生产管理知识-年产2000吨顺丁烯二酸二甲酯生产工艺设计(doc 47页)

2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 毕毕 业业 设设 计计 系系 别别: : 化学与材料工程学院 课题名称：课题名称： 马来酸二甲酯的工艺设计 指导老师：指导老师： 刘承先 班班 级：级： 化工 1211 学生姓名：学生姓名： 孔祥宇 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 化工化工 1211 班毕业设计任务书班毕业设计任务书 化工 1211 班， 孔祥宇 同学： 现下达给你毕业设计如下，要求你在预定的时间内，完成此项任务。 一、项目名称：一、项目名称： 2000 吨/年 邻苯二甲酸二丁酯生产工艺设计 通过相关图书、期刊、电子资料等查询、论证，自行确定生产方法，经 老师审阅后执行。 二、主要内容二、主要内容 1、开题报告、开题报告 （1）产品市场概况及前景、现有生产方法评价、以及选定的生产方法评价、以及选定的生产方法 （2）毕业设计主要工作 （3）工作进度安排 2、设计及说明书、设计及说明书 内容见指导书 3、设计图纸、设计图纸 （1）带控制点的工艺流程图 （2）物料流程图 （3）设备一览表 （4）设备平面布置图 三、工艺设计参数：三、工艺设计参数： （1）产品规模及规格： 年生产力：2000 吨/年 产品规格： 98%(wt) ( 2) 年开工时间： 300 天 （3）反应条件、消耗定额、收率等相关数据，请根据所选生产方法的文 献确定。 （4）原料规格：所有原料是工业一级品，通过查阅资料得到。 （5）公用工程条件： 蒸汽： 8kg/cm2 循环冷却水： 20 电： 380V （6）厂址：常州地区，自然条件 主导风向 东南风 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 最大风速 20.3m/s 平均风速 3.1m/s 年平均降雨量 1076.1mm 年平均气温 15.4 绝对最高气温 39.4 绝对最低气温 -15.5 年平均相对湿度 70% 年平均气压 1016.3mbar 地下水位 3.00m 地震烈度 6 四、设计中主要参考资料（参考书）四、设计中主要参考资料（参考书） （包括资料、规范、标准等）：（包括资料、规范、标准等）： 1、化工部设备设计中心站。 化工设备设计手册 、 化学工程师手册 。上 海科学技术出版社。1981。 2、国家医药管理局上海医药设计院编,化学工艺设计手册M（第二版）化 学工业出版社（等） 3、刘光启、马连湘、刘杰。 化学化工物性数据手册 。化学工业出版社， 工业装备与信息工程出版中心。2001。 4、 化学工程手册编辑委员会。 化学工程手册 。化学工业出版社。 1998。 5、化工部科技情报研究所，世界精细化工手册M,北京：科学出版社， 1982.402 6、化工部科技情报研究所，世界精细化工手册M,北京：科学出版社， 1982.402 7、徐克勋,精细有机化工原料及中间体手册M 化学工业出版社 8、中国医药工业公司编印,医药产品生产工艺汇编 M 1996，328 9、张跃，精细化工中间体生产流程图解M 化学工业出版社 10、相关图书、期刊、电子资料等等 五、提交技术文件五、提交技术文件： 设计说明书：1 份 设计图纸：3 张（物料流程图、带控制点工艺流程图、设备平面布置图） 六、上交文件（装订）：六、上交文件（装订）： 1、开题报告：1 份（将此任务书装订在开题报告封面后第一页） 2、设计说明书：1 份； 附：设计图纸 3 张及设备一览表 3、草稿本 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 请将上述文件装在文件袋中上交。请将上述文件装在文件袋中上交。 设计指导老师：刘承先 2014.11.20 常州工程职业技术学院毕业设计开题报告常州工程职业技术学院毕业设计开题报告 （ 2012 届）届） 题目：题目： 马来酸二甲酯生产工艺设计马来酸二甲酯生产工艺设计 学生：学生： 孔祥宇孔祥宇 系：系： 化学工程技术系化学工程技术系 专业班级：专业班级： 化工化工 12111211 指导教师：指导教师： 刘承先刘承先 专业技术职务：专业技术职务： 副教授副教授 一、前言一、前言 1 1、课题的背景、目的和意义 产品用途：用作树脂聚合单体、有机合成中间体。 课题的背景、目的和意义：顺丁烯二酸二甲酯与其它物质的共聚物可制成多种 具有特殊性能和用途的涂料、粘结剂、防缩整理剂等，有很大的市场应用价值。 在顺丁烯二酸二甲酯的生产应用中，若想提高产品生产率，简化后处理工艺， 降低生产成本，则传统的以硫酸为催化剂的生产工艺有必要向新型的绿色经济 型工艺发展；而关键在于高效、廉价、易于分离回收的新型催化剂的设计开发。 沸石型分子筛具有催化活性高，环境污染小，能够重复使用，且可以与多价金 属阳离子进行离子交换改性等优势，将会成为马来酸二甲酯生产工艺中催化剂 发展方向之一。 近几年来，马来酸二甲酯的合成在技术上没有多大的进展，主要停留在 20 世纪 70 年代的技术水平。国内用硫酸作为催化剂，它虽然价廉易得，但设备腐蚀严 重，副反应多，有大量富马酸二甲酷产生，山于在马来酸二甲酯中残存硫酸， 因此，若用液碱中和将产生大量废液，用釜蒸馏时也会有釜残产生造成损失， 而影响马来酸二甲酯的收率。这几年在酯化方面，出现了磷钨酸、硫酸铁、甲 基磺酸、硫酸铁氨、对甲苯磺酸、硅钨酸、聚苯乙烯磺酸、硫酸铁和三氯化铝 等固体超强酸，它们的制备须高温净化分离，非常麻烦，需要自己合成，制备 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 催化剂本身就产生三废。 2 2、课题的现状与发展趋势；课题欲解决哪一方面的问题 现在用于马来酸二甲酯催化合成的无机酸类催化剂主要是硫酸。早先有美国 专利报道，在泡帽塔反应器中，以硫酸为催化剂，甲醇与顺酐按摩尔比 1.4 3.0 混合，在 100125下酯化反应 20140min，马来酸二甲酯收率达到 96 以上。 马来酸二甲酯的应用在国内起步较晚，目前尚无国家及行业标准，国内有 关马来酸二甲酯合成的文献报道较少。传统的硫酸法生产工艺，顺酐酯化反应 通常在反应釜内进行，这种方法工艺成熟。即顺丁烯二酸酯(简称顺 NF)在硫酸 的催化作用下与甲醇进行酯化反应，虽然催化剂活性高、价格便宜，但存在副 反应多、产品容易异构化成富马酸二甲酯、设备腐蚀严重、后续处理复杂等缺 点。目前，只有少数涂料企业在应用顺丁烯二酸二甲酯。硫酸用作催化剂，其 优点是可溶于反应体系中，使酯化反应在均相条件下进行；而且催化活性高， 价格便宜。缺点是硫酸有强氧化性，易使产品色泽变深；且又有强腐蚀性，易 腐蚀设备及排除的酸性废水易造成环境污染。 通过研究各种生产工艺，认为用固体酸催化剂合成马来酸二甲酯具有实用 价值，采用固体酸为催化剂，催化顺酐的甲酯化反应合成马来酸二甲酯的生产 路线，具有生产工艺简单、副产物少、产收率高的特点，具有良好的开发前景 二、课题方案的确定二、课题方案的确定 1 1、方案的原理、特点与选择依据 方案的原理：顺丁烯二酸二甲酯的合成分两步进行： （1 1）顺酐醇解生成顺丁烯二酸单甲酯 HC-C=OHC-C=O=O+CH3OHHC-COOCH3HC-COOH=+CH3OH加催化剂 HC-COOCH3HC-COOCH3=+H2O 该反应过程中顺酐开环结合一分子水，反应迅速，无需催化剂。研究表明， 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 第一步反应容易进行，无需催化剂，基本上是不可逆的。第二步反应是可逆过 程，速率较慢，是合成顺丁烯二酸二甲酯的关键控制步骤，需在催化剂的作用 下才能进行的比较迅速和完全。 （2 2）顺丁烯二酸单甲酯转化为双酯 该反应是可逆过程，是合成马来酸二甲酯的关键控制步骤，需在催化剂的 作用下才能进行的比较迅速和完全。 方案的特点：我选择磷钨酸。因为磷钨酸价廉易得，且具有与产品分离容 易、酯化过程无三废、其催化剂可循环使用、收率可达95%以上等优点。 方案的选择依据：传统生产DMM的方法是以顺酐为原料，在硫酸的催化 1 1 作用下与甲醇进行酯化反应，该生产工艺虽然催化剂硫酸的催化活性高、价格 便宜，但存在副反应多、产品容易异构化成富马酸二甲酯、设备腐蚀严重、后 续处理复杂等缺点。固体酸包括杂多酸、无机酸盐、金属氧化物、固体超强 2 2 酸及沸石型分子筛等，具有很强的酸性，它作为一类新型催化剂材料替代浓硫 酸催化合成酯类物质，具有易分离，可再利用及不腐蚀设备等优点，且反应活 性和选择性都很高。前四类固体酸催化剂已广泛应用于各类酯化反应中，但对 顺丁烯二酸二甲酯的催化合成仍未见有报道。国内有何思列等人简单报道了以 固体酸催化剂催化合成顺丁烯二酸二甲酯，产品收率达到96以上；但是文中 未指出是哪类固体酸催化剂，而且也没有工艺条件；总之，可供参考的信息不 多。与均相酸催化剂相比，离子交换树脂既有很高的催化活性，又具有副反 3 3 应少、无设备腐蚀及工艺流程简单等许多优点。不足的是阳离子交换树脂本身 价格较高，从而会增加生产工艺的整体成本。这几 年，我们发现磷钨酸价 4 4 廉易得，且具有与产品分离容易、酯化过程无三废、其催化剂可循环使用、收 率可达95%以上等优点。 综上所述，我选择磷钨酸催化剂。 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 2 2、课题完成步骤 周次天数学习内容达成目标 13 设计准备动员讲课，明确设计任务要求，完成时 间。 1-417 设计计算物料衡算、热量衡算、设备设计及选型。 5-715 绘图工艺流程图、物料流程图、设备平面布 置图等。 84 编制设计说明 书、答辩 编制设计说明书，并与图纸装订成册。 准备参加答辩。 三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值 1.第 1 周: 对生产的资料进行收集。为以后的设计准备素材。 2.第 2-4 周：物料衡算、热量衡算、设备设计及选型。对方案中的涉及的数据 进行计算，为确定设备和制图提供依据。 3.第 5-7 周：制图 查看相关的文献，严格按照标准制图。 4.第 8 周：编写设计说明书和装订成册。合理的设计说明书可以更加的方便阅 读，寻找信息业更快。 四、参考文献四、参考文献 1、 魏影 石油化工设计数据手册下 石油工业出版社 1985(3) 2、中国石化集团上海工程有限公司 化工工艺设计手册 化学工业出版社 2009(8) 3、申迎华，郭晓刚化工原理课程设计 化学工业出版社 2009-5-1 4、时钧 化学工程手册(上下)(第二版) 化学工业出版社 2002 5、王延吉 有机化工原料（第四版） 化学工业出版社 2003.7 6、张跃 精细化工中间体生产流程图解 化学工业出版社 1995.5 7、曾人泉 塑料加工助剂 中国物资出版社 1997.8 8、陈宇 塑料助剂供产销指南 化学工业出版社 2001.12 五、指导教师审阅意见五、指导教师审阅意见 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 签名： 年 月 日 目目 录录 第一章 前 言10 设计依据：10 产品品种、规格、数量：10 1.1 生产原料和产品的物化性质.10 1.1.1 原料的物化性质：.10 1.1.2 产品的物化性质：.11 1.2 现有的生产方法.12 1.3 生产原理.13 1.3.1 工艺原理:.13 1.3.2 反应原理:.13 1.3.3 影响因素.13 1.4 产品用途及发展前景.14 1.4.1 产品用途：.14 1.4.2 发展前景：.15 第二章 物料衡算16 2.1 原始数据.16 2.2 工艺设计参数.17 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 2.3 物料衡算:.17 2.3.1 反应釜的物料平衡:.18 2.3.2 中和釜的物料平衡:.18 2.3.3 精馏塔的计算:.19 第三章 热量衡算20 3.1 前期各项参数的选择.20 3.2 换热器的热量衡算.20 3.3 单酯反应釜的热量衡算.22 3.4 双酯反应釜热量衡算.23 第四章 设备选型25 4.1 贮罐的选型说明及计算.25 4.1.1 甲醇贮罐 V10125 4.1.2 顺酐贮罐 V102.25 4.1.3 甲醇水溶液中间贮罐 V103.26 4.1.4 产品贮罐 V104.26 4.1.5 精馏甲醇贮罐 V108.26 4.2 反应釜的选型说明及计算.27 4.2.1 单酯反应釜（R101）27 4.2.2 双酯反应釜（R102）28 4.2.3 配碱釜（R103）.28 4.3 换热器的选型说明及计算.29 4.3.1 水冷换热器 E10129 4.3.2 再沸器 E10429 4.4 泵类的选型说明及计算.30 4.4.1 水洗泵 P101.30 4.4.2 进料泵 P102.30 4.4.3 回流泵 P103.31 4.4.4 碱液泵 P10431 4.5 精馏塔的选型说明及计算.32 第五章 三废处理及环境保护 .40 5.1 废水处理.40 5.2 固废处理.40 第六章 安全生产与劳动保护 .41 6.1 危险性物质物性一览表.41 6.2 消防安全措施.41 6.2.1 消防安全措施.41 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 6.2.2 工艺安全措施.41 6.2.3 电气安全措施.42 6.3 劳动防护措施.43 第七章 节能措施46 总 结.47 参考文献 .48 第一章前 言 设计依据： 1、老师下达的“2000 吨/年 马来酸二甲酯生产工艺设计”设计任务书； 2、批准的 2000 吨/年顺丁烯二酸二甲酯生产工艺开题报告 3、各种技术文件 （1）建筑防火设计规范 GB50016-2008 (2)石油化工防火规范 GB50160-2012 产品品种、规格、数量： 产品品种：马来酸二甲酯 年生产力：2000 吨/年 产品规格：98%(wt) 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 1.1 生产原料和产品的物化性质 1.1.1 原料的物化性质：原料的物化性质： 1.顺酐 无色结晶粉末，有强烈刺激气味。溶于乙醇、乙醚和丙酮，难溶于石油醚 和四氯化碳。与热水作用生成马来酸。 全名：顺丁烯二酸二酸酐 熔点：52.8 别称：马来酸酐 沸点：202.2 化学式：C4H2O3 密度：1.48 分子量：98.06 闪点：103.3 物理性质：白色片状结晶，有强烈刺激气味，比重 1.48，易升华，遇水易 潮解生成马来酸。 危险特性：遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧的危险。有腐蚀性。 燃烧产物：CO,CO2 灭火方法：雾状水，泡沫，CO2，沙土 2.甲醇 系结构最简单的饱和一元醇，分子量 32.04，沸点 64.7，又称”木醇“或” 木精“。是无色有酒精气味易挥发的液体。人口服中毒最低剂量约为 100mg/KG 体重，经口摄入 0.31.0g/KG 可致死。通常有 CO 和 H2 反应制 得。 全名：甲醇 外观：无色液体 化学式：CH3OH 闪点：110 分子量：32.04 摩尔质量：32.04g/mol 熔点：-97 黏度：0.59mpa.s，20 沸点：64.7 偶极矩：1.69D(气态) 水溶性：与水完全互溶 主要危害：含甲醇的酒可致失明 浓度：0.7918g/cm3 物理性质： 性状：无色透明，刺激性气味液体 爆炸下限：6% 临界温度：240 临界压力：7.95Mpa 引燃温度：464 爆炸上限：36.5% 化学性状： 1.其外观呈无色透明液体状。遇冷聚合变混浊。能与水、乙醇、丙酮任意 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 混溶。 2.在空气中能逐渐被氧化为甲酸，是强还原剂。在一般商品中，都加入 10%12%的甲醇以防止聚合。 3.沸点 96/101.325kPa；闪点 140F(60)；d2525 1.0811.085；n20D 1.3746。 4.LD50 大鼠口服：0.80g/kg。 5.市场上的甲醛是其水溶液，遇冷能聚合变浑，也可解聚成无色透明溶液。 具有刺激性气味，能使眼睛流泪。为强还原剂。通常为防止聚合加入 10%12%的甲醇。 1.1.2 产品的物化性质：产品的物化性质： 马来酸二甲酯 别 名：顺丁烯二酸二甲酯 分子式：C6H8O4 分子量： 144.13g/mol 规格：99.0%（wt） 物理性质：CAS No.： 624-48-6 外观： 无色透明液体 123 熔点()： -19 相对密度(水=1)： 1.15 沸点()： 204-205 分子式： C6H8O4 分子量： 144.12 主要成分： 纯品 饱和蒸气压(KPa)： 1.33(84) 闪点()： 91 溶解性： 能与乙醚相混溶，微溶于水 化学性质：遇明火、高热可燃 1.2 现有的生产方法 目前，有利用各种催化剂催化合成马来酸二甲酯的方法 （1）采用逐步酸化、逐步加料和离子交换冷冻法合成了十一钨铬铁杂多酸 H6Fe(H2O)CrW11O3910H2O催化剂，通过化学分析、IR、UV光谱对催化剂进 行了表征。结果表明:当甲醇与顺醉的物质的量比为6：1，催化剂用量为 0.89，反应时间2.5h，反应温度97一9，环己烷作为带水剂酯化率可达 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 92.83%。 利用杂多酸催化合成马来酸二甲酷活性高，催化剂用量小，反应条件温和， 操作简便，不腐蚀设备，不污染环境，是酯化反应的理想催化剂，催化剂 重复使用3次，活性不降低。克服了用浓硫酸作催化剂，设备腐蚀严重，污 染重等缺点，而且，催化剂又可重复使用，从而开拓了马来酸二甲酯催化 剂的新领域，具有工业化的前景。 （2） 以苯乙烯二乙烯苯为原料，合成了DZH型树脂催化剂。通过静态 动态等测试方法，研究了树脂催化剂的热稳定性，优化了催化剂合成的工 艺条件。制备的DZH型树脂催化剂用于顺丁烯二酸酐酯化反应，在反应温度 90110.C、反应压力0.6MPa、m（甲醇）:m（顺丁烯二酸酐）1.4、顺丁烯 二酸酐空速0.74h-1条件下，顺丁烯二酸酐转化率99.6%，马来酸二甲酯 收率98.6%。 （3） 顺酐和甲醇在大孔径阳离子树脂催化剂的作用下进行醋化反应，生 成顺丁烯二酸二甲酯和水，经过脱低沸物，中和水洗，干燥及减压薄膜蒸 馏等精制工序处理，制得成品(产品纯度达到99.0%以上) （4） 国内外顺酐酯化低压加氢的酯化过程中多用甲醇为酯化剂。甲醇作为 酯化剂工艺优点有:使酯化后的甲醇和水的分离变得容易;增加DMM的挥发度， 使之气相加氢的操作范围变宽;甲醇的酯化转化率高达99.5%，故不存在DMM 的提纯过程，不需要未反应的顺酐和单甲酯循环，只有甲醇提纯循环过程， 从而大大简化了流程，故工程总投资比以乙醇为醋化剂时减少15% 。首先 将 过 量的甲醇和顺酐混合进人单酯反应器，生成马来酸单甲酯，该过程较 易进行，在较低温度下无需使用催化剂，并且具有较高的收率。然后马来酸 单甲酯和甲醇分别由顶部和下部进人双酯化反应生成DMM。 通过研究各种生产工艺，认为用固体酸催化剂合成马来酸二甲酯具有实用 价值，采用固体酸为催化剂，催化顺酐的甲酯化反应合成马来酸二甲酯的 生产路线，具有生产工艺简单、副产物少、产收率高的特点，具有良好的 开发前景，所以这里我选择固体酸催化剂里的磷钨酸作为催化剂。 1.3 生产原理 1.3.1 工艺原理: 马来酸二甲酯合成反应原理具体试验步骤有二个阶段：首先以甲醇和顺酐 为原料，顺酐与过量甲醇混合极易发生酯化反应，顺酐醇解生成顺丁烯二 酸单甲酯，单酯化反应在0. 1 MPa、40一60条件下进行；此反应过程中 顺酐开环结合一分子水因此该反应较为迅速，可不用催化剂；然后顺丁烯 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 二酸单甲酯转化为双酯，是合成马来酸二甲酯的关键步骤，需在固体酸的 催化作用下，反应才能进行得比较迅速;另外，由于酯化水不与甲醇共沸， 排出体系较为困难，而水的存在会阻止反应向正反应方向进行，因此必须 将酯化水排出反应体系才能确保酯化完全。 1.3.2 反应原理: 第一步: 顺酐醇解生成顺丁烯二酸单甲酯 第二步：顺丁烯二酸单甲酯转化为双酯 1.3.3 影响因素 （1）甲醇用量对产品收率的影响 顺丁烯二酸单甲酯的进一步酯化较为困难，过量的甲醇推动正反应 的进行，提高目标产物的收率，一般来说，甲醇与顺酐的摩尔比应 在6：1以上。固体酸的价格较高，在保证转化率的基础上应尽量减 少其用量，降低产品生产成本，一般来说，固体酸的用量为顺酐量 的1.5%)（对顺酐，下同）为宜， ，当催化剂的用量为顺酐量的1.5%) 时，产品的收率较高；如再增加 催化剂的用量，产品的收率增加不 明显，因此催化剂用量控制在顺酐量的1.5%)为宜。因单酯转变为双 酯的反应速度较慢，在催化剂的作用下，仍然需要较长的反应时间， 才能达到较高的产品收率。 （2）催化剂用量的影响 固体酸的价格较高，在保证转化率的基础上应尽量减少其用量，降 低产品生产成本，当催化剂的用量为顺酐量的15时，产品的收 率较高。 （3）反应时间对产品收率的影响 因单酯转变为双酯的反应速度较慢，在催化剂的作用下，仍然需要 较长的反应时间，才能达到较高的产品收率。 （4）吸水剂的影响 单甲酯与甲醇反应生成二甲酯和水, 从化学平衡分析, 如果在反应 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 过程中分出所生成的水, 将有利于二甲酯的生成。实验过程中, 单 甲酯与二甲酯的沸点较高, 回流组分主要为甲醇和水。为此, 在回 流管上部装入吸水剂, 吸附反应生成的水, 可以提高二酯的生成速 率。装填吸水剂后, 可以减少催化剂用量, 二甲酯产物的选择性有 所提高。仅有吸水剂而没有催化剂时, 反应的效果也不好 1.4 产品用途及发展前景 1.4.1 产品用途： (1)、在涂料行业中的应用 顺丁烯二酸二甲酯广泛用于涂料行业中，顺丁烯二酸二甲酯与其他物 质的共聚物可制成多种具有特殊性能和用途的涂料。 (2)、在粘结剂中的应用 德国拜尔公司的一个专利生产的粘结剂，用于快干涂料，可以获得高 硬度的涂层。顺丁烯二酸二甲酯与1，1-二氟乙烯聚合，可以合成非水 电解质锂电池电极的粘结剂。顺丁烯二酸二甲酯与醋酸乙烯、甲基丙 烯酸甲酯聚合可用于合成水分散体系的鞋类粘结剂。 (3)、在合成光学材料中的应用 双酚A-环氧乙烷(1：2摩尔)、顺丁烯二酸二甲酯共聚物44份、顺丁烯 二酸二甲酯6份、对苯基苯甲酸烯丙基酯30份、间苯二甲酸二烯丙基酯 20份、过氧碳酸二异丙酯3份共聚，可以制得耐冲击、透光率优良的聚 醋光学材料。 N-乙烯基-2-吡咯烷酮50份、顺丁烯二酸二甲酯49 5份、乙二醇二甲基 丙烯酸酯05份聚合，所得的共聚物适用于制造具有稳定直线膨胀率 的软接触透镜和含水软接触透镜。 (4)、在不饱和树脂防缩整理剂中的应用 顺丁烯二酸二甲酯与顺丁烯二酸、醋酸乙烯和2-丙氧基甲基环氧乙烷 聚合，用于不饱和聚酯膜制品的防缩整理剂，可以制得较高表面光滑 度、收缩系数小于0020的聚酯产品 1.4.21.4.2 发展前景： 马来酸二甲酯的应用在国内起步较晚，目前尚无国家及行业标准，国 内有关马来酸二甲酯合成的文献报道较少。传统的硫酸法生产工艺， 即顺丁烯二酸酥(简称顺NF)在硫酸的催化作用下与甲醇进行酯化反应， 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 虽然催化剂活高、价格便宜，但存在副反应多、产品容易异构化成富 马酸二甲酷、设备腐蚀严重、后续处理复杂等缺点。 目前，只有少数涂料企业在应用顺丁烯二酸二甲酯。随着我国经济的 发展，人民生活水平的提高，对高档材料的需求量越来越大，特别是 汽车在我国具有很大的潜在市场，随其发展，需要大量的耐酸耐候的 高品质汽车涂料。所以，借鉴国外先进技术，利用顺丁烯二酸二甲酯 合成具有特殊性能的化学品，用于一些新兴高科技领域具有重大意义。 第二章 物料衡算 2.1 原始数据 2.1.1 品规模及规格： 产能力：2000 吨/年马来酸二甲酯生产装置 产品规格：99.0%（wt） 2.1.2 年开工时间：300 天，每批操作周期：8 小时 2.1.3 物料规格： 序 号 名称规 格 分子量 （g/mol） 密度 （Kg/m3） 1 顺酐 9998934 2 甲醇 99.6 32792 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 3 1,2-二氯 乙烷 9999 4H2O18998 5NaOH40 6 磷钨酸 2880 7H2SO4 98 98 8 甲苯 99 92 9 苯 99 78 2.1.4 公用工程条件 蒸汽： 8kg/cm2 循环冷却水： 20 电： 380V 2.1.5 厂址：常州地区，自然条件 主导风向 东南风 最大风速 20.3m/s 平均风速 3.1m/s 年平均降雨量 1076.1mm 年平均气温 15.4 绝对最高气温 39.4 绝对最低气温 -15.5 年平均相对湿度 70% 年平均气压 1016.3mbar 地下水位 3.00m 地震烈度 6 2.2 工艺设计参数 采用磷钨酸为催化剂，1，2-二氯乙烷为带水剂，顺酐和甲醇反应，通过精 制获马来酸二甲酯。 甲醇和顺酐的摩尔比：6：1 催化剂的质量是顺酐质量的 1.5 % 顺酐有 93%变为马来酸二甲酯，7%变为单酯 顺酐转化率为 100% 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 反应温度：900C 反应周期：8h 其余有关数据参考有关资料报告。 2.3 物料衡算: 主反应方程式： C4H2O3 + CH3 OH C5H6O4 C5H6O4 + CH3 OH C6H8O4 + H2O 一年 300 个工作日，一天按 8 小时生产 生产的 2000 吨/年的马来酸二甲酯 需要的各物质的物质的量质量分别为： n 酐=（2000100099 .0%）/（30014493%100%） =49.28Kmol/day m 顺酐=49.2898=4829.44kg/day v 顺酐=4829.44/0.934=5171L n 甲醇=49.286=295.7Kmol/day m 甲醇=295.732=9462kg/day v 甲醇=9462 /0.792=11947 L/day m 磷钨酸=1.5%m 顺酐=0.0154829.44=72.44kg/day v 带水剂=200L/day 2.3.1 反应釜的物料平衡: 顺酐选择性为 93%，生成马来酸二甲酯的物质的量为： mDMM =7.582103kg/day； nDMM = 52.61Kmol/day m H2O=9.4710 2 kg/day； nH2O =52.61Kmol/day vH2O = 9.4710 2 L/day； v甲醇 =1.3713104 L/day m 磷钨酸=1.5%m 顺酐=0.0154829.44=72.44kg/day v 带水剂=80L/day 生成 1molDMM 需每天消耗的甲醇量为: 1.9349.28kmol =95.1104 kmol/day 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 剩余的甲醇的量： n 甲醇=295.7-95.1104=200.5896kmol /day m 甲醇=200.589632=6.41910 3kg/day 2.3.2 中和釜的物料平衡: 有 93%的顺酐转为目的产品，还有 7%的顺酐和甲醇反应生成副产物。反 应方程式如下： C4H2O3 + CH3 OH C5H6O4 顺酐每天的投料量为 46.20kmol，生成的单酯的量为 n 单酯=49.287%=3.4496kmol/day m 单酯=3.4496130=448.448kg/day 反应平衡简图如下： 根据上面的简图，可检验平衡： 进口物料总量：49.2898+295.732= 14291.84kg/day 出口物料总量：56.21144+200.589632+52.6118=15460 kg/day 所以，进出口物料的量相等，则反应平衡 2.3.3 精馏塔的计算: 反应釜中的气相产物经冷凝后分离出的甲醇和水的组成： n H2O=52.61kmol/day n 甲醇=295.7-95.1104=200.59kmol /day 每天总进料量为：n 总=52.61+200.59 =253.2kmol/ day 摩尔组成：甲醇 200.59 /253.2=79.2% 水 52.61/253.2= 20.8% 以时间单位为基准，即总物料量F=D+W (1) 易挥发组分量FXF=DXD+WXW (2) 已知处理量 n 总为 253.2 kmol/ day，一天按 8 个小时来计算那么精馏塔的 进料量为：F=31.65kmol/h 要求 XD99.6%，XW0.2% C4H2O3 49.28Kmol /day CH3OH 295.7Kmol /day C6H8O4 52.61Kmol/day CH3OH 200.5896Kmol/day H2O 52.61Kmol/day 反 应 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 31.65=D+W 31.6579.2%=99.6%D+0.2% W 所以计算得： D=25.15kmol/ h W=6.50kmol/ h 设备物料平衡表 序号组 分 kg/ht/dt/a w 1 顺酐 301.862414.7272446199 2 甲醇 591.364730.88141926499.6 3 氢氧化钠 17.2137.641280 4 水 34.83278.6483592 进 料 进料总计 945.237561.842268552 1 马来酸双酯 412.563000.48990144 2 剩余甲醇 401.123208.9696268899.6 3 氢氧化钠 8.668.820640 4C6H6O4Na32.68261.4478432 5 水 90.27722.16216648 出 料 出料总计 907.737261.842178552 第三章 热量衡算 3.1 前期各项参数的选择 流动形态的选择理由：流动形态的选择理由：（如图）由于在冷、热流体进出口温度相同的条件下， 并流操作两端推动力相差较大，其对数平均值必然小于逆流操作。所以就增 加传热过程推动力而言，逆流操作总是优于并流，另外逆流可以节省冷却介 质或加热介质的用量，因此我们选择逆流操作。 加热介质的选择理由：加热介质的选择理由：常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气 是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以 通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可 达 1001000，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很 低，加热温度控制困难。本设计选用温度为 160的饱和水蒸气作加热介质， 水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 复杂。 冷却剂的选择理由：冷却剂的选择理由：常用的冷却剂有水、空气和冷冻盐水，水和空气可将物 料冷至环境温度，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为 1025。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂 等。 动力（水、电、气、汽）技术规格动力（水、电、气、汽）技术规格 表 1 技术规格 序号名 称规 格 1蒸汽3kg/cm3 2循环冷却水 20 3电220V 380V 3.2 换热器的热量衡算 （1）水冷换热器 E101 气相物料经过水冷凝冷下了甲醇、水和带水剂 设冷却水的进口温度 t1=25, 出口温度 t2=35 物料的进口温度 T1=90 , 出口温度 T2=40 由于带水剂含量很少，可忽略 容的计算 平均温度T=（90+40）/2=65 65+273.15=338.15K时，查化学工程化学工程 手册手册11得相关的数据和 公式：C Cp p=A+BT+CT=A+BT+CT 2 2+DT +DT 3 3 表 3.7 理想热容系数 编号 ABCD 甲醇1 5.0521.69410- 2 6.17910- 6 -6.81110-9 水2 7.7014.59310- 4 2.52110- 6 -0.858910-9 由C Cp p=A+BT+CT=A+BT+CT 2 2+DT +DT 3 3 计算得 C Cp,1 p,1=5.052+1.69410 -2338.15+6.17910-6338.152-6.81110- 9338.153=11.22kcal/kmol.k C Cp,2 p,2=7.701+4.59310 -4338.15+2.52110-6338.152-0.858910- 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 9338.153=8.11kcal/kmol.k C CP P=C=Cp,1 p,1 x x +C +Cp,2 p,2(1-x) (1-x) =11.220.814+8.11（1-0.814） =10.6415 kcal/kmol.k tm的求取 =(90-35）-(40-25)/1.3 =30.77 求热负荷 设换热器的换热面积为10m3 ,根据化学工艺设计手册化学工艺设计手册- -上册上册取 K=1000kcal/(m2.h. ) Q Q =KAtm=KAtm =10001030.77 =3.077105 kcal/h 冷却水的用量 Q=GCP(t2-t1) 查水的 CP=1.00kcal/k G=3.077105/(35-25)=3.077104 kg/h 3.3 单酯反应釜的热量衡算 Q1Q2Q3Q4Q5Q6 设基准温度为 25，原料进料温度 25，即 Q10 由于是连续反应，所以 Q50 热损失 Q6=10%Q2 Q3 反应过程热 C C4 4H H2 2O O3 3 + + CHCH3 3 OHOH C C5 5H H6 6O O4 4 12196.33KG/DAY 顺酐 99% 23894KG/DAY 甲醇 99.6% 单酯 13214.5KG/DAY 未反应甲醇 16208KG/DAY Q1：原料带入量 Q2：水蒸气供热 Q3：反应过程热 Q4：物料带出热 Q5：设备吸收热 Q6：环境损失热 热量 物料 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 C4H2O3 s -Hc=332.10kal/mol CH3 OH l -Hc=170.9kcal/mol C5H6O4 l -Hc=535.268kcal/mol Q3=(535.268-170.9-332.10) 12196.331000/98=1.678107KJ Q4 物料带出热的计算 单酯带走的热量 25时单酯 C25P=18.8+25.95+14.1+9.95=228.855J/(mol.k) 100时 C100P=22.5+26.7+15.5+11.55=263.131J/(mol.k) CP=(228.855+263.131)/2=245.993J/(mol.k) Q单酯=CMt=245.99313214.5/130.10(100-25)=1.87106KJ 未反应的甲醇带走的热量 25时未反应的甲醇 C25P=9.95+10.5=85.481J/(mol.k) 100时 C100P=11.5+17.0=119.339J/(mol.k) C Cp p=(85=(85 .481+119.339)/2=102.4095J/(mol.k) Q 未反应甲醇=CMt=102.4095(1.6208104)/32(100-25) =3.8902106KJ Q4=Q单酯+Q未反应甲醇 =1.87106+3.8902106 =5.76106KJ Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3 =5.76106+0+10%Q2-0+1.678107 =2.5107KJ Q6=10%Q2=2.5106KJ 单酯反应釜热量衡算表 进热量（kJ/h）出热量（kJ/h） 原料投入量 Q1 0 物料带出热Q4 1.435106 水蒸汽加热Q2 5.23106 设备吸收热Q5 0 反应过程热Q3 -3.27106 热损失Q6 5.23105 总计 1.96106 KJ 总计 1.958106 KJ 3.4 双酯反应釜热量衡算 单酯 甲醇 鏻钨酸 双酯 水 杂质（含单酯） 物料 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 C C5 5H H6 6O O4 4 + + CHCH3 3 OHOH C C6 6H H8 8O O4 4 + + H H2 2O O C C5 5H H6 6O O4 4 Hc=535Hc=535.268kcal/mol CHCH3 3 OHOH - - Hc=Hc=170.9kcal/mol C C6 6H H8 8O O4 4 HcHc=629.697kcal/mol Q3=(-629.697+535.268+170.9)/13013214.593%10004.18 =3.021107KJ Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 Q4=Q双酯+Q水 5.76106+Q2+3.021107=5.76106+10%Q2 Q2=3.36107KJ Q6=10%Q2 Q6=3.36106KJ 双酯反应釜热量衡算表 进热量（kJ/h）出热量（kJ/h） 原料投入量 Q1 8.56105 物料带出热Q4 2.59106 水蒸汽加热Q2 1.01107 设备吸收热Q5 0 反应过程热Q3 -7.32106 热损失Q6 1.01105 总计 3.63106 KJ 总计 3.6106 KJ Q1：原料带入量 Q2：水蒸气供热 Q3：反应过程热 Q4：物料带出热 Q5：设备吸收热 Q6:环境损失热 热量 2000t/a 马来酸二甲酯生产工艺 第四章 设备选型 4.1 贮罐的选型说明及计算 4.1.14.1.1 甲醇贮罐甲醇贮罐 V101V101 要求：计算每天需要的甲醇体积 V 总=3.0169104L,根据生产情况选取 100 m3 的贮