化工与药学院化工工艺学课程设计Array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：学生姓名：指导教师：郭孝天2011年12 月26日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）： 6000 吨／年生产时间： 8000 小时／年2、操作条件控制反应温度70～75℃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m olg密度3310mKg熔点C︒燃烧热molKJ纯度（工业一级）%环氧乙烷44.05 1.48 -112.2 1262.8 ≥98.0 亚硫酸氢钠104.06 0.87 150.0 ≈0 5.99≥羟乙基磺酸钠148.11 ——191 ——≥98.0 1.3、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：328～329C (分解)；分子式：372NS O H C ；结构式：3222SO CH CH N H ---,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52—62％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 32NaHSO NaOH SO =+(2)羟乙基磺酸钠的制备 Na SO CH HOCH NaHSO O CH CH 322322=+(3)牛磺酸钠的制备 O H Na SO CH CH NH NH Na SO CH HOCH 232223322+=+(4)牛磺酸的制备 NaCl H SO CH CH NH HCl Na SO CH CH NH +=+32223222(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。

3．2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∑∑∑+=A o i G G G式中∑i G ——输入物料的总和；∑O G ——输出物料的总和；∑A G ——累积的物料量。

式∑∑∑+=A o i GG G 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∑∑=o i G G 。

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∑∑∑+=A o i G G G 或式∑∑=o i G G 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：C T o 75= MPa P 1.0=可知在此条件下，O CH CH 22为气相，3NaHSO 为固相。

如要反应顺利进行，则需3NaHSO 以溶液的形式存在，而3NaHSO 属于易溶性物质，故取其浓度98.0=B C 。

反应器中发生的反应为：Na SO CH HOCH NaHSO O CH CH 322322=+O CH CH 22年处理量为6000吨，生产时间为8000小时， 故其每小时处理量为：h kg hKg F A 750800010660=⨯= 纯度为98%,则h Kmol KmolKg h Kg h Kg F F A 37.1705.4431.76531.765%9800==== 由于该反应器固定，所以其体积恒定。

则其处理体积为：h m P RT F V 30078.502100)7515.273(314.837.17=+⨯⨯==其有效体积为：330'39.2515.078.502m h h m V V R =⨯==τ 故反应器的体积为：33'75.29585.039.251m m V V R R ===ϕ 则与O CH CH 22完全反应的3NaHSO 溶液的理论进料量为：h Kg h Kmol Kmol Kg F B 41.184498.037.1706.1040=⨯=则h Kg h Kg F F B B 68.1853995.041.1844995.00=== 环氧乙烷为气体进料：1=A x ，亚硫酸氢钠溶液：98.0=B x物料衡算：c C B B A A CB A x F x F x F F F F =+=+ ⇒ 982.099.2618==C C x h Kg F3.4 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i D 和高度H ， 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R V 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H 与釜体直径i D 的比值i D H 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i D H 值 种类 釜内物料类型 i D H 一般搅拌式反应器 液—固或液—液相物料 1——1.3 气—液相物料 1——2根据本反应物料类型为气—液相物料，故而可取2=i D H本设计中，物料的通入流量Q h Kg F F B A ==+99.2618，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:H D Q i ∙∙=∙⨯2)2(1tπηρ 由设计条件可知：33331048.11087.0mKg m Kg B A ⨯=⨯=ρρ B A ρρρ111+= 可得：331055.0m Kg ⨯=ρ2=i D H代入数据：H D i ∙∙=∙⨯⨯23)2(14.385.011055.05.099.2618 求得：反应釜釜体直径mm D i70.1680=，归整可取 1700 mm 釜体高度mm H40.3361=，归整可取 3400 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。