牛磺酸加成反应器的设计(共15页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 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： 41 学生姓名： 汉维娟 指导教师： 郭孝天 2011年12 月27日目 录第一章 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）：41000 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密度熔点燃烧热纯度（工业一级）%环氧乙烷44.051.48-112.21262.898.0亚硫酸氢钠104.060.87150.00羟乙基磺酸钠148.1119198.01.3、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：,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 (2) 羟乙基磺酸钠的制备 (3) 牛磺酸钠的制备 (4) 牛磺酸的制备 (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，即式中输入物料的总和；输出物料的总和；累积的物料量。 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。 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： 可知在此条件下，为气相，为固相。如要反应顺利进行，则需以溶液的形式存在，而属于易溶性物质，故取其浓度。反应器中发生的反应为： 年处理量41000吨，生产时间为8000小时，故其每小时处理量为：纯度为98%,则由于该反应器固定，所以其体积恒定。则其处理体积为：其有效体积为：故反应器的体积为：则与完全反应的溶液的理论进料量为：环氧乙烷为气体进料：，亚硫酸氢钠溶液：物料衡算： 3.4 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 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格）：表1.搅拌反应釜釜体的 值 种类釜内物料类型一般搅拌式反应器液固或液液相物料11.3气液相物料12根据本反应物料类型为气液相物料，故而可取本设计中，物料的通入流量，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:由设计条件可知： 可得： 代入数据：求得：反应釜釜体直径 ,归整可取 2400 mm釜体高度 归整可取 4800 mm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过程的热效应：离开设备物料带走的热量设备各部件所消耗的热量设备向四周散失的热量，又称热损失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 由物料衡算过程可知： 进料温度 出料温度 查表可得：气态时 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 可得：4.3.2 的计算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则4.3.3 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。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：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，取由可得：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，归整可取 2400 mm；釜体高度，归整可取 4800 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。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: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500600700180020003000 由上面的 可知，夹套直径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。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。封头壁厚。5.3 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，使用最早、且仍在广泛使用的是机械搅拌，常用的搅拌器有桨式、框式、锚式、旋浆式、涡轮式和螺带式等。搅拌装置的形式和构造主要取决于物料的聚集状态、粘度、比重以及处理物料的多少等等。在选择和设计搅拌器构造时。最基本的原则是：取得最高的搅拌效率、消耗最小的动力、具有简单的构造和成本。HG/T2123-91 已对常用的搅拌器的型式及其主要参数作了规范。由于本反应器是在较低转速大概转速为n = 80r/min左右，故可选用浆式搅拌器。搅拌器结构比较简单，桨叶有直叶和折叶之分，直叶叶面与旋转方向垂直，主要使物料产生切线方向的流动，加搅拌挡板后可以产生一定的轴向搅拌效果。折叶式则是桨叶与旋转方向成一倾角，45或60度 ，可使物料轴向分流较多。综合考虑搅拌与散热效果，本设计中由于反应物料的粘度不大，故直接选用直叶式搅拌器。搅拌轴的材料通常是用45钢，有时还需进行适当的热处理，以提高轴的强度并减少轴颈的磨损。如无条件进行热处理而轴径允许裕度较大时，可选用Q275 钢甚至是Q235-A 钢。本设计中并没有酸性物质或者热处理，故采用45钢。对于电机的选择和安装，需要先选择合适的凸缘法兰，安装底盖等。参照表凸缘法兰。安装底盖，机架的公称直径与传动轴轴径的搭配可以确定，凸缘法兰和安装底盖的公称直径相等为，传动轴轴径为，机架的公称直径。5.4 人孔（或手孔）在大多数反应釜的盖上都有人孔(或手孔),人孔（或手孔）被用来加入固态物料，和清理检修反应釜内部。人孔的直径为400毫米（圆形的）或300×400毫米（椭圆形的），大部分人孔是圆形的。人孔或手孔有多种形式，它包括焊接固定在釜盖上的孔体，平的或凸形的孔盖，用螺钉拧紧孔盖，使其密闭。参照人孔标准以及表检查孔最少数量与最小尺寸，对于本设计筒体的公称直径，则至少应该开一个人孔，形状为圆形或者长圆形。为了方便进行维修和观察，选择在筒体上开两个圆形的人孔。5.5 连管、加料管和压料管连管 绝大多数反应釜都要和各种管道相连接，而这些管道通常是与安装在反应釜盖上的连管相连接。连管的短管部分通常焊接在釜盖上。布置在釜盖上的几个连管通常应具有相同的直径。一般来说连管的截面积以在1530分钟内将釜内全部液体取尽为原则。大致尺寸如下：反应釜的容积连管的直径100以下80100100200120200300140故取连管的直径为加料管 当向反应釜内加料时，原则上不允许用连管直接加料，因为这样会使液体散在釜盖的内表面上，并流入设备的法兰之间垫料圈中去，引起腐蚀和渗漏。因此在连管内必须另装加料管。加料管是一根短管插在加料用的连管内，借法兰和螺钉与连管连接，加料管的下端应截成与水平成45°角，为的是使液体在加料时不致四面溅开，也不致落在釜壁上。在计算加料管直径时，通常依据每小时所加物料的体积和液体在管内的流速，液体在管内的流速一般在0.751米/秒的限度之内。加料管的直径取100mm。压料管 压料管是利用压缩空气或其他气体从反应釜中将全部液态物料压出时所用的管子。并不是每一个反应釜都必须有这样一根压料管，只有在这一反应釜内的物料要输送到位置更高或并列的另一设备中去，才考虑安装压料管。压料管的位置一般贴着釜壁安装。压料管的直径取。5.6 法兰罐体的上端和顶盖上焊以成对的法兰，法兰之间安放填料，然后借螺钉将其拧紧，以保证反应设备的密闭。法兰可由钢板切成（适用于罐体直径不大的情况），或由扁钢或角钢圈制，或用钢铸制，或者锻制。关于法兰的直径、厚度、螺钉的规格、数量等均在国家标准中有具体规定。由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。加料管接管法兰：PN6DN140 HG 5010接管管接管法兰：PN6DN80 HG 5010压料管管接法兰：PN6DN80 HG 50105.7 反应釜支架 反应釜支架有二种：悬吊式支架和支承式支架。悬吊式支架是可以将反应釜固定在操作平台上，而支承式支架则是安放在地面上。支撑式支座可以用数块钢板焊成（A型），也可用钢管制作（B型）。本设计选用A型支座，支座高度，安装高度（支座底板至封头切线的距离）为731mm，经计算需要四个支座才能满足承载要求。反应器的设计图：设计小结两周的牛磺酸加成反应器的设计的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的化学反应工程以及化工设备机械基础的知识，并综合其他课程的检验与巩固实践，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，不但锻炼了翻文献查资料的能力，而且我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 由于本人的设计能力及学识有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。 参考文献1刘光启 马连湘 刘杰主编,化学化工物性参数手册，化学工业出版社,20022 中国石化集团上海工程总公司编，化工工艺设计手册，化学工业出版社，2003 3 陈英南 刘玉兰主编，常用化工单元设备的设计，华东理工大学出版社,20054 美国NICHOLAS P.CHOPEY主编,朱开宏译，化工计算手册，中国石化出版社,20055 谭天恩,丁惠华编，过程工程原理，化学工业出版社,20096 钱颂文主编，换热器设计手册，化学工业出版社,20097 化工过程及设备设计.广州：华南工学院出版社，19998 左识之主编，精细化工反应器及车间工艺设计，华东理工大学出版社，1996 9 时钧主编，化学工程手册，化学工业出版社，199610 全国化工学会石油化工学会组织编写，魏文德主编，有机化工原料大全，北京化学工业出版社，198911 时钧主编，化学工程手册，化学工业出版社，199612 主编 、主审，化学制药工艺与反应器，化学工业出版社，2005专心-专注-专业