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(jī)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(dá)標(biāo)的咪唑烷用于合成吡蟲啉，可能會(huì)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(shí)間延長(zhǎng)、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(huì)對(duì)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(jìn)行分離提純，結(jié)晶設(shè)備有傳統(tǒng)釜式結(jié)晶機(jī)和刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)。

1 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)的工作原理及主要優(yōu)點(diǎn)

1.1 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)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(jī)（見圖1）分為連續(xù)結(jié)晶機(jī)及分批結(jié)晶機(jī)，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(jī)主要結(jié)構(gòu)為：殼體主體為一個(gè)U 型臥式長(zhǎng)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(jìn)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(gè)阻隔圓盤及推進(jìn)式攪拌刮刀，對(duì)冷卻板片進(jìn)行貼壁式攪拌，并對(duì)結(jié)晶機(jī)內(nèi)的物料進(jìn)行導(dǎo)流。刮壁攪拌對(duì)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(jī)

被結(jié)晶的物料從一端進(jìn)入，被迂回曲折緩慢向前推進(jìn)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(shí)現(xiàn)真正的快速連續(xù)結(jié)晶。

根據(jù)需要，也可設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）殼體主體為一個(gè)U 型臥式長(zhǎng)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(dá)到傳統(tǒng)釜式結(jié)晶機(jī)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(jī)內(nèi)所有的空間間隔不遠(yuǎn)處都有冷卻表面，物料冷卻結(jié)晶過程中無(wú)冷卻死角，物料的結(jié)晶很均勻。

（3）結(jié)晶機(jī)所有的冷卻盤片表面都有清壁攪拌推進(jìn)式刮板。結(jié)晶機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)真正的快速冷卻結(jié)晶。一臺(tái)高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)可替代十幾臺(tái)甚至更多的釜式結(jié)晶機(jī)。

（4）可實(shí)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(duì)其進(jìn)行清壁，結(jié)晶機(jī)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(jī)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，盤管與釜壁析出的晶體會(huì)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(chǎng)操作；可實(shí)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(jī)與釜式結(jié)晶機(jī)在咪唑烷回收中的應(yīng)用對(duì)比

2.1 釜式結(jié)晶機(jī)在咪唑烷回收中的應(yīng)用

吡蟲啉生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一股溫度為60～65℃、咪唑烷質(zhì)量分?jǐn)?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(diǎn)，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(jī)（其結(jié)構(gòu)見圖2）對(duì)咪唑烷進(jìn)行結(jié)晶回收。

在實(shí)際結(jié)晶過程中，釜式結(jié)晶機(jī)管道及閥門較多，操作煩瑣，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員上下樓來(lái)回操作；隨著結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng)，在釜式結(jié)晶機(jī)釜壁和盤管上形成較多晶狀物后，造成換熱系數(shù)下降，無(wú)法有效降溫，結(jié)晶終點(diǎn)溫度上升，必須停車洗釜。停車洗釜周期短、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)咪唑烷結(jié)晶工序及產(chǎn)能影響較大。

由于單臺(tái)釜式結(jié)晶機(jī)用于咪唑烷生產(chǎn)效果不甚理想，因此嘗試使用5 臺(tái)釜式結(jié)晶機(jī)串聯(lián)工藝進(jìn)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(diǎn)溫度上升，必須停車洗釜；平均清洗周期為5 d，清洗時(shí)需要蒸汽升溫清洗，平均清洗時(shí)間約為1 d；出口廢水中咪唑烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%。結(jié)晶過程中進(jìn)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(jī)在咪唑烷回收中的應(yīng)用

由于釜式結(jié)晶機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)冷卻板片表面無(wú)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(shí)可直接清洗冷卻盤片，且無(wú)需升溫，平均清洗時(shí)間約3 h；出口廢水中咪唑烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.2%。結(jié)晶過程中進(jìn)料口以及出料口溫度見表2。

表1 釜式結(jié)晶機(jī)（5 臺(tái)串聯(lián)）用于咪唑烷結(jié)晶時(shí)進(jìn)出料口溫度

表2 高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)用于咪唑烷結(jié)晶時(shí)進(jìn)出料口溫度

2.3 對(duì)比與分析

（1）5 個(gè)釜式結(jié)晶機(jī)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(jī)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(chǎng)調(diào)試人員工作強(qiáng)度減輕，工作效率極大提高。

（2）釜式結(jié)晶機(jī)運(yùn)行一段時(shí)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(jī)運(yùn)行過程中，在多組刮板的貼壁攪拌作用下，結(jié)晶機(jī)冷卻板片表面無(wú)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(jī)連續(xù)運(yùn)行5 d 左右后，結(jié)晶機(jī)出口處溫度明顯上升，必須停車洗釜，清洗時(shí)需要蒸汽升溫清洗，平均清洗時(shí)間約1 d，既耗能又耗時(shí)；高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)連續(xù)運(yùn)行過程中，換熱效率較為穩(wěn)定，平均清洗周期為10 d，且無(wú)需升溫清洗，只需直接清洗冷卻盤片表面即可，平均清洗時(shí)間約3 h，即節(jié)能又能減輕現(xiàn)場(chǎng)人員工作強(qiáng)度。

（4）釜式結(jié)晶機(jī)出口廢水中咪唑烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%，電機(jī)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(jī)出口廢水中咪唑烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.2%，電機(jī)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(lái)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(jī)與釜式結(jié)晶機(jī)用于咪唑烷回收的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)在結(jié)晶過程中冷卻板片表面無(wú)明顯晶體析出，出料口溫度較為穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，周期性清潔時(shí)間較短，與釜式結(jié)晶機(jī)相比，在能耗低的前提下能夠回收更多的咪唑烷。從現(xiàn)場(chǎng)操作、停機(jī)清洗、結(jié)晶效果、節(jié)能環(huán)保以及回收效率等方面來(lái)看，高效刮壁式空心板片冷卻結(jié)晶機(jī)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(jī)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)完全刮壁，使結(jié)晶效率最大化。