內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱在技術(shù)改造中的應(yīng)用實(shí)例

趙武新

（聊城萬合工業(yè)制造有限公司，山東聊城252022）

0 引言

麝香是名貴的香料，同時(shí)又是臨床上的珍貴藥材。自從麝被作為珍稀動(dòng)物保護(hù)起來以后，天然麝香已經(jīng)很難獲得。麝香酮即3-甲基環(huán)十五酮（3-Methyl-cyclopentadecanone）是麝香的主要成分。麝香酮的人工合成與高純度、高收率的分離純化成為許多合成化學(xué)工作者追求的目標(biāo)。

在工業(yè)化的人工麝香酮的合成過程中，不可避免地會(huì)生成一些副產(chǎn)品、衍生物或異構(gòu)體。傳統(tǒng)的分離純化系統(tǒng)一般都是由玻璃層析柱和設(shè)置在較高位置上的溶劑罐所組成。

筆者參與改造的山東某化工有限公司的人工麝香酮分離純化系統(tǒng)就是應(yīng)用了傳統(tǒng)的配置方式。在60根直徑100mm、長度2000mm的玻璃層析柱內(nèi)裝填400～600目的不規(guī)則形狀的硅膠。用濕法分層裝柱，一次裝填完畢，靜置一段時(shí)間等待硅膠自然沉降后進(jìn)行二次裝填，補(bǔ)充填料再靜置，再裝填，直至得到滿意的柱床高度。每根層析柱的一次進(jìn)樣量為300g，洗脫液儲(chǔ)罐距離硅膠上表面1.8m，從洗脫液儲(chǔ)罐底部引出輸液管路。洗脫開始時(shí)，調(diào)整管路出口的閥門至適當(dāng)?shù)牧髁?，一般工作流量?0～40mL/min。梯度洗脫，首先用石油醚做流動(dòng)相，分離出合成中殘留的過渡物質(zhì)α，待目標(biāo)產(chǎn)品β出現(xiàn)之后，在石油醚中加入乙醚，調(diào)整流動(dòng)相為V（石油醚）:V（乙醚）=20:1，繼續(xù)分離至目標(biāo)產(chǎn)品β中含有異構(gòu)體γ時(shí)更換收集瓶，對(duì)柱后液回收利用?？苫厥绽玫奈镔|(zhì)收集結(jié)束即關(guān)閉閥門，切斷流動(dòng)相。拆柱并更換新的硅膠，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)過程。

一個(gè)分離純化的生產(chǎn)過程需要8天，其中包括拆柱和生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間1天。

當(dāng)時(shí)存在的主要問題有：如果不更換新的硅膠，那么，清除柱床中的殘留物質(zhì)的成本（主要是時(shí)間成本）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅膠成本。在每一次拆柱時(shí)，因?yàn)樽匀怀两档墓枘z柱床的密度不均勻，廢硅膠流出柱管的速度不好控制，有時(shí)候會(huì)與柱管壁產(chǎn)生較大的摩擦，同時(shí)由于玻璃上的靜電很難消除，因此拆柱時(shí)存在火災(zāi)隱患。

1 技改前的試驗(yàn)

在技術(shù)改造前，應(yīng)用動(dòng)態(tài)軸向壓縮柱（DAC）配備高壓恒流輸液泵進(jìn)行了一些相關(guān)的試驗(yàn)。

設(shè)備條件：動(dòng)態(tài)軸向壓縮柱直徑100mm、長度1100mm、材質(zhì)為316L，壓力調(diào)整范圍0～10MPa。2臺(tái)相同的高壓恒流輸液泵的流量范圍為0～300mL/min，最高工作壓力10MPa。

首先，選用800～1200目不規(guī)則形狀硅膠2kg，濕法裝柱，柱壓3MPa，流動(dòng)相流速設(shè)定為200mL/min，進(jìn)樣量50g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：樣品的分離純度和收率明顯高于玻璃層析柱。每一個(gè)試驗(yàn)流程需380min，其中包括柱床沖洗再生時(shí)間。一次裝柱柱床使用7個(gè)流程之后，分離純度和收率下降。重現(xiàn)性明顯優(yōu)于玻璃層析柱。

圖1 分離純化系統(tǒng)方案

其次，選用20μm球形等徑硅膠填料2kg，濕法裝柱，柱壓5MPa，流動(dòng)相流速設(shè)定為200mL/min，進(jìn)樣量50g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：分離純度和收率高于上一個(gè)實(shí)驗(yàn)（不規(guī)則形狀硅膠柱）。每一個(gè)試驗(yàn)流程用時(shí)330min，其中包括柱床沖洗再生時(shí)間。一次裝柱柱床使用11個(gè)流程之后，分離純度和收率下降。重現(xiàn)性與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)（不考慮到未來的工藝改進(jìn)，要求柱管的最大裝填高度為800mm。

按照廠房條件和生產(chǎn)工藝需要，設(shè)計(jì)安裝3套基于內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱的分離純化系統(tǒng)。

分離純化系統(tǒng)方案如圖1所示。規(guī)則形狀硅膠柱）基本相似。

再次，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，增加柱床高度至600mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：每一個(gè)試驗(yàn)流程時(shí)間增加到430min。純度提高，收率提高。在做加大洗脫液流速和流動(dòng)相極性的試驗(yàn)時(shí)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為出峰時(shí)間縮短。

最后，在洗脫液流速設(shè)定為200mL/min的條件下，逐漸增加進(jìn)樣量，進(jìn)行了柱床高度與最大載樣量的試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，確定兩者的函數(shù)關(guān)系。

2 技術(shù)改造方案

因?yàn)榍蛐蔚葟焦枘z的市場價(jià)格是不規(guī)則形狀硅膠的15倍以上，經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)以后，決定首先選用800～1200目不規(guī)則形狀硅膠。同時(shí)確定選用直徑100mm的柱管，柱床高度為500～600mm，一次進(jìn)樣量50～60g。

每套分離純化系統(tǒng)包括：10臺(tái)內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱（其中1臺(tái)為備用）配1套裝柱、拆柱裝置；1臺(tái)樣品泵；18臺(tái)輸液泵；1個(gè)正壓防爆柜；1臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)（內(nèi)裝終端控制軟件）。

每套分離純化系統(tǒng)中1臺(tái)樣品泵分別為9臺(tái)內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱進(jìn)樣。18臺(tái)輸液泵每2臺(tái)為1組，分別配置在9臺(tái)制備柱的柱前。其中1臺(tái)固定輸送石油醚，另1臺(tái)作為乙醚泵和清洗泵。

樣品泵和輸液泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量500mL/min；柱塞式結(jié)構(gòu)；高壓恒流；泵頭及與液體接觸部位材質(zhì)為316L；流量精度2%；泵單元體與電動(dòng)控制部分分離；電動(dòng)控制部分裝入正壓防爆柜。

內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱的設(shè)計(jì)參數(shù)為：柱管的直徑100mm；柱管長度1200mm；最大柱床高度800mm；壓力調(diào)整范圍3～5MPa；柱管與活塞、柱底法蘭的材質(zhì)為316L。

儲(chǔ)能彈簧活動(dòng)余量120mm，以抵消填料的溶脹和樣品中少量雜質(zhì)堵塞引起的不正常壓力變化。

裝柱、拆柱裝置的設(shè)計(jì)原理與動(dòng)態(tài)軸向壓縮系統(tǒng)相同，將固定柱管變?yōu)榭梢苿?dòng)、可更換的結(jié)構(gòu)形式。以壓縮空氣為動(dòng)力源，連接氣驅(qū)液壓泵，帶動(dòng)液壓油缸使活塞運(yùn)動(dòng)，并為活塞提供壓力。

另外，因?yàn)?00mm直徑的內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱自重較小，加上硅膠和其中的勻漿液，重量為32～36kg，所以將其設(shè)計(jì)為腳輪移動(dòng)形式，柱體與管路系統(tǒng)之間采用快接連接方式，作業(yè)空間大，又可以實(shí)現(xiàn)裝柱、拆柱操作與使用場所分離，消除火災(zāi)隱患。

將泵和轉(zhuǎn)換閥的所有電氣控制元件放置在正壓防爆柜內(nèi)。設(shè)置終端控制室從正壓防爆柜內(nèi)接出網(wǎng)線連接終端控制室內(nèi)的個(gè)人計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 綜合評(píng)價(jià)

在使用玻璃層析柱的環(huán)境下，不能對(duì)柱床施加壓力，也不能敲擊柱管，只能依靠柱內(nèi)硅膠的自然沉降達(dá)到柱床的密實(shí)度。在這樣的情況下，不能保證柱床內(nèi)部密度均勻，樣品的分離效果自然也難以保證。采用中壓制備柱以后，使用316L不銹鋼材質(zhì)的柱管，移動(dòng)活塞產(chǎn)生足夠的壓力可以保證柱床內(nèi)部各部位的密度基本相等，同時(shí)配有流體強(qiáng)制分配器，實(shí)現(xiàn)洗脫液的有序流動(dòng)，提高了分離效果。

使用內(nèi)儲(chǔ)能式中壓制備柱以及配套應(yīng)用的裝柱、拆柱系統(tǒng)，快接式管路結(jié)構(gòu)，操作簡單便捷，因?yàn)橛凶銐虻闹鶅?nèi)壓力的存在，可以選用更小粒徑的硅膠，以增大柱內(nèi)硅膠比表面積、提高柱效理論塔板數(shù)并提高產(chǎn)品純度和收率。同時(shí)也縮短了柱床，減少了空間的占用。

玻璃層析柱因?yàn)椴馁|(zhì)的問題，與硅膠等物質(zhì)摩擦產(chǎn)生的靜電難以消除，而石油醚的閃點(diǎn)很低，遇到火花會(huì)燃燒甚至爆炸，但是不銹鋼材質(zhì)的制備柱管只要通過接地的方式便可以及時(shí)消除靜電，減少安全隱患。

系統(tǒng)中配置的輸液泵驅(qū)動(dòng)流動(dòng)相實(shí)現(xiàn)樣品的洗脫，輸液泵為恒流恒壓泵，在柱管內(nèi)柱床的硅膠規(guī)格和品質(zhì)不變，在柱高和柱內(nèi)壓力不變的情況下，可以保證整個(gè)生產(chǎn)工藝過程的重現(xiàn)性，即樣品內(nèi)各組分出現(xiàn)的時(shí)間、濃度等參數(shù)基本一致，便于進(jìn)行過程控制和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。同樣，因?yàn)檩斠罕玫拇嬖?，洗脫液?chǔ)罐不需要特別考慮位置升高的問題，可以正常放置在地面上，或者是其他合適的位置，從而降低相應(yīng)的費(fèi)用。同時(shí)，由于輸液泵的存在，能夠?qū)崿F(xiàn)大流量清洗柱床，使得柱床再生時(shí)間縮短，再生的成本降低，減少了大量的廢棄硅膠，自然也就減少了對(duì)硅膠和其中殘留的試劑等化學(xué)成分對(duì)環(huán)境的污染。

4 結(jié)語

在該公司沒有進(jìn)行技術(shù)改造以前的分離純化生產(chǎn)設(shè)備中，60根玻璃層析柱系統(tǒng)平均一個(gè)生產(chǎn)流程為8天（24h工作）時(shí)間。在一個(gè)生產(chǎn)流程中，硅膠總用量600kg，洗脫液總用量21000L，總進(jìn)樣量18kg，單位洗脫液用量1166L/kg。

技術(shù)改造以后，同樣是在8天的時(shí)間里（16h工作），硅膠總用量81kg，洗脫液總用量25920L，總進(jìn)樣量24kg，單位洗脫液用量1080L/kg，新增加柱床再生清洗液432L。

相比之下，每一個(gè)生產(chǎn)流程中廢棄硅膠減少519kg，產(chǎn)品的產(chǎn)量和純度都有了保證。更重要的是，不再出現(xiàn)硅膠和柱管摩擦導(dǎo)致石油醚燃燒的現(xiàn)象。