化学工程与工艺专业课程设计-9000吨年氧化羰化制碳酸二甲酯合成工段工艺设计(含全套CAD图纸）.doc

目录第一章 项目说明71、物料介绍72、背景与发展72.1 工艺概况82.2 主要生产工艺93、国内市场需求103.1 替代光气和dms的潜在需求103.2汽油添加剂领域的潜在需求104、生产现状114.1国外生产情况11 4.2 国内生产情况.95、价格调研与分析12第二章 工艺设计方案13 1、 合成机理132、 生产工艺流程描述133、 主要设备144、仓储方案154.1 dmc的性质164.2 dmc的广泛用途174.3 dmc的储存18第三章 工艺计算191 、反应段计算191.1 物料衡算19 1.2 热量衡算202、常压精馏塔设计292.1 精馏及精馏流程29 2.2 精馏操作的特点292.3填料塔与板式塔的比较302.4 精馏塔的设计计算303、减压精馏塔设计533.1 全塔物料衡算533.2 热量恒算543.3 精馏塔设计计算543.4 储罐734、加压精馏塔设计754.1全塔物料衡算754.2热量恒算754.3精馏塔设计计算764.4 储罐97第四章 安全评价991、 安全生产991.1甲醇991.2 草酸二甲酯1011.3 碳酸二甲酯1022、厂区安全1032.1火灾与爆炸的主要原因1032.2 化工设计中应考虑的防火防爆措施1042.3 车间生产安全设施的配备105第五章 环境问题分析1、碳酸二甲酯生产过程环境现状概述1072、碳酸二甲酯生产过程污染物种类及其指标1072.1 大气污染物种类及指标1072.2水污染物种类及指标1102.3废渣污染物种类及指标1103、“三废”问题分析1103.1 废气1103.2 废水1113.3 废渣1114、“三废”治理方案1114.1 废气处理1114.2 废水处理1134.3 废渣处理113第六章 项目技术经济效果评价1151、总投资1151.1 总设备投资费用计算1151.2 其他固定资产投资1151.3 固定资产折旧费1151.4 维修费用1161.5 原料费用1161.6 人事费用1161.7 能源消耗1171.8 无形资产1181.9 总投资费用1182、总收益估算1182.1 收益1182.2 投资额的确定1193、资金筹措1194项目的盈亏分析1194.1财务效益分析1194.2 社会效益分析1205、风险敏感分析1205.1 市场与技术风险性因素1205.2 财务与组织风险性因素1205.3 法律和经济及社会风险性因素1216、评价的结论和建议1216.1 项目在技术、经济和社会发展方面的合理性1216.2 产品技术指标1216.3存在问题及建议122全套设计，联系153893706摘 要课题主要是完成9000吨/年氧化羰化制碳酸二甲酯合成工段工艺设计，利用甲醇、一氧化碳和氧气在催化剂作用下在固定床反应器进行反应，再通过精馏塔进行产品的分离提纯。由于该反应是一个有机合成反应，同时副反应进行，而副产物主要是草酸二甲酯，这样产物和未反应完的物料进入精馏塔进行三元物系的分离，同时考虑到分离过程中会产生共沸物，因此需要有三个精馏塔来完成产品分离的任务：dmo精馏分离塔、减压精馏塔和加压精馏塔。除主要的工艺计算外，为了对实际生产有较好的指导作用，课题也要求进行生产工艺的经济核算和安全评价以及生产工厂区域平面设计，同时充分考虑到环境污染的问题，该课题也包含了环境问题的分析。目前，国内还没有大型的碳酸二甲酯的生产线，而且碳酸二甲酯是一种重要的工业原料，具有很好的经济效益。该课题选用的氧化羰化制碳酸二甲酯工艺合成法是一种较为绿色的合成方法，虽然会有副产物草酸二甲酯生成，但是这也是一种重要的化工原料，可以分离后产生良好的经济效益，同时该反应是一种原子经济反应，不会产生过多环境污染，对目前化工生产有很重要的指导意义。关键词：甲醇；碳酸二甲酯；草酸二甲酯；精馏第一章 项目说明1、物料介绍 碳酸二甲酯(dmc)是一种重要的有机化工中间体，由于其分子结构中含有羰基、甲基、甲氧和羰基甲氧基，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，用于生产聚碳酸酯、异氰酸酯、聚氨基甲酸酯、聚碳酸酯二醇、烯丙基二甘醇碳酸酯、甲胺基甲酸萘酯(西维因)、苯甲醚、四甲基醇铵、长链烷基碳酸酯、碳酰肼、丙二酸酯、丙二尿烷、碳酸二乙酯、三光气、呋喃唑酮、肼基甲酸甲酯、苯胺基甲酸甲酯等多种化工产品。由于dmc无毒，可替代剧毒的光气、氯甲酸甲酯、硫酸二甲酯等作为甲基化剂或羰基化剂使用，提高生产操作的安全性，降低环境污染。作为溶剂，dmc可替代氟里昂、三氯乙烷、三氯乙烯、苯、二甲苯等用于油漆涂料、清洁溶剂等。作为汽油添加剂，dmc可提高其辛烷值和含氧量，进而提高其抗爆性1。此外，dmc还可作清洁剂、表面活性剂和柔软剂的添加剂。由于用途非常广泛，dmc被誉为当今有机合成的“新基石”。当前制dmc的主要方法是氧化羰化法， 该法以ch3oh、co和o2为原料，原料价廉易得，投资少，成本低且理论上甲醇全部转化为dmc，无其它有机物生成，受到工业界极大重视，被认为是dmc最有前途的生产方法，也是各大工业国家重点研究、开发的技术路线。2、背景与发展碳酸二甲酯（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、酮等几乎所有的有机溶剂混溶。dmc在常压下和甲醇共沸，共沸温度63.8。dmc毒性很低，在1992年就被欧洲列为无毒产品，是一种符合现代清洁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，我国化工部在八五和九五期间将其列为重点项目。2.1 工艺概况 dmc的优良性质和特殊分子结构决定了dmc广泛的用途，概括如下13： 2.1.1 代替光气作羰基化剂光气（cl-co-cl）虽然反应活性较高，但是它的剧毒和高腐蚀性副产物使其面临巨大的环保压力，因此将会逐渐被淘汰；而dmc（ch3o-co-och3）具有类似的亲核反应中心，当dmc的羰基受到亲核攻击时，酰基-氧键断裂，形成羰基化合物，副产物为甲醇，因此dmc可以代替光气成为一种安全的反应试剂合成碳酸衍生物，如氨基甲酸酯类农药、聚碳酸酯、异氢酸酯等，其中聚碳酸酯将是dmc需求量最大的领域，据预测2005年80%以上的dmc将用于生产聚碳酸酯； 2.1.2 代替硫酸二甲酯（dms）作甲基化剂由于与光气类似的原因，dms（ch3o-so-och3）也面临被淘汰的压力，而dmc的甲基碳受到氢核攻击时，其烷基-氧键断裂，同样生成甲基化产品，而且使用dmc比dms反应收率更高、工艺更简单。主要用途包括合成有机中间体、医药产品、农药产品等； 2.1.3 低毒溶剂dmc具有优良的溶解性能，其熔、沸点范围窄，表面张力大，粘度低，介质界电常数小，同时具有较高的蒸发温度和较快的蒸发速度，因此可以作为低毒溶剂用于涂料工业和医药行业。从表1可以看出，dmc不仅毒性小，还具有闪点高、蒸汽压低和空气中爆炸下限高等特点，因此是集清洁性和安全性于一身的绿色溶剂。2.1.4 汽油添加剂dmc具有高氧含量（分子中氧含量高达53%）、优良的提高辛烷值作用（r+m）/2=105）、无相分离、低毒和快速生物降解性等性质，使汽油达到同等氧含量时使用的dmc的量比甲基叔丁基醚（mtbe）少4.5倍，从而降低了汽车尾气中碳氢化合物、一氧化碳和甲醛的排放总量，此外还克服了常用汽油添加剂易溶于水、污染地下水源的缺点，因此dmc将成为替代mtbe的最有潜力的汽油添加剂之一。在2002年美国化学会会议上，我国天津大学的无污染、低成本生产汽油添加剂dmc的技术成为本次会议最受瞩目的三大发明之一，这说明了dmc作为汽油添加剂的优势已经被广泛认同。2.2 主要生产工艺2.2.1光气法 是最早实现工业化生产dmc的方法，由于光气的剧毒性和工艺杂性及其对设备的严重腐蚀性，且产品氯含量高，已经被逐步淘汰。目前国内外基本上已没有光气法dmc生产装置。2.2.2 酯交换法 该工艺主要包括两步，首先是原料环氧丙烷或环氧乙烷与co：在一定的压力和温度下进行反应，生成粗碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯，经精馏塔脱除轻组分和催化剂后得到高纯碳酸丙烯酯碳酸乙烯酯；第二步是碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯与甲醇在催化剂存在下进行酯交换反应，塔顶得dmc与甲醇共沸物，经冷凝后送往加压精馏塔将dmc与甲醇分离，将dmc粗品精制获得高纯度产品。反应釜出来的物料经精馏脱除甲醇后，回收得丙二醇或乙二醇，未反应物甲醇、碳酸丙烯酯或碳酸乙烯酯等回收循环使用。该生产工艺过程简单。“三废”排放少，国内大型dmc产生企业均采用该工艺，装置经过多年的发展和改进，酯交换工艺转化率有了很大的提高。酯交换法工艺经过多年的运行，目前已十分成熟。2.2.3 甲醇氧化羰基化法 是ch3oh、co和o2，在催化剂存在下，直接合成dmc。该法无副反应发生，是各国着重开发的重点工艺路线。甲醇氧化羰基化法又分液相法和气相法工艺。2.2.4 尿素法20世纪90年代，美国和日本报道了尿素醇解合成dmc工艺。由于工艺流程短、原料尿素和甲醇易得，引起了国内外化工界的高度重视。该法可分为一步法和两步法。3、国内市场需求3.1 替代光气和dms的潜在需求 ugo romano等经试验证明，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。而全世界光气和dms产量在200万吨/年以上，按照实际反应过程中dmc的有效羰基化数和甲基化数分别是光气和dms的2.2倍、1.7倍计，再假设未来几年光气和dms需求量的30%被dmc取代，仅此一项就需dmc30万吨/年以上。 3.2汽油添加剂领域的潜在需求 随着煤气化、天然气蒸汽转化技术的进步及甲醇装置大型化的发展，合成dmc的原料甲醇和co成本进一步下降，加之dmc装置规模扩大带来的规模效益，可以预测，dmc生产成本将进一步下降；同时市场供求矛盾的缓解也将使dmc最终定位在一个较为合理的“平衡点”上，使dmc进入汽油添加剂这一巨大潜在市场领域成为可能。有资料介绍，若mtbe在汽油中添加量为10%，则折算成dmc的添加量为3.3%。而目前全世界汽油消费量超过2亿吨，若10%的汽油消费量采用dmc添加剂则需dmc60万吨/年左右。4、生产现状4.1国外生产情况国外市场国外dmc生产和消费多年来没有大的变化。目前国外总生产能力约为l7万20万ta，主要集中在美国、西欧和日本。美国是世界第一生产大国，约占世界总产能的35 以上。目前，国外dmc生产企业相对较为集中，只有十几家生产企业。国外dmc生产企业主要有ge(通用电气公司)、enichem synthesis spa(意大利埃尼公司)、mitsubishi chemicalcorporation(日本三菱化学公司)以及日本宇部公司等。2004年，国外dmc最大的生产商是美国ge公司，其生产能力约占国外dmc总产能的35 ；其次是日本三菱化学公司和日本宇部兴产公司。 国外一些企业一直在积极研究dmc替代光气生产聚碳酸酯工艺技术，该项技术已在某些工业化生产装置上运行，但并未得到大范围推广。随着环保、安全生产等法律法规的日臻完善，以及dmc生产成本的不断降低，dmc替代光气、硫酸二甲酯、氯甲烷等有害物质作为羰基化、甲基化、酯交换原料，其市场前景将十分看好。若上述领域得以开发，dmc产能将会有较大幅度的增长。 目前，国外dmc第一大消费领域是聚碳酸酯，其次是医药行业。2004年聚碳酸酯消费dmc约为5万t以上，医药行业消费约为3万t。由于非光气法聚碳酸酯的生产装置还较少，近年来国外dmc在该领域的消费需求增长缓慢。同时，由于dmc价格偏高，使得其在替代dms用做甲基化剂等方面的应用开发也较慢。4.2国内生产情况 我国目前dmc生产企业有十余家，除一些光气法装置外，新建了几套酯交换法装置，但生产能力均不大。 华东理工大学利用自己开发的以国产pc为原料的酯交换法技术，在安徽阜阳、南化公司、河南濮阳等地建设了几套规模不同的装置。湖北沙隆达股份有限公司拟采用国内开发的甲醇液相氧化羰基化法技术，建1万吨/年大型dmc生产装置，目前正在进行项目前期工作，预计不久将实施。5、价格调研与分析 现在市场上销售的dmc的均价是6300元/吨。中国碳酸二甲酯市场长期处于供不应求的状况，过去10多年，碳酸二甲酯是主要用于生产鸡用饲料添加剂呋喃唑酮及其他医药中间体，其次是生产锅炉清洗剂。目前，碳酸二甲酯在中国主要用于农药、医药中间体，需求量15万吨/年左右，随着其应用领域的进一步拓展，市场需求将以每年两倍的速度快速增长。同时，碳酸二甲酯的副产品丙二醇，也是一种十分有用的多元醇，主要用于生产丙二醇醚、新型树脂材料、医药中间体，还可用作高级溶液等，国内总需求为10万吨/年，每年需要大量进口。在国际市场上，碳酸二甲酯的年市场需求量约为15万-20万吨。特别是近几年来，由于碳酸二甲酯深加工的下游产品聚碳酸酯、聚氨酯、汽车添加剂、高能电池电 解液等市场发展迅速，市场需求潜力大，其中欧洲、北美、南非、韩国和日本等国家和地区的新增年需求量约3.8万-5万吨。而国际上，碳酸二甲酯的年生产能力仅为6万-8.6万吨。随着basf、bayer、snpe等世界主要的碳酸二甲酯生产商的光气法装置的停产，市场供需矛盾将会日趋紧张。据介绍，碳酸二甲酯与上下游产品的关联度很大。进行碳酸二甲酯的深度开发，对发展中国有机合成工艺，推动新材料深加工，向高附加值发展具有深远意义。为此，原化工部已将碳酸二甲酯定为“九五”重点开发化工产品之一。当前，尤其是在中小合成氨装置的公用工程、设备和人员优势，大力开发碳酸二甲酯及其下洲产品已成当务之急。第二章 工艺设计方案1、 合成机理主要反应式如下：主反应：ch3oh + 2co + o2 dmc + h2o （55%）副反应：2ch3oh + 2co + o2 dmo + h2o （45%）2、 生产工艺流程描述甲醇气相氧化羰基化法直接合成碳酸二甲酯的原料甲醇、一氧化碳、氧气为初级原料，价格便宜，许多联醇厂及化肥厂均可解决。此外它们也可由天然气或煤转化得到，而我国有丰富的煤炭资源，可为该合成方法提供充足的一氧化碳和甲醇原料。甲醇气相氧化羰基化法一步直接合成碳酸二甲酯工艺路线由于其原料便宜易得、毒性小、工艺简单成本低等特点，是极有发展前途的方法。在甲醇气相氧化羰基化法合成dmc工艺中,反应体系为气固相体系，气相除一部分循环到反应体系中进行反应外，其余可以放空，解决了工业三废的问题。从反应器流出的粗产品为dmc、meoh、dmo、h2o多元混合物，经脱水处理后变为dmc、meoh和 dmo三元混合物。本设计就采用甲醇羰基化法合成dmc。dmo-me-dmc混合物的分离，主要特点是dmc与me存在共沸现象(常压下的共沸温度为63.8，共沸物中dmc质量分数为29.98)，难以用普通方法分离，如果采用萃取精馏的方法进行分离操作，会引进新的组分（萃取剂），这样就需要对四元组分进行分离，这样做不仅使得数据难以查找，而且增大了整个过程的复杂度，也使得设计过程的计算量大大增加，不宜采用。为此计算了不同压力下的dmc-me的t-x-y图及x-y图，由此可以得到dmc-me的恒沸点及恒沸组成。由于dmo-me-dmc混合液中dmc与me形成二元恒沸物，而草酸二甲酯（dmo）与此恒沸物的相对挥发度的差别很大，因此通过普通精馏可以分离出草酸二甲酯（dmo），再将塔顶的恒沸物通过减压-加压双塔精馏模式分离出来。变压精馏可以有效的分离二元共沸液体混合物，具有工艺简单，不引入杂质，节能耗的优点。且dmc和meoh共沸体系满足变压共沸精馏的条件，即混合物的共沸组成随着压力的变化灵敏。所以可以考虑使用变压精馏分离dmc和me的混合液。本过程主要是采用甲醇气相氧化羰基化法合成碳酸二甲酯，用甲醇、氧气和一氧化碳作原料来合成碳酸二甲酯（dmc），还需要按照空气比加入一定的氮气防止爆炸事故，但是，用这三种作原料，不仅有dmc生成还有草酸二甲酯（dmo）生成。 主要流程如下：首先将原料输入预热器预热汽化，然后将其输入到固定床换热反应器中反应，反应温度控制在110-140，压力控制在1atm-40atm。之后物料流经气液分离器，出口的气相直接燃烧排空，液相（dmc、dmo ch3oh、）直接进入分离段。分离段的主要设备是三个精馏塔。精馏塔（1）为常压塔，用来分离出dmo，塔釜主要成分是dmo，塔顶的主要成分是dmc、ch3oh，塔顶物流进入精馏塔(2)；精馏塔（2）为减压塔，操作压力为30kpa，用来分离出ch3oh，塔釜主要成分是ch3oh，塔顶成分大部分是dmc，还有少部分ch3oh，塔顶物流进入精馏塔（3）；精馏塔（3）为加压塔，操作压力为800kpa，主要是为了分离出少量的ch3oh获得高纯度的dmc，dmc从塔釜排出。具体的分离段的工艺流程图如附图所示3、 主要设备t-101：常压塔 e-101：冷凝器 e-102：再沸器 p-101：常压塔进料泵 p-102：回流泵t-102：减压塔 e-103：冷凝器 e-104：再沸器 v-105：塔顶减压槽 v-106：塔顶常压槽 t-103：加压塔 e-105：冷凝器 v-112：回流罐 v-115：塔顶加压槽 v-116：塔顶常压槽v-101：中间储罐 p-101：常压塔进料泵 v-102：dmo储罐 v-103：二元混合物储罐 p-102：减压塔进料泵v-107：塔釜减压槽 v-109：二元共沸物储罐 e-104：再沸器v-110：甲醇储罐 p-103：加压塔进料泵v-113：釜液中间罐 v-114：dmc储罐 e-106：再沸器v-117：溜出液储罐 4、仓储方案仓储库房设计如下图：储存区储存区管理工作室及生活间验收及分发作业区拣货区拣货区拣货区拣货区拣货区拣货区4.1 dmc的性质1.理化特征外观与性状无色液体，有芳香气味主要用途用作溶剂，用于有机合成熔点273.15k沸点363.4k相对密度(水=1)107相对密度(空气=1)31饱和蒸汽压(kpa)627(20)溶解性不溶于水，可混溶于多数有机溶剂，酸、碱2. 危险性概述侵入途径：吸入食入经皮肤吸收 毒性：属微毒类 ld50：13000mgkg(大鼠经口)；6000mgkg(小鼠经口) lc50：该物质对环境有危害，应特别注意对水体的污染。 健康危害：吸入、摄入或经皮肤吸收后对身体可能有害。本品对皮肤有刺激作用，其蒸气或烟雾对眼睛、粘膜和上呼吸道有刺激作用。 3. 急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水及清水彻底冲洗。 眼睛接触：立即翻开上下眼睑，用流动清水冲洗15分钟。就医。 吸入：脱离现场至空气新鲜处。注意保暖，静卧休息。就医。 食入：误服者用水漱口，就医。 4. 接触控制和个体防护工程控制：生产过程密闭，加强通风。 呼吸系统防护：空气中浓度较高时，应该佩戴防毒口罩。 眼睛防护：必要时戴化学安全防护眼镜。 防护服：穿防静电工作服。 手防护：戴防护手套。 其他：工作现场严禁吸烟。工作后，淋浴更衣。特别注意眼和呼吸道的防护。 5 消防措施燃烧性：易燃 建规火险分级：甲 闪点()：19 危险特性：遇明火、高热易燃。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。 燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳。 稳定性：稳定 禁忌物：氧化剂、还原剂、强酸、强碱、潮湿空气。 聚合危害：不能出现 灭火方法：砂土、泡沫、干粉、二氧化碳。 4.2 dmc的广泛用途碳酸二甲酯（dmc）是一种重要的有机合成原料及中间体，dmc带有-co、-cooch3和ch3基团。可进行羰基化、甲基化、甲氧基化和羧甲基化反应，取代传统使用的有毒原料光气、硫酸二甲酯和甲基氯等。因此，1992年dmc在欧洲被登记为绿色无毒化学品。dmc可替代光气合成聚碳酸酯、碳酸二苯酯、异氰酸酯（tdi、mdi、hdi、ippi）及烯丙基二甘醇碳酸酯（adc）；也可用于合成氨基甲酸酯类农药（西维因）、苯甲醚、甲基芳胺等；此外，dmc具有高的含氧量（533），可以用做汽油添加剂，能有效提高汽油的辛烷值；还具有与其它溶剂相溶性好，蒸发速度快的特点，适于在特种油漆、药物制造行业使用。因此，碳酸二甲酯是一种有广阔发展前景的化学品。 14.3 dmc的储存dmc属于第2、3类中闪点易燃液体，危险货物包装标志为7；dmc用深色的玻璃瓶,瓶塞用磨口玻璃塞仓储密封；不要让它接触有机物，在有机物中个溶解性很强,如橡胶塑料等储运注意事项：1. 储存于阴凉、干燥、通风良好的不燃库房；2. 远离火种、热源。仓温不宜超过10；3. 防止阳光直射；4.保持容器密封；5.应与氧化剂分开存放；6.储存间内的照明、通风等设施应采用防爆型；7.罐储时要有防火防爆技术措施；8.禁止使用易产生火花的机械设备和工具；9.搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。第三章 工艺计算1 、反应段计算1.1 物料衡算1.1.1甲醇、dmc、dmo的物料衡算9000吨/年（300天） mdmc=90 g/mol，mmeth=32 g/mol，mdmo=118 g/mol反应方程式： co（g）+0.5o2（g）+2ch3oh（g）dmc（g）+h2o（g） （1.1） 2co（g）+0.5o2（g）+2ch3oh（g）dmo（g）+h2o（g） （1.2）dmc日产量为1250 kg/h每个精馏塔物料损耗0.5%，反应段物料损2%,则反应生成的dmc的量为13.889 kmol/h综上：dmc日产量1250 kg/h，合13.889 kmol/h已知dmc的收率为11.2%，则： y=生成dmc所消耗的关键组分量/关键组分的起始量算得甲醇进量为250.446 kmol/h（进入预热器中物质的量），反应（1）消耗的甲醇量为2dmc=214.028=28.056 kmol/h已知甲醇的转化率为20%，则：反应器中反应了的甲醇/加入反应器中的甲醇=20%即n反应/250.446=20%，n反应=50.089 kmol/h则反应（2）中甲醇的反应量为50.089-28.056=22.033kmol/h生成的dmo量为11.017kmol/h1.1.2预热器中各物质的量甲醇的物质的量=250.446 kmol/h，即8054.54 kg/h，已知反应器进料气相组成：20%甲醇,65%co,6%o2,9%n2;所以原料各物质的纯度取99.5%，原料进料各物质的质量为：甲醇：8054.54 kg/hco：26177.27 kg/ho2：2416.36 kg/hn2：3624.55 kg/h 出反应段后经过水分离塔进行吸附分离水，此段物料损失不计，经水分离塔后进入汽液分离器，此段物料损失不计，经过汽液分离器后产物成分为甲醇，dmo,dmc,然后进入dmo分离塔进行dmo的分离。进入dmo分离塔时产物中dmo的含量为11.01798%=10.80kmol/h，dmc为14.028 kmol/h，甲醇为（250.446-50.089）98%=196.35 kmol/h.即甲醇：dmc:dmo=18.18:1.299:1。1.1.3 co，o2的消耗量和水的生成量根据前面的两个方程式（1），（2）可以得出以下结果：反应的co量为36.061 kmol/h，合1009.71 kg/h；o2的反应量为12.522 koml/h，合400.70 kg/h；水的生成量为14.028+11.017=25.045 kmol/h。出反应段后各物质的质量为：co的质量为：（26177.27-1009.71）98%=24664.21 kg/h；(气液分离器分离)o2的质量为：（2416.36-400.70）98%=1975.36 kg/h；（气液分离器分离）n2的质量为：3544.95 kg/h；（气液分离器分离）水的质量为：（14.028+11.017）1898%=450.81 kg/h（水吸附分离）甲醇的质量为：6283.2 kg/h；（进入dmo分离塔）dmc的质量为：1262.52 kg/h；（进入dmo分离塔）dmo的质量为：1274.4 kg/h；（进入dmo分离塔）表3.1 物料衡算表项目ch3oho2con2dmcdmoh2o进料质量流量（kg/h)8054.542416.3626177.273624.55摩尔流量（kmol/h)251.7075.51934.90129.45出料质量流量（kg/h)6283.21975.3624664.213544.951262.521274.4441.79摩尔流量（kmol/h)196.3561.73880.86126.6114.02810.824.541.2 热量衡算1.2.1.预热器的热量衡算1.2.1.1、预热器的热量预热器温度设定为120，压力1mpa。co,o2,n2进入预热器升温至120，甲醇迅速气化至120，被高速气流送向反应器进行反应。进料温度设为25，进料压力为0.101mpa。查有关文献有以下数据表3.2 标况下进料物料的热力学数据物质 fhm / fgm fsm cp (j/(molk)kj/mol kj/mol j/(molk) =a+bt+ct2 a 103 b 106c甲醇（g） -200.66 -161.96 239.81 18.40 101.56 -28.68h2o (g) -241.818 -228.572 188.825 29.16 14.49 -2.022co（g） -110.525 -137.168 197.674 26.537 7.6831 -1.172o2（g） 0 0 205.138 28.17 6.297 -0.7494n2（g） 0 0 191.61 27.32 6.226 -0.9502 dmc（g）-582.56 -684.42 386.44 33.8 276.6 -106.81、甲醇 25，0.101mpa120，1mpahapv=a(1-t/tc)n，a=52.723,tc=512.6，t=298k，n=0.377hapv=37.970 kj/molh=（a+bt+ct2）dt =10.489 kj/mol hmeth=h+hapv=10.489+37.970=48.459 kj/mol2、o2 25，0.101mpa120，1mpah=（a+bt+ct2）dt =3.180 kj/mol3、co 25，0.101mpa120，1mpah=（a+bt+ct2）dt =3.054 kj/mol4、n2 25，0.101mpa120，1mpah=（a+bt+ct2）dt =3.085kj/mol预热器中各物质需要的热量为： qmeth=48.459251.701000=12.197106 kj/h qo2=3.18075.511000=2.401105 kj/h qco=3.054934.901000=2.855106 kj/h qn2=3.085129.451000=3.99105 kj/h进入预热器总的热量为 q= qmeth+ qo2+ qco+ qn2 =（12.197+0.2401+2.855+0.399）106 kj/h =15.691106 kj/h表3.3 预热器热量衡算表物 质预热器（ch3oh，co，n2，n2）需输入的热量n(kmol/h)蒸发热(kj/mol/h)+nhapv(106kj/h)ch3oh251.7037.97012.197co934.9002.855n2129.4503.085o275.5100.2401总输入能量=15.691106 kj/h1.2.1.2、加热水蒸气的通入量预热器中通入180，1mpa的饱和水蒸气，出预热器时120，1mpa的未饱和水。查水蒸气表得：180，1mpa时饱和水蒸气的气化潜热=2013.1 kj/kg。 180，1mpa时饱和水蒸气的密度为=5.16 kg/m3 180，1mpa时水的比焓为h1=763.12 kj/kg。125，1mpa时水的比焓为h2=506.4 kj/kg。q总=m+( h1- h2)m=2013.1m+（763.12-506.4）m=15.691106 m=6912.88 kg/hqv=6912.88/5.160=1339.7m3/h1.2.2 反应器的热量衡算1.2.2.1、主反应的热量衡算反应方程式（主）：2ch3oh(g)co(g)1/2o2（g）(ch3o)2co（g）h2o（g）设计方框图如下：(t=393k,p=1mpa)-2ch3oh(g)-co(g)-0.5o2(g)(t=298k,p=0.101mpa)-2ch3oh(g)-co(g)-0.5o2(g)(t=393k,p=1mpa)dmc(g)+h2o(g)(t=298k,p=0.101mpa)dmc(g)+h2o(g) 过程1的焓变： 过程2的焓变：标准摩尔反应焓： 摩尔反应焓：下面计算反应（主）熵变：过程1：温度熵变： 压力熵变： n=7/2 r=8.134 过程1的熵变：过程2：温度熵变： =41.496 j/mol压力熵变： n=9/2 r=8.134 过程2的熵变：标准摩尔反应熵： 摩尔反应熵： 吉布斯函数 1.2.2.2、副反应的热量衡算反应方程式（副）：2ch3oh(g)2co(g)1/2o2（g）(ch3oo)2（g）h2o（g）表3.4 dmo的各项热力学数据 cp.mab（t/100）c(t/100)2 d(t/100)3 物质 (kj/mol）（kj/mol） j/（molk） a b c ddmo -708.90 -593.88 516.645 27.9802 6.9316 -0.1548 -0.06774设计方框图如下(t=388k,p=1.5mpa)-2ch3oh(g)-2co(g)-0.5o2(g)(t=298k,p=0.101mpa)-2ch3oh(g)-2co(g)-0.5o2(g)(t=388k,p=1.5mpa)dmc(g)+h2o(g)(t=298k,p=0.101mpa)dmc(g)+h2o(g) 过程1的焓变： 过程2的焓焓变 标准摩尔反应焓： 摩尔反应焓：计算反应（副）熵变：过程1：温度熵变： 压力熵变： n=9/2 r=8.134 k过程1的熵变：过程2： 温度熵变： 压力熵变： n=2 r=8.134 j/mol k过程2的熵变：标准摩尔反应熵： 摩尔反应熵： 吉布斯函数 反应段总的热量： =-8.1297106 kj/mol 表3.5 反应器热量衡算表反应式反应焓(kj/mol)耗甲醇量(kmol/h)反应热q(104kj/h)co（g）+0.5o2（g）+2ch3oh（g）dmc（g）+h2o（g） 主 -323.86928.056-454.32co（g）+0.5o2（g）+2ch3oh（g）dmo（g）+h2o（g） 副-325.53722.033-358.6-812.97反应温度保持在115，则需要向反应器中通入水带走反应产生的热量： q总= 8.1297106 kj/mol用常压下饱和水为冷却介质进水：t=100 ,p=0.101 mpa， =998kg/m3气化潜热=2256.9 kj/kg，此时的比焓h1=2676.0 kj/kg出反应器：t=120,p=0.101 mpa，此时比焓h2=2706.0 kj/kgq总=m+( h2- h1)mm=3554.9 kg/hqv=3168.4 m3/h2、常压精馏塔设计2.1 精馏及精馏流程精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可以使混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:1)获得馏出液塔顶的产品；2)将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；3)脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。2.2 精馏操作的特点常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点：1沸点升高 精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。2物料的工艺特性 精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。3节约能源 精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一问题。2.3填料塔与板式塔的比较 本设计中采用填料塔,填料塔的优势综合如下:（1）板式塔开孔率一般为8%15%, 而规整填料塔的孔隙率可以高达95%, 这样填料塔的处理量可以比板式塔大很多。（2）板式塔因塔板产生的压降一般为38mmhg(4001064pa)/理论板，而规整填料内压降只有0.010.88mmhg(1.33106.4pa)/理论板, 这对常压和减压塔都极为有利。（3）液体滞留量板式塔为8%12%, 填料塔为1%6%。（4）对于板式塔液气比必须低, 而填料塔则可以从低到高, 使操作更容易。 (5) 当塔径不太大时,填料塔结构简单,造价便宜,受到青睐!（6）对于易起泡,易腐蚀物系,热敏性物系,采用填料塔更方便!2.4 精馏塔的设计计算2.4.1 全塔物料衡算由反应器出来的甲醇、dmc和dmo的摩尔流量分别为fme=196.35kmol/h，fdmc=14.028kmol/h，fdmo=10.80kmol/h，摩尔分数分别为： 则 xdmo=1-0.8878-0.0634=0.0488从塔底分离出的dmo组成为=0.9999，可视为纯的草酸二甲酯，则其摩尔分数为xw=1.0，进料的甲醇和dmc基本都从塔顶出，故可列以下的物料恒算式：总物料恒算： (1-0.5%) f=d+w （每个塔的损耗为0.5%） 其中 w=10.80kmol/h d209.272kmol/h 甲醇和dmc的物料恒算：（1-0.5%）f = dxdme （1-0.5%）f= dxddmc 即xdme=0.934，所以塔顶dmc摩尔分数为xddmc=0.066物料分布表类别甲醇的摩尔分数dmc的摩尔分数dmo的摩尔分数进料0.88780.06340.0488馏出液0.9340.0660釜液0012.4.2 热量恒算由chemcad软件进行模拟 之（10）运行 列出物料衡算表，可知再沸器和冷凝器处理的热量： 冷凝器的热量 mj/h -8254.7266 再沸器的热量 mj/h 8957.32521 、再沸器用0.9mpa的水蒸气加热，其温度为448.25k，汽化潜热为r=2036.2kj/kg 。则所用加热的蒸汽量为：gh= q/r= 8957.3252106/(2036.2103) =4399.04kg/h2 、冷凝器用298.15k的水冷凝，其比热cp=4184.45 j/(kg.) ，则所用冷凝的水用量为： gc= =35867.5kg/h2.4.3 精馏塔的塔板数计算 计算过程由chemcad软件进行模拟，我们进行简捷粗略计算和简洁严格计算。 简捷粗略计算的过程如下：（1）画出工艺流程图 （2）设置单位 将单位设