制藥工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

專(zhuān)業(yè)_###_班級(jí)2姓名###

設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)200噸原料藥?；撬岬暮铣晒ざ蔚能?chē)間工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)間：2015.10.8—2014.11.13o

設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：

1、確定工藝流程及凈化區(qū)域劃分；

2、詳細(xì)敘述制備工藝及設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及關(guān)于此工藝及設(shè)

備的國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀、研究前沿。

3、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型及設(shè)計(jì)（按間歇操作考慮，每年開(kāi)

工300天）；

4、按規(guī)范要求設(shè)計(jì)車(chē)間工藝平面圖；

5、畫(huà)出帶控制點(diǎn)、輔助管線(xiàn)的物料工藝流程圖；

6、反應(yīng)器的安裝圖（平、立、剖面圖1：50）

7、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。

設(shè)計(jì)成果：

1、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，包括工藝概述、工藝流程及凈化區(qū)域劃分說(shuō)明、

物料衡算、熱量衡算、工藝設(shè)備選型說(shuō)明、工藝主要設(shè)備一覽表、車(chē)間工

藝平面布置說(shuō)明、車(chē)間技術(shù)要求。

2、工藝平面布置圖一套（1：100）；

3、帶控制點(diǎn)及輔助管線(xiàn)的物料工藝流程圖（1：100）；

4、反應(yīng)器的安裝圖（平、立、剖面圖1：50）o

目錄

1設(shè)計(jì)依據(jù)及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)....................................................1

1.1設(shè)計(jì)依據(jù)........................................................1

1.2生產(chǎn)能力........................................................1

1.3產(chǎn)品規(guī)格........................................................1

1.4原輔材料技術(shù)規(guī)格...............................................2

2工藝說(shuō)明..............................................................3

2.1工藝概述........................................................3

2.1.1氯化法....................................................3

2.1.2乙撐亞胺法................................................4

2.1.3酯比法....................................................4

2.1.4工藝設(shè)備及生產(chǎn)現(xiàn)狀........................................5

2.2工藝流程說(shuō)明....................................................6

2.2.1?；撬嵘a(chǎn)方法............................................6

2.2.2工藝流程敘述..............................................8

3物料衡算..............................................................9

3.1概述............................................................9

3.2衡算過(guò)程........................................................9

3.2.1確定每批產(chǎn)量..............................................9

3.2.2每批主要原料投料量計(jì)算...................................9

3.2.2化學(xué)反應(yīng)過(guò)程衡算.........................................1()

3.3物料流程框圖...................................................13

4能量衡算.............................................................16

4.1概述...........................................................16

4.2能量衡算依據(jù)...................................................16

4.2.1設(shè)備的熱量平衡方程式.....................................16

4.2.2熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算與查取...............................18

4.3熱量衡算過(guò)程...................................................19

4.4熱量衡算結(jié)果...................................................22

5設(shè)備選型.............................................................22

5.1設(shè)備選型的依據(jù).................................................22

5.1.1設(shè)備選型的原則...........................................22

5.1.2設(shè)備材料選擇依據(jù).........................................23

5.1.3主要設(shè)備選型⑼...........................................23

5.2設(shè)備選型計(jì)算過(guò)程..............................................24

5.2.1反應(yīng)釜選型計(jì)算...........................................24

5.2.2儲(chǔ)罐設(shè)備選型計(jì)算.........................................26

5.2.3過(guò)濾器選型計(jì)算...........................................27

5.2.4干燥器選型計(jì)算...........................................27

5.2.5冷凝器選型計(jì)算...........................................27

5.3主要設(shè)備一覽表.................................................28

6車(chē)間布置.............................................................29

6.1概述...........................................................29

6.2布置依據(jù).......................................................29

6.3布置原則.......................................................29

6.4車(chē)間布置說(shuō)明...................................................3()

6.5車(chē)間工藝平面布置圖............................................31

7節(jié)能與環(huán)保...........................................................32

7.1回收利用.......................................................32

7.2環(huán)保與安全.....................................................33

7.2.1危險(xiǎn)性概述...............................................33

7.2.2急救措施及泄露應(yīng)急處理..................................34

7.2.3安全防護(hù).................................................34

參考文獻(xiàn)...............................................................35

附錄...................................................................35

年產(chǎn)200噸原料藥牛磺酸的合成工段的車(chē)間工藝設(shè)計(jì)

1設(shè)計(jì)依據(jù)及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1設(shè)計(jì)依據(jù)

本設(shè)計(jì)的題目為“年產(chǎn)200噸原料藥?；撬岬暮铣晒ざ蔚能?chē)間設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)依據(jù)為

制藥工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)：

《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(2010年修訂)》

《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠(chǎng)房設(shè)計(jì)規(guī)范》

O010GMP實(shí)施指南-原料藥》

《2010GMP實(shí)施指南-廠(chǎng)房、設(shè)施和設(shè)備》

《中華人民共和國(guó)藥典(二部)》

《生產(chǎn)過(guò)程安全衛(wèi)生要求總則(GB/T12801-2008)》

《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GBZ1-2010)》

1.2生產(chǎn)能力

本車(chē)間為生產(chǎn)原料藥?；撬岬暮铣晒ざ?，其年產(chǎn)量為200l/a,含量為99%以上。年

總工作日300天，考慮到生產(chǎn)周期約為1天，每天生產(chǎn)2批，則每批次需生產(chǎn)?；撬?/p>

成品333.3Kgo

13產(chǎn)品規(guī)格

?；撬?/p>

(1)中文名稱(chēng)：?；撬?2-氨基乙磺酸)，又名牛膽酸、牛膽素

(2)英文名稱(chēng)：Taurine

(3)分子式：C2H7O3NS

(4)分子量：125.14

(5)質(zhì)量規(guī)格：企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，25Kg/桶

(6)主要物理性質(zhì)及用途：

本品為白色晶體或結(jié)晶型粉末，無(wú)臭無(wú)毒、味微酸，熔點(diǎn)328?329久(分解)，較

易溶于水，微溶于95%的乙醇，不溶于無(wú)水乙醇、酸、燒等有機(jī)溶劑。

?；撬嶙钤缬膳｜S中分離而來(lái)，是一種非蛋白質(zhì)類(lèi)氨基酸，具有獨(dú)特的藥理及營(yíng)養(yǎng)

保健作用。廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品添加劑、熒光增白劑、有機(jī)合成等領(lǐng)域,，也可用于生

化試劑、濕潤(rùn)劑、PH緩沖劑等。

1.4原輔材料技術(shù)規(guī)格

本車(chē)間產(chǎn)品?；撬嵘a(chǎn)所涉及到的原輔料見(jiàn)下表1-1

表1-1牛磺酸生產(chǎn)工藝用原輔料

狀態(tài)分子工業(yè)級(jí)熔點(diǎn)沸點(diǎn)密度

名稱(chēng)溶解度

常溫最含量℃℃g/mL(25℃)

與水、乙醇混溶

乙醇胺液體61.08>99%10.5170.51.011

濃硫酸液體98.08>98%10.353381.840與水混溶

微溶水，溶于多

甲苯液體92.14>99%-94.99110.630.862

數(shù)有機(jī)溶劑

與水、多數(shù)有機(jī)

無(wú)水乙醇液體46.07>99%-114.178.50.804

溶劑混溶

符合藥與乙醇互溶，微

純化水液體18.0201001.000

典標(biāo)準(zhǔn)溶有機(jī)溶劑

溶于水，微溶于

亞硫酸鉉固體116.14>99%60-701501.410

醇

2工藝說(shuō)明

2.1工藝概述

?；撬岬纳a(chǎn)方法一般有兩種：一種方法是從動(dòng)物內(nèi)臟中提取，另一種方法為合成

方法。因?yàn)閯?dòng)物內(nèi)臟中提取含量極少，所以工業(yè)上獲取牛磺酸主要應(yīng)用合成的方法。根

據(jù)合成原料的不同，?；撬岬闹苽浞椒ㄖ饕幸掖及妨蛩狨セ?、乙醇胺氯化法、羥基

乙醇法、2-氨基乙醇法、亞乙基亞胺法、乙二磺酸酎法等十多種。

目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)生產(chǎn)廠(chǎng)家采用乙醇胺法來(lái)生產(chǎn)?；撬幔摲椒ㄔ弦椎茫铣晒?/p>

藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。以乙醇胺為原料合成牛磺酸，按合成路線(xiàn)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(yīng)分氯化、磺化兩步進(jìn)行，經(jīng)過(guò)2-氯

乙胺鹽酸鹽中間體合成?；撬?，反應(yīng)方程式如下：

NH2cH2cH20H+2HCI^=±HCI.NH2CH2CH2CI+H20

HCI?NH2cH2cHQ+Na2SO3——>NH2CH2CH2SO3H+2NaCI

該方法原料易得，但反應(yīng)條件難控制，收率僅能達(dá)到48%。在氯化法中，有工藝以

乙醇胺鹽酸鹽與氯化亞碉為原料，以甲苯作溶劑，先反應(yīng)生成氯乙胺鹽酸鹽，然后產(chǎn)物

再與亞硫酸鈉反應(yīng)生成?；撬帷?/p>

1989年，德國(guó)的D.Pauhilh等人⑴在等當(dāng)量的竣酸中，氯化亞碉與乙醇胺鹽酸鹽按

化學(xué)計(jì)量式于60℃下反應(yīng)7h,得到。-氯乙胺鹽酸鹽，產(chǎn)率接近理論值，高達(dá)99.1%,

副產(chǎn)物為氣體，不需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離。然而，該法反應(yīng)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(fā)性、且有強(qiáng)烈的窒息性氣味以及

遇水強(qiáng)烈反應(yīng)等特點(diǎn)。因此，此方法并不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，至今未被工業(yè)化。另一德國(guó)

專(zhuān)利⑵采用37%的鹽酸與溶于甲苯中的乙醇胺進(jìn)行反應(yīng)，于110℃下共沸除去水分，冷

卻至50℃后加入NH4cl催化劑，然后滴加氯化亞碉生成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颯作溶劑，因此也不是理想的生產(chǎn)工

藝。

2.1.2乙撐亞胺法

80年代初，美國(guó)聯(lián)合碳化公司的K.D.Oison等人團(tuán)以乙醇胺經(jīng)過(guò)氣相催化脫水環(huán)

化合成乙撐亞胺，然后用硫酸開(kāi)環(huán)加成制備?；撬?。反應(yīng)方程式如下：

N2CatCHCHH2s0式或NH4Hse)3)

HNCHCHOH22

222H9NCH9CH?SO3H

-H20

H

日本催化劑化學(xué)公司對(duì)此反應(yīng)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?dú)忪F化乙醇胺，在裝填有Cso.1)BaolP().8催化劑的反應(yīng)塔內(nèi)發(fā)生分子內(nèi)

環(huán)化反應(yīng)生成乙撐亞胺，再將其蒸發(fā)之后直接與亞硫酸氫錢(qián)反應(yīng)制得?；撬?，產(chǎn)率可達(dá)

84%o該工藝的特點(diǎn)是投資少、成本低，不需要分離副產(chǎn)物，工藝較先進(jìn)，國(guó)外己經(jīng)在

上世紀(jì)八十年代末投入工業(yè)化生產(chǎn)。

盡管乙撐亞胺法生產(chǎn)?；撬岬氖章瘦^高，但由于乙撐亞胺具有劇毒性、沸點(diǎn)低易揮

發(fā)，容易發(fā)生聚合爆炸，原料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸具有很大的困難。從可持續(xù)發(fā)展和綠色化工

的觀點(diǎn)來(lái)看，顯然也不是最佳的工藝路線(xiàn)。

2.1.3酯化法

由于氯化法和乙撐亞胺法合成?；撬岬墓に囍写蠖啻嬖谟卸疚镔|(zhì)參與、反應(yīng)，或者

是生產(chǎn)成本較高，制約了牛磺酸的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，因此以乙醇胺為原料酯化法合成牛

磺酸成為當(dāng)今國(guó)際上?；撬嵘a(chǎn)企業(yè)采用最多的一種生產(chǎn)方法。該反應(yīng)以乙醇胺、硫

酸、亞硫酸鈉或亞硫酸錢(qián)為原料，首先硫酸與乙醇胺進(jìn)行酯化反應(yīng)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鏤進(jìn)行磺化反應(yīng)合成牛

磺酸內(nèi)。反應(yīng)方程式如下：

NH2cH2cH20H+H2SO4NH2CH2CH2OSO3H+H20

NH2cH2cH20so3H+Na2SO3——>NH2cH2cH2so3H+Na2s04.

或

NH2CH2CH2OSO3H+(NH4)2so3——>NH2CH2CH2SO3H+(NH4)2SO4

在合成?；撬岬牡谝徊锦セ磻?yīng)過(guò)程中，乙醇胺與濃硫酸直接混合，會(huì)產(chǎn)生大量的

熱，這樣會(huì)使乙醉胺炭化，所以實(shí)驗(yàn)室合成需采用冰浴環(huán)境，并采取滴加濃硫酸的方法

進(jìn)行。加入濃硫酸的時(shí)候溫度控制在10C以下，加入50%濃硫酸溫度可控制在20c以

下。同時(shí)酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，需完全脫水，而常壓需加熱至12()?160℃,溫度過(guò)

高不但操作困難，且易產(chǎn)生雜質(zhì)。木法采用加入帶水劑甲苯的方法，既降低了脫水反應(yīng)

溫度，又不影響脫水程度，產(chǎn)物易于處理。

當(dāng)前，單乙醇胺酯化轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%以上，但?；撬岬氖章蕝s很低旦成本偏高。

這是因?yàn)榛腔磻?yīng)才是該合成工藝路線(xiàn)的控制步驟，磺化時(shí)加熱回流所需時(shí)間長(zhǎng)、能耗

大，且2.氨基乙醇硫酸酯易水解，反應(yīng)產(chǎn)物?；撬岷蜔o(wú)機(jī)鹽難以分離。H本學(xué)者山本

勇等針對(duì)磺化反應(yīng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)通入氨氣添加適量的硫酸酯抑制水

解反應(yīng)，并采用電滲析脫鹽，可提高?；撬崾章蔬_(dá)90%以上。但是，目前我國(guó)在工業(yè)上

采用酯化法生產(chǎn)?；撬岬氖章蕛H為53%左右，能耗和成本高，與國(guó)外工藝相比還有很

大差距。因此，縮短酯法的反應(yīng)時(shí)間，提高?；撬岷蜔o(wú)機(jī)鹽分離收率是我國(guó)?；撬岷铣?/p>

研究者和生產(chǎn)企業(yè)所面臨的難題和挑戰(zhàn)。

2.1.4工藝設(shè)備及生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國(guó)是20世紀(jì)80年代初開(kāi)始牛磺酸生產(chǎn)的。首先由中科院應(yīng)用化學(xué)研究所與長(zhǎng)

春市春城制藥廠(chǎng)合作試制?；撬岢晒Σ⑼度肷a(chǎn)，隨后相繼有上海第二制藥廠(chǎng)等近40

家企業(yè)上馬投產(chǎn)。其中，產(chǎn)量最大的是南京制藥廠(chǎng)15OOt/a,與國(guó)內(nèi)外蓬勃發(fā)展的需求

相比有很大差距⑸。

目前，我國(guó)牛磺酸行業(yè)面臨的主要問(wèn)題：一是收率低。目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)?；撬?/p>

生產(chǎn)的總收率只有約52%,接近其成本收率49%,導(dǎo)致成本高，效益低，嚴(yán)重制約了

牛磺酸的生產(chǎn)和發(fā)展。為此，各相關(guān)企業(yè)、大專(zhuān)院校和科研單位應(yīng)積極進(jìn)行牛磺酸制備

技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，不斷改進(jìn)和完善?；撬岬暮铣晒に嚮?qū)で蟾咏?jīng)濟(jì)合理的工藝路

線(xiàn)，以提高收率和品質(zhì)，降低成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。二是生產(chǎn)企業(yè)多，規(guī)模小，競(jìng)爭(zhēng)

混亂。雖然近年來(lái)上馬的?；撬嵘a(chǎn)線(xiàn)較多，但大多數(shù)企業(yè)的規(guī)模較小，一般為100-

200t/a,有的只有幾十噸，且技術(shù)和管理落后，沒(méi)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，眾多企業(yè)都來(lái)

分割這塊“市場(chǎng)蛋糕”，不少企業(yè)相互壓價(jià)銷(xiāo)售，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)處于混亂狀態(tài)，直接損害了

?；撬嵝袠I(yè)的整體利益。所以，應(yīng)加強(qiáng)行業(yè)聯(lián)合，發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟(jì)，全行業(yè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，統(tǒng)

一布置，實(shí)施行業(yè)自律，建立良好的市場(chǎng)秩序，提高全行業(yè)整體經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管理水平

和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。還要加強(qiáng)國(guó)際合作，積極開(kāi)發(fā)國(guó)際市場(chǎng)，將更多的產(chǎn)品銷(xiāo)往國(guó)外。三是

消費(fèi)量少。這也在很大程度上影響了?；撬嵘a(chǎn)的發(fā)展。要積極進(jìn)行?；撬岬膽?yīng)用研

究，開(kāi)發(fā)出適合不同消費(fèi)群體的各種?；撬岙a(chǎn)品，以擴(kuò)大?；撬岬南M(fèi)，激活國(guó)內(nèi)潛在

市場(chǎng)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)牛磺酸行業(yè)的快速發(fā)展⑹。

2.2工藝流程說(shuō)明

2.2.1?；撬嵘a(chǎn)方法

(1)反應(yīng)過(guò)程

本次課程設(shè)計(jì)采用酯化法生產(chǎn)?；撬幄?。該方法以乙醇胺、硫酸、亞硫酸鏤為原料,

首先硫酸與乙靜胺進(jìn)行酯化反應(yīng)合成中間體2-氨基乙醇硫酸酯，中間體再與亞硫酸鉞

進(jìn)行橫化反應(yīng)合成?；撬?，反應(yīng)如下:

NH2cH2cH20H+H2SO4~=±NH2cH2cH20so3H+H20

NH2CH2CH2OSO3H+(NH4)2SO3—>NH2CH2CH2SO3H+(NH4)2SO4

(2)工藝過(guò)程

牛磺酸合成工藝流程框圖如下:

甲苯

甲苯

無(wú)水乙醇

硫酸酯

(NH4)2S03

NH3

無(wú)氧水

硫酸酯

圖2-1?；撬岷铣晒ざ喂に嚵鞒炭驁D

(3)操作過(guò)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(dòng)攪拌至濃硫酸

滴加完畢，撤去冰浴。向反應(yīng)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(wú)明顯水分時(shí)停止加熱，抽濾得到粗酯；然后用無(wú)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、乙醉胺與濃硫酸摩爾比為0.95、帶水劑用量為乙酹胺體積的

1.75倍時(shí)為較佳的工藝條件。此條件下，乙醇胺的轉(zhuǎn)化率可達(dá)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(guò)的蒸儲(chǔ)水，通入氨氣形成氨氣(適

量)保護(hù)，在攪拌狀態(tài)下條件下加入(NH4”SO3,待亞硫酸錢(qián)全部溶解后加入2-氨基乙

醇硫酸酯。加熱至105℃,反應(yīng)12h后，停止加熱。

磺化反應(yīng)的較優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度為105C,反應(yīng)時(shí)間為12h,物料配比

5(N“4)2S03：%一氨基乙醉硫酸酣)為L(zhǎng)65,在50c下加2-氨基乙醵硫酸酯，保持溫度lOmin,

投料在1小時(shí)內(nèi)完成。此條件下，2-氨基乙醇硫酸酯的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到76.43%左右。

2.2.2工藝流程敘述

（1）酯化工序：來(lái)自乙醇胺計(jì)量罐（V102）的料液在重力作用下加入酯化釜（R101）

中，開(kāi)冷凍鹽水和攪拌裝置，并向釜中緩慢加入98%濃硫酸，向釜內(nèi)盤(pán)管中通冷凍鹽

水使釜內(nèi)溫度維持在0—5℃，濃硫酸滴加完畢，關(guān)冷凍鹽水。通過(guò)計(jì)量泵（P102）向

酯化釜頂部加入一定量甲苯，向釜夾層中通蒸汽加熱反應(yīng)液溫度到110℃,由于酯化反

應(yīng)為放熱過(guò)程，過(guò)程中需向盤(pán)管中通冷凍鹽水來(lái)控制反應(yīng)溫度。反應(yīng)生成的水和甲茶以

共沸物蒸出，經(jīng)冷凝器（E101）冷凝到分水器（M101）,甲苯與水靜置分層，下層水相

經(jīng)分水裝置分離到水貯罐（V104）,甲苯回流到釜中循環(huán)使用，待水分全部蒸出時(shí)12一

3h）,繼續(xù)加熱使甲苯全部蒸出，經(jīng)冷凝回收到甲苯貯罐（V103）。反應(yīng)完畢后關(guān)蒸汽

和攪拌，將釜內(nèi)反應(yīng)液由釜底泵（P101）入降溫釜，經(jīng)冷凍鹽水降至室溫后泵（P103）

入過(guò)濾器（M102）,濾液排入廢液池。由過(guò)濾器頂部加入無(wú)水乙醇洗滌，洗滌液回收到

廢液儲(chǔ)罐（V106）,洗滌后的濾餅放入真空回轉(zhuǎn)干燥機(jī)（D101）中干燥，冷卻后通過(guò)電

子稱(chēng)（W101）計(jì)量運(yùn)輸?shù)较乱还ば蚴褂谩?/p>

（2）磺化工序：將提純工段溶劑回收得來(lái)的水溶液與沸水經(jīng)配水罐（V203）配得

溫度約50C的無(wú)氧水，泵（P202）入到磺化釜（R201A.B）中，再向釜中通氨氣使釜內(nèi)

形成無(wú)氧環(huán)境。開(kāi)攪拌，向釜中投入原料亞硫酸鉞，待其全部溶解后再向釜中緩慢投入

酯化工序產(chǎn)品硫酸酯，投料在50℃下、1小時(shí)內(nèi)完成。然后向夾層中通蒸汽加熱至105C,

反應(yīng)約12小時(shí)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(jìn)而用于提純分離工段。

3物料衡算

3.1概述

在進(jìn)行車(chē)間工藝設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)生產(chǎn)工藝流程確定以后就可以進(jìn)行車(chē)間物料衡算。通過(guò)

計(jì)算，得出車(chē)間所處理的各種物料的數(shù)量及組成，從而使設(shè)計(jì)由定性轉(zhuǎn)向定量。物料衡

算結(jié)果的正確與否將直接關(guān)系到車(chē)間工藝設(shè)計(jì)的可靠程度。只有經(jīng)過(guò)乍間物料衡算，才

能得出進(jìn)出于每個(gè)過(guò)程或設(shè)備的各種物料的質(zhì)量、組分和含量。這就是進(jìn)行物料衡算的

目的。

本次物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，以設(shè)備為單位對(duì)其每天進(jìn)出物料量進(jìn)行衡

算，之后計(jì)算出各物料的單耗和年消耗量。

3.2衡算過(guò)程

3.2.1確定每批產(chǎn)量

牛磺酸年產(chǎn)量2003生產(chǎn)30()天，每天投料兩次，生產(chǎn)兩批

每批產(chǎn)量：333.33kg

322每批主要原料投料量計(jì)算

從后往前推算：

產(chǎn)品最終含牛磺酸的量=產(chǎn)量x含量=333.33x99%=330.00kg

設(shè)熱過(guò)濾后濾餅中含?；撬岬牧繛閃,每步物理過(guò)程收率以99%計(jì)

由于第一次結(jié)晶率為67.94%,第二次結(jié)晶率為60.00%,則有下式：

[WX67.94%+Wx(1-67.94%)X60.00%X99%]X99%=330.00

求解得w=383.14kg

熱過(guò)濾收率以95%計(jì)

熱過(guò)濾前?；撬岬牡牧繛榱T廣=403.31kg

95%

鹽析后?；撬岬牧繛殄?407.38kg

即磺化液中?；撬岬牧繛?07.38kg

磺化反應(yīng)收率為76.43%,即

-氨基乙呼硫酸酯”.瓶?；撬?07.38

―14L15—X76-4o3%n=/12544=12544

磺化反應(yīng)所需2-氨基乙醇硫酸酯的量=601.20kg

酯化工序中物理過(guò)程收率以99%計(jì)

酯化反應(yīng)生成2-氨基乙醇硫酸酯的量為=蟹=619.60kg

酯化反應(yīng)收率為95.1%,即

-氨基乙酹:硫酸酣619.60瓶乙醇胺

—I4L15—=14n5=7T0^X95-1%

反應(yīng)所需乙醇胺的量=281.94kg

實(shí)際投入乙醇胺的量為=*=284.79kg,其中雜質(zhì)的量=2.85kg

3.2.2化學(xué)反應(yīng)過(guò)程衡算

3.2.2.1中間物2-氨基乙醇硫酸酯的制備

(1)反應(yīng)過(guò)程

NH2CH2CH2OH+H2SO4^tNH2cH2cH20so3H+H2O

由該反應(yīng)平衡關(guān)系可得消耗的反應(yīng)物的量與生成物的量的關(guān)系式如下:

m乙醇胺_-硫酸_-氨基乙醇硫酸酯_619.60_7n水

61.08=98.02=141.15=141.15=18.02

即：反應(yīng)掉乙醇胺的量二268.12kg,硫酸的量:43().28kg

生成水的量二79.10kg,2-氨基乙醇硫酸酯的量二619.60kg

已知該反應(yīng)最佳條件為：乙醇胺和濃硫酸摩爾比為0.95

濃硫酸的用量蕓＜x98.02=476.27kg

61.08x0.95°

實(shí)際投入濃硫酸的量二等=485.99kg,雜質(zhì)含量=9.72kg

98%

反應(yīng)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

甲苯用量二瑞詈x1,75X0.862=420.68kg

實(shí)際甲苯投量=胃譽(yù)=424.93kg,雜質(zhì)含量=4.25kg

回流反應(yīng)到無(wú)水分時(shí)，分水率以100%計(jì)，分出水量=79.10kg

最終甲苯回收量二420.68x99%=416.47kg

（2）抽濾過(guò)程（物理過(guò)程收率以99%計(jì)）

濾餅中各組分的量：

2-氨基乙醇硫酸酯量=619.60x99%=613.40kg

硫酸量=45.99xl%=0.46kg

乙醇胺量=13.82x1%=0.14kg

甲苯量=4.21xl%=0.04kg

濾液中各組分的量：

2-氨基乙醇硫酸酯量=6.20kg

硫酸量=45.53kg

乙醇胺量=13.68kg

甲苯量=4.17kg

（3）洗滌過(guò)程

設(shè)洗滌劑無(wú)水乙醇用量為待洗物2-氨基乙醇硫酸酯量的50%

即無(wú)水乙醇量=613.40x50%=306.70kg

實(shí)際投無(wú)水乙醇量=暇=309.80kg,雜質(zhì)含量=3.1kg

洗滌后固相：

2-氨基乙醇硫酸酯量=613.40x99%=607.27kg

乙醇量=306.70x1%=3.07kg

液相：

乙醇量=303.63kg

2-氨基乙醇硫酸酯量=6.13kg

雜質(zhì)量=0.64kg（硫酸量=0.46kg,乙醇胺量=0.14kg,甲苯量=0.04kg）

（4）干燥過(guò)程

固體：2.氨基乙醇硫酸酯量=607.27x99%=601.20kg

廢氣：乙醇量=3.07kg

3.2.2.2目的產(chǎn)物制備

已知該反應(yīng)投料比為九亞硫酸錢(qián)：九2.額基乙酹硫酸酯=L6S

需亞硫酸錢(qián)量二吧浣x116.14x1.65=816.21kg

實(shí)際投入亞硫酸鏤量=816.21/99%=824.45kg,雜質(zhì)量=8.24kg

50℃下，亞硫酸核在水中溶解度為46.4g/100ml水

溶解投入的亞硫酸鏤所需水量=3含乂100=1759.07kg

此時(shí)為飽和溶液，因此取實(shí)際用水量為2000kg

其中70%可來(lái)自溶劑剛攵，30%為配水量=600kg

已知反應(yīng)方程

NH2cH2cH20so3H+(NH4)2SO3——>NH2cH2cH2so3H+(NH4)2SO4

由該反應(yīng)平衡關(guān)系可得消耗的反應(yīng)物的量與生成物的量的關(guān)系式如下：

-氨基乙醉硫酸曲_7n亞硫酸鉉_01硫酸彼_m牛磷酸_407.38

141.15=116.14=132.13=125.14=125.14

反應(yīng)消耗量：2.氨基乙醇硫酸酯量=459.50kg,亞硫酸鐵量=378.08kg

生成量：牛磺酸量=407.38kg,硫酸鉞量=430.14kg

橫化液中各組分量：

?；撬崃?407.38kg

2-氨基乙醇硫酸酯量=601.20-459.50=14L70kg

亞硫酸鐵量=816.21-378.08=438.13kg

硫酸錢(qián)量=430.14kg

水量=2000kg

雜質(zhì)量=78.30kg

3.3物料流程框圖

以上衡算過(guò)程，繪制成框圖如下

原料及中間體主要反應(yīng)過(guò)程副產(chǎn)品及三廢

乙醇胺

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

乙醇胺281.9499.00

雜質(zhì)2.851.00儲(chǔ)出液

合計(jì)

284.79100.00混合組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

反應(yīng)料770.78水79.1089.60

濃硫酸

甲苯416.474.82

阻成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

雜質(zhì)5.135.58

疏酸476.2798.00

500.7100.00

雜質(zhì)9.722.00

合計(jì)485.99100.00

酯化反應(yīng)

甲苯反應(yīng)料1195.71

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

甲苯420.6899.00酯化液

雜質(zhì)4.251.00組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

合計(jì)424.93100.00硫酸酯619.6080.39

水79.1010.26

硫酸45.995.97

乙醇胺13.821.7S

雜質(zhì)12.271.55

合計(jì)770.78100.C0

原料及中間體主要反應(yīng)過(guò)程副產(chǎn)品及三廢

流液

濾餅抽濾

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％反應(yīng)料695.01

硫酸45.5356.30

瓶酸酯613.499.88

乙醇胺13.6816.92

雜質(zhì)0.750.12

硫酸酯6.207.67

合計(jì)614.15100.00

甲苯4.175.16

雜質(zhì)11.2813.95

無(wú)水乙醉

洗滌

合計(jì)80.86100.00

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

反應(yīng)料923.95

乙醇306.7099.00

雜質(zhì)3.101.00

合計(jì)309.80100.00

液相

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

乙醇303.6396.83

硫酸酯b.131.96

固相雜質(zhì)3.801.21

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％合計(jì)313.56100

硫酸酯607.2799.49

乙醇3.070.50

雜質(zhì)0.050.01

干燥廢氣

合計(jì)610.39100

反應(yīng)料610.39組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

乙醇3.0733.41

雜質(zhì)6.1266.59

合計(jì)9.19100

原料及中間體主要反應(yīng)過(guò)程副產(chǎn)品及三廢

酯化物

回收溶劑

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

硫酸酸601.20100.00

水1400.0095.00

合計(jì)601.20100.00

—>雜質(zhì)70.005.00

磺化反應(yīng)

------->C------------

亞硫酸核合計(jì)1470.00100.00

反應(yīng)料3495.65

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

磺化液

亞硫酸鐵816.2199.00

質(zhì)量分?jǐn)?shù)％

雜質(zhì)8.241.00組成質(zhì)量Kg

牛磺酸

合計(jì)824.45100.00407.3811.65

水2000.0057.22

熱水亞硫酸錢(qián)438.1312.53

組成質(zhì)量Kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)％硫酸鏤430.1412.31

水600.00100.00硫酸酯141.704.05

合計(jì)600.00100.00雜質(zhì)78.302Z

合計(jì)3495.65100.00

圖3-1?；撬岷铣晒ざ挝锪狭鞒炭驁D

4能量衡算

4.1概述

當(dāng)物料衡算完成后，接下來(lái)的工作就是進(jìn)行能量衡算，決定過(guò)程所需要的能量，計(jì)

算生產(chǎn)過(guò)程能耗指標(biāo)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行比較，以選定先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。

對(duì)于沒(méi)有傳熱要求的設(shè)備，可以由物料處理量、物料的性質(zhì)和工藝要求進(jìn)行設(shè)備的

工藝設(shè)計(jì)，以確定設(shè)備的型式、臺(tái)數(shù)、容積及主要尺寸。對(duì)有傳熱要求的設(shè)備，則必須

通過(guò)能量衡算，才能確定設(shè)備的主要工藝尺寸。

4.2能量衡算依據(jù)

能量衡算是以車(chē)間物料衡算的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行的，所以，車(chē)間物料流程框圖是進(jìn)行

車(chē)間能量衡算的首要條件與基礎(chǔ)C能量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)形

式為能量守恒基本方程：由環(huán)境輸入到系統(tǒng)的能量=由系統(tǒng)輸出到環(huán)境的能量+系統(tǒng)

內(nèi)積累的能量。

對(duì)于車(chē)間工藝設(shè)計(jì)中的能量衡算，許多項(xiàng)目可以忽略，而且車(chē)間能量衡算的目的是

要確定設(shè)備的熱負(fù)荷，所以，能量衡算可簡(jiǎn)化為熱量衡算。

4.2.1設(shè)備的熱量平衡方程式

對(duì)于有傳熱要求的設(shè)備，其熱量平衡方程式為：

Q1+Q2+Q3=Q4+QS+Q6

式中：Qi—物料帶入到設(shè)備的熱量kJ

Q2一加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和所處理物料的熱量kJ

Q3一過(guò)程熱效應(yīng)kJ

Q4一物料離開(kāi)設(shè)備所帶走的熱量kJ

Q5—加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量kJ

Qo一設(shè)備向環(huán)境散失的熱量kJ

在熱量衡算過(guò)程中的Q2,即設(shè)備熱負(fù)荷，是衡算的主要目的。

(1)Qi與Q」的計(jì)算

QI(Q4)=￡mtCp

式中m一輸入(或輸出)設(shè)備的物料量kg

Cp—物料的平均比熱容kJ/(kg.℃)

t—物料的溫度℃

該式的計(jì)算基準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即0℃及1.013x1()5pa時(shí)的狀態(tài)。因?yàn)槲锪系谋葻?/p>

容是溫度的函數(shù)，應(yīng)取定性溫度下的比熱容，這里采用A算公式計(jì)算出物質(zhì)的比熱容，

因此假設(shè)其不隨溫度變化，取為定值。

(2)Q3的計(jì)算

化學(xué)過(guò)程的熱效應(yīng)包括化學(xué)反應(yīng)熱與狀態(tài)變化熱。純物理過(guò)程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱。

在熱量衡算中，過(guò)程熱效應(yīng)Q3的符號(hào)為：放熱為正，吸熱為負(fù)。

其中化學(xué)反應(yīng)熱QR的計(jì)算：

為計(jì)算各種溫度下的反應(yīng)熱，規(guī)定當(dāng)反應(yīng)溫度為298K及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)反應(yīng)熱的

數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，習(xí)慣上用AH。表示，負(fù)值表示放熱，正值表示吸熱。這與在熱量衡

算中所規(guī)定的符號(hào)正好相反，為避免出錯(cuò)，現(xiàn)用符號(hào)卬表示標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，放熱為正，

吸熱為負(fù)，則qm-AH。

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)可以在《化學(xué)工程手冊(cè)》或《化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查到；當(dāng)缺乏數(shù)

據(jù)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)生成熱或標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求得⑻。

此次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)生成熱求等，其公式為：

qr=-Svqi

式中V—反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)、生成物為正

qf—標(biāo)準(zhǔn)生成熱kJ/mol

反應(yīng)物及生成物在(25?I)℃范圍內(nèi)均無(wú)相變化，則卬「的計(jì)算公式為：

C]tr=Cjr—(t-25)(SvCp)

式中q1—標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱kJ/mol

v—反應(yīng)方程中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)、生成物為正

Cp—反應(yīng)物或生成物在(25?范圍內(nèi)的平均比熱容kJ/kg℃

狀態(tài)變化熱Qv的計(jì)算

狀態(tài)變化熱是指只發(fā)生物質(zhì)聚集狀態(tài)或濃度變化的過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)，放熱為

正，吸熱為負(fù)。

綜合化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)(QR)與狀態(tài)變化熱效應(yīng)(Qv)的Q3的計(jì)算公式為:

Q3=QR+Qv

(3)Q5與Q6的確定

根據(jù)大量實(shí)踐計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，(<25+(>)通常為((34+(^+(26)的5%?1()%,只要計(jì)算出

Q4,就可以確定(Q5+Q6),從而計(jì)算出Q2。

(4)Q2的計(jì)算

由以上計(jì)算過(guò)程得到Qi、Q3、Q?、QS、Q6后，根據(jù)公式求出設(shè)名的熱負(fù)荷Q2。Q:

正值表示需對(duì)設(shè)備加熱，負(fù)值表示需冷卻。

4.2.2熱量衡算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算與查取

固體化合物和有機(jī)化合物的比熱容為：

Cp=ZNiCi/M

式中M------化合物摩爾質(zhì)量，kg/kmol

Ni——分子中i元素原子數(shù)

Ci——i元素原子的摩爾熱容，J/(kmol-℃)

其中Ci查取自《制藥工程工藝設(shè)計(jì)》P91表4-4元素原子摩爾熱容

經(jīng)計(jì)算得出各物質(zhì)的比熱容，查取《化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得各物質(zhì)的物性參數(shù)表見(jiàn)

下表：

表4-1各物質(zhì)的物性參數(shù)

參數(shù)M(g/mol)p(g/ml)Cp(kJ/kgk)AfHm(kJ/mol)

乙醇胺61.081.0113.36-201.60

濃硫酸98.021.8401.46-813.99

水18.021.0004.18-285.83

乙醇46.070.8042.38-235.00

甲苯92.140.8621.1250.00

2-氨基乙醉硫酸酯141.151.7822.06-1200.00

?；撬?25.141.7342.09-1360.97

亞硫酸鏤116.141.4101.36-9(X).52

硫酸錢(qián)132.131.7701.42-1180.85

4.3熱量衡算過(guò)程

(1)酯化釜

混料階段：(溫度控制在5c左右)

Qi=281.94x3.36x25+476.27x1.46x25=4.11x104kJ

Q3=0

3

Q4=281.94x3.36x5+476.27x1.46x5=8.21x10kJ

Q5?0,低溫混料,散熱損失,Q6?0

344

Q2=Q4+Q5+Q6-QI-Q3=8.21x10-4.11xIO=-3.29x10kJ

計(jì)算表明，料液混合階段需供冷量為3.29x104kJ

加熱回流反應(yīng)階段：(溫度控制在110℃左右)

Qi=281.94x3.36x5+476.27x1.46x5+420.68x1,12x25=1.99x104kJ

Q3包括反應(yīng)放熱和狀態(tài)變化熱，即

Q3=QR+QV

Qv包括硫酸稀釋放熱QVI和甲苯水汽化吸熱QV2兩部分

查《制藥工程工藝設(shè)計(jì)》P95式4-47得：

1357n

q=766.2---------

“n+49

式中q—1kg一定濃度的硫酸被無(wú)限量的水稀釋放出的熱量，kJ/kg硫酸

n—硫酸溶液中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%kg

且有Qvi=Q分離酸+Q稀釋酸=m原q原-m反q反-機(jī)殘q殘

原硫酸(98%)：m原=485.99kg,n=2,q原=766.2-號(hào)等=712.98kJ/kg

反應(yīng)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=125.09kg

n=79.10/125.09=63.23%,q..=766.2-1357x6323=1.67kJ/kg

63.23+49〃°

Qvi=485.99x712.98-430.28x766.2-125.09x1.67=1.66x104kJ

查110℃下，甲苯汽化熱為371.25kJ/kg,水汽化熱為2232.4kJ/kg

Qvz=-(371.25x416.47+2232.4x