PRODUCCIÓN CARBONATO DE DIMETILO SIN FOSGENO

ABSTRACTOUna novela, sin fosgeno enfoque a la producción de 100 MMLB / año de carbonato de dimetilo (DMC) se ha diseñado mediante una reacción de dos pasos catalítica de metanol y urea para producir amoniaco y DMC. El metanol y urea se mezcla y se calienta para conducir el primer paso de la reacción, la conversión de la urea a carbamato de metilo (MC). La mezcla de MC y el metanol se alimenta a una columna de destilación reactiva de alta presión que contiene el catalizador. La torre de destilación reactiva tiras de amoniaco, ya que se produce, lo que obligó la reacción directa. El vapor de amoníaco se vende a una empresa vecina, que lo utiliza para producir urea. Los componentes de la corriente de líquido que sale de la torre de destilación reactiva están separadas por torres de destilación simple. Exceso de metanol y MC son reciclados de nuevo a la torre de destilación reactiva, dejando sólo el amoníaco purificado y arroyos DMC como productos.

Varias suposiciones se hacen en el diseño de este proceso. En primer lugar, debido a la falta de datos fácilmente disponibles o los coeficientes binarios, las interacciones de los DMC y MC en un ambiente de equilibrio líquido-vapor se calcula usando ASPEN Plus. En segundo lugar, el rendimiento exacto de DMC se desconoce en las condiciones del proceso, aunque la torre de destilación reactiva fue diseñado en conjunto con el catalizador elegido de tal forma que se garantice una buena predecible, el límite inferior en la producción de DMC. Finalmente, debido a la naturaleza en la que la urea se mezcla con metanol a alta temperatura y presión, un sistema de manejo de sólidos totalmente personalizado es necesario mezclar adecuadamente y reaccionan de la urea y metanol. Como todos los detalles de este sistema no son conocidos, el diseño utiliza una aproximación de los equipos y servicios requeridos.

Partiendo de estas premisas, el diseño ofrece un esquema de producción DMC que sea fiable, económicamente viable y ambientalmente neutral.

INTRODUCCIÓN

El objetivo de este proyecto es diseñar un proceso químico que emplea una nueva reacción sin fosgeno para producir 100 millones de libras de carbonato de dimetilo (DMC).

DMC es un químico industrial con muchos usos. Principalmente se produce y se polimeriza para formar los policarbonatos, que son un tipo de plástico conocidos por su transparencia óptica, resistencia al impacto y alta resistencia dieléctrica. Por ejemplo, los policarbonatos se encuentran en los discos DVD y Blu-ray, gafas de seguridad, lentes, ventanas a prueba de balas, los aisladores eléctricos, aeronaves y componentes de misiles. Esta abundancia y variedad de aplicaciones genera una demanda sustancial de DMC y hace que la producción de una inversión viable.Este proyecto tiene como objetivo diseñar un proceso práctico para crear DMC sin el uso de fosgeno. Aunque la mayoría de la producción actual de DMC emplea fosgeno, existen importantes desventajas de hacerlo. El fosgeno es una sustancia química altamente tóxica que puede causar problemas de salud graves o la muerte, incluso en concentraciones bajas, lo que significa que cualquier proceso de incorporación de diseño de fosgeno incurrirá en costos adicionales para garantizar un ambiente seguro. Los actuales esquemas de producción de DMC con fosgeno también crean cloruro de sodio como subproducto. La eliminación de este cloruro de sodio puede causar daños al medio ambiente, especialmente cuando el proceso se va ampliando a tales altos

índices de producción. Por lo tanto, este proyecto trata de sacar provecho de un proceso que es más seguro y ambientalmente aceptable, sin dejar de ser económicamente rentable.

Una de esas alternativas sin fosgeno consiste en la reacción de metanol y urea para producir amoniaco y DMC. En el pasado, el estaño se utiliza como catalizador en esta reacción, pero este método sufría de bajos rendimientos. El propio catalizador también fue envenenado con facilidad, lo que requiere cambios frecuentes y costosas del catalizador. De cara al pasar por alto estas cuestiones, los investigadores en China han encontrado una variedad de nuevos catalizadores que dan rendimientos significativamente más altos y excelente selectividad, como se detalla en la Patente de EE.UU. 7.271.120 B2. El uso de estos catalizadores, los únicos subproductos de la reacción son metil carbamato (MC) y el amoniaco. Es importante señalar que MC es en realidad un producto intermedio en la vía de la urea a DMC. Por lo tanto, MC puede ser reciclado a la extinción dentro del proceso. El sistema de reacción en dos etapas es la siguiente.

Una empresa vecina compra el amoníaco producido por este proceso y lo convierten en urea, que es consumido por este proceso. El metanol se enviará a través de autovía en forma de líquido. Este proceso será mucho más seguro y ambientalmente aceptable debido a la ausencia de fosgeno.

Para asegurar un rendimiento comparable y la selectividad, el proceso final para este proyecto conforme a las condiciones de la patente se describe la reacción lo más fielmente posible. En particular, nuestro diseño hace uso de una columna de destilación de alta presión reactiva para aumentar el grado de reacción a través de principio de Le Chatelier mediante la eliminación de amoníaco como gas durante la reacción catalizada, tanto a ofrecer más productos y la eliminación de la necesidad de separar el amoníaco en el proceso de aguas bajas. Una vez que la reacción ha tenido lugar, cada componente puede ser simplemente separado mediante destilación. Dos de los principales inconvenientes de este enfoque sin fosgeno son la necesidad de un sistema de manejo de sólidos para procesar urea y la necesidad de evitar el elevado peso de metanol azeótropo por ciento que existe entre el DMC y el metanol.

El proceso de este proyecto ha sido diseñado de tal manera que para resolver el manejo de sólidos del sistema, evitar la separación azeotrópica, y producir DMC sin el uso de fosgeno u otros productos químicos peligrosos al medio ambiente. De este modo, este proceso parece ser económicamente rentable y ambientalmente neutral.

Este informe examina la producción de catalizadores de 100 libras MM por año de dimetil carbonato (DMC) a partir de metanol y urea. El planteamiento del problema dictaba que el diseño de investigar la viabilidad del uso de nuevos catalizadores se detalla en la Patente de EE.UU. 7.271.120 B2, y la selectividad de la reacción y los rendimientos fueron tomados de esta patente. El planteamiento del problema se encuentra disponible en el Apéndice A, con la patente de referencia disponible en el Apéndice E. El diseño del proceso se desarrolló a partir de los requisitos de declaración del problema, las discusiones con los asesores de nuestra facultad, y el asesoramiento de oficinas de proyectos industriales. ASPEN Plus fue utilizado para la simulación del proceso, y las unidades de El proceso fueron diseñados en base de datos de la simulación y la información que se encuentra en Seider et al., 2004.

En el diseño del proceso, se realizaron varias estimaciones. Cinco especies químicas están presentes en el proceso: urea, metanol, DMC, metil carbamato (MC), y el amoníaco. De estos, ni MC, ni el DMC existen en la base de datos de ASPEN Plus. Como tal, fue necesario el uso de ASPEN Plus 'para estimar las propiedades e interacciones de estas dos especies con sede fuera de sus estructuras químicas y los datos disponibles. Una descripción detallada de los métodos utilizados para calcular estas propiedades están disponibles en el Apéndice C, y las ramificaciones potenciales ya la incertidumbre de estas estimaciones se discuten en la Sección 9 - Conclusiones y Recomendaciones.

El proceso puede dividirse en una serie de pasos de la siguiente manera: el manejo de la urea sólida, mezcla de urea con alimentación de metanol, presurización y calentamiento de la corriente de alimentación, la destilación catalítica, y la destilación de los productos. Estas medidas fueron clasificadas como parte de dos segmentos de un proceso más amplio: la Sección I - Manejo de Sólidos y la mezcla del alimento o en la Sección II - Destilación. La sección I incluye todas las etapas del proceso y unidades asociadas antes de la destilación catalítica, mientras que la sección II abarca los pasos del proceso y las unidades restantes. Para reducir los costos, de acero al carbono es el material de elección para la mayoría de los equipos de proceso y se utiliza siempre que sea apropiado.

División I - Manejo de Sólidos y la mezcla del alimentoEn la primera parte del proceso, las poblaciones de alimentación de urea y metanol se mezclan, entonces a presión y se calienta a las condiciones exigidas por la reacción de la producción de DMC. Como el metanol y urea se calientan, el amoníaco y el MC se producen.

Los siete días por valor de metanol al proceso se almacenan en la T-100 bajo un manto de nitrógeno 14,7 psig. La carga de presión generada por T-100 es más que suficiente para mover el metanol del tanque a través de H-100, donde se calienta de 77 ° F a 122 ° F con vapor a baja presión. Después de pasar por H-100, el metanol entra M-100.

T-101, T-102 y T 103-cada bodega de 8 horas de urea proceso. La urea es transportada desde los tanques alimentadores por tornillo SF-101, SF-102, y el SF-103. Los alimentadores de tornillo de operar en un ciclo de 1 hora de funcionamiento, inactiva dos horas, lo que corresponde con los tiempos de proceso por lotes de los tanques de urea por lotes que alimentar. Los tanques de urea lote T-104, T-105 y T-106 sirven para purgar el nitrógeno de urea antes de que la alimentación en el proceso. Operan en ciclos continuos de carga para una hora, purga de nitrógeno durante una hora, luego la alimentación durante una hora. Los tanques de proceso por lotes de alimentación en M-100 por medio de una válvula rotativa conectar los tanques y M-100.

M-100 se mezcla continuamente por agitadores internos. Mientras que el metanol se ha calentado un poco para aumentar la solubilidad de la urea, la urea es mucho más necesaria para el proceso que puede ser disuelto en el metanol. Mientras que la urea sólida se descompone en un líquido a temperaturas superiores a 271 ° F, el metanol tiene un punto de ebullición de sólo 148,4 ° F a presión atmosférica. Para una mezcla de urea para ser libre de sólidos, por lo que debe ser a presión y se calienta. Se ha asumido que la mezcla de M-100 es suficiente para crear una suspensión de la urea, que puede fluir libremente, sin embargo, se necesita investigar más por hacer para determinar si esto es razonable, o si el buque tiene que operar bajo altas presiones y temperaturas.

Desde la M-100, la mezcla de urea y metanol se bombea a 603 psig por la bomba de lodo P-101. Requerimientos de potencia para la P-101 se basa prevista de fuera de los requisitos de energía para las bombas de dragado, sin embargo, estos son sólo una aproximación, y las necesidades reales potencia puede ser mayor. Una vez presurizado, la mezcla entra en H-101, donde se calienta a 160,8 ° F en contra de la corriente de producto DMC. Después de H-101, la mezcla entra H-102, donde se calienta a 392 ° F en contra de vapor de alta presión. Si se calienta a 273 ° F el pasado, la urea se descompone en compuestos líquidos que reaccionan fácilmente con metanol para dar MC y el amoníaco. Esta reacción es endotérmica, y el calor de reacción necesario para lograr una conversión total es suministrado por H-102. El metanol, amoníaco, y el arroyo MC se mezcla con una corriente de reciclaje de MC y el metanol de la sección de destilación. Esta corriente combinada se introduce en la sección de reacción de la D-101.

División II - Destilación

En la segunda parte del proceso, MC y el metanol se convierte en amoniaco y en el interior de la torre de destilación catalítica DMC, D-101. El amoníaco y los productos de DMC se separan, con el resto de otras especies químicas reciclado.

D-101 contiene 2.048 libras de catalizador en su sección de reactivos. El catalizador utilizado se detalla en el ejemplo 8 de la patente antes mencionada, y se compone de 63% en peso de alúmina, óxido de 35% en peso de zinc, y 2% en peso de óxido de potasio. La reacción que se produce es una reacción de equilibrio, y por lo tanto, la eliminación de amoniaco y DMC son deseables para conducir la reacción a sus productos. El amoníaco es removido de la parte superior de la columna en un flujo que contiene sólo las concentraciones de trazas de las otras especies

químicas. El resto de componentes se incorporan después a la D-102, que separa el DMC y el MC. El flujo de DMC más volátiles también contiene metanol y se alimenta a D-103. El flujo de MC se recicla para D-101 por medio de la P-102.

D-103 separa el metanol y el DMC. El metanol se desprende de él producto destilado, la mayoría de los que se recicla a través de P-102, aunque parte del material se pierde a una pequeña corriente de purga. La corriente de producto DMC sale de la parte inferior de la columna y se alimenta a T-107, que almacena siete días por valor de DMC proceso bajo una capa de nitrógeno 14.7psig.