年产15万吨碳酸二甲酯化工厂的设计.docx
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年产15万吨碳酸二甲酯化工厂的设计
摘要
通过分析国内外碳酸二甲酯生产工艺的现状，采用尿素醇解法来生产碳酸二甲酯，针对目前生产工艺中存在的几个难点问题进行工艺的改进，采用Aspen软件对年产1.5万吨碳酸二甲酯生产工艺进行了模拟计算，经过改进后的生产工艺可使碳酸二甲酯的纯度达到99.8%，通过分析目前市场行情估算整个项目的经济投资，通过Aspen软件对整个流程进行物料衡算，热量衡算，设备的计算等。
关键词：
碳酸二甲酯；尿素醇解法；生产工艺；Aspen软件；经济分析；
Abstract:
AnalyseDMCproductiontechnologyathomeandabroad,usingUreaalcoholysistoproduceDMC.Toimprovetechnologytosolvesomepromblewhichexistpresently.UsingAspensoftwaretosimulatetechnologyflowofDMC.Aftertheproductiontechnololy’sameliorate,theDMCcontentisreachat99.8%.Estimateeconomyofthewholeprojectthroughmarketanalysis.UsingAspensoftwaretogetmaterialbalance,heatbalanceandequipmentdataetc.
Keywords:
DMC;Ureaalcoholysis;Productiontechnology;Aspensoftware;Economyanalysis
附图一：
带控制点工艺流程图
附图二：
反应精馏塔装置图
附图三：
萃取精馏塔装置图
附图四：
尿素熔融装置图
附图五：
换热器装置图
附图六：
总厂平面图
1总论
1.1碳酸二甲酯的性质和用途
碳酸二甲酯（DimethylCarbonate，简称DMC）：
化学式CH3OCOOCH3，分子量为90.08，常温下为透明液体，略带香味。
难溶于水，但能与醇、酮、酯等任意比混溶。
DMC毒性很小，对金属基本上无腐蚀性。
DMC具有酯的通性，可与水发生水解反应；可与含活泼氢基团的醇、酚、胺、酯等化合物反应；与二元醇或二元酚反应生成聚碳酸酯。
DMC分子中含有羰基、甲基、甲氧基等基团，具有良好的反应性能［1-3］，可代替剧毒的光气、硫酸二甲酯、氯甲烷等作为羰基化剂、甲基化剂和甲氧基化剂，成为开发一系列洁净化工工艺的新基块。
1.2碳酸二甲酯的市场分析
1.2.1国外产能情况及需求预测
国外生产DMC的企业大约有十几家，其中规模较大的有意大利ENI公司［4-8］。
目前世界DMC的生产能力约130kt/a,年产量不足100kt,主要分布在美国、法国、意大利、日本等国。
国外的DMC消费情况是50%-60%用于取代剧毒的光气，制造聚碳酸酯、西维因、呋喃丹、苯甲醚等，20%-30%用于制造环丙沙星等特殊用途的新产品，其余10%-20%用作溶剂。
1.2.2国内产能情况及需求预测
我国目前DMC生产企业有10余家，生产能力均不大。
近几年来，由于DMC下游产品——聚碳酸酯、聚氨酯、涂料溶剂、汽油添加剂、高能电池电解液市场发展迅速，带动了DMC市场需求量的走高，2005年,DMC国际市场需求量约13万吨，国内为3～4万吨。
预计国内外DMC的需求将以10～20％的速度递增，到2010年国内需求量将达10万吨以上，国外将达到20～30万吨。
1.2.3厂址选择
本项目厂址选择在山东省潍坊寿光市经济开发区的科技工业园内。
寿光开发区先后与美国、日本、韩国、澳大利亚、台湾、香港等20多个国家和地区的客商建立了稳固的合作关系，新批进区项目75个，项目投入7.2亿元，区内工业企业231家。
天成食品有限公司、华源凯马冲压中心、富康制药厂、墨龙集团等先后进区落户。
形成了以盐化工、生物医药、石油机械、服装、印染、食品加工为主体的工业体系。
为鼓励更多的客商投资，寿光经济开发区规划建设了新城创业园、科技工业园两大园区［9-11］。
2碳酸二甲酯生产工艺
2.1工艺方案的选择
目前国内外生产碳酸二甲酯的方法主要有光气甲醇法、光气醇钠法、甲醇酯交换法、二氧化碳直接合成法、尿素直接醇解法、尿素间接醇解法以及甲醇氧化羰基法。
通过对国内外工艺的比较可知，尿素直接醇解法有如下特点：
（1）原料廉价易得；
（2）工艺简单，易于操作；（3）反应产生的氨气可以回收利用，对环境友好，绿色无污染；（4）反应过程无水生产，避免了甲醇-DMC-水复杂体系的分离问题，使后续分离提纯简单化，节省投资。
（5）虽然反应第二步中G>0，在热力学［12-20］上为非自发反应，但可以通过提高温度，增大压强来提高其转化率。
由实验可知反应温度在185℃，压力1.2MPa时，尿素和甲醇在反应精馏塔中反应，在此条件下尿素的转化率可以达到100%，碳酸二甲酯的选择性大于98%，DMC的单程收率大于50%。
2.2碳酸二甲酯生产工艺
2.2.1反应流程
图2-1为其流程示意图：
1-反应精馏塔；2-共沸精馏塔；3-换热器；4-膜分离器；5-冷凝器；
6-萃取精馏塔；7-萃取剂回收塔；8-DMC精制塔；9-甲醇精制塔。
图2-1工艺流程示意图
流程简介：
在1号为反应精馏塔，尿素和甲醇分别以熔融和气相状态从反应精馏塔的上端和下端进入塔内。
两者在塔内的固定床上逆流接触产生反应，其中未反应的部分在塔底列管式反应器上继续发生反应；反应精馏塔可以将反应产生的DMC精馏出去，因此可以打破反应的平衡从而提高反应转化率，增加其收率；反应精馏塔上端为一个全凝器，在全凝器上端可采出氨气，下端采出口采出的DMC和甲醇混合物经过2号共沸精馏塔，塔顶采出DMC和甲醇的共沸物，塔底采出交纯的甲醇，共沸物再经过4号膜分离器再次提浓，打破DMC和甲醇的二元共沸点，此时DMC的浓度可达40%，再经过分离车间提纯。
6号为萃取精馏塔，采用邻二甲苯为萃取剂，使用萃取精馏的方法分离甲醇和DMC可以大大降低其能耗。
萃取精馏得到的产物再经过7号萃取剂回收塔和8号DMC精制塔最后得到含量为99.9%的DMC产品。
注：
具体工艺流程图见附图一。
2.2.2反应条件及能耗
催化剂:
双金属催化剂ZnO-La2O3，用量占尿素质量的27%；
反应原料:
甲醇尿素15.85:
1进料；
反应条件:
185℃，1.2MPa；
反应工艺:
反应精馏（采用热耦合工艺）；
分离工艺:
膜分离，常压萃取精馏分离；
尿素单耗：
695.68kg/tDMC；
甲醇单耗：
754.56kg/tDMC；
能耗:
3t水蒸气/tDMC。
2.2.3反应主要设备
尿素醇解法生产碳酸二甲酯反应精馏塔，萃取精馏塔，膜分离器，精馏塔。
2.2.4催化剂的比较与选择
通过比较与分析ZnO2-La2O3催化剂用于乙醇脱氢法生产有如下特点：
（1）ZnO2-La2O3价格相比与有机锡便宜，并且容易与产品分离，分离后的ZnO2-La2O3可以再次烘培可以重复利用；
（2）催化剂不含有毒元素；
（3）副产物少，但有氨基甲酸甲酯和氨甲酸甲酯，容易分离；
（4）转化率低于均相催化，但可以通过简单的焙烧循环使用；
因此，我们选择ZnO2-La2O3催化剂作为尿素醇解法的催化剂。
2.2.5膜的要求
分离膜是具有优先透过碳酸二甲酯性能的有机复合膜、有机/无机复合膜或无机膜。
优先透酯膜和优先透水膜都采用有机硅聚合物中聚二甲基硅氧烷（PDMS），可置于ZrO2/Al2O3陶瓷支撑体上，具有较好的选择性和通过量。
2.2.6膜的选择
由于在反应过程中为反应掉的甲醇与尿素形成二元共沸物，如果直接使用精馏塔来分离将大大增加其分离成本，所以我们选择膜分离器来提浓跨过二元共沸物的共沸点，在用精馏塔将其提纯。
2.2.6.1膜的分离原理
膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，当溶液或混和气体与膜接触时，在压力，或电场作用，或温差作用下，某些物质可以透过膜，而另些物质则被选择性的拦截，从而使溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离，这种分离是分子级的分离。
分离机理主要为筛分：
膜表面有微孔，流体流经膜一侧的表面时，部分较小的分子随部分溶剂穿过膜到达另一侧，形成透析液，而大分子则被截留在原来的一侧，形成截留液，从而达到了将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。
2.2.6.2优先透酯膜－Kristal™高分子中空纤维膜
表2-1 Kristal™高分子中空纤维膜的规格
名称
规格
KRISTAL﹡膜型号
600B
材料
改性聚醚砜
外径/内径/膜壁厚度（㎜）
1.15/0.6/0.27
公称截留分子量
60，000
拉伸强度（MPa）
3~4
纤维长度
2m（根据应用而定）﹡
递送包装
800束
大肠杆菌截留率（log）
5~6
最大总氯耐受量（ppm）
500
﹡（视用途而定） ﹡APHA9222B
表2-2 Kristal™高分子中空纤维膜组件的规格
名称
规格
KRISTAL﹡膜型号
600B
膜型号
600B
组件 直径×长度
8by2m
膜壳材料
PVC
密封材料
凯发专利密封材料
操作温度范围
5～40℃
流动模式
外压式
纯水初始通量立方米/膜组/小时（＠1bar,30℃）
9
运行PH范围
2～11
清洗PH范围
2～12
常用跨膜压力TMP（bar）
0.2～2.3
25℃下最大入水压力（bar）
2.6
反冲洗最大跨膜压力TMP（bar）
2.6
清洗最大跨膜压力TMP（bar）
2.5
重量（Kg）
55
﹡1米长度组件可订制
2.2.6.3甲醇、碳酸二甲酯分离膜－InoCep陶瓷中空纤维膜
InoCep是以稳定无机材质为膜材质，以最具集约化的中空纤维为组件形式，膜组件装填密度大，密封简单，过滤精度高。
具有抗酸/碱、抗溶剂、卓越的热稳定性、超长的使用寿命、高机械强度、可用蒸气杀菌、高通量、高组装密度等特点。
特别适合于乳化液废水等高粘度、高含固量苛刻工业流体的分离应用，目前已在金属/表面处理工程，化学工程工业，食品和饮料/制糖业，废物/废水处理，工业过程中的化学品回用，生物制药/生命科学，乳业等行业得到广泛应用。
表2-3InoCep陶瓷中空纤维膜组件的规格
型号/规格
MM5
膜表面极性
无极性
有效膜面积（m2）
5
膜芯长度（mm）
560
膜芯直径（mm）
260
纤维数量
1800
最大操作压力（bar）
6
运行温度（℃）
－5～110
适用PH范围
1.5～11
过滤形式
内压式
膜壳材料
SS316
进水连接尺寸
8
出水连接尺寸
1.5
密封材料
硅胶圈
净重kg
28
膜内纯水流速（m/s）
0.5
设计进水流量（m3/h）
42
2.2.7流程特色
碳酸二甲酯的生产一直存在原料剧毒，生产成本高，操作工艺复杂，分离困难等限制其发展的诸多问题。
本流程采用尿素和甲醇直接醇解法合成碳酸二甲酯降低原料的成本，减少投资，且生产过成中无水生成，降低了分离的难度；通过使用反应精馏塔，设备结构紧凑，布局适合尿素和甲醇合成碳酸二甲酯的生产，反应转化率高，生产过程安全易控，操作方便，使生产流程更为简捷。
通过使用蒸气渗透膜分离技术，不需要引入共沸剂。
分离采用萃取精馏分离得到最优级产品，分离工艺简单易控。
通过使用双金属ZnO-La2O3提高转化率和选择性，提高原子利用率，降低生产成本。
3投资与经济分析
3.1总投资
3.1.1总设备投资费用计算
根据生产发展的需求［21-24］，可以得到所需要的所有设备主要有一下这些，将他们价格列表如下所示：
表3-1设备投资费用一栏表
设备名称及技术规格
型号、规格
数量
单价/万元
总计/万元
共沸塔
DN1400×18000
1
27.066
27.066
甲醇精馏塔
DN2000×10000
1
24.621
24.621
萃取精馏塔
DN1600×25000
1
60.312
60.312
萃取剂回收塔
DN1600×25000
1
23.752
23.752
DMC精馏塔
DN1000×18000
1
8.353
8.353
尿素熔融器
1
30.400
30.400
反应精馏塔
DN1200×36000
1
239.807
239.807
氨气吸收塔
DN1500×18000
1
31.212
31.212
换热器
JB800-125.0-1.60-4
2
5.625
11.25
JB400-28.4-0.6-2
1
1.278
1.278
JB1000-301.5-1.60-6
1
13.567
13.567
JB900-246.4-1.00-4
2
11.088
22.176
JB800-189.6-2.50-4
2
8.532
17.064
JB800-138.0-0.60-1
1
6.210
6.210
JB600-94.5-1.6-6
1
4.253
4.253
JB500-58.3-1.6-4
1
2.623
2.623
JB600-64.0-1.6-4
2
2.880
5.76
JB600-109.3-1.6-2
1
4.918
4.918
JB800-134.3-1.0-2
1
6.044
6.044
JB400-25.3-0.6-3
1
1.138
1.138
JB400-38.3-0.6-4
1
1.724
1.724
压缩机
ZW-26.4/30
1
11.800
11.800
6M5.5-35.8/30
1
17.840
17.840
ZW-30.5/12
1
11.400
11.400
甲醇储罐
φ10000球
1
113.114
113.114
氨水储罐
φ11000球
1
136.818
136.818
储罐
φ3000×5000
2
57.004
114.008
粗甲醇储罐
φ10000球
1
113.114
113.114
回流罐
φ3000×5000
6
57.004
342.024
DMC储罐
φ10000球
1
113.114
113.114
离心泵
IS65-40-250
4
0.392
1.568
IS80-50-200
1
0.383
0.383
IS200-150-315
1
1.319
1.319
IS200-150-250
1
1.040
1.040
IS100-80-160
1
0.640
0.640
IS80-50-250
2
1.024
2.048
IS50-32-125
2
0.333
0.666
IS65-40-200
1
0.290
0.290
IS50-32-200
1
0.205
0.205
IS50-32-160
2
0.190
0.380
总计
1525.299
注：
中低压碳钢以18000/t计，高压碳钢以20000/t计。
3.1.2其它固定资产投资
表3-2其它固定资产投资表
要素
成本/万元
要素
成本/万元
设备安装
686.385
车辆
170
仪表
228.795
办公设备
200
仪表安装
102.958
其他建筑
680
管道
213
厂区建筑
500
道路
185
行政、生活设施
280
其他
250万元
小结
3496.138万元
注：
设备的安装费为该设备的45%；控制仪表费为15%。
3.1.3固定资产折旧费
固定资产折旧率与服务寿命和残值有关，服务寿命是指该资产能够经济合理使用的时间，在估计服务寿命时间应同时考虑到功能性折旧与实质性折旧。
一般房屋建筑物的使用年限为20年，而机器设备为15年，运输其中设备包括电子设备为5年。
残值是指固定资产报废时的残余价值。
一般，残值=残值率×原值，残值率一般取3%-5%，这里残值率取4%，则每年的折旧费用为原值×（1-残值率）/折旧年限。
表3-3 折旧与摊销表
序号
项目
原值/万元
残值率/%
设备残值率/万元
折旧年限
折旧（万元/年）
1
生产设备
1525.299
4
61.012
15
112.637
2
建筑
1180
4
47.2
20
56.64
3
车辆
170
4
6.8
10
16.32
4
办公设备
200
4
8
15
12.8
5
其他
250
4
10
15
16
5
累计折旧
214.398
3.1.4维修费用
在生产过程中，不可避免地会出现故障，需要定期检修，一般维修费用占固定资本的3~10%，我们取5%，故维修费用=5%×（1525.299+3496.138）万=251.072万元。
3.1.5原料费用
表3-4 原料费用表
成本项目
用量/吨
单价/元/吨
总价/万元
甲醇
11653.2
2200
2563.66
尿素
10436.04
1520
1586.277
邻二甲苯
28.5225
7000
19.965
ZnO-La2O3
0.3915
20000
0.783
合计
4170.729
3.1.6人事费用
表3-5部门人员和工资费用表
序号
岗位名称
定员
工资（含年终奖金）/（万/年）
1
总经理
1
15
2
总经理助理
1
12
3
总工程师
1
12
4
副总经理
1
10
5
客户
服务部
经理
1
6
职员
2
6
6
人力
资源部
经理
1
6
职员
2
6
7
财务部
经理
1
8
职员
4
12
8
后勤部
主管
1
6
后勤
保安
6
12
厨师
4
12
保洁
3
6
9
销售部
经理
1
6
职员
10
25
10
市场部
经理
1
6
职员
2
6
11
物流部
经理
1
6
职员
2
6
12
企宣部
经理
1
6
职员
2
6
13
生产部
经理
1
6
合成
车间
工艺员
1
4
操作工
6
15
提浓车间
工艺员
1
4
操作工
6
15
精制车间
工艺员
1
4
操作工
6
15
公用工程人员
4
10
储运人员
8
20
监测员
4
12
维修中心人员
8
20
14
质检部
经理
1
6
职员
4
12
15
产品
研发部
经理
1
6
研发人员
8
32
16
合计
109
375
表3-6员工福利估计表
序号
类别
占技术工工资总额比例
小计（万元）
1
养老保险金
10%
37.500
2
失业保险金
1.5%
5.625
3
医疗保险金
5%
18.750
4
生育保险
0.5%
1.875
5
工伤保险
1.5%
5.625
6
住房公积金
4%
15.000
7
总计
22.5%
84.375
3.1.7能源的消耗
在该厂生产过程中，总共用到两种能量的消耗，主要是水和电，他们的用量与价格见下表：
表3-7能量的消耗
项目
年用量
单价
总价（万元）
生活用水
7128吨
1.3/t
0.93
循环冷却水
63000吨
0.2/t
1.26
蒸气
45000吨
100/t
450
电
855万Kw×hr
0.6元/kW×hr
513
总计
964.5
3.1.8无形资产
3.1.8.1技术转让费
该项目中设计涉及到的专利转让费估计为200万元。
3.1.8.2土地购置费
根据我们的厂区设计可以得到我们厂区的面积为25200平方米。
同时又由于我们的厂址所在地的地价为15元/立方米，因此可知该项目工厂的土地购置费为378万元。
3.1.9总投资费用
表3-8总投资费用表
总投资
要素
成本/万元
固定资产投资
主要设备
1525.299
其它固定资产投资
3496.138
无形资产投资
技术转让费
200.000
土地购置费
378.000
其他费用
固定资产折旧费
214.398
维修费用
251.072
原料费用
4170.729
人事费用
459.375
能源的消耗
964.5
“三废”处理费
4.500
总计
11664.011
3.2总收益估算
项目收益主要为产品碳酸二甲酯和副产品氨水。
表3-9产品收益表
产品
产量/吨
价格/（元/吨）
收益/万元
碳酸二甲酯
15000
7000
10500.000
氨水
34402.5
650
2236.163
总计
12736.163
3.2.1投资额的确定
一般化工项目的资金回拢期为3个月，即流动资金一般取一年成本的25%，达产期年成产成本为7615.854万元，即可得到流动资金为1903.964万元。
表3-10投资额的确定
项目
金额（万元）
成本
7615.854
固定资产投资
5021.437
流动资金
1903.964
总投资额
6925.177
注：
总投资额=固定资产投资额+流动资金。
3.3资金筹措
本工厂的总投资约为6925万元，资金筹措方案为向中国工商银行贷款3000万元，借款偿还期为5年。
剩下的3925万由企业自有资金注入。
3.4经济分析
3.4.1投资回收期
Pt=5.04年
3.4.2投资净现值
NPV=8429.502（万元）
3.4.3内部收益率
IRR=24.54%
4物料衡算
4.1流程简述
本厂主要生产碳酸二甲酯（1.5万吨/年），同时副产氨水。
由尿素和甲醇为原料，在反应精馏塔内反应。
从塔顶采出碳酸二甲酯和甲醇的共沸物，经过膜分离器提浓跨过共沸点，产物通过萃取精馏塔，两个碳酸二甲酯精馏塔，最终生产纯度为99.9%碳酸二甲酯。
整个生产工艺包括碳酸二甲酯的合成以及产品的分离精制两个阶段。
4.2碳酸二甲酯合成及分离工段
尿素和甲醇为原料，经反应精馏塔一步反应直接得到碳酸二甲酯和氨气，氨气从反应精馏塔塔顶馏出，产物依次通过共沸精馏塔、膜分离器、萃取精馏塔、在经过碳酸二甲酯精制精馏塔，最终生产纯度为99.9%的DMC。
流程如图4-1所示。
图4-1 碳酸二甲酯合成及分离工段流程模拟图
4.3反应精馏塔物料衡算
表4-1 反应精馏塔物料衡算表
StreamNo.
IN
OUT
1
NH3
DMC-MEOH
Ph
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