毕业设计--年产25000吨碳酸二甲酯生产车间工艺设计Word格式.doc
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Abstract 2
1 绪论 5
1.1 选题的意义和作用 5
1.2 碳酸二甲酯的性质及用途 5
1.2.1 DMC的物理性质和化学性质 5
1.2.2 碳酸二甲酯的用途 6
1.2.3 中国碳酸二甲酯的产量分析 6
1.3 碳酸二甲酯的生产方法及工艺简介 6
1.3.1 已工业化的工艺过程及其研究状况 6
1.3.2 碳酸二甲酯生产工艺的评述 9
1.4 计算机在设计中的应用 9
1.5 工艺选取和工艺流程简介 12
1.5.1 本设计的工艺选取 12
1.5.2 工艺流程简介 12
2 工艺计算 16
2.1 工艺参数 16
2.2 物料衡算 16
2.2.1 列管式固定床反应器的物料衡算 18
2.2.2 闪蒸罐的物料衡算 20
2.2.3 预精馏塔物料衡算 21
2.2.4 废水精馏塔的物料衡算 22
2.2.5 DMC精馏塔的物料衡算 23
2.2.6 甲缩醛精馏塔的物料衡算 24
2.3 热量衡算 25
2.3.1 原料预处理热量衡算 25
2.3.2 列管式固定床反应器的热量衡算 26
2.3.3 闪蒸罐的热量衡算 29
2.3.4 预精馏塔的热量衡算 29
2.3.5 废水精馏塔的热量衡算 31
2.3.6 DMC精馏塔热量衡算 32
2.3.7 甲缩醛精馏塔的热量衡算 33
3 列管式固定床反应器的设计 35
3.1 反应器的简介 35
3.2 反应器的分类 35
3.3 设计定义 37
3.4 反应器型式的选择 37
3.5 列管式固定床反应管的选择 37
3.5.1 床层体积的确定 37
3.5.2 确定列管式的基本尺寸 38
3.6 床层压力降的计算 38
3.7 传热面积的核算 38
3.7.1 床层对壁面给热系数的计算 38
3.7.2 总传热系数的计算 39
3.7.3 传热面积的核算 39
3.7.4 列管式固定床反应器塔径的确定 40
3.8 封头的选择 41
3.9 支座的选择 41
3.10 列管式反应器管程进出口接管公称直径的确定 41
3.10.1 管程进出口接管公称直径的确定 41
3.10.2 壳程流体进出接管公称直径的确定 42
3.11 管板与壳体、管箱、反应管的连接结构设计 42
3.11.1 壳体与管板的连接结构 42
3.11.2 管箱与管板的连接结构 42
3.11.3 反应管与管板的连接结构 43
4 其他主要设备的选型 44
4.1 换热器选型 44
4.2 泵的选型 44
4.3 塔的选型 44
4.4 设备一览表 45
5 车间布置设计 46
5.1 车间布置的基本原则和要求 46
5.1.1 基本原则 46
5.1.2 基本要求 46
5.2 车间布置的基本概况 48
5.3 厂房布置设计 49
6 公用系统和岗位定员 50
7 环境问题分析及“三废”处理 51
7.1 环境问题分析 51
7.2 “三废”分析 53
8 安全与工业卫生 56
8.1 生产安全技术管理 56
8.2 劳动保护和工业卫生 56
9 自控仪表及阀门 57
9.1 自控仪表 57
9.2 阀门 57
10 技术经济核算 58
10.1 概述 58
10.2 技术经济分析 58
10.2.1 项目总投资 58
10.2.2 产品成本和估算 59
10.2.3 利润计算 60
设计体会和收获 61
致谢 62
参考文献 63
主要技术符号说明 64
附工程图纸 65
1绪论
1.1选题的意义和作用
随着人类可持续发展战略的实施,化学工业面临着严峻的挑战。
工业化和城市化给环境带来了巨大的压力,对人类健康也造成了一定威胁。
积极研究和开发新的化学方法和技术,尽量减少使用或不使用对人类健康,生态环境有害的化学物质,“清洁生产工艺”和“绿色化学品”已成为21世纪化学工业发展的主导方向。
本设计为甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)。
碳酸二甲酯(DMC)这种用途广泛的有机产品,既可取代光气、硫酸二甲酯等剧毒试剂,也可凭借其独特的化学性质合成许多新的衍生产品。
具有广阔的市场前景,并属于环保型绿色甲酯,受到国内外广泛关注。
其可用于制备西维因苯、甲醚、氟派酸、环丙杀星、呋喃丹等多种农药、医药产品。
还可用于制备光电子材料、粘合剂、润滑油、基衬等多种产品。
碳酸二甲酯可作为无铅汽油添加剂,将其加入油品中可提高辛烷值并降低尾气中NO和CO的排放量。
碳酸二甲酯本身无毒无味,能与其它有机物混溶。
在油漆、喷雾剂等方面有很大的市场潜力。
国内以碳酸二甲酯为原料已能生产近20种医药产品。
近年来,美国已提出用DMC逐步替代MTBE作为汽油添加剂,碳酸二甲酯被我国列入国家九五重点开发的50个精细化工产品范围。
碳酸二甲酯的发展将对我国的煤化工、甲醇化工起到巨大的推动作用。
因此,该选题有很高的研究价值和商业价值。
1.2碳酸二甲酯的性质及用途
1.2.1DMC的物理性质和化学性质
分子式:
C3H6O3(CH3O)2COCH3O-COOCH3
分子量:
90.07
碳酸二甲酯(methyl-carbonate简称DMC),在常温下为无色液体,沸点90.1℃,熔点4℃,密度1.069g/cm3,闪点(开杯)21.7℃,与水部分混溶,能于水形成共沸物。
但可以与醇、醚、酮等几乎所有的有机溶剂混溶。
折射率nD(20℃)1.3697粘度0.664mPa·
s。
一分子碳酸二甲酯水解生成一分子碳酸和两分子甲醇。
碳酸乙烯酯水解生成碳酸和乙烯醇,乙烯醇不稳定金属无腐蚀性。
其分子中含有羰基、甲基、甲氧基等多种官能团,因而具有良好的反应活性。
另外,1992年DMC在欧洲通过了非毒性化学品(Nontoxicsubstance)的注册登记,属于无毒或微毒化工产品,但在储运上仍须按易燃有毒危险品对待。
碳酸二甲酯是一种无色透明液体,无毒,可燃,不溶于水,能与乙醇、乙醚等以任意比混溶。
其分子结构中含有-CO、-COOCH3、-CH3等多种官能团,化学性质非常活泼,作为有机合成中间体能与酚、醇、胺、肼、酯类化合物发生反应合成许多具有特殊性质的化合物,可广泛用于羰基化,甲基化,甲氧基化和羰基甲基化等有机合成反应。
1.2.2碳酸二甲酯的用途
具有广阔的市场前景,并属于环保型绿色甲酯。
受到国内外广泛关注。
还可用于制备光电子材料、粘合剂、润滑油、基衬等多种产品。
在油漆、喷雾剂等方面有很大的市场潜力。
近年来,美国已提出用DMC逐步替代MTBE作为汽油添加剂,碳酸二甲酯被我国列入国家九五重点开发的50个精细化工产品范围。
1.2.3中国碳酸二甲酯的产量分析
但目前国内大都酯交换法,由于其工艺复杂、投资大,且原料环氧乙烷或环氧丙烷受石化行业制约,直接影响了该工艺技术的大规模化生产。
图1-1我国DMC产量增长趋势
1.3碳酸二甲酯的生产方法及工艺简介
1.3.1已工业化的工艺过程及其研究状况
(1)光气法[19]
传统的DMC生产方法是以甲醇与光气,碱反应制取DMC,反应物经中和,洗涤和蒸馏而制得。
该工艺为高压液相反应,腐蚀性大,产率低,设备费用高。
其化学反应式如下:
COCl2+CH3OH→ClCOOCH3+HCl(1-1)
ClCOOCH3+CH3OH+NaOH→H3OCOOCH3+NaCl(1-2)
反应分两步进行:
①甲醇和光气在低温(0~10℃)下进行液相反应,脱除释放出的HCl并加以回收;
②氯甲酸甲酯与补充的甲醇反应,速度较慢且在较高温度下进行,用叔胺或通过与冷碱液一起搅拌可加速反应进行。
碱液一起搅拌可加速反应进行。
该法DMC总收率约为80%(mol)。
由于该工艺采用剧毒的光气,消耗大量的烧碱,生产中的副产物腐蚀严重,因此已逐步被淘汰。
(2)酯交换法[17]
酯交换法又称为酯基转移法。
工艺分两步进行第一步是环氧丙烷与二氧化碳作用先合成碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯;
第二步以甲醇和碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯为原料,在不同的条件下,制得碳酸二甲酯。
酯基转移法,是近年来合成DMC发展较快的一种方法。
可以硫酸二甲酯(DMS),碳酸乙烯酯(EC)或碳酸丙烯酯(PC)与甲醇进行酯交换生产DMC。
但是DMC有剧毒,污染环境且产品收率底,无工业化意义。
因此主要采用碳酸乙烯酯(EC)或碳酸丙烯酯(PC)酯交换工艺生产。
DMC的反应方程式:
R-CH20+CO2→(CH2O)nCO(1-3)
(CH2O)nCO+2CH3OH→(CH3O)2CO+EC/PC(1-4)
近年英国Shell公司开发了以环氧丙烷为原料生产DMC并以DMC为原料生产聚碳酸酯的新工艺,该工艺可以明显降低投资和操作费用。
虽然酯交换法产品收率高,反应条件比较温和,但是在我国由于目前碳酸乙(丙)烯酯的产量还很小,原料不容易得到,产品成本高,要采取此法必须同时发展乙(丙)烯酯才可以。
酯交换工艺用于大规模装置有明显优势,尤其是靠近石油化工厂建厂。
此外,这一工艺的副产品也是重要的化工原料。
此工艺主要受限于原料的来源,受地域限制。
(3)甲醇氧化羰基法[19]
甲醇氧化羰基法是以一氧化碳、氧气和甲醇为原料,在催化剂的作用下直接合成碳酸二甲酯。
此法原料容易得到,原料廉价,毒性小,产品质量好,但生产成本高,系统腐蚀性强,设备材质要求高。
与光气化生产工艺相比,氧化羰基化法规模大,单位投资低,环境污染小,生产安全性高,产品成本也比较低,是目前发达国家的主要生产方法。
该工艺的关键是选择合适的催化体系。
(4)甲醇液相氧化羰基化法[20]
ENI法CuCl是一种优良的甲醇液相氧化羰化合成DMC催化剂,但是该催化剂与反应物之间形成多相催化体系,降低了反应效率;
此外催化剂中氯离子流失会引起活性下降以及对设备的严重腐蚀。
而Cu(11)相对Cu
(1)在甲醇中的溶解性较好,但是活性和选择较差,将其与可溶性高分子化合物配合改进。
甲醇液相氧化羰基化法:
设备腐蚀和催化剂分离回收困难等特点,原料便宜,控制了氧气浓度在爆炸极限以下,实现工业化生产。
甲醇气相氧化羰基化法存在工艺复杂,副产物草酸二甲酯易堵管路等等问题目前是各大工业国家重点研究开发的技术路线。
2CH3OH+1/2O2→(CH3O)2CO+H2O(1-5)
加入助剂和载体的方式进一步开发性能更好的催化剂,并提高催化剂的活性和选择性,延长催化剂的使用寿命,减少腐蚀性。
液相法是由ENI公司率先工业化,采用多项催化剂淤浆反应器。
将甲醇和白色粉状CuCl催化剂加入高压反应釜,加热搅拌,通入一氧化碳和氧气,甲醇发生氧化羰基化反应生成碳酸二甲酯,由于催化剂在反应体系中成泥浆状,故称之液相泥浆法。
甲醇在催化剂的作用下,通过两步生成碳酸二甲酯:
R-CH20+CO2→(CH2O)nCO(1-6)
(CH2O)nCO+2CH3OH→(CH3O)2CO+EC/PC(1-7)
氯化亚铜被氧化Cu(OCH3)Cl,反应比较容易实现,反应活性和选择均较高。
对甲醇和金属氯化盐的反应研究表明,反应活性和选择性均较好,这是CuCl作为甲醇氧化羰基化制备DMC优选催化剂的基础。
而第二步反应较难,需要较高的CO分压,通常反应在80-120摄氏度,和2-4Mpat条件下进行,虽然已经工业化,但是仍然存在催化剂对设备腐蚀性和寿命短等缺点。
为了克服这些缺点,通过加入助剂和配位题等方式进行改进,让铜系催化剂的活性和稳定性提高,腐蚀性降低。
我国目前主要的碳酸二甲酯的生产企业及使用的工艺路线、生产能力具体见下表。
国内目前总的生产能力约为60Kt/a。
甲醇液相氧化羰基法:
采用氯化亚铜催化剂及管式反应器循环工艺,甲醇既是反应物又是溶剂,分为氧化和还原两步进行。
第一步,氯化铜,甲醇和氧气反应生产甲氧基氯化铜;
第二步,甲氧基氯化铜被还原生产DMC,并再生氯化亚铜。
反应温度大120摄氏度,压力2.5Mpa。
DMC选择性以CO计89.1%-90.6%,以甲醇计为98%。
(5)甲醇气相氧化羰基化法[8]
日本Ube公司在液相法的基础上,于1992年实现了气相法合成碳酸二甲酯。
当前有两种气相氧化羰基化法:
亚硝酸酯法和气相直接氧化羰基化法。
1)亚硝酸酯法
该方法反应原理是:
采用亚硝酸酯作为中间介质,通过气相亚硝酸酯的羟基化反应可以合成碳酸二甲酯,其反应也分两步进行:
2NO+2CH3OH+1/2O2→2CH3ONO+H2O(1-7)
2CH3ONO+CO→(CH3O)2CO+2NO(1-8)
该法的显著特点是采用了两个气相反应。
第一步反应较易进行,且放出大量的反应热。
第二步是关键步骤,反应为亚硝酸甲酯和CO在催化剂存在下,发生羟基化反应生成碳酸二甲酯,并生成NO气体。
甲醇和反应生成的水只涉及第一步反应,而DMC则在第二步反应中生成,避免了甲醇-水-DMC之间形成共沸物而难以分离。
2)直接氧化羰基化法
该法的化学原理与液相法相同,催化剂的活性组分基本上仍然是CuCl,它采用了固载化的CuCl催化剂,以解决液相法的腐蚀问题,且便于产品分离和回收。
将气相甲醇和CO、O2的混合气体通过装有催化剂的固定床反应器中,直接气相氧化羰基化生成碳酸二甲酯:
2CH3OH+CO+1/2O2→(CH3O)2CO+H2O(1-9)
气相氧化羰基化法具有如下优点:
(1)与液相法比,采用固定床反应器,不需要分离生成物和催化剂的装置,设备投资降低。
(2)使用亚硝酸甲酯合成DMC,反应在无水条件下进行,催化剂寿命增加。
(3)合成所需加入的氧气在亚硝酸甲酯再生器中反应,合成器中不加入氧,所以CO2等副产物少而且非氧气气氛使得爆炸危险性降低。
1.3.2碳酸二甲酯生产工艺的评述
表1-1DMC各生产方法优劣比较
工艺
优点
缺点
光气法
(1)可工业化生产。
(2)产率高。
操作周期长,原料光气剧毒,环境污染严重,生产安全性差,副产品氯化氢对设备、管道腐蚀严重,且产品含氯高,质量较差
酯交换法
(1)已实现工业化。
(2)产率较高。
(3)清洁生产,对环境友好。
(1)原料成本受石油价格影响大。
(2)生产规模和利润受副产物限。
(3)此工艺主要受限于原料的来源受地域限制。
氧化羰基法
(1)原料便宜易得。
(2)对环境友好。
(3)毒性小,产品质量。
(4)生产安全性高。
(5)产品成本也比较低。
(1)催化剂对设备腐蚀。
(2)催化剂寿命短。
1.4计算机在设计中的应用
计算机自1946年面世以来,便以其快速运算能力成为一种新型有效的运算工具,用于各种工艺过程度模拟计算和工程分析,随后计算机逐渐具备了数值和逻辑处理,数据贮存和数据库管理,图形生成、显示、分析、检查等功能,计算机的应用范围迅速扩大。
近十年由于数据通信网络技术的飞速发展,计算机技术己成为化工设计不可替代的优化工具。
计算机用于化工设计的主要有:
物理数据检索,计算机辅助过程设计(CAPD),计算机辅助设计(C计算机辅助工程(CAE)等。
数据库的功能主要是:
输出所有存储的物质及其物性数据、检索某一物质的物性数据;
检索某物质的物性数据来源;
根据给定的某一物性的数值范围检索出满足该值的相应物质;
面向程序调用数据库中的相关数据;
物性数据估算等。
将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型来描述,在计算机上进行物料和能量衡算,进一步完成各个单元过程设备的工艺尺寸及成本计算,称为“化工流程模拟”。
化工流程模拟是计算机辅助过程设计(CAPD)的基础,它能完成物料和热量衡算,单元过程计算及流程方案的选择和优化,模拟计算结果生成带控制点的工艺流程图P&
ID(ProcessInstrumentDiagram),并输出物料和热量平衡数据表及有关的文档资料,是化工过程设计的重要工具。
计算机辅助设计CAD(ComputerAidedDesign)是按照P&
ID图上显示的设计意图和有关的设计、标准、规范及工作经验要求,在CAD系统上建立化工装置的软模型,然后进行碰撞、缺漏检查,应力分析等,然后输出施工图纸、材料报表及有关的设计文档。
计算机辅助工程CAE是工程公司的计算机信息网络系统将各类应用及不同专业的设计软件一体化,并将设计、定货、采购、施工集成化,所有设计用的信息数据、标准规范、定型设计资料等设计基础资料均存入不同数据库中供用户调用,CAD运用于全过程,实现“无图板”设计。
施工现场的计算机系统也与工程公司的计算机网络连通,实现资料共享,图纸资料信息远距离传送,建设现场按设计信息开工、备料,利用建好的三级软模型指导施工、安装、工程管理和试车。
(1)流程模拟软件
早在50年代初,计算机就在化学工业界开始应用,当时主要用于工艺计算,强调化工过程单元操作的计算机辅助设计,如蒸馏过程度计算等。
在历经几十午的发展,直到80年代以后,化工流程模拟软件的开发和应用才得到飞速的发展,特别是80年代末流程模拟软件微机版的问世和Windows操作系统的出现,流程模拟软件的应用水平进入一个新阶段。
在通用流程模拟软件发展的同时,专用模拟软件也在不断发展,目前成功应用的有PRO/II开发的专用模拟软件和HEXTRAN以及传热、传质软件FRI和HTFS等。
但其中针对反应过程度专用模拟软件大多难用于设计,这主要由于反应过程复杂,反应部分的物料平衡、产品收率数据主要依靠实验。
中国的计算机应用也是从设计开始,用于开发碳酸二甲酯装置流程模拟程序和精馏塔逐板计算程序。
70年代中期,中国的石油化工行业设计院曾组织开发类似国外的化工流程模拟程序,但没有取得成功。
到了80年代前后,工艺计算程序开发与应用的主要成就在于单元操作计算,如复杂塔逐板计算、碳酸二甲酯模拟计算等。
80年代中期,我国先后引进了国外流程模拟软件,其中主要是著名的ASPENPLUS和PRO/II。
流程模拟程序引进后,各石油化工设计单位进行
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