【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ...... 55 最大彎矩引起的軸向應(yīng)力 ....................................................................... 56 筒體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 .......................................................................... 56 第 7 章 全廠平面布置 ................................................................................................. 58 全廠平面布置的任務(wù) ................................................................................... 58 全廠平面設(shè)計(jì)的原則 ................................................................................... 58 全廠平面布置內(nèi)容 ......................................................................... 58 全廠平面布置的特點(diǎn) ................................................................................... 59 25 萬(wàn)噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計(jì) VII 全廠平面布置 ................................................................................................. 59 第 8 章 總結(jié)討論 .......................................................................................................... 61 設(shè)計(jì)主要完成任務(wù) ......................................................................................... 61 設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論 ....................................................... 61 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 62 附錄 .................................................................................................................................... 65 致謝 .................................................................................................................................... 65 25萬(wàn)噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計(jì) 1 第 1章 文獻(xiàn)綜述 二 甲醚的現(xiàn)狀 二甲醚又稱甲醚，簡(jiǎn)稱 DME，分 子 式： CH3OCH3 ,結(jié) 構(gòu) 式： CH3— O— CH3 。二甲醚在常溫常壓下是一種無(wú)色 氣體 或壓縮液體，具有輕微醚香味。 相對(duì)密度 （ 20℃ ），熔點(diǎn) ℃ ，沸點(diǎn) ℃ ，室溫下 蒸氣壓 約為 ，與石油液化氣（ LPG）相似。溶于水及醇、 乙醚 、丙酮、 氯仿 等多種有機(jī) 溶劑 。易燃，在燃燒時(shí) 火焰 略帶光亮，燃燒熱（ 氣態(tài) ）為 1455kJ/mol。 常溫 下 DME 具有惰性，不易自動(dòng)氧化，無(wú)腐蝕、無(wú)致癌性，但在輻射或加熱條件下可分解成 甲烷 、乙烷、 甲醛 等。 甲醚的市場(chǎng)分析 二甲醚 ( DME )是一種含氧燃料 (% ),無(wú)毒性 ,常溫下為氣態(tài) [1],可在 5個(gè)大氣壓下液化 , 液化后方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸。 建設(shè)部已發(fā)布行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)燃?xì)庥枚酌选?,編號(hào)為 CJ/T2592020, 自 2020年 1月 1日起實(shí)施。適用于供應(yīng)城鎮(zhèn)居民、商業(yè)和工業(yè)企業(yè)用的城鎮(zhèn)燃?xì)庥枚酌?。該?biāo)準(zhǔn)實(shí)施表明 , 二甲醚作為液化氣的替 代燃料已具合法身份 , 將正式作為替代燃料推廣。 此外 ,《化工行業(yè)二甲醚質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》也已通過(guò)專家委員審查 , 該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍 :Ⅰ型作為工業(yè)原料主要用于氣霧劑的推進(jìn)劑、發(fā)泡劑、制冷劑、化工原料等 ,Ⅱ 型主要用于民用燃料、車用燃料及工業(yè)燃料的原料。 2020年全國(guó)二甲醚生產(chǎn)能力約 400萬(wàn) t。單套裝置產(chǎn)能達(dá) 10萬(wàn) t的投產(chǎn)較多 ,河南省有信陽(yáng)息縣亞洲新能源控股 (信陽(yáng) )有限公司建成投產(chǎn)兩套 10萬(wàn) t裝置 ,羅山金鼎化工公司有近 20萬(wàn) t產(chǎn)能投運(yùn) ,平煤藍(lán)天駐馬店遂平分廠建成 20萬(wàn) t生產(chǎn)線。 雖然二甲醚具有優(yōu)良的燃料性能 , 但目前由于車 輛使用二甲醚燃料需要更換發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)行車型改造 [2,3], 同時(shí)也要受加壓儲(chǔ)運(yùn)的限制 , 二甲醚車用燃料的推廣難度大于甲醇代用汽油。目前的研究進(jìn)度還達(dá)不到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的程度。 二甲醚行業(yè)面臨的考驗(yàn) 產(chǎn)能過(guò)剩 —— 受二甲醚行業(yè)高利潤(rùn)吸引 ,眾多產(chǎn)業(yè)資本大量涌入二甲醚產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)能近幾年呈直線上升之勢(shì) ,僅 2020年 ,中國(guó)的二甲醚產(chǎn)已在 2020年 t基礎(chǔ)上爆增 394%,達(dá)到 220萬(wàn) t， 2020年達(dá) 400萬(wàn) t， 2020年已躍至 700萬(wàn) t。針對(duì)部分地區(qū)出現(xiàn)的盲安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 目重復(fù)建設(shè)的苗頭 , 國(guó)家發(fā)改委在 2020年 7月 7日發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)煤化工項(xiàng)目建設(shè)管理促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》 , 其中要求一般不應(yīng)批準(zhǔn)規(guī)模在 100萬(wàn) t/a以下的二甲醚項(xiàng)目 , 這對(duì)規(guī)范二甲醚項(xiàng)目的建設(shè)起了一定作用 , 也促進(jìn)了二甲醚行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展。 目前二甲醚的主要用途為液化氣摻燒 ,據(jù)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院估計(jì) ,2020年在國(guó)內(nèi)二甲醚的消費(fèi)結(jié)構(gòu)中 , 民用燃料占到了絕對(duì)主導(dǎo)地位為 94% ,車用燃料僅為 2%,其他用途占 4%。按照 20%的摻燒比例計(jì)算 ,2020年的需求量在 390— 520萬(wàn) t，這意味著許多已建、在建的二甲醚裝置將處于閑置狀態(tài)。 二甲醚生產(chǎn)技術(shù) 合成氣一步法 合成氣一步法 [4]的主要特點(diǎn)是 : 合成甲醇反應(yīng)和甲醇脫水反應(yīng)在一個(gè)反應(yīng)器中完成 , 由于反應(yīng)器中生成的甲醇不斷生成二甲醚 , 從而提高 CO轉(zhuǎn)化率 ,因此平衡常數(shù)大。合成氣單程轉(zhuǎn)化率高達(dá) 40%— 75%。國(guó)外開發(fā)合成氣一步法代表性的公司有丹麥托普索 (氣相法 )、美國(guó)空氣產(chǎn)品分司 (漿態(tài)床 )和日本 NKK 公司 (漿態(tài)床 )；但都處于中試階段， 未見過(guò)工業(yè)化大型生產(chǎn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)一些科研院所也正在進(jìn)行合成氣一步法研究；目前合成氣一步法工業(yè)化技術(shù)尚未成熟， 不具備大型化條件。 合成氣一步法以合成氣 ( CO + H2)為原料， 合成甲醇反應(yīng)和甲醇脫水反應(yīng)， 在一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，同時(shí)伴隨著 CO的變換反應(yīng)，其反應(yīng)歷程為： 其反應(yīng)特點(diǎn)為 : （ 1） 反應(yīng)條件下有一部分 CO和 H2 反應(yīng)生成烴類副產(chǎn)物 ， 這是合成氣一步法原料消耗偏高的主要原因。 （ 2） 催化劑使用壽命短 ， 迄今未發(fā)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)反應(yīng)均有較好催化作用且穩(wěn)定性較好的25萬(wàn)噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計(jì) 3 催化劑?，F(xiàn)使用的復(fù)合型催化劑兩種活性中心互相干擾。 （ 3） 反應(yīng)物難分離 ， 反應(yīng)物的主要成分有 CO、 H CO二甲醚、甲醇、水等 ， 首先要將未反應(yīng)的 CO、 H2 分離開來(lái)循環(huán)使用，且分離 流程復(fù)雜 ， 電耗高。 （ 4） 一步法反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng) ， 但由于催化劑耐熱性能差 ， 溫度高時(shí)易產(chǎn)生副反應(yīng) ，反應(yīng)溫度又不能太高 ， 因此反應(yīng)器必然是換熱式 ， 決定了反應(yīng)器體積大 ， 容積效率低。 兩步法生產(chǎn)技術(shù) 1. 甲醇液相法 甲醇液相法由硫酸法發(fā)展而來(lái) ， 山東久泰化工科技股份有限公司成功開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液相法復(fù)合酸催化脫水技術(shù)。經(jīng)過(guò)兩年多生產(chǎn)實(shí)踐證明 ， 該技術(shù)成熟可靠。云南廣信化工公司開發(fā)了超強(qiáng)酸液相合成二甲醚生產(chǎn)技術(shù) ， 液體甲醇被預(yù)熱到90— 120℃ ， 通過(guò)主反應(yīng)塔分布器使甲醇和含氟超強(qiáng)酸催化劑逆向充 分接觸 ， 在100— 120℃ 溫度下 ， 甲醇被催化脫水合成二甲醚 ， 生成的二甲醚氣流經(jīng)過(guò)凈化、冷凝、干燥得到液態(tài)二甲醚。國(guó)內(nèi)先進(jìn)的甲醇液相法、甲醇脫水反應(yīng)在液相、常壓或微正壓、1300C下進(jìn)行。 2 甲醇?xì)庀喾? 甲醇?xì)庀啻呋撍悄壳皣?guó)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(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低 ， 國(guó)內(nèi)擁有該技術(shù)且已工業(yè)化的有西南化工研究設(shè)計(jì)院和四川天一科技股份有限公司、山西煤化所等 ， 催化劑為 ZSM 分子篩、磷酸鋁或 γAL2O3。 二甲醚的合成是甲醇蒸汽在催化劑和一定溫度條件 下進(jìn)行分子間脫水反應(yīng)而生成。該反應(yīng)為放熱反應(yīng) ， 溫度越高反應(yīng)速度越快。隨著反應(yīng)溫度的升高 ， 副反應(yīng)也隨之增加 ， 因此生產(chǎn)中要求控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度。 西南化工研究設(shè)計(jì)院是我國(guó)最早研究開發(fā)二甲醚生產(chǎn)技術(shù)的研究單位之一 ， 上世紀(jì) 90年代開始研究開發(fā)二甲醚裝置技術(shù) ， 與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有甲醇?xì)庀啻呋撍ū容^ ， 其技術(shù)有較大的改進(jìn)和創(chuàng)新 ， 處于領(lǐng)先水平。 其工藝特點(diǎn)為 : (1)生產(chǎn)二甲醚的原料可為精甲醇或粗甲醇 ， 蒸汽消耗和生產(chǎn)成本較低。 (2)二甲醚反應(yīng)器是列管式反應(yīng)器，反應(yīng)溫度易控制，且催化劑在反應(yīng)器中分布均勻。 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 (3)采用先進(jìn)塔器內(nèi)件和分離 工藝 ， 回收效果好 ， 流程簡(jiǎn)化 ， 醇耗低。 二甲醚生產(chǎn)方法無(wú)論從投資和生產(chǎn)成本角度看 ， 西南化工研究設(shè)計(jì)院的甲醇?xì)庀喾ㄊ鞘走x的方法 ， 使用該技術(shù)投運(yùn)裝置市場(chǎng)占有率 80%— 90%。 二甲醚生產(chǎn)工藝的比較 甲醇液相硫酸催化法和甲醇?xì)庀喾ㄖ迫《酌训纳a(chǎn)技術(shù)較為成熟，兩種方法均有工業(yè)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。甲醇脫水法以精甲醇為原料，脫水反應(yīng)副產(chǎn)物少，二甲醚純度高達(dá)99%，使用于有較高要求的氣霧產(chǎn)品，也可以用作制冷劑或醫(yī)用氣霧劑的拋射劑。該工藝比較成熟，可以依托老企業(yè)建設(shè)新裝置，也可單獨(dú)建廠生產(chǎn)。但該方法要經(jīng)過(guò)甲醇合成 、甲醇精餾、甲醇脫水和二甲醚精餾等工藝，流程較長(zhǎng)，因而設(shè)備投資大，產(chǎn)品成本高，受甲醇市場(chǎng)波動(dòng)的影響也比較大。 合成氣法生產(chǎn)二甲醚的生產(chǎn)工藝在淤漿床中，反應(yīng)溫度分布均勻，熱平衡較易控制，操作簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性好，生產(chǎn)成本低。合成氣法所用的合成氣可由煤、重油、渣油氣化以及天然氣轉(zhuǎn)化制得，原料經(jīng)濟(jì)易得，因而該工藝可用于化肥廠和甲醇廠。這些工廠可將甲醇裝置適當(dāng)改造用于生產(chǎn)二甲醚，形成規(guī)模生產(chǎn)。目前一步法生產(chǎn)二甲醚面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是：需要高效低價(jià)的煤制氣工藝及設(shè)備；需要能滿足大型化二甲醚生產(chǎn)的反應(yīng)器；解決以煤為原料制二甲醚生 產(chǎn)過(guò)程中 CO2的利用問(wèn)題；相關(guān)催化劑的開發(fā)與生產(chǎn)；成熟而經(jīng)濟(jì)的二甲醚分離提純技術(shù)。 綜上所述，由于一步法制二甲醚的工藝條件的限制，本文二甲醚的制取采用甲醇?xì)庀喾ㄖ迫《酌训墓に嚵鞒獭? 甲醇?xì)庀喾ㄖ迫《酌? 甲醇?xì)庀嗝撍贫酌堰^(guò)程熱力學(xué)分析 1. 反應(yīng)體系 甲醇?xì)庀嗝撍^(guò)程為甲醇汽化后進(jìn)人固定床反應(yīng)器 ,在催化劑上脫水生成 DME和水 ,然后經(jīng)提純分離裝置得到 DME產(chǎn)品。通常使用 γ A1203或分子篩為催化劑，在 493一 553K反應(yīng)溫度下催化劑具有足夠活性，且不會(huì)積炭 [5]。經(jīng)氣相色 譜分析，反應(yīng)產(chǎn)物主要為 DME和水，此外還含有少量 CO、 CO2，低碳烴類及未反應(yīng)甲醇。 甲醇脫水制 DME的反應(yīng)有 : （ 7） 25萬(wàn)噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計(jì) 5 （ 8） （ 9） （ 10） （ 11） （ 12） （ 13） 對(duì)上述 7個(gè)反應(yīng)采用原子矩陣法確定獨(dú)立反應(yīng)數(shù) [6]。反應(yīng)物系中有 CH3OH、CH30CH H2O、 CO,H C2H C2H CH4和 CO2。列原子矩陣 ,并經(jīng)初等變換，計(jì)算得矩陣的秩為 3，而反應(yīng)組分?jǐn)?shù)為 9，因此獨(dú)立反應(yīng)數(shù)為 6。對(duì)反應(yīng) (1)， (3)，（ 4），(5)， (6)和 (7)進(jìn)行分析。各反應(yīng)組分的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱數(shù)據(jù) [79](標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為 K，； ΔHθt 為標(biāo)準(zhǔn)生成焓， J/ mol； 為標(biāo)準(zhǔn)生成自由能， J/mol；為標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵， J/(mol183