氨基乙酸生产工艺设计有机化工产品生产毕业论文.docx
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氨基乙酸生产工艺设计有机化工产品生产毕业论文
有机化工产品生产论文
氨基乙酸生产工艺设计
姓名：
胡胜男
学号：
09
专业班级：
分析3114
指导教师：
宋艳玲
目录
摘要1
引言2
第1章氨基乙酸简介2
1.1氨基乙酸的基本性质2
1.2产品用途2
1.2.1应用于农业行业2
1.2.2应用于医药行业2
1.2.3应用于饲料行业3
1.2.4应用于表面活性剂和日化行业3
1.3市场需求与技术现状3
1.4氨基乙酸的生产工艺3
1.4.1氯乙酸氨解法3
1.4.2施特雷克法（cstercker法）3
1.4.3氢氰酸法合成氨基乙酸新工艺4
1.4.4生物合成法4
1.5本产品所选线路及可行性分析4
第2章生产工艺流程及各工艺指标的确定4
2.1生产基本原理及化学方程式4
2.2原料规格及性质4
2.2.1基本原料4
2.3生产工艺流程叙述及工艺流程方框图5
2.4主要工艺指标的确定5
2.4.1生产工艺特点5
2.4.2工艺指标的确定6
第3章厂房布置7
5.1概述7
5.2设备布置的原则7
5.3厂房布置方法7
总结8
致谢8
参考文献8
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α-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
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。
目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HenriMartin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，目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章氨基乙酸简介
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25kg±0.25kg，运输时注意防潮，避免被尖锐物划破。
1.2产品用途
1.2.1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。
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。
1.2.2应用于医药行业
氨基乙酸是人体必需的氨基酸，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，同时它还可以合成多种药物，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。
1.2.3应用于饲料行业
氨基乙酸用在饲料添加剂中，不仅是畜禽饲料中的主要营养补充成分，还可以防止饲料氧化变质，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。
1.3市场需求与技术现状
目前全球氨基乙酸年产量达到230万t，我国的生产能力为23万t/年。
生产与消费主要集中在工业发达国家和地区，我国氨基乙酸生产起始于70年代末80年代初，不仅起步较晚，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%，不仅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，致使我国医药和食品行业所需的氨基乙酸大量依靠进口。
1.4氨基乙酸的生产工艺
氨基乙酸生产工艺路线很多，目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。
1.4.1氯乙酸氨解法
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。
目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，目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。
1.4.2施特雷克法（cstercker法）
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+3H2S04→3（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+H2S04→2NH2CH2COOH+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。
1.4.3氢氰酸法合成氨基乙酸新工艺
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，我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。
1.4.4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25～45℃，pH值在4～9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。
1.5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，且其他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，所以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。
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+HCl
2.2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：
61～63℃，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1.27g/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（6.0～36.5）%（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：
0.771g/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。
2.3生产工艺流程叙述及工艺流程方框图
工艺流程方框图
图2-1工艺流程方框图
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，通过甲醇醇析、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，而且含有其他杂质，通过精馏塔、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
2.4.1生产工艺特点
除甲醇精馏是半间歇生产外，其他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。
①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，如果其他因素正常，这样的加入量能够使收率达到90％以上。
②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。
③反应过程中pH值
反应过程中pH值应控制在7.0～7.5。
若pH<6．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。
此外，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=7.0～7.5并保持基本稳定，在其他因素正常时，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。
由于甲醇和水可以互溶，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，与其他物质得以分离。
①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，不仅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，所以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。
②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，所以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，这时不应立刻加入甲醇，而应待其降温至60℃后第一次加入甲醇，充分搅拌降温至40℃～50℃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。
③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；此外，还可以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。
2.4.2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，其他因素的控制是补充。
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章厂房布置
5.1概述
厂房布置设计是对厂房建筑物等设施配置的安排做出合理的布局。
充分掌握有关工艺流程与规划设计资料，有关规范标准及生产、安全、卫生等资料，全面考虑，仔细推敲，求得最佳设备布置方案。
5.2设备布置的原则
（1）满足工艺及流程的要求。
在设备布置时，设备的平面位置和高低位置，应符合工艺流程和工艺条件的要求。
对处理腐蚀性、有毒、粘稠物料的设备宜按物料性质紧凑布置，必要时还需采取设隔离墙等设施。
（2）符合经济原则。
设备的布置在符合工艺要求的前提下应以经济合理为主，注意整体美观。
（3）符合安全生产要求。
设备建筑物等的防护间距应符合现行的有关防火规范的要求。
注意环境保护、防止污染及噪音，还应根据危险程度的划分来考虑布置设备。
（4）便于安装和维护。
设备要排列整齐，避免过挤过松，要充分考虑工人的操作和交通便利。
原料、成品及排除物要有适当的位置和必要的运输通道。
（5）有良好的操作条件。
设备应尽可能避免布置在窗前，以免影响采光和开窗，如必须布置在窗前时，设备与墙间的净距应大于0.6m。
5.3厂房布置方法
（1）模型设计所有设备、管道、管件等都按比例制作成模型进行实体布置。
优点是错误返工少，缺点是施工需计量尺寸，模型亦不如图纸好保存和携带。
故本设计不使用此法，而采用图样法。
（2）图样法在充分准备资料的基础上按厂房设计的原则和要求确定图样，把各层楼面的所有设备按一定比例逐一制作水平投影的外形并在其上面注上设备名称，然后按选定的布置方案，在图纸上精心排列直至完成，画出平面图和剖视图。
总结
通过对氯乙酸氨解法制备氨基乙酸的研究分析，检索了相关文献和数据，对工艺参数进行了确定和优化，得出了可控制的工艺参数；选取了主要的反应设备对其进行了能量衡算和设计。
通过对整个反应过程进行了物料衡算得出最后产品的纯度为98.5%，其它杂质含量均符合质量标准。
对生产工艺流程进行了设计，并对厂房进行了布置和规划，理论上切实可行。
本设计在甲醇回收工艺上的设计存在缺陷，回收的甲醇中含有少量的氨，影响其纯度。
另外，在离心工段有不少粗品氨基乙酸溶于母液中，造成了浪费。
本工艺流程应用了国内较成熟的工艺路线，但仍存在不少缺陷，如催化剂不能回收利用，醇析过程需加入大量的甲醇，因其挥发性较强，造成不小的浪费和污染。
整个过程的收率在85%左右，与国外先进的工艺相比存在不小的差距。
今后的发展方向可向着清洁，绿色的生物技术合成法。
致谢
本设计是由宋艳玲指导完成，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
。
非常感谢宋艳玲老师对本人的悉心指导，宋艳玲老师学风严谨，学识渊博，体贴同学，热心助人。
她对本课题的设计提出了不少问题和解决途径，给予我不少的帮助。
在此谨向X讲师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
还要感谢在一起愉快的完成毕业论文的同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
对帮助过本人的所有人们，表示感谢！
由于实际经验不足，收集资料有限，且多于理论分析，与实际情况相比是有一定的差距，在设计中的漏洞和错误恳请各位老师和同学指正。
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