《年产2.7万吨碳酸二甲酯化工厂设计说明书(共42页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产2.7万吨碳酸二甲酯化工厂设计说明书(共42页).doc（42页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上年产2.7万吨碳酸二甲酯化工厂设计摘 要碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)，是一种无毒、环保性能优异、用途广泛的化工原料。由于其分子结构中含有羰基、甲基、甲氧基和羰基甲氧基，因而可广泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化等有机合成反应。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。本设计是年产2.7万吨碳酸二甲酯工厂的初步设计，主要进行了工艺计算和设备选型，并绘制了工艺流程图、车间平面布置图、车间立面布置图和工厂平面布置图。关键词：碳酸二甲酯，尿素醇解法，生产设计An an
2、nual output of 27,000 tons of dimethyl carbonate chemical plant designABSTRACTDimethyl carbonate (dimethyl carbonate, DMC), a non-toxic, environmental performance, is widely useful for chemical raw material. Due to containing carbonyl, methyl, methoxyl and carbonyl methoxyl group in its molecular st
3、ructure, it can be widely used in carbonylation, methylation, the Methoxyl and carbonyl methylation reactions in organic synthesis. Then it has the advantage of safety, convenience, less pollution, flexible transportation and so on in production. Because of dimethyl carbonates low toxicity, it is a
4、promising green chemical product. This is a preliminary design for an annual output of 27000 tons of dimethyl carbonate factory, mainly containing the process calculation and equipment selection, with the flow chart, workshop layout, workshop elevation and factory layout.Key words: dimethyl carbonat
5、e, urea alcoholysis, production design目 录专心-专注-专业1 总论1.1 设计目标设计一座年产2.7万吨的碳酸二甲酯化工厂。1.2 编制依据(1) 陕西科技大学毕业设计说明书。(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) 陕西省渭南市的气象、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
6、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。 2 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、
7、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。 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，
8、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
9、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
10、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（Dimethyl Cabonate）简称DMC，常温时是一种无色透明、略有气味、微甜的液体，熔点4 ，沸点90.1 ，密度1.069 g/cm3,难溶于水，但可以与醇、醚、酮等几乎所有的混溶。DMC在下和甲醇，共沸温度63.8。DMC很低，是一种符合现代清洁
11、工艺要求的环保型化工原料，因此DMC的合成技术受到了国内外化工界的广泛重视。DMC的分子结构独特（CH3O-CO-OCH3），性能优异，因此具有非常广泛的用途，主要用作羰基化和甲基化试剂、汽油添加剂、合成聚碳酸酯（PC）的原料等。DMC的大规模生产就是伴随着聚碳酸酯的非光气合成工艺而发展起来的。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
12、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
13、) 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
14、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。 (6)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。 （7）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
15、。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。2.4 市场分析 2.4.1 碳酸二甲酯的市场现状(1) 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
16、球碳酸二甲酯生产能力分布如下表2-1所示。表 2-1 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
17、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。 (2) 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
18、、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
19、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2-2所示。表 2-2 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
20、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
21、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
22、 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。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DMC5
23、00kt/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DMC1.320Mt/a。 (3) 以DMC为原料可以合成的农药、医药、光电子材料等下游产品市场巨大，仅以聚碳酸酯为例，目前世界聚碳酸酯产量已达1Mt/a，若全部采用DMC法生产，以DMC单耗为0.36t/t计，则需DMC360kt/a。 从国际、国内情况看，DMC现有生产能力远不能满足其日益增长的消费需求。特别是我国DMC生产起步晚，
24、生产装置工艺落后，产量低，产品质量差，严重限制其下游产品的开发和利用。因此开发一条既具有经济竞争力，又符合可持续发展战略的DMC绿色合成工艺已迫在眉睫。 2.4.3 建议碳酸二甲酯作为有机合成工业中重要的原料，已成为二十一世纪清洁生产和绿色化工中重要的化工产品。现阶段，我国对碳酸二甲酯的应用尚局限在少数产品上，随着科学技术的进步，工业生规模的进展及环境保护措施的完善，碳酸二甲酯在国内的应用领域将不断扩大，需求也将迅速增长。业内人士对今后我国碳酸二甲酯的发展提出如下建议: 加强工业生产技术研究，大力开发下游产品。我国发展碳酸二甲酯工业，必须加强工业生产技术的研究，使生产规模实现工业化，以符合我国
25、经济发展的现状，适应环境保护的要求。在此基础上，加强碳酸二甲酯下游产品开发的科研投入，积极应用碳酸二甲酯开发的科研成果，并将其尽快转化成生产力，这将为碳酸二甲酯在我国的发展创造有利条件。碳酸二甲酯的市场潜力很大，加强碳酸二甲酯的开发与应用，完善其生产技术，其发展前景普遍看好。3 工艺方案选择3.1 概述 目前工业生产和具有工业化前景的碳酸二甲酯的合成方法主要有：光气法、甲醇氧化羰基法、酯交换法和尿素醇解法四种，以下分别介绍这几种方法的基本原理、研究进展、存在的优缺点和部分采用此种工艺的企业。3.2 工艺路线 3.2.1光气法 此方法也称为甲醇光气法，即先由CO与Cl2 作用生成光气，然后通过光
26、气与甲醇或甲醇钠反应生成DMC。 CO + Cl2 COCl2 (1)2CH3OH + COCl2 CH3OC (O) OCH3 + 2HCl (2) 2CH3ONa + COCl2 CH3OC (O) OCH3 + 2NaCl (3)它是合成DMC较早的方法，实际上是间接氧化羰基化过程。此法生产DMC 的收率按甲醇计为90%，纯度95%以上。第3个方程式的合成路线有人称为醇钠法。Ludo提出用甲醇钠与CO2 反应生成碳酸钠甲酯，再以甲烷使其甲基化生成DMC。光气法是传统的合成方法，工艺简单，技术成熟，虽然这些方法的DMC 产率较高，但存在操作周期长，成本高，原料光气剧毒，安全性差，运输不方便
27、，三废量大等问题，不符合新的能源和环境的发展要求。目前，光气法正在逐步被其它方法取代，属于淘汰性工艺。 3.2.2甲醇氧化羰基化法该法以甲醇、CO、O2 为原料，在催化剂作用下直接合成DMC，其反应式如下: CO + 1/2O2 + 2CH3OH CH3OC (O)OCH3 + H2O根据使用的催化剂不同，主要有以下2种不同的工艺路线。 (1) 液相法 该法是以甲醇、CO 和氧气为原料的均相反应，CuCl 为催化剂。反应分2步进行:氧化反应: 2CuCl + 2CH3OH + 1/2O2 2Cu(CH3O)Cl + H2O 还原反应: 2Cu(CH3O)Cl + CO CH3OC(O)OCH3
28、 + 2CuCl 操作压力2.53.0MPa ，温度90130。以甲醇计，DMC的选择性为98%，单程收率32%，总收率95%，甲醇转化率在10%20%之间。反应过程中，甲醇既为原料又为溶剂，氧浓度始终保持在爆炸极限以下。液相法工艺以意大利EniChem Synthetic公司为代表，该工艺自1983年首次实现5500ta-1工业化以来，经过2次扩产，现在装置规模为112 万ta - 1。日本的三菱公司采用甲醇溶液液相法建有115万ta-1装置。在这方面我国也有很大的发展，如湖北兴发化工集团采用国内开发的甲醇液相氧化羰基化法技术，建成了4000ta-1DMC生产装置。 (2) 气相法 其化学原
29、理与液相法相同。所用催化剂为Pd-Cl2 、CuCl/C固体催化剂，反应也是分2步进行。氧化反应: 2NO + 2CH3OH + 1/2O2 2CH3ONO + H2O还原反应: CO + 2CH3ONO CH3OC(O)OCH3 + 2NO 采用亚硝酸甲酯作为反应循环剂，固定床中常压、50100条件下反应，同时副产草酸二甲酯。DMC的选择性96%，甲醇的转化率接近90%。美国DOW化学公司1986年开发了甲醇气相氧化羰基化法技术。该技术采用浸渍过氯化甲氧基酮/ 吡啶络合物的活性炭作催化剂，并加入氯化钾等助催化剂。反应条件为温度110125，压力1.52.5 MPa ，将体积比为652510的
30、CO，CH3OH 和O2混合气体通过反应器，碳酸二甲酯的生成速率为0.1L(hL)-1。选择性为65%。 王少成等将季铵盐(TBAB)修饰的多相Wacker催化剂用于高选择性催化甲醇、CO和空气氧化羰基化合成DMC。结果表明，TBAB-Wacker/ SiO2催化剂的活性最高，甲醇转化率达到11%，且DMC对CH3OH的选择性(99 %)以及对CO的选择性(26%)也均远高于其它载体。TBAB -Wacker/ SiO2 催化剂在100150范围内对甲醇氧化羰基化反应表现出较显著的活性，在120140范围内显示出最佳的反应效能，对甲醇的转化率达到最大。赵明旭等以液相甲醇、CO和氧为原料，当催化
31、剂CuCl用量大于50gCuClL-1甲醇、温度在90110之间时，DMC选择性以CO计达89.1 %90.6%，以甲醇计达98%。在产品分离与精制中，选取的萃取剂氯苯能打破DMC-甲醇共沸体系，各组分易于分离，能得到纯度大于95%的DMC产品。气相法工艺以日本宇部兴产公司为代表，1996年扩建成6000ta-1的装置，根据报道它还计划再建立3万5万ta-1的大型装置。3.2.3酯交换法 酯交换法依起始物可分为直接酯交换法和间接酯交换法2种。酯交换法生产安全、清洁，而且耦合了工业上的环氧化物-环氧乙烷(EO)或环氧丙烷(PO)水合制各二元醇-乙二醇(EG)或l，2-丙二醇的工艺，在经济上具有竞
32、争优势，也是目前国内DMC的主要合成方法。工业化的酯交换法系采用两步法，即先由环氧化物与CO2反应生成碳酸乙烯酯(EC)或碳酸丙烯酯(PC)，EC或PC与甲醇进行酯交换反应生成DMC和相应的二元醇。一步法是以EO或PO、甲醇和CO2为原料，在同一反应器中直接合成DMC的方法。一步法生产工艺简单，设备投资低，己引起世人的关注，目前以开发小试生产工艺。酯交换法是以碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯与甲醇酯交换反应生产碳酸二甲酯，同时联产乙二醇或丙二醇。碳酸乙烯酯是以环氧乙烷与二氧化碳合成的，碳酸丙烯酯则是以环氧丙烷与二氧化碳合成的。 总体说来，酯交换法(以环氧烷为耦合剂的C02和甲醇间接合成法)具有收率高、腐蚀性小、反应条件温和、过程无毒等优点。但仍存在原料(环氧烷)易燃易爆以及因过程联产丙二醇或乙二醇使其生产成本易受市场影响等缺点。 (1) 碳酸乙烯