二甲苯在倾斜晶析塔内纯化过程

第31卷第2期重庆大学学报Vol .31　No .2　2008年2月Journal of Chongqing UniversityFeb .2008　 文章编号:10002582X (2008)022*******二甲苯在倾斜晶析塔内纯化过程收稿日期:2007209220基金项目:重庆市教委自然科学基金(KJ051102)作者简介:黄美英(19712),女,四川大学博士,重庆三峡学院副教授,主要从事结晶与分离提纯技术研究,(E 2mail )h myt w o@sina .com 。

黄美英1,方荣美1,李　军2,梁克中1(1.重庆三峡学院化学与环境工程系,重庆万州404000;2.四川大学化学工程学院,成都610065)摘　要:使用低共熔型对、邻二甲苯体系,研究全回流稳态操作条件下倾斜晶析塔内有机物的纯化过程。

研究结果表明,倾斜晶析塔对对二甲苯的提纯有很好的适应性,在进料浓度为65%～85%、搅拌速率为6～10r/m in 范围内,产品纯度均可达到99.9%,倾斜晶析塔的轴向扩散模型能很好地描述稳态操作时塔内的浓度分布规律。

关键词:晶析塔;熔融结晶;提纯;对二甲苯 中图分类号:T Q026.5文献标志码:AExperi m ent al I nvesti gati on on Pur i fi cati on Process ofP 2xylene i n an I ncli n ed Colu mn Cryst alli zerHUAN G M e i 2yi ng 1,FAN G Ro ng 2m e i 1,L I J un 2,L I A N G Ke 2zho ng1(1.Depart m ent of Che m ical and Envir on mental Engineering,Chongqing Three G orges University,ChongqingWanzhou404000,P .R .China;2.College of Che m ical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,P .R .China )Abstract:W ith the p 2xylene,o 2xylene si m p le eutectic syste m ,the purificati on p r ocess of organic materials in an inclined colu mn crystallizer at t otal reflux and steady state was investigated .The results indicate that inclined colu mn crystallizer has str ong adap tability f or purifying p 2xylene,the p r oduct purity can easily exceed 99.9%at the range of feed compositi on among 65.0%～85.0%and internal stirring s peed a mong 6～10r/m in,the axial dis persi on model satisfact orily exp lains the concentrati on distributi on p r ofile in inclined colu mn crystallizer .Key words:colu mn crystallizer;melt crystallizati on;purificati on;p 2xylene 近年来,随着医药工业、食品工业、精细化工、高分子材料工程等行业的迅猛发展,国际上对高纯有机物的需求日益增加。

熔融结晶过程作为一种高效低能耗的分离纯化方法,已受到了国内外研究者的广泛关注,特别是对同分异构体体系,这些组分的熔点通常相差较大(可达数十度),使用熔融结晶技术能很容易地分离出高纯度组分(1)。

但对于制备纯度为99.9%以上的高纯度有机物时,利用简单的熔融结晶技术还达不到纯度要求。

虽然经多次简单重结晶操作可达到纯度要求,但产品收率低,步骤繁杂,不便在工业生产中采用。

连续多级晶析塔由于能在一个设备中完成结晶、重结晶、逆流洗涤和发汗等提纯过程,生产效率高并能连续运行,因此日益受到国内外研究者的重视[224]。

目前,已经开发的熔融结晶装置主要有Phili p s 结晶器、B r odie 结晶器、KCP 结晶器等;中国天津大学王静康院士还成功研发了FFC 液膜结晶器,并实现了工业生产,取得了可喜的成绩。

此外日本松岡正邦提出了一种具有广阔应用前景的通用型连续多级倾斜晶析塔,该晶析塔针对多数有机体系固液间密度相差较小,结晶粒子沉降性能差的特点而设计,其结构简单,分离效率高,目前该装置还处于实验室探索阶段,对全返流的情况进行了研究,并进行了部份连续运转实验[5],但是还没有弄清楚晶析塔内的精制纯化过程,也未对装置的设计放大规律进行系统研究。

针对这种情况,笔者对目前广泛采用的晶析塔数学模型———轴向扩散模型[628]进行了修正,并在松岡正邦提出的发汗提纯速率的基础上,该装置进行了较深入的研究,建立了倾斜晶析塔提纯段的轴向扩散模型:(1-wL )=(1-wL0)exp-LD eρL A(1-<)z,并用对二氯苯—邻二氯苯体系验证了模型的适用性[9]。

但是其它体系,是否能很好符合这一规律,还需要进一步研究。

为此文中使用倾斜晶析塔分离提纯对、邻二甲苯低共熔型体系,考察进料浓度和搅拌速率在全回流时对倾斜晶析塔分离精制性能的影响规律。

1　实验1.1　实验装置及试剂CS501-SP型超级数显恒温器、HC-2010型低温恒温槽、步进电机(能正反转)、W P-D814型多路巡检显示控制仪及计算机通讯系统、调压器、加热电阻(100W,220V)、W ZP-Pt100热电阻、注射器、GC112A型气相色谱仪及工作站、玻璃晶析塔(长度为1200mm,内径为50mm)如图1所示。

对二甲苯、邻二甲苯(中国石油辽阳石化公司)、三氯甲烷(分析纯)。

1.2　实验方法原料由进料口加入,冷却段的温度和熔融段的温度分别由不同的低温恒温槽控制。

为防止晶体在塔壁上结垢,搅拌轴从4个方向上间隔安装T型刮片,并采用正反交替的转动方式。

塔底的铝热辐射器一方面支撑搅拌桨,另一方面,由于此处无搅拌,防止此处结块,可通过加热电阻提供部分热量。

晶析塔的倾斜角度为45°,实验采用全回流操作。

塔内温度由取样口处的热电阻测量,并通过温度显示仪输入到计算机。

塔内浓度由注射器从取样口处取样分析,待各点浓度稳定后停止实验。

图1　倾斜晶析塔装置示意图2　实验结果与讨论2.1　温度分布塔内各点的温度随时间变化见图2所示。

塔内各点的温度变化较平缓,说明塔内流动情况良好,9小时后,塔内各点温度均达到稳定状态,其中塔底温度(TC7)达到对二甲苯的熔点附近。

图2　倾斜晶析塔内各点温度随时间的变化2.2　浓度变化为了考察倾斜晶析塔的提纯性能,分别对65%、75%、85%三种浓度的原料进行纯化实验,实验结果见图3。

由图3可知,虽然原料进料浓度wF不同,但是塔底产品经过一定时间后,其纯度均可达到99.9%以上。

此外,不同浓度的原料的塔底产品纯度在实验开始阶段提高均较快,然后逐渐达到一个稳定值,但是不同浓度的原料,其达到稳定的时间不同,浓度越高,所需稳定时间越短,相反浓度越低,所需稳定时间越长。

312第2期 黄美英,等:　二甲苯在倾斜晶析塔内纯化过程图3　倾斜晶析塔塔底产品纯度随时间的变化2.3　杂质浓度分布倾斜晶析塔达到稳定状态后,不同进料浓度w F和搅拌速率n 下,塔内的杂质浓度分布如图4～6所示。

其中,W F 为原料浓度,W L 为塔底产品浓度,H 表示晶体床层的高度。

图4　倾斜晶析塔内杂质浓度分布(w F =0.65,H =0.5m)图5　倾斜晶析塔内杂质浓度分布(w F =0.75,H =0.61m )由图4～6可知,原料浓度在65%～85%的范围内,塔底产品纯度均可达到99.9%以上,而且塔内的杂质浓度在半对数坐标系中呈良好的线性分布,图6　倾斜晶析塔内杂质浓度分布(w F =0.85,H =0.72m )与模型的预测结果一致。

此外,间歇操作中,进料浓度越大,晶体床层(H )越高。

在建立提纯段轴向扩散模型时,先假设了悬浮密度φ是常数,即提纯段各点的悬浮密度相等。

但是,由于晶体的沉降过程与塔的轴线存在一个夹角,所以在塔的截面上会存在一个悬浮密度差,因此需要有一定的搅拌速率,确保塔截面上晶体密度均匀。

在进料浓度较低时,晶体床层较短,因此使用较低的转速(6r/m in )就能使提纯段搅拌均匀,如果提高搅拌速率则会破坏塔内两相的稳定流动,使杂质浓度分布偏离线性关系。

而在进料浓度较高时,晶体床层高度也增加,因此必须使用较高的搅拌速率(8r/m in ),才能使提纯段搅拌均匀,而搅拌速率过低(6r/m in ),不能使晶体在塔内均匀分布,搅拌速率过高(10r/m in ),会破坏塔内两相的稳定流动,这都会导致杂质浓度分布偏离线性关系。

3　结　论1)对二甲苯中杂质浓度沿倾斜晶析塔分布很好地满足轴向扩散模型(1-w L )=(1-w L 0)exp -LD e ρL A (1-φ)z ; 2)在进料浓度为65%～85%,搅拌速度为6～10r/m in 范围内,对二甲苯的纯度均能达到99.9%以上。

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