1、二類特制# 年產(chǎn) 3.0 萬噸二甲醚裝 置分離精餾工段的設(shè)計 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 學(xué) 號： 職 稱： 中國 二一年五月 二類特制# 誠信承諾書誠信承諾書 本人鄭重承諾：本人鄭重承諾：我所呈交的畢業(yè)設(shè)計年產(chǎn) 3.0 萬噸二甲醚裝 置分離精餾工段設(shè)計是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立開展研究取得 的成果，文中引用他人的觀點和材料，均在文后按順序列出其參考 文獻，設(shè)計使用的數(shù)據(jù)真實可靠。 承諾人簽名： 日期： 年 月 日 二類特制# 二類特制# 年產(chǎn) 3.0 萬噸二甲醚裝置分離精餾工段的設(shè)計 摘 要 近年來，二甲醚已成為國際石油替代途徑與新型二次能源的熱點課題，引起各國關(guān) 注與重視。

2、二甲醚的制備主要有甲醇脫水法和合成氣一步法兩種。與傳統(tǒng)的甲醇合成二甲醚相 比，一步法合成二甲醚工藝經(jīng)濟更加合理，在市場更具有競爭力，正在走向工業(yè)化。目 前，制取二甲醚的最新技術(shù)是從合成氣直接制取，相比較甲醇脫水制二甲醚而言，一步 法合成二甲醚因為體系存在有未反應(yīng)完的合成氣以及二氧化碳，要得到純度較高的二甲 醚，分離過程比較復(fù)雜。開發(fā)中的分離工藝主要采用吸收和精餾等化工單元操作過程得 到純度較高的二甲醚產(chǎn)品。本設(shè)計主要針對分離中的精餾工序進行工藝設(shè)計，分離二甲 醚、甲醇和水三元體系。精餾塔采用浮閥塔，塔頂冷凝裝置采用全凝器，用來準(zhǔn)確控制 回流比；塔底采用水蒸氣蒸汽加熱，以提供足夠的熱量。通過計算

3、得出理論板數(shù)，塔效 率，實際板數(shù)，進料位置，在板式塔主要工藝尺寸的設(shè)計計算中得出塔徑，有效塔高， 篩孔數(shù)。通過篩板的流體力學(xué)驗算，證明各指標(biāo)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)。以保證精餾過程的順 利進行并使效率盡可能的提高。 關(guān)鍵詞：二甲醚 分離 三元體系 精餾 二類特制# Annual output of 30,000 tons of dimethyl ether distillation section in the design of separation device ABSTRACT In recent years, DME has become an alternative channel of in

4、ternational oil and new secondary energy and hot topics, That aroused national concern and attention. Preparation of dimethyl ether mainly methanol dehydration and One-step synthesis. With the traditional methanol synthesis compared to synthesis of dimethyl ether, one-step synthesis of dimethyl ethe

5、r process more rational economy, more competitive in the market and it is moving towards industrialization. Currently, synthesis gas to dimethyl ether is the latest technology Preparation of dimethyl ether. Compared with methanol dehydration, system of direct synthesis of DME as the existence of unr

6、eacted synthesis gas and carbon dioxide finished. If it want to get high purity dimethyl ether, more complicated separation process. Developed mainly in the separation process such as chemical absorption and distillation unit operation in the process of dimethyl ether with higher purity product. Thi

7、s design aimed at separating the distillation process for process design, separation of dimethyl ether, methanol and water ternary system. Design of distillation towers used valve. Use the whole top of the tower condenser cooling device used to accurately control the reflux ratio. Bottom of the colu

8、mn of steam heating by steam to provide sufficient heat. Obtained by calculating the number of theoretical plates, tower efficiency, the actual plate number, feed location. The main tower in the plate design and calculation of process dimensions derived column diameter, the effective tower, sieve nu

9、mber. Checking through the sieve of fluid mechanics, to prove that the indicator data are in line with standards to ensure the smooth progress of distillation process and to improve efficiency as much as possible Keywords: DME separate ternary system distillation 二類特制# 目目 錄錄 摘要.I ABSTRACT.II 1 緒論.1

10、1.1 概述 .1 1.1.1 設(shè)計依據(jù) .1 1.1.2 設(shè)計規(guī)模及設(shè)計要求 .1 1.1.3 產(chǎn)品規(guī)格、性質(zhì)及用途 .1 1.1.4 技術(shù)來源 .3 1.2 二甲醚分離裝置流程 .6 2 精餾塔的工藝計算.8 2.1 精餾塔的物料衡算 .8 2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) .8 2.1.2 物料衡算 .8 2.2 精餾塔工藝計算 .10 2.2.1 物料衡算 .10 2.2.2 操作條件的確定 .10 2.3 精餾塔設(shè)備計算 .12 2.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) .12 2.3.2 塔板數(shù)的確定 .15 2.3.3 精餾塔主要尺寸計算 .18 2.3.4 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計 .21 2.3.5 塔板流體力學(xué)驗算

11、.26 二類特制# 2.3.6 塔板負荷性能圖 .29 2.3.7 塔高的計算 .33 3 熱量衡算.35 3.1 數(shù)據(jù) .35 3.2 冷凝器的熱負荷 .35 3.3 再沸器的熱負荷 .36 3.4 冷卻水消耗量和加熱蒸汽消耗量 .38 4 主要設(shè)備設(shè)計和選型 .39 4.1 接管的設(shè)計 .39 4.1.1 進料管 .39 4.1.2 回流管 .39 4.1.3 釜液出口管 .39 4.1.4 塔頂蒸汽管 .40 4.1.5 加熱蒸汽管 .40 4.2 冷凝器的選型 .41 5 結(jié)論.42 參考文獻.43 附錄.44 謝辭.46 二類特制# 1 緒論 1.1 概述 1.1.1 設(shè)計依據(jù) 根據(jù)

12、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院下達的設(shè)計任務(wù)書，模擬現(xiàn)有的漿態(tài)床一步法二甲醚合 成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，對二甲醚分離裝置中的精餾工段進行工藝設(shè)計。 1.1.2 設(shè)計規(guī)模及設(shè)計要求 設(shè)計規(guī)模：年產(chǎn) 3.0 萬噸二甲醚分離裝置（合成氣一步法） ，設(shè)計該分離裝置中精餾工段 工藝，精餾裝置采用浮閥塔。 產(chǎn)品要求：二甲醚99 1.1.3 產(chǎn)品規(guī)格、性質(zhì)及用途 (一) 產(chǎn)品規(guī)格：二甲醚99（質(zhì)量含量） (二) 二甲醚性質(zhì) 物理性質(zhì)：二甲醚亦稱甲醚，英文 dimethylether，英文縮寫 DME，化學(xué)分子式 (CH3OCH3)，分子量為 46.07，是重要的甲醇衍生物，沸點-24，凝固點-140。二甲醚 是一種含氧有機化合

13、物，溶于水，在大氣中可以降解，屬于環(huán)境友好型物質(zhì)。二甲醚在 常溫下是一種無色氣體，具有輕微的醚香味。二甲醚無腐蝕性、無毒，在空氣中長期暴 露不會形成過氧化物，燃燒時火焰略帶光亮。1 二甲醚的危險特性：二甲醚為易燃氣體。與空氣混合能形成爆炸性混合物。接觸熱、 火星、火焰或氧化劑易燃燒爆炸。接觸空氣或在光照條件下可生成具有潛在爆炸危險性 的過氧化物。氣體比空氣重，能在較低處擴散到相當(dāng)遠的地方，遇明火會引著回燃。若 遇高熱，容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險。 二甲醚的毒性：二甲醚為弱麻醉劑，對呼吸道有輕微的刺激作用，長期接觸使皮膚 發(fā)紅、水腫、生皰。濃度為 7.5%（體積）時，吸入 12 分鐘后僅自

14、感不適。濃度到 8.2%（體積）時，21 分鐘后共濟失調(diào)，產(chǎn)生視覺障礙，30 分鐘后輕度麻醉，血液流向頭 部，濃度為 14%（體積）時，經(jīng) 23 分鐘引起運動共濟失調(diào)及麻醉，經(jīng) 26 分鐘失去知覺， 皮膚接觸甲醚時易凍傷?？諝庵性试S濃度為 400ppm1。二甲醚的物理性質(zhì)見表 1-1 2 二類特制# 表 1-1 二甲醚的物理性質(zhì) 項目 數(shù)值項目 數(shù)值 沸點(101.3kPa)/ -24.9 蒸氣壓(20)/MPa 0.53 熔點/ -141.4 燃燒值(氣壓)/kJ*mol- 1 1455 閃點(開杯法) / -41.5 生成熱(氣態(tài))/ kJ*mol-1 -185.5 密度(20)/g*ml

15、-1 0.661 熔融熱/ kJ*mol-1 107.3 臨界壓力/MPa 5.32 蒸發(fā)熱/ kJ*mol-1 467.4 臨界溫度/ 臨界密度/ g*ml-1 128.8 0.2174 生成自由能/ kJ*mol-1 25熵/J/(mol*K) -114.3 266.8 自燃溫度/ 350 蒸氣密度/kg*m3 1.918361.9173 (三) 二甲醚的用途 (1) 用作燃料 二甲醚可替代液化石油氣(LPG)作為燃料。二甲醚在常溫常壓下為無色無味氣體,在一 定壓力下為液體,其液化氣與 LPG 性能相似,貯存于液化氣鋼瓶中的壓力為 1.35M Pa,小于 LPG 壓力(1.92M Pa),

16、因而可以代替煤氣、石油液化氣用作民用燃料。二甲醚液化氣作為民 用燃料有一系列優(yōu)點：二甲醚自身含氧,碳鏈短,燃燒性能良好,燃燒過程中無黑煙,燃燒尾 氣符合國家標(biāo)準(zhǔn),其熱值比柴油和液化天然氣低,但比甲醇高。二甲醚液化氣在室溫下壓力 符合現(xiàn)有 LPG 要求,可用現(xiàn)有的 LPG 氣罐集中統(tǒng)一盛裝,儲運安全,組成穩(wěn)定,無殘液,可完 全利用;與 LPG 灶基本通用,使用方便,不需預(yù)熱,隨用隨開。二甲醚可按一定比例摻入液化 氣中和液化氣一起燃燒,可使液化氣燃燒更加完全,降低析碳量,并降低尾氣中的一氧化碳和 碳氫化合物含量;二甲醚還可摻入城市煤氣或天然氣管道系統(tǒng)中作為民用燃料混燒,不僅可 解決城市煤氣高峰時氣

17、量不足的問題,而且還可以改善煤氣質(zhì)量,提高熱值?？傊?二甲醚在 儲存、運輸、使用等方面比 LPG 更安全。因此二甲醚代替 LPG 作為優(yōu)良的民用潔凈燃料,具 有廣闊的前景。 二甲醚液化后還可以直接用作汽車燃料,是柴油發(fā)動機的理想替代燃料。因為二甲醚 燃料具有高的十六烷值(5055),比甲醇燃料具有更好的燃燒效果,而且沒有甲醇的低溫啟 動性和加速性能差的缺點。二甲醚燃料高效率和低污染,可實現(xiàn)無煙燃燒,并可降低噪音和 減少氮氧化物的排放。3 (2) 用作氯氟烴的替代品 二類特制# 二甲醚可替代氯氟烴作氣霧劑、致冷劑和發(fā)泡劑。 二甲醚作為氯氟烴的替代物在氣霧劑制品中顯示出其良好性能:如不污染環(huán)境,與

18、各種 樹脂和溶劑具有良好的相溶性,毒性很微弱,可用水或氟制劑作阻燃劑等。二甲醚還具有使 噴霧產(chǎn)品不易受潮的特點,加之生產(chǎn)成本低、建設(shè)投資少、制造技術(shù)不太復(fù)雜,被人們認為 是一種新一代理想氣霧劑用推進劑。而且二甲醚對金屬無腐蝕、易液化,特別是水溶性和 醇溶性較好,作為氣霧劑具有雙重功能:推進劑和溶劑,還可降低氣霧劑中乙醇及其它有機揮 發(fā)物的含量,減少對環(huán)境的污染。目前在國外,二甲醚在民用氣溶膠制品中已是必不可少的 氯氟烴替代物。國內(nèi)氣霧劑產(chǎn)品有一半用二甲醚作拋射劑。 (3) 用作化工原料 二甲醚是一種重要的化工原料,可用來合成許多種化工產(chǎn)品或參與許多種化工產(chǎn)品的 合成。二甲醚作烷基化劑,可以用來

19、合成 N,N-二甲基苯胺、硫酸二甲酯、烷基鹵以及二甲 基硫醚等。作為偶聯(lián)劑,二甲醚可用于合成有機硅化合物、制作高純度氮化鋁二氧化鋁二 氧化硅陶瓷涂料。二甲醚與水、一氧化碳在適當(dāng)條件下反應(yīng)可生成乙酸,羰基化后可制得 乙酸甲酯,同系化后生成乙酸乙酯,另外還可用于醋酐的合成。二甲醚還可合成氫氰酸、甲 醛等重要化學(xué)品。二甲醚與環(huán)氧乙烷反應(yīng),在鹵素金屬化合物和 H3BO3的催化作用下,在 5055時生成乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚 的混合物,其主要產(chǎn)物乙二醇二甲醚是重要溶劑和有機合成的中間體。4 1.1.4 技術(shù)來源 (一) 合成技術(shù)來源 DME 的制備主要有甲醇脫水法和

20、合成氣一步法兩種。與傳統(tǒng)的甲醇合成二甲醚相比， 一步法合成二甲醚工藝經(jīng)濟理加合理，在市場更具有競爭力，正在走向工業(yè)化。其中漿 態(tài)床一步法合成二甲醚克服了傳統(tǒng)固定床的缺點。以下為各種方法的簡單介紹： (1) 甲醇脫水法 甲醇液相脫水法（硫酸法工藝） 反應(yīng)式：CH3OH+H2SO4CH3HSO4+H2O CH3HSO4+CH3OHCH3OHCH3+H2O 該工藝可生產(chǎn)純度 95的 DME 產(chǎn)品，用于一些對 DME 純度要求不高的場合。工藝 特點：反應(yīng)條件溫和（130-160） ，甲醇單程轉(zhuǎn)化率高（85） ，可間歇也可連續(xù)生產(chǎn)。 存在的問題：中間產(chǎn)品硫酸氫甲酯毒性較大；設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染嚴(yán)重且產(chǎn)品后

21、處理比 較困難。國外已基本不再采用此法；國內(nèi)仍有一些廠家使用該工藝生產(chǎn) DME，并在使用 過程中對工藝有所改進。 甲醇氣相脫水法 反應(yīng)式：2CH3OHCH3OCH3+H2O 二類特制# 甲醇蒸氣通過固體催化劑，氣相脫水生成 DME。該工藝成熟簡單,對設(shè)備材質(zhì)無特殊 要求，基本無三廢及設(shè)備腐蝕問題，后處理簡單。另外裝置適應(yīng)性廣，可直接建在甲醇 生產(chǎn)廠，也可建在其他公用設(shè)施好的非甲醇生產(chǎn)廠。用該工藝制得的 DME 產(chǎn)品純度最高 可達 99,該產(chǎn)品不存在硫酸氫甲酯的問題。但該方法要經(jīng)過甲醇合成、甲醇精餾、甲醇 脫水和二甲醚精餾等工藝，流程較長，因而設(shè)備投資大，產(chǎn)品成本較高，且受甲醇市場 波動的影響比

22、較大。以此法生產(chǎn)的二甲醚做燃料，在現(xiàn)有的液化天然氣和柴油市場價格 下，還不具有競爭力。5 (2) 一步法直接合成 DME 一步法是以合成氣為原料，在甲醇合成和甲醇脫水的雙功能催化劑上直接反應(yīng)生成 DME。反應(yīng)過程中，由于反應(yīng)協(xié)同效應(yīng)，甲醇一經(jīng)生成，馬上進行脫水反應(yīng)轉(zhuǎn)化成二甲 醚，突破了單純甲醇合成中的熱力學(xué)平衡限制，增大了反應(yīng)推動力，使得一步法工藝的 C0 轉(zhuǎn)化率較高。一步法具有原料易得、流程短、設(shè)備規(guī)模小、能耗低、單程轉(zhuǎn)化率較高、 不受甲醇價格影響等優(yōu)點，而且可以在聯(lián)產(chǎn)甲醇的化肥廠中實施，利用化肥廠的造氣、 凈化、壓縮、合成等全套設(shè)備，將生產(chǎn)甲醇的裝置適當(dāng)改造就可以生產(chǎn)，使得設(shè)備投資 費用和

23、操作費用減少。6 固定床法 固定床法即為氣相法，合成氣在固體催化劑表面進行反應(yīng)；在氣相法工藝中，使用 貧氫合成氣為原料氣時，催化劑表面會很快積炭，因此往往需要富氫合成氣為原料氣。 氣相法的優(yōu)點是具有較高的 CO 轉(zhuǎn)化率，但是由于二甲醚合成反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，反應(yīng)所 產(chǎn)生的熱量無法及時移走，催化劑床層易產(chǎn)生熱點，進而導(dǎo)致催化劑銅晶粒長大，催化 劑性能下降。7 漿態(tài)床法 漿態(tài)床法即液相法，采用氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器，液相法是指將雙功能催化劑懸 浮在惰性溶劑中，在一定條件下通合成氣進行反應(yīng)，由于惰性介質(zhì)的存在，使反應(yīng)器具 有良好的傳熱性能，反應(yīng)可以在恒溫下進行。反應(yīng)過程中氣一液一固三相的接觸，有利 于

24、反應(yīng)速度和時空產(chǎn)率的提高。另外，由于液相熱容大，易實現(xiàn)恒溫操作，催化劑積炭 現(xiàn)象大為緩解，而且氫在溶劑中的溶解度大于 CO 的溶解度，因而可以使用貧氫合成氣作 為原料氣.。漿態(tài)床工藝存在以下幾方面的優(yōu)點：1)由于操作溫度較低，明顯降低了甲醇 合成催化劑的熱失活及脫水催化劑的結(jié)炭現(xiàn)象，延長了催化劑的使用壽命；2)CO 轉(zhuǎn)化率 較高；3)可使用貧氫原料氣，因而為煤化工的發(fā)展提供了廣闊的空間。 8 二甲醚合成反應(yīng)機理包括： 甲醇合成（CO 氫化作用）： 甲醇脫水： 二類特制# 水煤氣轉(zhuǎn)換： 甲醇合成(CO2 氫化作用)： 總反應(yīng)： 反應(yīng)式(1)中生成的 CH3OH 可以由反應(yīng)式(2)立即轉(zhuǎn)化為二甲醚

25、；反應(yīng)式(2)中生成的 H2O 又可被反應(yīng)式(3)消耗；反應(yīng)式(3)中生成的 H2又作為原料參與到反應(yīng)式(1)中，提高 三個反應(yīng)式之間的“協(xié)同作用” 。三個反應(yīng)相互促進，從而提高了 CO 的轉(zhuǎn)化率。9 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(zhuǎn)化率。合成氣法現(xiàn)多采用漿態(tài)床反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)簡單,便于移出反應(yīng) 熱,易實現(xiàn)恒溫操作。它可直接利用 CO 含量高的煤基合成氣,還可在線卸載催化劑。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。合成氣法所 用的合成氣可由煤、重油、渣油氣化及天然氣轉(zhuǎn)化制得,原料經(jīng)

26、濟易得,因而該工藝可用于 化肥和甲醇裝置適當(dāng)改造后生產(chǎn) DME，易形成較大規(guī)模生產(chǎn);也可采用從化肥和甲醇生產(chǎn) 裝置側(cè)線抽得合成氣的方法，適當(dāng)增加少量氣化能力，或減少甲醇和氨的生產(chǎn)能力,用以 生產(chǎn) DME。10 (二) 分離技術(shù)來源 目前，制取二甲醚的最新技術(shù)是從合成氣直接制取，相比較甲醇脫水制二甲醚而言， 一步法合成二甲醚因為體系存在有未反應(yīng)完的合成氣以及二氧化碳，要得到純度較高的 二甲醚，分離過程比較復(fù)雜。開發(fā)中的分離工藝主要采用吸收和精餾等化工單元操作過 程得到純度較高的二甲醚產(chǎn)品。一種分離工藝是一步反應(yīng)后產(chǎn)物分為氣液兩相。Kohl 等 提出氣相產(chǎn)物被吸收劑吸收后送入解吸裝置，部分二甲醚根

27、據(jù)要求的純度，從第二精餾 塔加入。oss Bodil 等的工藝主要是液相產(chǎn)物進入第一精餾塔，塔釜餾分進入第二精餾塔， 塔頂?shù)募状颊魵庖肭逑聪到y(tǒng)來洗滌氣相產(chǎn)物，將反應(yīng)產(chǎn)物與從第一精餾塔頂?shù)玫降酿s 分混合，即為燃料級二甲醚。Sosna 等的工藝是液相產(chǎn)物通過二步精餾，氣相產(chǎn)物與閃蒸 氣一起被吸收劑洗滌除去其中的二甲醚，含有二甲醚的吸收劑被送入第一個精餾塔。唐 宏青等的分離流程與 Kohl 等相類似。Peng 等提出的一步反應(yīng)后分離二甲醚的改進工藝是 在洗滌塔中用溶劑洗滌包括二甲醚、甲醇、二氧化碳以及未反應(yīng)的合成氣混合物，回收 洗滌后的洗滌液，進行多步處理。另外的分離工藝是一步反應(yīng)混合物直接用溶劑

28、進行洗 滌吸收，洗滌液送去精餾以獲得二甲醚產(chǎn)品，董岱峰、鄭丹星、田原宇等作了相關(guān)研究 二類特制# 和報道。11 1.2 二甲醚分離裝置流程 圖 1-1 工藝流程簡圖 反應(yīng)后的氣體 6 在溫度為 200-300，壓力為 1.5-1.6MPa，經(jīng)冷凝器 1 冷凝，冷凝溫 度為 40，大部分二甲醚蒸氣在此被冷凝，甲醇蒸氣也被冷凝。含有不凝氣體 H2、CO、CO2和少量惰性氣體和 CH4及未冷凝的二甲醚氣體的未凝氣體 16 經(jīng)減壓到 0.6- 4.8MPa，進入吸收塔 2 下部，在 2.0 MPa，在 20-35下用軟水吸收，冷凝器 1 的底流產(chǎn) 物粗二甲醚溶液 7 和吸收塔 2 的底流產(chǎn)物醚水溶液

29、8 進入閃蒸罐 3，閃蒸罐的溫度為 40- 100。閃蒸后的氣體 9 送入吸收塔 2 底部；閃蒸罐 3 底流產(chǎn)物純醚溶液 10，進入二甲醚 精餾塔 4，塔頂產(chǎn)物為精二甲醚 12；底流產(chǎn)物為粗甲醇溶液 11。醚水溶液 8 進入閃蒸罐 3 的壓力為 0.1-0.9 MPa。閃蒸罐 3 底流產(chǎn)物純醚溶液 10 進入二甲醚精餾塔 4 的溫度為 80-150。二甲醚精餾塔 4 的壓力為 0.15-2.2 MPa，塔頂溫度為 20-90，塔釜溫度為 二類特制# 100-200。二甲醚精餾塔 4 的底流產(chǎn)物粗甲醇溶液 11 進入甲醇回收塔 5，其底流產(chǎn)物為 軟水 13，塔側(cè)線產(chǎn)物為精甲醇 14。高級醇濃集于

30、精餾塔頂部塔板上側(cè)線采出。甲醇回收 塔的壓力為 0.1-0.8MPa，塔釜溫度為 80-150，塔頂溫度為 40-90。吸收塔尾氣 15 去變壓吸附或膜分離提取有用成份 CO、H2后，返回二甲醚合成單元做合成原料。12 以下為分離過程中各產(chǎn)物質(zhì)量分率的數(shù)據(jù) 表 1-2 分離過程中各物質(zhì)質(zhì)量分率數(shù)據(jù)表 序號 組分 67891011 H20.17970.00050.00010.007800 惰性氣體 0.0059000.000300 CO0.09290.000300.005800 CO20.11010.00840.00150.156600 CH40.17110.00090.00010.015200

31、 DME0.15260.22430.02430.77220.03098.140103 CH3OH0.02170.05730.00010.00150.00430.007819 H2O0.26600.70830.97390.03860.96480.9921 (續(xù)上表) 序號 組分 1213141516 H20000.32040.2870 惰性氣體 0000.01050.0094 CO0000.16560.1483 CO20000.19460.1709 CH40000.30510.2730 DME0.99900.006900.1097 CH3OH0.00100.985100.0004 H2O01.0

32、0000.00800.00380.0013 二類特制# 2 精餾塔的工藝計算 2.1 精餾塔的物料衡算 2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) (一) 生產(chǎn)能力：3 萬噸/年，一年按 330 天計算，即 7920 小時。 (二) 產(chǎn)品二甲醚的純度：二甲醚99。 (三) 計算基準(zhǔn)（kg/h）：P=31077920=3.788103（kg/h）=82.22(kmol/h) 2.1.2 物料衡算 DME：0.999 D 醚水 CH3OH：0.001 F DME:8.140105 W H2O：0.9921 CH3OH:0.007891 圖 2-1 物料衡算簡圖 (一) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為摩爾分?jǐn)?shù) MDME=46.07kg/

33、kmol MH2O=18.02 kg/kmol MCH3OH=32.04 kg/kmol 根據(jù) ai/Miai/Mi 其中 ai質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mi摩爾質(zhì)量 (1) 進料組分 精餾塔 二類特制# 表 2-1 進料各組分所占比例 組分 DMECH3OHH2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.030900.0043000.9648 摩爾分?jǐn)?shù) 0.012300.0024700.9852 (2) 塔頂組分 表 2-2 塔頂各組分所占比例 組分 DMECH3OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.9990 0.001000 摩爾分?jǐn)?shù) 0.9986 0.001400 (3) 塔釜組分 表 2-3 塔釜各組分所占比例 組分 DMECH3OHH2O 質(zhì)

34、量分?jǐn)?shù) 8.14010-50.0078190.9921 摩爾分?jǐn)?shù) 3.19510-50.0044130.9955 (二) 清晰分割 以 DME 為輕關(guān)鍵組分，CH3OH 為重關(guān)鍵組分，H2O 為非重關(guān)鍵組分。 (三) 物料衡算 xW，DME= 3.19510-5 xD，CH3OH=0.001400 D=82.22/0.9986=82.34kmol/h 表 2-4 清晰分割法計算過程 組分進料餾出液釜液 DME0.01230F0.01230F-3.15910-5W3.15910-5W CH3OH0.002470F0.001400D0.002470F-0.001400D H2O0.9852F00.

35、9852F FDW 聯(lián)立 0.01230F-3.15910-5W+0.001400D+0=D F=D+W 二類特制# 解得：F=6484 kmol/h =1.193105 kg/h W=6402 kmol/h=1.159 105kg/h D=82.34 kmol/h=3793 kg/h （四）精餾工序物料衡算表 表 2-5 精餾工序物料衡算表 質(zhì)量流量質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾流量 摩爾分?jǐn)?shù) 料向組分 （kg/h）（kmol/h） 進 DME9579 0.0309082.77 0.01230 CH3OH 13330.00430016.62 0.002470 料 H2O2.991105 0.964866290

36、.9852 塔 DME37890.999 82.22 0.9986 頂 CH3OH 3.793 0.001 0.1153 0.001400 出塔 DME24.928.14010-5 0.21233.19510-5 料 CH3OH 23940.00781929.330.004413 釜 H2O3.0381050.9921 66160.9955 2.2 精餾塔工藝計算 2.2.1 物料衡算(見 2.1.2) 2.2.2 操作條件的確定 (一) 進料溫度的計算(泡點)飽和液體進料 (1) 已知體系總壓強 P總=200kPa，即 P總=1520mmHg 物料飽和液體進料，故進料的泡點溫度為進料溫度。

37、(2) 安托因公式 Pis=A-B/(T+C) (Pis:：mmHg，T：K) 查石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊 表 2-6 安托因公式數(shù)據(jù)表 ABC DME16.84672361.44-17.10 CH3OH18.58753626.55-34.29 H2O18.30363816.44-46.13 DME： Pis，DME=16.8467-2361.44/（T-17.10） 二類特制# CH3OH：Pis，CH3OH=18.5875-3626.55/（T-34.29） H2O： Pis，H2O=18.3036-3816.44/（T-46.13） (3) 采用試差法計算 壓力不太高，按完全理想系計算，Ki

38、=Pis/P 給定 P Y T 設(shè) T Ki=Pis/P Kixi -1 yi 結(jié)束 調(diào)整 T N 圖 2-2 試差法結(jié)構(gòu)圖 試差過程見表 2-7 表 2-7 試差過程 392.55K392.70K392.75K 組分 xi Pis /mmHgyi=KixiPis /mmHgyi=KixiPis /mmHgyi=Kixi DME0.012303.851040.041123.851040.41163.8581040.04119 CH3OH0.0024704.781030.007734.761030.007744.7721030.00775 H2O0.98521.461030.94991.4610

39、30.95141.4701030.9529 Kixi1.0000.99881.00031.0019 結(jié)果:在 392.70K,即 119.55時, Kixi1,故進料溫度為 392.70K （二）塔頂露點溫度計算 操作壓力：P總=1520mmHg 給定 P Y T 設(shè) T Ki=Pis/P (yi/Ki)-1 xi 結(jié)束 調(diào)整 T N 圖 2-3 試差法結(jié)構(gòu)圖 二類特制# 試差過程見表 2-8 表 2-8 試差過程 331.00K332.25K332.75K 組分 xi Pis /mmHgyi=KixiPis /mmHgyi=KixiPis /mmHgyi=Kixi DME0.99861.12

40、1041.02091.1540.99681.161040.9851 CH3OH0.0014005.871020.003626.1170.003486.2431020.00341 yi/Ki1.0001.02451.00030.9984 結(jié)果: 在 332.25K,即 59.10時, yi/Ki1,故塔頂溫度為 332.25K （三）塔釜泡點溫度計算 操作壓力：P總=1520mmHg 給定 P Y T 設(shè) T Ki=Pis/P Kixi yi 結(jié)束 調(diào)整 T N 圖 2-4 試差法結(jié)構(gòu)圖 試差過程見表 2-9 表 2-9 試差過程 393.35K393.50K394.15K 組分 xi Pis

41、/mmHgyi=KixiPis /mmHgyi= KixiPis /mmHgyi= Kixi DME3.1953.901040.000113.901040.000113.951040.00011 CH3OH0.004414.881030.014134.871030.001424.971030.01445 H2O0.99551.501030.98451.501030.98601.541031.0097 Kixi1.0000.99871.00031.0242 結(jié)果: 在 393.50K,即 120.35時, Kixi1,故塔頂溫度為 393.50K 2.3 精餾塔設(shè)備計算 2.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) (

42、一) 塔壓：1520mmHg 進料溫度：TF=392.70K 塔溫 塔頂溫度：TD=332.25K 二類特制# 塔釜溫度：TW=393.50K (二) 密度（參考化工單元設(shè)備的設(shè)計 ） 查石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊 表 2-10 密度數(shù)據(jù)表 溫度/ DME/ kg/m3CH3OH/ kg/m3H2O/ kg/m3 50610.8772.5998.1 60591.8761.1983.2 110459.4698.7951.0 120407.8684.7943.1 122392.1681.1941.4 經(jīng)插值計算得 表 2-11 插值計算后密度數(shù)據(jù)表 溫度/ DME/ kg/m3CH3OH/ kg/m3H

43、2O/ kg/m3 59.10593.7410.7405.8 119.55762.2685.5684.3 120.35984.7943.5942.7 已知各組分在液相、氣相所占的比例，如表 2-12 所示 表 2-12 各組分所占比例 DMECH3OHH2O 液相氣相液相氣相液相氣相 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.030900.016560.0043000.0044840.96480.9789 進 料摩爾分?jǐn)?shù) 0.012300.041160.0024700.0077430.98520.9514 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.99500.99900.0050000.001000 塔 頂摩爾分?jǐn)?shù) 0.99680.99860.00

44、34790.001400 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 8.110-54.110-50.0078190.0080100.99210.9916 塔 釜摩爾分?jǐn)?shù) 3.110-51.010-40.0044130.014150.99550.9860 (1) 塔頂密度的計算 液相平均密度： 二類特制# 2 . 762 001400 . 0 593.7 0.9986 1 11 3 3 , OHCH OHCH DME DME i i DL xxx =593.9( kg/m3) 氣相平均密度： OHCHOHCHDMEDME yMyMMiyiM 33 001400 . 0 04.329986 . 0 07.4605.46 ) g/

45、mk( 3.337= 10013 . 1 25.332 4 . 22 1020015.27305.46 4 . 22 3 5 3 DV, TP MPT (2) 進料板密度的計算 液相平均密度： 11 2 2 3 3 FL, OH OH OHCH OHCH DME MED i i xxxx =905.7(kg/m3) 5 . 943 9648 . 0 5 . 685 004300 . 0 7 . 410 03090 . 0 1 氣相平均密度： OHOHOHCHOHCHDMEDME yMyMyMMiyiM 2233 =46.070.04116+32.040.007743+18.020.9514=1

46、9.28 )g/mk 1.182(= 10013 . 1 70.392 4 . 22 1020015.27328.19 4 . 22 3 5 3 FV, TP MPT (3) 塔釜密度的計算 液相平均密度： 11 2 2 3 3 WL, OH OH OHCH OHCH DME MED i i xxxx =(kg/m3) 8 . 939 7 .942 9921. 0 3 .684 007819 . 0 8 .405 10140 . 8 1 5 氣相平均密度： OHOHOHCHOHCHDMEDME yMyMyMMiyiM 2233 二類特制# =46.071.06010-4+32.040.0141

47、5+18.020.9860=18.22 ) g/mk 1.115(= 10013 . 1 50.393 4 . 22 1020015.27322.18 4 . 22 3 5 3 WV, TP MPT 精餾段和提餾段密度的計算 精餾段： 氣相平均密度：=12(+)= 12(1.182+3.337)=2.259(kg/m3) V FV, DV, 液相平均密度：=12( + ) =12(905.7+593.9)=749.8(kg/m3) L FL, DL, 提餾段： 氣相平均密度：=12(+)= 12(1.182+1.115)=1.148(kg/m3) V FV, WV, 液相平均密度：=12( +

48、 ) =12(905.7+939.8)=722.8(kg/m3) L FL, WL, (三)表面張力的計算 查石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊 表 2-13 表面張力數(shù)據(jù)表 溫度/ DME/ dyn/cmCH3OH/ dyn/cmH2O/ dyn/cm 508.24218.5067.70 606.97217.3366.20 1101.33011.7159.90 1200.449410.6354.80 1300.44949.57452.80 經(jīng)插值計算得 表 2-14 插值計算后表面張力數(shù)據(jù)表 溫度/ DME/ dyn/cmCH3OH/ dyn/cmH2O/ dyn/cm 59.107.08617.4466

49、.33 119.550.451210.6854.89 120.350.449410.5954.73 OHCHOHCHDMEDMEii DxxX 33 二類特制# =0.99687.086+0.00347917.44+0=7.124(dyn/cm) OHOHOHCHOHCHDMEDMEii FxxxX 2233 =0.012300.4512+0.00247010.68+0.985254.89=54.11(dyn/cm) OHOHOHCHOHCHDMEDMEii WxxxX 2233 =3.19510-50.4494+0.00441310.59+0.995554.73=54.50(dyn/cm)

50、精餾段： )30.62(dyn/=)11.54124 . 7 ( 2 1 )( 2 1 FD精 提餾段： )(dyn/ 54.30=54.11)(54.50 2 1 )( 2 1 FW提 表 2-15 工藝條件列表 精餾段提餾段 平均密度氣相 749.8922.8 (kg/m3) 液相 2.2591.148 液體表面張力(dyn/cm)液相 30.6254.30 2.3.2 塔板數(shù)的確定 (一) 最小回流比 Rmin的確定 相對揮發(fā)度 本設(shè)計以 DME 為輕關(guān)鍵組分 A；CH3OH 為重關(guān)鍵組分 B；H2O 為非重關(guān)鍵組分 C；以重 關(guān)鍵組分為基準(zhǔn)物，即=1。 BB 塔頂：86.18 1011

51、7 . 6 10154 . 1 )()()( 2 4 D S B S A D B A DAB P P K K 進料：088 . 8 10765 . 4 10854 . 3 )()()( 3 4 F S B S A F B A FAB P P K K 3081 . 0 10765 . 4 10468 . 1 )()()( 3 3 F S B S C F B C FCB P P K K 二類特制# 塔釜：016 . 8 10873 . 4 10906 . 3 )()()( 3 4 W S B S A W B A WAB P P K K 3088 . 0 10873 . 4 10505 . 1 )(

52、)()( 3 3 W S B S C W B C WCB P P K K 全塔平均相對揮發(fā)度： 69.10016 . 8 088 . 8 86.18 3 3 WFDAB 3085 . 0 3088 . 0 3081 . 0 2 3 WFDCB 最小回流比 Rmin 本設(shè)計為泡點進料,即飽和液體進料，q=1 恩特伍德公式： 1 )( min , R x i mDii q x i ii 1 故011 3085 . 0 9852 . 0 3085 . 0 1 002470 . 0 1 69.10 01230 . 0 69.10 i ii x 解得=7.575 Rmin=427 . 2 10 575 . 7 1 001400 . 0 1 575 . 7 69.10 9986 . 0 69.10 1 )( , i mDii x (二) 實際回流比 取實際回流比為最小回流比的 1.15 倍 則 R=1.15 Rmin=1.152.427=2.791 (三) 最小理論板數(shù)的確定 853 . 4 69.10log ) 004413 . 0 10195 . 3 001400 . 0 9986 . 0 log( log )()log( 1 5 min AB W B A D B A x x x x N