年产20万吨甲醇制二甲醚工艺设计_毕业设计_毕业论文.doc
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毕业设计
题目:
年产20万吨甲醇制二甲醚工艺设计
学院:
化学与材料工程学院
专业:
化学工程与工艺
姓名:
学号:
完成时间:
2014.3.25—2014.5.20
河南城建学院本科毕业设计设计说明
设计说明
作为液化石油气(LPG)和石油类的替代燃料,目前二甲醚(DME)倍受注目。
DME是具有与LPG的物理性质相类似的化学品,在燃烧时不会产生破坏环境的气体,能便宜而大量地生产。
与甲烷一样,被期望成为21世纪的能源之一。
目前生产的二甲醚基本上由甲醇脱水制得,即先合成甲醇,然后经甲醇脱水制成二甲醚。
甲醇脱水制二甲醚分为液相法和气相法两种工艺,本设计采用气相法制备二甲醚工艺。
将甲醇加热蒸发,甲醇蒸气通过γ-AL2O3催化剂床层,气相甲醇脱水制得二甲醚。
气相法的工艺过程主要由甲醇加热、蒸发、甲醇脱水、二甲醚冷凝及精馏等组成。
甲醇气相法合成二甲醚是目前国内外二甲醚生产的主要工艺,该法以精甲醇为原料,脱水反脱水和二甲醚精馏等工艺。
目前国外公布的大型二甲醚建设项目绝大多数采用两步法工艺技术,说明甲醇气相法有较强的综合竞争力。
关键词:
二甲醚,甲醇,工艺设计
I
河南城建学院本科毕业设计Designspecification
Designspecification
AsLPGandoilalternativefuel,DMEhasdrawnattentionsatpresent.PhysicalpropertiesofDMEissimilarforLPG,anddon’tproducecombustiongastodamagetheenvironment,so,Itcanbeproducedlargely.Likemethane,DMEisexpectedtobecome21stcenturyenergyresources,DMEispreparedbymethanoldehydration,namely,syntheticmethanolfirstandthenmethanoldehydrationtodimethyletherbymethanoldehydration.MethanoldehydrationtoDMEisdividedintotwokindsofliquidphaseandgas-phaseprocess.Thisdesignusesaprocessgasofdimethyletherpreparedbydimethyl.Heatingmethanoltoevaporation,methanolvaporthroughtheγ-Al2O3catalystbed,vapormethanoldehydrationtodimethyletherby[2]. Thisprocessismadeofmethanolprocessheating,evaporation,dehydrationofmethanol,dimethylethercondensationanddistillationetc.
Methanolgasphasemethodsynthesisofdimethyletherisathomeandabroadanddimethylether,themaintechnologyofproductionwithfinemethanolasrawmaterials,dehydrated,reactionby-productsless,dimethyletherpurityof99.9%,thecraftismature,thedevicewideadaptability,simplepost-treatment,canbedirectlybuiltinmethanolproductionfactory,alsocanbebuiltinotherpublicfacilitiesgoodthemethanolproductionfactory.Thelawshouldpassmethanolsynthesis,methanoldistillation,methanoldehydrationanddimethyletherdistillation,etc.Atpresentforeignlargedimethyletherreleasedmostoftheconstructionprojectbytwo-stepprocesstechnology,explainmethanolgasphasemethodhasthestrongcomprehensivecompetitivepower.
Keywords:
dimethylether,methanol,processdesign
河南城建学院本科毕业设计目录
目录
前言 1
1绪论 2
1.1二甲醚概述 2
1.1.1二甲醚的发展现状 2
1.1.2二甲醚的传统领域的应用及其拓展 2
1.2国内二甲醚市场简况 3
1.2.1现状 3
1.2.2国内市场预测 4
1.3国外二甲醚市场简况 5
1.3.1现状 5
1.3.2国外市场预测 6
1.4原料说明 6
1.5二甲醚的性质 7
1.6二甲醚的主要技术指标 8
2DME产品方案及生产规模 9
2.1产品品种、规格、质量指标及拟建规模 9
2.2产品规格、质量指标 9
2.3产品方案分析及生产规模分析 9
3工艺流程介绍 11
3.1生产方法简述 11
3.2工艺流程说明 12
3.3生产工艺特点 13
3.4主要工艺指标 14
3.4.1二甲醚产品指标 14
3.4.2催化剂的使用 14
4主要塔设备计算及选型 15
4.1汽化塔及其附属设备的计算选型 15
4.1.1物料衡算 15
4.1.2热量衡算 17
4.1.3理论板数、塔径、填料选择及填料层高度的计算 19
4.1.4汽化塔附属设备的选型计算 22
4.2合成塔及其附属设备的计算选型 23
4.2.1物料衡算 23
4.2.2合成塔的选取 23
4.2.3热量衡算及附属设备的选型计算 23
4.3精馏塔及其附属设备的计算选型 26
4.3.1物料衡算 26
4.3.2热量衡算 27
4.3.3理论塔板数的计算 28
4.3.4精馏塔主要尺寸的设计计算 29
4.3.5塔径设计计算 30
4.3.6填料层高度的计算 31
4.3.7附属设备的选型计算 31
4.3.8塔板的流体力学验算 34
4.3.9塔板负荷性能图 35
4.4回收塔及其附属设备的计算选型 37
4.5.1物料衡算 37
4.4.2热量衡算 38
4.4.3理论塔板数的计算 39
4.4.4回收塔主要尺寸的设计计算 40
4.4.5塔径设计计算 41
4.4.6填料层高度的计算 42
4.4.7附属设备的选型计算 42
5全厂总平面布置 44
5.1全厂总平面布置的任务 44
5.2全厂总平面设计的原则 44
5.3全厂总平面布置内容 44
5.4全厂平面布置的特点 45
5.5全厂人员编制 45
6设计的体会和收获 46
参考文献 47
附录 48
致谢 51
iii
河南城建学院本科毕业设计主要符号说明
主要符号说明
1英文字母
CP-恒压热容,Kmol·K
N-塔板数;理论板数;筛孔数
D-塔顶馏出液流量,kmol/h;塔径,m;
Np-实际塔板数;
do-筛孔直径,mm;
NT-理论塔板数;
E-液流收缩系数,无因次;
P-操作压强;塔顶产品量,Kmol/h
ET-全塔效率(总板效率),无因次;
△P-压强降,
eV-雾沫夹带量,kg(液)/kg(气);
q-进料热状态参数;
F-进料流量,kmol/h;气相动能因数,m/s(kg/m3)1/2;
Q-传热速率或热负荷,KJ/h
H-塔高,m;
R-回流比;开孔区半径,m;
HT-板间距,m;
T-温度,K
hC-与干板压降相当的液柱高度,m;
t-筛孔中心距,mm;
h1-进口堰与降液管间的水平距离m;,
t′-筛孔中心距,mm;
VS-塔内上升蒸气流量,m3/s;
u-空塔气速,m/s;
hL-板上液层高度,m;
V-塔内上升蒸气流量,kmol/h;
ho-降液管底隙高度,m;
ψ-液体密度校正系数
how-堰上液层高度,m;
W-釜残液(塔底产品)流量,kmol/h;
HV-汽化热,KJ//Kmol
Wd-弓形降液管宽度,m;
y-气相中易挥发组分的摩尔分率;
WC-无效区宽度,m;
K-相平衡常数;浮阀的稳定性系数
WS-安定区宽度,m;
L-塔内下降液体的流量,kmol/h;
x-液相中易挥发组分的摩尔分率;
LS-塔内下降液体的流量,m3/s;
φ-开孔率;
lw-溢流堰长度,m;
uo-降液管底隙处液体流速,m/s;
M-分子量,kg/kmol
uo-筛孔气速,m/s;
hσ——与克服液体表面张力的压降所当的液柱高度,m;
hd-与液体流经降液管的压降相当的液柱高度,m;
hl-与气流穿过板上液层的压降相当的液柱高度,m;
hP-与单板压降相当的液层高度,m;
2希腊字母:
a-相对挥发度
r-密度,Kg/m3
d-表面张力,达因/cm
m-粘度,mpa.S
3下标:
A-轻关键组分
L-液相
B-重关键组分
V-气相
C-非重关键组分
m-平均
D-馏出液
min-最小或最少
F-原料液
max-最大的
W-残液量
T-理论的
i-组分序号
P-实际的
河南城建学院本科毕业设计前言
前言
二甲醚又称甲醚、木醚氧、二甲,是最简单的脂肪醚重要的甲醇下游产品之一。
二甲醚的理化性质比较独特,热植高,无毒、无害,具有潜在的广泛用途,除作为有机化工原料广泛用于制药、染料、农药等,还用于替代氟里昂用作汽溶胶喷射剂和制冷剂,由于其良好的燃料性能,具有实用、通用、环保、安全、质优价廉的优点,最近作为民用代用燃料和柴油代用燃料,二甲醚受到人民的日益重视[1]。
20世纪70年代,二甲醚开始被用作气雾剂,以取代破坏臭氧层的氟里昂。
近几年来,在各国寻求清洁燃料的过程中,二甲醚的良好燃烧性能和低污染排放的特性使其日益受到重视。
二甲醚作为清洁燃料具备如下特征:
①资源量丰富,来源广;②环境友好,其排放物对环境的影响很小;③技术可行、成熟,可在大范围内使用;④经济可行,其成本有竞争力;⑤易于实现,其运行所需要的基础设施和现有基础设施基本相容,不需要另装一套装置。
本设计流程简洁明畅,工艺条件温和,操作简易方便。
而且设备台数较少,设备制作立足于国内现状,均能在国内制造而不需进口,可大大降低项目投资。
其它各项效益指标及盈亏平衡分析结果均表明本项目具有很强的抗风险能力。
上述各方面问题的研究结果表明,20万吨/年二甲醚项目符合国家产业政策和未来能源市场发展方向,市场预测乐观,工艺方案合理,工艺技术成熟可靠。
本设计包括设计说明书和图纸两部分。
说明书主要包括工艺流程的确定,物料衡算,热量衡算,工艺设备的设计及选型,厂房平面布置,还有进行初步的经济分析等。
图纸包括工艺流程图,主设备图,车间布置平面等。
7
河南城建学院本科毕业设计绪论
1绪论
1.1二甲醚概述
1.1.1二甲醚的发展现状
自20世纪70年代,二甲醚开始被用作气雾剂,以取代破坏臭氧的氟利昂。
近几年来,在各国寻求清洁车用替代燃料的过程中,二甲醚的良好燃烧性能和低污染排放特性使其日益受到重视。
二甲醚(DME)常温常压下是一种无色低毒的可燃性气体,性能与液化石油气相似,燃烧时不析碳,无残液,燃烧废气无毒,是一种理想的清洁燃料。
DME还是一种新型的、理想的、可替代车用燃料的“21世纪的绿色燃料”。
随着环境污染的日益严重及石油资源的日益匮乏,对二甲醚的需求量迅速增加,因此二甲醚的合成研究已成为各国科技人员的研究焦点。
二甲醚是21世纪的超清洁燃料,无论是作为民用燃料、或替代柴油、汽油作为汽车燃料、或是用于发电,其制备、储运等都比较容易解决,并能促进新一代汽车、电力等工业的发展。
目前,二甲醚发展的关键问题在于配套措施不完善、市场发展不成熟、二甲醚使用观念有待更新。
1.1.2二甲醚的传统领域的应用及其拓展
①传统领域的应用
第一,做气雾剂、制冷剂和发泡剂。
DME作为停止使用的氯氟烃的替代物,在气雾剂制品中显示出良好的性能,如:
1、不污染环境,对臭氧破坏系数为零;2、DME在水中溶解度为34%,若加6%的乙醇,则可与水混溶,它与各种树脂也有极高的溶解能力;3、毒性很微弱,用在化妆品上观察不到有什么问题;4、可用水或氟制剂作阻燃剂;5、使喷雾产品不易致潮,加之与其他气雾剂相比,其成本低、价格便宜从而被认为是新一代理想的气雾推进剂。
在西欧各国已经成为民用气溶胶制品的氯氟烃的替代品。
目前DME在世界喷射剂的用量中居第二位,仅次于碳氢化合物,其次,由于DME容易液化的特性,许多国家正在开发以DME代替氯氟烃做制冷剂的技术。
第二,DME作为化学中间体,主要用于制造硫酸二甲酯。
DME同发烟硫酸反应可以生成硫酸二甲酯;同苯胺反应生成高纯N,N-二甲基苯胺,脱水成乙烯,羰基化可以制取醋酸甲酯;与硫化氢反应生成二甲基硫醚,进而可生成二甲基亚砜。
除此之外DME还是重要的化工原料,可用于许多精细化学品的合成,同时在轻化、制药、燃料、农药等工业中有许多独特的用途。
②新近拓展的应用领域
作为新型高效清洁燃料是DME应用领域的一个崭新的拓展应用领域。
DME作为民用燃料比液化气具有更优良的物理化学性能(如表1.1,表1.2所示)。
由于DME的分子结构与烃类不同,只有C-H与C-O键,没有C-C键,所以燃烧时无黑烟,CO与NOx排放量很低,符合洁净燃料的要求;而且燃烧性能良好,燃烧废气无毒,完全符合卫生标准;单一组成,无残液;在室温下可压缩成液体,用现有的液化石油气罐盛装,燃具与LPG基本通用,是优良的民用洁净燃料。
当温度在37.8℃时,二甲醚的蒸汽压低于1378kPa,符合液化石油气的要求(如表1.1)所示。
表1.1DME液化气与液化石油气性质比较[6]
项目
分子量
压力Mpa
(60℃)
燃烧温度
℃
爆炸下限
%
理论空气量
预混气热值
kJ/m3
LPG
DME
56.6
46.07
1.92
1.35
2055
2250
1.7
3.45
11.32
6.96
3903
4219
表1.2DME与0#柴油的比较
对比项目
DME
0#柴油
分子量
46.07
190~220
沸点(℃)
-24.9
180~360
十六烷值
55~60
40~50
低热值(kJ/kg)
28840
42500
理论空燃比
9
14.6
氧含量(%)
34.8
—
硫化物
—
有
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。
近几年,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等年总产量已超过50万吨。
表1.32006年我国DME主要生产厂家及其能力
企业
生产工艺
生产能力(吨/年)
广东中山凯达有限公司
重庆英力燃化有限公司
江苏昆山化工厂
武汉青江公司
吴县合成化学厂
上海申威气雾剂公司
河南沁阳紫阳乡
河南内乡化工局
无锡新苑化工集团
贵州宏华新能源公司
榆次燃料化工公司
安徽蒙城化肥厂
义乌光阳化工公司
渭河煤化工集团公司
陕西新型燃料燃具公司
山西浑源化肥厂
山东临沂鲁明化工有限公司
湖北田力实业公司
广州广氮集团公司
云南解化集团公司
山东久泰股份有限公司
湖南雪纳新能源有限公司
中国泸天化股份有限公司
中国泸天化股份有限公司
山西潞安
陕西神华
宁夏银川
内蒙古鄂尔多斯市-山东临沂市
两步法-气相脱水
浆态床一步法
两步法-气相脱水
两步法-液相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
浆态床一步法
两步法-液相脱水
固定床一步法
两步法-气相脱水
两步法-液相脱水
两步法-液相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
两步法-气相脱水
古定床一步法
流态床一步法
流态床一步法
流态床一步法
12500(94/98年分期投产)
3000(04年4月试产/已停)
1000(91年3月试产)
1500(95年9月试产)
1000(96年7月试产)
800(95年3月试产)
10000(04年1月试产)
10000(04年8月试产)
10000(03年5月试产)
5000(05年3月试产)
10000(04年12月试产)
5000(04年10月试产)
2500(98年9月试产)
10000(05年10月试产)
500(97年6月试产)
5000(01年1月试产)
5000(04年12月试产)
1500(97年9月试产,现停产)
5000(98年10月试产)
5000(06年2月试产)
30000(05年12月试产)
30000(05年11月投产)
10000(03年8月投产)
100000(05年9月投产)
150000(筹建中)
200000(筹建中)
830000(筹建中)
1000000(筹建中)
近几年DME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、湖南雪纳新能源有限公司、山东久泰科技股份有限公司等企业,年总产量已超过10万吨。
国内上述大部分企业生产的DME产品主要面向气雾剂市场,到2005年底为止,我国DME的正常生产能力为15-20万吨/年。
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%,2010年我国对进口石油的依存度将超过50%。
尤其是我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进入这一市场的特点是附加值高,因而利润空间极大。
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年世界总生产能力预计29.4万吨/年,产量约22万吨,开工率75%。
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UnitedRhineLigniteFuel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,预计2020年为500万辆。
目前美国替代燃料消费量折合当量汽油约为100万吨(352×106)加仑当量汽油),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。
亚洲地区是世界上柴油消费增长最快的地区,据国外研究机构预测,二甲醚作为替代燃料,2008年亚洲地区的年需求量达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。
表1.4筹建中的二甲醚装置(不完全统计)单位:
万吨/年
公司名称
生产能力
建设地点
投产日期
日本财团(三菱瓦斯化学、日挥、三菱重工)
140.0~240.0
澳大利亚(间接一步法)
2006年
日本东洋工程公司
250
中东(二步法)
2005~2006
某公司在伊朗建设
80
伊朗Zagros
2006年规划
日本钢管公司等8家
170
西澳大利亚(NG一步法)
2006年开始规划
日本三菱瓦斯化学(MGC)
150
澳大利亚
道达尔菲纳埃尔夫公司和日本8家公司合作
80
小计
873.0~973.0
世界2006年已有能力
209.4
2010年合计能力
1082.4~1182.4
1.3.2国外市场预测
随着人们环保意识的增强,二甲醚在气溶胶推进剂方面的用量逐年增加,1990年欧洲生产的4.5吨二甲醚,其中约有3.5万吨用于气溶胶工业,其它用作中间体。
目前世界二甲醚的产量约为600万吨/年,预计到2020年需求量可突破3000万吨/年。
从二甲醚及柴油的消耗结果表
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