高效刮壁式空心板片冷却结晶机在咪唑烷回收中的应用

朱黎明 过志昌

上海迅昌化工装备技术研究所 （上海 200051）

咪唑烷，化学名为2-硝基亚氨基咪唑烷，为白色晶体，工业品略带浅黄色；其常温（20 ℃）下微溶于水，在热水中溶解度较大，易溶于二甲基甲酰胺、乙醇及丁酮等有机溶剂。咪唑烷主要用作农药吡虫啉合成的中间体，其与2-氯-5 氯甲基吡啶在溶剂中合成吡虫啉[1]。

吡虫啉是一种烟碱类高效低毒杀虫剂，主要用于防治刺吸式口器害虫，而其中咪唑烷质量的高低直接影响吡虫啉的合成。如将质量不达标的咪唑烷用于合成吡虫啉，可能会导致吡虫啉颜色异常、含量偏低，还可能使合成吡虫啉的反应时间延长、收率降低。此外，在吡虫啉的合成过程中，咪唑烷的投料量是过量的，因此需回收未反应完的咪唑烷，回收咪唑烷的质量也会对吡虫啉的合成有直接影响。为了保证吡虫啉及回收咪唑烷的质量，工业上多采用结晶的方法进行分离提纯，结晶设备有传统釜式结晶机和刮壁式空心板片冷却结晶机。

1 高效刮壁式空心板片冷却结晶机的工作原理及主要优点

1.1 高效刮壁式空心板片冷却结晶机的结构型式及工作原理

根据工业生产要求，高效刮壁式空心板片冷却结晶机（见图1）分为连续结晶机及分批结晶机，采用全新的结构和工作原理。高效刮壁式空心板片冷却结晶机主要结构为：壳体主体为一个U 型卧式长槽，上部为折边顶盖，在壳体内组合排列了多块空心冷却板片，通过中心轴进行搅拌；中心搅拌轴从所有的冷却板片内穿越通过，其上设置有多个阻隔圆盘及推进式搅拌刮刀，对冷却板片进行贴壁式搅拌，并对结晶机内的物料进行导流。刮壁搅拌对所有的冷却表面都起到清壁作用，使传热和冷却效率大大提高。

图1 高效刮壁式空心板片冷却结晶机

被结晶的物料从一端进入，被迂回曲折缓慢向前推进到另一端溢流排出，这一过程中，物料和大量的冷却表面充分接触，迅速冷却，实现真正的快速连续结晶。

根据需要，也可设计成快速分批结晶，通过控制搅拌速率和结晶速率，获得理想的晶体粒径。对于发汗提纯结晶，可通过大量空心板片的快速冷却在所有空心板片之间结晶，然后加热发汗，去除杂质后最终溶解排出，获得纯度较高的产品[2]。

1.2 高效刮壁式空心板片冷却结晶机的主要优点

（1）壳体主体为一个U 型卧式长槽，在壳体内组合排列了大量空心冷却板片，冷却面积非常大，可达到传统釜式结晶机的数倍，且在每块冷却板片内均设置导流筋板，使冷却介质在冷却盘片内充分循环，大大提高换热效率。

（2）结晶机内所有的空间间隔不远处都有冷却表面，物料冷却结晶过程中无冷却死角，物料的结晶很均匀。

（3）结晶机所有的冷却盘片表面都有清壁搅拌推进式刮板。结晶机运行过程中，在刮壁式桨叶搅拌作用下，冷却板片表面不易有晶体析出，使物料在结晶过程中的冷却效率大大提高，实现真正的快速冷却结晶。一台高效刮壁式空心板片冷却结晶机可替代十几台甚至更多的釜式结晶机。

（4）可实现真正的连续结晶。在结晶过程中，所有冷却盘片始终有刮壁式桨叶对其进行清壁，结晶机的传热系数和冷却效率可维持不变；而传统釜式结晶机随着使用时间的延长，盘管与釜壁析出的晶体会使得换热系数和冷却效率大大降低。

（5）根据工业生产要求，可用于快速分批结晶，并通过控制搅拌速率和冷却速率控制结晶晶体的颗粒大小。

（6）占地面积小，设备管道和阀门数量较少且较为集中，有利于现场操作；可实现密闭操作，适用于易燃易爆介质、有毒物料、食品以及药品等的冷却结晶。

2 高效刮壁式空心板片冷却结晶机与釜式结晶机在咪唑烷回收中的应用对比

2.1 釜式结晶机在咪唑烷回收中的应用

吡虫啉生产过程中会产生一股温度为60～65℃、咪唑烷质量分数约为5%的水溶液；根据咪唑烷在常温下（20 ℃）微溶于水，在热水中溶解度较大的特点，采用降温结晶工艺回收其中的咪唑烷。工业生产中多采用釜式结晶机（其结构见图2）对咪唑烷进行结晶回收。

在实际结晶过程中，釜式结晶机管道及阀门较多，操作烦琐，需要现场调试人员上下楼来回操作；随着结晶时间的延长，在釜式结晶机釜壁和盘管上形成较多晶状物后，造成换热系数下降，无法有效降温，结晶终点温度上升，必须停车洗釜。停车洗釜周期短、时间长，对咪唑烷结晶工序及产能影响较大。

由于单台釜式结晶机用于咪唑烷生产效果不甚理想，因此尝试使用5 台釜式结晶机串联工艺进行连续化结晶操作，但使用效果仍然一般，生产过程以及结果如下：结晶过程中，在釜壁和盘管上形成较多晶状物后，换热系数下降，结晶终点温度上升，必须停车洗釜；平均清洗周期为5 d，清洗时需要蒸汽升温清洗，平均清洗时间约为1 d；出口废水中咪唑烷质量分数约为0.5%。结晶过程中进料口及出料口温度见表1。

2.2 高效刮壁式空心板片冷却结晶机在咪唑烷回收中的应用

由于釜式结晶机用于咪唑烷回收效果一般，因此尝试使用高效刮壁式空心板片冷却结晶机进行结晶操作。

结晶过程中，在多组刮板贴壁搅拌下，结晶机冷却板片表面无明显晶体析出，结晶过程中工况及出料口温度较为稳定；平均清洗周期为10 d，清洗时可直接清洗冷却盘片，且无需升温，平均清洗时间约3 h；出口废水中咪唑烷质量分数约为0.2%。结晶过程中进料口以及出料口温度见表2。

表1 釜式结晶机（5 台串联）用于咪唑烷结晶时进出料口温度

表2 高效刮壁式空心板片冷却结晶机用于咪唑烷结晶时进出料口温度

2.3 对比与分析

（1）5 个釜式结晶机串联使用占地面积大，设备管道及阀门较多，结晶过程中操作烦琐；高效刮壁式空心板片冷却结晶机管道及阀门数量较少且全部集中在一起，结晶过程中操作方便，现场调试人员工作强度减轻，工作效率极大提高。

（2）釜式结晶机运行一段时间后，釜壁和盘管上形成较多晶状物，造成换热系数下降，出料口温度升高，结晶效率低下；高效刮壁式空心板片冷却结晶机运行过程中，在多组刮板的贴壁搅拌作用下，结晶机冷却板片表面无明显晶体析出，出料口温度较为稳定，结晶效率高。

（3）釜式结晶机连续运行5 d 左右后，结晶机出口处温度明显上升，必须停车洗釜，清洗时需要蒸汽升温清洗，平均清洗时间约1 d，既耗能又耗时；高效刮壁式空心板片冷却结晶机连续运行过程中，换热效率较为稳定，平均清洗周期为10 d，且无需升温清洗，只需直接清洗冷却盘片表面即可，平均清洗时间约3 h，即节能又能减轻现场人员工作强度。

（4）釜式结晶机出口废水中咪唑烷质量分数约为0.5%，电机总功率约为75 kW，能耗大、产量低；高效刮壁式空心板片冷却结晶机出口废水中咪唑烷质量分数约为0.2%，电机总功率约为33.5 kW，在节能环保的前提下，废水中咪唑烷含量降低，回收的咪唑烷量增加，大大节约了原料成本以及能耗成本。

3 结论与展望

咪唑烷的回收在工业生产中具有重要意义，多采用结晶工艺来回收吡虫啉合成过程中未反应的咪唑烷。通过高效刮壁式空心板片冷却结晶机与釜式结晶机用于咪唑烷回收的对比分析可以发现，高效刮壁式空心板片冷却结晶机在结晶过程中冷却板片表面无明显晶体析出，出料口温度较为稳定，现场操作方便，周期性清洁时间较短，与釜式结晶机相比，在能耗低的前提下能够回收更多的咪唑烷。从现场操作、停机清洗、结晶效果、节能环保以及回收效率等方面来看，高效刮壁式空心板片冷却结晶机非常适用于咪唑烷的生产及回收。

高效刮壁式空心板片冷却结晶机具有占地面积小、换热面积大、结晶效率高且稳定等优点，尤其是可调节式刮刀，通过调节其与冷却盘片之间的距离，可真正意义上实现完全刮壁，使结晶效率最大化。