【正文】 nFx?nWx?計算結果見表 3。39。 精餾塔的物料衡算 原料液及塔頂和塔底的摩爾分率甲醇的摩爾質量 MA=32kg/kmol水的摩爾質量 MB=18kg/??? 原料液及塔頂和塔底產品的平均摩爾質量MF= 32+() 18=?MD = 32+() 18 =?MW = 32+() 18 = 物料衡算原料處理量 F=W1=總物料衡算 F=D+W甲醇物料衡算 =+?聯(lián)立解得 D= W= 塔板數(shù)的確定 理論板層數(shù)的求取 相對揮發(fā)度的求取由 ，再根據(jù)表 51[7]數(shù)據(jù)可得到不同溫度下的揮發(fā)度，見表 52)1(Ayx???表 氣液平衡數(shù)據(jù)溫度/℃ x Y 溫度/℃ X Y100 表 揮發(fā)度溫度/℃ 揮發(fā)度 溫度/℃ 揮發(fā)度 78 陜西理工學院畢業(yè)設計第 24 頁 共 58 頁 66 所以 ??????m 求最小回流比及操作回流比泡點進料： .)154()1(y ??????mq故最小回流比為：= =inRDqxy..0).(取操作回流比為：R=2 =2 =? 求精餾塔的氣、液相負荷 =? 對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。 .13(.)a???????? 39。SVbc?式中 ()VLA?? 39。由式得owh陜西理工學院畢業(yè)設計第 20 頁 共 58 頁2/????????取 E=1，則 ,min284360Ls???????據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線（3） 液相負荷上限線以 =4s 作為液體在降液管中停留時間的下限，由 得? fTsAH=4L?? 3,???據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線（4） 液泛線令 ()dTwh??由 1。Ve 漏液對篩板塔，漏液點氣速 可由下式計算，即0,minu0,min04.(.)/LVuCh????? 720632619205.)./??? 91/s.實際孔速 0058,minuu?穩(wěn)定系數(shù)為： 0215,.?故在本設計中無明顯液漏。20D? 邊緣區(qū)寬度確定取 Ws=W =， Wc=39。選用凹形受液盤，深度 。 降液管底隙高度 h0039。s=3239。 ????39。塔頂操作壓力 PD= 每層塔板壓降 = ?進料板壓力 PF=+ 24=?塔底壓力 Pw=+ 62=精餾段平均壓力 Pm=(+) 2=全塔平均壓力 Pm=(+) 2= 操作溫度計算由汽液相平衡條件，有 ^VLiif?(1,2C)…，若用逸度因子表示 (1))^^ (,exp[]ssLiiVLiiiiiVfpyjfjRT?則 (2)^()ex[]LssViiiijT??其中 (3)00lnlns EiBpACD??二甲醚、甲醇和水的物性數(shù)據(jù)由文獻 [4]查的，飽和蒸汽壓計算式（3）中的系數(shù)見文獻 [5]采用狀態(tài)方程 活度因子法，有 PR 方程 計算氣象個組分的逸度因子，各二元體系的二元相互作用參數(shù)k12 的值見表 3；利用 NRTL 方程計算液相活度因子，進行汽液平衡數(shù)據(jù)的熱力學計算。所以塔壓力采用加壓。床層壓力降計算： 1Re()()??因 REM1000 屬湍流，則 ?????? 498(). 57..2KPa?陜西理工學院畢業(yè)設計第 7 頁 共 58 頁4 甲醚精餾塔結構計算 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，以甲醚為輕關鍵組分，甲醇為重關鍵組分，水為重非關鍵組分。在 400℃以下時，該反應過程為單一、不可逆、無副產品的反應，選擇性為 100%。表 二甲醚各種生產方法技術經濟比較方法 硫酸法 氣相轉化法 一步合成法催化劑 硫酸 固體酸催化劑 多功能催化劑反應溫度/℃ 130160 200400 250300反應壓力/MPa 常壓 轉化率/％ 90 7585 90二甲醚選擇性/％ 99 99 651000t/a 投資/萬元 280320 400500 700800車間成本（元/噸） 45004800 46004800 34003600二甲醚純度/％ ≤ ≤ 990 原料及產品規(guī)格原料：工業(yè)級甲醇； 甲醇含量≥％ 水含量≤％； 產品：DME 含量≥％，甲醇含量 ≤500ppm，水含量≤。由表 1 可以看出，由合成氣一步法制 DME 的生產成本遠較硫酸法和甲醇脫水法為低，因而具有明顯的競爭性。催化蒸餾工藝本身是一種比較先進的合成工藝, 如果改用固體催化劑, 則其優(yōu)越性能得到較好的發(fā)揮。結果表明 CO2 加 H2 制 DME 不僅打破了 CO2 加氫制甲醇反應的熱力學平衡，明顯提高了 CO2 轉化率，而且還抑制了水氣逆轉換反應的進行，提高了 DME 選擇性。日本 Arokawa 報道了在甲醇合成催化劑(CuO ZnO Al2O3)與固體酸組成的復合型催化劑上, CO2 加氫制取甲醇和 DME，在 240 ℃，310 MPa 的條件下, CO2 轉化率可達到 25 %，DME 選擇性為 55 %。清華大學加大了對漿態(tài)床 DME 合成技術的研究力度，正與企業(yè)合作進行工業(yè)中試研究，在工業(yè)中試成功的基礎上，將建設萬噸級工業(yè)示范裝置。因此, 漿態(tài)床合成氣法制 DME 具有誘人的前景，將是煤炭潔凈利用的重要途徑之一。其過程的主要反應為： 甲醇合成反應 （1）23CO H 9014 kJ/mol??＝水煤氣變換反應 （2）22 /l?甲醇脫水反應 （3）332CHO HO 314kJ /ol?在該反應體系中，由于甲醇合成反應和脫水反應同時進行，使得甲醇一經生成即被轉化為DME，從而打破了甲醇合成反應的熱力學平衡限制，使 CO 轉化率比兩步反應過程中單獨甲醇合成反應有顯著提高。該工藝特點是操作簡單，自陜西理工學院畢業(yè)設計第 1 頁 共 58 頁動化程度較高，少量廢水廢氣排放，排放物低于國家規(guī)定的排放標準。該工藝生產純度 %的 DME 產品, 用于一些對 DME 純度要求不高的場合。其中前二種方法比較成熟，后三種方法正處于研究和工業(yè)放大階段。二甲醚市場應用前景廣闊，因此對二甲醚的生產工藝進行研究很有必要。此外，利用 DME 還可以合成低烯烴、甲醛和有機硅化合物。在未來十年里，DME作為燃料的應用將有難以估量的潛在市場，其應用前景十分樂觀。關于DME作發(fā)泡劑，國外已相繼開發(fā)出利用 DME作聚苯乙烯、聚氨基甲酸乙酯、熱塑聚酯泡沫的發(fā)泡劑。DME 因其良好的理化性質而被廣泛地應用于化工、日化、醫(yī)藥和制冷等行業(yè)，近幾年更因其燃燒效果好和污染少而被稱為“清潔燃料”，引起廣泛關注。 二甲醚的用途 （1）替代氯氟烴作氣霧劑 [1] 隨著世界各國的環(huán)保意識日益增強，以前作為氣溶工業(yè)中氣霧劑的氯氟烴正逐步被其他無害物質所代替。發(fā)泡后的產品，孔的大小均勻，柔韌性、耐壓性、抗裂性等性能都有所增強?？蓮V泛用于民用清潔燃料、汽車發(fā)動機燃料、醇醚燃料。目前，全球二甲醚總生產能力約為21萬t/a，產量16萬t/a 左右，表11為世界二甲醚主要生產廠家及產量。 設計依據(jù)本項目基于教科書上的教學案例，通過研讀大量的關于 DME 性質、用途、生產技術及市場情況分析的文獻，對生產 DME 的工藝過程進行設計的。本設計采用氣相甲醇脫水法。其工藝具有反應條件溫和(130～160) ℃、甲醇單程轉化率高( 85%) 、可間歇也可連續(xù)生產等特點， 但是存在設備腐蝕、環(huán)境污染嚴重、產品后處理困難等問題，國外已基本廢除此法。該技術生產 DME 采用固體催化劑催化劑，反應溫度 200℃， 甲醇轉化率達到 75%～ 85%，DME 選擇性大于 98%，產品 DME 質量分數(shù)≥ %，甲醇制二甲醚的工藝生產過程包括甲醇加熱、蒸發(fā)，甲醇脫水，甲醚冷卻、冷凝及粗醚精餾，該法是目前國內外主要的生產方法。 由合成氣直接合成 DME，與甲醇氣相脫水法相比，具有流程短、投資省、能耗低等優(yōu)點，而且可獲得較高的單程轉化率。合成氣法所用的合成氣可由煤、重油、渣油氣化及天然氣轉化制得，原料經濟易得，因而該工藝可用于化肥和甲醇裝置適當改造后生產DME，易形成較大規(guī)模生產；也可采用從化肥和甲醇生產裝置側線抽得合成氣的方法，適當增加少量氣化能力，或減少甲醇和氨的生產能力，用以生產 DME。 二氧化碳加氫直接合成二甲醚 近年來，CO 2 加氫制含氧化合物的研究越來越受到人們的重視，有效地利用 CO2，可減輕工業(yè)排放 CO2 對大氣的污染。大連化物所研制了一種新型催化劑， CO2 轉化率為 % ,DME 選擇性為 50 %。 催化蒸餾法制二甲醚 到目前為止, 只有上海石化公司研究院從事過這方面的研究工作。用催化蒸餾工藝可以開發(fā)兩種 DME 生產技術：一種是甲陜西理工學院畢業(yè)設計第 2 頁 共 58 頁醇脫水生產 DME，一種是合成氣一步法生產 DME。但相對其它兩類方法，目前該方法正處于工業(yè)放大階段，規(guī)模比較小，另外，它對催化劑、反應壓力要求高，產品的分離純度低，二甲醚選擇性低，這都是需要研究解決的問題。 設計規(guī)模和設計要求設計規(guī)模：400,000 噸 DME/年，按照 8000 小時開工計算，產品流量 50,000kg/h，合；設計要求：產品 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％。 轉化率：反應為氣相反應，甲醇的轉化率在 80% 。由設計要求知，塔頂液相組成 xD1=(均為摩爾分數(shù)) xD2= xD3=進料液相組成 xF1= xF2= xF3=以 ，對塔 1 做物料衡算，由年產 40 萬噸二甲醚知，D 1= F=D+W1 FxF1=DxD1+WxW1解得 W1= xw1=同理可計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 進料 xF 塔底 xw 查相關文獻 [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 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 （1）i,Dm(x)R1q???? （2）i1,F??進料狀態(tài)為飽和液體，q=1，則 i1,??????????用試差法求出 =，帶入（1）式i,Dm().87..????故 Rmin=為實現(xiàn)對兩個關鍵組分之間規(guī)定的分離要求，回流比必須大于它們的最小值，根據(jù) Fair 和陜西理工學院畢業(yè)設計第 8 頁 共 58 頁Bolles 的研究結果，R/R m 的最優(yōu)值約為 ，但在比值稍大的一定范圍內接近最佳條件。另一方面隨著操作壓力增加,精餾操作所用的蒸汽、冷卻水、動力消耗也增加。在熱力學計陜西理工學院畢業(yè)設計第 10 頁 共 58 頁算中，將 NRTL 方程的模型參數(shù) 整理成（ =）ij?? (4)2ijijijijbcT????式（4）中個二元體系的數(shù)值見表 4，表 43 和表 44 中二甲醚（ 1）甲醇（2） 、二甲醚（1）水（2） 、甲醇（1）水（2）各二元體系的模型是利用文獻數(shù)據(jù)整理得到的。3koml/hV精餾段的氣、液相體積流率為： 3...0/sVmsM=6ρ???提餾段的氣、液相體積流率為： ..8m/s39。..5/ssV??314017m2sL?由 式中的 C 由式 計算，其中 由史密斯關聯(lián)圖 [8]查取，圖maxLVuC?()L??20C的橫坐標為： 1/??????????????取板間距 ，板上液層高度 ，=.6mLh063TLh陜西理工學院畢業(yè)設計第 14 頁 共 58 頁圖 史密斯關聯(lián)圖查史密斯關聯(lián)圖得 =?????????=.35=取安全系數(shù)為 ，?..315/S4VDπu406==.按標準塔徑圓整后為 D=塔截面積為 ???實際空塔氣速為 =.3/s45u 提餾段塔徑的計算精餾段的汽液相負荷精餾段的氣、液相體積流率為 239。36hWLlu的一般經驗數(shù)值為 取39。39。 開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積 按式 計算aA221sin80rxx?????????陜西理工學院畢業(yè)設計第 17 頁 共 58 頁其中 ()()???????.故