有机硅甲基单体生产余热利用工艺的优化.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：胡亚洲（1993），男，汉族，河北廊坊人，大学本科，唐山三友硅业股份有限公司合成车间，初级职称，研究方向有机硅化工生产。-33-有机硅甲基单体生产余热利用工艺的优化 胡亚洲 唐山三友硅业股份有限公司河北省有机硅新材料技术创新中心，河北 唐山 063305 摘要：摘要：有机硅是以硅氧烷为主体的有机化合物，具有优良的性能，其生产过程通常伴随着大量的余热产生，加强对余热的应用能有效提高能源利用率。基于此，本文将重点探讨有机硅甲基单体生产余热利用工艺的优化，从原料选择及预处理，水解与缩合，精馏分离等方面进行分析研究，通过改进生产工艺，实现了甲基单体合成过程中能量的高效回收利用，从而达到节能减排和环境保护的目的。关键词：关键词：有机硅甲基单体生产；余热利用；工艺优化 中图分类号：中图分类号：TQ207 0 引言 随着能源资源日益紧张和环境保护意识的提高，余热利用已成为化工生产过程中的重要环节。有效利用有机硅甲基单体生产过程中的余热，不仅可以降低生产成本，提高能源利用效率，还能减少温室气体排放，符合可持续发展要求。然而，目前有机硅甲基单体生产过程中余热利用存在诸多问题，如余热产生的分布不均匀、余热温度和热量密度不均等。因此，必须对有机硅甲基单体生产系统进行合理设计以满足不同工况下的热负荷需求，实现节能减排目标。1 有机硅单体生产中蒸汽冷凝水概况 在有机硅甲基单体生产过程中，蒸汽冷凝水回收是一项重要的工艺指标，主要来自不同工艺环节中的蒸发和冷凝过程，而这些单元操作又都会影响到蒸汽冷凝水回收系统的能耗。首先，有机硅甲基单体的生产通常要进行蒸发过程，以去除其中的溶剂和杂质。加热后的有机硅甲基单体会蒸发成为蒸汽，并带走一部分热能。当蒸汽接触到冷凝器或冷却介质时，会发生冷凝现象，将蒸汽中的热能释放出来，形成蒸汽冷凝水。其次，有机硅甲基单体的合成过程中，往往要利用冷却系统对反应体系进行控制和调节。由于反应体系的高温，冷却介质会被加热并转化为蒸汽，通过冷凝器进行冷凝，再经过冷却介质重新回到反应釜内再次使用。因此，有机硅甲基单体合成过程的蒸汽冷凝水回收也属于能量转换与利用的问题，必须综合考虑各方面因素才能得到合理有效的解决。在蒸汽冷凝水的利用中，通常有三种方式：热能回收利用、水资源回收利用、废水处理和排放。其中，热能回收利用是基于蒸发产生的热量回收利用。对于有机硅甲基单体合成蒸汽冷凝水来说，其余热回收量一般占整个蒸汽回收总量的 60%左右，如若能充分利用这部分余热，可节约大量的能源。同时，有机硅甲基单体合成企业还需要根据自身实际情况制定相应的节能减排方案，以降低蒸汽冷凝水的排放量1。水资源回收利用可以从两方面着手。一方面，通过对冷却水的循环使用来实现冷却水的再生，从而提高冷却水的利用效率。另一方面，通过适当的处理和净化，回收废水中的有用成分。对于废水中的有机物，如 COD 等物质，则能采用化学方法进行脱除，最终达到达标排放标准。废水处理和排放是针对排出水中含有较高含量的有毒有害物质，例如重金属离子以及有机污染物等，采取一定的技术措施使其浓度低于国家规定的限定值。因此，要对蒸汽冷凝水中的溶解物和杂质，尤其是无机离子（包括重金属）进行检测分析，以便及时调整生产工艺。2 蒸汽冷凝水回收利用可行性分析 2.1 脱高进料温度提升所需热水量计算 蒸汽冷凝水回收利用是基于蒸汽在管道内冷凝过程中的能量转化，通过对蒸汽冷凝水进行节流处理来降低蒸汽压力和温度，从而提高蒸汽使用效率。在蒸汽冷凝水回收系统的设计与安装工作中应根据实际情况合理选择工艺及设备结构形式，并采用相应的控制系统实现自动运行控制，确保冷凝水回收率达到 80%中国科技期刊数据库 工业 A-34-以上。同时还应加强对系统内部各部件的日常维护和检修以及定期检测系统各项指标，以保证整个系统安全可靠地运行。明确脱高进料温度提升所需热水量的计算公式。通常情况下，可使用以下公式来计算：Q=m*c*T 其中，Q 为所需热水量（单位：焦耳/J或千焦/kJ）；m 为物质的质量（单位：千克/kg）；c 为物质的比热容（单位：焦耳/千克摄氏度 J/(kg)或千焦/(kgK)）；T 为温度变化（单位：摄氏度/或开尔文/K）。之后，考虑脱高进料温度提升过程中的具体参数。在实际工程中，通过以下步骤来计算所需热水量：其一，确定蒸汽冷凝水的温度和质量。明确蒸汽冷凝水的温度和质量，这两个参数将直接影响所需热水量的计算。蒸汽冷凝水的温度可通过测量得到，而质量则可通过流量计等设备获取，再由质量守恒方程计算出蒸汽冷凝水的质量分数。其二，计算温度变化 T2。脱高进料温度提升过程中，将蒸汽冷凝水的温度从初始温度提升到目标温度，计算温度变化 T。这一步骤要根据具体情况进行计算，并结合工艺参数和设备特性进行合理估算，以免出现误差过大造成损失。其三，计算蒸汽冷凝水流量。当需要对蒸汽冷凝水流量进行调节时，首先应根据不同工况条件选取合适的调节阀种类、型号和数量，然后依据调节阀出口流量的大小计算出对应的蒸汽冷凝水流量，最后根据设定的阀门开启时间来调节蒸汽冷凝水流量的大小。其四，计算所需热水量 Q。将蒸汽冷凝水的温度提升所需热水量的计算公式，结合上述步骤中得到的参数，即可计算出所需热水量 Q。在实际应用中，需要强调的一点是，蒸汽冷凝水的温度和质量、温度变化 T 等参数的准确性对于计算结果的准确性至关重要，因此，必须通过准确的测量和数据采集获取参数。2.2 单体水解反应所需热水量计算 2.2.1 水解反应所需热量计算 单体水解反应过程中，计算所需热水量十分重要。水解反应是指将化合物与水反应，产生新的化合物和水的过程，包括了生成或分解一系列中间体、过渡态以及最终产物等过程。由于反应物及生成物在水中发生不同程度的变化，所以计算时需要进行相应的热学处理，其中最关键的就是要考虑到反应物与生成物之间存在着能量差异而引起的热力学上的不可逆损失（如焓变）。首先，需要确定水解反应的化学方程式，即反应物和生成物之间的化学反应关系。例如：对于一般的酯类水解反应，可以表示为：酯+水 醇+酸，再根据这一关系式求得各物质的摩尔浓度。当涉及某些复杂体系的化学平衡问题时，还必须考虑到上述两种情况下的转化条件，即先判断是否有足够量的碱参与该反应。如果反应物酯的摩尔数为 n1，水的摩尔数为 n2，则可以以：n1 酯+n2 水 .表示。再次，通过将反应热变化 H 与反应物的摩尔比例相乘，即可计算出所需热水量。例如：所需热水量=H n2，其中：H 为反应物的摩尔百分比，N2 为反应物的质量百分数，则需由公式 y_x*-n/h，式中 和 分别代表反应物的摩尔百分量和其相对分子质量大小。最后，计算出总热量，并对计算结果进行误差分析。需要注意的是，计算所需热水量时，应根据实际情况考虑反应的摩尔比例，以及反应的放热或吸热性质3。如若反应是放热反应，所需热水量将是负值；如若反应是吸热反应，所需热水量将是正值。在计算所需热水量时，热化学数据的准确性对于结果的准确性至关重要。因此，在选择合适的实验装置、设备后，必须对整个过程的热化学参数进行精确的测定，才能得到准确的热化学数据，进而计算得出所需热水量，这样就会大大提高计算速度和准确度。2.2.2 水解反应所需热水量计算 水解反应所需热水量的计算涉及反应热的概念。反应热是指在化学反应中，单位摩尔物质参与反应时放出或吸收的热量。对于水解反应，当加入一定量的水之后，可使反应速度加快。若加入少量的酸或碱，则会促进反应速度加快。因此，反应热是指该反应所需消耗的热量，而不是表示发生这种反应时所需要的能量值。反应热可以用以下方法求得：一、根据有关实验数据求出各组分及溶剂分子间相互作用力大小和方向。二、利用热力学第一定律确定反应物与生成物之间存在着怎样一种化学键合形式（即化学方程式）。三、通过已知条件推断出各种可能情况下反应物与生成液间形成的不同化合物状态及其性质。水解反应的化学方程式计算中，包括反应物和生成物之间的化学反应关系。对于一般的酸碱中和反应需按照（AB_(aq)+H_2O_(l)rightarrow AOH_(aq)+BH_(aq)）计算。之后确定反应物的摩尔数，即在反应中参与的物质的摩尔比例。例如，如果反应物(AB)的摩尔数为(n_1)，水的摩尔数为(n_2)，（n_1AB_(aq)中国科技期刊数据库 工业 A-35-+n_2H_2O_(l)rightarrow.）查找已有的反应热数据，即该水解反应的反应热变化值（Delta H）。反应热变化可以通过热化学试验获得，并通常以焦耳/摩尔（J/mol）或千焦/摩尔（kJ/mol）为单位。通过将反应热变化(Delta H)与反应物的摩尔比例相乘，即可计算出所需热水量=(|Delta H|times n_2)。在实际应用中，要确保所使用的反应热数据准确可靠，并考虑实际反应条件下的温度、压力等因素对热量的影响，如有误差则应修正或重新测定后再用于计算。另外，还要注意选择合适的计算方法来求解反应热4。3 工艺优化方案 3.1 脱高进料预热方案 脱高进料预热是有机硅甲基单体生产过程中常见的余热利用环节，对其进行有效回收利用可以提高有机硅原料利用率。在热交换器选择中，应根据不同工艺要求选取合适的热交换设备。对于高温热源采用热管换热器时，要注意热管与热虹吸管连接位置的合理设置，以保证换热效果和安全运行。而低温热源则可选用空气预热器，但在具体应用中应考虑其布置方式及安装条件等因素，并结合当地气象条件来确定。同时，也要考虑进料的流量、温度、压力等参数，以及管道系统阻力损失、传热面积和传热系数等影响因素。废气处理系统处理中，应设计完善的废气处理系统，确保废气排放符合环保要求，并将废气中的余热充分回收利用。可使用废气热交换器将出口废气中的高温余热传递给进料，实现预热效果。温度控制与能量平衡的设置应遵循以下原则：一是当废气中含有较多水蒸气或粉尘时，应尽量减小加热功率5。二是当废气温度超过设定值时，应适当降低加热功率。三是当含少量蒸汽时，宜控制加热功率，避免过高造成设备过热损坏。在热量分析方面，主要从热量来源入手，通过计算得出各部位热量损耗情况。此外，对脱高进料预热设备进行定期检查和维护，确保其正常运行和高效工作。包括清洗热交换器、检修传热表面、检查阀门和管道等，以避免因设备故障而影响预热效果和能源利用。3.2 水解工段反应供热方案 水解工段反应供热是有机硅甲基单体生产的关键环节，直接影响到有机硅产品的质量和收率。首先需对水解反应的热量需求进行准确计算和分析。通过考虑反应物的种类、质量、温度变化等因素，确定反应过程中所需的供热量，包括升温、维持温度等方面能量需求。在有机硅甲基单体生产过程中，通常会有其他工序产生的余热资源，比如前期工序生成的废热或废气中的热能。针对这些余热资源，设计余热利用方案，将其用于水解工段反应的供热，以替代或辅助传统的能源供应方式。其次，根据实际情况，选择合适的热能传递方式，如热交换器、热管道等，将余热从原始产生点传递到水解工段反应设备，实现供热效果。要考虑传热效率、传热介质选择、热损失等因素，确保热能传递的高效性和稳定性。同时，在设计供热方案时，需考虑水解反应的温度控制要求，以及安全运行的考虑。采取相应的技术措施，如加装温度传感器、安全阀等设备，确保供热过程中反应温度在安全范围内，并避免过热或过冷导致安全隐患。再次，对供热方案的能耗进行分析，通过优化热能传递系统、提高传热效率、减少热损失等手段，降低供热过程的能耗。使用先进的节能设备或技术，如换热器表面增强技术、热能储存系统等，提高能源利用效率，从而达到节能降耗的目的。最后，建立完善的供热系统监控与调整机制，实时监测供热过程中的温度、压力、能耗等参数，及时调整供热方案，保证水解工段反应的供热效果和安全稳定运行。总之，水解工段的供热方案需要综合考虑各方面因素，尤其是工艺条件及操作参数的限制。采用合理的供热方案，可有效提升有机硅甲基单体生产效率，降低生产成本。4 结束语 综上所述，有机硅甲基单体生产余热利用工艺是一个复杂且具有多变量耦合性特点的问题，在具体的优化中，必须充分结合有机硅单体生产工艺特点，充分考虑各种影响因素，才能获得最优解。同时，有机硅甲基单体生产的热量需求随着不同原料组分含量的变化而发生改变。因此，有必要对有机硅单体生产余热综合利用工艺及其关键装备开展深入研究，为其提供科学指导，从而进一步提高有机硅单体的生产能力，降低生产成本，推动我国有机硅行业持续健康发展。中国科技期刊数据库 工业 A-36-参考文献 1 邢 爱 民,胡 明 实,杜 树 忠 等.有 机 硅 甲 基 单 体 合 成 用 催 化 体 系 的 研 究 进 展 J.有 机 硅 材料,2022,36(02):56-65+76.2邢爱民,胡明实,马文会等.有机硅甲基单体合成的研究进展J.有机硅材料,2021,35(05):61-68.3王江涛,陈华涛,蓝辉等.有机硅甲基单体生产余热利用工艺的优化J.有机硅材料,2017,31(01):48-50.4袁晨.有机硅单体合成流态化反应过程的数值模拟D.青岛:青岛科技大学,2014.5 罗正 鸿,詹 晓力,陈丰 秋 等.八甲 基环 四硅氧 烷 与氨 基有 机硅 单体的 共 聚合 机理 J.高 分子 通报,2002(03):38-44+74.