二十五萬噸二甲醚及甲醇精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　二甲醚（DME）具有一系列優(yōu)良的物化性質(zhì)，可以用于制藥、染料和制冷劑等，此外，二甲醚作為一種新型的清潔能源，市場前景非常樂觀。所以對(duì)二甲醚生產(chǎn)工藝的研究非常有意義。</p><p>　　本文在文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上選用甲醇?xì)庀嗝撍ㄖ迫《酌?，所得產(chǎn)品為粗二甲醚。二甲醚的分離是一個(gè)三組分的分離，所以本設(shè)計(jì)采

2、用兩個(gè)簡單精餾塔，即一個(gè)二甲醚精餾塔和一個(gè)甲醇精餾塔來將三種物質(zhì)分離。為了節(jié)約原料和減少成本，對(duì)二甲醚精餾塔塔底餾分中的甲醇進(jìn)行回收提純，繼而將分離得到的甲醇?xì)饣玫綒饣状迹匦聭?yīng)用到生產(chǎn)流程中，使工藝流程更加合理化。</p><p>　　二甲醚精餾系統(tǒng)中殘留甲醇的純度比較低，是含有水的雙組份系統(tǒng)，會(huì)對(duì)反應(yīng)的收率產(chǎn)生很大的影響，不能直接用于原料使用。故本文在二甲醚精餾塔的基礎(chǔ)上對(duì)其產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行再精餾，以充分提

3、純其中的甲醇。文中對(duì)二甲醚精餾系統(tǒng)全流程進(jìn)行了物料和能量衡算，并對(duì)甲醇精餾塔進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括塔徑、篩板塔尺寸、塔高以及除沫器、吊柱等附件的設(shè)計(jì)與選型。</p><p>　　關(guān)鍵詞：二甲醚 甲醇 精餾 工藝設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Dimethyl ether（DME），wh

4、ich has many excellent physical and chemical properties for manufacturing pharmacy，dye，pesticide and refrigerant and so on，is widely used as raw materials。As a novel clean fuel，DME has a very promising future for develop

5、ments。So，it is magnificent to study on the process of producing DME。</p><p>　　Based on the literature summarize，the paper chooses methanol gas phase dehydration to make DME，and the product is called thick DM

6、E。Separation of DME is a separation of three components of the multi-component. Therefore, this design uses two simple distillation column, one of DME and one of methanol recovery. In order to save the material costs as

7、 much as possible, purifying the methanol in the DME ditillation bottoms fraction，and then the isolated methanol gasification gasified methanol, re-app</p><p>　　The remaining methanol of DME distillation sys

8、tem is relatively low purity，which is a two-component system containing water，so it will have a huge impact on the yield，and it can not be used for feedstock directly.Therefor re- distillation the mixture generated by th

9、e DME distillation column in this article，and purify its methanol fully. The whole process of the material and energy balance of the DME distillation system has been introduced in this test，and the process design calcula

10、tions of the m</p><p>　　Keywords: Dimethyl ether Methanol Distillation Process design目 錄</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>

11、　　目 錄III</b></p><p>　　第1章 文獻(xiàn)綜述1</p><p>　　1.1 二甲醚簡介1</p><p>　　1.1.1 二甲醚基本性質(zhì)1</p><p>　　1.1.2 二甲醚的用途1</p><p>　　1.1.3二甲醚的發(fā)展前景3</p><p&g

12、t;　　1.2 國內(nèi)二甲醚市場簡況3</p><p>　　1.2.1 現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)市場預(yù)測(cè)4</p><p>　　1.3 國外二甲醚市場簡況4</p><p>　　1.3.1 現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3.2 國外市場預(yù)測(cè)5</p><p>　　

13、1.4二甲醚的合成6</p><p>　　1.4.1液相甲醇脫水制二甲醚6</p><p>　　1.4.2氣相甲醇脫水制二甲醚6</p><p>　　1.4.3合成氣(CO+H2)一步法合成二甲醚7</p><p>　　1.4.4 CO2加氫直接合成二甲醚8</p><p>　　1.4.5生物質(zhì)合成二甲醚9

14、</p><p>　　1.5 技術(shù)比較9</p><p>　　1.6工藝技術(shù)的選擇11</p><p>　　1.7本課題研究內(nèi)容11</p><p>　　第2章 物料和能量衡算13</p><p>　　2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)13</p><p>　　2.2物料衡算14</p>

15、<p>　　2.2.1反應(yīng)器14</p><p>　　2.2.2二甲醚精餾塔15</p><p>　　2.2.3甲醇精餾塔16</p><p>　　2.3能量衡算17</p><p>　　2.3.1反應(yīng)器17</p><p>　　2.3.2二甲醚精餾塔17</p><p&g

16、t;　　2.3.3甲醇精餾塔21</p><p>　　第3章 精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算26</p><p>　　3.1精餾塔全塔物料摩爾質(zhì)量26</p><p>　　3.2最小回流比和塔板數(shù)的確定26</p><p>　　3.3精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算27</p><p>　　3.3.1平均溫度計(jì)算27<

17、/p><p>　　3.3.2平均密度計(jì)算27</p><p>　　3.3.3混合液體表面張力計(jì)算29</p><p>　　3.3.4 混合液體粘度計(jì)算32</p><p>　　3.3.5混合液的相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算32</p><p>　　3.3.6氣液相體積流量計(jì)算33</p><p>　　3

18、.4塔體工藝尺寸計(jì)算34</p><p>　　3.4.1塔徑的計(jì)算34</p><p>　　3.4.2塔體有效高度的計(jì)算36</p><p>　　3.5塔板工藝尺寸計(jì)算36</p><p>　　3.5.1溢流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算36</p><p>　　3.5.2塔板布置及篩孔數(shù)目與排列38</p>

19、<p>　　3.6塔板流體力學(xué)驗(yàn)算41</p><p>　　3.6.1氣相通過浮閥塔板的壓降41</p><p>　　3.6.2淹塔42</p><p>　　3.6.3物沫夾帶量43</p><p>　　3.7塔板性能負(fù)荷圖44</p><p>　　3.7.1霧沫夾帶線44</p>

20、<p>　　3.7.2液泛線45</p><p>　　3.7.3液相負(fù)荷上限線46</p><p>　　3.7.4漏液線47</p><p>　　3.7.5液相負(fù)荷下限線48</p><p>　　3.8本章小結(jié)51</p><p>　　第4章 輔助裝置及附件設(shè)計(jì)52</p>&l

21、t;p>　　4.1接管設(shè)計(jì)52</p><p>　　4.1.1進(jìn)料管52</p><p>　　4.1.2回流管52</p><p>　　4.1.3塔釜出料管52</p><p>　　4.1.4塔頂蒸氣出料管53</p><p>　　4.1.5塔釜進(jìn)氣管53</p><p>　　

22、4.2除沫器設(shè)計(jì)53</p><p>　　4.2.1設(shè)計(jì)氣速的選取54</p><p>　　4.2.2除沫器直徑計(jì)算54</p><p><b>　　4.3人孔55</b></p><p><b>　　4.4裙座55</b></p><p>　　4.4.1裙座選材

23、55</p><p>　　4.4.2裙座的結(jié)構(gòu)56</p><p><b>　　4.5吊柱58</b></p><p>　　4.5.1吊柱的選型58</p><p>　　4.5.2吊柱的結(jié)構(gòu)59</p><p>　　4.6操作平臺(tái)和扶梯59</p><p>　　4

24、.7本章小結(jié)59</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)60</b></p><p><b>　　附 錄62</b></p><p><b>　　致 謝63</b></p><p><b>　　第1章 文獻(xiàn)綜述</b></p>&

25、lt;p><b>　　1.1 二甲醚簡介</b></p><p>　　1.1.1 二甲醚基本性質(zhì)</p><p>　　二甲醚[1]（dimethylether,CH3OCH3,簡稱DME），是一種無色無毒含氧有機(jī)化合物，具有輕微的醚香味，無腐蝕性、無致癌性，其主要的物理化學(xué)性質(zhì)如表 1-1。</p><p>　　表1-1二甲醚基本物理化學(xué)

26、性質(zhì)</p><p>　　1.1.2 二甲醚的用途</p><p>　　二甲醚是一種重要的化工原料，在能源、化工、醫(yī)藥和制冷等方面具有廣泛用途。</p><p>　　由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，二甲醚在作為民用液化燃料和柴油機(jī)燃料等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?，被譽(yù)為“21 世紀(jì)的清潔能源”[2]。其主要用途如下：</p><p>　　1 作為

27、民用燃料[3]</p><p>　　二甲醚（DME）與液化石油氣（LPG）性質(zhì)相近，作為民用液化燃料的基本性質(zhì)對(duì)比如表 1-2 所示。與液化石油氣相比，二甲醚具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①相同溫度下，DME 蒸汽壓低于 LPG，符合 GB11174-89 要求的<1380kPa 指標(biāo)，故其貯存、運(yùn)輸比 LPG 更安全；②DME 在空氣中爆炸下限比 LPG 高 1 倍，使用更安全；③雖然 DME 熱值僅相當(dāng)于 LPG 的

28、0.687，但 DME 本身含氧，組分單一，碳鏈短，燃燒性能良好，燃燒過程中無殘液、無黑煙，是一種優(yōu)質(zhì)、清潔的燃料。另外，DME 可利用現(xiàn)有的 LPG 罐、槽等容器及管道，灶具亦能通用，所以易于推廣。</p><p><b>　　2 作為車用燃料</b></p><p>　　二甲醚具有良好的燃燒性能和高辛烷值，可以作為柴油的替代品。其與柴油性能相比：DME 的十六烷值

29、比柴油高27%，自燃溫度低15℃，燃燒噪音比柴油低10～15dB，接近汽油發(fā)動(dòng)機(jī)水平；DME 低熱值，雖僅相當(dāng)于柴油的64.7%，但DME與空氣混合氣理論熱值卻比柴油高 5%（DME為3066kJ/kg，柴油為2911 kJ/kg），使用DME時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率比柴油大10～15%；DME氣化潛熱為柴油的1.6 倍，可大幅降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒溫度，故NOx、烴類（HC）、CO 排放量大幅度降低。Amoco 和 Topsoe 兩公司研究表明，

30、二甲醚是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最潔凈的替代燃料，可降低 NOx 排放，實(shí)現(xiàn)無煙燃燒，并可降低噪聲，其排放廢氣已經(jīng)滿足美國加州有關(guān)中型載重汽車及客車的尾氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)（ULEV）的要求[4-5]。我國也在進(jìn)行 DME 替代柴油的研究[6]。</p><p>　　表 1-2 液化石油氣（LPG）與二甲醚（DME）性質(zhì)對(duì)比</p><p><b>　　3 作為化工產(chǎn)品</b></

31、p><p>　　氟利昂曾廣泛用作氣霧劑的拋射劑，但會(huì)破壞大氣臭氧層。而二甲醚能在對(duì)流層快速降解，不會(huì)對(duì)臭氧層造成危害，現(xiàn)已取代氟氯烴用于各種氣霧劑產(chǎn)品。由于二甲醚是一種優(yōu)良的氣溶膠噴霧劑載體，在制造殺蟲劑、化妝品、日用化學(xué)品等方面被廣泛采用。</p><p>　　此外，二甲醚作為汽霧推進(jìn)劑還可單獨(dú)或作為主要成分用于日用化學(xué)品、噴塑、發(fā)泡和膠粘劑等領(lǐng)域。特別在高檔汽車噴漆、上蠟方面，由于二甲醚與

32、它們的混溶性好、噴灑的汽霧霧滴細(xì)小、致密、溶劑蒸發(fā)快，因而越來越顯示出二甲醚的優(yōu)越性。</p><p><b>　　4 作為化工原料</b></p><p>　　二甲醚是甲醇衍生產(chǎn)品之一，也是碳一化工的重要中間體[7]，可參與許多化工產(chǎn)品的合成，用于合成醋酐、醋酸乙酯，用于甲基化劑，合成藥物、農(nóng)藥、染料等[8]。</p><p>　　綜上所述，

33、二甲醚用途廣泛，可以代替柴油作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，可以代替液化石油氣作為民用液化燃料，也可以用二甲醚來生產(chǎn)乙烯、丙烯及其它的液態(tài)烴等。因此，大力發(fā)展二甲醚生產(chǎn)，可以有效緩解能源緊張，具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，是替代能源的一個(gè)重要的發(fā)展方向和有效途徑[9]。</p><p>　　1.1.3二甲醚的發(fā)展前景</p><p>　　二甲醚優(yōu)良的物理化學(xué)特性及二甲醚生產(chǎn)的大規(guī)模工業(yè)化，“二甲醚化學(xué)”概念的

34、應(yīng)運(yùn)而生，可以預(yù)見，二甲醚作為21世紀(jì)綠色新能源在未來的發(fā)展前景廣闊。針對(duì)我國“富煤，貧油，少氣”的能源特征，以煤基甲醇為原料發(fā)展二甲醚的工藝路線將得到廣闊市場;隨著我國燃料需求的不斷增長，技術(shù)路線的不斷突破，國家政策的導(dǎo)向也都為二甲醚作為替代燃料的市場創(chuàng)造了良好的條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國在2008年的二甲醚總需求量為120萬噸，并且需求量在不斷增加，預(yù)計(jì)到2020年國內(nèi)二甲醚的需求量將達(dá)到2000萬噸。</p><p&g

35、t;　　二甲醚作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的意義。今后二甲醚的應(yīng)用研究將集中在大力推廣二甲醚民用燃料，加速發(fā)展二甲醚燃料汽車的開發(fā)應(yīng)用，重視以二甲醚為氫源的燃料電池的研究，以二甲醚為原料的高附加值的下游產(chǎn)品的研究，開發(fā)出一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二甲醚下游產(chǎn)品，推動(dòng)我國二甲醚工業(yè)化進(jìn)程，對(duì)我國煤化工、能源化工、Cl化工的發(fā)展都具有十分重要的意義。</p><p>　　

36、1.2 國內(nèi)二甲醚市場簡況</p><p><b>　　1.2.1 現(xiàn)狀</b></p><p>　　中國DME生產(chǎn)起步較晚，但發(fā)展加快。1994年廣東中山化工廠建成2500噸/年DME生產(chǎn)裝置。此前，只有江蘇昆山化工廠有少量生產(chǎn)。2008年國內(nèi)陸續(xù)又有一些廠家投產(chǎn)DME，其中生產(chǎn)規(guī)模較大的有山東臨沂魯明化工有限公司、廣東中山精細(xì)化工實(shí)業(yè)有限公司、江蘇吳縣合成化工廠、

37、江蘇昆山化工原料廠、湖南雪納新能源有限公司﹑山東久泰科技股份有限公司及瀘天化公司等企業(yè)，年總產(chǎn)量已超過50萬噸。</p><p>　　我國DME的生產(chǎn)發(fā)展迅速。2002年全國DME總生產(chǎn)能力僅有3.18萬噸/年，產(chǎn)量約為2萬噸/年，開工率處于63％的較低水平。到2006年，發(fā)展到30多家生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)能力約48萬噸，產(chǎn)量約32萬噸，開工率67%。4年間能力和產(chǎn)量迅速增長，起年均增長率分別為79%和96%。<

38、;/p><p>　　1.2.2 國內(nèi)市場預(yù)測(cè)</p><p>　　第一，DME作為柴油替代燃料或摻燒汽油市場。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)柴油和汽油的需求量每年增長的幅度不斷加大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前柴油的需求量每年的速度增長為7%，2014年我國對(duì)進(jìn)口石油的依存度將超過55%。尤其是我國環(huán)保能源特別是潔凈車用燃料一直十分緊缺，因此發(fā)展清潔車用燃料成為我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展面臨的現(xiàn)實(shí)問題。DME作為柴油

39、替代能源在性能上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而作為汽油添加劑進(jìn)行摻燒在理論上證明可以提升汽油的品質(zhì)，且技術(shù)方面不存在難以克服的問題，因此這是一個(gè)普遍看好的市場。</p><p>　　第二，DME混烴燃料市場。目前我國液化氣年消費(fèi)量在3500萬～4000萬噸，每年約需進(jìn)口2000萬噸。DME作為超潔凈能源，與液化氣相比在性能上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。如果用DME替代進(jìn)口液化氣，將至少形成約2000萬噸／年的DME需求。</p&g

40、t;<p>　　第三，DME作為日用化工原料及化工中間體市場。DME除作為燃料以外，主要用于制氣霧劑、制冷劑和發(fā)泡劑。DME進(jìn)入這一市場的特點(diǎn)是附加值高，因而利潤空間極大。</p><p>　　純度大于95%的甲醚可作為液體石油氣替代燃料，若二甲醚能大規(guī)模地生產(chǎn)，顯著地降低成本，將能在國內(nèi)促進(jìn)二甲醚的消費(fèi)，目前己在部分地區(qū)使用二甲醚，但因技術(shù)經(jīng)濟(jì)上因生產(chǎn)規(guī)模太小而導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，影響其推廣應(yīng)用。我

41、國石油液化氣進(jìn)口量近年迅速增加，19%年進(jìn)口量為354.7萬噸，1998年達(dá)477萬噸，2005年進(jìn)口量達(dá)929萬噸，2010年達(dá)1460萬噸。因此二甲醚作為替代燃料的市場非常廣闊。</p><p>　　1.3 國外二甲醚市場簡況</p><p><b>　　1.3.1 現(xiàn)狀</b></p><p>　　目前世界上DME的生產(chǎn)主要集中在美國、德

42、國、荷蘭和日本等國，2006年世界總生產(chǎn)能力29.4萬噸/年，產(chǎn)量約22萬噸，開工率75%。</p><p>　　國外DME的主要生產(chǎn)廠家有美國的Dupont公司、荷蘭的AKZO公司、德國的DEA公司和 United Rhine Lignite Fuel 公司等，其中德國DEA公司的生產(chǎn)能力最大為6.5萬噸/年。</p><p>　　二甲醚作為一種新型、清潔的民用和車用燃料，被看作是柴油或

43、LPG/CNG的優(yōu)秀替代品，其作為燃料的市場血球增長將會(huì)非常驚人。2000年，全球有400萬輛LPG汽車，400萬輛乙醇汽車、100萬輛CNG汽車，還有部分甲醇汽車。以美國為例，2000年美國使用替代燃料（LPG和CNG）的汽車為42萬輛，2010年為330萬輛。</p><p>　　目前美國替代燃料消費(fèi)量折合當(dāng)量汽油約為100萬噸（352×106加侖當(dāng)量汽油），約占當(dāng)年全部燃料消費(fèi)量的0.2%。如果美

44、國代用燃料的比例提高到5%，起需求量將達(dá)到2500萬噸，可見替代燃料的市場前景是相當(dāng)可觀的[6]。</p><p>　　亞洲地區(qū)是世界上柴油消費(fèi)增長最快的地區(qū)，據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)分析，二甲醚作為替代燃料，2008年亞洲地區(qū)的年需求量為4000萬噸，可見，由于二甲醚具有其它替代燃料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為柴油的主要替代燃料，具有難以估量的市場前景。</p><p>　　由于二甲醚的市場需求潛力十

45、分巨大，在世界范圍內(nèi)，其建設(shè)已經(jīng)成為熱點(diǎn)項(xiàng)目，一些大型的二甲醚裝置已在積極籌建之中，這些項(xiàng)目2010建成投產(chǎn)新增二甲醚生產(chǎn)能力793萬～893萬噸。世界二甲醚總能力達(dá)到1082萬～1182萬噸</p><p>　　日本千代田和石川島播磨重工公司聯(lián)合為日本JEE控股公司進(jìn)行DME裝置工程設(shè)計(jì)，JEE公司是工程和鋼鐵控股公司，2002年由川崎鋼鐵和NKK公司聯(lián)合而成。JEE公司將在海外建設(shè)大規(guī)模DME裝置，于2006

46、年建成。該裝置將采用JEE工藝從合成氣間接生產(chǎn)DME。JEE工藝DME裝置可使用天然氣、烴類和生物質(zhì)作為原料。</p><p>　　1.3.2 國外市場預(yù)測(cè)</p><p>　　目前，世界上二甲醚的總生產(chǎn)能力約為700萬噸/年，主要生產(chǎn)廠家有杜邦公司，德國聯(lián)合萊因褐煤燃料公司，德國漢堡DMA公司，荷蘭阿克蘇公司，日本和我國臺(tái)灣省等。早期的二甲醚主要用作甲基化試劑用于生產(chǎn)硫酸二甲酷，1986

47、年西歐生產(chǎn)的約2萬噸二甲醚，有9000噸用于生產(chǎn)硫酸二甲酷。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，二甲醚在氣溶膠推進(jìn)劑方面的用量逐年增加，1990年歐洲生產(chǎn)的4.5噸二甲醚，其中約有3.5萬噸用于氣溶膠工業(yè)，其它用作中間體。目前世界二甲醚的產(chǎn)量約為600萬噸/年，2010年需求量突破1100萬噸/年。</p><p>　　當(dāng)前世界各國都在注重二甲醚作為替代燃料的研究，屆時(shí)二甲醚的需求量將大大增加。日本一個(gè)開發(fā)合成二甲醚技術(shù)的國

48、家計(jì)劃已經(jīng)展開，NKK公司、太平洋碳鋼公司和住友金屬工業(yè)公司將利用通產(chǎn)省提供的資金(18億日元)進(jìn)行相關(guān)的研究與開發(fā)工作，目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種方法通過用煤氣和最新開發(fā)的催化劑直接合成低成本的二甲醚。去年印度石油公司、煤氣權(quán)力公司和石油研究院已經(jīng)與阿莫科印度開發(fā)公司簽署了開發(fā)和銷售二甲醚作為多用途燃料的協(xié)議，使二甲醚商業(yè)化并提供技術(shù)，目前正著手可行性研究。阿莫科公司已與丹麥托普索公司（Haldor Topsoe）簽訂了進(jìn)一步開發(fā)二甲醚技術(shù)的協(xié)議

49、。最近日本有人撰文探討二甲醚作為清潔燃料替代柴油，對(duì)二甲醚的價(jià)格和燃料的性能跟柴油和汽油作比較，認(rèn)為直接合成二甲醚法在今后的實(shí)際應(yīng)用中沒有問題，且成本方面具有較大競爭力。美國的有關(guān)試驗(yàn)也證明，二甲醚作為柴油車燃料可以滿足嚴(yán)格的1988年美國加利福尼亞超低排放交通工具法規(guī)的要求，經(jīng)濟(jì)上也很合理。</p><p><b>　　1.4二甲醚的合成</b></p><p>　

50、　自然界里二甲醚并不存在，二甲醚的制備需要原料，早期的二甲醚的制備是從生產(chǎn)甲醇的副產(chǎn)物中回收再提純。現(xiàn)在既可以用煤作原料，也可以用天然氣由于我國的石油資源相對(duì)貧乏，開發(fā)用煤和天然氣為原料生產(chǎn)清潔燃料二甲醚非常適合我國的能源結(jié)構(gòu)，也是我國能源的優(yōu)化利用和能源及環(huán)境技術(shù)發(fā)展的大方向。生物質(zhì)能、石油等資源作原料合成，其中煤和天然氣是制備二甲醚較好的原料。</p><p>　　1.4.1液相甲醇脫水制二甲醚</p&

51、gt;<p>　　將甲醇與濃硫酸的混合物加熱至140℃，甲醇經(jīng)脫水醚化、堿洗、冷凝、壓縮、提純、再冷凝制得二甲醚。</p><p>　　CH3OH——→CH3HSO4——→CH3OCH3</p><p>　　該反應(yīng)的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低(130℃～160℃)、甲醇單程轉(zhuǎn)化率高(約90%)、選擇性好、可生產(chǎn)純度大于99.6%的二甲醚，可間歇和連續(xù)生產(chǎn)，投資相對(duì)較少，操作簡單。但采用

52、濃硫酸作催化劑，反應(yīng)在液相中進(jìn)行，同時(shí)生產(chǎn)CO、CO2、H2、CH4、C2H4等副產(chǎn)物。由于濃硫酸對(duì)甲醇的碳化作用嚴(yán)重，催化劑的使用周期短，脫水反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的廢液和廢水，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；中間體硫酸氫甲醋毒性較大，危害人體健康。種種不利因素限制了傳統(tǒng)工藝的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較小。</p><p>　　1.4.2氣相甲醇脫水制二甲醚</p><p>　　1965年，美國Mobil[10]公司

53、首先開展了以沸石為催化劑甲醇?xì)庀嗝撍啥酌训难芯浚诔合录状嫁D(zhuǎn)化率可達(dá)80%，對(duì)二甲醚選擇性可達(dá)98%。日本三井東亞化學(xué)公司開展了以A1203為催化劑的甲醇脫水制二甲醚的研究，成功研制出具有高反應(yīng)活性與壽命的催化劑γ-A1203，在甲醇脫水反應(yīng)中，甲醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)74.2%，二甲醚選擇性約99%。隨后1980s德國威斯林 DEA mineraloal開發(fā)了一種新工藝用于合成二甲醚(氣相催化法)，由1984年投入批量生產(chǎn)，1988年建

54、成第二條生產(chǎn)線，從而威斯林DEA mineraloal的生產(chǎn)能力達(dá)到5,500t/a。國內(nèi)對(duì)二甲醚的研究也取得進(jìn)展，我國西南化工研究院開發(fā)出的CM-3-1改性分子篩催化劑，二甲醚選擇性可達(dá)99.99%;中科院山西煤炭化學(xué)研究所將甲醇制二甲醚與分離精制工藝結(jié)合，該工藝可以生產(chǎn)燃料級(jí)與氣霧劑級(jí)二甲醚，得到的產(chǎn)品可以直接用于民用燃料[11]。</p><p>　　氣相甲醇脫水法[12]是從傳統(tǒng)的濃硫酸甲醇脫水法的基礎(chǔ)上

55、發(fā)展起來的。該工藝的基本原理如下，在固定床催化反應(yīng)器中，甲醇蒸汽通過固體酸性催化劑(氧化鋁或結(jié)晶硅酸鋁)，同時(shí)發(fā)生非均相反應(yīng)，甲醇分子在催化劑上發(fā)生脫水反應(yīng)生成二甲醚，甲醇脫水反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式如式(2)-(5)所示:</p><p>　　2CH3OH → CH3OCH3+H2O △H=—23.5KJ/Kmol</p><p><b>　　主要副反應(yīng):</b><

56、/p><p>　　CH3OH→CO+ H2</p><p>　　CH3OCH3 → CH4 + CO + H2</p><p>　　CO +H2O→CO2+ H2 △H= -41.2KJ/Kmol</p><p>　　1.4.3合成氣(CO+H2)一步法合成二甲醚</p><p>　　20世紀(jì)70年代中期，合成氣一步

57、制取二甲醚過程開始受到關(guān)注與研究。合成氣一步法以合成氣為反應(yīng)原料，在甲醇合成及甲醇脫水的雙功能催化劑上直接反應(yīng)生成二甲醚[13]。</p><p>　　該技術(shù)采用甲醇合成和甲醇脫水雙功能催化劑，使得兩個(gè)反應(yīng)步驟在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成。在合適的反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力下，合成氣原料通過催化劑床層，將反應(yīng)產(chǎn)物引入水吸收塔，其中二甲醚等易于溶于水的產(chǎn)物被水吸收，再進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精餾分離，在120～140℃、0.5～0.6MPa的

58、條件下二甲醚從塔頂經(jīng)冷卻分離后采出。</p><p>　　合成氣一步法制DME可分為兩相法和三相法。兩相法即氣相法，合成氣在固體催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)。三相法即淤漿法，又稱LPDME法，是合成氣在擴(kuò)散到懸浮于惰性溶劑中的催化劑表面反應(yīng)。合成氣一步法制DME特別是淤漿法已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　日本東京大學(xué)的Fujimoto等人[14]于1984年首次發(fā)表了采用兩種催化劑

59、由合成氣一步法制備DME的研究。由于合成氣制DME是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器不能很好滿足DME合成反應(yīng)的要求，而漿態(tài)床具有良好的傳熱性能，能夠避免催化劑表面過熱現(xiàn)象，提高催化劑的選擇性。美國空氣產(chǎn)品公司(AP)和化學(xué)品公司成功開發(fā)了淤漿反應(yīng)器，并完成了三相漿態(tài)床液相合成DME工業(yè)試驗(yàn)。該反應(yīng)器使得水蒸氣變換、甲醇合成與甲醇脫水三個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，從而提高了CO的單程轉(zhuǎn)化率。日本NKK公司也對(duì)三相漿態(tài)床液相合成DME進(jìn)行了大量研究

60、，并聯(lián)合CCUJ公司完成了中試裝置，該反應(yīng)采用H2/CO為原料氣，反應(yīng)溫度為250℃～320℃，反應(yīng)壓力為3.0MP～5.0MPa，取得較好結(jié)果。丹麥托普索公司開發(fā)了一套由天然氣直接合成甲醇和DME的裝置，采用銅基催化劑，CO轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%。</p><p>　　目前，我國合成氣直接制DME氣相法已基本工業(yè)化，其中三相淤漿法還處于試驗(yàn)開發(fā)階段，其研究工作工作仍在進(jìn)行。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所[15,16]對(duì)

61、合成氣制DME的催化劑和反應(yīng)工藝條件進(jìn)行了一系列的研究。在帶有磁力驅(qū)動(dòng)攪拌的漿態(tài)床反應(yīng)器中進(jìn)行試驗(yàn)，采用雙功能復(fù)合催化劑(銅基催化劑+酸性催化劑γ一A1203)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在原料氣H２/CO=2，CO２的含量為l～2%的條件下，反應(yīng)條件為200℃、4.OMPa、4500mL/(g·h)，當(dāng)m(催化劑):V(液體石蠟 )=1g/30ml，m(銅基催化劑):m(脫水催化劑)=3～5時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率可達(dá)60%，DME的選擇性為80～8

62、5%。</p><p>　　中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所[17,18]在固定床反應(yīng)器中，對(duì)合成氣一步制DME的催化劑和反應(yīng)的活性位進(jìn)行了研究，在銅基雙功能催化劑上，反應(yīng)條件為290℃、4.OMPa、1500h-1，在原料氣H2/CO為2、CO2含量為5%的條件下，CO的轉(zhuǎn)化率可達(dá)82.2%，DME的選擇性為96％。在銅基催化劑制備過程中添加ZrO2可提高催化劑的熱穩(wěn)定性，且對(duì)CO的轉(zhuǎn)化率和DME的選擇性無明顯影響

63、。</p><p>　　1.4.4 CO2加氫直接合成二甲醚</p><p>　　由于自然界中含豐富的CO2資源，因此人們開始關(guān)注由CO2催化加氫制含氧化合物的研究。但是，CO2加氫制甲醇的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，受熱力學(xué)平衡的限制，CO2轉(zhuǎn)化率難以達(dá)到較高值，所以人們開始考慮CO2加氫直接合成二甲醚，因?yàn)榇蚱屏薈O2加氫制甲醇的熱力學(xué)平衡，使CO2轉(zhuǎn)化率得以提高。</p><

64、p>　　一般地，CO2加氫合成二甲醚體系內(nèi)存在的反應(yīng)可以用以下三個(gè)獨(dú)立反應(yīng)表示:</p><p>　　CO2加氫合成甲醇的反應(yīng): CO2+3H2→CH3OH+H2O</p><p>　　甲醇脫水合成二甲醚: 2CH3OH→CH3OCH3+H2O</p><p>　　CO2與H2的逆水汽變換反應(yīng): CO2+ H2 →CO+ H2O </p>

65、<p><b>　　總的反應(yīng)為:</b></p><p>　　CO2加氫合成二甲醚的反應(yīng): 2 CO2+6H2→CH3OCH3+3H2O</p><p>　　早在1945年，IPatieff和Monroe就首次報(bào)道了Cu-Al催化劑上二氧化碳加氫合成甲醇的研究[19]。從此有很多催化劑體系被研究，研究較多的二氧化碳加氫合成甲醇催化劑Raney銅催化劑、負(fù)載性

66、貴金屬催化劑和銅基催化劑等，其中以銅基催化劑研究得最多，綜合性能最好。盡管關(guān)于銅基催化劑上甲醇合成的研究文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)，但是，仍然存在很多尚未解決的問題:一是CO2加氫合成甲醇是CO2直接合成還是通過CO間接合成；二是合成甲醇反應(yīng)的中間物種；三是對(duì)研究得最多的銅基催化劑的反應(yīng)活性中心說法不一。</p><p>　　二氧化碳加氫直接合成二甲醚可以充分利用二氧化碳制得有用的化學(xué)品，又可以解決二氧化碳的環(huán)境污染問題，對(duì)于

67、保證經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和實(shí)現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略均具有重要意義。</p><p>　　1.4.5生物質(zhì)合成二甲醚</p><p>　　我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，通過生物質(zhì)氣化合成氣一步法制取二甲醚具有高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。其主要過程如下:生物質(zhì)預(yù)處理、熱處理、氣體凈化、氣體重整、一步法二甲醚合成以及分離等。生物質(zhì)合成二甲醚所用原料便宜，為秸稈、樹枝等各種農(nóng)林廢棄物，如果在農(nóng)村加以推廣既解決了農(nóng)村秸稈直

68、接焚燒帶來的環(huán)境污染，又為農(nóng)村提供了廉價(jià)的清潔能源二甲醚。以生物質(zhì)為原料的生產(chǎn)工藝比以天然氣為原料的生產(chǎn)工藝制造成本低，主要是因?yàn)樯镔|(zhì)原料價(jià)格低廉，但生物質(zhì)制造二甲醚工藝的缺點(diǎn)在于生物質(zhì)能量密度低，需要有合適的收集半徑，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，原料的收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的費(fèi)用將大大增加，從而使二甲醚的制造成本大大增加，因此從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，目前只能在中等的規(guī)模上具備競爭力，若能培育和種植高能能源作物，則有望擴(kuò)大利用的規(guī)模。</p>

69、;<p><b>　　1.5 技術(shù)比較</b></p><p>　　目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的二甲醚裝置基本上為兩步法生產(chǎn)工藝, 對(duì)于氣相法和液相法兩種工藝, 各有其優(yōu)勢(shì)和不足。</p><p><b>　　1）液相法優(yōu)勢(shì)</b></p><p>　　液相法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)溫度低（120℃-170℃），甲醇在反應(yīng)器中

70、的單程轉(zhuǎn)化率比氣相法高，達(dá)95%以上。這樣循環(huán)的甲醇量少，理論上可減少一定的蒸汽消耗。但是，反應(yīng)溫度低造成了脫水反應(yīng)的反應(yīng)速度慢，反應(yīng)器的容積大，單臺(tái)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力低，大型化需多臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)，明顯增加了裝置投資。其次，為了保證較低反應(yīng)溫度，反應(yīng)只能在常壓下進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物在降溫后氣相中的二甲醚要從常壓壓縮到0.9MPa以上，不僅增加了壓縮系統(tǒng)的投資，還使電力消耗大幅提高，每噸產(chǎn)品的電力消耗在100kWh以上。因此投資高、能耗高是液相法的

71、缺點(diǎn)。</p><p><b>　　2）氣相法的優(yōu)勢(shì)</b></p><p>　　氣相法是目前國內(nèi)外使用最多的二甲醚工業(yè)生產(chǎn)方法。其特點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠、投資低、產(chǎn)品調(diào)整靈活、工藝簡單、生產(chǎn)成本低。迄今國內(nèi)外已建和擬建的大型二甲醚生產(chǎn)裝置大多采用氣相法。目前采用西南化工研究設(shè)計(jì)院和四川天一科技股份有限公司等單位技術(shù)建設(shè)的氣相法二甲醚生產(chǎn)裝置已有數(shù)十套，總產(chǎn)能已超過千萬噸

72、，且裝置規(guī)模正日益趨向大型化。</p><p>　　氣相法催化劑常選用固體酸性材料，主要包括γ-Al2O3催化劑、硅鋁催化劑、沸石分子篩及負(fù)載雜多酸等。反應(yīng)條件為0.5MPa-1.5MPa、230℃-400℃。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有絕熱式固定床、換熱式固定床、多段冷激式固定床和等溫管式固定床等。甲醇經(jīng)氣化在換熱器中與反應(yīng)器出來的反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進(jìn)入反應(yīng)器中進(jìn)行氣相催化脫水反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)換熱后、用循環(huán)水冷卻冷凝,粗產(chǎn)物經(jīng)分離

73、后可得到純度為99%-99.99%的二甲醚產(chǎn)品，甲醇單程轉(zhuǎn)化率60%-85%，二甲醚選擇性95%-99.5%。</p><p>　　隨著二甲醚生產(chǎn)規(guī)模和裝置規(guī)模的擴(kuò)大，新型高效催化劑的開發(fā)越來越重要。</p><p>　　作為純粹的DME生產(chǎn)裝置而言，表1-3中列出了3種不同生產(chǎn)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通過比較表中的數(shù)據(jù)可以看出，由合成氣一步法制DME的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)較硫酸法和甲醇脫水法為低，因而

74、使用合成氣一步法制DME具有明顯的競爭性。但相對(duì)其它兩類方法，目前該方法正處于工業(yè)放大階段，規(guī)模比較小，另外，它對(duì)催化劑、反應(yīng)壓力要求高，產(chǎn)品的分離純度低，二甲醚選擇性低，這都是需要研究解決的問題。</p><p>　　表1-3二甲醚各種生產(chǎn)方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較</p><p>　　1.6工藝技術(shù)的選擇</p><p>　　二甲醚裝置是將甲醇裝置的精甲醇在催化劑的作用下

75、進(jìn)行脫水反應(yīng)生成二甲醚，然后經(jīng)過精鎦生產(chǎn)出精二甲醚，送罐區(qū)貯存待售。二甲醚為本項(xiàng)目的最終產(chǎn)品。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用甲醇?xì)庀嗝撍呋ㄖ艱ME，相對(duì)液相法，氣相法具有操作簡單，自動(dòng)化程度較高，少量廢水廢氣排放，排放物低于國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，DME 選擇性和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該法也是目前國內(nèi)外生產(chǎn)DME的主要方法。采用氣相甲醇催化脫水合成二甲醚，粗二甲醚液體經(jīng)過精餾生產(chǎn)出精二甲醚，其技術(shù)特點(diǎn)如下：&

76、lt;/p><p>　　采用新型高效甲醇合成反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)件為固定床帶內(nèi)部盤管為冷卻介質(zhì)，以控制合適的二甲醚反應(yīng)溫度，比徑向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，投資省。</p><p>　　采用合適的二甲醚反應(yīng)溫度溫度控制，提高了二甲醚單程轉(zhuǎn)化率，減少副產(chǎn)品的生成，提高了催化劑使用壽命。</p><p>　　本設(shè)計(jì)對(duì)于二甲醚合成反應(yīng)采用的催化劑是CNM-3型催化劑。</p>

77、<p>　　氣相甲醇脫水法是從傳統(tǒng)的濃硫酸甲醇脫水法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其基本原理是將甲醇蒸汽通過固體酸性催化劑，發(fā)生非均相反應(yīng)脫水生成二甲醚。它是一種操作簡便、可連續(xù)生產(chǎn)的工藝方法。氣化甲醇脫水合成二甲醚的工業(yè)生產(chǎn)流程主要包括氣化段、合成段和分離段。其工藝原則流程是甲醇經(jīng)換熱變?yōu)榧状颊羝?，進(jìn)入反應(yīng)器。氣相甲醇在150℃常壓下，在固定床催化反應(yīng)器中進(jìn)行甲醇脫水反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入精餾塔進(jìn)行分離提純。在0.1-0.6MPa下精餾

78、，二甲醚由塔頂采出：塔底甲醇和水進(jìn)入汽提塔，在常壓下得到分離，回收的甲醇循環(huán)使用。其工藝生產(chǎn)過程包括甲醇預(yù)熱、蒸發(fā)、甲醇脫水、甲醚冷卻、粗甲醚精餾等。從反應(yīng)器出來的氣體含有二甲醚、未反應(yīng)的甲醇、水等物質(zhì)，它們都是以氣體形式存在。在進(jìn)入分離塔之前，要將氣體冷卻成液體或氣液兩相共存。三組分的混合體系，至少要采用兩個(gè)精餾塔，即一個(gè)二甲醚精餾塔和一個(gè)甲醇回收塔來將三種物質(zhì)分離。本文主要是對(duì)二甲醚反應(yīng)器，二甲醚精餾塔，甲醇精餾塔進(jìn)行物料衡算及甲醇

79、精餾過程的模擬。</p><p>　　1.7本課題研究內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)是利用氣相甲醇脫水法合成二甲醚。該合成反應(yīng)是以甲醇為主要原料，在CNM-3型等二甲醚合成催化劑的存在條件下進(jìn)行。其基本原理是將甲醇蒸汽通過固體酸性催化劑，發(fā)生非均相反應(yīng)脫水生成二甲醚。它是一種操作簡便、可連續(xù)生產(chǎn)的工藝方法。</p><p>　　氣化甲醇脫水合成二甲醚的工業(yè)生產(chǎn)流程

80、主要包括氣化段、合成段和分離段。本設(shè)計(jì)的主要工作將圍繞分離段開展。從反應(yīng)器出來的氣體含有二甲醚、未反應(yīng)的甲醇、水等物質(zhì)，它們都是以氣體形式存在。在進(jìn)入分離塔之前，要將氣體冷卻成液體或氣液兩相共存。三組分的混合體系，至少要采用兩個(gè)精餾塔，即一個(gè)二甲醚精餾塔和一個(gè)甲醇回收塔來將三種物質(zhì)分離。此外，二甲醚精餾塔塔底產(chǎn)品是甲醇水溶液，但是此部分的水含量很高。為了節(jié)省資源和減少成本，對(duì)其中的甲醇進(jìn)行回收再利用。所以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精餾操作，提純甲醇，然

81、后經(jīng)過一系列換熱設(shè)備后進(jìn)入原料儲(chǔ)罐，實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。</p><p>　　本設(shè)計(jì)將主要圍繞二甲醚精餾系統(tǒng)塔底餾分甲醇的回收提純，開展對(duì)甲醇精餾塔的一系列初步的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要有塔體、塔板尺寸計(jì)算以及進(jìn)料管的選型等。</p><p>　　第2章 物料和能量衡算</p><p>　　工藝設(shè)計(jì)中，物料衡算是在工藝流程確定后進(jìn)行的。目的是在根據(jù)原料與產(chǎn)品之間的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，

82、計(jì)算原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)量，生產(chǎn)過程中各階段的消耗量以及組成，進(jìn)而為熱量衡算、其他工藝計(jì)算及設(shè)備計(jì)算打基礎(chǔ)。</p><p>　　物料衡算是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)對(duì)物料平衡進(jìn)行計(jì)算。物料平衡是指“在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)（體系）的物料質(zhì)量必定等于離開該系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量再加上損失掉和積累起來的物料質(zhì)量”。</p><p>　　下面是年產(chǎn)25萬噸二甲醚精餾系統(tǒng)的物料衡算，其

83、流程在第1章中介紹過，這里就不再詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　各股物料組成見下表（數(shù)據(jù)采用工廠實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)）（組成均為摩爾分?jǐn)?shù)）</p><p>　　表2-1 各股物料組成</p><p><b>　　b）操作制度</b></p>

84、<p>　　日操作小時(shí)： 24h</p><p>　　年操作小時(shí)： 8000h</p><p>　　操作制度： 三班連續(xù)生產(chǎn)</p><p>　　c）本設(shè)計(jì)過程中所有原始數(shù)據(jù)均來自于工廠實(shí)際生產(chǎn)線；本設(shè)計(jì)中的流程較實(shí)際生產(chǎn)流程的簡易一些，但是足以能夠反映現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)狀況。</p><p><b>　　2.2物料衡算<

85、/b></p><p>　　由年產(chǎn)25萬噸二甲醚可得:</p><p>　　又因粗產(chǎn)品中的二甲醚的回收率不低于99%，此處取99.11％可得</p><p>　　所以反應(yīng)器生成的二甲醚量為F=684.202kmol/h。</p><p><b>　　2.2.1反應(yīng)器</b></p><p>

86、　　圖2.1反應(yīng)器物流簡圖</p><p>　　2CH30H → CH3OCH3 + H2O</p><p>　　前已述及本反應(yīng)采用的催化劑為CNM-3型催化劑，取該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為80％（考慮過程的損耗，按75％粗略估算）。</p><p>　　則進(jìn)入反應(yīng)器甲醇的量為</p><p>　　催化劑床層體積的計(jì)算：</p>

87、<p>　　進(jìn)入反應(yīng)器的物料總量為1822.318，設(shè)給定空速，所以，催化劑床層面積</p><p>　　表2-2 反應(yīng)器進(jìn)出物料及各組分的量</p><p><b>　　續(xù)表2-2</b></p><p>　　2.2.2二甲醚精餾塔</p><p>　　因?yàn)槎酌咽潜驹O(shè)計(jì)的主要產(chǎn)品，二甲醚純度的高低直接關(guān)

88、系到二甲醚生產(chǎn)工藝的優(yōu)劣。二甲醚純度的高低不僅與反應(yīng)情況有關(guān)，而且和二甲醚精餾塔的操作狀況直接相關(guān)。</p><p>　　表2-3 二甲醚精餾塔物料衡算</p><p>　　2.2.3甲醇精餾塔</p><p>　　圖2.3甲醇精餾塔物流簡圖</p><p>　　表2-4 甲醇精餾塔物料衡算</p><p><b

89、>　　2.3能量衡算</b></p><p><b>　　2.3.1反應(yīng)器</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)，在物料的進(jìn)料溫度為33℃，出反應(yīng)器的溫度為310℃，基準(zhǔn)溫度取20℃,由物性手冊(cè)[20]查的甲醇、二甲醚、水的比熱容分別為：</p><p>　　Cp1=2.49kJ/（kg/℃） Cp2=2.25 kJ/

90、（kg/℃） Cp3=4.175kJ/（kg/℃）</p><p>　　原料氣反應(yīng)前帶入熱量：</p><p>　　Q1=(5.071×2.25×46+1811.02×2.49×32+6.014×4.175×18)×(310-20)</p><p>　　=4.213×107kJ

91、/h</p><p>　　反應(yīng)后氣體帶走熱量：</p><p>　　Q2=(452.004×2.49×32+684.202×2.25×46+685.478×4.175×18)×(310-20)</p><p>　　=4.592×107kJ/h</p><p>&l

92、t;b>　　反應(yīng)放出熱量QR：</b></p><p>　　反應(yīng)式2CH3OH→CH3OCH3+H2O+23.45kJ/mol</p><p>　　改寫為CH3OH—1/2CH3OCH3+l/2H2O+11.72kJ/mol取轉(zhuǎn)化率75%，</p><p>　　則反應(yīng)熱：QR=11.72×75%×1811.02=1.592

93、15;107kJ/kmol</p><p><b>　　熱量損耗Q3：</b></p><p>　　熱量損耗主要體現(xiàn)在絕熱效果上，若保溫?zé)釗p失忽略不計(jì)，則Q3=0</p><p>　　傳給換熱物質(zhì)的熱量QC：</p><p>　　QC=Q1+QR-Q2-Q3=1.213×107 kJ/h</p>

94、<p>　　2.3.2二甲醚精餾塔</p><p><b>　　1 進(jìn)料溫度的計(jì)算</b></p><p>　　設(shè)泡點(diǎn)溫度為進(jìn)料溫度</p><p>　　(1) 已知體系總壓強(qiáng)P總=11bar</p><p>　　物料飽和液體進(jìn)料，故進(jìn)料的泡點(diǎn)溫度為進(jìn)料溫度。</p><p><b

95、>　　(2) 安托因公式</b></p><p>　　㏑Pis=A-B/(T+C) (Pis:：mmHg，T：K)</p><p>　　查《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)》見下頁表3-2</p><p>　　DME： ln Pis，DME=16.8467-2361.44/（T-17.10）</p><p>　　CH3OH：㏑Pi

96、s，CH3OH=18.5875-3626.55/（T-34.29）</p><p>　　H2O： ㏑Pis，H2O=18.3036-3816.44/（T-46.13）</p><p>　　表2-5 安托因公式數(shù)據(jù)表</p><p>　　(3) 采用試差法，利用vb編程計(jì)算</p><p>　　壓力不太高，按完全理想系計(jì)算，Ki= Pis

97、/P</p><p>　　采用順序結(jié)構(gòu)程序如下</p><p>　　Private Sub Command1_Click()</p><p>　　Dim p1!, p2!, p3!, k1!, k2!, k3!, T!, s!, x1!, x2!, x3!</p><p>　　T = 344.79</p><p>　　

98、x1 = 0.3989</p><p>　　x2 = 0.1995</p><p>　　x3 = 0.4016</p><p>　　p1 = Exp(16.8467 - 2361.44 / (T - 17.1))</p><p>　　p2 = Exp(18.5875 - 3626.55 / (T - 34.29))</p>&l

99、t;p>　　p3 = Exp(18.3036 - 3816.44 / (T - 46.13))</p><p>　　k1 = p1 / 6750</p><p>　　k2 = p2 / 6750</p><p>　　k3 = p3 / 6750</p><p>　　s = k1 * x1 + k2 * x2 + k3 * x3</

100、p><p><b>　　Print s</b></p><p>　　Print k1; k2; k3</p><p><b>　　End Sub</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果見右圖</b></p><p><b>　　圖2.4：VB

101、編程</b></p><p>　　結(jié)果：在344.79K,即71.89℃時(shí), ∑Kixi≈1，所以進(jìn)料溫度為71.89℃。</p><p>　　2 二甲醚精餾塔能量衡算</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行的是甲醇精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，所以本衡算利用ASPENPLUS軟件中的DSTWU模塊進(jìn)行簡捷模擬。</p><p>　　圖2.5

102、： 二甲醚精餾的ASPENPLUS模擬</p><p>　　DSTWU模擬結(jié)果見表2-6～8</p><p>　　表2-6二甲醚精餾塔模擬結(jié)果</p><p>　　表2-7 二甲醚精餾塔質(zhì)量能量衡算</p><p>　　表2-8二甲醚精餾塔熱量和物料平衡表</p><p><b>　　由上表可知：</b

103、></p><p>　　再沸器需要提供的能量為：69.797Gcal/h</p><p>　　冷凝器需要移除的能量為：32.470Gcal/h</p><p>　　進(jìn)料的總能量Q1=103.47911與出料的總能量Q2=102.26649相差不大，所以符合守恒規(guī)律。</p><p>　　2.3.3甲醇精餾塔</p><

104、;p>　　圖2.6甲醇精餾塔的Aspen plus模擬</p><p>　　DSTWU模擬結(jié)果：</p><p>　　DSTWU模擬主要為了確定精餾塔塔板數(shù)目和進(jìn)料板位置，主要目的是為下一步進(jìn)行RADFRAC嚴(yán)格模擬提供依據(jù)，具體數(shù)值見下表3-1。</p><p><b>　　表3-1精餾塔配置</b></p><p&

105、gt;　　RadFrac模擬結(jié)果：</p><p>　　在上面DSTWU模擬的基礎(chǔ)上，可知塔板總數(shù)為22塊，進(jìn)料板為第19塊，實(shí)際回流比為1.5?；诖藨?yīng)用RadFrac模塊模擬，該模擬是對(duì)精餾塔流程進(jìn)行的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪M計(jì)算，其結(jié)果精準(zhǔn)可信。其模擬的主要結(jié)果，包括物料衡算以及能量衡算見下表3-2。</p><p>　　表3-2RadFrac模擬能量和物料衡算 </p><p

106、>　　由上表數(shù)據(jù)可以知道甲醇精餾塔塔頂冷凝器吸收的熱量為25.038Gcal/h，塔底再沸器提供的能量為45.682Gcal/h。</p><p>　　下面的結(jié)果主要是甲醇精餾塔各塔板溫度和組成的分布，其中組成包括氣相和液相的摩爾分?jǐn)?shù)以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組成，方便下一章進(jìn)行塔設(shè)備計(jì)算。主要為第3章的甲醇平均摩爾質(zhì)量，表面張力，密度等計(jì)算。</p><p>　　由于模擬軟件的結(jié)果表示方法將占

107、用極大篇幅，所以在下面我將其描繪成折線圖表進(jìn)行表述，較為清晰直觀，見圖7-11。</p><p>　　圖2.7 塔板溫度曲線圖</p><p>　　圖2.8塔板氣相組分摩爾分曲線數(shù)</p><p>　　圖2.9 塔板氣相組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖</p><p>　　圖2.10 塔板液相組分摩爾分?jǐn)?shù)曲線圖</p><p>　　

108、圖2.11塔板液相組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖</p><p>　　以上折線圖中數(shù)據(jù)，第3章將直接引用，不再另述。</p><p>　　第3章 精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求：（

109、1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備取材面廣等。</p><p>　　塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，選擇時(shí)應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步較早，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于放大等特點(diǎn)。</p><p>　　填料塔由填料、塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。填料分規(guī)整填料和散

110、裝填料兩大類。塔內(nèi)件有不同形式的液體分布裝置、填料固定裝置或填料壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布裝置及氣體分布裝置等。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.1精餾塔全塔物料摩爾質(zhì)量</p><p>　　1 甲醇的摩爾質(zhì)量：MA＝32kg/kmol</p><p>

111、;　　水的摩爾質(zhì)量： MB＝18kg/kmol</p><p>　　2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量</p><p>　　3.2最小回流比和塔板數(shù)的確定</p><p>　　由Aspen Plus 中DSTWU模塊模擬，結(jié)果如下</p><p><b>　　最小回流比：</b></p>&l

112、t;p><b>　　實(shí)際回流比：</b></p><p><b>　　實(shí)際塔板數(shù)：22</b></p><p><b>　　進(jìn)料板：19</b></p><p>　　3.3精餾塔有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算</p><p>　　3.3.1平均溫度計(jì)算</p><

113、p>　　利用圖2.7中數(shù)據(jù)得tF＝109.8℃ tD＝66.7℃ tW＝131.9℃</p><p><b>　　精餾段平均溫度： </b></p><p><b>　　提餾段平均溫度：</b></p><p>　　3.3.2平均密度計(jì)算</p><p>　　已知混合液密度： (為質(zhì)量分率

114、，為平均相對(duì)分子質(zhì)量)</p><p><b>　　混合氣密度：</b></p><p><b>　　精餾段 </b></p><p>　　利用圖2.8和圖2.10中的數(shù)據(jù)，求得精餾段平均摩爾分?jǐn)?shù)為：</p><p>　?。?）提餾段 ℃</p><p>　　利用圖2.