年产40万吨二甲醚工艺设计毕业论文

陕西理工学院毕业设计- I -年产 40 万吨二甲醚工艺设计（陕西理工学院化学学院化工专业 06 级 1 班，陕西 汉中 723000）指导教师： 摘要作为 LPG 和石油类的替代燃料，目前二甲醚(DME)倍受注目。DME 是具有与 LPG 的物理性质相类似的化学品，在燃烧时 不会产生破坏环 境的气体，能便宜而大量地生 产。与甲烷一样，被期望成为 21 世纪的能源之一。目前生产的二甲醚基本上由甲醇脱水制得，即先合成甲醇，然后经甲醇脱水制成二甲醚。甲醇脱水制二甲醚分为液相法和气相法两种工艺，本设计采用气相法制 备二甲醚工艺。将甲醇加 热 蒸发，甲醇蒸气通过 -AL2O3 催化剂床层,气相甲醇脱水制得二甲醚。气相法的工 艺过 程主要由甲醇加热、蒸 发、甲醇脱水、二甲 醚冷凝及精馏等组成。主要完成以下工作：1）精馏用到的二甲醚分离塔和甲醇回收塔的塔高、塔径、塔板布置等的设计；2）所需换热器、泵 的计算及选型；关键词二甲醚，甲醇，工艺设计。陕西理工学院毕业设计- II -The design of dimehyl ether process annual output 400,000 tonsMa Peng-jun(Grade06,Class 1, Major Chemical Engineering and Technology ,School of Chemical and environmental sciences,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi)Tutor: LI Zhi-zhouAbstract: As LPG and oil alternative fuel, DME has drawn attentions at present. Physical properties of DME is similar for LPG, and dont produce combustion gas to damage the environment, so, It can be produced largely. Like methane, DME is expected to become 21st century energy sources., DME is prepared by methanol dehydration, namely, synthetic methanol first and then methanol dehydration to dimethyl etherby methanol dehydration. Methanol dehydration to DME is divided into two kinds of liquid phase and gas-phase process. This design uses a process gas of dimethyl ether prepared by dimethyl. Heating methanol to evaporation, methanol vapor through the -AL 2O3 catalyst bed, vapor methanol dehydration to dimethyl etherby. This process is made of methanol process heating, evaporation, dehydration of methanol, dimethyl ether condensation and distillation etc. Completed for the following work: 1) Distillation tower used in separation of dimethyl ether and methanol recovery , column height of tower ,diameter, arrangement of column plate etc;2) The calculation and selection of heat exchanger, pump; Key words: dimethyl ether, methanol, process design.陕西理工学院毕业设计目录1 概 述 .11.1 二甲醚的用途 .11.2 设计依据 .11.3 技术来源 .11.3.1 液相甲醇脱水法制二甲醚 .11.3.2 气相甲醇脱水法制二甲醚 .11.3.3 合成气一步法生产二甲醚 .21.3.4 二氧化碳加氢直接合成二甲醚 .21.3.5 催化蒸馏法制二甲醚 .21.3.6 本设计采用的方法 .31.4 原料及产品规格 .31.5 设计规模和设计要求 .32 技术分析 .42.1 反应原理 .42.2 反应条件 .42.3 反应选择性和转化率 .42.4 催化剂的选择 .43 反应器的结构计算 .53.1 物料衡算 .53.2 计算催化剂床层体积 .53.3 反应器管数 .53.4 热量衡算 .54 甲醚精馏塔结构计算 .84.1 甲醚精馏塔的物料衡算及理论板数 .84.2 实际板层数的求取 .94.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .104.3.1 操作压力的计算 .104.3.2 操作温度计算 .104.3.3 平均摩尔质量计算 .114.3.4 平均密度计算 .114.3.5 液体平均表面张力的计算 .134.3.6 液体平均粘度 .134.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .134.4.2 提馏段塔径的计算 .154.4.3 精馏塔有效高度的计算 .164.5 塔板主要工艺尺寸的计算 .164.5.1 溢流装置计算 .164.5.2 塔板布置 .174.6 塔板的流体力学验算 .184.6.1 塔板压降 .18陕西理工学院毕业设计4.6.2 液面落差 .194.6.3 液沫夹带 .194.6.4 漏液 .194.6.5 液泛 .194.7 塔板负荷性能图 .194.7.1 漏液线 .194.7.2 液沫夹带线 .204.7.3 液相负荷下限线 .204.7.4 液相负荷上限线 .214.7.5 液泛线 .214.8 精馏塔接管尺寸计算 .224.8.1 塔顶蒸气出口管的直径 .224.8.2 回流管的直径 .224.8.3 进料管的直径 .224.8.4 塔底出料管的直径 .235 甲醇精馏塔结构计算 .245.1 设计方案的确定 .245.2 精馏塔的物料衡算 .245.2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 .245.2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量 .245.2.3 物料衡算 .245.3 塔板数的确定 .245.3.1 理论板层数的求取 .245.3.2 实际板层数的求取 .265.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .265.4.1 操作压力的计算 .265.4.2 操作温度计算 .275.4.3 平均摩尔质量计算 .275.4.4 平均密度计算 .275.4.5 液体平均表面张力的计算 .285.4.6 液体平均粘度 .285.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .295.5.1 塔径的计算 .295.5.2 精馏塔有效高度的计算 .305.6 塔板主要工艺尺寸的计算 .305.6.1 溢流装置计算 .305.6.2 塔板布置 .315.7 塔板的流体力学验算 .325.7.1 塔板压降 .325.7.2 液面落差 .335.7.3 液沫夹带 .335.7.4 漏液 .335.7.5 液泛 .335.8 塔板负荷性能图 .345.8.1 漏液线 .345.8.2 液沫夹带线 .345.8.3 液相负荷下限线 .35陕西理工学院毕业设计5.8.4 液相负荷上限线 .355.8.5 液泛线 .355.9 精馏塔接管尺寸计算 .375.9.1 塔顶蒸气出口管的直径 .375.9.2 回流管的直径 .375.9.3 进料管的直径 .375.9.4 塔底出料管的直径 .386 甲醇精馏塔塔内件机械强度设计及校核 .396.1 精馏塔筒体和裙座壁厚计算 .396.2 精馏塔塔的质量载荷计算 .396.2.1 塔壳和裙座的质量 .396.2.2 封头质量 .396.2.3 裙座质量 .396.2.4 塔内构件质量 .396.2.5 人孔、法兰、接管与附属物质量 .406.2.6 保温材料质量 .406.2.7 平台、扶梯质量 .406.2.8 操作时塔内物料质量 .406.2.9 充水质量 .406.3 地震载荷计算 .416.3.1 计算危险截面的地震弯矩 .416.4 风载荷计算 .416.4.1 风力计算 .416.4.2 风弯矩计算 .426.5 各种载荷引起的轴向应力 .436.5.1 计算压力引起的轴向应力 .436.5.2 操作质量引起的轴向压应力 .436.5.3 最大弯矩引起的轴向应力 .446.6 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 .446.6.1 筒体的强度与稳定性校核 .446.6.2 裙座的稳定性校核 .456.7 裙座和筒体水压试验应力校核 .456.7.1 筒体水压试验应力校核 .456.7.2 裙座水压试验应力校核 .466.8 基础环设计 .466.8.1 基础环尺寸 .466.8.2 基础环尺寸的应力校核 .476.8.3 基础环厚度 .476.9 地脚螺栓计算 .476.9.1 地脚螺栓承受的最大拉应力 .476.9.2 地脚螺栓直径 .487 辅助设备设计 .497.1 储罐的选择 .497.1.1 储罐的计算与选型 .497.2 泵的选择 .497.3 通风机的选择 .50陕西理工学院毕业设计7.3.1 通风机的选择 .507.4 换热器的计算 .507.4.1 确定换热器的类型 .507.4.2 估算传热面积 .508 全厂总平面布置 .538.1 全厂总平面布置的任务 .538.2 全厂总平面设计的原则 .538.3 全厂总平面布置内容 .538.4 全厂平面布置的特点 .538.5 全厂人员编制 .539 总结讨论 .559.1 设计主要完成任务 .559.2 设计过程的评述和有关问题的讨论 .55参考文献 .56致谢 .57附录 A.58陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 58 页1 概 述二甲醚(Dimethyl Ether，简称 DME)习惯上简称甲醚，为最简单的脂肪醚，分子式 C2H6O，是乙醇的同分异构体，结构式 CH3OCH3，分子量 46.07，是一种无色、无毒、无致癌性、腐蚀性小的产品。DME 因其良好的理化性质而被广泛地应用于化工、日化、医药和制冷等行业，近几年更因其燃烧效果好和污染少而被称为“清洁燃料”，引起广泛关注。 1.1 二甲醚的用途 （1）替代氯氟烃作气雾剂 1 随着世界各国的环保意识日益增强，以前作为气溶工业中气雾剂的氯氟烃正逐步被其他无害物质所代替。 （2）用作制冷剂和发泡剂 由于DME的沸点较低，汽化热大，汽化效果好，其冷凝和蒸发特性接近氟氯烃，因此DME 作制冷剂非常有前途。国内外正在积极开发它在冰箱、空调、食品保鲜剂等方面的应用，以替代氟里昂。关于DME作发泡剂，国外已相继开发出利用 DME作聚苯乙烯、聚氨基甲酸乙酯、热塑聚酯泡沫的发泡剂。发泡后的产品，孔的大小均匀，柔韧性、耐压性、抗裂性等性能都有所增强。 （3）用作燃料 由于DME具有液化石油气相似的蒸气压，在低压下 DME变为液体，在常温、常压下为气态，易燃、毒性很低，并且DME的十六烷值 (约55) 高，作为液化石油气和柴油汽车燃料的代用品条件已经成熟。由于它是一种优良的清洁能源，已日益受到国内外的广泛重视。在未来十年里，DME作为燃料的应用将有难以估量的潜在市场，其应用前景十分乐观。可广泛用于民用清洁燃料、汽车发动机燃料、醇醚燃料。 （4）用作化工原料 DME 作为一种重要的化工原料 ,可合成多种化学品及参与多种化学反应：与 SO3 反应可制得硫酸二甲酯；与 HCl 反应可合成烷基卤化物；与苯胺反应可合成 N , N - 二甲基苯胺；与 CO 反应可羰基合成乙酸甲酯、醋酐，水解后生成乙酸；与合成气在催化剂存在下反应生成乙酸乙烯；氧化羰化制碳酸二甲酯; 与 H2S 反应制备二甲基硫醚。此外，利用 DME 还可以合成低烯烃、甲醛和有机硅化合物。目前，全球二甲醚总生产能力约为21万t/a，产量16万t/a 左右，表1-1为世界二甲醚主要生产厂家及产量。我国二甲醚总生产能力约为1.2万t/a,产量约为0.8万t/a，表1-2为我国二甲醚主要生产厂家及产量。 据市场调查国内二甲醚需求量远远超过供给量，目前国内仅气雾剂一项需求量达到1.51.8 万吨/年，而高纯度的二甲醚还依赖进口。二甲醚市场应用前景广阔，因此对二甲醚的生产工艺进行研究很有必要。 1.2 设计依据本项目基于教科书上的教学案例，通过研读大量的关于 DME 性质、用途、生产技术及市场情况分析的文献，对生产 DME 的工艺过程进行设计的。1.3 技术来源目前合成 DME 有以下几种方法：（ 1）液相甲醇脱水法（2）气相甲醇脱水法（3）合成气一步法（4）CO 2 加氢直接合成。（5）催化蒸馏法。其中前二种方法比较成熟，后三种方法正处于研究和工业放大阶段。本设计采用气相甲醇脱水法。下面对这几种方法作以介绍。1.3.1 液相甲醇脱水法制二甲醚 甲醇脱水制 DME 最早采用硫酸作催化剂，反应在液相中进行，因此叫做液相甲醇脱水法，也称硫酸法工艺。该工艺生产纯度 99.6%的 DME 产品, 用于一些对 DME 纯度要求不高的场合。其工艺具有反应条件温和(130160) 、甲醇单程转化率高( 85%) 、可间歇也可连续生产等特点， 但是存在设备腐蚀、环境污染严重、产品后处理困难等问题，国外已基本废除此法。中国仍有个别厂家使用该工艺生产 DME，并在使用过程中对工艺有所改进。1.3.2 气相甲醇脱水法制二甲醚 气相甲醇脱水法是甲醇蒸气通过分子筛催化剂催化脱水制得 DME。该工艺特点是操作简单，自陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 58 页动化程度较高，少量废水废气排放，排放物低于国家规定的排放标准。该技术生产 DME 采用固体催化剂催化剂，反应温度 200， 甲醇转化率达到 75% 85%，DME 选择性大于 98%，产品 DME 质量分数99.9 %，甲醇制二甲醚的工艺生产过程包括甲醇加热、蒸发，甲醇脱水，甲醚冷却、冷凝及粗醚精馏，该法是目前国内外主要的生产方法。1.3.3 合成气一步法生产二甲醚 合成气法制 DME 是在合成甲醇技术的基础上发展起来的，由合成气经浆态床反应器一步合成DME，采用具有甲醇合成和甲醇脱水组分的双功能催化剂。因此，甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂的比例对 DME 生成速度和选择性有很大的影响，是其研究重点。其过程的主要反应为： 甲醇合成反应 （1）23CO H 9014 kJ/mol水煤气变换反应（2）22 /l甲醇脱水反应 （3）332CHO HO 314kJ /ol在该反应体系中，由于甲醇合成反应和脱水反应同时进行，使得甲醇一经生成即被转化为DME，从而打破了甲醇合成反应的热力学平衡限制，使 CO 转化率比两步反应过程中单独甲醇合成反应有显著提高。 由合成气直接合成 DME，与甲醇气相脱水法相比，具有流程短、投资省、能耗低等优点，而且可获得较高的单程转化率。合成气法现多采用浆态床反应器，其结构简单，便于移出反应热，易实现恒温操作。它可直接利用 CO 含量高的煤基合成气，还可在线卸载催化剂。因此, 浆态床合成气法制 DME 具有诱人的前景，将是煤炭洁净利用的重要途径之一。合成气法所用的合成气可由煤、重油、渣油气化及天然气转化制得，原料经济易得，因而该工艺可用于化肥和甲醇装置适当改造后生产DME，易形成较大规模生产；也可采用从化肥和甲醇生产装置侧线抽得合成气的方法，适当增加少量气化能力，或减少甲醇和氨的生产能力，用以生产 DME。但是，目前合成气法制 DME 的研究国内仍处于工业放大阶段，有上千吨级的成功的生产装置，如山西煤化所、清华大学、杭州大学催化剂研究所等都拥有这方面的技术。兰州化物所、大连化物所、湖北化学研究所的催化剂均已申请了专利。清华大学加大了对浆态床 DME 合成技术的研究力度，正与企业合作进行工业中试研究，在工业中试成功的基础上，将建设万吨级工业示范装置。1.3.4 二氧化碳加氢直接合成二甲醚 近年来，CO 2 加氢制含氧化合物的研究越来越受到人们的重视，有效地利用 CO2，可减轻工业排放 CO2 对大气的污染。CO 2 加氢制甲醇因受平衡的限制，CO 2 转化率低，而 CO2 加氢制 DME 却打破了 CO2 加氢生成甲醇的热力学平衡限制。目前,世界上有不少国家正在开发 CO2 加氢制 DME 的催化剂和工艺，但都处于探索阶段。日本 Arokawa 报道了在甲醇合成催化剂(CuO - ZnO - Al2O3)与固体酸组成的复合型催化剂上, CO2 加氢制取甲醇和 DME，在 240 ，310 MPa