基于直接法的甲基氯硅烷生產工段工藝設計摘要二甲基二氯硅烷的下游產品硅酮應用廣泛，可用作尖端技術等特種材料的原料，是我國發展不可或缺的化工原料之一。但是，如今大規模生產二甲基二氯硅烷的工業方法只有直接合成法。本項目對該法的工藝流程做出創新，設計20萬噸/年甲基氯硅烷生產工段工藝設計,選定的工藝技術方案為直接法。本設計分析研究了甲基氯硅烷合成反應的各種工藝反應溫度、反應壓力、反應停留時間對反應產生的影響,并通過研究各種工藝參數對生產的影響,尋找最佳的工藝操作條件。同時本設計進行了對甲基氯硅烷合成反應的物料衡算和熱量衡算,確定了適合本設計的設備,并對設備進行了設計計算。經設計,本文利用氣體氯甲烷和固體硅粉進入混合器、換熱器預熱后進入反應器(固定床反應器)再經過換熱器,分離器分離出來未反應完的硅粉,產物經過換熱器后進入氣液分離器排出上一個工段未反應完的氯化氫、氯氣等輕氣體,再進入精餾塔排出氯甲烷回到原料進口,液體經過加壓精餾塔分離出產物和其他低沸副產物。關鍵字：高純度甲基氯硅烷、氯甲烷、硅粉、精餾目錄摘要 總論項目概況本課題采用的是直接合成法，該法單程轉化率較高，能耗較高，環保和安全一般。采用氣體氯化氫和液體甲醇在固定床反應器中，在氯化鐵催化劑作用下，中溫低壓反應生成一甲基氯硅烷。粗一甲基氯硅烷和研磨好的硅粉在流化床反應器中，在銅催化劑作用下，中溫常壓下生成粗產品二甲基氯硅烷，進入產品精制塔得到高純度的二甲基氯硅烷（純度可達99.5%），屬于工業優級品。本設計的主要產品甲基氯硅烷基本信息本設計主要產品為甲基氯硅烷，每年計劃生產量為20萬噸，純度為99.5%，屬于工業級優等品。本產品信息見下表：二甲基二氯硅烷基本信息表項目屬性外觀與性狀無色液體，在潮濕空氣中發現熔點（℃）<-86沸點（℃）70.5分子式C2H6CL2SI溶解性溶于苯、乙醚分子量129.06主要用途用作硅酮制造的中間體禁配物強氧化劑、酸類、醇類、胺類、強堿本項目的主要原料來自母廠上海賽科石油化工有限公司的甲醇、氯化氫、硅粉。輔助材料為銅系催化劑。表1輔助材料的年需要量、來源序號名稱需要量來源1銅系催化劑30.07萬噸/年中國石化集團表2主要原料供應表序號名稱需要量來源1甲醇、氯化氫、硅粉61.5萬噸/年上海賽科石油化工有限公司廠址概況廠區建在上海化學工業區。充分依靠園區的公用工程及其設施，發揮基地作用。廢液及生產生活用水、電力電信、交通運輸，安全等服務依托主園區。生活及餐飲等服務依托園區內社區。

工藝設計方案工藝技術方案介紹制備甲基氯硅烷工段技術方案格利雅法：是第一個被應用在工業生產中的合成方法，其生產的氯硅烷種類繁多，由于其羥基位置和數量的不同，導致其功能的多樣性。但由于該法工藝流程對反應條件要求極高，易導致副產物的不斷產生，影響反應選擇性以及產品純度，副產物的分離則需要大量的公用工程的消耗，會導致投資的增加，故如今已被淘汰。直接法：是目前生產甲基氯硅烷——硅酮上游產品主要運用的工藝方法，評價該工藝的關鍵指標是產物中二甲基氯硅烷的含量高低，含量越高則產品質量越高，其下游產品的附加價值越高，則工藝水平越高，在行業中具有競爭力。該法工藝流程的反應條件為中溫常壓，所需公用工程量少，安全系數較高，適合工業連續化大規模生產。再分配法：是將不同種類有機硅單體通過反應相互交換,生成不同于原料的氫氯硅烷。其投資成本較小，單程轉化率高，能耗較小，所需的公用工程量較少，安全系數較高，其廢棄物的毒害性也較低，且回收利用率較高。但由于其工藝流程復雜，工藝條件嚴苛，只可用作于小規模生產，在工業化生產中性價比不高。①投資方案比較表2-1甲基氯硅烷投資方案投資比較表項目單位格氏試劑法直接合成法再分配法規模噸/年20000020000012000原材料元/噸683358325197折舊費元/噸412533402358年維修費元/噸67815253公用工程元/噸9234105434326總計元/噸30087022186723934由上表可知，從相同規模的產量來說，直接合成法相比格氏試劑法而言，所需原料為氯甲烷、硅粉，成本較低，總投資費用最低。而再分配法由于工藝條件等原因限制無法大規模生產。②轉化率比較表3-3轉化率比較產品工藝技術方案單程轉化率選擇性甲基氯硅烷格氏試劑法58%92%直接合成法67%98%再分配法68%99%通過比較單程轉化率和選擇性，直接合成法和再分配法都較高，格氏試劑法較低。綜合考慮，在單程轉化率和選擇性角度上來說，直接合成法和再分配法都有其優勢，都適用。③能耗比較：在格氏試劑法制備甲基氯硅烷中，反應后期的混合物分離去除工序復雜，工段要求高，需要花費較大的時間及能量才能較好地處理副產物，故其能耗高。在直接合成法制備甲基氯硅烷中，反應涉及一臺流化床反應器（液-固反應）和一臺固定床反應器（氣-固反應），前期氯甲烷合成需要用到一個反應器，反應后期制備甲基氯硅烷需要用到一個反應器。流程較為簡單，反應溫度涉及中溫、高溫，壓力為低壓，公用工程用量較少，整體能耗較高。在再分配法制備甲基氯硅烷中，該法規模較小，所以反應器較小，塔、泵、換熱器負荷較小，所需公用工程量較小，故該法的能耗較小。表3-4能耗對比表工藝技術格氏試劑法直接合成法再分配法能耗能耗高能耗較高能耗較小以上三種工藝方法能耗對比，再分配法最少，其次是直接合成法，最高的是格氏試劑法。④安全比較在格氏試劑法中，在工藝操作過程中，安全性較高，但在后期分離副產物及處理三廢時，安全性較低。后期分離副產物時，高溫高壓易于發生危險，且不易于控制。在直接合成法中，第一工段中合成氯甲烷，所需溫度在130攝氏度左右，壓力為低壓，原料為液體甲醇和氯化氫氣體，安全性較好，但要注意氯化氫氣體為有毒物質，使用時應當多加小心。第二工段合成二甲基氯甲烷中，反應溫度上升到了310攝氏度，壓力處于常壓狀態，在流化床反應器中也應當注意硅粉的反應程度，安全性一般。在再分配法中，工藝流程復雜，涉及到高溫高壓，對于反應器要求高，安全性一般。表3-5安全性比較表產品工藝技術安全評價甲基氯硅烷格氏試劑法較低直接合成法一般再分配法較低⑤環保比較在格氏試劑法中，需要用很復雜的工藝去分離副產物，而這些副產物大多殘留在產物之中，極其難以分離。在直接合成法中，雖然會產生廢渣漿、廢觸體，但這些可通過無害化處理回收利用。產生的廢液處理成本較高，處理難度較大。廢氣則會合成含塵尾氣。在再分配法中，原料污染性較大，難以處理。表3-6環保比較表產品工藝技術環保評價甲基氯硅烷格氏試劑法一般直接合成法一般再分配法一般由此可見，不管是格氏試劑法、直接合成法還是再分配法，其工藝過程在環保這一方面都較為一般。⑥甲基氯硅烷方案匯總表3-7甲基氯硅烷合成方案技術匯總表工藝技術格氏試劑法直接合成法再分配法單程轉化率58%67%68%能耗能耗高能耗較高能耗較小環保一般一般一般安全較低一般較低投資方案高較高較低優點技術成熟度較高應用范圍廣生產靈活缺點反應條件苛刻能耗較大不能用于大規模生產從單程轉化率來看，直接合成法和再分配法的單程轉化率都較高，；從能耗來看，格氏試劑法和直接合成法的能耗都比較高；從環保和安全來看，這三種方法一般；從投資方案來看，再分配法和直接合成法的成本較低。綜合比較轉化率、安全、環保、投資、能耗，發現再分配法更具有優勢，但是由于其不適用大規模生產，故本項目工藝選擇直接合成法。反應原理主反應原理如下：副反應原理如下：反應機理：氯甲烷在高溫條件下，由銅催化劑的催化效果下，進行吸附解離，逸出大量的帶正電荷甲基基團和帶負電荷的氯離子。同時，硅粉與銅催化劑活化形成硅銅活性觸面，逸出的正負離子在該觸面上進行反應，在活化的硅粉表面進行吸附生產Si-CH3離子鍵和Si-Cl離子鍵，進一步吸附反應直至生產二甲基氯硅烷。由于反應前期體系中二甲基氯硅烷的含量少，故其選擇性和反應活性不高，隨著反映時間的推移，反應體系中的二甲基氯硅烷含量逐漸增加，反應體系趨于穩定，趨向于穩定生產。同時該反應是氣固相反應，反應在流化床反應器中進行，連續操作，在長時間的操作后，床層可能會出現飛溫現象，導致反應速率的下降和副產物的生成，使得二甲基二氯硅烷的選擇性進一步下降。對此，采取的解決措施是，在產物高溫餾出時，先進入換熱器移除熱量，再重新回流到反應器中繼續反應，以來減少床層飛溫現象帶來的影響。基于ASPEN模擬工藝流程詳述總流程：氣體氯化氫和液體甲醇先進入混合器，換熱器利用中壓蒸汽進行原料預熱，之后進入反應器進行耦合反應，生成粗一氯甲烷。再經過壓縮機、換熱器使用冷卻水將進塔物料冷卻，使得溫度達到精餾塔的要求，塔底餾出水和未反應完的甲醇原料，進入脫水塔,塔頂餾出甲醇氣體回流至混合器，塔底餾出水，送往界外。精餾塔塔頂餾出粗一氯甲烷氣體進入進入換熱器用冷卻水冷卻，進入混合器，硅粉進入混合器混合后，進入換熱器加熱，進入反應器，反應得到粗二甲基氯硅烷，粗產品進入換熱器冷卻，出料進入分離器分離出未反應完的的固體硅粉，粗產品進入氣液分離器將氣體（氯氣、乙烷、氯化氫）分離，剩余產物進入精餾塔分離，塔頂餾出氯氣送往界外，塔底餾出粗產品二甲基氯硅烷，由輸送泵送往產品精制塔，塔底餾出雜質送往界外處理，塔頂餾出精制二甲基氯硅烷，純度99.5%，屬于工業優級品。氯化氫和甲醇制氯甲烷工段圖1氯甲烷合成工藝流程圖氯化氫和甲醇制氯甲烷主要工藝流程如下：氣體氯化氫（0101）和液體甲醇（0102）先進入混合器（M0101），換熱器（E0101）利用中壓蒸汽進行原料預熱到130攝氏度，之后進入反應器（R0101），在130攝氏度0.15兆帕條件下進行耦合反應，生成粗一氯甲烷。再經過壓縮機（C0101）、換熱器（E0102）使用冷卻水將進塔物料冷卻，使得溫度達到精餾塔（T0101）的要求，塔底餾出水和未反應完的甲醇原料，進入脫水塔（T0102）,塔頂餾出甲醇氣體回流至混合器(M0101)，塔底餾出水，送往界外。精餾塔（T0101）塔頂餾出粗一氯甲烷氣體進入下一工段。甲基氯硅烷合成工段圖2甲基氯硅烷合成工藝流程圖甲基氯硅烷合成主要工藝流程如下：來自上一工段的粗一氯甲烷氣體進入換熱器（E0201）用冷卻水冷卻，進入混合器(M0201)，硅粉進入混合器（M0201）混合后，進入換熱器（E0202）用熱油加熱到310攝氏度，進入反應器（R0201），在310攝氏度0.1兆帕條件下反應得到粗二甲基氯硅烷，粗產品進入換熱器（E0203）用冷卻水冷卻，出料進入分離器（F0201）分離出未反應完的的固體硅粉，粗產品進入氣液分離器（V0201）將氣體（氯氣、乙烷、氯化氫）分離，剩余產物進入精餾塔（T0201）分離，塔頂餾出氯氣送往界外，塔底餾出粗產品二甲基氯硅烷，由輸送泵送往產品精制塔（T0202），塔底餾出雜質送往界外處理，塔頂餾出精制二甲基氯硅烷，純度99.5%，屬于工業優級品。物料衡算物料衡算簡介年運行7200小時，連續操作，一個月維修保養。物料衡算進行Aspen模擬。氯甲烷合成工段物料衡算（1）R0101物料衡算表4R0101物料衡算流股編號單位INOUT質量流量kg/hr36301.4236301.42CL2kg/hr00C2H6kg/hr00HCLkg/hr18868.38160.4028CH3CLkg/hr0.00027525905.18C2H6O-1kg/hr2.76E-08124.4108M3kg/hr00CH4Okg/hr17306.16692.2465M1kg/hr00M2kg/hr0.00E+000H2Okg/hr1.27E+029419.177SILIC-01kg/hr00（2）T0101物料衡算表5T0101物料衡算流股編號單位INOUT-DOUT-W質量流量kg/hr36301.4226237.2610064.16CL2kg/hr000C2H6kg/hr000HCLkg/hr160.4028160.40282.71E-12CH3CLkg/hr25905.1825905.180.000275C2H6O-1kg/hr124.4108124.41082.76E-08M3kg/hr000CH4Okg/hr692.246547.17977645.0667M1kg/hr000M2kg/hr000H2Okg/hr9419.1770.0869379419.09SILIC-01kg/hr000（3）T0102物料衡算表6T0102物料衡算流股編號單位INOUT-DOUT-W質量流量kg/hr10064.16771.10469293.052CL2kg/hr000C2H6kg/hr000HCLkg/hr2.71E-1200.00E+00CH3CLkg/hr0.0002750.0002751.14E-10C2H6O-1kg/hr2.76E-082.76E-089.76E-15M3kg/hr000CH4Okg/hr645.0667644.22030.84643M1kg/hr000M2kg/hr000H2Okg/hr9419.09126.88419292.206SILIC-01kg/hr000甲基氯硅烷合成工段物料衡算（1）R0201物料衡算表7R0201物料衡算流股編號單位INOUT質量流量kg/hr35927.8135927.8CL2kg/hr1902.5922993.804C2H6kg/hr119.322427.8369HCLkg/hr217.6216217.6218CH3CLkg/hr25909.139.035302C2H6O-1kg/hr2.28E+02227.7035M3kg/hr27.238771699.249CH4Okg/hr47.4940547.49405M1kg/hr18.924711552.573M2kg/hr2.54E+0228392.2H2Okg/hr8.69E-020.086937SILIC-01kg/hr7203.931360.1965（2）T0201物料衡算表8T0201物料衡算流股編號單位INOUT-DOUT-W質量流量kg/hr33932.082486.61831445.46CL2kg/hr2111.8851902.592209.2924C2H6kg/hr119.322119.3221.64E-18HCLkg/hr5.72E+0157.218895.24E-20CH3CLkg/hr6.9674213.9528283.01E+00C2H6O-1kg/hr1.74E+021.03E+027.09E+01M3kg/hr1680.30627.238771653.067CH4Okg/hr47.245030.31427846.93075M1kg/hr1538.65718.924711519.733M2kg/hr28196.17253.774427942.4H2Okg/hr0.0868649.22E-120.086864SILIC-01kg/hr000（3）T0202物料衡算表9T0202物料衡算質量流量kg/hr31445.463780.22427665.24CL2kg/hr209.2924209.29243.00E-97C2H6kg/hr1.64E-1800.00E+00HCLkg/hr5.24E-2000.00E+00CH3CLkg/hr3.0145933.0145939.15E-92C2H6O-1kg/hr7.09E+017.09E+013.28E-91M3kg/hr1653.0671653.0671.60E-05CH4Okg/hr46.9307546.930757.52E-10M1kg/hr1519.7331381.126138.6069M2kg/hr27942.4415.853527526.54H2Okg/hr0.0868641.62E-320.086864SILIC-01kg/hr000（4）F0201物料衡算表10F0201物料衡算流股編號單位INOUT-DOUT-W質量流量kg/hr35567.611635.52633932.08CL2kg/hr2993.805881.92072.11E+03C2H6kg/hr4.28E+02308.51481.19E+02HCLkg/hr2.18E+02160.40295.72E+01CH3CLkg/hr9.0352822.0678616.97E+00C2H6O-1kg/hr2.28E+025.35E+011.74E+02M3kg/hr1699.24918.943641.68E+03CH4Okg/hr47.494050.2490234.72E+01M1kg/hr1552.57313.916021538.657M2kg/hr28392.2196.02828196.17H2Okg/hr0.0869377.29E-050.086864SILIC-01kg/hr000

能量衡算能量衡算簡介確定單元操作中能量，及傳遞速率，計算尺寸，確定消耗量，提供設備條件，指導反應器設計和選型，最終計算出總需求及總費用，確定工藝在經濟上的可行性。氯甲烷合成工段工段能量衡算（1）R0101熱量衡算表11R0101熱量衡算表熱負荷Gcal/hr-0.688243483物流焓變流股名01020103焓值Gcal/hr-36.705756-40.8993431∑HinGcal/hr-36.705756∑HoutGcal/hr-40.8993431熱量平衡QINOUTERROR0.101377564-36.705756-40.89934310.102534338（2）T0101熱量衡算表12T0101熱量衡算表 位置冷凝器再沸器熱負荷Gcal/hr-16.602630813.0964412物流焓變流股名011001050106焓值Gcal/hr-46.3871502723459-13.7689175870191-36.1244509769467∑HinGcal/hr-46.3871503∑HoutGcal/hr-49.8933686熱量平衡QINOUTERROR0.0763159095-46.3871503-49.89336860.0702742347（3）T0102熱量衡算表13T0102熱量衡算表位置冷凝器再沸器熱負荷Gcal/hr2.728712682.72871268物流焓變流股名010601070108焓值Gcal/hr-36.1244509769467-1.60109460099103-34.469980833227∑HinGcal/hr-36.124451∑HoutGcal/hr-36.0710754熱量平衡QINOUTERROR-0.00565206936-36.124451-36.0710754-0.00147754613甲基氯硅烷合成工段能量衡算（1）T0201熱量衡算表14T0201熱量衡算表位置冷凝器再沸器熱負荷Gcal/hr-0.00843699650.728667416物流焓變流股名020602070208焓值Gcal/hr-28.6885412847664-0.470973455737922-27.4973373352664∑HinGcal/hr-28.6885413∑HoutGcal/hr-27.4973373352664熱量平衡QINOUTERROR-0.0265827692-28.6885413-27.4973373352664-0.0251051626（2）T0202熱量衡算表15T0202熱量衡算表位置冷凝器再沸器Q熱負荷Gcal/hr-19.960532720.25299640物流焓變流股名020902100211焓值Gcal/hr-27.4955029429315-3.23723195930391-23.9659302245424∑HinGcal/hr-27.4955029∑HoutGcal/hr-23.9659302245424（3）R0101熱量衡算表16R0101熱量衡算表熱負荷Gcal/hr-0.688243483物流焓變流股名01020103焓值Gcal/hr-9.05564204284797-24.4513806076421∑HinGcal/hr-9.05564204284797∑HoutGcal/hr-24.4513806076421熱量平衡QINOUTERROR0.101377564-9.05564204284797-24.45138060764210.629647005

設備選型及一覽表塔設備設計選型具體初步選擇結果見下表17所示：表17塔型確定設備位號選擇類型T0101板式塔T0201板式塔T0302板式塔基于AspenPlusV11獲得塔設備基本數據進行塔設計舉例，以T0101脫水塔設計進行設計計算：T0101脫水塔操作壓力為1bar，塔頂T=-26.58℃，塔底T=96.004℃，塔板10塊。水力學參數獲得（1）塔板的選型初步選擇浮閥塔。（2）物性參數以Aspen模擬出的水力學數據作為設計依據，選擇塔板，獲得以下結果：表18AspenPlus對T0203的模擬結果塔板%液泛率總壓降%降液管持液量(充氣)液相質量流量汽相質量流量液相質量密度汽相質量密度液相粘度汽相粘度表面張力%降液管側阻塞液泛側堰負荷barkg/hrkg/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cmcum/hr-meter280.000.0139.8793193.93119431.18966.291.880.380.0123.1116.1837.66塔高計算1）Hd一般為1.2-1.5m。本設計取：Hd=1.2m2）塔底空間HBH得到，HB=3.5m3）開有人孔的塔板間距H’T進料口等一起算，不單獨算。4）進料段塔板間距進料口位于變徑段，滿足要求。5）進料段塔板間距HH=提純塔管口設計1）塔頂蒸汽出口管管徑的設計dp=取dp=150mm選用?150×4mm2）塔頂液體回流管管徑的設計d取110mm選用?110×3mm。3）原料進料管管徑的設計d取df1=70mm選用?75×2.5mm。4）塔釜出料管管徑的設計d取dw=51mm選用?52×2mm表19T0203提純塔表公稱直徑DN/mm外徑/mm壁厚/mm材料型號dp1501504S30408dR1101203S30408df170752.5S30408dw51522S30408這里采用SW6-2011進行塔內壓圓筒校核計算，其他見源文件。表20T0203塔內壓圓筒校核結果塔設備校核計算單位計算條件塔型板式容器分段數（不包括裙座）1壓力試驗類型液壓封頭上封頭下封頭材料名稱Q235-BQ235-B名義厚度(mm)1515腐蝕裕量(mm)22焊接接頭系數0.850.852封頭形狀橢圓形橢圓形圓筒設計壓力(Mpa)設計溫度(℃)長度(mm)名義厚度(mm)內徑/外徑(mm)材料名稱(即鋼號)10.1601275022900Q345R2345678910圓筒腐蝕裕量(mm)縱向焊接接頭系數環向焊接接頭系數外壓計算長度(mm)試驗壓力(立)(Mpa)試驗壓力(臥)(Mpa)120.850.8502.52.52345678910內件及偏心載荷介質密度mol/m3100.28塔釜液面離焊接接頭的高度mm2000塔板分段數12345塔板型式浮閥塔板層數16每層塔板上積液厚度mm50最高一層塔板高度mm10050最低一層塔板高度mm3400填料分段數12345填料頂部高度mm填料底部高度mm填料密度kg/m3集中載荷數12345集中載荷kg集中載荷高度mm集中載荷中心至容器中心線距離mm塔器附件及基礎塔器附件質量計算系數1.2基本風壓N/m2450基礎高度mm100塔器保溫層厚度mm100保溫層密度kg/m350裙座防火層厚度mm50防火層密度kg/m350管線保溫層厚度mm100最大管線外徑mm650籠式扶梯與最大管線的相對位置90場地土類型IV場地土粗糙度類別D地震設防烈度低于7度設計地震分組第一組地震影響系數最大值max3.28545e-66阻尼比0.01塔器上平臺總個數4平臺寬度mm1000塔器上最高平臺高度mm10750塔器上最低平臺高度mm5151表21T0203塔裙座校核結果裙座裙座結構形式圓筒形裙座底部截面內徑mm900裙座與殼體連接形式對接裙座高度mm2500裙座材料名稱Q345R裙座設計溫度℃25裙座腐蝕裕量mm2裙座名義厚度mm15裙座材料許用應力MPa189裙座與筒體連接段的材料Q345R裙座與筒體連接段在設計溫度下許用應力MPa189裙座與筒體連接段長度mm50裙座上同一高度處較大孔個數3裙座較大孔中心高度mm2000裙座上較大孔引出管內徑（或寬度）mm313裙座上較大孔引出管厚度mm15裙座上較大孔引出管長度mm100地腳螺栓及地腳螺栓座地腳螺栓材料名稱Q235地腳螺栓材料許用應力MPa147地腳螺栓個數20地腳螺栓公稱直徑mm24全部筋板塊數34相鄰筋板最大外側間距mm168.129筋板內側間距mm168.129筋板厚度mm20筋板寬度mm100蓋板類型整塊蓋板上地腳螺栓孔直徑mm40蓋板厚度mm16蓋板寬度mm0墊板有墊板上地腳螺栓孔直徑mm27墊板厚度mm15墊板寬度mm50基礎環板外徑mm1070基礎環板內徑mm750基礎環板名義厚度mm25本設計的塔設備選型一覽表表22本設計的塔設備選型一覽表序號位號設備名稱型號規格mm數量封頭形狀塔盤壓力bar溫度℃材質設備質量kg型式層數板間距mm操作設計操作設計殼體內件1T0101脫水塔1000*152001標準橢圓形浮閥10-600-11.1-26/96.3-45/100ASTMSA213/TP310SASTMSA213/TP310S28029.332T0102甲醇塔1500*125501標準橢圓形浮閥1560011.168/102-30/12006Cr19Ni1006Cr19Ni1052002.143T0201脫輕塔2000*145501標準橢圓形浮閥5060011.15.4/61.60-0/10006Cr19Ni1006Cr19Ni10102003.04T0202甲基氟硅烷分離塔3000*288501標準橢圓形填料150-2.5343/950/160ASTMSA213/TP310SASTMSA213/TP310S205821.0換熱器選型設計設計示例——甲基氯硅烷溶液溶液換熱器E-0203E-0203詳細選型以E-0103的選型過程為例。表23E-118換熱參數流股名稱主要組分壓力/bar溫度/℃Q/kg/h氣相分率殼程入口（S0320IN）冷卻水1207839710殼程出口（S0321OUT）冷卻水0.9982257839710管程入口（ReboilerT102）甲基氯硅烷溶液2.7355686631管程出口（S0112OUT）甲基氯硅烷溶液2.4355686630.3在Aspen中進行捷算法模擬，運行得到初步的結果。圖3E-0203模擬圖4E-0203初步結果導入AspenExchangerDesign&Rating計算。甲基氯硅烷溶液走管程。圖5E-0203數據 圖6E-0203換熱型式將軟件運行模式改為Rating/Checking，輸入后進行校準。圖7幾何數據 圖8結果校核結果通過,換熱面積有30.2%的裕度，導出規格表和安裝圖。圖9E-0203安裝圖 圖10E-0203規格書由上述計算結果可以看到，換熱器換熱面積為1.380m2，設計余量為33.00%，符合設計要求；殼程流速為25.10m/s，管程流速為2.62m/s，滿足經濟流速范圍；流態分布合理，無氣液混合進出料；殼程壓降為0.057MPa,管程壓降為0.030MPa，壓降在可接受范圍內。總傳熱系數0.49kW/(m2·K)。本設計的換熱器選型一覽表表24本設計的換熱器選型一覽表設備位號換熱器型號型式公稱直徑/mm管長/mm換熱管數量N規格排列換熱面積A/m2管程數殼程數管程殼程材料個數/臺名稱方式材料E0101原料預熱器BEM1400-1.6/1.0-881.1-6/19-2I臥式140060002502Φ19×2正三角形881.121S30408Q345R1E0102脫水塔再沸器BIS1100-1.6/1.0-733.1-2/19-6I釜式110090001380Φ19×2正三角形733.161S31608Q345R1E0103脫水塔塔冷卻器BEM600-1.6/1.0-74.4-3/19-1I臥式6003000430Φ19×2正三角形74.411S30408Q345R1E0104甲醇塔塔再沸器BIS900-1.6/1.0-174.4-3/19-1I釜式90030001009Φ19×2正三角形174.711S30408Q345R1E0105甲醇塔冷卻器BEM600-1.6/1.0-72.0-3/19-2I臥式6003000416Φ19×2正三角形7221S30408Q345R1E0106原料預熱器BIS500-1.6/1.0-72.2-4.5/19-2I釜式5004500275Φ19×2正三角形72.221S30608Q345R1E0107脫輕塔冷卻器BEM325-1.6/1.0-31-2/19-2I臥式325600088Φ19×2正三角形3121S31608Q345R1E0108脫輕塔塔再沸器BIS273-1.6/1.0-7.4-2/19-1I釜式273200088Φ19×2正三角形7.411S31608Q345R1E0201甲基氯硅烷塔再沸器BEM700-1.6/1.0-93.8-3/19-4I臥式7003000542Φ19×2正三角形93.84116MnQ345R1E0202甲基氯硅烷塔冷卻器BEM1500-1.6/1.0-1882.7-9/19-4I臥式150090003544Φ19×2正三角形1882.741S31608Q345R1氯甲烷反應器（R0101）設計反應條件（1）設進料溫度為130℃，反應溫度為130℃，反應壓力為1bar。（2）反應進口流量V=35686.190m3/h。（3）在130℃，1bar下反應混合物有關物性數據如下：熱導率=0.153583J/m.s.K;粘度u=1.62964281202634E-05Pa-sec密度p=0.0298336kmol/cum比熱容Cp=40770.0J/kmol反應器結構設計根據2.2中選型結果，本反應器為兩段式軸向絕熱式固定床，設計溫度580℃，設計壓力0.42MPa。進出料條件本項目經aspen模擬，進出料組成及性質如表26。表26進出料物流性質基本參數進料出料體積流量(m3/h)35686.19035686.190實際密度(kg/m3)1.0171.017主要組成52%wt氯化氫+48%甲醇71%wt一氯甲烷+26%wt水+3%甲醇+甲醚+氯化氫溫度(℃)130130壓力（bar）11本項目通過aspenplus模擬反應過程，經由簡單計算得到進料條件如表27：表27進料條件表流股編號單位INOUT質量流量kg/hr36301.4136301.41CL2kg/hr00C2H6kg/hr00HCLkg/hr18868.38160.4075CH3CLkg/hr025905.17C2H6O-1kg/hr0124.4108M3kg/hr00CH4Okg/hr17306.16692.2463M1kg/hr00M2kg/hr0.00E+000H2Okg/hr1.26E+029419.177SILIC-01kg/hr00催化劑床層高度計算本工藝計算采用試差法，依據現有設計資料，假定反應器直徑為2200mm。參照實際工程項目，采用2段催化劑床層。參照《化工設計手冊》以及實際工程項目得知，保護劑高度在100-300mm之間，支撐劑高度在100-300mm之間，我們這里均取中間值200mm。單段催化劑體積=催化劑填裝體積/2=40.08/2=20.04m3單段催化劑床層高度=單段催化劑體積/橫截面積=20.04÷3.14÷4×2.22=5276m單端催化劑床層高度圓整=5.2m反應器的高徑比H/D=圓整高度*2/直徑=5.2×2÷2.2=4.73由實際芳構化反應器工程設計我們得知，對于兩段式固定床反應器，高徑比在4~6的范圍內為合理范圍。綜上，催化劑床層高度各計算值見表2-9。表28本項目催化劑床層高度項目單位數值反應器直徑mm2200催化劑床層數段2保護劑裝填高度mm200支撐劑裝填高度mm200單段催化劑體積m320.04489852單段催化劑床層高度mm5276單段催化劑床層圓整高度mm5200高徑比H/D4.73反應器壓降計算本反應器進料為氣態，單相流，因此采用Ergun方程：其中，A=150，B=1.75，u為操作狀態下的線速度=體積流量/反應器橫截面積=35686÷3.14÷4÷2.22=0.73m/s；dp為催化劑比表面積當量直徑=6*催化劑顆粒體積/催化劑顆粒表面積=6×0.73m3÷7.26E-05m2；εb為催化劑床層孔隙率，《化工設計手冊》中床層空隙率估算的表格，對于擠條狀的催化劑，在正常填裝和密集填裝的狀況下，床層空隙率范圍在0.33~0.46之間，這里我們選擇中間值0.40進行計算；μ為操作狀態下的粘度，由aspen數據得，進料粘度=2.14E-05N*s/m3；△p/△L為單位長度的床層壓降，將以上數據代入Ergun方程計算得，△p/△L=2961.407919Pa/m；單段床層壓降=單位長度床層壓降*（圓整高度+保護劑高度+支撐劑高度）=16.58388434kpa；內件壓降一般在10~30kpa之間，這里我們取中間值20kpa進行計算；因此，反應器總壓降=內件壓降+單段床層壓降*2=53.16776869kpa按照設計標準，反應器總壓降應該在50~100kpa之間，壓降越大反應器的壓縮機入口壓力越低，壓縮機負荷越大，費用越高，可以適當地擴大反應器直徑。綜上，我們選擇反應器直徑為：2200mm。相應的反應器壓降計算各數值見表29。表29壓降參數項目單位數值A150B1.75u，操作狀態下的線速度m/s0.73dp,催化劑比表面積當量直徑m0.003243243εb,床層空隙率0.4μ,操作狀態下的粘度N*s/m32.14E-05△p/△L，壓降Pa/m2961.407919單段床層壓降kPa16.58388434內件壓降kPa20反應器總壓降kPa53.16776869反應器高度催化劑床層高度=（單段催化劑床層高度+保護劑高度+支撐劑高度）*2=11.2m；上部分配盤高度一般在150~300mm之間，我們取中間值200mm進行設計；急冷分布器高度一般在800~1200mm之間，我們取800mm進行設計；下部分配盤高度一般在150~300mm之間，我們取中間值200mm進行設計；上部安裝空間一般在800~1200mm之間，我們區中間值1000mm進行設計；下部惰性氣體填充高度一般在400~1200mm之間，我們取600mm進行設計。綜上，反應器總高度（不計封頭和裙座）=14m。反應器部件計算1、反應器筒體設計壓力及溫度由于該反應操作在溫度為130℃，壓強在0.1下進行操作，選用材料為15CrMoR，腐蝕裕量C2=2mm，選用雙面焊接，焊接取系數；操作時設計壓力為P=1.05PW=1.05×0.4=0.42MPa；最大操作溫度取T=150℃，即取設計溫度為180℃。夾套設計壓力及溫度該反應器不設計夾套（或盤管）。反應器殼體壁厚設計由于反應器為內壓容器，其壁厚的計算公式為：式中，δ—殼體厚度，mm；P—操作時可能的最大壓力，內壓容器取P=(1~1.1)PW，Pa；[σ]t—材料在操作溫度范圍內的許用應力，Pa；φ—焊接系數，局部無檢測損單面焊取0.65，雙面焊取0.85；100%無檢測損單面焊取0.9，雙面焊取1。C2—腐蝕裕量，根據材料和介質的腐蝕性質在1~8mm之間選擇；D—為殼體內徑，mm。操作時設計壓力為P=1.05PW=1.05×0.4=0.42MPa最大操作溫度取T=150℃，即設計溫度為180℃。該溫度下15CrMoR的許用壓力[σ]t=37MPa代入計算得：=0.42×2200/(2×37×1-0.42）=12.56mm根據δ=12.56mm，查表得負偏差C1=1mm；S0=δ+C1+C2=12.56+1+2=15.56mm；圓整后取S0=16mm；反應器外徑D0=2200+32=2232mm；2、反應器接管封頭上接管中心線與封頭開孔處的法線平行。設在封頭頂部物料管程接管的線速度為25m/s，則進料接管內徑：D因此選擇φ426×23mm的鋼管，此時其管內的線速度為：u0=（0.00382×3.14÷4÷35686×3600）-1=12.9m/s＜30m/s，合理出口接管：設線速度為25m/sD因此選擇φ426×23mm的鋼管，此時其管內的線速度為：u0=（0.0382×3.14÷4÷10615×3600）-1=12.9mm/s＜30m/s，合理3、反應器封頭設計本工段工藝采用絕熱式固定床反應器，選擇標準圓形封頭，形狀系數K＝1，則有。其圓邊高度為Hf=D0/4=2232/4=558mm，封頭的壁厚為反應器壁厚，材料為15CrMoR，取直邊高度h0=40mm。圓整最終確定橢圓形封頭公稱直徑為2200mm，名義壁厚為16mm，圓邊高度為558mm，直邊高度為40mm。泵設備設計選型輸送設備泵選型舉例：P0201A/B。表30泵P0201A/B進出口物流入口出口質量流量：kg/h31445.4493731445.44937體積流量：cum/h31.66675131.67508溫度：℃61.601661.78 圖12P0101A/B基本信息 圖13P0101A/B安裝尺寸圖 圖14P0101A/B工作曲線本設計的儲罐規格一覽表表31儲罐規格一覽表名稱類型數量公稱容積/m3技術規格/mm設計溫度/℃設計壓力/Mpa材料保溫層保護層總質量/kg標準序號T0101脫水塔回流罐回流罐152Φ600×1600950.55Q345R巖棉不銹鋼薄板230HG5-1580-85-1臥式橢圓形封頭容器T0102甲醇塔回流罐回流罐1122Φ1600×5600600.17Q345R巖棉不銹鋼薄板2000HG5-1580-85-1臥式橢圓形封頭容器T0201脫輕塔回流罐臥式橢圓形封頭容器180Φ600×1600800.17Q345R巖棉不銹鋼薄板230HG5-1580-85-1T0202塔冷凝回流罐臥式橢圓形封頭容器173Φ600×16001350.75Q345R巖棉不銹鋼薄板230HG5-1580-85-1滲余氣焚燒爐前緩沖罐立式橢圓形封頭容器170Φ1800×3400750.59Q345R巖棉不銹鋼薄板2060HG5-1579-85-86甲醇原料罐臥式橢圓形封頭容器160Φ700×1800750.15Q345R巖棉不銹鋼薄板290HG5-1580-85-2氯化氫氣體儲罐臥式橢圓形封頭容器190Φ700×18001400.75Q345R巖棉不銹鋼薄板290HG5-1580-85-2本設計的泵選型一覽表表32本設計的泵選型一覽表名稱型號類型流量（m3/h）揚程／m方式軸功率／kW效率%材質臺數T0101塔頂回流泵ISG20-125離心泵218.5單泵0.228.8S304082T0102塔頂回流泵ZPD46-30×3(P)離心泵3650單泵3.772.8S304082T0102塔頂采出泵ISG20-125離心泵1.510.2單泵0.124S304082T0102塔頂回流泵ISG150-200B離心泵87.65單泵1.268.3S304082T0202進料泵ZPD6-25×3(P)離心泵5.7366.2單泵0.0150.3S304082T0202塔頂回流泵ISW32-100離心泵1.898.02單泵0.444S304082T0201塔頂回流泵25GDL4-11x4離心泵2.447.4單泵0.737.7S316082T0201塔頂回流泵XA50/16A離心泵24.337.2單泵1.576.5S316082貯罐選型設計表33甲醇儲罐的選型參數溫度/（℃）壓力/（MPa）流量/（m3/h）200.120.8通過對甲醇物理化學性質的分析，甲醇屬于醇類存儲，綜合考慮后，確定儲存時間為7天，7天的體積為V=q*t=20.8*24*7=3439m3，取裝填系數為0.85，則實際所需的容積V=4111.29m3。由于儲存量較大，主要考慮選用球形儲罐。主要類型為橘瓣式球罐和混合式球罐，由于甲醇易揮發，且甲醇為易燃物質，考慮到經濟性、安全性和環境保護要求，選擇混合式球罐。由于化工產品儲罐不宜少于兩個，并且根據GB/T17261-2011《鋼制球形儲罐型式與基本參數》，選擇2個球罐，公稱容積為5000m3，儲罐內徑為4400mm，儲罐材料選擇06Cr19Ni10。

三廢排放及處理措施三廢來源與處理措施廢氣及其處理廢氣排放一覽表序號廢氣名稱溫度/℃壓力/MPa有害物組成排放量kmol/h排放點排放方式排放去向處理方法名稱含量%1氣液分離廢氣50.11CL241.33214.22氣液分離器連續送至三廢處理中心吸收氯氣后燃燒供熱C2H634.09HCL14.62CH3CL0.14C2H6O-13.92M30.58CH4O0.30M15.05M241.33廢氣主要含有氯氣