（化学工程专业论文）山西三佳有机硅工程合成反应系统设备布置设计.pdf

摘要 有机硅产品包括有机硅单体和聚合物。该产品既可以作为基础材料，又可以 以功能性材料添加入其它材料而改善其性能，应用领域十分广泛。 有机硅单体的合成反应，是整个生产过程的关键步骤之一。合成反应系统的 设计，在很大程度上决定了整个装置的效率。本文针对有机硅工程中的合成反应 系统，对其设备布置方案，做了多方面的分析和讨论。 本文主要包括两个方向的内容，首先讨论了不同布置方案对工艺过程的影 响，并且从节约投资的角度，对方案做了评价。其次，考虑到检修的需要，设计 了多种检修方案，并针对其特点做了深入的探讨。本文从工艺、安装、结构等多 个专业的角度，在合理性、经济性等方面进行比较，最终形成了相对理想的设备 布置方案。 关键词：有机硅，单体合成反应，设备布置，热应力 a b s t r a c t o r g a n i cs i l i c o n ep r o d u c t si n c l u d eo r g a n i cs i l i c o n em o n o m e r a n d p o l y m e r t h e r ea r ev e r yw i d ea p p l i c a t i o n sf o ro r g a n i cs i l i c o n ep r o d u c t s f r o mb a s i sm a t e r i a l i t s e l ft of u n c t i o n a lm a t e r i a la d d e dt oo t h e rm a t e r i a l t oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c e s y n t h e s i sr e a c t i o no fo r g a n i cs i l i c o n ep r o d u c t si so n eo ft h ek e ys t e p s i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，d e s i g no fs y n t h e s i sr e a c t i o n s y s t e md e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c yo f t h ew h o l ep l a n tt oal a r g ee x t e n t t h i st e x ta n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h el a y o u to fe q u i p m e n t so fs y n t h e s i s r e a c t i o ns y s t e m si no r g a n i cs i l i c o n ep r o j e c t s t h et e x tm a i n l yc o v e r st w oa s p e c t s f i r s t l y , i td i s c u s s e st h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n tl a y o u tp l a nt ot h ep r o c e s sa n dm a k e se v a l u a t i o nf r o mt h e s t a n d p o i n to fs a v i n gi n v e s t m e n t t h e n ，t h et e x td e s i g nm a n yi n s p e c t i o n p l a n sf o rn e c e s s a r yi n s p e c t i o na n de x p l o r e si nd e p t ht h ef e a t u r eo f e v e r yp l a n f r o mt h es t a n d i n gp o i n to fm a n yp r o f e s s i o ni n c l u d i n g p r o c e s s ，i n s t a l l a t i o n ，s t r u c t u r e ，e t c ，f i n a l l yt h er e l a t i v e l yi d e a l e q u i p m e n tl a y o u tp l a n i sf o r m e da f t e rc o m p a r i n gi nr a t i o n a l i t ya n d e c o n o m i c a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：o r g a n i cs i l i c o n e ，s y n t h e s i sr e a c t i o n ，e q u i p m e n tl a y o u t ， t h e r m a ls t r e s s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适 学位论文作者签名： 指导教师躲垒雾 一一一旦曼三兰旦旦一旦一一一- _ 型旦2 1 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 - - f , , f - 思。 学位论文1 乍者签名：i 司r 乞 。气年b 月 c 日 西北大学硕+ 学位论文 第一章绪论弟一早珀 下匕 有机硅材料，即含有s i c 键的化合物( 英文名称s i l i c o n e s ) 。是一类性 能优异、功能独特、用途极广的新型材料，与工程塑料、有机氟材料同属化工新 型材料中产业规模最大的三个行业之一。主要产品包括硅油、硅橡胶、硅树脂、 硅烷( 包括硅偶联剂和硅烷化试剂) 等。 材料是新技术革命的物质基础，而新技术革命又促进了新材料的发展，有机 硅材料正是为适应科技发展和经济腾飞而涌现出来的合成材料中的佼佼者。 有机硅材料是有机硅单体的多种形态的聚合物，有机硅单体主要是指生产用 的二甲基二氯硅烷，中间体主要是指d 4 ( 即八甲基环四硅氧烷) 。由中间体进一步 生产多种有机硅聚合产品。 甲基氯硅烷是整个有机硅化学的支柱，其中大部分有机硅聚合物是由二甲基 二氯硅烷所制得的聚二甲基硅氧烷，如果引入其它其团，如苯基、乙烯基、氯苯 基、氰烷基以及氟烷基等，可衍生出一系列性能各异的有机硅聚合物1 9 】。所以， 有机硅工业的发展是和甲基氯硅烷的合成技术分不开的。换言之，一个国家有机 硅工业的发展水平，很大程度上取决于甲基氯硅烷的生产水平。 1 1 有机硅产品的性能 有机硅聚合物具有s i o 主链的高分子骨架，侧链带有机取代基，在s i 原 子上再引入有机基团作为侧链的高分子化合物。由于s i 一0 键键能较大，因此， 主链结构较为稳定，加上聚硅氧烷分子呈螺旋状结构以及主链外侧的有机基团排 列，这种s i - o 键与s i - c 键的主次排列和独特的结构决定其兼具无机和有机材料 的优异性能，如耐高低温、抗氧化、耐辐射、介电性能好、难燃、憎水、脱模、 温粘系数小、无毒无味以及生理惰性等性能；经过改性，还可制成优异的导电、 导热、光活性及分离膜等材料。其应用范围已深入到国防、科技、国民经济乃至 人们日常生活的各个领域，品种牌号多达万余种，常用的达5 0 0 0 种以上。正是 有机硅产品博采众长的独特性能和千姿百态、琳琅满目的产品形式，使其它合成 材料望尘莫及，成为最能适应时代要求和发展最快的材料之一【2 3 1 。 1 2 产品的用途 有机硅聚合产品是以批量作为专用化学品生产的，它既可以作为基础，又可 第一章绪论 以作为功能性材料添加入其它材料而改善其性能，素有“工业味精 之美称。无 论是大宗产品还是适销对路的专用产品，均属高度资本密集、高附加值之精细化 工产品。现在人们愈加认识到，未来社会的高技术化离不开有机硅材料，有机硅 材料将对人类社会发展及技术进步起着越来越重要的作用，发达国家把有机硅材 料作为世纪新材料的重点加以发展，日本通产省把有机硅材料的开发列为把握二 十一世纪高技术产业的关键技术，确定为关系国家大事的“下一代规划 。我国 在2 0 0 0 年就将有机硅材料列入国家重点鼓励发展的产业、产品、和技术目录。 有机硅产品大致分为硅油、硅橡胶、硅树脂、硅烷偶联剂四大类1 1 9 】，前三种 是由二甲基二氯硅烷水解、缩聚为聚硅氧烷( 基础聚合物) ，再与调节剂、交联 剂、封头剂等加工制成，被认为是有机硅的正规产品；后者是有机官能基硅烷， 并非聚合物，其用途是作偶联剂，即将其少量加到塑料中可改善与无机填充物之 间的联接作用，从而提高塑料的机械强度，并可增加制品中无机物的填充量。 下面简要介绍一下硅油和硅橡胶【2 3 1 。 1 2 1 硅油 硅油具有多种优异的性能，如热稳定性、电绝缘性、低表面张力和良好的润 滑性、脱模性、生理惰性、在不同温度下的粘度稳定性等，因此用途广泛。硅油 主要用作玻璃、塑料和橡胶制品的脱模剂；汽车家用器具和设备的抛光剂，起到 疏水、防污、增加光泽的作用；变压器和电容器用绝缘油，主要利用硅油的高电 阻、低介电损耗及不燃、无毒等特性；汽车、航空和机械用的液压油、润滑油、 减震油、刹车油；高温导热油、扩散泵油；护肤、护发和腋下除臭等的化妆品、 泡沫塑料的匀泡剂、医疗用的消泡剂等。 其中乳液型硅油主要用作消泡剂、脱模剂、纸张隔离剂、匀泡剂、破乳剂、 纤维柔软剂、亲水性织物整理剂等。就织物整理剂而言，就包括有机硅防水剂、 防缩剂、防霉剂、染色剂、砂洗剂以及近年来出现的多功能有机硅织物整理剂等， 用这些整理剂处理的织物制作的衣服穿着舒适，具有透气、防水、挺括等特点， 永久性烫平织物也是用有机硅处理过的。 硅脂主要用作电绝缘、防震、防盐雾( 高压绝缘瓶) 、高温润滑、高真空密 封等。 2 西北大学硕士学位论文 1 2 2 硅橡胶 硅橡胶通常为高分子量直链型聚硅氧烷，其功能及应用领域比硅油还多且 广，它具有耐候性、低温柔韧性、热稳定性、绝缘性( 或导电性) 以及生理惰性 等特性。按化学结构分类，硅橡胶分为甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、氟硅橡 胶、甲基苯基硅橡胶、腈硅橡胶等。按硫化性能分类，可分为热硫化( h t v ) 硅 橡胶和室温硫化( r t v ) 硅橡胶两大类。 高温胶主要用于生产耐高温或低温、高绝缘、高弹性的橡胶制品，如高档耐 热密封件、垫片、高压电力电缆及耐高低温电缆的被覆、火花塞保护套、彩电高 压帽、耐热胶辊、胶管、气体分离及食物保鲜用的半渗透膜等。另外由于硅橡胶 可以填充大量的导电炭黑，使其具有导电性，目前被广泛用于生产各种导电硅橡 胶制品。如目前广泛用于计算器、微型计算机、遥控器、电话、电子琴、电子游 戏机等产品的导电硅橡胶按键就是其中之一。此外，利用硅橡胶无毒及生理惰性 以及对氧的高渗透性等特性，制成硅橡胶接触镜片、奶嘴以及医学上用的人造器 官、导管等。 室温硫化硅橡胶主要用作密封胶和模具胶、粘结结构胶和灌封料等。在建筑 行业用作道路、门窗的密封填缝材料，较为高档的结构胶用于汽车、玻璃幕墙的 结构粘结材料。在电子电气工业中，室温硫化硅橡胶用作粘结剂，如彩电装配线、 印刷电路基板等各种电子元件的粘结、固定、填隙，照明器材的粘接密封等，还 可用作各种元器件的灌封、涂覆。模具胶主要用作软模取型材料，具有成型方便、 成本低、收缩小、尺寸稳定、离型性好、耐热性好，能真实地再现模型表面，能 适应各种硬质或半硬质注塑成型材料，广泛应用于工艺品复制，收到以假乱真的 效果。在医疗方面，室温胶还用于人工乳房、面部整型等。 1 3 国内外有机硅生产装置发展综述 1 3 1 国外有机硅生产装置发展概况 a ) 国外有机硅生产概况 有机硅材料的研究起始于十九世纪中叶，直到1 9 4 1 年美国通用电气公司 ( g e ) 的罗乔( r o c h o w ) 发明了直接合成甲基氯硅烷方法，才为有机硅工业的 发展奠定了基础。1 9 4 3 年道化学与康宁玻璃公司合资成立了世界闻名的道康宁 ( d o wc o r n i n g ) 公司，专门从事有机硅材料的生产，在密执安州建成了世界第 第一章绪论 一套直接法合成甲基氯硅烷装置，揭开了有机硅工业化的序幕【。1 9 4 7 年g e 公 司在纽约州成立了有机硅事业部，并进入有机硅市场；1 9 5 7 年美国联合碳化物 公司( u c c ) 也在美国西弗吉尼亚建立了有机硅分厂；德国瓦克化学( w a c k e r c h e m i e ) 和拜尔( b a y e r ) 公司先后于1 9 5 1 年、1 9 5 2 年开始生产有机硅；日本 信越和东芝于1 9 5 3 年开始分别在矶部和鹤见建设有机硅单体厂，至u 1 9 5 7 年走上 正规生产；与此同时，英国i c i 、法国r h o n e - p o u l e n c 也先后建厂投产，前苏联 从1 9 4 7 年开始生产有机硅。d c 与g e 公司看准日本经济腾飞的大好投资环境， 先后于1 9 6 7 年、1 9 7 1 年分别与东丽、东芝建立有机硅合资公司，在日本与独资 的颇有建树的信越形成三极对峙局面【1 2 】。 自4 0 年代中期国外开始工业化生产以来，经过6 0 多年的发展，世界有机硅 工业有了长足的进步。1 9 4 2 年全球有机硅单体产能只有2 0 0 0 吨，1 9 5 8 年为2 2 4 万吨，1 9 6 8 年为6 6 万吨，1 9 7 1 年约为1 6 万吨，1 9 8 9 年上升到6 0 万吨，1 9 9 6 年世界有机硅单体生产能力为1 0 0 万吨，2 0 0 1 年1 9 5 万吨，2 0 0 5 年已达2 8 9 万 吨( 折硅氧烷1 3 9 万吨) 。几乎是十年前的3 倍。 由于有机硅初级硅氧烷供需矛盾突出、价格坚挺，因此各公司有机硅单体生 产的开工率均较高。 自1 9 4 2 年以来世界有机硅生产量年均增长率约为1 3 。进入9 0 年代，世界 有机硅生产量仍以5 8 的年均增长速度发展；亚洲则以1 2 1 5 的年均增长 速度发展( 日本除外) 。近几年，全球有机硅保持了相对稳步的发展，亚洲市场 对有机硅原料的需求尤为强劲全球有机硅产量也呈逐年增长的态势。 世界上有机硅单体生产比较集中，下游产品相对分散，生产技术主要控制于 北美、西欧及日本等少数发达国家。居世界前五位的有机硅单体生产商，即美 国d o wc o r n i n g 公司、g e 公司，德国w a c k e r 公司，日本信越公司和法国r h o d i a 公司占世界硅氧烷总产量的8 0 以上。生产集中、技术先进、品牌众多、规模庞 大使这些公司有机硅产品在世界市场有很强的竞争力。 b ) 国外有机硅产品的应用 随着全球经济的发展和有机硅产品应用领域的不断扩大，目前全球各种有机 硅制品的消费量已超过9 0 万吨，产品牌号约有1 0 0 0 0 种，其中d o wc o n g n i n g 公 司5 0 0 0 余种，g e 公司、w a c k e r 公司、信越公司约有4 0 0 0 余种，r h o d i a 公司约 4 西北大学硕士学位论文 3 0 0 0 种，并且每年不断有新品种开发应用。如道康宁公司每年有2 5 销售额来自 新产品，约有9 0 0 项未形成的产品进入可行性研究阶段，有3 0 0 - - - 4 0 0 种样品进 入试用阶段，有4 0 0 - - 5 0 0 种样品进入潜在的销售行列，有6 0 - - - 9 0 种产品列为新 产品，同时有1 0 0 - 2 0 0 种产品被淘汰。 目前，全球有机硅单体的消费已达2 0 0 万吨。整个消费构成为橡胶、树脂、 涂料、纤维、纸张、化妆品及其相关行业占4 0 ：电气、电子占2 0 ：土木建筑 占2 0 ；其他占2 0 。 1 3 2 我国有机硅单体生产情况 我国有机硅生产始于五十年代，开始为军工配套，七十年代末开始在国民经 济各领域推广应用。但发展较为迟缓。经历了百吨级一千吨级一万吨级装置规模的 逐步放大历程。八十年代建设的我国第一个1 万吨年有机硅单体工业试验装置， 于九十年代实现稳定、连续运行，从此，我国有机硅生产开始步入规模化、大型 化的发展阶段。 1 9 5 8 年我国有机硅单体年产量只有7 吨，由于种种原因，1 9 9 7 年才首次突 破力吨大关，达到了年产1 3 9 8 0 吨，历时近4 0 年。之后进入了我国有机硅的高 速发展时期，仅用6 年时间，于2 0 0 3 年单体年产量突破1 0 万吨大关，达到了 1 1 3 4 万吨【1 2 1 。 国内有机硅行业中，较早涉入的企业有浙江新安化工集团、江西星火化工厂 ( 蓝星化工新材料股份有限公司控股) 、江苏梅兰化工集团、吉化集团公司等。 其中江西星火化工厂起步较早，属于中国国内有机硅行业的先行者。早在1 9 6 8 年，就建设了一套年产6 0 0 吨的小型有机硅单体生产装置。八十年代初，随着 中国的改革开放开放，该厂建设了一套5 0 0 0 吨级的中试装置，该装置由化工部 第六设计院( 后更名为华陆工程科技有限责任公司) 负责设计。1 9 9 6 年1 2 月， 随着中国蓝星化学清洗总公司整体兼并星火化工厂，星火化工厂又进入一个新的 阶段。先后投资建设了具有自主知识产权的一万吨年、五万吨年和十万吨年 等有机硅单体生产装置。 浙江新安化工集团公司虽然起步较晚，但规模发展迅速。其年产1 万吨有机 硅装置与2 0 0 1 年投产：三年后，另一套年产2 5 0 0 0 吨的装置又成功投产。目前 该公司与日本迈图公司合作建设的单套1 0 万吨年有机硅装置也已经进入安装 第一章绪论 阶段，该装置引进了国际先进技术，二甲单体选择性及转化率均高于目前国内水 平。该装置的建成，必将为国内有机硅行业带来新一轮技术升级。 2 0 0 4 年后，国内有机硅行业出现了一轮投资热潮，一些新兴的企业陆续抢 滩有机硅市场。包括浙江合盛化工有限公司投资的6 万吨年有机硅装置、浙江 中天氟硅材料有限公司投资建设的6 万吨年有机硅装置、另外，江苏宏达新材 料股份有限公司、唐山三友化工股份公司、山东东岳集团等均投资建设了同等规 模的有机硅装置。 除了这些本土企业之外，一些国际行业巨头也纷纷进入国内投资建厂，如 d o wc o n g n i n g 公司2 0 0 8 年在张家港建成投产2 0 万吨年有机硅装置；中国蓝星 集团总公司与法国罗地亚公司在天津合资建设4 0 万吨年有机硅单体及后加工 项目，由于受到金融危机的影响，该项目进展缓慢。 自2 0 0 8 年年初以来，国际上有机硅价格持续走高。未来全球有机硅仍将保 持6 左右速度的增长，预计国内有机硅将保持2 0 左右的速率增长。预计到 2 0 1 0 年，国内将新增产能1 2 5 万吨。届时，中国将成为有机硅单体的净出口。 1 4 有机硅生产装置简介 1 4 1 项目规模和概况 本文所设计的项目为山西三佳有机硅工程，位于山西省介休市境内，生产规模为 年生产甲基有机硅单体6 万吨。该项目与2 0 0 6 年进入设计阶段，2 0 0 7 年完成详 细设计。目前安装施工已经进入尾声，计划2 0 0 9 年6 月份试车。 1 4 2 主要工艺生产装置的构成 有机硅的主要生产装置，按照其在生产中所起的作用，可以分为生产主装置 和辅助装置。 1 ) 生产主装置包括以下几个部分 单体合成 单体分离 二甲单体水解 裂解及环体蒸馏 氯甲烷合成 以上为生产主装置。主要承担着氯甲烷的生产，混合单体的生成，以二甲基 6 西北大学硕士学位论文 单体为主的各类甲基单体的分离，d 3 ，d 4 ，d 5 及d m c 产品的生产及分离等一 系列生产过程。 2 ) 辅助装置包括以下几个部分： 原料甲醇罐区 氯甲烷罐区 酸碱罐区 单体中间罐区 成品罐区 灌装站 冷冻站 空分站空压站 以上八个装置为辅助装置，其中罐区的主要功能为贮存原料、产品及中间产 品。最终的环体的包装在罐装站里进行，最后装车外运，进入销售渠道。空分及 空压站，则为整个装置提供氮气和压缩空气。 1 4 3 工艺过程简述 本项目采用直接法合成甲基氯硅烷的生产路线【2 2 1 ，即以硅粉剂氯甲烷为原 料，铜粉为催化剂，在高温、高压的环境下，于流化床反应器中，进行气固相反 应生成甲基氯硅烷混合物。反应气经旋风分离及除尘洗涤，将其中残存的硅、铜 触体除去，再经脱氯甲烷塔分离，未反应的氯甲烷重新用于合成反应，旋风分离 出来的硅粉回床使用，以提高硅的使用率。所得的甲基氯硅烷混合物送至单体分 离装置，经分离后得到各种精单体，其中二甲单体经水解、裂解制成环硅氧烷。 有机硅生产工艺过程参见示意图( 图1 1 ) 。 在有机硅工业中，有两个指标是非常重要的，一个是二甲选择性，另一个是 原料消耗。实际上，后者和反应器的效率有直接的关系。国外先进有机硅单体生 产商的二甲选择性一般为8 8 一9 2 ，目前国内有机硅企业的二甲选择性提高 很快：1 9 8 2 年只有6 0 左右，2 0 0 2 年达到7 5 一8 0 ，现在提高到8 2 以上， 与国外先进技术差距大大缩小，但仍然有很大差距。在原料的消耗方面，生产一 吨粗单体消耗硅粉0 2 7 吨，氯甲烷0 9 5 吨，国外则为硅粉0 2 2 - - 0 2 3 吨，氯甲 烷0 8 0 - 0 8 2 。氯甲烷的消耗量，不仅提高了原料本身的消耗，同时增加了冷量 7 第一章绪论 的消耗，从而带来用电量的增加，这些都会提高单体的生产成本。因此， 单体 合成反应系统的优化，始终是有机硅工业技术发展的重头戏。一方面，需要合成 反应器自身结构设计的技术革新，同时，则应力求在合成反应系统的工艺流程和 设备、管道布置上精益求精，不断改进。 硅粉自硅粉加工车间 厂一 图1 - 1有机硅生产工艺过程示意图 西北人学硕七学位论文 第二章单体合成装置工艺流程及设备布置 2 1 单体合成装置工艺生产路线和方法 本装置包括合成反应、洗涤除尘、氯甲烷精制和回收单元，以及导热油、深 冷等系统，分别布置在合成装置框架和中间罐区内。单体合成采用直接合成甲基 氯硅烷工艺路线，即以硅粉及氯甲烷为原料，铜粉为催化剂，在高温高压条件下， 于流化床反应器中，进行气固相反应生成甲基氯硅烷混合物。反应所得的甲基氯 硅烷混合物即合成气，经旋风分离及除尘洗涤，将其中残存的硅、铜触体除去， 再经过脱氯甲烷塔分离，未反应的氯甲烷重新用于合成反应，所得的甲基氯硅烷 混合物送至单体分离装置进行分离。 单体合成装置的原料及辅助原料，主要包括硅粉、铜粉、氯甲烷及导热油等。 生产出的中间产品主要为粗单体混合物，由二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、三 甲基氯硅烷、高沸物等多种物料组成。 流化床反应器中所进行的反应十分复杂，产物达数十种之多，其主要反应有： s i + 2 c h 3 c i 一( c h 3 ) 2 s i c l 2 主要副反应为： s i + 3 c h 3 c i - 。- c h 3 s i c l 3 + 2 c h 3 s i + 3 c h 。c 1 + 2 c h 。一( c h 。) 。s i c l 本装置的关键设备为流化床反应器( 设备位号r - 0 1 0 1 ，以下表示方法同) ， 为立式筒形设备，外壁采用伴管式夹套，内设换热指形管，其间通导热油以保证 床温均匀，避免局部过冷过热。 单体合成反应部分的工艺流程图见图2 一l ，图2 - 2 e 2 列。 9 第二章单体合成工艺装置工艺流程及设备布置 图2 - i 单体合成反应工艺流程图l l o 昼嗣隶镬 聋异毒谢 寸0 1 0 ； m t n o i o 矗嚣茸翻蟮枣越 叫010 晕一辐霉蕃匝 o 【o 。 t 匿蠼睁一 一1 0 u t 蕈簧蜞 一 一砗旦囊l 0 1 0 u 心o i o 。 麓冀荆塔奢i 簟堪 一 n o 【0 雕蛙 t t 套* 幽簟 蕾、一。一ou 、一。一o正 一寸1 0 鼍隶* c 幽埘 摹“蛙 小n l o 每t 1 0 i o 西北人学硕士学位论文 图2 - 2 单体合成反应工艺流程图2 l l o 霉斟i i o ， 毫0 霉量 曲s=o 鼙麓茸纠塔$麓 寸聋赣掣 套西搿曩 开1嗷群划剐百t剔石ti石u1纠卅叫引刊1 寸聋意料i 010 毒糟茸甜辑寸聋赣 山o 【o 骨聋斟斟l 卜o 【0 一蕾采匠掣翳 寸o 【0 畸翻珂酱芒蜡 1 0 1 0 芷 第二章单体合成工艺装置工艺流程及设备布置 2 2 单体合成装置设备布置的总体思路 本装置设备台数多，工艺流程复杂，如何合理的布置，需要从多个方面综合 考虑。结合本装置的特点，设备布置应考虑以下个方面： a ) 露天化布置。本装置的主要工艺原料氯甲烷属于甲类火灾危险性气体， 中间产品甲基单体则属于甲b 类火灾危险性液体【l6 。采用露天布置，既可以 减少建筑物，又能保证自然通风，防止可燃性气体的积聚，对防火防爆等安 全问题也都容易解决。 b ) 按流程布置工艺设备。按照流程的顺序布置设备，一方面，使整个设备布置 顺畅，符合工艺过程。另一方面，减少管道长度，降低管道阻力，同时也节 约了部分管材【l 】。 c ) 主框架和装置内罐区布置在管廊两侧，减少整个整个装置的长度。这样，主 框架和罐区之间，可以通过管廊作为沟通的渠道；另外，也避免了主框架和 罐区布置在一侧而造成的装置占地狭长的弊病。 依照以上原则，结合单体合成单元的实际情况，形成以下的装置分区方案。 如图2 3 所示。 本装置由氯甲烷进料系统、单体合成主框架、装置内管廊、装置罐区、氯甲 烷压缩机及深冷压缩机厂房组成( 其中氯甲烷压缩机及深冷压缩机厂房另外布 置，以下不在说明) 。主框架及装置罐区、装置内管廊总占地约7 0 x 5 1 m ，装置管 廊位于主框架和装置罐区之间。 a c 轴线为单体合成主框架，拟采用五层钢结构( 局部八层) ，层高为6 m 左右，框架两侧按照安全疏散距离的要求设置斜梯。 整个主框架分为三个部分：2 3 轴线为氯甲烷进料系统，包括氯甲烷汽化、 预热及过热设备；3 6 轴线为合成反应器及硅粉脱除系统，主要设备有两级旋风 分离器、洗涤塔等：6 9 轴线为粗单体分离系统和氯甲烷回收系统，主要设备分 别为粗单体塔及氯甲烷塔。 主框架南侧，d e 轴线内为装置内管廊，起到连接各部分管道的作用。 d 轴线南部的部分，是装置内部罐区。主要是氯甲烷罐区和粗单体罐区。用 于储存反应用的氯甲烷和生成的粗单体混合物。 1 2 p n 小 直勉严 图2 3 单体合成装置分区方案平面图 第三章合成反应系统设备布置及检修方案讨论 第三章合成反应系统设备布置及检修方案讨论 单体合成装置中，流化床反应器是本装置的关键设备，围绕其展开的这部分 流程，包括硅粉迸料罐单体合成反应器旋风分离器系统是设备布置设计 的难点。这部分流程具有工艺和控制复杂、温度高、管道热应力较大及物料火灾 危险性高等特点。同时流化床反应器需要定期停车检修，因此设备及管道布置得 设计上，需要全面考虑。这部分系统设计的水平，直接关系到合成反应装置的运 行效率和安全生产。因此，有必要对其单独做深入的分析和探讨。 3 1 单体合成反应系统的设备布置方案 合成反应系统，是整个单体合成装置的核心，这部分布置的合理与否，直接 影响到全装置的生产运行效率，甚至对全厂生产的稳定性、经济效益均有一定影 响。因此，对于合成反应系统的设备布置，必须认真思考，精心设计，确保方案 的合理性。 合成反应系统的组成，包括硅粉加料罐( v 0 1 0 5 加) 、合成反应器( r 0 1 0 1 ) 、 一级旋风分离器( s 1 0 4 ) 、二级旋风分离器( s - 0 1 0 5 ) 、一旋受料斗( v - 0 1 0 8 a ) 、 一旋排料斗( v - 0 1 0 9 a b ) 、二旋受料斗( v - 0 1 0 8 b ) 、二旋排料斗( v - 0 1 1 0 ) 等 设备。 这部分反应系统，主要的工艺物料为气体氯甲烷和硅粉，在铁铜催化剂的作 用下，生成甲基氯硅烷的混合物。 液体氯甲烷由氯甲烷罐区送出，经装置管廊送入本装置内的氯甲烷贮罐。经 过氯甲烷汽化器汽化及预热器加热后，自底部进入反应器。硅块则在硅粉加工及 干燥装置内，经过处理，加工成为符合反应要求的细硅粉。通过管道送入本装置 的硅粉加料罐中。在硅粉加料罐中经流化后，用加热后的氯甲烷气体推入反应器 底部。 生成的甲基氯硅烷混合物，自反应器项部送出，同时夹带大量未参加反应的 硅粉，及铁铜粉体。经过两级旋风分离器的分离后，大部分粉体依靠重力依此进 入受料斗、排料斗，最后回床重新参与反应。裹带少部分硅粉的甲基混合物气体， 则进入洗涤塔洗涤，最终获得纯净的甲基混合物粗单体，进入下一步流程。 合成反应器系统的设备布置如图3 1 图3 3 所示 2 2 】。 1 4 西北人学硕士学位论文 勰咖m 卅耳 曩 证 j c = t 监 盛 巡 喜一 s 一0 l 上 f i 一 t 删垌l i 州卅卅； l p _ 垦 寺 口 世一 令 l j 【= 皿趾 s 一0 1 0 4s o l 上下 11t ，。l j l 一 上删m l f 黼卅忡t ，一- 鱼 垦 1 般 热 - s o l v 一0 1 0 9 上 l 一0 1 0 2 一0 t 1 9 e o l 0 一 u- _ 蛾荸嘶! _ i _ l - 一 t 一 罢二黑! s - 0 1 0 7 b s 一叭o ? k ：一 仃翮翮椰薷 酋 卜i 封头f - 7 吨 争 司蔓挣 i 岬t 头盎l e 上下 1 一一鸭 冷斗钟 $ - 0 1 0 2 as 0 1 0 2 b 1 - 0 1 2 l - - e l 2 1 5 0 0 平面 图3 - 1 合成反应器系统设备布置图e l 2 1 5 0 0 “3 9 0 0 0 1 5 附由 第三章合成反应系统设备布置及检修方案讨论 s o i 们| s 一0 1 0 7 b r 一0 1 0 i v 一0 1 1 i a v 一0 l l i b 上删龋i i 洲卅忡 鱼移：旗园卜工 上 ! = q l 姐 】 = 婴q 堕 v - o l l o 一 l 、- 、 飞一， 飞一， 旦盟 s 一0 1 0 2 j is - 0 1 0 2 b r l 一0 1 0 3r 一0 1 0 1 v 一0 1 1 1 av 一0 1 1 1 8 雨州卅f 一 - 凶 一众 一囝 e l 3 a o _ i i f k 蛭 | ；刮i e l2 口口0 0 ! 生盟l 感e l 2 6 5 0 0章氏舒、 丫 土j 幽、r j 翊熊 ，一、 检蕾封头放置区 愈氚扉f q日l 2 1 6 y yy 【j t - ji 吕、_区、 l j b ，、 苫 旨e l “5 、r 叫 e l b i 。i 。i 。i 帽0 e l on ，m bf nff bf b 图3 - 4 合成反应器系统设备布置图方案一剖视图 1 8 西北大学硕士学位论文 占占 占占占 b b 音视 聋h闭 l m 自i i i 习a t g mt g m ， 、 幢肇封火艘1 1 酲 ，鱼f 兰1i园 抄v l i l _ _ 一 t m mb m _ 肖南 u 吲 v型 t i 盈0 占占占 一 占占 图3 5 合成反应器系统设备布置图方案二剖视图 第三章合成反应系统设备布置及检修方案讨论 3 1 1 从管道热应力的角度进行分析 从图中来看，方案二的优点，是反应器出口管道柔性好，对旋风分离器等设 备的推力小。由于反应器内部的反应温度高达3 0 0 摄氏度左右【2 2 】2 2 ，而反应器出口 管道的管径较大( d n 5 0 0 ) ，进入正常工作状态后，将产生较大热应力。如果不 能有效的吸收这部分热应力，设备管口的受力就有可能超过其允许荷载。 下面对这一方案做一个常规的应力分析。管系轴测图如图3 - 6 所示： 条件：管道公称直径：d n 5 0 0 ；材质：碳钢； 设计温度：3 0 0 。c ：安装温度：2 0 c ； 3 0 0 c 时的材料线膨胀系数qt = 1 2 9 x 1 0 0 ； 端点位移如下： a x a = - 3 3 m m ，a y a = 2 5 m m ，a z a = 0 m m i x d = 0 ，a y d = 3 0 2 m m ，a z d = 0 m m ； 解：( 1 ) 管系固定点间展开长度： l = 9 2 + 1 2 + 7 0 + 3 1 = 3 1 3 m ( 2 ) 管系固定点间直线距离： u = 1 4 6 m ( 3 ) 计算a 端( 解除约束) 的热伸长值x ，a y ，a z - a x = qt 木l x 幸( t l - t o ) = 一1 2 9x1 0 曲x ( 1 2 0 0 0 3 1 0 0 ) x ( 3 0 0 - 2 0 ) = 一3 2 1 m m a y = qt 幸l y 幸( t i - t o ) = 1 2 9x1 0 一x9 2 1 5x ( 3 0 0 2 0 ) = 3 3 3 m m a z = qt 木l z 木( t i - t o ) = 1 2 9x1 0 由x7 0 0 0 x ( 3 0 0 9 0 ) = 2 5 3 m m ( 4 ) 计算管系在x 、y 、z 三个方向上的全补偿值： a x = a x a - a x g a x = - 3 3 0 ： e l 儿5 0 0 i 1 ij e l 6 0 0 0 jk ， 一 ，工l，i c l ：* ：op i o n n上l 图3 - 8 合成反应器检修方案二 3 2 2 检修废渣和污水的处理 方案一中，指型管被吊至2 3 轴线之间的检修区域，在靠近地面的位置 清理。由于该部位是专门预留用于清理，同时位于框架边缘。清理下来的废 渣和污水集中于该区域的地面上。在地面的设计中，可将该区域用围堰包围 起来，并设置排水沟。这样，清理过程中的污染物，被限制于这片区域里， 第三章合成反应系统设备布置及检修方案讨论 对装置的其他部分基本没有太大影响。 方案二中，指型管在反应器的上方清理，反应器的腔体用不透水遮盖物 遮蔽。清理过程中，废渣和污水主要集中在e l l 6 5 0 0 楼面上。相对于方案一， 方案二处理起来要困难一些。可以考虑遮盖物边角悬挂于四周的柱子上，同 时遮盖物设置排污管接至排水沟。冀此解决清理产生的污水和废渣。 从以上的分析可以看出，方案一的清理污水和废渣容易收集和控制，方 案二则需要做特殊处理： 。 3 2 3 对结构稳定性的影响 方案一中，起重机位于e l 3 9 0 0 0 标高，水平方向行程大约1 0 米。工作荷载= 封头重量+ 指型管重量； 其中：封头重量= 6 吨；指型管重量= 5 0 吨： 起重机工作过程中，框架整体承受的负荷还应该考虑起重机的自重。 查阅相关企业的资料，起重机整车自重约为2 0 吨( 起重量按照6 0 吨，参考 河南矿山起重机有限公司产品说明) 。 因此，起重机移动指型管的过程中，框架整体承受的负荷= 封头重量+ 指型管 重量+ 起重机自重7 6 吨。起重机+ 封头+ 指型管整体重心位于e l 2 5 0 0 0 以上。 这种情况下，起重机移动过程中，将会造成框架荷载分布的发生很大变化，对钢 结构的稳定性和安全性威胁较大。 另外，由于指型管需要水平方向跨过3 轴线，因此在e l 2 6 5 0 0 、e l 3 3 0 0 0 、 e l 3 9 0 0 0 三层楼面上，轴线3 不能设置钢梁。这也会影响整个钢结构的强度， 需要加大结构梁、柱的规格，增加成本。 比较方案二，可以看出，该方案弥补了方案一在稳固性方面的缺陷。 e l 2 9 8 0 0 标高上的桥式吊车，起重量仅6 吨，自重约3 吨。移动过程中对 钢结构框架影响很小。而指型管起吊过程，由于没有水平方向的位移，因此不会 改变框架荷载分布的变化。 e l 3 9 0 0 0 的吊车为固定起重机，一般可采用单个电动葫芦即可。一个起重 量在6 0 吨左右的电动葫芦，自重仅6 吨左右，远小于同样起重量的双梁起重机。 综合上述，从框架的稳固性上看，方案二相对于方案一，有很大的优越性。 从3 2 3 分析可以看出，方案一上部荷载远大于方案二，且起重机移动过程 3 0 西北人学硕+ 学位论文 中又将引起荷载分布的变化，进一步影响钢结构框架的稳定。设计中，为了确保 安全，必须通过加大钢结构柱子和梁的规格，增加结构强度。这样一来，将导致 结构建设成本的上升，投资增加。 3 2 4 对楼面空间的利用率 方案一中，2 3 轴线之间，均为反应器的检修空间，因此，这部分框架无法 布置其他设备和管道。而方案二中，2 3 轴线之间，e l 1 6 5 0 0 以下的空间，则可 加以利用。如布置氯甲烷汽化和预热部分的设备，或者导热油废热锅炉等。做到 有效利用空间，减少占地面积等。 3 2 5 小结 通过以上几个方面的对比，对两个检修吊装方案的优缺点做了深入的剖析。 从结果来看，这两个方案各具特点，很难一概而论，需要具体分析。以上的分析 对比可以归结为下表： 表中对两个方案的优缺点，采用五分制评分，从5 分到1 分，代表最好和最 差。 表3 - 2 方案一，方案二情况对照表 序号比较项方案一方案二 l 检修方便程度 43 2 人力负荷 42 3 清理效果 42 4 检修污水处理难度 42 5 对结构稳固性的影响 25 6 经济性 24 7 对框架空间的利用 l3 以上对照表中，方案一在前五个比较项上得分为2 1 分，方案二得分为2 1 分。 方案一在前四项有一定优势，第五项和第六项劣于方案二。两个方案互有利弊， 究竟如何选择，需要全面考虑。 第一项，通过增加操作平台等方式，可以得到减轻或解决。而通过提高操作 水平，延长两次检修之间的间隔，或增加人手，能够减少检修人员的体力消耗。 同样，通过增加操作平台的方式，去除清理过程中的死角，达到改善清理的 效果。 第三章合成反应系统设备布置及检修方案讨论 污水和废渣的处理，如前所述，方案二可以通过在e l l 6 5 0 0 楼面上设置遮 盖物及排污管道，避免对框架本身造成污染。 第五项，方案二优势明显，而方案一的缺陷很难解决。即使通过加大结构钢 材的规格，仍然难以达到理想的效果。还会造成成本增加。 经济性方面，方案二由于框架负荷远小于方案一，相应的结构梁、柱的规格 也低于方案一。 综上所述，考虑到钢结构框架的稳固和安全因素，以及针对方案的存在的缺 点，能否给出有效的解决方法，对方案一和方案二做了评价。从结果上看，显然 方案二更加合理，更加符合安全生产的要求。因此，确定方案二为合成反应器的 检修方案。 3 2 西北大学硕士学位论文 第四章合成反应系统设计 经过以上对反应系统设备布置方案及合成反应器检修方案的讨论，分别确定 了以下方案为最终结果( 如图3 1 所示) ： 反应器旋风分离器系统位于同侧，硅粉进料系统位于另一侧。 采用固定式起重机对指型管抽芯并在反应器上方清理结垢。 总体方案确定之后，需要进一步细化设备布置。 4 1 合成反应系统管道研究方案设计 4 1 1 工艺流程要求 从反应器顶部的气固混合物料在旋风分离器中分离后，夹带的硅粉经过多级 物料罐能够顺利回床。 硅粉自上而下回床，一方面是需要各罐之间压差的控制，另一方面依靠其本 身的重力。两者是保证硅粉顺利回床的必要因素，缺一不可。图4 1 为反应器一 一硅粉分离系统的管道研究图。从图中来看，整个分离系统自上而下，形成旋风 分离器( s 0 1 0 4 0 1 0 5 ) 受料斗(