高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機在咪唑烷回收中的應(yīng)用

朱黎明 過志昌

上海迅昌化工裝備技術(shù)研究所 （上海 200051）

咪唑烷，化學(xué)名為2-硝基亞氨基咪唑烷，為白色晶體，工業(yè)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(nóng)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(zhì)量的高低直接影響吡蟲啉的合成。如將質(zhì)量不達標的咪唑烷用于合成吡蟲啉，可能會導(dǎo)致吡蟲啉顏色異常、含量偏低，還可能使合成吡蟲啉的反應(yīng)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(yīng)完的咪唑烷，回收咪唑烷的質(zhì)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(zhì)量，工業(yè)上多采用結(jié)晶的方法進行分離提純，結(jié)晶設(shè)備有傳統(tǒng)釜式結(jié)晶機和刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機。

1 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機的工作原理及主要優(yōu)點

1.1 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機的結(jié)構(gòu)型式及工作原理

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求，高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機（見圖1）分為連續(xù)結(jié)晶機及分批結(jié)晶機，采用全新的結(jié)構(gòu)和工作原理。高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機主要結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)穿越通過，其上設(shè)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(jié)晶機內(nèi)的物料進行導(dǎo)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(jié)晶機

被結(jié)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(xiàn)真正的快速連續(xù)結(jié)晶。

根據(jù)需要，也可設(shè)計成快速分批結(jié)晶，通過控制攪拌速率和結(jié)晶速率，獲得理想的晶體粒徑。對于發(fā)汗提純結(jié)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(jié)晶，然后加熱發(fā)汗，去除雜質(zhì)后最終溶解排出，獲得純度較高的產(chǎn)品[2]。

1.2 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機的主要優(yōu)點

（1）殼體主體為一個U 型臥式長槽，在殼體內(nèi)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(tǒng)釜式結(jié)晶機的數(shù)倍，且在每塊冷卻板片內(nèi)均設(shè)置導(dǎo)流筋板，使冷卻介質(zhì)在冷卻盤片內(nèi)充分循環(huán)，大大提高換熱效率。

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

（3）結(jié)晶機所有的冷卻盤片表面都有清壁攪拌推進式刮板。結(jié)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(jié)晶過程中的冷卻效率大大提高，實現(xiàn)真正的快速冷卻結(jié)晶。一臺高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機可替代十幾臺甚至更多的釜式結(jié)晶機。

（4）可實現(xiàn)真正的連續(xù)結(jié)晶。在結(jié)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(jié)晶機的傳熱系數(shù)和冷卻效率可維持不變；而傳統(tǒng)釜式結(jié)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(shù)和冷卻效率大大降低。

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

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

2 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機與釜式結(jié)晶機在咪唑烷回收中的應(yīng)用對比

2.1 釜式結(jié)晶機在咪唑烷回收中的應(yīng)用

吡蟲啉生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一股溫度為60～65℃、咪唑烷質(zhì)量分數(shù)約為5%的水溶液；根據(jù)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(jié)晶工藝回收其中的咪唑烷。工業(yè)生產(chǎn)中多采用釜式結(jié)晶機（其結(jié)構(gòu)見圖2）對咪唑烷進行結(jié)晶回收。

在實際結(jié)晶過程中，釜式結(jié)晶機管道及閥門較多，操作煩瑣，需要現(xiàn)場調(diào)試人員上下樓來回操作；隨著結(jié)晶時間的延長，在釜式結(jié)晶機釜壁和盤管上形成較多晶狀物后，造成換熱系數(shù)下降，無法有效降溫，結(jié)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(jié)晶工序及產(chǎn)能影響較大。

由于單臺釜式結(jié)晶機用于咪唑烷生產(chǎn)效果不甚理想，因此嘗試使用5 臺釜式結(jié)晶機串聯(lián)工藝進行連續(xù)化結(jié)晶操作，但使用效果仍然一般，生產(chǎn)過程以及結(jié)果如下：結(jié)晶過程中，在釜壁和盤管上形成較多晶狀物后，換熱系數(shù)下降，結(jié)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(zhì)量分數(shù)約為0.5%。結(jié)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(jié)晶機在咪唑烷回收中的應(yīng)用

由于釜式結(jié)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(jié)晶機進行結(jié)晶操作。

結(jié)晶過程中，在多組刮板貼壁攪拌下，結(jié)晶機冷卻板片表面無明顯晶體析出，結(jié)晶過程中工況及出料口溫度較為穩(wěn)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(zhì)量分數(shù)約為0.2%。結(jié)晶過程中進料口以及出料口溫度見表2。

表1 釜式結(jié)晶機（5 臺串聯(lián)）用于咪唑烷結(jié)晶時進出料口溫度

表2 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機用于咪唑烷結(jié)晶時進出料口溫度

2.3 對比與分析

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

（2）釜式結(jié)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(shù)下降，出料口溫度升高，結(jié)晶效率低下；高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機運行過程中，在多組刮板的貼壁攪拌作用下，結(jié)晶機冷卻板片表面無明顯晶體析出，出料口溫度較為穩(wěn)定，結(jié)晶效率高。

（3）釜式結(jié)晶機連續(xù)運行5 d 左右后，結(jié)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(jié)晶機連續(xù)運行過程中，換熱效率較為穩(wěn)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(jié)能又能減輕現(xiàn)場人員工作強度。

（4）釜式結(jié)晶機出口廢水中咪唑烷質(zhì)量分數(shù)約為0.5%，電機總功率約為75 kW，能耗大、產(chǎn)量低；高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機出口廢水中咪唑烷質(zhì)量分數(shù)約為0.2%，電機總功率約為33.5 kW，在節(jié)能環(huán)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(jié)約了原料成本以及能耗成本。

3 結(jié)論與展望

咪唑烷的回收在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義，多采用結(jié)晶工藝來回收吡蟲啉合成過程中未反應(yīng)的咪唑烷。通過高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機與釜式結(jié)晶機用于咪唑烷回收的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機在結(jié)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(wěn)定，現(xiàn)場操作方便，周期性清潔時間較短，與釜式結(jié)晶機相比，在能耗低的前提下能夠回收更多的咪唑烷。從現(xiàn)場操作、停機清洗、結(jié)晶效果、節(jié)能環(huán)保以及回收效率等方面來看，高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機非常適用于咪唑烷的生產(chǎn)及回收。

高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機具有占地面積小、換熱面積大、結(jié)晶效率高且穩(wěn)定等優(yōu)點，尤其是可調(diào)節(jié)式刮刀，通過調(diào)節(jié)其與冷卻盤片之間的距離，可真正意義上實現(xiàn)完全刮壁，使結(jié)晶效率最大化。