3万吨每年二甲醚毕业设计.doc
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分类号编号
烟台大学
毕业论文
年产3万吨二甲醚的初步工艺设计(三)
PrimaryfortheManufacturingProcessofDimethlether30Kt/a(Ⅲ)
申请学位:
工学学士
院系:
化学化工学院
专业:
化学工程与工艺
班级:
化081-3
学生姓名:
孙晓辉
学号:
200821504329
指导老师:
李天文孙烈刚
2012年06月05日
烟台大学化学化工学院
年产3万吨二甲醚的初步工业设计(三)
姓名:
孙晓辉
导师:
李天文孙烈刚
2012年06月05日
烟台大学化学化工学院
烟台大学毕业论文(设计)任务书
院(系):
化学化工学院
姓名
孙晓辉
学号
200821504329
毕业届别
2012
专业
化学工程与工艺
毕业论文(设计)题目
年产3万吨二甲醚的初步工业设计
指导教师
李天文
学历
博士
职称
教授
所学专业
化学工程
具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等):
确定以甲醇脱水法作为本设计的工艺生产方法,通过物料衡算和热量衡算来确定设备工艺参数和消耗工艺指标,同时对DME生产过程中的安全注意事项及“三废”治理作了相关说明,对整个装置进行了简单初步评价。
进度安排:
1-3周:
查阅文献资料,写出开题报告。
4-5周:
进行初步的设计计算及选型。
6-14周:
应用Cad画图,做出PID、PFD图。
15-16周:
整理完成设计。
指导教师(签字):
年月日
院(系)意见:
教学院长(主任)(签字):
年月日
备注:
[摘要]作为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。
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。
设计结果达到了设计课题的要求,完成了二甲醚的生产工工艺的初步设计,完成了物料、热量、设备等的相关计算。
[关键词]二甲醚;甲醇;工艺设计
[Abstract]AsLPGandoilalternativefuel,DMEhasbeendrawnattentionsatpresent.PhysicalpropertiesofDMEissimilarforLPG,anddon’tproducecombustiongastodamagetheenvironment,so,Itcanbeproducedlargely.Likemethane,DMEisexpectedtobecome21stcenturyenergysources.,DMEispreparedbymethanoldehydration,namely,syntheticmethanolfirstandthenmethanoldehydrationtodimethyletherbymethanoldehydration.MethanoldehydrationtoDMEisdividedintotwokindsofliquidphaseandgas-phaseprocess.Thisprocessismadeofmethanolprocessheating,evaporation,dehydrationofmethanol,dimethylethercondensationanddistillationetc.Thedesignresultreachedtherequirementsofthedesignissues,completedtheDMEproductionprocessdesign,finishedmaterials,thermal,etc-relatedcalculations.
[Keywords]dimethylether;methanol;processdesign
目录
前言 1
1文献综述 2
1.1二甲醚概述 2
1.2原料说明 3
1.3二甲醚的性质 3
2DME产品方案及工艺流程介绍 4
2.1产品品种、规格、质量指标及拟建规模 4
2.2生产方法简述 4
2.3工艺流程说明 4
2.4生产工艺特点 5
2.5主要工艺指标 5
3主要塔设备计算及选型 7
3.1汽化塔及其附属设备的计算选型 7
3.2合成塔及其附属设备的计算选型 15
3.3初馏塔及其附属设备的计算选型 19
3.4精馏塔及其附属设备的计算选型 25
3.5回收塔及其附属设备的计算选型 31
4环境保护及三废处理 39
4.1主要污染源及主要污染物 39
4.2设计中采取的环保措施及其简要处理工艺流程 39
4.3装置危险性物料主要物性 40
总结 41
致谢 42
参考文献 43
烟台大学毕业设计
前言
二甲醚又称甲醚、木醚氧,是重要的甲醇下游产品。
二甲醚是醚的同系物,但与用作麻醉剂的乙醚不一样,毒性极低;能溶解各种化学物质;由于其具有易压缩、冷凝、气化及与许多极性或非极性溶剂互溶特性,广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替代制冷剂、溶剂等,另外也可用于化学品合成,用途比较广泛。
二甲醚作为一种基本化工原料,由于其良好的易压缩、冷凝、汽化特性,使得二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。
如高纯度的二甲醚可代替氟里昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂,减少对大气环境的污染和臭氧层的破坏。
由于其良好的水溶性、油溶性,使得其应用范围大大优于丙烷、丁烷等石油化学品。
代替甲醇用作甲醛生产的新原料,可以明显降低甲醛生产成本,在大型甲醛装置中更显示出其优越性。
作为民用燃料气其储运、燃烧安全性,预混气热值和理论燃烧温度等性能指标均优于石油液化气,可作为城市管道煤气的调峰气、液化气掺混气。
也是柴油发动机的理想燃料,与甲醇燃料汽车相比,不存在汽车冷启动问题。
它还是未来制取低碳烯烃的主要原料之一。
由于石油资源短缺、煤炭资源丰富及人们环保意识的增强,二甲醚作为从煤转化成的清洁燃料而日益受到重视,成为近年来国内外竞相开发的性能优越的碳一化工产品。
作为LPG和石油类的替代燃料,二甲醚是具有与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。
总之,二甲醚特有的理化性能奠定了其在国际、国内市场上的基础产业地位,可广泛应用于工业、农业、医疗、日常生活等领域。
二甲醚未来主要用于替代汽车燃油、石油液化气、城市煤气等,市场前景极为广阔,是目前国际、国内优先发展的产业。
本设计流程简洁,操作简易,工艺条件温和,而且设备台数较少,设备制作立足于国内现状,可大大降低项目投资。
本次设计共分3部分,设计人主要负责图纸的绘制,设备的选型以及工艺计算有其他两名同学合作共同完成,设计图纸主要包括PID、PFD图。
1文献综述
1.1二甲醚概述
1.1.1二甲醚的发展现状
20世纪70年代,二甲醚取代了氟里昂作为气雾剂使用,减少了臭氧层的破坏。
近几年来,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,作为清洁能源使用。
二甲醚(DME)常温常压下是一种无色低毒的可燃性气体,与液化石油气的性能相似,燃烧废气无毒,可作为清洁燃料使用。
随着石油资源的紧缺及价格上涨,清洁环保理念的深入,作为柴油替代资源的清洁燃料——二甲醚得到大力推广,并逐渐进入了民用燃料市场和汽车燃料市场,二甲醚的合成研究已成为各国科技人员的研究焦点。
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。
第二,DME作为化学中间体,主要用于制造硫酸二甲酯。
第三,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
DME可作为新型高效清洁燃料使用。
它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)。
①DME的分子结构中没有C-C键,所以燃烧时不产生黑烟,CO与NOx排放量很低,符合洁净燃料的要求;②燃烧性能良好,燃烧废气无毒,完全符合卫生标准;③单一组成,无残液;④在室温下可压缩成液体,可用现有的液化石油气罐盛装,是优良的民用洁净燃料。
表1.1DME液化气与液化石油气性质比较
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
DME
LPG
46.07
56.6
1.35
1.92
2250
2055
3.45
1.7
6.96
11.32
4219
3903
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原料说明
原料名称:
甲醇
分子式CH3OH,相对分子质量32.04。
本设计采用的甲醇原料浓度为90%(质量分数)。
(1)物理性质
常温常压下纯甲醇是无色透明,易挥发、可燃,略带醇香味的有毒液体,甲醇密度0.791g/cm3,沸点63.8℃,自燃点385℃~20℃,蒸汽压96.3mmHg。
甲醇不能与脂肪烃类化合物相互溶,但可以和水以及乙醇等许多有机液体互溶。
甲醇蒸汽和空气混合能形成爆炸性混合物,爆炸极限为6.0%~36.5%(体积)。
(2)化学性质
甲醇可进行氧化、酯化、羰基化、胺化、脱水等化学反应。
1.3二甲醚的性质
二甲醚的性质:
二甲醚上一种无色、具有轻微醚香味的气体,具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。
还具有优良的混溶性,能同大多数极性和非极性有机溶剂混溶。
在100ml水中可溶解3.700ml二甲醚气体,且二甲醚易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等多种有机溶剂,加入少量助剂后就可与水以任意比互溶。
其燃烧时火焰略带亮光。
*L'X,k4D!
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2DME产品方案及工艺流程介绍
2.1产品品种、规格、质量指标及拟建规模
产品品种:
二甲醚
拟建规模:
3万吨/年
年操作日:
300天
2.2生产方法简述
二甲醚的生产方法主要有一步法和二步法两种。
一步法以合成气(CO+H2)为原料,在甲醇合成以及甲醇脱水的复合催化剂上直接合成二甲醚,再提纯得到二甲醚产品。
二步法是以合成气制得甲醇,然后甲醇在固体催化剂作用下脱水制得二甲醚,所用催化剂选择性高,特别适用于高纯度二甲醚生产。
(一)甲醇脱水制二甲醚
<100℃时,
<100℃时,
该过程具有反应温度低、转化率高(>80%)、选择性好(99%)等优点,但也存在设备腐蚀严重、釜残液及废水污染环境、催化剂毒性大等缺点,因此选择该工艺可能性较小。
(二)合成气直接合成二甲醚
传统的DME生产方法,一直采用两个截然不同的步骤。
即甲醇的合成与甲醇脱水。
为了开发操作简单、成本低而又可连续生产DME的新方法,人们曾用合成气直接制取二甲醚。
主要反应构成如下:
2.3工艺流程说明
(1)原料甲醇直接采用市售质量分数为90%的甲醇经汽化提纯后合成二甲醚。
甲醇汽化
合成塔
(甲醇气相脱水)
冷凝、
气液分离
初馏塔
原料甲醇
气相甲醇
釜残液
DME精馏塔
釜残液釜残液
回收塔
回收甲醇
产品DME(≥99.9%)
图2.1二甲醚生产工艺流程方框图
(2)反应
在DME合成反应器中产生的反应如下所示:
,该反应为放热反应。
(3)合成气冷却
反应器出口气中含有DME,它在进出气换热器中通过工艺气体冷却,接着在甲醇蒸馏塔底部通过蒸馏塔换热器的工艺液体冷却,然后在二甲醚精馏塔冷却器中用冷却水冷却,最后出口气在冷凝器中大部分冷凝后被送至二甲醚精馏塔。
(4)二甲醚精馏
冷却后得到的二甲醚液体被送入二甲醚精馏塔,在DME精馏塔中DME与甲醇和水分开,二甲醚产品从精馏塔顶部回收,而甲醇和水一起从塔底去除,并为原料甲醇提供预热热源。
含有DME的顶部气体在塔顶冷凝器中被大部分冷凝下来,送入塔顶回流罐中,在塔顶冷凝器中未冷凝的气相作为燃料被放掉。
在塔顶回流罐中的液体一部分成为精馏塔回流液,而另一部分成为DME产品,产品被送出界区贮存。
2.4生产工艺特点
本工艺装置的主要工艺特点是流程简洁,工艺条件温和,装置内热能利用较好,操作简易方便。
本装置设备台数较少,设备制作充分立足于国内现状,所有设备均能在国内制造而不需进口,项目投资大为降低。
2.5主要工艺指标
2.5.1二甲醚产品指标
表2.1产品二甲醚产品指标
序号
组分
纯度
备注
1
2
3
4
二甲醚
甲醇
水分
C3以下烃类
≥99.9%
≤0.5
≤0.3
≤0.3
塔设备指标如下:
汽化塔:
原料甲醇纯度90%(质量分数,下同),塔顶甲醇气体纯度≥99%,釜液甲醇含量≤0.5%;
合成塔:
转化率≥80%,选择性≥99.9%;
初馏塔:
塔顶二甲醚纯度≥95%,釜液二甲醚含量≤0.5%;
精馏塔:
塔顶二甲醚纯度≥99.9%,釜液二甲醚含量≤0.5%;
回收塔:
塔顶回收甲醇纯度≥98%,废水中甲醇含量≤0.5%
2.5.2催化剂的使用
本设计DME合成塔采用辐射型固定床反应器,生产用催化剂为沸石型酸性氧化铝分子筛。
DME合成塔中发生的化学反应为放热反应。
所用沸石型酸性氧化铝分子筛为φ=3mm,L=5~8mm白色颗粒状,堆积体积密度≤0.7t/m3,具有良好的化学性质及足够的撞击强度与耐磨强度,对于甲醇缩水生成二甲醚的工艺过程,该催化剂的催化活性、选择性、与稳定性均显示出了优异的经济指标,在再生与使用周期上也有较好的表现。
工艺设计的该催化剂可使甲醇的一次性转化率≥80﹪,选择性指标接近100﹪。
极微量副产物为甲烷、二氧化碳,再生周期≥300日,可反复使用。
该型催化剂在制备过程添加少量稀土元素,无有毒重金属组份。
因此粉碎或废弃的分子筛可就地填埋或送催化剂配制公司回收处理。
本设计产品二甲醚可用作替代燃料或气雾剂等化工原料,目前燃料级二甲醚尚未颁布国家标准,设计产品工艺指标可参照表(2.5)。
3主要塔设备计算及选型
原料甲醇流量的估算:
年产DME3万吨,合成转化率为80%(出去各步损失,按78%粗略估算),选择性按100%计算,二甲醚产品纯度为99.9%。
结合甲醇脱水反应式可得下式:
3.1汽化塔及其附属设备的计算选型
3.1.1物料衡算
已知F′=8247.4829kg/h,xF′=90%,xD′=99%,xW′=0.5%(以上均为质量百分数),
摩尔分率:
进料平均相对分子质量M平均=83.50%×32.04+16.50%×18.02=29.73kg/kmol
则进料摩尔流量为:
总物料;易挥发组分
带入数据解得:
D=235.670kmol/hW=41.743kmol/h
塔顶产品平均相对分子质量M=32.04×98.24%+18.02×(1-98.24%)=31.79kg/kmol
塔顶产品质量流量D=235.670×31.79=7491.949kg/h
塔釜产品平均相对分子质量M=32.04×0.2818%+18.02×(1-0.2818%)=18.06kg/kmol
塔釜产品质量流量W=41.743×18.06=753.879kg/h
表3.1物料衡算结果表
单位
进料F
塔顶D
塔釜W
物料
kg/h
kmol/h
8247.4829
277.413
7491.949
235.670
753.879
41.743
组成
质量分率
摩尔分率
90%
83.50%
99%
98.24%
0.5%
0.2818%
表3.2甲醇-水平衡时的t、x、y数据
平衡
温度t
100
92.9
90.3
88.9
85
81.6
78
76.7
液相
甲醇x
0
5.31
7.67
9.26
13.15
20.83
28.18
33.33
气相
甲醇y
0
28.34
40.01
43.53
54.55
62.73
67.75
69.18
平衡
温度t
73.8
72.7
71.3
70
68
66.9
64.7
液相
甲醇x
46.2
52.92
59.37
68.49
85.62
87.41
100
气相
甲醇y
77.56
79.71
81.83
84.92
89.62
91.94
100
根据汽液平衡表(即x-y-t表),利用内插法求
塔顶温度tLD、tVD
塔釜温度tW
进料液温度tF
回流比的确定:
由表3.2的数据绘制x-y图
由图可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线,为减小误差,用作图法求最小回流比,由点a(XD,XD)向平衡线作切线,交轴于b(0,20.62),即精馏操作线截距,所以,所以。
操作回流比可取为最小回流比的1.1-2.0倍,所以取回流比。
平均相对挥发度α:
t=92.9℃时
t=66.9℃时
3.1.2热量衡算
(1)加热介质和冷却剂的选择
常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。
饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂,由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高,可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。
燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100-1000℃,适用于高温加热,缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低,加热温度控制困难。
本设计选用1.2Mpa(温度为187.8℃)的饱和水蒸气作为加热介质,水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管,不但成本会相应降低,塔结构也不复杂。
常用的冷却剂是水和空气,应因地制宜加以选用。
受当地气温限制,冷却水一般为10-25℃。
本设计选用20℃的冷却水,选升温10℃,即冷却水的出口温度为35℃。
(2)冷凝器的热负荷及冷却介质消耗量
冷凝器的热负荷
其中——塔顶上升蒸汽的焓;——塔顶馏出液的焓。
其中——甲醇的蒸发潜热;水的蒸发潜热
蒸发潜热与温度的关系:
其中——对比温度。
表3.3沸点下蒸发潜热列表
沸点/℃
蒸发潜热/(kcal·kmol-1)
Tc/K
甲醇
水
64.65
100
8430
9729
512.6
647.3
由沃森公式计算塔顶温度下的潜热
65.18℃时,对甲醇:
蒸发潜热:
对水,同理得
蒸发潜热
对于全凝器作热量衡算(忽略热损失),选择泡点回流,因为塔顶甲醇含量很高,与露点相接近,所以
代入数据
冷却剂的消耗量
(3)加热器的热负荷及全塔热量衡算
选用1.2Mpa(187.8℃)饱和水蒸气为加热介质
表3.4甲醇、水在不同温度下混合的比热容[单位:
kcal/(kg.℃)]
甲醇
水
甲醇
水
则有kcal/h
kcal/h
对全塔进行热量衡算
为了简化计算,以进料焓,即68.25℃时的焓值为基准做热量衡算
塔釜热损失为10%,则η=0.9,则
式中——加热器理想热负荷;——加热器实际热负荷;
——塔顶馏出液带出热量;——塔底带出热量。
加热蒸汽消耗量kj/kg(187.6℃,1.2Mpa)
表3.5热量衡算数据结果列表单位kcal/h
符号
数值10616061.00707737.400-17680.9923626.571.18×10717741.95
3.1.3理论板数、塔径、填料选择及填料层高度的计算
(1)理论板数的计算
由于本次设计时汽化塔的相对挥发度是变化的,所以不能用简捷法求得,应用图解法。
精馏段操作线方程为,截距
连接与q线交于d点,连接与d点,得提馏段操作线,然后由平衡线与操作线可得精馏塔理论板数为30块,提馏段4块,精馏段26块。
(2)填料的选择
填料是填料塔的核心构件,它提供了气液两相相接触传质与传热的表面,与塔内件一起决定了填料塔的性质。
目前,填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。
本汽化塔设计选用25×0.8金属拉西环乱堆填料。
(3)塔径设计计算
汽化塔设计的主要依据和条件:
表3.6不同温度下甲醇和水的密度
物质
密度(k
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