【正文】 （1）23CO H 9014 kJ/mol??＝水煤氣變換反應(yīng) （2）22 /l?甲醇脫水反應(yīng) （3）332C O 314kJ /ol?在該反應(yīng)體系中，由于甲醇合成反應(yīng)和脫水反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，使得甲醇一經(jīng)生成即被轉(zhuǎn)化為 DME，從而打破了甲醇合成反應(yīng)的熱力學(xué)平衡限制，使 CO 轉(zhuǎn)化率比兩步反應(yīng)過(guò)程中單獨(dú)甲醇合成反應(yīng)有顯著提高。該工藝生產(chǎn)純度 %的 DME 產(chǎn)品, 用于一些對(duì) DME 純度要求不高的場(chǎng)合。二甲醚市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，因此對(duì)二甲醚的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究很有必要。在未來(lái)十年里，DME作為燃料的應(yīng)用將有難以估量的潛在市場(chǎng)，其應(yīng)用前景十分樂(lè)觀。DME 因其良好的理化性質(zhì)而被廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥和制冷等行業(yè)，近幾年更因其燃燒效果好和污染少而被稱(chēng)為“清潔燃料”，引起廣泛關(guān)注。五、學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件：課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一本帶控制點(diǎn)的工藝流程圖一套（要求手工繪制 2圖紙）六、主要參考文獻(xiàn)（資料）： 《化工設(shè)計(jì)》王靜康主編 1995 年版 化學(xué)工業(yè)出版社出版 《化工原理》 （上、下） 2022 年版天津大學(xué)化工原理教研室編 天津科學(xué)技術(shù)出版社出版3． …………專(zhuān)業(yè)班級(jí) 化工工藝 學(xué)生 王歲兵 要求設(shè)計(jì)工作起止日期 2022 年 11 月 25 日 至 2022 年 5 月 5 日 指導(dǎo)教師簽字 日期 教研室主任簽字 日期 系主任批準(zhǔn)簽字 日期 年產(chǎn) 40 萬(wàn)噸二甲醚工藝設(shè)計(jì) 摘 要 作為 LPG 和石油類(lèi)的替代燃料，目前二甲醚(DME)倍受注目。與我一同完成畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 的同學(xué)對(duì)本課題所做的任何貢獻(xiàn)均已在文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。目前生產(chǎn)的二甲醚基本上由甲醇脫水制得，即先合成甲醇，然后經(jīng)甲醇脫水制成二甲醚。國(guó)內(nèi)外正在積極開(kāi)發(fā)它在冰箱、空調(diào)、食品保鮮劑等方面的應(yīng)用，以替代氟里昂。 與 H2S 反應(yīng)制備二甲基硫醚。（5）催化蒸餾法。 氣相甲醇脫水法制二甲醚 氣相甲醇脫水法是甲醇蒸氣通過(guò)分子篩催化劑催化脫水制得 DME。它可直接利用 CO 含量高的煤基合成氣，還可在線(xiàn)卸載催化劑。目前,世界上有不少?lài)?guó)家正在開(kāi)發(fā) CO2 加氫制 DME 的催化劑和工藝，但都處于探索階段。由于 H2SO4具有強(qiáng)腐蝕性, 而且甲醇與水等同處于液相中, 因此, 該法的工業(yè)化前景一般。同時(shí)該法也是目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn) DME 的主要方法 [2]。第3章 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)計(jì)算 物料衡算將原料及產(chǎn)品規(guī)格換算成摩爾分率，即原料：甲醇含量≥％，水含量≤％產(chǎn)品：DME≥％,甲醇含量≤％，水含量≤％要求年產(chǎn) 40 萬(wàn)噸二甲醚，則每小時(shí)應(yīng)生產(chǎn)二甲醚的量為： 40150/??又因產(chǎn)品二甲醚回收率為 ％，則 ..F?％則反應(yīng)器生成二甲醚量為： Fx=反應(yīng)器應(yīng)加入甲醇量為： ??％ ％甲醇原料進(jìn)料量： .按化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算反應(yīng)器出口氣體中各組分量甲醇 ??水含量 097138?計(jì)算結(jié)果列表如下表 物料衡算表組分進(jìn)料 F0/(koml/h)進(jìn)料 qm0/(kg/h)出料 F/(koml/h)出料 qm/(kg/h)二甲醚 0 0 甲醇 水 合計(jì) 計(jì)算催化劑床層體積進(jìn)入反應(yīng)器的氣體總量 Ft0=，給定空速 Sv=5000h1，所以，催化劑床層體積 VR為：3 ??? 反應(yīng)器管數(shù)反應(yīng)器管數(shù) n 擬采用管徑為 Ф27，故管內(nèi)徑 d=，管長(zhǎng) 6m，催化劑充填高度 L 為 ，所以： ().4RVpd???采用正三角形排列，實(shí)際管數(shù)取 5750 根 熱量衡算基準(zhǔn)溫度取 298K,由物性手冊(cè)查的在 280℃下二甲醚（1）、甲醇（2）、水（3）的比熱容、粘度、熱導(dǎo)率分別為: Cp1=（kg/℃） CP2= kJ/（kg/℃） CP3= kJ/（kg/℃） μ 1=105pa μ 2=105pa μ 3=105pa λ 1=(m2 k) λ 2= w/(m2 k) λ 3=(m2 k)? ? ?則原料氣帶入熱量Q1=(+)() =107kJ/h反應(yīng)后氣體帶走熱量Q2=(++)() =107kJ/h反應(yīng)放出熱量QR=11770=107 kJ/h傳給換熱物質(zhì)的熱量 QCQC=Q1+QRQ2=106 kJ/h核算換熱面積，床層對(duì)壁給熱系數(shù)按式計(jì)算 ()exp(4.)fppttf tdGda????(mh)(.)4?????????????％ ％ ％?????....?????％ ％ ％ 2089w/(mk).3Jh??所以 ()exp(46)02ta???2176 kJ/mh??查得碳鋼管的熱導(dǎo)率?=(m h k)，較干凈壁面污垢熱阻 Rst=105 (m?h k)/ kJ，代入總傳質(zhì)系數(shù) Kt的計(jì)算式，得? 0 511 2341. kJ/(mh). ttsttmKdRaa? ????? ?????整個(gè)反應(yīng)器床層可近似看成恒溫，均為 ，則傳熱推動(dòng)力 t? ()() .6K2mt?????需要傳熱面積為： 627. .=CtmQAK??需實(shí)際傳熱面積 t ?實(shí)A 實(shí) A 需 ，能滿(mǎn)足傳熱需求。這樣塔頂、塔底的公用工程就可以分別用冷凝水和中壓（1015kgf/cm 2）蒸 汽來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ls采用雙塔精餾進(jìn)行甲醚分離，則該塔精餾段、提餾段汽液相體積流率為： ?39。?則 .?????故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 液沫夾帶液沫夾帶量由下式計(jì)算，即 ?????????????故 32374001/kg01/ ...?????????液 氣 液 氣故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量 在允許范圍內(nèi)。39。(1.).??????????故 22/ ssVL? 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè) Ls依上式計(jì)算出 Vs計(jì)算結(jié)果列于表 46表 液泛線(xiàn)Ls，m 3/s 0 Vs，m 3/s 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線(xiàn)（5）根據(jù)以上各線(xiàn)方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖所示精 餾 塔 負(fù) 荷 性 能 圖0123456780 Vs圖 篩板塔的負(fù)荷性能圖在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn) A，連接 OA，即作出操作線(xiàn)，由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為液漏控制，由上圖查得 ,?,?故操作彈性為 ,? 精餾塔接管尺寸計(jì)算 塔頂蒸氣出口管的直徑操作壓力不大時(shí)，蒸氣導(dǎo)管中常用流速為 12~20 m/s，蒸氣管的直徑為 ，其中4sVdu??塔頂蒸氣導(dǎo)管內(nèi)徑 m 塔頂蒸氣量 m3/s，取 ，則Vds 12/sVu? ??查表取 5.? 回流管的直徑塔頂冷凝器械安裝在塔頂平臺(tái)時(shí)，回流液靠重力自流入塔內(nèi)，流速 可取Ru~ m/s。 +. 19kmol/h? 求操作線(xiàn)方程精餾段操作線(xiàn)方程為 （a）1 n1270914x560x422DnnRx..y ..??????提餾段操作線(xiàn)方程 （b）39。1TE??提 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 操作壓力的計(jì)算 塔頂操作壓力 ?每層塔板壓降 7?進(jìn)料板壓力 .???F塔底壓力 2310W?P精餾段平均壓力 )..(m提餾段平均壓力 ??’ 操作溫度計(jì)算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中甲醇、水的飽和蒸氣壓由安托尼方程計(jì)算。 0./sL由 式中的 C 由式 計(jì)算，其中 由史密斯關(guān)聯(lián)圖 [8]查maxLVuC??()L??20C取，圖的橫坐標(biāo)為： 1/2 1/????????????????取板間距 ，板上液層高度 ，=.6mLh=查史密斯關(guān)聯(lián)圖得 =..C.??????????取安全系數(shù)為 ，則空塔氣速為：????按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D=塔截面積為： ???實(shí)際空塔氣速為： ./su提餾段塔徑計(jì)算提餾段的氣、液相體積流率為： ????采用雙塔精餾，進(jìn)行甲醇分離，則 39。39。).153().6du??? ??? ??TWh??故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。841()wdEl??將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得 39。39。 c=.5,? 開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積 按式 計(jì)算aA221sin80arxx?????????其中 m64.)(3.)(2x?????故 22 ??? ???? ?? ? 篩孔計(jì)算及排列本設(shè)計(jì)所處理的物系無(wú)腐蝕性，可選用 碳鋼板，取利孔直徑3m??m50?d篩孔按正三角形排列，取孔中心距 t 為：m1530??dt篩孔數(shù)目 n 為：個(gè)022...96135At開(kāi)孔率為： %.22???????????????td?氣體通過(guò)閥孔的氣速為： s/?AVus 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算 塔板壓降 干板阻力 hc計(jì)算干板阻力 由式 計(jì)算????????由 ，查干篩孔得流量系數(shù)圖 [6]得， ??d ?c故 . ???????????ch 氣體通過(guò)液層的阻力 h1計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力 由式 計(jì)算L? ???1/21/()F?查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得 ?液柱036.).(.)(1 ??????OWh? 液體表面張力的阻力 hσ 計(jì)算液體表面張力的阻力 可按式 計(jì)算，即?0Lgd?? ????gdhL??氣體通過(guò)沒(méi)層塔板的液柱高度 hp可按下式計(jì)算，即 液柱 08..???hcP氣體通過(guò)每層塔板的壓降為： （設(shè)計(jì)允許值）?????? 液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 降液管底隙高度 h0039。.0./ 平均密度計(jì)算 氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算平均密度：精餾段氣相平均密度 3m/)(????mVVRTMP?提餾段氣相平均密度 39。 ?????? mmm 采用逐板法求理論板層數(shù)由 得 qqxy=1+()?y)(??將 = 代入得相平衡方程 （c）)(x???聯(lián)立（a） 、 （b） 、 （c）式，可自上而下逐板計(jì)算所需理論板數(shù)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分加回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。.153/()wclh? 2/3639。 塔板負(fù)荷性能圖 漏液線(xiàn)由 0,min0()/LVCh?????=0,min?,i0SVALWOh??= 2/()10hwEl得 2/3,min0 .84{.[()]}/0hs wLVwVCAhEl??? =..93?? 2/{0561[1()]0.}???整理得 2/3,min.. sVL?在操作數(shù)據(jù)內(nèi)，任取幾個(gè) 值，依上式計(jì)算出 值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 4SSV表 漏液線(xiàn) Ls，m 3/s 0 Vs，m 3/s 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線(xiàn)（1） 液沫夾帶線(xiàn)以 = 液/kg 氣為限，求 關(guān)系如下vesVL由 ()avLTfuHh????..Ssa sTfVuA?()fLwoh??==oh2/32/????????故 2/32/() ss??? / / s sHh ?????????整理得 =SV2/?在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果于表 45由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線(xiàn)（2）表 液沫夾帶線(xiàn) 液相負(fù)荷下限線(xiàn)對(duì)于平直堰，取堰上液層高度 = 作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。查塔板分塊表得，塔板分為 6 塊。各項(xiàng)計(jì)算如下： 堰長(zhǎng) Lw取 Wl==19m? 溢流堰高度 hw由 LOh?選用平直堰，堰上液層高度 ???????近似取 E=1，則 2/==.86m19OWh???????故 . 弓形降液管寬度 Wd和截面積 Af由 =查弓形降液管的參數(shù)圖 [6]，得 .故 2=0..??208dWD?依式 驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即36fThAHL?0fh?.???故降液管設(shè)計(jì)合理。計(jì)算結(jié)果如下：塔頂溫度 38DtC??進(jìn)料板溫度 9F塔底溫度 ?精餾段平均溫度 (38)/???提餾段平均溫度 C? 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂