[化学]甲醇气相法制二甲醚精馏系统及尾气洗涤塔设计说明书

1、16万吨/年二甲醚精馏系统及尾气洗涤塔设计摘 要二甲醚（DME）具有一系列优良的物化性质，可以用于制药、染料和制冷5剂等，此外，二甲醚作为一种新型的清洁能源，市场前景非常乐观。所以对二甲醚生产工艺的研究非常有意义。 本文在文献资料的基础上选用甲醇气相脱水法制取二甲醚，所得产品为粗二甲醚。二甲醚的分离是一个三组分的分离，所以本设计采用两个简单精馏塔，即一个二甲醚塔和一个甲醇回收塔来将三种物质分离。为使工艺中尽可能的节约原料，所以将物系中的甲醇进行回收，继而将分离得到的甲醇气化得到气化甲醇，重新应用到生产流程中，使工艺流程更加合理化。在二甲醚精馏系统中会产生不凝性的气体，如果这些尾气处理不当，不仅

2、会浪费资源，也会对外界环境产生一定的影响。故本文在二甲醚精馏塔的基础上对其产生的尾气进行洗涤吸收，以充分利用其中的二甲醚。文中对二甲醚精馏系统全流程进行了物料衡算，并对二甲醚的尾气洗涤塔进行了工艺设计计算。关键词：二甲醚，甲醇，洗涤塔，工艺设计I安徽建筑工业学院本科生毕业设计 ( 论文 )AbstractDimethyl ether（DME），which has many excellent physical and chemical properties for manufacturing pharmacy，dye，pesticide and refrigerant and so on，is

3、 widely used as raw materials。As a novel clean fuel，DME has a very promising future for developments。So，it is magnificent to study on the process of producing DME。Based on the literature summarize，the paper chooses methanol gas phase dehydration to make DME，and the product is called thick DME。Separa

4、tion of DME is a separation of three components of the multi-component. Therefore, this design uses two simple distillation column, one of DME and one of methanol recovery. In order to process raw materials savings as much as possible, so the material in the methanol recovery system, and then the is

5、olated methanol gasification gasified methanol, re-applied to the production process, so that process to rationalize.In the DME distillation system produces non-condensable gases，if the exhaust handled properly，will not only waste resources but also on the external environment have a certain impact。

6、Therefore, this paper based on the DME distillation column washing their absorption of tail gas produced in order to take full advantage of one of the dimethyl ether。In this paper，DME whole process tail gas scrubbing system was material balance，and dimethyl ether were scrubbing tower design calculat

7、ion process。Keywords: Dimethyl ether，Methanol，Scrubbing tower，Process design16万吨/年二甲醚精馏系统及尾气洗涤塔设计目 录摘 要IAbstractII第1章 文献综述11.1前言11.1.1 DME 的物性11.1.2 DME的应用21.2 DME生产技术及技术比较41.2.1 生产技术41.2.2技术比较81.3工艺技术的选择91.4本课题研究内容10第2章 物料衡算112.1 基础数据112.2物料衡算122.1.1反应器物料衡算122.1.2二甲醚精馏塔132.1.3甲醇精馏塔142.1.4尾气吸收塔15第3章

8、 二甲醚尾气洗涤塔设计173.1设计方案的确定173.2基础物性数据183.3洗涤塔的工艺尺寸计算203.3.1 塔径的计算203.3.2 填料层高度的计算233.3.3 填料层压降的计算253.4 填料塔内件的类型与设计253.4.1 填料支承装置253.4.2 填料压紧装置263.4.3液体分布装置263.4.4液体收集及再分布装置283.4.5 除沫装置283.5洗涤塔工艺尺寸的计算293.5.1材质的选择293.5.2壁厚的计算及校核303.5.3封头的选择313.5.4裙式支座的选择313.5.5人孔的选择323.5.6接管的选择323.5.7 实际塔高的计算333.6吸收塔的强度和

9、稳定性校核333.7主要符号说明343.8二甲醚尾气洗涤塔设计结果汇总37结 论38参考文献40附 录42 III16万吨/年二甲醚精馏系统及尾气洗涤塔设计第1章 文献综述1.1前言 二甲醚(Dimethylether)，俗称为甲醚(CH3OCH3)，简称DME，为最简单的脂肪醚。常温常压下是一种无色、无味气体，具有轻微的醚香味。二甲醚也是一种新兴的基本化工原料，由于具有良好的易压缩、易冷凝、易汽化的特性，使得它在制药、燃料、农药等化学工业中显示出许多独特的用途。例如，二甲醚可以用作气雾剂、制冷剂、发泡剂;当浓度高时，还可用做麻醉剂，极具发展潜力睁;同时，它也可成为新型燃料，用于替代LPG及柴

10、油;在环保方面，二甲醚还可作为汽油添加剂来生产无铅汽油。当今，随着石油资源的紧缺及价格上涨以及人们关于清洁环保理念不断地深入，作为柴油替代资源的清洁燃料二甲醚被大力推广，并逐渐进入了民用燃料市场和汽车燃料市场，显示出了广阔的应用前景。二甲醚(DME)是目前世界上普遍看好的清洁燃料，它具有如下一些优点:广泛的可获得性：可以由煤和天然气制取。燃烧排放污染小：目前我国汽车尾气排放执行的基本上是欧标准，而DME各项排放指标达到甚至大大低于目前世界上最严格的欧标准，比LPG、汽油、柴油、甲醇、乙醇的排放都要低得多，被誉为21世纪的绿色燃料。良好的可替代性：作为生活燃料，DME与LPG在物理性质上极其相似

11、，并且完全可以利用现有的LPG运输、分配和贮藏设施；从地域分布看，二甲醚作为能源产品的潜在市场，主要分于经济发展较快、但能源资源紧缺的国家，例如，亚洲的日本、中国等国家。由于，二甲醚是一种可替代柴油和液化石油气的新型无污染燃料，且加之石油制品的连年涨价，二甲醚己日益受到各国的重视，因此，在强有力的政策支持和强劲的市场推动下，二甲醚行业必将迎来一个高速发展时期。1.1.1 DME 的物性DME 分子式 CH3OCH3，是一种最简单的脂肪醚，化学性质和液化石油气相似。DME 分子量为 46.069，在常温常压下为无色有醚味的可燃气体，熔点为-138.5，沸点为-24.9，20的蒸汽压为 0.51M

12、Pa，自燃温度为 350，临界温度为 126.9，临界压力为 5.44MPa，蒸发热为 410kJkg-1（20），爆炸极限、空气：37（v），闪点为-41，液体密度为 0.67kgL-1（20），易溶于水，在 100ml 水中可溶解 3700mlDME 气体，DME 易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲脂等多种有机溶剂。燃烧时火焰略带亮光，气体燃烧热为 28.84MJkg-1，常温下 DME 难于活化，且长时间置于空气中也不产生过氧化物，它的稳定性仅次于烷烃，是一种无色、无毒、无致癌性、腐蚀性小的产品。1.1.2 DME的应用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

13、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。大量文献中可以看到，在气雾剂、制冷剂和燃料方面应用较多。最近也有低温二甲醚直接用于燃料电池的报道。 1） 作气雾剂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。DME 替代氯氟烃作抛射剂具有以下优点:(1) 不污染环境, 不对臭氧层产生破坏； ( 2)DME 与各种树脂和溶剂具有良好的互溶性, 尤其是良好的水溶性和醇溶性使其作气雾剂时除具有推进剂功能外, 还兼具溶剂功能； ( 3) 毒性很微弱,观察不到应用在化妆品上有什么问题；( 4) 当用于水基气雾剂如空气清新剂时,

14、 还具有良好的喷雾性及对马口铁包装罐低腐蚀性等性能。 从1998年起,中国禁止在气雾剂中使用氯氟烃(医疗用品除外)作抛射剂。据预测,2005 -2010年,中国对气雾剂级的DME 需求量分别将为22.8 kt 和30 kt。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

15、都有所增强。 3） 用作民用清洁燃料 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, 在37.8时, 蒸汽压低于1380 kPa,符合液化气要求( GB11174 - 89) 。DME 作民用清洁燃料有诸多优点:(1) 在同等温度条件下,DME 的饱和蒸气压低于液化石油气,其储存、运输等比液化气安全；(2) DME 在空气中的爆炸下限比液化气高一倍, 因此在使用过程中, DME 作为燃料比液化气安全；(3) 虽然DME 的热值比液化气低, 但由于DME 本身含氧, 在燃烧过程中所需空气量远低于液化气, 从而使得DME 的预混合热值与理

16、论燃烧温度均高于液化气。DME 自身含氧, 组分单一, 碳链短, 燃烧性能良好, 热效率高, 燃烧过程中无残液, 无黑烟, 是一种优质、清洁的燃料。陕西新型燃料燃具公司与山西煤化所对燃用DME 燃具进行燃烧、环境卫生、卫生防疫检测。结果表明, 在着火性能、燃烧工况、热负荷、热效率、烟气成分等方面符合煤气灶CJ4-83 的技术指标。DME 燃料及其配套燃具在正常使用条件下对人体不会造成伤害, 对空气不构成污染。该燃料在使用配套的燃具后, 室内空气中甲醇、甲醛及一氧化碳残留量均符合国家居住区大气卫生标准及居室空气质量标准。如果DME 的价格合适, 有预测数据表明, 仅取代进口LPG 一项, 200

17、5 年和2010 年就分别需燃料级DME 12300 kt 和19200 kt。4） 用作汽车发动机的燃料常规发动机代用燃料液化石油气、天然气、甲醇, 它们的十六烷值都小于10, 只适合于点燃式发动机。DME 的十六烷值( 约55) 高于普通柴油, 可直接压燃, 并且燃烧过程可实现低氮氧化物、无硫和无烟排放, 是柴油理想的替代燃料。国内外大量实验研究表明, DME 液化后可直接用作汽车燃料, 其燃烧效果优于甲醇燃料, 除具有甲醇燃料所有优点外, 还克服了甲醇低温启动性能和加速性能差的缺点。DME 燃料具有高效率和洁净燃料低污染的优点, 可实现无烟燃烧, 并可降低噪声, 在Navistar 8

18、缸7.3 L 柴油机上燃用DME 燃料显示,发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放均全面达到世界最严格的美国加州中型车超低排放量( ULEV) 标准。预测数据表明,中国2005年和2010年的柴油消费量分别为85300kt 和108300kt。若DME价格能与柴油竞争,2005年取代率按5%计算,需燃料级DME 5580kt ；2010年取代率按10%计算,需燃料级DME14510kt。5） 用作醇醚燃料由西南化工研究设计院与中科院山西煤化所研究开发的新型民用代用燃料是将DME、甲醇和H2O ( 不外加, 来自原料甲醇制DME 的反应) 及其他组分配制的混合燃料。这种燃料具有

19、清洁、安全、使用方便等特点, 燃烧尾气符合国家有关卫生标准, 已在河南、山西、贵州、安徽、湖南等省建立5 套生产装置, 其中4 套为万吨级装置。该项目被列入国家“九五”科技成果重点推广计划项目。6） DME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

20、有机硅化合物。1.2DME生产技术及技术比较1.2.1 生产技术目前DME 有以下几种生产技术。 1）甲醇尾气制DME 早期的工业用DME 是由合成甲醇的副产物中分离回收而得。各种催化剂生产的粗甲醇中均含有一定量的DME,只是多少不一。30MPa 时,锌铬催化剂制得的粗甲醇中DME 含量达3.22%；5MPa 下, 铜基催化剂生产的粗甲醇中DME 含量为0.27%, 因此,随着铜基催化剂的广泛使用,从甲醇副产物中分离提取DME 的产量将大幅度减少,此法的实用价值将越来越小。2）液相甲醇脱水法制DME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

21、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( 130-160 ) 、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。3）气相甲醇脱水法制DME气相甲醇脱水法是甲醇蒸汽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。DME 的开发从1966 年开始, 石油危机使欧美等发达国家积极研究由合成气

22、经DME 合成汽油以及粗醚做民用燃料等问题, 但因其CO 转化率低( 小于50%) ,DME 选择性差, 未能工业化。随着欧美等一些发达国家和地区做出了禁止在气雾剂中使用氟氯烃的决定, DME 以其易雾化、易贮存等特性得到认可, 并成为气雾剂的理想替代品, 气相甲醇脱水法很快成为生产DME 的主要方法。如美国Mobil 公司1981 年开发了气相甲醇脱水制备DME 的工艺, 并申请了专利； 德国威斯林DEA mineraloel开发了气相催化法合成DME 新工艺； 日本三井东压化学公司1991年开发了一种甲醇脱水制DME的新催化剂。中国西南化工研究院自行研究开发的气化甲醇在固体酸催化剂上脱水反

23、应生成DME 和水。该技术生产DME 采用HZSM -5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%,主要用于生产气雾剂、制冷剂及特殊原料。广州中山市精细化工公司采用该技术建成了2500t/aDME 工业化装置,经改造,现装置规模已达5000t/a。4）合成气一步法生产DME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

24、应为:甲醇合成反应CO+2H2=CH3OH+90.4kJmol水煤气变换反应CO+H2O=CO2+H2+40.9kJmol甲醇脱水反应2CH3OH=CH3OCH3+H2O+23.440.9kJmol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

25、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。到上个世纪90年代初开始研究采用合成气直接合成DME的方法,1991 年美国空气产品与化学品公司开发出合成气浆态床一步合成DME技术；1995年丹麦托普索(Topsoe)公司开发出以天然气为原料经合成气制备DME技术； C

26、leam Air Act 公司用煤衍生气体转化为DME；1998年清华大学与美国空气产品与化学品公司合作开发浆态床液相法DME 生产工艺及设备；日本钢管公司开发出利用天然气直接合成DME 的技术。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。5 ）CO2 加氢直接合成DME近年来, CO2 加

27、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。CO2 加氢制甲醇因受平衡的限制, CO2 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Arokaw a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、3.0MPa的条件下, CO2 转化率可达到25% , DME 选择性为55%。大连化物所研制了一种新型催化剂, CO2 转化率为13.7

28、% ,DME 选择性为50% 。天津大学化学工程系用甲醇合成催化剂Cu- Zn - Al2O3 和HZSM - 5 制备了CO2 加氢制DME 的催化剂。兰州化物所在Cu- Zn- ZrO2/HZSM- 5 双功能催化剂上考察了CO2 加氢制甲醇反应的热力学平衡。结果表明CO2加H2 制DME 不仅打破了CO2 加氢制甲醇反应的热力学平衡, 明显提高了CO2 转化率, 而且还抑制了水气逆转换反应的进行, 提高了DME 选择性。6）催化蒸馏法制DME到目前为止, 只有上海石化公司研究院从事过这方面的研究工作。他们是以甲醇为原料, 用H2SO4 作催化剂, 通过催化蒸馏法合成二甲醚的。由于H2SO

29、4 具有强腐蚀性, 而且甲醇与水等同处于液相中, 因此, 该法的工业化前景一般。催化蒸馏工艺本身是一种比较先进的合成工艺, 如果改用固体催化剂, 则其优越性能得到较好的发挥。用催化蒸馏工艺可以开发两种DME 生产技术: 一种是甲醇脱水生产DME, 一种是合成气一步法生产DME。从技术难度方面考虑, 第一种方法极易实现工业。我国二甲醚技术的研发方向，将围绕如下几个热点：先进、高效、廉价的煤制气工艺及设备；大型二甲醚生产装置(尤其是反应器)的开发；以煤为原料生产二甲醚过程中CO2 的利用；高CO 转化率、高二甲醚选择性的催化剂；经济的二甲醚分离、提纯工艺技术。1.2.2技术比较 目前国内工业化生产

30、的二甲醚装置基本上为两步法生产工艺, 对于气相法和液相法两种工艺, 各有其优势和不足。 1）液相法优势 液相法的优点在于反应温度低（120-170），甲醇在反应器中的单程转化率比气相法高，达95%以上。这样循环的甲醇量少，理论上可减少一定的蒸汽消耗。但是，反应温度低造成了脱水反应的反应速度慢，反应器的容积大，单台反应器的生产能力低，大型化需多台反应器并联，明显增加了装置投资。其次，为了保证较低反应温度，反应只能在常压下进行，反应产物在降温后气相中的二甲醚要从常压压缩到0.9MPa以上，不仅增加了压缩系统的投资，还使电力消耗大幅提高，每吨产品的电力消耗在100kWh以上。因此投资高、能耗高是液相

31、法的缺点。 2）气相法的优势气相法是目前国内外使用最多的二甲醚工业生产方法。其特点是技术成熟可靠、投资低、产品调整灵活、工艺简单、生产成本低。迄今国内外已建和拟建的大型二甲醚生产装置大多采用气相法。目前采用西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司等单位技术建设的气相法二甲醚生产装置已有数十套，总产能已超过千万吨，且装置规模正日益趋向大型化。气相法催化剂常选用固体酸性材料，主要包括-Al2O3催化剂、硅铝催化剂、沸石分子筛及负载杂多酸等。反应条件为0.5MPa-1.5MPa、230-400。反应器结构有绝热式固定床、换热式固定床、多段冷激式固定床和等温管式固定床等。甲醇经气化在换热器中与反应

32、器出来的反应产物换热后进入反应器中进行气相催化脱水反应，反应产物经换热后、用循环水冷却冷凝,粗产物经分离后可得到纯度为99%-99.99%的二甲醚产品，甲醇单程转化率60%-85%，二甲醚选择性95%-99.5%。随着二甲醚生产规模和装置规模的扩大，新型高效催化剂的开发越来越重要。作为纯粹的DME生产装置而言，表1.1中列出了3种不同生产工艺的技术经济指标。通过比较表中的数据可以看出，由合成气一步法制DME的生产成本远较硫酸法和甲醇脱水法为低，因而使用合成气一步法制DME具有明显的竞争性。但相对其它两类方法，目前该方法正处于工业放大阶段，规模比较小，另外，它对催化剂、反应压力要求高，产品的分离

33、纯度低，二甲醚选择性低，这都是需要研究解决的问题。表1.1二甲醚各种生产方法技术经济比较方法硫酸法气相转化法一步合成法催化剂硫酸固体酸催化剂多功能催化剂反应温度130160200400250300反应压力MPa常压0.11.53.56.0转化率90758590二甲醚选择性9999651000ta投资万元280320400500700800车间成本(元吨)450048004600480034003600二甲醚纯度99.699.9991.3工艺技术的选择二甲醚装置是将甲醇装置的精甲醇在催化剂的作用下进行脱水反应生成二甲醚，然后经过精镏生产出精二甲醚，送罐区贮存待售。二甲醚为本项目的最终产品。本设计

34、采用甲醇气相脱水催化法制DME，相对液相法，气相法具有操作简单，自动化程度较高，少量废水废气排放，排放物低于国家规定的排放标准，DME 选择性和产品质量高等优点。同时该法也是目前国内外生产DME的主要方法。采用气相甲醇催化脱水合成二甲醚，粗二甲醚液体经过精馏生产出精二甲醚，其技术特点如下：a) 采用新型高效甲醇合成反应器，反应器内件为固定床带内部盘管为冷却介质，以控制合适的二甲醚反应温度，比径向反应器结构简单，投资省。b) 采用合适的二甲醚反应温度温度控制，提高了二甲醚单程转化率，减少副产品的生成，提高了催化剂使用寿命。 本设计对于二甲醚合成反应采用的催化剂是CNM-3型催化剂。气相甲醇脱水法

35、是从传统的浓硫酸甲醇脱水法的基础上发展起来的。其基本原理是将甲醇蒸汽通过固体酸性催化剂，发生非均相反应脱水生成二甲醚。它是一种操作简便、可连续生产的工艺方法。气化甲醇脱水合成二甲醚的工业生产流程主要包括气化段、合成段和分离段。其工艺原则流程是甲醇经换热变为甲醇蒸汽，进入反应器。气相甲醇在150常压下，在固定床催化反应器中进行甲醇脱水反应，反应产物进入精馏塔进行分离提纯。在0.1-0.6MPa下精馏，二甲醚由塔顶采出：塔底甲醇和水进入汽提塔，在常压下得到分离，回收的甲醇循环使用。其工艺生产过程包括甲醇预热、蒸发、甲醇脱水、甲醚冷却、粗甲醚精馏等。从反应器出来的气体含有二甲醚、未反应的甲醇、水等物

36、质，它们都是以气体形式存在。在进入分离塔之前，要将气体冷却成液体或气液两相共存。三组分的混合体系，至少要采用两个精馏塔，即一个二甲醚精馏塔和一个甲醇回收塔来将三种物质分离。本文主要是对二甲醚反应器，二甲醚精馏塔，甲醇精馏塔进行物料衡算及尾气洗涤过程的模拟。1.4本课题研究内容本设计是利用气相甲醇脱水法合成二甲醚。该合成反应是以甲醇为主要原料，在CNM-3型等二甲醚合成催化剂的存在条件下进行。其基本原理是将甲醇蒸汽通过固体酸性催化剂，发生非均相反应脱水生成二甲醚。它是一种操作简便、可连续生产的工艺方法。气化甲醇脱水合成二甲醚的工业生产流程主要包括气化段、合成段和分离段。本设计的主要工作将围绕分离

37、段开展。从反应器出来的气体含有二甲醚、未反应的甲醇、水等物质，它们都是以气体形式存在。在进入分离塔之前，要将气体冷却成液体或气液两相共存。三组分的混合体系，至少要采用两个精馏塔，即一个二甲醚精馏塔和一个甲醇回收塔来将三种物质分离。此外，二甲醚精馏塔塔顶产品冷凝后的尾气含有少量的二甲醚，但是此部分尾气的二甲醚含量很高，约为86%。这部分尾气长时间排放到空气中后会污染厂区及其附近的空气，对环境造成不必要的影响。所以利用精甲醇通过填料塔对尾气进行洗涤吸收，吸收液经过一系列换热设备后进入原料储罐，实现循环再利用。吸收后从填料塔顶排出的尾气进入燃烧室。本设计将主要围绕二甲醚精馏塔系统排出的尾气的洗涤吸收

38、为中心，开展对填料洗涤塔的一系列初步的设计计算。第2章 物料衡算工艺设计中，物料衡算是在工艺流程确定后进行的。目的是在根据原料与产品之间的定量转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成，进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打基础。物料衡算是以质量守恒定律为基础对物料平衡进行计算。物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的物料质量必定等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉和积累起来的物料质量”。下面是年产16万吨二甲醚精馏系统的物料衡算，其流程在第1章中介绍过，这里就不再详细介绍。2.1 基础数据a) 各股物料组成见下表（数据采用工厂实际

39、应用数据）（组成均为摩尔分数）表2.1 各股物料组成介质物流号介质名称DMECH3OHH2OLight End101102103 原料甲醇反应器进料甲醇粗二甲醚00.00280.37540.99730.99380.2480.00270.00330.376100.00010.0005104精二甲醚0.99970.000100.0002105尾气0.22170.112700.6656106甲醇精馏塔进料0.00060.39710.60230107废水00.00010.99990108回收甲醇00.99470.00530109甲醇精馏塔尾气0.14910.850800110进尾气洗涤塔的甲醇00.9

40、9730.00270b）操作制度日操作小时： 24h年操作小时： 8000h操作制度： 三班连续生产c）本设计过程中所有原始数据均来自于工厂实际生产线；本设计中的流程较实际生产流程的简易一些，但是足以能够反映现实的生产状况。2.2物料衡算由年产16万吨/年二甲醚可得:又因粗产品中的二甲醚的回收率不低于99%，此处取99.11可得=434.12209997F=0.9911所以反应器生成的二甲醚量为F=437.845kmol/h。2.1.1反应器物料衡算2CH30H CH3OCH3 + H2O前已述及本反应采用的催化剂为CNM-3型催化剂，取该反应的转化率为80（考虑过程的损耗，按75粗略估算）。

41、则进入反应器甲醇的量为437.845-3.265275%=1158.88kmolh表2.2 进出物料及各组分的量组份 进 料（kmol/h）出 料（kmol/h）CH3OCH30.28%3.26537.54%437.845CH30H99.38%1158.88024.8%289.253H2O0.33%3.84837.61%438.662Light end0.01%0.1170.05%0.583总计11160.110 11166.343催化剂床层体积的计算：进入反应器的物料总量为1160.110，设给定空速，所以，催化剂床层面积2.1.2二甲醚精馏塔因为二甲醚是本设计的主要产品，二甲醚纯度的高低直

42、接关系到二甲醚生产工艺的优劣。二甲醚纯度的高低不仅与反应情况有关，而且和二甲醚精馏塔的操作状况直接相关。下图为二甲醚精馏塔的物流简图。二甲醚精馏塔衡算表：表2.3 物料衡算组分 进料(kmol/h) F出 料 （kmol/h） M L DCH3OCH337.54%437.84599.97%433.9920.06%0.43786.25%3.416CH30H24.8%289.2530.01%0.04339.71%289.1920.44%0018H2O37.61%438.6620060.23%438.6310.78%0.031Light end0.05%0.5830.02%0.0870012.53%

43、0.496总计11166.3431434.1221728.26013.9612.1.3甲醇精馏塔甲醇精馏塔物料衡算表：表2.4 物料衡算组分进料 L（kmol/h）出 料（kmol/h）D1WCH3OCH30.06%0.4370.15%0.43700CH30H39.71%289.19299.29%289.1480.010.044H2O60.23%438.6310.56%1.64199.99%436.990Light end000000总计1728.2601291.2261437.0342.1.4尾气吸收塔D=3.961kmolhD2=0.681kmolhG0=261.608kmolhW1=D+

44、G0-D20.8625D=0.1127D2+1,W1W10.0044D=0.9973G0+0.1127D2+2,W1W10.0078D=0.0027G0+3,W1W1物料衡算表如下：表2.5 物料衡算组分进料 （kmol/h）出 料（kmol/hDG0D2W1CH3OCH386.25%3.4160022.17%0.1511.23%3.258CH30H0.44%0.01899.73%260.90211.27%0.07798.47%260.835H2O0.78%0.0310.27%0.706000.28%0.742Light end12.53%0.4960066.56%0.4530.02%0.05

45、3总计13.9611261.60811264.888通过对各塔器的物料衡算可知，进出物料基本满足在单位时间内进入系统（体系）的物料质量必定等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉和积累起来的物料质量，即物料守恒。43第3章 二甲醚尾气洗涤塔设计塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件

46、、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。3.1设计方案的确定由物料流程图可知，用精甲醇（110）洗涤二甲醚精馏塔塔顶冷凝后的尾气D1。由此设计任务可知，二甲醚在甲醇中的溶解度很高，为提高传质效率，增大传质推动力，故采用逆流吸收

47、流程。尾气D1从洗涤塔（C-12003）底部入塔和从塔顶进入的精甲醇（110）逆向接触，吸收后的尾气(105)从塔顶排空，吸收液从塔底经由容积泵P12002A,B送回反应器（R12001）进料管路。图3.1 尾气洗涤示意图3.2填料的选择此洗涤系统的介质是尾气（主要为二甲醚）和精甲醇，二者都是有机物，有一定的腐蚀性。由于塑料填料能够耐有机溶剂的腐蚀，且具有质轻、价廉、耐冲击和不易破碎等优点，可长期在0100条件下使用。综合各方面因素选用D25型的塑料阶梯环散装填料。表3.1 D25塑料阶梯环散装填料的物性物性公称直径DN（mm）比表面积a（m2/m3）干填料因子（）临界表面张力（kg/h2）形

48、状系数压降因子（m-1）数值252283125184001.451763.2基础物性数据1) 液相物性数据20-22由于吸收剂精甲醇的量远大于DME的量,故溶液的物性数据可近似取精甲醇的物性数据。由手册查得，40时甲醇的有关物性数据如下：密度：=783.5kg/m3黏度：=0.439mPas=1.58kg/(mh)表面张力：L=19.67mN/m=254923kg/h通过查化工原理下册知：DME在甲醇中的扩散系数可由如下公式计算：D=7.710-15TVA13-V013式中 D扩散系数，m2/s； T温度，K； 液体的粘度，Pas； VA扩散物质的分子体积，cm/mol； V0常数，对于扩散物

49、质在水、甲醇或苯中的稀溶液，V0值可分别取为8、14.9及22.8，cm/mol。VDME可由化工原理下册中克普加和法则作近似估算：VDME=14.82+3.76+9.9=61.7 cm/mol故DL=7.710-15313.15783.561.713-14.913=3.68610-9m2/s=1.3310-5m2h2) 气相物性数据20-22混合气体的平均摩尔质量：Mvm=46.0786.25%+22.6212.53%=42.57g/mol其中M Light end=22.62g/mol，MDME=46.07 g/mol混合气体的平均密度：Vm=PMVmRT=1.110242.578.314

50、313.15=1.799kgm3黏度：由于气相相对于液相的量很小，故气相粘度可近似取DME，由手册查得40时VDME=9.122Pas=3.2810-2 kg/(mh)通过查化工原理下册知：DME在轻组分中的扩散系数可由如下公式计算DV=4.3610-5T321MA1MB12PVA13VB132式中 DV扩散系数，m2/s； T温度，K； P总压强，kPa； VA，VB分别为A、B两种物质的分子体积，cm/mol； MA，MB分别为A、B两种物质的摩尔质量，g/mol；VDME=61.7 cm/mol，VLight end=29.9 cm/mol故DV=4.3610-5313.1532122.

51、62146.07121.110261.071329.9132=1.1410-5m2/s=4.1010-2m2/h3) 气液相平衡数据从化工工艺算图中查的40时二甲醚在甲醇中的亨利系数为E=3.56104kPa相平衡常数为m=EP=3.561041.1102=323.64溶解度系数为H=LEMS=783.53.5610432.04=6.8710-44) 物料衡算本设计中将轻组分视为惰性组分，水和甲醇可忽略不计，则进塔气相摩尔比为Y1=0.86251-0.8625=6.27出塔气相摩尔比为Y2=0.22171-0.2217=0.28进塔惰性气体流量为V= 3.961（1 - 0.8625）=0.5

52、4kmol/h进塔惰性液体流量为L=261.608 kmol/h此吸收过程的吸收液为精甲醇，即=0而 X1=0.0123 kmol/h则V(Y1Y2)=0.54（6.270.28）=3.23 kmol/hL(X1X2)= 261.608（0.01230）=3.22 kmol/h由结果知相等。3.3洗涤塔的工艺尺寸计算 3.3.1 塔径的计算23-25采用Eckert通用关联图计算泛点气速。图3.2 Eckert通用关联图气相质量流量为 =3.41646.070.49622.62=168.59 kg/h液相质量流量为 =260.90232.040.70618.02=8372.02kg/h关联图的

53、横坐标为wLwVVL0.5=8372.02168.591.799783.50.5=2.380查化工原理课程设计图5-21得其纵坐标为0.0075uF2FgVL0.2=0.0075查化工原理课程设计表5-11得 F=260m-1 uF=0.0075gLFVL0.2=0.00759.81783.5260992.2783.51.7990.4390.2=0.339ms取操作气速u=0.7uF=0.70.339=0.237 m/s由D=4VSu=4168.591.7993.140.2373600=0.374m圆整塔径到0.4m泛点率核算：u=168.591.79936000.7850.42=0.207msuuF=0.2070.339100%=61.14%在0.5-0.85范围内。填料规格校核8液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为=0.08m3/（mh）查化工原理课程设计附录五得t=228m2/m3故 m3/（mh）U=8372.02783.50.7850.42=85.07Umin所以选取的此塔径满足最小喷淋密度要求。经以上校核可知，填料塔直径选用400mm合理。3.3.2 填料层高度的计算Y1*=mX1=323.640.0123=3.98Y2* =0脱吸因子S=mVL=323.640.54261.608=0.668气相总传质单元数为NOG=