年產(chǎn)25萬噸二甲醚的生產(chǎn)工藝設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u11836摘要 3132631概述 420028 525392.1用作氣霧劑 556092.2用作燃料 5217602.3用作化工原料 519959 525100研究方法 5976產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量指標(biāo) 513229工藝流程介紹 658964.2.1生產(chǎn)技術(shù) 615570525萬噸/年二甲醚工藝設(shè)計 686665.1設(shè)計任務(wù) 6240005.2技術(shù)指標(biāo) 7241935.3生產(chǎn)工藝流程選擇 778255.4用AspenPlus軟件對流程進(jìn)行模擬及優(yōu)化 7144235.4.1模擬工藝流程圖 787255.4.2模擬計算結(jié)果 832276Aspen模擬計算結(jié)果見下表5-2： 868985.4.3塔板工藝尺寸計算 839585.4.4溢流裝置計算 9305965.4.5塔板布置和浮閥數(shù)量 10147825.4.6流體力學(xué)部分的驗算 11251695.4.7液泛（淹塔） 11162605.5塔板負(fù)荷性能圖 12299765.5.1霧沫夾帶線 12140855.5.2液泛線 12109285.5.3液相負(fù)荷上限線 12161355.5.4漏液線 1284315.5.5液相負(fù)荷下限 1260495.6本次設(shè)計中的塔體結(jié)構(gòu)的計算以及附屬設(shè)備的計算 13129875.6.1筒體 1398675.6.2封頭厚度計算 13296205.6.3塔體結(jié)構(gòu) 13272966結(jié)論 14摘要：綜述了兩步法二甲醚脫二氧化碳合成二甲醚的技術(shù)研究現(xiàn)狀，具體介紹了二甲醚的能源現(xiàn)狀、性質(zhì)、用途和生產(chǎn)方法。仔細(xì)的介紹了一步法合成二甲醚工藝設(shè)計的具體內(nèi)容，對我們國家的二甲醚的生產(chǎn)工藝進(jìn)展和需求情況進(jìn)行了深刻的討論。關(guān)鍵詞：二甲醚；一步法合成二甲醚技術(shù)；能源1概述二甲醚的另一個名稱為甲醚，屬于眾多個脂肪醚中的一種，分子式為C2H6O。其理化性質(zhì)為無毒、無色、具有較小的腐蝕性、無致癌性。因此，它被大量的使用于用于各個行業(yè)，比如化工、醫(yī)療等等。最近數(shù)十年來，它的燃燒性能被研究發(fā)現(xiàn)效果比較好，初次之外，不會對環(huán)境造成特別大的污染，因此，得到了許多國家研究人員的重點關(guān)注。能源問題在當(dāng)今世界上的各個國家都一直得到了廣泛的關(guān)注，我國也是如此。二甲醚由于其能夠在一定程度上充當(dāng)清潔能源而受到了世界上各個國家領(lǐng)域的注意。2.1用作氣霧劑由于各個國家的環(huán)保意識慢慢地得到了較大水平的提高，在過去的氣溶工業(yè)中經(jīng)常使用氯氟烴作為氣霧劑得到了大量的使用，由于其對環(huán)境具有一定的危害，現(xiàn)在正一步一步的被其他沒有危害的一些物質(zhì)所代替比如二甲醚等等。2.2用作燃料DME的蒸汽壓與液化石油氣較為相似，它是一種值得被采用的的環(huán)保能源，世界上的各個國家對其使用價值都具有較高的認(rèn)可度。作為柴油情節(jié)能源的代用品已經(jīng)大量的被人們所使用。2.3用作化工原料DME在我國工業(yè)原料中十分重要，被大量的使用。不僅如此，在農(nóng)藥工業(yè)生產(chǎn)中仍舊擁有許多特別的用途。二甲醚具有甲基化反應(yīng)的性能，可以氯化生成各種氯化衍生物。另外，其可以大量的應(yīng)用于噴射劑和制冷劑，通過減少氟利昂的使用來側(cè)面減少對大氣環(huán)境的破壞和臭氧曾的保護。根據(jù)近年來的一些調(diào)查結(jié)果顯示，較高純度的二甲醚國內(nèi)供給量依舊不是很高，很大程度上仍舊需要依賴從其他國家進(jìn)口到我國，從而滿足生產(chǎn)生活的的需要。對于二甲醚在市場上的需求，事實上早就已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了實際生產(chǎn)的供給，鑒于以上原因可知，二甲醚市場在國內(nèi)有著大量的需求，因此，二甲醚的生產(chǎn)工藝的研究很有必要堅持開展下去。由于目前的生產(chǎn)工藝都存在著各種各樣的一些缺點，比如：催化劑非常容易在反應(yīng)過程中失去活性，對于反應(yīng)的條件均具有非常嚴(yán)格的要求，價格較高的生產(chǎn)操作成本，采用的催化劑具有一定的腐蝕性，收率和選擇性較低[2]等其他問題，都是非常值得我們?nèi)パ芯康模@些技術(shù)難題的攻克一定能在二甲醚領(lǐng)域取得不錯的進(jìn)展，以下是一些前沿的科研成果：近些年來，我們國家對在進(jìn)入到反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行氣相催化脫二氧化碳反應(yīng)做出了研究，并且取得了一些不錯的進(jìn)展，隨后經(jīng)過循環(huán)二氧化碳進(jìn)行冷卻冷凝。通過發(fā)生副反應(yīng)過程會有一定量的二甲醚，這個過程中產(chǎn)生的二甲醚是飽和蒸氣、二甲醚、不凝汽，隨后將這些氣相產(chǎn)物送至洗滌塔中用來對二甲醚的進(jìn)行回收。然而從二甲醚精餾塔中獲得的二甲醚-二氧化碳溶液送到二甲醚提濃塔中進(jìn)行二甲醚提高純度，將提純后的二甲醚再次送回到反應(yīng)系統(tǒng)中作為反應(yīng)原料[5]。對于通過兩步法制備二甲醚工藝的技術(shù)現(xiàn)狀，目前，近年來國內(nèi)的二步制備二甲醚技術(shù)的技術(shù)，無論是氣相法制備二甲醚，還是通過液相法來制取二甲醚，在國內(nèi)的技術(shù)都早已經(jīng)達(dá)到了較為先進(jìn)、成熟的水平。研究方法產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量指標(biāo)二甲醚根據(jù)規(guī)格和質(zhì)量指標(biāo)可以分為以下兩種類型。（1）氣霧級的二甲醚的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如下二甲醚的wt%≥99.9；二甲醚的wt%≤0.01；二氧化碳份wt%<0.002。（2）燃料級二甲醚質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))目前國內(nèi)行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對于燃料級的二甲醚類產(chǎn)品的指標(biāo)參照：二氧化碳份wt%<1、二甲醚wt%≥93。工藝流程介紹4.2.1生產(chǎn)技術(shù)目前二甲醚的生產(chǎn)方法主要包括：一步法、兩步法。（1）一步法以合成氣為原料，二甲醚的合成反應(yīng)、二甲醚脫二氧化碳反應(yīng)通過在反應(yīng)器內(nèi)同時完成反應(yīng)后，在此時一些混合物會產(chǎn)生出來，之后為分離工藝的進(jìn)行，分離工藝即工藝中的蒸餾裝置會將產(chǎn)生的混合物進(jìn)行分離，得到一定的產(chǎn)品即二甲醚，對于沒有發(fā)生反應(yīng)的二甲醚返回合成反應(yīng)器。催化劑的選擇：對于在一步法工藝中的催化劑選擇上主要采用的是雙功能的催化劑，就是由兩種催化劑通過一定程度的混合后再進(jìn)行使用，這種混合為物理混合。第一種是在合成二甲醚反應(yīng)過程中需要用到的催化劑，比如Cu-Zn-Al（O）基催化劑等催化劑；第二種就是在二甲醚脫二氧化碳過程中需要使用的催化劑，如氧化鋁、絲光沸石等其他催化劑。圖1一步法制備二甲醚工藝流程Fig1Processflowofone-stepsynthesisofDME（2）二步法合成二甲醚工藝流程：第一步：首先通過合成氣制得二甲醚；第二步：二甲醚在催化劑作用下再進(jìn)行脫二氧化碳反應(yīng)。這種方法所適用的催化劑選擇性相對一步法所需要的雙功能催化劑較高，因此，二步法合成二甲醚比較適合用于高純度二甲醚生產(chǎn)。脫二氧化碳制二甲醚，即所謂的二步法制二甲醚。二甲醚氣相法制二甲醚原理：將二甲醚蒸汽通過催化劑床層，發(fā)生反應(yīng)脫二氧化碳生成二甲醚，是非均相反應(yīng)，二甲醚脫二氧化碳的反應(yīng)方程式為：525萬噸/年二甲醚工藝設(shè)計5.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)：年產(chǎn)25萬噸DEM，生產(chǎn)小時按照8000小時計算：250000÷8000=31.25t/h=31250kg/h=761kmol/h設(shè)計內(nèi)容：DEM產(chǎn)品流量31250kg/h收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過使用該軟件對二甲醚的生產(chǎn)工藝流程模擬、優(yōu)化，來確定裝置的設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)；根據(jù)上述軟件得到的模擬計算的結(jié)果和一些工程設(shè)計的規(guī)范要求，進(jìn)行本次設(shè)計精餾塔和換熱器的基礎(chǔ)內(nèi)容的設(shè)計工作。5.2技術(shù)指標(biāo)分離指標(biāo)如下表5-1所示表5-1技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱指標(biāo)單位DME產(chǎn)量25萬噸/年DME高純度產(chǎn)品純度≥99.9％二氧化碳純度≥99.9％二甲醚產(chǎn)品純度≥95％二甲醚回收率≥99％二甲醚回收率≥98％5.3生產(chǎn)工藝流程選擇該方法可以有效的降低系統(tǒng)能耗，而且其具有耗能低、價值高等有點。所以采用合成氣一步法來進(jìn)行設(shè)計。5.4用AspenPlus軟件對流程進(jìn)行模擬及優(yōu)化AspenPlus是一個主要用于對本設(shè)計過程中的化工生產(chǎn)裝置濟寧設(shè)計、模擬以及優(yōu)化的軟件。目前，已經(jīng)成為被世界各個國家所認(rèn)可的一種有效的模擬軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)分析與改造、對裝置設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化、以及新工藝開發(fā)等工作，為化工生產(chǎn)過程提供了很大的便利和幫助。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于諸多個大大小小的化學(xué)工程項目之中。在徑的數(shù)值相較情況下比較大時，選擇多層的槳葉用于攪拌。另外，如果物料在反應(yīng)的過程中，由要進(jìn)行一定的溫度升高的需要、降低一定的溫度的時候，將夾套設(shè)置在反應(yīng)器壁處的方法以及在器內(nèi)設(shè)置換熱面的方法可以選擇進(jìn)行采用。根據(jù)相關(guān)才來哦，可以得到可通過\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"外循環(huán)進(jìn)行換熱常用反應(yīng)器的類型有以下幾個方法：\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"管式的反應(yīng)器。該反應(yīng)器能夠用于實現(xiàn)\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"氣相反應(yīng)和\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"液相反應(yīng)的完成，是通過比較大的長徑的\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"填充管。一些其他的不是很典型的反應(yīng)器：例如\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器、\t"/item/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%99%A8/_blank"曝氣池反應(yīng)器等等反應(yīng)器。主要工作有：第一步：首先對工藝流程進(jìn)行綜合研究，并進(jìn)行該分離工藝流程的研究；第二步：通過模擬一步法制備過程，在經(jīng)過使用該軟件對吸收塔進(jìn)行模擬分析后，選擇符合本流程條件的吸收劑；第三步：對本工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到最大程度的節(jié)省能源，降低原料的消耗的目的；第四步：模擬計算生產(chǎn)工藝流程，并對該流程的其他設(shè)備進(jìn)行具體的工藝設(shè)計。5.4.1模擬工藝流程圖下圖是對本次工藝設(shè)計的工藝流程的模擬：工藝流程進(jìn)行模擬的內(nèi)容為：CO、H2同時進(jìn)入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，通過這個反應(yīng)會有一些混合物產(chǎn)出，進(jìn)入分離塔開始分離階段，通過分離裝置將混合物分離后，得到一定的產(chǎn)品二甲醚，最后在進(jìn)行提純操作。5-1合成氣一步法工藝流程圖5.4.2模擬計算結(jié)果Aspen模擬計算結(jié)果見下表5-2：表5-2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表C102數(shù)值設(shè)定溫度，℃20.354設(shè)定壓力，MPa2Vsm30.308Lsm3/s0.010kg/m350.432Lkg/m31072.885精餾段的表面張力L12.509精餾段塔板數(shù)NT12Vsm3/s0.729提餾段的液相體積流率Lsm3/s0.0525提餾段的氣相密度V'，kg/m345.340提餾段的液相密度L'，kg/m3795.963提餾段的表面張力L7.299提餾段塔板數(shù)NT'27進(jìn)料流量，kg/h43826.2塔底產(chǎn)品出料流量，kg/h255塔板工藝尺寸計算塔徑的計算（1）精餾段通過式中由式計算，由史密斯關(guān)聯(lián)圖可以得到的值，圖的橫坐標(biāo)為設(shè)計板間距的值為，設(shè)計板上液層高度為，則：根據(jù)史密斯關(guān)聯(lián)圖可以得到，設(shè)計安全系數(shù)的數(shù)值為0.7，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知空塔氣速數(shù)值為（2）對于提餾段的簡介：提餾段的概念：提餾段的作用重點是在于可以將物料中的易揮發(fā)組分盡最大量進(jìn)行提出，使液體越往下流時，其中的難揮發(fā)組分的濃度變得越來越大。\t"/item/%E6%8F%90%E9%A6%8F%E6%AE%B5/_blank"精餾塔在加料板以下的部分，被統(tǒng)稱為提餾段。注：加料的那一層不算。由式中由式計算，其中由史密斯關(guān)聯(lián)圖查取，圖的橫坐標(biāo)為取板間距，板上液層高度，則：查史密斯關(guān)聯(lián)圖得，取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為按照要求通過圓整處理后的值為截塔面積5.4.4溢流裝置計算溢流裝置的作用：1、防止冒罐2、警示液位3、通氣4、平衡壓力由于塔徑不大于2.2m，精餾段的液體體積流率為36m3/h小于110m3/h所以采用單溢流；提餾段液體體積流率為189m3/h小于200m3/h。當(dāng)弓形的降液管被設(shè)計中作為板式塔的塔板間液體傳輸?shù)耐ǖ罆r，弓形降液管就已經(jīng)成為了板式塔組成部分中相對比較重要的一部分。綜上所述，弓形的降液管不僅能夠在傳輸?shù)倪^程中進(jìn)行實現(xiàn)氣液兩相分離，還能同時提供一定的初始分布是關(guān)于塔板入口的液體的分布數(shù)據(jù)。以精餾段為例計算如下：（1）出口堰長，（2）出口堰高，其中（E取1.04）（3）本設(shè)計中的弓形降液管的寬度計算公式和截面積的數(shù)值公式，根據(jù)本設(shè)計中的弓形降液管的寬度與面積圖中的數(shù)據(jù)可知：根據(jù)計算得停得知留時間（4）本設(shè)計中降液管底隙的高度數(shù)值為（取=0.12）5.4.5塔板布置和浮閥數(shù)量浮閥塔板在\t"/item/%E6%B5%AE%E9%98%80%E5%A1%94%E6%9D%BF/_blank"我國的化學(xué)工業(yè)上得到了非常廣泛的一些應(yīng)用，主要有以下幾個方面：在加壓、脫吸、穩(wěn)定、吸收、常壓、減壓下的精餾等一些其他的傳質(zhì)過程中，浮閥塔的直徑從200~6400mm，可以達(dá)到比較不錯的使用效果。由于閥片開度可以隨氣速而變，低氣速時閥片在重力作用下可自動關(guān)小，減少了泄漏。所以它的效率比較高的、彈性也是比較的大、而且結(jié)構(gòu)相對其他來說比較的簡單。浮閥塔板在目前是一種比較疆場被使用的塔板，特點是他在塔板的上面打造了一些孔可以是圓形或者是方形的，在上面的每一孔上都會帶有一個閥片，當(dāng)其中的氣體在通過閥孔的時候，氣體會會以水平的方向來射出，是由于將閥片進(jìn)行向上頂起的操作的原因。于是，在氣體通過液層時，氣液兩相就會變成泡沫的狀態(tài)來進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的過程。1）塔板布置安定區(qū)：根據(jù)塔徑的數(shù)值是大于1m，所以可取=80mm無效區(qū)：取=40mm2）浮閥的數(shù)目與排列動能因數(shù)：，（對重閥而言，可在9~12間取10）。所以，每層塔板上的閥孔數(shù)選擇正三角形排列，單溢流塔板，鼓泡區(qū)面積計算選擇以下公式：其中，取孔心距=75mm代入，得故，閥數(shù)為252個。開孔率：開孔范圍圖5-2篩孔圖5.4.6流體力學(xué)部分的驗算精餾段指的是精餾塔在加料板以上的部分(不包括加料板本身)精餾段：氣體通過浮閥塔板的壓強降（1）干板阻力閥全開前，（），有=4-1閥全開后，（），有=4-2令=，可推出=1.84m/s=1.408m/s可認(rèn)為閥未全開將=1.408m/s代入41式，得：2）板上充氣液層阻力本設(shè)備分離的是醚類，可取充氣系數(shù)液柱3）液體表面張力所造成的阻力忽略不計。m液柱即，5.4.7液泛（淹塔）液泛的現(xiàn)象：是指在精餾塔中，液相由于各種各樣的因素會造成一定相對較大堆積空間，超過了它本身的堆積范圍。由于液泛現(xiàn)象的產(chǎn)生，會造成壓降突然增大，它的效率也突然變小就會打破正常的操作，液泛現(xiàn)在可以被分類成以下幾種類型：降液管液泛和霧沫夾帶液泛等等。液泛的產(chǎn)生有以下幾個原因：降液管內(nèi)清液層高度：其中，因為不設(shè)進(jìn)口堰，計算如下：取可見，設(shè)計符合防止淹塔的條件。5.4.8霧沫夾帶本次化工設(shè)計中要求的霧沫夾帶量數(shù)值必須要滿足：本次設(shè)計中的泛點率根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算得到：（1）泛點率=4-3（2）泛點率=4-4其中，又因為，板距=0.45m，氣相密度所以，由泛點負(fù)荷系數(shù)圖讀出，由物性系數(shù)表知，物性系數(shù)K可取1.0由以上數(shù)據(jù)得：泛點率1=0.2172泛點率2=0.2095.5塔板負(fù)荷性能圖5.5.1霧沫夾帶線以為限，求-關(guān)系如下：泛點率=所以，整理得：=4-55.5.2液泛線===而又有：代入求解得：4-65.5.3液相負(fù)荷上限線液體的停留時間（流體的質(zhì)點可以通過裝置時，它的停留的時間長短的具體分布情況。有一部分的質(zhì)點流出的速度比較快，那么相反也會有一些質(zhì)點在裝置內(nèi)的停留的時間可能會比較的長。反應(yīng)器內(nèi)流體的滯留對反應(yīng)的最終結(jié)果影響還是比較嚴(yán)重的）計算如下：4-75.5.4漏液線對于型重浮閥，，則4-8據(jù)此可作出與液體流量無關(guān)的水平漏液線。5.5.5液相負(fù)荷下限根據(jù)以上數(shù)據(jù)，做出液相負(fù)荷下線為：取E=1，則：4-9塔板復(fù)合性能圖見下圖5-3。圖5-3踏板復(fù)合性能圖備注：圖中的第一條線為霧沫夾帶線；第二條線為液相負(fù)荷下限線；第三條線為漏液線；第四條線為液相負(fù)荷上限線；第五條線為液泛線5.6本次設(shè)計中的塔體結(jié)構(gòu)的計算以及附屬設(shè)備的計算5.6.1筒體已知規(guī)定溫度100℃，則許用應(yīng)力為取焊縫系數(shù)=0.8，設(shè)計厚度查表得鋼板厚度負(fù)偏差