基于电去离子技术的甘氨酸氯化铵分离工艺研究

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甘氨酸是一种重要的化学中间体,在农药、医药以及食品等行业有着很广泛的应用,其合成和分离工艺得到许多研究者的关注。甘氨酸的合成工艺主要有氯乙酸氨解法、施特雷克法(Strecker)和海因法(Hydantion)三种。我国目前仍采用在国外已被淘汰的氯乙酸氨解法技术,该工艺存在的关键是甘氨酸与副产物氯化铵的分离。目前主要采用甲醇醇析工艺进行分离,需要消耗大量的甲醇,生产成本相对较高,产品缺乏竞争力。本论文针对目前存在的问题,对甘氨酸氯化铵的分离工艺提出了改进与创新。采用绿色环保的电渗析膜分离方法来分离甘氨酸和氯化铵,以提高甘氨酸和副产物氯化铵的品质,循环利用催化剂乌洛托品。主要研究了电渗析过程的极限电流及其影响因素、电渗析分离性能及其影响因素、不同膜堆的分离特性、以及电渗析分离甘氨酸氯化铵的经济性等方面的内容。得到以下几方面的结论:(1)通过极限电流的研究得出:同一操作条件下,膜堆的极限电流密度随着进水溶液浓度和流量的增加而增加,但是前者的影响要大于后者要大,同时极室中的离子浓度对极限电流也有一定影响。(2)通过对电渗析法分离甘氨酸氯化铵过程中不同操作条件的研究得出:随着减浓室进料浓度浓度的增加,甘氨酸的回收率降低,电渗析能耗增加。调节减浓室溶液pH=5.97,可提高甘氨酸收率和降低过程能耗。随着电流密度的增加,脱氯化铵速率提高,甘氨酸收率基本保持,电渗析能耗减少,而当电流密度超过29.30mA/cm2后,甘氨酸收率明显下降,电渗析能耗上升。处理13%Gly和20%NH4Cl混合溶液的适宜操作电流密度为29.30mA/cm2。在相同的操作条件下,随着循环流量的增大,脱盐速率和电流效率增大,所需脱盐时间减短,能耗降低,最佳循环流量为150L/h。(3)采用IEM1#、IEM2#和IEM3#三种不同膜堆的电渗析分离试验研究表明:在最佳操作条件下进行试验,三个膜堆的甘氨酸截留率、电流效率、能耗和甘氨酸最终浓度分别是:IEM1#膜堆:92%,88.62%,0.12kWh/kg,19.30%;IEM2#膜堆:87%,84.87%,0.137kWh/kg,16.40%;IEM3#膜堆:83.4%,80.40%,0.143kWh/kg,15.80%。三个膜堆的性能优异顺序为IEM1#>IEM2#>IEM3#。故对甘氨酸氯化铵分离过程时建议采用IEM1#离子交换膜堆。对于含13%Gly和20%NH4Cl混合溶液的分离的最佳工艺条件是:采用膜堆IEM1#,分两步进行电渗析,控制膜堆两端的操作电流密度为29.30mA/cm2,减浓室和增浓室的循环流量为150L/h。甘氨酸收率为92%,平均电流效率为88.62%,生产1kg甘氨酸的能耗为0.12kWh,最终减浓室溶液中的甘氨酸浓度达到19.30%。(4)对最佳操作条件下的电渗析分离甘氨酸氯化铵工艺(IEM1#)进行经济性核算得出,生产1t纯甘氨酸需要约1198.6元,与传统醇析工艺的1550元相比,节约351.4元,具有一定的经济性。且工艺中避免了有毒有害物质甲醇的使用,减少了环境污染,是一种绿色环保的膜分离方法。
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