完整版化工工藝設(shè)計畢業(yè)論文

化工與藥學(xué)院化工工藝學(xué)課程設(shè)計設(shè)計題目： ?；撬峒映煞磻?yīng)器的設(shè)計 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 郭孝天 2011 年 12 月 26 日西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 1 -頁第一章 設(shè)計任務(wù)綜述1.1 設(shè)計題目：?；撬峒映煞磻?yīng)器的設(shè)計1.2、設(shè)計任務(wù)及操作條件1、 設(shè)計任務(wù)：環(huán)氧乙烷處理能力（進(jìn)料量）： 6000 噸年生產(chǎn)時間： 8000 小時年2、 操作條件控制反應(yīng)溫度 7075反應(yīng)壓力0.1MPa反應(yīng)器出口 pH 值11.0反應(yīng)停留時間 0.5 小時填料系數(shù)為 0.85基準(zhǔn)溫度為 25物料流量取單位時間（1h）的流量3、物料的物性參數(shù)物料分子量 molg密度 310Kg熔點 C燃燒熱 molKJ純度（工業(yè)一級）%環(huán)氧乙烷 44.05 1.48 -112.2 1262.8 98.0亞硫酸氫鈉 104.06 0.87 150.0 05.9羥乙基磺酸鈉 148.11 191 98.01.3、設(shè)計內(nèi)容：1、物料衡算，確定反應(yīng)器的體積類型，樣式及其各種參數(shù)。2、熱量衡算，確定反應(yīng)器是否需要傳熱以及傳熱的方式等。3、反應(yīng)器的輔助設(shè)計4、畫出反應(yīng)器的設(shè)計圖西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 2 -頁第二章 綜述?；撬?taurine)，因最初來自牛的膽汁，故又得名牛膽酸、牛膽素，化學(xué)名稱：2氨基乙磺酸，呈白色結(jié)晶或粉末狀，無毒、無臭，微酸味，溶于水，不溶于乙醇、乙醚或丙酮；熔點：328329 (分解)；分子式： ；結(jié)構(gòu)式：C 372NSOHC,分子量：125.14,CAS:107-35-_7。322SOCHN?；撬崾且环N結(jié)構(gòu)簡單的含硫氨基酸，它以游離形式大量存在于人和動物的幾乎所有臟器中，其中以腦、心臟及肌肉中含量最高，是人和動物的重要營養(yǎng)物質(zhì)，具有特殊的藥理作用和生理功能，可消炎、鎮(zhèn)痛、解熱、抗驚厥、降血壓、降血糖、維持正常機能、調(diào)節(jié)神經(jīng)傳導(dǎo)、調(diào)節(jié)脂類消化與吸收，并能參與內(nèi)分泌活動，增強臟收縮能力，提高人體免疫力等。牛磺酸可以體內(nèi)合成，但嬰幼兒時期因?；撬岷铣伤鐲SAD活性較低，合成量不能滿足需要，必須通過食物或藥物來加以補充，為此美國、日本等發(fā)達(dá)國家早已規(guī)定在全部嬰幼JD-制品中添加?；撬?，一些保健飲品中也要適量添加?；撬?。鑒于?；撬嵩卺t(yī)藥和保健中的重要作用，單靠從生物體內(nèi)提取?；撬嵋堰h(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，所以上世紀(jì)50年代國外便開始了人工合成?；撬岬难芯?。70年代中期，國外相繼推出多種化學(xué)合成?；撬岬姆椒ā：铣煞ㄝ^之天然提取?；撬峋哂挟a(chǎn)量大，成本低等優(yōu)點，為牛磺酸的廣泛應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，美、日等發(fā)達(dá)國家?；撬岬匿N量很大，已超過上萬噸年，其中90 以上用作食品添加劑，飲料行業(yè)中的消費量也呈上升趨勢，逐漸成為大眾化產(chǎn)品。而我國上世紀(jì)80年代初才開始研制并小批量生產(chǎn)，雖然1990年牛磺酸獲準(zhǔn)用于食品添加劑，但國內(nèi)銷量一直不大，主要用于出口。隨著牛磺酸應(yīng)用范圍的不斷擴大及國內(nèi)外需求量的增加，近年來國內(nèi)對?；撬岷铣晒に嚶肪€研究較為活躍，在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)不斷探索、改進(jìn)，小試收率指標(biāo)已接近世界先進(jìn)水平，但工業(yè)化生產(chǎn)水平卻始終徘徊在5262之間，有的企業(yè)生產(chǎn)水平甚至更低，導(dǎo)致成本高，效益低，嚴(yán)重制約了?；撬岬纳a(chǎn)和發(fā)展。為此，相關(guān)企業(yè)和科研人員有必要對以往的合成工藝路線進(jìn)行歸納，比較和分析，達(dá)到相互借鑒，進(jìn)一步改進(jìn)和完善?；撬岷铣晒に嚨哪康?。國內(nèi)外嘗試過的合成方法達(dá)l0種之多，根據(jù)所用原料的不同可歸納為五條合成工藝路線，具體如下：(1)乙醇胺法：用乙醇胺為原料，通過與酸反應(yīng)或脫水環(huán)合，再與亞硫酸鹽經(jīng)磺化反應(yīng)制得?；撬?。(細(xì)分為：酯化法、鹵化法、乙撐亞胺法)(2)二氯乙烷法：用二氯乙烷為原料，與無水亞硫酸鈉磺化，制得2一氯乙磺酸鈉，在加熱加壓條件下與氨反應(yīng)得2氨基乙磺酸鈉，再經(jīng)鹽酸酸化得?；撬?3)環(huán)氧乙烷法：用環(huán)氧乙烷為原料，先與亞硫酸氫鈉開環(huán)加成反應(yīng)制得2一羥基乙磺酸鈉，然后在加壓加熱條件下與氨反應(yīng)，制得2一氨基乙磺酸鈉，再用鹽酸酸化得牛磺酸(4)乙烯基烷基酰胺法：用乙烯基烷基酰胺為原料，與亞硫酸氫鈉進(jìn)行磺化反應(yīng)后,再經(jīng)水解得?；撬帷?5)二烷基噻唑法：將2，2一二甲基噻唑烷用過氧化氫氧化制得?；撬帷－h(huán)氧乙烷法具體的生產(chǎn)過程如下：(1)亞硫酸氫鈉的制備 32NaHSOSO西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 3 -頁(2)羥乙基磺酸鈉的制備 NaSOCHNaSOCH3232(3)?；撬徕c的制備 23 (4)牛磺酸的制備 llN32222(5)?；撬岬姆蛛x與提純 該工藝的特點是技術(shù)含量高，生產(chǎn)成本低(比乙醇胺工藝低大約 5000 元噸)，污染小，對設(shè)備和控制水平要求高。該工藝由于生產(chǎn)成本低，環(huán)境污染小，正在逐步取代傳統(tǒng)的乙醇胺工藝，而成為?；撬岬闹髁魃a(chǎn)工藝。第三章 物料衡算3.1 物料衡算的意義依據(jù)質(zhì)量守恒定律，對設(shè)備或生產(chǎn)過程作為研究系統(tǒng)，對進(jìn)出口處進(jìn)行定量計算，稱之為物料衡算。物料衡算可分為設(shè)計型及操作型計算。操作性計算是對已建立的工廠、車間或單元操作及設(shè)備進(jìn)行計算，可得到轉(zhuǎn)化率、收率、原材料消耗定額等重要的生產(chǎn)指標(biāo)，以便判斷控制日常生產(chǎn)正常化及為改進(jìn)生產(chǎn)提供優(yōu)化方向。另一方面可以計算出三廢生成量，對實行三廢治理提供可靠依據(jù)。在對原有的車間進(jìn)行擴大生產(chǎn)時，進(jìn)行物料衡算，可判斷生產(chǎn)能力平衡狀況，找出薄弱環(huán)節(jié)加以研究改進(jìn)。而設(shè)計型計算是指對建立的一個新工廠、車間或單元操作及設(shè)備進(jìn)行物料衡算，這是設(shè)計的第一步，也是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行能量衡算，設(shè)備工藝計算，則可確定設(shè)備的選型、工藝尺寸、臺數(shù)以及所需的水、電、汽、冷凍、真空及壓縮空氣等需要量。本設(shè)計是設(shè)計型計算，以確定反應(yīng)器選型和尺寸，但物料衡算的原則方法對于操作型同樣行之有效。32物料衡算的計算依據(jù)物料衡算為質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，即 Aoi G式中 輸入物料的總和；iG輸出物料的總和；O累積的物料量。A式 為總物料衡算式。當(dāng)過程沒有化學(xué)反應(yīng)時，它也適用于物料Aoi G中任一組分的衡算；但有化學(xué)反應(yīng)時，它適用于任一元素的衡算。若過程中累積的物料量西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 4 -頁為零，則該式可簡化為 。oiG上式所描述的過程屬于定態(tài)過程，一般連續(xù)不斷的流水作業(yè)(即連續(xù)操作)為定態(tài)過程，其特點是在設(shè)備的各個不同位置，物料的流速、濃度、溫度、壓強等參數(shù)可各自不相同，但在同一位置上這些參數(shù)隨不同時間不發(fā)生變化。若過程中有物料累積，則屬于非定態(tài)過程，一般間歇操作(即分批操作)屬于非定態(tài)過程，在設(shè)備的同一位置上諸參數(shù)隨時間而變。式 或式 中各股物料數(shù)量可用質(zhì)量或物質(zhì)量衡量。對Aoi Goi于液體及處于恒溫、恒壓下的理想氣體還可用體積衡量。常用質(zhì)量分率表示溶液或固體混合物的濃度(即組成)，對理想混合氣體還可用體積分率(或摩爾分率)表示濃度。3.3 設(shè)計計算過程本設(shè)計屬于連續(xù)型操作，由操作要求可進(jìn)行以下計算：CTo75MPa1.0可知在此條件下， 為氣相， 為固相。如要反應(yīng)順利進(jìn)行，則需OH23NaS以溶液的形式存在，而 屬于易溶性物質(zhì)，故取其濃度 。反應(yīng)3NaHSO3 98.0BC器中發(fā)生的反應(yīng)為：aSOCHaSC3232年處理量為6000噸，生產(chǎn)時間為8000小時，2故其每小時處理量為： hkghKFA7508160純度為98%,則 hKmolol37.1.4363.75%90 由于該反應(yīng)器固定，所以其體積恒定。則其處理體積為： PRTFV 30 8.50210).27(.8其有效體積為： 330 9.5.7.52hm故反應(yīng)器的體積為： 3 7.28.9R則與 完全反應(yīng)的 溶液的理論進(jìn)料量為：OCH23NaHSOhKghKmollgFB 41.98.0716.140 則 68.55.0西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 5 -頁環(huán)氧乙烷為氣體進(jìn)料： ，亞硫酸氫鈉溶液：1Ax98.0Bx物料衡算： cCBAFF2.61ChKgF3.4 反應(yīng)器的工藝確定設(shè)備的工藝設(shè)計包括定型設(shè)備(標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備)和非定型設(shè)備(非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備)兩大類。定型設(shè)備通過選型計算確定規(guī)格、型號，非定型設(shè)備則需通過設(shè)計與計算，確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工藝尺寸。本設(shè)計即為非定型設(shè)備。反應(yīng)釜是氣液型物料混合最常用的反應(yīng)器。反應(yīng)釜釜體是物料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的空間，他的主要部分是容器，其筒體基本上是圓柱形， 封頭常是橢圓形、錐形和平板。根據(jù)工作溫度，工作壓力以及該設(shè)備之工藝條件，查相關(guān)資料可以看出它屬于帶攪拌器的低壓反應(yīng)釜類型，選擇圓柱形簡體和橢圓封頭。筒體部分的基本尺寸主要是內(nèi)徑 和高度 ， 釜體的基本尺寸首先決定于工藝要iDH求，對于帶攪拌器的反應(yīng)釜來說，設(shè)備的容積 為主要參數(shù)，根據(jù)化工原理知識，攪拌功RV率與攪拌器直徑的五次方成正比，而攪拌器直徑往往需隨容器直徑的增大而加大，因此在同樣的容積下，反應(yīng)釜的直徑太大是不適宜的。根據(jù)實踐經(jīng)驗，攪拌式反應(yīng)釜的高度 H與釜體直徑 的比值 一般較為固定，可通過下表查得（以下僅為所摘取的部分表iDiH格）：表 1.攪拌反應(yīng)釜釜體的 值 iDH種類 釜內(nèi)物料類型 i液固或液液相物料 11.3一般攪拌式反應(yīng)器 氣液相物料 12根據(jù)本反應(yīng)物料類型為氣液相物料，故而可取 2iDH本設(shè)計中，物料的通入流量 ，而物料在反應(yīng)器中停留的反應(yīng)QhKgFBA9.2618時間t為0.5h，則有以下式子成立: Qi2)(t由設(shè)計條件可知： 31048.7mKgBA BA1可得： 352iDH西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 6 -頁代入數(shù)據(jù)： HDi23)(14.85.015.09268求得：反應(yīng)釜釜體直徑 ，歸整可取 1700 mmmi76釜體高度 ，歸整可取 3400 mmH4.第四章 能量衡算4.1 物料衡算的意義精細(xì)化工生產(chǎn)一般在規(guī)定的壓力、溫度和時間等工藝條件下進(jìn)行。生產(chǎn)工程中包括有化學(xué)過程和物理過程，往往伴隨著能量的變化，因此必須進(jìn)行能量衡算。生產(chǎn)中一般無軸功的存在或者軸功相對來說影響較小，可忽略不計，因此能量衡算實則是熱量衡算。生產(chǎn)工程中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)及物理狀態(tài)變化熱效應(yīng)會使物料溫度上升或者下降，為保證生產(chǎn)過程在一定的溫度條件下進(jìn)行，則需環(huán)境對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行熱量的加入或者放出，這便是熱量衡算的目的。對新車間的設(shè)計，熱量衡算是在物料衡算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過熱量衡算，可確定傳熱設(shè)備的熱負(fù)荷，即在規(guī)定的時間中加入或者移除的熱量，從而確定傳熱劑的消耗量、選擇合適的傳熱方式、計算傳熱面積。熱量衡算和物料衡算相結(jié)合，通過工藝計算，可確定設(shè)備工藝尺寸，如設(shè)備的容積、傳熱面積等。對已投入生產(chǎn)的車間和設(shè)備裝置進(jìn)行熱量衡算，對熱量的合理利用、提高傳熱設(shè)備的熱效率、回收余熱、最大限度地降低產(chǎn)品能耗有著極其重要的意義。4.2 熱量衡算方程式熱量衡算按能量守恒定律，在無軸功條件下，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量與離開熱量應(yīng)該平衡，在實際中對傳熱設(shè)備的熱量衡算可由下式表示 654321 QQ式中 所處理的物料帶入設(shè)備中的熱量加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量2過程的熱效應(yīng)：3Q離開設(shè)備物料帶走的熱量4設(shè)備各部件所消耗的熱量5設(shè)備向四周散失的熱量，又稱熱損失6Q熱量衡算的時間基準(zhǔn)可與物料衡算相同，即對連續(xù)生產(chǎn)以每小時作基準(zhǔn)。但不管是間歇還是連續(xù)生產(chǎn)，計算傳熱面積的熱負(fù)荷，必須以每小時作基準(zhǔn)，而該時間必須是穩(wěn)定傳西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 7 -頁熱時間。熱量衡算溫度基準(zhǔn)，一般規(guī)定以25，也可以進(jìn)料溫度作基準(zhǔn)。4.3 熱量衡算的計算過程4.3.1 和 的計算1Q4)()(0tCGPi由物料衡算過程可知： 419.268GKg進(jìn)料溫度 出料溫度 t250 Ct51 Ct752查表可得： 氣態(tài)時OCH)(09.1105.4)(97)(91.473, KgJmolKgJmolJmP 查精細(xì)化工反應(yīng)器及車間工藝設(shè)計一書得到：對于大多數(shù)液體其比熱容都在，則取 和 都為為）Kg(5.213NaHSONaSOC32 )(.2J可得： KtGttCGQCPBPAP 6189)()()( 0,01,01,41 4.3.2 的計算3過程的熱效應(yīng)可以分為兩類：一類是化學(xué)過程熱效應(yīng)即化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)；另一類是物理過程熱效應(yīng)，即物理狀態(tài)變化熱，如溶解、結(jié)晶、蒸發(fā)、冷凝、熔融、升華等變化吸收或放出熱量。本設(shè)計雖有氣液混合，但并沒有相變，因此物理過程熱效應(yīng)就不再考慮。應(yīng)查相關(guān)文獻(xiàn)取得化學(xué)反應(yīng)熱效 molKJHmr36.52則 nQmr 4907.136.5234.3.3 傳熱面積的計算本設(shè)計中必須加熱，故加熱設(shè)備通過介質(zhì)向設(shè)備和物料傳遞的熱量 與設(shè)備各部件所2Q消耗的熱量 以及設(shè)備向四周散失的熱量 的差值即為所需的加熱量。5 6QKJQ49.68049.021831462 可以看出，該反應(yīng)是需要加熱進(jìn)行的，本設(shè)計采用夾套傳熱的方式，以水蒸氣作為傳熱介質(zhì)。取水蒸汽的進(jìn)口溫度為 ,出口溫度為 ，則可計算出其對數(shù)平均溫差：C0C75Intm.62571)()0(查得夾套式傳熱器，當(dāng)夾套內(nèi)流體為水蒸氣，反應(yīng)器（釜）內(nèi)為溶液時，總傳熱系數(shù)K 的范圍為 ，取)(406mKcal西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 8 -頁 )(.6)(1608.4)(160 222 CmKJCmKJCmKcal 由 可得：tAQ89.107.34tQm第五章 反應(yīng)器的設(shè)計5.1 反應(yīng)器筒體和夾套由第三章的計算可知：反應(yīng)釜體積為： ；釜體直徑375.29mVR，歸整可取 1700 mm；釜體高度 ，歸整可取 mDi70.168 H40.613400 mm?？刂品磻?yīng)溫度 75；反應(yīng)壓力為 0.1MPa。查 GB150鋼制壓力容器表，取其公稱直徑 。其材料為 鋼，鋼板標(biāo)準(zhǔn) GB6654，器壁厚度為 。MnR16 m夾套傳熱結(jié)構(gòu)簡單，基本上不需要進(jìn)行維修。在采用夾套傳熱時，因夾套向外有熱量散失，故需要在夾套體外包以保溫材料。容器外裝有夾套可有4 種形式：僅圓筒部分有夾套，僅圓筒和下封頭部分有夾套，在圓筒部分夾套采用分段結(jié)構(gòu)或帶有加強圈以及圓筒、下封頭、上封頭的一部分有夾套。夾套形式可按工藝設(shè)計要求及反應(yīng)釜具體結(jié)構(gòu)的不同而選擇，一般僅圓筒和下封頭部分有夾套應(yīng)用最為廣泛，本設(shè)計的反應(yīng)釜夾套即是采用這一種的。另外采用全包式、不可拆式整體夾套結(jié)構(gòu)，這樣的構(gòu)型具有最大的傳熱面積以及結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠等優(yōu)點。這種夾套結(jié)構(gòu)的適應(yīng)壓力一般0.6MPa及其以下。在本裝備中用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，采用下端進(jìn)、上端出，以使夾套中經(jīng)常充滿介質(zhì)，充分利用傳熱面，加強傳熱效果。夾套的直徑 可通過 的值經(jīng)查表得到，如表所示:D夾套直徑 與筒體直徑 的關(guān)系直徑 夾套直徑 與筒體直徑 的關(guān)系D500600 7001800 20003000 501020D由上面的 可知，夾套直徑m180 mD98 夾套下封頭根據(jù)夾套直徑及其所選形式，按標(biāo)準(zhǔn)選取。夾套的高度H1 主要是取決與傳熱面積的要求，夾套的傳熱面積 。一般要28.10A求其不能低于液面高度，參考夾套的直徑，查夾套容器的總加熱面積表，取夾套高度。m2夾套高度的確定，還應(yīng)考慮兩個因素：當(dāng)反應(yīng)釜筒體與上封頭用設(shè)備法蘭連接時，夾套定邊至少應(yīng)在法蘭下150200mm 處（視法蘭螺栓長度及拆卸方便而定）；而當(dāng)反應(yīng)釜西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 - 9 -頁具備有耳座時，須考慮避免因夾套頂部位置而影響耳座的焊接地位。5.2 反應(yīng)釜的底和蓋底和蓋可以有各種不同的式樣，常用的有折邊橢圓形、折邊球形、平面形和蝶形，有時也用錐形。各種底和蓋式樣的選擇是根據(jù)設(shè)備的操作條件來決定的。在一般的釜式反應(yīng)器中最常用的是折邊橢圓形和折邊球形的底和蓋。它們適用于操作壓力大于 0.7 大氣壓的設(shè)備，是用鋼板由沖壓或人工鍛打而制成的。用作底時與同樣直徑的罐體焊接在一起即可。而用作頂蓋時，則將它們與法蘭焊在一起。從應(yīng)力分布情況來看，橢圓形的底應(yīng)力分布較為均勻，而折邊球形的底在轉(zhuǎn)折處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在選型和設(shè)計時一般都推薦橢圓形底。本設(shè)計壓力為 1 大氣壓，故采用橢圓形封頭。根據(jù)本設(shè)計的工藝條件以及筒體，選用橢圓形折邊封頭，參照表壓力容器橢圓形封頭其材料為 碳鋼，公稱直徑MnR16。封頭壁厚 。mD180m65.3 攪拌裝置精細(xì)化學(xué)工藝的許多過程都是在有攪拌裝置的釜式反應(yīng)器中實現(xiàn)的。攪拌的目的是：使互溶的兩種或兩種以上液體混合均勻；形成乳濁液或懸浮液；促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和加速物理變化過程，如促進(jìn)溶解、吸收、吸附、萃取、傳熱等過程。也能刮除沉積在器壁上的附著物，提高傳熱效率。實際操作中，攪拌可以同時達(dá)到上述幾種目的。不同的生產(chǎn)過程對攪拌程度有不同的要求。攪拌的方法很多