年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺设计

制药工程专业课程设计任务书专业_###_班级 2 姓名__###设计题目：年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺设计设计时间：设计内容和要求：1、确定工艺流程及净化区域划分；2、详细叙述制备工艺及设备的工作原理、结构组成及关于此工艺及设 备的国内外的现状、研究前沿3、物料衡算、热量衡算、设备选型及设计（按间歇操作考虑，每年开 工 300 天）；4、按规范要求设计车间工艺平面图；5、画出带控制点、辅助管线的物料工艺流程图；6、反应器的安装图（平、立、剖面图 1：50）7、编写设计说明书设计成果：1、设计说明书一份，包括工艺概述、工艺流程及净化区域划分说明、 物料衡算、热量衡算、工艺设备选型说明、工艺主要设备一览表、车间工 艺平面布置说明、车间技术要求2、工艺平面布置图一套（1：100）；3、带控制点及辅助管线的物料工艺流程图（1：100）；4、反应器的安装图（平、立、剖面图 1：50）目录1 设计依据及设计基础 11.1 设计依据 11.2 生产能力 11.3 产品规格 11.4 原辅材料技术规格 22 工艺说明 32.1 工艺概述 32.1.1 氯化法 32.1.2 乙撑亚胺法 42.1.3 酯化法 42.1.4 工艺设备及生产现状 52.2 工艺流程说明 62.2.1 牛磺酸生产方法 62.2.2 工艺流程叙述 83 物料衡算 93.1 概述 93.2 衡算过程 93.2.1 确定每批产量 93.2.2 每批主要原料投料量计算 93.2.2 化学反应过程衡算 103.3 物料流程框图 134 能量衡算 164.1 概述 164.2 能量衡算依据 164.2.1 设备的热量平衡方程式 164.2.2 热量衡算基础数据计算与查取 184.3 热量衡算过程 194.4 热量衡算结果 225 设备选型 225.1 设备选型的依据 225.1.1 设备选型的原则 225.1.2 设备材料选择依据 235.1.3 主要设备选型[9] 235.2 设备选型计算过程 245.2.1 反应釜选型计算 245.2.2 储罐设备选型计算 265.2.3 过滤器选型计算 275.2.4 干燥器选型计算 275.2.5 冷凝器选型计算 275.3 主要设备一览表 286 车间布置 296.1 概述 296.2 布置依据 296.3 布置原则 296.4 车间布置说明 306.5 车间工艺平面布置图 317 节能与环保 327.1 回收利用 327.2 环保与安全 337.2.1 危险性概述 337.2.2 急救措施及泄露应急处理 347.2.3 安全防护 34参考文献 35附录 351设计依据及设计基础1.1设计依据本设计的题目为“年产 200 吨原料药牛磺酸的合成工段的车间设计”，设计依据为 制药工程专业课程设计任务书和相关规范及标准：《药品生产质量管理规范（2010 年修订）》《医药工业洁净厂房设计规范》《2010GMP 实施指南-原料药》《2010GMP 实施指南-厂房、设施和设备》 《中华人民共和国药典（二部）》《生产过程安全卫生要求总则（GB/T 12801-2008）》《工业企业设计卫生标准（GBZ1-2010）》1.2 生产能力本车间为生产原料药牛磺酸的合成工段，其年产量为200t/a,含量为99%以上。

年 总工作日300天，考虑到生产周期约为1 天，每天生产2批，则每批次需生产牛磺酸 成品 333.3Kg1.3 产品规格牛磺酸（1） 中文名称：牛磺酸（2-氨基乙磺酸），又名牛胆酸、牛胆素（2） 英文名称：Taurine（ 3） 分子式： C2H7O3NS（4） 分子量： 125.14（5） 质量规格：企业标准，25Kg/桶（6） 主要物理性质及用途：本品为白色晶体或结晶型粉末，无臭无毒、味微酸，熔点328~329 C （分解）， 较易溶于水，微溶于 95%的乙醇，不溶于无水乙醇、醚、烃等有机溶剂牛磺酸最早由牛黄中分离而来，是一种非蛋白质类氨基酸，具有独特的药理及营养保健作用广泛应用于医药、食品添加剂、荧光增白剂、有机合成等领域，也可用于生化试剂、湿润剂、pH缓冲剂等1.4 原辅材料技术规格本车间产品牛磺酸生产所涉及到的原辅料见下表 1-1表 1-1 牛磺酸生产工艺用原辅料名称状态常温分子量工业级含量熔点°C沸点C密度g/mL(25C)溶解度乙醇胺液体61.08> 99%10.5170.51.011与水、乙醇混溶浓硫酸液体98.08> 98%10.353381.840与水混溶甲苯液体92.14> 99%-94.99110.630.862微溶水，溶于多数有机溶剂无水乙醇液体46.07> 99%-114.178.50.804与水、多数有机溶剂混溶纯化水液体18.02符合药典标准01001.000与乙醇互溶，微溶有机溶剂亚硫酸铵固体116.14> 99%60-701501.410溶于水，微溶于醇2 工艺说明2.1 工艺概述牛磺酸的生产方法一般有两种：一种方法是从动物内脏中提取，另一种方法为合 成方法。

因为动物内脏中提取含量极少，所以工业上获取牛磺酸主要应用合成的方法 根据合成原料的不同，牛磺酸的制备方法主要有乙醇胺硫酸酯化法、乙醇胺氯化法、 羟基乙醇法、2-氨基乙醇法、亚乙基亚胺法、乙二磺酸酐法等十多种目前，国内外多数生产厂家采用乙醇胺法来生产牛磺酸，该方法原料易得，合成 工艺简单，设备投资少以乙醇胺为原料合成牛磺酸，按合成路线又分为氯化法、乙 撑亚胺法和酯化法2.1.1 氯化法氯化法以乙醇胺、盐酸、亚硫酸钠为原料，反应分氯化、磺化两步进行，经过 2- 氯乙胺盐酸盐中间体合成牛磺酸，反应方程式如下：blHzCH3CH3OH ■b2HCI^=±HC[-NH3CH2CH?Ci-^H2O HCKNh2CH2Ch2CI + Na2SO3 NH^O^CH A(\H 十 2N』CI该方法原料易得，但反应条件难控制，收率仅能达到 48%在氯化法中，有工艺 以乙醇胺盐酸盐与氯化亚砜为原料，以甲苯作溶剂，先反应生成氯乙胺盐酸盐，然后 产物再与亚硫酸钠反应生成牛磺酸1989年，德国的D.Pauluth等人⑴在等当量的羧酸中，氯化亚砜与乙醇胺盐酸盐按 化学计量式于60°C下反应7h,得到a-氯乙胺盐酸盐，产率接近理论值，高达99.1%, 副产物为气体，不需要对产物进行分离。

然而，该法反应条件要求苛刻，而且成本高 此外，氯化亚飒具有剧毒性、腐蚀性、催泪性、易挥发性、且有强烈的窒息性气味以 及遇水强烈反应等特点因此，此方法并不具备市场竞争力，至今未被工业化另一 德国专利⑵采用37%的盐酸与溶于甲苯中的乙醇胺进行反应，于110C下共沸除去水分, 冷却至50C后加入NH4CI催化剂，然后滴加氯化亚砜生成2-氨乙胺盐酸盐该工艺收 率较高，但成本也高，且使用有毒的甲苯以及氯化亚砜作溶剂，因此也不是理想的生 产工艺2.1.2 乙撑亚胺法80 年代初，美国联合碳化公司的 K.D.Oison 等人［3］以乙醇胺经过气相催化脱水环化合成乙撑亚胺，然后用硫酸开环加成制备牛磺酸反应方程式如下：N2Cath2nch?ch2oh 卫7ch2ch2 H 虑 0/或 NH4HS*h2nch3ch2so3h日本催化剂化学公司对此反应的催化体系做了广泛研究，典型的催化体系是以体 积比为 98:3 的氮气雾化乙醇胺，在装填有 Cs0.9Ba0.1P0.8 催化剂的反应塔内发生分子内 环化反应生成乙撑亚胺，再将其蒸发之后直接与亚硫酸氢铵反应制得牛磺酸，产率可 达 84% 该工艺的特点是投资少、成本低，不需要分离副产物，工艺较先进，国外己 经在上世纪八十年代末投入工业化生产。

尽管乙撑亚胺法生产牛磺酸的收率较高，但由于乙撑亚胺具有剧毒性、沸点低易 挥发，容易发生聚合爆炸，原料的储存和运输具有很大的困难从可持续发展和绿色 化工的观点来看，显然也不是最佳的工艺路线2.1.3 酯化法由于氯化法和乙撑亚胺法合成牛磺酸的工艺中大多存在有毒物质参与、反应，或 者是生产成本较高，制约了牛磺酸的大规模工业生产，因此以乙醇胺为原料酯化法合 成牛磺酸成为当今国际上牛磺酸生产企业采用最多的一种生产方法该反应以乙醇胺 硫酸、亚硫酸钠或亚硫酸铵为原料，首先硫酸与乙醇胺进行酯化反应合成中间体 2-氨 基乙醇硫酸醋，中间体 2-氨基乙醇硫酸醋再与亚硫酸钠或亚硫酸铵进行磺化反应合成 牛磺酸［4］反应方程式如下：NH1CH5CH2 0H + H.SO, ^^NH.C^CH.OSO^ + H.ONH. CI I j CI 13OSO3H 4 2303——^H2CII2CJI；SO +Na3SOfl或NHiCII.CHjOSOjH +（NIlJ; SO」——NH3CH1CH3SO1H4（NHJ）2 SO4在合成牛磺酸的第一步酯化反应过程中，乙醇胺与浓硫酸直接混合，会产生大量 的热，这样会使乙醇胺炭化，所以实验室合成需采用冰浴环境，并采取滴加浓硫酸的 方法进行。

加入浓硫酸的时候温度控制在10°C以下，加入50%浓硫酸温度可控制在20°C 以下同时酯化反应为可逆反应，需完全脱水，而常压需加热至120〜160 C,温度 过高不但操作困难，且易产生杂质本法采用加入带水剂甲苯的方法，既降低了脱水 反应温度，又不影响脱水程度，产物易于处理当前，单乙醇胺酯化转化率可达 98%以上，但牛磺酸的收率却很低且成本偏高 这是因为磺化反应才是该合成工艺路线的控制步骤，磺化时加热回流所需时间长、能 耗大，且 2-氨基乙醇硫酸酯易水解，反应产物牛磺酸和无机盐难以分离日本学者山 本勇等针对磺化反应中存在的问题进行了改进，通过通入氨气添加适量的硫酸酯抑制 水解反应，并采用电渗析脱盐，可提高牛磺酸收率达 90%以上但是，目前我国在工 业上采用酯化法生产牛磺酸的收率仅为 53%左右，能耗和成本高，与国外工艺相比还 有很大差距因此，缩短酯法的反应时间，提高牛磺酸和无机盐分离收率是我国牛磺 酸合成研究者和生产企业所面临的难题和挑战2.1.4 工艺设备及生产现状我国是 20 世纪 80 年代初开始牛磺酸生产的首先由中科院应用化学研究所与长 春市春城制药厂合作试制牛磺酸成功并投入生产，随后相继有上海第二制药厂等近 40 家企业上马投产。

其中，产量最大的是南京制药厂1500t/a，与国内外蓬勃发展的需求 相比有很大差距［5］目前，我国牛磺酸行业面临的主要问题：一是收率低目前国内大部分企业牛磺 酸生产的总收率只有约 52%，接近其成本收率 49%，导致成本高，效益低，严重制约 了牛磺酸的生产和发展为此，各相关企业、大专院校和科研单位应积极进行牛磺酸 制备技术的研究与开发，不断改进和完善牛磺酸的合成工艺或寻求更加经济合理的工 艺路线，以提高收率和品质，降低成本，增强市场竞争力二是生产企业多，规模小， 竞争混乱虽然近年来上马的牛磺酸生产线较多，但大多数企业的规模较小，一般为 100-200t/a，有的只有几十吨，且技术和管理落后，没有市场竞争力同时，众多企业 都来分割这块“市场蛋糕”，不少企业相互压价销售，市场竞争处于混乱状态，直接损 害了牛磺酸行业的整体利益所以，应加强行业联合，发展规模经济，全行业统一协 调，统一布置，实施行业自律，建立良好的市场秩序，提高全行业整体经济、技术、 管理水平和抗风险能力还要加强国际合作，积极开发国际市场，将更多的产品销往 国外三是消费量少这也在很大程度上影响了牛磺酸生产的发展要积极进行牛磺 酸的应用研究，开发出适合不同消费群体的各种牛磺酸产品，以扩大牛磺酸的消费， 激活国内潜在市场，促进国内牛磺酸行业的快速发展［6］。

2.2 工艺流程说明2.2.1 牛磺酸生产方法（1）反应过程 本次课程设计采用酯化法生产牛磺酸［7］该方法以乙醇胺、硫酸、亚硫酸铵为原料， 首先硫酸与乙醇胺进行酯化反应合成中间体 2-氨基乙醇硫酸酯，中间体再与亚硫酸铵 进行磺化反应合成牛磺酸，反应如下：NH.CH.CH^OH+HjSOj ^=iNH2CH3CH3OSO,H + H5ONH3CH2CH2OSOjH + (NH4^SO3―NH£H&HAQH+(NIljS62）工艺过程甲苯洗涤混合二燥抽滤牛磺酸合成工艺流程框图如下：乙醇胺无水乙醇"卫收乙醇浓硫酸混合液 甲苯酯化一憎出液T分水装盪—水3）操作过程a. 酯化工序冰浴（v20°C）下向500mL四口烧瓶中缓缓滴加76mL浓硫酸，电动搅拌至浓硫酸 滴加完毕，撤去冰浴向反应液中加入140mL甲苯，装上分水装置和冷凝装置，油浴 加热至回流温度110C）,无明显水分时停止加热，抽滤得到粗酯；然后用无水乙醇洗 涤，烘干后得到 2-氨基乙醇硫酸酯以甲苯作为带水剂、乙醇胺与浓硫酸摩尔比为 0.95、带水剂用量为乙醇胺体积的 1.75倍时为较佳的工艺条件此条件下，乙醇胺的转化率可达95.1%左右。

b. 磺化工序 在装有冷凝回流装置的四口烧瓶中加入煮沸过的蒸馏水，通入氨气形成氨气（适量）保护，在搅拌状态下条件下加入（NH4）2SO3，待亚硫酸铵全部溶解后加入2-氨基乙 醇硫酸酯加热至105C，反应12h后，停止加热磺化反应的较优条件为：反应温度为 105 C,反应时间为 12h，物料配比（叫冋）:①氨基乙醇硫酸酯）为1.65,在50C下加2-氨基乙醇硫酸酯，保持温度10min， （NH 4）2 S°3 2-氨基乙醇硫酸酯投料在1 小时内完成此条件下， 2-氨基乙醇硫酸酯的转化率可达到 76.43%左右2.2.2 工艺流程叙述（1） 酯化工序：来自乙醇胺计量罐（V102）的料液在重力作用下加入酯化釜（R101） 中，开冷冻盐水和搅拌装置，并向釜中缓慢加入 98%浓硫酸，向釜内盘管中通冷冻盐 水使釜内温度维持在0—5°C，浓硫酸滴加完毕，关冷冻盐水通过计量泵（P102）向 酯化釜顶部加入一定量甲苯，向釜夹层中通蒸汽加热反应液温度到110C,由于酯化反 应为放热过程，过程中需向盘管中通冷冻盐水来控制反应温度反应生成的水和甲苯 以共沸物蒸出，经冷凝器（E101）冷凝到分水器（M101）,甲苯与水静置分层，下层 水相经分水装置分离到水贮罐（V104）,甲苯回流到釜中循环使用，待水分全部蒸出时（2—3h），继续加热使甲苯全部蒸出，经冷凝回收到甲苯贮罐（V103）。

反应完毕后关 蒸汽和搅拌，将釜内反应液由釜底泵（P101）入降温釜，经冷冻盐水降至室温后泵（P103） 入过滤器（M102），滤液排入废液池由过滤器顶部加入无水乙醇洗涤，洗涤液回收 到废液储罐（V106）,洗涤后的滤饼放入真空回转干燥机（D101）中干燥，冷却后通 过电子称（W101）计量运输到下一工序使用2） 磺化工序：将提纯工段溶剂回收得来的水溶液与沸水经配水罐（V203）配得 温度约50C的无氧水，泵（P202）入到磺化釜（R201A.B）中，再向釜中通氨气使釜 内形成无氧环境开搅拌，向釜中投入原料亚硫酸铵，待其全部溶解后再向釜中缓慢 投入酯化工序产品硫酸酯，投料在50C下、1小时内完成然后向夹层中通蒸汽加热 至105C，反应约12小时后停止加热得磺化液，泵（P203）入磺化液贮罐（V204A.B） 中冷却放置，进而用于提纯分离工段3 物料衡算3.1 概述在进行车间工艺设计时，当生产工艺流程确定以后就可以进行车间物料衡算通 过计算，得出车间所处理的各种物料的数量及组成，从而使设计由定性转向定量物 料衡算结果的正确与否将直接关系到车间工艺设计的可靠程度只有经过车间物料衡 算，才能得出进出于每个过程或设备的各种物料的质量、组分和含量。

这就是进行物 料衡算的目的本次物料衡算以质量守恒定律为基础，以设备为单位对其每天进出物料量进行衡 算，之后计算出各物料的单耗和年消耗量3.2 衡算过程3.2.1 确定每批产量牛磺酸年产量200t，生产300天，每天投料两次，生产两批每批产量：333.33kg每批主要原料投料量计算从后往前推算：产品最终含牛磺酸的量=产量X含量=333.33 X 99% = 330.00kg设热过滤后滤饼中含牛磺酸的量为W,每步物理过程收率以99%计由于第一次结晶率为 67.94%，第二次结晶率为 60.00%，则有下式：[WX67.94%+WX(1 67.94%)X60.00%X99%]X99% = 330.00求解得 W = 383.14kg热过滤收率以 95%计热过滤前牛磺酸的的量为塑14 = 403.31kg95%盐析后牛磺酸的量为40331 = 407.38kg99%即磺化液中牛磺酸的量为407.38kg磺化反应收率为 76.43%，即m2-氨基乙醇硫酸酯141.15X 76.43% =m牛磺酸=125.14407.38125.14磺化反应所需2-氨基乙醇硫酸酯的量=601.20kg 酯化工序中物理过程收率以 99%计酯化反应生成2-氨基乙醇硫酸酯的量为=器=619-60kg 酯化反应收率为 95.1%，即m 619 60 m2-氨基乙醇硫酸酯=619.60 = 乙醇胺X 95 1%141.15 141.15 61.08 '反应所需乙醇胺的量= 281.94kg实际投入乙醇胺的量为=28194 = 284.79kg，其中杂质的量=2.85kg99%化学反应过程衡算3.2.2.1 中间物 2-氨基乙醇硫酸酯的制备（1）反应过程NH.CHjCH.OH + H.SOj f=^NH3CH2CH3OSO,H + H20由该反应平衡关系可得消耗的反应物的量与生成物的量的关系式如下:m m m 619 60 m乙醇胺= 硫酸= 2-氨基乙醇硫酸酯=619.60 = _水61.08 98.02 141.15 141.15 18.02即：反应掉乙醇胺的量=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已知该反应最佳条件为：乙醇胺和浓硫酸摩尔比为0.95浓硫酸的用量=281・94 X 98.02 = 476.27kg实际投入浓硫酸的量二42627 = 485.99kg，杂质含量=9.72kg98%反应后剩余硫酸的量=476.27 — 430.28 = 45.99kg剩余乙醇胺的量=281.94—268.12=13.82kg已知带水剂甲苯用量为乙醇胺体积的 1.75 倍甲苯用量=理少 X 1.75 X 0.862 = 420.68kg1.011实际甲苯投量=42068 = 424.93kg，杂质含量=4.25kg99%回流反应到无水分时，分水率以100%计，分出水量=79.10kg最终甲苯回收量=420.68x99%=416.47kg（2） 抽滤过程（物理过程收率以 99%计） 滤饼中各组分的量：2-氨基乙醇硫酸酯量=619.60x99%=613.40kg硫酸量=45.99x 1%=0.46kg乙醇胺量=13.82x1%=0.14kg甲苯量=4.21x1%=0.04kg滤液中各组分的量：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） 洗涤过程设洗涤剂无水乙醇用量为待洗物 2-氨基乙醇硫酸酯量的 50%即无水乙醇量=613.40x 50% = 306.70kg实际投无水乙醇量=306匹=309.80kg，杂质含量=3.1kg99%洗涤后固相：2-氨基乙醇硫酸酯量=613.40x 99% = 607.27kg乙醇量=306.70 x 1% = 3.07kg液相：乙醇量=303.63kg2-氨基乙醇硫酸酯量=6.13kg杂质量=0.64kg （硫酸量=0.46kg，乙醇胺量=0.14kg，甲苯量=0.04kg）（ 4）干燥过程固体：2-氨基乙醇硫酸酯量=607.27 x 99% = 601.20®废气：乙醇量=3.07kg3.2.2.2 目的产物制备已知该反应投料比为n : = 1.65亚硫酸铵 2-氨基乙醇硫酸酯需亚硫酸铵量二60120 X 116.14 X 1.65 = 816.21kg141.25实际投入亚硫酸铵量=816.21/99%=824.45kg，杂质量=8.24kg50C下，亚硫酸铵在水中溶解度为46.4g/100ml水溶解投入的亚硫酸铵所需水量J^X 100 = 1759.07kg46.4此时为饱和溶液，因此取实际用水量为 2000kg 其中70%可来自溶剂回收，30%为配水量=600kg已知反应方程NHjCH.CHjOSO^+(NH4 )2 SO3―NH2CH 2CH2SO3H + (Nil SO4由该反应平衡关系可得消耗的反应物的量与生成物的量的关系式如下：m m m m 407 382-氨基乙醇硫酸酯= 亚硫酸铵= 硫酸铵= 牛磺酸 =40738141.15 116.14 132.13 125.14 125.14反应消耗量：2-氨基乙醇硫酸酯量=459.50kg，亚硫酸铵量=378.08kg生成量：牛磺酸量=407.38kg，硫酸铵量=430.14kg磺化液中各组分量：牛磺酸量=407.38kg2-氨基乙醇硫酸酯量=601.20—459.50=141.70kg 亚硫酸铵量=816.21-378.08 = 438.13kg 硫酸铵量=430.14kg水量=2000kg杂质量=78.30kg3.3 物料流程框图以上衡算过程，绘制成框图如下原料及中间体主要反应过程副产品及三废乙醇胺组成质量Kg质量分数％乙醇胺281.9499.00杂质2.851.00合计284.79100.00浓硫酸组成质量Kg质量分数％硫酸476.2798.00杂质9.722.00合计485.99100.00混合反应料770.78馏出液组成质量Kg质量分数％水79.1089.60甲苯416.474.82杂质5.135.58合计500.7100.00甲苯组成质量Kg质量分数％甲苯420.6899.00杂质4.251.00合计424.93100.00酯化反应反应料1195.71酯化液组成质量Kg质量分数％硫酸酯619.6080.39水79.1010.26硫酸45.995.97乙醇胺13.821.79杂质12.271.59合计770.78100.00原料及中间体主要反应过程副产品及三废滤饼组成质量Kg质量分数％硫酸酯613.499.88杂质0.750.12合计614.15100.001r抽滤反应料695.01滤液组成硫酸乙醇胺质量Kg45.5313.68质量分数％洗涤反应料923.95硫酸酯6.20甲苯4.17杂质合计■■^成«相80.86100.00乙醇硫酸酯固相组成质量Kg质量分数％硫酸酯607.2799.49乙醇3.070.50杂质0.050.01合—610 39100杂质合计质量Kg质量分数％303.63废气组成质量Kg质量分数％乙醇3.0733.41杂质6.1266.59合计9.19100磺化液原料及中间体主要反应过程副产品及三废酯化物组成质量Kg质量分数％硫酸酯601.20100.00合计601.20100.00亚硫酸铵组成质量Kg质量分数％亚硫酸铵816.2199.00杂质8.241.00合计824.45执水100.00组成质量Kg质量分数％水600.00100.00合计600.00100.00磺化反应反应料3495.65组成质量Kg质量分数％牛磺酸407.3811.65水2000 0057 22亚硫酸铵回收溶剂438 13\12 53硫酸铵质量Kg430 14质量分数％12 31水 硫酸酯1400.00141 7095.004 05杂质杂质70.0078 305.002 24■合计合计1470.003495 65100.00100 00 图 3-1 牛磺酸合成工段物料流程框图4 能量衡算4.1 概述当物料衡算完成后，接下来的工作就是进行能量衡算，决定过程所需要的能量， 计算生产过程能耗指标，对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺。

对于没有传热要求的设备，可以由物料处理量、物料的性质和工艺要求进行设备 的工艺设计，以确定设备的型式、台数、容积及主要尺寸对有传热要求的设备，则 必须通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸4.2 能量衡算依据能量衡算是以车间物料衡算的结果为基础进行的，所以，车间物料流程框图是进 行车间能量衡算的首要条件与基础能量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表 达形式为能量守恒基本方程：由环境输入到系统的能量二由系统输出到环境的能量+ 系统内积累的能量对于车间工艺设计中的能量衡算，许多项目可以忽略，而且车间能量衡算的目的 是要确定设备的热负荷，所以，能量衡算可简化为热量衡算设备的热量平衡方程式 对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式为：Q1 + Q2 + Q3 =Q4 + Q5 + Q6式中：Qi—物料带入到设备的热量kJQ2—加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量kJQ3—过程热效应kJQ4一物料离开设备所带走的热量kJQ5—加热或冷却设备所消耗的热量kJQ6—设备向环境散失的热量kJ在热量衡算过程中的Q2,即设备热负荷，是衡算的主要目的1）Q1与Q4的计算Qi（Q4）=》mt Cp式中m一输入(或输出)设备的物料量kgCp—物料的平均比热容kJ/ (kg. °C)t—物料的温度。

C该式的计算基准是标准状态，即0 C及1.013xl05Pa时的状态因为物料的比热 容是温度的函数，应取定性温度下的比热容，这里采用计算公式计算出物质的比热容， 因此假设其不随温度变化，取为定值2)Q3 的计算 化学过程的热效应包括化学反应热与状态变化热纯物理过程只产生状态变化热 在热量衡算中，过程热效应Q3的符号为：放热为正，吸热为负其中化学反应热Qr的计算：为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为 298K 及标准大气压时反应热的 数值为标准反应热，习惯上用AH表示，负值表示放热，正值表示吸热这与在热量 衡算中所规定的符号正好相反，为避免出错，现用符号qr表示标准反应热，放热为正， 吸热为负，则qr= AH标准反应热的数据可以在《化学工程手册》或《化学工艺设计手册》中查到；当缺乏 数据时用标准生成热或标准燃烧热求得［8］此次设计采用标准生成热求qr，其公式为：qr=—珂式中v—反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正qf—标准生成热kJ/mol反应物及生成物在(25〜t) C范围内均无相变化，则qtr的计算公式为：qtr 二 q「—(t—25)UvCp)式中qr—标准反应热kJ/molv—反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正Cp—反应物或生成物在(25〜t)°C范围内的平均比热容kJ/ kg. C状态变化热QV的计算 状态变化热是指只发生物质聚集状态或浓度变化的过程中产生的热效应，放热为 正，吸热为负。

综合化学反应热效应(Qr)与状态变化热效应(QV)的Q3的计算公式为：Q37 + Qv(3) Q5与Q6的确定根据大量实践计算经验，(Q5 + Q6)通常为(Q4+Q5 + Q6)的5%〜10%，只要计算出 q4,就可以确定(q5+q6)，从而计算出q24) Q2 的计算由以上计算过程得到Q］、Q3、Q4、Q5、Q6后，根据公式求出设备的热负荷Q2 Q2 正值表示需对设备加热，负值表示需冷却4.2.2 热量衡算基础数据计算与查取 固体化合物和有机化合物的比热容为：CpWNiCi/M式中M 化合物摩尔质量，kg/kmolNi——分子中i元素原子数Ci——i元素原子的摩尔热容，J/(kmol・ °C)其中Ci查取自《制药工程工艺设计》P91表4-4元素原子摩尔热容 经计算得出各物质的比热容，查取《化学工艺设计手册》，得各物质的物性参数表见 下表：表 4-1 各物质的物性参数参数M(g/mol)p(g/ml)Cp(kJ/kg・k)AfHm(kJ/mol)乙醇胺61.081.0113.36－201.60浓硫酸98.021.8401.46－813.99水18.021.0004.18－285.83乙醇46.070.8042.38－235.00甲苯92.140.8621.1250.002-氨基乙醇硫酸酯141.151.7822.06－1200.00牛磺酸125.141.7342.09－1360.97亚硫酸铵116.141.4101.36－900.52硫酸铵132.131.7701.42－1180.854.3 热量衡算过程（1）酯化釜混料阶段：（温度控制在5°C左右）Qi=281.94 X 3.36 X 25 + 476.27 X 1.46 X 25 = 4.11 X 104kJ Q3=0Q4=281.94X3.36X5+476.27X1.46X5 = 8.21X103kJq5~ 0,低温混料，散热损失，q6〜0Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3=8.21X103-4.11X104 = -3.29X104kJ计算表明，料液混合阶段需供冷量为3.29 X 104kJ加热回流反应阶段：（温度控制在110C左右）Q1=281.94X3.36X5+476.27X1.46X5+420.68X1.12X25 = 1.99X104kJQ3 包括反应放热和状态变化热，即Q3 = Qr+QvQV包括硫酸稀释放热QV1和甲苯水汽化吸热QV2两部分 查《制药工程工艺设计》P95式4-47得：q=766.2 -1357nn + 49式中q—1kg 一定浓度的硫酸被无限量的水稀释放出的热量，kJ/kg硫酸n—硫酸溶液中水的质量分数，％kg且有Qvi = Q分离酸+ °稀释酸=m q —m q — m q 原 原 反 反 残 残原硫酸（98%）： m = 485.99®, n=2，q = 766.2 — = 712.98kJ/kg原 原 2+49反应中：m = 430.28®，n = 0,q = 766.2 — 0 = 766.2kJ/kg 反反残液中：硫酸量=45.99kg，水量=79.10kg，m = 45.99 + 79.10 = 125.09kg残n=79.10/125.09=63.23%, q = 766.2 — 1357x63.23 = 1.67kJ/kg残 63.23+49QV1——125.09X1.67= 1.66X104kJ查110C下，甲苯汽化热为371.25kJ/kg，水汽化热为2232.4kJ/kgQV2 = — 371.25X416.47+2232.4X79.10 = —3.31X105kJQv = Qvi + Qv2 = 1.66 x 104 — 3.31 x 105 = -3.14 x 105kJ qr=-AH° — —1200 — 285.83 + 813.99 + 201.6 = 470.24kJ/mol q =470.24- 110-25 x 4.18+2.06-3.36-1.46 = 349.54kJ/moltrQ =349.54x 1000 x 430.28 = 1.53 x 105kJR 98.02Q3=1.53x105 —3.14x105 = —1.61x105kJQ4=619.60 x 2.06 x 110 + 79.10 x 4.18 x 110 + 45.99 x 1.46 x 110 + 13.82 x3.36 x 110 + 420.68 x 1.12 x 110 = 2.41 x 105kJQ5+Q6=（Q4+Q5+Q6）x 10%=0.1Q4 /0.9=2.68x 104kJQ2 =2.41 x 105 +2.68x 104 — 1.99 x 104 + 1.61 x 105 =4.09x 105kJ计算表明，酯化反应过程需供热量4.09x 105kJ（2）降温釜进料温度105°C，出料温度25°CQ1=619.60 x 2.06 x 105 + 45.99 x 1.46 x 110 + 13.82 x 3.36 x 105 + 4.21 x1.12 x 105 = 1.46 x 105kJQ3=0Q4=619.60 x 2.06 x 25 + 45.99 x 1.46 x 25 + 13.82 x 3.36 x 25 + 4.21 x1.12 x 25 = 3.48 x 104 kJQ5+Q6=（Q4+Q5+Q6）x 10%=0.1Q4/0.9=3.87x 103kJQ2=3.48x104+3.87x103—1.46x105 = —1.07x105kJ计算表明，降温釜需供冷量为1.07 x 105kJ（3）干燥过程选用真空干燥机，真空度A 0.08MPa，取干燥温度为45CQ1=607.27 x 2.06 x 25 + 3.07 x 2.38 x 25 = 3.15 x 104kJ在45C下，查得乙醇汽化热为41.86kJ/molQ=—41.86 x 迪 x 3.07 = —2.79 x 103kJ3 46.07Q4=607.27 x 2.06 x 45 + 3.07 x 2.38 x 45 = 5.67 x 104kJ Q5+Q6=（Q4+Q5+Q6）x 10%=0.1Q4/0.9=6.3x 103kJQ2=5.67 x 104 +6.3x 103 — 3.15 x 104 + 2.79 x 103 = 3.43 x 104kJ计算表明，干燥过程需供热量为3.43 X 104kJ(4) 磺化釜投料温度25°C，进水温度50°C，出料温度105°CQ1=601.20X2.06X25+816.21X1.36X25+2000X4.18X50=4.77X105kJQ3 考虑反应热 QR 和溶解热 QVqr=_AH°=——1360.97 - 1180.85 + 1470.04 + 900.52 = 171.26kJ/molq =171.26- 105-25 X 1.42+2.09-1.36-2.06 = 164.06kJ/moltrQ =164.06x X 407.38 = 5.34 X 105kJR 125.14查《制药工程工艺设计》P94式4-39和4-40得： 固体溶解热=熔融热△H = 4.187 • TmK1, T =T •Km M m b 2式中AHm —熔融热，kJ/kgTm —熔点， KTb —沸点， KM一摩尔质量，g/molK2—常数，取自P94表4-6查亚硫酸铵的Tb=150©，取 K2=0.72, Tm = (150 + 273.15) X0.72=304.67 K取 K=5，贝V AH = 4.187 X 304-67x5 = 54.92kJ/kg1 m 116.14查2-氨基乙醇硫酸酯的Tm = 275T = 548.15K，取£=10AH = 4.187 X 548-15x10 = 162.60kJ/kgm 141.15QV=54.92X 816.21 + 162.60 X 601.20 = 1.43 X 105kJQ3=QR+QV=5.34X105 +1.43X105=6.77X105kJQ4= 141.70X2.06X105+438.13X1.36X105+2000X4.18X105+407.38X 2.09 X105+430.14X1.42X105 =1.12X106kJQ5+Q6=(Q4+Q5+Q6) X 10%=0.1Q4/0.9=1.24X 105kJQ2=1.12X106+1.24X105 _4.77X105 _6.77X105 = 9.0X104kJ计算表明，磺化釜需供热量为9.0 x 104kJ4.4 热量衡算结果以上计算过程汇总为下表：表 4-2 热量衡算汇总结果表单元过程Q1 x 105kJQ2 x 105kJQ3 x 105kJQ4 x 105kJQ6 x 105kJ混料阶段0.411-0.32900.08210酯化反应0.1994.09-1.612.410.268降温釜1.46-1.0700.3480.039干燥过程0.3150.343-0.0280.5670.063磺化釜4.770.906.7711.21.245 设备选型5.1 设备选型的依据5.1.1 设备选型的原则基本原料经过一系列单元反应和单元操作制得原料药，这一系列化学变化和物理 操作是在设备中进行的。

设备不同，提供的条件不一样，对工程项目的生产能力、作 业的可靠性、产品的成本和质量等都有重大的影响设备选型的原则：(1) 满足工艺要求：满足最大单位产量、适应产品品种变化的要求、高效、操作 可靠、易于清洗、有合理的检测与控制系统；(2) 满足GMP中有关设备选型、选材的要求；( 3 )设备要成熟可靠：设备的性能参数应符合国家、行业或企业标准，与国际先 进设备相比具有可比性，与国内同类产品相比具有明显的技术优势；(4)要满足设备结构的上的要求：具有适当的强度、刚度、耐腐蚀性，易于安装， 易于操作、维护和检修；( 5)要考虑技术经济指标，达到节能要求因此，选用设备时要根据生产工艺要求和市场供应情况，贯彻先进可靠、经济合 理、系统最优等原则，按照可行性、维修性、操作性和能源供应等要求，进行调查和 分析比较，确定设备的优化方案5.1.2 设备材料选择依据根据工艺要求，牛磺酸合成工段主要为酯化和磺化两个工序，其中酯化工序涉及 的原辅料包含一些有机溶剂和浓硫酸其中浓硫酸虽具有强腐蚀性，一般由于其强氧 化性，可使反应设备表面形成氧化物保护膜，选用不锈钢材质即可，但温度升高的情 况下其腐蚀会增大，而酯化反应的控制温度较高，因此选用搪玻璃反应釜，搪玻璃具 有耐腐蚀和易清洗的优点，且其使用温度在-30~250 °C,酯化温度在此范围内。

酯化 工序的其它设备温度不高，可选用不锈钢材质磺化工序涉及了无机盐及其水溶液和 氨水等，不含腐蚀性极强的物质，可选用不锈钢反应釜5.1.3 主要设备选型[9]（1）反应器选型反应器按结构分类可以分为釜式（槽式）、管式、塔式、固定床、流化床、移动 床等各种反应器其中，釜式反应器在化工生产中具有较大的灵活性，能进行多品种 的生产，既适用于间歇操作过程，又可单釜或多釜串联适用于连续操作过程，具有适 用的温度和压力范围宽，操作弹性大，连续操作时温度、浓度易控制，产品质量均一 等特点本次设计为间歇生产，故可选用间歇式反应釜作为反应设备2）反应釜搅拌器选型搅拌器是搅拌反应釜的一个关键部件搅拌器的选型直接关系到搅拌反应釜的操 作和反应的结果常见的搅拌器有推进式、涡轮式、锚式、框式、螺带式等其中推 进式适用于低粘度流体的混合，锚式适用于高粘度流体混合，本设计酯化反应釜和降 温釜选用锚式搅拌器，磺化釜选用推进式搅拌器3）分离设备选型针对酯化结束后的固体悬浮液的特性，选用板框过滤机它是应用最广泛的一种 间歇式压力过滤机，优点为结构简单，制造容易，所需辅助设备少，过滤面积大，过 滤压力高，适用于过滤含固量高的悬浮液及腐蚀性物料。

它的缺点是装卸、清洗靠手 工操作，劳动强度大近来各种自动操作板框压滤机的出现，使得该缺点得以克服 压滤机根据是否需要对滤饼进行洗涤，又可分为可洗和不可洗两种形式，本设计过滤 后需用无水乙醇洗涤，因而采用可洗式板框压滤机4）干燥设备选型根据真空度＞0.08MPa条件下干燥的要求，本设计选用双锥回转真空干燥机该设 备设计先进，内部结构简单，清扫容易，物料能全部排出，操作简便，能降低劳动强 度，改善工人工作环境同时因容器本身回转时物料亦转动，但器壁上不积料，故传 热系数高，干燥速率大，不仅节约能源，而且物料干燥均匀充分，质量好5）液体输送设备选型 液体输送设备一般选用泵，泵的类型很多，可分为离心泵、旋涡泵、螺杆泵等 一般液体的输送设备选用离心泵，本设计还选用了一种新型输送机械气动隔膜泵，它 可将物料与外界完全隔离，对于各种腐蚀性液体，带颗粒液体，高粘度液体，均能予 以抽光吸尽主要应用在酯化液的输送中，在易燃易爆环境中选用气动泵可靠且成本 低5.2 设备选型计算过程数据来自物料衡算，同样以批次为基准5.2.1 反应釜选型计算（1）酯化釜选型计算每批投料得混合液1195.71kg,其中包括反应料液乙醇胺284.79kg、浓硫酸485.99kg, 带水剂甲苯424.93kg，体积简单加和估算V = 28479 + 48599 + 42493 = 1037.63厶，装料1.011 1.84 0.862系数取0.8, V = 103763 = 1297.04厶，圆整后体积为1500L，可选用1500L搪玻璃反应 0 0.8釜，其技术参数如下表：表 5-1 酯化釜技术参数表设备名称公称容积L实际容积L夹套换热面积m2公称直径mm釜体 >_.. > .高度mm参考重量kg电机功率kW搪玻璃酯化釜150016415.81200200019103.0夹套换热面积校核：根据能量衡算中“酯化釜”一部分，可知酯化过程所需热量Q= 4.09 X 105kJ。

选用蒸汽加热，取K = 800W/m2 • °C,加热时间约30mim,则可估计该釜所需换热面积为：Q4.09 X 108A K•氐— —2 70^n 2800 X (110 — 5) X 30 X 60 '实际换热面积为5.8m2 > 2.70m2，符合要求2）降温釜选型计算降温釜主要用于对酯化后料液进行降温，设备型号可与酯化釜相同，具体参数见 表 5-1 换热面积校核：降温釜所需冷量为 Q= 1.07 X 105 kJ，使用冷冻盐水降温，取K = 500W/m2 •C，降温时间约15min,则可估计该釜所需换热面积为：Q1.07 X 108A K•氐— —2 97^^2500 X (105 — 25) X 15 X 60 '同样实际换热面积5.8m2 > 2.97m2，符合要求3）磺化釜选型计算每批投料得混合液为3495.65kg，包括固体物料2-氨基乙醇硫酸酯601.2kg，亚硫 酸铵824.45kg，溶剂2070kg，体积简单加和估算V = 6012 + 82445 + 泌 =2992.09厶,1.782 1.41 1.00装料系数取0.8, V0 =空209 = 3740.11厶，圆整后体积为4000L，实际生产中使用2个 0 0.8磺化釜，因此选用2个2000L的不锈钢反应釜，其参数见下表：表 5-2 磺化釜技术参数表设备名称公称容积L实际容积L夹套换热面积m2公称直径mm釜体 >_.. > .咼度mm参考重量kg电机功率kW不锈钢磺化釜200021797.21300386026744换热面积校核：磺化釜需供热量Q = 9.0X104 kJ,蒸汽加热，加热时间15min,取K = 800W/m2 •C,则换热面积为:A k"9.0 。