酸團(tuán)中微量正己烷的離心萃取分離研究

唐 康，郝萌萌，甘仁武，徐 艷，白志山

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)

酸團(tuán)中微量正己烷的離心萃取分離研究

唐 康，郝萌萌，甘仁武，徐 艷，白志山*

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)

采用離心萃取分離技術(shù)，回收己內(nèi)酰胺水解反應(yīng)產(chǎn)生的酸性溶液(酸團(tuán))中的正己烷;建立工業(yè)側(cè)線(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置，考察了離心萃取機(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)料口流量及正己烷含量對(duì)分離性能的影響。結(jié)果表明:離心萃取分離性能隨進(jìn)料口正己烷含量的增加而增強(qiáng);進(jìn)料口流量越大，分離性能越差;設(shè)備轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，分離效果最佳;轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進(jìn)料口流量為0.6 m3/h時(shí)，平均分離效率可達(dá)40%，分離效果好。

己內(nèi)酰胺 正己烷 酸團(tuán) 離心萃取 分離

采用甲苯法生產(chǎn)己內(nèi)酰胺，正己烷是重要的原料和溶劑［1］，己內(nèi)酰胺生產(chǎn)過(guò)程中，水解產(chǎn)生的水解反應(yīng)液中含有大量的正己烷。水解反應(yīng)液經(jīng)三級(jí)重力沉降分離后將形成含有正己烷的酸團(tuán)［2］，其正己烷含量為 500 ～1 200 μg/g。因此，需要把酸團(tuán)中的正己烷分離開(kāi)來(lái)。非均相的分離一般采用靜置分層的方法或者聚結(jié)分離技術(shù)［3］。傳統(tǒng)靜置分離的方法所需分離時(shí)間較長(zhǎng)，分離效率低下，且因酸團(tuán)中的正己烷含量較低、流量大，靜置分離的效果不佳。就聚結(jié)器來(lái)說(shuō)，雖然其分離精度高，但酸團(tuán)成分復(fù)雜、處理量大且可能夾帶固體雜質(zhì)，在分離過(guò)程中易造成聚結(jié)器濾芯被堵塞而失效，甚至可能使生產(chǎn)中斷。離心萃取是借助離心力實(shí)現(xiàn)液-液兩相的接觸傳質(zhì)和相分離，是集混合與分離于一身的多功能萃取分離設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、處理能力大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、功耗低、清洗維護(hù)方便等特點(diǎn)［4－7］。作者采用離心萃取分離技術(shù)對(duì)酸團(tuán)中的正己烷進(jìn)行分離，取得了較好效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

酸團(tuán)中含有正己烷、己內(nèi)酰胺、六氫苯甲酸、硫酸等物質(zhì)，其總流量為0.4 ～0.7 m3/h，正己烷的含量為500～1 200 μg/g，中國(guó)石化石家莊煉化分公司己內(nèi)酰胺事業(yè)部提供。

表1 酸團(tuán)的物理性能參數(shù)Tab.1 Physical parameters of acid aqueous solution

1.2 設(shè)備及儀器

HE/S350離心萃取機(jī):轉(zhuǎn)鼓直徑350 mm，進(jìn)、出口直徑50 mm，轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度500 mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速1 200～2 100 r/min，電機(jī)功率 7.5 kW，上海萬(wàn)民機(jī)械有限公司制;6SE6400-0BP00-0AA變頻器:西門(mén)子(中國(guó))有限公司制;vm-6320手持式振動(dòng)測(cè)試儀:廣州蘭泰儀器有限公司制。

1.3 離心萃取工藝流程

由圖1可以知道，酸團(tuán)進(jìn)入離心萃取機(jī)，然后在高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒作用下分成重相和輕相，分別從設(shè)備重相出口和輕相出口流出。進(jìn)、出口流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速(ω)可以分別通過(guò)閥門(mén)和變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 酸團(tuán)分離流程示意Fig.1 Sketch of acid aqueous solution separation

1.4 分析方法

采用上海精密儀器儀表有限公司Agilent 7890A氣相色譜儀，對(duì)進(jìn)、出正丁烷含量進(jìn)行分析，載氣 N2。

離心萃取機(jī)的分離效率(E)，即正己烷的回收效率由公式(1)得到:

式中:Cin，Cout分別為設(shè)備進(jìn)口和重相出口正己烷的質(zhì)量濃度。

在工業(yè)側(cè)線(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備進(jìn)口的正己烷含量波動(dòng)頻繁。在統(tǒng)計(jì)某個(gè)進(jìn)口正己烷含量的E時(shí)，通常是從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中篩選出與該值最接近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際篩選條件均在(－12～15)μg/g內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 離心萃取分離原理

離心萃取機(jī)由電機(jī)、軸及軸承、內(nèi)筒、外筒、底部葉片、入口、出口和收集室等部分組成，其外筒固定，內(nèi)筒可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，借助離心力加速具有比重差的液-液兩相的分離。當(dāng)密度不同、互不相溶的兩相液體分別從兩個(gè)進(jìn)料口進(jìn)入環(huán)隙后，依靠高速旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒的帶動(dòng)以及液層間的摩擦，在環(huán)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)劇烈而均勻的混合，萃取傳質(zhì)過(guò)程因此加快。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的混合液向下流動(dòng)碰到固定葉片后，從內(nèi)筒底部的混合相口進(jìn)入內(nèi)筒?；旌弦涸陔x心力作用下分相，重相被甩到內(nèi)筒外緣，聚集到內(nèi)筒壁外，通過(guò)靠近內(nèi)筒壁的垂直孔道，經(jīng)重相堰流入重相收集室，從重相出口流出。輕相被擠向轉(zhuǎn)筒內(nèi)側(cè)，經(jīng)輕相堰和水平通道流入輕相收集室，從輕相出口流出。

2.2 重相堰板的設(shè)置

離心萃取機(jī)的重相堰板呈環(huán)形狀，通過(guò)調(diào)整重相堰半徑(內(nèi)環(huán)半徑)的大小可以改變兩相夾帶情況。如圖2所示，混合液體進(jìn)入內(nèi)筒后，在離心力的作用下將形成一個(gè)分界面把輕、重兩相分離開(kāi)來(lái)，稱(chēng)這個(gè)分界面為相界面，其位置可以用半徑(ri)表示。ri會(huì)直接影響相夾帶情況。若ri增大，則相界面外移，造成重相夾帶輕相;反之，則輕相夾帶重相。所以，對(duì)相夾帶情況得到控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)ri的控制。圖2中ro為輕相堰處實(shí)際流體的半徑，ro*為輕相堰半徑，ra為重相堰處實(shí)際流體的半徑，ra*為重相堰半徑。

圖2 離心萃取機(jī)分離過(guò)程Fig.2 Separation process of centrifugal extractor

ri與ω、進(jìn)口流量(Q)、相比(A/O)(重相與輕相的體積比)、ra*等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究了ω和Q對(duì)分離性能的影響，A/O是由工況下的進(jìn)口正己烷含量決定的;重相堰對(duì)ri的影響最為顯著，可以通過(guò)調(diào)節(jié)重相堰來(lái)調(diào)整相界面的位置，以減小相夾帶。但由于實(shí)驗(yàn)裝置在現(xiàn)場(chǎng)拆裝不方便，難以更換重相堰板，所以需對(duì)重相堰進(jìn)行預(yù)先設(shè)置。

在內(nèi)筒里旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體受到離心力場(chǎng)和重力場(chǎng)的共同作用而處于相對(duì)靜平衡狀態(tài)，由于離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力，因此可忽略重力，通過(guò)流體靜力學(xué)規(guī)律［8］可得出 ra*與 ri的關(guān)系，如公式(2)所示:

式中:ρo，ρa(bǔ)為輕、重兩相液體的密度。

在離心萃取機(jī)中，輕相堰是固定不動(dòng)的，通常通過(guò)調(diào)節(jié)ra*來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ri的控制。由公式(2)可知，當(dāng)ra*增大時(shí)，ri隨之增大，反之，則減小。

本實(shí)驗(yàn)HE/S350的離心萃取機(jī)ro*為99 mm，99 mm ＜ ri＜155 mm，ρo/ρa(bǔ)為0.57，則由公式(2)可得:99 mm＜ra*＜126 mm。

界面半徑不僅受ra*影響，也與A/O有很大關(guān)系。當(dāng)A/O增大時(shí)，重相流量增加，迫使相界面內(nèi)移，ri減小，可能導(dǎo)致輕相夾帶重相，這時(shí)需增大ra*，使ri增大，以減少夾帶;反之，當(dāng)A/O較小時(shí)，則需減小ra*。由此可知，A/O通過(guò)影響界面半徑ri間接地影響ra*的設(shè)置。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮A/O對(duì)ra*的影響。

針對(duì)本例，進(jìn)口正己烷的含量為500～1 200 μg/g，A/O 為830 ～2 000 μg/g。由于 A/O 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，ra*應(yīng)較大，因此，設(shè)置ra*為115 mm。

2.3 正己烷含量對(duì)E的影響

從圖3可以看出，隨著進(jìn)料口正己烷含量的提高，E提高，低的正己烷含量下分離效果較差。這是因?yàn)?，正己烷在酸團(tuán)體系中有一定溶解度，進(jìn)料口正己烷含量越低，說(shuō)明酸團(tuán)中含有的非溶解性正己烷越少，從而增加了分離難度。同時(shí)也說(shuō)明，設(shè)備在酸團(tuán)中正己烷含量較高時(shí)，具有很好的分離和回收能力，這一特性可以有效解決非正常工況下導(dǎo)致正己烷大量損失的問(wèn)題。

圖3 不同流量的E隨正己烷含量的變化Fig.3 Change of E with n-hexane content at different flow rate ω為1 800 r/min。

2.4 E與ω的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著ω的提高，酸團(tuán)夾帶正己烷越來(lái)越少，E增加;當(dāng)ω為1 500 r/min時(shí)，分離效果最好，平均E約為41%;隨著ω的再增加，分離性能惡化，效率降低。

圖4 不同進(jìn)口流量的E隨ω的變化Fig.4 Change of E with ω at different inlet flow rate正己烷含量 900 μg/g。

ω較低時(shí)，離心力小，分離效果差;隨著ω的加大，分離能力增強(qiáng)，分離效果較好。但ω增大到一定程度后，在環(huán)隙之間將形成復(fù)雜的渦流和湍流區(qū)域，再增大ω，會(huì)造成輕、重相之間的乳化加劇，阻礙聚結(jié)分層，給分離造成困難，分離性能反而惡化。離心萃取機(jī)ω為1 500～1 800 r/min時(shí)，E為19% ～60%，平均E達(dá)40%。

2.5 Q對(duì)E的影響

從圖5可以看出，隨著Q的提高，E降低。離心萃取機(jī)的分離性能與物料停留時(shí)間有重要關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，物料停留時(shí)間越長(zhǎng)，重相向壁面、輕相向中心的遷移時(shí)間長(zhǎng)，因此分離效果好。在低流量下，流體在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)，混合流體有充分的時(shí)間進(jìn)行分相，分離效果較好;隨著流量的增大，流體在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間變短，流體來(lái)不及分離就流出了設(shè)備，造成分離性能惡化，分離效果降低。由此可見(jiàn)，Q越小對(duì)分離越有利，但為達(dá)到工業(yè)運(yùn)行時(shí)的處理量要求，最低Q不能小于0.6 m3/h，因此最佳 Q 為 0.6 m3/h。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的E隨Q的變化Fig.5 Change of E with Q at different rotor speed正丁烷含量 900 μg/g。

2.6 設(shè)備振動(dòng)測(cè)試

為保證工業(yè)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了設(shè)備的振動(dòng)情況。選取靠近頂部電機(jī)的光滑處為測(cè)試點(diǎn)。從圖6可見(jiàn)，設(shè)備在啟動(dòng)后振動(dòng)逐漸增加，達(dá)到一個(gè)最大值后振動(dòng)減小，直至平衡。這是因?yàn)?，在設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速由零逐步增加至設(shè)定值，振動(dòng)頻率也隨之增加，當(dāng)振動(dòng)頻率增加到設(shè)備的固有頻率時(shí)，設(shè)備將發(fā)生共振。經(jīng)過(guò)測(cè)試，設(shè)備在啟動(dòng)30～35 s后，振動(dòng)達(dá)到最大值。由于本實(shí)驗(yàn)的物料體系有機(jī)物含量少、黏度小，所以設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較短，僅需60 s左右。

圖6 設(shè)備振動(dòng)情況Fig.6 Equipment vibration

2.7 設(shè)備穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，可以確定最佳ω為1 500～1 800 r/min，Q為0.6 m3/h。為探索設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)ω 為1 500 r/min，Q 為0.6 m3/h，使離心萃取機(jī)連續(xù)運(yùn)行48 h，每隔1 h取一次樣，測(cè)得E見(jiàn)圖7。

圖7 設(shè)備24 h內(nèi)的運(yùn)行情況Fig.7 Equipment operation status within 24 hours

設(shè)備連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，平均E大于40%，溫度在50℃以下，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)小，無(wú)噪音，情況正常。

3 結(jié)論

a.離心萃取機(jī)的最佳ω為1 500 r/min，進(jìn)口正己烷含量越高，分離效率越高;分離效率隨進(jìn)口流量的增大而減小，隨進(jìn)口分散相含量的增加而增加。

b.離心萃取機(jī)ω為1 500～1 800 r/min，E在19% ～60%，平均E達(dá)40%，用于分離酸團(tuán)中的正己烷完全可行。

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Separation of trace n-hexane from acid aqueous solution by centrifugal extraction

Tang Kang，Hao Mengmeng，Gan Renwu，Xu Yan，Bai Zhishan
(The Key Laboratory of Safety Science of Pressurized System，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237)

Centrifugal extraction technique was used to recover trace n-hexane from acid aqueous solution generated by caprolactam hydrolysis reaction.An industrial side track tester was established.The effects of rotary speed，inlet flow rate and n-hexane content of centrifugal extractor on separation performance were investigated.The results showed that the separation performance of centrifugal extraction was improved with the increase of inlet n-hexane content，but was depressed with the increase of inlet flow rate;and the separation performance was optimized at the rotational speed of 1 500 r/min.The average separation efficiency reached 40%and the separation efficiency was fairly good as the rotational rate was 1 500 r/min and the flow rate was 0.6 m3/h.

caprolactam;n-hexane;acid aqueous solution;centrifugal extraction;separation

TQ221.1+6

A

1001-0041(2012)03-0014-04

2011-09-13;修改稿收到日期:2012-03-12。

唐康(1986—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛み^(guò)程機(jī)械。E-mail:tangkang111@126.com。

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目(10QA1401700、10dz1201300)。

* 通訊聯(lián)系人。E-mail:fbaizs@yahoo.com.cn。