年产10万吨二甲醚燃料分厂设计_化工设计竞赛.doc

200820082008三井化学杯三井化学杯三井化学杯三井化学杯 大学生化工设计邀请赛大学生化工设计邀请赛大学生化工设计邀请赛大学生化工设计邀请赛 项目设计说明书项目设计说明书项目设计说明书项目设计说明书 项项目名称：目名称：年年产产10万吨二甲万吨二甲醚醚燃料分厂燃料分厂设计设计 参参赛赛学校：学校： 中中 南南 大大 学学 参参赛团队赛团队： ： 阳阁团队阳阁团队 参参赛队员赛队员： ：张张晨阳、李晨阳、李辉辉、刘、刘伟伟斌、斌、 陈晓陈晓磊、仲月丹磊、仲月丹 指指导导老老师师： ： 满满瑞林、金一粟、叶瑞林、金一粟、叶红齐红齐 完成完成时间时间： ： 2008.8-2008.10 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 i 页 共 186 页 目录目录 摘 要 i abstract .ii 设计任务书iii 第 1 章 工艺方案的选择及论证1 1.1 二甲醚的生产现状 .1 1.1.1 二甲醚的国外建厂情况和生产情况 .1 1.1.2 国内二甲醚的建厂情况和生产情况 .2 1.2 二甲醚的主要生产工艺及选择 .4 1.2.1 两步法 .4 1.2.2 一步法 .7 1.3 各种方法的优缺点比较 .8 1.4 工艺选择 .9 1.4.1 工艺流程说明 .10 1.4.2 化学反应及工艺流程流程 .10 1.4.3 合成气冷却 .10 1.4.4 二甲醚精馏 .11 1.4.5 甲醇循环利用 .11 1.5 工艺论证 .11 1.5.1 反应温度 .11 1.5.2 反应热的撤除及反应器型式 .12 1.5.3 反应压力 .13 1.5.4 催化剂配比对催化剂活性的影响 .13 1.5.5 焙烧温度对催化剂活性的影响 .14 1.5.6 二甲醚精制及甲醇回收 .15 1.6 工艺确定 .15 1.7 环境影响评估及废弃物处理 .16 1.7.1 废气处理 .16 1.7.2 废水处理 .16 1.7.3 废渣处理 .16 1.8 燃料及燃料的供应 .16 1.8.1 产品规格 .16 1.8.2 原料供应 .16 1.8.3 原辅材料质量要求 .17 1.8.4 燃料供应 .18 1.8.5 原辅材料消耗值 .18 1.9 建设意义 .19 1.9.1 中国能源现状 .19 1.9.2 二甲醚的兴起与发展 .20 1.9.3 二甲醚的用途 .21 1.9.4 我国发展替代燃料二甲醚的意义 .22 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 ii 页 共 186 页 1.10 项目实施规划 .26 第 2 章 厂址的选择及概况27 2.1 厂址选择的依据及原则 .27 2.2 地理位置 .28 2.3 地形地貌及水文地质 .29 2.4 气候条件 .29 2.5 交通运输 .30 2.6 基础设施 31 2.7 其他条件 .32 2.7.1 产业条件 .32 2.7.2 人力资源 .32 第 3 章 工艺流程设计及 aspen 模拟34 3.1 流程模拟和优化 .34 3.1.1 概述 .34 3.1.2 系统循环结构 .35 3.1.3 分离工艺 .35 3.1.4 流程叙述 .36 3.1.5 流程模拟与优化 .36 3.2 dme 分离塔 t-201 操作条件确定.37 3.2.1 塔压力的选择 .37 3.2.2 理论板数、进料板位置和回流比的关系 .37 3.2.3 理论板数对分离效果的影响 .38 3.2.4 回流比对分离效果的影响 .39 3.2.5 dme 分离塔 t-201 优化结果 .40 3.3 甲醇回收塔 t-301 操作条件确定41 3.3.1 塔压力的选择 .41 3.3.2 理论板数、进料板位置和回流比的关系 .41 3.3.3 理论板数对分离效果的影响 .42 3.3.4 回流比对分离效果的影响 .42 3.3.5 甲醇回收塔 t-301 优化结果 .43 3.4 各换热单元热负荷及换热网络合成 .44 3.4.1 各换热单元的热负荷 .44 3.4.2 工艺物流换热方案的提出 .45 3.4.3 物料衡算表 .48 3.5 惰气对分离效果的影响 .50 3.6 过程控制 .50 3.6.1 反应进料控制 .50 3.6.2 进料预热控制 .50 3.6.3 e-201 出口温度控制 .51 3.6.4 t-201 塔底液位控制 .51 3.6.5 t-301 塔底液位控制 .51 3.6.6 v-201 的液位控制 .51 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 iii 页 共 186 页 3.6.7 v-301 的液位控制 .51 3.6.8 t-201 塔的回流量控制 .51 3.6.9 t-301 塔的回流量控制 51 3.7 物料衡算 .51 3.7.1 概述 .51 3.7.2 物料衡算的原理和基准 .52 3.7.3 甲醇气相脱水物料平衡 .52 3.7.4 二甲醚的精馏物料平衡 .53 3.7.5 甲醇回收塔物料平衡 .54 3.8 热量衡算 .55 3.8.1 概述 .55 3.8.2 甲醇气相脱水热量平衡 56 3.8.3 二甲醚的精馏热量平衡 56 3.8.4 甲醇回收塔热量平衡 56 3.9 产品规格 .57 3.10 总 结 .57 第 4 章 工厂总流程 pid 说明书.58 4.1 甲醇预处理气化车间 .58 4.1.1 甲醇气化的控制 58 4.1.2 换热器网络的控制 .59 4.2 气相脱水反应器的控制 .60 4.3 精馏塔的控制 .60 4.3.1 三级冷凝减压蒸馏塔控制 .61 4.3.2 加热换热控制方案 .62 4.3.3 冷却多元混合物的分凝器的控制 .62 4.4 各控制点一览表 .63 第 5 章 设备选型及典型设备设计66 5.1 换热器选型 .66 5.1.1 概述 .66 5.1.2 换热器的设计思路 .67 5.1.3 换热器参数的确定及估算 .68 5.1.4 换热器的模拟核算 .70 5.2 精馏塔初步设计 .75 5.2.1 填料塔软件设计 .76 5.2.2 设计结果 .77 5.2.3 筛板塔计算结果总表 .86 5.3 泵的选型 .88 5.3.1 设计用途 .88 5.3.2 甲醇泵选型 .88 5.3.3 二甲醚用泵选型 .89 5.4 设备一览表 .95 第 6 章 总厂平面布置图96 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 iv 页 共 186 页 6.1 设计依据和范围 96 6.2 总平面布局方案 96 6.2.1 总体布局分析 96 6.2.2 布局理念 97 6.2.3 布局说明 .97 6.2.4 绿化 .99 6.2.5 交通 100 第 7 章 车间设备布置设计101 7.1 布局分析 101 7.2 车间主要设备说明 .101 7.2.1 反应器 101 7.2.2 换热器 101 7.2.3 机泵设备 101 7.2.4 精馏塔 102 第 8 章 经济分析与评价103 8.1 市场分析 .103 8.2 资源分析 .104 8.3 投资分析 .104 8.3.1 总投资预算 104 8.3.2 资金规划 106 8.3.3 投资估算 107 8.3.4 土地使用费估算 108 8.4 生产分析 108 8.4.1 估算依据 108 8.4.2 生产材料估算(变) 110 8.4.3 辅助材料估算(变、固) 110 8.4.5 车间经费估算（固） 110 8.4.6 全厂经费估算（变） 110 8.4.7 固定资产折旧估算（固） 111 8.4.8 污染处理费用估算（固） 111 8.4.9 总生产成本估算 111 8.5 经济效益分析 111 8.5.1 销售收入 111 8.5.2 年终收入 111 8.5.3 年利税估算 111 8.5.4 经济利润计算 113 8.5.5 经济技术指标 114 8.6 经济评价 114 第 9 章 职业安全及工业卫生116 9.1 设计依据 .116 9.2 生产过程中职业危害因素分析 .117 9.3 职业安全卫生设计中采用的主要防范措施 .117 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 v 页 共 186 页 9.3.1 原料的储存 .117 9.3.2 爆炸事故的防止 .117 9.3.3 厂内绿化 .118 9.3.4 工业卫生 .119 第 10 章 消防安全报告120 10.1 设计依据及规范 .120 10.1.1 设计依据 .120 10.1.2 设计范围 .121 10.2 消防环境 .121 10.3 火险分析 .121 10.4 防火措施 .122 10.4.1 总图布置 .122 10.4.2 建筑、结构 .122 10.4.3 厂（库）房的防暴 .123 10.4.4 电气 .123 10.5 灭火措施 .124 10.5.1 泡沫灭火系统 .124 10.5.2 消防水源形式及用水量 .125 10.5.3 高压消防水系统 125 10.5.4 其他灭火装置 .126 10.6 相关风险防范措施 .126 10.6.1 危险货物运输方面的对策措施 .126 10.6.2 生产防护措施 .126 10.6.3 泄漏应急处理 .127 10.6.4 操作处置与储存 .127 10.6.5 植被措施 127 第 11 章 通风与采暖说明128 11.1 株洲地区气候条件 .128 11.2 设计依据及设计范围 .128 11.2.1 设计依据 .128 11.2.2 设计范围 .128 11.3 通风系统 .128 11.4 采暖系统 .129 第 12 章 土建、维修及储运设计130 12.1 建筑与结构 .130 12.1.1 设计依据 .130 12.1.2 建筑、结构设计 .131 12.2 给水与排水 .132 12.2.1 编制依据 .132 12.2.2 厂区给水 .132 12.2.3 厂区排水 .133 12.3 机修 134 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 vi 页 共 186 页 12.3.1 设计依据和主要任务 .134 12.3.2 设备选择和车间布置 .134 12.4 储运 135 12.4.1 罐区概况 .135 12.4.2 储罐设计和施工依据 .136 12.4.3 罐区安全措施 .136 12.4.4 储罐用材及造价估算表 .136 12.4.5 产品包装 .137 12.4.6 运输 .137 第 13 章 供电与电信设计139 13.1 电信 .139 13.1.1 行政和调度电话 .139 13.1.2 广播站 .140 13.2 供电 140 13.2.1 前言 140 13.2.2 工厂供电设计的一般原则 .141 13.2.3 设计内容 .141 13.2.4 防雷与接地 151 第 14 章 节能与环保155 14.1 以人为本、个性化管理 .155 14.1.1 人性的假设 .155 14.1.2 个性化管理方案 .156 14.2 循环经济、节能减排 .157 14.2.1 国家节能政策 .157 14.2.2 节能的意义、措施 .158 14.2.3 具体节能措施 .158 14.3 绿色节能环保 .159 14.3.1 二甲醚的燃烧性能 .159 14.3.2 二甲醚的排放性能分析 .160 14.4 三废处理 .161 14.4.1 原材料的性质和用量 .161 14.4.2 生产规模和厂址规模 162 14.4.3 设计的国家标准依据 .163 14.4.4 危险性物料的主要物性 .164 14.4.5 三废的成分和年排放量 .164 14.4.6 废水零排放 .165 14.4.7 施工期的污染处理措施 .168 14.5 环境影响评价 .169 14.6 小结 .169 第 15 章 机构人员设置及工资情况表170 第 16 章 管线设计172 16.1 管道设计说明 172 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 vii 页 共 186 页 16.1.1 管道的材质的选择及防腐 172 16.1.2 管道尺寸的选择 172 16.1.3 确定管子的连接方式和管件的选择 173 16.1.4 管道阻力的计算 174 16.1.5 管路热补偿 174 16.1.6 管道的绝热保温、防震、涂色 174 16.2 管道布置及铺设 174 附录一：工厂平面布置总图177 附录二：总厂布置三维设计图178 附录三：车间设备布置设计三维图179 附录四：带控制点工艺流程183 附录五：车间管线总图184 参考文献185 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 i 页 共 186 页 摘摘 要要 本说明书在对目前二甲醚发展概况以及各种生产工艺进行综述的基础上， 论证并选择了甲醇作为原料通过气相脱水法生产燃料二甲醚的生产工艺，完成 了厂址选择、厂区布局、原辅材料路线、流程计算机模拟、设备选型设计以及 供电、土建等公用工程的设计工作。并对二甲醚生产工艺的 aspen plus 模拟与 优化、环保与节能进行了重点设计和探索。 本项目采用联合化工总厂以天然气或煤出发生产的甲醇作为原料通过气相 脱水法生产燃料二甲醚。经过严格的工艺选择论证，选定生产流程为：原料甲 醇甲醇气化甲醇气相脱水二甲醚的精馏甲醇回收二甲醚 成品。工艺采用气相脱水两步法：先用合成气催化反应生成甲醇，再进行 zsm- 5 分子筛催化脱水反应，选用连续性反应器连续生产二甲醚。项目设计二甲醚 的年生产能力为 10 万吨，产品含二甲醚为 99.95%w/w，甲醇 0.03%w/w，水分 0.02%w/w，达到项目要求的燃料二甲醚标准。本项目充分利用当地资源，具有 原料利用率高、排放废物少、节能环保等优势。流程采用 aspen 软件模拟计算， 用 3d-max 进行了工厂布局的三维总体设计，用 autocad 进行了工厂的平面设计 和精馏塔的结构设计，用 pdms 进行了车间布局的三维设计和管道布置，采用 kg-tower 对精馏塔进行了选型和水力学设计，采用 aspen htfs+ 进行了换热设 备的设计和选型，使用 hx-net 对换热网络进行了优化和配置。 本项目需投资 6.2 亿元，在工厂进入满负荷之后，全年的净利润将达到 1.54 亿元，投资回收期为 3.64 年。预计整个经济活动期总收益将超过 30.8 亿 余元，经济效益良好。本设计结果有望作为相关工厂设计和项目改造的参考和 依据。 关键词：二甲醚 工厂设计 气相脱水法 aspen 模拟计算 pdms 设计 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 ii 页 共 186 页 cad 设计 3d-max 三维设计 abstract in this design manual， the current development of different production techniques of the dimethyl ether (dme) producing is reviewed. the location and the layout of the plant， the routes of raw materials and auxiliary materials， the process simulation， selections for device types， power supply and designs for civil engineering and other public engineerings are described here in detail. besides， consideration of environment protection and energy saving are also included. we have chosen the process to produce the fuel dme by means of vapor-phase evaporation from methanol. the production process is described as follows， from methanol， the raw material - methanol evaporation - methanol vapor-phase evaporation - dme rectification - methanol reprocessing - to dme， the ultimate product. the vapor-phase evaporation method includes two procedures， the first one is to use syngas to generate methanol and the second one is to use zsm-5 to catalyze the methanol dehydration in a continuousshell shde structure of tubular fixed-bed reactor produce dme. the project is designed to have an annual production capacity of 100，000 tons of dme. the amounts of dme， methanol and water in the production are 99.95%w/w， 0.03%w/w， 0.02%w/w respectively， which meets the required standard of the fuel dme. this project makes good use of local resources， which possesses many advantages， such as high raw material utilization ratio， little waste discharge， energy-saving， environment protecting， etc. aspen is used for the process simulation and optimization， auto cad for the design of 2d and 3d plants layouts， kg- tower for the detail design of the distillation tray and hydraulic capacity， aspen htfs+ for the selection and design of the heat exchangers， and hx-net for the heat composite. this project needs rmb 620，000，000. when the factory goes into full production， the net benefit will be up to rmb 154，000，000. the payback period for this project is 3.64 years. it is expected that the total revenue for the whole 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 iii 页 共 186 页 economic activity period will exceed rmb 3，08，000，000 and that the economic benefit is favorable. keywords： dimethyl ether； factory design； vapor-phase evaporation； aspen simulation； pdms design； cad 2d- 3d- design； 3d-max design 设计任务书设计任务书 一、一、设计目标设计目标 为一个联合化工总厂设计一座燃料二甲醚分厂。为一个联合化工总厂设计一座燃料二甲醚分厂。 二、二、设计基础条件设计基础条件 1、 产产品品规规格格： 燃料二甲醚产品的质量应满足中华人民共和国化工行业标准燃料二甲醚产品的质量应满足中华人民共和国化工行业标准 hg/t3934- 2007 规定的技术指标：规定的技术指标： 成分成分指标（质量分率）指标（质量分率） 二甲醚二甲醚0.990 甲醇甲醇0.005 水份水份0.003 2、环环境要求境要求： 尽量采取可行的措施减少工厂对环境的不利影响，并对排出的污染物提出尽量采取可行的措施减少工厂对环境的不利影响，并对排出的污染物提出 合理的治理方案。合理的治理方案。 三、三、工作内容及要求工作内容及要求 1、 、项项目可行性目可行性论证论证 1） 建设意义建设意义 2） 市场分析市场分析 3） 原料路线原料路线 4） 建设规模建设规模 5） 厂址选择厂址选择 6） 效益分析效益分析 2、工、工艺艺流程流程设计设计 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 iv 页 共 186 页 1） 工艺方案选择及论证工艺方案选择及论证 2） 工艺流程计算机仿真设计工艺流程计算机仿真设计 3） 绘制带控制点工艺流程图绘制带控制点工艺流程图 4） 编制物料及热量平衡计算书编制物料及热量平衡计算书 3、 、设备选设备选型及典型型及典型设备设计设备设计 1） 典型非标设备典型非标设备精馏塔的工艺设计，编制计算说明书。精馏塔的工艺设计，编制计算说明书。 2） 典型标准设备典型标准设备换热器的选型设计，编制计算说明书。换热器的选型设计，编制计算说明书。 3） 其他设备的选型说明。其他设备的选型说明。 4） 编制设备一览表。编制设备一览表。 4、 、车间设备车间设备布置布置设计设计 选择一个主要工艺车间，进行车间布置设计选择一个主要工艺车间，进行车间布置设计 1） 绘制车间平面布置图；绘制车间平面布置图； 2） 绘制车间立面布置图；绘制车间立面布置图； 3） 鼓励采用三维模型设计。鼓励采用三维模型设计。 5、分厂、分厂总总平面布置平面布置设计设计 1） 对主要工艺车间、辅助车间、产品储罐区、中心控制室、分析化验室、对主要工艺车间、辅助车间、产品储罐区、中心控制室、分析化验室、 行政管理及生活等辅助用房、设备检修区、工厂内部道路等进行合理的行政管理及生活等辅助用房、设备检修区、工厂内部道路等进行合理的 布置设计，并对方案进行必要的说明；布置设计，并对方案进行必要的说明； 2） 绘制分厂平面布置总图；绘制分厂平面布置总图； 3） 鼓励采用三维模型设计。鼓励采用三维模型设计。 6、 、经济经济分析与分析与评评价价 根据调研获得的经济数据根据调研获得的经济数据( (可以参考以下价格数据可以参考以下价格数据) )对设计方案进行经济对设计方案进行经济 分析与评价：分析与评价： 1）304 不锈钢设备：不锈钢设备：45000 元元/t 2）中低压（中低压（4mpa）碳钢设备：）碳钢设备：18000 元元/t 3）高压碳钢设备价格：高压碳钢设备价格：20000 元元/t 4）低压蒸汽低压蒸汽(0.8mpa)：100 元元/t 5）中压蒸汽（中压蒸汽（4mpa）：）：300 元元/t 6）电：电：0.6 元元/kw hr 7）工艺软水：工艺软水：8 元元/t 8）冷却水：冷却水：0.2 元元/t 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 v 页 共 186 页 9）污水处理费：污水处理费：0.5 元元/t/t 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 1 页 共 186 页 第第 1 章章 工艺方案的选择及论证工艺方案的选择及论证 1.1 二甲醚的生产现状二甲醚的生产现状 1.1.1 二甲醚的国外建厂情况和生产情况二甲醚的国外建厂情况和生产情况 世界诸多国家，已积极投入二甲醚（dme）的研发生产当中，如日、美，英、 法、德、中国等。其中英国石油(bp)公司与印度天然气管理局、印度石油公司 合作，投资 6 亿美元，由 bp 公司持股 50%、印度天然气管理局及印度石油公司 各持股 25，利用中东的天然气，按丹麦 topsoe 公司气相一步法固定床合成 二甲醚的 tigas 工艺，建造 180 万 t/a 的大型二甲醚生产装置，年耗天然气 24 亿 m3，产品主要是替代石脑油、柴油和 lpg 用作电厂燃料。 日本是一个能源依赖进口的国家。他们看好二甲醚作为一种新能源的前景， 认为二甲醚可经燃气透平来发电，亦可代替天然气用作城市煤气或替代 lpg 用 于取暖，还可代替柴油作为公共汽车的燃料或作为柴油添加剂使用以减少炭微 粒等尾气污染。此外还可从二甲醚制取烯烃等化学品。为此他们考虑利用西澳 大利亚近海天然气，就地建造大型二甲醚生产装置，由海运将产品运至日本， 利用原有 lpg 分配及运输系统送往国内各地使用，为此由三菱瓦斯化学、日挥 公司、三菱重工业以及伊藤忠 4 家公司各出资 25，在 2001 年 6 月组成日本 二甲醚公司，集资 1 亿日元（约 1200 万人民币）进行可行性研究，所采用的是 日挥公司的间接一步法制二甲醚技术。拟年产二甲醚 140 万 t 一 240 万 t，定 于 2006 年投产，产品销往日本和东南亚市场。 日本钢管公司等 8 家公司组成二甲醚开发公司在完成 100t/d 示范装置后， 在西澳大利亚建立的一步法天然气制二甲醚装置，其规模为年产 170 万 t(5000t/d)，日耗天然气 580 万 m3，年耗 20 亿 m3。 日本东洋工程公司(tec)完成建设单系列 250 万 t/a 二甲醚装置的可行性验 证。采用天然气生产甲醇转化成二甲醚的二步法路线，以中东低价天然气为原 料，生产二甲醚的成本为 90 美元/t 一 100 美元/t。 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 2 页 共 186 页 日本千代田和石川岛播磨重工公司联合为日本 jee 控股公司进行二甲醚装 置工程设计，jef 公司是工程和钢铁控股公司，2002 年由川崎钢铁和 nkk 公司 联合而成。jee 公司将在海外建设大规模二甲醚装置，于 2006 年建成。该装置 将采用 jee 工艺从合成气直接生产二甲醚。jee 工艺二甲醚装置可使用天然气、 烃类和生物质作为原料。 其中主要生产企业见下表 1-1。 表 1-1 国外二甲醚主要生产厂家 国别公司能力 (kt/a) 工艺方法备注 美杜邦公司(du pont) 30 两步气相脱水一套 15kt/a 在美， 另一套 15kt/a 在 荷兰鹿特丹 美联合讯号公司(allide signal) 10 不详 德联合莱褐煤料公司 60 两步气相脱水 德dea 公司 65 两步气相脱水装置在汉堡 荷阿克苏公司(akzo) 30 两步气相脱水 澳悉尼溶剂公司 csr 10 两步气相脱水装置在悉尼为德国 dea 技术 日住友精细化学株式会 社 10 两步气相脱水 日三井东压化学株式会 社 5 两步气相脱水 日日本制铁株式会社 5 两步气相脱水 印尼pt bumitangerang 气 体工业公司 3 1.1.2 国内二甲醚的建厂情况和生产情况国内二甲醚的建厂情况和生产情况 四川化工内蒙古天河化工有限责任公司在巴彦淖尔市临河高新工业技术园 区建设的年产 20 万吨二甲醚生产装置建成投入运行，目前世界规模最大的二甲 醚装置，生产出第一批浓度达 99.6%。这套装置采用由泸天化集团公司与日本 东洋工程公司共同开发研制的气固相催化工艺流程和技术，使用泸天化拥有自 主知识产权的高效、高选择性的二甲醚合成催化剂，由泸天化自主设计、自主 制造、自主安装的目前世界单套生产能力最大的二甲醚装置，是泸天化继成功 建成投产年产 1 万吨、10 万吨规模二甲醚装置之后，在自主创新道路上的又一 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 3 页 共 186 页 成功的实践。该装置充分利用国际科技资源，在原始创新、集成创新、引进消 化吸收再创新等方面取得了多项突破，对提高我国二甲醚产业的自主创新能力 具有积极的意义。 山东久泰化工二甲醚项目吸引了来自全国各地致力于我国新能源开发的众 多专家学者，就该项目建设的市场前景进行了充分论证。久泰化工于 2001 年 9 月率先建成了当时全国最大的年产 5000 吨的二甲醚生产装置；2003 年 12 月， 3 万吨二甲醚装置投产运行。2003 年 10 月，临沂市人民政府与鄂尔多斯市人民 政府签署的久泰化工年产 100 万吨二甲醚项目经济合作协议书，实现了技术优 势和资源优势的有机结合，为二甲醚清洁燃料的大规模推广应用奠定了基础。 2007 年底，投资 50.3 亿元的四期工程将开工建设，投产后年产二甲醚 100 万 吨，年销售收入超过 100 亿元，企业将成为在国内外有重要影响的清洁能源基 地。 山西临汾当地一家民营企业山西临汾同世达实业有限公司（下称“同世达” ）将投资 102 亿元人民币，建设一个规模为 200 万吨的二甲醚基地。同世达现 有 70 万吨/年的焦炭生产规模，新项目将以煤炭为原料，在安泽县开建 200 万 吨二甲醚、300 万吨甲醇，现已向国家环保部递交了相关文件，正在进入环评 程序，第一期规模在 100 万吨二甲醚。 中煤能源也对甲醇和二甲醚有着浓厚的兴趣和投资战略，计划在鄂尔多斯 投建 420 万吨/年甲醇及 300 万吨/年二甲醚项目、黑龙江也有 180 万吨/年甲醇 的项目。 目前，已有规模的甲醇、二甲醚生产企业包括远兴能源、泸天化、云维股 份，河南永煤集团，泸州天然气化工集团等。 我国现有二甲醚生产装置规模及采用技术见下表 1-2。 表 1-2 国内二甲醚主要生产厂家 公司能力(t/a)用途工艺方法技术来源投产年月 山东临沂久泰科 技公司(鲁明化工) (原 5 000)； 现在 30 000 民用燃料甲醇液相脱水山东化工规 划设计院 2003.9 扩建 完成 江苏吴县合成化 学厂 1 000 甲醇气相脱水浙江化工研 究院 1996 年 湖北武汉青江公 司(武汉硫酸厂) 1 500 甲醇气相脱水传统工艺1995 年 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 4 页 共 186 页 上海申威气雾剂 公司 800 气雾剂蒸馏新技术上海石油化 工研究院 1995 年 国内二甲醚主要生产厂家(续表) 广东中山凯达精 细化工公司 (原 2 500)； 现在 10 000 气雾剂甲醇气相脱水西南化工研 究设计院 1994 年 12 月； 1998 年二次 扩建 成都华阳威远天 然气化工厂 2 000 气雾剂甲醇液相脱水西南化工研 究设计院 1995.12 安徽蒙城县化肥 厂 2 500 气雾剂甲醇气相脱水西南化工研 究设计院 1997 年 广州广氮集团公 司 5 000 气雾剂甲醇气相脱水西南化工研 究设计院 1998 年 浙江义乌光阳化 工公司 2 500 气雾剂甲醇气相脱水西南化工研 究设计院 1996 年 湖北田力实业公 司(随州化肥总厂) 1 500 合成气一步法浙江大学、 五环化学工 程公司 1997 年 9 月 陕西新型燃料燃 县公司 500 民用燃料甲醇气相脱水中科院山西 煤化所 1997.6 山西浑源化肥厂民用燃料合成气浆态床法中科院山西 煤化所 2001 年 江苏无锡氮肥厂 10 000 民用燃料甲醇气相脱水西南化工研 究设计院 1993 年 2002 年全国二甲醚总产能仅 3.18 万吨，产量约 2 万吨，到 2006 年末产能 已超过 48 万吨，产量达 32 万吨，年增长率分别达到 97%和 96%。预计到 2010 年，我国二甲醚将新增产能 982 万吨，二甲醚总产能将超过 1580 万吨。 1.2 二甲醚的主要生产工艺及选择二甲醚的主要生产工艺及选择 二甲醚的主要生产工艺 生产二甲醚的方法可分为先制得甲醇后再从甲醇出发，经脱水而得的两步 法以及由合成气直接制得二甲醚的一步法两大类。 1.2.1 两步法两步法 1.2.1.1 液相法液相法 1、硫酸脱水法 以浓硫酸为脱水剂，粗甲醚先与浓硫酸生成硫酸氢甲酯，再进一步与甲醇 反应成二甲醚。此法条件温和(130160)，甲醇单程转化率高(90)，纯 度亦高(99.6)，但设备腐蚀严重，三废造成环境污染，中间产物毒性大，国 外已淘汰。其反应可分为以下几步： 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 5 页 共 186 页 （1）ch30h+h2so4ch3hso4+h2o （2）ch3hso4+ch3ohch3och3+h2so4 2、久泰法 该法用多含酸为催化剂，反应条件温和变化，可连续使用，气相中基本无 腐蚀组分，设备投资小，产品纯度 99.9，总回收 99.5。每吨产品耗电 100kw/h，补充水 5m3，低压蒸汽 1t，甲醇 1.4t。久泰公司用此法已先形成 5 万 t/a 生产能力，和 10 万 t/a 装置在 2005 年底建成，并正计划建造 1mt/a 大 型装置。投资比气相法降低 1/2，生产成本降低 1/3。产品质量稳定，在一定规 模下有竞争力。 1.2.1.2 气相法气相法 以 v-al2o3或 zsm 一 5 分子筛为脱水催化剂，在压力 0.1 mpa0.8mpa，温 度 200300，液空速 1.o/h2.o/h 条件下使甲醇在气固相催化反应中脱 水生成二甲醚，甲醇转化率一般在 7585，二甲醚选择性高达 99%以上， 这种方法工艺简单且成熟，对设备材质无特殊要求，基本无三废及腐蚀问题， 是目前世界上生产二甲醚的主要方法。国内开发与应用情况则参见表 1-3，表 1-4。 表 1-3 国外对甲醇气相脱水工艺开发应用情况 公司美 mobil 公司意 esso美 dupont日三井东压化学德 dea 开发年份1965 年1981 年1965 年 1991 1984 年 催化剂 zsm-5hzsm-5 纳米含金属 硅酸铝 含 v-al2o3，铝 钛酸盐 特殊孔分布 v- al2o3 压力（mpa) 10.1 温度（） 200 转化率 （%） 70807074.2 选择性 （%） 909890 99 工业装置规 模(kt/a) 151065 表 1-4 国内甲醇气相脱水工艺开发应用情况 单位西南化工研 究设计院 上海石化 研究院 浙江化工 研究院 中科院山 西煤化所 南化公司 研究院 华东理 工大学 上海昊泾 化工公司 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 6 页 共 186 页 开发年份1995 年1991 年1996 年 cm-3-1 型d-4 型硅铝酸盐催化剂 zsm-5v-al2o3 al2o3zsm-5 粉状结晶 压力 (mpa) 0.1-1.00.80.850.10.1 国内甲醇气相脱水工艺开发应用情况(续表) 温度（）250380280330 300 21024 0 130200 液空速 (h-1) 1.02.00.81.02.04. 0 转化率 (%) 758560707085 8580 100 选择性 (%) 99999999 100100 工业装置 2 5001 0001 0005001 500 无无 1.2.1.3 阳离子型液体催化反应法阳离子型液体催化反应法 该方法的特点为： 1)催化剂的再生与反应过程是同步的，即在产气的同时就完成了催化剂的 再生； 2)液体甲醇在较低温度(6560 dme 选择性(%) 90 42908085 9590 二甲醚 (%) 99.5 3080 90 8788产品组成 甲醇(%) 19块时，理论板数的增加对分离效果增加不明显，根 据分离要求这里取nt22。 3.2.4 回流比对分离效果的影响回流比对分离效果的影响 在 nt=22，进料位置为 9，讨论回流比对分离效果的影响，如图 3.6 所示。 图3.6 dme分离塔t-201回流比对分离效果的影响 由此可见，随着回流比的增大，塔顶dme的杂质含量和损失越来越小，但 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 40 页 共 186 页 当回流比大于0.55时，曲线趋于平直，说明增大回流对分离效果的提高不大。 这里回流比取0.521。根据模拟结果，该点的dme纯度为99.95wt，产品中dme 收率为99.6。 3.2.5 dmedme分离塔分离塔t-201t-201优化结果优化结果 同时考虑 dme 分离塔 t-201 对 dme 分离的纯度和收率，优化结果如表 3- 3。 表3-3 dme分离塔t-201优化结果 理论塔板数 22 回流比 0.521 最佳进料位置 9 产品dme纯度（wt） 99.95 塔顶温度（）3819产品中dme收率() 99.6 塔底温度（） 146.437202 冷凝器热负荷（mmkcal/hr） 1.7898109 塔顶压力（bar） 8.1 再沸器热负荷（mmkcal/hr） 1.59144599 塔底压力（bar） 8.3 塔顶采出量 (kmol/hr) 273.47368 各物流模拟优化结果如表3-4。 表3-4 dme分离塔t-201各物流模拟优化 stagetemperaturepressureheat dutyliquid flow vapor flow cbarmmkcal/hrkmol/hrkmol/hr 136.47035228.1-1.7898109142.4797870 238.18969228.109523810129.950486415.953467 343.06936188.119047620103.69663403.424165 454.02300288.12857143075.8984512377.17031 566.404581289853252349.372131 671.67781718482152339.459005 773.674826288863974336.955832 876.30775688.16666667055.2674122334.360077 982.21890498.176190480626.969815328.741092 1086.95251758.185714290618.489808216.599043 1197.42423498.19523810610.281405208.119036 12112.8583038.20476190612.411863199.910633 13126.4410848.214285710628.945721202.041091 14134.557538.223809520621.608916218.574949 15138.2153158.233333330619.358171211.238144 16140.0009018.242857140618.606411208.987398 17140.900958.252380950618.319405208.235639 18141.3754068.261904760618.193916207.948633 19141.6683718.271428570618.006483207.823144 20141.9949818.280952380617.1946207.635711 21142.8844168.290476190613.589549206.823828 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 41 页 共 186 页 22146.4372028.31.59144599410.370772203.218777 3.3 甲醇回收塔甲醇回收塔 t-301 操作条件确定操作条件确定 t-202 的作用：回收未完全反应的甲醇，回收率达到 99.95，纯度达到 99wt在此目标下对该塔进行模拟优化，寻找达到该分离要求的最佳操作条件。 3.3.1 塔压力的选择塔压力的选择 甲醇在常压下的沸点是 64.53，所以可以选择系统压力在常压下，这里采 用塔顶冷凝器压力为 1.1bar，塔顶压力为 1.7bar，塔底压力为 1.7bar 对该系统进 行模拟计算，在满足分离要求的情况下塔顶温度为 67.0，塔底温度为 115.1。 这样塔顶、塔底的公用工程就可以分别用冷凝水和低压（5kgf/cm 2）蒸汽来实 现。 3.3.2 理论板数、进料板位置和回流比的关系理论板数、进料板位置和回流比的关系 通过模拟在一定理论板数下，进料板位置和回流比的关系（达到分离要求 甲醇纯度 99.wt和回收率 99.95），得到如图 3.7 所示。 图3.7 甲醇回收塔t-202理论板数、进料板位置和回流比的关系 2008 三井化学杯大学生设计邀请赛三井化学杯大学生设计邀请赛 中南大学 csu阳阁团队 第 42 页 共 186 页 由上图可得到如下结论： 1、当理论板数一定时，回流比随进料板位置变化出现最小值，这说明进料 板存在最佳位置，使得该塔达到分离效果时需要最小的回流。 2、随着理论板数的增加，达到分离要求的最佳进料板位置也相应发生变化， 达到分离要求的最佳进料位置大约为塔的理论板总数的2/3（从上部开始计）处。 3.3.3 理论板数对分离效果的影响理论板数对分