甲苯二胺(TDA)微量水脫除實驗分析

陳劍宏 王 強(qiáng) 張 揚(yáng)

(葫蘆島連石化工有限責(zé)任公司 遼寧 葫蘆島 125000)

引言

甲苯二胺(下簡稱TDA)是精細(xì)化工行業(yè)中的一類重要原材料,在聚氨酯工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。該化學(xué)品的生產(chǎn)過程通常是在固定溫度和壓力的前提下,來自儲罐的熔融二硝基甲苯(DNT)和有機(jī)溶劑相混合,加入到連續(xù)攪拌反應(yīng)釜中,與通入的氫氣在催化劑作用下發(fā)生還原反應(yīng),而后物料溢流到保護(hù)反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng),以得到粗TDA,再經(jīng)過脫除水分和溶劑即可得到最終成品。在該流程中,脫水環(huán)節(jié)的重要性較為突出,而微量水難以通過常規(guī)精餾環(huán)節(jié)進(jìn)行脫除,因此需要對該步驟做進(jìn)一步探究。

1 實驗儀器與材料

本次實驗主要為某化工廠年產(chǎn)5萬噸甲苯二異氰酸酯裝置提供后續(xù)的優(yōu)化參考,據(jù)此首先進(jìn)行實驗室環(huán)節(jié)的實驗?？紤]到該化工廠的TDA水分脫除主要采用釜式脫水裝置和塔式脫水裝置,因此參考上述兩種裝置,對本次實驗的裝置進(jìn)行設(shè)計(見圖1)

圖1 實驗裝置設(shè)計圖

如圖所示,該實驗裝置使用油浴加熱,在實際使用過程中,除氮氣進(jìn)出口外,其余部分全部浸入在油浴鍋中。TDA則位于左側(cè)砂芯板上面玻璃管內(nèi),氮氣經(jīng)右側(cè)習(xí)慣吹入后與TDA進(jìn)行接觸,以實現(xiàn)微量水的深度脫除。

除該裝置外,本次使用的其他儀器則包括氣相色譜儀、恒溫油浴鍋、電子天平、電熱套和氮氣鋼瓶[1]。

另一方面,本次實驗所使用的試劑如下:TDA(該材料采購自上文所述的化工廠所制備的粗產(chǎn)品,含水量在390～3400ppm范圍內(nèi));N,N-二甲基甲酰胺(下簡稱DMF)和無水乙醇,以上兩種藥品純度均為分析純,均采購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2 主要實驗流程

基于圖1中所設(shè)計的裝置,本次實驗以釜式脫水實驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行,其主要步驟如下:(1)將脫水裝置完全浸入油浴鍋,并將油浴鍋溫度升高至TDA的熔點,確保TDA全部融化;(2)將TDA加入到脫水裝置內(nèi),保持5min,當(dāng)TDA溫度上升至實驗溫度后,取適量TDA,并加入三倍TDA質(zhì)量的DMF混合,使TDA全部溶解,而后將溶解完成的混合物導(dǎo)入氣相色譜儀中進(jìn)行初始水含量的分析;(3)初始樣品分析完成后,打開氮氣氣瓶充入氮氣,每隔5min進(jìn)行一次取樣(取下的樣品及時進(jìn)行溶解與分析),以此進(jìn)行多次實驗。

在實驗全部完成后,使用氣相色譜儀對獲得的多個樣品做行進(jìn)分析處理,并通過外標(biāo)法進(jìn)行定量分析,以實現(xiàn)對水含量的檢測,在定量分析環(huán)節(jié)中,主要分為以下兩個步驟:一是測試水校正因子,在應(yīng)用氣相色譜儀進(jìn)行分析后,譜圖中可顯示出水的峰面,因此可基于如下公式對水校正因子進(jìn)行計算:

在該公式中,w表示加入水的百分含量,單位為ppm;A1表示加水后溶劑DMF中水的峰面積;A2則表示溶劑DMF中自身水分的峰面積,代入已知數(shù)據(jù)即可求得水的校正因子f[2]。

二是對樣品中的水含量做進(jìn)一步分析。由于TDA在常態(tài)下為固體,需要預(yù)先使用DMF溶解后方可進(jìn)行分析,因此首先對DMF自身的含水量進(jìn)行分析,而后再對TDA中的含水量進(jìn)行計算,該步驟同樣基于氣相色譜儀中的結(jié)果進(jìn)行分析,并基于如下公式計算:

在該公式中,W1和W2分別表示樣品分析過程中所用TDA和DMF的質(zhì)量,單位均為g;A1和A2則分別表示待測液中水的峰面積和溶劑DMF中水的峰面積[3]。代入以上已知數(shù)據(jù)后即可求得樣品TDA中的含水量,單位為ppm。

3 實驗結(jié)果與討論

為進(jìn)一步提升實驗效果,本次研究針對以下幾方面的影響因素進(jìn)行分析。

一是針對氮氣進(jìn)氣流量的分析,控制其他因素不變,將氮氣進(jìn)氣流量分別設(shè)置為80、90、100、110、120mL/min,對不同氮氣進(jìn)氣流量下的水含量變化進(jìn)行分析(見圖2)

圖2 不同氮氣進(jìn)氣流量下的水含量變化

圖中橫軸為進(jìn)氣時間,單位為min;縱軸為水含量,單位為ppm。根據(jù)上圖可見,在不同的氮氣進(jìn)氣流量下,水含量的變化所受到的影響并不顯著。相對而言,當(dāng)?shù)獨膺M(jìn)氣流量在100mL/min,且進(jìn)氣時間為15min時,TDA的水含量能夠降到相對較低的水平。而在氮氣進(jìn)氣流量進(jìn)一步增加后,脫水效率不升反降,初步推斷,造成這種情況的主要原因是,當(dāng)?shù)獨膺M(jìn)氣流量過高時,氣相總傳質(zhì)單高度以及氣相總體積吸收系數(shù)均呈現(xiàn)上升態(tài)勢,這也表明氮氣和水更加難以達(dá)到平衡狀態(tài),由此導(dǎo)致脫水難度的增大[4]。

二是對油浴鍋溫度的影響因素進(jìn)行分析,控制氮氣進(jìn)氣流量為100 mL/min,其他條件不變,改變油浴鍋的溫度,將其分別設(shè)置為120℃、150℃和180℃,以得到不同吹掃時間后的脫水結(jié)果(見圖3)

圖3 不同溫度下的水含量變化曲線

圖中橫軸為吹掃時間,單位為min;縱軸為水含量,單位為ppm。根據(jù)上圖可見,在同一氮氣量下溫度變化對脫水結(jié)果的影響相對較小,初步推斷,其主要原因是本次反應(yīng)裝置封閉性過高,溫度升高下分子的擴(kuò)散運(yùn)動受到抑制[5]。綜合分析后,確定油浴鍋溫度設(shè)定為120℃。

三是對脫水裝置的TDA液面高度的影響因素進(jìn)行分析。設(shè)置油浴鍋溫度為120℃且氮氣進(jìn)氣量為100mL/min,改變TDA液面高度,將其分別設(shè)置為30mm和60mm,對水含量進(jìn)行測試,得到測試結(jié)果(見圖4)

圖4 不同液面高度下的脫水測試結(jié)果

圖中橫軸為吹掃時間,單位為min;縱軸為水含量,單位為ppm。根據(jù)上圖可見,在其他條件保持不變的情況下,當(dāng)液面高度較高時,脫水效果相對增加。初步推斷,其主要原因是液面高度偏高時,氮氣在TDA中的停留時間相對更長,因此脫水效率也隨之提升。

基于以上幾方面的實驗結(jié)果,可總結(jié)出如下內(nèi)容:其一,氮氣流量是脫水效率最為關(guān)鍵的一項影響因素,需要將氮氣流量控制在合理范圍內(nèi),避免過高或過低;其二,溫度對脫水效果的影響相對較小;其三,液面高度的增加能夠較大程度上提升氮氣的脫水效率,因此在后續(xù)的放大實驗中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提升液面高度。

4 結(jié)束語

整體來看,在本次研究工作中,針對甲苯二胺(TDA)的微量水分脫除工藝展開研究,通過一系列實驗操作,對TDA微量水脫除中的主要影響因素進(jìn)行分析,確定了氮氣流量、脫水溫度和TDA液面高度三項主要因素如何影響TDA微量水脫除的效果,得到了相對較優(yōu)的實驗參數(shù)。預(yù)計,本次實驗所獲得的數(shù)據(jù)信息能夠為今后相關(guān)化工企業(yè)的TDA脫水工藝中試與工程化改造提供一定的理論支撐。