【正文】 萬噸二甲醚裝 置分離精餾工段的設(shè)計(jì) 摘 要 近年來，二甲醚已成為國際石油替代途徑與新型二次能源 的 熱點(diǎn)課題，引起各國關(guān)注與重視。目前，制取二甲醚的最新技術(shù)是從合成氣直接制取，相比較甲醇脫水制二甲醚而言，一步法合成二甲醚因?yàn)轶w系存在有未反應(yīng)完的合成氣以及二氧化碳，要得到純度較高的二甲醚，分離過程比較復(fù)雜。 設(shè)計(jì)規(guī)模及設(shè)計(jì) 要求 設(shè)計(jì)規(guī)模： 年產(chǎn) 萬噸二甲醚 分離 裝置 （合成氣一步法） ， 設(shè)計(jì)該 分離 裝 置中精餾 工段 工藝 ， 精餾裝置 采用浮閥塔。接觸空氣或在光照條件下可生成具有潛在爆炸危險(xiǎn)性的過氧化物。二甲醚在常溫 常壓下為無色無味氣體 ,在 一定 壓力下為液體 ,其液化氣與 LPG 性能相似 ,貯存于液化氣鋼瓶中的壓力為 Pa,小于LPG 壓力 ( Pa),因而可以代替煤氣、石油液化氣用作民用燃料。 二甲醚液化后還可以直接用作汽車燃料 ,是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的理想替代燃料。國內(nèi)氣霧劑產(chǎn)品 有 一半用二甲醚作拋射劑。與傳統(tǒng)的甲醇合成二甲醚 相 比 ，一步法合成二甲醚工藝經(jīng)濟(jì)理加合理，在市場(chǎng) 更具有競爭力，正在走向工業(yè)化。另外裝置適應(yīng)性廣，可直接建在甲醇生產(chǎn)廠，也可建在其他公用設(shè)施好的非甲醇生產(chǎn)廠。氣相法的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的 CO 轉(zhuǎn)化率，但是由于二甲醚合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)移走，催化劑床層 易產(chǎn)生熱點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑銅晶粒長大，催化劑性能下降。合成氣法現(xiàn)多采用漿態(tài)床反應(yīng)器 ,其結(jié)構(gòu)簡單 ,便于移出反應(yīng)熱 ,易實(shí)現(xiàn)恒溫操作。 Kohl 等提出氣相產(chǎn)物被吸收劑吸收 后送入解吸裝置，部分二甲醚根據(jù)要求的純度，從第二精餾塔加入。閃蒸后的氣體 9送入吸收塔 2底部；閃蒸罐 3底流產(chǎn)物純醚溶液 10，進(jìn)入二甲醚精餾塔 4，塔頂產(chǎn)物為精二甲醚 12；底流產(chǎn)物為粗甲醇溶液 11。 [12] 以下為分離過程中各產(chǎn)物質(zhì)量分率的數(shù)據(jù) 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 表 12 分離過程中各物質(zhì)質(zhì)量分率數(shù)據(jù)表 序號(hào) 組分 6 7 8 9 10 11 H2 0 0 惰性氣體 0 0 0 0 CO 0 0 0 CO2 0 0 CH4 0 0 DME 103 CH3OH H2O (續(xù)上表 ) 序 號(hào)組分 12 13 14 15 16 H2 0 0 0 惰性氣體 0 0 0 CO 0 0 0 CO2 0 0 0 CH4 0 0 0 DME 0 0 CH3OH 0 0 H2O 0 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 2 精餾塔的工藝計(jì)算 精餾塔的物料衡算 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) (一 ) 生產(chǎn)能力： 3 萬噸 /年，一年按 330 天計(jì)算，即 7920 小時(shí)。）（ ?CC03 )20 (02 ??????? 。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 23 圖 25 精餾段的閥孔布置圖 按 N=160 重新核算孔速及閥動(dòng)能因數(shù)： uo= 6 . 5 6 1 ( m / s )4 22???? ?? NdVoS 105 2 6 ???? vo uF ? 閥孔因數(shù)變化不大，仍在 8~11 范圍內(nèi) 塔板開孔率： %%100 46 ???ouu (二 ) 提餾段 板間距 HT′ =,取板上液層高度 hL′ = 塔徑 D′ = 根據(jù)塔徑和液體的流量，選用弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰，塔板采用單溢流和分塊式組裝。液體力學(xué)驗(yàn)算內(nèi)容有以下幾項(xiàng)：塔板壓降、液泛、霧沫夾帶、漏液及液面落差等。 ③ 按照固定的液氣比，由圖 27 查出以下數(shù)據(jù)： 塔板的氣相負(fù)荷上限： ? ?maxSV = sm/3 塔板的氣相負(fù)荷下限： ? ?minSV = sm/3 操作彈性： inm a x ??）（ ）（ SSVV (2) 提餾段 提餾段負(fù)荷性能圖012340 Ls/m3/hVs/m3/h霧沫夾帶上限線液泛線液相負(fù)荷上限線漏液線液相負(fù)荷上限線操作線 圖 28 提餾段 負(fù)荷性能圖 由塔板負(fù)荷性能圖 28 可以看出： ① 在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點(diǎn) P，處在適宜操作區(qū)內(nèi)的適中位置。以上計(jì)算出的泛點(diǎn)率均在 80％以下，故可知霧沫夾帶量能夠滿足 )(/)( 氣液 kgkgev ? 的要求。 ???? ??STfLHA 停留時(shí)間 θ′ 5s，故降液管尺寸可用。 ③ 出口堰高 hW hL=hW+hOW，即 0 .0 5 6 0 8 ( m )0 1 3 9 ????? OWLW hhh ④ 降液管底隙 高度 ho ho=== (m) ⑤ 弓形降液管寬度 Wd 和面積 Af ??DlW 查《化工原理》下冊(cè)，圖 312 得 )( 2mAAA fTf ????? 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 22 ) 64 ( mWDW dd ????? ⑥ 液體在液管中停留時(shí)間 θ θ= (s ) s mPa∑ ai/Mi 其中 ai— 質(zhì)量分?jǐn)?shù)； Mi— 摩爾質(zhì)量 (1) 進(jìn)料組分 表 21 進(jìn)料各組分所占比例 組分 DME CH3OH H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 摩爾分?jǐn)?shù) (2) 塔頂 組分 表 22 塔頂各組分 所占比例 組分 DME CH3OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 摩爾分?jǐn)?shù) 精餾塔 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 (3) 塔釜組分 表 23 塔釜各組分 所占比例 組分 DME CH3OH H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 105 摩爾分?jǐn)?shù) 105 (二 ) 清晰分割 以 DME 為輕關(guān)鍵組分， CH3OH 為重關(guān)鍵組分， H2O 為非重關(guān)鍵組分。二甲醚精餾塔 4 的底流產(chǎn)物粗甲醇溶液 11 進(jìn)入甲醇回收塔 5，其底流產(chǎn)物為軟水 13，塔側(cè)線產(chǎn)物為精甲醇 14。 Peng 等提出的一步反應(yīng)后分離二甲醚的改進(jìn)工藝是在洗滌塔中用溶劑洗滌包括二甲醚、甲醇、二氧化碳以及未反 應(yīng)的合成氣混合物，回收洗滌后的洗滌液，進(jìn)行多步處理。也可采用從化肥和甲醇生產(chǎn)裝置側(cè)線抽得合成氣的方法，適當(dāng)增加少量氣化能力，或減少甲醇和氨的生產(chǎn)能力 ,用以生產(chǎn) DME。漿態(tài) 床工藝存在以下 幾方面的優(yōu)點(diǎn)： 1)由于操作溫度較低，明顯降低了甲醇合成催化劑的熱失活及脫水催化劑的結(jié)炭現(xiàn)象，延長了催化劑的使用壽命； 2)CO 轉(zhuǎn)化率較高； 3)可使用貧氫原料氣，因而為煤化工的發(fā)展提供了廣闊的空間。 [5] (2) 一步法直接合成 DME 一步法是以合成氣為原料，在甲醇合成和甲醇脫水的雙功能催化劑上直接反應(yīng)生成DME。存在的問題：中間產(chǎn)品硫酸氫甲酯毒性較大；設(shè)備 腐蝕、環(huán)境污染嚴(yán)重且產(chǎn)品后處理比較困難。二甲醚與水、一氧化碳 在適當(dāng)條件下反應(yīng)可生成乙酸 ,羰基化后可制得乙酸甲酯 ,同系化后生成乙酸乙酯 ,另外還可用于醋酐的合成。 二甲醚作為氯氟烴的替代物在氣霧劑制品中顯示出其良好性能 :如不污染環(huán)境 ,與各種樹脂和溶劑具有良好的相溶性 ,毒性很微弱 ,可用水或氟制劑作阻燃劑等。二甲醚可按一定比例摻入液化氣中和液化氣一起燃燒 ,可使液化氣燃燒更加完全 ,降低析碳量 ,并降低尾氣中的一氧化碳和碳?xì)浠衔锖?。濃度為 %（體積）時(shí)，吸入 12 分鐘后僅自感不適。二甲醚無腐蝕性、無毒，在空氣中長期暴露不會(huì)形成過氧化物，燃 燒時(shí)火焰略帶光亮。通過計(jì)算得出理論板數(shù)，塔效率，實(shí)際板數(shù)，進(jìn)料位置，在板式塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算中得出塔徑，有效塔高，篩孔數(shù)。珠海 二○ 一 ○年 五 月 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 誠信承諾書 本人鄭重承諾： 我所 呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 《 年 產(chǎn) 裝置分離精餾工段設(shè)計(jì) 》 是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開展研究取得的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。開發(fā)中的分離工藝主要采用吸收和精餾等化工單元操作過程得到純度較高的二甲醚產(chǎn)品。 產(chǎn)品要求：二甲醚≥ 99％ 產(chǎn)品規(guī)格、性質(zhì)及用途 (一 ) 產(chǎn)品規(guī)格： 二 甲醚≥ 99％（質(zhì)量含量） (二 ) 二甲醚性質(zhì) 物理性質(zhì)： 二甲醚亦稱甲醚，英文 dimethylether，英文縮寫 DME，化學(xué)分子式(CH3OCH3)，分子量為 ，是重要的甲醇衍生物，沸點(diǎn) 24℃，凝固點(diǎn) 140℃。氣體比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇明火會(huì)引著回燃。二甲醚液化氣作為民用燃料有一系列優(yōu)點(diǎn) ： 二甲醚自身含氧 ,碳鏈短 ,燃燒性能良好 ,燃燒過程中無黑煙 ,燃燒尾氣符合國家標(biāo)準(zhǔn) ,其熱值比柴油和液化天然氣低 ,但比甲醇高 。因?yàn)槎酌讶剂暇哂懈叩氖橹?(50～ 55),比甲醇燃料具有更好的燃燒效果 ,而且沒有甲醇的低溫啟動(dòng)性和加速性能差的缺點(diǎn)。 (3) 用作化工原料 二甲醚是一種重要的化工原料 ,可用來合成許多種化工產(chǎn)品或參與許多種化工產(chǎn)品的合成。其中漿態(tài)床一步法合成二甲醚克服了傳統(tǒng)固定床的缺點(diǎn)。用該工藝制得的 DME 產(chǎn)品純度最高可達(dá) 99％ ,該產(chǎn)品不存在硫酸氫甲酯的問題。 [7] ② 漿態(tài)床法 漿態(tài)床法即液相法，采用氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器，液相法是指將雙功能催化劑懸浮在惰性溶劑中，在一定條件下通合成氣進(jìn)行反應(yīng)，由于惰性介質(zhì)的存在，使反應(yīng)器具有良好的傳熱性能，反應(yīng)可以在恒溫下進(jìn)行。它可直接利用 CO 含量高的煤基合成氣 ,還可在線卸載催化劑。oss Bodil 等的工藝主要是液相產(chǎn)物進(jìn)入第一精餾塔，塔釜餾分進(jìn)入第二精餾塔，塔頂?shù)募状颊魵庖肭逑聪到y(tǒng)來洗滌氣相產(chǎn)物，將反應(yīng)產(chǎn)物與從第一精餾塔頂?shù)玫降酿s分混合，即為燃料級(jí)二甲醚。醚水溶液 8 進(jìn)入閃蒸罐 3 的壓力為 MPa。 (二 ) 產(chǎn)品二甲醚的純度：二甲醚≥ 99％。 33 ????? WFDAB ???? 3 0 8 0 8 0 8 ）（ ?CC北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 21 取安全系數(shù)為 ，則 u′ = maxu ′ 安全系數(shù) = = （ m/s） 塔徑： m)( 3 ??????? ?? uVD s 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整為 D′ = 則塔截面積： )(44 22 mDA T ?????? ?? 空塔氣速： u′ = )/( smAVTs ???? 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (一 ) 精餾段 板間距 HT=,取板上液層高度 hL= 塔徑 D= 根據(jù)塔徑和液體的流量，選用弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰，塔板采用單溢流和分塊式組裝。 (2) 溢流裝置 ① 堰長 lW′ 取堰長 lW′ =′ ,即 lW′ = =(m) ② 堰上液層高度 hOW′ hOW ′ = 32)( ??whlLE ，取 E≈ 1 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 24 hOW′ = 0 . 0 6 0 4 6 ( m )) (11000 )(1000 3232 ??????whlLE hOW′ ，符合要求。 (一 ) 塔板壓降 氣相通過浮閥塔板的壓強(qiáng)降： ?hhhh lcp ??? (用塔內(nèi)液柱高度表示 ) (1) 干板阻力： hc 閥全開前（ oco uu ? ）：Loc uh ? 175 .? 閥 全開后（ oco uu ? ）：guh L oVc ??2? 聯(lián)立以上兩式，解出臨界孔速 ocu ,得： 精餾段： )/( 82 smu voc ??? ? 提餾段： 38(m / s ) 82 ???? vocu ? 因?yàn)?uouoc，按閥全開前公式計(jì)算干板阻力： 精餾段： (m )17 ????Loc uh ? 提餾段： (m )17 ??????? Loc uh ? (2) 板上充氣液層阻力 ： hl 可取充氣系數(shù) ?o? 精餾段： )0 .0 2 8 ( mhh Lo ???? ?? 提餾段： )(0 3 mhh Lo ????? ?? (3) 液體表面張力所造成的阻力： ?h 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 27 此阻力很小，忽略不計(jì)。 ② 塔板的氣相負(fù)荷上限完全由 液相負(fù)荷 上限線控制 ,操作下限由漏液線控制。 （二） 霧沫夾帶 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆 本科 生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 28 泛點(diǎn)率 = % ???bFLSvLvSAkcZLV ?? ? 泛點(diǎn)率 = % ??TFvLvSAkcV ?? ? (1) 精餾段