【10万吨二甲基甲酰胺的工艺设计6300字（论文）】

万吨二甲基甲酰胺的工艺设计摘要：二甲基甲酰胺（DMF）具有十分广阔的市场前景，它不仅是一种良好的工业溶剂，也是一种有机合成材料，因此在大规模工业生产中被广泛应用。目前为止，二甲基甲酰胺的生产工艺主要有一氧化碳一步法，甲醇脱氢二步法，甲酸酯化二步法等等。本篇设计主要讨论一氧化碳一步法生产二甲基甲酰胺的工艺设计，一氧化碳一步法是由一氧化碳和二甲胺在以甲酸钠甲醇溶液为催化剂、温度50-100℃、压力1Mpa条件下一步合成DMF，这种方法具有原料成本较低，耗能低，宽源，生产技术先进，最终可生产出优质产品，且纯度高达99%以上，所以一氧化碳一步法适合大规模连续生产二甲基甲酰胺。国内外的大规模企业大多数采用了这种方法。关键词：二甲基甲酰胺;DMF;溶剂;一氧化碳一步法目录TOC\o"1-3"\h\u31761摘要 15153引言 4218351产物分析 4126522工艺设计 5192312.1设计项目 533202.2甲酸酯化二步法 538452.2.1原料介绍 553152.2.2设计原理 7306642.2.3工艺流程简述 7271782.3甲醇脱氢二步法 761832.3.1设计原理 7144542.3.2工艺流程简述 7275532.4CO一步法 874332.4.1原料介绍 8211292.4.2催化剂介绍（甲醇钠甲醇溶液） 855212.4.3设计原理 981472.4.4工艺流程简述 9197542.5三种工艺方法比较 9200313工艺计算 10100833.1CO一步法工艺条件 10245133.1.1反应参数 1083093.1.2反应过程 11167383.2物料衡算 1151693.2.1原料规格 1179153.2.4甲醇钠 12188083.2.5剩余物质 12115403.2.6物料衡算表 12200123.3热量衡算 13261303.3.1热量衡算公式[10] 13204803.3.2反应过程中的热效应 13214383.3.3物料出设备时所带走的热量Q4 13165433.3.4物料带入设备的热量 1470703.3.5冷却剂与系统交换的热量Q2 14184113.3.6热损失Q5+Q6 14257563.3.7热量衡算表 14239174设备选型 15110684.1反应器的选型 15271924.2塔板类型的选取 151244.3精馏塔的工艺计算 1578674.4精馏塔的主要工艺尺寸计算 16206834.4.1精馏塔塔径的计算 16175044.4.2提馏段塔径的计算 17316824.5塔板设计 17207144.5.1塔板布置 1726814.6塔体结构 18291614.6.1塔顶 184324.6.2塔底 18145364.6.3人孔 18302494.6.4塔高 1851765产品成本估算及经济评价 19319725.1原料消耗 19271435.2其他成本消耗 1977055.2.1水费 19319115.2.1其他 19269145.3消耗总成本 19250705.4生产利润 20309136总结 2015575参考文献 2029268ABSTRAC 2214926致谢 23引言二甲基甲酰胺，别名DMF，其分子式为CH3H7NO,淡胺味无色液体，互溶于水和大部分有机溶剂，是一种优秀的工业溶剂和有机合成材料。它具有一定的生殖毒性、良好的化学稳定性、溶解能力、热稳定性、高闪光点和沸点。在制药行业，农药行业，腈纶行业，电子行业，燃料行业等行业广泛使用。DMF作为溶剂时，在腈纶行业被广泛应用；DMF作为清洗电路板的材料时，再电子行业被广泛应用；DMF作为药物合成的中间体时，在医药行业被广泛应用；DMF作为合成高效低毒杀虫剂的原料时，在农药行业被广泛应用；在其他行业DMF可以作为粘合剂，染料溶剂，危险气体的载体等等[1]，因此市场对二甲基甲酰胺的需求被不断促进，无论中国还是世界，DMF的开发前景都非常广阔。目前国内DMF生产行业五巨头总的DMF产量接近年产50万吨，均采用了一步法工艺，因此一步工序在中国占有卓越地位，这种生产能力超过国内DMF总能力的80%，所以一步法的过程技术的持续进步，使其竞争优势更加明显[2]。1产物分析N,N-二甲基甲酰胺英文名：N,N-Dimethylformamide别名：DMF化学式：HCON(CH3)2分子式：CH3H7NO分子量：73.09CAS号：68-12-2表1DMF物理性质名称内容名称内容外观无色透明液体蒸气密度2.51气味有淡的氨气气味蒸气压2.7mmHg(20℃)，0.49kpa（3.7mmHg25℃）熔点-61℃闪点57.78℃（136℉）沸点152.8°C储存条件可以室温保存密度0.944g/mL（20℃,100kPa）溶解度参数δ=12.1折射率n20/D1.42817敏感性吸湿化学性质：没有水、酸、碱的情况下，化学性质十分稳定。在酸的作用下分解成甲酸，二甲胺盐，在碱的作用下分解成甲酸盐，二甲胺。如果是明火、高热的情况，会造成燃烧、爆炸。[3]。2工艺设计2.1设计项目年产10万吨二甲基甲酰胺的工艺设计2.2甲酸酯化二步法2.2.1原料介绍甲酸分类：羧酸化学式：HCOOH分子式：CH2O2CAS号：64-18-6分子量：46.03表2甲酸的物理性质名称内容名称内容密度1.22g/cm³折光率1.3714燃烧热254.4kJ/mol闪点68.9℃临界温度306.8℃临界压力8.63MPa相对蒸汽密度1.59饱和蒸汽压5.33kPa化学性质：甲酸具有强烈的还原性，可以发生银镜反应。在饱和脂肪酸中，酸性最强。在室温下会分解成一氧化碳和水,加热到160℃以上分解放出二氧化碳和氢，与浓硫酸一起加热至60~80℃，分解放出一氧化碳，甲酸的碱金属盐加热至400℃生成草酸盐[4]。甲醇英文名：methylalcohol分子式：CH3OH分子量：32.04CAS号：67-56-1、170082-14-7表3甲醇的物理性质名称内容名称内容物态液体颜色透明无色沸点64.5-64.7℃密度0.791g/mL闪点52℉蒸气密度1.11蒸汽压127mmHg折射率n20/D1.329爆炸上限44.0爆炸下限5.5水溶性易溶储存条件室温化学性质：易燃，遇明火和高温可能会引起燃烧和爆炸。由于氧化剂或燃烧引起的化学反应火灾，加热的容器有爆炸的危险。它可以在较低的地方向远处蔓延，遇明火会引着回燃。燃烧分解一氧化碳、二氧化碳，有剧毒[5]。二甲胺英文名：dimethylamine别名：N-甲基甲胺化学式：C2H7N分子量：45.08CAS号：124-40-3表4二甲胺的物理性质名称内容名称内容外观无色气体气味类似氨相对密度0.68闪点-17.8℃熔点-96℃沸点7.4℃毒性高毒水溶性易溶于水化学性质：易燃，燃烧产生有毒氮氧化物烟雾，有弱碱性，与无机酸形成水溶性盐。2.2.2设计原理HCOOH+CH3OH→HCOOCH3+H2OHCOOCH3+(CH3)2NH→HCON(CH3)2+CH3OH2.2.3工艺流程简述首先甲酸和甲醇酯化生成甲酸甲酯，然后，甲酸甲酯与二甲胺反应生成DMF和甲醇。甲醇通过蒸馏从粗产物中回收[6]。最后，通过真空蒸馏获得二甲基甲酰胺。图1所示为生产工艺流程示意图。 图1甲酸酯化二步法制二甲基甲酰胺工艺流程示意图这种方法的制造工序比较落后，产品质量较差，不能扩大生产规模，不能降低原料成本，生产过程中生产含有醇和酸的废水，造成环境污染。2.3甲醇脱氢二步法2.3.1设计原理2CH3OH→HCOOCH3+2H2HCOOCH3+(CH3)2NH→HCON(CH3)2+CH3OH2.3.2工艺流程简述甲醇的脱氢是吸热反应。甲醇最初用脱氢反应器生成甲酸甲酯，甲酸甲酯连续与二甲胺反应生成高纯度DMF，最终分离精制产物。该方法制DMF与甲酸酯化二步法相比，无污染环境的含醇、酸废水产生，降低了20~30的消耗和生产成本，并且所得产物纯度相对较高，完全满足合成革，腈纶抽丝等的生产要求。2.4CO一步法2.4.1原料介绍一氧化碳化学式：CO英文名：carbonmonoxide分子量：28CAS号：630-08-0表5一氧化碳的物理性质名称内容名称内容物态无色气体气味无味冰点-205.1℃沸点-191.5℃密度1.25g/L毒性有毒临界温度-140.2℃临界压力3499kPa化学性质：在室温下，遇明火和高温，可能会引起燃烧和爆炸。属于可燃性、爆炸性气体。2.4.2催化剂介绍（甲醇钠甲醇溶液）甲醇钠化学式：CH3ONa英文名：Sodiummethoxide分子量：54.02CAS号：124-41-4表6甲醇钠的物理性质名称内容名称内容外观白色粉末闪点11℃相对密度(水=1)1.3相对密度(空气=1)1.1溶解性溶于甲醇乙醇沸点＞450℃折射率1.3700水溶性易溶于水2.4.3设计原理(CH3)2NH+CO→HCON(CH3)22.4.4工艺流程简述在温度50-100度、压力1Mpa、催化剂为甲醇钠甲醇溶液的条件下，一氧化碳与二甲胺直接合成二甲基甲酰胺。该方法制备DMF，每生产1吨二甲基甲酰胺，需要消耗甲胺（＞99%）630kg，一氧化碳330m³。一步法生产工艺的工艺流程比较简单，且原料成本低，来源广，综合能耗比较低，最终产品的收率高、纯度高。一氧化碳一步法的生产工艺在大规模生产推广上比较适合，世界上采用此方法生产DMF的企业在世界上占大多数，生产过程装置具有很强的竞争能力，我国有几台大型的DMF装置建设也是采用的CO一步法技术，比如浙江江山，安徽淮南化肥厂，巴扬石化[7]。2.5三种工艺方法比较从原料来源、生产规模、生产成本、产品质量、环境影响进行对比，可以得出：甲酸酯化二步法生产成本高，生产规模较小，产品质量差，且过程有环境污染物生成；甲醇脱氢二步法成本低，产品质量高，且无污染，但是生产规模还有待改进；CO一步法生产成本较低，生产规模大，产品纯度高，且污染极小[8]，工艺原料简单易得，能耗低，DMF收率可达98%，纯度可达99.99%。原料来源充足，合成氨厂精炼弛放气中的CO就可以利用[9]。因此，CO一步法是最为理想的DMF生产工艺。CO一步法制DMF工艺流程示意图见图2。2234567910118图2CO一步法生产二甲基甲酰胺工艺流程图1.压缩机2.干燥器3.混合器4.反应器5.粗产品贮槽6.过滤器7.接受槽8.甲醇蒸馏塔9.蒸发器10.DMF蒸馏塔11.成品贮槽3工艺计算3.1CO一步法工艺条件3.1.1反应参数反应温度：100℃反应压力：1.8MPa配料比：CO:DMA=1:1催化剂浓度：25%（甲醇钠）CO转化率：95.81%DMF选择性：96.58%3.1.2反应过程压缩后的CO气体在与二甲胺、催化剂混合前，要先在干燥器内脱硫、脱烃和脱水，再送入反应器，于1.8MPa和100℃的条件下合成二甲基甲酰胺，在粗品二甲基甲酰胺贮槽中储存。经过滤除去催化剂中的粗产品，送入蒸发器蒸发后的二甲基甲酰胺再进入蒸馏塔[10]，完成后的二甲醇胺在塔底得到。按年生产时间8400h计算，二甲基甲酰胺得产出效率约为100000÷8400=11.90t/h，本设计设定生成产物得纯度为99.99%。因二甲基甲酰胺产率为98%，则反应生成得产物效率约为11.90×99.99%÷98%=12.14t/h。3.2物料衡算3.2.1原料规格表6原料规格表3.2.2一氧化碳S：选择性；X：转化率；min：进样量；mout：出样量；m：二甲基甲酰胺质量由 S=m/(min–mout)*100% 96.58%=12.14t/h/(min-mout)*100%得 min-mout=12.14t/h/96.58%*100%=12.57t/h又 X=(min-mout)/min*100%得 min=(min-mout)/X*100%=13.12t/h所以 mout=min-(min-mout)=0.55t/h因此一氧化碳的进料量为13.12t/h一氧化碳的出料量为0.55t/h一氧化碳消耗质量：mCO=min-mout=12.57kg/h3.2.3二甲胺原料配比（摩尔比）：一氧化碳：二甲胺=1：1二甲胺的进料摩尔量为1*13.12/28=0.4686kmoL/h二甲胺的进料量为0.4686*45=21.09t/h二甲胺的出料量为mout=min-（min-mout）S=m/(min–mout)*100%mout=21.09-12.57=8.52t/h3.2.4甲醇钠原料配比为：一氧化碳：二甲胺：甲醇钠=1:1:1.5甲醇钠的进料摩尔量为：1.5*13.12/28=0.703kmoL/h甲醇钠的进料量为0.703*54=38.0t/h按催化剂消耗量为6.8%来算：硫酸氢钾的消耗量为：38.0*6.8%=2.6t/h硫酸氢钾的出料量为：38-2.6=35.4t/h3.2.5剩余物质M=13.12t/h+21.09t/h+38.0t/h-35.4t/h-0.55t/h-8.52t/h-12.14t/h=15.6t/h3.2.6物料衡算表表6物料衡算表进料出料名称质量（kg/h）质量（kg/h）一氧化碳13.120.55二甲胺21.098.52甲醇钠3835.4剩余物质015.6产品012.14总量72.2172.213.3热量衡算设反应开始进料温度为25℃，反应终止出料温度为100℃3.3.1热量衡算公式原理：∑Q进=∑Q出平衡式：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1=G·Cp·TQ4=G·Cp·TQ2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3Q进:Q1:反应物料进入到反应器所产生的热量，kJQ2:冷却剂或加热剂与系统所交换的热量（冷却剂为“-”，加热剂为“+”），kJQ3:反应过程的热效应（吸热为“-”，放热为“+”），kJ[11]Q出:Q4:物料反应结束后带出的热量，kJQ5:反应器本身消耗的热量，kJQ6:反应过程中的热损失，kJ3.3.2反应过程中的热效应查资料可得：表7原料与产物的燃烧热与比热容物质燃烧热（kJ/mol）比热容（kJ/kg·k）一氧化碳283.001.04二甲胺1741.801.10二甲基甲酰胺1915.462.10水286.004.186（1）过程的热效应Qr=∑Q反-∑Q正=286.00kJ/mol+1915.46kJ/mol-1741.80kJ/mol-283.00kJ/mol=176.66kJ/mol（2）热效应Q3Q3=176.66kJ/mol×（12.14÷28+12.14÷45）*1000=124253.67kJ/h3.3.3物料出设备时所带走的热量Q4（1）DMF出设备时所带走的热量QA=G·CP·T=11.90×2.10×373.15×1000=9325018.5kJ（2）水出设备时所带走的热量 QB=G·CP·T=3.35×4.186×373.15×1000=5232719.8kJ（3）未参加反应的一氧化碳和二甲胺以及杂质带走的热量一氧化碳带走的热量：QC=G·CP·T=0.55×1.04×373.15×1000=213441.8kJ二甲胺带走的热量：QD=G·CP·T=8.52×1.10×373.15×1000=3497161.8kJ（4）物料带出设备的热量Q4Q4=QA+QB+QC+QD=9325018.5kJ+5232719.8kJ+213441.8kJ+3497161.8kJ=18268341.9kJ3.3.4物料带入设备的热量（1）一氧化碳带入设备的热量： QB=G·CP·T=13.12×1.04×298.15×1000=4068197.12kJ（2）二甲胺带入设备的热量： QF=G·CP·T=21.09×1.10×298.15×1000=6916781.85kJ（3）物料带入设备的热量：Q1=QB+QF=4068197.12kJ+6916781.85kJ=10984978.97kJ3.3.5冷却剂与系统交换的热量Q2因为：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6假设Q5+Q6=（15%）×Q2Q2=(Q4-Q1-Q3)÷0.85=(18268341.9-10984978.97kJ-124253.67kJ)÷0.85=8422481.48kJ3.3.6热损失Q5+Q6Q5+Q6=（15%）×Q2=8422481.48kJ*0.15=1263372.22kJ3.3.7热量衡算表表8热量衡算表进料出料物质名称热量（kJ）物质名称热量（kJ）一氧化碳4068197.12一氧化碳213441.8二甲胺6916781.85二甲胺3497161.8热效应124253.67二甲基甲酰胺9325018.5交换热8422481.48水5232719.8热损失1263372.22总计19531714.12总计195531714.124设备选型4.1反应器的选型为了操作简单，提高产率，该设计使用鼓泡式反应器。4.2塔板类型的选取DMF不易结焦，粘度小，筛板塔有结构相对简单、造价很低，且板上液面落差小，气体的分布情况较均匀，气体压降低，传质效率较高，生产能力较大的优点，选用筛板塔是为了确保精确设计和先进控制手段[12]。4.3精馏塔的工艺计算在本篇设计中，二甲胺的回收率为99%，含量≥98%，转化率为85%，二甲基甲酰胺回收率为98%，含量≥99%，年产量为10万吨/年，由此可计算出二甲基甲酰胺的流量V[8]。若每年工作8400小时，则:V=100000000/（0.98x8400)=12147.72kg/h=166.29kmo1/h根据主反应方程式:CO+(CH3)2NH→(CH3)NCOH可推出(CH3)NH:(CH3)NCOH=1:1生产lmolDMF需要1mol的二甲胺原料由DMF的回收率为98%，可得到实际生产DMF的量为:nDMF=166.29/0.98=169.684kmol/hn二甲胺=169.684kmol/h由二甲胺转化率为85%，可得二甲胺的实际进料量为：n'=169.684/0.85=199.63kmol/h未反应的二甲胺的量n''=199.63x0.15=29.945kmo1/h为了分离甲醇，物料在进入DMF分离塔之前必须先进入甲醇分离塔，因此，在DMF分离塔中，可以忽略材料中含有的微量甲醇[13]。在进入二甲基甲酰胺蒸馏塔前的进料中，X二甲胺=29.945×45.08/(29.945×45.08+169.684×73.09)=0.098XDMF=169.684×73.09/(29.945×45.08+169.684×73.09)=0.902由于是分离塔，所以在进入二甲基甲酰胺蒸馏塔前的塔釜中不存在化学反应，二甲胺回收率为99%，所以塔釜中nDMF=169.684kmol/hn二甲胺=29.945×0.1=2.9945kmol/hX二甲胺=169.684/(169.684+2.9945)=0.9827XDMF=2.9945/(169.684+2.9945)=0.0173在进入二甲基甲酰胺蒸馏塔前的塔顶中，二甲胺含量≥98%，回收率为99%，所以塔顶中n二甲胺=2.9945×0.99=2.9646kmol/hnDMF=169.684×0.2=33.9368kmol/hX二甲胺=2.9646×45.08/（33.9368×73.09+2.9646×45.08）=0.3501XDMF=33.9368×73.09/（33.9368×73.09+2.9646×45.08）=0.6499二甲胺的实际进料量=进料量+循环的量所以，n二甲胺=199.63+2.9646=202.5946kmol/h4.4精馏塔的主要工艺尺寸计算4.4.1精馏塔塔径的计算取板间距HT=0.4mhL=0.07m，则HT-hL=0.4-0.07=0.33m×（）½=×（）½=0.9848查史密斯关联图，得C20=0.067C=C20（）0.2=0.067×（）0.2=0.069Umax=C×=0.069×=0.9455m/s取安全系数为0.7，则U=0.7Umax=0.7×0.9455=0.662m/sD===0.76m塔径圆整为0.8m，则塔截面积AT=×D²=×0.8²=0.5024m²空塔气速U===0.595m/s4.4.2提馏段塔径的计算取板间距HT=0.4mhL=0.07m，则HT-hL=0.4-0.07=0.33m×（）½=×=0.9646查史密斯关联图，得C20=0.074C=C20（）0.2=0.074×（）0.2=0.073Umax=C=0.073×=1.003m/s取安全系数为0.7，则U=0.7Umax=0.7×1.003=0.7021m/sD===0.79m塔径圆整为0.8m，则塔截面积AT=×D²=×0.8²=0.5024m²空塔气速U==0.342/0.5024=0.681m/s4.5塔板设计4.5.1塔板布置取Ws=0.05m,Wc=0.035mX=-（Wd+Ws）=-（0.12+0.07）r=-Wc=-0.035=0.365m开孔面积Aa=2（x+sin-1）=0.312m²4.5.2筛孔数n和开孔率取筛孔的孔径do=5mm,板厚δ=3mm,按正三角形排列取=3,故孔中心距t=3×5=15mm=0.015m筛孔数n===1484孔开孔率=×100%=0.907×（）2×100%=10.08%气体通过筛孔的气速Uo=精馏段Uo===9.5m/s提馏段Uo===10.87m/s4.6塔体结构4.6.1塔顶取1.8HT=1.8×0.4=0.72m故塔顶空间取1m4.6.2塔底塔底液面和最下层塔板之间留2m的距离4.6.3人孔因为塔直径为0.8m，所以设人孔直径为0.4m，人孔处的板间距为0.6m，每隔7层塔板设一人孔4.6.4塔高H=(n-nF-nP-1)HT+nPHP+nFHF+HD+HBn=128nF=1nP=18HT=0.4mHP=0.6mHD=lmHB=3mHF=1.5HT=0.6m故H=(128-1-18-1)×0.4+18×0.6+1×0.6+1+3=58.6m取H=59m5产品成本估算及经济评价5.1原料消耗(1)一氧化碳M1=13.12t/h-0.55t/h=12.57t/h则其经济指标为：12.57*1200=15084元/h（2）二甲胺M2=21.09t/h-8.52h/t=12.57t/h 则其经济指标为：12.57*6299.99=79190.87元/h（3）甲醇钠 M3=38t/h-35.4t/h=2.6t/h 则其经济指标为：2.6*4500=11700元/h总的消耗：15084+79190.87+8652=11700元/h则年原料消耗总成本为11700×8400=98280000元5.2其他成本消耗5.2.1水费本工艺设计反应温度：T1=25℃,T2=100℃，则水每小时消耗的质量约为40t，经过市场调查可以得知水的价格为2元/吨8400小时总用水量：40×8400=336000t通过调查得知水的市场价格为2元/吨，则用水消耗总成本为：336000×2=672000元5.2.1其他用电、装置维修仪表安装、仪表安装等不可预见费用：30000元5.3消耗总成本表9能量消耗表序号名称花费/元1原料982800002水6720003其他300004总计989820005.4生产利润DMF的市场价格为11000元/吨，所以年产10万吨DMF的总价为100000×11000=1100000000元利润=价格-成本=1100000000-98982000=1001018000元6总结本设计的工艺目标是年产10万吨二甲基甲酰胺的工艺设计，通过在图书馆和知网等渠道查阅相关资料以及借鉴以前学长学姐的设计完成了这篇设计，因为化工生产存在严重的环境污染，并且需要损耗大量的原料，所以格外要求反应容器的性能，为减少不必要的浪费，本文详细计算原料的损耗，并对叙述主要设备的选型，本篇设计种的表格和工艺流程图和是使用Word和CAD等软件制作得来。本设计以甲醇钠甲醇溶液做催化剂，一氧化碳和二甲胺为生产原料，一步生成二甲基甲酰胺为原理生产二甲基甲酰胺的工艺，通过设计过程中对的热量衡算、物料衡算、经济衡算等，让我清楚地了解到二甲基甲酰胺的生产工艺，设备选型的计算部分也大大加深了我对化工原理这门学科的理解，在这个工艺中，由于甲醇钠甲醇溶液作为催化剂的优点，大大减少了废物的排放，对