節(jié)能型有機硅單體精餾技術模擬

王帆

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

分離有機硅粗單體的方法有物理方法和化學方法，工業(yè)上主要采用精餾的分離方法。其中，傳統(tǒng)七塔流程的特點是二甲基二氯硅烷與一甲基三氯硅烷要在二甲塔中實現(xiàn)清晰分割，并且流程中沒有循環(huán)股。目前除了傳統(tǒng)的七塔流程外，國內(nèi)多套生產(chǎn)甲基氯硅烷的裝置第一個塔均為脫高塔，但是從第二個塔往后的加工順序各家有所不同。根據(jù)其加工順序可將有機硅單體精餾分離工藝流程分為：順式切割的十塔流程、反式切割的十塔流程、九塔流程和八塔流程。反式十塔和順式十塔的不同點是分離順序有差別，順式十塔流程先分離出一甲，反式十塔先分離出二甲。九塔流程和順式十塔流程基本相似，不同點是二甲從二甲塔側(cè)線采出，省略了優(yōu)二甲塔。而八塔流程二甲直接從二元塔中分離得到，未經(jīng)循環(huán)，可能會造成富余單體一甲損失較大[1]。

1 有機硅材料簡介

有機硅材料是由有機硅單體聚合而成，被認為是未來聚合材料的一顆新星。由于有機硅材料在一些極端條件下所表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，再加上硅元素在地殼中的豐富含量，對其的研究越來越引起各國學者的重視[1～4]。在現(xiàn)代工業(yè)中，有機硅材料也發(fā)揮著越來越重要的作用。一些學者甚至認為，有機硅材料未來完全可以取代石油聚合材料，以解決目前嚴重的能源危機。

有機硅材料的生產(chǎn)過程包括：硅粉處理、單體合成、單體分離和中間體聚合四個步驟。其中單體分離過程對最后聚合出的有機硅材料的性能會產(chǎn)生重要的影響。有機硅單體包括一甲基二氯硅烷（MeH）、一甲基三氯硅烷（Me1）、二甲基二氯硅烷（Me2）、三甲基一氯硅烷（Me3）等。其中Me2是最重要的有機硅單體，也是有機硅精餾的主要目標產(chǎn)品[2]。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有機硅單體精餾過程所消耗的能量大約占整個單體廠的70%，這意味著減少單體精餾過程的能量消耗將可以極大地降低有機硅材料的生產(chǎn)成本。在中國，每生產(chǎn)1t有機硅單體，大約需要消耗3.5t蒸汽。在現(xiàn)有的有機硅單體精餾技術中，還存在著極大的節(jié)能潛力。

2 普通九塔有機硅精餾方案

2.1 普通九塔有機硅精餾流程描述（見圖1）

圖1 普通九塔精餾方案

九塔有機硅精餾方案是目前普遍采用的有機硅精餾方法。流程起始于一個脫重塔，用來把進料中的高沸點不穩(wěn)定物質(zhì)在C1塔底脫除，以免這些物質(zhì)在后續(xù)的分離過程中分解，產(chǎn)生更多的未知組分，影響產(chǎn)品質(zhì)量的同時加大分離難度。同時，C1塔的塔底溫度也需要加以控制，在本文中，C1塔的塔底溫度控制為130℃。

C1塔底分離出來的重組分進入高沸塔，高沸塔塔頂物流返回脫重塔，以便回收其中的部分有用組分。脫重塔的塔頂物流進入脫輕塔C2，在脫輕塔中，MeH、Me3和其它的輕組分在塔頂分出，Me1和Me2在塔底分出。然后，脫輕塔塔頂物流依次經(jīng)過輕分塔、含氫塔、共沸塔和三甲塔，在這個過程中得到MeH和Me3產(chǎn)品[3]。為了可以使用冷卻水作為冷公用工程，這幾個塔的操作壓力略高于常壓。剩余的塔通常都在常壓下操作。C2塔底出來的Me1和Me2的混合物，在Me1塔中部分分離，塔頂?shù)玫組e1產(chǎn)品。大約10%的Me1和全部的Me2進入Me2塔。Me2產(chǎn)品在C8塔底部以液相側(cè)線的形式采出，C8塔頂部物流返回C7，以回收Me1產(chǎn)品。

2.2 流程模擬

本文運用模擬軟件，對以上介紹的九塔有機硅精餾方案進行了全流程模擬。有機硅單體原料是由氯甲烷和硅在高溫有催化劑存在的條件下反應而得。進料中各物質(zhì)的常壓沸點和質(zhì)量組成如表1所示。

表1 有機硅單體原料進料數(shù)據(jù)

由表1可知，有機硅單體進料中的各組分沸點十分相近。要得到高純度的有機硅單體產(chǎn)品需要消耗大量的能量。四氯化硅和Me3甚至存在共沸現(xiàn)象[4]。

在有機硅單體原料中，最重要的幾種物質(zhì)為Me2、Me1、Me3和 MeH，它們的純度要求分別為99.95%、99.5%、99.5%、99.95%。模擬結果如表2所示。

表2 普通九塔流程模擬結果

2.3 集成可行性分析

雙效是一種普遍采用的降低精餾能耗的方法[5～8]。由模擬結果可知，脫重塔和高沸塔的塔底溫度較其余七個塔的塔底溫度高很多，其余七個塔塔底有與其它塔塔頂熱集成的潛力?？梢酝ㄟ^改變塔的操作壓力尋找各塔熱集成的機會?，F(xiàn)在我們用二元物系的X-Y相圖來分析各個塔熱集成的可行性。

二元物系的X-Y相圖是精餾塔設計的有力工具。對二元系統(tǒng)，相平衡線偏離對角線的距離越遠，說明兩種物質(zhì)的相對揮發(fā)度越大，分離起來越容易，需要的理論板數(shù)越少或回流比越小。分離需要的理論板數(shù)和最佳的進料位置也可以從X-Y相圖獲得。塔的操作壓力對二元物系的X-Y相圖會產(chǎn)生重要的影響，對大多數(shù)物系，隨著塔的操作壓力的增大，物系的相對揮發(fā)度減小，相平衡曲線逐漸靠近對角線。因此，只有那些相對揮發(fā)度對壓力不敏感的物系才適合增加壓力以尋找熱集成的機會[5]。

在九塔有機硅精餾流程中，各個塔內(nèi)都是多元物系，因此在做X-Y相圖時，需要選擇關鍵組分。脫重塔的主要任務是從重組分中分離出Me1和Me2。重組分和Me1、Me2的X-Y相圖如圖2和圖3所示。由圖可知，當塔的操作壓力由常壓升高到360kPa時，重組分和Me1、Me2的X-Y相圖偏移量都較小，說明重組分和Me1、Me2的相對揮發(fā)度對壓力變化都不敏感。因此，脫重塔適于提高壓力，以便和其它塔進行熱集成。

圖2 重組分和Me1在不同壓力下的X-Y相圖

圖3 重組分和Me2在不同壓力下的X-Y相圖

Me1塔的主要任務是分離Me1和Me2。因此，對Me1塔選Me1為輕關鍵組分，Me2為重關鍵組分。Me1和Me2在不同壓力下的X-Y相圖如圖4所示。同理，Me1塔也適于提高壓力，以便與其它塔進行熱集成。

經(jīng)過進一步分析各塔的塔頂和塔底負荷，我們決定分別提高脫重塔和Me1塔的壓力到360kPa和280kPa，從而使這個塔的塔頂溫度提高[6]。

3 并行多效有機硅精餾模擬

圖4 Me1和Me2在不同壓力下的X-Y相圖

圖5 并行多效九塔精餾方案

經(jīng)過集成可行性分析之后，最終的并行多效有機硅精餾方案如圖5所示。脫重塔的塔頂物料蒸汽首先進入分配總管，然后通過分配總管分別向脫輕塔、輕分塔、含氫塔、共沸塔、三甲塔和二甲塔的塔底再沸器供熱，供熱后脫重塔的塔頂物料蒸汽冷凝為液體經(jīng)過空冷器冷卻到回流溫度進入脫重塔的塔頂回流罐。二甲塔的塔底連接有一個第二再沸器，第二再沸器由一甲塔的塔頂物流蒸汽供熱。模擬結果如表3所示[8]。

由于冷卻量較大的脫重塔和一甲塔提高了操作壓力和操作溫度，從而可以與其它的精餾塔進行熱集成，降低了循環(huán)水量和水蒸氣消耗量。再沸器負荷由普通流程的48.94MW降低到并行多效流程的27.27MW。節(jié)能幅度達到44.28%。

表3 并行多效九塔流程模擬結果

4 結論

本文在普通九塔有機硅精餾流程的基礎上，通過對各塔進行集成可行性分析，設計了一個并行多效有機硅精餾流程。并運用模擬軟件對兩個流程進行了全流程模擬。模擬結果顯示，并行多效流程較普通流程節(jié)能幅度達到44.28%，節(jié)能效果顯著[8]。