年产2000吨顺丁烯二酸二甲酯生产工艺设计

2000t/a马来酸二甲酯生产工艺毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 系别:化学与材料工程学院课题名称：马来酸二甲酯的工艺设计指导老师：刘承先班级：化工1211学生姓名：孔祥宇化工1211班毕业设计任务书化工1211班，孔祥宇同学：现下达给你毕业设计如下，要求你在预定的时间内，完成此项任务。一、项目名称：2000吨/年邻苯二甲酸二丁酯生产工艺设计通过相关图书、期刊、电子资料等查询、论证，自行确定生产方法，经老师审阅后执行。二、主要内容1、开题报告（1）产品市场概况及前景、现有生产方法评价、以及选定的生产方法（2）毕业设计主要工作（3）工作进度安排2、设计及说明书内容见指导书3、设计图纸（1）带控制点的工艺流程图（2）物料流程图（3）设备一览表（4）设备平面布置图三、工艺设计参数：（1）产品规模及规格：年生产力：2000吨/年产品规格：≧98%(wt)(2)年开工时间：300天（3）反应条件、消耗定额、收率等相关数据，请根据所选生产方法的文献确定。（4）原料规格：所有原料是工业一级品，通过查阅资料得到。（5）公用工程条件：蒸汽：8kg/cm2循环冷却水：20℃电：380V（6）厂址：常州地区，自然条件主导风向东南风最大风速20.3m/s平均风速3.1m/s年平均降雨量1076.1mm年平均气温15.4℃绝对最高气温39.4℃绝对最低气温-15.5℃年平均相对湿度70%年平均气压1016.3mbar地下水位3.00m地震烈度6°四、设计中主要参考资料（参考书）（包括资料、 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 等）：1、化工部设备设计中心站。《化工设备设计手册》、《化学工程师手册》。上海科学技术出版社。1981。2、国家医药管理局上海医药设计院编,化学工艺设计手册[M]（第二版）化学工业出版社（等）3、刘光启、马连湘、刘杰。《化学化工物性数据手册》。化学工业出版社，工业装备与信息工程出版中心。2001。4、《化学工程手册》编辑委员会。《化学工程手册》。化学工业出版社。1998。5、化工部科技情报研究所，世界精细化工手册[M],北京：科学出版社，1982.4026、化工部科技情报研究所，世界精细化工手册[M],北京：科学出版社，1982.4027、徐克勋,精细有机化工原料及中间体手册[M]化学工业出版社8、中国医药工业公司编印,医药产品生产工艺汇编[M]1996，3289、张跃，精细化工中间体生产流程图解[M]化学工业出版社10、相关图书、期刊、电子资料等等五、提交技术文件：设计说明书：1份设计图纸：3张（物料流程图、带控制点工艺流程图、设备平面布置图）六、上交文件（装订）：1、开题报告：1份（将此任务书装订在开题报告封面后第一页）2、设计说明书：1份；附：设计图纸3张及设备一览表3、草稿本请将上述文件装在文件袋中上交。设计指导老师：刘承先2014.11.20常州工程职业技术学院毕业设计开题报告（2012届）题目：马来酸二甲酯生产工艺设计学生：孔祥宇系：化学工程技术系专业班级：化工1211指导教师：刘承先专业技术职务：副教授 一、前言 课题的背景、目的和意义产品用途：用作树脂聚合单体、有机合成中间体。课题的背景、目的和意义：顺丁烯二酸二甲酯与其它物质的共聚物可制成多种具有特殊性能和用途的涂料、粘结剂、防缩整理剂等，有很大的市场应用价值。在顺丁烯二酸二甲酯的生产应用中，若想提高产品生产率，简化后处理工艺，降低生产成本，则传统的以硫酸为催化剂的生产工艺有必要向新型的绿色经济型工艺发展；而关键在于高效、廉价、易于分离回收的新型催化剂的设计开发。沸石型分子筛具有催化活性高，环境污染小，能够重复使用，且可以与多价金属阳离子进行离子交换改性等优势，将会成为马来酸二甲酯生产工艺中催化剂发展方向之一。近几年来，马来酸二甲酯的合成在技术上没有多大的进展，主要停留在20世纪70年代的技术水平。国内用硫酸作为催化剂，它虽然价廉易得，但设备腐蚀严重，副反应多，有大量富马酸二甲酷产生，山于在马来酸二甲酯中残存硫酸，因此，若用液碱中和将产生大量废液，用釜蒸馏时也会有釜残产生造成损失，而影响马来酸二甲酯的收率。这几年在酯化方面，出现了磷钨酸、硫酸铁、甲基磺酸、硫酸铁氨、对甲苯磺酸、硅钨酸、聚苯乙烯磺酸、硫酸铁和三氯化铝等固体超强酸，它们的制备须高温净化分离，非常麻烦，需要自己合成，制备催化剂本身就产生三废。 课题的现状与发展趋势；课题欲解决哪一方面的问题现在用于马来酸二甲酯催化合成的无机酸类催化剂主要是硫酸。早先有美国专利报道，在泡帽塔反应器中，以硫酸为催化剂，甲醇与顺酐按摩尔比1.4—3.0混合，在100—125℃下酯化反应20～140min，马来酸二甲酯收率达到96％以上。马来酸二甲酯的应用在国内起步较晚，目前尚无国家及行业标准，国内有关马来酸二甲酯合成的文献报道较少。传统的硫酸法生产工艺，顺酐酯化反应通常在反应釜内进行，这种方法工艺成熟。即顺丁烯二酸酯(简称顺NF)在硫酸的催化作用下与甲醇进行酯化反应，虽然催化剂活性高、价格便宜，但存在副反应多、产品容易异构化成富马酸二甲酯、设备腐蚀严重、后续处理复杂等缺点。目前，只有少数涂料企业在应用顺丁烯二酸二甲酯。硫酸用作催化剂，其优点是可溶于反应体系中，使酯化反应在均相条件下进行；而且催化活性高，价格便宜。缺点是硫酸有强氧化性，易使产品色泽变深；且又有强腐蚀性，易腐蚀设备及排除的酸性废水易造成环境污染。通过研究各种生产工艺，认为用固体酸催化剂合成马来酸二甲酯具有实用价值，采用固体酸为催化剂，催化顺酐的甲酯化反应合成马来酸二甲酯的生产路线，具有生产工艺简单、副产物少、产收率高的特点，具有良好的开发前景 二、课题 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的确定 方案的原理、特点与选择依据方案的原理：顺丁烯二酸二甲酯的合成分两步进行：（1）顺酐醇解生成顺丁烯二酸单甲酯HC-C=OHC-C=O=O+CH3OH→HC-COOCH3HC-COOH=+CH3OH加催化剂HC-COOCH3HC-COOCH3=+H2O该反应过程中顺酐开环结合一分子水，反应迅速，无需催化剂。研究表明，第一步反应容易进行，无需催化剂，基本上是不可逆的。第二步反应是可逆过程，速率较慢，是合成顺丁烯二酸二甲酯的关键控制步骤，需在催化剂的作用下才能进行的比较迅速和完全。（2）顺丁烯二酸单甲酯转化为双酯该反应是可逆过程，是合成马来酸二甲酯的关键控制步骤，需在催化剂的作用下才能进行的比较迅速和完全。方案的特点：我选择磷钨酸。因为磷钨酸价廉易得，且具有与产品分离容易、酯化过程无三废、其催化剂可循环使用、收率可达95%以上等优点。方案的选择依据：传统生产DMM的方法是以顺酐为原料，在硫酸的催化作用下与甲醇进行酯化反应，该生产工艺虽然催化剂硫酸的催化活性高、价格便宜，但存在副反应多、产品容易异构化成富马酸二甲酯、设备腐蚀严重、后续处理复杂等缺点。固体酸包括杂多酸、无机酸盐、金属氧化物、固体超强酸及沸石型分子筛等，具有很强的酸性，它作为一类新型催化剂材料替代浓硫酸催化合成酯类物质，具有易分离，可再利用及不腐蚀设备等优点，且反应活性和选择性都很高。前四类固体酸催化剂已广泛应用于各类酯化反应中，但对顺丁烯二酸二甲酯的催化合成仍未见有报道。国内有何思列等人简单报道了以固体酸催化剂催化合成顺丁烯二酸二甲酯，产品收率达到96％以上；但是文中未指出是哪类固体酸催化剂，而且也没有工艺条件；总之，可供参考的信息不多。与均相酸催化剂相比，离子交换树脂既有很高的催化活性，又具有副反应少、无设备腐蚀及工艺流程简单等许多优点。不足的是阳离子交换树脂本身价格较高，从而会增加生产工艺的整体成本。这几年，我们发现磷钨酸价廉易得，且具有与产品分离容易、酯化过程无三废、其催化剂可循环使用、收率可达95%以上等优点。综上所述，我选择磷钨酸催化剂。 课题完成步骤周次天数学习内容达成目标13设计准备动员讲课，明确设计任务要求，完成时间。1-417设计计算物料衡算、热量衡算、设备设计及选型。5-715绘图工艺流程图、物料流程图、设备平面布置图等。84编制设计说明书、答辩编制设计说明书，并与图纸装订成册。准备参加答辩。 三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值 1.第1周:对生产的资料进行收集。为以后的设计准备素材。2.第2-4周：物料衡算、热量衡算、设备设计及选型。对方案中的涉及的数据进行计算，为确定设备和制图提供依据。3.第5-7周：制图查看相关的文献，严格按照标准制图。4.第8周：编写设计说明书和装订成册。合理的设计说明书可以更加的方便阅读，寻找信息业更快。 四、参考文献 魏影石油化工设计数据手册—下石油工业出版社1985(3)2、中国石化集团上海工程有限公司化工工艺设计手册化学工业出版社2009(8)3、申迎华，郭晓刚化工原理课程设计化学工业出版社2009-5-14、时钧化学工程手册(上·下)(第二版)化学工业出版社20025、王延吉有机化工原料（第四版）化学工业出版社2003.76、张跃精细化工中间体生产流程图解化学工业出版社1995.57、曾人泉塑料加工助剂中国物资出版社1997.88、陈宇塑料助剂供产销指南化学工业出版社2001.12 五、指导教师审阅意见 签名：年月日目录10第一章前言10设计依据：10产品品种、规格、数量：101.1生产原料和产品的物化性质101.1.1原料的物化性质：111.1.2产品的物化性质：121.2现有的生产方法131.3生产原理131.3.1工艺原理:131.3.2反应原理:131.3.3影响因素141.4产品用途及发展前景141.4.1产品用途：151.4.2发展前景：16第二章物料衡算162.1原始数据172.2工艺设计参数172.3物料衡算:182.3.1反应釜的物料平衡:182.3.2中和釜的物料平衡:192.3.3精馏塔的计算:20第三章热量衡算203.1前期各项参数的选择203.2换热器的热量衡算223.3单酯反应釜的热量衡算233.4双酯反应釜热量衡算25第四章设备选型254.1贮罐的选型说明及计算254.1.1甲醇贮罐V101254.1.2顺酐贮罐V102264.1.3甲醇水溶液中间贮罐V103264.1.4产品贮罐V104264.1.5精馏甲醇贮罐V108274.2反应釜的选型说明及计算274.2.1单酯反应釜（R101）284.2.2双酯反应釜（R102）284.2.3配碱釜（R103）294.3换热器的选型说明及计算294.3.1水冷换热器E101294.3.2再沸器E104304.4泵类的选型说明及计算304.4.1水洗泵P101304.4.2进料泵P102314.4.3回流泵P103314.4.4碱液泵P104324.5精馏塔的选型说明及计算40第五章三废处理及环境保护405.1废水处理405.2固废处理41第六章安全生产与劳动保护416.1危险性物质物性一览表416.2消防安全措施416.2.1消防安全措施416.2.2工艺安全措施426.2.3电气安全措施436.3劳动防护措施46第七章节能措施47总结48参考文献前言设计依据：1、老师下达的“2000吨/年马来酸二甲酯生产工艺设计”设计任务书；2、批准的2000吨/年顺丁烯二酸二甲酯生产工艺开题报告3、各种技术文件（1）建筑防火 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 GB50016-2008(2)石油化工防火规范GB50160-2012产品品种、规格、数量：产品品种：马来酸二甲酯年生产力：2000吨/年产品规格：≧98%(wt)1.1生产原料和产品的物化性质1.1.1原料的物化性质：1.顺酐无色结晶粉末，有强烈刺激气味。溶于乙醇、乙醚和丙酮，难溶于石油醚和四氯化碳。与热水作用生成马来酸。全名：顺丁烯二酸二酸酐熔点：52.8℃别称：马来酸酐沸点：202.2℃化学式：C4H2O3密度：1.48分子量：98.06闪点：103.3℃物理性质：白色片状结晶，有强烈刺激气味，比重1.48，易升华，遇水易潮解生成马来酸。危险特性：遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧的危险。有腐蚀性。燃烧产物：CO,CO2灭火方法：雾状水，泡沫，CO2，沙土2.甲醇系结构最简单的饱和一元醇，分子量32.04，沸点64.7℃，又称”木醇“或”木精“。是无色有酒精气味易挥发的液体。人口服中毒最低剂量约为100mg/KG体重，经口摄入0.3~1.0g/KG可致死。通常有CO和H2反应制得。全名：甲醇外观：无色液体化学式：CH3OH闪点：110℃分子量：32.04摩尔质量：32.04g/mol熔点：-97℃黏度：0.59mpa.s，20℃沸点：64.7℃偶极矩：1.69D(气态)水溶性：与水完全互溶主要危害：含甲醇的酒可致失明浓度：0.7918g/cm3物理性质：性状：无色透明，刺激性气味液体爆炸下限：6%临界温度：240℃临界压力：7.95Mpa引燃温度：464℃爆炸上限：36.5%化学性状：1.其外观呈无色透明液体状。遇冷聚合变混浊。能与水、乙醇、丙酮任意混溶。2.在空气中能逐渐被氧化为甲酸，是强还原剂。在一般商品中，都加入10%～12%的甲醇以防止聚合。3.沸点96℃/101.325kPa；闪点140°F(60℃)；d25251.081～1.085；n20D1.3746。4.LD50大鼠口服：0.80g/kg。5.市场上的甲醛是其水溶液，遇冷能聚合变浑，也可解聚成无色透明溶液。具有刺激性气味，能使眼睛流泪。为强还原剂。通常为防止聚合加入10%～12%的甲醇。1.1.2产品的物化性质：马来酸二甲酯别名：顺丁烯二酸二甲酯分子式：C6H8O4分子量：144.13g/mol规格：≥99.0%（wt）物理性质：CASNo.：624-48-6外观：无色透明液体123熔点(℃)：-19相对密度(水=1)：1.15沸点(℃)：204-205分子式：C6H8O4分子量：144.12主要成分：纯品饱和蒸气压(KPa)：1.33(84℃)闪点(℃)：91溶解性：能与乙醚相混溶，微溶于水化学性质：遇明火、高热可燃1.2现有的生产方法目前，有利用各种催化剂催化合成马来酸二甲酯的方法（1）采用逐步酸化、逐步加料和离子交换冷冻法合成了十一钨铬铁杂多酸H6Fe(H2O)CrW11O39·10H2O催化剂，通过化学分析、IR、UV光谱对催化剂进行了表征。结果表明:当甲醇与顺醉的物质的量比为6：1，催化剂用量为0.89，反应时间2.5h，反应温度97一9℃，环己烷作为带水剂酯化率可达92.83%。利用杂多酸催化合成马来酸二甲酷活性高，催化剂用量小，反应条件温和，操作简便，不腐蚀设备，不污染环境，是酯化反应的理想催化剂，催化剂重复使用3次，活性不降低。克服了用浓硫酸作催化剂，设备腐蚀严重，污染重等缺点，而且，催化剂又可重复使用，从而开拓了马来酸二甲酯催化剂的新领域，具有工业化的前景。（2）以苯乙烯／二乙烯苯为原料，合成了DZH型树脂催化剂。通过静态／动态等测试方法，研究了树脂催化剂的热稳定性，优化了催化剂合成的工艺条件。制备的DZH型树脂催化剂用于顺丁烯二酸酐酯化反应，在反应温度90~110.C、反应压力0.6MPa、m（甲醇）:m（顺丁烯二酸酐）1.4、顺丁烯二酸酐空速0.74h-1条件下，顺丁烯二酸酐转化率≥99.6%，马来酸二甲酯收率≥98.6%。（3）顺酐和甲醇在大孔径阳离子树脂催化剂的作用下进行醋化反应，生成顺丁烯二酸二甲酯和水，经过脱低沸物，中和水洗，干燥及减压薄膜蒸馏等精制工序处理，制得成品(产品纯度达到99.0%以上)（4）国内外顺酐酯化低压加氢的酯化过程中多用甲醇为酯化剂。甲醇作为酯化剂工艺优点有:使酯化后的甲醇和水的分离变得容易;增加DMM的挥发度，使之气相加氢的操作范围变宽;甲醇的酯化转化率高达99.5%，故不存在DMM的提纯过程，不需要未反应的顺酐和单甲酯循环，只有甲醇提纯循环过程，从而大大简化了流程，故工程总投资比以乙醇为醋化剂时减少15%。首先将过量的甲醇和顺酐混合进人单酯反应器，生成马来酸单甲酯，该过程较易进行，在较低温度下无需使用催化剂，并且具有较高的收率。然后马来酸单甲酯和甲醇分别由顶部和下部进人双酯化反应生成DMM。通过研究各种生产工艺，认为用固体酸催化剂合成马来酸二甲酯具有实用价值，采用固体酸为催化剂，催化顺酐的甲酯化反应合成马来酸二甲酯的生产路线，具有生产工艺简单、副产物少、产收率高的特点，具有良好的开发前景，所以这里我选择固体酸催化剂里的磷钨酸作为催化剂。1.3生产原理1.3.1工艺原理:马来酸二甲酯合成反应原理具体试验步骤有二个阶段：首先以甲醇和顺酐为原料，顺酐与过量甲醇混合极易发生酯化反应，顺酐醇解生成顺丁烯二酸单甲酯，单酯化反应在0.1MPa、40一60℃条件下进行；此反应过程中顺酐开环结合一分子水因此该反应较为迅速，可不用催化剂；然后顺丁烯二酸单甲酯转化为双酯，是合成马来酸二甲酯的关键步骤，需在固体酸的催化作用下，反应才能进行得比较迅速;另外，由于酯化水不与甲醇共沸，排出体系较为困难，而水的存在会阻止反应向正反应方向进行，因此必须将酯化水排出反应体系才能确保酯化完全。1.3.2反应原理:第一步:顺酐醇解生成顺丁烯二酸单甲酯第二步：顺丁烯二酸单甲酯转化为双酯1.3.3影响因素（1）甲醇用量对产品收率的影响顺丁烯二酸单甲酯的进一步酯化较为困难，过量的甲醇推动正反应的进行，提高目标产物的收率，一般来说，甲醇与顺酐的摩尔比应在6：1以上。固体酸的价格较高，在保证转化率的基础上应尽量减少其用量，降低产品生产成本，一般来说，固体酸的用量为顺酐量的1.5%)（对顺酐，下同）为宜，，当催化剂的用量为顺酐量的1.5%)时，产品的收率较高；如再增加催化剂的用量，产品的收率增加不明显，因此催化剂用量控制在顺酐量的1.5%)为宜。因单酯转变为双酯的反应速度较慢，在催化剂的作用下，仍然需要较长的反应时间，才能达到较高的产品收率。（2）催化剂用量的影响固体酸的价格较高，在保证转化率的基础上应尽量减少其用量，降低产品生产成本，当催化剂的用量为顺酐量的1．5％时，产品的收率较高。（3）反应时间对产品收率的影响因单酯转变为双酯的反应速度较慢，在催化剂的作用下，仍然需要较长的反应时间，才能达到较高的产品收率。（4）吸水剂的影响单甲酯与甲醇反应生成二甲酯和水,从化学平衡分析,如果在反应过程中分出所生成的水,将有利于二甲酯的生成。实验过程中,单甲酯与二甲酯的沸点较高,回流组分主要为甲醇和水。为此,在回流管上部装入吸水剂,吸附反应生成的水,可以提高二酯的生成速率。装填吸水剂后,可以减少催化剂用量,二甲酯产物的选择性有所提高。仅有吸水剂而没有催化剂时,反应的效果也不好1.4产品用途及发展前景1.4.1产品用途：(1)、在涂料行业中的应用顺丁烯二酸二甲酯广泛用于涂料行业中，顺丁烯二酸二甲酯与其他物质的共聚物可制成多种具有特殊性能和用途的涂料。(2)、在粘结剂中的应用德国拜尔公司的一个专利生产的粘结剂，用于快干涂料，可以获得高硬度的涂层。顺丁烯二酸二甲酯与1，1-二氟乙烯聚合，可以合成非水电解质锂电池电极的粘结剂。顺丁烯二酸二甲酯与醋酸乙烯、甲基丙烯酸甲酯聚合可用于合成水分散体系的鞋类粘结剂。(3)、在合成光学材料中的应用双酚A-环氧乙烷(1：2摩尔)、顺丁烯二酸二甲酯共聚物44份、顺丁烯二酸二甲酯6份、对苯基苯甲酸烯丙基酯30份、间苯二甲酸二烯丙基酯20份、过氧碳酸二异丙酯3份共聚，可以制得耐冲击、透光率优良的聚醋光学材料。N-乙烯基-2-吡咯烷酮50份、顺丁烯二酸二甲酯495份、乙二醇二甲基丙烯酸酯0．5份聚合，所得的共聚物适用于制造具有稳定直线膨胀率的软接触透镜和含水软接触透镜。(4)、在不饱和树脂防缩整理剂中的应用顺丁烯二酸二甲酯与顺丁烯二酸、醋酸乙烯和2-丙氧基甲基环氧乙烷聚合，用于不饱和聚酯膜制品的防缩整理剂，可以制得较高表面光滑度、收缩系数小于0．020％的聚酯产品1.4.2发展前景：马来酸二甲酯的应用在国内起步较晚，目前尚无国家及行业标准，国内有关马来酸二甲酯合成的文献报道较少。传统的硫酸法生产工艺，即顺丁烯二酸酥(简称顺NF)在硫酸的催化作用下与甲醇进行酯化反应，虽然催化剂活高、价格便宜，但存在副反应多、产品容易异构化成富马酸二甲酷、设备腐蚀严重、后续处理复杂等缺点。目前，只有少数涂料企业在应用顺丁烯二酸二甲酯。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，对高档材料的需求量越来越大，特别是汽车在我国具有很大的潜在市场，随其发展，需要大量的耐酸耐候的高品质汽车涂料。所以，借鉴国外先进技术，利用顺丁烯二酸二甲酯合成具有特殊性能的化学品，用于一些新兴高科技领域具有重大意义。第二章物料衡算2.1原始数据2.1.1品规模及规格：产能力：2000吨/年马来酸二甲酯生产装置产品规格：99.0%（wt）2.1.2年开工时间：300天，每批操作周期：8小时2.1.3物料规格： 序号 名称 规格 分子量（g/mol） 密度（Kg/m3） 1 顺酐 ≥99 98 934 2 甲醇 ≥99.6 32 792 3 1,2-二氯乙烷 ≥99 99 4 H2O 18 998 5 NaOH 40 6 磷钨酸 2880 7 H2SO4 ≥98 98 8 甲苯 ≥99 92 9 苯 ≥99 78 2.1.4公用工程条件蒸汽：8kg/cm2循环冷却水：20℃电：380V2.1.5厂址：常州地区，自然条件主导风向东南风最大风速20.3m/s平均风速3.1m/s年平均降雨量1076.1mm年平均气温15.4℃绝对最高气温39.4℃绝对最低气温-15.5℃年平均相对湿度70%年平均气压1016.3mbar地下水位3.00m地震烈度6°2.2工艺设计参数采用磷钨酸为催化剂，1，2-二氯乙烷为带水剂，顺酐和甲醇反应，通过精制获马来酸二甲酯。甲醇和顺酐的摩尔比：6：1催化剂的质量是顺酐质量的1.5%顺酐有93%变为马来酸二甲酯，7%变为单酯顺酐转化率为100%反应温度：900C反应周期：8h其余有关数据参考有关资料报告。2.3物料衡算:主反应方程式：C4H2O3+CH3OH——→C5H6O4<1>C5H6O4+CH3OH——→C6H8O4+H2O<2>一年300个工作日，一天按8小时生产生产的2000吨/年的马来酸二甲酯需要的各物质的物质的量质量分别为：n酐=（2000×1000×99.0%）/（300×144×93%×100%）=49.28Kmol/daym顺酐=49.28×98=4829.44kg/dayv顺酐=4829.44/0.934=5171Ln甲醇=49.28×6=295.7Kmol/daym甲醇=295.7×32=9462kg/dayv甲醇=9462/0.792=11947L/daym磷钨酸=1.5%×m顺酐=0.015×4829.44=72.44kg/dayv带水剂=200L/day2.3.1反应釜的物料平衡:顺酐选择性为93%，生成马来酸二甲酯的物质的量为：mDMM=7.582×103kg/day；nDMM=52.61Kmol/daymH2O=9.47×102kg/day；nH2O=52.61Kmol/dayvH2O=9.47×102L/day；v甲醇=1.3713×104L/daym磷钨酸=1.5%×m顺酐=0.015×4829.44=72.44kg/dayv带水剂=80L/day生成1molDMM需每天消耗的甲醇量为:1.93×49.28kmol=95.1104kmol/day剩余的甲醇的量：n甲醇=295.7-95.1104=200.5896kmol/daym甲醇=200.5896×32=6.419×103kg/day2.3.2中和釜的物料平衡:有93%的顺酐转为目的产品，还有7%的顺酐和甲醇反应生成副产物。反应方程式如下：C4H2O3+CH3OH——→C5H6O4顺酐每天的投料量为46.20kmol，生成的单酯的量为n单酯=49.28×7%=3.4496kmol/daym单酯=3.4496×130=448.448kg/day反应平衡简图如下：根据上面的简图，可检验平衡：进口物料总量：49.28×98+295.7×32=14291.84kg/day出口物料总量：56.21×144+200.5896×32+52.61×18=15460kg/day所以，进出口物料的量相等，则反应平衡2.3.3精馏塔的计算:反应釜中的气相产物经冷凝后分离出的甲醇和水的组成：nH2O=52.61kmol/dayn甲醇=295.7-95.1104=200.59kmol/day每天总进料量为：n总=52.61+200.59=253.2kmol/day摩尔组成：甲醇200.59/253.2=79.2%水52.61/253.2=20.8%以时间单位为基准，即总物料量…………………F=D+W(1)易挥发组分量………………FXF=DXD+WXW(2)已知处理量n总为253.2kmol/day，一天按8个小时来计算那么精馏塔的进料量为：F=31.65kmol/h要求XD≥99.6%，XW≤0.2%31.65=D+W31.65×79.2%=99.6%D+0.2%W所以计算得：D=25.15kmol/hW=6.50kmol/h设备物料平衡表 序号 组分 kg/h t/d t/a w％ 进料 1 顺酐 301.86 2414.72 724461 99 2 甲醇 591.36 4730.88 1419264 99.6 3 氢氧化钠 17.2 137.6 41280 4 水 34.83 278.64 83592 进料总计 945.23 7561.84 2268552 出料 1 马来酸双酯 412.56 3000.48 990144 2 剩余甲醇 401.12 3208.96 962688 99.6 3 氢氧化钠 8.6 68.8 20640 4 C6H6O4Na 32.68 261.44 78432 5 水 90.27 722.16 216648 出料总计 907.73 7261.84 2178552 第三章热量衡算3.1前期各项参数的选择流动形态的选择理由：（如图）由于在冷、热流体进出口温度相同的条件下，并流操作两端推动力相差较大，其对数平均值必然小于逆流操作。所以就增加传热过程推动力而言，逆流操作总是优于并流，另外逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量，因此我们选择逆流操作。加热介质的选择理由：常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用温度为160℃的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。冷却剂的选择理由：常用的冷却剂有水、空气和冷冻盐水，水和空气可将物料冷至环境温度，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。动力（水、电、气、汽）技术规格表1技术规格 序号 名称 规格 1 蒸汽 3kg/cm3 2 循环冷却水 20℃ 3 电 220V380V3.2换热器的热量衡算（1）水冷换热器E101气相物料经过水冷凝冷下了甲醇、水和带水剂设冷却水的进口温度t1=25℃,出口温度t2=35℃物料的进口温度T1=90℃,出口温度T2=40℃由于带水剂含量很少，可忽略容的计算平均温度T=（90+40）/2=65℃65+273.15=338.15K时，查《化学工程手册—1》得相关的数据和公式：Cp=A+BT+CT2+DT3表3.7理想热容系数 编号 A B C D 甲醇1 5.052 1.694×10-2 6.179×10-6 -6.811×10-9 水2 7.701 4.593×10-4 2.521×10-6 -0.8589×10-9由Cp=A+BT+CT2+DT3计算得Cp,1=5.052+1.694×10-2×338.15+6.179×10-6×338.152-6.811×10-9×338.153=11.22kcal/kmol.kCp,2=7.701+4.593×10-4×338.15+2.521×10-6×338.152-0.8589×10-9×338.153=8.11kcal/kmol.kCP=Cp,1x+Cp,2(1-x)=11.22×0.814+8.11×（1-0.814）=10.6415kcal/kmol.k②△tm的求取=[(90-35）-(40-25)]/1.3=30.77℃③求热负荷设换热器的换热面积为10m3,根据《化学工艺设计手册-上册》取K=1000kcal/(m2.h.℃)Q=KA△tm=1000×10×30.77=3.077×105kcal/h④冷却水的用量Q=GCP(t2-t1)查水的CP=1.00kcal/k∴G=3.077×105/(35-25)=3.077×104kg/h3.3单酯反应釜的热量衡算Q1＋Q2＋Q3＝Q4＋Q5＋Q6设基准温度为25℃，原料进料温度25℃，即Q1＝0由于是连续反应，所以Q5＝0热损失Q6=10%Q2Q3反应过程热C4H2O3+CH3OH——→C5H6O4C4H2O3s-△Hc=332.10kal/molCH3OHl-△Hc=170.9kcal/molC5H6O4l-△Hc=535.268kcal/molQ3=(535.268-170.9-332.10)×12196.33×1000/98=1.678×107KJQ4物料带出热的计算单酯带走的热量25℃时单酯C25P=18.8+2×5.95+14.1+9.95=228.855J/(mol.k)100℃时C100P=22.5+2×6.7+15.5+11.55=263.131J/(mol.k)CP=(228.855+263.131)/2=245.993J/(mol.k)Q单酯=CM△t=245.993×13214.5/130.10×(100-25)=1.87×106KJ未反应的甲醇带走的热量25℃时未反应的甲醇C25P=9.95+10.5=85.481J/(mol.k)100℃时C100P=11.5+17.0=119.339J/(mol.k)Cp=(85.481+119.339)/2=102.4095J/(mol.k)Q未反应甲醇=CM△t=102.4095×(1.6208×104)/32×(100-25)=3.8902×106KJQ4=Q单酯+Q未反应甲醇=1.87×106+3.8902×106=5.76×106KJQ2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3=5.76×106+0+10%Q2-0+1.678×107=2.5×107KJQ6=10%Q2=2.5×106KJ单酯反应釜热量衡算表 进热量（kJ/h） 出热量（kJ/h） 原料投入量Q1 0 物料带出热Q4 1.435×106 水蒸汽加热Q2 5.23×106 设备吸收热Q5 0 反应过程热Q3 -3.27×106 热损失Q6 5.23×105 总计 1.96×106KJ 总计 1.958×106KJ3.4双酯反应釜热量衡算Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6C5H6O4+CH3OH——→C6H8O4+H2OC5H6O4△Hc=535.268kcal/molCH3OH-△Hc=170.9kcal/molC6H8O4△Hc=629.697kcal/molQ3=(-629.697+535.268+170.9)/130×13214.5×93%×1000×4.18=3.021×107KJQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q4=Q双酯+Q水5.76×106+Q2+3.021×107=5.76×106+10%Q2Q2=3.36×107KJQ6=10%Q2Q6=3.36×106KJ双酯反应釜热量衡算表 进热量（kJ/h） 出热量（kJ/h） 原料投入量Q1 8.56×105 物料带出热Q4 2.59×106  水蒸汽加热Q2 1.01×107 设备吸收热Q5 0 反应过程热Q3 -7.32×106 热损失Q6 1.01×105 总计 3.63×106KJ 总计 3.6×106KJ第四章设备选型4.1贮罐的选型说明及计算4.1.1甲醇贮罐V101要求：计算每天需要的甲醇体积V总=3.0169×104L,根据生产情况选取100m3的贮罐，根据《化工工艺设计手册》选用立式储备罐公称容积VN（m3）100储罐内径（mm）5200罐壁高度mm5200拱顶高度mm554总高度mm5754罐体材质Q235-A,F设计温度℃-19---150设计压力Mpa-0.5---2储罐总重kg6135型号：A100/5200图号：HG21504.1-92-2014.1.2顺酐贮罐V102要求：计算每天需要的顺酐体积V总=1.3058×104L,根据生产情况选取100m3的贮罐，根据《化工工艺设计手册》选用立式储备罐公称容积VN（m3）100储罐内径（mm）5200罐壁高度mm5200拱顶高度mm554总高度mm5754罐体材质Q235-A,F设计温度℃-19---150设计压力Mpa-0.5---2储罐总重kg6135型号：A100/5200图号：HG21504.1-92-2014.1.3甲醇水溶液中间贮罐V103要求：计算每天需要处理的的甲醇水溶液体积V总≈2.49×104L,根据生产情况选取8m3贮罐一个，根据《化工工艺设计手册》选用卧式椭圆形封头容器（JB1428-74）公称容积m38实际容积m38.41筒体公称直径DN（mm）1600筒体长度（mm）3600支座数量3设备净重量（kg）654图号HG21504.1-92-67型号A8/16004.1.4产品贮罐V104要求：计算体积V总≈11.28m3,根据生产情况选取16m3贮罐一个，根据《化工工艺设计手册》选用卧式椭圆形封头容器（JB1428-74）公称容积m316实际容积m316.22筒体公称直径DN（mm）2000筒体长度（mm）4400支座数量3设备净重量（kg）1230图号HG21504.1-92-71型号A16/20004.1.5精馏甲醇贮罐V108要求：计算每天需要处理的的甲醇水溶液体积V甲醇≈7600L,根据生产情况选取8m3贮罐一个，根据《化工工艺设计手册》选用卧式椭圆形封头容器（JB1428-74）公称容积m38实际容积m38.41筒体公称直径DN（mm）1600筒体长度（mm）3600支座数量3设备净重量（kg）654图号HG21504.1-92-67型号A8/16004.2反应釜的选型说明及计算顺酐m3/天V顺酐=5.17/99%=5.12m3/天甲醇m3/天V甲醇=11.95/99.6%=12.0m3/天单酯反应釜V单酯=V顺酐+V甲醇=5.12+12.0=17.12m3/天V带水剂=80L/天双酯反应釜V消耗甲醇=95.1104×32/792/99.6%=3.86m3/天V双酯=V消耗甲醇+V带水剂+V单酯=3.86+0.08+17.12=21.06m3/天双酯产品V产=7.582×103/115/99%=66.60m3/天4.2.1单酯反应釜（R101）搪玻璃常压反应釜3个公称容积VN/L5000公称直径DN/mm1750计算容积VJ/L5435容积系数VN/VJ0.92夹套换热面积/m213.4公称压力PN容器内1.0Mpa夹套内0.6Mpa介质温度及密闭材料0-200℃（材质Ø235-A，Ø235-B）搅拌轴公称直径N/mm95电动机功率/KW7.5电动机形式YB型搅拌轴公称转速125r/min支承式支座4t×4参考质量/Kg52744.2.2双酯反应釜（R102）搪玻璃闭式反应釜1个公称容积VN/L16000公称直径DN/mm2400计算容积VJ/L17446容积系数VN/VJ0.92夹套换热面积/m229.48公称压力PN容器内1.0Mpa夹套内0.6Mpa介质温度及密闭材料0-200℃（材质Ø235-A，Ø235-B）搅拌轴公称直径N/mm125电动机功率/KW18.5电动机形式YB型搅拌轴公称转速125r/min支座规定转子量10t×4参考质量/Kg112304.2.3配碱釜（R103）搪玻璃反应釜1个公称容积VN/L800公称直径DN/mm1000计算容积VJ/L878容积系数VN/VJ0.91夹套换热面积/m23.7公称压力PN容器内1.0Mpa夹套内2.6Mpa介质温度及密闭材料0-200℃（材质Ø235-A，Ø235-B）搅拌轴公称直径N/mm65电动机功率/Kw2.2电动机形式YB型搅拌轴公称转速80r/min悬柱式支座A1×4参考质量/Kg11154.3换热器的选型说明及计算4.3.1水冷换热器E101要求：选取水冷的换热面积A=10m2，热的甲醇、水和少量的带水剂蒸汽走壳程，冷却水走管程。根据《化工工艺设计手册》选用列管式固定管板换热器：筒体公称直径(mm)400公称压力PN(Mpa)0.6换热管管长(mm)1500换热管外径×壁厚(mm)Φ19×2管程I管子根数174中心排管数14管程流通面积(m2)0.0307换热面积A(m2)14.5管心距(mm)25材质不锈钢型号S-400I-1.5/19-0.6-14.5被冷的热流《化工工艺设计手册》选列管式固定管板换热器4.3.2再沸器E104要求：计算换热面积A=4.199m2,用蒸气加热，根据选择换热器的原则，蒸气走壳程，被加热的流体走管程。根据《化工工艺设计手册》选用立式热虹吸式重沸器。基本参数：公称直径DN(mm)400管程Ⅰ管子数51中心排管数7管长(mm)2500换热管外径×壁厚(mm)Φ38×2.5管心距(mm)48管程流通截面积（m2）0.0436换热面积（计算值）（m2）14.64.4泵类的选型说明及计算4.4.1水洗泵P101要求：ＶDMM=2726.95/1152=2.4m3Q=0.6m3/h查《流体输送与非均相分离技术》P230选用泵：IS型离心油泵（DMM具有易燃性）流程Qm3/h7.5扬程Hm20转数r/min2900轴功率kw1.13允许气蚀余量m2.04.4.2进料泵P102要求：F=31.65kmol/hｍ=31.65×32=1012.8kgV=1012.8/792=1.28m3Q=1.28m3/h选用泵：流量Qm3/h2.5扬程Hm87转数r/min2950轴功率kw3.48电机功率kw7.5允许气蚀余量m2.5重量kg163型号40Y-40×2配套电机：电机额定功率kw30转速r/min2950重量290电机型号YB200L1-24.4.3回流泵P103要求：D=25.15kmol/hm=25.15×32=75.45kgV=2024.96/792=2.55m3Q=2.55m3选用泵：流量Qm3/h6.25扬程Hm80转数r/min2950轴功率kw4.55电机功率kw7.5允许气蚀余量m2.7重量kg163型号40Y-40×2配套电机：电机额定功率kw30转速r/min2950重量290电机型号YB200L1-24.4.4碱液泵P104要求：V总=5432L/dayV=5432/2=2716L/day=2.716m3/day用半小时输送Q=2.716/0.5=5.432m3/h选用泵：流量Qm3/h6.25扬程Hm80转数r/min2950轴功率kw4.55电机功率kw7.5允许气蚀余量m2.7重量kg163型号40Y-40×2配套电机：电机额定功率kw30转速r/min2950重量290电机型号YB200L1-24.5精馏塔的选型说明及计算(1)操作压力精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。(2)气液平衡关系及平衡数据表1甲醇-水平衡时的t、x、y数据（摘于化工工艺手册） 平衡温度t 100 92.9 90.3 88.9 85.0 81.6 78.0 液相甲醇x 0 5.31 7.67 9.26 13.15 20.83 28.18 气相甲醇y 0 28.34 40.01 43.53 54.55 62.73 67.75 平衡温度t 73.8 72.7 71.3 70.0 68.0 66.9 64.7 液相甲醇x 46.20 52.92 59.37 68.49 85.62 87.41 100 气相甲醇y 77.56 79.71 81.83 84.92 89.62 91.94 100根据以上数据绘出x-y平衡图①根据气液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度tLD，tVD，塔釜温度tW，进料温度tF已知F=60.64kmol/hXF=81.4%,XD=99.6%，XW=0.2%a.塔顶温度tLD，tVDb.塔釜温度tWc.进料温度tF②回流比确定由表1的数据绘制x-y图由图可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线，为减小误差，用作图法求最小回流比Rmin由点a(xD,xD)向平衡线作切线，交轴于b(0,59.1)，即精馏段操作线截距，所以。操作回流比可取为最小回流比的1.1~2.0倍，所以取所以回流比确定为③相对挥发度t=92.9℃时，t=66.9℃时，精馏塔理论板数的计算（逐板计算法）汽液平衡方程：(a)=精馏段操作线方程：XD=0.996(b)截距：则精馏段操作线方程：y=0.507+0.491提馏段操作线方程(c)已知：F=31.65kmol/h,D=25.15kmol/h,W=6.50kmol/h,α=4.35,R=1.03=0.002所以提馏段操作线方程为：泡点进料Q=1,XQ=XF=0.814第一层上升的蒸汽组成Y1=XD=0.996由汽液平衡方程(a)得第一层板下降的液体组成解得X1=0.9828由精馏段操作线方程(b)得第二层板上升蒸汽组成y2=0.5071+0.491=0.5070.9828+0.491=0.9893第二层板下降的液体组成仍可由(a)式求得X2=0.9550第三层板上升的蒸汽组成仍可由(b)式求得Y3=0.9752第三层板下降的液体组成即为X3=0.9004按上步骤依次计算可得y4=0.9475X4=0.8057<0.814(XF)因为第四层上液相组成已小于进料液组成（XF=0.814），故让进料引入此板。第五层理论板上升的汽相组成应用提馏段操作线方程(c)计算，得y5=1.134-0.13=1.13×0.8057-0.13=0.780第五块板下降的液体组成仍由(a)式求得解得X5=0.4433第六层板上升的蒸汽组成仍由(c)式求得Y6=1.115-0.108=1.11×0.4578-0.11=0.3776第六层板下降的液体组成仍由(a)式求得解得X6=0.1224按上步骤依次计算可得Y7=0.2464X7=5.774×10-3X8<0.002()故总理论塔板层数为8层（包括再沸器）。其中精馏段理论板为3层，提馏段理论板为5层。H=NX=8×700=5600mm质量分数甲醇3.2×103/(3.2×103+412.56)=88.6%水1-88.6%=11.4%kg/m3甲醇kmol/(kg.天)水kmol/(kg.天)m3/s设u=0.6=0.38m 2000吨/年马来酸二甲酯设备一览表 序号 位号 名称 型号或图号 规格 技术特性 主要材料 数量 备注 主要介质 温度℃ 压力Kpa １ V-101 甲醇储槽 HG21504.1-92-201 V=100m3 Q235A 20 101.3 碳钢 １ ２ V-102 顺酐储槽 HG21504.1-92-201 V=100m3 Q235A 20 101.3 碳钢 1 ３ V-103 甲醇计量槽 HG21504.1-92-55 V=5m3 Q235A 20 101.3 碳钢 1 4 V-104 分水器 V=0.3m3 A3F 20 101.3 碳钢 1 5 V-105 带水剂中间储罐 HG21504.1-92-61 V=3m3 A3F 20 101.3 碳钢 1 6 V-106 甲醇水溶液中间储罐 HG21504.1-92-67 V=8m3 A3F 20 101.3 碳钢 1 7 V-107 产品储罐 HG21504.1-92-71 V=16m3 A3F 20 101.3 碳钢 1 8 V-108 精馏甲醇贮罐 HG21504.1-92-67 V=8m3 A3F 20 101.3 碳钢 1 9 R-101 酯化反应釜 HG/T2372-35 V=5000L 20 101.3 搪玻璃 4 10 R-102 中和反应釜 HG/T2371-92 V=5000L 20 101.3 搪玻璃 2 11 R-103 配碱釜 HG/T2371-92 V=300L 20 101.3 搪玻璃 1 12 E-101 水冷换热器 SS400I-1.5/19-0.6-14.5 14.5m2 20 101.3 不锈钢 1 13 E-102 预热器 SS-159I-3/25-1.6-2.6 2.6m2 20 101.3 不锈钢 1 14 E-103 换热器 SS-450I-2/25-0.6-26 41.0m2 20 101.3 不锈钢 1 15 E-104 再沸器 SS-400Ⅰ-2.5/38-1.0-14 14.6m2