朱碧肖 陳崔龍

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司）

聚苯硫醚（PPS）是目前世界上性價(jià)比最高的特種工程塑料［1］，用途廣泛。合成PPS 的方法有硫化鈉法、硫磺溶液法、非結(jié)晶質(zhì)PPS 合成法、氧化聚合法、硫化氫法及對(duì)鹵代苯硫酚縮聚法等［2］。其中，硫化鈉法采用二氯苯和無(wú)水硫化鈉在極性有機(jī)溶劑中通過縮合反應(yīng)生成PPS［3］，具有原料資源豐富、工藝路線較短、生產(chǎn)過程重復(fù)性好、產(chǎn)率高及純度高等特點(diǎn)，是目前工業(yè)化生產(chǎn)PPS 的主要方法。該方法中的極性有機(jī)溶劑——N-甲基吡咯烷酮（NMP）會(huì)留存于廢液中，需要回收。 回收PPS 廢液中NMP 的方法主要有精餾法和溶劑萃取法。 由于NMP 具有水溶性高、沸點(diǎn)高的特點(diǎn)，精餾法既耗能、費(fèi)時(shí)，收率也較低，而溶劑萃取法具有生產(chǎn)效率高、綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)便及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)［4，5］，在工業(yè)生產(chǎn)中正推廣應(yīng)用。 溶劑萃取法中， 利用三氯甲烷作為萃取劑時(shí)， 萃取NMP 效果較好［6，7］。 PPS 廢液處理量一般較大，每小時(shí)處理量大都超過20m3，需要較高技術(shù)參數(shù)的萃取設(shè)備；PPS 廢液和三氯甲烷密度差大，較強(qiáng)的剪切作用容易導(dǎo)致乳化，不利于兩相分離，傳統(tǒng)環(huán)隙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剪切混合傳質(zhì)模式不適合該工況；廢液中的固相低聚物易聚集于設(shè)備底部和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，要求萃取設(shè)備底部無(wú)機(jī)械密封，且能有效清除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的低聚物。

傳統(tǒng)環(huán)隙式離心萃取機(jī)采用上、 下支撐結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓外表面和靜止的機(jī)殼內(nèi)表面之間形成“環(huán)隙”區(qū)，利用轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)與機(jī)殼靜止的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，輕、重兩相液體會(huì)在“環(huán)隙”區(qū)形成剪切作用大的泰勒渦流［8，9］；支撐底部的軸承在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量不利于三氯甲烷工況；廢液中的低聚物固體易造成密封底部軸承的機(jī)械密封失效［10，11］。

上懸式離心萃取機(jī)采用球形軸承座，整個(gè)轉(zhuǎn)子呈上懸式撓性支撐，底部無(wú)軸承支撐和機(jī)械密封。 撓性支撐使懸掛的轉(zhuǎn)子具有一定的自由度，為高技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；混合方式采用小筒體進(jìn)料、槳葉式混合，能弱化剪切作用；中空主軸上設(shè)置高壓噴嘴， 實(shí)現(xiàn)CIP 在線清洗和漂洗，可在不拆機(jī)的前提下，快速高效地清除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的低聚物。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

上懸式離心萃取機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)子部件、上/下殼體部件、機(jī)架及混合室等構(gòu)成（圖1）。下殼體底部設(shè)有混合室，輕、重兩相進(jìn)口直接設(shè)在混合室兩側(cè)。 離心萃取機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，為隔離設(shè)備振動(dòng)，離心萃取機(jī)對(duì)外接管采用軟管連接。 另外，出口管道可安裝管道視鏡和取樣閥，以便觀察、檢測(cè)兩相出液情況。

圖1 上懸式離心萃取機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 球形軸承座上懸結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，安裝座內(nèi)表面呈球形，與機(jī)架固定連接。 離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)子部件通過主軸、主軸承采用上懸掛方式安裝在球形軸承座內(nèi)。 球形軸承座的外球面與安裝座的內(nèi)球面相互形成高精度的球面配合，使轉(zhuǎn)子部件整體具有一定的偏擺自由度［12］。 為避免偏擺自由度過大，致使轉(zhuǎn)子部件與其他部件發(fā)生干涉， 在安裝座內(nèi)設(shè)置限位銷， 控制偏擺角在±1.5°、 關(guān)鍵部位偏擺距離在0.5～2.0mm 范圍內(nèi)，保證離心萃取機(jī)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。設(shè)備負(fù)荷運(yùn)行振動(dòng)速度低于4.5mm/s 時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)無(wú)特殊要求，可直接放置在鋼平臺(tái)、普通樓層。

圖2 球形軸承座上懸式結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 弱剪切作用混合室

下殼體底部設(shè)有小筒體，輕、重兩相進(jìn)料口關(guān)于小筒體中心對(duì)稱、切向設(shè)置，小筒體內(nèi)表面均布混合板，構(gòu)成混合室（圖3）。物料與萃取劑按工藝要求的相比、流量進(jìn)入混合室，在進(jìn)料壓力作用下，沿小筒體內(nèi)壁各自切向流動(dòng)，方向相反。在混合板作用下，流動(dòng)性受阻，液相分散，發(fā)生初步的混合與傳質(zhì)。 轉(zhuǎn)鼓下軸端由上而下依次設(shè)有抽吸槳和攪拌槳，在抽吸槳的抽吸作用下，混合室內(nèi)初步混合的液相向著轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過攪拌槳時(shí)，再次攪拌混合，最終進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)完成兩相分離。

圖3 混合室結(jié)構(gòu)示意圖

小筒體直徑較小，兩相液體在混合室內(nèi)能有效接觸，充分混合；混合板尺寸和攪拌槳直徑都較小，產(chǎn)生的剪切作用弱，能防止乳化的形成。

1.3 CIP 在線清洗（漂洗）

萃取工藝中，很多情況下物料會(huì)夾帶少量固體或因溫度、物料飽和度等因素變化時(shí)導(dǎo)致固體析出［13，14］。這些固體最終會(huì)在離心力作用下，不均勻地沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁， 使內(nèi)部流道變小甚至堵塞、破壞轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，造成分離效果差、設(shè)備振動(dòng)加劇，傳統(tǒng)離心萃取機(jī)不得不拆機(jī)進(jìn)行人工清除［15］。

上懸式離心萃取機(jī)通過設(shè)置CIP 在線清洗機(jī)構(gòu)， 可在不打開機(jī)器和不拆卸轉(zhuǎn)鼓的情況下，通入壓力水進(jìn)行在線清洗和漂洗，有效解決了固體沉積的問題。

圖4 CIP 在線清洗機(jī)構(gòu)

CIP 在線清洗機(jī)構(gòu) （圖4） 已實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。 當(dāng)設(shè)備上振動(dòng)傳感器感應(yīng)到設(shè)備振動(dòng)超過安全值時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)關(guān)停進(jìn)料閥、降低萃取機(jī)轉(zhuǎn)速直至停止、打開排污口閥門。 一定時(shí)間后，清洗液進(jìn)口閥門自動(dòng)開啟， 帶有一定壓力 （不小于0.3MPa）的清洗液（根據(jù)待清除固體性質(zhì)，清洗液可以是堿液、稀酸、溶劑及熱水等）進(jìn)入中空主軸，通過主軸上設(shè)置的系列高壓噴嘴，全方位地噴射到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面，將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面的固體噴除，隨清洗液排出，此乃在線清洗過程；一定時(shí)間后，排污口閥門自動(dòng)關(guān)閉，清洗液在萃取機(jī)殼體和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部積聚， 到達(dá)液位傳感器位置后，傳感器給出信號(hào)，清洗液進(jìn)口閥門自動(dòng)停止，電機(jī)低速啟動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓在液體浸泡中進(jìn)行漂洗，將一些噴射死角的固體清除， 隨后排污口閥門自動(dòng)打開，進(jìn)行排空，此乃漂洗過程。 兩個(gè)過程所需時(shí)間均可根據(jù)固體物料和清洗液的特性通過人機(jī)界面方便地輸入、設(shè)定。

通過CIP 在線清洗和漂洗，能基本清除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉積的固體，效率高，無(wú)需人工介入或拆開機(jī)器，操作方便。

2 萃取應(yīng)用

某公司需要回收PPS 廢液的主要成分為水、NMP、氯化鈉、氯化鋰、少量的對(duì)二氯苯和低聚物，各組分含量見表1。工藝上通常采用溶劑萃取法，上懸式離心萃取機(jī)作萃取設(shè)備，三氯甲烷作萃取劑。 要求輕、重兩相出液無(wú)乳化，萃余相中三氯甲烷的含量不高于1%，NMP 的含量不高于0.01%。

表1 PPS 廢液中各組分含量 wt%

PPS 廢液和三氯甲烷萃取劑按一定相比注入，兩相混合流量為28m3/h。 選用CTX650-S 型上懸式離心萃取機(jī)，與物料接觸部分的材料采用不銹鋼噴涂Halar （ECTFE， 乙烯三氟氯乙烯共聚物），可耐物料腐蝕。 根據(jù)工藝要求，采用八級(jí)串聯(lián)逆流萃取，工藝流程如圖5 所示。

圖5 八級(jí)串聯(lián)逆流萃取工藝流程

8 臺(tái)CTX650-S 型離心萃取機(jī)（1#～8#）依次通過管道串聯(lián)， 構(gòu)成逆流萃取系統(tǒng)。 PPS 廢液由8#離心萃取機(jī)的輕相進(jìn)口進(jìn)入，三氯甲烷萃取劑由1#離心萃取機(jī)的重相進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)過八級(jí)逆流萃取， 含NMP 的負(fù)載有機(jī)相由8#離心萃取機(jī)的重相出口流出，萃余相從1#離心萃取機(jī)的輕相出口流出。 通過出液口視鏡觀察，各萃取機(jī)的輕、重兩相出液清亮、無(wú)乳化現(xiàn)象。 采用氣相色譜法檢測(cè)萃余相樣品中的三氯甲烷、NMP 和對(duì)二氯苯的含量（表2）。

對(duì)比表1、2 可以看出，NMP 含量由45.0%降至0.001 8%；萃余相中三氯甲烷、NMP 的檢測(cè)結(jié)果均優(yōu)于出料指標(biāo)一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)二氯苯的檢測(cè)結(jié)果也達(dá)到ppm 級(jí)別。 經(jīng)計(jì)算，NMP 的萃取率（回收率）達(dá)到99.996%。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

8 臺(tái)CTX650-S 型上懸式離心萃取機(jī)的額定功率總和為18.5×8=148kW，穩(wěn)定運(yùn)行后，實(shí)際運(yùn)行功率總和為9×8=72kW；傳統(tǒng)CTL650-S 型環(huán)隙式離心萃取機(jī)單臺(tái)額定功率22kW， 運(yùn)行功率為13.5kW。 按當(dāng)?shù)毓I(yè)用電價(jià)格每度（kW·h）0.9元、每月30 天計(jì)算，8 臺(tái)萃取機(jī)每月可節(jié)省電費(fèi)：（13.5-9）×0.9×24×30×8=2.33 萬(wàn)元。

按1%的低聚物核算， 傳統(tǒng)環(huán)隙式離心萃取機(jī)一周左右就需要拆機(jī)來(lái)清理轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉積的固體，除必要設(shè)備外，至少配備兩名工人，整個(gè)操作周期不少于3h。另外，更換機(jī)械密封元件（成本約2 000 元）時(shí)，還需安排一名工人，至少耗費(fèi)一個(gè)工時(shí)。

CIP 在線清洗（漂洗）機(jī)構(gòu)可快速高效清除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉積的固體， 一般清洗時(shí)間不到半小時(shí)，自動(dòng)化程度高，無(wú)需人工參與。 另外，上懸式離心萃取機(jī)無(wú)需設(shè)置機(jī)械密封。

4 結(jié)束語(yǔ)

PPS 廢液處理中， 以上懸式離心萃取機(jī)為萃取設(shè)備、三氯甲烷為萃取劑，經(jīng)過八級(jí)逆流萃取，NMP 回收率可高達(dá)99.996%。 其中，在萃取機(jī)底部設(shè)置弱剪切作用混合室， 既能防止NMP 萃取中的乳化，優(yōu)化分離效果，也能降低混合攪拌功率，每月可節(jié)省電費(fèi)2.33 萬(wàn)元。

萃取系統(tǒng)中設(shè)置的CIP 在線清洗 （漂洗）機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線清洗和漂洗，在不拆機(jī)的情況下對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部沉積的固體進(jìn)行高效快速清除，清除時(shí)間縮短至半小時(shí)以內(nèi)。

上懸式離心萃取機(jī)采用懸掛式撓性支撐，底部無(wú)軸承和機(jī)械密封，可避免因物料中含有固體顆粒導(dǎo)致的機(jī)械密封失效或軸承運(yùn)行摩擦發(fā)熱帶來(lái)的工藝問題。