節(jié)能型有機(jī)硅單體精餾技術(shù)模擬

王帆

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

分離有機(jī)硅粗單體的方法有物理方法和化學(xué)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(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)硅材料簡介

有機(jī)硅材料是由有機(jī)硅單體聚合而成，被認(rèn)為是未來聚合材料的一顆新星。由于有機(jī)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(xué)者的重視[1～4]。在現(xiàn)代工業(yè)中，有機(jī)硅材料也發(fā)揮著越來越重要的作用。一些學(xué)者甚至認(rèn)為，有機(jī)硅材料未來完全可以取代石油聚合材料，以解決目前嚴(yán)重的能源危機(jī)。

有機(jī)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(jī)硅材料的性能會產(chǎn)生重要的影響。有機(jī)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(jī)硅單體，也是有機(jī)硅精餾的主要目標(biāo)產(chǎn)品[2]。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有機(jī)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(jī)硅材料的生產(chǎn)成本。在中國，每生產(chǎn)1t有機(jī)硅單體，大約需要消耗3.5t蒸汽。在現(xiàn)有的有機(jī)硅單體精餾技術(shù)中，還存在著極大的節(jié)能潛力。

2 普通九塔有機(jī)硅精餾方案

2.1 普通九塔有機(jī)硅精餾流程描述（見圖1）

圖1 普通九塔精餾方案

九塔有機(jī)硅精餾方案是目前普遍采用的有機(jī)硅精餾方法。流程起始于一個脫重塔，用來把進(jìn)料中的高沸點(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)用模擬軟件，對以上介紹的九塔有機(jī)硅精餾方案進(jìn)行了全流程模擬。有機(jī)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(yīng)而得。進(jìn)料中各物質(zhì)的常壓沸點(diǎn)和質(zhì)量組成如表1所示。

表1 有機(jī)硅單體原料進(jìn)料數(shù)據(jù)

由表1可知，有機(jī)硅單體進(jìn)料中的各組分沸點(diǎn)十分相近。要得到高純度的有機(jī)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(jī)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(jié)果如表2所示。

表2 普通九塔流程模擬結(jié)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(jié)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。可以通過改變塔的操作壓力尋找各塔熱集成的機(jī)會。現(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(shè)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(yuǎn)，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(jìn)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(jī)會[5]。

在九塔有機(jī)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(guān)鍵組分。脫重塔的主要任務(wù)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(dāng)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(jìn)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(wù)是分離Me1和Me2。因此，對Me1塔選Me1為輕關(guān)鍵組分，Me2為重關(guān)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(jìn)行熱集成。

經(jīng)過進(jìn)一步分析各塔的塔頂和塔底負(fù)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(jī)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(jī)硅精餾方案如圖5所示。脫重塔的塔頂物料蒸汽首先進(jìn)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(jìn)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(jié)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(jìn)行熱集成，降低了循環(huán)水量和水蒸氣消耗量。再沸器負(fù)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(dá)到44.28%。

表3 并行多效九塔流程模擬結(jié)果

4 結(jié)論

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