【導讀】《化工設計》課程設計說明書。年產(chǎn)4萬噸二甲醚工藝初步設計與平面布置。專業(yè)班級：化工112班。化工設計課程設計任務書。擬建規(guī)模：4萬噸/年。年生產(chǎn)時間:8000小時/年。汽化塔：原料粗甲醇純度90%，塔頂甲醇氣體純度≥99%，釜液?；厥账核敾厥占状技兌取?8%，廢水中甲醇含量≤%。共設計三周，前1周收集資料，進行工藝流程的設計、物料和熱量衡算，后兩周進行。設計說明書的撰寫、工藝流程圖和設備圖的繪制。帶控制點的工藝流程圖一套

　　

【正文】 by 在一套 50kg/d 中試裝置中完成 12020h 操作之后，HaldorTopsoe Als 宣稱其由天然氣直接合成二甲醚的催化法已準備好放大。其方法是首先經(jīng)普通的蒸汽或自熱重整，天然氣轉(zhuǎn)化成合成氣 。然后通過一種專利催化劑，操作條件 200300℃ 和 3080Mpa。據(jù) Topsoe 稱， CO 轉(zhuǎn)化率達到 60%一 70%，催化劑以銅為基礎，同時也可生產(chǎn)甲醇和二甲醚。 工藝流程說明 在 4 萬噸 /二甲醚生產(chǎn)裝置的工藝設計過程中，綜合考慮現(xiàn)有一些二甲醚生產(chǎn)裝置在熱量平衡上的不足之處，立足于全系統(tǒng)熱能的充分利用，以最大限度地達到節(jié)能降耗的效果，同時本著節(jié)約投資、方便操作與維護的原則對工藝流程進行合理優(yōu)化，在此基礎上設計 4 萬噸 /二甲醚生產(chǎn)裝置的工藝流程。 參見 20 萬噸 /二甲醚生產(chǎn)裝置帶物料點工藝流程圖（圖 31） (PFD) 20 萬噸 /二甲醚生產(chǎn)裝置物料平衡表 (1)原料甲醇 原料直接采用市售質(zhì)量分數(shù)為 90%的甲醇經(jīng)汽化提純后合成二甲醚。 氣相甲醇 釜殘液 釜殘液 釜殘液 回收甲 醇 產(chǎn)品 DME（≥ %） 圖 31 二甲醚生產(chǎn)工藝流程方框圖 (2)反應 原料甲醇 甲醇汽化 合成塔 （甲醇氣相脫水） 冷凝、 氣液分離 初餾塔 回收塔 DME 精餾塔 14 在 DME 合成反應器中產(chǎn)生的反應如下所示 : 2CH3OH== CH3O CH3+H2O+DME 反應器是絕熱軸流式固定床反應器。在反應器中約 80%的甲醇被轉(zhuǎn)化為二甲醚，而且二甲醚的選擇性為約 %，二甲醚反應為放熱反應。 (3)合成氣冷卻 反應器出口氣中含有 DME， 它在進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，然后在二甲醚精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。由于二甲醚反應轉(zhuǎn)化率在低壓下較高，因此二甲醚反應器的操作壓力不宜太高，而二甲醚精餾塔在較高壓力操作時 DME 的損失較小，基于上述原因，二甲醚合成系統(tǒng)壓力控制略高于二甲醚精餾系統(tǒng)。 (4)二甲醚精餾 來自二甲醚合成系統(tǒng)的工藝液體被送入二甲醚精餾塔中部，塔底再沸是通過精餾塔加熱器的蒸汽流量控制完成，在 DME 精餾塔中 DME 與甲醇和水分開， 一二甲醚產(chǎn)品從精餾塔頂部回收，而甲醇和水一起從塔底去除，并為原料甲醇提供預熱熱源。 含有 DME 的頂部氣體在二甲醚冷凝器中被大部分冷凝下來，然后送入二甲醚塔回流罐中，在二甲醚冷凝器中未冷凝的氣相作為燃料被放掉。在二甲醚回流罐中分離的液體被二甲醚回流泵加壓，并被分成精餾塔回流液和 DME 產(chǎn)品，產(chǎn)品二甲醚被送出界區(qū)貯存。 (5)甲醇塔 二甲醚精餾塔底部液體被直接引入甲醇蒸餾塔中，甲醇在蒸餾塔中與水分離出來，再循環(huán)回甲醇緩沖槽內(nèi)。再沸負荷主要是由合成反應氣來提供，不足部分由甲醇塔加熱器 E108 的蒸汽來補充。 頂部甲醇 蒸汽在甲醇冷凝器 (Ell0)的冷卻水冷凝，然后通過甲醇回流泵返回二甲醚合成系統(tǒng)，部分甲醇則回流到甲醇蒸餾塔，未冷凝氣體則作為尾氣放空。 常溫含水粗甲醇作為本工藝流程的原料，由往復泵定量輸送至合成工序的汽化塔進行汽化提純，并由液態(tài)轉(zhuǎn)化成飽和氣態(tài)，再進入電加熱爐過熱至 250℃以上溫度，過熱后的甲醇原料蒸汽以逆流方式進入固定床合成塔，在氧化鋁型固定床中進行縮水反應生成氣態(tài)二甲醚和水（反應溫度控制在 280℃450℃之間，一次轉(zhuǎn)化率不小于 75%），反應產(chǎn)物中包括有二甲醚、水以及未反應的甲醇蒸汽。反應物經(jīng)換熱器降溫后 在冷凝器中被循環(huán)水冷凝成液體，經(jīng)計量罐進入中間罐貯存，未被冷凝成液態(tài)的少量副反應氣體如 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行焚燒，進入中間罐的反應物由屏蔽泵加壓輸送至初餾塔進行精餾分離，塔頂分餾出燃料級的二甲醚組分，塔底分離出粗甲醇混合物，燃料級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)計量泵后進入燃料級二甲醚產(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)進行儲存，塔底稀甲醇混合物經(jīng)冷卻后進入粗甲醇中間罐進行貯存。 粗甲醇中間罐的稀甲醇液體由屏蔽泵加壓 輸送至甲醇回收塔進行精餾分離，塔頂分餾出精甲醇組 15 分，塔底分離出廢水，精甲醇蒸汽被循環(huán)水冷卻成常溫精甲醇液體，經(jīng)計量后進入回收甲醇中間罐。再經(jīng)計量后由工藝管道輸送至往復泵進口循環(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充循環(huán)水。 生產(chǎn)工藝特點 本工藝裝置的主要工藝特點是流程簡潔明暢，工藝條件溫和，裝置內(nèi)熱能利用較好，操作簡易方便。 本裝置設備臺數(shù)較少，設備制作充分立足于國內(nèi)現(xiàn)狀，所有設備均能在國內(nèi)制造而不需進口，項目投資大為降低。 主要工藝指標 二甲醚產(chǎn)品指標 表 7 產(chǎn)品二甲醚產(chǎn)品指標 序號 組分 純度 備注 1 2 3 4 二甲醚 甲醇 水分 C3 以下烴類 ≥ % ≤ ≤ ≤ 本設計產(chǎn)品二甲醚可用作替代燃料或氣霧劑等化工原料，目前燃料級二甲醚尚未頒布國家標準，設計產(chǎn)品工藝指標可參照表（ 31） 塔設備指標如下： 汽化塔：原料甲醇純度 90%（質(zhì)量分數(shù)，下同），塔頂甲醇氣體純度≥ 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≤ % 催化劑的使用 本設計 DME 合成塔采用輻射型固定床反應器，生產(chǎn)用催化劑為沸石型酸性氧化鋁分子篩。 DME合成塔中發(fā)生的化學反應為放熱反應。所用沸石型酸性氧化鋁分子篩為φ =3mm， L=5～ 8 mm 白色顆粒狀，堆積體積密度≤ ，具有良好的化學性質(zhì)及足夠的撞擊強度與耐磨強度，對于甲醇縮水生成二甲醚的工藝過程，該催化劑 的催化活性、選擇性、與穩(wěn)定性均顯示出了優(yōu)異的經(jīng)濟指標，在再生與使用周期上也有較好的表現(xiàn)。工藝設計的該催化劑可使甲醇的一次性轉(zhuǎn)化率≥ 80﹪，選擇性指標接近 100﹪。極微量副產(chǎn)物為甲烷、二氧化碳。再生周期≥ 300 日。可反復使用。 該型催化劑在制備過程添加少量稀土元素，無有毒重金屬組份。因此粉碎或廢棄的分子篩可就地填埋或送催化劑配制公司回收處理 [1]。 16 4 物料衡算 原料甲醇流量的估算：年產(chǎn) DME10 萬噸，合成轉(zhuǎn)化率為 80%（出去各步損失，按 78%粗略估算），選擇性按 100%計算，二甲醚產(chǎn)品純度為 %。結(jié)合甲 醇脫水反應式可得下式： 4 氣化塔物料衡算 已知 F′=103kg/h， xF′=90%， xD′=99%,xW′=%（以上均為質(zhì)量百分數(shù)）， 323 2 .0 4 / , 1 8 .0 2 /CH O H H OM k g k m o l M k g k m o l??，33 46 .07CH OCHM ?kg/kmol 摩爾分率： 9 0 / 3 2 .0 4 8 3 .5 0 %9 0 / 3 2 .0 4 1 0 / 1 8 .0 2Fx ??? 99 / 32 .0 4 98 .2 4%99 / 32 .0 4 1 / 18 .0 2Dx ? 0. 5 / 32 .0 4 0. 28 18 %0. 5 / 32 .0 4 99 .5 / 18 .0 2Wx ??? 進料平均相 對分子質(zhì)量 M 平均 =% +% =則進料摩爾流量為： 89 1089 3 ???F kmol/h 總物料 F D W?? ； 易揮發(fā)組分 F D WFx Dx Wx?? ； 帶入數(shù)據(jù)解得： D=塔頂產(chǎn)品平均相對分子質(zhì)量 M=%+(%)=塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流量 D==103kg/h 塔釜產(chǎn)品平均相對分子質(zhì)量 M=%+(%)=塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量 W==103kg/h 物料衡算結(jié)果表 單位 進料 F 塔頂 D 塔釜 W 物料 kg/h kmol/h 103 103 103 組成 質(zhì)量分率 摩爾分率 90% % 99% % % % 合成塔 物料衡算 進塔甲醇蒸汽流量 D? =由反應式 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 39。39。 000000 ??????D kmol/h 17 未反應的甲醇出塔流量為 8 9 0 00001 ????Nkmol/h 出塔水的流量為 )(0000002 ????????Nkmol/h 物料衡算 已知：進料 39。 3??F /h， ?F kmol/h 4 6 . 0 7 / , 3 2 . 0 4 /D M EM k g k m o l M k g k m o l?? 甲 醇 0 . 9 2 9 6 4 6 . 0 7 ( 1 0 . 9 2 9 6 ) 3 2 . 0 4 4 5 . 0 8 /FM k g k m o l? ? ? ? ? ? ??， 9 9 .9 / 4 6 .0 7 0 .9 9 8 69 9 .9 / 4 6 .0 7 0 .1 / 3 2 .0 4Dx ???， 0. 5 / 46 .0 7 0. 00 34 830. 5 / 46 .0 7 99 .5 / 32 .0 4Wx ? 根據(jù)物料衡算方程解得 8 7 . 8 1 9 / , 1 3 7 . 9 2 /D k m o l h W k m o l h?? 采用泡點進料 q=1，由汽液平衡數(shù)據(jù)，用內(nèi)插法求得進料溫度為 3 2 .94 0 3 2 .98 1 .5 1 0 0 .0 3 9 .0 6 1 0 0 .0Ft ?? ??? ?? ℃ 此溫度下， / 3F A B B Ay x y x? ?? m i n (1 )1 1 . 311DDFFxxR ?? ????? ? ? ??????? m in1 .5 1 .6 1 .3 2 .0 8RR? ? ? ? 2 . 0 8 8 7 . 8 1 9 1 8 2 . 6 6 /L R D k m o l h? ? ? ? ? 1 8 2 . 6 6 1 2 2 5 . 7 3 9 4 0 8 . 3 9 9 /L L q F k m o l h? ? ? ? ? ? ? ? ( 1 ) 2 6 8 .9 4 2 /V V R D k m o l h? ? ? ? ? 表 23 物料衡算結(jié)果表 物料 流量（ kmol/h） 組成 物料 物流（ kmol/h） 進料 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? 回收塔 物料衡算 回收塔的原料液來源于汽化塔、初餾塔、精餾塔的釜殘液，一同進入回收塔進行精餾回收甲醇， 18 作為原料液回收循環(huán)利用，這無論是在經(jīng)濟上還是環(huán)保上都是需要的。 進料 1 6 0 . 5 7 + 1 3 7 . 9 2 2 9 8 . 4 9 /F k m o l h?? 其中甲醇含量為， 1 6 0 . 5 7 0 . 2 8 1 8 % 4 4 . 5 2 8 4 4 . 9 8 /k m o l h? ? ? 則甲醇的摩爾分率即進料組成 Fx 為， 4 4 .9 8 / 2 9 8 .4 9 1 5 .0 7 %Fx ?? 3 2 . 0 4 / , 1 8 . 0 2 /M k g k m o l M k g k m o l??甲 醇 水 98 / 4 %98 / 4 2 / 2Dx ???， 0. 5 / 32 .0 4 0. 28 18 %0. 5 / 32 .0 4 99 .5 / 18 .0 2Wx ??? 由物料衡算方程解得 D=， W=進料平均相對分子質(zhì)量 2 3 2 . 0 4 1 5 . 0 7 % 1 8 . 0 2 ( 1 1 5 . 0 7 % ) 2 0 . 1 3 3 /M k g k m o l? ? ? ? ? ? 塔頂產(chǎn)品平均相對分子質(zhì)量 1 3 2 . 0 4 9 6 . 5 0 % 1