【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 85 90 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 二甲醚選擇性 /％ 99 99 65 1000t/a 投資 /萬(wàn)元 280320 400500 700800 車間成本（元 /噸） 45004800 46004800 34003600 二甲醚純度 /％ ≤ ≤ 990 原料及產(chǎn)品規(guī)格 原料：工業(yè)級(jí)甲醇 ； 甲醇含量 ≥％ 水含量 ≤％ ； 產(chǎn)品 ： DME 含量 ≥％ ， 甲醇含量 ≤500ppm， 水含量 ≤。 設(shè)計(jì)規(guī)模和設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)規(guī)模： 400,000 噸 DME/年，按 照 8000 小時(shí)開工計(jì)算，產(chǎn)品流量50,000kg/h， 合 ； 設(shè)計(jì)要求 ： 產(chǎn)品 DME：回收率為 ％，純度為 ％ ； 甲醇：塔頂甲醇含量 ≥95％，塔底廢水中甲醇含量 ≤3％ 。 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 技術(shù)分析 反應(yīng)原理 反應(yīng)方程式： ? ? ? ?3 3 2 2 R2 C H O H C H O H O H 2 5 0 1 1 7 7 0 K J / k m o l? ? ? ? ?； ℃ 反應(yīng)條件 本 過(guò) 程 采 用 連 續(xù) 操 作 ， 反 應(yīng) 條 件 ： 溫 度 T=250℃ 370℃ ， 反 應(yīng) 壓 力? ，反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行。 反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率 選擇性：該反應(yīng)為催化脫水。在 400℃ 以下時(shí)，該反應(yīng)過(guò)程為單一、不可逆、無(wú)副產(chǎn)品的反應(yīng)，選擇性為 100%。 轉(zhuǎn)化率：反應(yīng)為氣相反應(yīng)，甲醇的轉(zhuǎn)化率在 80% 。 催化劑的選擇 本設(shè)計(jì)采用催化劑 γ AL2O3，催化劑為球形顆粒，直徑 dp為 5mm， 床層空隙率 ε 為 。 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 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 ≤％ 計(jì)算結(jié)果列表如下 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： 40 00 0 10 00 50 00 / 10 86 .9 57 k m o l/ h8000 k g h? ?? 又因產(chǎn)品二甲醚回收率為 ％，則 x ? ???％ 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： 10 87 .7 19 2 27 19 .2 98 km ol /h80 10 0? ??％ ％ 甲醇原料進(jìn)料量： 2 7 1 9 .2 9 8 2 7 4 3 .7 1 7 k m o l/h0 .9 9 1 1 ? 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 2 7 4 3 . 7 1 7 1 0 8 7 . 7 1 9 5 6 8 . 2 7 9 k m o l / h?? 水含量 2 7 4 3 . 7 1 7 0 . 8 9 1 0 8 7 . 7 1 9 1 1 1 2 . 1 3 8 k m o l / h?? 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 22 .427 68 .1 36 12 .4 0 m5000VNV qS ? ? ? 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 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： 220 ( ) 4RVn pdL? ? ??? 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/℃ ） μ1= 105pa μ2= 105pa μ3=105pa λ1=(m2? k) λ2= w/(m2? k) λ3=(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 QC QC=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 0 . 73 . 5 ( ) e x p ( 4 . 6 )f p pt t f td G da dd? ??? 228 8 2 3 8 .4 8 6 4 0 3 9 0 .1 2 k g /( m h )5 7 5 0 ( 0 .0 2 2 )4G ?? ? ??? 5 5 5f51 . 6 3 1 0 3 9 . 2 9 1 . 7 5 1 0 2 0 . 5 3 1 . 8 1 0 4 0 . 1 81 . 7 2 2 9 1 0 p a s? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?％ ％ ％ 50 . 0 0 5 0 3 9 0 . 1 2 33071 . 7 2 2 9 1 0 3 6 0 0pfdG? ?????? 0 . 0 5 6 2 4 3 9 . 2 9 0 . 0 3 2 0 . 5 3 0 . 5 7 4 1 4 0 . 1 8f? ? ? ? ? ? ?％ ％ ％ 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 220 .2 5 8 9 w /(m k )0 .9 3 2 0 k J / ( m h k )??? ? ? 所以 0. 70 .9 3 2 0 0 .0 0 53 .5 ( 3 3 0 7 ) e x p ( 4 .6 )0 .0 2 2 0 .0 2 2ta ? ? ? ? ? ? 21 5 1 5 7 .6 k J / ( m h k )? ? ? 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 0051111 23 41 .5 31 k J / ( m h k )1 0. 00 25 0. 02 2 0. 02 2 1 4. 78 1015 15 7. 6 16 7. 5 0. 02 45 0. 02 7 27 17 .0tttsttmK ddRa d d a????? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? 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 tm? ( 5 5 3 .1 5 5 1 0 ) ( 5 5 3 .1 5 5 1 5 ) 4 0 .6 5 K2mt ? ? ?? ? ? 需要傳熱面積為 ： 6 27 . 7 0 1 0 8 0 . 9 0 m2 3 4 1 . 5 3 1 4 0 . 6 5=CtmQA Kt ? ?? ??需 實(shí)際傳熱面積 t 2= = 3 . 1 4 0 . 0 2 2 5 . 7 5 7 5 0 2 2 6 4 .n 1mπ LdA ? ? ? ?實(shí) A 實(shí) A 需 ， 能滿足傳熱需求。 床層壓力降計(jì)算 ： 11R e ( ) 3 3 0 7 ( ) 6 3 5 9 . 61 1 0 . 4 8fsM dGme? ? ? ?? 因 REM1000 屬湍流 ，則 220331 1 1 . 7 5 1 . 7 5f s s fr u e Gp L Ld e d ???? ? ? ? ? 23() 1 5 627 .6 K P a ?? ? ? ??? 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 4 甲醚精餾塔結(jié)構(gòu)計(jì)算 甲醚精餾塔的物料衡算及理論板數(shù) 本課題涉及三組分精餾，且三組分為互溶體系，故采用清晰分割法，以甲醚為輕關(guān)鍵組分，甲醇為重關(guān)鍵組分，水為重非關(guān)鍵組分。由設(shè)計(jì)要求知， 塔頂液相組成 xD1=(均 為摩爾分?jǐn)?shù) ) xD2= xD3= 進(jìn)料液相組成 xF1= xF2= xF3= 以 ，對(duì)塔 1做物料衡算，由年產(chǎn) 40萬(wàn)噸二甲醚知， D1= F=D+W1 FxF1=DxD1+WxW1 解得 W1= xw1= 同理可計(jì)算出其它組分的含量，匯總于下表 ： 表 甲醚精餾塔的物料衡算 DME(1) 甲醇（ 2） 水 （ 3） 塔頂 y 進(jìn)料 xF 塔底 xw 查相關(guān)文獻(xiàn) [3]得，二甲醚、甲醇、水在 ，不同溫度下的汽液平衡數(shù)據(jù)列于下表 ： 表 汽液平衡數(shù)據(jù) 二甲醚 甲醇 水 汽相 液相 汽相 液相 汽相 液相 38℃ 89℃ ℃ 38℃ 下 K值 89℃ 下 K 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 值 145℃ 下 K值 38℃ 下 a值 22 1 89℃ 下 a值 10 1 ℃ a值 1 由恩特伍德公式得 i i , D m mi( x ) R1q? ???? （ 1） i 1, Fix 1q? ??? ? ?? （ 2） 進(jìn)料狀態(tài)為飽和液體， q=1，則 i 1 , Fi x 22 0. 39 29 1 0. 20 53 0. 26 0. 40 180 22 1 0. 26? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? 用試差法求出 ?=，帶入（ 1）式 i i , D m mi( x ) 2 2 0 .9 9 8 7 1 0 .0 0 0 0 4 0 .2 6 0 .0 0 1 2 6R1 2 2 1 .5 9 5 1 1 .5 9 5 0 .2 6 1 .5 9 5? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? 故 Rmin= 為實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵組分之間規(guī)定的分離要求，回流比必須大于它們的最小值，根據(jù) Fair和 Bolles 的研究結(jié)果， R/Rm的最優(yōu)值約為 ，但在比值稍大的 一 定 范圍 內(nèi) 接 近最 佳 條件 。 根據(jù) 經(jīng) 驗(yàn)， 一 般取 R/Rm=。則 回 流比R . .0 .? ? ?1 8 1 8 1 94 m inR R 1 1????? 查吉利蘭關(guān)聯(lián)圖可得 minN N 1 ? 在全回流下的最少理論板數(shù) Dw1212m inx()x[]x()xN loglog? ? 平均相對(duì)揮發(fā)度 3 2 2 1 0 .2 6 1 .8? ? ? ? ?頂 3 1 0 1 0 .7 1 .9? ? ? ? ?進(jìn) 3 7 .8 1 0 .8 5 1 .9? ? ? ? ?底 所以全塔平均相對(duì)揮發(fā)度 ?? 西安石油大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 Dwm in0 .9 9 8 7()0 .0 0 0 0 4[]0 .0 0 2 2 0 .3 2 8 0N 2 3 .5 2 4? ? ?log 則 N 19 ? ?? N 41??快 計(jì)算加料位置 精餾段最少理論板數(shù) m i n0 . 9 9 8 7 0 . 3 9 2 9l o g [ ]0 . 0 0 0 0 4 0 . 2 0 5 3N 1 6 . 7 1 7l o g 1 . 9?? ? ?精 實(shí)際板層數(shù)的求取 進(jìn)料黏度：在 tD=89℃ ，查手冊(cè) [4]得 1 Pa sm? ?? 2 mPa s? ?? 3 s? ?? l g 0 . 3 9 2 9 l g (0 . 0 7 7 ) 0 . 2 0 5 3 l g (0 . 2 5 5 ) 0 . 4 0 1 8 l g (0 . 3 1 5 )LF? ? ? ? 求得 0 .1 7 3LF m Pa s? ?? 塔頂物料黏度： tD=38℃ ，查手冊(cè) [4]得 1 s? ?? 2 Pa s? ?? 3 s? ?? l g 0 . 9 9 8 7 l g (0 . 1 3 3 ) 0 . 0 0 0 0 4 l g (0 . 4 4 4 ) 0 . 0 0 1 2 6 l g (0 . 6 8 3 )LD? ? ? ? 求得 0 .1 3 3LD m Pa s? ?? 塔釜物料黏度： ??， 查手冊(cè)得 1 mPa s? ?? 2 s? ??