【正文】 計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 21 進(jìn)料 塔頂產(chǎn)品 D 塔底殘液 W 精餾段上升蒸汽量V 提餾段上升蒸汽量V? 精餾段下降液體量L 提餾段下降液體量L? 精餾塔 操作壓力為 ，二甲醚 甲醇的汽液平衡數(shù)據(jù)可依據(jù) Antoine 方程（ 0lg / ( )AP A B t C? ? ?）計(jì)算，所得二甲醚 甲醇的 txy 數(shù)據(jù)如下表，其中二甲醚、甲醇的 Antoine 方程常數(shù)查自化學(xué)工程師手冊 [4]P5 P55。 (3)合成氣冷卻 反應(yīng)器出口氣中含有 DME，它在進(jìn)出氣換熱器中通過工藝氣體冷卻，接著在甲醇蒸餾塔底部通過蒸餾塔換熱器的工藝液體冷卻，然后在二甲醚初餾塔冷卻器中用冷卻水冷卻，最后出口氣在冷凝器中大部分冷凝后被送至二甲醚精餾塔。由于DME 的分子結(jié)構(gòu)與烴 類不同，只有 CH 與 CO 鍵，沒有 CC 鍵，所以燃燒時(shí)無黑煙， CO 與 NOx 排放量很低，符合潔凈燃料的要求；而且燃燒性能良好，燃燒廢氣無毒，完全符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；單一組成，無殘液；在室溫下可壓縮成液體，用現(xiàn)有的液化石油氣罐盛裝，燃具與 LPG 基本通用，是優(yōu)良的民用潔凈燃料。 表 5 DME 的主要物理化學(xué)性質(zhì) 分子式 CH3OCH3 蒸汽壓（ 20℃ ） 摩爾質(zhì)量 氣體燃燒熱 熔點(diǎn) ℃ 蒸發(fā)熱（ ℃ ） 沸點(diǎn) ℃ 自燃溫度 350℃ 臨界溫度 ℃ 爆炸極限（空氣中） ～％ 臨界壓力 5370Pa 在汽油中的溶解度 64%（ 40℃ ） 對(duì)水的相對(duì)密度 對(duì)空氣的相對(duì)密度 液體密度（ 20℃ ） ℃ 蒸汽密度（ 10℃ 1atm） （ 3） DME 的毒性 DME 的毒性很低，氣體有刺激及麻醉作用的特性，通過吸入或皮膚吸收過量的此物品，會(huì)引起麻醉，失去知覺和呼吸器官損傷。適當(dāng)調(diào)整溫度后，用粗甲醇 (平均含量為 %)同樣可獲得 80%的轉(zhuǎn)化率。 產(chǎn)品品種、規(guī)格、質(zhì)量指標(biāo) ,操作條件及擬建規(guī)模 產(chǎn)品品種： 二甲醚 擬建規(guī)模： 20 萬噸 /年 年操作日： 365 天 操作溫度： 300 攝氏度 操作壓力： 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 催化劑： γA12O3 產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量指標(biāo) 氣霧級(jí) (工業(yè)級(jí) )二甲醚、燃料級(jí)二甲醚 (1)氣霧級(jí)二甲醚質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ) 由于目前國內(nèi)尚無氣霧級(jí)二甲醚產(chǎn)品的國標(biāo)，參照國內(nèi)行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，氣霧級(jí)二甲醚產(chǎn)品應(yīng)符合下述質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ) 項(xiàng)目 期望值 二甲醚 wt%≥ 甲醇 wt% ≤ 水份 wt%≤ 燃料級(jí)二甲醚質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ) 對(duì)燃料級(jí)二甲醚產(chǎn)品，目前也沒有相應(yīng)的國標(biāo)，參照國內(nèi)行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，燃料級(jí)二甲醚產(chǎn)品應(yīng)符合下述質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ) 項(xiàng)目 期望值 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 7 二甲醚 wt%≥ 93 甲醇 Wt% ≤ 3 水份 wt%≤ 1 (2)二甲醚產(chǎn)品指標(biāo) 表 7 產(chǎn)品二甲醚產(chǎn)品指標(biāo) 序號(hào) 組分 純度 備注 1 2 3 4 二甲醚 甲醇 水分 C3 以下烴類 ≥% ≤ ≤ ≤ (3)塔設(shè)備指標(biāo)如下： 汽化塔：原料甲醇純度 90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），塔頂甲醇?xì)怏w純度 ≥99%，釜液甲醇含量 ≤%； 合成塔：轉(zhuǎn)化率 ≥80%，選擇性 ≥%； 初餾塔：塔頂二甲醚純度 ≥95%，釜液二甲醚含量 ≤%； 精餾塔：塔頂二甲醚純度 ≥%，釜液二甲醚含量 ≤%； 回收塔：塔頂回收甲醇純度 ≥98%，廢水中甲醇含量 ≤% 設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱 :年產(chǎn) 20 萬噸的甲醇制二甲醚的工藝初步設(shè)計(jì) 生產(chǎn)能力 生產(chǎn)方法：二甲醚的生產(chǎn)方法主要有一步法和二步法兩種。 關(guān)鍵詞 ：甲醇，二甲醚，脫水，催化，工藝設(shè)計(jì)。工程總投資估算值 14300 萬元，項(xiàng)目的內(nèi)部收益率所得稅前為 %，高于基準(zhǔn)收益率 12%。 1991 年，日本三井東亞化學(xué)公司開發(fā)了一種新的甲醇脫水制 DME 催化劑。二甲醚與一氧化碳反應(yīng)可生成乙酸或乙酸甲脂；與二氧化碳反應(yīng)則生成甲氧基乙酸。Bohnenn 報(bào)道了用 DME 與氟里昂混合制成特種制冷劑，通過大量實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)為隨著 DME 含量的增加，制冷能力增加，能耗降低并且在冷凍食品時(shí)可免除異味和臭味。如果以二甲醚的熱值和目前廣泛使用的液化石油氣相比較，二甲醚的成本不能超過3000 元。反應(yīng)物經(jīng)換熱器降溫后在冷凝器中被循環(huán)水冷凝成液體，經(jīng)計(jì)量罐進(jìn)入中間罐貯存，未被冷凝成液態(tài)的少量副反應(yīng)氣體如 CH CO2 等則由放空閥排入放空總管并經(jīng)吸收塔吸收后直接排入大氣或送入鍋爐房進(jìn)行焚燒，進(jìn)入中間罐的反應(yīng)物由屏蔽泵加壓輸送至初餾塔進(jìn)行精餾分離，塔頂分餾出燃料級(jí)的二甲醚組分，塔底分離出粗甲醇混合物，燃料級(jí)二甲醚蒸汽在甲醚冷凝器中被循環(huán)水冷凝成常溫二甲醚液體經(jīng)計(jì)量泵后進(jìn)入燃料級(jí)二甲醚產(chǎn)品中間罐，再經(jīng)加壓磁力泵輸送至罐區(qū)產(chǎn)品貯罐區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)存，塔底稀甲醇混合物經(jīng)冷卻后進(jìn)入粗甲醇中間罐進(jìn)行貯存。本設(shè)計(jì)選用 20℃ 的冷卻水，選升溫 10℃ ，即冷卻水的出口溫度為 35℃ 。℃ )= kJ/(kmolK) 12 ( 1 ) 6 6 . 8 3 0 . 9 9 8 6 4 4 . 3 6 ( 1 0 . 9 9 8 6 ) 6 6 . 8 0 / ( )p D p D p DC C x C x k J k m o l K? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Wt 溫度下： 1pC? kcal/(kmolK)， 2pC? kJ/(kmolK)， 2pC =(kmolK)， 2pC? kcal/(kmol℃ )=(kmol (1 )V D LD D DV VI I x H x H? ? ? ? ? ?甲 水 其中 VH?甲 ——甲醇的蒸發(fā)潛熱； VH? 水 水的蒸發(fā)潛熱 蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系：2110 .3 8121()1 rV rTHH T?? ? ? ? 其中 rT ——對(duì)比溫度。再經(jīng)計(jì)量后由工藝管道輸送至往復(fù)泵進(jìn)口循環(huán)使用，甲醇回收塔底廢水中甲醇含量小于 %，經(jīng)冷卻稀釋后直接輸送鍋爐房作為脫硫除塵補(bǔ)充循環(huán)水。 天然氣和煤炭是規(guī)?；a(chǎn)二甲醚較為經(jīng)濟(jì)的原料。 第二， DME 作為化學(xué)中間體，主要用于制造硫酸二甲酯。此外，二甲醚可與三氟化硼形成絡(luò)合物，其分子式（ CH3） 2OBF3，此絡(luò)合物在空氣中發(fā)煙，而在水或醇中則可分解。我國化工部西南化工研究院也曾進(jìn)行過甲醇脫水制二甲醚的研究，考察了 13x 分子篩、氧化鋁及 ZSM 一 5 催化劑的性能，當(dāng)采用 ZSM 一 5在 200℃ 時(shí)，甲醇的轉(zhuǎn)化率可達(dá) 75%一 85%，選擇性大于 98%。上述各方面問題的研究結(jié)果表明， 20 萬噸 /年二甲醚項(xiàng)目符合國家產(chǎn)業(yè)政策和未來能源市場發(fā)展方向，市場預(yù)測樂觀，工藝方案合理，工藝技術(shù)成熟可靠，投資估算和財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)結(jié)果也表明項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，通過物料衡算和熱量衡算，以確定設(shè)備工藝參數(shù)和消耗工藝指標(biāo)，同時(shí)對(duì)二甲醚生產(chǎn)過程中的安全注意事項(xiàng)及 “ 三廢 ” 治理作了相關(guān)說明，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行了簡單的初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。圖紙包括工藝流程圖，主設(shè)備圖，車間布置平面等。在小試 1000h 工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行了單管試驗(yàn)。 （ 2）物理性質(zhì) DME 是具有揮發(fā)性醚味的無色氣體，有令人愉快的氣味，燃燒時(shí)的火焰略帶光亮。 新近拓展的應(yīng)用領(lǐng)域： 作為新型高效清潔燃料是 DME應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)嶄新的拓展應(yīng)用領(lǐng)域。 參見 20 萬噸 /二甲醚生產(chǎn)裝置帶物料點(diǎn)工藝流程方框圖（圖 11） (PFD) 氣相甲醇 釜?dú)堃? 釜?dú)堃? 釜?dú)堃? 回收甲醇 產(chǎn)品 DME（ %） 圖 11 二甲醚生產(chǎn)工藝流程方框圖 (2)反應(yīng) 在 DME 合成反應(yīng)器中產(chǎn)生的反應(yīng)如下所示 : 2CH3OH== CH3O CH3+H2O+DME 反應(yīng)器是絕熱軸流式固定床反應(yīng)器。操作回流比可取為最小回流比的 倍，所以取回流比 m i n1 ..2 1 .2 3 .7 6 4 .5 1RR? ? ? ? 甲醇 水混合液的t x 圖01020304050607080901000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100液相甲醇（%）氣相甲醇（%） 平均相對(duì)揮發(fā)度 α ： t=℃ 時(shí) 1 ( 1 ) 2 8 . 3 4 ( 1 0 0 5 . 3 1 ) 7 . 0 5( 1 ) ( 1 0 0 2 8 . 3 4 ) 5 . 3 1ABBByx yxy x y x? ? ? ?? ? ? ?? ? ? 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 19 t=℃ 時(shí) 2 ( 1 ) 9 1 . 9 4 ( 1 0 0 8 7 . 4 1 ) 1 . 6 4( 1 ) ( 1 0 0 9 1 . 9 4 ) 8 7 . 7 4ABBByx yxy x y x? ? ? ?? ? ? ?? ? ? 12 7 . 0 5 1 . 6 4 4 . 3 522??? ? ?? ? ? 合成塔 進(jìn)塔甲醇蒸汽流量 D? =由反應(yīng)式 3 3 3 22 C H O H C H O C H H O?? 其單程轉(zhuǎn)化率為 80%， DME 選擇性 ≥99% 則生成二甲醚的出塔流量為hk m o lNhk m o lNhk m o lD/)(/%20%/21??????????????????出塔水的流量為為未反應(yīng)的甲醇出塔流量 初餾塔 本塔設(shè)計(jì)為二甲醚、甲醇、水三組分的精餾計(jì)算，現(xiàn)做簡化設(shè)計(jì)，按二甲醚 ——甲醇兩組分精餾計(jì)算，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)高于甲醇的沸點(diǎn)，可近似處理將水的流量并到甲醇中按二組分精餾計(jì)算設(shè)計(jì)初餾塔。 加熱蒸汽消耗量 rH??水 蒸 氣 kj/kg (℃ ,) hkgwh / 0 0 7 5 71 8 6 7 ??? 表 12 熱量衡算數(shù)據(jù)結(jié)果列表 符號(hào) CQ CW FQ DQ WQ SQ? hW 數(shù)值 kcal/h kg/h 0 kcal/h kcal/h 107 kcal/h kg/h 合成塔 合成反應(yīng)熱的計(jì)算：查天大四版物理化學(xué)上冊 [11]附錄得， 2 ( 2 0 0 . 6 6 ) ( 1 8 4 . 0 5 ) ( 2 4 1 . 8 1 8 ) 2 4 . 5 4 8 /r B mQ fH k J m o l??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 則反應(yīng)放熱為： hkjQ r /( 2 4 . 5 4 8 ) 33 ??????? 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 27 進(jìn)塔甲醇蒸汽的 熱量： hkjQ CDi /32 21 89 )( ?????????????? 其中 DQ ——汽化塔塔頂餾出液帶出熱量； CQ ——甲醇蒸汽由 ℃ 加熱到240℃ 所需熱量； ——℃ 時(shí)甲醇的比熱容，單位 kcal/(kgK) 12 ( 1 ) 6 7 . 0 7 0 . 9 2 9 6 4 4 . 7 2 ( 1 0 . 9 2 9 6 ) 6 5 . 5 0 / ( )p p D p DC C x C x k J k m o l K? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? hkjtCLQ DPR / 5 18 ???????? （ 4）餾出液的焓 DQ ?！?)=(kmolK) )/()()1(21 kk mo lKJxCxCC FPFPP ???????????? 所以 hkjtCFQ FPF / 8 8 4 0 7 ??????? （ 7）塔底殘液焓 WQ hkjtCWQ WPw /2 7 0 9 8 6 ??????? 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 32 （ 8）再沸器（全塔范圍列衡算式）