離心萃取分離機在酰胺化液分離中的應用
行業(yè)動態(tài)
己內酰胺主要是合成聚酰胺6纖維和工程塑料的單體，也用于生產L-賴氨酸，是一種重要的石油化工產品。己內酰胺生產的工藝路線長、流程復雜，目前世界各國對己內酰胺生產工藝的研究都把精力放在縮短工藝路線、改造和優(yōu)化反應器和分離設備、簡化流程、減少副產物硫酸銨產量、減少環(huán)境污染上，實現節(jié)能降耗和減排。
酰胺化液是甲苯法產己內酰胺工藝中酰胺化反應后的反應液，為輕-重兩相混合液，酰胺化反應后下一步是酰胺化液中的重相和環(huán)己酮肟溶液進行重排反應。由于酰胺化液含有輕相分，并且輕相分含量隨機波動，使得進入重拍反應器的重組分流量不斷變化，為了控制重排反應的質量和反應平穩(wěn)，提高重排反應的選擇性和收率，酰胺化液輕-重相必須分離，使其重相參與重排反應。
酰胺化液采用傳統(tǒng)的靜置分離方法，分離時間長，需30min左右，在70℃左右的高溫容易發(fā)生環(huán)己烷羧酸和硫酸、三氧化硫的磺化副反應，產生磺化副產物，增加了環(huán)己烷羧酸的損失，停留時間長會產生更多的磺化副產物，同時靜置分離流程廠、設備多、投資大且分離效果不好。酰胺化液的輕-重相兩相分離是甲苯法產己內酰胺工藝的技術關鍵和難題。
離心萃取分離是借助離心力場實現液-液兩相的接觸傳質和相分離，具有結構緊湊、處理能力大、運轉平穩(wěn)、功耗低、清洗維護方便等特點。由于離心力通?？蛇_重力的幾百倍，所以特別適合處理兩相密度差小、黏度大和易乳化的體系，如在重力分相的分離中要求兩相密度差大于0.1g/cm3，而在離心萃取分離機中，兩相密度差可以小至0.01g/cm3。自離心萃取分離機問世以來，發(fā)展迅速，許多國家已經廣泛應用于制藥、冶金、廢水處理、石油化工和核燃料后處理等領域。我國從1963年開始環(huán)隙式離心萃取機的研究，到20世紀80年代，試制了小型單級的環(huán)隙式離心萃取機。清華大學、合肥通用機械研究所等單位在原子能、廢水處理和濕法冶金等領域開展了環(huán)隙式離心萃取的工業(yè)應用研究，并在有色冶金中得到成功應用。但近幾年，我國離心萃取技術的研究一直未有大的進展，與國外的差距逐漸拉大，如國內在離心萃取技術的工業(yè)應用研究方面尚不充分和系統(tǒng)，應用領域有限，遠不能滿足社會和工業(yè)發(fā)展的需求。
本文采用離心萃取分離技術對酰胺化液輕-重相進行分離，解決現有技術存在的難題，可大大縮短酰胺化液的分離時間，減少磺化副產物的產生，提高裝置的收率。
一、離心萃取分離原理
離心萃取分離機集混合與分離于一體，結構緊湊。當密度不同、互不相溶的兩相液體分別從兩個進料口進入環(huán)隙后，依靠高速旋轉轉筒的帶動以及液層間的摩擦，在環(huán)隙內實現劇烈而均勻的混合，萃取傳質過程因此加快。當高速旋轉的混合液向下流動碰到固定葉片后，從轉筒底部的混合相口進入轉筒?；旌弦涸陔x心力作用下分相，重相被甩到轉筒外緣聚集到轉筒壁外，通過靠近轉筒壁的垂直孔道經重相堰流入重相收集室，從重相出口流出。輕相被擠向轉筒內側，經輕相堰和水平通道流入輕相收集室，從輕相出口流出。
二、實驗部分
2.1 物料性質
酰胺化液由環(huán)己酮肟、環(huán)己烷羧酸、苯甲酸、SO3、H2SO4、亞硝基硫酸、正己烷、己內酰胺、副產物和六氫苯甲酰胺等組成，流量為20m3/h，在重力靜止沉降條件下，可分成存在輕-重界面的不相溶兩部分。酰胺化液中輕相主要為環(huán)己烷羧酸、正己烷，體積含量占酰胺化液總流量的15%～25%，在上述范圍內是隨機波動的。
2.2 離心萃取分離機
萃取離心分離機在本工業(yè)應用中只起到分離作用，因此，設置一個進口和兩個出口。離心萃取分離機混合區(qū)出來的混合液進入澄清區(qū)中進行分離，澄清區(qū)為高速旋轉的圓筒。為了能帶動混合液與澄清區(qū)同步旋轉，防止混合液在圓筒內打滑，圓筒內設置了4塊徑向葉片。
2.3 工藝流程
裝置包括酰胺化反應器、重排反應器、離心萃取分離器、水解反應器等。由酰胺化反應器出口來的酰胺化液經離心萃取分離器入口進入離心萃取分離器。液體進入離心萃取分離器后在高速旋轉的內筒作用下分成重相和輕相，重相從離心萃取分離器重相出口出去，通過重排反應器入口的混合器與胺肟化反應器出來的環(huán)己酮肟混合后進入重排反應器進行重排反應器。輕相從離心萃取分離器輕相出口出去到水解反應器回收溶劑。
2.4 分析方法
酰胺化液中輕相含量采用在量筒中密閉靜止40min，讀取分層后輕-重相體積的方法確定。
三、結果與討論
3.1 轉速對相同夾帶的影響
按照正常酰胺化液流量20m3/h，改變轉鼓轉速，進行連續(xù)24h試驗，考察轉速對分離性能的影響?？梢钥闯?，隨著轉速的提高，相間夾帶越來越少；當轉速為900r/min時，分離效果好，此時，分離后重相中輕相的體積分數只有0.2%，分離后輕相中重相的體積分數只有0.26%；隨著轉速的再增加，分離性能惡化。這是因為：轉速較低時，離心力小，所以分離效果差；隨著轉速的加大，離心力增大，分離效果較好；但轉速增大到一定程度后，再增大轉速，會造成輕、重相之間的乳化加劇，給分離造成困難，分離性能反而惡化。
3.2 進口流量對相間夾帶的影響
轉速為900r/min，改變離心萃取分離機的酰胺化液流量，進行連續(xù)24h實驗?？梢钥闯?，隨著酰胺化液流量的提高，分離性能變差，酰胺化液流量超過20m3/h后，分離性能急劇惡化。這是因為，在低流量下，流體在設備內的停留時間長，重相向壁面、輕相向中心的遷移時間長，因此分離效果好；隨著流量的增大，流體在設備內的停留時間變短，流體來不及分離就流出了設備，造成分離性能惡化。酰胺化液流量在20m3/h以下，分離后重相中輕相的體積分數小于0.2%，具有較高的分離性能。
3.3 轉速對處理能力的影響
研究設備轉速對處理能力的影響，有助于了解離心萃取分離機的水力學性能，找到提高處理能力的途徑。將不同轉速的處理能力作為縱坐標，轉速作為橫坐標，可作出兩者的關系曲線?？梢钥闯?，轉速和處理能力基本成線性關系，即轉速越高，處理能力越大。所以，提高轉速可提高設備分離兩相混合液的能力，從而使設備的處理能力提高。
3.4 進口流量對設備能耗的影響
能耗是評定設備性能的一個重要指標，因此，有必要對離心萃取分離機的能量損耗規(guī)律進行研究，得到降低其能量耗損的理論依據，以便對其進行結構改造、升級，從而可以提高其能源利用率。轉速為900r/min，改變離心萃取分離機的酰胺化液流量，進行連續(xù)24h實驗。可以看出，隨著酰胺化液流量的提高，設備的能耗增加，能耗和流量基本呈正比關系。這是因為，離心萃取分離機是借助外加能力進行萃取傳質操作的，處理量增大就要求輸入大的能量，否則，會造成分離效果差而影響操作。
3.5 分離效果對比
離心萃取分離機從2009年10月份開始運行，運行比較平穩(wěn)，震動值為1.3mm/s，噪聲小。輕、重相互相夾帶小，都小于0.3%，達到了預期效果。離心萃取分離機應用于酰胺化液分離是可行的，并且分離時間短，可有效減少環(huán)己烷羧酸和硫酸、三氧化硫發(fā)生磺化副反應的機會，降低了磺化副產物的生成。
四、結語
（1）離心萃取分離是一種新型的液-液分離技術，具有結構緊湊、處理能力大等特點，具有廣泛的工業(yè)應用前景。
（2）實驗表明，相同轉速下，隨著流量的提高，分離性能變差，設備的能耗增加；轉速和處理能力基本呈線性關系。
（3）工業(yè)運行表明，離心萃取分離機應用于酰胺化液分離是可行的，對于減少副產物生成和提高裝置收率具有重要意義。
