匯報人：指導教師：20000t/a牛磺酸項目的工藝設計

目錄課題研究的目的和意義設計任務及要求設計工藝簡介生產工藝計算反應器的設計三廢的處理一課題研究的目的和意義意義目的牛磺酸是世界公認的營養強化劑,近年來由于人們日益增長的營養需求，促使牛磺酸全球需求激增。由于生產牛磺酸存在一定的環境污染問題，為促進國內工業化生產，有必要對牛磺酸的設計和生產進行深入研究。隨著人民生活水平的不斷提高和食品工業的發展，牛磺酸的需求量將不斷增加。因此，充分發展牛磺酸生產和出口，對提高國民生產總值會有重要意義。二設計任務及要求課題任務

試設計乙醇胺法制備年產20000噸牛磺酸，年工作時數為每年7200小時，產品流量2780kg/h,牛磺酸產品純度為（質量分數）99.5%以上，牛磺酸總收率達到75%,在經濟上更為合理。課題試設計生產方法和工藝流程，物料計算，熱量衡算，設備設計與選型，車間布置，產品技術經濟指標及化工廠污染處理、排放符合國家環保的要求。課題任務的具體要求1.根據以單乙醇胺為原料，經濃硫酸酯化，亞硫酸鈉還原和分離純化得到牛磺酸產品這一流程，設計出符合工藝設計的生產流程圖；2.利用流程圖，設計出合理的關鍵設備，能夠滿足工藝設計的指標需要；3.對整個生產進行物料計算，熱量衡算，設備設計與選型，車間布置等符合現實中安全生產的要求；4.產品技術經濟指標及化工廠污染處理、排放符合國家環保的要求；仔細檢查整個工藝設計過程，并且完成設計論文撰寫和修改。三

設計工藝簡介

工

藝

流

程

實驗室酯化和磺化的收率最高分別為98%和85%，總收率83%，但在工業化生產中所報道的總收率只有59%，收率不高的主要原因是酯化是可逆反應，得到中間產物2-氨基乙基硫酸酯在第二步亞硫酸鈉水溶液中磺化時，會發生逆轉，將中間產物水解生成乙醇胺，使收率降低，但酯化-磺化法的后步改進、包括雜質分離，近年的小試研究中并無大的突破，故重點從酯化方面設計該工藝。四生產工藝計算

反應條件為:進料中n(硫酸)/n(乙醇胺)=1.15：1，n(亞硫酸鈉)/n(酯)=1.5:1,反應壓力常壓,酯化反應溫度80℃,反應時間為6h,乙醇胺轉化率為95%，收率為98%，磺化反應溫度為104℃，反應時間32h,磺化轉化率80%，反應總收率為75%。原料（或產物）用量濃硫酸2.484×103L/h亞硫酸鈉6993kg/h乙醇胺2.381×103L/h2-氨基乙基硫酸酯37.00kmol/h牛磺酸2778kg/h

反應原料為乙醇胺（工業一級）、濃硫酸（工業級），亞硫酸鈉（工業級）。

匯總如下:物質摩爾質量（g/mol)密度（kg/m3)摩爾濃度（mol/L)乙醇胺（A)611018.016.69濃硫酸（B)981840.018.40亞硫酸鈉（C)1262633.010.45牛磺酸（產物）125--碳酸鈉1062532.02.39酯化反應器物料衡算物質進口出口kmol/hkmol/h濃硫酸

45.707.948乙醇胺39.741.987水037.002-氨基乙基硫酸酯037.00總計85.4483.935磺化反應物料衡算物質進口出口kmol/hw/%（mol)kmol/hw/%（mol)2-氨基乙基硫酸酯37.007.6900亞硫酸鈉55.511.5425.905.46硫酸鈉0029.66.24牛磺酸0022.654.78水388.4480.76381.0480.39乙醇胺007.401.56硫酸007.401.56總計480.941473.991電滲析槽物料衡算

濃縮器物料衡算物質進口（kmol/h)出口(kmol/h)流股流股亞硫酸鈉25.900.00225.898硫酸7.4007.40硫酸鈉29.60.00529.595牛磺酸22.6522.310.34水381.04190.1190.94乙醇胺7.25207.40總計473.99212.417261.593物質進口（kmol/h)出口(kmol/h)流股1流股2牛磺酸22.3122.200.11亞硫酸鈉0.0020.0010.001硫酸鈉0.0050.0010.004水212.4170.76212.657總計234.73422.692212.772反應熱力學途經如下在酯化反應中，以乙醇胺為計算基準得摩爾生成熱為

?Hm1=-1.687×107kJ/h進入反應器的物料需要熱為：Q1=2.20×109kJ/h熱損失取4%，則總熱量Q=2.095×109kJ/h=5.82×105kw在磺化反應中，以亞硫酸鈉為計算基準得

?Hm2=-1.32×107kJ/h進入反應器的物料帶入熱為:Q4=-8.92×105kJ/h熱損失取4%,則總熱量Q=-9.736×106kJ/h=-2704.4kw

酯化反應體積，由

得V=20.11m3

五反應器設計1.設備選型

牛磺酸的合成反應有濃硫酸、亞硫酸鈉等強腐蝕有害物質的參與，由攪拌釜式反應器的介紹，攪拌裝置的設計與選擇可知，本設計反應器均選用選用不銹鋼反應釜，攪拌器選用漿式攪拌器。2.傳熱方式

被攪拌液體的加熱或冷卻方式有多種，本設計采用如下方式：在攪拌槽外部設置夾套用于冷卻，在反應釜外部設置加熱器用于加熱。（一）反應釜釜體設計3.釜體DN、PN的確定攪拌槽的有效體積為由V=20.11m3,根據攪拌槽內液體最佳充填高度H等于槽內徑D，D=H=5.06m。本設計考慮不銹鋼的生產標準取D1=5.0m,圓整得D1=5000mm因操作壓力均為常壓，查標準得PN=0.25MPa4.釜體筒體壁厚的設計由試差法，確定Sn=8mm5.封頭的設計

該反應釜的封頭采用標準橢球封頭，代號EHA、標準JB/T4746—2002。由試差法確定，封頭壁厚Sn=14mm(二)反應釜夾套的設計1.夾套DN、PN的確定由于采用水加熱，為降低水在夾套內的流動阻力，夾套內徑按國家標準取：Dj=5100m,考慮到5100一般不在取值范圍，故取DN=5200mm由設備設計條件單知，夾套內介質的工作壓力為常壓,取PN＝0.25MPa2.夾套通體壁厚的設計因為pw為常壓，對于碳鋼制造的筒體壁厚取Sn＝8mm，與內壁保持一致。3.夾套封頭的設計夾套的下封頭選標準橢球型，內徑與筒體相同。夾套的上封頭選帶折邊錐形封頭，且半錐角α=45°,壁厚Sn=8mm（三）反應釜釜體及夾套的壓力試驗1.釜體液壓試驗壓力pT=0.225MPa由釜體液壓試驗的強度校核，得液壓強度足夠。壓力表的最大量程：P表=2pT=2×0.225=0.45MPa或1.5pT≤P表≤4pT即1.19625MPa≤P表≤3.19MPa,水溫：t≥15℃水中濃度：b≤25mg/L2.夾套液壓試驗壓力pT=0.2MPa由夾套的液壓試驗的強度校核，得液壓強度足夠。壓力表的量程：P表=2pT=2×0.2=0.4MPa或1.5pT≤P表≤4pT即0.3MPa≤P表≤0.8MPa,水溫≥5℃。（四）反應釜附件的選型及尺寸設計1.釜體法蘭聯接結構的設計設計內容包括：法蘭的設計、密封面形式的選型、墊片設計、螺栓和螺母的設計。法蘭結構尺寸如下圖：公稱直徑mm法蘭螺柱DD1D2D3D4δd規格數量5000513050905055504550424823M2036（五）攪拌裝置的選型與尺寸設計攪拌軸直徑d=50mm,聯軸器的型式選用立式夾殼聯軸節（D型）。因為直徑很大，故采用3個槳葉，每個槳葉直徑為533mm。攪拌軸長度L=1400mm,攪拌軸下部分的軸長為625mm。槳式攪拌槳的結構如下圖：（六）焊縫結構的設計釜體上的主要焊縫結構如下圖：分別為筒體的縱向焊縫、筒體與下封頭的環向焊縫、進料管與封頭的焊縫。夾套上的主要焊縫結構如下圖：（分別是夾套的縱向焊縫、夾套與封頭的橫向焊縫）（七）反應釜裝配圖六三廢的處理1.廢水的處理

1.從原料罐出來兩股物料，一股為含2-氨基乙基硫酸酯的溶液，另一股為溶有乙醇胺等物質的無水乙醇。第二股物料進入回收乙醇，將回收乙醇循環使用，節省費用。2.從電滲析槽出來兩股物流，其一牛磺酸，其二則為廢水，廢水中成分有Na+、SO42-、SO32-等，將廢水氧化為SO42-、Na+，然后加入氯化鈣溶液，生成硫酸鈣后過濾，然后廢水達標，即可排放。2.廢水廢渣的處理

本工藝中，僅有2-氨基乙基硫酸酯中和過程中，生成二氧化碳，對空氣基本無危害，必要時用堿液吸收。本工藝中不產生廢渣，故此項不列入考慮。

致謝

本論文是在xxx老師自始至終無私的指導下完成的，x老師淵博的學識，開闊獨特的科研思維，