RU1791380C - Способ выделени хлорсиланов из их газовой смеси с водородом и установка дл его осуществлени - Google Patents

Description

Кроме того, недостатком известного способа  вл етс  его дороговизна. Объ сн етс  это высокой материале- и энергоемкостью процесса, обусловленными необходимостью последующего выделени  хлорсиланов из абсорбента ректификационным методом.

Установка дл  выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом, реализующа  этот способ содержит многополостной конденсатор, абсорбер, каплеотде- литель и узел регенерации абсорбента.

Известна  установка не позвол ет достичь достаточно высоких степеней извлечени  хлорсиланов из газовой смеси. Максимальна  степень извлечени  хлорсиланов с использованием данной установки составила 92%. Кроме того, недостатком известной установки  вл етс  ее дороговизна за счет наличи  в ней дорогосто щего узла регенерации абсорбента, представл ющего собой ректификационную колонну дл  разделени  жидкой смеси на абсорбент и хлорсиланы, теплообменник дл  охлаждени  абсорбента и конденсатор дл  конденсировани  хлорсиланов , выделенных из абсорбента.

Целью изобретени   вл етс  повышение степени извлечени  хлорсиланов и удешевление процесса.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе выделени  хлорсиланов из газовой смеси с водородом, заключающемс  в последовательной конденсации и абсорбции хлорсиланов жидким абсорбентом, новым  вл етс  то, что после абсорбции дополнительно провод т конденсацию при температуре (-20) - (-80)°С и абсорбцию при температуре (-80) - (-100)°С, регенерированный водород подают на конденсацию в качестве хладагенте, а в качестве абсорбента используют охлажденный конденсат хлорсиланов .

Дополнительное проведение двух последовательных операций - конденсации и абсорбции при оптимальных, экспериментально установленных режимах с использованиемв качестее хладагента при конденсаций охлаждённого регенерированного водорода, а в качестве абсорбента - охлажденного конденсата хлорсиланов, позвол ет повысить степень извлечени  хлбрсиланбв за счет оптимизации тепло- и массообмена при ауторегулировании.

Температурные режимы дополнительных операций - конденсации и абсорбции установлены экспериментально. Проведение дополнительной абсорбции именно при температуре (-80)-(-100)°С взаимосв зано с оптимальным Температурным режимом дополнительной конденсации (-20)-(-80)°С и

рациональным использованием холода регенерированного водорода за счет возврата его в качестве хладагента на конденсацию. Проведение дополнительной абсорбции

при температуре ниже -100°С приводит к кристаллизации хлорсиланов, отложению кристаллов на стенках аппарата и ухудшению процесса абсорбции. Повышение температуры абсорбции выше -80°С приводит к

0 снижению степени извлечени  хлорсиланов , т.к. в этом случае не обеспечиваетс  необходимый температурный режим конденсации .

Часть конденсата хлорсиланов, полу5 ченного в результате дополнительной абсорбции, возвращают в качестве абсорбента на дополнительную абсорбцию. Оставшийс  конденсат соедин ют с конденсатом хлорсиланов, полученным в результате пер0 вой конденсации и дополнительной конденсации и подают в качестве абсорбента на первую абсорбцию. В результате смешени  конденсата хлорсиланов с газовой смесью образуетс  газожидкостна  эмульси  с

5 большой поверхностью контакта между газовой фазой и охлажденной жидкостью, в результате чего интенсифицируетс  тепло-и массообмен и, как , повышаетс  степень извлечени  хлорсиланов из газовой

0 смеси. Кроме того, при использовании в качестве абсорбента охлажденного конденсата хлорсиланов исключаетс  возможность загр знени  конденсата примес ми, содержащимис  в абсорбционной жидкости, а

5 также нет необходимости в проведении дорогосто щей операции по выделению хлорсиланов из абсорбента ректификационным методом.

То, что охлажденный регенерирован0 ный водород подают в качестве хладагента на конденсацию, позвол ет рационально использовать его холод, обеспечива  при этом ауторегулирование. снизить расход хладагента, необходимого дл  конденсации

5 хлорсиланов.

Поставленна  цель достигаетс  также тем, что в установке дл  выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с подородом, содержащей многополостной конденсатор,

0 абсорбер, каплеотделитель, новым  вл етс  то, что установка дополнительно содержит последовательно соединенные конденсатор , рециркул ционный абсорбер, охлаждаемый хладагентом, и каплеотбойник.

5 причем промежуточные полости конденсаторов , выполненных трехполостными, соединены между собой каналами через абсорбер и каплеотделитель. Выходной канал рециркул ционного абсорбента дл  конденсата на высоте, равной 0.18-0,53 высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера , разделен на два канала, один из которых соединен с входом дл  конденсата рециркул ционного абсорбера,а другой соединен с каналами конденсаторов дл  отвода конденсата, каналом каплеотбой- ни)|:а дл  отвода конденсата и с входом абсорбера дл  конденсата. Канал рециркул ционного абсорбера дл  отвода ;регенерированного водорода через каг леотбойник последовательно соединен с наружными конденсаторов. Канал рециркул ционного абсорбера дл  отвода паров хладагента последовательно соединен с внутренними полост ми конденсаторов.

Выполнение установки с дополнительно введенными в нее конденсатором, рециркул ционным абсорбером, охлаждаемым хладагентом, и каплеотбойником в за вл емо и взаимосв зи элементов позвол ет за сче низкотемпературного охлаждени  и формировани  газожидкостной эмульсии, в которой происходит охлаждение газовой смеси и абсорбци  хлорсиланов из газовой смеси, повысить степень извлечени  хлорсиланов.

Такое выполнение позвол ет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы , реализуемые в установке. При этом из-за наличи  в установке ауторегулирую- щих св зей процессы протекают не только в оптимальных режимах, но и с минимальными энергетическими затратами.

Дл  возврата охлажденного конденсата

ХЛО

силанов, полученного в рециркул ционном абсорбенте, в абсорбер и рециркул ционный абсорбер с целью использовани  его $ качестве абсорбента выходной канал рециркул ционного абсорбера дл  конденсата на высоте, равной 0,18-0,53 высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера , разделен на два канала, один из которых соединен с входом дл  конденсата рецирку- л цюнного абсорбера, а другой соединен с каналами конденсаторов дл  отвода конденсата , каналом каплеотбойника дл  отвод

конденсата и с входом абсорбера дл 

кон/енсата. Именно за вленное соотношение высоты разделени  выходного канала рециркул ционного абсорбера дл  конденсата и высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера, равное 0,18- 0,53, обеспечивает формирование в абсообере и рециркул ционном абсорбере устойчивой газожидкостной эмульсии, в кото ой происходит охлаждение газовой смеС1 и абсорбци  хлорсиланов из газовой смес; 1 конденсатом хлорсиланов, что позвол ет повысить степень извлечени  хлорсиланов .

Соединение канала рециркул ционного абсорбера дл  регенерированного водорода последовательно с наружными полост ми конденсаторов, а канала рециркул ционного абсорбера дл  отвода паров хладагента с внутренними полост ми конденсаторов обеспечивает рациональное 1 использование холода регенерированного водорода и паров хладагента за счет со0 здани  ауторегулирующих св зей, что позвол ет снизить расход хладагента, необходимого дл  конденсации хлорсиланов и, следовательно, удешевить процесс выделени  хлорсиланов из газовой смеси.

5 Предлагаемый способ выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом реализован следующим образом.

Газовую смесь, содержащую. об.%: Водород50-85

0Хлористый водород До 8 Трихлорсилан 4-10 Тетрахлорсилан 2-6 Азот До 20, направл ли последовательно на первую

5 конденсацию при температуре -10°С, первую абсорбцию при температуре 10°С, дополнительную конденсацию и дополнительную абсорбцию, при этом в качестве абсорбента использовали конденсат хлор0 силанов. Температуру дополнительной конденсации измен ли от -20°С в опыте 1 до -80°С в опыте 3. при этом температуру дополнительной абсорбции поддерживали на уровне среднего значени , равного -90°С. В опытах 5 и 6 дополнительную конденсацию

5 проводили при температуре, равной -50°С, а дополнительную абсорбцию- при температурах соответственно -80°С и -100°С. Были испытаны также запредельные температурные режимы дополнительной конден0 сации и дополнительной абсорбции (опыты 4 и 7).

В качестве хладагента на дополнительной абсорбции использовали жидкий азот. Пары азота и регенерированный водород

5 использовали в качестве хладагентов после- . довательно на дополнительной,   затем первой конденсации.

Отход щий водород, очищенный от хлорсиланов анализировали методом газо0 вой хроматографии на содержание хлорсиланов и рассчитывали степень извлечени  хлорсиланов из газовой фазы.

Затраты на реализацию способа были рассчитаны с учетом расхода хладагента,

5 энергетических затрат, зарплаты обслуживающего персонала и амортизационных отчислений .

Результаты опытов и расчетов приведены в табл.1. Актиспытанийза вл емогоспособа прилагаетс  к материалам насто щей за вки.

Одновременно был проведен опыт 8 по выделению хлорсиланов из их газовой смеси с водородом путем конденсации при -10°С и абсорбции при -10°С с использованием в качестве абсорбента триметил- бензола согласно техническому решению по прототипу.

Из табл.1 видно, что оптимальными услови ми проведени  процесса выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом  вл ютс  дополнительна  конденсаци  в диапазоне температур (-20)-(-80)°С и дополнительна  абсорбци  в диапазоне температур (-80)-(-100)°С. При этом степень извлечени  хлорсиланов составила от 95,0% до 98,9%, а затраты на реализацию способа - от 299,00 до 309,99 руб/т хлорсиланов .

Наилучшие результаты (степень извлечени  хлорсиланов, равна  96,3%, затраты на реализацию способа, равные 305,33 руб/т хлорсиланов) были достигнуты в случае проведени  дополнительной конденсации при -50°С и дополнительной абсорбции при -90°С (опыт № 2).

Повышение температуры дополнительной конденсации до -18°С и температуры дополнительной абсорбции до-75°С приводит к снижению степени извлечени  хлорсиланов до 92,8% за счет большого проскока хлорсиланов с водородом, вследствие чего забиваетс  система санитарной очистки, что приводит к росту затрат на реализацию спороба до 316,02 руб/т хлорсиланов.

Снижение температуры дополнительной конденсации до -85°С и температуры дополнительной абсорбции до -105°С приводит к замораживанию хлорсиланов в установке , что требует последующего отогрева ее теплым газом. В результате степень извлечени  хлорсиланов снижаетс  до 93,2%, а затраты на реализацию способа растут до 315,62 руб/т хлорсиланов.

Проведение конденсации при температуре -10°С и абсорбции при температуре -10°.С с использованием в качестве абсорбента триметилбёнзола согласно техническому решению по прототипу не обеспечивает достаточно высокой степени извлечени  хлорсиланов. Кроме того, в этом случае затраты на реализацию способа составл ют 342,33 руб/т. что объ сн етс  необходимостью проведени  дорогосто щей операции по выделению хлорсиланов из абсорбента ректификационным методом.

Таким образом, техническое решение по прототипу по всем основным показател м уступает за вл емому решению.

За вл ема  установка схематически изображена на чертеже.

Установка дл  выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом состоит из

двух трехполостных конденсаторов 1 и 2, промежуточные полости 3 и 4 которых св заны между собой каналами 5, 6 и 7 через абсорбер 8 и каплеотделитель 9, рециркул ционного абсорбера 10 и каплеотбойника

0 11. Входной патрубок 12 дл  газовой смеси рециркул ционного абсорбера ТО соединен каналом 13 с промежуточной полостью 4 конденсатора 2, выходной патрубок 14 дл  регенерированного водорода рециркул ци5 онного абсорбера 10 соединен каналами 15 и 16 через каплеотбойник 11 с наружной полостью 17 конденсатора 2, св занный каналом 18 с наружной полостью 17 конденсатора 2, св занный каналом 18 с наружной

0 полостью 19 конденсатора 1. Выходной патрубок 20 дл  паров хладагента рециркул ционного абсорбера 10 каналом 21 соединен с внутренней полостью 22 конденсатора 2, св занный каналом 23 с внутрен5 ней полостью 24 конденсатора 1. Выходной патрубок 25 дл  конденсата рециркул ционного абсорбера 10 св зан с входным патрубком 26 дл  конденсата рециркул ционного абсорбера 10 каналом

0 27, от которого на высоте, равной 0.18-0,53 высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера 10, отводитс  канал 28, соединенный с коллектором 29 дл  сбора конденсата . С коллектором 29 также соединены

5 каналом 30 промежуточна  полость 3 конденсатора 1, каналбмЗ промежуточна  полость 4 конденсатора 2, каналом 32 каплеотбойник и каналом 33 абсорбер 8. Выходной патрубок 34 дл  конденсата кап0 леотделител  9 соединен каналом 35 с емкостью 36 дл  сбора и хранени  конденсата. Входной патрубок 37 дл  жидкого хладагента рециркул ционного абсорбера 10 соединен каналом 38 с резервуаром 39 жидкого

5 хладагента.

Установка работает следующим образом .

Газовую смесь, содержащую. об.%: Водород50-85

0 Хлористый водород До 8 Трихларсилан4-10 Тетрахлорсилан 2-6 Азот До 20, подают в промежуточную полость 3 конден5 сатора 1. Температура подаваемой на установку газовой смеси 0-(-15)°С. В наружную полость 19 конденсатора 1 по каналу 18, св занному с наружной полостью 17 конденсатора 2, противотоком к газовой смеси подают регенерированный водород, а во

внутреннюю полость 24 конденсатора 1 по каналу 23, св занному с внутренней поло- ст.ы j 22 конденсатора 2, противотоком к газовой смеси подают пары азота.

|В результате теплообмена между газовой смесью, регенерированным водородом и гч рами азота газова  смесь охлаждаетс  до температуры ()°С. При этом хлор- сил) ты частично конденсируютс  и по каналу 30 сливаютс  в коллектор 29.

Газовую смесь затем подают по каналу 5 в збсорбер 8, соединенный каналом 33 с коллектором 29. В абсорбере 8 газова  смесь и жидкие хлорсиланы, поступающие из коллектора 29, формируют газожидкостную эмульсию, в которой происходит охлаждение газовой смеси и абсорбци  хлор силанов из газовой смеси конденсатом хлорсиланов.

абсорбера 8 газожидкостную эмульсию по каналу 6 подают в каплеотделитель, где происходит разделение эмульсии на газовую и жидкую фазы. Жидкость через выход ной патрубок 34 дл  конденсата каплеотделител  9 по каналу 35 сливаетс  в емкс сть 36 дл  сбора и хранени  конденсата хг орсиланов, а газова  смесь по каналу 7 поступает в промежуточную полость 4 конденсатора 2. В наружную полость 17 конденсатора 2 по каналу 16, св занному с каплеотбойником 11, противотоком к газовой смеси подают регенерированный водород с температурой (-80)-(-100)°С, а во внут эеннюю полость 22 конденсатора 2 по Kanaiy 21, св занному с выходным патрубком 0 дл  паров хладагента рециркул ционного абсорбера, противотоком к газовой смес/t подают испарившийс  азот с температурой (-130)-(-170)°С. При этом газова  смес охлаждаетс  до температуры (-20)- (-80)°С, хлорсиланы конденсируютс  и по каналу 30 сливаютс  в коллектор 29.

Иазовую смесь с температурой (-20)-(- 80)0С затем по каналу 13 подают в нижнюю часть рециркул ционного абсорбера 10 через выходной патрубок 12 дл  газовой смеси , j

Через-входной патрубок 26 дл  конденсата рециркул ционного абсорбера 10 по кана/iy 27, св занному с выходным патрубком 25 дл  конденсата рециркул ционного абсорбера, подают конденсат хлорсила- нов.

В результате смешени  газовой смеси с конденсатом хлорсиланов формируетс  газожидкостна  эмульси . Дл  охлаждени  газоХидкостной эмульсии в рециркул ционный aJ6cop6ep 10 через входной патрубок 37 дл  жидкого хладагента по каналу 38 из резервуара 39 подают жидкий азот.

В рециркул ционном абсорбере 10 газова  смесь охлаждаетс  до температуры (-80)-(-100)°С, а хлорсиланы абсорбируютс  конденсатом хлорсиланов. В верхней части

рециркул ционного абсорбера 10 происходит разделение газожидкостной эмульсии на газовую и жидкую фазы. Часть конденсата по каналу 27 возвращаетс  в нижнюю часть рециркул ционного абсорбера 10 дл 

0 создани  устойчивой газожидкостной эмульсии, а остальна  часть конденсата по каналу 28, соединенному с каналом 27 на высоте, равной 0,18-0,53 высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера 10,

5 сливаетс  в коллектор 29.

Регенерированный водород с температурой (-80)-(-100)°С через выходной патрубок 14 по каналу 15 подают в каплеотбойник 11 дл  отделени  регенерированного водо0 рода от капель увлеченного им конденсата, а затем по каналу 16 в наружную полость 17 конденсатора 2 дл  охлаждени  газовой смеси. Конденсат хлорсиланов, отделенный от регенерированного водорода в каплеот5 бойнике 11, по каналу 32 подают в коллектор 29.- .

Соотношение высоты разделени  выходного канала рециркул ционного абсорбера дл  конденсата на два канала и высоты

0 рабочей части рециркул ционного абсорбера измен ли от 0,10 до 0,60.

Отход щий водород, очищенный от хлорсиланов, методом газовой хроматогра- фии анализировали на содержание в нем

5 хлорсиланов и рассчитывали степень извлечени  хлорсиланов из газовой фазы.

Затраты на реализацию способа были рассчитаны с учетом расхода хладагента, энергетических затрат, зарплаты обслужи0 вающего персонала и амортизационных отчислений .

Результаты опытов и расчетов приведены в табл.2. Акт испытаний за вл емой установки прилагаетс  к материалам насто5  щей за вки.

Из табл.2 видно, что, оптимальным со . отношением высоты разделени  выходного

канала рециркул ционного абсорбера дл 

конденсата на два канала и высоты рабочей

0 части рециркул ционного абсорбера  вл етс  0,18-0,53. При этом степень извлечени  хлорсиланов составила от 94.4 до 97,3%, а затраты на реализацию способа - от 304,15 до 308.12 руб/т хлорсиланов.

5 Наилучшие результаты (степень извлечени , равна  96,9-97,3%. затраты на реализацию способа, равные 304.15-304,89 руб/т хлорсиланов соответственно) были достигнуты при соотношении указанных высот , равном 0,27-0.35.

При изменении этого соотношени  до 0,10 степень извлечени  хлорсиланов снижаетс  до 92,1%, а затраты на реализацию способа растут до 312,08 руб/т хлорсиланов , т.к. в этом случае полностью разбалан- сируетс  работа установки за счет проскока газовой смеси из нижней части рециркул ционного абсорбера 10 в канал 27 через входной патрубок 26 дл  конденсата. При изменении соотношени  высоты разделени  выходного канала рециркул ционного абсорбера дл  конденсата на два канала и высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера до 0,60 в рециркул ционный абсорбер возвращаетс  избыточное количество конденсата хлорсиланов, что приводит к образованию большого числа мелких капель конденсата, вследствие чего возрастает нагрузка на каплеотбо йник. При этом степень извлечени  хлорсиланов снижаетс  до 90,6%, а затраты на реализацию способа растут до 318,23 руб/т хлорсиланов.

Предлагаемые способы выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом и устройство дл  его реализации имеют технико-экономические преимущества по сравнению с существующими, так как позвол ют повысить степень извлечени  хлорсиланов при одновременном удешевлении процесса за счет;

- новой последовательности и режимов проведени  способа, используемых при этом материалов;

- новой совокупности конструктивных элементов их взаимного расположени  и НОБ.ЫХ св зей между их част ми в устройстве . ..

Высока  степень очистки делает процесс экологически безвредным и позвол ет повысить выход целевого продукта.

Claims (2)

1. Способ выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом, включающий охлаждение смеси при косвенном теплообмене с хладагентом до температуры конденсации хлорсиланов, выделение конденсата,

абсорбцию хлорсиланов из отделенной газовой фазы, отличающийс  тем, что, с целью повышени  степени извлечени  хлорсиланов и удешевлени  процесса, по- еле стадии абсорбции дополнительно провод т охлаждение газовой фазы при косвенном теплообмене с хладагентом до температуры (-20)-(-80)0С, выделение конденсата , абсорбцию хлорсиланов из отделенной газовой фазы при (-80)-(-100)°С, причем в качестве абсорбента используют конденсат хлорсиланов и отделенный после абсорбции водород направл ют на стадии охлаждени  дл  рекуперации.

2. Установка дл  выделени  хлорсиланов из их газовой смеси с водородом, содер- жаща  многополостной конденсатор, абсорбер и каплеотделитель, отличающа с  тем, что. с целью повышени  степени извлечени  хлорсиланов и удешевлени  процесса, она дополнительно содержит конденсатор, рециркул ционный абсорбер, охлаждаемые хладагентом, и каплеотбойник , причем промежуточные полости дл  охлаждени  газовой смеси конденсаторов, выполненных трехполостными, соединены между собой каналами через абсорбер и каплеотделитель, и последовательно соединены с входным каналом дл  газовой смеси

рециркул ционного абсорбера, выходной канал которого дл  конденсата на высоте 0,18-0,53 высоты рабочей части рециркул ционного абсорбера разделен на два канала , один из которых соединен с входом дл 

конденсата рециркул ционного абсорбера, а другой соединен с каналами конденсаторов дл  отвода конденсата, каналом капле- отбойн.ика дл  отвода конденсата и с входным каналом абсорбера дл  конденсата , канал рециркул ционного абсорбера дл  отвода отделенного водорода через каплеотбойник последовательно соединен с наружными полост ми конденсаторов, а канал рециркул ционного абсорбера дл  отвода хладагента последовательно соединен с внутренними полост ми конденсаторов..

Таблица 1

Продолжение табл. 1

/J

W

Таблица 2

 

Я

V%