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仲恺农业工程学院毕业设计年产1万吨碳酸二甲酯的工艺设计姓名张观海院（系）化学化工学院专业班级化学工程与工艺082学号200811034224指导教师陈循军职称副教授论文答辩日期2012年5月17日仲恺农业工程学院教务处制学生承诺书本人声明所呈交的学位论文《年产1万吨碳酸二甲酯的工艺设计》是本人在导师指导下进行的研究工作及设计成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。与本人一同工作的同志对本研究设计所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。承诺人：年月日摘要碳酸二甲酯（简称DMC）是一种重要的环保型有机化工原料，以及作为一个重要的有机中间体。由于它可以替代许多有毒溶剂，如光气，二甲基硫（DMS），甲基叔丁基醚，所以它的需求迅速增加。碳酸二甲酯是一种具有发展前景的“绿色”化工产品。而且应用领域广泛，具有良好的市场前景。在工艺流程中，利用流程模拟软件AspenPlus，进行AspenPlus流程模拟。热力学模型选择NRTL活度系数方程，对工艺进行物料衡算以及热量衡算。运用AutoCAD绘制带控制点工艺流程图。采用AspenPlus的DSTWU模块，确定萃取精馏塔和DMC精制塔的初始数据。在初始参数下，利用AspenPlus的RadFRac模块对两塔进行精算，并利用Sensitivity模块，分别优化两塔的原料和萃取剂进料位置和回流比。设计和优化结果为：萃取精馏塔塔板数为23，原料进料板为第15块，萃取剂的进料板为第3块，回流比为2.4，DMC精制塔塔板数为8，进料板为第4块，回流比为0.18。此参数下，利用RadFRac模块进行全流程模拟，结果显示，DMC的质量分数为0.9970，两塔再沸器总负荷为2417.9932MJ/h，可节约能耗27.97%，每年可节省331.97吨煤。关键词碳酸二甲酯AspenPlus模拟优化萃取精馏目录第1章前言...............................................................11.1DMC的物理性质及用途...................................................11.2DMC化学性质及用途.....................................................3第2章碳酸二甲酯的合成工艺与应用开发现状.................................32.1DMC合成路线...........................................................42.1.1甲醇光气法...........................................................42.1.2甲醇氧化羰基化法....................................................42.1.3UBE低压气相法.......................................................52.1.4酯交换法............................................................62.1.5甲醇尿素法..........................................................72.1.6二氧化碳和甲醇直接合成法...........................................102.2碳酸二甲酯的国内外现状...............................................102.2.1国内DMC现状.......................................................102.2.2国外DMC现状.......................................................112.3DMC的发展趋势及前景展望..............................................11第3章设计内容..........................................................123.1工艺方案的选择.......................................................123.2原料及产品规格.......................................................123.3设计规模和设计要求...................................................133.4工艺流程说明.........................................................133.5物料衡算.............................................................143.6热料衡算.............................................................223.7流程模拟与优化.......................................................273.7.1萃取精馏塔优化.....................................................283.7.2DMC精制塔的优化....................................................313.7.3优化结果...........................................................323.8设备一览表...........................................................333.9结论.................................................................34参考文献..............................................................36致谢.................................................................381第1章前言随着自然环境的不断恶化，人类环保意识的逐渐增强，对无毒或低毒化学品的需求也随之增加。而碳酸二甲酯（DimethylCarbonate）简称DMC，就属于这类产品[1]。由于DMC分子中含有CH3—、CH3O—、CH3O—CO—、—CO—等多种官能团，其化学性质非常活泼，具有良好的反应活性，可与醇、酚、胺、肼、酯等发生化学反应，故可衍生出一系列重要化工产品；其化学反应的副产物主要为甲醇和CO2。与光气（COCL2）、硫酸二甲酯（DMS）等的反应副产物盐酸、硫酸盐或氯化物相比，危害相对较小，故而，一方面DMC在诸多领域可全面替代光气、硫酸二甲酯、氯甲烷及氯甲酸甲酯等剧毒或致癌物进行羰基化、甲基化、甲酯化及酯交换等反应生成多种重要化工产品；以DMC为原料可以合成聚碳酸酯、异氰酸酯、氨基甲酸酯等多种高附加值的精细化学品，在高性树脂、医药、农药、合成材料、染料、润滑油添加剂、食品添加剂、电子化学品等领域获得广泛应用；碳酸二甲酯具有优良的溶解性能，不但与其他溶剂的相溶性好，还具有较高的蒸发温度及蒸发速度等特点，可以用作为低毒溶剂，用作涂料溶剂和医药行业的溶媒等；DMC分子中的氧含量高达53%，具有提高辛烷值、无相分离、低毒和快速生物降解性等性质，因此，DMC将成为替代MTBE的昀有潜力的汽油添加剂之一。1992年DMC在欧洲通过了非毒性化学品的注册登记，属于无毒或微毒化工产品。因此，DMC被誉为21世纪有机合成的一个“新基石”和“绿色化工产品”，将具有广泛的应用前景[2]。1.1DMC的物理性质及用途DMC分子结构式(CH3O)2CO，分子量为90.08，相对密度1.070，折射率1.3697；熔点4℃，沸点90.1℃。在常温下为无色透明、略有气味、微甜的液体，具有可燃性，微溶于水但能与水形成共沸物，几乎可与醇、醚、酮等所有的有机溶剂混溶；对金属无腐蚀性，可用铁筒盛装贮存；微毒（LD50＝6400～12900mg/kg，而甲醇的LD50＝3000mg/kg）。DMC是优良溶剂，作为溶剂的主要特点表现为熔点、沸点范围窄，表面张力大、粘度低、介质介电常数小，可得到较好的防静电效果，蒸发热低、相对蒸发速度快，而具有速干性，溶解参数SP值与丙酮接近。表1是DMC与其他溶剂的性能比较。由表1可知，与其他溶剂相比，DMC具有闪点高、蒸气压低、空气中爆炸下限高等特点，在贮运、使用中安全性高，作为溶剂的清洁性较好。因此，DMC在清洗和特殊领域内（特种油漆，医药品制造介质等）用作溶剂和溶媒，可以取代氟里昂、三氯甲烷和其他代用品。此外，DMC作为CO2的载体已开始应用于喷雾。2表1DMC与其他溶剂的性能比较物性DMC丙酮异丁醇甲苯相对分子质量90.0858.0860.0992.1沸点/℃90.156.182.3110.6熔点/℃4-94.4-88.5-94.97蒸汽压（20℃）/KPa5.6024.664.272.93闪点（闭口）/℃17-1811.74.4爆炸极限/%3.8~1.32.15~132.7~13.01.27~7.0粘度/mPa·s0.6250.3162.410.579表面张力/×10-5N/cm28.520.827.92蒸发热/(J/g)369.06523.0676.58363.69介电常数2.61.0118.62.2相对蒸发速度（醋酸丁酯=1）4.67.22.92.4SP值10.410.010.98.4碳酸二甲酯分子中氧含量高达53%，比MTBE（18%）高很多，且和汽油的相溶性好，蒸气压低，有利于提高汽油辛烷值和减少汽车尾气排放，作为新一代汽油添加剂具有良好的应用前景。表2是DMC与其他汽油添加剂的比较。可见，DMC的抗爆性与MTBE接近，优于汽油，但DMC的毒性远小于MTBE。表2DMC与其他汽油添加剂的性能比较项目DMCMTBE甲醇相对分子质量90.088832密度/（g/cm³）1.0700.740.49沸点/℃90.255.364.4冰点/℃4-108-97.8燃烧热/（MJ/kg）15.8534.9020.28RVP/kPa6.89555.16~68.953.70RON110116106MON979890（RON+MON）/210410798闪点（闭口）/℃17-2812爆炸极限/%3.8~21.31.65~8.46.0~36.53DMC的氧含量为53.3%（质量），MTBE为18.18%，相同体积下，氧含量之比为2.345。因此，DMC在氧含量上比MTBE优越，达到同样的氧含量，DMC的体积添加量是MTBE的40%左右。在直馏汽油中分别加入3%（体积）DMC和MTBE，在催化汽油中分别加入6%（体积）的DMC和MTBE，测RON并计算BON，结果见表3。表3加入DMC或MTBE的汽油辛烷值比较样品项目3%DMC%3MTBE6%DMC6%MTBE直馏汽油RON52.553.1BON101121催化汽油RON90.290.3BON109109可见DMC与MTBE相比，催化汽油在6%（体积）的加入量下，具有相同的调和效应，BON都为109。但对直馏汽油，DMC的敏感度比MTBE差一些。直馏汽油的基础辛烷值很低，只有51.0，加入3%（体积）的DMC和MTBE后，