（材料学专业论文）计算机辅助牛磺酸生产过程的计算设计.pdf

青岛人学硕l ：学位论文 摘要 牛磺酸是一种人体必需的非蛋白质氨基酸，以游离形式存在于人及哺乳动物的 几乎所有脏器中。具有较高的药用价值，是重要的营养物质，广泛应用于医药、食品 添加剂、沈涤剂、荧光增白剂、p h 缓冲剂等领域，也可用作生化试剂和其它有机合 成中间体。是一种开发前景广阔的精细化学品。本设计的任务是以年生产能力为3 0 0 吨的物料和热量衡算过程为依据设计其生产过程物料衡算和热量衡算的计算机编 程。每年工作同为3 0 0 天，生产周期为8 小时，每批生产3 3 3 3 3 k g 产品。根据物料 衡算，每批需要投料乙醇胺1 8 2 0 7 7 4 k g ，甲苯9 9 6 5 k g ，3 0 的盐酸3 5 5 8 9 6 7 k g ， 氯化亚砜3 5 1 6 1 2 3 k g ，3 0 的亚硫酸钠溶液1 2 2 5 5 k g 。计算还原过程的热量衡算， 并在此物料和热量衡算的基础上对于该过程的计算过程进行计算机编程联算。设计 出此过程的反应釜釜体和主要附件，并对搅拌装置、传动装置、轴封装置和设备歼 孔进行了选型与设计，最后进行了车间布置的设计。 关键词：牛磺酸，物料衡算，热量衡算，计算机编程，反应釜设计 青岛人学硕l j 学位论文 a b s t r a c t t a u r i n ei sa ne s s e n t i a ln o n - p r o t e i na m i n oa c i d sw h i c hf r e e l ye x i s t si nt h eo r g a n so f p e o p l ea n dm o s tm a m m a l i a n i ti sa ni m p o r t a n tn u t r i e n th a v i n gh i g hm e d i c i n a lv a l u e ，a n d i sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fm e d i c i n e ，f o o da d d i t i v e s ，d e t e r g e n t s f l u o r e s c e n tw h i t e n i n g a g e n t p hb u 仃e ra r e a sa n ds oo n i tc a na l s ob eu s e da sb i o c h e m i c a lr e a g e n t sa n do t h e r o r g a n i cs y n t h e s i si n t e r m e d i a t e s oi ti sap r o m i s i n gd e v e l o p m e n to ff i n ec h e m i c a l s t h e m i s s i o ni st od e s i g nac o m p u t e rp r o g r a mw h i c hb a s e do na na n n u a lp r o d u c t i o nc a p a c i t yo f 3 0 0t o no fm a t e r i a l sa n dh e a tb a l a n c ep r o c e s s w o r k i n gd a yi s3 0 0d a y se a c hy e a r , t h e p r o d u c t i o nc y c l ei se i g h th o u r s ，e a c hb a t c ho fp r o d u c t i o ni s3 3 3 3 3 k g a c c o r d i n gt o m a t e r i a lb a l a n c e ，e a c hb a t c ho ff e e d r e q u i r e dt f i e t h a n o l a m i n e 18 2 0 7 7 4 k g t o l u e n e 9 9 6 5 k g ，h y d r o c h l o r i ca c i do f3 0 3 5 5 8 9 6 7 k g ，t h i o n y lc h l o r i d e3 51 6 1 2 3 k g 。3 0 s o d i u ms u l f i t es o l u t i o no f12 2 5 5k g t h eh e a tb a l a n c eo fr e d u c t i o np r o c e s sw a sc a l c u l a t e d a n dc o m p u t e rp r o g r a mw a sd e s i g n e d b a s i n go nt h em a t e r i a la n dh e a tb a l a n c e t h e a u t o c l a v er e a c t o ra n dt h em a i na t t a c h m e n to ft h i sp r o c e s sw a sd e s i g n e d m e a n w h i l et h e m i x i n gd e v i c e ，g e a r , s e a li n s t a l l a t i o n sa n de q u i p m e n tw a ss e l e c t e da n dd e s i g n e d f i n a l l y t h ew o r k s h o pw a sd e s i g n e d k e yw o r d s ：t a u r i n e ；m a t e r i a lb a l a n c e ；h e a tb a l a n c e ；c o m p u t e rp r o g r a m m i n g ； r e a c t o rd e s i g n i i 学位论文独创性卢明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：同期：年月日 秘翠位如哆咿 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密彰 论文作者签名：日期：年月日韩雪b 盈。纶卜 翩签名：同期：年月日群穆矽7 厍r 6 2 青岛大学硕士学位论文 1 1 牛磺酸概述 第一章文献综述 牛磺酸又名牛胆酸、牛胆素，化学名称2 一氨基乙磺酸，是一种人体必需的非蛋白 质氨基酸，以游离形式存在于人及哺乳动物的几乎所有脏器中，具有较高的药用价值， 是重要的营养物质，广泛应用于医药、食品添加剂、洗涤剂、荧光增白剂、p h 缓冲 剂等领域，也可用作生化试剂和其它有机合成中间体。是一种开发前景广阔的精细化 学品。 1 1 1 牛磺酸的性质 牛磺酸的化学结构式为h ：n c h ：c h 2 s o 。h ，化学名称为鼻一氨基乙磺酸或2 一氨基乙磺 酸，分子量为1 2 5 1 5 ，单斜棱形棒状白色晶体，熔点3 2 8 c ( 3 1 7 c 分解) 。无毒、无臭、 味微酸、对热稳定。溶于水，其水溶液p h 为4 1 - - 5 6 ，在水中1 2 c 时溶解度为o 5 ， 在9 5 7 , 醇中1 7 c 时溶解度为0 0 0 4 ，不溶于无水乙醇、乙醚和丙酮瞳3 。溶解后的牛 磺酸具有较强的酸性，以两性离子形式存在，不易通过细胞膜。 1 2 牛磺酸的生理功能 1 2 1 促进营养物质代谢口3 l 与胆酸结合，促进脂肪和脂溶性物质的消化 牛磺酸的重要生理功能之一就是与胆酸结合形成牛磺胆酸，从而促进脂肪乳化， 增加脂肪酶的活性，并可协助中性脂肪、胆固醇、脂溶性维生素及其他脂溶性物质 的消化吸收。此外，牛磺酸还是胆汁中胆固醇的主要促溶剂，具有保肝利胆的作用， 并可有效预防高胆固醇血症及动脉粥样硬化，抑制胆结石的形成，促进胆汁排泄等 功能。 2 促进蛋白质、氨基酸代谢 牛磺酸虽不参与蛋白质的生物合成，但增加牛磺酸可提高蛋白质的消化率。刘 晓军等( 1 9 9 6 ) 研究表明，在蛋白质供应充足或不足时，添) j n l 牛磺酸均可提高蛋 白质的消化率，并推测其机制是促进一些与蛋白质消化有关的激素或酶的分泌。 3 促进糖代谢 牛磺酸有很强的代谢功能，与胰岛素或类胰岛素物质有协和作用，促进肌细胞 第一章文献综述 对葡萄糖和氨基酸的摄取和利用，加速糖酵解，增强糖异生，降低血糖浓度。 4 促进矿物元素代谢 研究表明，牛磺酸可提高1 - 2 周肉仔鸡肝中铁、铜、锰、锌的含量，表明牛磺酸 可促进铁、铜、锰、锌等矿物元素的吸收，且年龄越小，效果越明显。低浓度( 2 5 ) 的牛磺酸可促进肠道对锌的吸收，高浓度时( 8 ) 则无影响。此外，牛磺酸还可增 强脂溶性维生素的吸收。 1 2 2 对神经系统及神经内分泌的影响 牛磺酸在动物中枢神经系统中含量丰富，且代谢旺盛，是大脑正常发育所必需 的营养物质。研究表明，牛磺酸具有抗惊厥作用，对神经元有抑制作用，是有效的 抗癫痫剂。另外，牛磺酸还可调节生长激素( g h ) 、催乳素及精氨酸加压素( a v p ) 的分泌。牛磺酸为人体的条件必需氨基酸，能促进大脑细胞d n a 、r n a 及蛋白质合成， 对婴儿智力发育、神经传导和视觉功能起重要作用。 1 2 3 保护细胞 研究表明，牛磺酸具有平衡细胞渗透压、维持细胞膜稳定性、调节钙稳定态和 抗氧自由基损伤、抗脂质过氧化等细胞保护作用，对肝细胞、心肌细胞、红细胞等 都具有保护作用。牛磺酸可使铁一抗坏血酸引起的细胞肿胀溶解消失，提高人肺成纤 维细胞代谢活性，且呈溶剂效应关系。牛磺酸还具有抑制自由基产生，保护抗氧化 酶活性，减少脂质过氧化反应，保护细胞膜完整性，减少心肌损伤的作用。 1 2 4 提高机体免疫力 哺乳动物淋巴细胞内有相当多的牛磺酸，缺乏时，淋巴细胞和嗜中性细胞的免 疫力下降。末梢血液淋巴细胞、非粘性淋巴细胞、粘性淋巴细胞的含量分别是1 2 、 3 5 、2 0 倍。免疫细胞中牛磺酸含量极高，说明其与免疫功能密切相关。 综上所述，牛磺酸具有多种营养生理功能，在动物营养中应用前景广阔，诚待 研究和利用。 2 青岛大学硕- 1 学位论文 1 3 牛磺酸市场现状 1 3 1 国外市场现状 国外牛磺酸的生产和应用起步较早，主要集中在美国、日本、西欧和东南亚等 国，以美国的产量和消费量为最大。目前，牛磺酸被广泛用于奶粉、乳制品、饮料、 滋补品、复合味精及某些特定食品中，并逐渐地扩展到农业、水产业、化学工业等 领域。世界一些主要国家人均年消费牛磺酸量大致为：日本6 0 9 、美国5 0 9 、英国 3 4 9 、德国3 2 9 、加拿大2 9 9 、法国2 6 9 、韩国1 9 9 、印尼1 7 9 、新加坡1 7 9 ，而我国不 足0 1 2 9 。由于牛磺酸生物法生产需要一定的天然资源，化学合成法生产需要强酸， 收率低，污染严重，且属于劳动力密集型产业，国外劳动力费用高，环保要求高，因此 国外尽管消费量增长很快，但近年来产量增长较慢。 1 3 2 国内市场现状 我国牛磺酸生产起步较晚，国内牛磺酸生产技术、产品质量，尤其是开发应用均 与发达国家有一定的差距。我国目前年产量约3 0 0 0 t ，其中9 0 用于出口，药用占5 ， 食品添加剂仅占5 。我国目前有牛磺酸生产厂家约3 0 余家，主要生产厂家有：南京 制药厂、广东肇庆西江制药厂、宁波东海化工厂、湖北黄冈市富池制药厂、江苏武 进华夏动物制药厂、浙江临海制药厂等畸1 。 1 4 牛磺酸的应用前景拍吲 牛磺酸是一种含硫氨基酸，具有多种药理作用和营养保健作用，目前其应用已 由最初的药用为主，转向以食品添加剂和营养保健品为主，成为普遍大众化的消费 品。国内外对牛磺酸从生化、药理、营养，临床等方面进行了深入广泛的研究，一 致认为其可促进婴儿，儿章脑细胞的分化，发育，维持细胞膜，特别是视网膜正常 的生理功能，对改善脑功能，抑制和治疗老年痴呆有重要的作用。人体所需一半以 上的牛磺酸是从外界摄取。因此，它作为一种优良的食品添加剂，目前正同益广泛 地应用于食品和饮料行业中。如，目前国内开发的“红牛 饮料、“乐百氏”、“娃 哈哈”、“天元”儿童专用奶及“聪聪”母液等饮料和乳制品均含有一定的牛磺酸 成分，深受消费者的喜爱。 牛磺酸除在食品，医药方面的应用外，还在其它方面得到应用。应用于荧光增 白剂的合成，如二苯乙烯双嗪类荧光增白剂中引入牛磺酸基团后，可改善增白剂的 水溶性，增强洗涤和增白效果。这类增白剂主要应用于造纸，纤维素纤维和聚丙烯 第一章文献综述 酰胺纤维的增白。牛磺酸还可用于活性染料的制备和其它有机化合物的合成。 1 5 牛磺酸的制备方法 1 5 1 生物中提取 牛磺酸广泛存在于生物组织中，在牛胆汁中牛磺酸的含量最高它与胆汁酸结合 是以牛磺胆酸的形式存在，不能用简单的方式分离提取，需要水解后再分离提取。 而在海洋生物牡蛎、鲍鱼、章鱼、海蜇、蛤蜊、海胆、鳗鱼等生物中牛磺酸含量丰 富，牛磺酸以游离的形式存在，可以直接提取呻川。牛磺酸易溶于热水，不溶于无水 乙醇，可采用热水提取，离子交换提纯，无水乙醇沉淀得到白色针状结晶物。 1 5 2 发酵法 r 本s h o k o ( 1 9 8 6 ) 专利报道，用链球菌或微生物提取的酶，从结合型胆汁酸制 取游离牛磺酸，将来源于牛肉的链球菌在含有1 5 k g 牛胆汁提取物和葡萄糖的培养 基中3 7 培养2 天，可以产4 5 9 牛磺酸。据n a k a n i s h i ( 1 9 9 8 ) 报道，将一株谷氨酸 棒状杆菌在含有葡萄糖、蛋白胨、k h 2 p 0 4 、k 2 h p 0 4 、m g s 0 4 、生物素、酵母膏、尿素 和维生素b l 的培养基中2 8 摇瓶发酵2 4 h ，然后在含有糖浆、k h 2 p 0 4 、m g s 0 4 、c a c 0 3 、 维生素b l 的培养基中2 8 摇瓶发酵4 天，最后牛磺酸产量为8 7 0 m g l 1 。 1 5 3 化学合成法 牛磺酸的生物提取，由于受原料的来源、成本和产量的限制，因此人们通常通 过化学合成法制备牛磺酸。牛磺酸的化学方法有二氯乙烷法、乙撑亚胺法、乙醇胺 法。在乙醇胺法生产牛磺酸的工艺中又分为酯化法、氯化法和干氯化氢法。 ! 二氯乙烷法n 毋 1 ，2 一二氯乙烷先用无水亚硫酸钠进行磺化，然后将生成的磺酸盐用氨水或氨水 与碳酸铵混合液进行氨解，酸化处理之后得产物牛磺酸。 反应原理：c i c h ? c h ：c l + n a ：s o 。- - c l c h ：c h 。s o 。n a cic h 2 c h 2 s 0 3 n a + n h ：，n h 2 c h 2 c h 2 s 0 。n a n h ：c h ：c h ：s o 。n a + h ci n h ：c h ：c h ：s o 。h 本合成方法中，氨解步骤需在加压的条件下进行，反应温度需严格加以控制， 这在工业化大生产中，设备的要求相对就要高一些，投资也较大。 2 乙撑亚胺法3 以乙撑亚胺为原料，直接与硫酸反应制得牛磺酸，反应方程为： 4 青岛人学硕l 二学位论文 c h ，c h 2 n h 2 + h ：s 0 4 ，n h 2 c h 2 c h 2 s 0 3 h 该法一步合成，反应条件温和，没有副产物，精制十分方便，投资省，成本低。 缺点是乙撑亚胺沸点低，毒性大，易聚合爆炸，不易保存，显然也不是最佳的工艺 路线。 3 乙醇胺法n 们 l 、酯化法 目前国内主要采用酯化法，一乙醇胺、硫酸、皿硫酸钠为原料，经中间产品2 一 氨乙基硫酸酯合成牛磺酸，反应方程式如下： h 2 n c h 2 c h 2 0 h + h 2 s 0 4 一h 2 n c h 2 c h 2 0 s 0 3 h + h 2 0 h 2 n c h 2 c h 2 0 s o 。h + n a t 2 s 0 3 一h 2 n c h 2 c h 2 s 0 3 h + n a 2 s 0 4 中间产物2 一氨乙基硫酸酯非常坚硬，进入下一工序前需要粉碎，所需劳动强度 大，第二个反应需加热回流时间长，能耗大，且2 一氨乙基硫酸酯易水解，目前采用 该工艺生产牛磺酸的收率仅为5 3 左右，成本高，所以没有市场竞争力。 2 、氯化法 在氯化法中，采用乙醇胺盐酸盐与氯化亚砜，按化学计量式于6 0 。c 反应生成氯 乙胺盐酸盐，然后再与亚硫酸钠反应生成牛磺酸。反应方程式如下： h c i + h ：n c h ：c h ：o h h c i h ：n c h ：c h ：o h h c i h 2 n c h 2 c h ：o h + s o c l 2 一h c i h 2 n c h 2 c h z c l + s 0 j + h c i h c i h 2 n c h 2 c h 2 c i + n a 2 s 0 3 一h 2 n c h 2 c h ：s 0 3 h + 2 n a c i 该工艺虽然生产成本较高，但反应条件温和且收率很高，副产物是气体易分离， 产品纯度好。 3 、干氯化氢法 最具发展前途的生产工艺是干氯化氢法，采用乙醇胺与干燥的氯化氢反应生成 氯乙胺盐酸盐，然后与皿硫酸钠反应生成牛磺酸，反应方程式如下： h ：n c h 2 c e o h + 2 h c l ，h c l h ：n c h ：c h 2 c 1 + h 2 0 ， h c l h 2 n c h 2 c h ：c l + n a ：s 0 。，h ：n c h 2 c h 2 s o 。h + 2 n a c i 该方法虽然纯度高，生产成本低，但需通入氧化氢气体对反应釜的耐压性要求 较高，同时该方法尚处于研究开发阶段生产工艺还不成熟。 6 本设计的内容及意义 上述可以看出牛磺酸不但在临床上有多种疗效，且是一种重要的保健食品。在我 国有巨大的潜在市场，是一种极有发展前途的精细化学品。化学合成法制备牛磺酸方 法很多，但是由于受到收率、原料来源、生产成本及合成工艺条件和设备要求高的 影响，真正工业化的方法很少。目前，国内外多数生产厂家都采用乙醇胺法生产牛 5 第一审义献综述 磺酸，该方法原料易得，合成工艺简单，设备投资少。对乙醇胺法的三种制备方法 进行比较采用氯化法。 1 6 ，1 设计内容 1 乙醇胺盐酸盐的合成 向反应釜内溶于甲苯的乙醇胺溶液中滴加3 0 的盐酸。乙醇胺和赫酸两者在室 温下反应生成乙醇胺盐酸赫，该反应非常容易进行，反应迅速，因此要控制盐酸的 滴加速度。8 5 共沸除去水分，然后冷却到6 0 。 2 氯化反应 向乙醇胺盐酸盐中滴加等摩尔量的氯化亚砜，恒温6 0o c 反应6 小时，得氯乙胺 盐酸徐，产率达9 5 。反应过程中生成氯化氢和二氧化硫气体，可经一水吸收塔系 统分离，副产的盐酸用于生产乙醇胺盐酸盐，二氧化硫可直接进入下一步的磺化反 应。 3 磺化反应 将氯化反应生成的溶液打入带搅拌的磺化反应釜中。把亚硫酸钠配制成3 0 的 溶液，按亚硫酸钠与氯乙胺盐酸盐1 0 5 ：1 的量比例慢慢加入到磺化反应釜中，控制 亚硫酸钠溶液的加料速度，在3 h 内加完，在此期间控制反应温度在4 0 - - 4 5 * ( 2 ，搅拌 反应2 h ，升温到9 0 继续反应2 h 。 4 后处理 反应物冷却后打入结晶釜，在3o c 左右冷冻结晶，再经离心分离，分离出的粗 牛磺酸用去离子水溶解洗涤除掉盐，然后经重结晶并离心分离，得到的牛磺酸经真 空干燥后包装为成品。母液蒸发浓缩后循环使用。其工艺流程如图1 1 。 6 青岛大学硕士学位论文 1 6 2 设计意义 图1 1 氯化法生产牛磺酸工艺流程图 本设计如能成功并投入工业生产的话，一定会促进国内外牛磺酸生产技术的发 展，带来巨大的经济效益和社会效益，造福人类。 1 7 展望 我国牛磺酸的研究开发起步较晚，在生产技术、产品质量、应用领域等方面较 发达国家有一定差距。目前，我国牛磺酸的实际产量虽小，但已有一定生产能力， 因此我们需要努力改进生产技术、提高产品质量、加强生产管理，以增强我国牛磺 酸产品的国际竞争力，另一方面要大力开拓国内国外两个市场，特别是国内的食品 添加剂市场，并进一步研究开发牛磺酸的应用领域n 矾。相信在不久的将来，牛磺酸 的生产和应用定会出现一个崭新的局面。 第二章物料衡算 2 。1 物料衡算概述 第二章物料衡算 依据质量守恒定律，以设备或生产过程作为系统，对其进出口处进行定量计算， 称之为物料衡算。物料衡算是设备热量衡算乃至整个工艺设计的基础，一般在以下 几种情况下需进行物料衡算。 ( 1 ) 对某个操作过程作物料衡算； ( 2 ) 对已有的设备：一个设备、一套设备或整个车间作物料衡算； ( 3 ) 设计一套新的装置或一个新的车间时，一般均需做出全面的物料衡算。 因此正确的物料衡算结果为f 确的设备热量衡算和设备工艺设计提供可靠的保 证，在整个设备设计过程中具有重要的意义n 6 1 。 2 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 g ，= 岛+ q 式中罗g ，一输入物料的总和； 一输出物料的总和； g 4 一累积的物料量。 式g ，= g ( ，+ g a 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 g ，= 瓯 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g ，= g ( ，+ q 或式g i = g o 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 r 青岛大学硕十学位论文 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。 2 3 物料衡算的计算范围和计算基准 作物料衡算时需要确定一个计算范围，即从哪罩丌始作为进料，从哪里作为出 料。根据实际需要来确定计算范围，可以是某一设备或一套设备。对分批操作，可 从开始加料到最终出料作为计算范围，有时也取整个过程中的某一阶段作为物料衡 算的范围。 作物料衡算时，要选定一个计算基准。例如分批操作可以分批投料量或每昼夜 的处理量作为计算基准。连续生产可以用每小时、每天或每分钟的投料量作为计算 基准。根据需要有时也采用每吨产品或原料作为计算基准，或者用每千摩尔( 锄讲) 的投料量作为计算基准。基准的选择是根据物料衡算的目的和计算的方便来考虑决 j ( 1 7 1 8 】 匕o 2 4 计算过程 该工艺的流程图2 1 如下。 图2 1 工艺流程图 2 4 1 操作周期 根据生产工艺条件，采用间歇操作反应器，所以由两步间歇操作中时间最长者 确定生产周期。由反应方程式及工艺流程得知各步所需的时间如表2 1 ，2 2 所示。 9 第二章物料衡算 表2 1 氯化过程操作及相应时间 检奄设备 1 0 m i n 想反应釜中加入乙醇胺的甲苯溶液，缓慢滴加盐酸，控制温度在6 0 5 0 m i n 升温到8 5 2 0m 伽 1 1 0 6 3 c 共沸除掉甲苯和水 2 0 m i n 冷却至6 09 c 恒温，加入氯化弧砜 2 0 朋奶 搅拌反应 3 6 0 m i n 合计 4 8 0 m i n 表2 2 磺化过程操作及相应时间 打入氯化产物 1 0 m m 滴加弧硫酸钠溶液 1 8 0 m t n 4 0 控温搅拌反应1 2 0 m m 升温至9 0 搅拌反应1 2 0 m m 产物冷却5 0 r a i n 合计4 8 0 m t n 由此确定生产周期为4 8 0 m i n ，即8 h ，每天可生产三批。 2 4 2 生产任务 年产3 0 0 t 牛磺酸，设每年工作时间为3 0 0 天，则每天生产产品质量： ( 3 0 0 1 0 0 0 ) 3 0 0 = 1 0 0 0 姆 间歇操作，操作周期为8 h ，一天生产三批，则每批生产产品量： 1 0 0 0 3 = 3 3 3 3 3 姆 产品纯度为9 9 每批生产的纯牛磺酸的量：3 3 3 3 3x9 9 = 3 2 9 9 9 6 7 堙 1 0 青岛大学硕十学位论文 所需各原料的规格如表2 3 所示。 表2 3 各原料规格 盐酸 3 0 乙醇胺 9 8 氯化弧飘9 9 甲苯 9 9 亚硫酸钠溶液 3 0 2 4 3 磺化过程物料衡算 从文献 1 3 中查得磺化反应的转化率为9 5 ，在磺化反应釜中发生的主要反应 有：( 1 ) 氯化亚砜的水解反应，( 2 ) 磺化反应，其化学反应方程式及各物质的分子 量如下： s 0 c l 。+ h 2 0 - - * s o ：+ 2 h c l ( 1 ) 1 1 91 86 47 3 h c l h 2 n e l l 2 e l l 2 c 1 十n a 2 s 0 。一h ：n c h 2 c h 2 s o 。h + 2 n a c t( 2 ) l1 61 2 6 1 2 51 1 7 每批生产纯牛磺酸量：3 2 9 9 9 6 7 碡 需h c l h 2 n c h z c h z c l 量：3 2 9 9 9 6 7x ( 1 1 6 1 2 5 ) o 9 5 = 3 2 2 3 5 4 7 堙 由文献 1 3 查得亚硫酸钠与氯乙胺盐酸盐的投料摩尔比为1 0 5 ：1 所需亚硫酸钠量：3 2 2 3 5 4 7 x1 0 5 1 2 6 1 1 6 = 3 6 7 6 5 1 堙 投入亚硫酸钠溶液量：3 6 7 6 5 i 0 3 = 1 2 2 5 5k g 含水量：1 2 2 5 5 3 6 7 6 5 1 = 8 5 7 8 4 9 堙 消耗亚硫酸钠量：3 2 9 9 9 6 7 x1 2 6 1 2 5 = 3 3 2 6 3 6 7 堙 剩余亚硫酸钠量：3 6 7 6 5 1 33 2 6 3 6 7 = 3 5 0 1 4 3 堙 消耗氯乙胺盐酸盐量：3 2 9 9 9 6 7 x1 1 6 1 2 5 = 3 0 6 2 3 6 9 k g 剩余氯乙胺盐酸盐量：3 2 2 3 5 4 7 3 0 6 2 3 6 9 = 1 6 1 1 7 8 堙 生成氯化钠量：3 2 9 9 9 6 7 11 7 1 2 5 = 3 0 8 8 7 6 9 堙 11 第二章物料衡算 2 。4 。4 氯化过程物料衡算 根据文献 1 3 并结合实际情况确定氯化反应的转化率为9 5 ，盐酸与乙醇胺等 摩尔进料在甲苯中迅速反应生成乙醇胺盐酸盐，乙醇胺盐酸盐与氯化亚砜等摩尔反 应，其化学反应方程式及各物质的分子量如下： h c1 + h 。n c h ：c h ：o h h c1h ：n c h ：c h ：o h 3 6 56 19 7 5 h c l h 。n c h 。c h ：o h + s o c lz h c i h 2 n c h 。c h 2 c 1 + s o ：+ h c l 9 7 51 1 9l1 66 43 6 5 需生成的氯乙胺盐酸盐量：3 2 2 3 5 4 7 堙 所需原料乙醇胺量：3 2 2 3 5 4 7 ( 6 1 11 6 ) ( 0 9 5 0 9 8 ) = 1 8 2 0 7 7 4 姆 纯乙醇胺量：1 8 2 0 7 7 4x0 9 8 = 1 7 8 4 3 5 8 堙 杂质量：1 8 2 0 7 7 4 1 7 8 4 3 5 8 = 3 6 4 1 6 姆 所需的盐酸量：3 2 2 3 5 4 7 ( 3 6 5 1 1 6 ) ( o 9 5 x 0 3 ) = 3 5 5 8 9 6 7 堙 含氯化氢量：3 5 5 8 9 6 7 0 3 = 1 0 6 7 6 9 堙 含水量：3 5 5 8 9 6 7 1 0 6 7 6 9 = 2 4 9 1 2 7 7 姆 查得甲苯与水共沸时水重量占2 0 ，则甲苯用量：9 9 6 ，5 k g 纯甲苯量：9 8 6 5 3 5 堙 杂质量：9 9 6 5 k g 生成的乙醇胺盐酸盐量：3 2 2 3 5 4 7x ( 9 7 5 1 1 6 ) 0 9 5 = 2 8 5 2 0 4 8 姆 所需原料氯化亚砜量：1 8 5 ，2 0 4 8x ( 1 1 9 9 7 5 ) 0 9 9 = 3 5 1 6 1 2 3 培 含氯化亚砜量：3 5 1 6 1 2 3 0 9 9 = 3 4 8 0 9 6 2 姆 含杂质量：3 5 1 6 1 2 3 3 4 8 0 9 6 2 = 3 5 1 6 1 堙 消耗氯化亚砜量：3 2 2 3 5 4 7 ( 11 9 11 6 ) = 3 3 0 6 9 1 4k g 未反应氯化亚砜量：3 4 8 0 9 6 2 3 3 0 6 9 1 4 = 1 7 4 0 4 8 培 1 2 青岛人学硕十学位论文 未反应的氯化亚砜随反应产物一同进入磺化反应釜发生水解反应： 氯化亚砜与水反应消耗的水的量：1 7 4 0 4 8 ( 1 8 11 9 ) = 2 6 3 2 6 k g 剩余水量：8 5 7 8 4 9 2 6 3 2 6 = 8 5 5 2 1 6 4k g 生成的二氧化硫量：1 7 4 0 4 8x ( 6 4 1 1 9 ) = 9 3 6 0 6 k g 生成的氯化氢量：1 7 4 0 4 8 ( 7 3 1 1 9 ) = 1 0 6 7 6 8 k g 消耗乙醇胺盐酸盐量：3 2 2 3 5 4 7 ( 9 7 。5 1 1 6 ) = 2 7 0 9 4 4 7 k g 未反应乙醇胺盐酸盐量：2 8 5 2 0 4 8 2 7 0 9 9 4 7 = 1 4 2 6 0 1k g 生成二氧化硫量：3 2 2 3 5 4 7x ( 6 4 11 6 ) = 1 7 7 8 5 0 8k g 生成氯化氢量：3 2 2 3 5 4 7 ( 3 6 5 1 1 6 ) = 1 0 1 4 3 0 6 k g 2 4 5 物料衡算表 氯化过程和磺化过程物料衡算表如表2 4 ，表2 5 。 1 3 第二章物料衡算 表2 4 氯化过程物料衡算表 进 料出料 纯重 名称 质量( k g ) 组成( )纯重( 船)名称 质量( k g ) ( 培) 乙醇胺9 81 7 8 4 3 5 8s 0 z 乙醇胺 1 8 2 0 7 7 4 杂质23 6 4 1 61 7 7 8 5 0 8 h c i 1 0 1 4 3 0 6 排出物1 5 1 4 9 4 4 1 甲苯9 99 8 6 5 3 5水 甲苯 9 9 6 5 杂质19 9 6 52 4 9 1 2 7 7 甲苯 9 8 6 5 3 5 h c l 3 01 0 6 7 6 9氯乙胺盐 盐酸3 5 5 8 9 6 7 水7 02 4 9 1 2 7 7酸盐 3 2 2 3 5 4 7 乙醇胺盐 酸盐 粗产品3 7 1 1 4 2 3 s o c l z 9 93 4 8 0 9 6 2 1 4 2 6 0 1 氯化驱砜 3 5 1 6 1 2 3 杂质i3 ，5 1 6 1氯化弧砜 1 7 4 0 4 8 杂质 1 7 1 2 2 7 合计1 8 8 6 0 8 6 4合计1 8 8 6 0 8 6 4 青岛人学硕十学位论文 表2 5 磺化过程物料衡算表 进料 出料 名称 质量( k g )纯重( k g ) 名称质量( k g ) 纯重( k g ) 氯乙胺盐酸盐 3 2 2 3 5 4 7牛磺酸3 2 9 9 9 6 7 乙醇胺盐酸盐氯乙胺盐酸盐1 6 1 1 7 8 粗产品 3 7 1 1 4 2 3 1 4 2 6 0 l弧硫酸钠3 5 0 1 4 3 氯化砭砜1 7 4 0 4 8乙醇胺盐酸盐1 4 。2 6 0 1 粗产 杂质1 7 1 2 2 7 1 5 9 6 6 4 2 3水8 5 5 2 1 6 4 口 口口 二氧化硫9 3 6 0 6 氯化氢1 0 6 7 6 8 巧硫钠弧硫酸钠3 6 7 6 5 1 1 2 2 5 5氯化钠3 0 8 8 7 6 9 溶液水8 5 7 8 4 9 杂质1 7 1 2 2 7 合计 1 5 9 6 6 4 2 3 合计 1 5 9 6 。6 4 2 3 2 。4 。6 原料消耗定额总表 综合以上计算，可以得到年产3 0 0 吨牛磺酸的生产车间每批所需的投料量， 详见表2 6 。 表2 6 所需原料投料量 名称 质量( k g ) 乙醇胺 1 8 2 0 7 7 4 甲苯9 9 6 5 3 0 的盐酸 3 5 5 8 9 6 7 氯化弧砜 3 5 1 6 1 2 3 3 0 的弧硫酸钠溶液 1 2 2 5 5 青岛人学硕十学位论文 第三章热量衡算 3 1 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n6 1 ： g + q + g = q + 色+ q ( 1 ) 式中a 一所处理的物料带入设备中的热量，( k j ) ； q 一加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量( 符号规定加热剂加入热 量为“+ ，冷却剂吸收热量“一 ) ，( k d ) ； q 3 一过程的热效应( 符号规定过程放热为“+ ”，过程吸热为。“一一) ， ( k j ) ： q 一离开设备物料带走的热量，( k j ) ； g 一设备各部件所消耗的热量，( k j ) ； q 一设备向四周散失的热量，又称热损失，( k j ) 。 热量衡算的时间基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以每同或每批处理物 料作基准。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热时间。热量衡算温度 基准，一般规定以2 5 或0 ，也可以进料温度作基准。 在间歇操作中，对每批生产作热量衡算，由( 1 ) 式得： q 22 q + g + q g q ( 2 ) 假设q 5 + q 6 = 1 5 q 2则( 2 ) 式变为：0 2 = ( q 4 - q , - 0 3 ) 0 8 5 ( 3 ) 本次设计只计算氯化反应时的热量衡算，从生产工艺可看出，氯化反应过程的 传热主要包括五个阶段：加料阶段，升温阶段，共沸阶段，冷却阶段，6 0 恒温反 应阶段。 3 2 加料阶段 该反应阶段向釜中加入乙醇胺的甲苯溶液再缓慢加入盐酸，乙醇胺和盐酸一经 接触迅速反应，加料时间为0 8 h ，控制温度为6 0 。c ，因此需求算反应热q ，和物料维 1 6 青岛入学硕十学位论文 持6 0 。c 时所需的热q 4 。 3 2 1 各物料标准生成热的计算 由文献 1 9 查得 h z n c h 2 c h ：o h ( 1 ) q f o = 一h f l = 一( 一6 2 5 2 ) k c a l t o o l = 2 6 1 6 9 9 七，t o o l 。 3 0 的盐酸( 1 )q ，o = 一h f l = 一( 一3 9 9 5 2 ) k c a l m o l = 1 6 7 2 3 3u t o o l 。 用c a r d o z o 法估算h c l h 2 n c h ：c h ：o h ( 1 ) 。h i ，o = - 1 9 6 9 8 6 1 0 1 3 n n = n c + n i 其中n c _ 碳原子数n 。修正系数 n ；= - 0 0 2 - 0 2 9 7 + o 2 l 一0 3 = 一0 4 0 7n 。= 2 n = 2 0 4 0 7 = 1 5 9 3 求得。n l 0 _ - i1 6 8 9 2 k j t o o l h f 0 = - 3 9 3 7 8 n 。- 1 2 1 ( n 。一n ，) 一2 7 1 8 1 n f 一9 2 3 7 n 。一3 6 2 6 n 。， + 2 4 8 1 n 。一2 9 7 2 6 n 。一a 。o 式中n h n f n 。，n 。，n 。n 广分别为氢，氟，氯，溴，碘，硫原子数 n ，广卤素原子数 代入数据求得h ，o = 一5 5 8 0 1k d m o l ， q f l ：一h ，o = 5 5 8 0 1k j t o o l 。 3 2 2 反应热的计算 q 3 = q + 鳞其中q ，一纯化学反应所引起的热量变化绋一反应物状态变化 所引起的热量变化 g = 1 0 0 0 g 。q ，。m 一式中q 卜标准化学反应热，k j m o l g - - 参与化学反应的a 物质量，堙 m _ - a 物质分子量 q ，。= ( q f l ) ，一( q ，0 ) 。式中( q ，o ) 广生成物的标准生成热，k g m o l ( q f o ) r _ 反应原料的标准生成热，u t o o l 代入数据得q r o = 5 5 8 0 1 2 6 1 6 9 9 1 6 7 2 3 3 = 1 2 9 0 7 8k j m o l ， q ，= ( 1 0 0 0 1 8 2 0 7 7 4 ) 6 1 ( 1 2 9 0 7 8 ) = 3 8 5 3 x1 0 5 k j ， 由于此过程物理状态没有发生变化故绯2o ， 1 7 青岛大学硕士学位论文 则q 3 2 q + 绯2 3 8 5 3x1 0 5 材。 3 2 3 各物料c ，值的计算n 们 ( 1 ) 乙醇胺盐酸盐 用m is s e n a r d 法估算，其结构式为h c l h z n c h ：c h ：o h ， 由数据表中查得2 5 c 时 c p = 3 5 + 7 i + 1 5 + 6 7 5x2 + 1 0 5 = 4 9 6 c a l ( t o o l k ) = 1 2 9 4 材( 堙) 6 0 时 c r23 8 + 7 3 + 1 6 + 7x2 + 1 3 = 5 4 1 ，( t o o l k ) = 2 3 2 2 6 材( 堙) 由此可估算乙醇胺盐酸盐在2 5 。c 一6 0 的平均热容为c ，= 2 2 2 6 g ( k g ) 。 ( 2 ) 甲苯 利用上述方法估算2 5 * c 时 c p = 9 9 5 + 2 8 = 3 7 9 5c a l ( t o o l k ) 6 0 时 c p = 1 0 6 + 3 0 = 4 0 6 c a l ( t o o l k ) 由此可估算甲苯在2 5 9 c 一6 0 * c 的平均热容为c = 3 9 2 7 5 c a l ( t 0 0 1 k ) = 1 7 8 7 材( 姆) 。 ( 3 ) 水 查表可得 2 5 。c 时c 。= 3 5 + 1 0 5 = 1 4c a l ( t o o l ) = 3 2 5 6k j ( k g ) 查图可得 6 0 c 时c ，= 1 0 0 5 k c a l ( k g ) = 4 2 k j ( k g ) 由此可估算水在2 5 。c 一6 0 的平均热容为c 。= 3 7 2 8 k j ( k g ) 。 3 2 4 求算热负荷 此过程基准温度选取2 5 。c q 42 g i c 。；t = 1 8 青岛人学硕士学位论文 8 5 2 0 4 8 2 2 2 6 ( 6 0 - 2 5 ) + 2 4 9 1 2 7 7 3 7 2 8 ( 6 0 2 5 ) + 9 9 6 5 1 7 8 7 ( 6 0 2 5 ) = 1 1 7x1 0 5 彬 由( 3 ) 式得 q = ( q 4 一q l q ) o 8 5 = ( 1 1 7 x1 0 5 0 3 8 5 3 1 0 5 ) 0 8 5 = 一2 6 8 3 x1 0 5 k j 故需要冷却。 3 2 5 传热面积的计算 计算传热面积是为了在以后的釜体设计中看是否夹套的面积和所需要的加热面 积相符，是否还需要加蛇管等加热装置。 夹套内冷却剂采用常温水，进口温度为tl = 2 5 * c ，出口温度为t 2 = 4 0 。c ，冷却时间 为o 8 3 h 。( t = 6 0 ，t 。= 6 0 ) 取夹套总传热系数k = 5 8 0 k c a l m 2 是= 2 4 2 4 4 k j m 2