完整版化工工艺设计毕业论文

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 日西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 1 -页第一章 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 7075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 310Kg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 05.9羟乙基磺酸钠 148.11 191 98.01.3、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西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 2 -页第二章 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：328329 (分解)；分子式： ；结构式：C 372NSOHC,分子量：125.14,CAS:107-35-_7。322SOCHN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5262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 32NaHSOSO西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 3 -页(2)羟乙基磺酸钠的制备 NaSOCHNaSOCH3232(3)牛磺酸钠的制备 23 (4)牛磺酸的制备 llN32222(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。32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 Aoi G式中 输入物料的总和；iG输出物料的总和；O累积的物料量。A式 为总物料衡算式。当过程没有化学反应时，它也适用于物料Aoi G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西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 4 -页为零，则该式可简化为 。oiG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 或式 中各股物料数量可用质量或物质量衡量。对Aoi Goi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：CTo75MPa1.0可知在此条件下， 为气相， 为固相。如要反应顺利进行，则需OH23NaS以溶液的形式存在，而 属于易溶性物质，故取其浓度 。反应3NaHSO3 98.0BC器中发生的反应为：aSOCHaSC3232年处理量为6000吨，生产时间为8000小时，2故其每小时处理量为： hkghKFA7508160纯度为98%,则 hKmolol37.1.4363.75%90 由于该反应器固定，所以其体积恒定。则其处理体积为： PRTFV 30 8.50210).27(.8其有效体积为： 330 9.5.7.52hm故反应器的体积为： 3 7.28.9R则与 完全反应的 溶液的理论进料量为：OCH23NaHSOhKghKmollgFB 41.98.0716.140 则 68.55.0西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 5 -页环氧乙烷为气体进料： ，亚硫酸氢钠溶液：1Ax98.0Bx物料衡算： cCBAFF2.61ChKgF3.4 反应器的工艺确定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 和高度 ， 釜体的基本尺寸首先决定于工艺要iDH求，对于带搅拌器的反应釜来说，设备的容积 为主要参数，根据化工原理知识，搅拌功RV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 的比值 一般较为固定，可通过下表查得（以下仅为所摘取的部分表iDiH格）：表 1.搅拌反应釜釜体的 值 iDH种类 釜内物料类型 i液固或液液相物料 11.3一般搅拌式反应器 气液相物料 12根据本反应物料类型为气液相物料，故而可取 2iDH本设计中，物料的通入流量 ，而物料在反应器中停留的反应QhKgFBA9.2618时间t为0.5h，则有以下式子成立: Qi2)(t由设计条件可知： 31048.7mKgBA BA1可得： 352iDH西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 6 -页代入数据： HDi23)(14.85.015.09268求得：反应釜釜体直径 ，归整可取 1700 mmmi76釜体高度 ，归整可取 3400 mmH4.第四章 能量衡算4.1 物料衡算的意义精细化工生产一般在规定的压力、温度和时间等工艺条件下进行。生产工程中包括有化学过程和物理过程，往往伴随着能量的变化，因此必须进行能量衡算。生产中一般无轴功的存在或者轴功相对来说影响较小，可忽略不计，因此能量衡算实则是热量衡算。生产工程中所产生的化学反应热效应及物理状态变化热效应会使物料温度上升或者下降，为保证生产过程在一定的温度条件下进行，则需环境对生产系统进行热量的加入或者放出，这便是热量衡算的目的。对新车间的设计，热量衡算是在物料衡算的基础上进行的。通过热量衡算，可确定传热设备的热负荷，即在规定的时间中加入或者移除的热量，从而确定传热剂的消耗量、选择合适的传热方式、计算传热面积。热量衡算和物料衡算相结合，通过工艺计算，可确定设备工艺尺寸，如设备的容积、传热面积等。对已投入生产的车间和设备装置进行热量衡算，对热量的合理利用、提高传热设备的热效率、回收余热、最大限度地降低产品能耗有着极其重要的意义。4.2 热量衡算方程式热量衡算按能量守恒定律，在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡，在实际中对传热设备的热量衡算可由下式表示 654321 QQ式中 所处理的物料带入设备中的热量加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量2过程的热效应：3Q离开设备物料带走的热量4设备各部件所消耗的热量5设备向四周散失的热量，又称热损失6Q热量衡算的时间基准可与物料衡算相同，即对连续生产以每小时作基准。但不管是间歇还是连续生产，计算传热面积的热负荷，必须以每小时作基准，而该时间必须是稳定传西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 7 -页热时间。热量衡算温度基准，一般规定以25，也可以进料温度作基准。4.3 热量衡算的计算过程4.3.1 和 的计算1Q4)()(0tCGPi由物料衡算过程可知： 419.268GKg进料温度 出料温度 t250 Ct51 Ct752查表可得： 气态时OCH)(09.1105.4)(97)(91.473, KgJmolKgJmolJmP 查精细化工反应器及车间工艺设计一书得到：对于大多数液体其比热容都在，则取 和 都为为）Kg(5.213NaHSONaSOC32 )(.2J可得： KtGttCGQCPBPAP 6189)()()( 0,01,01,41 4.3.2 的计算3过程的热效应可以分为两类：一类是化学过程热效应即化学反应热效应；另一类是物理过程热效应，即物理状态变化热，如溶解、结晶、蒸发、冷凝、熔融、升华等变化吸收或放出热量。本设计虽有气液混合，但并没有相变，因此物理过程热效应就不再考虑。应查相关文献取得化学反应热效 molKJHmr36.52则 nQmr 4907.136.5234.3.3 传热面积的计算本设计中必须加热，故加热设备通过介质向设备和物料传递的热量 与设备各部件所2Q消耗的热量 以及设备向四周散失的热量 的差值即为所需的加热量。5 6QKJQ49.68049.021831462 可以看出，该反应是需要加热进行的，本设计采用夹套传热的方式，以水蒸气作为传热介质。取水蒸汽的进口温度为 ,出口温度为 ，则可计算出其对数平均温差：C0C75Intm.62571)()0(查得夹套式传热器，当夹套内流体为水蒸气，反应器（釜）内为溶液时，总传热系数K 的范围为 ，取)(406mKcal西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 8 -页 )(.6)(1608.4)(160 222 CmKJCmKJCmKcal 由 可得：tAQ89.107.34tQm第五章 反应器的设计5.1 反应器筒体和夹套由第三章的计算可知：反应釜体积为： ；釜体直径375.29mVR，归整可取 1700 mm；釜体高度 ，归整可取 mDi70.168 H40.613400 mm。控制反应温度 75；反应压力为 0.1MPa。查 GB150钢制压力容器表，取其公称直径 。其材料为 钢，钢板标准 GB6654，器壁厚度为 。MnR16 m夹套传热结构简单，基本上不需要进行维修。在采用夹套传热时，因夹套向外有热量散失，故需要在夹套体外包以保温材料。容器外装有夹套可有4 种形式：仅圆筒部分有夹套，仅圆筒和下封头部分有夹套，在圆筒部分夹套采用分段结构或带有加强圈以及圆筒、下封头、上封头的一部分有夹套。夹套形式可按工艺设计要求及反应釜具体结构的不同而选择，一般仅圆筒和下封头部分有夹套应用最为广泛，本设计的反应釜夹套即是采用这一种的。另外采用全包式、不可拆式整体夹套结构，这样的构型具有最大的传热面积以及结构简单、密封可靠等优点。这种夹套结构的适应压力一般0.6MPa及其以下。在本装备中用水蒸气作为加热介质，采用下端进、上端出，以使夹套中经常充满介质，充分利用传热面，加强传热效果。夹套的直径 可通过 的值经查表得到，如表所示:D夹套直径 与筒体直径 的关系直径 夹套直径 与筒体直径 的关系D500600 7001800 20003000 501020D由上面的 可知，夹套直径m180 mD98 夹套下封头根据夹套直径及其所选形式，按标准选取。夹套的高度H1 主要是取决与传热面积的要求，夹套的传热面积 。一般要28.10A求其不能低于液面高度，参考夹套的直径，查夹套容器的总加热面积表，取夹套高度。m2夹套高度的确定，还应考虑两个因素：当反应釜筒体与上封头用设备法兰连接时，夹套定边至少应在法兰下150200mm 处（视法兰螺栓长度及拆卸方便而定）；而当反应釜西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 9 -页具备有耳座时，须考虑避免因夹套顶部位置而影响耳座的焊接地位。5.2 反应釜的底和盖底和盖可以有各种不同的式样，常用的有折边椭圆形、折边球形、平面形和蝶形，有时也用锥形。各种底和盖式样的选择是根据设备的操作条件来决定的。在一般的釜式反应器中最常用的是折边椭圆形和折边球形的底和盖。它们适用于操作压力大于 0.7 大气压的设备，是用钢板由冲压或人工锻打而制成的。用作底时与同样直径的罐体焊接在一起即可。而用作顶盖时，则将它们与法兰焊在一起。从应力分布情况来看，椭圆形的底应力分布较为均匀，而折边球形的底在转折处有应力集中现象，因此在选型和设计时一般都推荐椭圆形底。本设计压力为 1 大气压，故采用椭圆形封头。根据本设计的工艺条件以及筒体，选用椭圆形折边封头，参照表压力容器椭圆形封头其材料为 碳钢，公称直径MnR16。封头壁厚 。mD180m65.3 搅拌装置精细化学工艺的许多过程都是在有搅拌装置的釜式反应器中实现的。搅拌的目的是：使互溶的两种或两种以上液体混合均匀；形成乳浊液或悬浮液；促进化学反应和加速物理变化过程，如促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过程。也能刮除沉积在器壁上的附着物，提高传热效率。实际操作中，搅拌可以同时达到上述几种目的。不同的生产过程对搅拌程度有不同的要求。搅拌的方法很多