磺化油DAH工艺设计书-天津理工大学.doc

制药工程专业设计说明书

磺化油的工艺设计

姓名 XXX
专业班级 11级制药2班
学号 2023XXXX

设计开始日期 2023.12.29 完毕日期 2023.01.08
指导教师 成绩

天津理工大学化学化工学院
制药工程专业设计评分表

学生姓名： XXX 班级： 11级制药2班 学号：2023XXXX

设计
题目
年产5000吨磺化油工艺设计
成绩

评 价 内 容
优
良
中
及格
不及格
1
设计说明书质量

2
图纸质量

3
设计进度情况

4
纪律、出勤、回答问题等综合表现

教 师 综 合 评 价

教师签字： 日期：

目录

第一章. 任务………………………………………………………………………1
1.1设计项目名称………………………………………………………1
1.2生产方法……………………………………………………………1
1.3生产能力……………………………………………………………1
1.4原料组成……………………………………………………………1
1.5产品磺化油…………………………………………………………1
第二章. 生产方法…………………………………………………………………2
2.1磺化油简介…………………………………………………………2
2.1.1酯互换反映………………………………………………………2
2.1.2磺化反映…………………………………………………………2
2.1.3中和反映…………………………………………………………2
2.1.4重要反映式………………………………………………………3
2.2选定计算基准………………………………………………………4
2.3 生产路线 …………………………………………………………4
第三章. 物料衡算…………………………………………………………………5
3.1初步计算产量………………………………………………………5
3.2 酯互换反映计算……………………………………………………5
3.3 磺化反映计算………………………………………………………5
3.4 中和反映计算………………………………………………………6
3.5物料衡算……………………………………………………………6
第四章. 绘制物料平衡图…………………………………………………………7
第五章. 能量衡算…………………………………………………………………8
5.1 化工设计工作中，通过热量衡算可以得到的设计参数………8
5.2 本工序中涉及能量衡算…………………………………………8
第六章. 绘制物料衡算图…………………………………………………………10
第七章. 根据物料衡算、能量衡算、工艺流程草图进行设备计算……………11
7.1 酯互换设备的计算…………………………………………………11
7.2磺化过程设备计算…………………………………………………11
7.3水洗设备计算………………………………………………………11
7.4中和反映设备的计算………………………………………………11
7.5管径的计算和选取…………………………………………………12
7.5.1酯互换反映设备管径的计算……………………………………12
7.5.2 分层设备管径的计算…………………………………………13
7.5.3 磺化反映设备管径的计算……………………………………13
7.5.3 磺化反映设备管径的计算……………………………………13
7.5.4 中和反映设备管径的计算………………………………………14
第八章． 核算………………………………………………………………………15
8.1酯互换过程的核算…………………………………………………15
8.2磺化反映过程的核算………………………………………………15
8.3水洗中和过程的核算………………………………………………16
第九章．参考文献…………………………………………………………………17
附图
工艺流程图…………………………………………………………………………18
物料衡算图…………………………………………………………………………19

第一章 任务书
1.1设计项目名称：
磺化油DAH合成工艺。
1.2生产方法：
蓖麻油与丁醇进行酯互换，生成蓖麻油丁酯和甘油，分出甘油后，将蓖麻油丁酯磺化，再用二乙醇胺中和得到磺化油（DAH）。
1.3生产条件：
1、酯互换反映：在搪玻璃酯互换釜中加入蓖麻油、丁醇和浓硫酸，搅拌、加热升温至90℃，保温8h，静置12h，分出下层甘油。
2、磺化反映：在磺化搪玻璃反映釜中加入蓖麻油酸丁酯，搅拌冷却至0-5℃，加入98%浓硫酸，加完后搅拌1h。
3、中和反映：压入磺化物，在中和釜中加入（5mol水/3mol磺化物）搅拌，温度控制在45℃以下，搅拌15-20min，静置过夜分出下层废酸。搅拌加入三乙醇胺，中和到pH7-7.5，中和时温度不超过45℃，得到产品。
1.4生产能力：
5000t/年DAH(300天/年，24小时/日)，设计裕量10%，总损失10%，（分甘油5%，分废酸5%），酯互换收率70%，磺化收率75%，中和收率80%。
1.5原料组成：
蓖麻油与丁醇1:3，硫酸、碱等。
1.6产品磺化油（DAH），本设计关于其他项目如：
设计依据，厂址选址，重要技术经济指标，原料的供应，水、电、汽的重要来源，建厂期限，设计单位，设计进度及设计阶段的规定等内容从略。
第二章 生产方法
2.1磺化油（DAH）简介：
【中文名称】磺化油
【英文名称】sulfonated oil;sulfate oil
【性状】微黄色至深棕色液体。
【溶解情况】溶于水和乙醇，遇酸分解。
【用途】阴离子型表面活性剂的一类。具有润湿、乳化、分散、润滑等作用。广泛用于纺织、制革、造纸、金属加工等工业，也用作农药乳化剂。
【制备或来源】由蓖麻油或其他植物油或某些鱼油与硫酸作用，经中和而制得。
【性质】阴离子型表面活性剂的一类。事实上是硫酸化油（具有一O•SO3Na基）。由蓖麻油或其他植物或某些鱼油与硫酸作用，再经中和而制得。由蓖麻油制得的常称太古油或土耳其红油。
【涉及领域】合成柴油。
柴油是从石油中提炼而成，因柴油含腊较多，所以燃烧后产生的黑烟较大，污染比较严重。本工艺生产的目的是提供一种污染比较轻的磺化油合成柴油。本工艺生产的特性是：磺化油合成柴油由磺化油、煤油和氢氧化钠组成，其组份按重量比例为：磺化油70%-80%，煤油19.9%-29.9%，氢氧化钠0.1%-0.2%。本工艺生产由磺化油、煤油和氢氧化钠组成，由于磺化油的粘度比较高，所以运用煤油加以稀释，又由于磺化油和煤油具有酸性，所以采用氢氧化钠增长碱性，以达成中性，由于本工艺生产不含腊的成份，所以其燃烧后产生的黑烟较少，污染比较轻。
实行例一：磺化油合成柴油由磺化油、煤油和氢氧化钠组成，其组份按重量比例为：磺化油70%，煤油29.8%，氢氧化钠0.2%。
实行例二：磺化油合成柴油由磺化油、煤油和氢氧化钠组成，其组份按重量比例为：磺化油75%，煤油24.9%，氢氧化钠0.1%。
实行例三：磺化油合成柴油由磺化油、煤油和氢氧化钠组成，其组份按重量比例为：磺化油80%，煤油19.9%，氢氧化钠0.1%。
磺化油是微黄色至深棕色液体，溶于水和乙醇，遇酸分解，是石油化学工业的重要产品，是阴离子型表面活性剂的一类，具有润滑、乳化、分散、润湿的作用，广泛用于纺织、制革、造纸、金属加工等工业，也可作农药乳化剂。
工艺简述如下：
2.1.1酯互换反映：
在搪玻璃酯互换釜中加入蓖麻油、丁醇和浓硫酸，搅拌、加热升温至90℃，保温8h，静置12h，分出下层甘油。
2.1.2磺化反映：
在磺化搪玻璃反映釜中加入蓖麻油酸丁酯，搅拌冷却至0-5℃，加入98%浓硫酸，加完后搅拌1h。
2.1.3中和反映：
压入磺化物，在中和釜中加入（5mol水/3mol磺化物）搅拌，温度控制在45℃一下，搅拌15-20min，静置过夜分出下层废酸。搅拌加入三乙醇胺，中和到pH7-7.5，中和时温度不超过45℃，得到产品。
2.1.4重要反映式：
1、酯互换：

蓖麻油 丁醇

蓖麻油酸丁酯 甘油

2、磺化：
蓖麻油酸丁酯 硫酸

磺化蓖麻油酸丁酯 水

3、中和：

磺化蓖麻油酸丁酯 三乙醇胺

磺化油(DAH)
2.2选定计算基准：
本方案采用间歇式操作，间歇式操作以一批进料量为基准进行计算。（kg/批，kmol/批）
2.3根据上述生产方法拟定生产路线，见工艺流程图（2-1）.

工艺流程图（2-1）

第三章. 物料衡算
3.1初步计算产量：
装置生产能力为：
由于设计裕量10%，总损失10%，酯互换收率70%，磺化收率75%，中和收率80%。
故所需加入的蓖麻油为：

校正，当时：
产物的产量
所以当进料为时，符合设计标准。
3.2 酯互换反映计算：
酯互换：根据酯互换反映方程式：

的蓖麻油需要的丁醇与之反映，生成的蓖麻油酸丁酯和甘油，故需要加入丁醇的量为
由于酯互换收率为，
所以产物蓖麻油酸丁酯的量为
甘油的量为
分甘油时蓖麻油酸丁酯损失，
则，进行磺化反映的蓖麻油酸丁酯的量为
3.3 磺化反映计算：
磺化反映：根据磺化反映方程式:

的蓖麻油酸丁酯需要的硫酸与之反映，生成的磺化蓖麻油酸丁酯的水，故需要加入硫酸的量为
由于磺化反映的收率为，
所以产物磺化蓖麻油酸丁酯的量为
水的量为
分废酸时磺化蓖麻油酸丁酯损失，
则，进行中和反映的磺化蓖麻油酸丁酯的量为

3.4 中和反映计算：
中和反映：根据中和反映方程式:

的磺化蓖麻油酸丁酯需要的三乙醇胺与之反映，生成的磺化油DAH，故需要加入三乙醇胺的量为
由于中和反映的收率为，
所以产物磺化油DAH的量为
3.5物料衡算
1、酯互换：由方程式：

蓖麻油--------丁醇--------蓖麻油酸丁酯---------甘油
Mol比： 1 3 3 1
Fw: 943.4303 74.1216 354.5671 92.0938
M: 1.1894kmol/h 3.5682kmol/h 3.5682kmol/h 1.1894kmol/h
m ：1122.1160kg/h 264.4807kg/h 1265.1663kg/h 109.5364kg/h
又因收率为70%且分甘油损失为5%,则蓖麻油丁酯的产量为
2.3731kmol/h*354.5671=841.4231kg/h
2、磺化反映：由方程式：

蓖麻油酸丁酯------硫酸------磺化蓖麻油酸丁酯------水
Mol比： 1 1 1 1
FW: 354.5671 98.0785 434.6303 18.02
M: 2.3731kmol/h 2.3731kmol/h 2.3731kmol/h 2.3731kmol/h
M: 841.4231kg/h 232.7500kg/h 1031.4211kg/h 42.7633kg/h
又因收率为75%且分废酸损失为5%,则磺化蓖麻油丁酯的产量为：
1.6908kmol/h*434.6303=734.8729kg/h
3、中和反映：由方程式：

磺化蓖麻油酸丁酯----------三乙醇胺----------磺化油
Mol比： 1 1 1
FW : 434.6303 (kg/kmol) 149.1882 583.8185
m ： 1.6909kmol/h 1.6909kmol/h 1.6909kmol/h
m: 734.9164kmol/h 252.2474kmol/h 987.1203kg/h
又因收率为80%则磺化油的产量为：
1.353kmol/h*583.8185=789.9064kg/h

第四章 绘制物料平衡图 见图（附录图4-1）

第五章 能量衡算
全面的能量衡算应当涉及热能、动能、电能、化学能和辐射能等。但在许多工程操作中，经常涉及的能量是热能，所以化工设计中的能量衡算就是热量衡算。
5.1化工设计工作中，通过热量衡算可以得到的设计参数涉及：
（1）换热设备的热负荷 换热设备涉及热互换器、加热器、冷却器、汽化器等。
（2）反映器的换热量：涉及间歇釜式反映器、连续釜式反映器等。
（3）吸取塔冷却装置的热负荷
（4）冷激式多段传热固定床反映器的冷激剂用量。
（5）加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量。
（6）有机高温热载体和熔盐的循环量。
（7）冷冻系统的制冷量和冷冻剂的循环量。
（8）换热器冷、热支路的物流比例。
（9）设备进、出口的各股物料中某股物料的温度。
本方案中热量衡算规定较少，只需进行计算得反映器的换热量以选取合适的换热器规格。
5.2本工序中涉及能量衡算:
重要是酯互换反映的搪玻璃反映釜，故重要针对酯互换工段，进行热量衡算，按工段规定将蓖麻油与丁醇加热至90℃，选取蓖麻油和丁醇的起始温度为25℃。
由内差法求出蓖麻油在25℃时的比热容：

解得：
同理求出在90℃时蓖麻油的比热为：

解得:
C随着t的变化而变化，若物质在t1-t2 范围内C-t关系为一直线，可知此温度范围内的平均定压比热容为（t1+t2）/2时物质的热容，也等于t1和t2温度下物质的比热C1与C2的算数平均值，一般来说，物质的C-t关系不是一直线，但是它的曲率并不大，只要在计算时温度变化范围不大，可按直线计算。但是我方案中采用取C1与C2的对数平均值作为整个加热过程的比热，这样更准确一些。
C= （C2–C1）/ln(C2 -C 1) (5-1)
则：
查《化工工艺设计手册》知：丁醇的比热为0.65 kcal/（kg. oC）,由酯互换反映机理知丁醇与蓖麻油的摩尔比为3:1，则其各占的质量分数为：
蓖麻油 %=
所以:丁醇 %=0.1908
由： Q吸=mC△t (5-2)
所以：Q吸 =（0.8092*0.46+0.1908*0.65）*（1122.1160+264.4807）*（90-25）
=44726.590kcal/h
则：Q吸总= Q吸*22h=44726.590*22=983984.98 kcal/h
将本传热过程按对流传热考虑：
t 25 oC → 90 oC
T 100oC ← 100 oC
由△tm=[(T2–t 1)- (T1-t2) ] / ln [ (T2–t 1)/(T1-t2) ] （5-3）
则：
查《化工手册》知搪玻璃反映器的总传热系数为：加热过程为T=1h
由：Q=KS△tm T （5-4）
所以：S=Q/K△tm T=983984.98/(320*32.2596*1)=95.3190m2

第六章 绘制物料衡算图 见图（附录图6-1）

第七章 设备计算
根据物料衡算、能量衡算、工艺流程草图进行设备计算（设备容积、换热面积、形式），根据生产能力及原料、产品物性，选则装量系数η=0.6-0.8
7.1 酯互换设备的计算：
根据其生产量、预解决时间为2h，生产过程中所用的时间，知整个酯互换反映时间为22h，故物料加入体积
V1物料=22*1122.1160/950+22*264.4807/809=33.17815m3
选取装料系数η1=0.75
根据η=V1物料/V1公称（7-1）
V1公称=33.17815/0.8=44.2383m3
查《化工工艺设计手册》选搪玻璃反映罐
选取搪玻璃K型反映罐(HG5-Z51-79),其公称容积为5000L的9个
7.2磺化过程设备计算：
根据其生产量、预解决时间为2h，生产过程中所用的时间，知整个磺化过程所需时间为3h，故物料加入体积
V2物料=3*129.2752/960+3*35.7594/1834=0.6520 m3
选取装置系数η2=0.75，则V2公称=0.6520/0.75=0.8693m3
查《化工工艺设计手册》选搪玻璃反映罐
选取搪玻璃K型反映罐(HG5-Z51-79),其公称容积为1000L的1个
7.3水洗设备计算：
根据其生产量、预解决时间为2h，生产过程中所用的时间，知整个水洗过程所用时间为14h，故物料加入的体积

按装置系数η3=0.8，则V3公称=12/0.8=15m3
查《化工工艺设计手册》选搪玻璃反映罐
选取搪玻璃K型反映罐(HG5-Z51-79),其公称容积为5000L的三个。
7.4中和反映设备的计算：
根据其生产量、预解决时间为2h，生产过程中所用的时间，知整个水洗过程所用时间为2h，故物料加入的体积

选择装填系数η4=0.75 则V4物料 =1.97994 / 0.7=2.84957
选取搪玻璃K型反映罐(HG5-Z51-79),其公称容积为3000L的一个。
7.5管径的计算和选取：
7.5.1酯互换反映设备管径的计算：

1、蓖麻油贮料罐管径：
油及粘度大的液体 流速u=0.5～2 m/s
选取u=0.5 m/s
由于 管径d=
=0.0229m=22.9mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
2、丁醇贮料罐管径：
取u=0.5m/s
d=
=1.52mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
3、硫酸贮料罐管径
取u=0.5 m/s
d=
=1.00mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
7.5.2 分层设备管径的计算：
1、蓖麻油酸丁酯贮料罐管径
油及粘度大的液体 流速u=0.5～2 m/s
选取u=0.5 m/s
由于 管径d=
=24.90mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
2、甘油贮料罐管径
取u=0.5 m/s
d=
=7.844mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
7.5.3 磺化反映设备管径的计算：
1、分层损失5％后的蓖麻油酸丁酯贮料罐管径
选取u=0.5 m/s
由于管径 d=
=24.9mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
2、洗涤过程中磺化蓖麻油酸丁酯和水的贮料罐管径
选取u=0.5 m/s
由于管径 d=
=24.09mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
7.5.4 中和反映设备管径的计算：
1、洗涤损失5％后参与中和反映的磺化蓖麻油酸丁酯贮料罐管径
选取 u=0.5 m/s
由于管径 d=
=23.28mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管
2、三乙醇胺贮料罐管径
取 u=1 m/s
d=
=1.00mm
故选取 32×2mm的热轧无缝钢管

第八章 核算
8.1酯互换过程的核算：
根据设备结果复核物料衡算、能量衡算和物料平衡图，由设备计算结果知：在酯互换过程中选择K型搪玻璃反映釜5000L的9个，装量系数为0.8，
则 V=45m3*0.75=33.75 m3
由反映原理知反映罐中蓖麻油与丁醇的摩尔比为1:3，则其体积比为：

由 V蓖麻油+V丁醇=33.75m3 （8-2）
V蓖麻油/V丁醇=3.5745 （8-3）
所以得：V蓖麻油=26.37 m3 ，V丁醇=7.38 m3
故：蓖麻油在一个生产周期22h内单位时间的
质量流量为：26.37*950/22=1138.797kg/h
丁醇在一个生产周期22h内单位时间的
质量流量为7.38*809/22=271.3039kg/h
由反映式知：
蓖麻油 蓖麻油酸丁酯
943.4303 3*354.5671
1138.797 W1
即得： W1=1283.974kg/h
由于酯互换的收率为70%，
故实际产量为W=182.6143×0.7=898.7817kg/h
8.2磺化反映过程的核算：
磺化时所用的反映罐为：5000L的一个，装量系数为0.65，则磺化时的加料总体积V2物料=5000*y2=3250L=3.25m3
同上理
由反映原理知反映罐中蓖麻油酸丁酯与硫酸的摩尔比为1:1，则其体积比为：
由 V蓖麻油酸丁酯+V硫酸=3.25m3
V蓖麻油酸丁酯/V硫酸=6.9064
所以得V蓖麻油酸丁酯=2.84 m3
故：蓖麻油酸丁酯在一个生产周期3h内单位时间的
质量流量为：2.84*960/3=908.461kg/h
由反映式知：
蓖麻油酸丁酯 磺化蓖麻油酸丁酯
354.5671 434.6203
908.461 W2
即得： W2=1113.571kg/h
由于磺化互换的收率为75%，
故实际产量为W2=1113.571×0.75=835.1781kg/h
8.3中和过程的核算：
采用中和过程所选取的反映罐为3000L的1个质量分数为y3=0.7
则水洗时的加料总体积：V3物料=（15000）*y3=2.1m3
设磺化蓖麻油酸丁酯的质量流量为W3.
则： 2×W3/960+2×W3×149.1882/439.6303/1124=2.1
W3=779.48kg/h
则中和时应用三乙醇胺的质量流量为：
779.48×149.1882/434.6303=267.56kg/h
生成产品磺化油DAH的质量流量为：
779.48×583.8185/434.6303=156.4307kg/h
由于中和反映的收率为80%，
故实际流量为156.4307×0.8=837.63kg/h

后记
这次课程设计，我的收获很大。以前我们学过的知识只但是是纸上谈兵，理论知识虽然已经掌握，但是不知道在实际生产中有什么用，也不知道如何应用。而化工原理课程设计却是一门综合性课程，它不仅规定我们对化工设计有基础的了解，并且还要对化工原理、过程设备设计等一系列知识可以进行综合的运用，同时也对计算机绘图提出了较高的规定。
课程设计中，我碰到了不少困难，比如有些物料特性需要查找很多资料才干知道，计算过程中，要反复计算直到结果误差满足规定才行，因此计算量很大，这就规定我在课程设计中要做到一丝不苟，
同时，课程设计加强了我的学习能力、理论联系实际和解决问题的能力，这些将对我以后的工作产生重大的影响。

参考文献
[1] 夏青，贾绍义. 化工原理(上下册). 第二版. 天津大学出版社. 2023,1
[2] 黄璐，王保国. 化工设计. 北京：化学工业出版社. 2023,2
[3] 国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册. 第二版. 北京：化学工业出版社. 1996
[4] 张红兵，周国庆，李志清等.化工工艺设计手册. 北京：化学工业出版社.1989,12