课程设计—牛磺酸反应器的设计完成版

1第一章乙醇胺酯化法合成牛磺酸方案简介1.1牛磺酸简介中文名称：牛磺酸英文名称Taurine学名：2-氨基乙磺酸分子式(Formula)：NH2CH2CH2SO3H分子量(MolecularWeight)：125.15CASNo.：107-35-7牛磺酸（Taurine）又称2-氨基乙磺酸，最早由牛黄中分离出来，故得名。纯品为无色或白色斜状晶体，无臭，化学性质稳定，溶于乙醚等有机溶剂，是一种含硫的非蛋白氨基酸，在体内以游离状态存在，不参与体内蛋白的生物合成。1.2牛磺酸应用1.2.1食品添加剂牛磺酸是人体内具有多种生理功能的氨基酸，在人体内起重要作用。因此，它作为一种优良的食品添加剂，目前正日益广泛地应用于食品和饮料行业中。美国、日本等国有势%的牛磺酸用于食品添加剂，他们已规定在婴幼儿食品中必须添加牛磺酸。可以预见未来牛磺酸在食品添加剂方面的推广应用市场将非常广阔。1.2.2医药行业在医药上应用牛磺酸具有消炎、镇痛、镇静、降血压的作角，对心血管系统也有一系列独特的疗效，因而可应用于医药行业中。作为药品，牛磺酸现在在我国和日本已得到广泛地应用。1.2.3洗涤剂和荧光增白剂行业应用于洗涤剂和荧光增白剂中可以增强洗涤、增白效果。如在二苯乙烯双三嚓类荧光增白剂中引人氨基乙磺酸基团后，可改善增白剂的水溶性和增白效果。这类增白剂主要用于造纸、纤维素纤维和聚酞胺纤维的增白。牛磺酸在有机合成、生化试剂、PH缓冲剂方面也有广泛应用。目前，牛磺酸的应用范围已明显扩大，在食品工业、化工、农业、水产和军用等各方面都有广泛应用，其消费量远远超过药用。1.3牛磺酸生产工艺介绍2经过多年的发展，牛磺酸生产方法主要有3种，即生物提取法、丙烯酞胺法、乙醇胺法。1.3.1生物提取法用自然生物原料生产牛磺酸是通过牛胆汁水解或将乌贼、峭、珠母贝等海产品用水提取后再浓缩而得牛磺酸。该法技术较成熟，工艺简单，但原料来源少，不易保证，产量较低，不能满足市场需求。1.3.2丙烯酞胺法将丙烯酞胺与亚硫酸氢钠进行磺化反应，生成p一磺酸丙酞胺盐中间体，中间体再经次氯酸钠氧化、重排等而得牛磺酸。该法收率较高，但工艺较复杂，应用较少。1.3.3乙醉胺法在一定温度下，将乙醇胺滴加到等摩尔的浓盐酸中，再继续通人气体氯化氢至不再吸收为止，先制得中间体抓化氢一卜氯化钱，将中间体用亚硫酸钠磺化得粗品，粗品进一步用活性炭处理、重结晶而得产品。该法工艺较简单，但收率低，一般大约为45%，成本高、有污染，目前国内多采用该工艺生产。1.3.4改进的乙醉胺酯化法目前，国内多数厂家采用乙醇胺酯化法生产牛磺酸。以乙醇胺，硫酸，和亚硫酸钠为原料。原料易得，合成工艺简单，反应分酯化和磺化两步进行，先酯化合成2-氨基乙基硫酸酯，再与亚硫酸钠发生磺化反应生成牛磺酸。第二章设计计算2.1反应器的形式，材质基本理论2.1.1搅拌釜式反应器的分类（按操作方式）按操作方式分类为间歇（分批）式、半连续（半间歇）式和连续式操作。3（1）间歇式操作：一次加入反应物料，在一定的反应条件下，经过一定的反应时间，当达到所要求的转化率时取出全部产物的生产过程。间歇式操作设备利用率不高、劳动强度大，只适用于小批量、多品种生产，在染料及制药工业中广泛采用这种操作。（2）连续操作:连续加入反应物和取出产物。连续操作设备利用率高、产品质量稳定、易于自动控制，适用于大规模生产。（3）半间歇操作:一种物料分批加入，而另一种物料连续加入的生产过程；或者是一批加入物料，用蒸馏的方法连续移走部分产品的生产过程。半间歇操作特别适用于要求一种反应物的浓度高而另一种反应物的浓度低的化学反应，适用于可以通过调节加料速度来控制反应温度的反应。2.1.2搅拌釜式反应器的应用装有搅拌器的釜式设备是化学工业中广泛采用的反应器之一，它可用来进行液液均相反应，也可用于非均相反应。普遍应用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等工业，用来完成磺化、硝化、氢化、烃化、聚合等工艺过程，以及有机染料和医药中间体的许多其他工艺过程的反应设备。釜式反应器的应用范围之所以广泛，是因为这类反应器结构简单、加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作条件（如温度、浓度、停留时间）的可控范围较广，操作灵活性大，便于更换品种，能适应多样化的生产。2.1.3釜式反应器的设计（1）确定反应釜的操作方式根据工艺流程的特点，确定反应釜是连续操作还是间歇操作（即分批式操作）（2）汇总设计基础数据设计基础数据包括物料流量，反应时间，操作压力，操作温度，投料比，转化率，收率，物料的物性数据等。（3）计算反应釜的体积（4）确定反应釜的台数和连接方式（5）确定反应釜的直径和筒体高度如按非标准设备设计反应釜，需要确定长径比，长径比一般取1～3，长径比较小时，4现状矮胖，这类反应器单位体积内消耗的钢材量少，液体表面大；长径比趋于3时属瘦长型，瘦长型的反应釜，单位体积内可安排较大的换热面，对反应热效应大的体系很适用，但材料耗量大。长径比确定后，设备的直径和筒体高度就可以根据釜的体积确定。（6）确定反应釜的传热装置的型式和换热面积反应釜的传热可在釜外加夹套实现，但夹套的换热面积有限，当需要大的传热面积时，可在釜内设置盘管、列管或回形管等。（7）选择反应釜的搅拌器2.2搅拌装置的选择搅拌器是搅拌釜式反应器的一个关键部件，其根本目的是加强釜式反应器内物料的均匀混合，以强化传质和传热。2.2.1常用搅拌器的类型（1）浆式搅拌器转速较低，一般为20～80r/min，圆周速度在1.5～3m/s范围内比较合适。浆式搅拌器直径取反应釜内径的1/3～2/3，桨叶不宜过长，因为搅拌器消耗的功率与桨叶直径的五次方成正比。浆式搅拌器已有标准系列HG5-220-65。当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。浆式搅拌器适用于流动性大、黏度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，如果液体物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。（2）涡轮式搅拌器按照有无圆盘可分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶两种。涡轮搅拌器速度较大，线速度约为3～8m/s，转速范围为300～600r/min。开启式平直叶涡轮搅拌器的标准系列见HG5-221-65。涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬乳液等。（3）推进式搅拌器直径约取反应釜内径的1/4～1/3，线速度可达5～15m/s，转速范围为300～600r/min，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。推进式搅拌器的标准系列见HG5-222-65。2.2.2搅拌器的选型对于气液分散过程，要求得到高分散度的“气泡”。从这一点来说，控制作用为剪5切作用，其次是循环流量。所以可优先选择涡轮式搅拌器。但气体的密度远远小于液体，一般情况下气体由液体的底部导入，如何使导入的气体均匀分散，不出现短路跑空现象，就显得非常重要。开启式涡轮搅拌器由于无中间圆盘，极易使气体分散不均，导入的气体容易从涡轮中心沿轴向跑空。而圆盘式涡轮搅拌器由于圆盘的阻碍作用，圆盘下面可以积存一些气体，使气体分散很均匀，也不会出现气体跑空现象。因此，平直叶圆盘涡轮搅拌器最适合气液分散过程。2.3进行物料衡算，确定反应釜的体积2.3.1乙醇胺脂化法合成牛磺酸的简述(1)酯化反应:NH2CH2CH2OH+H2SO4→NH2CH2CH2OSO3+H2O(2)磺化反应：NH2CH2CH2OSO3+Na2SO3→NH2CH2CH2SO3H+Na2SO42.3.2反应原料浓度计算反应原料为乙醇胺（工业一级）、浓硫酸（工业级），亚硫酸钠（工业级）。乙醇胺熔点10.3℃，沸点170℃，相对分子质量61，相对密度1.0180（20／4℃）；，则LmolMCAo/69.1661/%1001018/亚硫酸钠质量分数50%，相对分子质量126，相对密度2.633，则LmolMCCo/45.10126/%502633/浓硫酸质量分数98％,相对密度为1.84、相对分子质量126，则：LmolMCBo/76.1898/1840/汇总如下，见表2-1：摩尔质量（g/mol）密度（kg/3m）摩尔浓度（mol/L）乙醇胺（A）611018.016.69浓硫酸（B）981840.018.4亚硫酸钠（C）1262633.010.45牛磺酸（产物）1256适宜的反应条件为:进料中n(硫酸)/n(乙醇胺)=1.1：1，n(亚硫酸钠)/n(酯)=1.25:1,反应压力常压,酯化反应温度80℃,反应时间为6h,乙醇胺转化率为90%，收率为80%，磺化反应温度为40℃，反应时间5h,反应总产率为61.2%。2.4牛磺酸生产工艺计算2.4.1设计要求①生产要求：牛磺酸年生产量为2500吨②若一年除去节假日选择300天计算，每天换班以24小时计算，则一年工作时间为7200小时。每小时要求生产的牛磺酸的量为347Kg。③牛磺酸的合成反应中酯化反应的收率为80%,牛磺酸的最终收率为61.2%。2.4.2反应器的体积计算牛磺酸的量2500×1000kg/7200h=347kg/h则亚硫酸钠的量347÷（61.2%÷80%）×126÷125=457kg/h考虑亚硫酸与酯的优化比为1.25:1，则亚硫酸钠的进料量为572Kg/h。同样的方法可计算得到硫酸的消耗量为461L/h。乙醇胺的消耗量为480Kg/h。基于以上计算可知，本设计工作时间较长、时产量较大，故选用连续生产的方式。对于反应酯化反应:NH2CH2CH2OH+H2SO4→NH2CH2CH2OSO3+H2O则反应有效体积AAfOArRrXFVV,hkmolhkmolFOA/87.7/61/480,由反应动力学知：xkckcfAAAAAdtdCr,0.1LmolXCCAfAoA/669.1)90.01(69.16)1(参考酯化反应的速率常数取k=0.05/min=3.0/hr1=3.0×1.669=5.02mol/（L.h)7KT15.35380℃则由上式得1102.5hLmolrA34.102.590.087.7mrXFVAAfAor本设计装料系数取0.75则3275.04.1mVVr磺化反应：NH2CH2CH2OSO3+Na2SO3→NH2CH2CH2SO3H+Na2SO4CCfOCrRrXFVV,hkmolhkmolFOC/54.4/126/572,由反应动力学知：xkckcfCCCCCdtdCr,0.1以中间产物乙醇胺磺酸酯完全转化为计算基准，亚硫酸钠的转化率则为8.025.1/1.xFC依旧参考酯化反应的速率常数取k=0.05/min=3.0/hr1=3.0×10.25×(1-0.8)=6.15mol/（L.h)KT15.31340℃则由上式得1115.6hLmolrAmAAfAorrXFV36.015.6/8.054.4本设计装料系数取0.8则375.08.06.0mVVr82.5物料衡算2.5.1酯化反应原料消耗为：乙醇胺为480Kg/h，浓硫酸消耗量1.1×480/61×98/1.84=461L,亚硫酸钠的消耗量为572Kg/h。实际工业生产时还需要用NaOH来调节溶液的pH值，本课程设计时只做简单的计算。2.5.2磺化反应酯化反应产物进口物料为347/0.624×141/125Kg/h=627.3Kg/h亚硫酸钠的进口流量为：FC.0=572Kg/h,产物牛磺酸的出口流量为:Fr=347Kg/h。同理工业生产，其工艺远比这些复杂，课程设计只是做简单的计算。2.6热量衡算2.6.1热量衡算基础酯化反应:NH2CH2CH2OH+H2SO4→NH2CH2CH2OSO3+H2O磺化反应：NH2CH2CH2OSO3+Na2SO3→NH2CH2CH2SO3H+Na2SO4各物质的相关参数如下：假设如下热力学途径：物质乙醇胺浓硫酸乙醇胺磺酸酯水亚硫酸钠硫酸钠牛磺酸比热容KJ/(KgK)2.781.53.24