酸團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

(華東理工大學承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海200237)

酸團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*

(華東理工大學承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海200237)

采用離心萃取分離技術，回收己內(nèi)酰胺水解反應產(chǎn)生的酸性溶液(酸團)中的正己烷;建立工業(yè)側線實驗裝置，考察了離心萃取機的轉速、進料口流量及正己烷含量對分離性能的影響。結果表明:離心萃取分離性能隨進料口正己烷含量的增加而增強;進料口流量越大，分離性能越差;設備轉速為1 500 r/min時，分離效果最佳;轉速為1 500 r/min，進料口流量為0.6 m3/h時，平均分離效率可達40%，分離效果好。

己內(nèi)酰胺 正己烷 酸團 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)過程中，水解產(chǎn)生的水解反應液中含有大量的正己烷。水解反應液經(jīng)三級重力沉降分離后將形成含有正己烷的酸團［2］，其正己烷含量為 500 ～1 200 μg/g。因此，需要把酸團中的正己烷分離開來。非均相的分離一般采用靜置分層的方法或者聚結分離技術［3］。傳統(tǒng)靜置分離的方法所需分離時間較長，分離效率低下，且因酸團中的正己烷含量較低、流量大，靜置分離的效果不佳。就聚結器來說，雖然其分離精度高，但酸團成分復雜、處理量大且可能夾帶固體雜質，在分離過程中易造成聚結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現(xiàn)液-液兩相的接觸傳質和相分離，是集混合與分離于一身的多功能萃取分離設備，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［4－7］。作者采用離心萃取分離技術對酸團中的正己烷進行分離，取得了較好效果。

1 實驗

1.1 試樣

酸團中含有正己烷、己內(nèi)酰胺、六氫苯甲酸、硫酸等物質，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 酸團的物理性能參數(shù)Tab.1 Physical parameters of acid aqueous solution

1.2 設備及儀器

HE/S350離心萃取機:轉鼓直徑350 mm，進、出口直徑50 mm，轉鼓長度500 mm，轉鼓轉速1 200～2 100 r/min，電機功率 7.5 kW，上海萬民機械有限公司制;6SE6400-0BP00-0AA變頻器:西門子(中國)有限公司制;vm-6320手持式振動測試儀: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，酸團進入離心萃取機，然后在高速旋轉的內(nèi)筒作用下分成重相和輕相，分別從設備重相出口和輕相出口流出。進、出口流量和電機轉速(ω)可以分別通過閥門和變頻器進行調節(jié)。

圖1 酸團分離流程示意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，對進、出正丁烷含量進行分析，載氣 N2。

離心萃取機的分離效率(E)，即正己烷的回收效率由公式(1)得到:

式中:Cin，Cout分別為設備進口和重相出口正己烷的質量濃度。

在工業(yè)側線實驗過程中，設備進口的正己烷含量波動頻繁。在統(tǒng)計某個進口正己烷含量的E時，通常是從大量的實驗數(shù)據(jù)中篩選出與該值最接近的實驗數(shù)據(jù)，實際篩選條件均在(－12～15)μg/g內(nèi)。

2 結果與討論

2.1 離心萃取分離原理

離心萃取機由電機、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)筒可以在電機的驅動下高速旋轉，借助離心力加速具有比重差的液-液兩相的分離。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，依靠高速旋轉內(nèi)筒的帶動以及液層間的摩擦，在環(huán)隙內(nèi)實現(xiàn)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，從內(nèi)筒底部的混合相口進入內(nèi)筒。混合液在離心力作用下分相，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。輕相被擠向轉筒內(nèi)側，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 重相堰板的設置

離心萃取機的重相堰板呈環(huán)形狀，通過調整重相堰半徑(內(nèi)環(huán)半徑)的大小可以改變兩相夾帶情況。如圖2所示，混合液體進入內(nèi)筒后，在離心力的作用下將形成一個分界面把輕、重兩相分離開來，稱這個分界面為相界面，其位置可以用半徑(ri)表示。ri會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，對相夾帶情況得到控制實質上是對ri的控制。圖2中ro為輕相堰處實際流體的半徑，ro*為輕相堰半徑，ra為重相堰處實際流體的半徑，ra*為重相堰半徑。

圖2 離心萃取機分離過程Fig.2 Separation process of centrifugal extractor

ri與ω、進口流量(Q)、相比(A/O)(重相與輕相的體積比)、ra*等因素有關。實驗研究了ω和Q對分離性能的影響，A/O是由工況下的進口正己烷含量決定的;重相堰對ri的影響最為顯著，可以通過調節(jié)重相堰來調整相界面的位置，以減小相夾帶。但由于實驗裝置在現(xiàn)場拆裝不方便，難以更換重相堰板，所以需對重相堰進行預先設置。

在內(nèi)筒里旋轉時，流體受到離心力場和重力場的共同作用而處于相對靜平衡狀態(tài)，由于離心力遠遠大于重力，因此可忽略重力，通過流體靜力學規(guī)律［8］可得出 ra*與 ri的關系，如公式(2)所示:

式中:ρo，ρa為輕、重兩相液體的密度。

在離心萃取機中，輕相堰是固定不動的，通常通過調節(jié)ra*來實現(xiàn)對ri的控制。由公式(2)可知，當ra*增大時，ri隨之增大，反之，則減小。

本實驗HE/S350的離心萃取機ro*為99 mm，99 mm ＜ ri＜155 mm，ρo/ρa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有很大關系。當A/O增大時，重相流量增加，迫使相界面內(nèi)移，ri減小，可能導致輕相夾帶重相，這時需增大ra*，使ri增大，以減少夾帶;反之，當A/O較小時，則需減小ra*。由此可知，A/O通過影響界面半徑ri間接地影響ra*的設置。在實際設計過程中，需要考慮A/O對ra*的影響。

針對本例，進口正己烷的含量為500～1 200 μg/g，A/O 為830 ～2 000 μg/g。由于 A/O 遠遠大于1，ra*應較大，因此，設置ra*為115 mm。

2.3 正己烷含量對E的影響

從圖3可以看出，隨著進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。這是因為，正己烷在酸團體系中有一定溶解度，進料口正己烷含量越低，說明酸團中含有的非溶解性正己烷越少，從而增加了分離難度。同時也說明，設備在酸團中正己烷含量較高時，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致正己烷大量損失的問題。

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的關系

從圖4可以看出，隨著ω的提高，酸團夾帶正己烷越來越少，E增加;當ω為1 500 r/min時，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，離心力小，分離效果差;隨著ω的加大，分離能力增強，分離效果較好。但ω增大到一定程度后，在環(huán)隙之間將形成復雜的渦流和湍流區(qū)域，再增大ω，會造成輕、重相之間的乳化加劇，阻礙聚結分層，給分離造成困難，分離性能反而惡化。離心萃取機ω為1 500～1 800 r/min時，E為19% ～60%，平均E達40%。

2.5 Q對E的影響

從圖5可以看出，隨著Q的提高，E降低。離心萃取機的分離性能與物料停留時間有重要關系，一般來說，物料停留時間越長，重相向壁面、輕相向中心的遷移時間長，因此分離效果好。在低流量下，流體在設備內(nèi)的停留時間長，混合流體有充分的時間進行分相，分離效果較好;隨著流量的增大，流體在設備內(nèi)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，分離效果降低。由此可見，Q越小對分離越有利，但為達到工業(yè)運行時的處理量要求，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 設備振動測試

為保證工業(yè)運行穩(wěn)定，實驗還測試了設備的振動情況。選取靠近頂部電機的光滑處為測試點。從圖6可見，設備在啟動后振動逐漸增加，達到一個最大值后振動減小，直至平衡。這是因為，在設備啟動過程中，轉速由零逐步增加至設定值，振動頻率也隨之增加，當振動頻率增加到設備的固有頻率時，設備將發(fā)生共振。經(jīng)過測試，設備在啟動30～35 s后，振動達到最大值。由于本實驗的物料體系有機物含量少、黏度小，所以設備達到穩(wěn)定的時間較短，僅需60 s左右。

圖6 設備振動情況Fig.6 Equipment vibration

2.7 設備穩(wěn)定性實驗

通過以上實驗，可以確定最佳ω為1 500～1 800 r/min，Q為0.6 m3/h。為探索設備運行的穩(wěn)定性，調節(jié)ω 為1 500 r/min，Q 為0.6 m3/h，使離心萃取機連續(xù)運行48 h，每隔1 h取一次樣，測得E見圖7。

圖7 設備24 h內(nèi)的運行情況Fig.7 Equipment operation status within 24 hours

設備連續(xù)運行過程中，平均E大于40%，溫度在50℃以下，設備運行穩(wěn)定，振動小，無噪音，情況正常。

3 結論

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

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

［1］張立云.苯/甲苯法低副產(chǎn)硫銨己內(nèi)酰胺組合工藝的開發(fā)［D］.湘潭:湘潭大學，2005.

［2］趙曉君，陳淼，高立新，等.液相色譜法分析酸團中己內(nèi)酰胺的含量［J］.河北化工，2007，30(11):72－73.

［3］李洲，費維揚，楊基礎，等.液液萃取過程和設備［M］.下冊.北京:原子能出版社，1985:21－35.

［4］葉春林.圓筒式離心萃取器［M］.北京:原子能出版社，1982:25－30.

［5］張德友，卓培忠，李傳祥，等.新型離心萃取機的開發(fā)及其應用前景［J］.過濾與分離，2008，18(3):39－42.

［6］Srank J，Melichar F，F(xiàn)ilyanin A T，et al.Preparation of 90YCl3 radiopharmaceutical precursor for nuclear medicine using technology of centrifugal extractors［J］.Appl Radiat Isotopes，2010，68(12):2163－2168.

［7］Kadam B D，Joshi J B.Hydrodynamic and mass transfer characteristics of annular centrifugal extrators［J］.Chem Eng Res Des，2008，86(3):233 －244.

［8］柯葵，朱立明.流體動力學與流體機械［M］.上海:同濟大學出版社，2009:29－33.

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，研究方向為化工過程機械。E-mail:tangkang111@126.com。

上海市科學技術委員會項目(10QA1401700、10dz1201300)。

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