【毕业论文】年产3万吨碳酸二甲酯项目设计

年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 1摘要 碳酸二甲酯 (称 化学式 子量为 温下为透明液体，略带香味。难溶于水，但能与醇、酮、酯等任意比混溶。 性很小，对金属基本上无腐蚀性。 有酯的通性，可与水发生水解反应；可与含活泼氢基团的醇、酚、胺、酯等化合物反应；与二元醇或二元酚反应生成聚碳酸酯。 子中含有羰基、甲基、甲氧基等基团，具有良好的反应性能，可代替剧毒的光气、硫酸二甲酯、氯甲烷等作为羰基化剂、甲基化剂和甲氧基化剂，成为开发一系列洁净化工工艺的新基块。 设计 3 万吨 /年碳酸二甲酯的工厂设计。本次设计我选用尿素直接醇解法其特点如下： （ 1）原料廉价易得； （ 2）工艺简单，易于操作； （ 3）反应产生的氨气可以回收利用，对环境友好，绿色无污染； （ 4）反应过程无水生产，避免了甲醇这复杂体系的分离问题，使后续分离提纯简单化。 通过本次实验， 我学习到了工厂设计一套生产碳酸二甲酯的工艺流程的整个过程。 关键词：碳酸二甲酯，合成，工艺流程 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 2to a at in is be or a as a a of of (1) (2) is to (3) of be (4) of to of of I to a in of in 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 3目录 摘要 . . 1 . 2 . . 5 计项目 . 5 酸二甲酯的性质和用途. 5 计原则 . 5 2 碳酸二甲酯生产工艺设计 . 5 艺方案的选择 . 5 酸二甲酯生产工艺. 6 应流程 . 6 应条 件及能耗 . 7 应主要设备 . 7 化剂 的比较与选择 . 7 3 物料衡算 . . 8 程简述 . 8 酸二甲酯合成及分离工段 . 8 应精馏塔物料衡算 . 9 沸精馏塔物料衡算 . 10 取精馏塔物料衡算 . 10 取剂回收塔物料衡算 . 11 制塔物料衡算 . 12 醇精制塔物料衡算 . 12 流程物料衡算 . 13 4 主要设备设计与选型 . 15 热器的设计 . 15 馏塔的设计举例. 17 馏塔 计数据 . 17 算过程： . 19 应精馏塔 . 21 的选型举例 . 22 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 4附录. .考文献 . 27 声明. .产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 5计项目 本课题以某石油化工厂尿素和甲醇为原料，进行年产 30000 吨工业碳酸二甲酯装置的工业设计，并提交设计说明书及相关工程图纸。工艺设计流程模拟采用 I 软件进行计算。 配管设计采用 维管道设计与管理系统辅助设计,年工作时间大于 8700 小时。 酸二甲酯的性质和用途 碳酸二甲酯 (称 化学式 子量为 温下为透明液体，略带香味。难溶于水，但能与醇、酮、酯等任意比混溶。 性很小，对金属基本上无腐蚀性。 有酯的通性，可与水发生水解反应；可与含活泼氢基团的醇、酚、胺、酯等化合物反应；与二元醇或二元酚反应生成聚碳酸酯。碳酸二甲酯是一种新兴的绿色基础化学原料，可以满足当前清洁工艺的要求，符合可持续发展的战略趋势，同时兼具多种优良性能。 计原则 由于化工厂的投资建设,要考虑到环境、技术可行性等各方面的因素。 2 艺方案的选择 目前国内外生产碳酸二甲酯的方法主要有光气甲醇法、光气醇钠法、甲醇酯交换法、二氧化碳直接合成法、尿素直接醇解法、尿素间接醇解法以及甲醇氧化羰基法。本次实验我采用尿素直接醇解法，尿素直接醇解法有如下特点： （ 1）原料廉价易得； （ 2）工艺简单，易于操作； 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 6（ 3）反应产生的氨气可以回收利用，对环境友好，绿色无污染； （ 4）反应过程无水生产，避免了甲醇 后续分离提纯简单化，节省投资。 （ 5）虽然反应第二步中 G0，在热力学上为非自发反应，但可以通过提高温度，增大压强来提高其转化率。由实验可知反应温度在 185，压力 ，尿素和甲醇在反应精馏塔中反应，在此条件下尿素的转化率可以达到 100%，碳酸二甲酯的选择性大于 98%， 单程收率大于 50%。 酸二甲酯生产工艺 应流程 图 2其流程示意图： 12345 678制塔； 9 图 艺流程示意图 流程简介： 在 1 号为反应精馏塔， 尿素和甲醇分别以熔融和气相状态从反应精馏塔的上端和下端进入塔内。两者在塔内的固定床上逆流接触产生反应，其中未反应的部分在塔底列管式反应器上继续发生反应；反应精馏塔可以将反应产生的 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 7馏出去，因此可以打破反应的平衡从而提高反应转化率，增加其收率；反应精馏塔上端为一个全凝器，在全凝器上端可采出氨气，下端采出口采出的 甲醇混合物经过 2 号共沸精馏塔，塔顶采出 甲醇的共沸物，塔底采出交纯的甲醇， 共沸物再经过 4 号膜分离器再次提浓， 打破 甲醇的二元共沸点，此时 浓度可达 40%，再经过分离车间提纯。 6 号为萃取精馏塔，采用邻二甲苯为萃取剂，使用萃取精馏的方法分离甲醇和 以大大降低其能耗。萃取精馏得到的产物再经过 7 号萃取剂回收塔和 8 号 制塔最后得到含量为 品。 应条件及能耗 催化剂 :双金属催化剂 量占尿素质量的 27%； 反应原料 : 甲醇尿素 进料； 反应条件 :185， 反应工艺 :反应精馏； 分离工艺 : 膜分离，常压萃取精馏分离； 尿素单耗： t 甲醇单耗： t 能耗 : 3t 应主要设备 尿素醇解法生产碳酸二甲酯反应精馏塔，萃取精馏塔，精馏塔。 化剂的比较与选择 通过比较与分析 （ 1） 且容易与产品分离，分离后的 （ 2）催化剂不含有毒元素； （ 3）副产物少，但有氨基甲酸甲酯和氨甲酸甲酯，容易分离； 因此，我们选择 程特色 碳酸二甲酯的生产一直存在原料剧毒，生产成本高，操作工艺复杂，分离困难等限制其发展的诸多问题。 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 8本流程采用尿素和甲醇直接醇解法合成碳酸二甲酯降低原料的成本， 减少投资，且生产过成中无水生成，降低了分离的难度；通过使用反应精馏塔，设备结构紧凑，布局适合尿素和甲醇合成碳酸二甲酯的生产，反应转化率高，生产过程安全易控，操作方便，使生产流程更为简捷。通过使用蒸气渗透膜分离技术，不需要引入共沸剂。分离采用萃取精馏分离得到最优级产品，分离工艺简单易控。通过使用双金属 高原子利用率，降低生产成本。 3 物料衡算 程简述 本厂主要生产碳酸二甲酯（ 3 万吨 /年） ，同时副产氨水。由尿素和甲醇为原料，在反应精馏塔内反应。从塔顶采出碳酸二甲酯和甲醇的共沸物，经过膜分离器提浓跨过共沸点，产物通过萃取精馏塔，两个碳酸二甲酯精馏塔，最终生产纯度为 酸二甲酯。整个生产工艺包括碳酸二甲酯的合成以及产品的分离精制两个阶段。 酸二甲酯合成及分离工段 尿素和甲醇为原料，经反应精馏塔一步反 应直接得到碳酸二甲酯和氨气，氨气从反应精馏塔塔顶馏出，产物依次通过共沸精馏塔、膜分离器、萃取精馏塔、在经过碳酸二甲酯精制精馏塔，最终生产纯度为 程如图 4 (酸二甲酯合成及分离工段流程模拟图 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 9应精馏塔物料衡算 表 3应精馏塔物料衡算表 o. 185 185 185 g/ 0 0 邻二甲苯 0 0 0 0 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 10沸精馏塔物料衡算 表 3沸精馏塔物料衡算表 o. 4 9 0 0 0 0 邻二甲苯 0 0 0 取精馏塔物料衡算 表 3取精馏塔物料衡算表 o. 6 11 50 1 0 0 0 0 0 0 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 11续表 3取精馏塔物料衡算表 N 6 11 0 0 邻二甲苯 C 0 0 0 0 0 0 取剂回收塔物料衡算 表 3取回收塔物料衡算表 o. 1 0 二甲苯 0 0 0 0 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 12制塔物料衡算 表 3制塔物料衡算表 o. 2 13 1 1 0 0 0 0 0 邻二甲苯 C 0 0 0 0 醇精制塔物料衡算 表 3醇精制塔物料衡算表 o. 5 0 0 0 0 0 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 13续表 3醇精制塔物料衡算表 o. 5 0 邻二甲苯 C 流程物料衡算 表 3流程物料衡算 o. 25 25 150 185 105 2 26 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 14续表 3流程物料衡算 o. 0 0 0 二甲苯 0 0 0 C 0 0 0 0 0 0 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 154 热器的设计 列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另 壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。图 6其结构示意图。 12 接管法兰； 3 456 接管法兰 图 4管式换热器 用 个换热器进行模拟，得到相关物料参数后，得到数据如下： 表 4型计算 换热器名称 热器类型 无相变换热器 换热器管程传热特点 液体无相变 换热器壳程传热特点 气体无相变 换热器功能选择 计算总传热系数进行换算 换热器管程物料选择 有机化合物 换热器壳程物料选择 有机化合物 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 16续表 4型计算 设备数据 换热器壳内径 3m 换热器管数 32换热管外径 热管间距 三角形 换热管程数 2 换热器传质单元数 板切割高度与换热器壳内径 热器挡板间距 4 传热数据 换热器总传热系数 Kw/m2k 热器对数平均温差 热器热负荷 热器管程流体流量 Kg/h 67600 换热器壳程流体流量 Kg/h 67600换热器管程流速 M/s 热器壳程流速 M/s 热器管程压力降 热器壳程压力降 热器管程 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 17馏塔的设计举例 浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷 的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小 (因气体水平吹出之故 )，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜， 并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。图 6其结构示意图： 123456图 4阀塔结构示意图 我们首先通过 件计算得到相关的设计参数和物性资料对生产过程中的精馏塔进行了初步设计。 馏塔 计数据 表 4馏塔 体数据一 序号 项目 数值 1 塔径 D/m 1 2 塔板间距 HT/m 塔板型式 单流型 4 阀孔直径 d/m 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 18续表 4馏塔 体数据一 序号 项目 数值 5 堰长 lw/m 外堰高 hw/m 板上清液层高度 hl/m 降液管底与管间距 h0/m 阀数 N/个95 10 阀孔速度 u0/1 阀孔动能因数 2 阀间距 /m 3 开孔率 4 塔板压降 hp/m 5 物性系数 K 6 降液管内清液层高度 hd/m 液柱 7 泛点负荷因素 8 负荷上限（雾沫夹带控制） % 114 19 负荷下限（最小气流量控制） % 44 表 4馏塔 体数据二 序号 项目 数值 1 工作压力 / 工作温度 / 72 3 设计压力 / 设计温度 / 75 5 材料 许用应力 /11 7 材料的屈服极限 /65 8 钢板负偏差 腐蚀余量 10 焊缝系数 1 筒体最小壁厚 碳钢 =3800 12 名义厚度 /n=5 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 19续表 4馏塔 体数据二 序号 项目 数值 13 有效厚度 /4 液压试验 /5 封头曲面深度 50 16 形状系数 7 计算厚度 8 最小有效厚度 /9 名义厚度 0 有效厚度 1 液压试验许用应力 /2 筒体质量 /6 封头质量 /4 筒体总质量 /5 塔盘的单位面积重量 /N/ 750 26 塔盘数（个） 25 27 塔盘总质量 /8 裙座高度 /m 9 估计裙座质量 /0 塔上其余附件质量 /1 附件总质量 /2 空塔总质量 /3 全塔操作质量 /4 全塔水压时的总质量 / 计算过程： 浮阀塔工艺尺寸的计算 根据给定的分离任务，求出理论板层数后，就可以按照下式计算塔的有效高度，即： 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 20m; m =25 Z= 13m 2 塔径 依据流量可计算出塔径 m m3/s m/s 工作温度为 72 甲醇为气体 其密度为 s 取 1m 3 出口堰 堰长 溢流，一般 D，对于双溢流，取为（ D，其中 D 为塔径。 板上液层高度为堰高与堰上层液层高度之和，即： m m m 算得 以可以使用单溢流。 浮阀的数目与排列 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 21故气体通过浮阀孔时的动能因数 m/s kg/控气速 的关系如下： 式中 m3/s m 算得， N=95 应精馏塔 反应精馏是将化学反应与精馏分离 2种过程在同一设备中进行的耦合过程程。与传统工艺相比，反应精馏具有选择性高、转化率高、生产能力高、产品纯度高、投资少、操作费用低和能耗低等特点。 12345 i、 k、 h、 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 22图 4应精馏塔结构示意图 注：具体详图见附图二。 尿素醇解法生产碳酸二甲酯反应精馏塔塔身为圆柱状， 由反应段精馏段两部分组成，下部分反应段，上部分分离段。 塔身下部的反应段：共包括两种反应形式，即绝热与换热两种反应形式。反应段下端为换热的列管固定床。反应段上端为绝热固定床。列管固定床内可以装催化剂。列管固定床外上部有通加热蒸汽的蒸汽入口；列管固定床管外下部有蒸汽凝液出口。 列管式固定床下部为气相甲醇进料口， 甲醇进料口下为液位控制区。塔底部有循环液出口。列管式固定床的上部有一层液体分布器，液体分布器有排液孔和升气管。液体分布器上部有循环物料进料口。循环物料进料口上部为气相甲醇进料口，气相甲醇进料口上部为绝热固定床，绝热固定床层顶部有绝热固定床层的液体分布器，绝热固定床层的液体分布器上有排液孔和升气管。在绝热固定床层的液体分布器上有液体尿素进料口，尿素进料口以上为分离段。 塔身上部的分离段：分离段下端是板式精馏塔，有塔板，每块塔板上装有俘阀，在分离段的下端的塔板之间分别有三个粗碳酸二甲酯侧线采出口，在第一块塔板上有回流口，分离段上端是全凝器，分离段的顶端有氨气出口。 的选型举例 表 4型计算 泵性能参数 名称 取值 流量 m3/h 速 m/s 程 m 口压力 压 ) 压 ) 装高度 m m 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 23续表 4型计算 名称 取值 效率 % 70 有效功率 功率 料名称 作容器内压力 密度 kg/入容器内 操作压力 度 Pas 和蒸气压 压 ) 出容器内 操作压力 诺数 产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 24附录 工艺流程图 厂区布置平面图 结构示意图 年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 25年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 26年产 3 万吨碳酸二甲酯的合成项目 27参考文献 1 李光兴 ,许汉昌 ,等 J1995,(4):561 2 江琦 J,石油化工 ,2000,29(2):1442147. 3 萧翠玲 ,王艳花 ,董树生 . 21世纪的绿色基础化学原料 J2000,19(2):404 李正西 J2000,(5):29. 5 王爱荣 ,汤志军 N1998). 6 戴志谦，贡为明 J 1999.（ 2） 7 中国化工产品大全 (上卷 )M化学工业出版社 ,1994,7. 8 化工产品手册 (有机化工原料上册 )M化学工业出版社 ,1985,6. 9 王景春 ,武验 ,邵国斌 N1998). 10 周备 000吨碳酸二甲酯项目动工 N1998). 11 汤志军 N1998). 12 王辰 ,王