CN109678744B - 一种连续化制备甘氨酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续化制备甘氨酸的方法，将羟基乙腈与氨源、碳源在管式反应器中进行合成反应，将所得溶液浓缩，得到浓缩液，再将所述浓缩液进入釜式串联反应器中进行水解反应，得到含有甘氨酸的溶液，将所述含有甘氨酸的溶液精制后，得到精制甘氨酸。本发明采用管式填料反应器与釜式串联反应器组成的装置进行海因合成与水解反应，实现了连续化生产的目的。同时，在水解反应前增加了蒸馏装置，提高了海因水溶液的质量浓度，使得在同样的甘氨酸收率下，串联的釜式反应器减少，釜式反应器容积减小，反应时间缩短，从而更好地达到连续化生产的目的。

Description

一种连续化制备甘氨酸的方法

技术领域

本发明涉及精细化工领域，特别涉及一种连续化制备甘氨酸的方法。

背景技术

甘氨酸又名氨基乙酸，是结构最简单的氨基酸，作为一种重要的精细化工中间体，广泛应用于农药、医药、食品、饲料、日化和电镀等领域。我国是世界上最大的甘氨酸生产和消耗国，甘氨酸市场规模超过35万吨。目前甘氨酸的工业化生产技术主要有改进的施特雷克法、直接海因法和氯乙酸氨解法。由于国外技术垄断，我国的甘氨酸生产仍沿用落后的氯乙酸法，此法相对于改进的施特雷克法和直接海因法，存在着生产成本高、产品质量差、环境污染重等缺点。

另外，现有技术中的几种甘氨酸生产方法也存在着一些缺点。其中：(1)水解法：是以明胶或蚕丝等天然蛋白质为原料，经水解、分离、精制过滤、干燥得甘氨酸。这种方法蛋白质原料消耗大，生产成本高。(2)氯乙酸法：是将催化剂乌洛托品溶解于氨水中，在良好搅拌、30～50℃条件下滴加氯乙酸，投料结束后，升高温度至72～78℃保温3小时，之后降温，用乙醇或甲醇重结晶两次，得纯度约95％的甘氨酸。该方法产品品质差，废水处理困难，环保压力大，生产成本高。现为我国甘氨酸生产主流工艺，国外已全面淘汰。(3)施特雷克法：是将甲醛水溶液、氰化钠(或氰化钾)和氯化铵混合后在低温条件下进行反应，反应结束后加入醋酸使亚甲基氨基乙腈析出，然后溶于乙醇，再加入硫酸使其转化为氨基乙腈硫酸盐，之后加入化学计量的氢氧化钡，生成硫酸钡和甘氨酸，过滤，滤液浓缩结晶得甘氨酸。该方法工艺路线长，反应后处理的脱盐操作复杂，操作条件苛刻。现已被改进的施特雷克法和直接海因法替代。(4)改进的施特雷克法：为提高甘氨酸质量，降低生产成本和减少环境污染，国外开发了以氢氰酸替代氰化钠或氰化钾的改进的施特雷克法，反应以氢氰酸、甲醛、氨和二氧化碳为原料，反应液在管式反应器中进行。在低温下析出甘氨酸，母液循环使用，通过改变反应体系中副产物的质量浓度，使平衡向目标产物方向移动，从而达到提高反应收率的目的。但是该方法的原料氢氰酸剧毒、易挥发，无法长距离运输，从而制约了其推广应用。(5)直接海因法：羟基乙腈是氢氰酸与甲醛的加成产物，其稳定性较氢氰酸及其水溶液有明显提高。以羟基乙腈为主原料与氨水、二氧化碳或碳酸氢铵)，在良好搅拌、一定温度条件下反应合成海因，之后在一定温度、压力条件下使海因水解得甘氨酸。直接海因法是一种很有潜力的工业制备甘氨酸的方法，但目前工业上仅实现了间歇釜式生产，尚未实现工业连续化。

现有羟基乙腈连续化制备甘氨酸技术，存在合成反应的海因水溶液质量浓度较低，导致后续釜式连续化生产过程中，存在串联反应釜较多、反应釜容积较大、反应时间较长等缺陷。

因此急需寻找一种新的连续化制备甘氨酸的方法，来弥补上述缺陷。

发明内容

本发明的一个方面是针对现有技术中的羟基乙腈连续化制备甘氨酸技术中，合成反应生成的海因质量浓度较低，后续釜式连续化生产过程中，存在串联反应釜较多、反应釜容器较大、反应时间较长的缺陷，提供了一种连续化制备甘氨酸的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种连续化制备甘氨酸的方法，将羟基乙腈与氨源、碳源在管式反应器中进行合成反应，将所得溶液浓缩，得到浓缩液，再将所述浓缩液进入釜式串联反应器中进行水解反应，得到含有甘氨酸的溶液，将所述含有甘氨酸的溶液精制后，得到精制甘氨酸。

在本发明的技术方案中，发明人采用管式填料反应器与釜式串联反应器组成的装置进行海因合成与水解反应，实现了甘氨酸连续化生产的目的。在现有技术中，利用海因法制备甘氨酸通常采用压力釜式一锅法合成，其连续化水平低。本发明创造性地采用管式填料反应器与釜式串联反应器组成的装置进行海因合成与水解反应，并在此基础上进行了反应参数优化，从而实现了连续化生产的目的。本发明所述管式填料反应器相较于其他常用甘氨酸制备装置，具有物料混合充分，受热均匀，制作简便且易工业放大等优点，且为了更好地达到连续化生产的目的，本发明还兼顾了釜式串联反应器，使高温、高压水解反应时间进一步延长，有效地提高了甘氨酸收率。通过上述技术方案，可以很好地解决由羟基乙腈制备甘氨酸的连续化问题。

同时，在此基础上，本发明技术方案还在水解反应前增加了蒸馏装置，对水解反应得到的溶液进行浓缩，提高了海因水溶液的质量浓度，使得在同样的甘氨酸收率下，串联的釜式反应器减少，釜式反应器容积减小，反应时间缩短，从而更好地达到连续化生产的目的。同时也取消了后续的蒸馏过程。

而且，从反应动力学的角度看，经蒸馏提浓的同时，也将海因水溶液中的部分NH₃和CO₂从溶液中被释放出来，有利于海因水解生成甘氨酸的水解反应。

本发明的一个最佳实施方式的制备原理是通过羟基乙腈与碳酸氢铵与水在一定条件下进行合成与水解反应，从而得到甘氨酸。上述反应的反应方程式为：

HOCH₂CN+NH₃+CO₂→C₃H₄N₂O₃+H₂O

C₃H₄N₂O₃(海因)+2H₂O→NH₂CH₂COOH+NH₃+CO₂

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述浓缩是将所述合成反应得到的海因水溶液的质量浓度浓缩至30％以上。更优选地，所述浓缩是将质量浓度浓缩至45～65％。

上述浓缩过程可采用任意合适的浓缩方法进行。但作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述浓缩采用蒸馏提浓的方法，所述蒸馏提浓的过程在精馏塔、蒸馏釜或旋转蒸发仪中进行。

更优选地，该过程在精馏塔中进行。

在本发明中，由于发明人采用了新的技术方案，使得最后的精制过程中不需要再进行蒸馏提纯，因此节省了成本，提高了效率，同时有益于环保。因此，作为优选，本发明技术方案中的精制不包含蒸馏过程。

为了实现连续化生产甘氨酸的目的，发明人利用管式反应器作为海因合成反应的反应器，任意合适的管式反应器均能实现本发明的目的。但作为优选，在本发明的一个实施方式中，所述管式反应器为中空圆管或装有填料的固定床管式反应器，所述中空圆管可以为长径较大的中空圆管。更优选地，所述管式反应器为管式填料反应器，所述管式填料反应器中的填料为θ环填料。

作为优选，本发明方法中的海因合成反应在单个管式反应器中进行。

在本发明中，发明人采用管式填料反应器与釜式串联反应器组成的装置来实现甘氨酸连续化生产的目的。作为优选，在本发明的一个实施方式中，所述釜式串联反应器由2～6个釜式反应器经溢流串联而成。

在本发明中，进行海因反应的原料可以为任意合适的原料，只要其能够满足反应的顺利进行即可。作为优选，所述氨源为碳酸氢铵、碳酸铵、液氨和/或氨水，碳源为碳酸氢铵、碳酸铵和/或二氧化碳。更优选地，在本发明的一个实施方式中，反应物为羟基乙腈、碳酸氢铵和水。

具体地，在本发明的一个实施方式中，上述方法包括以下步骤：

步骤1)将羟基乙腈、碳酸氢铵与水按比例混合后进入到所述管式反应器中，在温度60～180℃、压力0～10MPa条件下反应0.2～1h，得到海因水溶液；

所述羟基乙腈的质量浓度为50％；所述羟基乙腈、碳酸氢铵与水的混合比例为1:2～10:50～100；

步骤2)将步骤1)中得到的海因水溶液进行蒸馏浓缩，将其质量浓度浓缩至30％以上，得到浓缩液，将释放出的水蒸气、二氧化碳和氨气进入所述管式反应器中循环使用；

步骤3)将步骤2)中得到的浓缩液进入釜式串联反应器中，在温度100～200℃、压力0～10MPa条件下反应0.5～2h，得到含有甘氨酸的溶液；

所述釜式串联反应器由2～6个釜式反应器通过溢流串联而成，且反应温度在各釜式反应器间依次递增，递增梯度为5～20℃；

步骤4)将步骤3)中得到的含有甘氨酸的溶液经结晶、醇析、分离、干燥后得到精制甘氨酸。

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述步骤1)所述羟基乙腈、碳酸氢铵与水的混合比例为1:2:50，所述温度为80～150℃，所述压力为4～8MPa，所述反应的时间为0.3～0.8h。

作为优选，步骤1)中得到的海因水溶液的质量浓度为3.70～8.79％。

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述步骤3)所述温度为150～180℃，所述压力为4～8MPa，所述反应的时间为1～1.5h；

所述釜式串联反应器由2～4个釜式反应器通过溢流串联而成，且反应温度在各釜式反应器间依次递增，递增梯度为10～15℃。

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述步骤4)所述结晶采用蒸发结晶，至少进行两次以上，更优选为两次；同时加入活性炭脱色。

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述步骤4)所述醇析是将结晶后粗甘氨酸溶于热水中充分溶解，冷却至室温，再加入一定体积的甲醇使甘氨酸结晶析出，反复精制2～3次，更优选为2次。

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述步骤4)所述分离可以采用滤布过滤分离、离心分离等合适的分离方法，更优选为采用离心分离的方法。

作为优选，在本发明的一个实施方式中，上述步骤4)所述干燥可以采用箱式干燥器、气流干燥器、沸腾干燥器、滚筒干燥器或者喷雾干燥器等装置进行，更优选为喷雾干燥器。

本发明的有益效果为：

本发明采用管式填料反应器与釜式串联反应器组成的装置进行海因合成与水解反应，实现了连续化生产的目的。同时，在水解反应前增加了蒸馏装置，提高了海因水溶液的质量浓度，使得在同样的甘氨酸收率下，串联的釜式反应器减少，釜式反应器容积减小，反应时间缩短，从而更好地达到连续化生产的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种连续化制备甘氨酸的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。需要特别指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明，并且相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围的基础上对本文所述内容进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

在本发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。以下对本发明中出现的主要化合物进行解释：

羟基乙腈：又称乙醇腈，化学式为HOCH₂CN，一般情况下为无色油状液体，是氢氰酸衍生物，也是最简单的羟腈。

海因：又名乙内酰脲，英文名为Hydantoin，分子式是C₃H₂N₂O₂，分子量为98.0602，用于有机合成，应用于化工、医药、纺织、生化等领域。

甘氨酸：又称氨酸乙酸，英文Glycine、缩写Gly，化学式为C₂H₅NO₂，是结构最简单的氨基酸，也是人体非必需氨基酸，一般情况下为白色单斜晶系或六方晶系的晶体或白色结晶粉末。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1甘氨酸的制备

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度100℃、压力7MPa、反应时间25min；海因水溶液经精馏塔提浓，浓缩液质量质量浓度为50％；之后浓缩液进入釜式串联反应器(共2釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜2温度165℃、压力7MPa、反应时间0.5小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶2次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.7％，甘氨酸收率为99.1％。

实施例2甘氨酸的制备

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度120℃、压力7MPa、反应时间30min；海因水溶液经精馏塔提浓，浓缩液质量质量浓度为55％；之后浓缩液进入釜式串联反应器(共3釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜2温度160℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜3温度170℃、压力7MPa、反应时间0.5小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶2次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.6％，甘氨酸收率为99.3％。

实施例3甘氨酸的制备

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度120℃、压力7MPa、反应时间45min；海因水溶液经精馏塔提浓，浓缩液质量质量浓度为60％；之后浓缩液进入釜式串联反应器(共3釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜2温度160℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜3温度170℃、压力7MPa、反应时间0.5小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶2次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.7％，甘氨酸收率为99.4％。

实施例4甘氨酸的制备

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度120℃、压力7MPa、反应时间20min；海因水溶液经精馏塔提浓，浓缩液质量质量浓度为30％；之后浓缩液进入釜式串联反应器(共3釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜2温度160℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜3温度170℃、压力7MPa、反应时间0.5小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶2次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.2％，甘氨酸收率为98.4％。

实施例5甘氨酸的制备

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度140℃、压力7MPa、反应时间40min；海因水溶液经精馏塔提浓，浓缩液质量质量浓度为45％；之后浓缩液进入釜式串联反应器(共3釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜2温度160℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜3温度170℃、压力7MPa、反应时间0.5小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶2次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.3％，甘氨酸收率为98.3％。

对比例1

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度100℃、压力7MPa、反应时间25min；海因水溶液未经精馏塔提浓，直接进入釜式串联反应器(共3釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜2温度160℃、压力7MPa、反应时间0.5小时，反应釜3温度170℃、压力7MPa、反应时间0.5小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶2次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.2％，甘氨酸收率为86.1％。

对比例2

原料选择羟基乙腈、碳酸氢铵和水，将三种物质按照摩尔比例1:2:50混合，由计量泵以350L/小时输送至管式反应器中进行合成反应，管式反应器温度100℃、压力7MPa、反应时间25min；海因水溶液未经精馏塔提浓，直接进入釜式串联反应器(共3釜)中进行水解反应，反应釜1温度150℃、压力7MPa、反应时间1小时，反应釜2温度160℃、压力7MPa、反应时间3小时，反应釜3温度170℃、压力7MPa、反应时间3小时；生成的甘氨酸水溶液液经结晶3次、醇析2次、离心分离和喷雾干燥器干燥得精制甘氨酸。

结果分析，甘氨酸含量99.3％，甘氨酸收率为98.1％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种连续化制备甘氨酸的方法，其特征在于，将羟基乙腈、碳酸氢铵与水在管式反应器中进行合成反应，将所得溶液浓缩，得到浓缩液，再将所述浓缩液进入釜式串联反应器中进行水解反应，得到含有甘氨酸的溶液，将所述含有甘氨酸的溶液精制后，得到精制甘氨酸；

所述羟基乙腈、碳酸氢铵与水的混合比例为1:2:50；

所述浓缩是将所述合成反应得到的海因水溶液的质量浓度浓缩至30％～60％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浓缩采用蒸馏提浓的方法，蒸馏提浓过程在精馏塔、蒸馏釜或旋转蒸发仪中进行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述精制不包含蒸馏过程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管式反应器为中空圆管或装有填料的固定床管式反应器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述釜式串联反应器由2～6个釜式反应器经溢流串联而成。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)将羟基乙腈、碳酸氢铵与水按比例混合后进入到所述管式反应器中，在温度60～180℃、压力0～10MPa条件下反应0.2～1h，得到海因水溶液；

所述羟基乙腈的质量浓度为50％；

步骤2)将步骤1)中得到的海因水溶液进行蒸馏浓缩，将其质量浓度浓缩至30％～60％，得到浓缩液，将释放出的水蒸气、二氧化碳和氨气进入所述管式反应器中循环使用；

步骤3)将步骤2)中得到的浓缩液进入釜式串联反应器中，在温度100～200℃、压力0～10MPa条件下反应0.5～2h，得到含有甘氨酸的溶液；

所述釜式串联反应器由2～6个釜式反应器通过溢流串联而成，且反应温度在各釜式反应器间依次递增，递增梯度为5～20℃；

步骤4)将步骤3)中得到的含有甘氨酸的溶液经结晶、醇析、分离、干燥后得到精制甘氨酸。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)所述温度为80～150℃，所述压力为4～8MPa，所述反应的时间为0.3～0.8h。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)所述温度为150～180℃，所述压力为4～8MPa，所述反应的时间为1～1.5h；

所述釜式串联反应器由2～4个釜式反应器通过溢流串联而成，且反应温度在各釜式反应器间依次递增，递增梯度为10～15℃。

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