高效刮壁式空心板片冷卻結晶機在咪唑烷回收中的應用

朱黎明 過志昌

上海迅昌化工裝備技術研究所 （上海 200051）

咪唑烷，化學名為2-硝基亞氨基咪唑烷，為白色晶體，工業品略帶淺黃色；其常溫（20 ℃）下微溶于水，在熱水中溶解度較大，易溶于二甲基甲酰胺、乙醇及丁酮等有機溶劑。咪唑烷主要用作農藥吡蟲啉合成的中間體，其與2-氯-5 氯甲基吡啶在溶劑中合成吡蟲啉[1]。

吡蟲啉是一種煙堿類高效低毒殺蟲劑，主要用于防治刺吸式口器害蟲，而其中咪唑烷質量的高低直接影響吡蟲啉的合成。如將質量不達標的咪唑烷用于合成吡蟲啉，可能會導致吡蟲啉顏色異常、含量偏低，還可能使合成吡蟲啉的反應時間延長、收率降低。此外，在吡蟲啉的合成過程中，咪唑烷的投料量是過量的，因此需回收未反應完的咪唑烷，回收咪唑烷的質量也會對吡蟲啉的合成有直接影響。為了保證吡蟲啉及回收咪唑烷的質量，工業上多采用結晶的方法進行分離提純，結晶設備有傳統釜式結晶機和刮壁式空心板片冷卻結晶機。

1 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機的工作原理及主要優點

1.1 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機的結構型式及工作原理

根據工業生產要求，高效刮壁式空心板片冷卻結晶機（見圖1）分為連續結晶機及分批結晶機，采用全新的結構和工作原理。高效刮壁式空心板片冷卻結晶機主要結構為：殼體主體為一個U 型臥式長槽，上部為折邊頂蓋，在殼體內組合排列了多塊空心冷卻板片，通過中心軸進行攪拌；中心攪拌軸從所有的冷卻板片內穿越通過，其上設置有多個阻隔圓盤及推進式攪拌刮刀，對冷卻板片進行貼壁式攪拌，并對結晶機內的物料進行導流。刮壁攪拌對所有的冷卻表面都起到清壁作用，使傳熱和冷卻效率大大提高。

圖1 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機

被結晶的物料從一端進入，被迂回曲折緩慢向前推進到另一端溢流排出，這一過程中，物料和大量的冷卻表面充分接觸，迅速冷卻，實現真正的快速連續結晶。

根據需要，也可設計成快速分批結晶，通過控制攪拌速率和結晶速率，獲得理想的晶體粒徑。對于發汗提純結晶，可通過大量空心板片的快速冷卻在所有空心板片之間結晶，然后加熱發汗，去除雜質后最終溶解排出，獲得純度較高的產品[2]。

1.2 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機的主要優點

（1）殼體主體為一個U 型臥式長槽，在殼體內組合排列了大量空心冷卻板片，冷卻面積非常大，可達到傳統釜式結晶機的數倍，且在每塊冷卻板片內均設置導流筋板，使冷卻介質在冷卻盤片內充分循環，大大提高換熱效率。

（2）結晶機內所有的空間間隔不遠處都有冷卻表面，物料冷卻結晶過程中無冷卻死角，物料的結晶很均勻。

（3）結晶機所有的冷卻盤片表面都有清壁攪拌推進式刮板。結晶機運行過程中，在刮壁式槳葉攪拌作用下，冷卻板片表面不易有晶體析出，使物料在結晶過程中的冷卻效率大大提高，實現真正的快速冷卻結晶。一臺高效刮壁式空心板片冷卻結晶機可替代十幾臺甚至更多的釜式結晶機。

（4）可實現真正的連續結晶。在結晶過程中，所有冷卻盤片始終有刮壁式槳葉對其進行清壁，結晶機的傳熱系數和冷卻效率可維持不變；而傳統釜式結晶機隨著使用時間的延長，盤管與釜壁析出的晶體會使得換熱系數和冷卻效率大大降低。

（5）根據工業生產要求，可用于快速分批結晶，并通過控制攪拌速率和冷卻速率控制結晶晶體的顆粒大小。

（6）占地面積小，設備管道和閥門數量較少且較為集中，有利于現場操作；可實現密閉操作，適用于易燃易爆介質、有毒物料、食品以及藥品等的冷卻結晶。

2 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機與釜式結晶機在咪唑烷回收中的應用對比

2.1 釜式結晶機在咪唑烷回收中的應用

吡蟲啉生產過程中會產生一股溫度為60～65℃、咪唑烷質量分數約為5%的水溶液；根據咪唑烷在常溫下（20 ℃）微溶于水，在熱水中溶解度較大的特點，采用降溫結晶工藝回收其中的咪唑烷。工業生產中多采用釜式結晶機（其結構見圖2）對咪唑烷進行結晶回收。

在實際結晶過程中，釜式結晶機管道及閥門較多，操作煩瑣，需要現場調試人員上下樓來回操作；隨著結晶時間的延長，在釜式結晶機釜壁和盤管上形成較多晶狀物后，造成換熱系數下降，無法有效降溫，結晶終點溫度上升，必須停車洗釜。停車洗釜周期短、時間長，對咪唑烷結晶工序及產能影響較大。

由于單臺釜式結晶機用于咪唑烷生產效果不甚理想，因此嘗試使用5 臺釜式結晶機串聯工藝進行連續化結晶操作，但使用效果仍然一般，生產過程以及結果如下：結晶過程中，在釜壁和盤管上形成較多晶狀物后，換熱系數下降，結晶終點溫度上升，必須停車洗釜；平均清洗周期為5 d，清洗時需要蒸汽升溫清洗，平均清洗時間約為1 d；出口廢水中咪唑烷質量分數約為0.5%。結晶過程中進料口及出料口溫度見表1。

2.2 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機在咪唑烷回收中的應用

由于釜式結晶機用于咪唑烷回收效果一般，因此嘗試使用高效刮壁式空心板片冷卻結晶機進行結晶操作。

結晶過程中，在多組刮板貼壁攪拌下，結晶機冷卻板片表面無明顯晶體析出，結晶過程中工況及出料口溫度較為穩定；平均清洗周期為10 d，清洗時可直接清洗冷卻盤片，且無需升溫，平均清洗時間約3 h；出口廢水中咪唑烷質量分數約為0.2%。結晶過程中進料口以及出料口溫度見表2。

表1 釜式結晶機（5 臺串聯）用于咪唑烷結晶時進出料口溫度

表2 高效刮壁式空心板片冷卻結晶機用于咪唑烷結晶時進出料口溫度

2.3 對比與分析

（1）5 個釜式結晶機串聯使用占地面積大，設備管道及閥門較多，結晶過程中操作煩瑣；高效刮壁式空心板片冷卻結晶機管道及閥門數量較少且全部集中在一起，結晶過程中操作方便，現場調試人員工作強度減輕，工作效率極大提高。

（2）釜式結晶機運行一段時間后，釜壁和盤管上形成較多晶狀物，造成換熱系數下降，出料口溫度升高，結晶效率低下；高效刮壁式空心板片冷卻結晶機運行過程中，在多組刮板的貼壁攪拌作用下，結晶機冷卻板片表面無明顯晶體析出，出料口溫度較為穩定，結晶效率高。

（3）釜式結晶機連續運行5 d 左右后，結晶機出口處溫度明顯上升，必須停車洗釜，清洗時需要蒸汽升溫清洗，平均清洗時間約1 d，既耗能又耗時；高效刮壁式空心板片冷卻結晶機連續運行過程中，換熱效率較為穩定，平均清洗周期為10 d，且無需升溫清洗，只需直接清洗冷卻盤片表面即可，平均清洗時間約3 h，即節能又能減輕現場人員工作強度。

（4）釜式結晶機出口廢水中咪唑烷質量分數約為0.5%，電機總功率約為75 kW，能耗大、產量低；高效刮壁式空心板片冷卻結晶機出口廢水中咪唑烷質量分數約為0.2%，電機總功率約為33.5 kW，在節能環保的前提下，廢水中咪唑烷含量降低，回收的咪唑烷量增加，大大節約了原料成本以及能耗成本。

3 結論與展望

咪唑烷的回收在工業生產中具有重要意義，多采用結晶工藝來回收吡蟲啉合成過程中未反應的咪唑烷。通過高效刮壁式空心板片冷卻結晶機與釜式結晶機用于咪唑烷回收的對比分析可以發現，高效刮壁式空心板片冷卻結晶機在結晶過程中冷卻板片表面無明顯晶體析出，出料口溫度較為穩定，現場操作方便，周期性清潔時間較短，與釜式結晶機相比，在能耗低的前提下能夠回收更多的咪唑烷。從現場操作、停機清洗、結晶效果、節能環保以及回收效率等方面來看，高效刮壁式空心板片冷卻結晶機非常適用于咪唑烷的生產及回收。

高效刮壁式空心板片冷卻結晶機具有占地面積小、換熱面積大、結晶效率高且穩定等優點，尤其是可調節式刮刀，通過調節其與冷卻盤片之間的距離，可真正意義上實現完全刮壁，使結晶效率最大化。