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1、制药工程课程设计日产16吨对乙酰氨基酚夹套反应器设计学院： 生物工程学院专业： 制药工程专业班级： 090462姓名: 李兴超同组人：李飞飞学号： 09046224指导教师：戴玉杰 完成日期：2012.12.2 目 录前言21.设计任务书42.对乙酰氨基酚生产工艺流程53.物料衡算6 3.1.计算反应器有效容积V63.2.计算反应器总容积V64.釜体主要结构设计与选型74.1.反应釜的釜体设计74.2.反应釜的搅拌装置94.3搅拌传动装置和密封装置105釜体其他附件设计与选型115.1支座选型115.2人孔选型115.3接管及其法兰选型115.4 选用人孔、透镜、温度计和工艺接管126.热量和
2、传热面积计算126.1反应釜热量计算 126.2传热面积计算12心得体会13 参考文献13前 言基本概念对乙酰氨基酚是扑热息痛的化学成分，简称A-PAP，又称醋氨酚，化学名为N-（4-羟基苯基）乙酰胺。它是一种常用的解热镇痛药物，其解热作用缓慢而持久，与阿司匹林相比，具有刺激性小，极少有过敏反应等优点。此外，它还可用于药物扑炎痛的合成，以及作为有机合成中间体、照相用化学药品和过氧化氢的稳定剂。物理化性质分子式：C6H7NO 分子量：109.125 密度：1.21g/cm3 熔点：188沸点：282at760mmHg 闪点：124.3 水溶性：1.5g/100ml(20)性状：白色或浅黄棕色结晶
3、 溶解性：稍溶于水和乙醇，不溶于苯和氯仿，溶于碱液后很快变褐色结构式该品镇痛作用的机制不明，可能是通过抑制中枢神经系统中前列腺素的合成(包括抑制前列腺素合成酶)以及阻断痛觉神经末梢的冲动而产生镇痛，后者可能与抑制前列腺素或其他能使痛觉受体敏感的物质(如5-羟色胺、缓激肽等)的合成有关。解热作用则可能是通过下视丘体温调节中枢而起作用，可能与下视丘的前列腺素合成受到抑制有关。 口服后自胃肠道吸收迅速、完全( 在高碳水化合物饮食后服药可能降低吸收)，吸收后在体液中分布均匀，约有25与血浆蛋白结合。小量时(血药浓度60g/ml)与蛋白结合不明显，大量或中毒量则结合率较高，可达43。该品9095在肝脏代
4、谢，主要与葡糖醛酸、硫酸及半胱氨酸结合。中间代谢产物对肝脏有毒性作用。半衰期一般为14小时(平均2小时)，肾功能不全时不变，但在某些肝脏疾患者可能延长，老年人和新生儿可有所延长，小儿则有所缩短。口服后0.52小时血药浓度可达峰值，剂量在650mg以下时血药浓度为520g/ml，作用持续时间为34小时。哺乳期间妇女服用该品650mg，12小时报乳汁中浓度为1015g/ml；半衰期为1.353.5小时。该品主要以与葡糖醛酸结合的形式从肾脏排泄，24小时内约有3以原形随尿排出。 具有退热镇痛作用，通过升高痛阈而达到止痛目的；通过对下丘脑体湿调节中枢产生作用而达到退热目的。能有效地缓解疼痛和发热，用于
5、头痛、关节疼痛、肌肉疼痛、牙痛、痛经、产后和手术后疼痛或感冒引起的发热及其它不适症状。 关键字： 对硝基苯酚钠； 酰化罐； 曲面高度； 粘度1.设计任务书日产量：16吨 釜个数：1个 每天生产2批 设计参数及要求设计压力釜体内0.3MPa夹套内0.4MPa设计温度釜体内190夹套内230介质釜体内有机溶剂夹套内冷却水或蒸汽腐蚀情况微弱传热面积10.72m搅拌型式圆盘涡轮式平直叶搅拌器转速150rmin功率4.82kw反应釜操作容积11.06m反应釜设备容积15.8m筒体壁厚釜体17mm夹套14.2mm采用材料普通碳素钢钢板Q235-B2.对乙酰氨基酚生产工艺流程对硝基苯酚钠既是燃料或农药的中间
6、体，也广泛应用于制药工业生产，它的工艺路线较成熟，产量很大，成本低廉，是由氯苯出发经硝化和碱水解等反应制得的，对硝基苯酚钠再经盐酸化，铁屑-盐酸还原和醋酸的乙酰化等反应制得扑热息痛。工艺流程：酸化还原酰化精制本设计主要涉及酰化步骤，其工艺流程图如下：3.物料衡算每天生产9吨对乙酰氨基酚（不计分离工程损失），已知对氨基苯酚的转化率为80%，每批操作的辅助时间为1.5小时，投料质量比对氨基苯酚：冰醋酸：母液（含酸50%以上）=1：1：1。将料液投入酰化罐内，打开夹层蒸汽，加热至110左右，打开反应罐上冷凝器的冷凝水，回流反应4h。物料沸腾，装料系数取0.7。反应前后密度取1300kgm。设反应时间
7、为10h。3.1计算反应器有效容积V每天生产9t对乙酰氨基酚，则每小时对氨基苯酚用量为:h 每小时处理的总原料量为:m=4173=1250h 每小时处理的原料体积为: V=.962 mh 故反应器的有效容积为:V=V（t+t）=0.962(10+1.5)=11.06 m 3.2计算反应器总容积V反应器总容积V为： =15.80 式中 装料系数，起泡、沸腾的物料，装料系数可取0.6-0.7，取装料系数= 0.7。 4. 釜体主要结构设计与选型4.1.反应釜的釜体设计4.1.1 确定筒体的直径和高度对液-液相类型选取H/=1.2,估算筒体的内径为 =2.46m将计算结果圆整至公称直径标准系列，选取
8、筒体直径=2400mm，查典型化工设备机械指导附表6,=2400标准椭圆封头曲面高度=600mm,直边高度=40mm,封头容积=2.05，表面积=6.6，由附表5得每一米高的筒体容积=4.524，表面积=7.55. H=3.04m筒体高度圆整为H=3000mm.于是H/=3000/2400=1.251.2,复核结果基本符合原定范围。4.1.2 确定夹套的直径和高度对于筒体内径=2000-3000mm，夹套的内径=+200mm.因此=2400+200=2600mm，符合压力容器公称直径。经估算夹套的高度为 =1.99m选取夹套高度=2100mm,则H-=3000-2100=900mm，这样是便于
9、简体法兰螺栓装拆的。验算夹套传热面积为 F=6.6=22.46夹套传热面积符合要求。4.1.3 确定夹套的材料和壁厚选用Q235-A（即A3钢）为夹套材料，查典型化工设备机械指导附表3对板厚为4.5-16mm时得Q235-A、（即A3）设计温度为200的许用应力=105Mpa,加套加热蒸汽系统有安全阀，选取加套设计压力，即P=0.44Mpa,夹套筒体与内筒的环焊缝因无法取双面焊合作相应的探伤栓查，从安全考虑，加套上所有焊缝均取焊缝系数，取壁厚附加量中的钢板厚度负偏差，单面腐蚀取腐蚀裕量。 夹套的壁厚计算如下： 凸形封头的壁厚附加量也只考虑和，加工成型的减薄量由制造厂根据加工条件来确定，以保证壁
10、厚符合图纸数值，设计计算时可不做考虑。取，标准圆形夹套封头的壁厚为 圆整至刚板规格厚度并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为。4.1.4 确定内筒的材料和壁厚筒体材料也选用Q235-A、（A3），筒体受内牙取设计压力位，设计温度200，面筒体又受外压作用，设计外压所得壁厚大于内压设计的壁厚，则按外压稳定设计的壁厚，一定能满足内压强度要求，可不再做内压设计。 考虑到内筒筒体按外压设计，且受双面腐蚀作用，可初选筒体壁厚，并取。筒体有效壁厚， 。 内筒受外压作用的计算长度L为被夹套包围的筒体部分加凸形封头高的，L 查化工设备机械基础图15-4，由和查得系数A=0.00067；再查图15-5，
11、由系数A查得系数B=80Mpa。 筒外的许用外压为 p=因为pp,且比较接近，所以取筒体，此时外压稳定和内压强度均能满足要求。筒体的上封头只受内压作用，并不受外压作用，为了便于制造取上封头壁厚与筒体下封头壁厚相同。4.2.反应釜的搅拌装置4.2.1.搅拌器功率计算搅拌器工作时，旋转的叶轮把能量传递给液体，搅拌器所须得功率取决于内物料的流型和流动程度，它是叶轮形状、大小、转速、位置以及液体性质、反应釜尺寸与内部结构的函数。搅拌器的型式主要有桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式。本设计的反应液体为低粘度的均相液体，可以选择桨式、推进式、涡轮式搅拌器。推进式的循环流量较大且动力消耗少，较理想；
12、涡轮式的剪切作用较强，动力消耗大，对于这种混合过程不适合；桨式的结构较简单，在小容器液体容器中较适合，但本设计容器较大。，所以本设计，选用推进式搅拌器。其结构类似风扇扇叶。如下图5-1。推进式搅拌器常用于转速为100500r/min的场合，其直径常取釜体直径的0.20.5之间，以0.33最为常见。本设计取d=0.33D=0.8m，取转速n=150r/min。取桨叶螺距等于叶轮旋转直径。已知反应前后物料密度为1300kgm-3。查化工原理上册知道，20时，乙酸的粘度u=11.85mPas；根据对氨基苯酚和乙酸酐与乙酸的质量比值可推导的：对氨基苯酚的粘度u=29.58 mPas ，乙酸酐的粘度u=
13、20.11 mPas ，以为其反应比例为1：1：1，所以反应釜中的平均粘度u=20.51mPas。Re=d2=0.821501300/(20.5110360)=101000300。由制药工艺学图6-33查得=0.65。由表6-5查得=2.1；=18.0。则Fr=dn2/g=0.81502/(9.81602)=0.510；b=(-10Re)/=(2.1-10101000)/18.0=-0.161所以搅拌功率P=Frbn3d5=0.650.510-0.1521300(150/60)30.85=4.82kW4.2.2.选择搅拌器、搅拌轴和联轴器根据工艺条件要求，由附表16，选取搅拌器外径700mm，
14、搅拌轴直径d=50mm的平桨搅拌器700-50 HG5-220-65选择搅拌轴材料为45钢，查教材6表11-1，45钢的许用扭应力,计算系数A=113，则搅拌轴的直径为d=考虑键槽对轴的强度的削弱和物料对轴的腐蚀，并根据表4-3可取搅拌轴的直径d=40mm。查附表23，选择立式夹壳联轴器，公称轴径50mm的联轴器的最大许用扭矩MN530N.m。验算联轴器的扭矩，查教材6表11-5，选取载荷系数K=0.5，联轴器的计算扭矩MNj为MNj=KMN=0.557564.82/40=329N.m530 N.m夹壳联轴器标记为联轴器Dg50 HG5-213-6543搅拌传动装置和密封装置4.3.1.选型查
15、教材6表18-8釜用立式减速机和附表21，按照搅拌功率和转速选择摆线针齿行星减速机BLD1-5-2-29Q（Q表示夹壳型轴头）。查附表26，选电动机Y90L-4，额定功率4.82kW，转速150r/min，取据线针齿行星减速机传动效率（参考表5-3），减速机输出功率为4.820.95=4.57kW符合搅拌要求。参考附表22，根据所选减速机设计减速机机座。根据操作条件选用带衬套及冷却水铸铣填料箱，查附表19，公称直径Dg50的填料箱标记为填料箱 pg6 Dg50 HG5-214-814.3.2.校核和桨式搅拌器安装一层，根据安装要求和考虑衬套填料箱有支撑作用，得L12340mm，参考附表22机座
16、J-A-50尺寸可得B190mm。=；40，均符合要求。5.釜体其他附件设计与选型5.1支座选型反应釜因需外加保湿，故选B型悬挂式支座。反应釜的总重量包括物料重量W1，釜体和夹套的重量W2，电动机、减速机、搅拌转置、法兰、保温层等附件重量W3。当釜内、夹套内部充满水时的重量比物料量，由此：W1= 釜体和夹套的重量可查附表5和附表7，由此，W2=1349Kg电动机和减速机总量约100kg,搅拌装置约重40kg,简体法兰约重120kg,保温层约重100kg，手孔及其他接管附件约重50kg，由此，反应釜总重W= W1+W2+W31349+298.14即总重力Q27.2kN反应釜安装四个支座，但按两个
17、支座承载计算，查教材6表16-19，选用承载能力为20kN，的支座B2 JB1165-81。5.2.人孔选型人孔公称直径不大于釜体公称直径的一半为基准，则有D，计算得，选用600mm。经查相关资料根据公称直径选用公称压力PN4.0、公称直径DN600、380、RF型密封面、类材料、其中等长双头螺柱采用35CrMoA、垫片材料采用内外环和金属带0Cr18Ni9、非金属带为柔性石墨、D型缠绕垫的水平吊盖带颈对焊法兰人口标记符号为：人孔RF S-35CM(WD-2222) 600-4.0 HG/T21524-20055.3.选择釜体法兰根据筒体内操作压力、温度和筒体直径，查教材6表16-10初选乙型
18、平焊法兰（JB1158-82），法兰材料为A3R。再查教材6表16-12，公称压力pg6的A3R乙型平焊法兰在操作温度150时的允许工作压力为0.48Mpa，大于通体设计压力，所选的乙型平焊法兰，合适。参考教材6表16-15，表16-14选择石棉橡胶垫片和光滑面密封。查附录10，选用乙型平焊法兰光滑密封面，pg6 Dg1200。标记为：法兰GI 6I-1200 JB1158-32 记下法兰尺寸供绘图时用。查附表16，选用垫片1240JB1161-82。5.4 选用手孔、透镜、温度计和工艺接管由附表13，选用光滑密封面的平盖手孔Apg10，Dg50 JB569-79由附表20，选用碳钢带颈视镜I
19、pg10，Dg80 HG进料管口c1-2采用 563.5无缝钢管，法兰出料管口h采用764无缝钢管，法兰加热蒸汽进口管g采用403.5无缝钢管，法兰冷凝液出口管i和压力表接管e都选用323.5无缝钢管，配法兰安全阀接管a采用453.5无缝钢管，配法兰。（由附表25，选用弹簧式带扳手安全阀，型号）。设计结果见书末所附的反应釜装配图。6.热量和传热面积6.1.热量计算设计容器内温度为：190，夹套内温度为：230；醋酸的比热容c=2.19kJ/kg/k；由投料质量比对氨基苯酚：冰醋酸=1:1得两者摩尔比为2.5则反应液的比热容C=2.5c。釜体内径D为：2400mm；夹套内径D为：2600mm。则
20、加热反应物和溶剂所需热量Q为：6.2.传热面积计算,则，在本设计实验中，只考虑从室温25到反应温度190的时间，设其反应时间t=2.5h,所以其热量流率q=Q/t=1.13/（3600）=156944.4J/s所以传热面积为：A= =10.72式中 K传热系数。由化工原理4上册P知有机溶剂与有机溶剂之间传热，K值115340，本设计取145。已算的实际总传热面积F=22.46（根据设计夹套尺寸计算得到）A,可用。 心得体会看到课程设计的时候，感觉很迷茫，一方面考研复习紧张，加之考试时间近在眼前，总觉得时间不够用，结果还有这么复杂的课程设计需要做，似乎有种力不从心。每个人都希望自己能够做好每一件
21、事情，可是却不一定实现。就像这次课程设计，我在紧张地考研气氛之下，做着这些看着就头晕的数字组成的各种公式，感觉有种做不完的感受，总是听说要急中生智，结果还是急的焦头烂额。不过，经过几天的琢磨，大家找到了计算方法，几个人在一起讨论，集中大家的智慧，在这个紧张的时间里，我们还是认真地做出了结果。通过此次课程设计，了解了工业中对制作夹套反应器的基本知识及流程，同时对对乙酰氨基酚的工业生产也有了一定的了解，虽然在计算之中遇到很多自己无法解决的问题，但经过与同学交流，共同探讨之后，也能够解决多数，在讨论的过程中，我们每个人都加深了对此次计算流程的知识，对于间歇式夹套反应器，从开始的无知，到现在的了解，也
22、使我们学到了许多课本上无法学到的东西，经过亲自处理，比起理论的去接受乏味的文字要接受的快得多。尤其是对反应釜各部件的工艺计算，虽然计算繁琐，却也令我们接触了有关工厂制作反应器的程序，通过计算后的数据选各种型号，知道了各式各样的部件，既有趣又长见识。总之，这次的课程设计令我受益匪浅。参考文献1 蔡纪宁，张秋翔，化工机械设计指导书M，北京：化学工业出版社,2000.6.2 汤善浦，朱思明，化工设备机械基础M，华东理工大学出版社.2004.12.3 周志安，尹华杰，魏新利，化工设备设计基础M，北京：化学工业出版社.4 陈建茹，化学制药工艺学M，北京：中国医药科技出版社.5 王志祥，制药工程学M，北京
23、：化学工业出版社,2003.6.6 Nettl, Bruno.The Study of: Twenty-nine Issues and Concepts M. Urbana and Chicago: University of Illinois Press, 1983.7 Ozalp,Nesrin, Energy, material and emissions flow models of the United States Chemical industryJ,Ph.D,University of Washington,2005.8 Statzer,John H,Environmental, health and safety cost benefit analysis in the United States chemical industryJ,Dr.P.H.The University of Texas Health Sciences Center at Houston School of Public Health,2005.9 林大钧，化工机械设计制图（下）M，北京：科学出版社，2000.2.10 詹长福，化工设备机械基础课程设计指导书M，北京：机械工业出版社,1992.7.
