年产200吨原料药牛磺酸的合成工段的车间工艺设计.doc

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：2015.10.8---2014.11.13。
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 1
1.1 设计依据 1
1.2 生产能力 1
1.3 产品规格 1
1.4 原辅材料技术规格 2
2 工艺说明 3
2.1 工艺概述 3
2.1.1 氯化法 3
2.1.2 乙撑亚胺法 4
2.1.3 酯化法 4
2.1.4 工艺设备及生产现状 5
2.2 工艺流程说明 6
2.2.1 牛磺酸生产方法 6
2.2.2 工艺流程叙述 8
3 物料衡算 9
3.1 概述 9
3.2 衡算过程 9
3.2.1 确定每批产量 9
3.2.2每批主要原料投料量计算 9
3.2.2化学反应过程衡算 10
3.3 物料流程框图 13
4 能量衡算 16
4.1 概述 16
4.2 能量衡算依据 16
4.2.1设备的热量平衡方程式 16
4.2.2 热量衡算基础数据计算与查取 18
4.3 热量衡算过程 19
4.4 热量衡算结果 22
5 设备选型 22
5.1 设备选型的依据 22
5.1.1 设备选型的原则 22
5.1.2 设备材料选择依据 23
5.1.3 主要设备选型[9] 23
5.2 设备选型计算过程 24
5.2.1 反应釜选型计算 24
5.2.2 储罐设备选型计算 26
5.2.3 过滤器选型计算 27
5.2.4 干燥器选型计算 27
5.2.5 冷凝器选型计算 27
5.3 主要设备一览表 28
6 车间布置 29
6.1 概述 29
6.2 布置依据 29
6.3 布置原则 29
6.4 车间布置说明 30
6.5 车间工艺平面布置图 31
7 节能与环保 32
7.1回收利用 32
7.2 环保与安全 33
7.2.1危险性概述 33
7.2.2急救措施及泄露应急处理 34
7.2.3安全防护 34
参考文献 35
附录 35

1 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333.3Kg。
1.3 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℃（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
℃
沸点
℃
密度
g/mL(25℃)
溶解度
乙醇胺
液体
61.08
≥99%
10.5
170.5
1.011
与水、乙醇混溶
浓硫酸
液体
98.08
≥98%
10.35
338
1.840
与水混溶

甲苯

液体

92.14

≥99%

-94.99

110.63

0.862
微溶水，溶于多数有机溶剂
无水乙醇
液体
46.07
≥99%
-114.1
78.5
0.804
与水、多数有机溶剂混溶
纯化水
液体
18.02
符合药典标准
0
100
1.000
与乙醇互溶，微溶有机溶剂
亚硫酸铵
固体
116.14
≥99%
60-70
150
1.410
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：

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[1]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℃下反应7h，得到α-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[2]采用37%的盐酸与溶于甲苯中的乙醇胺进行反应，于110℃下共沸除去水分，冷却至50℃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：

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：

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℃以下，加入50%浓硫酸温度可控制在20℃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 ℃, 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：

（2）工艺过程
牛磺酸合成工艺流程框图如下：

图2-1 牛磺酸合成工段工艺流程框图
（3）操作过程
a. 酯化工序
冰浴（<20℃）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110℃），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105℃，反应12h后，停止加热。
磺化反应的较优条件为：反应温度为105℃，反应时间为12h，物料配比（n(NH4)2SO3:n2-氨基乙醇硫酸酯）为1.65，在50℃下加2-氨基乙醇硫酸酯，保持温度10min，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℃，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110℃，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50℃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50℃下、1小时内完成。然后向夹层中通蒸汽加热至105℃，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
3.2.2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×含量=333.33×99%=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：
[W×67.94%+W×(1-67.94%)×60.00%×99%]×99%=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383.1495%=403.31kg
盐析后牛磺酸的量为403.3199%=407.38kg
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141.15×76.43%=m牛磺酸125.14=407.38125.14
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=601.2099%3=619.60kg
酯化反应收率为95.1%，即
m2-氨基乙醇硫酸酯141.15=619.60141.15=m乙醇胺61.08×95.1%
反应所需乙醇胺的量=281.94kg
实际投入乙醇胺的量为=281.9499%=284.79kg，其中杂质的量=2.85kg
3.2.2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

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乙醇胺61.08=m硫酸98.02=m2-氨基乙醇硫酸酯141.15=619.60141.15=m水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=281.9461.08×0.95×98.02=476.27kg
实际投入浓硫酸的量=476.2798%=485.99kg，杂质含量=9.72kg
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=281.941.011×1.75×0.862=420.68kg
实际甲苯投量=420.6899%=424.93kg，杂质含量=4.25kg
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=420.68×99%=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=619.60×99%=613.40kg
硫酸量=45.99×1%=0.46kg
乙醇胺量=13.82×1%=0.14kg
甲苯量=4.21×1%=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=613.40×50%=306.70kg
实际投无水乙醇量=306.7099%=309.80kg，杂质含量=3.1kg
洗涤后固相：
2-氨基乙醇硫酸酯量=613.40×99%=607.27kg
乙醇量=306.70×1%=3.07kg
液相：
乙醇量=303.63kg
2-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=607.27×99%=601.20kg
废气：乙醇量=3.07kg
3.2.2.2 目的产物制备
已知该反应投料比为 n亚硫酸铵：n2-氨基乙醇硫酸酯=1.65
需亚硫酸铵量=601.20141.25×116.14×1.65=816.21kg
实际投入亚硫酸铵量=816.21/99%=824.45kg，杂质量=8.24kg
50℃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=816.2146.4×100=1759.07kg
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

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：
m2-氨基乙醇硫酸酯141.15=m亚硫酸铵116.14=m硫酸铵132.13=m牛磺酸125.14=407.38125.14
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=407.38kg
2-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=78.30kg

3.3 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
281.94
99.00
杂质
2.85
1.00
合计
284.79
100.00

馏出液
组成
质量Kg
质量分数%
水
79.10
89.60
甲苯
416.47
4.82
杂质
5.13
5.58
合计
500.7
100.00

浓硫酸
组成
质量Kg
质量分数%
硫酸
476.27
98.00
杂质
9.72
2.00
合计
485.99
100.00
混合
反应料
770.78
酯化液
组成
质量Kg
质量分数%
硫酸酯
619.60
80.39
水
79.10
10.26
硫酸
45.99
5.97
乙醇胺
13.82
1.79
杂质
12.27
1.59
合计
770.78
100.00

甲苯
组成
质量Kg
质量分数%
甲苯
420.68
99.00
杂质
4.25
1.00
合计
424.93
100.00
酯化反应
反应料
1195.71

原料及中间体 主要反应过程 副产品及三废
抽 滤
反应料
695.01

滤液
组成
质量Kg
质量分数%
硫酸
45.53
56.30
乙醇胺
13.68
16.92
硫酸酯
6.20
7.67
甲苯
4.17
5.16
杂质
11.28
13.95
合计
80.86
100.00
滤饼
组成
质量Kg
质量分数%
硫酸酯
613.4
99.88
杂质
0.75
0.12
合计
614.15
100.00

洗涤
反应料
923.95

无水乙醇
组成
质量Kg
质量分数%
乙醇
306.70
99.00
杂质
3.10
1.00
合计
309.80
100.00

液相
组成
质量Kg
质量分数%
乙醇
303.63
96.83
硫酸酯
6.13
1.96
杂质
3.80
1.21
合计
313.56
100

固相
组成
质量Kg
质量分数%
硫酸酯
607.27
99.49
乙醇
3.07
0.50
杂质
0.05
0.01
合计
610.39
100

废气
组成
质量Kg
质量分数%
乙醇
3.07
33.41
杂质
6.12
66.59
合计
9.19
100

干燥
反应料
610.39

磺化液
组成
质量Kg
质量分数%
牛磺酸
407.38
11.65
水
2000.00
57.22
亚硫酸铵
438.13
12.53
硫酸铵
430.14
12.31
硫酸酯
141.70
4.05
杂质
78.30
2.24
合计
3495.65
100.00
原料及中间体 主要反应过程 副产品及三废
回收溶剂
组成
质量Kg
质量分数%
水
1400.00
95.00
杂质
70.00
5.00
合计
1470.00
100.00
酯化物
组成
质量Kg
质量分数%
硫酸酯
601.20
100.00
合计
601.20
100.00

亚硫酸铵
组成
质量Kg
质量分数%
亚硫酸铵
816.21
99.00
杂质
8.24
1.00
合计
824.45
100.00
磺化反应
反应料
3495.65

热水
组成
质量Kg
质量分数%
水
600.00
100.00
合计
600.00
100.00

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＝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。
4.2.1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：Q1—物料带入到设备的热量kJ
Q2—加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量kJ
Q3—过程热效应kJ
Q4—物料离开设备所带走的热量kJ
Q5—加热或冷却设备所消耗的热量kJ
Q6—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
Q1(Q4)＝Σm t Cp
式中m—输入(或输出)设备的物料量kg
Cp—物料的平均比热容kJ/ (kg·℃)
t—物料的温度℃
该式的计算基准是标准状态，即0 ℃及1.013×105 Pa 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ΔH°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=-ΔH°
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＝－Σνqf
式中ν—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) ℃ 范围内均无相变化，则qtr 的计算公式为：
qtr ＝ qr－(t－25)(ΣνCp)
式中qr—标准反应热kJ/mol
ν—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)℃范围内的平均比热容kJ/ kg·℃
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：
Q3＝QR＋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Q2。
（4）Q2 的计算
由以上计算过程得到Q1、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：
Cp＝ΣNiCi/M
式中M——化合物摩尔质量，kg/kmol
Ni——分子中i 元素原子数
Ci——i元素原子的摩尔热容，J/(kmol·℃)
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)
ρ(g/ml)
Cp(kJ/kg·k)
ΔfHm(kJ/mol)
乙醇胺
61.08
1.011
3.36
－201.60
浓硫酸
98.02
1.840
1.46
－813.99
水
18.02
1.000
4.18
－285.83
乙醇
46.07
0.804
2.38
－235.00
甲苯
92.14
0.862
1.12
50.00
2-氨基乙醇硫酸酯
141.15
1.782
2.06
－1200.00
牛磺酸
125.14
1.734
2.09
－1360.97
亚硫酸铵
116.14
1.410
1.36
－900.52
硫酸铵
132.13
1.770
1.42
－1180.85
4.3 热量衡算过程
（1）酯化釜
混料阶段：（温度控制在5℃左右）
Q1=281.94×3.36×25+476.27×1.46×25=4.11×104kJ
Q3=0
Q4=281.94×3.36×5+476.27×1.46×5=8.21×103kJ
Q5≈0，低温混料，散热损失，Q6≈0
Q2= Q4+Q5+Q6-Q1-Q3=8.21×103-4.11×104=-3.29×104kJ
计算表明，料液混合阶段需供冷量为3.29×104kJ
加热回流反应阶段：（温度控制在110℃左右）
Q1=281.94×3.36×5+476.27×1.46×5+420.68×1.12×25=1.99×104kJ
Q3包括反应放热和状态变化热，即
Q3=QR+QV
QV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 QV1=Q分离酸+Q稀释酸=m原q原-m反q反-m残q残
原硫酸（98%）：m原=485.99kg，n=2，q原=766.2-1357×22+49=712.98kJ/kg
反应中：m反=430.28kg，n=0,q反=766.2-0=766.2kJ/kg
残液中：硫酸量=45.99kg，水量=79.10kg，m残=45.99+79.10=125.09kg
n=79.10/125.09=63.23%，q残=766.2-1357×63.2363.23+49=1.67 kJ/kg
QV1=485.99×712.98-430.28×766.2-125.09×1.67=1.66×104kJ
查110℃下，甲苯汽化热为371.25kJ/kg，水汽化热为2232.4kJ/kg
QV2=-371.25×416.47+2232.4×79.10=-3.31×105kJ
QV=QV1+QV2=1.66×104-3.31×105=-3.14×105kJ
qr=-ΔH°=--1200-285.83+813.99+201.6=470.24kJ/mol
qtr=470.24-110-25×4.18+2.06-3.36-1.46=349.54kJ/mol
QR=349.54×100098.02×430.28=1.53×105kJ
Q3=1.53×105-3.14×105=-1.61×105kJ
Q4=619.60×2.06×110+79.10×4.18×110+45.99×1.46×110+13.82× 3.36×110+420.68×1.12×110=2.41×105kJ
Q5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=2.68×104kJ
Q2 =2.41×105+2.68×104-1.99×104+1.61×105=4.09×105kJ
计算表明，酯化反应过程需供热量4.09×105kJ
（2）降温釜
进料温度105℃，出料温度25℃
Q1=619.60×2.06×105+45.99×1.46×110+13.82×3.36×105+4.21× 1.12×105=1.46×105kJ
Q3=0
Q4=619.60×2.06×25+45.99×1.46×25+13.82×3.36×25+4.21× 1.12×25=3.48×104kJ
Q5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=3.87×103kJ
Q2 =3.48×104+3.87×103-1.46×105=-1.07×105kJ
计算表明，降温釜需供冷量为1.07×105kJ
（3）干燥过程
选用真空干燥机，真空度≥0.08MPa，取干燥温度为45℃
Q1=607.27×2.06×25+3.07×2.38×25=3.15×104kJ
在45℃下，查得乙醇汽化热为41.86kJ/mol
Q3=-41.86×100046.07×3.07=-2.79×103kJ
Q4=607.27×2.06×45+3.07×2.38×45=5.67×104kJ
Q5+ Q6=（Q4 +Q5 +Q6）×10%=0.1 Q4 /0.9=6.3×103kJ
Q2=5.67×104+6.3×103-3.15×104+2.79×103=3.43×104kJ
计算表明，干燥过程需供热量为3.43×104kJ
（4）磺化釜
投料温度25℃，进水温度50℃，出料温度105℃
Q1=601.20×2.06×25+816.21×1.36×25+2000×4.18×50=4.77×105kJ
Q3考虑反应热QR和溶解热QV
qr=-ΔH°=--1360.97-1180.85+1470.04+900.52=171.26kJ/mol
qtr=171.26-105-25×1.42+2