年产2万吨碳酸二甲酯合成项目初步设计方案方案方案说明-毕业论文.doc

三井化学杯”化工设计大赛

三井化学杯大学生化工设计竞赛

项目名称：年产2万吨碳酸二甲酯合成项目
初步设计说明书
目录
设计概述 I
第一部分 工艺介绍 I
一、设计工艺描述 I
二、工艺创新 I
三、工艺流程详细说明 I
第二部分 热量集成 III
第三部分 工厂设计 IV
一、主要设备 IV
二、工厂平面布置 IV
第四部分 经济评价 IV
第五部分 总结 V
DESIGN OVERVIEW VI
Part Ⅰ Technology Introduction VI
1、Description of the Design Process VI
2、Process Innovation VI
三、Process Details VII
2.Pre-separation construction section VII
3.Rectification section VIII
4.Catalyst Recovery VIII
Part Ⅱ Heat Integration IX
Part Ⅲ Plant Design IX
1.Major equipment IX
2.Plant Layout X
Part Ⅳ Economic evaluation X
Part V Summary X
第1章 项目总论 1
1.1 项目概述 1
1.2 工作依据 1
1.2.1 国家政策 1
1.2.2 地方政府政策 2
1.2.3 DMC的概述及应用 3
1.3 市场需求及生产能力分析 4
1.31 国内外市场需求分析 4
1.3.2 生产能力分析 10
1.4 DMC的价格 11
第二章 总图及运输 13
2.1 厂址概况 13
2.1.1 地理位置及厂区概况 13
2.1.2 原料和市场 13
2.1.3 自然条件 14
2.1.4 基础设施及投资环境 14
2.1.5 总述 19
2.2 工厂平面布置 19
2.2.1 厂区布局 19
2.2.2 布局说明 20
2.3 工厂运输 22
第三章 化工工艺 23
3.1 工艺概述 23
3.2 原料路线选择 从丙烯到碳酸丙烯酯 23
3.2.1 原料的选择 23
3.2.2 工艺介绍 30
3.2.3 原料预处理流程设计 30
3.2.4 合成段工艺流程 31
3.2.5 经济性评价 32
3.3 精馏工艺选择及论证 32
3.3.1 碳酸二甲酯合成部分 32
3.3.2 精馏方法 35
3.3.3 碳酸二甲酯的分离 36
3.4 生产流程叙述 37
3.4.1 合成流程的模拟 37
3.5 分离 54
3.5.1 模拟结果（见流程说明） 54
3.5.2 流程特色 55
3.6 三废治理 55
3.6.1 三废的产生 55
3.6.2 三废的组成分析 56
3.6.3 三废的处理方法 57
3.7 物料及能量衡算 58
3.8 工艺设备一览表（详见附录6） 59
3.9 机构及人员 59
3.9.1 组织结构 59
3.9.2 职能 59
3.9.3 人员编制 60
第四章 空压站 62
4.1 概述 62
4.2 全厂压缩空气状况 62
4.3 氮站 62
4.3.1 概述 62
4.3.2 全厂氮气使用状况 63
第五章 自动控制 64
5.1 全厂自控水平和主要控制方案 64
5.1.1 范围 64
5.1.2 自控水平 64
5.1.3 主要控制方案 64
5.1.4 通讯网络 65
5.1.5 安全和保护措施 65
5.2 仪表选型的确定 65
5.2.1 选型原则 65
5.2.2 控制室监控系统 66
5.2.3 现场仪表 66
5.3 动力供应 68
5.3.1 仪表电源 68
5.3.2 仪表气源 68
5.4 泵的选型 68
5.4.1 石油，化工装置对泵的要求 68
5.4.2 原动机类型的确定 69
5.4.3 电动机类型的确定 69
5.4.4 泵的配管要求 69
5.5 仪表修理车间 70
5.5.1 仪表维修定员 70
5.5.2 工作间设置 70
5.5.3 维修设备选型 70
5.6 精馏塔的控制 71
5.6.1 再沸器热量控制 71
5.6.2 冷凝罐和回流罐的控制 71
5.6.3 浆态床反应器的控制 71
5.6.4 储罐的控制系统 72
5.6.5 泵的控制 72
第六章 供电和电信 73
6.1 设计依据 73
6.2 设计原则 73
6.3 供电电源及工厂电源供电线路 74
6.4 照明系统 74
6.5 电气设备 74
6.5.1 电气设备的结构型式： 74
6.5.2 电气系统的控制、保护和报警系统 75
6.6 防雷和防静电 75
6.6.1 装设避雷器 75
6.6.2 采用的主要标准 75
6.6.3 储罐区装置防静电 75
6.6.4 厂区普通建筑物防雷 76
6.6.5 厂区户外装置的防雷 76
6.7 电信工程 76
第七章 土建 78
7.1 概述 78
7.2 设计依据 78
7.2.1 化工建筑的防火防爆防腐 78
7.3 生产工艺流程图 79
7.3.1 厂房布置图 79
7.3.2 设备一览表 79
7.3.3 劳动保护条件 79
7.3.4 安装运输 80
第八章 给水和排水 81
8.1 设计依据 81
8.2 水源 81
8.2.1 生产水源 81
8.2.2 生活水源 81
8.2.3 消防水源 81
8.3 给水系统 81
8.3.1 室内给水系统 81
8.3.2 室外给水系统 82
8.3.3 消防给水系统 82
8.4 排水系统 82
8.4.1 生活排水系统 82
8.4.2 雨水排水系统 82
8.4.3 其它用水 83
8.5 管道防腐、保温、涂漆 83
8.6 用水量一览表 83
第九章 供热 84
9.1 概述 84
9.2 热公用工程 84
9.3 换热设备 84
第十章 环境保护 85
10.1 编制依据 85
10.2 主要污染源及污染物 85
10.2.1 大气污染物 85
10.2.2 噪声 85
10.2.3 废水 85
10.2.4 固体废弃物 85
10.2.5 对生态的影响 86
10.2.6 风险事故影响 86
10.3 执行的环境质量标准及排放标准 86
10.4 设计中采取的环保措施 87
10.4.1 建设期污染防治措施 87
10.4.2 运营期污染防治措施 87
10.4.3 饮用水源保护 88
第十一章 采暖通风和空气调节 89
11.1 设计依据 89
11.2 厂址所在地气候情况 89
11.3 设计参数 89
11.4 设计范围 90
11.5 设计方案 90
11.5.1 采暖 90
11.5.2 通 风 91
第十二章 外部工艺及管道 92
12.1 概述 92
12.2 管道的布置及敷设原则 92
12.2.1 管道布置 92
12.2.2 管道敷设 92
12.2.3 道路走向 93
12.2.4 管道连接 93
12.2.5 安全措施 93
12.2.6 架空要求 93
12.3 管道设计 93
12.3.1 管子直径的选择 94
12.3.2 管壁厚度 94
12.3.3 管道材质 94
12.3.4 管道的保温 95
第十三章 储运 96
13.1 编制依据 96
13.2 储罐布置情况 96
13.3 储罐设计情况 96
13.4 罐区安全措施 97
13.5 产品运输情况 97
第十四章 维修 99
14.1 修理任务 99
14.2 维修手段 99
14.2.1 热交换器的检查及修理 99
14.2.2 塔、槽日常检查 101
14.2.3 管道系统的维修检查 102
14.2.4 泵的检查与处理 102
14.2.5 电动机的维修保养 104
14.2.6 过滤器的日常检查和保养 104
14.3 维修设备及维修人员 105
第十五章 消防 107
15.1 设计依据 107
15.2 设计范围 107
15.3 火险分析 107
15.4 消防环境 108
15.5 消防给水 108
15.6 建筑情况 108
15.7 防火措施 109
15.7.1 自动控制系统 109
15.7.2 其它防火措施 109
第十六章 职业安全及工业卫生 112
16.1 设计依据 112
16.2.1 生产过程中的危险化学品 112
16.2.2 生产过程中的其它危害 112
16.3 卫生安全管理措施 113
16.3.1 场地卫生管理 113
16.3.2 防止中毒事故 113
16.3.3 防止爆炸事故 113
16.3.4 安全操作 114
16.4 厂内绿化 117
第十七章 财务分析 118
17.1 产品成本的估算 118
17.1.1 产品成本和费用估算的依据和说明 118
17.1.2 成本费用估算 118
17.2 销售收入估算 118
17.3 其他数据 119
17.3.1 资金使用计划 119

17.3.2 建设进度及生产负荷 119
17.3.3 流转税金及附加估算 119
17.3.5 盈亏平衡分析 119
17.4 财务价格及数量 119
17.5 财务小结 120
附录1 物料横算 130
一、总物料衡算 130
二、合成反应工段 131
三、分离二甲醚工段 132
四、分离碳酸二甲酯工段 133
五、分离丙二醇工段 133
六、分离二丙二醇工段 134
附录2 热量衡算 136
一、概述 136
二、热量平衡计算 137
三、物理变化的热效应 137
四、精馏塔的热量衡算 140
五、余热发电系统的热量衡算 142
六、整个体系的总热量衡算 142
附录3 余热利用系统 144
附录4 PID控制点一览表 145
一、反应单元的控制点一览表 145
附表5 参考数据 152
附录6 换热器一览表 153
附录七 设备一览表 158
一、设备一览表 158
二、部分设备参数及说明 161
附录8 Aspen plus模拟结果表 164
附录9 精馏塔设计说明书 169
一、设计内容 169
二、确定精馏装置流程： 169
三、工艺参数的确定 170
四、主要设备的工艺尺寸计算 171
五、流体力学计算 171
六、主要附属设备设计计算及选型 171
七、Aspen plus软件模拟数据结果 177
附录10 反应器设计说明书 185
一、 严格遵守以下标准： 185
二、碳酸二甲酯合成塔 186
参考文献 188

2

设计概述
设计概述
随着世界经济水平，科学文化水平的不断发展,碳酸二甲酯作为一种符合现代"清洁工艺"要求的环保型化工原料其合成技术受到了国内外化工界的广泛重视，我国化工部在"八五"和"九五"期间将其列为重点项目。本项目是中海油天津分公司年产2万吨碳酸二甲酯的项目，本项目厂址选择在地理环境优越，自然资源丰富的天津市塘沽区。
本项目主要是由总厂石油裂解得到的丙烯为基础制得碳酸丙烯作为原料来生产碳酸二甲酯，所选厂址临近渤海，有着丰富的石油资源且交通极其便利，周围有着发达的公路，铁路，以及水路交通运输能力。并且本项目所在地区市场消费能力较强，紧邻北京，河北等经济及工业发达市场。
第一部分 工艺介绍
一、设计工艺描述
本工艺由石油裂解得到的丙烯，丙烯催化氧化制得环氧丙烷，环氧丙烷与二氧化碳催化得碳酸丙烯酯，最终以碳酸丙烯酯为原料，采用工艺成熟的酯交换法制备碳酸二甲酯，同时副产丙二醇。其中碳酸二甲酯年产量为20000吨，丙二醇年产量17400吨。
二、工艺创新
1）在本次设计中换热部分采用了自热式换热器，利用产品碳酸二甲酯的高温给原料回流及侧线回流甲醇加热。
2）本项目自行设计了一套低温余热发电系统，该系统以产品丙二醇为热源进行发电在设计范围内预计年发电量达20万kwh。该项电量将占全厂的25%。
3）设备投资少，工艺更加成熟稳定，投资回报年限短，回报率高。
三、工艺流程详细说明
1、反应工段
甲醇预热汽化后通入精馏塔和液相的碳酸丙烯酯进行如下反应：

应温度72℃，一个大气压。塔底重组分和催化剂经底物回收工段处理可以循环回反应器C-201循环利用。反应后塔顶主要组分为CH4O、C3H6O3、C2H6O、H2O，塔底主要组分为C4H6O3、C3H8O2。

图a 碳酸二甲酯合成工段
2、预分离工段
经过反应器初步分离的塔顶产物经离心泵直接打入塔C-202进行初步分离，操作进料温度为58.43℃、塔底140℃压力1atm，在此温度下甲醇与碳酸二甲酯形成共沸物，且共沸物的沸点较高，此温度下进行精馏。二甲醚在塔顶被蒸出，温度：8℃、压力1atm下模拟流程图如图b所示。

图b 预分离工段
3、精馏段
由塔C-202初步分离得到的塔底甲醇-碳酸二甲酯的共沸物经离心泵加压后温度为67.94℃，压力1.5Mp，在1.5 Mp下操作进料，塔底140℃，进行精馏。模拟流程图如图所示。泵进出口温度为259℃，精馏塔塔顶回流的甲醇温度为154.39℃，组成图c所示。

图c 精馏段
4、催化剂回收
在这部分里，我们主要是进行催化剂的回收及副产物提纯，主要因为催化剂甲醇钠的沸点较高，在精馏过程中被留在塔底，C-201塔底流出物温度190，压力110kPa，直接打入塔C-204进行精馏该过程主要是进行副产物的提纯及催化剂的回收，操作温度压力下副产物1，2-丙二醇被蒸出，催化剂仍然留在塔底参与进一步的精馏。塔底液体直接打入C-205进行回收。

图d 催化剂回收
第二部分 热量集成
通过Aspen plus 软件对整个工艺流程进行全程模拟，并利用Aspen tasc软件对换热部分的流量、能量等进行单独的计算，在设计中利用精馏塔流出的高温物流对循环甲醇和进料物流进行加热，这样不但节省对高温物流冷却所需的冷却水，又节省了对进料物流的加热所用的中压蒸气。另外在设计中利用丙二醇出塔的余热进行发电，预计年发电量达20万kwh。该项电量将占全厂的25%。这样既达到了降低成本的目的，同时也达到了节约能源，绿色化工的目的。在公共部分利用产物热量预热原料，并利用额外部分进行开发了先进的余热发电，合理利用了资源。
第三部分 工厂设计
一、主要设备
根据工艺设计的需要，计算选型了反应器，精馏塔，以及换热器，并设计了自热型预热系统。并完成了泵的选型，校核。开发了预热发电系统。
二、工厂平面布置
依据相关的国家标准，在考虑厂区工人工作环境的安全，原料、产品的运输和下一期扩建预留地的基础上，利用AutoCAD 对工厂进行了平面设计，并用3DS MAX 作了三维效果图。采用sketchup 进行排管，还对每个阀门、弯管、三通等进行了详细设计
第四部分 经济评价
表a 原料及动力
项目
数量
碳酸丙烯酯
23300t
甲醇
14160t
催化剂
100kg
燃料煤
1000t
电
800000kwh
水
4000t
全场定员
63人
总投资
19454.3万元
年净利润
5416.68万元

表b 生产规模
项目
数量
碳酸二甲酯
20000t
丙二醇
17400t
二甲醚
388t
二丙二醇
236t
设备年运行时间
8000h
表c财务指标
项目
数量
投资利润率
31.327%
成本费用利润率
27.386%
投资回收期(所得税后)
5年
全投资净现值
81850.5万元
全投资净现值
158380.5万元
盈亏平衡点
5.212%
第五部分 总结
我们主要完成了工艺路线的比较和选择、Aspen Plus 全流程模拟、Aspen tasc。热量衡算、主要设备设计与选型、工艺流程图（PFD）、带控制点工艺流程图（PID）、全厂布置（AutoCAD、3D）、车间布置（AutoCAD、3D）、布管（sktchup），以及余热发电系统的设计开发。另外我们还完成了可行性分析、公用工程、自动控制、技术安全、防火及工业卫生维修、土建、环保、经营管理、投资及财务估算。详细内容请参见相关文件。

Design Overview
With the continuous development of the world economic level and scientific and cultural level, the synthesis technology of dimethyl carbonate has been extensive attention by chemical industry at home and abroad as a environment-friendly chemical material which meet modern "clean process".The production of dimethyl carbonate was listed as key projects during the Eighth Five-Year Plan and the Ninth Five-Year Plan by China's Ministry of Chemical Industry. The design was about the production of dimethyl carbonate.The item was commissioned by CNOOC Tianjin Branch.The plant site was selected at Tanggu District of Tianjin which geographical location is superior and natural resources is rich.
Dimethyl carbonate was producted by propylene carbonate as material. Propylene carbonate was prepared by propylene which was achieved from the cracking of petroleum.
The selected site is closed to the Bohai Sea ,and oil resources is rich and the traffic is extremely convenient. It has a well-developed surrounding roads, railways, and waterborne transport capacity. There is strong consume market and close to developed economy and industrial market of Beijing and Hebei.
Part Ⅰ Technology Introduction
1、Description of the Design Process
Dimethyl carbonate was prepared using ester-interchange method by propylene carbonate as raw materials.The propylene carbonate was producted by catalytic reaction of propylene oxide and carbon dioxide.The propylene oxide was manufactured by catalytic oxidation reaction of propylene. Dimethyl carbonate has a annual output of 20000 tons and propanediol has a annual output of 17400 tons.
2、Process Innovation
1)Self-heating heat exchanger has been used as the part of heat exchange In this design. and using high-temperature products of dimethyl carbonate to heat raw return Methanol and Lateral line back Methanol.
2)Low-temperature waste heat power generation system has been designed by ourself.The system use propylene glycol-dimensional heat source generating,and Annual generation reached 20000kwh. The electricity accounted for 25% of plant
3)The device is less investment, Process is more mature, the return on investment is short and High rate of return.
三、Process Details
1. Reaction construction section
Methanol and propylene carbonate liquid phase carried out in the distillation column reaction after Preheat vaporization. Reaction is as follows.

Reaction temperature is 72 degrees Celsius,And1 atm. Bottom re-points and the catalyst recycling workshop section through the substrate processing can be recycled back to reactor C-201 recycling. Reaction tower top main group was divided into CH4O,C3H6O3,C2H6O, H2O.Reaction tower bottom main group was divided into C4H6O3,C3H8O2.

Figure a Dimethyl carbonate synthesis workshop section

Figure b pre-separation construction section
2.Pre-separation construction section
Reactor tower products were separated by centrifugal pump directly into the tower C-202, operating feed temperature of 58.43℃, Bottom 140℃, pressure of 1atm, at this temperature the formation of methanol and dimethyl carbonate azeotrope and azeotrope boiling point higher,carried out under this temperature distillation.Dimethyl ether steam out of the top of the tower is with temperature:8 ℃ under the pressure of 1atm simulated flow as shown.
3.Rectification section
Methanol, dimethyl carbonate azeotrope Isolated by Tower C-202.then after pressured by the centrifugal pump in temperature 67.94℃, Pressure 1.5Mp. for distillation. Simulation flow chart shown in Figure 3-11. Pump import and export of temperature of 259 ℃, material composition, such as Table 3-7. The methanol distillation tower reflux temperature 154.39 ℃, the composition shown below.

Figure C distillation section
4.Catalyst Recovery
In this section,We are mainly for catalyst recovery and purification of by-products,
mainly due to the higher boiling point of sodium methoxide catalyst in the distillation process was to stay in the tower bottom, C-201 tower bottom temperature of 190 effluent, pressure 110kPa formed as in Table 3-12, directly into the distillation column C-204 carried out this process is mainly carried out by-product of the purification and catalyst recycling, operating temperature and pressure under the by-product 1,2 - propanediol has been steamed out, the catalyst remained in the tower bottom to participate in further distillation. Bottom fluid directly into the C-205 for recycling.

Figure d catalyst recycling
Part Ⅱ Heat Integration
We simulate the entire process by Aspen plus software, And use Aspen tasc software part of the flow of heat transfer, energy, etc. In the design flow using the high temperature distillation of methanol and the logistics of the feeding cycle logistics heating，This will not only save on the high-temperature cooling water required for cooling the logistics, but also saves on the feed used by the logistics of the heating medium pressure steam，In addition the use of propylene glycol in the design of waste heat to generate electricity out of the tower is expected to an annual generation capacity of 200,000 kwh，The power plant will be accounted for 25%. This will not only achieve the purpose of reducing costs, but also to achieve energy-saving, green chemical purposes. The use of the product in the public part of the heat preheat raw materials, and use of additional parts of the development of advanced waste heat power generation and rational use of resources.
Part Ⅲ Plant Design
1.Major equipment
Process design based on the needs We calculate the selection of the reactor, distillation column, heat exchanger.as well as heat exchanger, and designed self-heat-type preheating system. And completed the pump selection, calibration. A warm-generation systems has developed.
2.Plant Layout
In accordance with relevant national standards, we use AutoCAD to the factory in graphic design, and made a three-dimensional effect with the 3DS MAX map. Using sketchup to calandria, but also for each valve, elbow, tee Etc. have been detailed design. based onconsidering the safety of factory workers and the working environment,raw materials, products,transportation and land reserved for the next phase of the expansion
Part Ⅳ Economic evaluation
Table a production scale
Dimethyl
20000t
Propanediol
17400t
DME
388t
propanediol
236t
2Equipment, annual operating time of
8000h
Table b Raw materials and power
Propylene
23300t
Methanol
14160t
Catalyst
100kg
Fuel coal
1000t
Electric
800000kwh
Water
4000t
Overall Capacity:
62人
Total investment
1,945,430,000
Annual net profit
5,416.680,000
Table c Financial Indicators
ROI
31.327%
Cost margins
27.386%
Payback period (after-tax)
5year
Net present value of all investments
8,185,050,000
Net present value of all investments
158,3805,000
Break-even point
5.212%
Part V Summary
Our main line, completed the process of comparison and choice, Aspen Plus the whole process simulation, Aspen tasc.Heat balance, the main equipment design and selection, process flow diagram (PFD), with a flow chart of control points (PID),
The plant layout (AutoCAD,3D), plant layout (AutoCAD,3D), piping (sktchup), designed and developmented waste heat power generation system In addition, we also completed a feasibility analysis, utility engineering, automatic control, technical security, fire protection and industrial hygiene, maintenance, construction, environmental protection, management, investment and financial estimates. Details please see the relevant documents.

第一章 项目总论
第1章 项目总论
项目可行性研究是通过有关的资料、数据的调查研究，对项目的技术、经济、工程、环境等进行最终论证和分析预测，从而提出项目是否值得投资和如何进行建议的可行性意见，为项目决策审批提供全面的依据。
本次设计是参考中国石油和化学工业协会、国家统计局