品。而我国上世纪80年代初才开始研制并小批量生产，虽然1990年牛磺酸获准用于食品添加剂，但国内销量一直不大，主要用于出口。随着牛磺酸应用范围的不断扩大及国内外需求量的增加，近年来国内对牛磺酸合成工艺路线研究较为活跃，在借鉴国外技术的基础上，经不断探索、改进，小试收率指标已接近世界先进水平，但工业化生产水平却始终徘徊在52—62％之间，有的企业生产水平甚至更低，导致成本高，效益低，严重制约了牛磺酸的生产和发展。为此，相关企业和科研人员有必要对以往的合成工艺路线进行归纳，比较和分析，达到相互借鉴，进一步改进和完善牛磺酸合成工艺的目的。

国内外尝试过的合成方法达l0种之多，根据所用原料的不同可归纳为五条合成工艺路线，具体如下：(1)乙醇胺法：用乙醇胺为原料，通过与酸反应或脱水环合，再与亚硫酸盐经磺化反应制得牛磺酸。(细分为：酯化法、卤化法、乙撑亚胺法)(2)二氯乙烷法：用二氯乙烷为原料，与无水亚硫酸钠磺化，制得2一氯乙磺酸钠，在加热加压条件下与氨反应得2—氨基乙磺酸钠，再经盐酸酸化得牛磺酸(3)环氧乙烷法：用环氧乙烷为原料，先与亚硫酸氢钠开环加成反应制得2一羟基乙磺酸钠，然后在加压加热条件下与氨反应，制得2一氨基乙磺酸钠，再用盐酸酸化得牛磺酸(4)乙烯基烷基酰胺法：用乙烯基烷基酰胺为原料，与亚硫酸氢钠进行磺化反应后,再经水解得牛磺酸。(5)二烷基噻唑法：将2，2一二甲基噻唑烷用过氧化氢氧化制得牛磺酸。

环氧乙烷法具体的生产过程如下：(1)亚硫酸氢钠的制备 32NaHSONaOHSO

(2)羟乙基磺酸钠的制备 NaSOCHHOCHNaHSOOCHCH322322

(3)牛磺酸钠的制备 OHNaSOCHCHNHNHNaSOCHHOCH232223322

- 3 -

(4)牛磺酸的制备 NaClHSOCHCHNHHClNaSOCHCHNH32223222

(5)牛磺酸的分离与提纯 该工艺的特点是技术含量高，生产成本低(比乙醇胺工艺低大约5000元／吨)，污染小，对设备和控制水平要求高。

该工艺由于生产成本低，环境污染小，正在逐步取代传统的乙醇胺工艺，而成为牛磺酸的主流生产工艺。

第三章 物料衡算

3.1物料衡算的意义

依据质量守恒定律，对设备或生产过程作为研究系统，对进出口处进行定量计算，称之为物料衡算。

物料衡算可分为设计型及操作型计算。操作性计算是对已建立的工厂、车间或单元操作及设备进行计算，可得到转化率、收率、原材料消耗定额等重要的生产指标，以便判断控制日常生产正常化及为改进生产提供优化方向。另一方面可以计算出三废生成量，对实行三废治理提供可靠依据。在对原有的车间进行扩大生产时，进行物料衡算，可判断生产能力平衡状况，找出薄弱环节加以研究改进。

而设计型计算是指对建立的一个新工厂、车间或单元操作及设备进行物料衡算，这是设计的第一步，也是整个设计的基础，在此基础上进行能量衡算，设备工艺计算，则可确定设备的选型、工艺尺寸、台数以及所需的水、电、汽、冷冻、真空及压缩空气等需要量。

本设计是设计型计算，以确定反应器选型和尺寸，但物料衡算的原则方法对于操作型同样行之有效。

3．2物料衡算的计算依据

物料衡算为质量守恒定律的一种表现形式，即

AoiGGG

式中iG——输入物料的总和；

OG——输出物料的总和；

AG——累积的物料量。

式AoiGGG为总物料衡算式。当过程没有化学反应时，它也适用于物料中任一组分的衡算；但有化学反应时，它适用于任一元素的衡算。若过程中累积的物料量为零，则该式可简化为oiGG。

上式所描述的过程属于定态过程，一般连续不断的流水作业(即连续操作)为定态过程，其特点是在设备的各个不同位置，物料的流速、浓度、温度、压强等参数可各自不相同，但在同一位置上这些参数随不同时间不发生变化。若过程中有物料累积，则属于非定态过程，一般间歇操作(即分批操作)属于非定态过程，在设备的同一位置上诸参数随时间而变。式

- 4 -

AoiGGG或式oiGG中各股物料数量可用质量或物质量衡量。对于液体及处于恒温、恒压下的理想气体还可用体积衡量。常用质量分率表示溶液或固体混合物的浓度(即组成)，对理想混合气体还可用体积分率(或摩尔分率)表示浓度。

3.3 设计计算过程

本设计属于连续型操作，由操作要求可进行以下计算：

CTo75 MPaP1.0

可知在此条件下，OCHCH22为气相，3NaHSO为固相。如要反应顺利进行，则需3NaHSO以溶液的形式存在，而3NaHSO属于易溶性物质，故取其浓度98.0BC。反应器中发生的反应为：

NaSOCHHOCHNaHSOOCHCH322322

OCHCH22年处理量为6000吨，生产时间为8000小时，

故其每小时处理量为：hkghKgFA750800010660

纯度为98%,则hKmolKmolKghKghKgFFA37.1705.4431.76531.765%9800

由于该反应器固定，所以其体积恒定。

则其处理体积为：hmPRTFV30078.502100)7515.273(314.837.17

其有效体积为：330'39.2515.078.502mhhmVVR

故反应器的体积为：33'75.29585.039.251mmVVRR

则与OCHCH22完全反应的3NaHSO溶液的理论进料量为：hKghKmolKmolKgFB41.184498.037.1706.1040

则hKghKgFFBB68.1853995.041.1844995.00

环氧乙烷为气体进料：1Ax，亚硫酸氢钠溶液：98.0Bx

物料衡算：cCBBAACBAxFxFxFFFF  982.099.2618CCxhKgF

3.4 反应器的工艺确定

- 5 -

设备的工艺设计包括定型设备(标准设备)和非定型设备(非标准设备)两大类。定型设备通过选型计算确定规格、型号，非定型设备则需通过设计与计算，确定设备的结构及工艺尺寸。本设计即为非定型设备。

反应釜是气液型物料混合最常用的反应器。反应釜釜体是物料进行化学反应的空间，他的主要部分是容器，其筒体基本上是圆柱形， 封头常是椭圆形、锥形和平板。根据工作温度，工作压力以及该设备之工艺条件，查相关资料可以看出它属于带搅拌器的低压反应釜类型，选择圆柱形简体和椭圆封头。

筒体部分的基本尺寸主要是内径iD 和高度H， 釜体的基本尺寸首先决定于工艺要求，对于带搅拌器的反应釜来说，设备的容积RV为主要参数，根据化工原理知识，搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往需随容器直径的增大而加大，因此在同样的容积下，反应釜的直径太大是不适宜的。根据实践经验，搅拌式反应釜的高度H 与釜体直径iD 的比值iDH一般较为固定，可通过下表查得（以下仅为所摘取的部分表格）：

表1.搅拌反应釜釜体的iDH 值

种类

釜内物料类型 iDH

一般搅拌式反应器 液—固或液—液相物料 1——1.3

气—液相物料 1——2

根据本反应物料类型为气—液相物料，故而可取2iDH

本设计中，物料的通入流量QhKgFFBA99.2618，而物料在反应器中停留的反应时间t为0.5h，则有以下式子成立:HDQi2)2(1t

由设计条件可知：33331048.11087.0mKgmKgBA

BA111

可得：331055.0mKg

2iDH

代入数据：HDi23)2(14.385.011055.05.099.2618

求得：反应釜釜体直径mmDi70.1680，归整可取 1700 mm