年产10万吨聚碳酸酯化工厂初步设计毕业论文.doc
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1、III 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂初步设计 目 录 1 概述.1 1.1 设计依据.1 1.1.1 课题背景1 1.1.2 我国聚碳酸酯产业现状1 1.1.3 国际聚碳酸酯需求概况2 1.2 设计依据.3 1.3 设计原则.3 1.4 设计任务.3 1.5 劳动安全卫生4 2 工艺设计.5 2.1 工艺流程设计.5 2.1.1 工艺流程设计的重要性.5 2.1.2 工艺流程设计的原则.5 2.1.3 工艺流程选择分析与研究.5 2.1.4 工艺流程设计.6 2.1.5 生产工艺流程叙述7 2.1.6 工艺流程设计参数8 2.2 工艺计算.8 2.2.1 物料衡算8 2.2.2 热量衡算14
2、 3 工艺计算与设备选型.18 3.1 塔的工艺与选型18 3.1.1 T101.18 3.1.2 最小回流比的计算19 3.1.3 全塔理论塔板数20 3.1.4 精馏段理论塔板数.21 3.1.5 板效率及实际塔板数22 3.1.6 塔和塔板主要工艺尺寸计算22 3.1.7 塔板负荷性能方程26 IV 3.3 气流干燥器的工艺计算与选型31 3.4 过滤设备的工艺计算与选型35 4 设备型号一览表.38 4.1 泵的选择38 4.2 容器、罐的选择39 4.3 冷凝器、再沸器的选择.40 5 厂制和厂址选择42 5.1 厂制概况.42 5.1.1 工厂组织42 5.1.2 工作制度42 5
3、.1.3 人员配备42 5.2 厂址选择.43 5.2.1 建厂依据.43 5.2.2 指导方针.43 5.2.3 选厂经过.43 6 全厂总平面设计.44 6.1 总平面设计任务和步骤.44 6.1.1 总平面设计任务44 6.1.2 工厂组织44 6.2 总平面设计原则.44 6.3 总平面布置评述.45 7 公用工程和辅助设计方案.47 8 设计结果.51 8.1 设计成果.51 8.2 图纸及比例.51 总 结.52 致 谢.53 参 考 文 献.54 1 1 概述 1.1 设计依据 1.1.1 课题背景 聚碳酸酯(简称)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,根据酯基的结构可分为脂 肪
4、族、芳香族、脂肪族芳香族等多种类型。其中由于脂肪族和脂肪族芳香族聚碳酸酯的机械性 能较低,从而限制了其在工程塑料方面的应用。目前仅有芳香族聚碳酸酯获的了工业化生产。聚碳 酸酯是一种性能优异的通用工程塑料,自问世以来迅速在发达国家形成产业化生产,且技术持续发 展,装置规模不断扩大。由于聚碳酸酯光学透明性好、抗冲击强度高,并具有优良的热稳定性、耐 蠕变性、抗寒性、电绝缘性和阻燃性等特点,使之在透明建筑板材、电子电器、光盘媒介、汽车工 业等领域得到广泛应用。聚碳酸酯的应用开发是向高复合、高功能、专用化、系列化方向发展,目 前已推出了光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多种产品各自专用
5、的品级牌 号。我国在聚碳酸酯研发上虽起步较早,先后有不少企业进行研发生产,但由于工艺技术落后、生 产装置规模较小、产能低、产品质量差,目前仅剩一家企业维持生产,国内市场所需的聚碳酸酯不 得不大量依赖进口。因此,大力加强聚碳酸酯研发,加速实现其规模产业化,已成为国家的重要战 略需求。我国聚碳酸酯长期依赖国外进口,2000 年进口量为 23 万吨,到 2008 年增至 101.7 万吨, 增长了近 4 倍,2008 年国内聚碳酸酯的表观消费量接近 80 万吨,未来几年将保持 10-15%的增长率。 中国聚碳酸酯的产能仅为 26 万吨,而且绝大部分为合资或独资企业,对外依存度非常高。对我国 聚碳酸酯
6、生产企业来讲,加快技术进步已刻不容缓。 1.1.2 聚碳酸酯产业的现状 由于世界金融市场处于混乱状态,2009 年亚洲双酚 A(BPA)市场,将继续面临困难时期的挑战, 除非经济走势上行,来自下游环氧树脂和聚碳酸酯(PC)工业的需求才会稍有提升。一家亚洲贸易商 于表示,要使双酚 A(BPA)市场上扬,至少在今后 6 个月以后。随着双酚 A(BPA)现货的急剧下滑, 该工业处于不景气状态。截至 2008 年 12 月,双酚 A(BPA)价格与当年 7 月相比、下降了近 40%。由 于全球金融市场恶化和经济衰退带来的影响,来自聚碳酸酯(PC)和环氧树脂工业需求的疲软,而导 致双酚 A(BPA)市场
7、的不振,将可能会持续到年底。虽然新的环氧树脂和聚碳酸酯(PC),生产装置 已于 2008 年投运,但经济的下行趋势和竞争的加剧,已大大挤压了一些公司的边际利润,迫使一 些生产商降低开工率或延长装置停工期。双酚 A(BPA)发展在 2008 年也受到一些负面的影响,来自 与双酚 A(BPA)接触的健康危害的争论,已促使一些国家如加拿大在食品容器应用中禁用这种化学 品。鉴于终端用户减少购买量,亚洲地区一些双酚 A(BPA)生产商纷纷降低开工率,以减少这种高 成本材料不断增多的库存。中国大多数环氧树脂装置,目前开工率都在 5060%。中国石化集团公 2 司-三井化学公司合资的,10 万吨/年双酚 A
8、(BPA)装置于 2008 年 12 月投产后,又使该地区新增了 供应量,预计双酚 A(BPA)价格一度会下跌至底线。另外贸易商和终端用户的调查指出,如果需求 继续疲软,则对双酚 A(BPA)价格的支撑会很小。2009 年也会出现一些新的贸易动向,中国与东南 亚国家联盟(ASEAN)成员国之间的自由贸易协定(FTA)将实施,按照新的法则,双酚 A(BPA)从 ASEAN 出口将执行零关税。东南亚国家联盟(ASEAN)有 2 家主要的双酚 A(BPA)生产商:拜耳公司在泰国拥 有 16 万吨/年装置,三井化学公司在新加坡拥有 23 万吨/年装置。 1.1.3 聚碳酸酯市场需求概况 20 世纪末,
9、世界聚碳酸酯的产量约 114 万吨,聚碳酸酯按功能特性分为一系列品级,如通用 级、透明级、医药食品级等。各品级又可进一步细分为更多的具体牌号。一些大的生产厂商可提供 几十个品级、上百个牌号产品。聚碳酸酯的应用开发是向高复合、高功能、专业化、系列化方向发 展。 2004 年世界聚碳酸酯表观消费量278.2 万t,光学介质是聚碳酸酯消费增长最快的领域, 消费比 例占24%; 其次是电子/电气和建材, 各占19%; 汽车约占13%,详见下表 1-3 全球聚碳酸酯消费表 用途北美/万t西欧/万t日本/万t亚洲其他/ 万t 其他/万t合计/万t比例% 汽车13.57.13.010.02.035.613
10、电子电器7.511.56.122.95.053.019 片材13.513.36.114.17.054.019 光学介质11.012.03.536.94.067.024 其他18.57.16.628.87.668.625 合计64.051.025.3112.325.6278.2100 北美的汽车产业所消费的聚碳酸酯远高于西欧、日本及其它地区, 约占全球汽车领域消费量的 38 %。欧洲受气候影响, 对制造绝热玻璃的薄膜和片材需求较高, 占全球该类产品总消费量的 25%。亚洲地区( 不包括日本) 在电子、电器产品和光学相关产品领域消费的聚碳酸酯在世界所占 比例相当高, 电子、电器领域占全球该类产品消
11、费量43%, 光学产品占全球该类产品消费量54%. 可见国外聚碳酸酯应用的最大的市场是电子/电气(宝库计算机、办公设备和光盘),透明薄板和 片材以及汽车工业。在未来的一段时间内,聚碳酸酯的需求量将持续增长,亚太、拉丁美洲将是增 长最快的地区。预计到 2007 年,世界聚碳酸酯的需求量将达到亿吨,其中计算机、光盘等信息产 业方面的增长最快。 1.2 设计原则设计原则 (1)遵守法则,法规,贯彻党的基本建设方针,实事求是,因地制宜 3 (2)合理利用国家资源和财产,最大限度的发挥硬件设施的内在潜力,节约土地,减少投资,降低成 本; (3)采用成熟的。先进的工艺流程,设备,学习先进的生产技术,努力实
12、现自动化。现代化提高产品 的科技含量; (4)一轻化工业产品批量小、品种多的特点,努力做到“一钱多用,一钱多能”,是本厂具有较强的市 场适应力; (5)尽可能创造良好的劳动条件,以利于劳动工人的身心健康; (6)大多数厂房,特别是主要生产车间的布置,应考虑到日照方位和主导风向,保证自然通风,厂前 区和防污染的车间放在上风向,产生粉尘、烟、热等的车间及易燃库布置在下风向; (7)近期建设和远期发展相结合,主要生产车间留有适当的发展余地,轻化工工厂变化较快,综合利 用较广,加工深度较深,大多数工艺流程更新快,这要求在设计实现留有较大的预留地,以满足工 厂发展变化的需要; (8)为保证平面图具有建筑
13、艺术性,厂房形状要规则简单,使道路径直,厂房中心线保持垂直或平行; (9)采取各种措施,提高建筑系数和场地利用稀疏。建筑系数一般为 25%40%,场地利用系数一般 为 50%60%,这是总平面设计的主要技术经济指标。 1.3 设计设计任务任务 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计,完成对厂址的选择和对工艺流程的可行性分析,进行物料 衡算和热量衡算,主要设备的计算和选型,画出工艺流程图,主要的反应设备装置图,全厂平面图 以及各车间平面布置图与立面图。 2 工艺设计工艺设计 2.1 工艺流程设计工艺流程设计 2.1.1 工艺流程设计的重要性工艺流程设计的重要性 (1)工艺流程设计是工艺设计的基础。工
14、艺流程设计是工厂设计中最主要的内容,是工艺设计的核 心。因为工艺流程设计的质量直接决定车间的生产产品质量、生产能力、操作条件、安全生产、三 废治理、经济效益等一系列根本性问题。 (2)工艺流程设计是物料衡算、设备选型的基础。从哲学角度来说,工艺流程设计是定性分析工作阶 段,物料衡算是定量计算阶段。一般来说,先定性后定量,所以,工艺流程设计是物料衡算的前提 和基础。 2.1.2 工艺流程设计的原则工艺流程设计的原则 4 (1)先进性 工艺流程的先进性从两个方面考虑:一方面是技术的先进;一方面是经济上的合理。两方面同 等重要,缺一不可。 (2)可靠性 所设计的工艺流程必须可靠即经过实验室、工业小试
15、、中试,证明技术是成熟的,生产安全可 靠,才可以设计选用。 (3)结合国情,因地制宜 工艺流程的选择从技术角度来说,应尽量采用新工艺、新技术,单从具体情况考虑,并不必选 择国外的先进的技术。因为国外的技术往往价格较高,技术保密性强,没有实用价值。所以,结合 实际,选择自己易于掌握和改进的技术要方便、实用。 2.1.3 工艺流程选择分析与研究工艺流程选择分析与研究 目前,聚碳酸酯的生产方法主要有溶液光气法、酯交换法、界面缩聚光气法和非光气法。 (1)溶液光气法 该工艺是将光气通入含有双酚 A 碱性水溶液和二氯甲烷溶剂中进行进行界面缩聚反应,然后 将聚合物从溶液中分离出来。与其它的生产方法相比,溶
16、液光气法由于经济性较差已完全淘汰。 (2)酯交换法 酯交换法又称传统熔融工艺,其实也是一种间接光气法工艺。它是以苯酚原料,经过光气法反 应生成碳酸二苯酯,然后再卤化锂等催化剂和添加存在下和双酚 A 进行酯交换反应,生成低聚物, 在进一步缩聚得到聚碳酸酯。尽管该工艺生成成本低于其它生产工艺,但由于其生产出来的聚碳酸 酯光学性能较差,催化剂易污染,并且由于存在副产品酚而导致产品分子量较低,应用范围有限, 因此限制了该工艺的商业应用。 (3)界面缩聚光气法 界面缩聚光气法工艺是将双酚 A 和烧碱溶液配制成双酚 A 钠盐,同时加入酚,然后送入光气 反应器内。加入二氯甲烷,通光气进行光气化反应,反应完成
17、后将反应液送到缩聚反应器内,加入 三乙胺和烧碱溶液,进行缩聚反应。然后分离含有聚合物的有机相和水相,对有机相进行洗涤、干 燥,最后成粒就得聚碳酸酯成品。 (4)非光气法 非光气法是先以液相氧化碳基法生产碳酸二甲酯(DMC),再与醋酸苯酯酯交换生成碳酸二苯酯 (DPC),然后在熔融状态下与双酚 A 进行酯交换,缩聚制得聚碳酸酯。因此无副产物,基本无污染, 特别是不使用剧毒光气,因此深受世界各大公司的重视,纷纷致力开发。 综上所述,非光气法工艺是一种全封闭、无副产物、污染少、符合环境要求的绿色工艺,已经 由外国公司研究成功,但是由于国内仍在研究发展中,工艺不成熟,本设计不采用,而界面缩聚光 气法工
18、艺成熟,反映在常温常压下进行,对设备要求不高,产品质量好,尤其是截止 2004 年底, 5 全世界聚碳酸酯总生产能力接近 3.3Mta 。其中光气法生产工艺约占总生产能力的 90%。所以本 设计采用界面缩聚光气法。 2.1.4 工艺流程设计 工艺流程的设计参照各方资料,尽量做到简单高效。主要工艺采取界面光气法进行聚碳酸酯的 合成。界面缩聚光气法工艺是将双酚 A 和烧碱溶液配制成双酚 A 钠盐,同时加入酚,然后送入光 气反应器内。加入二氯甲烷,通光气进行光气化反应,反应完成后将反应液送到缩聚反应器内,加 入三乙胺和烧碱溶液,进行缩聚反应。然后分离含有聚合物的有机相和水相,对有机相进行洗涤、 干燥
19、,最后成粒就得聚碳酸酯成品。 在设计过程中尽可能多的省去了不必要的繁冗过程。务求工艺流程的简洁高效,而必不可少的 设备要设计地能够经受不良环境的考验。以下为大体的工艺流程图。 聚碳酸酯生产流程图 2.1.5 生产工艺流程叙述 (1)双酚 A 钠盐合成反应 将氢氧化钠水溶液(7%)通入反应釜(R101)中,同时加入的还有苯酚、双酚 A、亚硫酸氢钠。搅 拌反应一小时,由釜底出料进入储罐,然后由泵打入冷却器(H103)冷却到 10,再送入搅拌反应釜 (R102)中。 (2)光气反应 将来自光气站的光气通过稳压罐(V101)和缓冲罐(V102)进入冷却器(H102)冷却到 5然后与来 6 自二氯甲烷储
20、罐的温度为 5的二氯甲烷混合进入光气反应釜。同时进入的还有来自换热器(H103) 的双酚 A 钠盐混合液。搅拌反应一小时,控温在 20左右。反应完全,将多余的光气通入缓冲罐 (V102)中。通入氮气,将反应液压入油水分离器(V105),氢氧化钠、亚硫酸钠、氯化钠水溶液由油 水分离器顶部出去,再进入反应釜(R106)中,其中加入氯化钡,搅拌反应半小时,生成沉淀亚硫酸 钡,将反应液通入板式压滤机进行过滤。滤液分成两部分一部分送回反应釜(R101)继续利用,另一 部分通道反应釜(R107)中与加入的氯化氢溶液反应半小时,然后把反应液通入水处理车间。由谁有 分离器底部出来的有机相,由泵通入反应釜(R1
21、03)。 (3)缩聚反应 将来自水油分离器(R103)的有机相在碱性条件下,三甲基苄基作为催化剂,进行缩聚反应,反 应时间为一小时,控温在 25。反应完毕后加入甲酸中和反应液中的碱液,测 pH 为 3 左右方可, 然后进行水洗,直至水洗液中没有氯离子为止。将反应液通入储罐中。 (4)后处理 有机相通入反应釜(R104)中,再加入沉淀剂丙酮搅拌半小时,将含有末状物的反应液通入转鼓 真空过滤器中,将分离出的产品 PC 通过短管型气流干燥器和真空箱干燥器,的末状产物,在通过 挤出造粒的产品 PC。由真空过滤器分离出的有机相通入储罐中,通过泵打到蒸馏釜(R105)中进行 蒸馏,蒸馏时间一小时,控温在
22、60。二氯甲烷和丙酮变成蒸汽有釜顶进入换热器(H104)中,冷却 至温度 20,进入精馏塔(T101)中,塔顶出二氯甲烷,塔底出丙酮。来自蒸馏釜(R105)釜底的有机 相先进入换热器(H107)中,冷却到 20,然后进入精馏塔(T102),塔顶出苯碳酰氯,塔底出简聚体 和催化剂。 2.1.6 工艺设计损失率 原料厂外运输损失率% 0.5 原料厂外运输损失率% 0.5 产品厂里储运损失率% 0.5 产率% 85 2.2 工艺计算工艺计算 2.2.1 物料衡算物料衡算 1):物料衡算的原理方法步骤 (1):原理 对于连续稳定过程,物料衡算的方程是: M=M出 (2-1) 即: 初始输入量=最终输出
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- 年产 10 聚碳酸酯 化工厂 初步设计 毕业论文
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