己內酰胺單體回收濃縮液蒸發工藝的優化

宋 超

(中國石化股份有限公司聚酰胺技術開發中心，湖南岳陽414014)

在聚己內酰胺(PA6)生產過程中，由于己內酰胺開環聚合是一個可逆平衡反應，最終聚合物PA6中仍含有質量分數7% ～8%的單體和質量分數1.5%左右的低聚物［1］。這些物質的存在，使得紡絲及后加工難以進行，使用熱水可將PA6切片中大部分的單體及低聚物萃取出來，通常采用三效蒸發工藝回收單體，但由于回收的己內酰胺濃縮液中含有一定數量的易沉降堵管的低聚物，因此，應嚴格控制濃縮液的濃度，其質量分數應低于80%［2］，以保證聚合生產及蒸發系統的安全穩定運行;另外，采取添加新鮮己內酰胺，降低低聚物濃度，避免管道堵塞。但是添加新鮮己內酰胺后的三效蒸發系統的生產情況不穩定，原本非常平穩的液位變得忽高忽低，難以控制回收濃縮液的濃度，濃縮液質量分數常高于90%，嚴重影響了蒸發系統和整個裝置的安全穩定運行。為提高蒸發系統的穩定性，作者對蒸發過程進行分析，按蒸發塔正常生產時的物料允許濃度范圍，預設定液位計的最佳使用電導率范圍，優化蒸發工藝，保證安全穩定生產。

1 試驗

1.1 主要原料及儀器

己內酰胺:優級品，中國石化股份有限公司巴陵分公司己內酰胺事業部生產。

EL21型電容液位計:Vega公司制。

1.2 三效蒸發工藝流程及工藝參數

己內酰胺聚合后的聚合物體系中約含有質量分數10%未參加反應的己內酰胺和低分子物［3］。熔融聚合物冷卻經切粒后進入萃取系統，在萃取塔中熱脫鹽水和切片逆向傳質換熱以充分洗去切片中所含有的己內酰胺和低分子可萃取物，經過逆向傳質傳熱，脫鹽水變為質量分數約10%己內酰胺和低分子物的萃取水，萃取水由收集罐進入三效蒸發系統進行蒸發，得到濃縮液，其工藝流程見圖1，蒸發工藝參數見表1。

圖1 己內酰胺單體回收液三效蒸發工藝流程Fig.1 Flow chart of triple effect evaporation process for caprolactam monomer recovery solution

表1 己內酰胺單體回收液的蒸發工藝Tab.1 Evaporation process of caprolactom monomer recovery solution

通常3個蒸發塔的液位非常穩定，波動范圍最大的第三級蒸發塔液位波動僅僅只有±3%，相當于實際波動距離±1.5 cm，由于蒸發液位的穩定，3個蒸發塔的出料濃度也非常穩定，最終從三效蒸發塔出來的濃縮液的質量分數為74%～78%，處于安全濃度范圍，且各級蒸發塔底的物料溫度也保持相對穩定。為了提高蒸發效率并防止低聚物堵管及濃縮液直接回用后影響切片的質量，在一效蒸發塔加入一定比例的新鮮己內酰胺來提高萃取水的濃度。

2 結果與討論

2.1 添加新鮮己內酰胺對蒸發工藝的影響

當添加新鮮己內酰胺質量分數0～5%時，萃取水的蒸發情況發生較大變化，一效蒸發塔和三效蒸發塔的液位依舊保持穩定，沒有很大變化，但二效蒸發塔的液位極為不穩定，波動范圍達到±30%，雖然液位的波動對二效蒸發塔物料的濃度影響不大，但卻導致液位相對穩定的三效蒸發塔出料濃度發生明顯變化，其最高質量分數達到91%，遠遠超過80%的上限并長期處于危險濃度范圍，見表2。

表2 添加新鮮己內酰胺時蒸發工藝的變化Tab.2 Evaporation process adaptation while adding fresh caprolactam

從表2還可看出，二效蒸發塔和三效蒸發塔內物料溫度的波動較大。這是由于二效蒸發塔使用的是二次蒸汽(由三效蒸發塔水蒸發所形成的工藝蒸汽)，當二效蒸發塔液位開始波動時，蒸發量發生變化，導致二效蒸發塔內物料溫度和濃度發生變化，當這些物料進入三效蒸發塔后，由于溫度和濃度不穩定，又會影響一次蒸汽的供量波動，表現為蒸汽閥門大幅波動，最終造成三效蒸發塔內物料濃度發生波動，此時三效蒸發塔的液位依舊保持穩定，但濃縮液的出料濃度受溫度影響更為明顯，其質量分數在64% ～91%波動，對整個系統的破壞極為明顯。當濃縮液質量分數超過85%時，取樣口和管道死角常常被高濃度的濃縮液堵塞，引起濃縮液儲罐底部沉降堵塞并燒毀濃縮液循環泵的機封，造成裝置被動性停車;當濃縮液質量分數低于70%時，含水量過高的濃縮液直接進入聚合釜反應時，會造成聚合釜排水負荷加大并影響聚合物的黏度。

2.2 添加新鮮己內酰胺對蒸發液濃度的影響

從圖2可以看出，隨著新鮮己內酰胺添加比例的增大，二效蒸發塔的物料濃度迅速增加，添加新鮮己內酰胺質量分數為5%時，二效蒸發塔的物料質量分數接近45%，這也是二效蒸發塔的上限濃度，因此添加新鮮己內酰胺質量分數不宜大于5%。

圖2 新鮮己內酰胺添加量對二效蒸發液濃度的影響Fig.2 Effect of fresh caprolactam addition on secondary evaporating liquid concentration

2.3 添加新鮮己內酰胺對蒸發液電導率的影響

一效蒸發塔和二效蒸發塔液位計的電導率設定值都是70～180 μS/cm，三效蒸發塔液位計的設定值電導率為10～20 μS/cm。由于添加了新鮮己內酰胺，因此對萃取水的電導率進行了跟蹤分析，結果見表3。在開始添加己內酰胺時，3個蒸發塔電導率在設定范圍內，但隨著己內酰胺的不斷添加，一效蒸發塔的電導率還處于設定范圍，而二效蒸發塔的電導率卻低于70 μS/cm下限，三效蒸發塔的電導率遠高于設定值，導致液位顯示失真，失真的液位接著引起出料調節閥進行錯誤調節，出料調節閥的失控會導致液位變得非常不穩定，最終導致濃縮液的出料濃度極不穩定。

表3 蒸發過程蒸發液電導率的變化Tab.3 Change of evaporating liquid conductivity during evaporation

從圖3可以看出，隨著新鮮己內酰胺添加比例的增大，二效蒸發塔的電導率開始下降，這是因為隨著新鮮己內酰胺含量的增加，萃取水的單體濃度相應增加，蒸發液的電導率開始下降。當新鮮己內酰胺的添加比例為2%時，二效蒸發液的電導率降至液位計預設值以下，當添加新鮮己內酰胺的質量分數增加到5%時，一效蒸發液的濃度變化并不明顯，但二效蒸發液和三效蒸發液的出料濃度迅速增高而且波動較大，遠遠高于不添加新鮮己內酰胺的濃度。

圖3 新鮮己內酰胺添加量對二效蒸發液電導率的影響Fig.3 Effect of fresh caprolactam addition on secondary evaporating liquid conductivity

由于添加新鮮己內酰胺，造成蒸發液電導率下降，低于液位計的設定值，導致液位計工作失靈，從而造成液位和濃度的大幅波動。因此將對二效蒸發塔蒸發液的電導率預設值優化到40～110 μS/cm后，二效蒸發塔的液位漸趨穩定，即使添加新鮮己內酰胺質量分數2% ～5%時，各級蒸發塔的物料濃度回歸正常值，蒸發系統的液位也重新穩定下來。

3 結論

a.己內酰胺單體回收蒸發系統液位的波動是由于添加新鮮己內酰胺時，蒸發液中己內酰胺的含量迅速增加導致溶液的電導率，低于液位計正常工作的預設值時，液位顯示失真，造成液位劇烈波動，并引發二效蒸發液濃度和三效蒸發液濃度也發生波動。

b.添加新鮮己內酰胺質量分數不高于5%時，蒸發系統濃度較穩定。

c.當添加新鮮己內酰胺質量分數在2% ～5%時，二級蒸發塔蒸發液的電導率預設值優化到40～110 μS/cm時，二效蒸發液電導率恢復正常，蒸發液位和蒸發液濃度也恢復正常范圍。

［1］ 張匯，施祖培，唐薰.己內酰胺聚合萃取水利用工程進展［J］.合成纖維工業，2001，24(4):39 －42.

［2］ 張勝一.萃取水中己內酰胺單體回收工藝的調整與探析［J］.合成纖維工業，1996，19(6):43 －46 .

［3］ 吳中元，李偉.關于己內酰胺聚合殘留單體回收液返投系統的實驗與探索［J］.天津紡織科技，2007(1):14－17.