【正文】 ............. 36 塔釡傳熱負荷 Qc ................................. 36 冷卻水消耗量 .................................... 37 冷凝器傳熱面積 .................................. 37 再沸器 ............................................ 37 接管尺寸 .......................................... 39 塔頂蒸汽管 ...................................... 39 回流管 .......................................... 39 Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 VI 進料管 .......................................... 40 塔釡出料管 ...................................... 40 離心泵的選擇 ...................................... 40 揚程和流量計算 .................................. 40 泵的選擇 ........................................ 41 文獻參考 ......................................... 42 附 錄 ........................................... 43 附錄一 DMADMF 精餾塔精餾段負荷性能圖 ................ 43 附錄二 DMADMF 精餾塔提餾段負荷性能圖 ................ 44 附錄三 年產(chǎn) 5000 噸二甲基甲酰胺分離工段蒸餾塔工藝流程圖 45 謝 辭 ........................................... 46 Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 概述 DMF 的物理化學(xué)性質(zhì) 二甲基甲酰胺，別名： NN二甲基甲酰胺，英文名 N,NDimethylformamide(DMF),分子式 C3H7NO，分子量 ，熔點 61℃，沸點 ℃，相對密度 ，閃點 ℃，折射率 ，自燃點 445℃。 DMF 易燃、能刺激皮膚、眼睛和粘膜；皮膚在 10mg/kg以上的環(huán)境長期接觸能引起食欲不振，惡心、腹痛，有的還發(fā)生肝胰不舒服癥狀；易吸水，易著火，應(yīng)該存在陰涼、干燥、清潔和通風(fēng)的倉庫中。 DMF 的用途 二甲基甲酰胺對多種高聚物如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺等均為良 好的溶劑，可用于聚丙烯腈纖維等合成纖維的濕紡絲、聚氨酯的合成；用于塑料制膜；也可作去除油漆的脫漆劑；它還能溶解某些低溶解度的顏料，使顏料帶有染料的特點。它對間苯二甲酸和對苯二甲酸的溶解性有良好的選擇性：間苯二甲酸在二甲基甲酰胺中的溶解度大于對苯二甲酸，在二甲酸甲酰胺中進行溶劑萃取或部分結(jié)晶，可將兩者分離。在聚氨酯 行業(yè)中作為洗滌固化劑，主要用于濕法合成革生產(chǎn)；在腈綸行業(yè)中作為溶劑，主要用于腈綸的干法紡絲生產(chǎn)；在電子行業(yè)作為鍍錫零部件的淬火及電路板的清洗等；其它行業(yè)包括危險氣體的載體、藥品結(jié)晶用溶劑、粘合劑等。農(nóng)藥工業(yè)中可用來生產(chǎn)殺蟲脒；醫(yī)藥工業(yè)中可用于合成碘胺嘧啶、強力霉素、可的松、維生素 B碘苷、驅(qū)蟯凈、噻嘧啶、 N甲酰溶肉瘤素、抗瘤氨酸、甲氧芳芥、卞氮芥、環(huán)己亞硝脲、呋氟脲嘧啶、止血環(huán)酸、倍分美松、甲地孕酮、膽維他、撲爾敏、磺胺類藥品的生產(chǎn)。 二甲基甲酰胺主要用作一低揮發(fā)性的溶劑。在制藥工業(yè)中，它也用于制造殺蟲劑、接著劑、人造皮革、纖維、軟片及表面涂裝等。在核磁共振光譜中，二甲基甲酰胺的甲基上的質(zhì)子形成二個單峰，因為在核磁共振的時間尺度中，羰 基碳 氮鍵的旋轉(zhuǎn)速率很慢。酰胺的紅外線光譜中， C=O 帶通常在小于 1700cm1 處，因其 C=O 鍵因為從氮供給氧的電子密度而減弱。 二甲基甲酰胺也被成為“萬能溶劑”，但也有其局限性。另外它可以與水混溶，簡單的回收溶劑方法是很難脫水的，不惜成本的時候，可以用水洗掉，在小試的時候就要考 慮大生產(chǎn)的可行性。 DMF 的工業(yè)現(xiàn)狀 國外生產(chǎn)情況 目前世界 DMF 總生產(chǎn)能力約 270— 290kt/a，主要分布在西歐（ 98kt/a）、美國（ 40—50kt/a）。美國 DMF 產(chǎn)量的 40%左右用作聚丙烯腈紡線的溶劑，其次用于醫(yī)藥、染料、丁二烯抽提。世界上具有競爭能力的地區(qū) 和廠商見表 1。中國 DMF 生產(chǎn)能力在 1kt/a 以上的主要生產(chǎn)廠家見表 鐵嶺化工廠、衙化集團、湖南衡陽有機合在化工廠等生產(chǎn)能力分別為 500、 800、 500t/a。該方法中使用的甲酸，生產(chǎn)中是采用一氧化碳和氫Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 氧化鈉反應(yīng)，形成甲酸鈉，然后經(jīng)稀硫酸酸化得甲酸。國內(nèi)絕大部分廠家采用此方法，技術(shù)裝備落后，生產(chǎn)規(guī)模小，且產(chǎn)品質(zhì)量差，不能符合使用廠家的要求。 CO 一步法 以甲醇鈉為催化劑，將二甲胺和一氧化碳直接合成 DMF。 用無水二甲胺、 C0 為原料，以甲醇納 為催化劑 ，在 50～ 100℃和 2Mpa 下，直接合成粗產(chǎn)品 DMF，然后經(jīng)過濾除去催化劑，送入蒸發(fā)器汽化，再經(jīng)精餾塔精 制得到產(chǎn)品 DMF。該法具有流程簡單，原料易得，反應(yīng)無水操作，反應(yīng)產(chǎn)品不需要水分離，產(chǎn)品純度高，能耗低，生產(chǎn)工藝緊湊，工藝技術(shù)先進，并適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，缺點是設(shè)備一次性投資較大。 三氯乙醛與二甲胺合成法 此法是指由二甲胺與三氯乙醛反應(yīng)制得 DMF。 比較上述各種 DMF生產(chǎn)工藝，一步法工藝最為先進。如果該裝置建在合成氨廠，可利用合成車間精煉弛放氣獲得 CO 原料氣，產(chǎn)品成本低，質(zhì)量高，可大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)。 表 13 工藝技術(shù)的比較 生產(chǎn)方法 優(yōu)點 缺點 Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 甲酸酯化二步法 ________ 成本較高 , 技術(shù)裝備落后，生產(chǎn)規(guī)模小，且產(chǎn)品質(zhì)量差 甲醇脫氫二步法 ________ 成本較高 CO一步 法 原料成本樣低，產(chǎn)品純度高，適宜于大規(guī)模的生產(chǎn) 設(shè)備一次性投資較大 三氯乙醛與二甲胺合成法 同時得到 DMF和氯仿兩種產(chǎn)品 生產(chǎn)成本高，腐蝕嚴重 因此 ,本設(shè)計采用 CO 一步法生產(chǎn)二甲基甲酰胺的方法流程簡單，原料易得，反應(yīng)無水操作，反應(yīng)產(chǎn)品不需要水分離，產(chǎn)品純度高，能耗低，生產(chǎn)工藝緊湊，工藝技術(shù)先進，并適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點 ??3 。由于中國國內(nèi)快速發(fā)展的市場，尤其是聚氨酯漿料行業(yè)的強勁發(fā)展，推動國內(nèi)二甲基甲酰胺的需求，因此市場未來發(fā)展充滿了機遇和挑戰(zhàn) ??4 。目前國內(nèi)市場 DMF需求 20多萬 t，新增產(chǎn)能必將占有部分市場，這勢必造成產(chǎn)品價格下滑，出現(xiàn) DMF 價格戰(zhàn)， 從而淘汰部分廠家。 國內(nèi)外廠家都看好大陸市場，國內(nèi)市場競爭 必激烈，為盡量減少在國內(nèi)市場中的損失，積極開拓國際市場，增加 DMF 產(chǎn)品出口最，將是國內(nèi) DMF 生產(chǎn)企業(yè)的一種很好的出路。但是從 2020 年開始，聚氨酯漿料行業(yè)異軍突起，成為 DMF 的主要消費大戶，從而帶動 DMF行業(yè)的發(fā)展。 隨著人們環(huán)保意識的增強，國際社會對化工生產(chǎn)溶劑的監(jiān)管臼益嚴格， DMF 作為溶劑對環(huán)境有一定副作用，因而受到環(huán)保的嚴峻挑戰(zhàn)。 綜上所述，目前我國 DMF 的產(chǎn)能 (包括 2020 年即將投產(chǎn)的 )已經(jīng)滿足目前國內(nèi)的需求Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 量，再加進口的 部分 DMF 產(chǎn)品，我國 DMF 供應(yīng)將會大于需求，而且在短時間內(nèi)不會改變，因此今后 DMF行業(yè)競爭勢必激烈。 設(shè)計方法 本設(shè)計在給定的已知條件下采用逐板計算法 ,設(shè)計出符合要求的篩板式連續(xù)精餾塔。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過濾除去催化劑后，送入蒸發(fā)器。 具體工藝過程為： 將無水二甲胺與溶于甲醇的催化劑甲醇鈉，一起強制 、連續(xù)加人環(huán)型反應(yīng)器，同時用噴射泵將一氧化碳打人反應(yīng)器，控制反 應(yīng)溫度 ll0— 150℃，壓力 1． 52 MPa，反應(yīng)進行很快，少部分反應(yīng)生成物經(jīng)冷卻器冷卻后導(dǎo)人一氧化碳噴射泵重新返回反應(yīng)器。用過的催化劑甲醇鈉經(jīng)分離提濃之后，返回反Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 應(yīng)器重復(fù)使用，此反應(yīng)過程中無水生成，可得到無水產(chǎn)品。近年來 日本日東公司在催化劑方面做了大量研究，并取得突破性進展，據(jù)介紹，在甲醇鈉溶液中加人適量的助催化劑，可使其對原料一氧化碳等不至于有太高的凈化要求，加入該助催化劑后，可直接用水煤氣或半水煤氣做原料。 一步法生產(chǎn)工藝的原料成本較低，產(chǎn)品純度高，生產(chǎn)工藝緊湊，國外一步法生產(chǎn)工藝合成壓力一般在 15 MPa 下操作，其產(chǎn)品純度可達 99． 9％，并適合于大規(guī)模生產(chǎn)，這樣生產(chǎn)成本比較低，裝置競爭能力較強，因此世界上大部分企業(yè)采用該法生產(chǎn)，我國浙江江山、安徽淮南化肥廠和揚巴一體化幾套大型 DMF 裝置均采用引進 CO 一步法技術(shù)建設(shè)。 圖 11 本設(shè)計流程示意圖 操作條件的確定 塔頂壓力 約 2MPa 進料熱狀況 下邊確定 回流比 計算中求得 單板壓降 P? = Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 塔板類型的選取 二甲基甲酰胺不是易結(jié)焦、粘度大的物料，且篩板塔結(jié)果簡單， 造價低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高，在確保精確設(shè)計和先進控制手段前提下宜用篩板塔。 加熱方式的選擇 采用間接加熱，再設(shè)置再沸器 Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 2 精餾塔的工藝計算 在 本設(shè)計中，二甲胺含量≥ 98%，回 收率為 99%，轉(zhuǎn)化率為 85%，二甲基甲酰胺含量≥99%，回收率為 98%，年產(chǎn)量為 5000 噸 /年，由此可計算出二甲基甲酰胺的流量 V。= =未反應(yīng)的二甲胺的量 n39。=?= 物料在進入 DMF 分離塔之前，需要先進入甲醇分離塔，把甲醇分離出來，故在 DMF 分離塔中，可忽略物料中還含有的微量的甲醇。 二甲胺和二甲基甲酰胺的飽和蒸汽壓可用 Antoine 方程求算 Antoine 方程 log P176。 / KPa PB176。 s μ LB/ mPa = =F=D+W FXF =DXD +WXW 聯(lián)立上式，得 D= kmol/h W= 平均相對揮發(fā)度的計算 揮發(fā)度計算公式 α = ??BAPP 表 28 平均相對揮發(fā)度 溫度 t/℃ ?AP / KPa ?BP /KPa 相對揮發(fā)度α 7 153 平均相對揮發(fā)度α = 氣液平衡方程 Y=1)X(1 X??? = .1242X1? Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 14 最小回流比 Rm和適宜回流比 R 的確定 y=1)(qqX 1)(qXF y=1)X(1 X??? = .1242X1? 本設(shè)計是泡點進料， q=1， Xq=XF = Yq= Rmin=qqqD XY YX = = 適宜回流比 R= = 精餾段操作線方程 Y 1n? = 1RRXn? + 1RXD? = + 提留段操作線方程 Y 1m? =WFL )XF(L q mq?? WFLWXq W?= 由于 q=1 L=RD= 確定理論板數(shù)及進料口位置 逐板法 Y= ? Y 1n? = + 塔頂采用全凝器 Y1 =XD = 通過上兩式可求得 X1 = Y2 = 同理可得： 項目 數(shù)據(jù) 項目 數(shù)據(jù) 項目 數(shù)據(jù) 項目 數(shù)據(jù) X2 Y3 X3 Y4 X4 Y5 X5 Y6 Xx學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 15 X6 Y7 X7 Y8 X8 Y9 X9 Y10 X10 Y11 X11 Y12 X12 Y13 X13 Y14 X14 Y15 X15 Y16 X16 Y17 X17 Y18 X18 Y19 X19 Y20 X20 Y21 X21 Y22 X22 Y23 X23 Y24 X24 =XF = 故精餾段理論板數(shù)為 (241)=23 塊 ,進料位置在第 24 塊板上 Y= ? Y 1m? = X39。= X2 39。 X3 39。 X4 39。 X5 39。 X6 39。 X7 39。 X8 39。 X9 39。 X10 39。 X11 39。 X12 39。 X13 39。 X14 39。 X15 39。 X16 39