二十五万吨二甲醚及甲醇精馏系统设计论文21170.docx
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1、25万吨/年二甲醚精馏系统及甲醇精馏塔设计摘 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,即一个二甲醚精馏塔和一个甲醇精馏塔来将三种物质分离。为了节约原料和减少成本,对二甲醚精馏塔塔底馏分中的甲醇进行回收提纯,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。二甲醚精馏系统中残留甲醇的纯度比较低,是含有水的双
2、组份系统,会对反应的收率产生很大的影响,不能直接用于原料使用。故本文在二甲醚精馏塔的基础上对其产生的尾气进行再精馏,以充分提纯其中的甲醇。文中对二甲醚精馏系统全流程进行了物料和能量衡算,并对甲醇精馏塔进行了工艺设计计算,主要包括塔径、筛板塔尺寸、塔高以及除沫器、吊柱等附件的设计与选型。关键词:二甲醚 甲醇 精馏 工艺设计IAbstractDimethyl ether(DME),which has many excellent physical and chemical properties for manufacturing pharmacy,dye,pesticide and refrige
3、rant and so on,is 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
4、 thick DME。Separation 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 save the material costs as much as possible, purifying the methanol in the DME ditillation bottoms
5、 fraction,and then the isolated methanol gasification gasified methanol, re-applied to the production process, so that process could be rationalized.The remaining methanol of DME distillation system is relatively low purity,which is a two-component system containing water,so it will have a huge impa
6、ct on the yield,and it can not be used for feedstock directly.Therefor re- distillation the mixture generated by the DME distillation column in this article,and purify its methanol fully. The whole process of the material and energy balance of the DME distillation system has been introduced in this
7、test,and the process design calculations of the methanol distillation was also carried out .Which including the design of diameter and higher of tower,sieve clumn dimensions,davit and other accessories selection.Keywords: Dimethyl ether Methanol Distillation Process design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章
8、文献综述11.1 二甲醚简介11.1.1 二甲醚基本性质11.1.2 二甲醚的用途11.1.3二甲醚的发展前景31.2 国内二甲醚市场简况31.2.1 现状31.2.2 国内市场预测41.3 国外二甲醚市场简况41.3.1 现状41.3.2 国外市场预测51.4二甲醚的合成61.4.1液相甲醇脱水制二甲醚61.4.2气相甲醇脱水制二甲醚61.4.3合成气(CO+H2)一步法合成二甲醚71.4.4 CO2加氢直接合成二甲醚81.4.5生物质合成二甲醚91.5 技术比较91.6工艺技术的选择111.7本课题研究内容11第2章 物料和能量衡算132.1 基础数据132.2物料衡算142.2.1反应器
9、142.2.2二甲醚精馏塔152.2.3甲醇精馏塔162.3能量衡算172.3.1反应器172.3.2二甲醚精馏塔172.3.3甲醇精馏塔21第3章 精馏塔工艺设计计算263.1精馏塔全塔物料摩尔质量263.2最小回流比和塔板数的确定263.3精馏塔有关物性数据的计算273.3.1平均温度计算273.3.2平均密度计算273.3.3混合液体表面张力计算293.3.4 混合液体粘度计算323.3.5混合液的相对挥发度计算323.3.6气液相体积流量计算333.4塔体工艺尺寸计算343.4.1塔径的计算343.4.2塔体有效高度的计算363.5塔板工艺尺寸计算363.5.1溢流装置的设计计算363
10、.5.2塔板布置及筛孔数目与排列383.6塔板流体力学验算413.6.1气相通过浮阀塔板的压降413.6.2淹塔423.6.3物沫夹带量433.7塔板性能负荷图443.7.1雾沫夹带线443.7.2液泛线453.7.3液相负荷上限线463.7.4漏液线473.7.5液相负荷下限线483.8本章小结51第4章 辅助装置及附件设计524.1接管设计524.1.1进料管524.1.2回流管524.1.3塔釜出料管524.1.4塔顶蒸气出料管534.1.5塔釜进气管534.2除沫器设计534.2.1设计气速的选取544.2.2除沫器直径计算544.3人孔554.4裙座554.4.1裙座选材554.4.
11、2裙座的结构564.5吊柱584.5.1吊柱的选型584.5.2吊柱的结构594.6操作平台和扶梯594.7本章小结59参考文献60附 录62致 谢636525万吨/年二甲醚精馏系统及甲醇精馏塔设计第1章 文献综述1.1 二甲醚简介1.1.1 二甲醚基本性质二甲醚1(dimethylether,CH3OCH3,简称DME),是一种无色无毒含氧有机化合物,具有轻微的醚香味,无腐蚀性、无致癌性,其主要的物理化学性质如表 1-1。表1-1二甲醚基本物理化学性质1.1.2 二甲醚的用途二甲醚是一种重要的化工原料,在能源、化工、医药和制冷等方面具有广泛用途。由于其特殊的物理化学性质,二甲醚在作为民用液化
12、燃料和柴油机燃料等方面具有很大的优势和发展潜力,被誉为“21 世纪的清洁能源”2。其主要用途如下:1 作为民用燃料3二甲醚(DME)与液化石油气(LPG)性质相近,作为民用液化燃料的基本性质对比如表 1-2 所示。与液化石油气相比,二甲醚具有诸多优点:相同温度下,DME 蒸汽压低于 LPG,符合 GB11174-89 要求的1380kPa 指标,故其贮存、运输比 LPG 更安全;DME 在空气中爆炸下限比 LPG 高 1 倍,使用更安全;虽然 DME 热值仅相当于 LPG 的 0.687,但 DME 本身含氧,组分单一,碳链短,燃烧性能良好,燃烧过程中无残液、无黑烟,是一种优质、清洁的燃料。另
13、外,DME 可利用现有的 LPG 罐、槽等容器及管道,灶具亦能通用,所以易于推广。2 作为车用燃料二甲醚具有良好的燃烧性能和高辛烷值,可以作为柴油的替代品。其与柴油性能相比:DME 的十六烷值比柴油高27%,自燃温度低15,燃烧噪音比柴油低1015dB,接近汽油发动机水平;DME 低热值,虽仅相当于柴油的64.7%,但DME与空气混合气理论热值却比柴油高 5%(DME为3066kJ/kg,柴油为2911 kJ/kg),使用DME时发动机功率比柴油大1015%;DME气化潜热为柴油的1.6 倍,可大幅降低柴油发动机最高燃烧温度,故NOx、烃类(HC)、CO 排放量大幅度降低。Amoco 和 To
14、psoe 两公司研究表明,二甲醚是柴油发动机最洁净的替代燃料,可降低 NOx 排放,实现无烟燃烧,并可降低噪声,其排放废气已经满足美国加州有关中型载重汽车及客车的尾气超低排放标准(ULEV)的要求4-5。我国也在进行 DME 替代柴油的研究6。表 1-2 液化石油气(LPG)与二甲醚(DME)性质对比3 作为化工产品氟利昂曾广泛用作气雾剂的抛射剂,但会破坏大气臭氧层。而二甲醚能在对流层快速降解,不会对臭氧层造成危害,现已取代氟氯烃用于各种气雾剂产品。由于二甲醚是一种优良的气溶胶喷雾剂载体,在制造杀虫剂、化妆品、日用化学品等方面被广泛采用。此外,二甲醚作为汽雾推进剂还可单独或作为主要成分用于日用
15、化学品、喷塑、发泡和胶粘剂等领域。特别在高档汽车喷漆、上蜡方面,由于二甲醚与它们的混溶性好、喷洒的汽雾雾滴细小、致密、溶剂蒸发快,因而越来越显示出二甲醚的优越性。4 作为化工原料二甲醚是甲醇衍生产品之一,也是碳一化工的重要中间体7,可参与许多化工产品的合成,用于合成醋酐、醋酸乙酯,用于甲基化剂,合成药物、农药、染料等8。综上所述,二甲醚用途广泛,可以代替柴油作为柴油发动机的燃料,可以代替液化石油气作为民用液化燃料,也可以用二甲醚来生产乙烯、丙烯及其它的液态烃等。因此,大力发展二甲醚生产,可以有效缓解能源紧张,具有长远的战略意义,是替代能源的一个重要的发展方向和有效途径9。1.1.3二甲醚的发展
16、前景二甲醚优良的物理化学特性及二甲醚生产的大规模工业化,“二甲醚化学”概念的应运而生,可以预见,二甲醚作为21世纪绿色新能源在未来的发展前景广阔。针对我国“富煤,贫油,少气”的能源特征,以煤基甲醇为原料发展二甲醚的工艺路线将得到广阔市场;随着我国燃料需求的不断增长,技术路线的不断突破,国家政策的导向也都为二甲醚作为替代燃料的市场创造了良好的条件。据统计,中国在2008年的二甲醚总需求量为120万吨,并且需求量在不断增加,预计到2020年国内二甲醚的需求量将达到2000万吨。二甲醚作为一个新兴产业,对国民经济的发展,我国能源结构的调整,环境保护都具有十分重要的意义。今后二甲醚的应用研究将集中在大
17、力推广二甲醚民用燃料,加速发展二甲醚燃料汽车的开发应用,重视以二甲醚为氢源的燃料电池的研究,以二甲醚为原料的高附加值的下游产品的研究,开发出一批具有自主知识产权的二甲醚下游产品,推动我国二甲醚工业化进程,对我国煤化工、能源化工、Cl化工的发展都具有十分重要的意义。1.2 国内二甲醚市场简况1.2.1 现状中国DME生产起步较晚,但发展加快。1994年广东中山化工厂建成2500吨/年DME生产装置。此前,只有江苏昆山化工厂有少量生产。2008年国内陆续又有一些厂家投产DME,其中生产规模较大的有山东临沂鲁明化工有限公司、广东中山精细化工实业有限公司、江苏吴县合成化工厂、江苏昆山化工原料厂、湖南雪
18、纳新能源有限公司山东久泰科技股份有限公司及泸天化公司等企业,年总产量已超过50万吨。我国DME的生产发展迅速。2002年全国DME总生产能力仅有3.18万吨/年,产量约为2万吨/年,开工率处于63的较低水平。到2006年,发展到30多家生产企业,年生产能力约48万吨,产量约32万吨,开工率67%。4年间能力和产量迅速增长,起年均增长率分别为79%和96%。1.2.2 国内市场预测第一,DME作为柴油替代燃料或掺烧汽油市场。随着国民经济的发展,我国对柴油和汽油的需求量每年增长的幅度不断加大。统计数据显示,目前柴油的需求量每年的速度增长为7%,2014年我国对进口石油的依存度将超过55%。尤其是我
19、国环保能源特别是洁净车用燃料一直十分紧缺,因此发展清洁车用燃料成为我国经济高速发展面临的现实问题。DME作为柴油替代能源在性能上具有明显的优势,而作为汽油添加剂进行掺烧在理论上证明可以提升汽油的品质,且技术方面不存在难以克服的问题,因此这是一个普遍看好的市场。第二,DME混烃燃料市场。目前我国液化气年消费量在3500万4000万吨,每年约需进口2000万吨。DME作为超洁净能源,与液化气相比在性能上具有显著的优势。如果用DME替代进口液化气,将至少形成约2000万吨年的DME需求。第三,DME作为日用化工原料及化工中间体市场。DME除作为燃料以外,主要用于制气雾剂、制冷剂和发泡剂。DME进入这
20、一市场的特点是附加值高,因而利润空间极大。纯度大于95%的甲醚可作为液体石油气替代燃料,若二甲醚能大规模地生产,显著地降低成本,将能在国内促进二甲醚的消费,目前己在部分地区使用二甲醚,但因技术经济上因生产规模太小而导致生产成本较高,影响其推广应用。我国石油液化气进口量近年迅速增加,19%年进口量为354.7万吨,1998年达477万吨,2005年进口量达929万吨,2010年达1460万吨。因此二甲醚作为替代燃料的市场非常广阔。1.3 国外二甲醚市场简况1.3.1 现状目前世界上DME的生产主要集中在美国、德国、荷兰和日本等国,2006年世界总生产能力29.4万吨/年,产量约22万吨,开工率7
21、5%。国外DME的主要生产厂家有美国的Dupont公司、荷兰的AKZO公司、德国的DEA公司和 United Rhine Lignite Fuel 公司等,其中德国DEA公司的生产能力最大为6.5万吨/年。二甲醚作为一种新型、清洁的民用和车用燃料,被看作是柴油或LPG/CNG的优秀替代品,其作为燃料的市场血球增长将会非常惊人。2000年,全球有400万辆LPG汽车,400万辆乙醇汽车、100万辆CNG汽车,还有部分甲醇汽车。以美国为例,2000年美国使用替代燃料(LPG和CNG)的汽车为42万辆,2010年为330万辆。目前美国替代燃料消费量折合当量汽油约为100万吨(352106加仑当量汽油
22、),约占当年全部燃料消费量的0.2%。如果美国代用燃料的比例提高到5%,起需求量将达到2500万吨,可见替代燃料的市场前景是相当可观的6。亚洲地区是世界上柴油消费增长最快的地区,据国外研究机构分析,二甲醚作为替代燃料,2008年亚洲地区的年需求量为4000万吨,可见,由于二甲醚具有其它替代燃料不可比拟的优势,将会成为柴油的主要替代燃料,具有难以估量的市场前景。由于二甲醚的市场需求潜力十分巨大,在世界范围内,其建设已经成为热点项目,一些大型的二甲醚装置已在积极筹建之中,这些项目2010建成投产新增二甲醚生产能力793万893万吨。世界二甲醚总能力达到1082万1182万吨日本千代田和石川岛播磨重
23、工公司联合为日本JEE控股公司进行DME装置工程设计,JEE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DME装置,于2006年建成。该装置将采用JEE工艺从合成气间接生产DME。JEE工艺DME装置可使用天然气、烃类和生物质作为原料。1.3.2 国外市场预测目前,世界上二甲醚的总生产能力约为700万吨/年,主要生产厂家有杜邦公司,德国联合莱因褐煤燃料公司,德国汉堡DMA公司,荷兰阿克苏公司,日本和我国台湾省等。早期的二甲醚主要用作甲基化试剂用于生产硫酸二甲酷,1986年西欧生产的约2万吨二甲醚,有9000吨用于生产硫酸二甲酷。随着人们环保意
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