年产25万吨二甲醚的精馏系统及二甲醚精馏塔设计_毕业设计(编辑修改稿)

年产25万吨二甲醚的精馏系统及二甲醚精馏塔设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

...... 55 最大弯矩引起的轴向应力 ....................................................................... 56 筒体的强度与稳定性校核 .......................................................................... 56 第 7 章 全厂平面布置 ................................................................................................. 58 全厂平面布置的任务 ................................................................................... 58 全厂平面设计的原则 ................................................................................... 58 全厂平面布置内容 ......................................................................... 58 全厂平面布置的特点 ................................................................................... 59 25 万吨 /年二甲醚精馏系统及二甲醚精馏塔设计 VII 全厂平面布置 ................................................................................................. 59 第 8 章 总结讨论 .......................................................................................................... 61 设计主要完成任务 ......................................................................................... 61 设计过程的评述和有关问题的讨论 ....................................................... 61 参考文献 ........................................................................................................................... 62 附录 .................................................................................................................................... 65 致谢 .................................................................................................................................... 65 25万吨 /年二甲醚精馏系统及二甲醚精馏塔设计 1 第 1章 文献综述 二 甲醚的现状 二甲醚又称甲醚，简称 DME，分 子 式： CH3OCH3 ,结 构 式： CH3— O— CH3。 二甲醚在常温常压下是一种无色 气体 或压缩液体，具有轻微醚香味。 相对密度 （ 20℃ ），熔点 ℃ ，沸点 ℃ ，室温下 蒸气压 约为 ，与石油液化气（ LPG）相似。 溶于水及醇、 乙醚 、丙酮、 氯仿 等多种有机 溶剂。 易燃，在燃烧时 火焰 略带光亮，燃烧热（ 气态 ）为 1455kJ/mol。 常温 下 DME 具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成 甲烷 、乙烷、 甲醛 等。 甲醚的市场分析 二甲醚 ( DME )是一种含氧燃料 (% ),无毒性 ,常温下为气态 [1],可在 5个大气压下液化 , 液化后方便储存和运输。 建设部已发布行业产品标准《城镇燃气用二甲醚》 ,编号为 CJ/T2592020, 自 2020年 1月 1日起实施。 适用于供应城镇居民、商业和工业企业用的城镇燃气用二甲醚。 该标准实施表明 , 二甲醚作为液化气的替 代燃料已具合法身份 , 将正式作为替代燃料推广。 此外 ,《化工行业二甲醚质量标准》也已通过专家委员审查 , 该标准适用范围 :Ⅰ型作为工业原料主要用于气雾剂的推进剂、发泡剂、制冷剂、化工原料等 ,Ⅱ 型主要用于民用燃料、车用燃料及工业燃料的原料。 2020年全国二甲醚生产能力约 400万 t。 单套装置产能达 10万 t的投产较多 ,河南省有信阳息县亚洲新能源控股 (信阳 )有限公司建成投产两套 10万 t装置 ,罗山金鼎化工公司有近 20万 t产能投运 ,平煤蓝天驻马店遂平分厂建成 20万 t生产线。 虽然二甲醚具有优良的燃料性能 , 但目前由于车 辆使用二甲醚燃料需要更换发动机及进行车型改造 [2,3], 同时也要受加压储运的限制 , 二甲醚车用燃料的推广难度大于甲醇代用汽油。 目前的研究进度还达不到大规模产业化的程度。 二甲醚行业面临的考验 产能过剩 —— 受二甲醚行业高利润吸引 ,众多产业资本大量涌入二甲醚产业。 国内产能近几年呈直线上升之势 ,仅 2020年 ,中国的二甲醚产已在 2020年 t基础上爆增 394%,达到 220万 t， 2020年达 400万 t， 2020年已跃至 700万 t。 针对部分地区出现的盲安徽建筑大学本科生毕业设计 2 目重复建设的苗头 , 国家发改委在 2020年 7月 7日发布了《关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知》 , 其中要求一般不应批准规模在 100万 t/a以下的二甲醚项目 , 这对规范二甲醚项目的建设起了一定作用 , 也促进了二甲醚行业的产业化和规模化发展。 目前二甲醚的主要用途为液化气掺烧 ,据中国石油和化学工业规划院估计 ,2020年在国内二甲醚的消费结构中 , 民用燃料占到了绝对主导地位为 94% ,车用燃料仅为 2%,其他用途占 4%。 按照 20%的掺烧比例计算 ,2020年的需求量在 390— 520万 t，这意味着许多已建、在建的二甲醚装置将处于闲置状态。 二甲醚生产技术 合成气一步法 合成气一步法 [4]的主要特点是 : 合成甲醇反应和甲醇脱水反应在一个反应器中完成 , 由于反应器中生成的甲醇不断生成二甲醚 , 从而提高 CO转化率 ,因此平衡常数大。 合成气单程转化率高达 40%— 75%。 国外开发合成气一步法代表性的公司有丹麦托普索 (气相法 )、美国空气产品分司 (浆态床 )和日本 NKK 公司 (浆态床 )；但都处于中试阶段， 未见过工业化大型生产报道。 国内一些科研院所也正在进行合成气一步法研究；目前合成气一步法工业化技术尚未成熟， 不具备大型化条件。 合成气一步法以合成气 ( CO + H2)为原料， 合成甲醇反应和甲醇脱水反应， 在一个反应器中进行，同时伴随着 CO的变换反应，其反应历程为： 其反应特点为 : （ 1） 反应条件下有一部分 CO和 H2 反应生成烃类副产物 ， 这是合成气一步法原料消耗偏高的主要原因。 （ 2） 催化剂使用寿命短 ， 迄今未发现对两个反应均有较好催化作用且稳定性较好的25万吨 /年二甲醚精馏系统及二甲醚精馏塔设计 3 催化剂。 现使用的复合型催化剂两种活性中心互相干扰。 （ 3） 反应物难分离 ， 反应物的主要成分有 CO、 H CO二甲醚、甲醇、水等 ， 首先要将未反应的 CO、 H2 分离开来循环使用，且分离 流程复杂 ， 电耗高。 （ 4） 一步法反应是强放热反应 ， 但由于催化剂耐热性能差 ， 温度高时易产生副反应 ，反应温度又不能太高 ， 因此反应器必然是换热式 ， 决定了反应器体积大 ， 容积效率低。 两步法生产技术 1. 甲醇液相法 甲醇液相法由硫酸法发展而来 ， 山东久泰化工科技股份有限公司成功开发了具有自主知识产权的液相法复合酸催化脱水技术。 经过两年多生产实践证明 ， 该技术成熟可靠。 云南广信化工公司开发了超强酸液相合成二甲醚生产技术 ， 液体甲醇被预热到90— 120℃ ， 通过主反应塔分布器使甲醇和含氟超强酸催化剂逆向充 分接触 ， 在100— 120℃ 温度下 ， 甲醇被催化脱水合成二甲醚 ， 生成的二甲醚气流经过净化、冷凝、干燥得到液态二甲醚。 国内先进的甲醇液相法、甲醇脱水反应在液相、常压或微正压、1300C下进行。 2 甲醇气相法 甲醇气相催化脱水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 ， 国内拥有该技术且已工业化的有西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司、山西煤化所等 ， 催化剂为 ZSM 分子筛、磷酸铝或 γAL2O3。 二甲醚的合成是甲醇蒸汽在催化剂和一定温度条件 下进行分子间脱水反应而生成。 该反应为放热反应 ， 温度越高反应速度越快。 随着反应温度的升高 ， 副反应也随之增加 ， 因此生产中要求控制适当的反应温度。 西南化工研究设计院是我国最早研究开发二甲醚生产技术的研究单位之一 ， 上世纪 90年代开始研究开发二甲醚装置技术 ， 与国内外现有甲醇气相催化脱水法比较 ， 其技术有较大的改进和创新 ， 处于领先水平。 其工艺特点为 : (1)生产二甲醚的原料可为精甲醇或粗甲醇 ， 蒸汽消耗和生产成本较低。 (2)二甲醚反应器是列管式反应器，反应温度易控制，且催化剂在反应器中分布均匀。 安徽建筑大学本科生毕业设计 4 (3)采用先进塔器内件和分离 工艺 ， 回收效果好 ， 流程简化 ， 醇耗低。 二甲醚生产方法无论从投资和生产成本角度看 ， 西南化工研究设计院的甲醇气相法是首选的方法 ， 使用该技术投运装置市场占有率 80%— 90%。 二甲醚生产工艺的比较 甲醇液相硫酸催化法和甲醇气相法制取二甲醚的生产技术较为成熟，两种方法均有工业装置运转。 甲醇脱水法以精甲醇为原料，脱水反应副产物少，二甲醚纯度高达99%，使用于有较高要求的气雾产品，也可以用作制冷剂或医用气雾剂的抛射剂。 该工艺比较成熟，可以依托老企业建设新装置，也可单独建厂生产。 但该方法要经过甲醇合成 、甲醇精馏、甲醇脱水和二甲醚精馏等工艺，流程较长，因而设备投资大，产品成本高，受甲醇市场波动的影响也比较大。 合成气法生产二甲醚的生产工艺在淤浆床中，反应温度分布均匀，热平衡较易控制，操作简单且稳定性好，生产成本低。 合成气法所用的合成气可由煤、重油、渣油气化以及天然气转化制得，原料经济易得，因而该工艺可用于化肥厂和甲醇厂。 这些工厂可将甲醇装置适当改造用于生产二甲醚，形成规模生产。 目前一步法生产二甲醚面临的关键问题是：需要高效低价的煤制气工艺及设备；需要能满足大型化二甲醚生产的反应器；解决以煤为原料制二甲醚生 产过程中 CO2的利用问题；相关催化剂的开发与生产；成熟而经济的二甲醚分离提纯技术。 综上所述，由于一步法制二甲醚的工艺条件的限制，本文二甲醚的制取采用甲醇气相法制取二甲醚的工艺流程。 甲醇气相法制取二甲醚 甲醇气相脱水制二甲醚过程热力学分析 1. 反应体系 甲醇气相脱水过程为甲醇汽化后进人固定床反应器 ,在催化剂上脱水生成 DME和水 ,然后经提纯分离装置得到 DME产品。 通常使用 γ A1203或分子筛为催化剂，在 493一 553K反应温度下催化剂具有足够活性，且不会积炭 [5]。 经气相色 谱分析，反应产物主要为 DME和水，此外还含有少量 CO、 CO2，低碳烃类及未反应甲醇。 甲醇脱水制 DME的反应有 : （ 7） 25万吨 /年二甲醚精馏系统及二甲醚精馏塔设计 5 （ 8） （ 9） （ 10） （ 11） （ 12） （ 13） 对上述 7个反应采用原子矩阵法确定独立反应数 [6]。 反应物系中有 CH3OH、CH30CH H2O、 CO,H C2H C2H CH4和 CO2。 列原子矩阵 ,并经初等变换，计算得矩阵的秩为 3，而反应组分数为 9，因此独立反应数为 6。 对反应 (1)， (3)，（ 4），(5)， (6)和 (7)进行分析。 各反应组分的标准反应热数据 [79](标准状态为 K，； ΔHθt 为标准生成焓， J/ mol； 为标准生成自由能， J/mol；为标准摩尔熵， J/(mol183。