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    有机硅粗单体分离的节能优化及流程模拟.pdf

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    有机硅粗单体分离的节能优化及流程模拟.pdf

    刘欣等有机硅粗单体分离的节能优化及流程模拟 13 有机硅粗单体分离的节能优化及流程模拟 刘欣 李细巧刘继三华陆工程科技有限责任公司西安710065 摘要 对有机硅单体分离单元流程进行节能优化,运用Aspen Plus流程模拟软件,对普通流程和节能优化 流程进行模拟。在满足纯度要求的基础上,从节能和填料投资成本方面对结果进行分析比较,确定较合理的节 能优化流程。 关键词 有机硅单体分离工艺优化节能模拟 有机硅产品近年已广泛应用于医疗、橡胶、 农业、军事等日常生活各个领域,有机硅产业在 化工材料领域的巨大市场,促使各有机硅公司相 继扩大生产规模,与之而带来的高能耗已不能满 足提倡的节能环保要求。 有机硅材料的基本单体中甲基氯硅烷的用量 占整个单体生产总量的90%以上,目前国内外普 遍采用硅粉和一氯甲烷气体在铜催化体系存在下 进行反应生产甲基氯硅烷混合单体的方法。该方 法原料易得、易于实现连续化生产,是有机硅单 体合成最成功的生产方法。通过这种方法得到的 粗单体组分多,沸点接近,相对挥发度小,难分 离。目前单体分离单元均采用多塔串联工艺流程, 利用各组分之间相对挥发度的差异,进行多级分 离后,使各单体纯度达到要求。其中二甲单体经 过水解裂解生成甲基混合环硅氧烷,用于制备有 机硅的相应产品。 单体分离单元由于需分离的物质较多,各物 质的沸点较接近且分离要求高,所需的填料较多, 回流比较大,冷却循环水和蒸汽量较大,故单体 分离单元流程较长,投资大,操作费用较高,是 有机硅单体生产过程中能耗较高的单元之一。十 二五期间,有机硅产业提高准入门槛和产业集中 度,鼓励发展先进的技术和产品,淘汰落后技术, 加快低投入、低消耗、低排放、高效益的工业化 进程。单体分离工艺的优化、降低能耗、降低排 放、提高产品纯度成为有机硅规模扩大单体分离 提纯面临的问题。 1 有机硅单体分离传统工艺流程 1.1有机硅单体性质 有机硅单体合成的甲基氯硅烷粗单体的组分 多,中间组分沸点接近,相对挥发度小,而且三 甲基一氯硅烷和四氯化硅共沸,难分离,组成及 性质见表1。 表1有机硅单体组分性质 1.2精馏工艺原流程 目前国内有机硅单体分离生产工艺中常采用9 塔流程,高沸物塔采用板式塔,脱高塔采用填料 与筛板结合,其余均采用填料塔,通常生产中先 脱高之后,按照分离顺序的不同,有顺切、反切、 中切等,本文对国内多数采用的顺切流程进行分 析。有机硅单体分离原流程图见图1。 自单体合成装置生产的粗单体首先进入脱高 塔分离高沸物,从脱高塔塔底排出的高沸物进入 高沸物塔进一步分离提纯;塔顶的馏出物进入脱 低塔脱除低沸物;经过脱低塔的分离,塔顶排出 的物料进入轻分塔,从塔釜排出的物料进人一甲 塔;一甲塔塔顶采出一甲单体成品,塔釜物料进入 刘欣工程师。2002年毕业于西北大学生物化工专业。一直从事化工工艺设计与研究工作。联系电话02987989895,E maillx2049chinahualueng.tom。 14 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 图1 有机硅单体分离原流程图 二甲塔,经过二甲塔,塔顶采出物料回到一甲塔 循环利用,塔釜采出成品二甲单体。经过轻分塔 的精馏,塔顶采出低沸物,塔釜物料经泵送入含 氢塔,塔顶采出合格的一甲含氢单体,塔釜物料 经泵送入共沸塔,经共沸塔塔顶采出共沸物,塔 釜物料经泵送入三甲塔,经三甲塔精馏,塔顶采 出三甲单体,塔釜返回脱低塔重新分离。自高沸 物塔顶分离出的物料返回脱高塔进行循环利用, 塔底的产品为高沸物。 2精馏工艺流程节能及优化 2.1最佳方案确定原则 通过使用多组分溶液分离的最佳方案的原则, 确定一个产品质量稳定、相对设备投资少、操作 费用低、安全性好的工艺流程方案。例如直接 顺序流程和间接顺序流程的比较、采用等摩尔分 割、含量最大的组分较早分离等。 2.2方案选择依据 1减少精馏过程本身的能量需求。有多种方 法,例如合理安排多组分物料的分离流程;在 最适宜的回流比下操作;采用最佳的进料热状态; 直接利用精馏设备中移出的热量等。对于多组分 的精馏,用多种方案进行比较,在满足要求的条 件下,选择能耗小、投资小的流程方案。 2提高精馏系统的热力学效率。应用较为广 泛的如多效精馏、低温热泵精馏等技术。多效精 馏是利用高压塔顶蒸汽的潜热给低压塔的再沸器 提供热量的热集成精馏系统,与单塔精馏相比可 以很大程度上提高热能的利用率,在近年来的实 际应用中,以双效和三效居多,由于投资少,工 艺简单,节能效果优良,在精馏工艺上采用多效 精馏越来越广泛,因此对于多效精馏也形成了一 定的经验。热泵精馏是依据热力学第二定律,靠 补偿或消耗机械功,将塔顶低温蒸气加压升温, 作为高温塔釜的加热热源。热泵实质上是一种把 冷凝器的热“泵送”到再沸器里的制冷系统。 3充分回收利用过程本身的热能或者冷能。 如加强保温保冷、回收物流的部分显热和潜热等。 2.3具体优化措施 1根据粗单体中各组分的枷I生数据,结合粗 单体的各组成的含量,在脱低塔之后,由于只含 有一甲单体和二甲单体,且二甲单体含量约占总 量的80%,因此调整流程中二甲产品与一甲产品 的分离顺序,改为先分离二甲产品,这样有利于 减少一甲塔的再沸器和冷凝器的负荷,同时也降 低了一甲塔的投资成本。 2由于有机硅单体是多组分混合物,在这种 分离过程中,按照各组分的沸点的顺序,依次分 离,而且主要产品二甲单体约占80%。因此通过 对单体分离流程的模拟计算分析,热量基本匹配, 考虑采用多效精馏通过控制脱高塔塔底温度适 应热源温度的条件下,增加脱高塔塔顶压力,将 脱高塔与二甲塔搭配采用双效精馏工艺,即脱高 塔塔顶蒸汽与二甲塔塔釜液体进行换热,经详细 计算后,增加后冷器。 3从回收过程本身的能量来说,考虑将产品 与原料进行换热,以回收系统部分显热。去掉原 流程中的预热器和冷却器,将二甲成品与原料在 热交换器中进行换热。 通过对以上方案进行计算模拟分析,流程优 化后见图2。 图2有机硅单体分离优化后流程图 2.4优化后流程与原流程比较 1从脱低塔底采出的物料进出二甲塔,经过 二甲塔的分离,从二甲塔提馏段的底部侧线采出 二甲产品,并与粗单体在热交换器中进行换热。 2从二甲塔顶采出物料进入一甲塔,经过一 刘 欣等有机硅粗单体分离的节能优化及流程模拟 15 甲塔的分离后,一甲塔顶采出一甲产品,塔釜物 料循环利用。 3增加脱高塔的压力,使脱高塔顶气相与二 甲塔底液相进行热交换,再进入后冷却器冷却到 需要温度,然后一部分回流人脱高塔,一部分进 入脱低塔进行分离。 3流程模拟计算 用ASPEN流程模拟软件对有机硅单体分离流 程进行模拟,采用粗单体量为13t/h进行计算,并 将前后两种流程进行比较。 模拟中先采用简捷精馏模块DSTWU确定 满足要求的理论板数、最小回流比和采出率。再 用灵敏度分析法得到塔板数和再沸器热负荷随回 流比的变化曲线,选择合适的回流比及塔板数; 其次结合采出率和进料板位置共同作为严格精馏 的输入条件,选用严格精馏模块Radfrac进行 模拟;用分析功能中的设计规定塔的分离要求进 行辅助求解,达到设计要求。有机硅单体分离中 需要达到的标准见表2。 表2有机硅单体分离标准 名称 纯度要求wt,% 二甲单体 一甲单体 三甲单体 一甲含氢 Me299.98 Mel≥99.5 Me3≤O.05 Me3≥99.5 Me1H≥99.5 3.1原流程模拟计算结果 在模拟优化与工厂实际生产经验数据结合的 基础上,确定各塔的操作参数。对某厂原流程的 模拟,计算出热量消耗、冷量消耗、填料量和操 作费用,见表3。冷却水温差为6C,脱高塔、高 沸物塔均采用1MPa蒸汽,其余采用0.5MPa蒸汽, 蒸汽单价以100元/t计算,冷却水单价0.2元/m 。 表3原流程模拟及公用介质操作费用计算结果 3.2优化流程模拟计算结果 经过对优化后的流程进行模拟,计算出热量 消耗、冷量消耗及填料量和操作费用,见表4。 3.3模拟结果分析 模拟结果表明前后两流程中各单体的纯度均 能达到要求。后者单耗以每吨单体计用量减 少蒸汽由3.7t减至2.3t,循环水由300m 减至 183 m ,年操作费用每年按8000h减少39%, 填料用量减少23%。 与原工艺流程相比,优化后的流程既降低了 设备的投资,又节省了能耗。 4 结语 通过对原流程节能分析,对两种流程进行模 拟计算比较,结果表明优化后的流程能耗明显降 低,设备投资相对减少,年操作费用减少,明显 降低有机硅单体分离的生产成本,对现有生产装 置及拟新扩建装置有一定的生产指导作用。 16 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,235 注高沸物塔与脱高塔的提馏段一般为筛板塔。 参考文献 1黄璐,王保国.化工设计[M].北京化学工业出版 社,200193102. 2李群生.多效精馏的原理及其应用[J].化工进展,1992 64043. 3段继海,王文建,范军领,王伟文.有机硅单体分离流程 的模拟与优化[J].化学工程,2012,4086973. 4孙津生,吴鹏.节能节水型有机硅单体精馏方法[P]. 中国,101798322 A.20100811. 收稿日期20130621 浙江力普三项粉碎设备列入浙江省201 3新产品计划 日前,浙江省科技厅发布了浙江省2013年新产品试制计划第一批项目名单,中国粉体技术领航者浙江力普粉碎 设备有限公司创新研发的三项新产品纳米碳酸钙粉碎成套生产线、HWM旋风磨和HTG系列高效涡轮超微分级机名列其 中。纳米碳酸钙粉碎成套生产线拥有多项创新亮点采用自动喂料,成品自动送料、粗颗自动回料系统,更加保证了该设 备的完整性,降低劳动成本,大大提高设备使用效率。其中粉碎设备在引进德国技术基础上开发创新,具有高线速度、低 升温、高稳定性等特点,通过高速气流带动冲击碰撞使纳米钙团聚体散裂,同时具有一定的干燥作用。分级设备分级精度 高,切割粒径小,分级效率远高于传统鼠笼式分级机。整条生产线集粉碎、分级、集料、除尘于一体,处于封闭状态下完 成,不会产生粉尘污染,清洁环保,实现纳米钙的规模化生产。生产线的关键技术已获国家专利。此生产线经国内纳米碳 酸钙“老大”,上市公司山西兰花集团成功使用证实能耗低、产量大、细度集中、振实密度好,是进行纳米碳酸钙的活 化、分散、粉碎处理的理想设备。与国内碳酸钙企业比较,兰花生产纳米碳酸钙的电耗、煤耗分别要低50%、40%,二氧 化碳气体吸收率提高了9个百分点,年减排二氧化碳1.5万余吨。目前,该生产线畅销山西、安徽、山东等省市;远销俄 罗斯、日本、中东等国家和地区,深受客商的青睐。 HWM旋风磨是一种适合于低到中等硬度物料粉碎的超微粉碎设备,拥有独特的不拆机可调粉碎间隙功能,粉碎区产 生的强烈涡流有着惊人的粉碎效果和干燥效果,广泛适用于化工、染料、塑料、非金属矿、医药、饲料、食品等行业不同 物料的超微粉碎,对聚乙烯醇、PVC、PE、纤维性物料等几乎所有热敏性物料均能进行超细粉碎,也可用作连同干燥、表 面改性在内的超微粉碎。 HTG系列高效涡轮超微分级机性能卓越,分级电机采用变频控制,不停机自由调节转速,控制分级粒度;通过调节驱 动电机的转速及二次进风量的大小,可得到最佳的分级效果。配备高转速电机,可有效提高分级精度;分级叶轮采用高强 度特殊耐磨材料,并经过特殊处理不易变形及磨损;转动部件与静止部件间采用少量压缩空气密封反吹,防止物料进人空 隙形成卡死;腔体流道结构设计合理,保证分级精度同时提高分级效率;分级轮动平衡达到0.06g以内,高转速下仍运转 平稳;分级机箱体采用去应力处理,以达到整机长时间运转不变形,保证分级精度精确。 丁文

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