【精馏塔】酯交换法碳酸二甲酯装置

装置名称:酯交换法碳酸二甲酯装置

产能：2×50,000 吨 / 年（合计 10 万吨 / 年）

核心工艺：反应精馏 + 差压热耦合精馏 + 热泵精馏三联技术

处理对象：碳酸乙烯酯（EC）与甲醇酯交换反应混合物（含 DMC、乙二醇 EG、未反应原料及微量副产物）

主体材质：CS（碳钢）+304 不锈钢（复合防腐设计）

关键设备：超大型精馏塔（DN4000×50,000mm，单塔处理量 5 万吨 / 年）

项目背景

某化工企业依托环氧乙烷（EO）与二氧化碳（CO₂）资源优势，采用酯交换法建设年产 10 万吨碳酸二甲酯（DMC）装置（2×50,000t/a），并联产聚酯级乙二醇（EG）。通过集成反应精馏 + 差压热耦合精馏 + 热泵精馏三重技术，结合CS+304 复合材质超大型塔器设计，实现 “高效反应 - 能量闭环 - 低成本防腐” 的绿色制造升级，目标降低能耗 40% 以上，产品纯度提升至 99.9%，支撑新能源材料（锂电池电解液、聚碳酸酯）等高附加值领域需求。

工艺流程

1、预处理与反应精馏一体化

原料制备：

EO 与 CO₂在喷射流反应器中以 1:1.2 摩尔比高速混合，生成碳酸乙烯酯（EC），避免局部过热引发安全风险；

EC 与甲醇（摩尔比 1:3）混合后进入反应精馏塔下部。

反应精馏段：

塔内下部装填酸性离子交换树脂催化剂，EC 与甲醇在 95℃、0.8MPa 条件下边反应边分离；

实时移除产物 DMC（沸点 90℃）和乙二醇（EG，沸点 197℃），打破反应平衡，EC 单程转化率提升至 95%，DMC 选择性≥99.1%。

2、差压热耦合精馏系统（能量集成核心）

高压塔（1.2MPa，塔顶 125℃）：

处理反应生成的 DMC / 甲醇 / EG 混合物，塔顶高温蒸汽（潜热 780kJ/kg）直接作为低压塔（0.4MPa，塔顶 80℃）再沸器热源；

塔底 EG 富集液进入副产物精制塔，分离出聚酯级 EG（纯度≥99.9%）。

低压塔：

利用高压塔废热进一步分离 DMC 与甲醇，减少外部中压蒸汽（1.6MPa）消耗 4.5 吨 / 小时，系统热效率提升至 89%。

3、热泵精馏精制系统（末端余热回收）

DMC 精制塔：

塔顶甲醇 - DMC 共沸蒸汽（65℃，0.3MPa）经螺杆压缩机加压至 0.6MPa（温升 15℃），作为塔釜再沸器热源，替代 1.0MPa 工业蒸汽 10 吨 / 小时；

冷凝水余热（80℃）用于预热甲醇进料，节省预热能耗 30%，吨 DMC 电耗降至 130kWh（传统工艺 180kWh）。

4、产品分离与副产物回收

DMC 成品塔：通过热泵精馏实现 DMC 纯度≥99.9%（国标优级品），满足锂电池电解液等高附加值领域需求；

EG 回收系统：副产乙二醇经减压精馏后纯度达 99.9%（聚酯级），市场价值较工业级提升 1200 元 / 吨。

技术优势

1、高效节能：三重技术协同降本

反应精馏一体化：

省去独立反应器，缩短工艺流程 30%，反应热直接用于精馏，减少外部供热 25%；

实时分离产物推动反应平衡正向移动，EC 转化率提升 10%，减少循环能耗。

差压热耦合精馏：

高压塔废热替代低压塔 60% 加热蒸汽，吨 DMC 蒸汽消耗从 2.8 吨降至 1.0 吨，年节约标煤 1.2 万吨，CO₂排放减少 3.2 万吨。

热泵精馏技术：

塔顶蒸汽余热回收率达 85%，替代工业蒸汽 10 吨 / 小时，年节约运行成本 2500 万元；

冷凝水余热回收使系统热效率提升至 89%。

2、高纯度分离与设备创新

复合材质防腐设计：

反应段（塔下部 15 米）采用 CS 基材 + 304 不锈钢内衬（3mm 厚），耐受 EC 水解产生的微量甲酸，寿命延长至 10 年（传统碳钢塔 5 年）；

塔顶冷凝器采用全 304 不锈钢，防甲醇露点腐蚀，设备投资较全不锈钢塔降低 30%。

超大型塔器工程化：

DN4000×50000mm 塔体通过 ANSYS 有限元分析，抗 12 级台风与 8 度地震，模块化设计便于运输安装；

阶梯式填料（下段 Mellapak 750Y + 上段 500Y）提升传质效率，理论板数增加 15 块，分离能力提升 20%。

3、智能化控制与本质安全

APC 先进控制：集成 20 + 控制变量（反应温度、热泵频率、塔压等），产品纯度波动≤0.1%，催化剂寿命延长至 18000 小时（+50%）；

安全联锁系统：EO 进料管线设紧急切断阀 + 在线氧含量监测（阈值≤0.5%），塔釜液位三取二联锁，高危物料泄漏风险降低 70%。

应用领域

1、新能源材料领域

锂电池电解液溶剂：高纯度 DMC（≥99.9%）作为锂电池电解液核心组分，支撑动力锂电池产业高速发展；

聚碳酸酯（PC）原料：用于生产电子电器、汽车轻量化所需的 PC 树脂，推动高端工程塑料国产化。

2、化工与绿色溶剂领域

医药 / 农药中间体：作为绿色甲基化试剂，替代有毒溶剂（如硫酸二甲酯），满足环保型精细化工生产需求；

环保型溶剂：用于涂料、胶黏剂、油墨等领域，降低挥发性有机物（VOCs）排放。

3、副产物高值化利用

聚酯级乙二醇（EG）：纯度≥99.9%，直接应用于聚酯纤维、防冻液生产，副产物价值占总成本 28%，增强装置