СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ АЛКИЛХЛОРСИЛАНОВ И ХЛОРИСТОГО АЛКИЛА Российский патент 2022 года по МПК C07F7/16 C07C17/38 C07C19/03 

Изобретение относится к химической технологии кремнийорганического синтеза, в частности, к способу разделения пылегазовой смеси кремния, алкилхлорсиланов (АХС), хлористого алкила (ХА) и абгазов, получающейся в процессе синтеза алкилхлорсиланов.

Алкилхлорсиланы в промышленности получают взаимодействием измельченного металлургического кремния с хлористым алкилом. В качестве хлористого алкила обычно используют хлористый метил или хлористый этил. Реакция протекает при повышенных температурах (280÷360°С) и давлении (от 0,1 до 0,5 МПа изб.), в присутствии катализатора: меди или ее соединений. Конверсия ХА в процессе синтеза АХС обычно составляет от 30% масс. до 70% масс. Пылегазовая смесь (ПГС), состоящая из непрореагировавших кремния и ХА, а так же АХС и абгазов, выходящая из реактора синтеза, подвергается двухстадийной очистке от пыли непрореагировавшего кремния и далее поступает на конденсацию и разделение на сырец алкилхлорсиланов, непрореагировавший хлористый алкил и абгазы процесса. Сырец алкилхлорсиланов направляется на стадию ректификационного разделения для получения индивидуальных товарных продуктов. Непрореагировавший хлористый алкил возвращается на синтез алкилхлорсиланов.

Синтез алкилхлорсиланов является полунепрерывным процессом и характеризуется переменной во времени конверсией ХА: от минимальной в начале (10%÷20%) до максимальных значений в средней (квазистационарной) части процесса (40%÷70%) и снова минимальной в конце операции (20%÷30%). Поэтому для успешного выделения ХА из продуктов прямого синтеза необходимо использовать оборудование с большим запасом по эффективности разделения смеси алкилхлорсиланов и хлористого алкила.

Нестабильность состава смеси ХА и АХС, выходящей из реактора синтеза приводит к высоким энергетическим затратам и делает стадию разделения ХА и АХС сложной в управлении.

Общепринятым способом разделения пылегазовой смеси, выходящей из реактора синтеза АХС, на ХЭ и АХС является способ, который заключается в полной конденсации продуктов синтеза и последующим разделением конденсата на ректификационной колонне, при этом предварительную очистку пылегазовой смеси очистку от пыли производят в два этапа: на первом этапе, называемом «сухой пылеочисткой», происходит выделение большей части пыли с помощью циклонов или рукавных фильтров, а на втором этапе, называемым «мокрой пылеочисткой», производят обработку пылегазового потока жидкими продуктами реакции в режиме барботажа газа через слой жидкости, за счет чего происходит улавливание мелкодисперсной фракции пыли, менее 5 мкм, и ее выделение в виде шлама мокрой очистки (Л.М. Хананашвили, Химия и технология элементоорганических мономеров и полимеров, М. «Химия» 1998 г.; Ю.К. Молоканов и др., Разделение смесей кремнийорганических соединений, Ленинград «Химия» 1986 г.; B. Kanner, K.M. Lewis "Commercial production of silanes by direct synthesis" in "Catalyzed Direct Reaction of Silicon" by K.M. Lewis, D.G. Rethwisch. ELSEVIER, Amsterdam, 1993).

В соответствии с общеизвестным способом пылегазовую смесь, выходящей из реактора синтеза АХС и предварительно очищаемую от большей части пыли на стадии «сухой пылеочистки», разделяют на шлам, абгазы, непрореагировавший ХА и сырец АХС в три стадии. На фиг. 1 представлена схема данного процесса.

После сухой пылеочистки в циклонах (на схеме не показаны) ПГС поступает на доочистку в аппарат (I). При этом пылегазовую смесь барботируют через слой жидкости. В качестве жидкости используются ранее сконденсированные АХС. Шлам «мокрой очистки» (жидкие АХС с пылью) выводится на утилизацию или дальнейшую переработку, а обеспыленная смесь ХА и АХС в виде паров поступает на дальнейшее разделение. Для барботажа ПГС через слой жидкости обычно используют емкостное оборудование, или колонну, оборудованную промывными тарелками, или их комбинацию, причем в емкость или колонну требуется непрерывно подавать сконденсированные АХС (или общий конденсат, или конденсат с первой стадии конденсации) или сырец АХС после отделения ХА для восполнения потерь (часть жидких продуктов из шлама «мокрой очистки» испаряется за счет тепла ПГС, перегретой до 150-250°С).

Очищенная от пыли смесь газов подвергается многоступенчатой последовательной конденсации в конденсаторах, охлаждаемых водой (1), хладагентом с начальной температурой от плюс 7°С до минус 15°С (2) и хладагентом с начальной температурой от минус 20°С до минус 40°С (3). После конденсации получают жидкую смесь ХА и АХС, собираемую в емкостном парке, и абгазы процесса, содержащие остаточные количества ХА и поступающие на дальнейшую утилизацию или переработку любым известным способом.

В соответствии с общеизвестным способом полученный конденсат, представляющий собой смесь жидких хлоралкила и алкилхлорсиланов, содержащий в различные периоды синтеза от 40% масс. до 85% масс. непрореагировавшего хлористого алкила, направляют в ректификационную колонну (II) для разделения на сырец алкилхлорсиланов и возвратный хлористый алкил. Ректификацию осуществляют при повышенном давлении (от 2,0 до 6,5 атм). Температура куба может составлять более плюс 130°С. Температура дистиллята поддерживается ниже плюс 15°С (при работе колонны при пониженном давлении), а также может использоваться оборотная вода (при работе колонны при повышенном давлении).

Данный общеизвестный метод имеет ряд недостатков.

Поступающая на разделение пылегазовая смесь ПГС имеет высокое теплосодержание, в связи с чем для обеспечения работоспособности аппарата «мокрой пылеочистки» требуется значительное количество жидкого орошения. Количество орошения может в разные периоды синтеза составлять от 50% до 150% от количества ПГС, поступающей со стадии «сухой пылеочистки». При этом все поданное орошение, за исключением 1% потока, выделяемого как шлам «мокрой очистки», возвращается как рецикловый поток на стадию конденсации и, далее, на стадию разделения конденсата ХА и АХС. Это неизбежно приводит к возрастанию энергозатрат на стадиях конденсации (если для орошения мокрой очистки (I) используется конденсат) и стадии разделения ХА и АХС (если для орошения мокрой очистки (I) используется кубовая жидкость колонны (II) выделения сырца АХС).

Использование общеизвестного способа разделения абгазов и конденсата ХА и АХС осложняется за счет нестабильности количества и состава реакционной смеси. В различные периоды синтеза требуется различная подача ХА в реактор синтеза АХС, при этом конверсия ХА также меняется в течение синтеза. Это приводит к тому, что и состав, и количество конденсата ХА и АХС не являются постоянными. Для разделения смеси АХС и ХА по общеизвестному методу требуется регулировать количество орошения (в размерности кг/час) колонны разделения (II) в зависимости от текущего состава выходящих из реактора синтеза газов. Это приводит к нестабильности качества получаемых на ректификационной колонне продуктов в различных режимах прямого синтеза и необходимости иметь большой емкостной парк для сбора конденсата и сглаживания колебаний количества и состава конденсата в различные периоды синтеза.

Также недостатком общеизвестной схемы конденсации является наличие растворенных абгазов (метан, этан, этилен) в конденсате. В некоторых случаях содержание растворенных абгазов может достигать высоких значений (например, до 0,1% и выше для этана и этилена в хлористом этиле). Наличие растворенных газов приводит к тому, что насосное оборудование на подаче конденсата на стадию дальнейшего разделения начинает работать в неоптимальном режиме, вплоть до возникновения кавитации. Растворенные газы повышают давление в емкости сбора возвратного хлоралкила в случае ее ненормативного перегрева (например, при остановке процесса в летний период), что приводит к более дорогостоящим решениям, обеспечивающим экологически безопасную и безаварийную эксплуатацию производства.

На стадии разделения сконденсированного ХА и АХС в колонне (II) недостатком общеизвестного метода является нестабильность состава конденсата вследствие общей нестационарности производственного процесса. Требование одновременного получения двух качественных по составу продуктов на одной ректификационной колонне при переменном составе питания колонны является трудновыполнимым. На практике не удается обеспечить качество сырца АХС и возвратного ХА на требуемом уровне без нерационального повышения энергозатрат и увеличения высоты колонны. Обычно концентрация ХА в сырце АХС составляет 0,5÷1,0% масс, что приводит к повышенным затратам холода и образованию большого количества газообразных отходов на последующих стадиях ректификации и является источником потерь ценного сырья. Возвратный ХА обычно содержит примеси АХС в количестве не менее 0,3÷0,5% масс., что в дальнейшем, при использовании этого ХА в процессе прямого синтеза АХС, может приводить к снижению селективности прямого синтеза АХС по товарным продуктам. Например, присутствие 0,5÷1,0% масс. метилхлорсиланов в возвратном хлористом метиле не позволяет достичь селективности процесса по диметилдихлорсилану более 80% и, одновременно, приводит к уменьшению продолжительности непрерывной работы реактора синтеза.

Сырец АХС должен содержать минимальное количество ХА (менее 0,05% масс.), в противном случае значительно возрастает количество отходов в виде абгазов ректификации. Непрореагировавший ХА должен содержать как можно меньше примесей АХС. В хлористом алкиле наличие алкилсиланов и алкилхлорсиланов допускается не более 0,2% масс. для хлористого этила и не менее 0,05% масс. для хлористого метила, в противном случае попадание этих продуктов вместе с возвратным ХА в реактор синтеза приводит к дезактивации кремния, к росту скорости побочных реакций распада ХА и, как следствие, к увеличению количества примесей, к уменьшению селективности процесса по основным продуктам реакции и к ухудшению экономических показателей производства в целом. Соблюдение указанных требований к качеству возвратного ХА и сырца АХС при осуществлении процесса по общеизвестному способу представляется практически невыполнимым.

Известен способ разделения смеси хлористого метила (ХМ), метилхлорсиланов (МХС) и абгазов процесса, получаемой в процессе синтеза метилхлорсиланов из кремния и хлористого метила (CN №108689798, МПК С07С 17/38, С07С 17/383, С07С 19/03, 2018). Согласно этому способу сконденсированные продукты прямого синтеза, состоящие из МХС, ХМ и растворенных в них абгазов процесса, после предварительного обеспыливания, промывки и конденсации, поступают на разделение в ректификационную колонну в качестве жидкого питания. Абгазы синтеза после стадии конденсации компримируют и направляют на ту же ректификационную колонну в качестве питания в газовой фазе. Смесь метилхлорсиланов получают как кубовую жидкость. Пары, выходящие с верха колонны, подвергают дробной конденсации с раздельным сбором конденсата. Конденсат, полученный в первом конденсаторе, выводится в качестве дистиллята и представляет собой хлористый метил с пониженным содержанием растворенных абгазов процесса. Конденсат, полученный на последующих конденсаторах и представляющий собой хлористый метил с повышенным содержанием хлористого метила, полностью возвращается в ректификационную колонну в качестве флегмы. Очищенный газ (метан, этан), выводимый с верха колонны, направляют на утилизацию.

Предложенный авторами данного патента способ разделения смеси МХС и ХМ позволяет снизить количество растворенных в выделяемом хлористом метиле низкокипящих продуктов (метан, этан), однако не позволяет устранить другие недостатки общеизвестного процесса, а именно, высокие энергозатраты и нестабильность качества получаемых на ректификационной колонне продуктов в различных режимах прямого синтеза и при колебании состава выходящей из реактора смеси.

Известен способ разделения смеси хлористого метила (ХМ), метилхлорсиланов (МХС) и абгазов процесса, получаемой в процессе синтеза метилхлорсиланов из кремния и хлористого метила (CN №101148394, МПК С07В 63/00, С07С 19/03, С07С 17/383, 2008). Согласно этому способу сконденсированные продукты прямого синтеза, состоящие из МХС, ХМ и растворенных в них абгазов процесса, после предварительного обеспыливания, промывки и конденсации, поступают на разделение в ректификационную колонну. Смесь метилхлорсиланов получают как кубовую жидкость. Пары, выходящие с верха колонны, конденсируются в объеме, необходимом для обеспечения орошения колонны. Сконденсированная флегма возвращается в колонну в полном объеме, а несконденсированный хлорметил в виде пара направляется на вторую ректификационную колонну, работающую с полным возвратом флегмы и предназначенную для очистки хлористого метила от растворенных абгазов процесса. Хлористый метил получают как кубовую жидкость второй ректификационной колонны. Очищенный газ (метан, этан), выводимый с верха колонны, направляют на утилизацию.

Способ разделения смеси МХС и ХМ согласно данному патенту позволяет обеспечить выделение хлористого метила при минимальном содержании растворенных абгазов, однако требует дополнительных, по сравнению с общеизвестным способом, энергозатрат на обеспечение работы второй ректификационной колонны.

Известен способ разделения смеси хлористого метила (ХМ), метилхлорсиланов (МХС) и абгазов процесса, получаемой в процессе синтеза метилхлорсиланов из кремния и хлористого метила (CN №101434510, МПК C07F 7/16, С07С 17/38, С07С 19/03, 2009). Согласно этому способу сконденсированные продукты прямого синтеза, состоящие из МХС, ХМ и растворенных в них абгазов процесса, после предварительного обеспыливания, промывки и конденсации, поступают на грубое разделение в ректификационную колонну. Смесь метилхлорсиланов получают как кубовую жидкость описанной колонны. Дистиллят колонны направляется на вторую ректификационную колонну, работающую с полным возвратом флегмы, для очистки хлористого метила от остаточных количеств метилхлорсиланов и от растворенных абгазов процесса. Хлористый метил получают как боковой отбор из верхней части второй ректификационной колонны. Очищенный газ (метан, этан), выводимый с верха колонны, направляют на утилизацию. Кубовую жидкость, представляющую собой смеси метилхлорсиланов и хлористого метила, накапливают и периодически возвращают в первую колонну для повторной ректификации.

Предложенный авторами данного патента способ разделения смеси МХС и ХМ позволяет обеспечить выделение хлористого метила при минимальном содержании растворенных абгазов и стабилизировать качество выделяемых МХС и ХМ для различных режимов работы реактора прямого синтеза МХС, однако предложенный способ требует дополнительных, по сравнению с общеизвестным способом, энергозатрат на обеспечение работы второй ректификационной колонны.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (принят как прототип) является способ, описанный в российском патенте (RU №2486193, МПК C07F 7/16, 2012). Данный способ относится к способам разделения смеси хлористого метила (ХМ) и метилхлорсиланов (МХС), получаемой в процессе синтеза метилхлорсиланов из кремния и хлористого метила после стадии «мокрой пылеочистки», осуществляемой общеизвестным методом. Согласно заявляемому способу (фиг. 2) пылегазовая смесь после стадии «сухой» пылеочистки поступает на финишную очистку от пыли в аппарат «мокрой» пылеочистки (I). Очищенная от пыли смесь поступает в конденсатор, охлаждаемый оборотной водой (1). Полученный конденсат частично возвращается на «мокрую» очистку (I) в качестве орошения, а частично направляется на колонну (III) выделения метилхлорсиланов. Несконденсированные продукты подвергаются последовательной конденсации в конденсаторах (2) и (3), охлаждаемых, соответственно, хладагентом с начальной температурой от плюс 7°С до минус 15°С и хладагентом с начальной температурой от минус 20°С до минус 40°С. Полученный в аппаратах (2) и (3) конденсат направляется на колонну выделения хлористого метила (II), а несконденсировавшиеся абгазы процесса, содержащие остаточные количества хлорметила, поступают на дальнейшую утилизацию или переработку любым известным способом.

Из конденсата после высокотемпературной конденсации (1) на колонне (III) выделяют сырец метилхлорсиланов, который направляют на дальнейшую переработку, и смесь, обогащенную хлористым метилом, которую направляют на колонну (II) выделения хлористого метила совместно с конденсатом низкотемпературной конденсации (2) и (3). На колонне (II) выделения хлористого метила получают чистый хлористый метил, повторно использующийся для синтеза метилхлорсиланов, и смесь, обогащенную метилхлорсиланами, которую возвращают на колонну (III) выделения метилхлорсиланов для повторного разделения совместно с конденсатом высокотемпературной конденсации. Предъявление требований по качеству только к одному из продуктов, получаемых на каждой из колонн (II) и (III) двухколонной схемы разделения ХМ и МХС, раздельный сбор конденсата на стадии конденсации, а также организация рециклового потока в паровой фазе, без избыточных процессов его конденсации и испарения, позволяет снизить общие энергетические затраты не менее чем на 25% по сравнению с общеизвестным способом при одновременном улучшении управляемости процессом и обеспечении более высокого и стабильного качества получаемых метилхлорсиланов и хлористого метила, не зависящие от состава исходной пылегазовой смеси, образующейся в процессе прямого синтеза метилхлорсиланов.

Недостатком этого способа, предложенного для применения исключительно в процессе синтеза метилхлорсиланов, является невозможность исключить рецикловый поток орошения, поступающий на стадию «мокрой очистки», что не дает возможности добиться более значительной экономии энергозатрат на разделение смеси АХС и ХА. Также недостатком этого способа является необходимость удвоения емкостного парка, поскольку требуется обеспечить хранение двух видов конденсата, с высокотемпературной и с низкотемпературной стадий конденсации. Также недостатком описанного способа является невозможность избежать повышенного содержания растворенных газов в конденсате (метана в хлористом метиле и этана и этилена в хлористом этиле). Для стриппинга растворенных газов, при осуществлении процесса по описанному способу, требуется установка дополнительного оборудования. Отсутствие такой дополнительной стадии очистки хлоралкила приведет к использованию в качестве возвратного хлористого алкила продукта с высоким содержанием растворенных газов, что неизбежно ухудшит условия протекания прямого синтеза АХС (особенно этилхлорсиланов), снизит выход целевых продуктов и приведет к возрастанию количества отходов.

Задача данного изобретения заключается в создании стабильного процесса выделения из пылегазовой смеси, получаемой в ходе прямого синтеза алкилхлорсиланов, одновременно шлама «мокрой очистки», абгазов процесса, возвратного хлористого алкила и сырца алкилхлорсиланов, обеспечивающего с минимальными энергозатратами получение продуктов достаточной чистоты (возвратного ХА и сырца АХС) при колебаниях количества и состава смеси хлористого алкила и алкилхлорсиланов, полученной прямым синтезом, причем хлористый алкил может быть хлористым метилом или хлористым этилом.

Поставленная задача достигается тем, что предложен способ разделения смеси пыли кремния, абгазов синтеза, хлористого алкила и алкилхлорсиланов, отличающийся тем, что разделяемая смесь переменного состава поступает в кубовую часть ректификационной колонны, работающей с полным возвратом флегмы, и на колонне одновременно выделяется четыре потока, а именно, газообразный поток по верху колонны (абгазы процесса), шлам «мокрой очистки» как кубовая жидкость, жидкий хлористый алкил как верхний боковой отбор, и жидкие алкилхлорсиланы, имеющие стабилизированное содержание хлористого алкила, как нижний боковой отбор; при этом нижний боковой отбор в виде смеси алкилхлорсиланов и хлористого алкила со стабильным содержанием хлористого алкила поступает в качестве орошения на выносную отпарную колонну, снабженную испарителем кубовой жидкости, на которой в качестве кубовой жидкости получают сырец алкилхлорсиланов, а хлористый алкил с частью алкилхлорсиланов в виде паров из верхней части отпарной секции возвращается для повторного разделения в ректификационную колонну совместно с разделяемой смесью пыли кремния, абгазов процесса, хлористого алкила и алкилхлорсиланов, причем отпарная секция не имеет дефлегматора.

Согласно предлагаемому способу (фиг. 3) пылегазовая смесь, состоящая из алкилхлорсиланов, непрореагировавшего хлористого алкила, абгазов синтеза и мелкодисперсной пыли, не уловленной на стадии «сухой пылеочистки», и имеющая температуру выше точки росы, поступает в кубовую часть ректификационной колонны (I). В кубовой части колонны (I) осуществляется барботаж пылегазовой смеси через кубовую жидкость. За счет того, что температура пылегазовой смеси выше температуры кубовой жидкости, происходит испарение части кубовой жидкости, что приводит к обогащению кубовой жидкости высококипящими продуктами и позволяет исключить необходимость внешнего подвода тепла в куб колонны. Пары, состоящие из хлористого алкила, алкилхлорсиланов и абгазов синтеза, проходя вверх по ректификационной колонне, контактируют со встречным нисходящим потоком орошения, в результате чего происходит пылеочистка исходного пылегазового потока. Уловленная пыль собирается в кубовой части колонны и выводится в виде шлама «мокрой очистки», основную долю которого составляют высококипящие продукты прямого синтеза. При содержании товарных продуктов и хлористого алкила в исходной пылегазовой смеси более 95% масс., в шламе «мокрой очистки» содержание хлористого алкила составляет менее 2% масс. для хлористого этила и для хлористого метила, и менее 10% масс. для этилхлорсиланов и менее 30% масс. для метилхлорсиланов.

Пары из кубовой части ректификационной колонны (I) по мере движения вверх обогащаются хлористым алкилом. На выходе из верхней части ректификационной колонны пары, состоящие из хлористого алкила и абгазов процесса, поступают в дефлегматор, где охлаждаются до температуры, достаточной для улавливания хлористого алкила. Уловленный хлористый алкил с растворенными абгазами полностью возвращается в ректификационную колонну (I). Абгазы синтеза, очищенные от хлористого алкила, направляются на дальнейшие технологические стадии для переработки или утилизации любым известным способом. Для полного отделения абгазов синтеза от алкилхлорсиланов и хлористого алкила достаточно иметь ректификационную колонну высотой не менее 9 теоретических тарелок, предпочтительно 11-12 теоретических тарелок.

В верхней части ректификационной колонны (I) происходит очистка хлористого алкила от растворенных абгазов синтеза. Хлористый алкил с содержанием абгазов синтеза менее 0,2% об. для хлористого этила и менее 0,001% об. для хлористого метила выводится из колонны (I) в виде жидкости в качестве верхнего бокового отбора. Для получения хлористого алкила удовлетворительной чистоты, боковой отбор осуществляется на высоте не менее, чем 70% от общей высоты колонны, считая снизу, предпочтительно на высоте 75-80% от общей высоты колонны, измеряемой в теоретических тарелках.

Алкилхлорсиланы в виде смеси с частью хлористого алкила выводятся в виде жидкости как нижний боковой отбор. Высота, на которой расположен нижний боковой отбор, должна быть достаточна для обеспечения удовлетворительной пылеочистки в нижней части колонны и для обеспечения удовлетворительного обогащения кубовой жидкости высококипящими продуктами синтеза, что необходимо для уменьшения потерь товарных продуктов со шламом «мокрой очистки». Нижний боковой отбор расположен на высоте не более 50% от общей высоты ректификационной колонны (I), считая снизу, предпочтительно на высоте 25-35% от общей высоты колонны, измеряемой в теоретических тарелках.

Жидкая смесь хлористого алкила и алкилхлорсиланов, отбираемая с ректификационной колонны (I) как нижний боковой отбор, поступает в качестве орошения на выносную отпарную секцию (II), снабженную кипятильником. На отпарной секции (II) за счет внешнего подвода тепла в кипятильнике, расположенном в нижней части отпарной секции (II), происходит отпарка хлористого алкила от алкилхлорсиланов. Сырец алкилхлорсиланов выводится из кубовой части отпарной секции (II) и поступает на дальнейшие технологические стадии для разделения на товарные продукты. Содержание хлористого алкила в сырце алкилхлорсиланов составляет не более 0,05% масс. для этилхлорсиланов и для метилхлорсиланов. Пары алкилхлорсиланов из нижней части отпарной секции (II), по мере подъема вверх, обогащаются хлористым алкилом, поступающим в отпарную секцию (II), и выводятся из отпарной секции (II) в виде смеси алкилхлорсиланов с хлористым алкилом, обогащенной хлористым алкилом. Для удовлетворительной отпарки хлористого алкила от алкилхлорсиланов, высота отпарной секции (II) должна быть не менее 6 теоретических тарелок, предпочтительно 8-10 теоретических тарелок.

Отпарная колонна (II) не имеет дефлегматора. Пары хлористого алкила и алкилхлорсиланов, выходящие из колонны, направляются в кубовую часть ректификационной колонны (I) совместно с исходной пылегазовой смесью, поступающей на разделение после стадии «сухой пылеочистки». Давление верха отпарной секции (II) поддерживается выше, чем давление в кубе ректификационной колонны (I) не менее чем на 0,1 атм, предпочтительно не менее чем на 0,5 атм. Это достигается любым известным способом, включая нагнетание жидкого нижнего бокового отбора из ректификационной колонны (I) насосом, или поддержание давления в отпарной секции (II) за счет гидростатического напора, создающегося за счет разницы высот, на которых расположены ректификационная колонна (I) и отпарная секция (II).

Использование предлагаемой схемы одновременного разделения пылегазовой смеси после «сухой пылеочистки» на пыль, выводимую в виде «шлама мокрой очистки», сырец алкилхлорсиланов, хлористой алкил и абгазы синтеза позволяет снизить общие энергетические затраты в 2 раза по сравнению с прототипом (для метилхлорсиланов). По сравнению с известной классической схемой разделения пылегазовой смеси, для заявляемой схемы общие энергозатраты снижаются в 2,9 раза для метилхлорсиланов и в 3,6 раз для этилхлорсиланов. Экономия достигается за счет того, что при работе заявляемой схемы не требуется промежуточная конденсация ПГС и испарение сконденсированного продукта.

Кроме экономии энергозатрат, разделение пылегазовой смеси на одной ректификационной колонне с выносной отпарной секцией по сравнению с прототипом и по сравнению с классической схемой позволяет снизить количество единиц оборудования, что приводит к уменьшению затрат на приобретение и амортизацию оборудования и к уменьшению потребной площади для размещения строительных конструкций. Экономия оборудования по сравнению с прототипом составляет как минимум две емкости для промежуточного сбора конденсата, одну ректификационную колонну, одну флегмовую емкость, шесть теплообменников и четыре насоса. При этом получение возвратного хлористого алкила и сырца алкилхлорсиланов удовлетворительного качества позволяет обеспечить эффективность последующих технологических стадий (синтеза алкилхлорсиланов из возвратного хлористого алкила и разделение сырца алкилхлорсиланов на товарные продукты) не хуже, чем по сравнению с прототипом.

Предлагаемая схема разделения пылегазовой смеси может работать при давлениях в интервале от 1 атм (абс) до 10 атм (абс) в кубовой части ректификационной колонны I. Давление в кубовой части ректификационной колонны I предпочтительно поддерживать не менее чем на 0,5 атм выше давления в реакторе синтеза алкилхлорсиланов. Для эффективной передачи парового продукта с верха отпарной секции II в кубовую часть ректификационной колонны I, давление верха отпарной секции II следует поддерживать выше, чем давление в кубе ректификационной колонны I не менее чем на 0,1 атм, предпочтительно не менее чем на 0,5 атм.

пример 1 (сравнительный, общеизвестный, фиг. 1)

Продукты синтеза алкилхлорсиланов, после выделения крупнодисперсной пыли на стадии «сухой пылеочистки», поступают в аппарат «мокрой очистки», в котором происходит очистка продуктов синтеза от мелкодисперсной пыли при барботаже пылегазовой смеси через слой жидкости и, опционально, на дополнительных газопромывных устройствах. Орошение аппарата «мокрой очистки» производится или конденсатом, содержащим хлористый алкил и алкилхлорсиланы, или сырцом алкилхлорсиланов, полученным после выделения хлористого алкила из конденсата. Уловленную пыль с частью алкилхлорсиланов выводят из аппарата «мокрой очистки» в виде шлама. Пары, выходящие из аппарата «мокрой очистки» поступают на стадию конденсации, где последовательно конденсируются с помощью оборотной воды, хладагента температурой минус 15°С и хладагента температурой минус 35°С или ниже. Несконденсировавшиеся продукты, представляющие собой абгазы синтеза, направляются на последующие технологические стадии для переработки или для утилизации. Продукты конденсации объединяют и направляют в колонну выделения хлористого алкила. Тарелка питания, на которую подается конденсат, зависит от состава исходной смеси и ее необходимо оперативно варьировать в зависимости от состава продуктов реакции, выходящих из реактора прямого синтеза. Дистиллят, представляющий собой хлористый алкил, направляют в реактор прямого синтеза алкилхлорсиланов. В качестве кубовой жидкости получают сырец алкилхлорсиланов, который направляют на дальнейшие технологические стадии для разделения на товарные продукты.

Общие энергозатраты на разделение пылегазовой смеси на шлам «мокрой очистки», хлористый алкил, алкилхлорсиланы и абгазы синтеза, составляют 850 килокалорий на килограмм сырца метилхлорсиланов и 1800 килокалорий на килограмм сырца этилхлорсиланов.

пример 2 (сравнительный, по прототипу, фиг. 2)

Продукты синтеза метилхлорсиланов, после выделения крупнодисперсной пыли на стадии «сухой пылеочистки», поступают в аппарат «мокрой очистки», в котором происходит очистка продуктов синтеза от мелкодисперсной пыли при барботаже пылегазовой смеси через слой жидкости и, опционально, на дополнительных газопромывных устройствах. Орошение аппарата «мокрой очистки» производится или конденсатом, содержащим хлористый метил и метилхлорсиланы, или сырцом метилхлорсиланов, полученным после выделения хлористого метила из конденсата. Уловленную пыль с частью метилхлорсиланов выводят из аппарата «мокрой очистки» в виде шлама. Пары, выходящие из аппарата «мокрой очистки» поступают на стадию конденсации, где последовательно конденсируются с помощью оборотной воды, хладагента температурой минус 15°С и хладагента температурой минус 35°С или ниже. Несконденсировавшиеся продукты, представляющие собой абгазы синтеза, направляются на последующие технологические стадии для переработки или для утилизации. Продукты конденсации, получаемые при последовательном охлаждении парогазовой смеси хлористого метила, метилхлорсиланов и абгазов синтеза и собираемые в отдельных емкостях, имеют постоянный состав, не зависящий от состава поступающей на конденсацию смеси. Продукт с концентрацией хлористого метила 15% масс., полученный при конденсации с помощью оборотной воды, направляют на колонну выделения метилхлорсиланов, работающей в режиме полного возврата флегмы. Кубовый продукт этой колонны собирают в сборнике метилхлорсиланов. Дистиллят получают в виде пара и без дальнейшей конденсации объединяют с конденсатом, содержащим 85% масс хлористого метила, полученным при конденсации с помощью низкотемпературных хладагентов. Объединенный парогазовый поток подают в колонну выделения хлористого метила. Полученный хлористый метил в дальнейшем используют как сырье для проведения синтеза метилхлорсиланов. Смесь из куба колонны отгонки хлористого метила, содержащую 15% масс. хлористого метила и 85% масс. метилхлорсиланов, объединяют с конденсатом аналогичного состава и направляют на разделение в колонну отгонки метилхлорсиланов.

Состав сырца метилхлорсиланов и возвратного хлористого метила остается постоянным вне зависимости от состава смеси хлористого метила и метилхлорсиланов, получающейся в процессе синтеза метилхлорсиланов. Режим работы каждой из колонн остается постоянным и стабильным.

Общие энергозатраты на разделение пылегазовой смеси на шлам «мокрой очистки», хлористый метил, метилхлорсиланы и абгазы синтеза, составляют 570 килокалорий на килограмм сырца метилхлорсиланов.

пример 3 (заявляемый, фиг. 3)

Продукты синтеза метилхлорсиланов, после выделения крупнодисперсной пыли на стадии «сухой пылеочистки», поступают в кубовую часть ректификационной колонны (I), работающей с полным возвратом флегмы. Пары, выходящие из ректификационной колонны, охлаждаются последовательно рассолом минус 15°С и минус 35°С. Несконденсировавшиеся продукты, представляющие собой абгазы синтеза, направляются на последующие технологические стадии для переработки или для утилизации. Уловленную мелкодисперсную пыль с частью метилхлорсиланов выводят из кубовой части колонны (I) в качестве шлама «мокрой очистки». Жидкий хлористый метил, содержаний менее 0,001% об. растворенных абгазов синтеза, выводят из ректификационной колонны как верхний боковой отбор. Смесь хлористого метила и метилхлорсиланов выводят из ректификационной колонны как нижний боковой отбор и направляют в качестве орошения на выносную отпарную секцию (II), у которой отсутствует дефлегматор. Из кубовой части отпарной секции выводят сырец метилхлорсиланов, который направляют на дальнейшие технологические стадии для разделения на товарные продукты. Пары, выходящие из верха отпарной секции (II) и представляющие собой метилхлорсиланы, обогащенные хлористым метилом, возвращают в кубовую часть ректификационной колонны (I) совместно с исходной пылегазовой смесью.

Вне зависимости от состава исходной смеси хлористого метила и метилхлорсиланов, получающейся в процессе синтеза метилхлорсиланов, точка расположения верхнего и нижнего бокового отбора не меняется. Режим работы ректификационной колонны и отпарной секции остается постоянным и стабильным.

Общие энергозатраты на разделение пылегазовой смеси на шлам «мокрой очистки», хлористый метил, метилхлорсиланы и абгазы синтеза, составляют 290 килокалорий на килограмм сырца метилхлорсиланов (экономия 49% энергозатрат по сравнению с прототипом и 65% по сравнению с общеизвестным способом).

пример 4 (заявляемый, фиг. 3)

Продукты синтеза этилхлорсиланов, после выделения крупнодисперсной пыли на стадии «сухой пылеочистки», поступают в кубовую часть ректификационной колонны (I), работающей с полным возвратом флегмы. Пары, выходящие из ректификационной колонны охлаждаются последовательно рассолом минус 15°С и минус 35°С. Несконденсировавшиеся продукты, представляющие собой абгазы синтеза, направляются на последующие технологические стадии для переработки или для утилизации. Уловленную мелкодисперсную пыль с частью этилхлорсиланов выводят из кубовой части колонны (I) в качестве шлама «мокрой очистки». Жидкий хлористый этил, содержаний менее 0,2% об. растворенных абгазов синтеза, выводят из ректификационной колонны как верхний боковой отбор. Смесь хлористого этила и этилхлорсиланов выводят из ректификационной колонны (I) как нижний боковой отбор и направляют в качестве орошения на выносную отпарную секцию (II), у которой отсутствует дефлегматор. Из кубовой части отпарной секции выводят сырец этилхлорсиланов, который направляют на дальнейшие технологические стадии для разделения на товарные продукты. Пары, выходящие из верха отпарной секции (II) и представляющие собой этилхлорсиланы, обогащенные хлористым этилом, возвращают в кубовую часть ректификационной колонны совместно с исходной пылегазовой смесью.

Вне зависимости от состава исходной смеси хлористого этила и этилхлорсиланов, получающейся в процессе синтеза этилхлорсиланов, точка расположения верхнего и нижнего бокового отбора не меняется. Режим работы ректификационной колонны и отпарной секции остается постоянным и стабильным.

Общие энергозатраты на разделение пылегазовой смеси на шлам «мокрой очистки», хлористый этил, этилхлорсиланы и абгазы синтеза, составляют 500 килокалорий на килограмм сырца этилхлорсиланов (экономия 72% энергозатрат по сравнению с общеизвестным способом).

Изобретение относится к способу разделения смеси пыли кремния, абгазов процесса, хлористого алкила и алкилхлорсиланов. Способ характеризуется тем, что разделяемая смесь переменного состава поступает в кубовую часть ректификационной колонны, работающей с полным возвратом флегмы, и на колонне одновременно выделяется четыре потока, а именно газообразный поток по верху колонны (абгазы процесса), шлам «мокрой очистки» как кубовая жидкость, жидкий хлористый алкил как верхний боковой отбор, и жидкие алкилхлорсиланы, имеющие стабилизированное содержание хлористого алкила, как нижний боковой отбор. При этом нижний боковой отбор в виде смеси алкилхлорсиланов и хлористого алкила со стабильным содержанием хлористого алкила поступает в качестве орошения на выносную отпарную колонну, снабженную испарителем кубовой жидкости, на которой в качестве кубовой жидкости получают сырец алкилхлорсиланов, а хлористый алкил с частью алкилхлорсиланов в виде паров из верхней части отпарной секции возвращается для повторного разделения в ректификационную колонну совместно с разделяемой смесью пыли кремния, абгазов процесса, хлористого алкила и алкилхлорсиланов, причем отпарная секция не имеет дефлегматора. Использование предлагаемой схемы позволяет снизить общие энергетические затраты более чем в 2 раза по сравнению с известными способами разделения пылегазовой смеси. Одновременно сокращается количество единиц оборудования, что приводит к уменьшению затрат на оборудование и к уменьшению потребной площади строительных конструкций. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.

1. Способ разделения смеси пыли кремния, абгазов процесса, хлористого алкила и алкилхлорсиланов, отличающийся тем, что разделяемая смесь переменного состава поступает в кубовую часть ректификационной колонны, работающей с полным возвратом флегмы, и на колонне одновременно выделяется четыре потока, а именно газообразный поток по верху колонны (абгазы процесса), шлам «мокрой очистки» как кубовая жидкость, жидкий хлористый алкил как верхний боковой отбор, и жидкие алкилхлорсиланы, имеющие стабилизированное содержание хлористого алкила, как нижний боковой отбор; при этом нижний боковой отбор в виде смеси алкилхлорсиланов и хлористого алкила со стабильным содержанием хлористого алкила поступает в качестве орошения на выносную отпарную колонну, снабженную испарителем кубовой жидкости, на которой в качестве кубовой жидкости получают сырец алкилхлорсиланов, а хлористый алкил с частью алкилхлорсиланов в виде паров из верхней части отпарной секции возвращается для повторного разделения в ректификационную колонну совместно с разделяемой смесью пыли кремния, абгазов процесса, хлористого алкила и алкилхлорсиланов, причем отпарная секция не имеет дефлегматора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хлористый алкил является хлористым метилом, а алкилхлорсиланы являются метилхлорсиланами.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хлористый алкил является хлористым этилом, а алкилхлорсиланы являются этилхлорсиланами.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление в кубовой части ректификационной колонны составляет от 1 атм (абс) до 10 атм (абс).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление верха отпарной секции больше, чем давление в кубовой части ректификационной колонны не менее чем на 0,1 атм, предпочтительно не менее чем на 0,5 атм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высота ректификационной колонны составляет не менее 9 теоретических тарелок, предпочтительно 11-12 теоретических тарелок.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нижний боковой отбор смеси хлористого алкила и алкилхлорсиланов с ректификационной колонны осуществляется с высоты не выше чем 50% от высоты ректификационной колонны, считая снизу, предпочтительно с 25-35% высоты, измеряемой в теоретических тарелках.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхний боковой отбор хлористого алкила с ректификационной колонны осуществляется с высоты не ниже чем 70% от высоты ректификационной колонны, считая снизу, предпочтительно с 75-80% высоты, измеряемой в теоретических тарелках.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высота выносной отпарной секции составляет не менее 6 теоретических тарелок, предпочтительно 8-10 теоретических тарелок.