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?；撬岬暮铣晒ざ蔚能囬g工藝設計

設計時間：2015.10.8—2014.11.13o

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、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）o

目錄

1設計依據及設計基礎....................................................1

1.1設計依據........................................................1

1.2生產能力........................................................1

1.3產品規格........................................................1

1.4原輔材料技術規格...............................................2

2工藝說明..............................................................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工藝設備及生產現狀........................................5

2.2工藝流程說明....................................................6

2.2.1?；撬嵘a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衡算過程........................................................9

3.2.1確定每批產量..............................................9

3.2.2每批主要原料投料量計算...................................9

3.2.2化學反應過程衡算.........................................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...................................................16

4.2.1設備的熱量平衡方程式.....................................16

4.2.2熱量衡算基礎數據計算與查取...............................18

4.3熱量衡算過程...................................................19

4.4熱量衡算結果...................................................22

5設備選型.............................................................22

5.1設備選型的依據.................................................22

5.1.1設備選型的原則...........................................22

5.1.2設備材料選擇依據.........................................23

5.1.3主要設備選型⑼...........................................23

5.2設備選型計算過程..............................................24

5.2.1反應釜選型計算...........................................24

5.2.2儲罐設備選型計算.........................................26

5.2.3過濾器選型計算...........................................27

5.2.4干燥器選型計算...........................................27

5.2.5冷凝器選型計算...........................................27

5.3主要設備一覽表.................................................28

6車間布置.............................................................29

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

6.2布置依據.......................................................29

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

6.4車間布置說明...................................................3()

6.5車間工藝平面布置圖............................................31

7節能與環保...........................................................32

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

7.2環保與安全.....................................................33

7.2.1危險性概述...............................................33

7.2.2急救措施及泄露應急處理..................................34

7.2.3安全防護.................................................34

參考文獻...............................................................35

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

年產200噸原料藥?；撬岬暮铣晒ざ蔚能囬g工藝設計

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?；撬岬暮铣晒ざ蔚能囬g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》

O010GMP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(二部)》

《生產過程安全衛生要求總則(GB/T12801-2008)》

《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200l/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?；撬?/p>

成品333.3Kgo

13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328?329久(分解)，較

易溶于水，微溶于95%的乙醇，不溶于無水乙醇、酸、燒等有機溶劑。

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?；撬嵘a所涉及到的原輔料見下表1-1

表1-1?；撬嵘a工藝用原輔料

狀態分子工業級熔點沸點密度

名稱溶解度

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

數有機溶劑

與水、多數有機

無水乙醇液體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

典標準溶有機溶劑

溶于水，微溶于

亞硫酸鉉固體116.14>99%60-701501.410

醇

2工藝說明

2.1工藝概述

?；撬岬纳a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、乙二磺酸酎法等十多種。

目前，國內外多數生產廠家采用乙醇胺法來生產?；撬?，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?；撬?，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：

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

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

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碉為原料，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?；撬?。

1989年，德國的D.Pauhilh等人⑴在等當量的竣酸中，氯化亞碉與乙醇胺鹽酸鹽按

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99.1%,

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⑵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等人團以乙醇胺經過氣相催化脫水環

化合成乙撐亞胺，然后用硫酸開環加成制備?；撬帷７磻匠淌饺缦拢?/p>

N2CatCHCHH2s0式或NH4Hse)3)

HNCHCHOH22

222H9NCH9CH?SO3H

-H20

H

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Cso.1)BaolP().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錢反應制得?；撬?，產率可達

84%o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

由于氯化法和乙撐亞胺法合成?；撬岬墓に囍写蠖啻嬖谟卸疚镔|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?；撬嵘a企業采用最多的一種生產方法。該反應以乙醇胺、硫

酸、亞硫酸鈉或亞硫酸錢為原料，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鏤進行磺化反應合成牛

磺酸內。反應方程式如下：

NH2cH2cH20H+H2SO4NH2CH2CH2OSO3H+H20

NH2cH2cH20so3H+Na2SO3——>NH2cH2cH2so3H+Na2s04.

或

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

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，這樣會使乙醉胺炭化，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10C以下，加入50%濃硫酸溫度可控制在20c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12()?160℃,溫度過

高不但操作困難，且易產生雜質。木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旦成本偏高。

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。H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?；撬岬氖章蕛H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?；撬嵘a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?；撬岢晒Σ⑼度肷a，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15OOt/a,與國內外蓬勃發展的需求

相比有很大差距⑸。

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?；撬?/p>

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，嚴重制約了

?；撬岬纳a和發展。為此，各相關企業、大專院校和科研單位應積極進行?；撬嶂苽?/p>

技術的研究與開發，不斷改進和完善?；撬岬暮铣晒に嚮驅で蟾咏洕侠淼墓に嚶?/p>

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

?；撬嵝袠I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?；撬嵘a的發展。要積極進行?；撬岬膽醚?/p>

究，開發出適合不同消費群體的各種?；撬岙a品，以擴大牛磺酸的消費，激活國內潛在

市場，促進國內?；撬嵝袠I的快速發展⑹。

2.2工藝流程說明

2.2.1?；撬嵘a方法

(1)反應過程

本次課程設計采用酯化法生產?；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，中間體再與亞硫酸鉞

進行橫化反應合成?；撬?，反應如下:

NH2cH2cH20H+H2SO4~=±NH2cH2cH20so3H+H20

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

(2)工藝過程

牛磺酸合成工藝流程框圖如下:

甲苯

甲苯

無水乙醇

硫酸酯

(NH4)2S03

NH3

無氧水

硫酸酯

圖2-1?；撬岷铣晒ざ喂に嚵鞒炭驁D

(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儲水，通入氨氣形成氨氣(適

量)保護，在攪拌狀態下條件下加入(NH4”SO3,待亞硫酸錢全部溶解后加入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105C,反應時間為12h,物料配比

5(N“4)2S03：%一氨基乙醉硫酸酣)為L65,在50c下加2-氨基乙醵硫酸酯，保持溫度lOmin,

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0—5℃，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。反應生成的水和甲茶以

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12一

3h）,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（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50C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鉞，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105C,

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，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。只有經過乍間物料衡算，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

?；撬崮戤a量2003生產30()天，每天投料兩次，生產兩批

每批產量：333.33kg

322每批主要原料投料量計算

從后往前推算：

產品最終含?；撬岬牧?產量x含量=333.33x99%=330.00kg

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：

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

求解得w=383.14kg

熱過濾收率以95%計

熱過濾前?；撬岬牡牧繛榱T廣=403.31kg

95%

鹽析后牛磺酸的量為甯=407.38kg

即磺化液中?；撬岬牧繛?07.38kg

磺化反應收率為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=蟹=619.60kg

酯化反應收率為95.1%,即

-氨基乙酹:硫酸酣619.60瓶乙醇胺

—I4L15—=14n5=7T0^X95-1%

反應所需乙醇胺的量=281.94kg

實際投入乙醇胺的量為=*=284.79kg,其中雜質的量=2.85kg

3.2.2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

NH2CH2CH2OH+H2SO4^tNH2cH2cH20so3H+H2O

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_-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°

實際投入濃硫酸的量二等=485.99kg,雜質含量=9.72kg

98%

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

甲苯用量二瑞詈x1,75X0.862=420.68kg

實際甲苯投量=胃譽=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

最終甲苯回收量二420.68x99%=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=619.60x99%=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=613.40x50%=306.70kg

實際投無水乙醇量=暇=309.80kg,雜質含量=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.氨基乙醇硫酸酯量=607.27x99%=601.20kg

廢氣：乙醇量=3.07kg

3.2.2.2目的產物制備

已知該反應投料比為九亞硫酸錢：九2.額基乙酹硫酸酯=L6S

需亞硫酸錢量二吧浣x116.14x1.65=816.21kg

實際投入亞硫酸鏤量=816.21/99%=824.45kg,雜質量=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

此時為飽和溶液，因此取實際用水量為2000kg

其中70%可來自溶劑剛攵，30%為配水量=600kg

已知反應方程

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

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：

-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

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

生成量：?；撬崃?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

硫酸錢量=430.14kg

水量=2000kg

雜質量=78.30kg

3.3物料流程框圖

以上衡算過程，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儲出液

合計

284.79100.00混合組成質量Kg質量分數％

反應料770.78水79.1089.60

濃硫酸

甲苯416.474.82

阻成質量Kg質量分數％

雜質5.135.58

疏酸476.2798.00

500.7100.00

雜質9.722.00

合計485.99100.00

酯化反應

甲苯反應料1195.71

組成質量Kg質量分數％

甲苯420.6899.00酯化液

雜質4.251.00組成質量Kg質量分數％

合計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12.271.55

合計770.78100.C0

原料及中間體主要反應過程副產品及三廢

流液

濾餅抽濾

組成質量Kg質量分數％

組成質量Kg質量分數％反應料695.01

硫酸45.5356.30

瓶酸酯613.499.88

乙醇胺13.6816.92

雜質0.750.12

硫酸酯6.207.67

合計614.15100.00

甲苯4.175.16

雜質11.2813.95

無水乙醉

洗滌

合計80.86100.00

組成質量Kg質量分數％

反應料923.95

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303.6396.83

硫酸酯b.131.96

固相雜質3.801.21

組成質量Kg質量分數％合計313.56100

硫酸酯607.2799.49

乙醇3.070.50

雜質0.050.01

干燥廢氣

合計610.39100

反應料610.39組成質量Kg質量分數％

乙醇3.0733.41

雜質6.1266.59

合計9.19100

原料及中間體主要反應過程副產品及三廢

酯化物

回收溶劑

組成質量Kg質量分數％

組成質量Kg質量分數％

硫酸酸601.20100.00

水1400.0095.00

合計601.20100.00

—>雜質70.005.00

磺化反應

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

亞硫酸核合計1470.00100.00

反應料3495.65

組成質量Kg質量分數％

磺化液

亞硫酸鐵816.2199.00

質量分數％

雜質8.241.00組成質量Kg

?；撬?/p>

合計824.45100.00407.3811.65

水2000.0057.22

熱水亞硫酸錢438.1312.53

組成質量Kg質量分數％硫酸鏤430.1412.31

水600.00100.00硫酸酯141.704.05

合計600.00100.00雜質78.302Z

合計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C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，其熱量平衡方程式為：

Q1+Q2+Q3=Q4+QS+Q6

式中：Qi—物料帶入到設備的熱量kJ

Q2一加熱劑或冷卻劑傳給設備和所處理物料的熱量kJ

Q3一過程熱效應kJ

Q4一物料離開設備所帶走的熱量kJ

Q5—加熱或冷卻設備所消耗的熱量kJ

Qo一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)Qi與Q」的計算

QI(Q4)=￡mtCp

式中m一輸入(或輸出)設備的物料量kg

Cp—物料的平均比熱容kJ/(kg.℃)

t—物料的溫度℃

該式的計算基準是標準狀態，即0℃及1.013x1()5pa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A算公式計算出物質的比熱容，

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AH。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，現用符號卬表示標準反應熱，放熱為正，

吸熱為負，則qm-AH。

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⑻。

此次設計采用標準生成熱求等，其公式為：

qr=-Svqi

式中V—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(25?I)℃范圍內均無相變化，則卬「的計算公式為：

C]tr=Cjr—(t-25)(SvCp)

式中q1—標準反應熱kJ/mol

v—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(25?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:

Q3=QR+Qv

(3)Q5與Q6的確定

根據大量實踐計算經驗，(<25+(>)通常為((34+(^+(26)的5%?1()%,只要計算出

Q4,就可以確定(Q5+Q6),從而計算出Q2。

(4)Q2的計算

由以上計算過程得到Qi、Q3、Q?、QS、Q6后，根據公式求出設名的熱負荷Q2。Q:

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：

Cp=ZNiCi/M

式中M------化合物摩爾質量，kg/kmol

Ni——分子中i元素原子數

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

下表：

表4-1各物質的物性參數

參數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132.131.7701.42-1180.85

4.3熱量衡算過程

(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

計算表明，料液混合階段需供冷量為3.29x104kJ

加熱回流反應階段：(溫度控制在110℃左右)

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

Q3包括反應放熱和狀態變化熱，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《制藥工程工藝設計》P95式4-47得：

1357n

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

“n+49

式中q—1kg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Qvi=Q分離酸+Q稀釋酸=m原q原-m反q反-機殘q殘

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

反應中：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=125.09kg

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