年产五万吨碳酸二甲酯项目设计书修改后.doc

年 产 5 万 吨 碳 酸 二 甲 酯 项 目 年产五万吨碳酸二甲酯项目设计书郑州大学智多星团队 设计任务书 一、 设计目标 为一个联合化工总厂设计一座碳酸二甲酯分厂。 二、 设计基础条件 1、 产品规格： 碳酸二甲酯产品的质量应满足中华人民共和国化工行业标准HG/T3934-2007规定的技术指标： 项目指标（摩尔分率） 一级品 优级品 纯级品 外 观无色透明液体，无可见杂质 碳酸二甲酯，% 99.5 99.8 99.8 水份，% 0.1 0.050 0.0020 甲醇含量，% 0.20 0.050 0.0020 色度(铂-钴色号)，号 10 5 5 相对密度，g/cm3 1.0710.005 2、环境要求： 尽量采取可行的措施减少工厂对环境的不利影响，并对排出的污染物提出合理的治理方案。 三、 工作内容及要求 1、 项目可行性论证 1） 建设意义 2） 市场分析 3） 原料路线 4） 建设规模 5） 厂址选择 6） 效益分析 2、 工艺流程设计 1） 工艺方案选择及论证 2） 工艺流程计算机仿真设计 3） 绘制带控制点工艺流程图 4） 编制物料及热量平衡计算书 3、 设备选型及典型设备设计 1） 典型非标设备精馏塔的工艺设计，编制计算说明书。 2） 典型标准设备换热器的选型设计，编制计算说明书。 3） 其他设备的选型说明。 4） 编制设备一览表。 4、 车间设备布置设计 选择至少一个主要工艺车间，进行车间布置设计 1） 绘制车间平面布置图； 2） 绘制车间立面布置图； 3） 鼓励采用三维模型设计。 5、 分厂总平面布置设计 1） 对主要工艺车间、辅助车间、产品储罐区、中心控制室、分析化验室、行政管理及生活等辅助用房、设备检修区、工厂内部道路等进行合理的布置设计，并对方案进行必要的说明； 2） 绘制分厂平面布置总图； 3） 鼓励采用三维模型设计。 4） 经济分析与评价 根据调研获得的经济数据(可以参考以下价格数据)对设计方案进行经济分析与评价： 1） 304不锈钢设备：36000元/t 2） 中低压（4MPa）碳钢设备：11000元/t 3） 高压碳钢设备价格：15000元/t 4） 低压蒸汽(0.8MPa)：100元/t 5） 中压蒸汽（4MPa）：200元/t 6） 电：0.6元/kWhr 7） 工艺软水：8元/t 8） 冷却水：0.2元/t 9） 污水处理费：0.5元/t 第一章 总论 1.1设计目标 为一个联合化工厂总厂设计一座年产5万吨的碳酸二甲酯分厂。 1.2编制依据 （1）三井化学杯大学生化工设计竞赛指导书。（2）化工建设项目可行性研究报告内容和深度的规定（1992年12月28日化工部发布）及有关专业的国家标准。（3）由技术所有方编写的碳酸二甲酯分厂项目建议书及上级部门有关批示。 （4）河南省新乡市的气象、水文、交通、环保资料。 1.3编制原则 (1) 认真贯彻执行国家基本建设的各项方针、政策和有关规定，执行国家及各部委颁发的现行标准和规范。 (2) 充分利用河南特色资源，有效利用它便利的交通条件和广大的市场条件。 (3) 大力推进技术进步，积极采用新工艺、新技术，解决以往陈旧工艺的缺点和弊端。 (4) 装置设计采用可靠的安全技术，严格执行国家现行的有关安全法规，并注重提高机械化和自动化水平。 (5) 设计中尽一切努力节能降耗，节约用水，提高水的重复利用率，减少一次水的用量。 (6) 设计中选用环保生产工艺路线，生产过程中尽量减少“三废”排放，同时三废治理要做到同时设计、同时施工、同时投产、并考虑环保的综合治理。 1.4设计范围 2009年9月，郑州大学“智多星”设计团队，开始设计以尿素和甲醇为原料生产碳酸二甲酯的工艺。目前已进行了深入的可行性研究，工作范围包括：生产工艺、设备选型、公用工程、工厂及车间布置、经济评估以及产品的市场营销等。 第二章 项目可行性论证 2.1建设背景 化学工业的发展，在为人类提供丰富多彩的物质享受同时，也在严重的破坏人类赖以生存的环境。大气酸化、江河污染、温室效应加剧、臭氧层破坏等等，都在导致环境恶化，损害人类的健康，威胁着人类可持续发展的空间。从各种统计数据来看，环境恶化已成不争的事实，迫切需要人类采取措施保护环境。20世纪90年代后期， 绿色化学的兴起为人类解决化学工业对环境污染问题提供了有效的手段。国内外绿色化学的研究工作主要是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化展开的，如图所示。经过近些年来不断的研究和开发，绿色化学已经取得了可喜的进展。 随着人们环保意识的加强和可持续发展战略的实施，许多传统的化学工业因环境污染等问题而面临着严峻的挑战。而利用化学原理和方法从根本上减少或消除传统工业对环境的污染，并改善人类生存环境和大幅度提高经济效益的绿色化学工业则正在全球蓬勃兴起。碳酸二甲酯作为一种重要的化工原料，在国内外都长期处于供不应求的状态，而且目前国内外现有的碳酸二甲酯生产装置不仅生产效率低，而且对环境均有不同程度的污染。 2.2建设意义 目前，国外碳酸二甲酯的生产总能力3.55万t/a，主要生产装置集中在美、法、意、日等国。西欧占45.07，美国占19.7，日本占5.21，产品主要用于农药、医药中间体及聚碳酸酯等。 目前，我国DMC的应用主要在农药、医药产品和高分子材料上。用DMC合成第三代抗菌素已有l0多个生产厂家。江苏已建成3000ta卡巴呋喃生产装置，上海与德国合资建成1.8万吨的聚碳酸酯厂；另外生产双酚A型聚碳酸酯的部分厂家也已改为DMC为原料；我国对DMC燃料添加剂的研究已取得一定进展，如开发成功将成为DMC的主要消费者之一。我国DMC的生产厂家约有l0家，总生产能力约为7000ta，需求量为1万吨左右，预计不久需求量将会达到2万吨。随着我国对MC应用领域的不断扩大和深入，DMC的需求量将会越来越大。因此，DMC的生产具有极其广阔的市场前景。 2.2.1环境效应 现代科学技术不断发展，人们越来越重视对环境的保护，化工企业要长期立于不败之地，应尽量选用安全无毒的原料，生产过程少产生甚至不产生“ 三废” 。鉴于碳酸二甲酯有着以上的物理化学性质，因此具有较为广泛的应用。近年来，随着化工生产无毒化和精细化学品的发展，国内外对DMC及其衍生物开发了许多新的用途，并形成C化学的重要分支，因而被称为未来世界化学合成的新基石。 碳酸二甲酯，是一种重要的有机合成中间体，分子结构中含有羰基、甲基和甲氧基等官能团，具有多种反应性能，在生产中具有使用安全、方便、污染少、容易运输等特点。由于碳酸二甲酯毒性较小，是一种具有发展前景的“绿色”化工产品。近年来碳酸二甲酯的应用受到了越来越广泛的重视。 2.2.2社会效应碳酸二甲酯项目不仅拉动当地就业，带动了当地的直接就业和间接就业能力，使当地的下岗工人重新回到工作岗位，提高了人们的生活水平。而且直接增加了地方财政的税收，间接地增加了国家财政的收入。 碳酸二甲酯投资项目还可以提高当地的知名度，推动当地居民的消费能力，进而促进该地区基础设施的建设。 2.3产品简介2.3.1 DMC物理化学性质 碳酸二甲酯（简称DMC）分子式（CH3O）2CO，分子量90.08，相对密度1.070，折射率1.3697，熔点4，沸点90.1。常温下为无色液体，略带香味，具有可燃性。微溶于水，与水可行成共沸物，可与醇、醚、酮等几乎所有有机溶剂混溶。DMC毒性很低，1992年DMC在欧洲通过了非毒性化学药品的注册登记，属于无毒或微毒化工产品，但在贮运上仍需按易燃有毒物品对待。由于其分子中含有CH3-、CH3O-、CH3O-CO-、-CO-等多种官能团，因而具有良好的反应活性，可以和醇、酚、胺、肼、酯等类化合物发生甲基化、羰基化、甲酯化和酯交换反应，能取代剧毒的甲基化试剂和羰基化试剂光气而应用于有机合成工业，被称之为有机合成的新基石，符合清洁生产和绿色化工的时代要求，特别是在合成聚碳酸酯方面显示出了更加诱人的前景；此外，由于DMC具有较好的相溶性，高辛烷值和介电常数等优良的物理性质，也被广泛应用于溶剂、汽油添加剂、锂离子电池电解液等领域。 2.3.2基本用途 （1）生产二甘醇双烯丙基碳酸酯（ADC/透明树脂） ADC有优良的光学特性、耐磨性、耐菌性、轻型，是一种热固性树脂。它可代替玻璃，用作眼镜透镜及光电子材料。原先是以丙烯醇、二乙基乙二醇及光气为原料制造的。用DMC代替光气，由于DMC低毒、无腐蚀，减轻了设备制造、操作管理及废物处理等方面的技术要求。更为重要的是，能较容易地制造高品质产品。因此正在开辟用作精密光电子材料等新领域。 （2）生产甲氨基甲酸萘酯（杀虫剂原料） 原采用-萘酚和甲基异氰酸酯为原料或-萘酚和光气经由氯甲酸酯制造的。但是上述两条途径均有危险。1984年印度帕巴拉邦大爆炸，就是实例。使用DMC就能安全地与萘酚反应，制成甲氨基甲酸萘酯。 （3）制造苯甲醚（香料等的原料） 原工艺是以苯酚和硫酸二甲酯为原料，但存在副产物难处理等问题。用DMC代替DMS制造苯甲醚，可以解决上述问题，且收率有所提高。 诚然，目前DMS价格较DMC便宜，但从包括副产物处理的全部制造过程来看，DMC工艺的经济性未必就肯定差。 （4）制造聚碳酸酯（PC/透明树脂） 制造PC的方法有多种。现在世界上工业化的一个基本方法是以二氯甲烷为溶剂在碱存在下，双酚A与光气反应。其中，碱可使用苛性钠、吡啶等。 DMC路线制PC，首先是DMC和酚的酯交换，生成碳酸二苯酚酯（DPC）；再将DPC在熔融状态下，与双酚A进行酯交换，一边将酚脱离，一边制PC。目前世界上众多生产厂家正在解决DMC路线工业化中存在的问题，实现非光气法的无环境污染工艺。该工艺在经济和产品质量上，都已基本接近实现工业化。 （5）制造异氰酸酯 异氰酸酯化合物是化学工业重要的原料之一。原先是利用胺和光气来制取的。用DMC在碱性催化剂存在下与胺化物反应，首先生成碳酸酯，碳酸酯受热分解，生成异氰酸酯。 （6）制造聚碳酸二元醇（PCD/聚氨酯原料） PCD是一种特殊的多元醇，将它与以PTMG、己内酰胺等为原料的聚氨酯相比，能制造耐热，耐水解等优良性能的聚氨酯。 PCD原先是由1,6-已二醇和二苯基碳酸酯、碳酸二乙酯、乙烯基碳酸酯反应制造的。但成本方面未能与其它二元醇抗衡。 以DMC为原料与其他原料相比，有价格竞争力。 （7）制造氢氧化四甲铵（TMAH/光致抗蚀剂显影液） TMAH是强碱，广泛应用于高集成度LSI照相平板印刷工艺中，用作正型光致抗蚀剂显影液。 原先，以甲基氯为原料，一旦得到氯化四甲基氨，就可用电解法制造TMAH。但据介绍，混在制品中极微细的氯化物，在光致蚀表面生成不溶物，在要求ppb级微细晶格LSI的工程中，对抗蚀剂产生影响。 用DMC代替甲基氯，与三甲胺四级化反应制得四甲铵基甲基碳酸酯(TMAMC)，将TMAMC水解制成四甲铵碳酸氢酯(TMAHC)，再电解，就可制得TMAH。 DMC路线与甲基氯路线相比，没有混入氯化物的余地。因此，能较容易地制造高纯度TMAH。 （8）制造长链烷基碳酸酯（合成润滑油基材） 以DMC和高级醇(C12C15)为原料，合成在分子骨架上具有羰基的长链烷基碳酸酯，作为合成润滑基材。 由于分子结构中具有碳酸酯基，和其他基材相比，除润滑性好、耐磨耗、洁净、无腐蚀之外，还具备密封材料所要求的性能。 （9）制造胺基噁唑烷酮（兽药）的中间体胺基噁唑烷二酮 利用DMC与氨基化物反应，碳酸酯化及环化而高收率地制造胺基噁唑烷二酮。 (10)制造碳酰二肼（清洁剂） 氨基脲广泛用作锅炉等的清洁剂。但其单体存在易致癌、易爆炸的危险。通过DMC制造的碳酰二肼，不仅安全而且易于使用。 碳酰二肼虽然价格较贵，但使用安全，欧美等国正在普及。 （11）其他用途 DMC也可作为溶剂。除了能与其他有机溶剂很好相溶以外，还具有蒸发速度快的特点。可以期望DMC在某些特定的领域用作溶剂（特殊涂料、药物等）。还有人研究将DMC作为CO2的载体，制造喷雾溶剂。 DMC可用作辛烷值提高剂。过去由于价格等方面的制约，而无法推广使用。最近，美国对汽车排放气中氧浓度作了规定，以作为环保的一个对策。DMC分子中氧含量为53%，而目前使用的提高剂MTBE的氧含量为18%，相比之下，只添少量的DMC就能提高氧浓度。 总之，随着环保意识的加强，DMC的用途将越来越宽。可以确信，以DMC为核心，会形成各种衍生物群体，形成整个化学工业的一个重要产品类别。 2.3.3产品价格 1997年以来我国DMC市场价格变化情况如下图所示 价格（元/吨）1998年以后的近五年来，我国DMC生产装置能力和产量不断增长，国内DMC市场逐步摆脱了对国外市场依赖的局面，这在很大程度对国内DMC的市场价格起到了稳定的作用。2003年以后，由于国内碳酸二甲酯装置生产能力出现大幅度的提高，生产能力相对过剩，市场竞争日趋激烈，价格出现明显下降。 2.4市场分析 2.4.1碳酸二甲酯的市场现状（一）碳酸二甲酯的国外市场及预测 目前世界碳酸二甲酯的总生产能力约为17万t/a，产量和消费量约为9万t/a，主要的生产企业十几家。包括GE（通用电气公司）、Enichem Synthesis SPA(意大利)、Bayer（德国）BASF、Mitsubishi Chemical Corporation(日本)以及日本宇部等。全球碳酸二甲酯生产能力分布如下表所示。 2001年世界主要国家和地区碳酸二甲酯生产能力 国家和地区 能力/(万ta-1) 比例/% 美国 7.0 41.2 西欧 2.0 11.8 日本 3.0 17.6 其他国家和地区 5.0 29.4 合计 17 100 由表可见，目前世界碳酸二甲酯的生产主要集中在美国、西欧、日本等国家和地区，其生产能力占全球总量的70%以上。 2001 年世界碳酸二甲酯的产量和消费量约9万t，主要应用领域聚碳酸酯（PC）的合成，消费量约5.0万t，约占总消费量的56.1%；医药消费量约为2.0万t，约占22.5%；农药消费量0.7万t，约占7.9%；其他消费量约为1.2万t，约占13.5%。据了解，2002 年世界碳酸二甲酯的总消费量增长至10.1 万t，其中医药行业需求增长较大。 预计，今后几年全球碳酸二甲酯的市场需求量将以11%左右的速度保持快速增长，其中增长较快的领域有PC、医药、溶剂及汽油添加剂，到2007年，世界碳酸二甲酯的需求量将达到16.7万t。亚太地区在全球碳酸二甲酯的生产和消费中的比例将逐步提高。 （二）碳酸二甲酯的国内市场及预测 我国碳酸二甲酯的开发始于20世纪80年代，早期的生产装置均采用国内开发的光气法工艺路线，装置规模在300500t/a之间，大多建在光气生产企业内，产品以自产自用为主。 20世纪90 年代以后，浙江大学、华东理工大学、华中理工大学、西南化工研究院和南化公司研究院等相继对碳酸二甲酯的非光气法生产工艺进行了开发研究，尤其是在酯交换法工艺的研发方面投入了大量的人力、物力。1995 年华东理工大学开发的酯交换法工艺获得成功，建成了300t/a中试装置，随着又建成了一系列工艺化生产装置，能力在5001000t/a 之间。浙江大学、南京化学工业公司研究院等也在酯交换生产碳酸二甲酯的工艺开发上做了大量的工作，并建成了相应的工业化装置。 近年，我国在碳酸二甲酯液相氧化羰基合成工艺的研发方面取得了长足的进展。1993年华中理工大学与湖北省利川化肥厂（现更名为湖北兴发集团兴利化工有限公司） 合作开展液相氧化羰基化合成碳酸二甲酯工艺的小试和中试研究，规模为100t/a。该项中试技术已于1998 年5月通过了湖北省组织的技术鉴定，2000年被列为国家计委重点支持的工业化试验项目，装置规模为4000t/a。我国已经基本掌握了非光气合成碳酸二甲酯的生产工艺，是目前世界上能生产碳酸二甲酯的少数几个国家之一。 目前，我国碳酸二甲酯生产企业有20几家，2002年生产能力2万t/a以上，产量约1万t/a。我国碳酸二甲酯的主要生产企业如下表所示。 2002年我国DMC主要生产企业 生产厂家 工艺路线 生产能力/（kt/a） 唐山朝阳化工总厂 酯交换法 5 河北新朝阳化工股份公司 酯交换法 5 湖北兴利华化工有限公司 液相氧化羰基化工艺 4 山东淄博宝鼎化工有限公司 酯交换法 1 安徽省铜陵金泰化工有限公司 酯交换法 4 据最新报道，2003年6月山东石大胜华化工股份公司采用酯交换法工艺建成了国内首套万吨级DMC生产装置，其产品质量达到了医药级水平，已成功出口到欧洲市场。另外国内其它企业，如安徽省铜陵金泰化工有限公司正在对其现有DMC装置进行改扩建，预计在今年年底也将形成万吨级的生产装置。据此分析，到2003年年底我国DMC的总生产能力将达到4万4.5万t/a的水平，而跻身于世界DMC的生产大国之别。 经过20多年的发展，我国DMC的生产工艺有了较大的改进。光气法的生产装置逐步萎缩，国内仅剩的几套光气法的装置，规模均在300500t/a之间，在总生产能力中的比例已经下降到5%左右，且都是在原有光气装置基础上延伸的下游产品；液相氧化羰基化工艺得到初步应用，形成4000 t/a的工业化生产装置；酯交换法工艺得到大规模的发展，已经成为我国碳酸二甲酯生产的主流。从总体上讲，我国DMC无论是在生产装置的规模上，还是在生产水平、产品质量上均有了较大的提高，在国际市场的竞争力逐步增强。主要体现在近两年来我国碳酸二甲酯的出口量得到大幅度增长，2002年产品的净出口量已达到近6000t的水平。 目前, 国内对DMC的需求主要集中在农药、医药领域，此外，上海氯碱公司与德国拜耳公司合资兴建的18kt/a 聚碳酸酯厂已投产，有的聚碳酸酯厂正在改造为非光气生产方法，因而估计我国DMC 的年需求量将达3万t 以上。这些都为未来的DMC市场开拓了巨大空间。由此可见，DMC在我国具有极大的市场潜力。目前我国的DMC绝大部分依靠进口，因此，建设我国自己的大规模DMC生产装置已是当务之急。 我国DMC产量及增长趋势见下图 2.4.2碳酸二甲酯的应用前景 关于未来DMC的市场需求，可从以下几方面进行分析: (1) DMC的化学反应囊括了光气和DMS在化工用途中的绝大部分反应。按照实际反应过程中的有效羰基化数和甲基化数来比，DMC分别是光气和DMS的2.2倍和1.7倍，再假设未来几年光气和DMS需求量的50%被DMC取代时，仅此一项就需DMC500kt/a以上。 (2) 随着DMC作为汽油添加剂的应用研究逐渐成熟，DMC进入汽油添加剂这一巨大潜在市场将成为可能。以MTBE添加量为10%折算成DMC，则DMC的添加量为3.3%。目前全世界汽油消耗量超过200Mt/a，若20%的汽油采用DMC作添加剂则需DMC1