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1. 研究目的与意义（文献综述）
在现代农业生产中，农药已经成为了其生产过程中不可或缺的一部分。而草甘膦由于其具有低毒、高效、光谱，化学性质活泼等特点，成为了全球范围内使用最为广泛的一种除草剂，自上世纪70年代初研发后就快速发展，而且经久不衰。目前世界上草甘膦的应用主要有两种形式：一种是草甘膦盐类的水剂，另一种则是草甘膦盐类的粒剂。由于水剂的合成路线简单且毒性小、使用简单，使得它占据了草甘膦制剂的主体地位。
针对大量的草甘膦的需求，草甘膦生产工业也蓬勃发展。当下已经开发出了多种草甘膦生产工艺，其中，甘氨酸合成路线和亚氨基二乙酸（IDA）合成路线是使用最广泛的两种工艺[1]。甘氨酸合成路线在20世纪80年代就已经实现了工业化生产，所以相对来说，有关甘氨酸合成草甘膦工艺的研究比较多。这种生产方法是先利用氯乙酸或者氢氰酸等原料合成甘氨酸，之后一种可以将甘氨酸、甲醛和三氯化磷等原料经过加成、缩合和水解三个反应步骤最终生成纯度高达95%的草甘膦的工艺，其生产成本低且产量高。但是该过程生成的废水难以处理，在当下严格的废水排放要求下，废水的处理成本偏高，这也是该路线的缺陷所在；另一种亚磷酸烷基酯法[2]则是以甘氨酸、甲醛和亚磷酸烷基酯为原料经过加成水解合成草甘膦，其中亚磷酸二甲酯法生产简单、原料来源广且生成的废水少容易处理，成为了一种常用的生产工艺方法。而亚氨基二乙酸（IDA）合成法则是一种在全球范围内比较先进的生产工艺。它可以根据合成原料不同分为氢氰酸法、氯乙酸法和二乙醇胺法三种工艺。一般亚氨基二乙酸合成路线要先进行亚氨基二乙酸的合成，然后将亚磷酸、甲醛和亚氨基二乙酸反应最终生成双甘膦，最后将双甘膦氧化，生成草甘膦。这个工艺关键在于双甘膦的氧化和中间体亚氨基二乙酸的合成这两步[3]。双甘膦的氧化主要有催化氧化法和化学氧化法，其中化学氧化法较为普遍，比如氧化氢氧化法就实现了工业化，使用该法收率高并且处理简单。亚氨基二乙酸的合成主要有氮川三乙酸法、二乙醇胺法和氯乙酸法。氮川三乙酸法合成简单，原料便宜且收率高，但是对反应条件敏感，难以工业化；二乙醇胺法工艺简单但是二乙醇胺来源少，成本高。氯乙酸法虽然简单但是收率低，废水多，已经被淘汰。
| 工艺 | 甘氨酸法 | IDA法 | |||
| 三氯化磷法 | 亚磷酸烷基酯法 | 氢氰酸法 | 氯乙酸法 | 二乙醇胺法 | |
| 优点 | 成本低，产量高 | 原料来源广，生产简单，废水产出少 | 生产简单，环境友好，操作方便；氢氰酸来源于天然气等，价格低廉
| 条件温和，原料易得
| 产生氢气，催化剂可以重复使用，产率高、环境友好、投资低且能耗低
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| 缺点 | 废水难处理 | 分离困难， | 产生副产物氨气，而且氢氰酸是剧毒物质
| 生产周期长、路线长、操作环境差和产出大量废水
| 二乙醇胺产品在国内较少，需要从国外进口 |
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| 生产成本低，产量大，废水难以处理，小规模难以盈利。 该法应用成熟 | 技术先进，三废产出较少，但是目前大多原料来源少，价格贵。
该法应用较少，但是技术先进，是未来工艺发展趋势。 |
本课题将设计一个选取亚氨基二乙酸（IDA）法制备草甘膦的工艺，并制备相应的设备装配图、工艺流程图和车间布置图，并优化整个工艺流程，使得生产过程的耗能下降、生产效率提高并充分保证设备安全性。
如上所述，本设计选用的亚氨基二乙酸（IDA）法有两个关键的步骤：
其一是亚氨基二乙酸的合成。正如上文所述，氯乙酸法在当下由于它生产周期长、路线长、操作环境差和产出大量废水的缺点已经越来越少被应用。因此，我们决定从二乙醇胺法和氢氰酸法中选择。氢氰酸法是利用氢氰酸、甲醛、六亚甲基四胺和氢氧化钠等几种物质经过催化反应和碱解反应后生成亚氨基二乙酸，该法会产生副产物氨气，而且氢氰酸是剧毒物质，所以对反应过程有较高的要求。相比较而言，二乙醇胺法则是一种比较新的合成方法，即以二乙醇胺脱氢再氧化合成亚氨基二乙酸，需要原料二乙醇胺、氢氧化钠和雷银铜等物质，且产生氢气。反应过程中的催化剂可以重复使用，产生的氢气则可以售卖或当做产能能源，整个过程的产率高、环境友好、投资低且能耗低。这种方法恰好符合环境友好、利润高成本低的要求。因此，我们选择二乙醇胺法来制备亚氨基二乙酸。
其二是双甘膦的氧化。双甘膦可以通过化学物质进行氧化或者借助催化剂进行氧化。化学氧化法一般选用双氧水或者无机盐等物质进行电解氧化、氧化氢氧化或者浓硫酸氧化。但是电解耗能大，氧化氢法难以控制温度，浓硫酸氧化后产品质量差，相比而言，催化剂氧化法需选出高效催化剂便可得到较高的收率和纯度。因此，本设计选用催化剂氧化法来处理双甘膦。
因此，总的生产路线如下图：
| 二乙醇胺 |
| IDA |
| 催化反应 碱化反应 |
| 亚磷酸 |
| 甲醛 |
| 双甘膦 |
| 草甘膦 |
| 改性颗粒活性炭催化氧化 |
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本设计首先通过大量了解草甘膦合成路径并分析各合成路线的优势和劣势来确定草甘膦合成工艺，然后优化并设计相应的工艺流程图，再进行相关的化工数据计算，如主要设备参数、物料衡算等，完成以上工作后进行设备装配图的绘制和车间布置图的绘制。
2. 研究的基本内容与方案
基本内容：本设计要求首先查阅资料并确定草甘膦生产工艺条件以及工艺流程，并对其进行优化设计。完成上述工作后再进行物料衡算，并确定相关工艺参数，进行相关设备型号确定，设计相关非标准件，最后完成工艺流程图、设备装配图和车间平面布置图的绘制。
目标：完成对亚氨基二乙酸（ida）法合成草甘膦工艺流程的设计并对其进行优化，完成工艺流程图、设备装配图和车间平面布置图的绘制，最终完成整个化工工艺的设计。
设计内容：
3. 研究计划与安排
（1）2020-03-10前 资料检索、收集，文献查阅、整理；翻译外文文献，确定工艺方案，撰写开题报告。
（2）2020-03-24前 初步确定工艺设备，选择标准设备的型号，设计主要的非标设备。
（3）2020-05-15前 核算并优化工艺过程和设备，绘制图纸。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]张玉池,王晓蕾,徐文蓉,刘琪,相世刚,戴伟民,强胜,宋小玲.国内外抗除草剂基因专利的分析[j].杂草学报,2017,35(02):1-22.
[2]詹志平,刘三六,马万志,魏鑫,喻燕玲.草甘膦废水预处理工艺研究[j].山东化工,2017,46(20):171-172 175.
[3]陈习汉. 活性炭催化氧化法合成草甘膦工艺及动力学研究[d].湘潭大学,2016.
