工業生產過程中己內酰胺(CL)水解聚合切粒後的尼龍6顆粒中含有10wt%左右的單體和齊聚物,這些物質不僅嚴重影響了尼龍6的質量,同時也造成了原料單耗的增加。為滿足加工和應用的需求，顆粒需經過萃取單元使其小分子含量降至0.6wt%以下。傳統萃取過程中由於傳質受限，停留時間長達20小時。同時，傳統工藝中采用萃取液濃縮直接回用工藝，不但由於高熔點二聚體(CD)的存在易造成管路堵塞，而且三效蒸發能耗巨大。為克服這些缺陷，本文一方麵通過設計萃取塔的新型內構件，在改善塔內顆粒流動行為的同時提高了傳質效率，另-方麵，研究了近臨界水水解萃取液高效回用新工藝，解決管路堵塞與能耗高的缺陷。

針對尼龍6萃取過程，本文采取傳質實驗與過程模擬相結合、液固兩相流體力學實驗與DEM模擬相結合的研究手段，從尼龍6多組分非均相萃取過程傳質規律、內構件結構優化調控塔內顆粒流動、新型尼龍6萃取塔內傳質過程以及萃取液的近臨界水水解高效回用優化工藝和動力學等方麵，對整個尼龍6萃取單元進行了較係統深入研究，為優化和強化尼龍6萃取過程提供了基礎數據、新設備與新工藝。

首先，對尼龍6多組分液固萃取過程，采用間歇萃取實驗和半間歇塔內傳質實驗研究了溫度338~ 383K、CL水溶液濃度0~40wt%和流速0.27~2.71mm/s範圍內尼龍6顆粒中CL、CD和三聚體(CT)的內外傳質過程，分別建立了顆粒和設備尺度萃取過程傳質模型，獲得各組分的內擴散係數、平衡常數與外部傳質係數。間歇萃取實驗發現顆粒傳質過程分為表麵快速傳質和內部擴散兩個階段，對於CL、CD和CT，附著於顆粒表麵的量分別為2.7wt%CL、0.12wt%CD和0.13wt%CT,表麵擴散係數是內擴散係數的10倍以上;溫度和CL水溶液濃度的升高均能提高液固兩相的平衡常數，而內擴散係.數隻與體係的溫度有關;另外，CT的平衡常數與內擴散係數均大於CD。萃取塔中，CL的萃取過程與外部傳質阻力息息相關，而CD的傳質則受液速影響並不顯著;將外部傳質係數無因次化，建立了在工業萃取條件下各組分的舍伍德數(Sh)與施密特數(Sc)和雷諾數(Re)間的關聯式。

其次，流體力學實驗與DEM模擬相結合，研究了內構件結構對於萃取塔內顆粒流動行為的影響。傳統的單人字形內構件使得內構件處顆粒間碰撞力存在明顯的徑向分布不均勻現象，使得不同位置處顆粒能量耗散不盡相同，導致了顆粒運動偏離質量流。減小單人字形內構件的傾角能改善內構件出口處顆粒流動的均勻性,而增大內構件傾角有利於改善內構件進口處顆粒速度分布，基於此設計了新型組合式單人字形內構件，當其上下傾角分別為53°和35°時，顆粒流動趨於質量流。進一步設計 了多人字形內構件,改善了內構件處顆粒間碰撞行為，其不僅能保證顆粒流動的均勻性，且操作彈性更大。

然後，采用固定床萃取實驗和工業萃取塔模擬研究了不同內構件的局部和整體傳質效率。對比了單人字形、多人字形和新型組合式單人字形三種內構件的萃取塔中不同位置處顆粒傳質效果,發現多人字形內構件傳質最為均勻,新型組合式單人字形內構件CL的總傳質係數比傳統單人字形內構件的提高約20%。基於Aspen用戶模型，建立了工業逆流萃取塔模型，模擬計算結果表明安裝新型組合式單人字形內構件的萃取塔由於其液固傳質的強化和液相返混程度較小，停留時間可由20小時減少至17小時，萃取塔過程效率明顯提高。

最後，係統研究了萃取液近臨界水水解過程的優化工藝和反應動力學。研究發現隨著初始水含量的提高，CD平衡轉化率先上升後下降，在初始水含量40 ~ 45 wt%時達到.最大值，並在543 K下二聚體CD轉化率高達94.3%，可以解決萃取液回用過程中CD含量過高易造成管路堵塞影響正常生產的難題;另外，相較於傳統工藝需將萃取液濃縮至20 wt%水含量，水解回用萃取液工藝隻需將萃取液濃縮至40wt%水含量，大大降低了萃取液回用過程的能耗;水解產物也完全能滿足回收再聚合的要求。此外，辨識了近臨界水水解萃取液體係反應機理，發現酸催化與堿催化路徑均存在。基於此機理，采用逐步聚合原理，建立了適用於水含量20~50wt%、溫度513~543K範圍的近臨界水水解尼龍6萃取濃縮液動力學模型。上述研究結果為設計和優化近臨界水水解萃取液回用工藝與反應器提供了依據。

來源：華南理工大學

作者：秦春曦

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