引言 (1)1 总论 (2)1.1设计项目 (2)1.2碳酸二甲酯的性质和用途 (2)1.2.1碳酸二甲酯的性质 (2)1.2.2碳酸二甲酯的用途 (2)2碳酸二甲酯的制备方法 (4)2.1酯交换法 (4)2.1.1碳酸乙烯酯法 (4)3.大工艺路线的比较 (7)3.1本设计所选工艺方案 (8)3.2甲醇氧化羰基化法流程 (9)4主要设备计算和选型 (13)4.1精馏塔的设计 (13)4.2精馏塔设计计算 (14)4.2.1换热器的设计 (14)(A)反应釜的计算与选型 (14)(a)确定反应釜体积 (14)(b)反应釜选型 (15)(d)确定反应釜夹套材料和壁厚 (16)(e)确定反应釜内筒的壁厚和材料 (17)(B)泵的选型 (17)(a)泵的选型说明 (17)4.3.1车间布置设计 (18)(A)车间布置的基本原则 (18)I4.3.2安全与环保 (19)(A)安全 (19)(B)环保 (19)参考文献 (21)附录A 设备一览表 (24)致谢 (30)I I引言碳酸二甲酯( Dimethyl carbonate, 简称为DMC)是无毒无公害的主要工原料和产品之一,一种新型的绿色有机合成中间体, 被称为/ 21 世纪有机合成领域的新基块0。
它在农药、医药、高分子合成、燃料添加剂及溶剂中均有广泛用途。
由于生产和使用DMC 的过程中, 极少产生对环境的污染, 因此,DMC 已日益受到人们的重视, 并将得到越来越广泛的应用。
DMC 是一种重要的有机合成中间体, 其结构中含有甲基、甲氧基、羰基、甲氧基羰基, 因而具有良好的反应活性, 能与酚、醇、胺、肼、酯类化合物发生反应, 生成许多重要的化工产品。
DMC 可代替有毒的硫酸二甲酯作甲基化剂, 制备苯甲醚( 苯甲醚是重要的农药、医药中间体) , 还可用作油脂工业抗氧化剂、食用香料等, 以及生产主要用于照相印刷中作显影液的四甲基醇( TMAH) 。
可代替有剧毒的光气作羰基化剂, 合成如聚碳酸酯等工程材料, 也可用于制造磁带、磁盘等光电子产品。
另外, 由于DVD 等高档视听产品的普及, 光盘需求量大幅提高, 对以DMC 为原料生产的聚碳酸酯的需求将不断增大, 因而用在此方面的DMC 用量会大幅上升。
DMC 还可用于生产烯丙基二甘醇碳酸酯( ADC) 。
ADC 是一种性能优异的热固性树脂, 可替代玻璃用于眼镜片和光电材料等新的领域,代替各种有毒溶剂( 苯、甲苯) 作涂料、油漆的溶剂,也可代替甲基叔丁基醚作汽油添加剂。
DMC 的分子量含氧高达53 % , 且辛烷值高, 可用作汽油添加剂, 以增加汽油含氧量, 提高燃烧效率, 降低毒性尾气排放, 这些方面都要优于MTBE。
DMC 还是与环境友好的绿色化合物, 随着世界各国对环境污染的日益重视, 利用DMC 的特性及将其作为合成中间体开发绿色化工产品, 有着巨大的吸引力和市场潜力。
设计7万吨/年碳酸二甲酯的工厂设计，本次设计我选用甲醇氧化羰基法。
通过本次实验，我学习到了工厂设计一套生产碳酸二甲酯的工艺流程的整个过程。
11总论1.1设计项目本课题以某石油化工厂尿素和甲醇为原料，进行年产70000 吨工业碳酸二甲酯装置的工业设计，并提交设计说明书及相关工程图纸。
配管设计采用PDSOFT 三维管道设计与管理系统辅助设计,年工作时间大于8700 小时。
1.2碳酸二甲酯的性质和用途1.2.1碳酸二甲酯的性质(CH3O)2C=O,无色液体,有香味。
相对密度1.065(17℃),熔点-0.5℃,沸点90.6℃。
不溶于水,溶于许多有机溶剂,可混合于酸类和碱类。
又称碳酸甲酯,简称DMC。
无色透明液体。
相对分子质量90.08。
相对密度1.0694。
熔点2～4℃。
沸点90～91℃、42℃(1.60× 104Pa)。
闪点21.7℃、16.7℃(闭式)。
折射率1.3687。
溶于水(20℃时13.9)、丙酮、氯仿、甲苯, 易溶于乙醇、无机酸和碱溶液。
化学反应性强, 可以提供甲基化基、羰基化基及酰基化基,以取代对环境有污染的光气、硫酸二甲酯等,受到广泛注意。
通过对它的毒性进行研究后发现，DMC 的毒性远远小于目前常用的化工原料（光气、硫酸二甲酯），与大白鼠、小白鼠经口致死中量LD50=6 400～12 800 mg/kg，与甲醇（LD50=3 000mg/kg）相比，应该认为是安全的。
以DMC 为原料可合成食品添剂、抗氧化剂、植物保护剂、高级树脂、燃料和药物中间体、表面活性剂等，是有机合成的“新基块”。
1.2.2碳酸二甲酯的用途它可作为溶剂;由于本品毒性极低,广泛用作医药原料,生产呋喃唑酮;农药的中间体,制备杀虫剂“西维因”(又称“胺甲萘”,Carba nyl)、杀螨剂“呋喃丹”,用于蔬菜、果树、棉花的病虫害防治;制备磷酸二苯酯,用作聚碳酸酯的原料, 聚碳酸酯广泛用作工程塑料及光学材料;用作异氰酸酯的原料,由异氰酸酯可生产聚氨酯;用作生产热固性树脂烯丙基二甘醇碳酸酯,用作光学材料;用作生产对二氨基脲的原料,对二氨基脲是一种锅炉清洗剂;用作长2链烷基碳酸酯及四甲基氢氧化铵的原料;制备苯甲醚、香料、N-甲基咔唑和均二氨基脲的原料;本身可用作汽油添加剂,以提高辛烷值;也用作其他有机合成的中间体及甲基化剂和羰基化剂。
1.2.3碳酸二甲酯的应用（A) 羰基化试剂)的反应活性较高, 但有剧毒, 目前, 羰基化试剂一般都采用光气。
光气(COCl2参加反应时易生成腐蚀反应设备的副产物, 同时严重污染环境。
因此, 随着化学工业的发展, 光气将逐渐被淘汰。
DMC 具有和光气类似的亲核反应能力, 当其羰基受到亲核基团攻击时, 酰基- - 氧键即发生断裂, 形成羰基化合物。
因此DMC 可以代替光气作高分子合成材料等的中间体, 如氨基甲酸酯、聚碳酸酯、异氰酸酯等。
(B)甲基化试剂常用的甲基化试剂硫酸二甲酯(DMS)和CHCl 不仅具有毒性和腐蚀性, 且碱用量3大, 又存在产物分离难题。
用DMC 作甲基化试剂可避免生产过程中的操作危险、设备腐蚀及环境污染等问题。
如用DMC 代替DMS 与苯酚反应生产农药、医药中间体的苯甲醚, 产品收率高, 副产物为甲醇和CO。
2(C)汽油添加剂目前已应用的汽油添加剂主要是甲基叔丁基醚( MTBE) 。
DMC 可以提高汽油的辛烷值和氧含量, 使汽油达到同等氧含量时使用的DMC 的量比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; 使用DMC 还克服了OH 是MTBE 易溶于水、污染地下水源等缺点。
此外, 生产DMC 工艺过程中DMC 和CH3共沸物, 不需要进行分离, 可直接掺入汽油中使用, 这样既简化了DMC 的生产工艺过程又降低生产成本。
(D)电解液碳材料阳极电池的电解液所用溶剂一般含50%～90%的DMC。
将添加DMC 的电解液用于锂离子电池中, 电池具有高电流密度和良好的抗氧化还原性能, 而且导电性能高、电池寿命长。
34(E)溶剂DMC 是性能优良的溶剂, 其熔、沸点范围窄, 表面张力大, 粘度低, 介电常数小,蒸发温度高, 蒸发速度快。
因此, 它作为集清洁性和安全性于一体的绿色溶剂, 可用作特种干油漆的溶剂及医药品的溶媒介质。
此外, DMC 还可用于柴油添加剂, 合成高级润滑油的基本材料长链烷基碳酸酯, 生产香料、清洗剂、农药等新型化学产品。
2碳酸二甲酯的制备方法2.1酯交换法2.1.1碳酸乙烯酯法1918 年, Hood Murdock 成功地用光气与甲醇制得DMC 。
反应分两步完成, 首先由光气与甲醇反应得氯甲酸甲酯, 氯甲酸甲酯进而与甲醇反应得DMC 产品。
以后DMC 的合成方法不断发展, 出现了酯交换法、甲醇氧化羰基化法以及以甲醇和二氧化碳为原料的合成方法。
C 3H 4O 3+2CH 3OH →CH 3OC(O)OCH 3+HO(CH 2)2OH该酯化反应催化剂通常为碱金属氢氧化物、醇盐或碳酸盐, 如氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠和碳酸钾等。
20 世纪90 年代美国Texaco 公司采用二步法成功地由环氧乙烷、二氧化碳和甲醇高选择性地联产DMC 和乙二醇, 活性最佳的催化剂是由叔胺和季胺官能团作用的树脂, 但是CH 3OH 与DMC 形成的共沸物较难分离。
德国Bayer 公司提出以双功能催化剂如ZnCl 2+Bu 4NI 由环氧乙烷、二氧化碳和甲醇连续合成了DMC 。
我国原化工部上海化工研究院和浙江工业大学采用碳酸乙烯酯与甲醇进行酯交换联产DMC 和乙二醇, 且已有中试成果。
2.1.2碳酸丙烯酯法浙江大学化学系和华东理工大学化学工程系都是利用碳酸丙烯酯与甲醇为原料酯交换联产DMC 和1, 2- 丙二醇, 且在国内已经工业化, 反应的转化率和选择性都很高, 产品收率可达到95%以上, 而且DMC 的纯度达到99%以上。
自从1974年, 美国专利US3803201 提出采用甲醇钠作为环状碳酸酯和甲醇的酯交换反应的催化剂, 到目前为止, 甲醇钠仍然是DMC 合成工艺上最常采用的催化剂。
此法反应条件温和,产品收率高, 但是原料不易得到, 单位体积设备生产能力低, 投资较大, 产品成本高。
2.2甲醇氧化羰基化法由甲醇、一氧化碳和氧为原料直接氧化羰基合成DMC, 按反应相态可分为液相法、气相法和常压非均相法。
甲醇氧化羰基化合成法工艺先进, 操作连续且简便,对环境污染较小, 被认为是相当有前途的DMC 合成工艺, 目前国内外竞相开发此合成艺。
2.2.1液相法意大利的Romano 等对液相工艺研究做了很多工作, 当以铜的化合物作为催化剂进研究时发现, CuCl活性最好, DMC 的收率最高, 反应中可避免二甲醚和氯甲烷副2产物的生成, 从而使甲醇对DMC 的选择性接近100%。
1992 年Daniele 等又提出以二乙酰丙酮钴作为新的催化剂用于甲醇的氧化羰基化合成DMC。
由意大利EnichemSyethetic公司1983 年首次将液相工艺实现工业化, 目前规模已达到1.2 万t /a该催化剂置于淤浆反应器中, 反应温度120～130℃, 压力2～3MPa,以方法中将CuCl2CH3OH 计DMC 选择性大于98%, 反应过程中氧浓度始终控制在爆炸极限以下[10]。
日本三菱公司采用甲醇溶液液相法建有1.5 万t /a 装置, 我国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, 建有4 000 t /a DMC 生产装置Taxaco 公司开发的DMC 生产工艺是采用甲氧基氯化铜为催化剂。
当以丙酰胺为助溶剂时, 在90℃, 1.0MPa 条件下反应, 可以提高产率, 同时使产品易于分离, 从而降低了成本。
如添加磷酰胺为助溶剂时, 可进一步提高DMC 的产量。