110kt/a碳酸二甲酯生產(chǎn)工藝流程的初步設(shè)計(jì)摘要：碳酸二甲酯是一種低毒、環(huán)保性能優(yōu)異的化工原料。在農(nóng)藥、醫(yī)藥、聚酯、鋰電池電解溶液化妝品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，被稱為“21世紀(jì)有機(jī)合成領(lǐng)域的新基塊”。本設(shè)計(jì)采用甲醇氧化羰基化法制碳酸二甲酯，先將甲醇、一氧化碳和氧氣進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行催化反應(yīng)，再通過閃蒸罐分離，將一氧化碳和氧氣進(jìn)行燃燒處理，主液相產(chǎn)物碳酸二甲酯、水及殘留甲醇進(jìn)入精餾系統(tǒng)進(jìn)行分離、精制，最終得到11萬噸純度為99.2%wt的碳酸二甲酯產(chǎn)品。采用模擬流程軟件進(jìn)行全流程模擬，通過甲醇分離塔(T0203)進(jìn)行甲醇循環(huán)利用，并選取工藝流程中固定床反應(yīng)器(R0101)、碳酸二甲酯精制塔(T0202)、進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得出主要的參數(shù)數(shù)據(jù)。并依據(jù)全流程模擬數(shù)據(jù)結(jié)果及繪圖規(guī)則繪制了工藝物料流程圖、管道及儀表流程圖、裝配圖。最后對(duì)全流程進(jìn)行了初步的環(huán)保評(píng)價(jià)與安全評(píng)價(jià)，以確保設(shè)計(jì)項(xiàng)目的安全性和可行性。關(guān)鍵詞：碳酸二甲酯；工藝設(shè)計(jì)；甲醇氧化羰基化PreliminaryDesignofa110kt/aDimethylCarbonate(DMC)ProductionProcessAbstract:Dimethylcarbonate(DMC)isalow-toxicitychemicalrawmaterialwithexcellentenvironmentalperformance.Widelyusedinpesticides,pharmaceuticals,polyesters,lithiumbatteryelectrolytes,cosmetics,andotherfields,itishailedasa"newcornerstoneinthefieldoforganicsynthesisforthe21stcentury."ThisdesignemploysthemethanoloxidativecarbonylationmethodtoproduceDMC.Theprocessinvolvespretreatmentofmethanol,carbonmonoxide,andoxygen,followedbycatalyticreaction.Theproductsarethenseparatedviaaflashevaporationtank,wherecarbonmonoxideandoxygenarecombusted.Themainliquid-phaseproducts—DMC,water,andresidualmethanol—enterthedistillationsystemforseparationandpurification,ultimatelyyielding110,000tonsofDMCwithapurityof99.2%wt.Processsimulationsoftwarewasutilizedtomodeltheentireworkflow,incorporatingmethanolrecyclingviathemethanolseparationcolumn(T0203).Keyequipment,includingthefixed-bedreactor(R0101)andtheDMCpurificationcolumn(T0202),weredesignedandcalculatedtoderivecriticaloperationalparameters.Basedonsimulationresultsanddraftingstandards,processflowdiagrams(PFDs),pipingandinstrumentationdiagrams(P&IDs),andassemblydrawingsweregenerated.Finally,preliminaryenvironmentalandsafetyevaluationswereconductedtoensuretheproject’sfeasibilityandcompliancewithsafetystandards.Keywords:DimethylCarbonate(DMC);ProcessDesign;MethanolOxidativeCarbonylation緒論碳酸二甲酯的研究背景及意義碳酸二甲酯的合成最早出現(xiàn)在1835年，由法國(guó)化學(xué)家Dumas通過光氣法實(shí)現(xiàn)。盡管光氣法因安全性和環(huán)保問題逐漸被淘汰，但它為DMC的發(fā)現(xiàn)和后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。1986年美國(guó)DOW化學(xué)公司開發(fā)了甲醇?xì)庀圄驶夹g(shù)，該方法避免了催化劑對(duì)設(shè)備的腐蝕，工藝簡(jiǎn)單。1992年日本宇部興產(chǎn)公司建成一套生產(chǎn)能力3000t/a的工業(yè)化裝置，并將擴(kuò)建到年產(chǎn)3~5萬t的大型工業(yè)化裝置。這一舉措推動(dòng)了碳酸二甲酯工藝的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大。多年來，國(guó)內(nèi)外各大公司及研究學(xué)者發(fā)展了多種碳酸二甲酯生產(chǎn)工藝][1]。目前工業(yè)化路線有三種：酯交換法、甲醇化法、尿素醇解法，其中酯交換法包括環(huán)氧丙烷酯交換法和環(huán)氧乙烷酯交換法，甲醇化法包括甲醇氧化羰基化法、甲醇碳酸化法、二氧化碳甲醇化法[12]。圖1.12024年碳酸二甲酯生產(chǎn)工藝產(chǎn)能占比如今，全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民對(duì)美好生活的需要驅(qū)動(dòng)著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，推動(dòng)鋰電池電解液需求激增，碳酸二甲酯是鋰離子電池電解液的核心溶劑之一，因其高電化學(xué)穩(wěn)定性、低黏度和良好的溶解性能，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域，2024年需求量中約60%來自該領(lǐng)域；其次碳酸二甲酯是聚碳酸酯非光氣法合成的關(guān)鍵原料，替代傳統(tǒng)劇毒光氣，用于生產(chǎn)高性能工程塑料。聚碳酸酯廣泛應(yīng)用于汽車零部件、電子設(shè)備外殼、建筑材料等，碳酸二甲酯作為原料之一，推動(dòng)其在工程塑料中的需求增長(zhǎng)；同時(shí)受國(guó)內(nèi)供應(yīng)過剩影響，企業(yè)通過出口緩解壓力。2024年出口量同比激增146.15%，創(chuàng)歷史新高，主要流向東南亞、歐洲等新興市場(chǎng)。2024年，中國(guó)碳酸二甲酯下游消費(fèi)量同比增長(zhǎng)32.58%，近五年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)34.88%，總需求量達(dá)41.16%。這一增長(zhǎng)主要受新能源產(chǎn)業(yè)，如鋰電池電解液、聚碳酸酯和出口市場(chǎng)拉動(dòng)。其中，電解液和聚碳酸酯兩大領(lǐng)域的消費(fèi)占比已超過85%，較2023年提升2.58個(gè)百分點(diǎn)[2]。隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，碳酸二甲酯在新能源和環(huán)保材料領(lǐng)域的應(yīng)用占比將持續(xù)提升。圖1.22017年-2023年中國(guó)DMC表觀消費(fèi)圖碳酸二甲酯的性質(zhì)碳酸二甲酯(DMC)，化學(xué)式C3H6O3，分子量為90.08，在常溫下為無色至淡黃色透明液體，略帶香味或刺激性氣味，微甜，具有低黏度和良好的揮發(fā)性。難溶于水，但能與醇、酮、酯等任意比混溶。表1.1碳酸二甲酯物理性質(zhì)名稱碳酸二甲酯別名DMC外觀無色至淡黃色液體，有芳香氣味化學(xué)式C3H6O3分子量90.078熔點(diǎn)2至4℃沸點(diǎn)90至91℃密度1.069g/cm3水溶性不溶應(yīng)用農(nóng)藥、醫(yī)藥、香料、燃料添加劑、溶劑及電子工業(yè)等領(lǐng)域碳酸二甲酯的用途碳酸二甲酯在化工領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[3]。1.在化工領(lǐng)域，碳酸二甲酯作為重要的化工原料，可替代光氣、硫酸二甲酯等劇毒物質(zhì)，用于羰基化、甲基化等反應(yīng)，顯著降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也是聚碳酸酯、聚酯纖維等多種高性能材料的關(guān)鍵原料。碳酸二甲酯的低毒性和高溶解性使其成為環(huán)保型溶劑的首選，用于制備鋰電池電解液、涂料與膠黏劑、半導(dǎo)體清洗劑等。2.在醫(yī)藥領(lǐng)域，碳酸二甲酯作為藥物中間體用于合成抗病毒藥物，如環(huán)丙沙星、抗癌藥物及疫苗佐劑。3.在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，碳酸二甲酯作為溶劑或反應(yīng)介質(zhì)，提高磺草靈等農(nóng)藥的分散性和穩(wěn)定性。綜上，碳酸二甲酯憑借其多功能性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，已成為化工領(lǐng)域不可或缺的“綠色基塊”，未來在新能源、新材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力將進(jìn)一步釋放。圖1.3碳酸二甲酯用途占比圖設(shè)計(jì)任務(wù)書處理能力：11萬噸/a碳酸二甲酯產(chǎn)品的制備；設(shè)計(jì)要求：產(chǎn)品碳酸二甲酯的純度達(dá)到99.2%以上；工作時(shí)長(zhǎng)：每年8000h的運(yùn)作時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容將原料甲醇與氧氣、一氧化碳進(jìn)行氧化羰基化反應(yīng)生成碳酸二甲酯，將反應(yīng)過程中的甲醇進(jìn)行精制分離循環(huán)利用，對(duì)主產(chǎn)物碳酸二甲酯進(jìn)行分離精制與回收后，得到高純度產(chǎn)品碳酸二甲酯。碳酸二甲酯生產(chǎn)工藝路線概述合成碳酸二甲酯生產(chǎn)工藝路線眾多，但在工業(yè)生產(chǎn)中真正發(fā)揮作用且有實(shí)用價(jià)值并得以延續(xù)投產(chǎn)的工藝路線包括以下幾種：酯交換法、甲醇氧化羰基化法、尿素醇解法。這些方法在國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行中大規(guī)模投產(chǎn)，足以見其安全性和高效性[12]。酯交換法以環(huán)氧丙烷(PO)或環(huán)氧乙烷(EO)為原料，與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸丙烯酯(PC)或碳酸乙烯酯(EC)，再與甲醇進(jìn)行酯交換生成DMC，同時(shí)聯(lián)產(chǎn)丙二醇(PG)或乙二醇(EG)[4]。其反應(yīng)方程式如下：圖2.1酯交換法方程式酯交換法技術(shù)成熟，反應(yīng)條件溫和但其受原料影響較大，并且原料用量大，投資較高，催化劑甲醇鈉不可回收，環(huán)保壓力大。尿素醇解法尿素與甲醇或丙二醇反應(yīng)生成碳酸二甲酯(DMC)，分為直接法和間接法[5]。1.直接法：尿素與甲醇反應(yīng)生成氨基甲酸甲酯，再分解為碳酸二甲酯(DMC)(溫度150-170℃，常壓)； (2.1) (2.2)2.間接法：尿素先與丙/乙二醇反應(yīng)合成碳酸丙/乙烯酯，第二步碳酸丙/乙烯酯再與甲醇反應(yīng)合成碳酸二甲酯(DMC)，副產(chǎn)丙/乙二醇可循環(huán)使用；反應(yīng)方程式如下：圖2.2尿素醇解間接法尿素醇解法原料成本低，無共沸分離問題，但其產(chǎn)率低，需添加昂貴催化劑且碳酸二甲酯(DMC)與甲醇分離能耗高。甲醇氧化羰基化法原料甲醇、一氧化碳和氧氣在催化劑(如CuCl)作用下直接合成DMC，分為液相法和氣相法。1.液相法[6]：反應(yīng)溫度90-120℃，壓力2-3MPa，但CuCl催化劑腐蝕設(shè)備且易失活；反應(yīng)方程式如下： (2.3) (2.4)2.氣相法[7]-[10]：分為間接法和直接法。(1)直接法：是在固定床反應(yīng)器中，以甲醇、CO和氧氣為原料，直接進(jìn)行氣相氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)。反應(yīng)體系為氣相，催化劑為固相，進(jìn)行氣固相催化反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下： (2.5)(2)間接法：以亞硝酸甲酯為中間體，溫度50-150℃，安全性高但需控制有毒氣體,副產(chǎn)物草酸二甲酯容易堵塞管路。液相法設(shè)備容易腐蝕，直接氣相法甲醇氧化羰基化工藝路線具有原料低廉易得、毒性小、污染物排放量小等特點(diǎn)，是具有廣闊發(fā)展前景的工藝路線之一。工藝方法的確定甲醇氧化羰基化法制備碳酸二甲酯因其技術(shù)先進(jìn)性和環(huán)境友好性，已成為當(dāng)前主流工藝之一[13]。首先其以甲醇、CO和O?為原料，其中甲醇是基礎(chǔ)化工產(chǎn)品，CO可來自煤化工尾氣或工業(yè)廢氣，氧氣通過空氣分離獲取，原料供應(yīng)鏈成熟且成本低廉；同時(shí)相比于傳統(tǒng)光氣法，無需劇毒光氣，且CO?排放量低；并且直接氣相法副產(chǎn)物水，符合綠色化學(xué)原則。甲醇氧化羰基化法通過催化劑創(chuàng)新、反應(yīng)工程優(yōu)化和綠色工藝設(shè)計(jì)，兼具經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性與技術(shù)成熟度。這種綠色節(jié)能的方法對(duì)于降低碳酸二甲酯的生產(chǎn)成本、推動(dòng)化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。甲醇氧化羰基化氣相法的工藝模擬物性方法的確定通過查閱孫蘭義教授的《化工設(shè)計(jì)模擬實(shí)訓(xùn)》一書從中發(fā)現(xiàn)：針對(duì)本設(shè)計(jì)課題中的物系，適宜使用的物性方法有PR，SRK，NRTL，UNIQUAC等[14]。結(jié)合本流程模擬所用到的各組分物質(zhì)，最終本流程選用了NRTL物性方法，如圖3.1所示：圖3.1全流程物性方法設(shè)置全工藝流程模擬本廠的生產(chǎn)工藝流程主要包括兩個(gè)核心工段：碳酸二甲酯合成工段、碳酸二甲酯精制工段。整個(gè)工藝流程模擬圖，如圖3.2所示。圖3.2全廠工藝流程模擬示意圖甲醇氧化羰基化氣相法工藝流程敘述3.3.1 碳酸二甲酯合成工段碳酸二甲酯合成工段主要包括了原料的預(yù)處理和碳酸二甲酯的合成。原料的預(yù)處理是將原料中的一氧化碳與氧氣按1:2比例，經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)入混合器混合均勻。碳酸二甲酯的合成是將混合后的一氧化碳、氧氣與甲醇發(fā)生氧化羰基化反應(yīng)，生成碳酸二甲酯，并含有少量的甲酸乙酯。該工段的主要流程如下：①原料氧氣自0101流股和原料一氧化碳自0102流股經(jīng)過壓縮機(jī)C0101、C0102加壓至3.0MPa，進(jìn)入混合器M0102。②原料甲醇自0103流股經(jīng)過泵加壓至3.0MPa，再經(jīng)換熱器E0101加熱至反應(yīng)溫度175℃；與混合器M0102出口流股0106進(jìn)入轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器R0101。③轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器R0101完成主反應(yīng)后，將生成的粗碳酸二甲酯氣體經(jīng)過換熱器E0102、E0103，變?yōu)闇囟?30℃的碳酸二甲酯溶液。④降溫后的粗碳酸二甲酯溶液進(jìn)入閃蒸罐F0101分離出水、一氧化碳、氧氣，進(jìn)行回收處理；得到的碳酸二甲酯溶液即流股0115進(jìn)入下一工段。圖3.3碳酸二甲酯合成工段示意圖3.3.2 碳酸二甲酯精制工段碳酸二甲酯精制工段主要包括碳酸二甲酯的精制和甲醇的回收循環(huán)。碳酸二甲酯的精制先將碳酸二甲酯混合液中的輕組分除去，再進(jìn)入精餾塔進(jìn)行提純分離。甲醇的回收循環(huán)通過甲醇分離塔進(jìn)行分離提純，循環(huán)利用。該工段的主要流程如下：①碳酸二甲酯原液由上一工段閃蒸罐F0101的罐頂流出進(jìn)入脫輕塔T0201，脫去輕組分水、氧氣、二氧化碳等，碳酸二甲酯原液從塔底流出進(jìn)入碳酸二甲酯精制塔T0202。②精制塔T0202對(duì)碳酸二甲酯原液進(jìn)行提純，塔頂餾出液為甲醇原液，塔底餾出液為純度99.2%的碳酸二甲酯產(chǎn)品。③甲醇原液通過泵P0201進(jìn)入甲醇分離塔T0203，塔頂流出甲酸乙酯，塔底餾出97%wt的甲醇，再經(jīng)過換熱器E0201，溫度降為25℃，與原料甲醇一起進(jìn)入混合器M0101進(jìn)行循環(huán)使用。圖3.4碳酸二甲酯精制工段示意圖工藝流程靈敏度分析優(yōu)化完成工藝流程模擬后，為了進(jìn)一步提升工藝流程的效率，需對(duì)全流程進(jìn)行優(yōu)化。這一優(yōu)化過通常涉及在模擬軟件中進(jìn)行靈敏度分析，同時(shí)在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備配置和更優(yōu)化的操作工藝參數(shù)。下面對(duì)甲醇分離塔(T0203)的優(yōu)化作以具體說明。3.4.1 甲醇分離塔(T0203)理論塔板數(shù)優(yōu)化通過設(shè)計(jì)優(yōu)化甲醇分離塔(T0205)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)理論塔板數(shù)增加到10塊時(shí)，塔底熱負(fù)荷與塔頂熱負(fù)荷之差不再隨塔板數(shù)的增加而有明顯提升，并且塔底的摩爾分率最大；隨著塔板數(shù)的增大，分離塔塔T0203的再沸器能耗和塔設(shè)備的材料費(fèi)用都會(huì)相應(yīng)增加，因此最終確定10塊為最佳的理論塔板數(shù)。此理論塔板數(shù)的確定在保持產(chǎn)品質(zhì)量純度的同時(shí)，降低能耗和材料成本，也提升整個(gè)生產(chǎn)工藝流程的經(jīng)濟(jì)性。圖3.5理論板數(shù)和塔底摩爾分率的關(guān)系3.4.2 甲醇分離塔(T0203)進(jìn)料位置的優(yōu)化精餾塔的分離效果受其進(jìn)料位置的影響，因?yàn)檫M(jìn)料板未知的改變會(huì)直接導(dǎo)致塔內(nèi)精餾段與提餾段的變化，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量純度。如圖3.6所示，當(dāng)進(jìn)料塔板位于第5至7塊之間時(shí)，物料的分離效果逐漸趨于最佳。尤其是當(dāng)進(jìn)料板位于第6塊時(shí)，分離效果最為理想；而在第6塊之后，分離效果則相對(duì)減弱。因此綜合考慮分離效果和經(jīng)濟(jì)性，最終選擇甲醇分離塔的進(jìn)料位置為第6塊塔板。圖3.6進(jìn)料板位置與塔底摩爾分率的關(guān)系3.4.3 甲醇分離塔(T0203)回流比的優(yōu)化回流比對(duì)塔設(shè)備的分離效果起著決定性作用，增大回流比，分離效果會(huì)更明顯，但也會(huì)帶來設(shè)備費(fèi)用的增加。我們既要滿足分離要求又要降低設(shè)備費(fèi)用，因此需要找到最佳回流比。根據(jù)圖3.7顯示，當(dāng)回流比增大至11時(shí)，塔設(shè)備的分離效果已能滿足要求。因此，選擇11作為最佳回流比，既能維持高效分離又能實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)化。圖3.7回流比和產(chǎn)品純度關(guān)系圖物料衡算和熱量衡算物料衡算4.1.1 碳酸二甲酯合成工段碳酸二甲酯的生產(chǎn)工藝流程由兩個(gè)工段組成：碳酸二甲酯合成工段、碳酸二甲酯精制工段。每個(gè)工段中，對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行物料衡算是確保生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。首先，對(duì)碳酸二甲酯合成工段中的每個(gè)設(shè)備(如反應(yīng)器、閃蒸罐等)進(jìn)行單獨(dú)的物料衡算，然后進(jìn)行碳酸二甲酯合成工段的總物料衡算，包括出入口物料的流量、組成等。確保原料的投入與產(chǎn)出相符，并估算可能的物料損失。4.1.1.1 原料混合器(M0102)表4.1原料混合器(M0102)物料衡算物質(zhì)單位入入出摩爾流量kmol/hr131.585984287.6005017419.1864859質(zhì)量流量kg/hr4210.593598055.80509212266.39868CH4Okg/hr000COkg/hr08055.8050928055.805092O2kg/hr4210.5935904210.593591DMCkg/hr000H2Okg/hr000續(xù)表4.1物質(zhì)單位入出出C2H4O2kg/hr000C3H6O2kg/hr000CO2kg/hr000質(zhì)量分率CH4O000CO010.656737589O2100.343262411DMC000H2O000C2H4O2000C3H6O2000CO2000C2H7NO000體積流量l/hr162672.395358126.6289520771.7356由表4.1數(shù)據(jù)看出，原料混合器進(jìn)口物料質(zhì)量流量為12266.398683kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為12266.398683kg/hr。4.1.1.2 轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(R0101)表4.2轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(R0101)物料衡算物質(zhì)單位入入出摩爾流量kmol/hr419.186486567.59549714.034206質(zhì)量流量kg/hr12266.398718415.249330681.64803CH4Okg/hr018016.51346356.225934COkg/hr8055.805092.12379E-342318.911389O2kg/hr4210.593591.43681E-331306.14583DMCkg/hr028.67406114324.38309H2Okg/hr00.153713663277.568324C2H4O2kg/hr00.000139093.376745892C3H6O2kg/hr0369.9080232090.178385CO2kg/hr01.97E-161004.858327C2H7NOkg/hr000質(zhì)量分率CH4O00.97834750.207167031CO0.656738611.15328E-380.07557975O20.343262417.80229E-380.042570915DMC00.0015570820.46687137H2O08.34709E-060.106825C2H4O207.55319E-090.00011005C3H6O200.0200870490.0681247CO201.06708E-200.03275111體積流量l/hr520771.73632110.72457179835.5462由表4.2數(shù)據(jù)看出，轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器進(jìn)口物料質(zhì)量流量為30681.6480kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為30681.6480kg/hr。4.1.1.3 二段冷卻器(E0103)表4.3二段冷卻器(E0103)物料衡算物質(zhì)單位入出摩爾流量kmol/hr714.067493714.0674931質(zhì)量流量kg/hr30681.685530681.68547CH4Okg/hr6356.225936356.225934COkg/hr2318.911392318.911389O2kg/hr1306.145841306.145837DMCkg/hr14308.627514308.62749H2Okg/hr3277.449443277.449437C2H4O2kg/hr3.376745443.376745436C3H6O2kg/hr2106.090312106.090308CO2kg/hr1004.858331004.858328C2H7NOkg/hr00質(zhì)量分率CH4O0.207166780.207166778CO0.075579660.075579661O20.042570860.042570863DMC0.466357280.466357284H2O0.106821040.106821036C2H4O20.000110060.000110057C3H6O20.068643240.06864324CO20.032751080.03275108C2H7NO00體積流量l/hr127439.81382867.80838由表4.3數(shù)據(jù)看出，二段冷卻器進(jìn)口物料質(zhì)量流量為30681.68547003kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為30681.68547003kg/hr。4.1.1.4 閃蒸罐(F0101)表4.4閃蒸罐(F0101)物料衡算物質(zhì)單位入出出出摩爾流量kmol/hr714.06749395.368289176.99312441.70607質(zhì)量流量kg/hr30681.685472820.009733188.5806724673.0950CH4Okg/hr6356.225930.16241978006356.06351COkg/hr2318.911381786.919290531.992096O2kg/hr1306.145836949.9984760356.147360DMCkg/hr14308.627490.178803962014308.44868H2Okg/hr3277.4494370.0003096963188.5806788.8684484C2H4O2kg/hr3.3767454350.00178157303.37496386C3H6O2kg/hr2106.090300.26672170602105.82358CO2kg/hr1004.85832782.48193250922.376395續(xù)表4.4物質(zhì)單位入出出出C2H7NOkg/hr0000質(zhì)量分率CH4O0.2071667785.75950E-0500.25761111CO0.0755796610.633657100.02156162O20.0425708630.336877700.01443464DMC0.4663572836.34054E-0500.57992111H2O0.1068210361.09821E-0710.0036018C2H4O20.0001100576.31761E-0700.0001367C3H6O20.068643249.45810E-0500.0853489CO20.0327510790.0292488100.0373838體積流量l/hr82867.808363494.87663198.060324099.7335由表4.4數(shù)據(jù)看出，閃蒸罐進(jìn)口物料質(zhì)量流量為30681.68547kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為30681.68547kg/hr。4.1.1.5 碳酸二甲酯合成工段表4.5碳酸二甲酯合成工段總物料衡算物質(zhì)單位入入出出出質(zhì)量流量kg/hr12266.418415.282820.013188.5824673.1CH4Okg/hr018016.5130.162406356.0635COkg/hr8055.812.023E-341786.91930531.9921O2kg/hr4210.591.373E-33949.99850356.1474DMCkg/hr012.82890.1788014308.449H2Okg/hr00.034030.00033188.5888.8684C2H4O2kg/hr00.00010.001803.37496C3H6O2kg/hr0385.90190.266702105.8236CO2kg/hr01.9385E-1682.48190922.3763C2H7NOkg/hr00000總計(jì)由表4.5數(shù)據(jù)看出，碳酸二甲酯合成工段進(jìn)口物料質(zhì)量流量為30681.68547kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為30681.68547kg/hr。4.1.2 碳酸二甲酯精制工段4.1.2.1 脫輕塔(T0201)表4.6脫輕塔(T0201)物料衡算物質(zhì)單位入出出摩爾流量kmol/hr441.7060850.6195167391.086563質(zhì)量流量kg/hr24673.0951790.20089122882.89416CH4Okg/hr6356.06351.83636E-196356.063514COkg/hr531.9921531.99209691.35326E-08O2kg/hr356.14736356.14736043.19357E-08DMCkg/hr14308.4491.38670E-1914308.44868H2Okg/hr88.8684482.27764E-2688.86844841C2H4O2kg/hr3.37496394.19620E-153.374963862C3H6O2kg/hr2105.82364.44785E-162105.823586CO2kg/hr922.3764902.061433920.31496145C2H7NOkg/hr000質(zhì)量分率CH4O0.25761111.02578E-220.277764843CO0.02156160.2971689385.91386E-13O20.01443460.1989426791.39560E-12DMC0.57992117.74606E-230.625290165物質(zhì)單位入出出H2O0.00360181.27228E-290.003883619C2H4O20.00013682.34398E-180.000147C3H6O20.0853492.48455E-190.092026CO20.03738390.503888380.000888C2H7NO000體積流量l/hr24099.734260422.132626420.28由表4.6數(shù)據(jù)看出，脫輕塔進(jìn)口物料質(zhì)量流量為24673.095kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為24673.095kg/hr。4.1.2.2 碳酸二甲酯精制塔(T0202)表4.7碳酸二甲酯精制塔(T0202)物料衡算物質(zhì)單位入出出摩爾流量kmol/hr391.086563226.645643164.440919質(zhì)量流量kg/hr22882.89428473.47860414409.41556CH4Okg/hr6356.063516329.61848826.445026COkg/hr1.35326E-081.35326E-081.87792E-74O2kg/hr3.19357E-083.19357E-083.87735E-73DMCkg/hr14308.448714.30845614294.14023H2Okg/hr88.8684480.03823688.8302123C2H4O2kg/hr3.3749643.3749643.24261E-15C3H6O2kg/hr2105.823592105.8234988.83332E-05CO2kg/hr20.31496120.3149614.70745E-46C2H7NOkg/hr000質(zhì)量分率續(xù)表4.7物質(zhì)單位入出出CH4O0.2777650.746991740.00183526CO5.91386E-131.59706E-121.30326E-78O21.39562E-123.76890E-122.69085E-77DMC0.62529020.001688620.991999999H2O0.0038844.51245E-060.006164733C2H4O20.0001470.0003982972.25034E-19C3H6O20.09202610.2485193626.13024E-09CO20.000887780.0023974763.26693E-50C2H7NO000體積流量l/hr26420.279210652.690814837.234由表4.7數(shù)據(jù)看出，碳酸二甲酯精制塔進(jìn)口物料質(zhì)量流量為22882.894161kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為22882.894161kg/hr。4.1.2.3 甲醇分離塔(T0203)表4.8甲醇分離塔(T0203)物料衡算物質(zhì)單位入出出摩爾流量kmol/hr226.64564336.984679189.660965質(zhì)量流量kg/hr8473.47862143.8607116329.617892CH4Okg/hr6329.61849443.0728245886.545663COkg/hr1.35326E-081.35326E-082.24822E-34O2kg/hr3.19357E-083.19357E-081.52569E-33DMCkg/hr14.3084560.05412314.25433222H2Okg/hr0.0382360.00041970.03781641C2H4O2kg/hr3.3749643.3748054020.00015846C3H6O2kg/hr2105.82351677.043577428.7799218CO2kg/hr20.31496120.314961452.15383E-16C2H7NOkg/hr000質(zhì)量分率CH4O0.746991740.206670530.930000161CO1.59706E-126.31227E-123.55191E-38O23.76890E-121.48964E-112.41039E-37DMC0.001688622.52458E-050.002252005H2O4.51245E-061.95769E-075.97452E-06C2H4O20.00039830.0015741722.50348E-08C3H6O20.248519360.7822539810.067741833CO20.002397480.0094758773.40279E-20C2H7NO000體積流量l/hr10654.4471003061.5858368.5371由表4.8數(shù)據(jù)看出，甲醇分離塔進(jìn)口物料質(zhì)量流量為8473.4786kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為8473.4786kg/hr。4.1.2.4 碳酸二甲酯精制工段表4.9碳酸二甲酯精制工段總物料衡算物質(zhì)單位入出出出出質(zhì)量流量kg/hr24673.0951790.22143.866329.614409.4CH4Okg/hr6356.0641.83630E-19443.0725886.5426.445COkg/hr531.992531.9921.35E-082.24E-341.87E-74O2kg/hr356.147356.14733.19E-081.52E-333.87E-73DMCkg/hr14308.4481.39E-190.0541214.254314294.1H2Okg/hr88.8682.28E-260.000410.0378188.8302C2H4O2kg/hr3.3754.20E-153.37480.000153.24E-15C3H6O2kg/hr2105.8244.45E-161677.04428.7798.83E-05CO2kg/hr922.376902.06120.31492.15E-164.71E-46C2H7NOkg/hr00000總計(jì)kg/hr24673.124673.1由表4.8數(shù)據(jù)看出，碳酸二甲酯精制工段進(jìn)口物料質(zhì)量流量為24673.095kg/hr，出口物料質(zhì)量流量為24673.095kg/hr。綜合上述物料衡算表，大致列舉了混合器、反應(yīng)器、閃蒸罐、分離塔等關(guān)鍵設(shè)備的物料流動(dòng)流量情況。按照物料衡算公式進(jìn)行計(jì)算，確定各工段以及設(shè)備基本符合物料守恒，進(jìn)而判斷出整個(gè)工藝流程也遵循物料守恒。熱量衡算根據(jù)化工設(shè)計(jì)中熱量衡算的基本要求及熱量衡算的原則，對(duì)實(shí)際工藝進(jìn)行熱量衡算。其計(jì)算依據(jù)是熱量平衡方程： (4.1)即輸入系統(tǒng)的熱量總和=輸出系統(tǒng)的熱量總和+系統(tǒng)損失的熱量總和；對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)： (4.2)即外界與系統(tǒng)交換的熱量和做功之和=輸出系統(tǒng)的焓值-輸入系統(tǒng)的焓值；在全工藝流程進(jìn)行熱量衡算中，以單個(gè)設(shè)備模塊為一個(gè)系統(tǒng)對(duì)其熱量輸入、輸出、損失等進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析，從而準(zhǔn)確掌握整個(gè)工藝流程中的熱量分布情況，估算出熱量損失的主要環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出針對(duì)性的節(jié)能措施和優(yōu)化方案。4.2.1 碳酸二甲酯合成工段對(duì)碳酸二甲酯合成工段的部分設(shè)備進(jìn)行熱量衡算，設(shè)備如下：甲醇輸送泵(P0101)、甲醇加熱器(E0101)、轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(R0101)、一段冷卻器(E0102)、閃蒸罐(F0101)。4.2.1.1 甲醇輸送泵(P0101)表4.10甲醇輸送泵(P0101)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr567.6289567.62890質(zhì)量kg/hr18415.278418415.27840焓流量kJ/hr-136436449.7-136311730.2-0.000914958凈功要求kW34.6443054由表4.10數(shù)據(jù)看出，甲醇輸送泵進(jìn)口物料焓流量為-136436449.7kJ/hr，出口物料焓流量為-136311730.2kJ/hr，凈功34.6443054kW。4.2.1.2 甲醇加熱器(E0101)表4.11甲醇加熱器(E0101)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr567.6289567.62890質(zhì)量kg/hr18415.278418415.27840焓流量kJ/hr-136311730.2-125069005.5-0.089892173熱負(fù)荷kW3123.015由表4.11數(shù)據(jù)看出，甲醇加熱器進(jìn)口物料焓流量為-136311730.2kJ/hr，出口物料焓流量為-125069005.5kJ/hr，熱負(fù)荷3123.015kW。4.2.1.3 轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(R0101)表4.12轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(R0101)熱量衡算總計(jì)單位入入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr419.1865567.6288714.0675-0.38196361質(zhì)量kg/hr12266.3986818415.28678730681.685470焓流量kJ/hr-29934086.1-125069005.5-2203755080.296641024熱負(fù)荷kW-18159.0045由表4.12數(shù)據(jù)看出，轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器進(jìn)口物料焓流量為-155003091.6kJ/hr，出口物料焓流量為-220375508kJ/hr，熱負(fù)荷-18159.0045kW。4.2.1.4 一段冷卻器(E0102)表4.13一段冷卻器(E0102)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr714.067493138916714.0674931389160續(xù)表4.13總計(jì)單位入出相對(duì)差值質(zhì)量kg/hr30681.6854730681.685470焓流量kJ/hr-220375508-225597089.70.023145608熱負(fù)荷kW-1450.4394由表4.13數(shù)據(jù)看出，一段冷卻器進(jìn)口物料焓流量為-220375508.01162kJ/hr，出口物料焓流量為-225597089.72207kJ/hr，熱負(fù)荷-1450.4394kW。4.2.1.5 閃蒸罐(F0101)表4.14閃蒸罐(F0101)熱量衡算總計(jì)單位入出出出相對(duì)差值摩爾kmol/hr714.06795.3683176.993441.7060質(zhì)量kg/hr30681.6852820.013188.5824673.0950焓流量kJ/hr-230174565-7954192-51365124-1708556500熱負(fù)荷kW0由表4.14數(shù)據(jù)看出，閃蒸罐進(jìn)口物料焓流量為-230174565kJ/hr，出口物料焓流量為-230174565kJ/hr，熱負(fù)荷0kW。4.2.2 碳酸二甲酯精制工段對(duì)碳酸二甲酯精制工段的部分設(shè)備進(jìn)行熱量衡算，設(shè)備如下：脫輕塔(T0201)、碳酸二甲酯精制塔(T0202)、甲醇分離塔(T0203)、循環(huán)甲醇分流器(F0201)。4.2.2.1 脫輕塔(T0201)表4.15脫輕塔(T0201)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr441.7061441.70610質(zhì)量kg/hr24673.09524673.0950焓流量kJ/hr-170855651.0-164390723.48-0.039326冷凝器熱負(fù)荷kW-122.1732再沸器熱負(fù)荷kW1917.9856由表4.15數(shù)據(jù)看出，脫輕塔進(jìn)口物料焓流量為-170855651.0kJ/hr，出口物料焓流量為-164390723.48kJ/hr，冷凝器熱負(fù)荷-122.1732kW，再沸器熱負(fù)荷1917.9856kW。4.2.2.2 碳酸二甲酯精制塔(T0202)表4.16碳酸二甲酯精制塔(T0202)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr391.087391.0870質(zhì)量kg/hr22882.89422882.8940焓流量kJ/hr-154051884.4-155593937.40.0099107524冷卻器熱負(fù)荷kW-5109.9451再沸器熱負(fù)荷kW4681.6286由表4.16數(shù)據(jù)看出，碳酸二甲酯精制塔進(jìn)口物料焓流量為-154051884.4kJ/hr，出口物料焓流量為-155593937.4kJ/hr，冷凝器熱負(fù)荷-5109.9451kW，再沸器熱負(fù)荷4681.6286kW。4.2.2.3 甲醇分離塔(T0203)表4.17甲醇分離塔(T0203)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr226.646226.6460質(zhì)量kg/hr8473.47868473.47860焓流量kJ/hr-59309036.672-57959465.08-0.02328474冷凝器熱負(fù)荷kW-19430.5288再沸器熱負(fù)荷kW19805.4108由表4.17數(shù)據(jù)看出，甲醇分離塔進(jìn)口物料焓流量為-59309036.672kJ/hr，出口物料焓流量為-57959465.08kJ/hr，冷凝器熱負(fù)荷-19430.5288kW，再沸器熱負(fù)荷19805.4108kW。4.2.2.4 循環(huán)甲醇分流器(F0201)表4.18循環(huán)甲醇分流器(F0201)熱量衡算總計(jì)單位入出相對(duì)差值摩爾kmol/hr189.661189.6610質(zhì)量kg/hr6329.61796329.61790焓流量kJ/hr-45728068.65-45728068.650由表4.18數(shù)據(jù)看出，循環(huán)甲醇分流器進(jìn)口物料焓流量為-45728068.65kJ/hr，出口物料焓流量為-45728068.65kJ/hr。綜合上述熱量衡算表格，對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行詳細(xì)的熱量衡算，全面評(píng)估了流程中涉及的反應(yīng)器、塔、換熱器和泵等設(shè)備的能量(熱量)流動(dòng)情況。確認(rèn)碳酸二甲酯合成工段和碳酸二甲酯精制工段的能量交換均滿足能量守恒定律的要求，基于此得出整個(gè)工藝流程的設(shè)計(jì)在能量層面上是守恒且有效的。設(shè)備設(shè)計(jì)與選型精餾塔設(shè)備(T0202)設(shè)計(jì)5.1.1 碳酸二甲酯精制塔(T0202)原理下面對(duì)碳酸二甲酯精制塔T0202進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。采取精餾塔對(duì)物料進(jìn)行分離，由于甲醇與碳酸二甲酯的沸點(diǎn)分別為64.7°C和91°C，故采用普通精餾進(jìn)行分離，最終在塔底流股0204得到99.2%wt的碳酸二甲酯產(chǎn)品；塔頂流股0203得到原料甲醇，送入甲醇分離塔進(jìn)行后續(xù)提純分離，并添加新鮮甲醇送入反應(yīng)器反應(yīng)。5.1.2 精餾塔(T0202)參數(shù)設(shè)計(jì)首先對(duì)市面上常見幾種精餾塔作性能比較，結(jié)果如表5.1：表5.1精餾塔性能比較塔類型浮閥塔篩板塔泡罩塔填料塔生產(chǎn)能力中高低中小分離效果高高中較高操作彈性高中高低塔板壓降中低高低造價(jià)中中高高通過對(duì)比上述幾種精餾塔，綜合性能考慮：本設(shè)計(jì)采取篩板精餾塔對(duì)碳酸二甲酯進(jìn)行提純分離。碳酸二甲酯精制塔的操作壓力為1.0bar，塔板數(shù)為38塊，回流比為1.25。塔底餾出物主要為碳酸二甲酯產(chǎn)品，流率為164.441kmol/h。圖5.1精餾塔參數(shù)圖5.2進(jìn)料位置參數(shù)圖5.3冷凝器結(jié)果圖5.4再沸器結(jié)果塔效率的計(jì)算：采用經(jīng)驗(yàn)公式O'connell法計(jì)算塔效率： (5.1)式(5.1)中相對(duì)揮發(fā)度α為碳酸二甲酯和甲醇的相對(duì)揮發(fā)度；μ為液體黏度。相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算公式： (5.2)式(5.2)中的yA和xA分別代表氣相和液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；yB和xB分別為氣相和液相中難揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。圖5.5流程模擬軟件中的數(shù)據(jù)由上圖可得： (5.3)同時(shí)在流程模擬軟件中也可查看液體黏度μ，得液體黏度μ=0.142468cP圖5.6液體黏度數(shù)據(jù)計(jì)算得： (5.4)精餾段： (5.5)圓整為29；提餾段： (5.6)故全塔的實(shí)際塔板數(shù)目為59塊，進(jìn)料板位置為第29塊。全塔設(shè)計(jì)參數(shù)如下表：表5.2全塔設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)條件參數(shù)設(shè)計(jì)壓力/bar1.0設(shè)計(jì)溫度/℃99.0實(shí)際塔板數(shù)59進(jìn)料位置29回流比1.255.1.3 塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用流程軟件中的塔內(nèi)件模塊對(duì)碳酸二甲酯精制塔進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中全塔分為精餾段和提餾段兩段進(jìn)行設(shè)計(jì)，參考流程模擬軟件給出的推薦數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整和調(diào)整，得到以下關(guān)鍵參數(shù)，基于這些參數(shù)對(duì)全塔進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。圖5.7塔內(nèi)件設(shè)計(jì)參數(shù)精餾段塔板詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5.8圖5.8精餾段結(jié)構(gòu)參數(shù)圖提餾段塔板詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5.9圖5.9提餾段結(jié)構(gòu)參數(shù)圖5.1.4 水力學(xué)校核結(jié)果通過流程模擬軟件對(duì)塔內(nèi)件進(jìn)行水力學(xué)校核，校核結(jié)果如圖5.10所示。圖5.10水力學(xué)校核結(jié)果由水力學(xué)校核結(jié)果得到水力學(xué)操作圖，如圖5.11所示。圖5.11水力學(xué)操作圖經(jīng)過流程模擬軟件的詳細(xì)校核分析，碳酸二甲酯精制塔的設(shè)計(jì)參數(shù)已全面滿足設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)裝置高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。所有塔板均通過嚴(yán)格的流體力學(xué)校核，未出現(xiàn)液泛、液沫夾帶及漏液等異常現(xiàn)象。通過精確控制：?液泛因子穩(wěn)定在0.7-0.88的優(yōu)化區(qū)間，確保氣液兩相維持理想接觸狀態(tài)?降液管持液量控制在0.2-0.6的設(shè)計(jì)范圍，有效避免液泛和相間干擾?側(cè)壁降液管停留時(shí)間≥4s，保障液體充分分離綜上所述，碳酸二甲酯精制塔為后續(xù)的生產(chǎn)操作提供了可靠的保障，并有助于提升整個(gè)生產(chǎn)流程的性能和效率；碳酸二甲酯精制塔部分水力學(xué)校核結(jié)果如表5.3所示。表5.3碳酸二甲酯精制塔水力學(xué)結(jié)果數(shù)據(jù)塔板液泛率%降液管持液量%降液管側(cè)阻塞液泛%堰上高度(充氣)mm側(cè)壁降液管停留間s268.512327.93578.340434.34546.3273368.467427.85198.259333.94096.3918468.462827.84738.254933.93036.3936568.466927.86388.271134.03016.3776668.476027.89268.299134.19726.3511768.492027.93578.340534.44226.3129868.519327.99878.400034.79186.2595968.566228.08998.484235.28196.18691068.645928.21998.601235.95346.09161168.777128.40108.759236.84635.97171268.982328.64488.965337.98685.82881369.281028.95769.221439.37135.66931469.679029.33489.521340.95115.50381570.158529.75729.848242.62975.34461670.678130.192810.177544.28035.2029續(xù)表5.3塔板液泛率%降液管持液量%降液管側(cè)阻塞液泛%堰上高度(充氣)mm側(cè)壁降液管停留間s1771.184630.605210.482645.77955.08551868.233140.314523.104576.96443.02491968.044340.157323.000376.48963.02832067.959640.084922.952276.27113.02992167.930940.057922.933976.19093.03052267.939240.059322.933976.19943.03052367.984340.087022.950476.29133.03002468.082540.150822.989176.49933.02872568.271340.275523.064976.90283.02632668.620140.509323.206577.65253.02182769.245940.937923.464379.00653.01432870.323041.701923.918681.36043.00252972.058343.001324.677185.20862.98673074.591645.043525.838390.92572.97023177.828247.884127.400498.34762.95973281.348851.234029.1750106.49592.96043384.564054.493630.8392113.94822.97063485.342357.106532.1318119.65662.98383587.353458.861132.9788123.37852.99483688.459959.845933.4443125.42683.00183788.890760.230633.6177126.20483.0052精制塔(T0202)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5.4所示。表5.4塔(T0202)結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總表結(jié)構(gòu)精餾段提餾段塔徑2000mm2000m溢流數(shù)11板間距400mm400mm堰長(zhǎng)1453mm1453mm堰高33.33mm33.33mm降液管寬度313mm313mm降液管底隙20.63mm20.63mm孔直徑3mm3mm5.1.5 塔設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：(1)塔徑設(shè)計(jì)：經(jīng)過流程模擬軟件分析和計(jì)算，最終確定合理的塔徑為2米，足夠確保塔內(nèi)流體流動(dòng)順暢，滿足生產(chǎn)要求。(2)塔頂空間(HD)：此空間是為了便于塔內(nèi)設(shè)備的安裝、維護(hù)以及可能的未來升級(jí)，滿足操作的實(shí)際需求和安全性；通常塔頂空間的高度范圍設(shè)定在1.0米至2.0米之間?；跇?biāo)準(zhǔn)范圍，并結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，最終確定塔頂空間的高度為1.5米。(3)人孔設(shè)置：人孔對(duì)于塔設(shè)備的維護(hù)、檢修至關(guān)重要，根據(jù)塔設(shè)備的規(guī)格要求，為了確保人員能夠方便地進(jìn)行操作，設(shè)有人孔的上下兩塔板間距至少需保持500mm的距離。故人孔的上下兩塔板間距(HT)設(shè)定為500mm。(4)人孔數(shù)量：根據(jù)《石油化工塔器設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH3098-2011)標(biāo)準(zhǔn)，確定精餾段選擇每12塊塔板開設(shè)一個(gè)人孔，提餾段每5塊塔板開設(shè)一個(gè)人孔；同時(shí)也要在塔設(shè)備的上下出口及進(jìn)料口處增設(shè)人孔，以便于對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行日常操作和檢修。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，塔(T0202)共需開設(shè)9個(gè)人孔。(5)人孔尺寸：根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確定人孔的尺寸，當(dāng)塔設(shè)備直徑在1600~3000mm范圍內(nèi)，人孔的直徑建議為500mm。本塔直徑為2000mm，因此選擇人孔的直徑為500mm，故高度m。(5)塔板間距總高度(HT0)：該塔共59塊塔板，去除9個(gè)開設(shè)人孔塔板，則m。(6)最后一塊板到塔底的距離(Hb)：在設(shè)計(jì)塔的底部結(jié)構(gòu)時(shí)，需確保塔底空間能夠容納一定量的釜液，以起到儲(chǔ)液槽的作用。塔(T0202)塔釜餾出液出口體積流量V=247.2872L/min，塔徑D=2.0m，t=10min，則最后一塊板到塔底的距離為： m (5.7)(7)支座高度(HS)：采用裙座支座支撐。 m (5.8)(8)上封頭設(shè)計(jì)：選用了標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，確保塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。依據(jù)《壓力容器封頭》(GB/T25198-2010)標(biāo)準(zhǔn)，由本塔直徑為2000mm，確定曲邊高度mm，直邊高度H2為25mm。故上封頭的總高度HF： mm (5.9)(9)塔總高度： m (5.10)(10)筒體厚度：選用Q345R作為塔體材料。其許用應(yīng)力[σ]t為167MPa。本設(shè)計(jì)采用了雙面焊接技術(shù)，并進(jìn)行100%的無損檢測(cè)，厚度負(fù)偏差C1=0.3mm,腐蝕裕量C2=2mm，則筒體厚度： mm (5.11) mm (5.12)由于塔設(shè)備為外壓容器，考慮到質(zhì)量載荷和風(fēng)力載荷，故最終設(shè)計(jì)厚度為11mm。換熱器(E0101)設(shè)備設(shè)計(jì)5.2.1 設(shè)計(jì)條件確定換熱器出入口流股參數(shù)確定，如下表：表5.5流股參數(shù)一覽表流股名稱壓力/kPa溫度/℃質(zhì)量流量/t/h氣相分率主要介質(zhì)組成管程入口3975.3722506.4931高壓蒸汽管程出口3908.667229.076.4931高壓蒸汽殼程入口300028.9218.4150甲醇?xì)こ坛隹?960174.9918.4150甲醇(1)換熱器需根據(jù)不同工藝要求確定設(shè)計(jì)溫度和壓力。本設(shè)計(jì)的換熱器，規(guī)定殼程設(shè)計(jì)溫度為180℃，管程設(shè)計(jì)溫度為300°C。根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)[15]，設(shè)計(jì)壓力一般設(shè)定為正常工作壓力的1.1-1.5倍，本設(shè)計(jì)取1.1倍作為安全系數(shù)。因此，殼程的設(shè)計(jì)壓力為3256kPa，管程的設(shè)計(jì)壓力為3300kPa。(2)換熱器是公用工程的關(guān)鍵設(shè)備，在設(shè)計(jì)中要考慮實(shí)際操作的便捷性和安全性。規(guī)定換熱器(E0101)：甲醇在殼程內(nèi)流通，管程流入高壓蒸汽；該規(guī)定在確保換熱效率同時(shí)也保證換熱器便于操作和安全性。(3)換熱器選材要考慮介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕性和工藝流程的操作條件。對(duì)于本換熱器而言，管程內(nèi)通入中壓蒸汽，對(duì)材料腐蝕性低，選擇材料Q345R作為管側(cè)材料；殼程內(nèi)流通的甲醇對(duì)金屬材料有腐蝕性，采用不銹鋼S30408作為殼程材質(zhì)。對(duì)換熱器(E0101)進(jìn)行EDR參數(shù)設(shè)計(jì)，首先輸入的初始參數(shù)如圖5.12所示。圖5.12EDR設(shè)計(jì)軟件工藝參數(shù)輸入界面5.2.2 換熱器EDR參數(shù)設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)形式選擇：(1)選用E型殼體作為換熱器殼體型式。(2)前端選用B型管箱,便于換熱器及時(shí)清除污垢，維護(hù)換熱器設(shè)備安全。(3)因?yàn)樵摀Q熱器的殼程介質(zhì)溫度為175℃，所以換熱器端選用的M型管箱。換熱器設(shè)計(jì)軟件初步設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5.13所示。圖5.13換熱器設(shè)計(jì)軟件初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器殼程、管程接管尺寸如圖5.14所示。圖5.14殼程、管程接管尺寸參數(shù)5.2.3 換熱器結(jié)構(gòu)校核EDR設(shè)計(jì)軟件計(jì)算數(shù)據(jù)調(diào)整后的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示。圖5.15換熱器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)由圖5.15可得，該換熱器的殼程內(nèi)徑為600mm，管長(zhǎng)為4500mm，折流板形式為單弓形折流板，折流板為橫缺型，其圓缺率為39%，折流板間距為170mm。管程數(shù)為單管程，管間距為25mm，管徑為19mm，管子數(shù)量467根。EDR校核后換熱器最終選型結(jié)果如下圖所示。圖5.16換熱器設(shè)計(jì)軟件最終選型結(jié)果圖5.17換熱器設(shè)計(jì)軟件最終選型結(jié)果續(xù)圖由EDR軟件校核得到，換熱器E0101換熱面積為123.2m2，換熱面積滿足30%余量要求，氣液雷諾數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，因此該換熱器設(shè)計(jì)合理。參照化工工藝手冊(cè)，最終得換熱器E0101型號(hào)為：型號(hào)表示意義：封頭管箱類型為BEM；換熱器公稱直徑為600mm；換熱面積為123.2m2；換熱管長(zhǎng)1.7m；換熱管外徑為19mm；管程為1；管束Ⅰ級(jí)。反應(yīng)器(R0101)設(shè)備設(shè)計(jì)5.3.1 反應(yīng)器類型選擇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)種類繁多，其中較為常見的包括釜式、固定床和移動(dòng)床等類型，這些不同的構(gòu)形式分別適用于不同的反應(yīng)條件和工藝要求，如表5.6所示。我們要根據(jù)反應(yīng)定性選擇最適合的反應(yīng)器類型，確保反應(yīng)精準(zhǔn)進(jìn)行以及反應(yīng)過程安全可靠。表5.6各類型反應(yīng)器的比較類型適用情況優(yōu)缺點(diǎn)管式氣相；液相返混小，所需反應(yīng)器容積較小，比傳熱面積大；但對(duì)于慢速反應(yīng)所需內(nèi)管較長(zhǎng)，壓降大釜式液-液相；液-固相適用性大；操作彈性大；連續(xù)操作時(shí)溫度、濃度容易控制，產(chǎn)品質(zhì)量均一；但高轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)器容積較大固定床氣-固(催化或非催化相)返混小、催化劑不易磨損；傳熱控溫不易、催化劑裝卸麻煩流化床氣-固、特別是催化劑失活很快的反應(yīng)傳熱好、溫度均勻、易控制、催化劑有效系數(shù)大；粒子輸送容易、但損耗大移動(dòng)床氣-固、催化劑需要不斷再生的反應(yīng)傳熱好、反應(yīng)連續(xù)、返混小、催化劑不斷循環(huán)再生由于本項(xiàng)目年產(chǎn)量較大，需要穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，且反應(yīng)過程氧氣容易爆炸，經(jīng)過綜合比較該反應(yīng)采用固定床反應(yīng)器進(jìn)行。5.3.2 反應(yīng)器參數(shù)設(shè)計(jì)5.3.2.1 反應(yīng)器筒體厚度計(jì)算轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器的操作壓力為3.0MPa，操作溫度為105℃，根據(jù)壓力容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)壓容器的設(shè)計(jì)壓力為： MPa (5.13)壓力容器設(shè)計(jì)過程中中，設(shè)計(jì)溫度通常會(huì)比實(shí)際的操作溫度高出一個(gè)安全裕量以確保設(shè)備運(yùn)行安全可靠。依據(jù)現(xiàn)行壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，溫度的裕量通常設(shè)定在之15℃至30℃間。本反應(yīng)器選擇設(shè)計(jì)溫度的裕量為20℃，因此容器的設(shè)計(jì)溫度為125℃。此外轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器進(jìn)出口物料，甲醇具有腐蝕性，因此容器材質(zhì)選擇S30408，這是一種成型性好、常見的耐腐蝕不銹鋼材料，能夠滿足本反應(yīng)器的使用要求。由模擬流程軟件得到轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(R0101)主反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為56.45%。表5.7水合反應(yīng)器筒體參數(shù)表內(nèi)容數(shù)值操作溫度105℃設(shè)計(jì)溫度125℃操作壓力3MPa設(shè)計(jì)壓力3.3MPa轉(zhuǎn)化率56.45%由于反應(yīng)器為內(nèi)壓容器，其計(jì)算厚度的計(jì)算公式為： (5.14)在本反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，為確保焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)反應(yīng)器殼體采用雙面焊接和100%的無損檢測(cè)，焊接接頭系數(shù)為1。為確保反應(yīng)器在設(shè)計(jì)和制造過程中符合安全標(biāo)準(zhǔn)和要求，根據(jù)規(guī)范《GB713-2014-壓力容器用鋼板》，確定S30408材料在125℃下的許用應(yīng)力[σ]t=155MPa。由此可計(jì)算出厚度為： mm (5.15)查GB150-2011可知，取負(fù)偏差C1為0.3mm，腐蝕余量C2為3mm。則殼體的名義厚度為： mm (5.16)考慮地震、風(fēng)力等載荷，故筒體壁厚設(shè)計(jì)為30mm。5.3.2.2 反應(yīng)器封頭厚度計(jì)算本工藝采用固定床反應(yīng)器，其上下封頭都選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，形狀系數(shù)K=1。為焊接方便，封頭材料與筒體一致，選擇材料為S0408，厚度為30mm。查閱GB/T25198-2010可知，當(dāng)DN>2000mm時(shí)，封頭的直邊高度為40mm，曲邊高度為600mm。5.3.2.3 反應(yīng)器筒體高度計(jì)算根據(jù)工藝設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于處理反應(yīng)熱不大的原料，催化劑不需要分層設(shè)置，可以采用較小的高徑比，一般H/D在1-3之間。本設(shè)計(jì)選長(zhǎng)徑比為3倍。 m (5.17)5.3.2.4 反應(yīng)器支座高度計(jì)算常見支座有耳式支座、裙式支座、支撐式支座、鞍式支座和腿式支座等幾種，本反應(yīng)器(R0101)為立式容器，直徑較大、高度較高，為方便拆卸與維修，選擇支座為圓筒裙式支座。裙座與塔體的鏈接采用對(duì)接式焊接，材質(zhì)為S30408裙座筒體外徑2700mm，厚度為40mm。裙座的高度可由如下的公式計(jì)算得出： m (5.18)裙座上開設(shè)1個(gè)公稱直徑為500mm的人孔方便檢查。三廢處理廢氣處理化工生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)運(yùn)的事故排放、倒空置換、設(shè)備排放等廢氣均進(jìn)總廠火炬系統(tǒng)處理。本設(shè)計(jì)存在廢氣一氧化碳、二氧化碳和甲酸乙酯氣體。1.CO和CO2可采取催化燃燒的方法處理一氧化碳，再用化學(xué)吸附法捕集二氧化碳后排入總廠火炬系統(tǒng)處理；燃燒過程中產(chǎn)生的熱量可預(yù)熱廢氣或供其他工藝使用，降低能耗。2.甲酸乙酯廢氣可采用活性炭或沸石轉(zhuǎn)輪吸附低濃度甲酸乙酯廢氣，脫附后形成高濃度廢氣，再通過催化燃燒將其氧化為CO?和H?O；再對(duì)CO?和H?O進(jìn)行處理。廢液處理根據(jù)2021年2月1日起實(shí)施的《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920-2020)、1998年1月1日起實(shí)施的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)和2018年1月1日起實(shí)施的《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50050-2017)，制定以下生活污水、污染雨水、雨水與工藝廢水或處理或回收利用的方案。本項(xiàng)目產(chǎn)生的污水主要包括工藝廢液和生活污水等廢水。1、工藝廢液：本設(shè)計(jì)反應(yīng)過程中閃蒸罐(F0101)產(chǎn)生廢水，采用CASS工藝進(jìn)行處理，該裝置采用“第一缺氧區(qū)-厭氧區(qū)-好氧區(qū)-第二缺氧區(qū)-沉淀區(qū)”基礎(chǔ)組合工藝，最后污水經(jīng)過沉淀區(qū)后流出，并將一部分污泥回流至厭氧區(qū)。2、生活廢水：日常產(chǎn)生的生活污水首先通過重力流流入排水地溝，隨后經(jīng)由廠區(qū)內(nèi)的地下排水管網(wǎng)輸送到專門的污水處理廠進(jìn)行處理，確保生活廢水達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920-2020)標(biāo)準(zhǔn)后，灌溉季節(jié)用于綠化、洗車等雜用，非灌溉季節(jié)可儲(chǔ)存于儲(chǔ)水池中來年再用。3、地面洗水：地面沖洗廢水主要包括生產(chǎn)裝置區(qū)設(shè)備清洗廢水、初期雨水及融雪產(chǎn)生的含污染物廢水。這些廢水首先會(huì)被路緣石等裝置區(qū)內(nèi)的設(shè)施集中起來，然后流入各個(gè)下水道。最終所有的地面洗水都會(huì)在廠區(qū)地下管網(wǎng)中匯集，并被統(tǒng)一輸送到污水處理中心，進(jìn)行統(tǒng)一的清潔處理。處理后水質(zhì)需滿足《石油化工企業(yè)給水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH3015)要求后方可回用或排放。廢固處理全廠廢固分類主要包括反應(yīng)廢固、生活廢固和生產(chǎn)固廢。1、反應(yīng)廢固：根據(jù)《固體廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)通則》(GB34330-2017)對(duì)我廠固體失效催化劑進(jìn)行鑒別。固體廢物貯存處理過程中執(zhí)行《危險(xiǎn)廢物貯存污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18597-2023)和《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599-2020)。2、生活廢固：生活廢固主要是指員工在日常生活中產(chǎn)生的垃圾。為確保廠區(qū)環(huán)境整潔衛(wèi)生，對(duì)生活廢固將進(jìn)行定點(diǎn)封閉儲(chǔ)存，并定期進(jìn)行清運(yùn)，最終送入垃圾處理中心進(jìn)行專業(yè)處理。3、生產(chǎn)固廢：主要是廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)包裝物，其因沾染生產(chǎn)原料或產(chǎn)品，屬于危險(xiǎn)廢物，經(jīng)清洗后送有資質(zhì)單位進(jìn)行回收處理。環(huán)保安全分析化工環(huán)保與安全是現(xiàn)代化工生產(chǎn)的核心生命線。為確?；どa(chǎn)的順利進(jìn)行，對(duì)生產(chǎn)工藝中可能存在的