1、精選優質文檔-傾情為你奉上制藥工程專業課程設計任務書專業_#_ 班級_2_ 姓名_# _ _設計題目：年產200噸原料藥牛磺酸的合成工段的車間工藝設計設計時間：2015.10.8-2014.11.13。設計內容和要求：1、確定工藝流程及凈化區域劃分；2、詳細敘述制備工藝及設備的工作原理、結構組成及關于此工藝及設備的國內外的現狀、研究前沿。3、物料衡算、熱量衡算、設備選型及設計（按間歇操作考慮，每年開工300天）；4、按規范要求設計車間工藝平面圖；5、畫出帶控制點、輔助管線的物料工藝流程圖；6、反應器的安裝圖（平、立、剖面圖1：50）7、編寫設計說明書。設計成果：1、設計說明書一份，包括工藝概述

2、、工藝流程及凈化區域劃分說明、物料衡算、熱量衡算、工藝設備選型說明、工藝主要設備一覽表、車間工藝平面布置說明、車間技術要求。2、工藝平面布置圖一套（1：100）；3、帶控制點及輔助管線的物料工藝流程圖（1：100）；4、反應器的安裝圖（平、立、剖面圖1：50）。目錄 專心-專注-專業1 設計依據及設計基礎1.1 設計依據本設計的題目為“年產200噸原料藥牛磺酸的合成工段的車間設計”，設計依據為制藥工程專業課程設計任務書和相關規范及標準：藥品生產質量管理規范（2010 年修訂）醫藥工業潔凈廠房設計規范2010GMP 實施指南-原料藥2010GMP 實施指南-廠房、設施和設備中華人民共和國藥典（二

3、部）生產過程安全衛生要求總則（GB/T 12801-2008）工業企業設計衛生標準（GBZ1-2010）1.2 生產能力本車間為生產原料藥牛磺酸的合成工段，其年產量為200t/a，含量為99%以上。年總工作日300天，考慮到生產周期約為1天，每天生產2批，則每批次需生產牛磺酸成品333.3Kg。1.3 產品規格牛磺酸（1） 中文名稱：牛磺酸（2-氨基乙磺酸），又名牛膽酸、牛膽素（2） 英文名稱：Taurine（3） 分子式：C2H7O3NS（4） 分子量：125.14（5） 質量規格：企業標準，25Kg/桶（6） 主要物理性質及用途：本品為白色晶體或結晶型粉末，無臭無毒、味微酸，熔點32832

4、9（分解），較易溶于水，微溶于95%的乙醇，不溶于無水乙醇、醚、烴等有機溶劑。牛磺酸最早由牛黃中分離而來，是一種非蛋白質類氨基酸，具有獨特的藥理及營養保健作用。廣泛應用于醫藥、食品添加劑、熒光增白劑、有機合成等領域，也可用于生化試劑、濕潤劑、PH緩沖劑等。1.4 原輔材料技術規格本車間產品牛磺酸生產所涉及到的原輔料見下表1-1表1-1牛磺酸生產工藝用原輔料名稱狀態常溫分子量工業級含量熔點沸點密度g/mL(25)溶解度乙醇胺液體61.0899%10.5170.51.011與水、乙醇混溶濃硫酸液體98.0898%10.353381.840與水混溶甲苯液體92.1499%-94.99110.630.

5、862微溶水，溶于多數有機溶劑無水乙醇液體46.0799%-114.178.50.804與水、多數有機溶劑混溶純化水液體18.02符合藥典標準01001.000與乙醇互溶，微溶有機溶劑亞硫酸銨固體116.1499%60-701501.410溶于水，微溶于醇2 工藝說明2.1 工藝概述牛磺酸的生產方法一般有兩種：一種方法是從動物內臟中提取，另一種方法為合成方法。因為動物內臟中提取含量極少，所以工業上獲取牛磺酸主要應用合成的方法。根據合成原料的不同，牛磺酸的制備方法主要有乙醇胺硫酸酯化法、乙醇胺氯化法、羥基乙醇法、2-氨基乙醇法、亞乙基亞胺法、乙二磺酸酐法等十多種。目前，國內外多數生產廠家采用乙醇

6、胺法來生產牛磺酸，該方法原料易得，合成工藝簡單，設備投資少。以乙醇胺為原料合成牛磺酸，按合成路線又分為氯化法、乙撐亞胺法和酯化法。2.1.1 氯化法氯化法以乙醇胺、鹽酸、亞硫酸鈉為原料，反應分氯化、磺化兩步進行，經過2-氯乙胺鹽酸鹽中間體合成牛磺酸，反應方程式如下：該方法原料易得，但反應條件難控制，收率僅能達到48%。在氯化法中，有工藝以乙醇胺鹽酸鹽與氯化亞砜為原料，以甲苯作溶劑，先反應生成氯乙胺鹽酸鹽，然后產物再與亞硫酸鈉反應生成牛磺酸。1989年，德國的D.Pauluth等人1在等當量的羧酸中，氯化亞砜與乙醇胺鹽酸鹽按化學計量式于60下反應7h，得到-氯乙胺鹽酸鹽，產率接近理論值，高達99

7、.1%，副產物為氣體，不需要對產物進行分離。然而，該法反應條件要求苛刻，而且成本高。此外，氯化亞颯具有劇毒性、腐蝕性、催淚性、易揮發性、且有強烈的窒息性氣味以及遇水強烈反應等特點。因此，此方法并不具備市場競爭力，至今未被工業化。另一德國專利2采用37%的鹽酸與溶于甲苯中的乙醇胺進行反應，于110下共沸除去水分，冷卻至50后加入NH4CI催化劑，然后滴加氯化亞砜生成2-氨乙胺鹽酸鹽。該工藝收率較高，但成本也高，且使用有毒的甲苯以及氯化亞砜作溶劑，因此也不是理想的生產工藝。2.1.2 乙撐亞胺法80年代初，美國聯合碳化公司的K.D.Oison等人3以乙醇胺經過氣相催化脫水環化合成乙撐亞胺，然后用硫

8、酸開環加成制備牛磺酸。反應方程式如下：日本催化劑化學公司對此反應的催化體系做了廣泛研究，典型的催化體系是以體積比為98:3的氮氣霧化乙醇胺，在裝填有Cs0.9Ba0.1P0.8催化劑的反應塔內發生分子內環化反應生成乙撐亞胺，再將其蒸發之后直接與亞硫酸氫銨反應制得牛磺酸，產率可達84%。該工藝的特點是投資少、成本低，不需要分離副產物，工藝較先進，國外己經在上世紀八十年代末投入工業化生產。盡管乙撐亞胺法生產牛磺酸的收率較高，但由于乙撐亞胺具有劇毒性、沸點低易揮發，容易發生聚合爆炸，原料的儲存和運輸具有很大的困難。從可持續發展和綠色化工的觀點來看，顯然也不是最佳的工藝路線。2.1.3 酯化法由于氯化

9、法和乙撐亞胺法合成牛磺酸的工藝中大多存在有毒物質參與、反應，或者是生產成本較高，制約了牛磺酸的大規模工業生產，因此以乙醇胺為原料酯化法合成牛磺酸成為當今國際上牛磺酸生產企業采用最多的一種生產方法。該反應以乙醇胺、硫酸、亞硫酸鈉或亞硫酸銨為原料，首先硫酸與乙醇胺進行酯化反應合成中間體2-氨基乙醇硫酸醋，中間體2-氨基乙醇硫酸醋再與亞硫酸鈉或亞硫酸銨進行磺化反應合成牛磺酸4。反應方程式如下：在合成牛磺酸的第一步酯化反應過程中，乙醇胺與濃硫酸直接混合，會產生大量的熱，這樣會使乙醇胺炭化，所以實驗室合成需采用冰浴環境，并采取滴加濃硫酸的方法進行。加入濃硫酸的時候溫度控制在10以下，加入50%濃硫酸溫度

10、可控制在20以下。同時酯化反應為可逆反應，需完全脫水，而常壓需加熱至120 160 , 溫度過高不但操作困難，且易產生雜質。本法采用加入帶水劑甲苯的方法，既降低了脫水反應溫度，又不影響脫水程度，產物易于處理。當前，單乙醇胺酯化轉化率可達98%以上，但牛磺酸的收率卻很低且成本偏高。這是因為磺化反應才是該合成工藝路線的控制步驟，磺化時加熱回流所需時間長、能耗大，且2-氨基乙醇硫酸酯易水解，反應產物牛磺酸和無機鹽難以分離。日本學者山本勇等針對磺化反應中存在的問題進行了改進，通過通入氨氣添加適量的硫酸酯抑制水解反應，并采用電滲析脫鹽，可提高牛磺酸收率達90%以上。但是，目前我國在工業上采用酯化法生產牛

11、磺酸的收率僅為53%左右，能耗和成本高，與國外工藝相比還有很大差距。因此，縮短酯法的反應時間，提高牛磺酸和無機鹽分離收率是我國牛磺酸合成研究者和生產企業所面臨的難題和挑戰。2.1.4 工藝設備及生產現狀我國是20世紀80年代初開始牛磺酸生產的。首先由中科院應用化學研究所與長春市春城制藥廠合作試制牛磺酸成功并投入生產，隨后相繼有上海第二制藥廠等近40 家企業上馬投產。其中，產量最大的是南京制藥廠1500t/a ，與國內外蓬勃發展的需求相比有很大差距5。目前，我國牛磺酸行業面臨的主要問題：一是收率低。目前國內大部分企業牛磺酸生產的總收率只有約52%，接近其成本收率49%，導致成本高，效益低，嚴重制

12、約了牛磺酸的生產和發展。為此，各相關企業、大專院校和科研單位應積極進行牛磺酸制備技術的研究與開發，不斷改進和完善牛磺酸的合成工藝或尋求更加經濟合理的工藝路線，以提高收率和品質，降低成本，增強市場競爭力。二是生產企業多，規模小，競爭混亂。雖然近年來上馬的牛磺酸生產線較多，但大多數企業的規模較小，一般為100-200t/a，有的只有幾十噸，且技術和管理落后，沒有市場競爭力。同時，眾多企業都來分割這塊“市場蛋糕”，不少企業相互壓價銷售，市場競爭處于混亂狀態，直接損害了牛磺酸行業的整體利益。所以，應加強行業聯合，發展規模經濟，全行業統一協調，統一布置，實施行業自律，建立良好的市場秩序，提高全行業整體經

13、濟、技術、管理水平和抗風險能力。還要加強國際合作，積極開發國際市場，將更多的產品銷往國外。三是消費量少。這也在很大程度上影響了牛磺酸生產的發展。要積極進行牛磺酸的應用研究，開發出適合不同消費群體的各種牛磺酸產品，以擴大牛磺酸的消費，激活國內潛在市場，促進國內牛磺酸行業的快速發展6。2.2 工藝流程說明2.2.1 牛磺酸生產方法（1）反應過程本次課程設計采用酯化法生產牛磺酸7。該方法以乙醇胺、硫酸、亞硫酸銨為原料，首先硫酸與乙醇胺進行酯化反應合成中間體2-氨基乙醇硫酸酯，中間體再與亞硫酸銨進行磺化反應合成牛磺酸，反應如下：（2）工藝過程牛磺酸合成工藝流程框圖如下：圖2-1 牛磺酸合成工段工藝流程

14、框圖（3）操作過程a. 酯化工序冰浴（<20）下向500mL四口燒瓶中緩緩滴加76mL濃硫酸，電動攪拌至濃硫酸滴加完畢，撤去冰浴。向反應液中加入140mL甲苯，裝上分水裝置和冷凝裝置，油浴加熱至回流溫度110），無明顯水分時停止加熱，抽濾得到粗酯；然后用無水乙醇洗滌，烘干后得到2-氨基乙醇硫酸酯。以甲苯作為帶水劑、乙醇胺與濃硫酸摩爾比為0.95、帶水劑用量為乙醇胺體積的1.75倍時為較佳的工藝條件。此條件下，乙醇胺的轉化率可達95.1%左右。b. 磺化工序在裝有冷凝回流裝置的四口燒瓶中加入煮沸過的蒸餾水，通入氨氣形成氨氣（適量）保護，在攪拌狀態下條件下加入(NH4)2SO3，待亞硫酸銨全

15、部溶解后加入2-氨基乙醇硫酸酯。加熱至105，反應12h后，停止加熱。磺化反應的較優條件為：反應溫度為105，反應時間為12h，物料配比（n(NH4)2SO3:n2-氨基乙醇硫酸酯）為1.65，在50下加2-氨基乙醇硫酸酯，保持溫度10min，投料在1小時內完成。此條件下，2-氨基乙醇硫酸酯的轉化率可達到76.43%左右。2.2.2 工藝流程敘述（1）酯化工序：來自乙醇胺計量罐（V102）的料液在重力作用下加入酯化釜(R101)中，開冷凍鹽水和攪拌裝置，并向釜中緩慢加入98%濃硫酸，向釜內盤管中通冷凍鹽水使釜內溫度維持在05，濃硫酸滴加完畢，關冷凍鹽水。通過計量泵（P102）向酯化釜頂部加入一

16、定量甲苯，向釜夾層中通蒸汽加熱反應液溫度到110，由于酯化反應為放熱過程，過程中需向盤管中通冷凍鹽水來控制反應溫度。反應生成的水和甲苯以共沸物蒸出，經冷凝器（E101）冷凝到分水器（M101），甲苯與水靜置分層，下層水相經分水裝置分離到水貯罐（V104），甲苯回流到釜中循環使用，待水分全部蒸出時（23h），繼續加熱使甲苯全部蒸出，經冷凝回收到甲苯貯罐（V103）。反應完畢后關蒸汽和攪拌，將釜內反應液由釜底泵（P101）入降溫釜，經冷凍鹽水降至室溫后泵（P103）入過濾器（M102），濾液排入廢液池。由過濾器頂部加入無水乙醇洗滌，洗滌液回收到廢液儲罐（V106），洗滌后的濾餅放入真空回轉干燥機（

17、D101）中干燥，冷卻后通過電子稱（W101）計量運輸到下一工序使用。（2）磺化工序：將提純工段溶劑回收得來的水溶液與沸水經配水罐（V203）配得溫度約50的無氧水，泵（P202）入到磺化釜（R201A.B）中，再向釜中通氨氣使釜內形成無氧環境。開攪拌，向釜中投入原料亞硫酸銨，待其全部溶解后再向釜中緩慢投入酯化工序產品硫酸酯，投料在50下、1小時內完成。然后向夾層中通蒸汽加熱至105，反應約12小時后停止加熱得磺化液，泵（P203）入磺化液貯罐（V204A.B）中冷卻放置，進而用于提純分離工段。3 物料衡算3.1 概述在進行車間工藝設計時，當生產工藝流程確定以后就可以進行車間物料衡算。通過計算

18、，得出車間所處理的各種物料的數量及組成，從而使設計由定性轉向定量。物料衡算結果的正確與否將直接關系到車間工藝設計的可靠程度。只有經過車間物料衡算，才能得出進出于每個過程或設備的各種物料的質量、組分和含量。這就是進行物料衡算的目的。本次物料衡算以質量守恒定律為基礎，以設備為單位對其每天進出物料量進行衡算，之后計算出各物料的單耗和年消耗量。3.2 衡算過程3.2.1 確定每批產量牛磺酸年產量200t，生產300天，每天投料兩次，生產兩批每批產量：333.33kg3.2.2每批主要原料投料量計算從后往前推算：產品最終含牛磺酸的量=產量×含量=333.33×99%=330.00kg

19、設熱過濾后濾餅中含牛磺酸的量為W，每步物理過程收率以99%計由于第一次結晶率為67.94%，第二次結晶率為60.00%，則有下式：W×67.94%+W×(1-67.94%)×60.00%×99%×99%=330.00求解得 W=383.14kg熱過濾收率以95%計熱過濾前牛磺酸的的量為383.1495%=403.31kg鹽析后牛磺酸的量為403.3199%=407.38kg即磺化液中牛磺酸的量為407.38kg磺化反應收率為76.43%，即m2-氨基乙醇硫酸酯141.15×76.43%=m牛磺酸125.14=407.38125.14磺

20、化反應所需2-氨基乙醇硫酸酯的量=601.20kg酯化工序中物理過程收率以99%計酯化反應生成2-氨基乙醇硫酸酯的量為=601.2099%3=619.60kg酯化反應收率為95.1%，即m2-氨基乙醇硫酸酯141.15=619.60141.15=m乙醇胺61.08×95.1%反應所需乙醇胺的量=281.94kg實際投入乙醇胺的量為=281.9499%=284.79kg，其中雜質的量=2.85kg3.2.2化學反應過程衡算3.2.2.1 中間物2-氨基乙醇硫酸酯的制備（1）反應過程由該反應平衡關系可得消耗的反應物的量與生成物的量的關系式如下：m乙醇胺61.08=m硫酸98.02=m2-

21、氨基乙醇硫酸酯141.15=619.60141.15=m水18.02即：反應掉乙醇胺的量=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已知該反應最佳條件為：乙醇胺和濃硫酸摩爾比為0.95濃硫酸的用量=281.9461.08×0.95×98.02=476.27kg實際投入濃硫酸的量=476.2798%=485.99kg，雜質含量=9.72kg反應后剩余硫酸的量=476.27-430.28=45.99kg剩余乙醇胺的量=281.94-268.12=13.82kg已知帶水劑甲苯用量為乙醇胺體積的1.75倍甲苯用

22、量=281.941.011×1.75×0.862=420.68kg實際甲苯投量=420.6899%=424.93kg，雜質含量=4.25kg回流反應到無水分時，分水率以100%計，分出水量=79.10kg最終甲苯回收量=420.68×99%=416.47kg（2）抽濾過程（物理過程收率以99%計）濾餅中各組分的量：2-氨基乙醇硫酸酯量=619.60×99%=613.40kg硫酸量=45.99×1%=0.46kg乙醇胺量=13.82×1%=0.14kg甲苯量=4.21×1%=0.04kg濾液中各組分的量：2-氨基乙醇硫酸酯量=

23、6.20kg硫酸量=45.53kg乙醇胺量=13.68kg甲苯量=4.17kg（3）洗滌過程設洗滌劑無水乙醇用量為待洗物2-氨基乙醇硫酸酯量的50%即無水乙醇量=613.40×50%=306.70kg實際投無水乙醇量=306.7099%=309.80kg，雜質含量=3.1kg洗滌后固相：2-氨基乙醇硫酸酯量=613.40×99%=607.27kg乙醇量=306.70×1%=3.07kg液相：乙醇量=303.63kg2-氨基乙醇硫酸酯量=6.13kg雜質量=0.64kg（硫酸量=0.46kg，乙醇胺量=0.14kg，甲苯量=0.04kg）（4）干燥過程固體：2-氨基

24、乙醇硫酸酯量=607.27×99%=601.20kg廢氣：乙醇量=3.07kg3.2.2.2 目的產物制備已知該反應投料比為 n亞硫酸銨：n2-氨基乙醇硫酸酯=1.65需亞硫酸銨量=601.20141.25×116.14×1.65=816.21kg實際投入亞硫酸銨量=816.21/99%=824.45kg，雜質量=8.24kg50下，亞硫酸銨在水中溶解度為46.4g/100ml水溶解投入的亞硫酸銨所需水量=816.2146.4×100=1759.07kg此時為飽和溶液，因此取實際用水量為2000kg其中70%可來自溶劑回收，30%為配水量=600kg已知

25、反應方程由該反應平衡關系可得消耗的反應物的量與生成物的量的關系式如下：m2-氨基乙醇硫酸酯141.15=m亞硫酸銨116.14=m硫酸銨132.13=m牛磺酸125.14=407.38125.14反應消耗量：2-氨基乙醇硫酸酯量=459.50kg，亞硫酸銨量=378.08kg生成量：牛磺酸量=407.38kg，硫酸銨量=430.14kg磺化液中各組分量：牛磺酸量=407.38kg2-氨基乙醇硫酸酯量=601.20-459.50=141.70kg亞硫酸銨量=816.21-378.08=438.13kg硫酸銨量=430.14kg水量=2000kg雜質量=78.30kg3.3 物料流程框圖以上衡算過

26、程，繪制成框圖如下原料及中間體 主要反應過程 副產品及三廢乙醇胺組成質量Kg質量分數%乙醇胺281.9499.00雜質2.851.00合計284.79100.00餾出液組成質量Kg質量分數%水79.1089.60甲苯416.474.82雜質5.135.58合計500.7100.00濃硫酸組成質量Kg質量分數%硫酸476.2798.00雜質9.722.00合計485.99100.00混合反應料770.78酯化液組成質量Kg質量分數%硫酸酯619.6080.39水79.1010.26硫酸45.995.97乙醇胺13.821.79雜質12.271.59合計770.78100.00甲苯組成質量Kg質量

27、分數%甲苯420.6899.00雜質4.251.00合計424.93100.00酯化反應反應料1195.71原料及中間體 主要反應過程 副產品及三廢抽 濾反應料695.01濾液組成質量Kg質量分數%硫酸45.5356.30乙醇胺13.6816.92硫酸酯6.207.67甲苯4.175.16雜質11.2813.95合計80.86100.00濾餅組成質量Kg質量分數%硫酸酯613.499.88雜質0.750.12合計614.15100.00洗滌反應料923.95無水乙醇組成質量Kg質量分數%乙醇306.7099.00雜質3.101.00合計309.80100.00液相組成質量Kg質量分數%乙醇30

28、3.6396.83硫酸酯6.131.96雜質3.801.21合計313.56100固相組成質量Kg質量分數%硫酸酯607.2799.49乙醇3.070.50雜質0.050.01合計610.39100廢氣組成質量Kg質量分數%乙醇3.0733.41雜質6.1266.59合計9.19100干燥反應料610.39磺化液組成質量Kg質量分數%牛磺酸407.3811.65水2000.0057.22亞硫酸銨438.1312.53硫酸銨430.1412.31硫酸酯141.704.05雜質78.302.24合計3495.65100.00原料及中間體 主要反應過程 副產品及三廢回收溶劑組成質量Kg質量分數%水1

29、400.0095.00雜質70.005.00合計1470.00100.00酯化物組成質量Kg質量分數%硫酸酯601.20100.00合計601.20100.00亞硫酸銨組成質量Kg質量分數%亞硫酸銨816.2199.00雜質8.241.00合計824.45100.00磺化反應反應料3495.65熱水組成質量Kg質量分數%水600.00100.00合計600.00100.00圖3-1 牛磺酸合成工段物料流程框圖4 能量衡算4.1 概述當物料衡算完成后，接下來的工作就是進行能量衡算，決定過程所需要的能量，計算生產過程能耗指標，對工藝設計的多種方案進行比較，以選定先進的生產工藝。對于沒有傳熱要求的設

30、備，可以由物料處理量、物料的性質和工藝要求進行設備的工藝設計，以確定設備的型式、臺數、容積及主要尺寸。對有傳熱要求的設備，則必須通過能量衡算，才能確定設備的主要工藝尺寸。4.2 能量衡算依據能量衡算是以車間物料衡算的結果為基礎進行的，所以，車間物料流程框圖是進行車間能量衡算的首要條件與基礎。能量衡算的主要依據是能量守恒定律，其數學表達形式為能量守恒基本方程：由環境輸入到系統的能量由系統輸出到環境的能量系統內積累的能量。對于車間工藝設計中的能量衡算，許多項目可以忽略，而且車間能量衡算的目的是要確定設備的熱負荷，所以，能量衡算可簡化為熱量衡算。4.2.1設備的熱量平衡方程式對于有傳熱要求的設備，其

31、熱量平衡方程式為：Q1Q2Q3 Q4Q5Q6式中：Q1物料帶入到設備的熱量kJQ2加熱劑或冷卻劑傳給設備和所處理物料的熱量kJQ3過程熱效應kJQ4物料離開設備所帶走的熱量kJQ5加熱或冷卻設備所消耗的熱量kJQ6設備向環境散失的熱量kJ在熱量衡算過程中的Q2，即設備熱負荷，是衡算的主要目的。（1）Q1 與Q4 的計算Q1(Q4)m t Cp式中m輸入(或輸出)設備的物料量kgCp物料的平均比熱容kJ/ (kg·)t物料的溫度該式的計算基準是標準狀態，即0 及1.013×105 Pa 時的狀態。因為物料的比熱容是溫度的函數，應取定性溫度下的比熱容，這里采用計算公式計算出物質

32、的比熱容，因此假設其不隨溫度變化，取為定值。（2）Q3 的計算化學過程的熱效應包括化學反應熱與狀態變化熱。純物理過程只產生狀態變化熱。在熱量衡算中，過程熱效應Q3 的符號為：放熱為正，吸熱為負。其中化學反應熱QR 的計算：為計算各種溫度下的反應熱，規定當反應溫度為298K 及標準大氣壓時反應熱的數值為標準反應熱，習慣上用H°表示，負值表示放熱，正值表示吸熱。這與在熱量衡算中所規定的符號正好相反，為避免出錯，現用符號qr表示標準反應熱，放熱為正，吸熱為負，則qr=-H°標準反應熱的數據可以在化學工程手冊或化學工藝設計手冊中查到；當缺乏數據時用標準生成熱或標準燃燒熱求得8。此次

33、設計采用標準生成熱求qr，其公式為：qrqf式中反應方程中各物質的化學計量數，反應物為負、生成物為正qf標準生成熱kJ/mol反應物及生成物在(25t) 范圍內均無相變化，則qtr 的計算公式為：qtr qr(t25)(Cp)式中qr標準反應熱kJ/mol反應方程中各物質的化學計量數，反應物為負、生成物為正Cp反應物或生成物在(25t)范圍內的平均比熱容kJ/ kg·狀態變化熱QV 的計算狀態變化熱是指只發生物質聚集狀態或濃度變化的過程中產生的熱效應，放熱為正，吸熱為負。綜合化學反應熱效應(QR)與狀態變化熱效應(QV)的Q3 的計算公式為：Q3QRQV（3）Q5 與Q6 的確定根據

34、大量實踐計算經驗，(Q5Q6)通常為(Q4Q5Q6)的5%10%，只要計算出Q4，就可以確定(Q5Q6)，從而計算出Q2。（4）Q2 的計算由以上計算過程得到Q1、Q3、Q4、Q5、Q6 后，根據公式求出設備的熱負荷Q2。Q2 正值表示需對設備加熱，負值表示需冷卻。4.2.2 熱量衡算基礎數據計算與查取固體化合物和有機化合物的比熱容為：CpNiCi/M式中M化合物摩爾質量，kg/kmolNi分子中i 元素原子數Cii元素原子的摩爾熱容，J/(kmol·)其中Ci查取自制藥工程工藝設計P91表4-4 元素原子摩爾熱容經計算得出各物質的比熱容，查取化學工藝設計手冊，得各物質的物性參數表見

35、下表：表4-1 各物質的物性參數參數M(g/mol)(g/ml)Cp(kJ/kg·k)fHm(kJ/mol)乙醇胺61.081.0113.36201.60濃硫酸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-氨基乙醇硫酸酯141.151.7822.061200.00牛磺酸125.141.7342.091360.97亞硫酸銨116.141.4101.36900.52硫酸銨132.131.7701.421180.854.3 熱量衡算過程（1）酯化釜混料階段：（溫度控

36、制在5左右）Q1=281.94×3.36×25+476.27×1.46×25=4.11×104kJQ3=0Q4=281.94×3.36×5+476.27×1.46×5=8.21×103kJQ50，低溫混料，散熱損失，Q60Q2= Q4+Q5+Q6-Q1-Q3=8.21×103-4.11×104=-3.29×104kJ計算表明，料液混合階段需供冷量為3.29×104kJ加熱回流反應階段：（溫度控制在110左右）Q1=281.94×3.36×

37、;5+476.27×1.46×5+420.68×1.12×25=1.99×104kJQ3包括反應放熱和狀態變化熱，即Q3=QR+QV QV包括硫酸稀釋放熱QV1和甲苯水汽化吸熱QV2兩部分查制藥工程工藝設計P95式4-47得：q=766.2-1357nn+49式中 q1kg一定濃度的硫酸被無限量的水稀釋放出的熱量，kJ/kg硫酸 n硫酸溶液中水的質量分數，%kg且有 QV1=Q分離酸+Q稀釋酸=m原q原-m反q反-m殘q殘原硫酸（98%）：m原=485.99kg，n=2，q原=766.2-1357×22+49=712.98kJ/kg反

38、應中：m反=430.28kg，n=0,q反=766.2-0=766.2kJ/kg殘液中：硫酸量=45.99kg，水量=79.10kg，m殘=45.99+79.10=125.09kgn=79.10/125.09=63.23%，q殘=766.2-1357×63.2363.23+49=1.67 kJ/kgQV1=485.99×712.98-430.28×766.2-125.09×1.67=1.66×104kJ查110下，甲苯汽化熱為371.25kJ/kg，水汽化熱為2232.4kJ/kgQV2=-371.25×416.47+2232.4&#

39、215;79.10=-3.31×105kJQV=QV1+QV2=1.66×104-3.31×105=-3.14×105kJqr=-H°=-1200-285.83+813.99+201.6=470.24kJ/molqtr=470.24-110-25×4.18+2.06-3.36-1.46=349.54kJ/molQR=349.54×.02×430.28=1.53×105kJQ3=1.53×105-3.14×105=-1.61×105kJQ4=619.60×2.06&#

40、215;110+79.10×4.18×110+45.99×1.46×110+13.82× 3.36×110+420.68×1.12×110=2.41×105kJQ5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=2.68×104kJQ2 =2.41×105+2.68×104-1.99×104+1.61×105=4.09×105kJ計算表明，酯化反應過程需供熱量4.09×105kJ（2）降溫釜進料溫度105，

41、出料溫度25Q1=619.60×2.06×105+45.99×1.46×110+13.82×3.36×105+4.21× 1.12×105=1.46×105kJQ3=0Q4=619.60×2.06×25+45.99×1.46×25+13.82×3.36×25+4.21× 1.12×25=3.48×104kJQ5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=3.87×103kJ

42、Q2 =3.48×104+3.87×103-1.46×105=-1.07×105kJ計算表明，降溫釜需供冷量為1.07×105kJ（3）干燥過程選用真空干燥機，真空度0.08MPa，取干燥溫度為45Q1=607.27×2.06×25+3.07×2.38×25=3.15×104kJ在45下，查得乙醇汽化熱為41.86kJ/molQ3=-41.86×.07×3.07=-2.79×103kJQ4=607.27×2.06×45+3.07×2.3

43、8×45=5.67×104kJQ5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=6.3×103kJQ2=5.67×104+6.3×103-3.15×104+2.79×103=3.43×104kJ計算表明，干燥過程需供熱量為3.43×104kJ（4）磺化釜投料溫度25，進水溫度50，出料溫度105Q1=601.20×2.06×25+816.21×1.36×25+2000×4.18×50=4.77×105kJ

44、Q3考慮反應熱QR和溶解熱QVqr=-H°=-1360.97-1180.85+1470.04+900.52=171.26kJ/molqtr=171.26-105-25×1.42+2.09-1.36-2.06=164.06kJ/molQR=164.06×.14×407.38=5.34×105kJ查制藥工程工藝設計P94式4-39和4-40得：固體溶解熱=熔融熱Hm=4.187TmK1M，Tm=TbK2式中 Hm熔融熱，kJ/kg Tm熔點，K Tb沸點，K M摩爾質量，g/mol K1，K2常數，取自P94表4-6查亞硫酸銨的Tb=150，取K2

45、=0.72，Tm=（150+273.15）×0.72=304.67 K取K1=5，則 Hm=4.187×304.67×5116.14=54.92kJ/kg查2-氨基乙醇硫酸酯的Tm=275=548.15K，取K1=10 Hm=4.187×548.15×10141.15=162.60kJ/kgQV=54.92×816.21+162.60×601.20=1.43×105kJQ3=QR+QV=5.34×105+1.43×105=6.77×105kJQ4=141.70×2.06

46、15;105+438.13×1.36×105+2000×4.18×105+407.38× 2.09×105+430.14×1.42×105=1.12×106kJQ5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=1.24×105kJQ2=1.12×106+1.24×105-4.77×105-6.77×105=9.0×104kJ計算表明，磺化釜需供熱量為9.0×104kJ4.4 熱量衡算結果以上計算過程匯總為

47、下表：表4-2 熱量衡算匯總結果表單元過程Q1×105kJQ2×105kJQ3×105kJQ4×105kJQ6×105kJ混料階段0.411-0.32900.08210酯化反應0.1994.09-1.612.410.268降溫釜1.46-1.0700.3480.039干燥過程0.3150.343-0.0280.5670.063磺化釜4.770.906.7711.21.245 設備選型5.1 設備選型的依據5.1.1 設備選型的原則基本原料經過一系列單元反應和單元操作制得原料藥，這一系列化學變化和物理操作是在設備中進行的。設備不同，提供的條件不一

48、樣，對工程項目的生產能力、作業的可靠性、產品的成本和質量等都有重大的影響。設備選型的原則：（1）滿足工藝要求：滿足最大單位產量、適應產品品種變化的要求、高效、操作可靠、易于清洗、有合理的檢測與控制系統；（2）滿足 GMP 中有關設備選型、選材的要求；（3）設備要成熟可靠：設備的性能參數應符合國家、行業或企業標準，與國際先進設備相比具有可比性，與國內同類產品相比具有明顯的技術優勢；（4）要滿足設備結構的上的要求：具有適當的強度、剛度、耐腐蝕性，易于安裝，易于操作、維護和檢修；（5）要考慮技術經濟指標，達到節能要求。因此，選用設備時要根據生產工藝要求和市場供應情況，貫徹先進可靠、經濟合理、系統最優

49、等原則，按照可行性、維修性、操作性和能源供應等要求，進行調查和分析比較，確定設備的優化方案。5.1.2 設備材料選擇依據根據工藝要求，牛磺酸合成工段主要為酯化和磺化兩個工序，其中酯化工序涉及的原輔料包含一些有機溶劑和濃硫酸。其中濃硫酸雖具有強腐蝕性，一般由于其強氧化性，可使反應設備表面形成氧化物保護膜，選用不銹鋼材質即可，但溫度升高的情況下其腐蝕會增大，而酯化反應的控制溫度較高，因此選用搪玻璃反應釜，搪玻璃具有耐腐蝕和易清洗的優點，且其使用溫度在-30250，酯化溫度在此范圍內。酯化工序的其它設備溫度不高，可選用不銹鋼材質。磺化工序涉及了無機鹽及其水溶液和氨水等，不含腐蝕性極強的物質，可選用不

50、銹鋼反應釜。5.1.3 主要設備選型9（1）反應器選型反應器按結構分類可以分為釜式（槽式）、管式、塔式、固定床、流化床、移動床等各種反應器。其中，釜式反應器在化工生產中具有較大的靈活性，能進行多品種的生產，既適用于間歇操作過程，又可單釜或多釜串聯適用于連續操作過程，具有適用的溫度和壓力范圍寬，操作彈性大，連續操作時溫度、濃度易控制，產品質量均一等特點。本次設計為間歇生產，故可選用間歇式反應釜作為反應設備。（2）反應釜攪拌器選型攪拌器是攪拌反應釜的一個關鍵部件。攪拌器的選型直接關系到攪拌反應釜的操作和反應的結果。常見的攪拌器有推進式、渦輪式、錨式、框式、螺帶式等。其中推進式適用于低粘度流體的混合

51、，錨式適用于高粘度流體混合，本設計酯化反應釜和降溫釜選用錨式攪拌器，磺化釜選用推進式攪拌器。（3）分離設備選型針對酯化結束后的固體懸浮液的特性，選用板框過濾機。它是應用最廣泛的一種間歇式壓力過濾機，優點為結構簡單，制造容易，所需輔助設備少，過濾面積大，過濾壓力高，適用于過濾含固量高的懸浮液及腐蝕性物料。它的缺點是裝卸、清洗靠手工操作，勞動強度大。近來各種自動操作板框壓濾機的出現，使得該缺點得以克服。根據是否需要對濾餅進行洗滌，又可分為可洗和不可洗兩種形式，本設計過濾后需用無水乙醇洗滌，因而采用可洗式板框壓濾機。（4）干燥設備選型根據真空度 0.08MPa條件下干燥的要求，本設計選用雙錐回轉真空

52、干燥機。該設備設計先進，內部結構簡單，清掃容易，物料能全部排出，操作簡便，能降低勞動強度，改善工人工作環境。同時因容器本身回轉時物料亦轉動，但器壁上不積料，故傳熱系數高，干燥速率大，不僅節約能源，而且物料干燥均勻充分，質量好。（5）液體輸送設備選型液體輸送設備一般選用泵，泵的類型很多，可分為離心泵、旋渦泵、螺桿泵等。一般液體的輸送設備選用離心泵，本設計還選用了一種新型輸送機械氣動隔膜泵，它可將物料與外界完全隔離，對于各種腐蝕性液體，帶顆粒液體，高粘度液體，均能予以抽光吸盡。主要應用在酯化液的輸送中，在易燃易爆環境中選用氣動泵可靠且成本低。5.2 設備選型計算過程數據來自物料衡算，同樣以批次為基

53、準。5.2.1 反應釜選型計算（1）酯化釜選型計算每批投料得混合液1195.71kg，其中包括反應料液乙醇胺284.79kg、濃硫酸485.99kg，帶水劑甲苯424.93kg，體積簡單加和估算V=284.791.011+485.991.84+424.930.862=1037.63L，裝料系數取0.8，V0=1037.630.8=1297.04L，圓整后體積為1500L，可選用1500L搪玻璃反應釜，其技術參數如下表：表5-1 酯化釜技術參數表設備名稱公稱容積L實際容積L夾套換熱面積m2公稱直徑mm釜體高度mm參考重量kg電機功率kW搪玻璃酯化釜150016415.81200200019103

54、.0夾套換熱面積校核：根據能量衡算中“酯化釜”一部分，可知酯化過程所需熱量Q=4.09×105kJ。選用蒸汽加熱，取K=800W/m2，加熱時間約30mim，則可估計該釜所需換熱面積為：A=QKt=4.09××(110-5)×30×60=2.70m2實際換熱面積為5.8m2>2.70m2，符合要求。（2）降溫釜選型計算降溫釜主要用于對酯化后料液進行降溫，設備型號可與酯化釜相同，具體參數見表5-1。換熱面積校核：降溫釜所需冷量為Q=1.07×105kJ，使用冷凍鹽水降溫，取K=500W/m2，降溫時間約15min，則可估計該釜所需

55、換熱面積為：A=QKt=1.07××(105-25)×15×60=2.97m2同樣實際換熱面積5.8m2>2.97m2，符合要求。（3）磺化釜選型計算每批投料得混合液為3495.65kg，包括固體物料2-氨基乙醇硫酸酯601.2kg，亞硫酸銨824.45kg，溶劑2070kg，體積簡單加和估算V=601.21.782+824.451.41+20701.00=2992.09L，裝料系數取0.8，V0=2992.090.8=3740.11L，圓整后體積為4000L，實際生產中使用2個磺化釜，因此選用2個2000L的不銹鋼反應釜，其參數見下表：表5-2 磺化釜技術參數表設備名稱公稱容積L實際容積L夾套換熱面積m2公稱直徑mm釜體高度mm參考重量kg電機功率kW不銹鋼磺化釜200021797.21300386026744換熱面積校核：磺化釜需供熱量Q