日产16吨对乙酰氨基酚夹套反应器设计分析解析

1、制药工程课程设计日产16吨对乙酰氨基酚夹套反应器设计学院：生物工程学院专业：制药工程专业班级：090462姓名：李兴超同组人:李飞飞学号：09046224指导教师：戴玉杰完成日期：2012.12.2天津科技大学2009级本科生制药工程课程设计9目 录前言 21. 设计任务书 42. 对乙酰氨基酚生产工艺流程 53. 物料衡算 63.1. 计算反应器有效容积 V 632计算反应器总容积 V 64. 釜体主要结构设计与选型74.1. 反应釜的釜体设计 74.2. 反应釜的搅拌装置 94.3搅拌传动装置和密封装置 105. 釜体其他附件设计与选型115.1支座选型 115.2人孔选型 115.3接管

2、及其法兰选型 115.4选用人孔、透镜、温度计和工艺接管 126. 热量和传热面积计算 126.1反应釜热量计算 126.2传热面积计算 1213心得体会 13参考文献基本概念对乙酰氨基酚是扑热息痛的化学成分，简称 A-PAR又称醋氨酚，化学名 为N-（ 4-羟基苯基）乙酰胺。它是一种常用的解热镇痛药物，其解热作用缓慢 而持久，与阿司匹林相比，具有刺激性小，极少有过敏反应等优点。此外，它 还可用于药物扑炎痛的合成，以及作为有机合成中间体、照相用化学药品和过 氧化氢的稳定剂。物理化性质分子式：C6H7NO 分子量：109.125 密度：1.21g/cm3 熔点：188C 沸点：282E at76

3、0mmHg 闪点：124.3 C 水溶性：1.5g/100ml（20 C） 性状：白色或浅黄棕色结晶 溶解性：稍溶于水和乙醇，不溶于苯和氯仿，溶于碱液后很快变褐色该品镇痛作用的机制不明，可能是通过抑制中枢神经系统中前列腺素的合 成（包括抑制前列腺素合成酶）以及阻断痛觉神经末梢的冲动而产生镇痛，后者 可能与抑制前列腺素或其他能使痛觉受体敏感的物质 （如5-羟色胺、缓激肽等） 的合成有关。解热作用则可能是通过下视丘体温调节中枢而起作用，可能与下视丘的前列腺素合成受到抑制有关。口服后自胃肠道吸收迅速、完全（在高碳水化合物饮食后服药可能降低吸收），吸收后在体液中分布均匀，约有 25%与血浆蛋白 结合。

4、小量时（血药浓度v 60卩g/ml）与蛋白结合不明显，大量或中毒量则结合 率较高，可达43%。该品9095%在肝脏代谢，主要与葡糖醛酸、硫酸及半胱 氨酸结合。中间代谢产物对肝脏有毒性作用。 半衰期B 般为14小时（平均 2小时），肾功能不全时不变，但在某些肝脏疾患者可能延长，老年人和新生儿 可有所延长，小儿则有所缩短。口服后0.52小时血药浓度可达峰值，剂量在 650mg以下时血药浓度为520卩g/ml，作用持续时间为34小时。哺乳期间 妇女服用该品650mg 12小时报乳汁中浓度为1015卩g/ml ;半衰期B为 1.353.5小时。该品主要以与葡糖醛酸结合的形式从肾脏排泄，24小时内约有3

5、%以原形随尿排出。具有退热镇痛作用，通过升高痛阈而达到止痛目的；通过对下丘脑体湿调节中枢产生作用而达到退热目的。能有效地缓解疼痛和发热，用于头痛、关节疼痛、肌肉疼痛、牙痛、痛经、产后和手术后疼痛或感冒引起的发热及其 它不适症状。关键字：对硝基苯酚钠； 酰化罐；曲面高度；粘度1. 设计任务书日产量：16吨釜个数：1个每天生产2批设计参数及要求设计压力釜体内0.3MPa夹套内0.4MPa设计温度釜体内190C夹套内230 r介质釜体内有机溶剂夹套内冷却水或蒸汽腐蚀情况微弱传热面积210.72m搅拌型式圆盘涡轮式平直叶搅拌器转速150r min功率4.82kw反应釜操作容积311.06m反应釜设备容

6、积15.8m3筒体壁厚釜体17mm夹套14.2mm采用材料普通碳素钢钢板Q235-B2. 对乙酰氨基酚生产工艺流程对硝基苯酚钠既是燃料或农药的中间体，也广泛应用于制药工业生产，它 的工艺路线较成熟，产量很大，成本低廉，是由氯苯出发经硝化和碱水解等反 应制得的，对硝基苯酚钠再经盐酸化，铁屑-盐酸还原和醋酸的乙酰化等反应制 得扑热息痛。工艺流程：酸化f还原f酰化f精制本设计主要涉及酰化步骤，其工艺流程图如下：3. 物料衡算每天生产9吨对乙酰氨基酚（不计分离工程损失），已知对氨基苯酚的转化 率为80%每批操作的辅助时间为1.5小时，投料质量比对氨基苯酚：冰醋酸： 母液（含酸50鸠上）=1:1:1。将

7、料液投入酰化罐内，打开夹层蒸汽，加热 至110C左右，打开反应罐上冷凝器的冷凝水，回流反应4h。物料沸腾，装料系数取0.7。反应前后密度取1300kg - m。设反应时间为10h。3.1计算反应器有效容积V每天生产9t对乙酰氨基酚,h_1则每小时对氨基苯酚用量为8000 丨41724 80%每小时处理的总原料量为：mh =417X 3=1250 kg-h_1每小时处理的原料体积为：h嚅=0.962 m3故反应器的有效容积为：3Vr=Vh (t+t ) =0.962 X (10+1.5)=11.06 m3.2计算反应器总容积VT反应器总容积VT为：Vt =Vr _ 11.0580.7=15.80

8、 m3式中一装料系数，起泡、沸腾的物料，装料系数可取0.6-0.7 ，取装料系数：=0.7。4. 釜体主要结构设计与选型4.1. 反应釜的釜体设计4.1.1确定筒体的直径和高度对液-液相类型选取H/Dj=1.2，估算筒体的内径为I4Vt415.80 门“匕；帀=；曲=2.伽将计算结果圆整至公称直径标准系列，选取筒体直径 Di =2400mm查典型化 工设备机械指导附表 6, D0 =2400标准椭圆封头曲面高度h1=600mm直边高度 h2=40mm封头容积Vh =2.05 m2，表面积Fh =6.6 m2，由附表5得每一米高的筒 体容积 y =4.524 m3，表面积 R=7.55m2.H=

9、15.80-2.05=3.04m4.524筒体高度圆整为 H=3000mm.于是H/Di =3000/2400=1.251.2,复核结果基本符合原定范围4.1.2确定夹套的直径和高度对于筒体内径 Dj =2000-3000mm夹套的内径Dj =Di +200mm.因此Dj =2400+200=2600mm符合压力容器公称直径经估算夹套的高度为V -Vh vr Vh11.07-2.05Vr兀2Di4jr2.4=1.99m选取夹套高度H j =2100mn则H。H-H j =3000-2100=900mm这样是便于简体法兰螺栓装拆的。验算夹套传热面积为F= F1H j Fh = 7.55 2.1

10、6.6=22.46 m2夹套传热面积符合要求。4.1.3确定夹套的材料和壁厚选用Q235-A（即A3钢）为夹套材料，查典型化工设备机械指导附表 3 对板厚为4.5-16m m时得Q235-A （即A3）设计温度为200 E的许用应力二=105Mpa,加套加热蒸汽系统有安全阀，选取加套设计压力p=1.1 pw，即P=0.44Mpa,夹套筒体与内筒的环焊缝因无法取双面焊合作相应的探伤栓查，从安全考虑，加套上所有焊缝均取焊缝系数:=0.60，取壁厚附加量中的钢板厚度负偏差q = 0.6mm，单面腐蚀取腐蚀裕量c2 =1mm。夹套的壁厚计算如下:pDj0.44 26002 105 0.6-0.441.

11、6 =10.71mm凸形圭寸头的壁厚附加量也只考虑 g和c2，加工成型的减薄量由制造厂根据加工条件来确定，以保证壁厚符合图纸数值，设计计算时可不做考虑。取pDj2-0.5pG =0.6mm,c2 =1mm，标准圆形夹套圭寸头的壁厚为1.6 = 10.70mm0.44 26002 105 0.6 - 0.5 0.44圆整至刚板规格厚度并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为 、d = 10.70mm。4.1.4确定内筒的材料和壁厚筒体材料也选用 Q235-A（A3）,筒体受内牙取设计压力位 p = 0.33MPa，设计温度200C，面筒体又受外压作用，设计外压p=0.44Pa所得壁厚大于内

12、压设计的壁厚，贝U按外压稳定设计的壁厚，一定能满足内压强度要求，可不再 做内压设计。考虑到内筒筒体按外压设计，且受双面腐蚀作用，可初选筒体壁厚、n = 17mm，并取 g = 0.8mm,c2 = 2mm。筒体有效壁厚、c =、nc = 14.2mm，Doc240014.2-169内筒受外压作用的计算长度L为被夹套包围的筒体部分加凸形封头高的天津科技大学2009级本科生制药工程课程设计13,h1600L ： H j h2=2100402340mm3 3L/D0 =2340/2400=0.975查化工设备机械基础图 15-4，由D0/、：c =169和L/D 0.975查得系数A=0.00067

13、;再查图15-5，由系数A查得系数B=80Mpa筒外的许用外压为Bp= = MPa p =0.44MPaD /因为PP,且比较接近，所以取筒体 r = 17mm，此时外压稳定和内压强度均能满足要求。筒体的上封头只受内压作用，并不受外压作用，为了便于制造取上封头壁 厚与筒体下封头壁厚相同。4.2. 反应釜的搅拌装置4.2.1. 搅拌器功率计算搅拌器工作时，旋转的叶轮把能量传递给液体，搅拌器所须得功率取决于 内物料的流型和流动程度，它是叶轮形状、大小、转速、位置以及液体性质、 反应釜尺寸与内部结构的函数。搅拌器的型式主要有桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式。本 设计的反应液体为低粘度的均相

14、液体，可以选择桨式、推进式、涡轮式搅拌器。推进式的循环流量较大且动力消耗少，较理想；涡轮式的剪切作用较强，动力 消耗大，对于这种混合过程不适合；桨式的结构较简单，在小容器液体容器中 较适合，但本设计容器较大。，所以本设计，选用推进式搅拌器。其结构类似风 扇扇叶。如下图5-1。推进式搅拌器常用于转速为 100500r/min的场合，其 直径常取釜体直径的0.20.5之间，以0.33最为常见。本设计取d=0.33D=0.8m,取转速n=150r/min。取桨叶螺距等于叶轮旋转直 径。已知反应前后物料密度为1300kg m3。查化工原理上册知道，20 T时，乙 酸的粘度u=11.85mPas;根据对

15、氨基苯酚和乙酸酐与乙酸的质量比值可推导 的：对氨基苯酚的粘度 u=29.58 mPa- s，乙酸酐的粘度u=20.11 mPa- s，以 为其反应比例为1: 1: 1，所以反应釜中的平均粘度u=20.51mPas。n ?Re=(i =0.82X 150X 1300/(20.51 03X60)=101000300。由制药工艺学u图 6-33 查得 G =0.65。由表 6-5 查得=2.1 ; - =18.0。则 Fr=dn2/g=0.8 x 1502/（9.81 x 602）=0.510 ;b=（：-炯 ioRe）/ - =（2.1-炯 1。101000）/18.0=-0.161所以搅拌功率

16、P=：Frb r n3d5=0.65 x 0.510-0.152 x 1300x （150/60） 3 x50.8 =4.82kW4.2.2. 选择搅拌器、搅拌轴和联轴器根据工艺条件要求，由附表16,选取搅拌器外径700mm搅拌轴直径d=50mm的平桨搅拌器700-50 HG5-220-65选择搅拌轴材料为45钢，查教材6表11-1 , 45钢的许用扭应力=30 -40MPa ,计算系数A=113,则搅拌轴的直径为4.82Ip4 82d=S=1133 150 =36mm考虑键槽对轴的强度的削弱和物料对轴的腐蚀，并根据表4-3可取搅拌轴的直径d=40mm查附表23,选择立式夹壳联轴器，公称轴径

17、50mm的联轴器的最大许用扭 矩Mn 530N.m验算联轴器的扭矩，查教材 表11-5，选取载荷系数K=0.5, 联轴器的计算扭矩 jMNj=KM=0.5 x5756M.82/40=329N.mv530 N.m夹壳联轴器标记为联轴器Dg50 HG5-213-654. 3搅拌传动装置和密封装置4.3.1. 选型查教材表18-8釜用立式减速机和附表21，按照搅拌功率和转速选择摆 线针齿行星减速机BLD1-5-2-29Q （Q表示夹壳型轴头）。查附表26,选电动机 Y90L-4，额定功率4.82kW,转速150r/min ,取据线针齿行星减速机传动效率 耳=0.95 （参考表5-3）,减速机输出功率

18、为4.82汇0.95=4.57kW符合搅拌要求参考附表22,根据所选减速机设计减速机机座。根据操作条件选用带衬套及冷却水铸铣填料箱，查附表 19,公称直径D50 的填料箱标记为填料箱pg6 Dg50HG5-214-814.3.2. 校核 LB 和 L1 d桨式搅拌器安装一层，根据安装要求和考虑衬套填料箱有支撑作用，得L用2340mm 参考附表 22 机座 J-A-50 尺寸可得 190mm2.3 ；Li d2340140:16.7 RF型密封面、W类材料、其中等长 双头螺柱采用35CrMoA垫片材料采用内外环和金属带 0Cr18Ni9、非金属带为 柔性石墨、D型缠绕垫的水平吊盖带颈对焊法兰人口

19、标记符号为：人孔 RF IV S-35CM(W. D-2222) 600-4.0 HG/T21524-20055.3. 选择釜体法兰根据筒体内操作压力、温度和筒体直径，查教材 表16-10初选乙型平焊法兰(JB1158-82)，法兰材料为 A3R再查教材 表16-12，公称压力pg6的15天津科技大学2009级本科生制药工程课程设计A3R乙型平焊法兰在操作温度150C时的允许工作压力为0.48Mpa,大于通 体设计压力，所选的乙型平焊法兰，合适。参考教材 表16-15，表16-14选择石棉橡胶垫片和光滑面密圭寸。查附录10,选用乙型平焊法兰光滑密封面，pg6 Dg1200。标记为：法兰GI 6

20、I-1200 JB1158-32记下法兰尺寸供绘图时用。查附表16，选用垫片 1240 200 3JB1161-82。5.4选用手孔、透镜、温度计和工艺接管由附表13,选用光滑密封面的平盖手孔 ApdO, D50 JB569-79 由附表20,选用碳钢带颈视镜Ipg10，D80 HG 进料管口 C1-2采用、56 3.5无缝钢管，法兰出料管口 h采用、76 4无缝钢管，法兰加热蒸汽进口管g采用、40 3.5无缝钢管，法兰冷凝液出口管i和压力表接管e都选用一 32 3.5无缝钢管，配法兰安全阀接管a采用一 45 3.5无缝钢管，配法兰。（由附表25,选用弹簧式 带扳手安全阀，型号）。设计结果见书

21、末所附的反应釜装配图。6. 热量和传热面积6.1. 热量计算设计容器内温度t2为：190C，夹套内温度t1为：230r;醋酸的比热容 c=2.19kJ/kg/k ;由投料质量比对氨基苯酚：冰醋酸 =1:1得两者摩尔比为2.5 则反应液的比热容 C=2.5c。釜体内径D1为：2400mm夹套内径D?为：2600mm 则加热反应物和溶剂所需热量 Q为：Q 二Cm t =2.5 2190 1251190-25 =1.13 109J6.2. 传热面积计算甘 230 - 25 = 205 C,T2 =230-190=40 C ,贝帚:t = T1 一丁2 = 205 一 40 =101C .T1205I

22、nInT240在本设计实验中，只考虑从室温25C到反应温度190C的时间，设其反应时间 t=2.5h,所以其热量流率 q=Q/t=1.13109/（3600 2）=156944.4J/s所以传热面积为：A= q156944.4 = =10.72 m2Kt 145 101式中K 传热系数。由化工原理4上册P286知有机溶剂与有机溶剂之间传热，K值115340,本设计取145。已算的实际总传热面积F=22.46m2（根据设计夹套尺寸计算得到）A,可用。心得体会看到课程设计的时候，感觉很迷茫，一方面考研复习紧张，加之考试时间 近在眼前，总觉得时间不够用，结果还有这么复杂的课程设计需要做，似乎有 种力

23、不从心。每个人都希望自己能够做好每一件事情，可是却不一定实现。就 像这次课程设计，我在紧张地考研气氛之下，做着这些看着就头晕的数字组成 的各种公式，感觉有种做不完的感受，总是听说要急中生智，结果还是急的焦 头烂额。不过，经过几天的琢磨，大家找到了计算方法，几个人在一起讨论，集中 大家的智慧，在这个紧张的时间里，我们还是认真地做出了结果。通过此次课程设计，了解了工业中对制作夹套反应器的基本知识及流程， 同时对对乙酰氨基酚的工业生产也有了一定的了解，虽然在计算之中遇到很多 自己无法解决的问题，但经过与同学交流，共同探讨之后，也能够解决多数， 在讨论的过程中，我们每个人都加深了对此次计算流程的知识，对于间歇式夹 套反应器，从开始的无知，至V现在的了解，也使我们学到了许多课本上无法学 到的东西，经过亲自处理，比起理论的去接受乏味的文字要接受的快得多。尤 其是对反应釜各部件的工艺计算，虽然计算繁琐，却也令我们接触了有关工厂 制作反应器的程