内储能式中压制备柱在技术改造中的应用实例

赵武新

（聊城万合工业制造有限公司，山东聊城252022）

0 引言

麝香是名贵的香料，同时又是临床上的珍贵药材。自从麝被作为珍稀动物保护起来以后，天然麝香已经很难获得。麝香酮即3-甲基环十五酮（3-Methyl-cyclopentadecanone）是麝香的主要成分。麝香酮的人工合成与高纯度、高收率的分离纯化成为许多合成化学工作者追求的目标。

在工业化的人工麝香酮的合成过程中，不可避免地会生成一些副产品、衍生物或异构体。传统的分离纯化系统一般都是由玻璃层析柱和设置在较高位置上的溶剂罐所组成。

笔者参与改造的山东某化工有限公司的人工麝香酮分离纯化系统就是应用了传统的配置方式。在60根直径100mm、长度2000mm的玻璃层析柱内装填400～600目的不规则形状的硅胶。用湿法分层装柱，一次装填完毕，静置一段时间等待硅胶自然沉降后进行二次装填，补充填料再静置，再装填，直至得到满意的柱床高度。每根层析柱的一次进样量为300g，洗脱液储罐距离硅胶上表面1.8m，从洗脱液储罐底部引出输液管路。洗脱开始时，调整管路出口的阀门至适当的流量，一般工作流量为30～40mL/min。梯度洗脱，首先用石油醚做流动相，分离出合成中残留的过渡物质α，待目标产品β出现之后，在石油醚中加入乙醚，调整流动相为V（石油醚）:V（乙醚）=20:1，继续分离至目标产品β中含有异构体γ时更换收集瓶，对柱后液回收利用。可回收利用的物质收集结束即关闭阀门，切断流动相。拆柱并更换新的硅胶，准备进入下一个生产过程。

一个分离纯化的生产过程需要8天，其中包括拆柱和生产准备时间1天。

当时存在的主要问题有：如果不更换新的硅胶，那么，清除柱床中的残留物质的成本（主要是时间成本）远远大于硅胶成本。在每一次拆柱时，因为自然沉降的硅胶柱床的密度不均匀，废硅胶流出柱管的速度不好控制，有时候会与柱管壁产生较大的摩擦，同时由于玻璃上的静电很难消除，因此拆柱时存在火灾隐患。

1 技改前的试验

在技术改造前，应用动态轴向压缩柱（DAC）配备高压恒流输液泵进行了一些相关的试验。

设备条件：动态轴向压缩柱直径100mm、长度1100mm、材质为316L，压力调整范围0～10MPa。2台相同的高压恒流输液泵的流量范围为0～300mL/min，最高工作压力10MPa。

首先，选用800～1200目不规则形状硅胶2kg，湿法装柱，柱压3MPa，流动相流速设定为200mL/min，进样量50g。实验结果：样品的分离纯度和收率明显高于玻璃层析柱。每一个试验流程需380min，其中包括柱床冲洗再生时间。一次装柱柱床使用7个流程之后，分离纯度和收率下降。重现性明显优于玻璃层析柱。

图1 分离纯化系统方案

其次，选用20μm球形等径硅胶填料2kg，湿法装柱，柱压5MPa，流动相流速设定为200mL/min，进样量50g。实验结果：分离纯度和收率高于上一个实验（不规则形状硅胶柱）。每一个试验流程用时330min，其中包括柱床冲洗再生时间。一次装柱柱床使用11个流程之后，分离纯度和收率下降。重现性与上一个实验（不考虑到未来的工艺改进，要求柱管的最大装填高度为800mm。

按照厂房条件和生产工艺需要，设计安装3套基于内储能式中压制备柱的分离纯化系统。

分离纯化系统方案如图1所示。规则形状硅胶柱）基本相似。

再次，进一步实验，增加柱床高度至600mm。实验结果：每一个试验流程时间增加到430min。纯度提高，收率提高。在做加大洗脱液流速和流动相极性的试验时，其实验结果为出峰时间缩短。

最后，在洗脱液流速设定为200mL/min的条件下，逐渐增加进样量，进行了柱床高度与最大载样量的试验，分析数据，确定两者的函数关系。

2 技术改造方案

因为球形等径硅胶的市场价格是不规则形状硅胶的15倍以上，经过综合评价以后，决定首先选用800～1200目不规则形状硅胶。同时确定选用直径100mm的柱管，柱床高度为500～600mm，一次进样量50～60g。

每套分离纯化系统包括：10台内储能式中压制备柱（其中1台为备用）配1套装柱、拆柱装置；1台样品泵；18台输液泵；1个正压防爆柜；1台个人计算机（内装终端控制软件）。

每套分离纯化系统中1台样品泵分别为9台内储能式中压制备柱进样。18台输液泵每2台为1组，分别配置在9台制备柱的柱前。其中1台固定输送石油醚，另1台作为乙醚泵和清洗泵。

样品泵和输液泵设计参数为：流量500mL/min；柱塞式结构；高压恒流；泵头及与液体接触部位材质为316L；流量精度2%；泵单元体与电动控制部分分离；电动控制部分装入正压防爆柜。

内储能式中压制备柱的设计参数为：柱管的直径100mm；柱管长度1200mm；最大柱床高度800mm；压力调整范围3～5MPa；柱管与活塞、柱底法兰的材质为316L。

储能弹簧活动余量120mm，以抵消填料的溶胀和样品中少量杂质堵塞引起的不正常压力变化。

装柱、拆柱装置的设计原理与动态轴向压缩系统相同，将固定柱管变为可移动、可更换的结构形式。以压缩空气为动力源，连接气驱液压泵，带动液压油缸使活塞运动，并为活塞提供压力。

另外，因为100mm直径的内储能式中压制备柱自重较小，加上硅胶和其中的匀浆液，重量为32～36kg，所以将其设计为脚轮移动形式，柱体与管路系统之间采用快接连接方式，作业空间大，又可以实现装柱、拆柱操作与使用场所分离，消除火灾隐患。

将泵和转换阀的所有电气控制元件放置在正压防爆柜内。设置终端控制室从正压防爆柜内接出网线连接终端控制室内的个人计算机，实现远程控制。

3 综合评价

在使用玻璃层析柱的环境下，不能对柱床施加压力，也不能敲击柱管，只能依靠柱内硅胶的自然沉降达到柱床的密实度。在这样的情况下，不能保证柱床内部密度均匀，样品的分离效果自然也难以保证。采用中压制备柱以后，使用316L不锈钢材质的柱管，移动活塞产生足够的压力可以保证柱床内部各部位的密度基本相等，同时配有流体强制分配器，实现洗脱液的有序流动，提高了分离效果。

使用内储能式中压制备柱以及配套应用的装柱、拆柱系统，快接式管路结构，操作简单便捷，因为有足够的柱内压力的存在，可以选用更小粒径的硅胶，以增大柱内硅胶比表面积、提高柱效理论塔板数并提高产品纯度和收率。同时也缩短了柱床，减少了空间的占用。

玻璃层析柱因为材质的问题，与硅胶等物质摩擦产生的静电难以消除，而石油醚的闪点很低，遇到火花会燃烧甚至爆炸，但是不锈钢材质的制备柱管只要通过接地的方式便可以及时消除静电，减少安全隐患。

系统中配置的输液泵驱动流动相实现样品的洗脱，输液泵为恒流恒压泵，在柱管内柱床的硅胶规格和品质不变，在柱高和柱内压力不变的情况下，可以保证整个生产工艺过程的重现性，即样品内各组分出现的时间、浓度等参数基本一致，便于进行过程控制和标准化生产。同样，因为输液泵的存在，洗脱液储罐不需要特别考虑位置升高的问题，可以正常放置在地面上，或者是其他合适的位置，从而降低相应的费用。同时，由于输液泵的存在，能够实现大流量清洗柱床，使得柱床再生时间缩短，再生的成本降低，减少了大量的废弃硅胶，自然也就减少了对硅胶和其中残留的试剂等化学成分对环境的污染。

4 结语

在该公司没有进行技术改造以前的分离纯化生产设备中，60根玻璃层析柱系统平均一个生产流程为8天（24h工作）时间。在一个生产流程中，硅胶总用量600kg，洗脱液总用量21000L，总进样量18kg，单位洗脱液用量1166L/kg。

技术改造以后，同样是在8天的时间里（16h工作），硅胶总用量81kg，洗脱液总用量25920L，总进样量24kg，单位洗脱液用量1080L/kg，新增加柱床再生清洗液432L。

相比之下，每一个生产流程中废弃硅胶减少519kg，产品的产量和纯度都有了保证。更重要的是，不再出现硅胶和柱管摩擦导致石油醚燃烧的现象。