氨基乙酸是一種結(jié)構(gòu)最為簡單的非必須氨基酸,又名甘氨酸、膠糖。氨基乙酸作為一種重要的基礎(chǔ)性精細(xì)化工中間體,可廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、動物飼料及日用化學(xué)品等多個行業(yè)。氨基乙酸目前的合成方法主要有氯乙酸氨解法、施特雷克法、羥基乙腈工藝、直接海因法和生物合成法。由于技術(shù)水平和成本的制約,目前國內(nèi)氨基乙酸生產(chǎn)大多采用氯乙酸氨解法,生產(chǎn)工藝采用較為傳統(tǒng)的釜式間歇法,即氯乙酸和氨氣在烏洛托品的催化作用下生成氨基乙酸和氯化銨。生產(chǎn)過程中含有的氨基乙酸和氯化銨混合水溶液以甲醇作為萃取劑,將氨基乙酸產(chǎn)品和氯化銨分離,而含有甲醇、水和氯化銨的萃取液采用蒸餾的方式將甲醇分離后回用。然而該工藝是間歇式生產(chǎn),生產(chǎn)效率低,且各工段人工用量較多,生產(chǎn)成本較高。此外,該方法生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氨氣會從縫隙中溢出,造成環(huán)境污染。

與間歇式反應(yīng)釜不同,微反應(yīng)器具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)能夠使物料充分混合,且采用連續(xù)流動反應(yīng),持液量小,比表面積大,具有極大的熱交換率和混合率,能提高操作的安全性; (2)微反應(yīng)器能夠精準(zhǔn)控制反應(yīng)的溫度和時間,從而減少副反應(yīng)的發(fā)生;(3)由于微反應(yīng)器換熱效率極高,即使反應(yīng)過程中突然釋放大量熱量,也可以被迅速導(dǎo)出,從而保證反應(yīng)溫度的穩(wěn)定,減少了安全事故和質(zhì)量事故發(fā)生的可能性;(4)在反應(yīng)過程中都是封閉式反應(yīng),不會產(chǎn)生反應(yīng)物泄露。

為了實(shí)現(xiàn)微通道反應(yīng)器的氨基乙酸連續(xù)化生產(chǎn),獲取影響反應(yīng)收率的最優(yōu)條件,本文以控制變量法對微反應(yīng)器連續(xù)合成氨基乙酸工藝路線的氯乙酸濃度與流量、反應(yīng)溫度、pH值和壓力控制參數(shù)進(jìn)行研究。

工藝流程

微反應(yīng)器放置于實(shí)驗(yàn)臺上,氯乙酸、烏洛托品和水的混合液由平流泵打入微反應(yīng)器。液氨借助液氨罐自身的壓力進(jìn)入微反應(yīng)器。原料流進(jìn)微反應(yīng)器使物料充分反應(yīng),然后流出。通過流出反應(yīng)液的pH值來判斷物料是否充分反應(yīng)。pH計安裝在微反應(yīng)器上反應(yīng)液的出口處,以達(dá)到實(shí)時檢測反應(yīng)液pH值的目的。通過調(diào)節(jié)氨閥門和泵的流量來控制反應(yīng)液的pH值。冷熱一體機(jī)與微反應(yīng)器連接,通過調(diào)節(jié)冷熱一體機(jī)的溫度來控制反應(yīng)過程中的溫度,反應(yīng)液進(jìn)入萃取釜萃取分離氨基乙酸(圖1)。

圖1 微反應(yīng)器的工藝流程

1.3 氨基乙酸的合成

取樣81.50%氯乙酸水溶液3.00 kg、 25.00%烏洛托品水溶液1.15 kg,混合溶于0.70 kg水中配成氯乙酸-烏洛托品混合液備用。由于小試的量很小且升溫慢,所以實(shí)驗(yàn)開始需要先開啟冷熱一體機(jī)升溫,待溫度升到60 ℃時,先打開氨閥門,確定氨順利流出后再開啟酸泵開始反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)氨閥門的大小和酸泵的流量來控制反應(yīng)的pH值。反應(yīng)的溫度控制在70±2 ℃之間,酸泵流量設(shè)定為48 mL·min-1, pH值控制在6.0±0.2之間。反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)液放入萃取釜進(jìn)行結(jié)晶萃取。

2 結(jié)果與討論

在氨基乙酸生產(chǎn)過程中,氯乙酸濃度和氯乙酸流量對氨基乙酸的生產(chǎn)和反應(yīng)過程的影響很大,反應(yīng)溫度、pH值和壓力對反應(yīng)收率也起到了關(guān)鍵性作用,因此在實(shí)驗(yàn)過程中對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化十分必要。

2.1 氯乙酸濃度對氨基乙酸收率的影響

從理論上分析,氯乙酸的濃度對氨基乙酸的收率影響不大,但在生產(chǎn)過程中是不可忽視的重要因素。氯乙酸的濃度越高,反應(yīng)速率越快,從而節(jié)省反應(yīng)時間。因此從工業(yè)化的角度來看,氯乙酸濃度的調(diào)控是十分重要的。但是在實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn),氯乙酸的濃度過高會容易形成結(jié)晶堵塞管路,使反應(yīng)無法連續(xù)進(jìn)行。同樣地,在生產(chǎn)上濃度過高引起的結(jié)晶也會增加放料困難,所以需要在反應(yīng)前配水以降低氯乙酸的濃度。配水量過多雖然不會影響反應(yīng)過程中氨基乙酸的生成,但是水會溶解掉部分氨基乙酸。然而以醇相萃取法無法完全萃取出該部分氨基乙酸。因此,配水會損失氨基乙酸,配水越多,損失的氨基乙酸越多。

2.2 氯乙酸流量對氨基乙酸收率的影響

在進(jìn)行微反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程中,將反應(yīng)溫度控制在80±2 ℃之間、氯乙酸濃度設(shè)置為66.08%,按照氯乙酸流量為40 mL·min-1、 42 mL·min-1、 46 mL·min-1、 48 mL·min-1和50 mL·min-1分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)氯乙酸流量過小時,由于需要的液氨量小而難以對氨閥門進(jìn)行控制,往往是輕微的調(diào)節(jié)就會使氨量過大,造成pH值偏高。當(dāng)氯乙酸的流量設(shè)定過大時,氨閥門也不易控制,這是因?yàn)槁纫宜崃髁孔兇蠛笫刮⒎磻?yīng)器內(nèi)的壓力變大,而微反應(yīng)器的最大承壓范圍為2.0 MPa。在氯乙酸本身流量造成較大壓力的前提下再打開氨閥門輸送液氨,很容易造成壓力超出微反應(yīng)器的承壓極限而發(fā)生危險。

2.3 pH對氨基乙酸收率的影響

氨基乙酸的等電點(diǎn)是5.97,理想狀態(tài)下液氨和氯乙酸反應(yīng)的物質(zhì)的量之比為2 ∶1。但是在實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)中,由于會產(chǎn)生各種原物料的損耗,反應(yīng)過程中氨的使用量總是過量的。為了保證反應(yīng)過程中氯乙酸能夠充分反應(yīng),一般將反應(yīng)的pH控制在7.0左右。在氯乙酸與液氨發(fā)生反應(yīng)的過程中,伴隨著2個副反應(yīng)。隨著產(chǎn)生的氨基乙酸越來越多,副產(chǎn)物氨二乙酸和氨三乙酸的合成也越來越快,這使氨基乙酸的濃度達(dá)到一定值后又開始逐漸下降。隨著pH的升高,氨基乙酸的濃度會逐漸增大,同時副產(chǎn)物氨二乙酸和氨三乙酸的濃度也逐漸增高。因此在釜式反應(yīng)中,通過提高反應(yīng)的pH來提高氨基乙酸收率的方法是有不利因素存在的。但是在微反應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)氨基乙酸工藝中,由于反應(yīng)物停留時間短,能夠及時移走熱量,減少了副反應(yīng)的發(fā)生,從而獲得了最高的反應(yīng)收率,避免了因副反應(yīng)過多造成氨基乙酸濃度下降使氨基乙酸收率降低的現(xiàn)象。

2.4 壓力對氨基乙酸反應(yīng)過程的影響

由于微反應(yīng)器反應(yīng)是在密閉的環(huán)境中進(jìn)行的,因此反應(yīng)過程中的微反應(yīng)器存在壓力。本文用來做小試的微反應(yīng)器承受的最大壓力是2.0 MPa。當(dāng)壓力過大時會出現(xiàn)損壞微反應(yīng)器的可能,甚至可能發(fā)生危險事故。因此在調(diào)節(jié)其它變量的同時還要時刻關(guān)注壓力的變化。為了減小壓力過大帶來的危險,本研究在實(shí)驗(yàn)過程中把壓力控制在1.0 MPa以內(nèi)。根據(jù)本研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,壓力控制在0.8 MPa較為適宜。當(dāng)壓力超過1.0 MPa時,會出現(xiàn)反應(yīng)液出口噴氨氣的現(xiàn)象,隨著壓力的增大,氯乙酸進(jìn)料越困難。

本研究通過實(shí)驗(yàn)證明利用微反應(yīng)器連續(xù)合成氨基乙酸是可行的,微通道反應(yīng)器這一裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氨基乙酸的連續(xù)化生產(chǎn)。本文通過控制變量法對影響氨基乙酸的因素逐個進(jìn)行驗(yàn)證,得出利用微反應(yīng)器連續(xù)合成氨基乙酸工藝的最佳操作條件為:反應(yīng)溫度70±2 ℃、壓力0.8 MPa、 pH=6.0±2.0、氯乙酸水溶液濃度66.00%、氯乙酸流量48 mL·min-1。以此條件進(jìn)行反應(yīng),氨基乙酸收率可達(dá)到90.20%,從而為利用微反應(yīng)器連續(xù)合成氨基乙酸新技術(shù)的開發(fā)提供了很好的依據(jù)。

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