有机硅单体生产精馏环节的节能增效.doc

有机硅单体生产精馏环节的节能增效 李群生 （北京化工大学，北京，） 摘要：介绍了有机硅生产的精馏过程及其节能降耗的方法。通过多效精馏、提高分离效率、全面优化流程，可以达到大幅度节能减排的效果。分离效率提高，还可以进一步提高产品质量，提高太阳能电池转化率。 关键词：有机硅，精馏，节能减排，提高质量 前言 有机硅是重要的化工产业基础材料，它还为人民日常生活提供了丰富的产品。有机硅材料主要分为硅橡胶、硅油及二次加工品、硅树脂及硅烷偶联剂四大类产占。 由于有机硅产品具有电气绝缘、耐辐射，阻燃、耐腐蚀、耐高低温、形态多样以及生理惰性等优良特性，被誉为“工业味精”，广泛应用于电子电气、建筑建材、纺织、轻工、医疗、机械、交通运输、塑料橡胶等各行业，并深入到人们生活的各个领域、成为化工新材料的佼佼者，其发展正谓方兴未艾。目前，全球年生产能力超过万吨，产！ 占种约有种之多，市场总销售额约亿美元。 目前有机硅产品繁多，品种牌号多达万余种，常用的就有余种，大致可分为原料、中间体、产品及制品三大类： 有机硅单体：主要指有机氯硅烷等合成有机硅岛聚物的单体，如甲基氯硅烷、苯基氯硅烷、乙烯基氯硅烷等原料。 有机硅中间体：主要指线状或环状体的硅氧烷低聚物，如六甲基二硅氧烷（姗）、八甲摹环四硅氧烷（）、二甲基环硅氧烷混合物（）等。通讯联系人，李群生，博士，教授，博士生导师。专业方向：传质与精馏分离过程，电话：；，：！亟：壁塑！遁】坌！：垒丛堡：金妥丛：璺。 有机硅产品及制品：由中间体通过聚合反应，并添加各类无机填料或改性助剂制得有机硅产品。主要有硅橡胶（高温硫化硅橡胶和室温硫化硅橡胶）、硅油及二次加工品、硅树脂及硅烷偶联剂四大类。硅橡胶再通过模压、挤出等硫化成型工艺，制得导电按键、密封圈、泳帽等最终直接用品。 、有机硅单体：、有机硅中间体；、硅橡胶；以及其它一些产品等。 有机硅生产中，精馏过程占有重要的地位，它在产品质量、消耗以及三废排放方面，都有重要的影响。因此，我们对有机硅生产中的精馏过程进行了研究，并运用精馏节能技术对其进行分析并与之结合应用，这个过程中我们主要运用到了多效精馏，高效导向筛板塔及填料塔等。 （一）有机硅精馏节能技术原理 现代化工过程对节能工作非常重视，国外有大量人力，物力进行节能技术的开发，节能新技术新工艺新措施新方法不断问世。我国的有机硅生产，在采用化工上已经成熟的先进技术后，将不会是“高能耗、高污染”，而是“绿色的阳光事业”。对有机硅精馏过程进行研究，并运用精馏节能技术对其进行分析并与之结合应用，对精馏过程的节能分析后町以从以下几个方而进行： （）实行多效精馏，使得能量充分利用； （）分离效率提高，降低回流比，进一步实现节能降耗； （）全面优化流程，实现节能。 多效精馏 图多效精馏原理图 多效精馏是将原料分成大致相等的股进料，分别送入压力依次递增的个精馏塔中，个塔的操作温度也依次递增。压力较高的他的塔顶正气，向压力较低的塔的塔釜再沸器供热，同时自身也被冷凝，以此类推，这样节省了低压塔再沸器的能耗和高压塔冷凝器的水耗。在这个系统中，只需向第一个最高压力塔供热，系统即可进行工作，所需能量约为单塔能耗的，其节能幅度是非常明显的。 一般来说，多数精馏的节能效果是以其效数来决定的。从理论上讲，与单塔相比， 由双塔组成的双效精馏的节能效果。而三效精馏的节能效果，四效精馏的节能效果为。以此推，对于效精馏，其节能效果可用一个公式来表示： 一 其中：一为节能效果，一为多效精馏的效数。 由此我们可以看到同样增加一个塔，从单塔精馏剑双效精馏的节能效果可达，而从三效精馏到四效精馏的节能效果仅增加，所以在采用多效精馏节能时，要考虑到节省的能量与增加的设备投资间的关系。在效数达到一定程度后，再增加效数时节能效果已不太明显。目前在国外一般以双效、三效居多。 需要说明的是，上述的节能效果为理论值，在实际应用时则会低一些。由于效数太多时，会引起操作的困难，且一次投资也随之增大。工业以双效应用较多。 在酒精精馏过程中，采用双效精馏，可实现节能，三效精馏节能，四效精馏节能。 有机硅生产中，很多塔器都是为了提纯有机硅而设置的，其中可以根据合理的能量和温差匹配，实现多效精馏，达到大幅度节能减排的目的。 提高分离效率，降低回流比，进一步实现节能降耗 分离过程中，分离效率的高低，可以在很大程度上降低能耗，提高产品质量，减少排放，提高网收率，提白企、效益。 如，有机硅生产中节能降耗能增加效益：（），由此可知，效率高，则回流比低，加热量降低，节省能耗和冷却消耗。回流比是精馏操作的重要参数。它与精馏塔能耗基本是直线关系，即回流比增大，能耗随之呈直线关系增加。所以，减小回流比，是精馏操作节能的重要手段之一。但是回流比减少后，需要相应的增加理论板数，以便达到原来的分离效果。 。” 。 、 非 、 。 驰救 毗 销黔 图吉利兰关联图 由吉利兰关联图（图）可见，左端延长后表示理论板数最多的情况，此时操作同流比为最小回流比。曲线的右端延长后表示理论板数为最小的情况，此时塔的操作回流比为无限大。精馏塔的操作正常情况下是在全回流及最小回流比两个极限之间进行的。而增大塔的理论板数可以有效的降低回流比，达到精馏节能的目的。 采用先进的控制技术，全面优化流程 在化工分离过程操作波动是导致分离过程设汁和操作保守的一个重要原因。因为波动，设计的产品纯度自然要高于要求的纯度，塔器操作中再加上一点安全系数，回流比和能量消耗也就跟着上升了。由此可见，使用良好的仪表，严格控制操作，可以减少塔器操作的波动，从而可以降低以产品半均纯度的要求。这样，就可以减小精馏等分离过程的塔器所需要的回流，也就降低了能量的消耗。因此，在工生产中，为了在生产小幅波动时仍能出合格产品，往往对回流比给与一个适当的安全区域。此时的回流比比设计回流比要高一些。 采用高精度的感应器、可靠的控制回路与仪表、较准确的数学模型，组成先进的控制系统，会增大设计者和操作人员的信心。这样将安全区域适当减少，达到了减小回流比和节能的目的。如在丙烯丙烷的分离过程中，采用先进的控制手段，可 使回流比由降至，从而实现节能。 为了说明最佳控制对节能的潜力，等人计算了化学工业中一些主要的精馏塔的冷凝器负荷和分离系数对数值变化的关系，得出分离系数对数值增加的作用和塔板数增加的作用是相同的。计算证明，最优控制在经济上是合算的，而且对实际回流与最小回流的比值高的塔，更为有利。 先进控制技术目前还处于开发阶段，工业化的一些问题尚待解决。但是，随着研究丁作的进展，先进的控制技术将在化工分离过程的节能技术中起一定的作用。 （二）高效分离技术提高产品质量 那么，怎样提高有机硅质屋、降低杂质含量呢？ 根据精馏技术原理，我们很容易得到答案。 图精馏技术原理 图是精馏的技术原理，上而的曲线是物料平衡线，中间的两条直线是精馏塔的操作线。三氯氢硅与杂质分离时，其组成是按照在平衡线和操作线之间做三角形梯级来变化的。梯级数越多，表明分离的越彻底，约可以得到纯度更高的三氯氢硅。而图中的梯级数，就是精馏理论塔板数。 理论塔板数的概念是，物料从进入塔板到离开塔板，实现了分离和组分变化， 组分变化达到理想的最大分离程度时，说明它是得到了一个理论板数的分离。但是实际精馏过程中，由于有雾沫夹带、漏液、液泛等发生，以及气相（或液相）进入塔板分离后，很快就离开塔板，很难达到一个理论级的分离。那么距离理论分离的差距，我们称之为精馏塔板的分离效率。其定义式为： 分离效率（实际达到的分离程度）（理论上达到的最大分离程度） 可见，分离效率越高，产品经过一个理论板的分离约彻底。 这样，我们可以得到完成分离而得到的理论板数为： 理论板数实际板数分离效率 这里的理论板数，即为精馏原理图中的三角形梯级数。 为了更好的说明问题，我们据两种情况为例。 例是一个精馏塔，具有层实际塔板，但是分离效率仅有；例是一个精馏塔，具有层塔板，分离效率为。则例的理论板数为： 块理论板 而例的理论板数为 块理论板 图给给出了在较少理论板数时的精馏纯度情况，可以看出，此时三氯氧硅距顶点还有一定距离，纯度较低。图给出的情况，由于此时可以得到更多的理论板数，三角形梯级较多，可以使得三氯氢硅更加接近于顶点，因而可以将二：氯氢硅中的杂质脱出更加彻底，纯度更加接近于。这样，我们可以得出结论，例使实际板数少，塔体没有那么高，但是由于理论板数多，它可以得到纯度更高的三氯氢硅质量。实际上，分离效率始终是精馏分离的最核心技术之一。 图在较少理论塔板时精馏产品纯度 图在较多理论塔板数时产品纯度 （三）高效分离技术降低排放 从上述精馏原理中我们知道，提高分离效率，可以提高经过每一次塔板时的组分变化，那么，在精馏塔底部，采用同样的原理，可以得到如何减少排放。 图精馏操作原理（塔底） 图在较少理论塔板时精馏塔底组成 图在较多理论塔板数时塔底组成 根据精馏原理，对于精馏塔自上而下而言，没经过一层塔板，目标产物的组成都会降低一些，直到到达塔底，其组成达到排放标准（图）。但是，我们还以上述的例和例为例， 即例是一个精馏塔，具有层实际塔板，但是分离效率仅有；例是一个精馏塔，具有层塔板，分离效率为。则例的理论板数为： 块理论板 而例的理论板数为 块理论板 根据图分析，我，矢道，在例中由于理论塔板数少，而到达塔底时，排放的目标产物组成就高，就会有较多的产品通过残液排放进入环境中去。而在例的图中，由于提供的理论板数多，目标产物得到充分的分离，塔底排放的目标产物组分就非常低，可以很好的降低排放，减少污染。同时，由于排放目标产物较少，使其得到充分的回收，也大大提高了回收率和经济效益。设想，如果排放的组成哪怕是降低个百分点，那么长年累月的积累下来，将是一个非常大的数字，能够为企业带来巨大的经济效益。我们做过统计，在很多情况下，即使降￥个百分点，可能会一年多回收吨产物，约值万元左右（当然，这一点与具体的流程有关）。 （四）高效导向筛板塔与新型高效填料技术及其应用 精馏过程一般是在塔式设备中实现的。前已述及，塔设备的分离效率是一个非常重要的参数，提高分离效率，则可以降低回流比节能，提高产品质量，降低塔底排放物料的含最，这对于提高三氯氢硅质量，对有机硅质量、太阳能电池转换率的提高，以及生产过程的节能减排，具有重要意义。 精馏塔的分离效率可以通过集中途径提供高。 采用高效导向筛板塔 高效导向筛板塔是通过对传统的塔板，进行、塔板、导向浮阀板、斜孔板等等。这里以导向筛板为例介绍之。 高效导向筛板是我们在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入细致研究的基础上，发扬筛板塔板结构简单、造价低廉的特点，克服其漏液点高、效率较低的缺点，并且通过对各种塔板进行深入研究、综合比较，结合塔板上流体力学与传质学的研究成果而研究开发的一种新型高效塔板。 高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、塔压降低、结构简单、造价低廉、维修方便的特点。目前已广泛应用于化学工业、石油化、精细化、轻工化、医药工业、香料工业、原子能工业等，高效导向筛板已推广应用了数千座精馏、吸收塔，多次获省部级科技进步奖，还获得过国家科技进步奖。 图高效导向筛板原理图 高效导向筛板的作原理是：如图所示，在高效导向筛板上开设了大量筛孔及少部分导向孔，通过筛孔的气体在塔板上与液体错流，穿过液层垂直上升，通过导向筛板的气体，沿塔板水平前进，将动量传递给塔板上水平流动的液体，从而推动液体在塔板上均匀稳定前进，克服了原来塔板上的液面落差和液相返混，提高了生产能力和板效率，解决了堵塔、液泛等问题。另外，在传统塔板上，由于存在液而梯度，在塔板的上游总存着一个非活化区，在此区域内气流无法穿过液层而上升鼓泡，如对浮阀塔板，上游的几排浮阀无法打开，而对筛板塔板，上游的一个区域内无气泡鼓出。根据实验测定，非活化区的面积往往占塔截面积的左右。高效导向筛板在液流入口处增加了向上凸成斜台状的鼓泡促进器，促使液体一进入塔板就能鼓泡，改善气液接触与传质状况。高效导向筛板具有下述特点： 、生产能力大 由于下列原因，高效导向筛板比传统塔板的生产能力高出，甚至更高。 （）克服了液流上游存在的非活化区，使得气流通道增加了以上。 （）消除了液面梯度，使得气速均匀。在传统塔板上，由于上游液层厚而下游液层薄，气速在整个塔截面上是不均匀的，下游液层较薄处气速较大，该处液层率先被吹开时，即达到了生产能力的最大值。而对导向筛板，由于整个塔截面上气速均匀，即全塔平均气速达到最人时，才是生产能力的最大值。 （）从筛孔中上升的气体是垂直向上，从导向孔中上升的气体是水平向前，气体的合成气速是斜向上方的。这样既延长了气体夹带雾滴的运动轨迹，减小了雾沫夹带，又提高了气速和生产能力。 （）由于导向筛板效率高，相同塔板数时回流比可以降低，进而提高塔的负荷与生产能力。 、效率高 （）由于克服了非活化区，使得塔板上鼓泡区域增加，增加了气液传质机会， 提高了塔板效率。 （）液相返混是影响塔板效率的最重要的凶素之一。高效导向筛板很好地克服了液相返混，提高了塔板效率。 （）消除了液面梯度，降低了漏液量和雾沫夹带，提高了塔板效率。 、压降低 与泡罩塔板、浮阀塔板等塔板相比，筛板塔板由于结构简单，气流通道顺畅，因此操作压降最低。实验和生产经验表明，导向孔的阻力降比筛孔的低！右，导向筛板的雎降比筛板塔板的还低左右。 、抗堵能力强 由于从导向孔中喷出的气体推动物料在塔板上水、正前进，这样可以强化液体在塔板上的流动，对粘性物料，可以多设置导向孔。尤其是对发酵醪的蒸馏、聚合物与单体的分离等等，有其独到之处。 、结构简单、维修方便 由于高效导向筛板只是在钢板上开些筛孔和导向孔，而无其它组件，冈此其结构简单，重量较轻，这样人在拆装和维修过程巾非常方便。 综上所述，高效导向筛板适用于要求生产能力大或扩产改造的场合，要求分离效率高以及精密分离的场合，要求压降低特别是真空精馏的场合，它对粘件物料或含有固体颗粒的物料有很强的抗污和抗堵能力，还能够有效地破除塔板卜的泡沫，降低雾沫夹带，防止液泛发生。高效导向筛板的成功之处还在于其结构简单，维修方便。 采用新型高效填料 填料是填料塔最重要的传质内件，填料的性能主要取决于填料表面的润湿程度和汽液两相流体分布的均匀程度。填料提供了单位体积中较大的几何表面，起气液传质作用的表而要比几何表面小，总有一部分填料表面未被润湿，减少了气液有效接触的相界而，从而降低了传质效果。若想达到好的传质效果，必须使液体在整个填料表面充分润湿，形成均匀的液膜。 根据流体存填料中的上述传质理论，我们研究开发了型新型高效填料，其特点在于：（）填料波纹线呈折线式变化，液膜在波纹线折线交点处流向发生变化，流动的液膜发生扰动，气体向上流动时，亦发牛同样情况。此时流体层流底层和流动边界层减薄，传质阻力减小，并且在拐点处由于流体流向发牛变化，增加了液膜表面更新的机会，提高了扩散速率，强化了气液传质过程；（）填料表面经过特殊 的物理千化学处理，液体在其表四成膜性更好，单位体积内液膜【町积太为增加，如到，甚币 ，汽液有效传质面积增大，能人强化汽液接触提高填料的分离敬牢。由此使得叫流比大幅度碱小，从而达到丫节能的目的 高教填料的特点是： （）、理论塔数高、通量人、压力降低。 （）、低负荷肚能好、野论板数随气体负荷的降低而增加几乎没有低负倚极 ）、放大效应小明显。 ）、适应