年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺的设计说明

1、制药工程专业课程设计任务书专业_#_班级2姓名 #设计题目：年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺设计设计时间：2015.10.8-2014.11.13。设计内容和要求：1、确定工艺流程及净化区域划分；2、详细叙述制备工艺及设备的工作原理、结构组成及关于此工艺及设 备的国内外的现状、研究前沿。3、物料衡算、热量衡算、设备选型及设计（按间歇操作考虑，每年开 工300天）；4、按规范要求设计车间工艺平面图；5、画出带控制点、辅助管线的物料工艺流程图；6、反应器的安装图（平、立、剖面图 1： 50）7、编写设计说明书。设计成果：1、设计说明书一份，包括工艺概述、工艺流程及净化区域划分说明、 物

2、料衡算、热量衡算、工艺设备选型说明、工艺主要设备一览表、车间工 艺平面布置说明、车间技术要求。2、工艺平面布置图一套（1： 100）；3、带控制点及辅助管线的物料工艺流程图（1： 100）；4、反应器的安装图（平、立、剖面图 1： 50）。目录1设计依据及设计基础 11.1设计依据 11.2生产能力 11.3产品规格 11.4原辅材料技术规格 22工艺说明 32.1工艺概述 32.1.1 氯化法 32.1.2 乙撑亚胺法 4酯化法 4工艺设备及生产现状 52.2工艺流程说明 62.2.1 牛磺酸生产方法 6工艺流程叙述 83物料衡算 93.1概述 93.2衡算过程 93.2.1 确定每批产量

3、9每批主要原料投料量计算 9化学反应过程衡算 103.3物料流程框图 124能量衡算 164.1概述 164.2能量衡算依据 16设备的热量平衡方程式 16热量衡算基础数据计算与查取 184.3热量衡算过程 194.4热量衡算结果 225设备选型 225.1设备选型的依据 225.1.1 设备选型的原则 22设备材料选择依据 23主要设备选型 235.2设备选型计算过程 245.2.1 反应釜选型计算 24储罐设备选型计算 26过滤器选型计算 27干燥器选型计算 28冷凝器选型计算 285.3主要设备一览表 296车间布置 296.1概述 296.2布置依据 306.3布置原则 306.4车间

4、布置说明 316.5车间工艺平面布置图 327节能与环保 337.1回收利用 337.2环保与安全 34危险性概述 34急救措施及泄露应急处理 34安全防护 35参考文献 35附录 361设计依据及设计基础1.1设计依据本设计的题目为“年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间设计”，设计依据 为制药工程专业课程设计任务书和相关规范及标准：药品生产质量管理规范（2010年修订）医药工业洁净厂房设计规范2010GMP实施指南-原料药2010GMP实施指南-厂房、设施和设备中华人民共和国药典（二部）生产过程安全卫生要求总则（GB/T 12801-2008 ）工业企业设计卫生标准（GBZ1-20101

5、.2生产能力本车间为生产原料药牛磺酸的合成工段，其年产量为200t/a，含量为99%以上。年总工作日300天，考虑到生产周期约为1天，每天生产2批，则每批次需生产牛磺酸 成品 333.3Kg。1.3产品规格牛磺酸（1） 中文名称：牛磺酸（2-氨基乙磺酸），又名牛胆酸、牛胆素（2）英文名称：Tauri ne（3）分子式：QHQNS（4）分子量：125.14（5）质量规格：企业标准，25Kg/桶（6）主要物理性质及用途：本品为白色晶体或结晶型粉末，无臭无毒、味微酸，熔点 328329C（分解），较 易溶于水，微溶于95%勺乙醇，不溶于无水乙醇、醚、烃等有机溶剂。牛磺酸最早由牛黄中分离而来，是一种非

6、蛋白质类氨基酸，具有独特的药理及营养保健作用。广泛应用于医药、食品添加剂、荧光增白剂、有机合成等领域，也可用于生化试剂、湿润剂、pH缓冲剂等。1.4原辅材料技术规格本车间产品牛磺酸生产所涉及到的原辅料见下表1-1表1-1牛磺酸生产工艺用原辅料名称状态常温分子量工业级含量熔点沸点密度g/mL(25 C)溶解度乙醇胺液体61.08> 99%10.5170.51.011与水、乙醇混溶浓硫酸液体98.08> 98%10.353381.840与水混溶甲苯液体92.14> 99%94.99110.630.862微溶水，溶于多数有机溶剂无水乙醇液体46.07> 99%114.178.

7、50.804与水、多数有机溶剂混溶纯化水液体18.02符合药典标准01001.000与乙醇互溶，微溶有机溶剂亚硫酸铵固体116.14> 99%60-701501.410溶于水，微溶于醇2工艺说明2.1工艺概述牛磺酸的生产方法一般有两种：一种方法是从动物内脏中提取，另一种方法为合成 方法。因为动物内脏中提取含量极少，所以工业上获取牛磺酸主要应用合成的方法。根据合成原料的不同，牛磺酸的制备方法主要有乙醇胺硫酸酯化法、 乙醇胺氯化法、羟基 乙醇法、2-氨基乙醇法、亚乙基亚胺法、乙二磺酸酐法等十多种。目前，国内外多数生产厂家采用乙醇胺法来生产牛磺酸， 该方法原料易得，合成工 艺简单，设备投资少。

8、以乙醇胺为原料合成牛磺酸，按合成路线又分为氯化法、乙撑亚 胺法和酯化法。2.1.1 氯化法氯化法以乙醇胺、盐酸、亚硫酸钠为原料，反应分氯化、磺化两步进行，经过2-氯乙胺盐酸盐中间体合成牛磺酸，反应方程式如下：HCl-NHjCMjCHjCI + Na2SO3 该方法原料易得，但反应条件难控制，收率仅能达到 48%在氯化法中，有工艺以 乙醇胺盐酸盐与氯化亚砜为原料， 以甲苯作溶剂，先反应生成氯乙胺盐酸盐，然后产物 再与亚硫酸钠反应生成牛磺酸。1989年，德国的D.Pauluth等人在等当量的羧酸中，氯化亚砜与乙醇胺盐酸盐 按化学计量式于60C下反应7h，得到a-氯乙胺盐酸盐，产率接近理论值，高达9

9、9.1%, 副产物为气体，不需要对产物进行分离。然而，该法反应条件要求苛刻，而且成本高。 此外，氯化亚飒具有剧毒性、腐蚀性、催泪性、易挥发性、且有强烈的窒息性气味以及 遇水强烈反应等特点。因此，此方法并不具备市场竞争力，至今未被工业化。另一德国 专利2采用37%勺盐酸与溶于甲苯中的乙醇胺进行反应，于110C下共沸除去水分，冷却至50C后加入NH4CI催化剂，然后滴加氯化亚砜生成 2-氨乙胺盐酸盐。该工艺收率 较高，但成本也高，且使用有毒的甲苯以及氯化亚砜作溶剂，因此也不是理想的生产工-f-p乙。乙撑亚胺法80年代初，美国联合碳化公司的 等人以乙醇胺经过气相催化脱水环 化合成乙撑亚胺，然后用硫酸

10、开环加成制备牛磺酸。反应方程式如下：H "卄口 nu 叫沬 CH2CH2 H虑或 NH4HSQ)-小HgNCHfH/DH H ° 、/ 2 H2NCHCH£SO3H2NH日本催化剂化学公司对此反应的催化体系做了广泛研究，典型的催化体系是以体 积比为98:3的氮气雾化乙醇胺，在装填有Csb.oBcb.i P0.8催化剂的反应塔内发生分子内环 化反应生成乙撑亚胺，再将其蒸发之后直接与亚硫酸氢铵反应制得牛磺酸，产率可达 84%该工艺的特点是投资少、成本低，不需要分离副产物，工艺较先进，国外己经在 上世纪八十年代末投入工业化生产。尽管乙撑亚胺法生产牛磺酸的收率较高， 但由

11、于乙撑亚胺具有剧毒性、沸点低易挥 发，容易发生聚合爆炸，原料的储存和运输具有很大的困难。 从可持续发展和绿色化工 的观点来看，显然也不是最佳的工艺路线。酯化法由于氯化法和乙撑亚胺法合成牛磺酸的工艺中大多存在有毒物质参与、反应，或者是生产成本较高，制约了牛磺酸的大规模工业生产，因此以乙醇胺为原料酯化法合成牛 磺酸成为当今国际上牛磺酸生产企业采用最多的一种生产方法。该反应以乙醇胺、硫 酸、亚硫酸钠或亚硫酸铵为原料，首先硫酸与乙醇胺进行酯化反应合成中间体2-氨基乙醇硫酸醋，中间体2-氨基乙醇硫酸醋再与亚硫酸钠或亚硫酸铵进行磺化反应合成牛 磺酸。反应方程式如下：NH1CHICHiOH + H,SOJ,

12、=iNHaCHsCH.OSO3ll + H3ONHfCH2CII2OSO3H+ NaSO,NIipCJSOH + NajSO,或NH.ClIjCHjOSOjH + (NH J SO.> NH2CH :CH2SO3H 4 (NHJS0在合成牛磺酸的第一步酯化反应过程中，乙醇胺与浓硫酸直接混合，会产生大量的 热，这样会使乙醇胺炭化，所以实验室合成需采用冰浴环境，并采取滴加浓硫酸的方法 进行。加入浓硫酸的时候温度控制在 10C以下，加入50%&硫酸温度可控制在20C以 下。同时酯化反应为可逆反应，需完全脱水， 而常压需加热至120160 C,温度过 高不但操作困难，且易产生杂质。本法采

13、用加入带水剂甲苯的方法，既降低了脱水反应 温度，又不影响脱水程度，产物易于处理。当前，单乙醇胺酯化转化率可达98鸠上，但牛磺酸的收率却很低且成本偏高。这 是因为磺化反应才是该合成工艺路线的控制步骤，磺化时加热回流所需时间长、能耗 大，且2-氨基乙醇硫酸酯易水解，反应产物牛磺酸和无机盐难以分离。日本学者山本 勇等针对磺化反应中存在的问题进行了改进，通过通入氨气添加适量的硫酸酯抑制水 解反应，并采用电渗析脱盐，可提高牛磺酸收率达 90%上。但是，目前我国在工业上 采用酯化法生产牛磺酸的收率仅为 53流右，能耗和成本高，与国外工艺相比还有很大 差距。因此，缩短酯法的反应时间，提高牛磺酸和无机盐分离收

14、率是我国牛磺酸合成研 究者和生产企业所面临的难题和挑战。工艺设备及生产现状我国是20世纪80年代初开始牛磺酸生产的。首先由中科院应用化学研究所与长春市春城制药厂合作试制牛磺酸成功并投入生产，随后相继有上海第二制药厂等近40家企业上马投产。其中，产量最大的是南京制药厂1500t/a ，与国内外蓬勃发展的需求相比有很大差距5。目前，我国牛磺酸行业面临的主要问题：一是收率低。目前国内大部分企业牛磺酸 生产的总收率只有约52%接近其成本收率49%导致成本高，效益低，严重制约了牛 磺酸的生产和发展。为此，各相关企业、大专院校和科研单位应积极进行牛磺酸制备技 术的研究与开发，不断改进和完善牛磺酸的合成工艺

15、或寻求更加经济合理的工艺路线， 以提高收率和品质，降低成本，增强市场竞争力。二是生产企业多，规模小，竞争混乱。 虽然近年来上马的牛磺酸生产线较多，但大多数企业的规模较小，一般为100-200t/a， 有的只有几十吨，且技术和管理落后，没有市场竞争力。同时，众多企业都来分割这块 “市场蛋糕”，不少企业相互压价销售，市场竞争处于混乱状态，直接损害了牛磺酸行 业的整体利益。所以，应加强行业联合，发展规模经济， 全行业统一协调，统一布置，实施行业自律，建立良好的市场秩序，提高全行业整体经济、技术、管理水平和抗风险 能力。还要加强国际合作，积极开发国际市场，将更多的产品销往国外。三是消费量少。 这也在很

16、大程度上影响了牛磺酸生产的发展。 要积极进行牛磺酸的应用研究，开发出适 合不同消费群体的各种牛磺酸产品，以扩大牛磺酸的消费，激活国内潜在市场，促进国 内牛磺酸行业的快速发展。2.2工艺流程说明牛磺酸生产方法（1）反应过程本次课程设计采用酯化法生产牛磺酸。该方法以乙醇胺、硫酸、亚硫酸铵为原料, 首先硫酸与乙醇胺进行酯化反应合成中间体 2-氨基乙醇硫酸酯，中间体再与亚硫酸铵 进行磺化反应合成牛磺酸，反应如下：NH CHQH 斗 Hg屮 比0NHCHjCHOSOjH+（NH4j3 S03NHJCH3CHISO3H+（NH）1 SO4（2）工艺过程牛磺酸合成工艺流程框图如下：混含液曰苯<W

17、63;°3 厂无氧水（磺化硫酸酯磺化液提纯工段图2-1牛磺酸合成工段工艺流程框图（3）操作过程a. 酯化工序冰浴（<20C）下向500mL四口烧瓶中缓缓滴加76mL浓硫酸，电动搅拌至浓硫酸 滴加完毕，撤去冰浴。向反应液中加入140mL甲苯，装上分水装置和冷凝装置，油浴加 热至回流温度110C）,无明显水分时停止加热，抽滤得到粗酯；然后用无水乙醇洗涤， 烘干后得到2-氨基乙醇硫酸酯。以甲苯作为带水剂、乙醇胺与浓硫酸摩尔比为0.95、带水剂用量为乙醇胺体积的1.75倍时为较佳的工艺条件。此条件下，乙醇胺的转化率可达95.1%左右。b. 磺化工序在装有冷凝回流装置的四口烧瓶中加入煮沸

18、过的蒸馏水，通入氨气形成氨气（适 量）保护，在搅拌状态下条件下加入（NH4）2SO，待亚硫酸铵全部溶解后加入 2-氨基乙 醇硫酸酯。加热至105C，反应12h后，停止加热。磺化反应的较优条件为：反应温度为105 °C，反应时间为12h，物料配比（?（ ?引2?3： ?2-氨基乙醇硫酸酯）为1.65，在50 C下加2-氨基乙醇硫酸酯，保持温度 10mi n,投料在1小时内完成。此条件下，2-氨基乙醇硫酸酯的转化率可达到 76.43%左 右。工艺流程叙述（1） 酯化工序：来自乙醇胺计量罐（V102）的料液在重力作用下加入酯化釜（R101） 中，开冷冻盐水和搅拌装置，并向釜中缓慢加入98%

19、&硫酸，向釜内盘管中通冷冻盐水 使釜内温度维持在0 5C,浓硫酸滴加完毕，关冷冻盐水。通过计量泵（P102）向酯 化釜顶部加入一定量甲苯，向釜夹层中通蒸汽加热反应液温度到110C,由于酯化反应为放热过程，过程中需向盘管中通冷冻盐水来控制反应温度。反应生成的水和甲苯以共沸物蒸出，经冷凝器（E101）冷凝到分水器（M10）甲苯与水静置分层，下层水相经 分水装置分离到水贮罐（V104）,甲苯回流到釜中循环使用，待水分全部蒸出时（23h）,继续加热使甲苯全部蒸出，经冷凝回收到甲苯贮罐（V103）。反应完毕后关蒸汽和 搅拌，将釜内反应液由釜底泵（P101）入降温釜，经冷冻盐水降至室温后泵（P10

20、3）入 过滤器（M102，滤液排入废液池。由过滤器顶部加入无水乙醇洗涤，洗涤液回收到废 液储罐（V106）,洗涤后的滤饼放入真空回转干燥机（D101）中干燥，冷却后通过电子 称（W101计量运输到下一工序使用。（2） 磺化工序：将提纯工段溶剂回收得来的水溶液与沸水经配水罐（V203）配得 温度约50r的无氧水，泵（P202）入到磺化釜（R201A.B）中，再向釜中通氨气使釜内 形成无氧环境。开搅拌，向釜中投入原料亚硫酸铵，待其全部溶解后再向釜中缓慢投入 酯化工序产品硫酸酯，投料在50E下、1小时内完成。然后向夹层中通蒸汽加热至105C, 反应约12小时后停止加热得磺化液，泵（P203）入磺化液

21、贮罐（V204A.B）中冷却放 置，进而用于提纯分离工段。3物料衡算3.1概述在进行车间工艺设计时，当生产工艺流程确定以后就可以进行车间物料衡算。通过计算，得出车间所处理的各种物料的数量及组成， 从而使设计由定性转向定量。物料衡 算结果的正确与否将直接关系到车间工艺设计的可靠程度。只有经过车间物料衡算，才能得出进出于每个过程或设备的各种物料的质量、 组分和含量。这就是进行物料衡算的 目的。本次物料衡算以质量守恒定律为基础，以设备为单位对其每天进出物料量进行衡 算，之后计算出各物料的单耗和年消耗量。3.2衡算过程确定每批产量牛磺酸年产量200t，生产300天，每天投料两次，生产两批每批产量：33

22、3.33kg每批主要原料投料量计算从后往前推算：产品最终含牛磺酸的量=产量X含量=333.33 X99%= 330.00kg设热过滤后滤饼中含牛磺酸的量为 W每步物理过程收率以99%十由于第一次结晶率为67.94%,第二次结晶率为60.00%,贝U有下式:WX67.94%+ WX(1 - 67.94% X60.00%X99% X99%= 330.00求解得 W= 383.14kg热过滤收率以95%十热过滤前牛磺酸的的量为383.1495% = 403.31kg盐析后牛磺酸的量为403.31话=4°7.38kg即磺化液中牛磺酸的量为407.38kg磺化反应收率为76.43%,即m2-氨

23、基乙醇硫酸酯？牛磺酸407.38X 76.43%= 彳，=Art- a a141.15125.14125.14磺化反应所需2-氨基乙醇硫酸酯的量=601.20kg酯化工序中物理过程收率以99%十酯化反应生成2-氨基乙醇硫酸酯的量为=699%0 = 619.60kg酯化反应收率为95.1%,即m2-氨基乙醇硫酸酯141.15反应所需乙醇胺的量=281.94kg619.60?乙醇胺141.15= 61.08X95.1%实际投入乙醇胺的量为281.94-= 284.79kg，其中杂质的量=2.85kg化学反应过程衡算中间物2-氨基乙醇硫酸酯的制备(1)反应过程由该反应平衡关系可得消耗的反应物的量与生

24、成物的量的关系式如下:乙醇胺 硫酸m2-氨基乙醇硫酸酯619.60?水61.08 = 98.02 =141.15= 141.15= 18.02即：反应掉乙醇胺的量=268.12kg，硫酸的量=430.28kg生成水的量=79.10kg , 2-氨基乙醇硫酸酯的量=619.60kg已知该反应最佳条件为：乙醇胺和浓硫酸摩尔比为0.95281 94浓硫酸的用量=61.08；Q95 X 98.02 = 476.27kg实际投入浓硫酸的量=需% = 485.99kg，杂质含量=9.72kg反应后剩余硫酸的量=47627 - 430.28 = 45.99kg剩余乙醇胺的量=281.94 - 268.12=

25、13.82kg已知带水剂甲苯用量为乙醇胺体积的1.75倍甲苯用量=281.941.011X1.75 X 0.862= 420.68kg实际甲苯投量_420.68=99%=424.93kg，杂质含量=4.25kg回流反应到无水分时，分水率以 100%计，分出水量=79.10kg最终甲苯回收量=420.68 X99%=416.47kg(2) 抽滤过程(物理过程收率以 99%+)滤饼中各组分的量：2-氨基乙醇硫酸酯量=619.60 X99%=613.40kg硫酸量=45.99 xi%=0.46kg乙醇胺量=13.82 X1%=0.14kg甲苯量=4.21 X1%=0.04kg滤液中各组分的量：2-氨

26、基乙醇硫酸酯量=6.20kg硫酸量=45.53kg乙醇胺量=13.68kg甲苯量=4.17kg(3) 洗涤过程设洗涤剂无水乙醇用量为待洗物 2-氨基乙醇硫酸酯量的50%即无水乙醇量=613.40 X50%= 306.70?实际投无水乙醇量=309%0= 309.80kg，杂质含量=3.1kg洗涤后固相：2-氨基乙醇硫酸酯量=613.40 X99%= 607.27kg乙醇量=306.70 x 1%= 3.07kg液相：乙醇量=303.63kg2-氨基乙醇硫酸酯量=6.13kg杂质量=0.64kg (硫酸量=0.46kg，乙醇胺量=0.14kg，甲苯量=0.04kg )(4) 干燥过程固体：2-氨

27、基乙醇硫酸酯量=60727 X 99%= 601.20?废气：乙醇量=3.07kg3.2.2.2 目的产物制备已知该反应投料比为？亚硫酸铵:?2-氨基乙醇硫酸酯=1.65需亚硫酸铵量60120141.25X116.14 X 1.65 = 816.21kg实际投入亚硫酸铵量=816.21/99%=824.45kg，杂质量=8.24kg50C下，亚硫酸铵在水中溶解度为 46.4g/100ml水溶解投入的亚硫酸铵所需水量=84621 X100= 1759.07kg此时为饱和溶液，因此取实际用水量为2000kg其中70刑来自溶剂回收，30%为配水量=600kg已知反应方程NHHH.OSOjH 4(NH

28、 j SO3 > NH 2CH 3CH 2SO3 H + (Nil,). SO,由该反应平衡关系可得消耗的反应物的量与生成物的量的关系式如下:m2-氨基乙醇硫酸酯？亚硫酸铵m硫酸铵？牛磺酸 407.38反应消耗量：141.15116.14132.13125.14125.142-氨基乙醇硫酸酯量=459.50kg，亚硫酸铵量=378.08kg生成量：牛磺酸量=407.38kg，硫酸铵量=430.14kg磺化液中各组分量:牛磺酸量=407.38kg2-氨基乙醇硫酸酯量=601.20 - 459.50=141.70kg亚硫酸铵量=816.21- 378.08 = 438.13kg硫酸铵量=43

29、0.14kg水量=2000kg杂质量=78.30kg3.3物料流程框图以上衡算过程，绘制成框图如下乙醇胺组成质量Kg质量分数%乙醇胺281.9499.00杂质2.851.00合计284.79100.00浓硫酸组成质量Kg质量分数%硫酸476.2798.00杂质9.722.00合计485.99100.00混合反应料770.78馏岀液组成质量Kg质量分数%水79.1089.60甲苯416.474.82杂质5.135.58合计500.7100.00甲苯组成质量Kg质量分数%甲苯420.6899.00杂质4.251.00合计424.93100.00酯化液组成质量Kg质量分数%硫酸酯619.6080.3

30、9水79.1010.26硫酸45.995.97乙醇胺13.821.79杂质12.271.59合计770.78100.00酯化反应反应料1195.71原料及中间体主要反应过程滤饼组成质量Kg质量分数%硫酸酯613.499.88杂质0.750.12合计614.15100.00无水乙醇组成质量Kg质量分数%乙醇306.7099.00杂质3.101.00合计309.80A CC CC100.001r固相组成质量Kg质量分数%硫酸酯607.2799.49乙醇3.070.50杂质0.050.01合计610.39100反应料695.01洗涤反应料923.95 |组成质量Kg质量分数%硫酸45.5356.30

31、乙醇胺13.6816.92硫酸酯6.207.67甲苯4.175.16杂质11.2813.95合计80.86100.00液辭目组成质量Kg质量分数%乙醇303.6396.83硫酸酯6.131.96杂质3.801.21合计313.56100干燥反应料610.39废气组成质量Kg质量分数%乙醇3.0733.41杂质6.1266.59合计9.19100酯化物组成质量Kg质量分数%硫酸酯601.20100.00合计601.20100.00亚硫酸铵组成质量Kg质量分数%亚硫酸铵816.2199.00杂质8.241.00合计824.45100.00磺化反应反应料3495.65回收溶剂组成质量Kg质量分数%水

32、1400.0095.00杂质70.005.00合计1470.00100.00热水组成质量Kg质量分数%水600.00100.00合计600.00100.00磺化液组成质量Kg质量分数%牛磺酸407.3811.65水2000.0057.22亚硫酸铵438.1312.53硫酸铵430.1412.31硫酸酯141.704.05杂质78.302.24合计3495.65100.00图3-1牛磺酸合成工段物料流程框图4能量衡算4.1概述当物料衡算完成后，接下来的工作就是进行能量衡算，决定过程所需要的能量，计 算生产过程能耗指标，对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺。对于没有传热要求的设备，可

33、以由物料处理量、物料的性质和工艺要求进行设备的 工艺设计，以确定设备的型式、台数、容积及主要尺寸。 对有传热要求的设备，则必须 通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。4.2能量衡算依据能量衡算是以车间物料衡算的结果为基础进行的，所以，车间物料流程框图是进行车间能量衡算的首要条件与基础。能量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达形 式为能量守恒基本方程：由环境输入到系统的能量=由系统输出到环境的能量+系统 内积累的能量。对于车间工艺设计中的能量衡算，许多项目可以忽略，而且车间能量衡算的目的是 要确定设备的热负荷，所以，能量衡算可简化为热量衡算。设备的热量平衡方程式对于有传热要求的设备，其热

34、量平衡方程式为：Q + Q2+ Q3 Q4+ Q5 + Q6式中：Q物料带入到设备的热量kJQ2加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量kJQ3过程热效应kJQ4物料离开设备所带走的热量 kJQ5加热或冷却设备所消耗的热量 kJQ6设备向环境散失的热量kJ在热量衡算过程中的 Q,即设备热负荷，是衡算的主要目的。(1) Q与Q4的计算Q (Q4)艺 m t C p式中n输入（或输出）设备的物料量kg物料的平均比热容kJ/ （kg C ）t物料的温度C该式的计算基准是标准状态，即 0 C及1.013 x 105 Pa时的状态。因为物料的比 热容是温度的函数，应取定性温度下的比热容，这里采用计算公式

35、计算出物质的比热 容，因此假设其不随温度变化，取为定值。（2）Q3的计算化学过程的热效应包括化学反应热与状态变化热。纯物理过程只产生状态变化热。 在热量衡算中，过程热效应 Q的符号为：放热为正，吸热为负。其中化学反应热CR的计算：为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为298K及标准大气压时反应热的数 值为标准反应热，习惯上用 H表示，负值表示放热，正值表示吸热。这与在热量衡 算中所规定的符号正好相反，为避免出错，现用符号qr表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则q二 H标准反应热的数据可以在 化学工程手册或化学工艺设计手册 中查到；当缺乏数 据时用标准生成热或标准燃烧热求得。此次设计采用标

36、准生成热求qr，其公式为：qr = 一艺 vq f式中v反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正qf 标准生成热kJ/mol反应物及生成物在（25t） C范围内均无相变化，则qtr的计算公式为：qtr = q r （t 25）（ 2vC p）式中qr 标准反应热kJ/molv反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正0）反应物或生成物在（25t） C范围内的平均比热容kJ/ kg C状态变化热CV的计算状态变化热是指只发生物质聚集状态或浓度变化的过程中产生的热效应，放热为 正，吸热为负。综合化学反应热效应（Qr）与状态变化热效应（Qv）的Q的计算公式为:Q= Q+ Q(3

37、) Q与Q的确定根据大量实践计算经验，(Q5+ Q6)通常为(Q4+ C5+ C6)的5%- 10%只要计算出Q, 就可以确定(Q5 + Q6)，从而计算出Q。(4) Q2的计算由以上计算过程得到 Q、Q3、Q4、Q5、Q6后，根据公式求出设备的热负荷 Q2。Q2正 值表示需对设备加热，负值表示需冷却。热量衡算基础数据计算与查取固体化合物和有机化合物的比热容为：Cp=2 NiCi/M式中M化合物摩尔质量，kg/kmolNi分子中i元素原子数Ci i元素原子的摩尔热容，J/(kmolC )其中Ci查取自制药工程工艺设计P91表4-4元素原子摩尔热容经计算得出各物质的比热容，查取化学工艺设计手册，

38、得各物质的物性参数表见 下表：表4-1各物质的物性参数参数M(g/mol)p (g/ml)Cp(kJ/kg k) fH(kJ/mol)乙醇胺61.081.0113.36201.60浓硫酸98.021.8401.46813.99水18.021.0004.18285.83乙醇46.070.8042.38235.00甲苯92.140.8621.1250.002-氨基乙醇硫酸141.151.7822.061200.00酯牛磺酸125.141.7342.091360.97亚硫酸铵116.141.4101.36900.52硫酸铵132.131.7701.421180.854.3热量衡算过程（1）酯化釜混料

39、阶段：（温度控制在5C左右）Q=281.94 X3.36 X 25+ 476.27 X 1.46 X25= 4.11 Xl04kJQ=03Q=281.94 X3.36 X 5+ 47627 X1.46 X5 = 8.21 X10 kJQ 0,低温混料，散热损失，Q60344Q2= Q4+Q+Q- Q- Q=8.21 X 10 - 4.11 X 10 = - 3.29 X 10 kJ计算表明，料液混合阶段需供冷量为 329 X104kJ加热回流反应阶段：（温度控制在110C左右）Q=281.94 X3.36 X 5+ 47627 X1.46 X5+ 420.68 X1.12 X25= 1.99

40、X 104kJQ包括反应放热和状态变化热，即Q = Q?+ QVQ包括硫酸稀释放热Q V1和甲苯水汽化吸热Q V2两部分查制药工程工艺设计P95式4-47得：1357?q = 766.2- ?749式中q 1kg 一定浓度的硫酸被无限量的水稀释放出的热量，kJ/kg硫酸n 硫酸溶液中水的质量分数，%kg且有Q/1 = Q分离酸+ ?稀释酸=?原 ?原 - ?反？反-?残？残原硫酸（98% : ?原=485.99?, n=2, ?原 = 766.2 -哙# = 712.98kJ/kg 反应中：？反=430.28?，n = 0,?反=766.2 - 0= 766.2kJ/kg残液中：硫酸量=45.

41、99kg，水量=79.10kg，?残 = 45.99+ 79.10= 125.09kg小小1357x63.23n=79.10/125.09=63.23%，?残 = 766.2- 6323+ 49 = 1.67 kJ/kgQ/1 = 485.99 X 712.98 - 430.28 X 766.2 - 125.09 X 1.67 = 1.66 X104kJ查110C下，甲苯汽化热为 371.25kJ/kg，水汽化热为2232.4kJ/kg5QV2 = - (371.25 X 416.47 + 2232.4 X 79.10) = - 3.31 X10 kJQV = QV1 + QV2 = 1.66

42、 X10 - 3.31 X 10 = - 3.14 X10 kJqr=- H°=- (- 1200- 285.83+ 813.99+ 2016) = 470.24kJ/molqtr =470.24- (110- 25) X (4.18+ 2.06 - 3.36 - 1.46) = 349.54kJ/mol10005QR=349.54 X、X 430.28 = 1.53 X 10 kJ98.02Q=1.53 X105 - 3.14 X105 = - 1.61 X105kJQ=619.60 X2.06 X 110+ 79.10 X 4.18 X110+ 45.99 X1.46 X110+

43、 13.82 X53.36 X110+ 420.68 X1.12 X 110= 2.41 X105kJQ+ Qe= (Q +Q5+Q6)X 10%f0.1 Q4 /0.9=2.68 X 104kJQ2 =2.41 x105 + 2.68 X104- 1.99 X104 + 1.61 X105=4.09 X 105kJ计算表明，酯化反应过程需供热量 4.09 X 105kJ(2) 降温釜进料温度105 C，出料温度25 EQ=619.60 X2.06 X 105+ 45.99 X 1.46 X110+ 13.82 X3.36 X105+ 4.21 X1.12 X105= 1.46 x105kJQ

44、=0Q=619.60 X2.06 X 25+ 45.99 X1.46 X25+ 13.82 X3.36 X25+ 4.21 X41.12 X25= 3.48 X104kJ3Q+ Q6= (Q +Q5+Q6) X 10%f0.1 Q4 /0.9=3.87 X 103kJ4355Q2 =3.48 X10 +3.87 X10 - 1.46 X10 = - 107 X10 kJ计算表明，降温釜需供冷量为107 x105kJ(3) 干燥过程选用真空干燥机，真空度 >0.08MPa取干燥温度为45C4Q=607.27 X2.06 X 25+ 3.07 X2.38 X25 = 3.15 X10 kJ在

45、45C下，查得乙醇汽化热为 41.86kJ/mol1000 3Q3二 41.86 X X3.07= - 2.79 X 10 kJQ4=607.27 X2.06 X 45 + 3.07 X2.38 X45 = 5.67 X104kJQ+ Q6= (Q +Q5 +Q6)X 10%f0.1 Q 4 /0.9=6.3 X 103kJQ2=5.67 X104 +6.3 X103- 3.15 X104 + 2.79 X103= 3.43 X 104kJ计算表明，干燥过程需供热量为3.43 X 104kJ(4) 磺化釜投料温度25 r，进水温度50 r，出料温度105 CQ=601.20 X2.06 X25

46、+ 81621 X 1.36 X25+ 2000 X4.18 X50= 4.77 X105kJQ考虑反应热Q和溶解热Qqr=- H°=- (- 1360.97- 1180.85 + 1470.04+ 900.52) = 171.26kJ/mol qtr =171.26- (105- 25) X (1.42+ 2.09 - 1.36 - 2.06) = 164.06kJ/mol1000 5QR=164.06 X- X 407.38 = 5.34 X10 kJ查制药工程工艺设计P94式4-39和4-40得：固体溶解热=熔融热 Hm= 4.187普，T=TbX式中 AHm熔融热，kJ/kg

47、Tm熔点，KTb沸点，KM摩尔质量，g/molK 1，K常数，取自P94表4-6查亚硫酸铵的T b=150E，取 Q0.72，Tm=( 150+ 273.15) X0.72=304.67 K卄r304.67X5取 K1=5，贝U AHm= 4.187 X = 54.92kJ/kg查2-氨基乙醇硫酸酯的T m= 275 r= 548.15?，取K1=10548.15X10 Hm= 4.187 Xi4i 15 = 162.60kJ/kg5Q=54.92 X816.21+ 162.60 X 60120= 143 X 105kJ555Q3=Q+QV=5.34 X105 + 1.43 x105=6.77

48、 X 105kJQ4=141.70 X2.06 X 105+ 438.13 X1.36 X105+ 2000 X4.18 X105+ 407.38 X2.09 X105 + 430.14 X1.42 X105= 1.12 X 106kJQ+ Q6= (Q +Q5+Q6)X 10%f0.1 Q4 /0.9=1.24 X 105kJQ2=1.12 X106 + 1.24 X105- 4.77 X105- 6.77 X105 = 9.0 X 104kJ计算表明，磺化釜需供热量为9.0 x104kJ4.4热量衡算结果以上计算过程汇总为下表：表4-2热量衡算汇总结果表单元过程5?1 X 105kJ5?2

49、 X 105kJ5?3 X 105kJ5?4 X 105kJ5?6 X 105kJ混料阶段0411-0.32900.08210酯化反应0.1994.09-1.612.410.268降温釜1.46-1.0700.3480.039干燥过程0.3150.343-00280.5670.063磺化釜4.770.906.7711.21.245设备选型5.1设备选型的依据设备选型的原则基本原料经过一系列单元反应和单元操作制得原料药，这一系列化学变化和物理操作是在设备中进行的。设备不同，提供的条件不一样，对工程项目的生产能力、作业 的可靠性、产品的成本和质量等都有重大的影响。设备选型的原则：（1）满足工艺要求

50、：满足最大单位产量、适应产品品种变化的要求、高效、操作 可靠、易于清洗、有合理的检测与控制系统；（2）满足GMP中有关设备选型、选材的要求；（3）设备要成熟可靠：设备的性能参数应符合国家、行业或企业标准，与国际先 进设备相比具有可比性，与国内同类产品相比具有明显的技术优势；（4） 要满足设备结构的上的要求：具有适当的强度、刚度、耐腐蚀性，易于安装， 易于操作、维护和检修；（5）要考虑技术经济指标，达到节能要求。因此，选用设备时要根据生产工艺要求和市场供应情况， 贯彻先进可靠、经济合理、 系统最优等原则，按照可行性、维修性、操作性和能源供应等要求，进行调查和分析比 较，确定设备的优化方案。设备材

51、料选择依据根据工艺要求，牛磺酸合成工段主要为酯化和磺化两个工序， 其中酯化工序涉及的 原辅料包含一些有机溶剂和浓硫酸。其中浓硫酸虽具有强腐蚀性，一般由于其强氧化 性，可使反应设备表面形成氧化物保护膜， 选用不锈钢材质即可，但温度升高的情况下 其腐蚀会增大，而酯化反应的控制温度较高，因此选用搪玻璃反应釜，搪玻璃具有耐腐 蚀和易清洗的优点，且其使用温度在-30250C，酯化温度在此范围内。酯化工序的其 它设备温度不高，可选用不锈钢材质。磺化工序涉及了无机盐及其水溶液和氨水等，不含腐蚀性极强的物质，可选用不锈钢反应釜。主要设备选型9（1）反应器选型反应器按结构分类可以分为釜式（槽式）、管式、塔式、固定床、流化床、移动床等各种反应器。其中，釜式反应器在化工生产中具有较大的灵活性， 能进行多品种的生产，既适用于间歇操作过程，又可单釜或多釜串联适用于连续操作过程，具有适用的温度和压力范围宽，操作弹性大，连续操作时温度、浓度易控制，产品质量均一等特点。 本次设计为