苯系有机硅单体分离塔系与换热网络的模拟优化

摘要

有机硅材料的生产需要高纯度的有机硅单体，而直接法生产的苯基氯硅烷粗单体组分复杂，且沸点均比较高，其分离纯化比较困难。本文针对国内苯基氯硅烷单体纯度要求不达标以及耗能较高的问题，对苯基氯硅烷单体分离塔系进行模拟优化。该研究工作对苯基氯硅烷粗单体的分离新流程的开发具有一定的指导意义。本文的主要工作包括:
　　1.利用资料中提到的C6H5SiCl3-(C6H5)2SiCl2二元体系的气液平衡实验数据判定热力学物性方法的适用性，结果表明Wilson方程计算得到的平均偏差最小，其次是SRK方程，平均偏差最大的是NRTL方程。然后再利用各热力学方程分别计算出纯组分的密度值，并与实际值进行比较，最终确定Wilson方程为该研究的最佳热力学模型。
　　2.由于缺少苯基氯硅烷体系的物性数据，需要对C6H5SiCl3及(C6H5)2SiCl2进行物性估算，采用Wilson方法，得到的数据与现有的物质物性数据相吻合。
　　3.运用AspenPlus大型流程模拟软件对现有的苯基氯硅烷工艺流程进行模拟优化，得到各塔的操作参数与文献中的数据进行对比，吻合度较高，说明本研究中选取的Wilson物性方法适合该分离物系。
　　4.根据苯基氯硅烷粗单体的性质，分别采用试探合成法、易分离度系数法、年度费用函数法对其分离序列进行设计，并对设计的分离序列进行模拟优化，并建立年度费用函数，对以上几种分离序列进行年度费用的计算，费用结果表明:易分离度系数法分离序列年度费用最低，经验法分离序列年度费用最高，且易分离度系数法相对年度费用比原流程降低了7.8％。
　　5.以年度费用最低的易分离度系数法得到的分离序列为初始流程，运用一定的调优合成方法对其进行优化，得到四组调优序列，对以上序列进行模拟优化并计算其年度费用，其中调优序列3相对年度费用最低，比调优初始序列减低了3.5％，比现有分离流程降低了11.07％，因此确定调优序列3为最优分离序
　　6.利用夹点技术对年度费用最低的调优序列进行能量分析，由夹点分析可知，流程中的冷热物流可以直接匹配，通过热集成后其能耗较原流程降低了45.9％，相对年度总费用降低了20.9％。
　　本文通过对苯基氯硅烷单体分离序列与操作参数的优化，确定了苯基氯硅烷单体分离的新流程，并通过对苯基氯硅烷单体分离塔系的热集成，降低了分离过程的能耗，对苯基氯硅烷单体实际生产中的节能减排具有一定的指导意义。

目录

摘要

符号说明

前言

1 文献综述

1．1 苯系有机硅概述

1．1．1 国外苯系有机硅产业发展现状

1．1．2 国内苯系有机硅产业发展现状

1．1．3 苯系有机硅单体制备工艺

1．1．4 直接法合成苯基氯硅烷单体组成

1．2 苯基氯硅烷的应用

1．2．1 制备偶联剂

1．2．2 制备硅醇

1．2．3 制备甲基苯基硅油

1．2．4 制备甲基苯基硅树脂

1．3 苯基氯硅烷单体的分离

1．3．1 间歇分馏

1．3．2 间歇与连续结合的分馏

1．3．3 连续分馏

1．4 分离过程综合的研究

1．4．1 基于知识的方法

1．4．2 热力学分析法

1．4．3 数学规划法

1．4．4 随机优化算法

1．5 化工过程系统模拟

1．5．1 稳态过程系统模拟

1．5．2 动态过程系统模拟

1．5．3 流程模拟软件Aspen Plus简介

1．6 课题背景与研究内容

1．6．1 课题背景

1．6．2 研究内容

2 苯基氯硅烷单体分离塔系的模拟计算

2．1 苯基氨硅烷单体分离流程简介

2．2 热力学方程的选择

2．2．1 热力学方法比较

2．2．2 苯基氯硅烷单体分离热力学方程的选取

2．3 原料组成与分离要求

2．4 苯基氯硅烷单体分离流程的模拟

2．4．1 塔压的确定

2．4．2 适宜回流比的选择

2．4．3 最佳进料位置

2．5 流程优化结果与分析

2．5．1 流程模拟结果

2．5．2 灵敏度分析

2．5．3 产品纯度及收率

2．6 模拟结果与实际生产比较

2．7 本章小结

3 苯基氯硅烷单体分离塔系的设计与优化

3．1 试探合成法

3．1．1 确定的分离塔序

3．1．2 流程模拟计算结果

3．1．3 灵敏度分析

3．2 易分离度系数法

3．2．1 易分离度系数法计算结果

3．2．2 易分离度系数法得到的苯基氯硅烷分离序列

3．2．3 流程模拟计算

3．2．4 灵敏度分析

3．3 相对费用函数法

3．3．1 相对费用函数法计算结果

3．3．2 相对费用函数法得到的苯基氯硅烷分离序列

3．3．3 流程模拟计算

3．3．4 灵敏度分析

3．4 分离序列的初步经济评价

3．4．1 过程经济学的作用

3．4．2 费用模型

3．5 费用计算结果与讨论

3．6 苯基氯硅烷精馏序列的调优

3．6．1 调优合成法

3．6．2 调优结果

3．6．3 各流程费用计算结果

3．6．4 本研究确定的最优序列

3．7 本章小结

4 有机硅单体分离塔系的热集成

4．1 夹点技术

4．1．1 温焓图

4．1．2 组合曲线(Composite curve)

4．1．3 夹点的确定温焓图法

4．1．4 夹点的意义

4．1．5 夹点的设计准则

4．1．6 物流匹配换热的经验规则

4．2 苯基氨硅烷单体精馏塔系的热集成

4．2．1 工艺物流的确定

4．2．2 最小夹点温差的确定

4．2．3 流程温焓图

4．2．3 换热网络的合成

4．3 经济衡算

4．4 本章小结

5 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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