牛磺酸加成反应器的设计.docx

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1、 化工及药学院化工工艺学课程设计 设计题目： 牛磺酸加成反响器的设计 专 业： 化学工程及工艺 学 号： 21 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- 2 -1.1 设计题目：- 2 -、设计任务及操作条件- 2 -第二章 综述- 3 -第三章 物料衡算- 4 -物料衡算的意义- 4 -32物料衡算的计算依据- 4 -3.3 设计计算过程- 5 -3.4 反响器的工艺确定- 6 -第四章 能量衡算- 7 -4.1 物料衡算的意义- 7 -4.2 热量衡算方程式- 7 -4.3 热量衡算的计算过程- 8 -4.3.1 和的计算- 8 -4.3

2、.2 的计算- 8 -4.3.3 传热面积的计算- 9 -第五章 反响器的设计- 9 -5.1 反响器筒体和夹套- 9 -5.2 反响釜的底和盖- 10 -5.3 搅拌装置- 11 -5.4 人孔或手孔- 11 -5.5 连管、加料管和压料管- 11 -5.6 法兰- 12 -5.7 反响釜支架- 12 -设计小结- 12 -参考文献- 13 -第一章 设计任务综述1.1 设计题目：牛磺酸加成反响器的设计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 控制反响温度7075 反响压力 反响器出口pH值 基准温度为25

3、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%环氧乙烷亚硫酸氢钠0羟乙基磺酸钠1911.3、设计内容：1、物料衡算，确定反响器的体积类型，样式及其各种参数。2、热量衡算，确定反响器是否需要传热以及传热的方式等。3、反响器的辅助设计4、画出反响器的设计图第二章 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：；构造式：,分子量：125.14,CAS:107-35-_7。牛磺酸是一种构造简单的含硫氨基酸，

4、它以游离形式大量存在于人与动物的几乎所有脏器中，其中以脑、心脏及肌肉中含量最高，是人与动物的重要营养物质，具有特殊的药理作用与生理功能，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、调节脂类消化及吸收，并能参及内分泌活动，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、日本等兴旺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。鉴于牛磺酸在医药与保健中的重要作用，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

5、便开场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，本钱低等优点，为牛磺酸的广泛应用奠定了物质根底。目前，美、日等兴旺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，逐渐成为群众化产品。而我国上世纪80年代初才开场研制并小批量生产，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泼，在借鉴国外技术的根底上，经不断探索、改良，小试收率指标已接近世界先进水平，但工业化

6、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，导致本钱高，效益低，严重制约了牛磺酸的生产与开展。为此，相关企业与科研人员有必要对以往的合成工艺路线进展归纳，比拟与分析，到达相互借鉴，进一步改良与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，通过及酸反响或脱水环合，再及亚硫酸盐经磺化反响制得牛磺酸。(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，及无水亚硫酸钠磺化，制得2一氯乙磺酸钠，在加热加压条件下及氨反响得2氨基乙磺酸钠，再经盐酸酸化得牛磺酸(3)环

7、氧乙烷法：用环氧乙烷为原料，先及亚硫酸氢钠开环加成反响制得2一羟基乙磺酸钠，然后在加压加热条件下及氨反响，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，及亚硫酸氢钠进展磺化反响后,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) 牛磺酸的别离及提纯 该工艺的特点是技术含量高，生产本钱低(比乙醇胺工艺低大约5000元吨)，污染小，对设备与控制水平要求高。该工艺由于生产本钱低，环境污染

8、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 依据质量守恒定律，对设备或生产过程作为研究系统，对进出口处进展定量计算，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展计算，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良生产提供优化方向。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。在对原有的车间进展扩大生产时，进展物料衡算，可判断生产能力平衡状况，找出薄弱环节加以研究改良。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展物料衡算，这是设计的第

9、一步，也是整个设计的根底，在此根底上进展能量衡算，设备工艺计算，那么可确定设备的选型、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，以确定反响器选型与尺寸，但物料衡算的原那么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与；输出物料的总与；累积的物料量。 式为总物料衡算式。当过程没有化学反响时，它也适用于物料中任一组分的衡算；但有化学反响时，它适用于任一元素的衡算。假设过程中累积的物料量为零，那么该式可简化为。 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

10、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一样，但在同一位置上这些参数随不同时间不发生变化。假设过程中有物料累积，那么属于非定态过程，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，由操作要求可进展以下计算：可知在此条件下，为气相，为固相。如要反响顺利进展，那么需以溶液的形式存在，而属于易溶性物质，故取其浓

11、度。反响器中发生的反响为：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%,那么由于该反响器固定，所以其体积恒定。那么其处理体积为：其有效体积为：故反响器的体积为：那么及完全反响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 反响器的工艺确定设备的工艺设计包括定型设备(标准设备)与非定型设备(非标准设备)两大类。定型设备通过选型计算确定规格、型号，非定型设备那么需通过设计及计算，确定设备的构造及工艺尺寸。本设计即为非定型设备。反响釜是气液型物料混合最常用的反响器。反响釜釜体是物料进展化学反响的空间，他的主要局部是容器，其筒体根本上是

12、圆柱形， 封头常是椭圆形、锥形与平板。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响釜类型，选择圆柱形简体与椭圆封头。筒体局部的根本尺寸主要是内径 与高度， 釜体的根本尺寸首先决定于工艺要求，对于带搅拌器的反响釜来说，设备的容积为主要参数，根据化工原理知识，搅拌功率及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，反响釜的直径太大是不适宜的。根据实践经历，搅拌式反响釜的高度 及釜体直径 的比值一般较为固定，可通过下表查得以下仅为所摘取的局部表格： 值 种类釜内物料类型一般搅拌式反响器液固或液液相物料1气液相物料12

13、根据本反响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，而物料在反响器中停留的反响时间t为0.5h，那么有以下式子成立:由设计条件可知： 可得：代入数据：求得：反响釜釜体直径 ,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、温度与时间等工艺条件下进展。生产工程中包括有化学过程与物理过程，往往伴随着能量的变化，因此必须进展能量衡算。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，因此能量衡算实那么是热量衡算。生产工程中所产生的化学反响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

14、过程在一定的温度条件下进展，那么需环境对生产系统进展热量的参加或者放出，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根底上进展的。通过热量衡算，可确定传热设备的热负荷，即在规定的时间中参加或者移除的热量，从而确定传热剂的消耗量、选择适宜的传热方式、计算传热面积。热量衡算与物料衡算相结合，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与设备装置进展热量衡算，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，进入系统的热量及离开热量应该平衡，在实际

15、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及设备与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及物料衡算一样，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 与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?精细化工反响器及车间工艺设计?一书得到：对于大多数液体其比热容都在，那么取与都为为 可得：

16、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响热效应；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响热效那么 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与物料传递的热量及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，该反响是需要加热进展的，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，那么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，反响

17、器釜内为溶液时，总传热系数K的范围为，取由可得：第五章 反响器的设计5.1 反响器筒体与夹套由第三章的计算可知：反响釜体积为：；釜体直径，归整可取 2400 mm；釜体高度，归整可取 4800 mm。控制反响温度75；反响压力为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。夹套传热构造简单，根本上不需要进展维修。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：仅圆筒局部有夹套，仅圆筒与下封头局部有夹套，在圆筒局部夹套采用分段构造或带有加强圈以及圆筒、下封头、上封头的一局部有夹套。夹套

18、形式可按工艺设计要求及反响釜具体构造的不同而选择，一般仅圆筒与下封头局部有夹套应用最为广泛，本设计的反响釜夹套即是采用这一种的。另外采用全包式、不可拆式整体夹套构造，这样的构型具有最大的传热面积以及构造简单、密封可靠等优点。这种夹套构造的适应压力一般及其以下。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:夹套直径及筒体直径的关系直径夹套直径及筒体直径的关系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

19、及传热面积的要求，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。夹套高度确实定，还应考虑两个因素：当反响釜筒体及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；而当反响釜具备有耳座时，须考虑防止因夹套顶部位置而影响耳座的焊接地位。5.2 反响釜的底与盖底与盖可以有各种不同的式样，常用的有折边椭圆形、折边球形、平面形与蝶形，有时也用锥形。各种底与盖式样的选择是根据设备的操作条件来决定的。在一般的釜式反响器中最常用的是折边椭圆形与折边球形的底与盖。它们适用于操作压力大于0.7大气压的设备，是用钢

20、板由冲压或人工锻打而制成的。用作底时及同样直径的罐体焊接在一起即可。而用作顶盖时，那么将它们及法兰焊在一起。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，因此在选型与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响器中实现的。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；促进化学反响与加速物理变化过程，如促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过

21、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，搅拌可以同时到达上述几种目的。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、涡轮式与螺带式等。搅拌装置的形式与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。在选择与设计搅拌器构造时。最根本的原那么是：取得最高的搅拌效率、消耗最小的动力、具有简单的构造与本钱。HG/T2123-91 已对常用的搅拌器的型式及其主要参数作了标准。由于本反响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。搅拌器构造比拟简单，桨叶有直

22、叶与折叶之分，直叶叶面及旋转方向垂直，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。折叶式那么是桨叶及旋转方向成一倾角，45或60度 ，可使物料轴向分流较多。综合考虑搅拌及散热效果，本设计中由于反响物料的粘度不大，故直接选用直叶式搅拌器。搅拌轴的材料通常是用45钢，有时还需进展适当的热处理，以提高轴的强度并减少轴颈的磨损。如无条件进展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。对于电机的选择与安装，需要先选择适宜的凸缘法兰，安装底盖等。参照表?凸缘法兰。安装底盖，机架的公称直径及传动轴轴径的搭配?

23、可以确定，凸缘法兰与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响釜的盖上都有人孔(或手孔),人孔或手孔被用来参加固态物料，与清理检修反响釜内部。人孔的直径为400毫米圆形的或300400毫米椭圆形的，大局部人孔是圆形的。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?检查孔最少数量及最小尺寸?，对于本设计筒体的公称直径，那么至少应该开一个人孔，形状为圆形或者长圆形。为了方便进展维修与观察，选择在筒体上开两个圆形的人孔。5.5 连管、加料管与压料管连管 绝大多数反响釜都要与各种管道相连接

24、，而这些管道通常是及安装在反响釜盖上的连管相连接。连管的短管局部通常焊接在釜盖上。布置在釜盖上的几个连管通常应具有一样的直径。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那么。大致尺寸如下：反响釜的容积连管的直径100以下80100100200120200300140故取连管的直径为加料管 当向反响釜内加料时，原那么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外表上，并流入设备的法兰之间垫料圈中去，引起腐蚀与渗漏。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，借法兰与螺钉及连管连接，加料管的下端应截成及水平成45角，为的是使液体在加料时不致四面溅开，也

25、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与液体在管内的流速，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响釜中将全部液态物料压出时所用的管子。并不是每一个反响釜都必须有这样一根压料管，只有在这一反响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 法兰罐体的上端与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，以保证反响设备的密闭。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

26、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。加料管接收法兰：PN6DN140 HG 5010接收管接收法兰：PN6DN80 HG 5010压料管管接法兰：PN6DN80 HG 50105.7 反响釜支架 反响釜支架有二种：悬吊式支架与支承式支架。悬吊式支架是可以将反响釜固定在操作平台上，而支承式支架那么是安放在地面上。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。反响器的设计

27、图：设计小结两周的?牛磺酸加成反响器的设计?的课程设计完毕了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的?化学反响工程?以及?化工设备机械根底?的知识，并综合其他课程的检验及稳固实践，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，及同学分工设计，与同学们相互探讨，相互学习，相互监视。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人及处世。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

28、展课程设计，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根底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，恳请教师们多多指教,我十分乐意承受你们的批评及指正，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,20216 钱颂文主编，?换热器设计手册?，化学工业出版社,20217 ?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，?精细化工反响器及车间工艺设计?，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 陆敏主编 陈文华、薛叙明主审，?化学制药工艺及反响器?，化学工业出版社，2005第 - 21 - 页