三反应段反应精馏塔三氯甲硅烷制备硅烷的设计与评价

三反应段反应精馏塔三氯甲硅烷制备硅烷的设计与评价

云鹏飞

（湖北工业大学湖北省武汉市430068）

摘要：反应精馏是化学反应与蒸馏相耦合的化工过程，即反应和精馏在同一塔内同时进行。这使反应与精馏过程之间存在复杂的相互影响，物系往往呈非理想性，操作条件和设备参数的微小变化，对操作规律的影响都很大。由于反应精馏特有的复杂性，在反应精馏过程的设计、放大、操作性能和自动控制研究等方面均存在很大的难度，这种状况刺激了计算机模拟技术的发展。

关键词：三反应段反应精馏塔；三氯甲硅烷制备硅烷；设计；评价；

绪论：一种三应段反应精馏塔来降低复杂的三步连续反应系统的能耗。将反应系统中的多个反应分布在不同的反应段，强化了系统的内部物质耦合与能量耦合，同时也为整个系统设计提供了更多的自由度。

方法：反应精馏塔将反应与分离单元集中在同一设备中，克服了传统生产流程的一些不利因素，提高了经济效益。反应精馏塔中设置多个反应段的多反应段反应精馏塔热点。

仿真验证或者实物验证：在保证三反应段反应精馏塔、双反应段反应精馏塔和总塔板数与总反应段塔板数不变的情况下，通过反应仿真模拟实验，证明可以大幅度降低能量消耗。

反应精馏塔将反应与分离单元集中在同一设备中，克服了传统生产流程的一些不利因素，提高了经济效益。反应精馏塔中设置多个反应段的多反应段反应精馏塔（ＲDC－MＲS）成为近年研究的热点。在ＲDC－MＲS的研究历程中，针对最不利相对挥发度排序的四元反应混合物的分离设计了双反应段反应精馏塔（ＲDC－DＲS）。

一、设计原理

对于复杂的多步连续反应，ＲDC－SＲS由于单反应段的结构变量相对较少，自由度低，不能有效地将反应控制在相应的区域内，影响了整个反应精馏系统的内部物质耦合。为克服ＲDC－SＲS的局限，本研究针对三步连续反应系统设计了具有3个反应段的ＲDC－TＲS。相比于ＲDC－SＲS，ＲDC－TＲS为整个反应分离过程的综合与设计提供了更多的自由度，这些增加的自由度不仅更好地协调了各反应在精馏塔内所进行的位置，同时强化了反应操作与分离操作的内部物质耦合与能量耦合，降低了能耗。ＲDC－TＲS的设计过程中，本研究采取的方法为固定设备总投资，比较系统整体的能量损耗的方法。在诸多设计变量中保持总塔板数、总反应段段数、塔顶压力、催化剂量始终不变，选用冷凝器热负荷CD和再沸器热负荷ＲD作为过程筛选的目标函数，以此通过循环进行优化设计，找到能耗最低的ＲDC－TＲS结构，达到最佳的节能效果。

二、三反应段反应精馏塔三氯甲硅烷制备硅烷的设计与评价

1.过程变量分析。合成DEC的ＲDC－DＲS具有8个设计自由度：3股进料的流量、塔顶产物的出料流量、塔底产物的出料流量、冷凝器热负荷、再沸器热负荷和回流比。其中冷凝器热负荷用于控制塔压，反应物DMC进料流量用于控制产量，塔顶、塔底产物的出料流量分别用于控制塔顶回流罐液位和塔釜液位。其他操作变量包括再沸器热负荷、塔顶回流比、第一股乙醇进料流量（两股ETOH进料之间采用比例控制），可用于实现系统的控制要求和维持反应物化学计量平衡。控制要求包括塔底主要产物DEC浓度和DMC的转化率［通过控制塔顶ETOH的摩尔分数达到间接控制的目的，保持在设定值附近。其次，为维持反应物之间的化学平衡，通过控制某块塔板（即灵敏板）上反应物浓度实现。ＲDC－SＲS与ＲDC－DＲS相比少了1股ETOH进料，可省略2股ETOH进料之间的比例控制，其余变量分析同ＲDC－DＲS。

2.ＲDC－SＲS的综合与设计。在ＲDC－SＲS的设计中，塔顶馏出量与进料之比DFＲ和回流比ＲＲ控制塔顶塔底产物摩尔分数为99%。反应精馏塔总塔板数为60，每块塔板的液相滞液量设置为60mol，塔顶的操作压力为5.066MPa，每块塔板间的塔压降为0.5kPa，TCS进料流量设置为10kmol/h，进料温度为50℃，进料压力为5.573MPa。ＲDC－SＲS在固定总反应塔板数和反应段塔板数的情况下，设计变量有2个，精馏段塔板数NＲ和TCS进料位置FTCS。以冷凝器热负荷以及再沸器热负荷为目标函数进行优化设计，ＲDC－SＲS经过优化设计后的最优结构ＲDC－DＲS在总塔板数以及总反应段板数保持不变的情况下，设计变量有精馏段塔板数NＲ、反应段1的塔板数NＲX1、间隔段的塔板数NM、TCS的进料位置FTCS。本研究提出的ＲDC－TＲS由于三反应段结构的结构变量较多。为了与本文中其他2种结构比较系统整体的能耗情况，将ＲDC－TＲS和ＲDC－DＲS、ＲDC－SＲS3种结构的总塔板数和总反应段板数保持不变，通过比较各反应精馏塔的冷凝器热负荷和再沸器热负荷来确定能耗大小。应用优化方法，以冷凝器热负荷为目标函数的各变量的优化过程最终经过优化设计后的最优结构。提出了一种新型ＲDC－TＲS来解决三步连续反应系统的反应与分离问题。多个反应段的排布增加了系统的自由度，增强了反应精馏塔的内部物质耦合与能量耦合，从而达到节能的目的。

3.反应精馏的设计算法。反应精馏塔的设计方面的研究目前仍未形成系统的理论体系。这是因为该过程是一个反应与精馏的耦合过程，反应过程与精馏过程在同一个容器中，二者相互影响，使原来进料位置、副产物浓度、传热、速率、停留时间、板数、催化剂以及反应物进料配比等参数的很小变化，都可能对反应精馏过程产生较大影响，所以对该集成过程的研究比二者单独研究要困难得多。基于上述原因，反应精馏的设计研究在２０世纪８０年代下半叶才逐渐增多，到目前为止，主要的反应精馏塔设计方法主要有直观推断法、图示目标法、图解设计法、数学模拟法、混合整数非线性规划法提出单一反应的简单精馏转换组成变量，并研究了其剩余曲线。之后在此基础上，在含有惰性组分的反应精馏系统中的转换组成变量和剩余曲线图。在转换组成变量的基础上，提出了反应空间和反应精馏线的概念，并结合反应精馏线和精馏线，研究了反应精馏过程的序列。基于转换变量的概念，将塔板组成线法应用到了反应精馏塔设计当中。这种设计理念与前文所述的塔板组成线在常规精馏塔设计应用中的优点类似，改变了原有的图解法设计反应精馏塔的思路，塔板组成线法使得设计者可以同时获得大量的可行设计方案。塔板组成线法对反应精馏塔的图解法设计的策略，并给出了精馏段和提馏段的反应精馏塔塔板组成线方程，设计可行性判据，并对理想反应体系进行了实例的设计计算，结果表明，塔板组成线法对反应精馏塔的设计较为系统，复杂程度小，迭代快，计算时间短，多组可行性方案的同时获得，使得该方法对于已有设备的改造与优化更为便利。在反应精馏这一领域中，反应精馏塔的设计是在稳态模拟数学模型成熟之后才开始逐渐增多，由于起步相对较晚，尚未形成系统的理论体系，研究前景相对广阔。由于反应精馏塔的复杂性，使得其设计方法入手点较多，但这些方法大都只能应用于理想体系，在非理想体系的设计方向上，尚存在着广阔的研究空间。

4.反应精馏耦合。三氯甲硅烷（TCS）制备硅烷的歧化反应是具有代表性的三步连续可逆反应，其反应系统有诸多研究。可以应用本研究设计的ＲDC－TＲS，将三步反应分别置于3个独立的反应段。为更好地探究反应精馏塔中反应段数量对节能效果的影响。由于反应精馏塔的特殊结构，反应精馏隔壁塔的概念。结合了反应精馏与隔壁塔两种过程的优点。可以大幅度减少流程，降低过程能耗，减少投资，提高选择性，已成为目前化工领域一个新的研究热点基于反应速率进行了反应精馏隔壁塔内的模拟。该模拟针对于碳酸酯上酯基的相互转移，这是因为该反应系统具有高转化率低选择性的特征，模拟在理论层面上证实：将隔壁塔技术应用与该反应系统可以有效地提高选择性与分离能力，并能够减少操作单元数目从而节省设备投资。此外诸多报道表明，将分隔壁精馏塔这一新过程技术应用于现有的反应精馏过程中，可以较大地节省能耗与设备投资。

以三氯甲硅烷制备硅烷的三步连续反应系统提出的ＲDC－TＲS进行了可行性和有效性的分析与验证。结果证明，对于三步连续反应系统，具有非常明显的节能效果。

参考文献：

[1]刘劲松.反应精馏过程的研究进展[J].化学工业与工程，2016，19（1）：101-106.

[2]林媛翎．非均相反应性蒸馏系统应用于环己醇制程之设计与控制［D］．台北：国立台湾大学，2016．

[3]朱二静．乙二醇与乙酸酯化反应的双反应段反应精馏塔的设计与控制［D］．北京：北京化工大学，2016．