年产900吨十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱生产车间设计分析Word文档下载推荐.docx
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对生产设备进行设计选型,厂房布置.最后绘制了生产工艺流程图,物料流程图,车间平面布置图,车间立面布置图。
关键词：
N，N－二甲基丙二胺；
烷基酰胺丙基二甲基叔胺；
烷基酰胺磷酸酯甜菜碱
Anannualoutputof900tonsofalkyalmidophosphobetaineproductionworkshop
JingShao
Eastchinainstituteoftechnology,fuzhou,jiangxi344000
Abstract:
Thecontentofthisdesignistodraftaannualoutputof900tonsofalkyalmidophosphobetaineproductionworkshop.Alkyalmidophosphobetaineisaversatilesurfactant,asamoderate,decontaminationroleinthegrowingfoamandsatabilizingthefoam.Soitisagoodsurfactantinmakingtheproductwhichcouldcareourskinandhair.Intherecentyears,thephosphateamphotericsurfactantisdeveloping,butitisstillasmalltype.Soresearchingthistypeofsurfactantdeeperandmoreextensiveisextremelynecessary.Aseriesofamphotericsurfactants,alkylamidophosphobetaineswerepreparedfromN,N-dimethgl-1,3-propylenediamine,alkylamidopropyldimethyltertiaryamineand2-oxy-3-chlorpropylphosphateinthisdesign.Theseproductshavegoodapplicatingfunctions.Secondly,Imakethematerialscountingandheatcounting.Thetypeoftheproductionequipmentischosedandtheworkshopisdisposed.Atlastthefollowingofproductiontechnicsisprotractincludingmainequipmentsdiagram,materialsdiagram,aflatdisposalpictureoftheworkshop,thesoliddisposalpictureoftheworkshop.
Keywords:
N,N-dimethyl-1,3-propylenediamine;
alkylamid-propyldimethylteriaryamine;
alkylamidophosphobetaine
1绪论
1.1概论
甜菜碱在生活中有很广泛的应用，因其有良好的去污，增泡，稳泡的作用，被称为是一种多功能表面活性剂,大多用来制备护发护肤用品的优良表面活性剂[1]。
作为一种新型精细化学品，又被广泛应用于食品、医药、化工、印染、饲料等领域。
甜菜碱还可用作还原染料以及添加于香波、浴液、护发素等日用品中；
甜菜碱用作食品添加剂，可制造人造肉等食品，对老人保健、儿童生长发育都能起到良好的促进作用；
甜菜碱也是制药工业的原料，可用于生产治疗和预防肝脏病的药物。
由于甜菜碱具有很多优良的性能，使其在化妆品中的用量不断地增加。
目前，国内应用最多的甜菜碱型两性表面活性剂仍是烷基甜菜碱，而其改性衍生物烷基酰胺丙基甜菜碱因具有很多优良的性能而越来越受市场的青睐，且有逐渐取代BS—12的趋势[2-5]。
发现最早和来源最广的磷酸酯甜菜碱是存在于大豆和蛋黄中的卵磷酯（PC）,磷酸酯甜菜碱可以通过多种方法来合成,可以借助于含羟基的季铵盐与五氧化二磷的反应,但更多地是利用表氯醇连接叔胺与磷酸化试剂。
磷酸酯甜菜碱的结构类似于细胞膜中发现的磷酸甘油酯，能与人的皮肤很好的相溶，有利于皮肤吸收而不刺激皮肤，从皮肤溶出的氨基酸量少，脱脂低，毒性和刺激性也很低，因此它主要适合生产香波的要求，特别适合婴儿洗涤剂的要求，加之合成技术不复杂，是很有前途的表面活性剂。
随着有机合成，表面化学技术的深入研究以及市场对温和型，环保型产品的需求量的增加，磷酸酯甜菜碱将会得到进一步发展[6-10]。
甜菜碱耐硬水性好，去污力和起泡性好。
与阴离子、阳离子、非离子表面活性剂配伍性好，可用于洗涤剂系列。
如脂肪醇硫酸钠和烷基苯磺酸钠的洗净力与发泡力不理想，在加入甜菜碱后上述问题获得解决，在液体洗净剂中加入甜菜碱可增加发泡、柔软和去污性能。
在肥皂生产中加入磺基和硫酸酯甜菜碱可作为性能优良的钙皂分散剂。
羊毛清洗剂是毛纺织工业的专用洗涤剂，主要用于厚羊毛的洗涤。
甜菜碱BS-12属两性离子表面活性剂，可以在较广的pH范围内显示出优异的柔软效果，对羊毛和亚麻织品既有丰富的柔软效果，又有有效的洗净作用，广泛用于柔软整理上，是理想的织物柔软剂，能有效地降低纤维间的摩擦系数，从而产生良好的柔软效果。
它可和各种表面活性剂复配，达到良好的协同效应，生物降解性好，低毒。
目前甜菜碱最主要的应用是在饲料工业作为一种高活性生物营养素，提供甲基参与生物体内合成肉碱、肌酸等必需物质的系列化反应，可以替代氯化胆碱和蛋氨酸，有利于防止因氯化胆碱的氧化反应而破坏饲料中的维生素类。
采食量是影响动物生长发育的决定性因素之一，也是能否提高鱼虾及畜禽类动物生长率的关键。
水产养殖中，甜菜碱作为甜味剂在鱼类诱食剂的各组分中起着主导作用。
在鱼饲料中拌入甜菜碱对所有的鱼类及虾等甲壳类动物的嗅觉和味觉均有极强的刺激作用，不仅提高了饲料的适口性，增加了鱼类摄食量，而且缩短了摄食时间。
结果是提高饲料利用率，避免剩余饲料沉入水底而造成环境污染。
同时诱食作用对鱼虾快速生长，增强抗病能力和免疫力有着重要的意义。
特别是和氨基酸复配时这种诱食作用更为突出。
甜菜碱不仅使鱼类的味觉有感受，还能增强其他氨基酸对鱼的味觉感受。
在国外，甜菜碱已有二十多年的生产和使用历史，欧美国家中早已普遍应用于水产品和畜禽养殖行业。
作为饲料添加剂，欧美国家早已把甜菜碱作为要推广的重要品种之一，大量应用于养殖业。
1.2综述
合成十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱，首先用二甲胺和丙烯腈反应生成二甲基胺基丙腈，其次经过催化加氢反应生成N，N-二甲基丙二胺。
将中间产物通入精馏釜进行精馏后加入十二烷基脂肪酸甲酯，生成十二烷基酰胺丙基二甲基叔胺。
将环氧氯丙烷和磷酸通入釜中，在反应前用适量氢氧化钠调节反应物的PH值至3.5左右。
最后将生成的丙磷酸酯与十二烷基酰胺丙基二甲基叔胺反应约4.5小时，即得到产品十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱。
在此次设计当中，合成十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱的主要步骤为：
首先将33％的二甲胺水溶液缓慢加到丙烯腈当中，时间控制在2～3小时，于室温下搅拌反应6小时，生成二甲基氨基丙腈，然后静止大约3小时收率为85.1％〔11〕。
反应式为：
（CH3）2NH+CH2=CHCN→（CH3）2NCH2CH2CN
然后将反应生成的二甲基氨基丙腈于5.33kpa下进行减压蒸馏，收集82℃到84℃的馏分二甲基氨基丙腈。
第三步将二甲基氨基丙腈加入到催化加氢反应釜中，加入兰尼镍催化剂，然后用氮气置换三次后，通入适量的液氨，在通入氢气进行催化加氢反应，，压力为2.0MPa到3.0MPa,反应温度65℃到75℃。
（CH3）2NCH2CH2CN+2H2→（CH3）2NCH2CH2CH2NH2〔12〕
第四步将脂肪酸甲酯，二甲基丙二胺，适量催化剂，通氮气的保护下，升温到120℃～150℃，搅拌反应3～5小时，反应结束。
第五步将反应结束后，蒸出过量的二甲基丙二胺，然后得到中间体Ⅰ（十二烷基酰胺丙基二甲基叔胺）。
第六步将磷酸和20％的氢氧化钠水溶液移入回流反应釜，调PH值为3.0～4.0，然后升温，加入适量的环氧氯丙烷，搅拌反应，得到中间体Ⅱ（2－羟基－3－氯丙磷酸酯溶液）〔13〕。
最后，将中间体Ⅰ和中间体Ⅱ加入置换反应釜制得十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱。
在反应过程中，原料氢氧化钠为强碱，当它与皮肤接触时，应立即用大量的水冲洗。
丙烯腈有剧毒，实际操作时一定要注意储罐和反应的是否密封。
另外，制取丙二胺时，催化加氢反应易发生爆炸，所以，此反应的有关容器应放在防爆间内。
1.3原料性质
1.3.1丙烯腈
分子式为C2H3CN，分子量为53。
性质：
常温下为无色透明液体，味甜，微臭。
沸点为77.3℃，相对密度为0.806g/cm3，闪点为-5℃。
丙烯腈在常温下微溶于水，易溶于多数有机溶剂。
属大众基本有机化工产品，是三大合成材料——合成纤维、合成橡胶、塑料的基本且重要的原料，在有机合成工业和人民经济生活中用途广泛。
目前的市场规格为浓度99.5%，价格为13500元/吨。
属剧毒类产品。
1.3.2二甲胺
分子式为（CH3）2NH，分子量为45。
常温下为无色气体，具有鱼腥气味，浓时有氨味，熔点为-96℃，沸点为6.88℃，密度为0.654g/cm3，闪点为-17.8℃。
二甲胺在常温下易溶于水，溶于乙醇，乙醚。
目前的市场规格为浓度40%，价格为3500元/吨。
属低毒类产品，且为易燃气体。
可用于有机合成及沉淀氢氧化锌等。
主要用作橡胶硫化促进剂、皮革去毛剂、医药（抗菌素）、农药（福美双、杀虫脒、灭草隆等除草剂）、纺织工业溶剂、染料、炸药、推进剂及二甲肼、N，N-二甲基甲酰胺等有机中间体的原料。
1.3.3氢气
分子式为N2，分子量为28.01。
常况下是一种无色无味无嗅的气体，且通常无毒。
密度为1.25g/L，沸点为-195.81℃。
氮气占大气总量的78.12%（体积分数），是空气的主要成份。
常温下为气体，在标准大气压下，冷却至-195.8℃时，变成没有颜色的液体，冷却至-209.86℃时，液态氮变成雪状的固体。
氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。
氮气在常温下微溶于酒精。
市场规格为100%，价格为0.45元/瓶，属无毒类产品。
1.3.4氮气
分子式为H2，分子量为2.016。
常温下为无色无味气体。
密度为0.0899g/L，熔点为-259.19℃，沸点为-252.76℃，氢气具有还原性。
市场规格为浓度99%，价格为180元/瓶（40L/瓶），属无毒类产品。
它的密度非常小，只有空气的1/14，即在标准大气压,0℃下,氢气的密度为0.0899g/L。
所以氢气可作为飞艇的填充气体（由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充）。
在高温、高压下,氢气甚至可以穿过很厚的钢板。
氢气主要用作还原剂。
1.3.5液氨
分子式为NH3，分子量为17.03。
常温下为无色液体，有刺激性气味。
熔点为-77.75℃，沸点在-33.42℃。
液胺在常温下溶于乙醇，乙醚。
，又称为无水氨，是一种无色液体。
氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。
液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当高。
市场规格为浓度99.9%，价格为2400元/吨。
属有毒，易挥发类产品。
1.3.6兰尼镍
分子式为Ni，分子量为58.71。
兰尼镍是一种由带有多孔结构的镍铝合金的细小晶粒组成的固态异相催化剂，它最早由美国工程师莫里·
兰尼在植物油的氢化过程中，作为催化剂而使用。
在常温下干燥时在空气中易着火。
通常保存在水，乙醇或乙醚中。
1.3.7脂肪酸甲酯
分子式为C11COOCH3，分子量为191。
常温下为无色，带柑橘香气和酒香的液体。
沸点为194℃，熔点为-41℃，相对密度为0.878g/cm3。
脂肪酸甲酯在常温下不溶于水，溶于乙醇。
肪酸甲酯是用途广泛的表面活性剂（SAA）的原料。
从脂肪酸甲酯出发可生产两大类表面活性剂，一类是通过磺化中和生产脂肪酸甲酯磺酸盐（MES），另一类是通过加氢生产脂肪醇。
市场规格为浓度99%，价格为644元/5ml。
产品属无毒类产品，用做香料和有机中间体。
1.3.8甲醇钠
分子式为CHONa，分子量为54.02。
常温下为白色无定形易流动粉末，无臭。
沸点为450℃，相对密度为1.3g/cm3。
甲醇钠溶于甲醇，乙醇。
主要用作缩合剂和强碱性催化剂，以及甲氧基化剂用于制取维生素B1及A、磺胺嘧啶等药物。
少量用于农药生产。
也可用作处理食用脂肪和食用油（特别是处理猪油）的催化剂，还可用作分析试剂。
市场规格为浓度99.3%，价格为9500元/吨。
属无毒类产品，遇水，酸类，氧化剂及火能引起燃烧。
1.3.9环氧氯丙烷
分子式为C3H5ClO，分子量为92.85。
常温下为易挥发，不稳定无色油状液体。
密度为1.1806g/cm3，沸点为115.2℃，凝固点为-57.2℃。
环氧氯丙烷在常温下微溶于水，能与多种有机溶剂混溶。
市场规格为浓度99%，价格为23000元/吨，属高毒性，有刺激性气味，可燃液体。
1.3.10氢氧化钠
分子式为NaOH，分子量为40.01。
常温下为易潮解的白色晶体。
熔点为322℃，沸点为1557℃，密度为2.130g/cm3，易溶于水，易吸收空气中的水分和二氧化碳。
1g溶于0.9ml冷水、0.3ml沸水、7.2ml无水乙醇、4.2ml甲醇，溶于甘油。
溶于水、乙醇时或溶液与酸混和时产生剧热。
溶液呈强碱性。
相对密度2.13。
熔点318℃。
沸点1390℃。
半数致死量（小鼠，腹腔）40mg/kg。
市场规格为浓度96%，价格为2500元/吨，属于无毒，强碱，具有强腐蚀性固体。
1.3.11磷酸
分子式为H3PO4，分子量为98。
常温下为无色斜方晶体。
密度为1.88g/cm3，熔点为42.35℃，沸点为213℃，溶于水。
用于生产高浓度磷肥和复合肥料。
磷酸还是肥皂、洗涤剂、金属表面处理剂、食品添加剂、饲料添加剂和水处理剂等所用的各种磷酸盐、磷酸酯的原料。
作为磷肥生产的原料，是正磷酸或多磷酸的水溶液。
市场规格为浓度85%，价格为4500元/吨，属于无毒类产品。
1.4工作制度劳动定员
采用两班倒，车间为间歇式生产。
年产900吨十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱生产车间年开工301天。
表1.1劳动定员表
工段工种甲乙丙合计
缩合工段操作工1113
减压蒸馏工段操作工1113
催化加氢工段操作工1113
工艺员1113
精馏工段操作工1113
工艺员1113
置换反应工段操作工1113
酯化反应工段操作工1113
季胺化工段操作工1113
换热工段操作工3339
过滤工段操作工1113
全车间车间主任11
全车间化验员11
合计15121241
2.1生产流程介绍
脂肪酸甲酯与二甲基丙二胺反应是合成烷基酰胺磷酸酯甜菜碱的关键步骤，脂肪酸甲酯转化率的高低将直接影响最终产品的质量。
此反应应在氮气的保护下搅拌反应3至5小时后将产品和副产品及其它没有反应的原料通入常压蒸馏塔内进行蒸馏精制叔胺。
反应第一步为合成二甲基丙腈，反应时应注意生成产品后需静止过夜，且之后应进行5.33kp下的减压蒸馏，收集82至84℃馏份。
第二步合成二甲基丙二胺，将二甲基丙氰和催化剂加入到高压釜中，用氮气置换釜中空气3次，然后压入液氮，通入氢气，于60-70℃，下反应1.5h，将反应所得产品精馏，即得产品。
在第三步制叔胺的过程中注意用氮气保护，并加入适量催化剂，催化剂为甲醇钠，产品应通过常压蒸馏精制。
合成丙磷酸酯时应先用氢氧化钠调节ph值在4左右，原料搅拌4小时。
在上述反应液中加入等摩尔叔胺，加热并缓慢搅拌，温度在70至75度左右为宜。
温度过低会延长反应时间；
温度过高，反应物中的水分易蒸发损失，易冲料，同时会造成产物粘稠，不易出料。
产物中两性表面活性剂与氯化钠以等摩尔增加，当氯化钠含量不再显著增加时，反应结束，反应时间为4小时。
最终反应产物为烷基酰胺磷酸酯甜菜碱。
2.2生产流程方案的确定
因原料烷基酰胺丙基叔胺是微溶性的，而且烷基链越长，水溶性越差，合成十二十二基酰胺磷酸酯甜菜碱的应越难启动。
为使反应顺利进行，需加入相转移催化剂或目的十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱产物。
通过测定反应液中残留的叔胺量监控反应。
2.3生产流程图简述
丙烯腈和二甲胺从原料罐中打入缩合反应釜，在常温条件下经搅拌反应2小时后将产物打如减压蒸馏反应釜。
反应条件为5.33kpa，84℃。
蒸馏出产品经去真空后分别进入水回收罐和丙腈接收储罐。
将生成的丙腈投入到催化加氢反应釜中，反应条件为2.5mpa，70℃，1.5h。
反应完成后经过滤器过滤滤出兰尼镍等固体杂质，将过滤后的丙二胺打入精馏釜中精馏，精馏温度为133℃，将馏出物通过换热器进入丙二胺中间储罐。
再将丙二胺和脂肪酸甲酯投入置换反应釜中用，搅拌器搅拌反应温度为130℃，4h反应完成后进行常压蒸馏蒸出甲醇和多余的丙二胺，并将其通过换热器冷凝后回收。
釜底接收产物叔胺。
将磷酸，环氧氯丙烷和氢氧化钠通入酯化反应釜搅拌并回流3.5h，将生成的丙磷酸酯和叔胺通入季胺化釜反应，反应温度为75℃，反应时间为4h，用搅拌器搅拌，反应完成后收集产品。
2.4本设计特点及存在的问题
甜菜碱性质温和，具有良好的去污和增泡作用，是用于制备护发护肤用品的优良表面活性剂。
近年来，国内对磷酸酯型甜菜碱表面活性剂进行了一定的开发，但其类型较少，且原料比较昂贵，因此在本次设计中所选取的原料价格大都比较适中，由于原料不同，合成路线也有所改变。
在合成十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱时，因原料烷基酰胺丙基叔胺是微溶性的，而且烷基链越长，水溶性越差，反应越难启动。
在本设计中,选用十二烷基酰胺丙基叔胺与丙磷酸酯合成十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱。
其中十二烷基酰胺丙基叔胺是二甲胺和丙烯腈反应生成二甲基氨基丙腈,在通过减压蒸馏,催化加氢进一步与十二酸甲酯反应,置换反应制得。
丙磷酸酯则通过环氧氯丙烷和磷酸反应制得。
3工艺方案
3.1物料恒算
3.1.1车间日产量的计算
计算基准:
年生产900吨,年工作日为301天,60天进行机器检修,5天机动.
周期为12小时,采用一天两班倒制度.
每年投料次数＝7224÷
12＝602次
每一批产品净含量＝900÷
602＝1495.017Kg
3.1.2季胺化反应的物料恒算
计算基准:
中间体Ⅰ转化率为98.4％
中间体Ⅱ用量为过量5％，
催化剂用量为总量1％，
反应温度为75℃，
反应时间为4小时
中间体Ⅰ实际投料量＝（1495.017×
284/438）/98.4％
=985.13Kg/批
中间体Ⅱ实际投料量＝（1495.017×
190.5/438）*（1＋5％）
＝682.74Kg/批
生成盐酸的量＝1495.017×
36.5/438＝124.58Kg/批
催化剂用量＝（985.13+682.74）*1％＝16.68Kg/批
3.1.3回流反应段物料衡算
PH＝3.2～3.5，
反应温度75℃，
磷酸市场规格为85％，
反应时间3.5小时
磷酸实际投料量＝（98*682.74/190.5）/85％＝413.21Kg/批
环氧氯丙烷投料量=682.74*92.5/190.5=331.51Kg/批
氢氧化钠投料量＝0.5*682.74*40/190.5＝71.68Kg/批
20％氢氧化钠水溶液质量＝71.68/20％＝358.4Kg/批
3.1.4置换反应段物料衡算
甲酯转化率为99.9％，
催化剂用量1.2％，
甲酯与二甲基丙二胺投料比＝1：
1.1，
反应时间为4小时，
反应温度为130℃
甲酯实际投料量＝（985.13*214/284）/99.9％＝743.06Kg/批
二甲基丙二胺实际投料量＝743.06*102*1.1/214＝389.59Kg/批（根据甲酯算出）
生成甲醇的量＝985.13*32/284＝111.00Kg/批
催化剂甲醇钠的投料量＝（389.59+743.06）*1.2％＝13.59Kg/批
3.1.5精馏段物料衡算
N,N－二甲基丙二胺中的杂质占4～6％，定为5％
N,N－二甲基丙二胺实际用量＝389.59/95％＝410.09Kg/批
=4.0205*103mol/批
3.1.6过滤段物料衡算
N,N－二甲基丙二胺损失1％
N,N－二甲基丙二胺实际用
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