化工工艺课程设计

化工工艺课程设计化工工艺课程设计#尿素与催化剂和丙二醇在溶解釜中混合后从分段加热式活塞流反应器上部进料，在反应区发生反应，生成的氨气通过独立的气体通道上升到塔顶，去氨气吸收塔，外来水作吸收剂吸收气体中夹带的醇，经吸收后的氨气去氨气回收利用系统。含醇的吸收液进入精馏塔分离，塔底丙二醇不经冷却作为循环剂回到尿素工段参与反应。分离塔顶为氨水出装置作他用。分段加热式活塞流反应器生成的塔底混合物补充进一部分催化剂后从反应段上部进入酯交换塔，甲醇从酯交换塔反应段下部进料，反应段发生反应生成DMC后，甲醇与DMC以共沸物形式上升到塔顶，经冷凝后不凝气去吸收塔，部分回流，另一部分经加热后以气相从萃取塔底部进入萃取精馏塔进行精制。本设计使用的萃取剂为碳酸丙烯酯，与再生塔底的碳酸丙烯酯混合后从萃取塔上段进料，与塔底部上升的蒸汽逆向接触，共沸物中的DMC被萃取剂萃取。塔顶为纯甲醇气体，冷凝后与新鲜甲醇混合后去酯交换塔继续反应。塔底为DMC与碳酸丙烯酯的混合物，经换热后从萃取剂再生塔中段进料进行分离，塔顶得到DMC高纯度产品输出装置，塔底为碳酸丙烯酯，返回萃取塔进行循环。带控制点的工艺流程图（见附录）4主要设备计算和选型精馏塔的设计精馏塔分为板式塔和填料塔，其优缺点各不相同，需根据实际情况而定。板式塔属于逐级接触式，在每一块塔板上两相呈均匀错流接触。填料塔是微分接触式，填料塔应用也很广泛的，但是它操作范围小，对液体负荷变化敏感，不适宜处理易聚合或者含有固体悬浮物的物料，填料塔涉及液体均布问题在气液接触需冷却时会使结构复杂。通常板式塔的设计资料更易得到，而且更可靠。填料塔更适合塔径不是很大，腐蚀性物系，而且适合真空操作。由于该操作中有微量尿素，在停车操作中易结晶，所以我们选用板式塔。板式精馏塔设计型计算就是在给定生产任务的情况下确定塔板数。先由全塔物料横算确定操作回流比，再将再沸器看做一块理论板，确定提馏段操作线方程，由相平衡关系求出再沸器液体组成，最后进行逐板法或图解法计算该塔理论板数。精馏塔设计计算理论塔板数16实际塔板数30塔效率51%塔径2.4m实际塔高17.8m液流型单流行堰长0.84m板间距0.4m降液管形状弓形堰高0.025m边缘区0.04m截面积0.1m2开孔区面积0.780m2安定区宽度0.07m降液管宽度0.15m筛孔直径5mm板厚3mm底隙高度0.1m孔中心距17.5mm筛孔数2949开孔率7.4%开孔面积0.0577m塔顶空间1.5m塔底空间3.0m换热器的设计本设计主要采取间壁式换热器。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广，其分类见下表。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。(A)反应釜的计算与选型(a)确定反应釜体积根据DMC设计产量70000t/a，选定原料总进料体积流量为：q =58.681L/min=58.681×60L/h=3520.86L/hv,PO估算得到反应器的总体积V为a

V=aV=a3520.862×20=35208.6L=35.21m3每一个反应器体积V为V35.21V=—a= =17.605m3m2设反应器的直径为D,反应器高度为H,则长径比υHγ=D一般γ=1〜3,综合考虑单位体积内传热面积，反应停留时间，加工难度以及设备费用等因素，选定γ=2,对于有气体参加的反应可以获得相当较大的比传热面积，减少返混现象，而且停留时间可以保证，设备费用在允许范围之内。则单台反应器体积V为H=γD=2D ①V=πD2H ②4由，带入①、②可得，D=2.24m，经圆整后，查阅相关国家标准HG21607-96,取D=2400mm，反应器高度H=2D=4800mm。查阅相关行业标准HG21607-96《异形筒体和封头》，查得封头的公称直径为2400mm，选用浅蝶形封头TH，厚度30mm，参数与TH一致，封头上方安装有安全阀。则单台反应器的实际体积为ππV=—D2H=_x2.42×(2×2.4)=21.7m344实际运行时反应器的总体积为V=mV=2×21.7=43.4m2a(b)反应釜选型操作温度120℃，操作压力0.7MPa，可见反应中物料体积变化不大，可取釜内液体V=8.17m3，取其占塔釜体积的0.7，即装填系数为0.7则

V=8.17/0.7=11.67m3Hj=2.193m11.67×0.85×4

π×2.4Hj=2.193m根据国标150-1998材料选用低合金钢16MnR，由于所用催化剂为固体，所以选用固液相搅拌釜式反应器。选用封头内径d=2400mm,即槽径T为2400mm,则高度h=—=2.58m，圆整i πd2i4V取为2600mm,液层高度H= =1.81mπd2i则高径比为2580/2400=1.075，在1-6之间，满足搅拌釜的要求。(c)确定反应釜夹套的直径和高度Dj=di+100=2500mm(符合压力容器公称直径要求圆整取为2200mm则H=H-H=400mm，这样便于筒体法兰螺栓的装拆0j验算夹套传热面积F=H×πd+A=21.048m2>19.04m2j149.8℃到140.4℃35.8kw160r/min即夹套传热面积符合要求所需换热面积的算法：热负荷为35.8kw，另一流股的温度变化为149.8℃到140.4℃，取传热系数K=200W/(m2∙℃)，贝UA=k0T=19.04m2(d)确定反应釜夹套材料和壁厚夹套选取Q235-A的材质，可以知道板厚在4.5-16mm，设计温度在150℃时Q235-A的许用应力[σ]=113MPa,因为有夹套有安全阀，所以P=1.1P那么P=0.77MPa，因为内部夹套无法探伤，故取φ=0.60,根据夹套的单板厚度负偏差C1=0.6mm，单面腐蚀取腐蚀余量C2=1.0mm。夹套的壁厚计算如下：+1.6=15.90mmP×D八+1.6=15.90mmt= ——+C= d2[σ]×φ-P2×113×0.6-0.77标准椭圆形夹套封头的壁厚为：+1.6=15.84mmP×D〃 +1.6=15.84mmt= i~j +C= d2[σ]×φ-0.5P 2×113×0.6-0.5×0.77圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头壁厚均为16mm。（e）确定反应釜内筒的壁厚和材料依题意可初步选取筒体厚度16mm，并取C1=0.8mm，C2=2.0mm筒体有效壁厚为tε=16-2.8=13.2mmD0=2500+2×16=2532mm一 hL≈H+h+τ=2200+25+350∕3≈2342mmj23L∕D0=2342∕2532=0.925,由DJt和L/D°查表B=92MPa则[p]=B=0.8MPa>0.77MPaD/t

0因为计算的[P]>P且比较接近，所以筒体厚度可选为16mm（B）泵的选型（a）泵的选型说明1．满足流量、扬程、压力、温度、汽蚀余量的工艺参数要求。2．满足输送介质特性：（1）对输送易燃、易爆、有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如屏蔽泵、磁力驱动泵、隔膜泵等。（2）对输送腐蚀性介质的泵，要求过流部件采用耐腐蚀材料。（3）对输送含固体颗粒介质的泵，要求过流部件采用耐磨材料，必要时轴封应采用清洁液体冲洗。3．必须满足现场安装的要求（1）对安装在有腐蚀性气体存在的场合的泵，要求采取防大气腐蚀的措施。（2）对安装在室外环境温度低于-20℃以下的泵，要求考虑泵的冷脆现象，采用耐低温材料。（3）对安装在爆炸区域的泵，应根据爆炸区域等级，采用防暴电动机。4．确定泵的型号和制造厂时，应综合考虑泵的性能、能耗、可靠性、价格和制造规范等因素。（b）离心泵的设计计算及选型以甲醇醇溶液进料泵P101为例，下面进行离心泵的设计计算及选型。磁力泵是化工流程中杜绝跑、冒、滴、漏现象，消除环境污染，创造“无泄漏车间”、“无泄漏工厂”，实现安全、文明生产的理想用泵。广泛应用于石油、化工、制药、印染、电镀、食品、环保等企业的生产流程中输送不含铁屑杂质的腐蚀性液体，尤其适用于易燃、易爆、易挥发、有毒和贵重液体的输送。.泵的类型选取结合甲醇醇性质，选用磁力泵。.压头的设计计算经过物料恒算，得到离心泵的相关数据：液体为纯（或浓度较高）的甲醇醇溶液，流量Q=105m3/h；离心泵将溶液输送到11.0m高的反应器顶部，出口压力0.1Mpa。3.泵型号选取结合流量以及扬程选择型号为MPH-401CV5-D的磁力泵，标准输出流量为120m3/h，扬程为18m。4.3其他设计说明车间布置设计车间布置设计是完成设备工艺设计和初步设计工艺流程之后的设计内容。车间布置设计是对车间建筑物等设施配置的安排做出合理的布局。车间布置设计开始，设计进入各专业间共同协作阶段，工艺专业在此阶段除工艺设计本身外，还需要了解和考虑总图、土建、设备、仪表、电气、供排水等专业及机械、安装、操作等各方面的要求（A）车间布置的基本原则合理的生产车间布置应做到：经济合理，节约投资，操作维修方便安全，设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。要做到上述各点必须充分与正确地利用有关的国家标准与设计规范，特别是人们已积累的经验。车间布置设计的原则有以下几点：最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求；有效地利用车间建筑面积(包括空间)和土地；要为车间的技术经济指标、先进合理以及节能等要求创造条件；考虑其他专业对本车间布置的要求；要考虑车间的发展和厂房的扩建；车间中所采取的劳动保护、防腐防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求；本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管路最短，联系最方便；考虑建厂地区的气象、地质、水文等条件；人流、物流不能交错。安全与环保(A)安全为保证化工生产顺利进行，同时满足生产工艺和热体生理要求，在冬季采用集中采暖方式调节生产车间及生活场所室内的温度。同时，为了使工作环境的空气达到并保持适宜的温度、湿度计卫生要求，并能保证操作人员所需的正常环境卫生条件，因此在有余热、余温、有害气体及蒸汽、封尘车间或房间采取通风措施(B)环保(a)主要污染源的处理废气本工艺中出现的主要气体为氨气，工艺中产生的氨气经过处理后直接用管道输送到总厂进行合成尿素处理。因此，要对整个工艺流程装置中最有可能发生泄露或泄压的地方(例反应器安全阀，提纯塔等等)，对其进行封闭处理。提纯工段产生的少量气体也进行焚烧处理，由于是低分子有机物燃烧，最终只会产生少量的二氧化碳和水，不会对大气环境造成太大污染。废水采用锅炉废水处理装置，是这部分的废水闭路循环不外排。采用循环冷却水装置，并在工艺中T级利用，实现清洁冷却水的闭路循环。生活排污水送入污水回用水装置处理后回用。本工程采取废水清浊分流，分级使用，并使进入终端的废水经终端处理后，可作为城镇杂用水回收。对全厂排放口实行在线监测，增强了环境保护的监测手段。本项目实施后可实现生产污水基本达到零排放，生活污水经过处理后将排放量降到最低，因此不会对当地水体环境造成大的影响。噪声控制本工程对产生强噪声源的设备，设置减震装置，并置于单独的隔音间内；对个别噪声大的场所的操作人员采取个人防护措施等。并且，保持设备处于良好的运转状态，因设备运转不正常时噪声往往增大，要经常进行保养，加润滑油，减小摩擦，降低噪声。参考文献阂恩泽，傅军．绿色化工技术的进展[J]．化工进展，1999，3：5-9张雪娇，程永清．化工生产中“绿色原料”—碳酸二甲酷的应用[J]．化学工业与工程技术，2005，26(2)：40-43应卫勇，曹发海，房鼎业．碳一化工主要产品生产技术．化学工业出版社化学与应用化学出版中心P.Tundo，A.Perosa.Greenorganicsynthesis：organiccarbonatesasmethylatingagents，Chem.Record，2002，2:13~23.P.Tundo，M.Selva，TheChemistryofdimethylcarbonate，AccountsofChem.，Res.，2002，35(9)：706~716.戴志谦，贡为明．碳酸二甲酯的合成技术进展与市场[J]．泸天化科技，1999．中国化工产品大全(上卷)[M]．北京．化学工业出版社，1994，7．化工产品手册(有机化工原料上册)[M]．北京．化学工业出版社,1985,6.王景春，武验，邵国斌．碳酸二甲酯生产线在豫投产[N]．中国化工报，1998-01-28(3)．周备铜陵年产1000吨碳酸二甲酯项目动工[N]．中国化工报，1998-01-19(3)．汤志军铜陵建成碳酸二甲酯生产线[N]．中国化工报，1998-11-14(3)．方云进，肖文德，朱开宏.碳酸二甲酯溶剂在溶剂型涂料中的应用研究，涂料工业，2000(1)：26~28.[13]陈中，杨建设，张衍.碳酸二甲酯的生产技术综述[J].精细石油化工，1998(6):45~49.姚洁，高俊杰，曾毅，王越，王公应.催化剂对碳酸二甲酯与苯酚酯交换反应的影响，应用化学，2003，20(9)：898~902.向兴源，碳酸二甲酯生产技术及其应用的发展趋势，现代化工，1995，(4):16~20.HiglerP,TaylorR,KrishnaR.NonequilibriumModellingofReactiveDistillation:MultipleSteadyStatesinMTBESynthesis[J]．ChemEngSci,19995，4(10):1389～1395WenboZhao，ZhaoNing，WeiWei，etal.SynthesisofDimethylCarbonatefromUreaandMethanoloverZnO.IndEngChemRes，2005，44:7596～7599WangMouhua，WangHui，ZhaoNing，etal.SynthesisofDimethylCarbonatefromUreaandMethanoloverSolidBaseCatalysts[J].CatalCommun，20057，:6～10SalehRYanni，MichaelsonRChaeles，SuciuENausicaa，etal.ProcessforManufacturingDialkylCarbona-tesfromUreaandAl2cohol[P].WO9517369，1995.李光兴，许汉昌，陈兵等．合成碳酸二甲酯产物气相色谱分析[J]．湖北化工，1995，(4):56258.张培杰．化工领域经济[J]．化工技术经济，2002，20(5):49-50,54.游本明．时代经济发展趋势[J]．化学经济，1993(6):79张少钢，骆有寿．碳酸二甲酯合成反应的工艺条件及动力学研究[J]．化学反应工程与工艺，1991，7(1):10《化工设备设计手册》编写组．金属设备．上海．上海人民出版社．《化工设备机械基础》编写组．化工设备机械基础第三册．北京．石油化学工业出版社．HG20652-1998《塔器设计技术规定》GB8978-1996《污水综合排放标准》GB3095-1996《环境空气质量标准》.GB50160-1992《石油化工企业设计防火规范》[30]朱宏，江英彦.碳酸二甲酯的制备和应用，化学试剂，1994，16(6):356~358，331[31]CurnutGL，HarleyAD，MartellAE，eta1．OxygenComplexesandOxygenActivationbyTransitionmetals[M]．NewYork：P1enumPress，1998，215~232．[32]王飞燕，刘定华，刘晓勤．甲醇羰基合成碳酸二甲酯的气相连续性工艺[J]．化学反应工程与工艺，2009，25(3)：198~202．[33]孙党莉．甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯工艺研究[J]．甲醇与甲醛，2005，5：26[34]王洪波，祁增忠，夏代宽．尿素和甲醇制备碳酸二甲酯的热力学分析[J]．天然气化工(C1化学与化工)，2006，31(1)：75~78．~27．附录A设备一览表设备位号设备名称类型规格材质操作条件重量t压力Kpa温度℃T101MC精馏塔板式塔1000*18000*25中低压碳钢塔顶108.5塔底122.9进料114.26885756.5T202DMC精馏塔1板式塔1000*24000*25中低压碳钢塔顶109.2塔底135.6进料120.26578708.5T203DMC精馏塔2板式塔1200*28000*25中低压碳钢塔顶106.3塔底130.0进料109.09812810910.25设备位号设备名称类型规格材质操作条件填料重量t压力Kpa温度℃T102脱甲醇塔填料塔1000*10000*12碳钢120.080～60沸石3.5T201催化剂再生塔填料塔900*9000*10碳钢101.350～20催化剂2.5

反应器设备设备位号设备名称规格型号直径*高*厚度mm结构类型材质重量容积操作条件压力Mpa温度℃介质R101MC反应釜3000*4500*25搅拌釜碳钢1530常压145尿素甲醇R102DMC反应釜3000*4500*25搅拌釜碳钢1530常压170MC、甲醇容器设备设备位号设备名称类型材质规格重量/吨容积m3操作条件压力Mpa温度℃介质V101氮气储罐圆顶中压碳钢1.220氮气V102甲醇储罐尖顶低压碳钢5000*5000*44.81000.120甲醇V103混合罐平式低压碳钢1000*10000*622.29000.120氮气甲醇V104MC精馏立式低压碳钢3000*3000*41.3180.1140MC反应釜塔底液

塔出料缓冲罐V105MC缓冲罐立式低压碳钢2000*2000*40.870.170MC精馏塔出料V201DMC反应釜出料缓冲罐立式中压碳钢2600*4000*42.2281.2170DMC反应釜塔顶冷凝液V203中间罐立式低压碳钢2000*2000*40.870.120糠醛DMCV204DMC成品储罐平顶低压碳钢5000*5000*44.91000.120DMC成品换热设备设备位号设备名称规格型号操作条件折流板间距重量/kg压力Mpa温度℃介质管程壳程管程壳程管程壳程E101MC反应产物冷凝器BEN325-1.60-11.8-3/19-4Ⅰ0.40.53085冷却水甲醇NNH3100550E102T101进料冷BEN450-0.6-29.0-1.5/19-20.40.830110冷却水MC甲醇60400

却器E103T101再沸器BEN400-4-14.5-1.5/19-10.1480130MC水蒸气100400E104T101塔顶回流冷凝器BEN600-1.6-47.2-2.2/19-10.30.55030甲醇冷却水60420E201DMC反应产物冷凝器BEN1000-1.60-311.5-4.5/19-4Ⅰ0.41.030100冷却水甲醇NH3100650E202T202进料加热器BEN400-0.60-57.8-6/15-2Ⅰ0.1450130甲醇水蒸气100500E203T202再沸器BEN400-4-14.5-1.5/19-10.1480130MC水蒸气100400E204T202塔顶回流冷凝器BEN600-1.6-47.2-2.2/19-10.30.55030甲醇冷却水60420E205萃取机进料冷凝器BEN325-1.60-11.8-3/19-4Ⅰ0.40.73050冷却水DMC100450E206T202进料加热器BEN450-4-19.8-1.5/19-10.1365130DMC中压蒸汽100400

E207T203塔顶冷凝器BEN600-1.6-47.2-2.2/19-10.40.55530DMC冷却水60750E208T203再沸器BEN400-4-14.5-1.5/19-10.14110130糠醛水蒸气100500E209DMC产品冷却器BEN325-1.60-11.8-3/19-4Ⅰ0.40.732.557.5冷却水DMC120410离 心泵设备位号规格型号主要技术数据操作条件流量m3/h扬程m轴功率KW转速r/min配带电动机功率KW介质流量m3/h出口压力Mpa温度P101CQB-G100-80-1601202816.34290018.5甲醇114.70.125P102CQB-G8065-12550205.2429007.5甲醇尿素