1、 毕业设计（论文） 课题名称 ： 年产 900 吨十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱生产车间设计 院 （系） 化学生物与材料科学学院 专 业 化学工程与工艺 班 级 090531 学号 09053121 学生姓名 邵菁 指导教师 杨绰 二 0 一三 年六月 Graduation Thesis Title An annual output of 900tons of alkyalmidophosphobetaine production workshop Name Jing Shao Student ID 09053121 Advisor Yang chuo Director Major Chemical
2、 Engineering and Technology June 2013 年产 900 吨十二烷 基酰胺磷酸酯甜菜碱生产车间设计 邵 菁 （东华理工大学化学工程与工艺系 江西抚州 344000） 摘 要 摘要 ： 本设计内容为年产 900 吨十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱的生产车间工艺设计。甜菜碱是一种多功能表面活性剂 ,因其温和性、去污作用和良好的增泡、稳泡性能 ,是用于制备护发护肤用品的优良表面活性剂。近年来 ,国内外对磷酸酯型甜菜碱两性表面活性剂进行开发 ,但其类型较少 ,因此对这类表面活性剂进行深入而广泛的研究是极有必要的。在本设计中 ,以 N， N二甲基丙二胺与十二烷基脂肪酸甲酯缩合制得
3、十二烷基酰胺丙基二 甲基叔胺，进一步与 2羟基 3氯丙磷酸酯反应，制得系列新型十二烷基酰胺磷酸酯甜菜碱。该系列产品具有优良的应用性能。其次，对整个反应进行物料恒算 ,热量恒算。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 An annual output of 900tons of alkyalmidophosphobetaine production workshop Jing Shao East china institute of techn
4、ology, fuzhou, jiangxi 344000 Abstract: The content of this design is to draft a annual output of 900 tons of alkyalmidophosphobetaine production workshop .Alkyalmidophosphobetaine is a versatile surfactant,as a moderate, decontamination role in the growing foam and satabilizing the foam . So it is
5、a good surfactant in making the product which could care our skin and hair.In the recent years,the phosphate amphoteric surfactant is developing ,but it is still a small type.So researching this type of surfactant deeper and more extensive is extremely necessary.A series of amphoteric surfactants,al
6、kylamidophosphobetaines were prepared from N,N-dimethgl-1,3-propylenediamine, alkylamidopropyldimethyl tertiary amine and 2-oxy-3-chlorpropyl phosphate in this design.These products have good applicating functions.Secondly, I make the materials counting and heat counting .The type of the production
7、equipment is chosed and the workshop is disposed. At last the following of production technics is protract including main equipments diagram , materials diagram ,a flat disposal picture of the workshop, the solid disposal picture of the workshop. Keywords:N,N-dimethyl-1,3-propylenediamine;alkylamid-
8、propyldimethylteriaryamine; alkylamidophosphobetaine 目 录 1 总论 . 3 1.1 概论 . 3 1.3 原料性质 . 5 1.3.1 丙烯腈 . 5 1.3.2 二甲胺 . 5 1.3.3 氢气 . 5 1.3.4 氮气 . 5 1.3.5 液氨 . 6 1.3.6 兰尼镍 . 6 1.3.7 脂肪酸甲酯 . 6 1.3.8 甲醇钠 . 6 1.3.9 环氧氯丙烷 . 7 1.3.10 氢氧化钠 . 7 1.3.11 磷酸 . 7 1.4 工作制度劳动定员 . 7 2 生产方案 . 错误 !未定义书签。 2.1 生产流程介绍 . 8 2
9、.2 生产流程方案的确定 . 8 2.3 生产流程图简述 . 8 2.4 本设计特点及存在的问题 . 9 3 工艺方案 . 10 3.1 物料恒算 . 10 3.1.1 车间日产量的计算 . 10 3.1.2 季胺化反应的物料恒算 . 10 3.1.3 回流反应段物料衡算 . 10 3.1.4 置换反应段物料衡算 . 10 3.1.5 精馏段物料衡算 . 11 3.1.7 催化加氢段物料衡算 . 11 3.1.8 减压蒸馏段物料衡算 . 11 3.1.9 缩合反应段物料衡算 . 12 3.2 热量衡算 . 13 3.2.1 热容的计算 . 13 3.2.2 缩合反应釜的热量衡算 . 15 3.
10、2.3 减压蒸馏段热量衡算 . 16 3.2.4 催化加氢反应釜的热量衡算 . 17 3.2.5 精馏段热量衡算 . 18 3.2.6 置换反应段热量衡算 . 19 3.2.7 回流反应段的热量衡算 . 22 3.2.8 季胺化反应段热量衡算 . 22 3.3 设备选型 . 23 3.3.1 季胺化反应釜的设计及选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.2 减压蒸馏反应釜的设计及选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.3 催化加氢反应釜的设计及选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.4 精馏反应釜的设计及选型 . 23 3.3.5 精馏塔的设计及选型 . 26 3.3.6 置换反应釜的设计及选型
11、 . 26 3.3.7 回流反应釜的设计及选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.8 缩合反应釜的设计及选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.9 储罐的设备选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.10 搅拌器的设备选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.11 冷凝器的选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.12 泵的设备选型 . 错误 !未定义书签。 3.3.13 过滤器的设备选型 . 错误 !未定义书签。 4 技术经济指标分析 . 31 5 环境保护及安全措施 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 1 东华理工大学毕业设计（论文） 致谢 1 绪论 1.1 概论 甜菜碱在生活中有很广泛的应
12、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。 近年来 ,国内外对磷酸酯型甜菜碱两性表面活性剂进行开发 ,但其类型较少 ,因此对这类表面活性剂进行深入而广泛的研究是极有必要的。 由于甜菜碱具有很多优良的性能，使其
13、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
14、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
15、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，甜菜碱作为甜味东华理工大学毕业设计（论文） 致谢 剂在鱼类诱食
16、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 甜菜碱
17、是一种多功能表面活性剂 ,因其温和性、去污作用和良好的增泡、稳泡性能 ,是用于制备护发护肤用品的优良表面活性剂。近年来 ,国内外对磷酸酯型甜菜碱两性表面活性剂进行开发 ,但其类型较少 ,因此对这类表面活性剂进行深入而广泛的研究是极有必要的。 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
18、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(CH 3)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
19、加氢反应，压力为 2.0MPa到 3.0MPa,反应温度 65 到 75 。 反应式为： （ CH3） 2NCH2CH2CN+2H2(CH 3)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 （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，东华理工大学毕业设计（论文） 致谢 然后升温，加入适量的环氧氯丙烷，搅拌反应，得到中间体 （ 2羟基 3氯丙磷酸
20、酯溶液） 13 。 最后，将中间体 和中间体 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 0.806 g/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
21、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。 性质：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、
22、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。 性质： 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
23、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 东华理工大学毕业设计（论文） 致谢 分子式为 H2，分子量为 2.016。 性质：常温下为无色无味气体。密度为 0.0899 g/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）。
24、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。 性质：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
25、。 性质：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。 性质：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 0.878 g/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。 性质：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 1.3 g/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
