PPTA的逆流水洗工业化装置及改进

余平天，马 超，魏建毅，赵 辉

(1.中国平煤神马集团材料加工有限责任公司，河南平顶山467000;2.中国平煤神马集团尼龙化工事业部，河南 平顶山467000)

PPTA的逆流水洗工业化装置及改进

余平天1，马 超2*，魏建毅2，赵 辉2

(1.中国平煤神马集团材料加工有限责任公司，河南平顶山467000;2.中国平煤神马集团尼龙化工事业部，河南 平顶山467000)

介绍了聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)树脂的逆流水洗工业化装置及其工艺流程，并提出了改进措施。结果表明:采用真空带式逆流水洗机对PPTA树脂进行了水洗，使用工业纯水作为洗涤介质，经7～8级水洗，水洗液中的氮甲基吡咯烷酮(NMP)质量分数达40%以上，水洗效果好;通过在真空带式逆流水洗机后增设2级搅拌水洗装置，水洗后PPTA树脂的灰分含量可降至300 μg/g，满足PPTA树脂工业化生产要求。

聚对苯二甲酰对苯二胺 逆流水洗 真空带式逆流水洗机 搅拌 改造

对位芳纶即聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能，应用非常广泛，并被列入国家战略储备材料。

生产PPTA的主要原材料为对苯二胺和对苯二甲酰氯，因反应剧烈放热，且反应时间非常短，如不采取必要措施，PPTA的最终产品质量在工业化生产过程中很难精确控制。因此，在PPTA的工业化生产过程中，通常采用分段反应和将原材料溶于适当的有机溶剂以吸收反应热等措施。为提高对苯二胺和对苯二甲酰氯在有机溶剂中的溶解度，有机溶剂中通常还添加了一定量的氯化钙作为助溶剂，氯化钙的质量分数约为溶剂总质量的6%～9%。作为添加剂使用的这些物质，在反应最终完成以后，必须通过一定的处理方式从PPTA中予以去除，否则，必会直接影响到PPTA在各个产业化领域的应用。

在PPTA的工业化生产过程中，溶解对苯二胺和对苯二甲酰氯的有机溶剂大多选择N-甲基吡咯烷酮(NMP)，鉴于NMP和水能以任何比例混溶，而氯化钙在该混合液中的溶解性也非常好，PPTA的洗涤可选择使用工业纯水作为洗涤介质。由于有机溶剂和助溶剂并未参与PPTA的聚合反应，并且反应前所有物料均处于均匀混合状态，反应后该状态并未改变，亦即NMP有机溶剂、氯化钙助溶剂以及其他杂质小颗粒依旧均匀地镶嵌在PPTA中，通过常规洗涤形式，很难做到将这些物质完全去除，并且如采用常规洗涤形式，洗涤液中的NMP浓度过低，会导致溶剂的回收成本过高，也会制约到PPTA的工业化生产。

1 真空带式逆流水洗机及工艺流程

为解决洗涤液中有机溶剂浓度过低的问题，采用逆流水洗工艺对PPTA进行洗涤。采用逆流水洗工艺，作为洗涤剂的水首先从洗涤的最末端注入，此时水中无杂质，PPTA粉体经过多次洗涤，其中的有机溶剂和其他杂质含量也降至最低，可得到最好的洗涤效果;经过这次洗涤，含有一定量NMP溶剂的水从物料洗涤的反方向进入上一级洗涤区，经过洗涤后的水洗液所含的有机溶剂含量会进一步富集;当洗涤的次数足够多，水洗液中的有机溶剂含量就会足够高，此时就可以得到满足工艺处理要求的回收液。

考虑到PPTA的外观特征为粉末状固体，在进行水洗洗涤时，可以采用滤饼过滤的洗涤形式。经过反复设备选型，最终选用了真空带式逆流水洗机来进行PPTA的水洗。在逆流水洗机正常运行时，一级水洗液(即纯水)首先从逆流水洗机的出料端喷淋到位于滤布上方的PPTA上，此时经过之前n－1次水洗，物料中的有机溶剂、助溶剂及其他杂质，其含量都已经被降到最低，所以能够得到最接近或符合质量要求的树脂产品;经过第1次水洗的水洗液通过真空泵的抽吸作用，通过集液管进入到一级水洗液积液罐，再用泵输送到2级水洗液进口，对树脂进行第2次水洗，通过第二次水洗，水洗液中的有机溶剂含量进一步富集;以此类推，当水洗液被输送到n次水洗液进口，对PPTA进行第n次喷淋水洗后，水洗液中的有机溶剂含量达到最高，如果此时有机溶剂的浓度能够满足溶剂回收的工艺要求，就可以输送到溶剂回收工序进行回收利用。

为确保达到最满意的水洗效果，对各级的水洗液都进行了取样检测，检测结果证明，经过7～8级的水洗，树脂中的有机溶剂接近全部洗出，此时如果继续增加水洗级数，此后各级水洗液中的NMP含量已经变化不大，为确保水洗效果，将逆流水洗机的水洗级数确定为10～11级，此时水洗液中的NMP质量分数提高到40%以上，达到了行业认可的较高水平。

为验证真空带式逆流水洗机对PPTA进行水洗的可靠性，对PPTA的灰分进行了检测。检测结果表明，尽管在最后几道水洗工序中析出的杂质已经非常稀少，但是树脂中仍然含有大量的灰分，其中包括大量氯化钙助溶剂以及其他金属离子类杂质，这些杂质的最高含量甚至高达20 000 μg/g以上，此时即使对逆流水洗机的其他各项工艺参数反复调整，但依然未能解决树脂灰分指标偏高的问题，事实证明，真空带式逆流水洗机不能够完全满足PPTA粉体的水洗要求，尤其是灰分指标的要求。

2 设备及工艺改进

鉴于使用真空带式逆流水洗机不能够完全满足PPTA粉体的水洗要求，该设备必须进行改进。PPTA灰分较高的原因是PPTA内部的微观多孔结构。在PPTA聚合的工艺过程中，由于大量使用了有机溶剂和助溶剂，这些物质在未水洗前的树脂中最高质量分数达90%，经过水洗，有机溶剂和其他杂质最终虽然都会析出，但经过水洗，当这些物质析出以后，从微观上来讲，其位置就会被大量的微孔结构所代替，形成了所谓的蜂窝状微观结构。有机溶剂、助溶剂以及其他杂质的大分子潜藏在微孔的内部，具有大量孔洞的微观蜂窝结构限制了这些大分子的快速移动，如果仅仅依靠真空设备提供的负压和重力作用，这些大分子无法在短时间之内有效析出。

为验证微孔结构深层的杂质能否顺利标出，采取加搅拌装置，增加洗涤时间以及离心甩干等措施。由于PPTA粉体的水洗是在水溶液中进行的，因此，采取了带搅拌的水洗装置与真空带式逆流水洗机相结合的方式，综合了搅拌水洗装置水洗效果好、真空带式逆流水洗操作简单的优点，将原有真空带式逆流水洗设备水洗级数调整为6～7级，置于两组带搅拌的水洗装置之前，经过试运行，取得了非常好的效果。经检测，水洗所得到的PPTA树脂的最低灰分含量可降低至300 μg/g，完全保证了PPTA工业化应用的需要，该指标已经达到或超过国外同类产品。带搅拌的逆流水洗装置如图1所示。

图1 带搅拌的逆流水洗装置工艺流程Fig.1 Flow chart of countercurrent rinsing machine with stirring function

从图1可见，使用带搅拌的逆流水洗机组对PPTA粉体进行水洗，首先需对第二洗涤区的搅拌装置补充新水，待与PPTA粉体混合均匀，并继续搅拌一段时间后，将该混合液输送至对应的脱水机组进行脱水处理，脱除的水分经过收集，输送进入第一洗涤区，作为该区的洗涤水使用，此即为二次水洗液，第一洗涤区的处理过程与第二洗涤区基本相同。经过两次处理的水洗液，因其中含有一定量的有机溶剂，为提高溶剂回收的效率、减少对环境的污染以及降低废水处理费用，二次水洗后的水洗液收集后作为真空带式逆流水洗机的水洗液补充新水使用。

3 结论

a.采用真空带式逆流水洗机对PPTA树脂进行水洗，水洗级数为7～8，水洗液中的NMP质量分数达40%以上，但PPTA中灰分含量仍较高。

b.通过在6级真空带式逆流水洗机后增设2级搅拌水洗装置，水洗后的PPTA树脂灰分含量可降至300 μg/g;同时水洗液中的NMP质量分数亦达到40%以上，改进后的设备完全满足了PPTA树脂工业化生产的需要。

Reformation of countercurrent rinsing industrialized unit for PPTA

Yu Pingtian1，Ma Chao2，Wei Jianyi2，Zhao Hui2
(1.China Shenma Material Processing Co.，Ltd.，Pingdingshan467000;2.Nylon Chemical Industry Division，China Shenma Co.，Ltd.，Pingdingshan467000)

The countercurrent rinsing industrialized unit and the technological process thereof were introduced for poly(p-phenylene terephthalamide)(PPTA)resin.And the reformation plan was put forward.The results showed that the mass fraction of 1-methyl-2-pyrrolidinone(NMP)exceeded 40%in washing water，which indicated a fairly good rinsing effect，when a vacuum belt countercurrent rinsing machine was used to wash PPTA resin at grade 7－8 with industrial pure water as washing medium;the ash content of PPTA resin was decreased to 300 μg/g after rinsing，which completely satisfied the commercial PPTA resin production requirements，as a two-stage stirring and rinsing unit was introduced after vacuum belt countercurrent rinsing unit.

poly(p-phenylene terephthalamide);countercurrent rinsing;vacuum belt countercurrent rinsing machine;stirring;reformation

TQ323.6;TQ051.8

B

1001-0041(2012)05-0068-02

2012-02-20;修改稿收到日期:2012-08-22。

余平天(1949—)，高级工程师，从事设备使用及维护工作。

* 通讯联系人。E-mail:ruiyu1229@163.com。