年产3万吨二甲醚装置分离精馏工段的设计+工艺计算+热量衡算
1 绪论1.1概述1.1.1设计依据
根据北京理工大学珠海学院下达的设计任务书，模拟现有的浆态床一步法二甲醚合成产业化技术，对二甲醚分离装置中的精馏工段进行工艺设计。
1.1.2 设计规模及设计要求
设计规模：年产3.0万吨二甲醚分离装置（合成气一步法），设计该分离装置中精馏工段工艺，精馏装置采用浮阀塔。毕业论文http://www.751com.cn
产品要求：二甲醚≥99％
1.1.3 产品规格、性质及用途
(一) 产品规格：二甲醚≥99％（质量含量）
(二) 二甲醚性质
物理性质：二甲醚亦称甲醚，英文dimethylether，英文缩写DME，化学分子式(CH3OCH3)，分子量为46.07，是重要的甲醇衍生物，沸点-24℃，凝固点-140℃。二甲醚是一种含氧有机化合物，溶于水，在大气中可以降解，属于环境友好型物质。二甲醚在常温下是一种无色气体，具有轻微的醚香味。二甲醚无腐蚀性、无毒，在空气中长期暴露不会形成过氧化物，燃烧时火焰略带光亮。[1]
二甲醚的危险特性：二甲醚为易燃气体。与空气混合能形成爆炸性混合物。接触热、火星、火焰或氧化剂易燃烧爆炸。接触空气或在光照条件下可生成具有潜在爆炸危险性的过氧化物。气体比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。
二甲醚的毒性：二甲醚为弱麻醉剂，对呼吸道有轻微的刺激作用，长期接触使皮肤发红、水肿、生疱。浓度为7.5%（体积）时，吸入12分钟后仅自感不适。浓度到8.2%（体积）时，21分钟后共济失调，产生视觉障碍，30分钟后轻度麻醉，血液流向头部，浓度为14%（体积）时，经23分钟引起运动共济失调及麻醉，经26分钟失去知觉，皮肤接触甲醚时易冻伤。空气中允许浓度为400ppm[1]。二甲醚的物理性质见表1-1 [2]
表1-1 二甲醚的物理性质
项目 数值 项目 数值
沸点(101.3kPa)/℃ -24.9 蒸气压(20℃)/MPa 0.53
熔点/℃ -141.4 燃烧值(气压)/kJ*mol-1 1455
闪点(开杯法) /℃ -41.5 生成热(气态)/ kJ*mol-1 -185.5
密度(20℃)/g*ml-1 0.661 熔融热/ kJ*mol-1 107.3
临界压力/MPa 5.32 蒸发热/ kJ*mol-1 467.4
临界温度/℃本文来自辣*文*论-文|网
临界密度/ g*ml-1 128.8
0.2174 生成自由能/ kJ*mol-1
25℃熵/J/(mol*K) -114.3
266.8
自燃温度/℃ 350 蒸气密度/kg*m3 1.91836~1.9173
(三) 二甲醚的用途
(1) 用作燃料
二甲醚可替代液化石油气(LPG)作为燃料。二甲醚在常温常压下为无色无味气体,在一定压力下为液体,其液化气与LPG性能相似,贮存于液化气钢瓶中的压力为1.35M Pa,小于LPG压力(1.92M Pa),因而可以代替煤气、石油液化气用作民用燃料。二甲醚液化气作为民用燃料有一系列优点：二甲醚自身含氧,碳链短,燃烧性能良好,燃烧过程中无黑烟,燃烧尾气符合国家标准,其热值比柴油和液化天然气低,但比甲醇高。二甲醚液化气在室温下压力符合现有LPG要求,可用现有的LPG气罐集中统一盛装,储运安全,组成稳定,无残液,可完全利用;与LPG灶基本通用,使用方便,不需预热,随用随开。二甲醚可按一定比例掺入液化气中和液化气一起燃烧,可使液化气燃烧更加完全,降低析碳量,并降低尾气中的一氧化碳和碳氢化合物含量;二甲醚还可掺入城市煤气或天然气管道系统中作为民用燃料混烧,不仅可解决城市煤气高峰时气量不足的问题,而且还可以改善煤气质量,提高热值。总之,二甲醚在储存、运输、使用等方面比LPG更安全。因此二甲醚代替LPG作为优良的民用洁净燃料,具有广阔的前景。
二甲醚液化后还可以直接用作汽车燃料,是柴油发动机的理想替代燃料。因为二甲醚燃料具有高的十辣烷值(50～55),比甲醇燃料具有更好的燃烧效果,而且没有甲醇的低温启动性和加速性能差的缺点。二甲醚燃料高效率和低污染,可实现无烟燃烧,并可降低噪音和减少氮氧化物的排放。[3]
(2) 用作氯氟烃的替代品
二甲醚可替代氯氟烃作气雾剂、致冷剂和发泡剂。
二甲醚作为氯氟烃的替代物在气雾剂制品中显示出其良好性能:如不污染环境,与各种树脂和溶剂具有良好的相溶性,毒性很微弱,可用水或氟制剂作阻燃剂等。二甲醚还具有使喷雾产品不易受潮的特点,加之生产成本低、建设投资少、制造技术不太复杂,被人们认为是一种新一代理想气雾剂用推进剂。而且二甲醚对金属无腐蚀、易液化,特别是水溶性和醇溶性较好,作为气雾剂具有双重功能:推进剂和溶剂,还可降低气雾剂中乙醇及其它有机挥发物的含量,减少对环境的污染。目前在国外,二甲醚在民用气溶胶制品中已是必不可少的氯氟烃替代物。国内气雾剂产品有一半用二甲醚作抛射剂。
(3) 用作化工原料本文来自辣*文*论-文|网
二甲醚是一种重要的化工原料,可用来合成许多种化工产品或参与许多种化工产品的合成。二甲醚作烷基化剂,可以用来合成N,N-二甲基苯胺、硫酸二甲酯、烷基卤以及二甲基硫醚等。作为偶联剂,二甲醚可用于合成有机硅化合物、制作高纯度氮化铝二氧化铝二氧化硅陶瓷涂料。二甲醚与水、一氧化碳在适当条件下反应可生成乙酸,羰基化后可制得乙酸甲酯,同系化后生成乙酸乙酯,另外还可用于醋酐的合成。二甲醚还可合成氢氰酸、甲醛等重要化学品。二甲醚与环氧乙烷反应,在卤素金属化合物和H3BO3的催化作用下,在50℃～55℃时生成乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚的混合物,其主要产物乙二醇二甲醚是重要溶剂和有机合成的中间体。[4]毕业论文http://www.751com.cn
1.1.4技术来源
(一) 合成技术来源
DME的制备主要有甲醇脱水法和合成气一步法两种。与传统的甲醇合成二甲醚相比，一步法合成二甲醚工艺经济理加合理，在市场更具有竞争力，正在走向工业化。其中浆态床一步法合成二甲醚克服了传统固定床的缺点。以下为各种方法的简单介绍：
(1) 甲醇脱水法
①甲醇液相脱水法（硫酸法工艺）
反应式：CH3OH+H2SO4→CH3HSO4+H2O
CH3HSO4+CH3OH→CH3OHCH3+H2O
该工艺可生产纯度95％的DME产品，用于一些对DME纯度要求不高的场合。工艺特点：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。存在的问题：中间产品硫酸氢甲酯毒性较大；设备腐蚀、环境污染严重且产品后处理比较困难。国外已基本不再采用此法；国内仍有一些厂家使用该工艺生产DME，并在使用过程中对工艺有所改进。
②甲醇气相脱水法
反应式：2CH3OH→CH3OCH3+H2O
甲醇蒸气通过固体催化剂，气相脱水生成DME。该工艺成熟简单,对设备材质无特殊要求，基本无三废及设备腐蚀问题，后处理简单。另外装置适应性广，可直接建在甲醇生产厂，也可建在其他公用设施好的非甲醇生产厂。用该工艺制得的DME产品纯度最高可达99％,该产品不存在硫酸氢甲酯的问题。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，产品成本较高，且受甲醇市场波动的影响比较大。以此法生产的二甲醚做燃料，在现有的液化天然气和柴油市场价格下，还不具有竞争力。[5]
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1概述 1
1.1.1设计依据 1
1.1.2 设计规模及设计要求 1
1.1.3 产品规格、性质及用途 1
1.1.4技术来源 3
1.2二甲醚分离装置流程 6
2 精馏塔的工艺计算 8
2.1精馏塔的物料衡算 8
2.1.1基础数据 8
2.1.2物料衡算 8
2.2精馏塔工艺计算 10
2.2.1物料衡算 10
2.2.2操作条件的确定 10
2.3精馏塔设备计算 12
2.3.1基础数据 12
2.3.2塔板数的确定 15
2.3.3精馏塔主要尺寸计算 18
2.3.4塔板结构设计 21
2.3.5 塔板流体力学验算 26
2.3.6 塔板负荷性能图 29
2.3.7塔高的计算 33
3 热量衡算 35
3.1数据 35
3.2冷凝器的热负荷 35
3.3再沸器的热负荷 36
3.4冷却水消耗量和加热蒸汽消耗量 38
4主要设备设计和选型 39
4.1接管的设计 39
4.1.1进料管 39
4.1.2回流管 39
4.1.3釜液出口管 39
4.1.4塔顶蒸汽管 40
4.1.5加热蒸汽管 40
4.2冷凝器的选型 41
5 结论 42
参考文献 43
附录 44
谢辞 1496