【正文】 由 PrRe0 2 ?Nu （ 39） 知 1Nu ??? ? 由 2212 dNu ?? ?? （ 310） 知 2? ?? ? ?KmW ?? 2121111 111ddddbKm????? ??? 1 0 91 2 17 3 11 1 51 2 1450 0 3 0 411?????= ? ?KmW ?2 換熱器汽氣段換熱有效面積 1換A 由 1121mtKQA ??? 總換 （ 311） 知 1換A ? ?KKmW sKJ 9 8 9 2 ??? m? 換熱器汽氣換熱段有效換熱面積 2換A 液氨的物性系數(shù)，查資料得： ? ?KmW ?? ? ； ? ?KkgKJC p ?? ； 332 107 7 。 液氨汽化器的熱量衡算 根據(jù)物料衡算，我們可以確定液氨的流量為 ?3NHq hkghkg / ?? 26 從資料上查得，液氨的汽化潛熱 kgKJr 13731 ? ； 氨氣的定壓比熱 ? ?KkgKJC p ?? ； 蒸汽的汽化熱 kgKJr 22582 ? ； 蒸汽壓力為 ，溫度約為 CT ?1421 ? ； 放出潛熱后，假設(shè)溫度為 CT ?1002 ? 的沸水：定壓比熱 ? ?KkgKJC p ?? ； 汽化液氨采用夾套式換熱器，逆流方式用蒸汽把液氨從 C?? 加熱到氣體氨 C?35 ； 汽化所需熱量 113 rqQ NH ?? （ 33） 則 hKJkgKJhkgQ 5 6 2 8 0 4 71 3 7 35 9 8 41 ??? 加熱氣態(tài)按從 C?? 到 C?35 所需熱量： ? ?12123 ttCqQ pNH ???? （ 34） Q2 ? ? ? ?KKkgKJhkg 7 ?????? = hKg 考慮到存在熱損失，我們以總傳熱的 10%計算。另外，液氨要汽化，需要熱量和汽化器。而氯乙酸與氨反應(yīng)，會放出大量的熱，氨氣溶解也會放出大量的溶解熱。溫度低，反應(yīng)速度慢，影響產(chǎn)能，并且很有可能會使產(chǎn)物甘氨酸結(jié)晶，而堵住管子，使生產(chǎn)中斷。整個工藝流程的物料衡算總表如下表 所示。 在結(jié)晶槽中結(jié)晶率達(dá) 99%，則甘氨酸晶體的含量為： ?99%= 離心機(jī)中的物料衡算方塊圖如圖 ： 圖 離心 機(jī)的物料衡算圖 Material balance sheet of centrifuge 吸濾離心過程，補(bǔ)充甲醇 2282kg，用于清洗濾餅。 假設(shè)吸收塔的吸收效率為 100%，則經(jīng)吸收塔后 HCl 剩余量為 0。 20 列物料衡算式 年工作天數(shù)按 330 天計算 年產(chǎn) 5500 噸甘氨酸，則日產(chǎn)量為： 5500 噸 ? 330 天 = 噸 /天 每批物料的生產(chǎn)周期為 8 小時，即每天生產(chǎn) 3 次，則每次應(yīng)產(chǎn)甘氨酸的量為： ? 3= 已知產(chǎn)品純度為 %，則產(chǎn)品中甘氨酸純品質(zhì) 量為： ?%= 氯化釜中的物料衡算方塊圖如圖 ： 圖 氯化合成釜的物料衡算圖 Material balance sheet of chlorinated synthesis tank 整個生產(chǎn)過程按 15%損耗計算，生產(chǎn)甘氨酸時氯乙酸純消耗量為： ?? 75? 85%= 已知氯乙酸的純度為 %，所以每批次所消耗的氯乙酸的原料量為： ? %= 液氯投料量為： ?71? = 根據(jù)氯化釜投料配比 液氯：硫磺：冰醋酸 =1::，則 需要硫磺的量為： ??32? = 硫磺中雜質(zhì)成分占： ?2%? 98%= 需要冰醋酸的量為： ??60? = 冰醋酸中水及其他成分各占： ?1%? 98%= 則有硫磺投料量為： += 冰醋酸投料量為： +?2kg= 在氯化過程中 HCl 生成量為： ?? = 綜上計算，氯化釜中的物料衡算如圖 ： 21 圖 氯化合成釜的物料衡算圖 Material balance sheet of chlorinated synthesis tank 氯化釜中出來的料液進(jìn)入過濾槽，經(jīng)過濾后硫磺及一些雜質(zhì)被分離出來，將濾液送往配制槽。 ② 產(chǎn)品規(guī)格 甘氨酸：含量 %，氯化物 %，其它 %。已知每批次生產(chǎn)時間為 8小時，每天可生產(chǎn) 3批?？傊?，要提高產(chǎn)品收率，必須綜合考慮以上這些影響收率的因素，有針對性的采取措施，才能起到好的效果， 使產(chǎn)品收率達(dá)到 90%左右 。 總之，生產(chǎn)中影響收率的因素很多，而 且這些因素往往是相互聯(lián)系、相互作用的。 ③ 其他：每次放料后，反應(yīng)釜、結(jié)晶槽的內(nèi)壁上都有一層致密的氨基乙酸白色結(jié)晶，如果不及時清理會越積越厚，不但影響換熱，而且造成浪費(fèi)，影響收率。加料、放料需精心操作，減少跑料、漏料和吹灑損失。由于每批物 料要分多次離心過濾，因此半成品的累計損失較大，導(dǎo)致產(chǎn)品收率明顯下降。如果甲醇濃度過高、水含量太少則不易洗去晶體表面的可溶性雜質(zhì)，會消耗大量甲醇，增加產(chǎn)品的損失，并加重甲醇精餾回收的負(fù)荷。但攪拌速度不能過快，否則會造成大量結(jié)晶破碎難以長大，使過濾、洗滌困難，損失增大，收率降低。反之，如果在溫度較高時加入甲醇，會產(chǎn)生大量很細(xì)的結(jié)晶，導(dǎo)致過濾、洗滌困難，物料損失很大，收率降低。 ② 結(jié)晶溫度：氨基乙酸在水中的溶解度隨溫度升高而增加，隨溫度的降低而減小，加上結(jié)晶是放熱過程，所以降低溫度對產(chǎn)品的結(jié)晶有利。這樣的結(jié)晶顆粒大、純度高、粒度均勻，溶液過濾洗滌。第一次加入少量的甲醇，充分?jǐn)嚢杞禍睾?，再加入大量的甲醇，充分?jǐn)嚢杞禍?，放料過濾。本設(shè)計所選用的甲醇的用量與氯乙酸的配比按 :1 計 。 結(jié)晶分離工序主要涉及到的工藝指標(biāo) ① 甲醇的用量及加入方式：一定體積的已完成反應(yīng)的物料中需要加入多少體積的甲醇最合適，成為不可回避的操作指標(biāo)。若 pH? 9，說明氨過量較多，理論上講有利于充分反應(yīng)、提高收率，但會造成產(chǎn)品顆粒過細(xì)，過濾沖洗時損失增加，反而不利于提高收率。若 pH6，則反應(yīng)液呈酸性，加之溫度較高，會使產(chǎn)品鐵含量增加。 表 烏洛托品用量對收率的影響 The influence of Uroropine 39。如從降低成本考慮，催化劑的加入量與氯 17 乙酸的投料量之比為 10％左右。 ③ 催化劑加入量：氯乙酸和液氨是在催化劑烏洛托品的作用下進(jìn)行反應(yīng)的。溫度過低，則反應(yīng)速度慢、反應(yīng)不充分、生產(chǎn)周期長，影響產(chǎn)量，冷卻水消耗 增加。 ② 氨解過程中的溫度控制 ：該反應(yīng)過程會大量放熱，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，降溫有利于甘氨酸的生成。 表 加料方式對反應(yīng)的影響 The influence of feeding mode on reaction 序號 加料方式 產(chǎn)率 % 1 先加水、氯乙酸、烏洛托品，升溫后通入氨氣 2 先加水、烏洛托品和一半量的氯乙酸升溫后通氨氣，再滴加其余氯乙酸 3 先加水、烏洛托品和少量的氯乙酸，升溫后通氨氣，再滴加其余氯乙酸 在該反應(yīng)歷程中，由于烏洛托品首先與氯乙酸發(fā)生親核取代反應(yīng)生成一中間體，因而反應(yīng)中需分批加入氯乙酸，保持較高的催化劑濃度，從而使催化劑充分發(fā)揮作用。直接用氯化液生產(chǎn)，使其中所含氯乙酸均能參加反應(yīng)，提高了轉(zhuǎn)化率，降低了物料消耗；因物料在管道和容器中輸送時是一個封閉系統(tǒng)，可以避免燙傷事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)安全性 。降低了生產(chǎn)勞動強(qiáng)度，同時也避免了中間生產(chǎn)帶入雜質(zhì)污染原料，影響甘氨酸產(chǎn)品質(zhì)量。 工藝流程方塊圖 優(yōu)化生產(chǎn)工藝主要包括氯化、氨解、醇析結(jié)晶、過濾、離心精制、干燥等工序，另外在對母液、尾氣的處理上分別設(shè)有吸收（ HCl 回收）、精餾（甲醇回收）工序。在此過程中離心液中仍含有少量甘氨酸，因此將收集后的離心液與過濾液混合形成混合母液，用管道輸送進(jìn)入精餾塔，通過精餾提取其 中殘余的甘氨酸產(chǎn)品，并回收利用氯化銨副產(chǎn)品。將含氨基乙酸結(jié)晶的混合液送入反應(yīng)釜下方的過濾槽，通過濾布過濾出氨基乙酸，將結(jié)晶體收集進(jìn)入離心機(jī)，離心過程中同時加入甲醇沖洗表面，將得到的氨基乙酸送入干燥工序。反應(yīng)產(chǎn)生的 HCl 部分與過量的氨反應(yīng)生成氯化銨，剩余的尾氣（主要為 HCl ）經(jīng)反應(yīng)釜頂部 15 的冷凝器冷卻后通過管 道通往吸收塔。然后送往氨解釜，并向氨解釜內(nèi)通入過量的液氨，同時加入已 生成的氯乙酸。反應(yīng)過程釜內(nèi)基本上處于常壓狀態(tài)。 優(yōu)化工藝流程敘述及其工藝流程方塊圖 優(yōu)化工藝流程敘述 將過量的冰醋酸加入反 應(yīng)釜，然后從反應(yīng)釜頂部的投加孔將硫磺（催化劑）加入，在一定溫度下，從進(jìn)料管道通入液氯，釜內(nèi)開始進(jìn)行氯化反應(yīng)，同時用夾套冷卻水控制釜內(nèi)反應(yīng)溫度在 60℃左右。甲醇是極易揮發(fā)液體，致使甲醇消耗量大，甘氨酸收率低，夏季車間操作環(huán)境差，且回收廢液中的氯化銨時能耗大。其工藝流程方塊圖如圖 所示。當(dāng)定量的氯乙酸溶液反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，將氨化液轉(zhuǎn)入醇析釜中加入甲醇冷卻醇析 ]7~6[ 。 表 工業(yè)級甲醇質(zhì)量指標(biāo) Methanol industry quality indicators 傳統(tǒng)氯乙酸氨解法工藝及存在的問題 傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程敘述 將定量的硫磺粉和冰醋酸按照規(guī)定配比加入到氯化釜中進(jìn)行通氯反應(yīng)，氯化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)后，將 氯化液轉(zhuǎn)入加了母液的結(jié)晶釜中冷卻結(jié)晶，然后經(jīng)抽濾、離心將母液濾結(jié)晶體包裝。有毒，一般誤飲 15ml 可致眼睛失明，一般致死量為 100～ 200ml]4[ 。相對密度 (d204)，熔點(diǎn) ℃，沸點(diǎn) ℃，折光率 (n20D)，閃點(diǎn) (閉杯 )12℃。燃燒時無煙有藍(lán)色火焰 ,能與多種化合物形成共沸混合物。無水氨質(zhì)量指標(biāo)如下表 ?？諝庵凶罡呷菰S濃度為 330 mmg 。爆炸極限： %～ %，易引燃濃度 17%，最小引燃能量 毫焦 (濃度為 %時 )。在適當(dāng)壓力下可液化成液氨，放出大量的熱；當(dāng)壓力低時，氣化逸出，同時吸收周圍大量的熱。 表 六亞甲基四胺質(zhì)量指標(biāo) Hexamine quality indicators 指標(biāo)名稱 指 標(biāo) 純 度（ %） ? 氯化物（以 ?Cl 計）（ %） ? 外 觀 白色結(jié)晶或略帶色調(diào)的白色結(jié)晶 ⑥ 氨（ Ammonia）：分子式為 3NH ，相對分子量為 17。應(yīng)貯存于干燥、清潔、通風(fēng)的 倉庫內(nèi)，避免受潮污染，貯運(yùn)時應(yīng)與氧化劑隔離。溫度達(dá) 260℃ 以上升華，但不熔融而是部分分解，比重 ，閃點(diǎn) 482℉。幾乎無臭味，味甜而苦。氯乙酸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（執(zhí)行 QJ/）如表 所示。能溶于水、乙醇、醚、氯仿和二硫化碳等有機(jī)溶劑。 無色晶體，有刺激性氣味，易潮解，有強(qiáng)烈的腐蝕性，能破壞金屬、橡膠和軟木塞等，屬二級有機(jī)酸性腐蝕品。在正常情況下，燃 12 速緩慢，遇明火、高溫，易發(fā)生火災(zāi)危險。有幾種同素異構(gòu)體，一般為淡黃色脆性結(jié)晶體或粉狀物，有特殊臭味，不溶于水。有助燃性，在日光下與易燃?xì)怏w混合時會發(fā)生燃燒爆炸。劇毒，空氣中最高容許濃度 31 mmg 。 ② 液氯 （ Chorine）：分子式為 2Cl，相對分子質(zhì)量為 71。有毒，空氣中最高容許濃度 ppm10 ，大鼠經(jīng)口半致死量 kgmg3300 。 化學(xué)反應(yīng)方程式： 主要反應(yīng)： ???? ??? H C lC O O HC lC HClC O O HCH 223 硫磺 （ 2— 1） ????? ??? H C lC O O HCHNHNHC O O HC lC H 2232 烏洛托品 （ 2— 2） 副反應(yīng)： ClNHHClNH 43 ?? （ 2— 3） 基本物料理化性質(zhì) ① 冰醋酸 （ Acetic Acid）：分子式為 COOHCH3 ，相對分子質(zhì)量為 60。 本 設(shè)計主要完成以下任務(wù)： ① 確定生產(chǎn)車間所采用的合成方法及 工藝流程 路線 ； ② 提高所得 產(chǎn)品的 收率 及 降低生產(chǎn)成本、物料消耗、勞動強(qiáng)度 ； ③ 力求資源綜合利用和保護(hù)環(huán)境，盡量滿足“三廢”治理的要求； ④ 進(jìn)行物料衡算和熱量衡算，確定車間 主要設(shè)備的規(guī)格型 號、工藝參數(shù)及 設(shè)備 組成 ； ⑤ 給出總體工藝流程圖、所用 主要設(shè)備的主體視圖及局部視圖。該方案雖為舊工藝 生產(chǎn)方案的改進(jìn)方案，但可以有效的提高甘氨酸產(chǎn)品的收率及市場競爭力。 所選設(shè)計方案為用硫磺粉、液氯、冰醋酸、液氨、烏洛托品溶液直接合成甘氨酸方法。從熱力學(xué)分析，延長反應(yīng)時間對復(fù)雜連串反應(yīng)中目的產(chǎn)物甘氨酸的 生成不利，因此降低反應(yīng)溫度的同時也必須提高催化劑使用水平，使反應(yīng)時間不致延長。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，改變反應(yīng)溫度，反應(yīng)結(jié)果見表 ]6[ 。 從甘氨酸的收率及純度所受影響因素方面分析，我國現(xiàn)行合成甘氨酸操