【導(dǎo)讀】作為LPG和石油類的替代燃料，目前二甲醚倍受注目。與甲烷一樣，被期望成為21世紀的能源之一。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。分為液相法和氣相法兩種工藝，本設(shè)計采用氣相法制備二甲醚工藝。發(fā)，甲醇蒸氣通過γ-AL2O3催化劑床層,氣相甲醇脫水制得二甲醚。程主要由甲醇加熱、蒸發(fā)、甲醇脫水、二甲醚冷凝及精餾等組成。1）全過程的物料及能量衡算；2）通過對ASPENPLUS的學(xué)習對精餾系統(tǒng)進行模擬；3）二甲醚精餾塔的選型設(shè)計計算；4）二甲醚精餾塔選型的校核；

　　

【正文】 M 方程組 ) 。 第 1 塊板有： V2yi,2+ L0xD = V1 yi,1 + L1xi,1 ( j = 1) (21) 第 j 塊板有： Fjzi,j + Lj 1 xi,j 1+ Vj+ 1 yi,j+ 1=Ljxi,j + Vjyi,j ( 2 ≤j ≤ N1) (22) 第 N 塊板有： LN1xi,N1= VNyi,N + LNxi,N ( j = N ) (23) ( 2) 相平衡方程組 ( E 方程組 ) 。 yi,j = Ki,jxi,j ( i= 1 C, j = 1 N ) (24) 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 14 ( 3) 歸一化方程 ( S 方程組 ) 。 Σxij = 1 Σyij = 1 ( i= 1 C, j = 1 N ) (25) ( 4) 熱平衡方程組 ( H 方程組 ) 。 第 1 塊板有： V2H2V V1H 1V L1H1L+ L0H0L Q1= 0 ( j = 1) (26) 第 j 塊板有： (27) 第 N 塊板有： (28) 對實驗體系而言，各組分在常壓下的沸點溫度相差較大；液相是非理想體系，氣相與理想體系相差不大，氣液相平衡常數(shù)不僅與溫度、壓力有關(guān)，而且與組成有關(guān)。考慮到研究體系的性質(zhì)特點，利用泡點法和內(nèi)外法的思想，建立序貫的循環(huán)嵌套迭代計算方法對 MESH方程組進行求解。用上述模型和算法對實驗精餾過程進行模擬。 結(jié)語 二甲醚作為一種新型能源，具有廣闊的市場前景。二甲醚的制取是二甲醚能否廣泛使用的一個關(guān)鍵步驟，而甲醇氣相催化脫水是目前國內(nèi)外使用最多的二甲醚工業(yè)生產(chǎn)方法。其特點是技術(shù)成 熟可靠、投資低、產(chǎn)品調(diào)整靈活、工藝簡單、生產(chǎn)成本低等特點，并且該技術(shù)投運裝置市場已占有率 80%— 90%。利用甲醇氣相法制取二甲醚的溫度應(yīng)控制在 300℃ — 320℃ 范圍內(nèi)，可以使得甲醇的轉(zhuǎn)化率達到最大。同時，由于該反應(yīng)為等摩爾反應(yīng)，壓力對該反應(yīng)的結(jié)果影響不大，可控制在 。隨著空速的增加，甲醇轉(zhuǎn)化率降低，但是當反應(yīng)溫度大于 320℃ 時，隨空速的增加，甲醇轉(zhuǎn)化率下降并不明顯。由于水的存在可以降低絕熱溫升，但水的存在不利于反應(yīng)的進行，催化劑同時也要采用具有抗水性質(zhì)的催化劑。 本次設(shè)計中，二甲醚的制 取采取的是甲醇氣相法，利用精甲醇于 300℃ 、壓力為、并以 γAL2O3為催化劑 的條件下，在列管式反應(yīng)器中進行反應(yīng)。得到的二甲醚利用篩板塔進行精餾提純，得到精二甲醚，而粗甲醇通過利用精餾塔進行精餾提純后，再次循環(huán)利用。 25萬噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計 15 第 2 章 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 1 1 7 7 0 K J / k m o l? ? ? ? ?； 300 ℃ 反應(yīng)條件 本過程采用連續(xù)操作，反應(yīng)條件：溫度 T=250℃ 370℃ ，反應(yīng)壓力 ? ，反應(yīng)在列管式反應(yīng)器中進行。 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，該反應(yīng)過程為單一、不可逆、無副產(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)計采用催化劑 γAL2O3，催化劑為球形顆粒，直徑 dp 為 5mm，床層空隙率 ε為 。 精餾塔的選擇 本設(shè)計精餾塔采用的是篩板塔，其優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、造價低、氣流壓降小、板上液面落差小、板效率高。 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 16 第 3 章 物料衡算與能量衡算 反應(yīng)器 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≥％ 要求年產(chǎn) 25 萬噸二甲醚，則每小時應(yīng)生產(chǎn)二甲醚的量為 : hk m o lhkg / 7 9/3 1 2 5 08 0 0 0 102 5 0 0 0 0 3 ??? 又產(chǎn)品的回收率為 %，故而生產(chǎn)二甲醚的量為： hk m o lF x /% ??? 反應(yīng)式： OHO C HCHOHCH 23332 ????? ?? 加熱、催化劑 ； ? ?RH 1 1 7 7 0 K J / k m o l? ? ?300 ℃ 本次設(shè)計由于采用的催化劑是 γAL2O3，甲醇的轉(zhuǎn)化率可達到 80%。 反應(yīng)器應(yīng)加入甲醇量為： kmo l/ h170 1. 7880% 2680 .7 1 ?? 原料進料量： kmol/ ? 水的量為： kmol/h 按化學(xué)計量關(guān)系計算反應(yīng)器出口氣體中各組分量： kmol /h685. 31680. :OH kmol /h340. 3820%1701 .78 :OHCH 2 3 ?? ?? 進入 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： 0 0 7 0 6 mSqVvvnR ???? 25萬噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計 17 表 反應(yīng)器階段的物料組成 組分 進料 F0/(koml/h) 進料摩爾分數(shù) % 進料 qm0/(kg/h) 出料 F/(koml/h) 出料摩爾分數(shù) % 出料 qm/(kg/h) 二甲醚 0 0 0 甲醇 水 合計 100 100 能量衡算 基準溫度取 ,由物性手冊查的在 300℃ 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=（ 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 ? ? hKJQ / 4 4 5 6 71 ??????? 反應(yīng)后氣體帶走熱量 ? ? hKJQ / 2 3 3 0 8 9 1 3 1 2 72 ????????? 反應(yīng)放出熱量 hKJQ R / 1 7 7 7???? 熱量損失 hKJ R / ???????損 二甲醚精餾塔 進料溫度的計算 設(shè)泡點溫度為進料溫度 (1) 已知體系總壓強 P 總 =11bar 物料飽和液體進料，故進料的泡點溫度為進料溫度。 (2) 安托因公式 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 18 ㏑ Pis=AB/(T+C) (Pis:： mmHg， T： K) 查《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》見下頁表 DME： ln Pis， DME=（ ） CH3OH： ln Pis， CH3OH=（ ） H2O： ln Pis， H2O=（ ） P 總 =P1S,DME+Pis， CH3OH+Pis， H2O 表 安托因公式數(shù)據(jù)表 A B C DME CH3OH H2O 采用 Excl 單變量求解法，取 t=70℃ ，即 T=，并在 Excl 中輸入公式，利用單變量求解法求解得到： T=，即 ℃ 時，所以進料溫度為 ℃ 。 二甲醚精餾工段的衡 算 本次衡算利用 ASPENPLUS 進行模擬，包括利用 DSTWU 模塊的初步模擬與利用 RadFrac 模塊進行精確模擬。 DSTWU 模塊進行初步模擬： 圖 二甲醚精餾的 ASPENPLUS 模擬 25萬噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計 19 利用 ASPENPLUS 中的 DSTWU 模塊對二甲醚精餾工段進行初步模擬，輸入數(shù)據(jù)： 進料溫度： ℃ 進料壓力： 11bar 進料物量： 物料組成： H2O: DME: CH4O: 回流比設(shè)定為 R/Rmin = 取二甲醚的精餾純度為 （摩爾分數(shù)），塔頂甲醇的含量為： 得到如下圖所示的結(jié)果： 表 DSTWU 的模擬結(jié)果 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 20 由上表 33 知： 最小回流率為 Rmin=； 實際的回流比： R=； 最少理論塔板數(shù)為 10 塊，實際塔板數(shù)為 20 塊，第 11 塊板進料，提餾段從第 10 塊板開始。 再沸器需要提供的能量為： ； 冷凝器需要移除的能量為： 。 塔頂： D=塔頂： W=塔頂、塔底等各組分的含量列如下表： 表 二甲醚精餾各組分的含量 組分 進料 F 塔頂 D 塔底 W 摩爾百分數(shù) % 摩爾流量kmol/h 摩爾百分數(shù) % 摩爾流量kmol/h 摩爾百分數(shù) % 摩爾流量kmol/h CH3OCH3 CH30H H2O 0 0 總計 1 1 1 2. 利用 RadFrac 模塊對二甲醚精餾塔進行精確模擬： 輸入數(shù)據(jù)如下： 進料溫度： ℃ 進料壓力： 11bar 進料物量： 物料組成： H2O: DME: CH4O: 同時將 DSTWU 初步模擬出來的結(jié)果輸入 RadFrac 模塊中，包括： 實際塔板數(shù)： 20 塊 實際回流比： 塔頂與進料的比 進料板數(shù)： 11 塔頂壓力： 9 bar 全塔總壓降： bar 得到如下結(jié)果： 25萬噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計 21 表 塔頂參數(shù) 表 各個塔板的狀態(tài)數(shù)據(jù) 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 22 圖 各個塔板間物料的氣相組成曲線圖 圖 揮發(fā)平衡值分布曲線圖 甲醇精餾塔的衡算 由于本次設(shè)計主要是對二甲醚的精餾工段進行設(shè)計，所以，對甲醇回收工段的衡算將只采用 ASPENPLUS 中的 DSTWU 模塊進行模擬。 25萬噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計 23 圖 甲醇精餾回收的 ASPENPLUS 模擬 利用 ASPENPLUS 中的 DSTWU 模塊 對甲醇精餾回收工段進行初步模擬，輸入數(shù)據(jù)： 進料溫度： 1490C 進料壓力： 由于二甲醚的含量很低，故可認為進料中不含有二甲醚，所以進料物量：物料組成： H2O: CH4O: 回流比設(shè)定為 R/Rmin = 取甲醇的精餾純度為 （摩爾分數(shù)），塔頂甲醇的含量為： 輸出結(jié)果如下： 表 甲醇精餾 DSTWU 模擬結(jié)果 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 24 由表 36 知： 最小回流率為 Rmin=； 實際的回流比： R=； 最少理論塔板數(shù)為 9 塊，實際塔板數(shù)為 17 塊，第 13 塊板進料，精餾段從第 12 塊板開始。 再沸器需要提供的能量為： ； 冷凝器需要移除的能量為： 。 塔頂： D=塔頂： W=塔頂、塔底等各組分的含量列如下表： 表 甲醚精餾各組分的含量 組分 進料 F 塔頂 D 塔底 W 摩爾流量kmol/h 百分含量 % 摩爾流量kmol/h 百分含量 % 摩爾流量kmol/h 百分含量 % H2O CH4O 總計 1 1 1 25萬噸 /年二甲醚精餾系統(tǒng)及二甲醚精餾塔設(shè)計 25 甲醇緩沖罐 緩沖罐中的物料的來源有： ， 。 緩沖罐中的物料的去路有：去往反應(yīng)器中進行反應(yīng)。 前面已經(jīng)求出甲醇回收塔頂產(chǎn)物 kmol/h，反應(yīng)器中的原料氣總量 kmol/h，且甲醇的含量均為 %所以，新鮮加入的原料氣的量： kmol/h。 表 甲醇緩沖罐中的物料組成 組分 甲醇回收后的進料 新鮮進料 出料 F1（ kmol/h) 摩爾分數(shù) % F1（ kmol/h) 摩爾分數(shù) % F1（ kmol/h) 摩爾分數(shù) % H2O CH4O 總計 1 1 1 安徽建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 26 第 4 章 二甲醚精餾塔結(jié)構(gòu)計算 精餾塔的工藝條件： 1. 壓力