氨基乙酸生产工艺设计课程.doc

氨基乙酸生产工艺设计课程- 48 -2020年5月29日文档仅供参考氨基乙酸生产工艺设计摘 要氨基乙酸又名甘氨酸,它是结构最简单的-氨基酸,它的用途非常广泛,主要用于农药、医药、食品、饲料以及制取其它氨基酸,合成表面活性剂等。氨基乙酸的生产方法有很多种,主要有氯乙酸氨解法和施特雷克法。在国内,由于技术、原料等原因,大都采用氯乙酸氨解法。本设计的目的在于对模拟年产1万吨氨基乙酸的厂房工艺进行设计和优化,本设计简要介绍了氨基乙酸的主要用途,国内外的生产情况,研究进展和未来的发展趋势。结合国内的实际情况,本设计选用了氯乙酸氨解法,采用间歇式的生产方式,初步设计要求年产量1万吨,参照了许多文献及数据,对整个生产过程做了物料衡算,主要设备进行了热量衡算,并对主体设备氨化合成釜进行了设计,对生产工艺流程进行了优化,对车间进行了布置和规划。设计经多次修改和调整,得到许多数据和能控制的工艺参数,所得到的产品理论上符合设计要求。关键词:氨基乙酸;生产工艺;收率;氯乙酸氨解ANNUAL OUTPUT OF GLYCINE WORKSHOP PROCESS DESIGNABSTEACTGlycine is the most simple structure of the -amino acids,its use is very extensive,mainly for agricultural chemicals,pharmaceuticals,food,feed and other production of amino acids,synthetic surface-active agent.There are many methods of producing lycine.The main solutions are ammonia and Chloroacetate Streck law. At home, because of technology, raw materials and other reasons,most plants use chloroacetic acid ammonolysis process . The purpose of the design is to optimize the workshop process of an annual output of 1,0000 tons of Glycine .The design gives a briefing on the process of the main purposes of glycine, the situation of the production at home and abroad,the research progress and future development trends. With the actual situation development in China, the design chose the chloroacetic acid ammonolysis process and use the intermittent mode of production.The preliminary design requirements of annual 10,000 tons, Searched a number of documents and data,did the material balance of the entire production process the heat balance of the major equipment,designed the main equipment amination of reactor , optimized the production process. After we repeated modifications and adjustments,we got many data and be able to get control of the process parameters, which are theoretically in line with the product of the design requirements. KEY WORDS: glycine; production process; yield; chloroacetic acid ammonolysis process目 录引 言1第1章 概 述21.1 氨基乙酸的基本性质21.2 产品用途21.2.1 应用于农业行业21.2.2 应用于医药行业31.2.3 应用于饲料行业31.2.4 应用于食品行业31.2.5 应用于表面活性剂和日化行业31.2.6 其它方面31.3 市场需求与技术现状31.4生产厂家41.5 发展前景41.6 生产技术的发展趋势41.7 氨基乙酸的生产工艺51.7.1 氯乙酸氨解法51.7.2 施特雷克法(cstercker法) 51.7.3 氢氰酸法合成氨基乙酸新工艺51.7.4 生物合成法61.8 本产品所选线路及可行性分析6第2章 生产工艺流程及各工艺指标的确定72.1 生产基本原理及化学方程式72.2 原料规格及性质72.2.1 基本原料72.2.2 原料质量标准72.3 生产工艺流程叙述及工艺流程方框图82.4主要工艺指标的确定92.4.1 生产工艺特点92.4.2 工艺指标的确定92.4.3 结语11第3章 工艺计算123.1 物料衡算123.1.1 原料及产品规格123.1.2 衡算记住123.1.3 已知定量123.1.4 列衡算式123.2 热量衡算173.2.1 计算Q1与Q4173.3.2 过程热效应Q3计算193.2.3 Q2的计算20第4章 主体设备氨化合成釜设计214.1 体积估算214.2 确定筒体和封头形式214.3 确定筒体和封头直径214.4 确定筒体高度214.5 确定夹套的直径224.6 确定夹套的高度224.7 计算传热面积224.8 计算夹套筒体,封头厚度224.9 计算内筒筒体厚度224.10 搅拌器234.10.1 换热装置234.10.2 搅拌装置234.10.3 轴封装置234.10.4 传动装置23第5章 厂房布置245.1 概述245.2 设备布置的原则245.3 厂房布置方法24总 结25致 谢26参 考 文 献27表格清单表1-1 工业氨基乙酸质量指标2表1-2 氨解法原料消耗及成本6表2-1 工业氯乙酸质量标准8表2-2 六次甲基四胺质量指标8表2-3 工业甲醇质量指标8表2-4 无水氨质量指标8表3-1 氨化合成釜物料衡算表13表3-2 醇析釜的物料衡算表14表3-3 离心机物料衡算表15表3-4 干燥机物料衡算表16表3-5 精馏塔物料衡算表17表3-6 元素的原子比热容18插图清单图2-1 工艺流程方框图9引 言本设计为对氨基乙酸工艺流程的设计研究,主要对国内外现有生产技术和试验进展进行了简要阐述和对比分析。当前国内主要采用氯乙酸氨解法制备氨基乙酸,60年代以前,德国的Kraut用氯乙酸和氨水反应,在缓慢搅拌、室温下反应48小时以上,再经一系列复杂的后处理,才得到粗品,收率很低,成本高且再生能力很低。70年代后,法国人Henri Martin以乌洛托品、氯乙酸、氨水为原料在水相中合成,反应后,经醇析、过滤、精制、干燥制得。只有70%左右的收率,生产周期长达40小时,纯度在90%左右1。后来用液氨代替氨水,收率达80%以上,此工艺成熟,当前国内生产厂家都在此方法前提下,不断的进行改进。自1969年实现工业化以来,国内许多专家对其进行了众多改进性研究,使氨基乙酸收率由约70%提高至85%以上,产品氨基乙酸含量从95%提高到98.5%。 本设计所选用的工艺路线为国内较为成熟的氯乙酸氨解法,其中参考和引用了前人的技术成果,在此表示特别感谢。第1章 概 述1.1 氨基乙酸的基本性质中文名: 氨基乙酸(氨基乙酸)英文名:GLYCINE分子式:C2H5NO2分子量:75.07结构式:NH2CH2COOH CAS号:56-40-6 毒性防护:本品无毒,无腐蚀性。物化性质:白色单斜晶系或六方晶系晶体,或白色结晶粉末。无臭,有特殊甜味,相对密度1.1607。熔点248(分解)。易溶于水,在水中的溶解度:25时为25g/100ml;50时为39.1g/100ml;75时为54.4g/100ml;100时为67.2g/100ml。极难溶于乙醇,在100g无水乙醇中约溶解0.06g。几乎不溶于丙酮和乙醚。与盐酸反应生成盐酸盐。产品包装、贮存与运输:本产品采用薄膜塑料袋,外加纤维编织袋两层包装,每袋净含量25kg0.25kg,运输时注意防潮,避免被尖锐物划破2。表1-1 工业氨基乙酸质量指标Table 1-1 amino acid industrial quality indicators指标名称指 标一等品合格品氨基乙酸含量%97.595.5氯化物(以Cl计)含量%0.700.90铁(Fe)含量%0.0030.005加热减量%1.02.0外 观白色粉末1.2 产品用途31.2.1 应用于农业行业氨基乙酸是生产除草剂草甘膦的原料和植物生长调节剂增甘膦的重要中间体。用三氯化磷、甲醛反应的水解产物再与氨基乙酸反应,可制取新型农药除草剂草甘磷,草甘磷为除草活性最强的内吸传并型广谱有机磷农药,它能有效控制危害最大的杂草达80余种,广泛用于稻田、麦地、玉米、棉花、大豆和果园、菜园及铁路、建筑、交通、森林等非耕地除草,草甘磷因其有杀草力强、低毒、易分解、无残留等优点,作为高度安全性除草剂,已被美国政府评为最优秀的农药。氨基乙酸与甲醛、三氯化磷在110下反应产物为增甘磷,增甘磷是一种高效叶面施用的植物生长调节剂,广泛用于各种农作物,还可作为收获前的脱叶剂。在已开发的领域中,草甘膦是氨基乙酸的最大市场。值得一提的是,同样作为草甘膦的原料氨基乙酸,国外采用99%的氨基乙酸,国内均采用97.5%的氨基乙酸。在实际生产中,氨基乙酸杂质中的氯化物含量对草甘膦的收率影响很大,99%的氨基乙酸中氯化物含量只有97.5%的氨基乙酸氯化物含量的1/30。因此,国外生产草甘膦的收率远高于国内,草甘膦的含量也比国内高出几个百分点,原料生产成本也比国内低。1.2.2 应用于医药行业氨基乙酸是人体必须的氨基酸,在各种氨基酸输液的配方中,基本上都含有氨基乙酸,氨基乙酸可用作药物溶剂和缓冲剂,同时它还能够合成多种药物,如治疗高血压药物盐酸地闰普利抑制胃溃疡的药用碳酸钙制剂,单氨基乙酸酰水扬酸钙,利血胺注射液等。由于医药用氨基乙酸产品质量要求较高,而国内医药级氨基乙酸生产发展缓慢,因此国内医药领域的应用还有等进一步开发,对于国内的生产氨基乙酸厂家,改进生产工艺路线,提高氨基乙酸的质量也是十分重要的。1.2.3 应用于饲料行业氨基乙酸用在饲料添加剂中,不但是畜禽饲料中的主要营养补充成分,还能够防止饲料氧化变质,延长饲料保鲜期,在国外牛羊的饲料中均含有氨基乙酸,国内的饲养业尚未普遍采用,在此领域中氨基乙酸的应用有待于进一步开发。另外,新兴的动物宠物罐头饲料中也含有氨基乙酸。其添加氨基乙酸的量十分惊人,宠物饲料生产是一个劳动密集型的产业,很适合中国的国情,可惜国内尚未对此产业有足够的重视。1.2.4 应用于食品行业4食品工业是使用氨基乙酸量较大的产业,氨基乙酸具有抑制细菌生长、螯合缓冲及抑制氧化等作用,被指定用于食品添加剂,主要用于食品氨基酸强化剂、调味剂及营养补充成分、食品酿造、肉食加工、清凉饮料的配方内。因氨基乙酸具有抗氧化功能,应用于奶油、干酪、人造奶油中,能延长保质期3-4倍。其也可单独作为甜味品,可用于糖果和饼干的制作,对高血压的预防很有好处。在精制食盐中,加量为5%。1.2.5 应用于表面活性剂和日化行业在表面活性剂工业中,用氨基乙酸可合成阳离子和两性表面活性剂,还可用于生产具有良好调湿性和染色性的氨基酸染发剂,用于护肤及清洁用化妆品的复配剂,另外,用于配制发泡力强,药物化妆品的抗氧化剂的油包水或水包油乳液,具有增湿和增稠作用。1.2.6 其它方面氨基乙酸还可用于动物药品添加剂,也可用作PH调节剂添加在电镀液中。另外,在化学镀上的研究和应用也越来越广泛。氨基乙酸在农药、食品、医药等领域的应用正逐步增长,市场潜力很大,在国内由于绝大部分氨基乙酸生产企业生产工艺水平落后,产品质量差,而国外注重将催化、生物、辐射等高新技术用于氨基乙酸合成工艺的研究,并取得了一定的进展,因此国内科研机构和企业要借鉴国外的研究思路,加强催化脱氢氧化制备,生物合成等新技术的开发5。1.3 市场需求与技术现状当前全球氨基乙酸年产量达到230万t,中国的生产能力为23万t/年。生产与消费主要集中在工业发达国家和地区,中国氨基乙酸生产起始于70年代末80年代初,不但起步较晚,而且生产技术水平偏低,生产能力约为2.8万t/年,生产方法几乎全部采用氯乙酸氨解法生产甘氯酸,产品多为工业级,纯度不高于95%,不但影响下游草甘膦农药的质量,而且无法满足医药和食品等行业的需求,致使中国医药和食品行业所需的氨基乙酸大量依靠进口。1.4生产厂家6国内当前氨基乙酸生产工艺只有氯乙酸法,生产规模当前约为23万t/年,生产厂家有40余家,最大的生产企业是位于石家庄的河北东华化工集团,现有工业级氨基乙酸产能8万吨/年、食品医药级氨基乙酸产能3万吨/年,是当前亚洲最大的氨基乙酸生产基地。重庆三峡英力化工有限公司,其新建5万吨氨基乙酸/年项目进展正常,当前已进入投料试生产阶段。渝三峡A氨基乙酸年产3万吨。江西电化有限责任公司有两套5万t/年生产装置,浙江新安江化工集团公司建有3万吨/年生产装置,其它主要生产厂家有江苏南通化工厂、长春农安制药厂、辽宁本溪化工厂,产品均为工业级氨基乙酸,用于生产农药草甘膦和植物生长调节剂增甘膦,另外,江山股份(600389)的子公司南通东昌化工有1万吨的生产能力、江西电化中达有1.5万吨等,其它企业的规模普遍偏小,如苏州永达氨基酸厂3500吨、南通光荣化工3000吨等。国外氨基乙酸生产厂家主要有美国的查特姆公司、法国的斯帕西亚公司、日本的有机合成药品公司、昭和电工公司和味之素公司等,其中日本是氨基乙酸生产和消耗大国,这些公司基本都采用改进的Strecker(施特雷克法)工艺和直接Hydantion(海因法)工艺。1.5 发展前景氨基乙酸在氨基酸类中结构最简单的化合物,是一种重要的有机合成中间体,广泛应用于医药、食品、农药、饲料等行业,据专家预测,随着人们生活水平的提高,食品、医药行业逐渐成为使用氨基乙酸的最大用户,其市场潜力很大,在国内由于绝大部分氨基乙酸生产企业生产工艺水平落后,产品质量差,而国外注重将催化、生物、辐射等高新技术用于氨基乙酸合成工艺的研究,并取得了一定的进展,因此国内科研机构和企业要借鉴国外的研究思路,加强催化脱氢氧化制备,生物合成等新技术的开发。1.6 生产技术的发展趋势从国外氨基乙酸现有生产装置使用的工艺路线及关于氨基乙酸制备技术所申请专利的数量和内容来分析,国外当前氨基乙酸的生产完全淘汰了氯乙酸氨解工艺,主要采用以氢氰酸、羟基乙腈为原料的Strecker工艺和Hydantion工艺,经过工艺的不断改进,提高了产品的收率和产品的质量,并有采用生物技术由甘氨腈生产氨基乙酸的发展趋势。而在中国氯乙酸氨解工艺生产氨基乙酸是当前普遍采用的技术,自1969年实现工业化以来,虽然对其进行了众多改进性研究,使氨基乙酸收率由约70%提高至85%以上,产品氨基乙酸含量从95%提高到98.5%,但其关键性指标氯化物含量仍高达0.06%0.5%,由于所得产品纯度低、杂质含量多而无法满足食品和医药行业生产的使用要求。同样作为草甘膦原料,国外采用纯度为98.5%99.5%的氨基乙酸,而国内纯度只有97.5%98.5%,而且其中的氯化物含量是国外的30倍,生产合格的草甘膦需两次重结晶,对产品的收率影响很大。虽然中国已经开发成功了以氢氰酸为原料合成氨基乙酸的小试技术,但反应收率只有73%,产品纯度只有95%,如要实现工业化还需在反应工艺、产品的精制和连续化方面进行大量研究。1.7 氨基乙酸的生产工艺氨基乙酸生产工艺路线很多,当前工业化和具有工业化前景的生产工艺主要有氯乙酸氨解法,施特雷克法(cstercker法),氢氰法,及生物合成法等。1.7.1 氯乙酸氨解法7-12该法根据原料不同,又可分两种工艺:(1)水相或醇相中以乌洛托品,氯乙酸、氨水(氨气或液氨均可)为原料合成;(2)水相中以碳酸铵或氨基甲酸胺、氯乙酸、氨水为原料合成。当前国内的生产方法以前者为主,收率在70%左右,后者收率较低(约42%),故很少用于工业化生产。由于水相合成氨基乙酸中乌洛托品消耗较大,且乌洛托品价格较高,无法回收,故成本较高,而以醇溶液代替水溶液则会大大降低乌洛托品的消耗量,从而降低生产成本,因此,当前国内普遍采用醇相法合成氨基乙酸,反应方程式如下。主反应:ClCH2COOH + 2NH3 NH2CH2COOH + NH4Cl副反应:NH2CH2COOH + ClCH2COOH NH(CH2COOH)2 + HCl NH(CH2COOH)2 + ClCH2COOH N(CH2COOH)3 + HCl氯乙酸氨解法的优点是原料易得,合成工艺简单,对设备要求不高,易操作,基本无公害,缺点是反应时间较长,副产物氯化铵等无机盐类物质难以除去,产品质量差,精制成本高,作为催化剂的乌洛托品难以回收循环使用,造成原料的极大浪费,使生产成本增加。国内氨基乙酸生产厂家及一些科研机构本着优化反应条件降低生产成本,提高产品质量的原则,对氯乙酸法合成氨基乙酸的工艺进行了大量的研究工作,并取得一定的进展。1.7.2 施特雷克法(cstercker法) 9-12施特雷克法的反应过程是,以甲醛、氰化钠,氯化铵为原料反应,在硫酸存在下醇解,然后与氢氧化钡一起加水分解而得氨基乙酸产品,主要化学反应如下:6HCHO+3NaCN+3NH4Cl(CH2=N-CH2CN)+3NaCl+6H2O将产物过滤,在硫酸存在下加乙醇分解,得到氨基乙腈硫酸盐。3(CH2=N-CH2CN)+C2H5OH+3H2S043(H2NCH2CN)H2SO4+3CH2(C2H5)2将上述产物用氢氧化钡分解,得到氨基乙酸钡:2(H2NCH2CN)2SO2+3Ba(OH)2(NH2CH2COO)2Ba+2BaS04+2NH3+2N2O然后加入定量的硫酸,使钡沉淀,过滤液浓缩,放置冷却,析出氨基乙酸结晶。(NH2CH2COO)2Ba+H2S042NH2CH2COOH+BaS04此工艺路线较长,原料NaCN为剧毒物,反应的脱盐操作较复杂,操作条件比较苛刻,其优点是易于精制,成本低,适用于大规模工业化生产。1.7.3 氢氰酸法合成氨基乙酸新工艺13该工艺以廉价的丙烯腈副产物氢氰酸代替氰化钠,生产成本更低,美国、日本等普通采用此法生产氨基乙酸,中国中科院大连化物所于90年代初开发成功以HCN为原料合成氨基乙酸的工艺,该工艺以氢氰酸为主体原料,在生产过程中,可直接利用气态HCN或任意比例的HCN水溶液,醛类可利用气体,溶液或高聚物,氨源可用氨加二氧化碳或碳酸铵,碳酸氢铵等,各原料的投料量近于理论量,产品收率可达73%,产品含量大于95%。该工艺由于反应步骤少,因此工艺过程缩短,操作步骤简化,设备投资减少,生产成本大大降低,无三废处理,易于放大生产,所得氨基乙酸产品质量明显优于氯乙酸法所得的产品。1.7.4 生物合成法21世纪是生物合成的世纪,生物合成氨基乙酸成为十分重要,潜力巨大的合成路线。美国、日本、欧洲长期以来坚持开发生物合成氨基乙酸的研究,以前由于存在酶的活性低,合成氨基乙酸的微生物菌需求量大,氨基乙酸的产率低等因素,使生物合成法的工业化受到限制。20世纪80年代后期,日本三菱公司把过筛选的好氧土壤杆菌属,短杆菌属,棒状杆菌属等微生物菌属加入到含有碳源、氮源及无机营养液的介质中进行培植,然后将该类菌种在2545,pH值在49的情况下,使乙醇胺转化为氨基乙酸,用浓缩中和离子交换处理得到氨基乙酸。进入20世纪90年代以后,国外合成氨基乙酸的技术有了新的进展,日本Nitto化学工业公司将培养的假细胞菌属,酪蛋白菌属,产碱杆菌属等菌属以0.5%(质量分数,干重)加入到含氨基乙酸胺基质中,在30,pH值7.98.1情况下,反应45h,几乎所有的氨基乙酸胺水解生成氨基乙酸,转化率达99%。尽管当前生物法尚处于研究阶段,可是其具有高选择性,无污染,因此将是极具发展潜力的合成路线。1.8 本产品所选线路及可行性分析本设计模拟生产10000吨的氨基乙酸,考虑到产量较大,且其它生产工艺只在实验阶段,或在国内技术不成熟,还未应用到工业生产中,因此选择第一条工艺路线,即氯乙酸氨解法,氯乙酸氨解法的优点是原料易得,合成工艺简单,对设备要求不高,易操作,基本无公害。产品成本及产品价格表1-2 氨解法原料消耗及成本Table 1-2 ammonia solution and the cost of raw materials consumption原料名称纯度 %单耗 t单价 元/t成本 元氯乙酸961.550650010075液氨工业级0.85018501573乌洛托品980.3072002160甲醇982.1023004830合计/ / /18638现在氨基乙酸价格每吨3.3万元左右, 12月中旬其价格才1.8万元/吨,12月底国内最大的氨基乙酸生产企业河北东华化工集团的传真价格变成了2.9万元/吨,现在又涨到了3.3万元/吨,比12月中旬上涨了80%,使氨基乙酸的利润几乎达到了100%。第2章 生产工艺流程及各工艺指标的确定2.1 生产基本原理及化学方程式原理:氯乙酸和氨气在六次甲基四胺的催化作用下,反应生成氨基乙酸和副产物氯化铵。化学方程式: 主反应:ClCH2COOH + 2NH3 NH2CH2COOH + NH4Cl副反应:NH2CH2COOH + ClCH2COOH NH(CH2COOH)2 + HCl NH(CH2COOH)2 + ClCH2COOH NH(CH2COOH)3 + HCl2.2 原料规格及性质2.2.1 基本原料(1): 氯乙酸(ClCH2COOH)无色晶体,有刺激性气味,易潮解、不燃,有强烈的腐蚀性,能破坏金属、橡胶和软木塞等,溶于水、乙醇、乙醚、苯、二硫化碳和氯仿等有机溶剂,相对密度:1.58g/cm3(20/20),其熔点: 6163,沸点为:189。(2): 六次甲基四胺(CH2)6N4俗名乌洛托品,白色结晶粉末或无色有光泽晶体,几乎无臭,对皮肤有刺激作用,相对密度1.27 g/cm3 (25),在约263升华并部分分解,溶于水、乙醇和氯仿,不溶于乙醚,燃烧时火焰无色。(3): 甲醇(CH3OH)无色透明易燃易挥发极性液体,有毒,饮后能致盲,密度(D204):0.7915g/cm3,熔点:-97.8、沸点:64.65,自燃点:470,能与水和多数有机溶剂混溶,蒸汽与空气生成爆炸性混合物,爆炸极限(6.036.5)%(体积),燃烧时生成蓝色火焰,用于制造甲醛和农药等,并用作有机物质的萃取和酒精的变性剂等。(4): 氨气(NH3)无色气体,有强烈的刺激性气味,相对密度:0.771 g/cm3,易被液化成无色的液体,沸点:-33.5,也易被固化成雪状的固体,熔点:-77.7,溶于水、乙醇和乙醚,在高温时会分解成氮和氢,有还原作用。2.2.2 原料质量标准(执行QJ/XHG.JH0207-08- )(1): 氯乙酸表2-1 工业氯乙酸质量标准Table 2.-1 Chloroacetate industrial quality standards指 标 名 称指 标氯乙酸含量%95.0二氯乙酸含量%3.0 外 观白色或微黄色晶体(2): 六次甲基四胺表2-2 六次甲基四胺质量指标Table 2-2 Hexamine quality indicators指标名称指 标 纯度 % 98.0 氯化物(以Cl计) % 0.015 外 观 白色结晶或略带色调的白色结晶(3): 甲醇表2-3 工业甲醇质量指标Table 2-3 methanol industry quality indicators指标名称指 标 密度(20)g/cm3 0.7910.793 外 观 无殊异臭气味,无色透明液体,无可见杂质(4): 液氨表2-4 无水氨质量指标Table 2-4 anhydrous ammonia quality indicators指标名称指 标 氨含量 % 99.5残留物含量 %0.52.3 生产工艺流程叙述及工艺流程方框图工艺流程方框图氯乙酸乌洛托品溶解氨气合成醇析离心醇洗烘干包装产品精馏回收甲醇副产物氯化铵图2-1 工艺流程方框图Figure 2-1 process flow diagram工艺流程叙述将氯乙酸、六次甲基四胺固体按工艺配比分别溶解成工艺指标要求含量的溶液,然后备入计量槽。首先向反应釜内投入六次甲基四胺水溶液,加热至一定温度后,开始滴加氯乙酸溶液,并通入氨气反应。反应过程中控制好反应温度和pH值,待加料结束后保温一段时间,经过甲醇醇析、真空抽滤、甲醇醇洗,分离出氨基乙酸,并甩干、烘干、取样化验,包装合格后入库出厂。甲醇醇析,甲醇含量降低,而且含有其它杂质,经过精馏塔、提纯后回收利用,精馏后残液排污至污水池,浓缩结晶出氯化铵副产品。2.4主要工艺指标的确定1418 2.4.1 生产工艺特点除甲醇精馏是半间歇生产外,其它生产工序都是分批投料、间歇生产,生产周期为8小时,每天可生产3批。这样的生产过程,容易造成工艺指标控制不稳定,使产品质量、收率产生波动。因此,生产中各工序工艺指标的控制、操作过程关键因素的掌握,对产品质量的稳定,特别是产品收率的提高,有着十分重要的影响。2.4.2 工艺指标的确定(1): 反应工序反应过程中,催化剂加入量、反应温度、pH值的调节以及反应时间长短等因素,对产品质量和收率有着决定性的影响。 催化剂加入量氯乙酸与液氨是在催化剂乌洛托品的作用下进行反应的。如果催化剂加量不足,会导致反应不充分,影响反应速度,氨基乙酸生成量减少、收率下降;反之,如加量过大,对提高收率作用不大却会增加乌洛托品的消耗。根据生产经验,催化剂的加入量与主原料氯乙酸的投料量之比为10%左右,如果其它因素正常,这样的加入量能够使收率达到90以上。 反应温度该反应为放热反应,反应过程中大量放热。根据化学反应平衡原理,降低温度有利于氨基乙酸的生成。生产中反应温度应控制在70左右。反应温度过低,则反应速度慢、反应不充分、生产周期长,影响产量,冷却水消耗增加;反应温度过高(如达到95以上),会造成反应过于激烈,不利于安全生产,并使副反应增多,致使产品外观发黄,既影响收率又使产品质量下降。根据经验,反应温度达到100左右,产品收率会降到70左右。 反应过程中pH值反应过程中pH值应控制在7.07.5。若pH6则反应液呈酸性,加之温度较高,会使产品铁含量增加、外观发黄。另外,pH值偏低,会使反应不充分,收率必然下降。若pH值9,说明氨过量较多,理论上讲有利于充分反应、提高收率,但会造成产品粒子过细,过滤冲洗时损失增加,反而不利于提高收率。同时,氨过量太多会大量外逸,既污染环境又造成浪费。控制反应液pH=7.07.5并保持基本稳定,在其它因素正常时,能够使收率达到90左右。(2): 结晶分离工序氯乙酸氨解生成氨基乙酸的反应是在水溶液中进行的,反应结束得到的是氨基乙酸、氯化铵、乌洛托品等的水溶液。由于甲醇和水能够互溶,氨基乙酸只是易溶于水而微溶于甲醇,而氯化铵、乌洛托品溶于甲醇,因此在结晶工序加入的甲醇与水互溶,氨基乙酸大量失去溶剂水而产生过饱和,发生盐析结晶从母液中析出,与其它物质得以分离。 甲醇的用量及加入方式用氯乙酸在水相中催化氨解生产氨基乙酸的工艺过程中,传统方法是向已完成的反应物料中加入一定量的甲醇,以降低溶剂的介电常数,使氨基乙酸沉降析出,而令副产物氯化铵留在醇水混合溶剂中,然后分离出产物,用精馏法回收甲醇循环使用。因此一定体积的已完成反应的物料中需要加入多少体积的甲醇最适宜,便成为不可回避的操作指标。加少了,产品中Cl-%超标;加多了,不但回收甲醇的工作量增大,损耗增加,而且产品收率下降(氨基乙酸在水甲醇体系中也有一定量的溶解度)。由于下列诸因素:a:已完成反应物料中氨基乙酸和氯化铵的浓度不同;b:所用甲醇的浓度不同;c:醇析操作过程的温度不同;d:不同规格氨基乙酸产品对Cl-%的限制指标不同。因此机械地规定(甲醇/反应物料)体积比是不行的。而且由于影响这个比值的变量这样多,凭经验也有难度。本设计所选用的数据参照了南通东昌化工的生产数据,甲醇的用量与原料氯乙酸的比按8.1:1计。生产中甲醇是分两步加入的。第一次加入少量甲醇,充分搅拌降温后,再加人大量甲醇,充分搅拌降温,放料过滤。这样操作的原因是:由于第一次加入的甲醇是少量的,因此氨基乙酸的饱和度不是很大,会在溶液中析出数量不是很多的细小结晶;第二次加入大量甲醇时,这些细小结晶起到了晶种的作用,大量析出的氨基乙酸在晶种表面上聚集,结晶得以长大。这样的结晶颗粒大、纯度高、粒度均匀容易过滤洗涤。如果不是分两次、不同量加入而是一次加入大量所需甲醇。会造成晶核生成量过大,结晶粒度较小、大小不均,导致过滤洗涤困难、产品过滤损失加大,收率大大降低,不足70,并使甲醇消耗增加很多。 结晶温度氨基乙酸在水中的溶解度随温度的升高而增加,随温度的降低而减小,加上结晶是个放热过程,因此降低温度对氨基乙酸的结晶有利。放入结晶槽的反应液温度一般在70以上,这时不应马上加入甲醇,而应待其降温至60后第一次加入甲醇,充分搅拌降温至4050时第二次加入甲醇。反之,如果在温度较高时加入甲醇,会产生大量很细的结晶,导致过滤、洗涤困难,物料损失很大,收率很低,只有70左右。 搅拌强度和结晶时间结晶过程是在机械搅拌下进行的,这样做不但利于降温,而且使细小结晶悬浮在母液中,以促进传质、结晶;另外,还能够减少晶粒黏结形成晶簇的机会,从而减少结晶中的母液包藏,有利于提高产品纯度。当然,搅拌速度不能太快,否则会造成大量结晶破碎难以长大,使过滤、洗涤困难,损失增大,降低收率。(3): 其它因素 离心洗滤操作完成结晶的物料放入过滤槽,使氨基乙酸结晶与母液分离晶体表面粘有一些母液,经过甲醇洗滤、离心甩干能够除去。离心洗滤时所用甲醇浓度为9295。如果甲醇浓度过高、水含量太小,则不易洗去晶体表面的可溶杂质,会消耗大量甲醇,增加产品的损失,并加重甲醇精馏回收的负荷。如果甲醇浓度低于90,虽然能够加快过滤速度,但由于水含量过高,会使少量氨乙酸溶解到水中,被滤液带走。由于每批物料要分多次离心洗滤,因此半成品的累计损失较大,导致产品收率明显下降。据测算,离心洗滤操作不当,会使收率下降510。 干燥工序的操作干燥工序经过热风直接加热除去半成品中的水分,使产品质量达到要求。加料、放料要精心操作,减少跑料、漏料和吹洒损失 干燥工序如果控制得不好,会使收率下降2左右。 其它每次放料后,反应釜、结晶槽的内壁上都有一层致密的氨基乙酸白色结晶,如果不及时清理,会越积越厚,不但影响换热,而且造成浪费,影响收率。因此,每次放料后,应进行清理,并将清理下的片状结晶砸碎。在下次投料时掺入反应釜中加以回收。另外,过滤及离心洗滤后的甲醇中氨基乙酸的回收也很重要。在过滤池和离心机滤液出口处接一个三级缓冲槽,这样不但能够回收一些过滤过程中”跑料”损失掉的氨基乙酸,而且能够回收一些因滤液温度降低而结晶析出的氨基乙酸。坚持做好这些回收工作,能够使收率提高35。2.4.3 结语生产中影响收率的因素很多,而且这些因素往往是相互联系、相互作用的。要提高产品收率,反应工序的控制是基础,结晶工序是关键,其它因素的控制是补充。总之,要提高产品收率,必须综合考虑以上这些影响收率的因素,有针对性地采取措施,才能起到好的效果,使产品收率达到90左右。第3章 工艺计算3.1 物料衡算3.1.1 原料及产品规格原料规格:氯乙酸: 含量97.5% 其它2.5%氨: 含量99.6% 其它0.4% 乌洛托品:含量99.0% 水分0.5% 其它0.5%回收甲醇:含量92% 水分8%产品规格:氨基乙酸: 含量98.5% 氯化物0.4%