年产3万吨二甲醚的初步工艺设计毕业设计

PAGE5分类号编号兰州交通大学毕业论文年产3万吨二甲醚的初步工艺PrimaryfortheManufacturingProcessofDimethylether30Kt/a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：化工1001学生姓名：马学成学号：201007042指导老师：杨西2014年04月20日兰州交通大学化工学院年产3万吨二甲醚的初步工业设计姓名：马学成导师：杨西2014年04月20日兰州交通大学化工学院兰州交通大学毕业论文（设计）任务书院（系）：化学化工学院姓名马学成学号201007042毕业届别2014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杨西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TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc326923298"前言PAGEREF_Toc326923298\h1HYPERLINK\l"_Toc326923299"1文献综述PAGEREF_Toc326923299\h2HYPERLINK\l"_Toc326923300"1.1二甲醚概述PAGEREF_Toc326923300\h2HYPERLINK\l"_Toc326923303"1.2原料说明PAGEREF_Toc326923303\h3HYPERLINK\l"_Toc326923304"1.3二甲醚的性质PAGEREF_Toc326923304\h3HYPERLINK\l"_Toc326923305"2DME产品及工艺流程介绍PAGEREF_Toc326923305\h4HYPERLINK\l"_Toc326923306"2.1产品品种、规格、质量指标及拟建规模PAGEREF_Toc326923306\h4HYPERLINK\l"_Toc326923307"2.2生产方法简述PAGEREF_Toc326923307\h4HYPERLINK\l"_Toc326923308"2.3工艺流程说明PAGEREF_Toc326923308\h4HYPERLINK\l"_Toc326923309"2.4生产工艺特点PAGEREF_Toc326923309\h5HYPERLINK\l"_Toc326923310"2.5主要工艺指标PAGEREF_Toc326923310\h5HYPERLINK\l"_Toc326923313"3主要塔设备计算及选型PAGEREF_Toc326923313\h7HYPERLINK\l"_Toc326923314"3.1汽化塔及其附属设备的计算选型PAGEREF_Toc326923314\h7HYPERLINK\l"_Toc326923320"3.2合成塔及其附属设备的计算选型PAGEREF_Toc326923320\h15HYPERLINK\l"_Toc326923324"3.3初馏塔及其附属设备的计算选型PAGEREF_Toc326923324\h19HYPERLINK\l"_Toc326923332"3.4精馏塔及其附属设备的计算选型PAGEREF_Toc326923332\h25HYPERLINK\l"_Toc326923340"3.5回收塔及其附属设备的计算选型PAGEREF_Toc326923340\h31HYPERLINK\l"_Toc326923348"4环境保护及三废处理PAGEREF_Toc326923348\h39HYPERLINK\l"_Toc326923349"4.1主要污染源及主要污染物PAGEREF_Toc326923349\h39HYPERLINK\l"_Toc326923350"4.2设计中采取的环保措施及其简要处理工艺流程PAGEREF_Toc326923350\h39HYPERLINK\l"_Toc326923351"4.3装置危险性物料主要物性PAGEREF_Toc326923351\h40HYPERLINK\l"_Toc326923352"PAGEREF_Toc326923352\h41HYPERLINK\l"_Toc326923355"致谢PAGEREF_Toc326923355\h42HYPERLINK\l"_Toc326923356"参考文献PAGEREF_Toc326923356\h43兰州交通大学PAGE14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，HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/84361.htm"\t"_blank"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HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/744185.htm"\t"_blank"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HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/132794.htm"\t"_blank"制冷剂、溶剂等，另外也可用于HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/196906.htm"\t"_blank"化学品合成，用途比较广泛。二甲醚作为一种基本HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/283571.htm"\t"_blank"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、HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/810216.htm"\t"_blank"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HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/72036.htm"\t"_blank"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、HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/151934.htm"\t"_blank"丁烷等石油化学品。代替HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/83708.htm"\t"_blank"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HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/3824125.htm"\t"_blank"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HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/4033.htm"\t"_blank"汽车相比，不存在HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/2615522.htm"\t"_blank"汽车冷启动问题。它还是未来制取低碳HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/62751.htm"\t"_blank"烯烃的主要原料之一。作为LPG和石油类的替代燃料，二甲醚是具有与LPG的HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/41542.htm"\t"_blank"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。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1.1二甲醚简述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；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/m3DMELPG46.0756.61.351.92225020553.451.76.9611.3242193903表1.2DME与0＃柴油的比较对比项目DME0＃柴油分子量46.07190～220沸点（℃）-24.9180～360十六烷值55～6040～50低热值（kJ/kg）2884042500理论空燃比914.6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!_!o9{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（7200h）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1234二甲醚甲醇水分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DME量为3万吨，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′=8041.2958kg/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=203.57kmol/hW=56.91kmol/h塔顶产品平均相对分子质量为M=32.04×98.24%+18.02×(1-98.24%)=31.79kg/kmol塔顶产品质量流量为D=203.57×31.79=6426.7049kg/h塔釜产品平均相对分子质量为M=32.04×0.2818%+18.02×(1-0.2818%)=18.06kg/kmol塔釜产品质量流量为W=56.91×18.06=1027.7046kg/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/hkmol/h8041.2958270.47746426.7049203.571027.704656.91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t10092.990.388.98581.67876.7液相甲醇x05.317.679.2613.1520.8328.1833.33气相甲醇y028.3440.0143.5354.5562.7367.7569.18平衡温度t73.872.771.3706866.964.7液相甲醇x46.252.9259.3768.4985.6287.41100气相甲醇y77.5679.7181.8384.9289.6291.94100根据汽液平衡表（即x-y-t表），利用内插法求解塔顶温度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64.6510084309729512.6647.3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/hkcal/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10616061.00707737.400-17680.9923626.571.18×10717741.953.1.3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(kg/m3)温度/℃5060708090100甲醇水750988741983731978721972713965704958表3.7查化工工艺设计手册整理得甲醇-水特殊点粘度物质粘度（mPa.s）塔顶65.01℃塔底99.62℃进料68.25℃甲醇水0.3330.4350.2280.2850.3100.416塔顶、塔底、进料条件下的流量及物性参数：表3.8汽化塔塔顶数据结果表符号数值31.7931.791.146737.830.3357491.6表3.9汽化塔塔底数据结果表符号数值18.0218.020.5899580.285751.2表3.10汽化塔进料数据结果表符号数值29.7330.501.09751.650.3278247.3精馏段及提馏段的流量及物性参数：表3.11精馏段、提馏段数据结果表　精馏段提馏段气相平均相对分子质31.1524.26液相平均相对分子质30.7623.88气相密度1.1180.84液相密度744.74854.83气相摩尔流量1256.121210.35气相质量流量39128.1429363.09液相粘度0.3310.306液相摩尔流量1020.451252.09液相质量流量31389.0429899.91由气速关联式:式中——干填料因子；——液体粘度，mPa·s；A——250Y型为0.291；L、G——液体、气体质量流速；、——气体、液体密度；g——重力加速度。精馏段：=1.118kg/m3，=744.74kg/m3，=0.97，=250，=0.331mPa·s，L=31389.04kg/h，G=39128.14kg/h，A=0.022代入式中求解得=2.44m/s空塔气速u=0.6=0.6×2.44=1.46m/s,℃体积流量考虑到市场的需求存在波动性,设计中选取四个塔，则每个塔的体积流量:,则求得塔径D=1.46m圆整后：D=1.5m空塔气速u=1.38m/s提馏段：代入数值得=3.00m/s空塔气速u=0.6=1.80m/s℃体积流量于是==2.46圆整后：D=1.40m,空塔气速u=1.60m/s选取整塔塔径为D=1.5m。选取汽化塔的规格为：Ф2700/700×1500,VN=4.8m2拉西环填料（4）填料层高度的计算精馏段：查化工原理（天大修订版下册[10]）P191得依经验数据取等板高度HETP=0.5m，则精馏段总压降提馏段：查得提馏段总压降全塔填料层总压降填料总高度表3.12填料层高度和压强降计算汇总表参数精馏段提馏段全塔压降总压降/Pa填料层高度/m75×9.819564.81336×9.81706.32111×9.8110271.1153.1.4汽化塔附属设备的选型计算（1）甲醇回流冷凝器选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排出冷凝液，采用逆流换热。取冷凝器传热系数逆流：T65.18℃→65.01℃t35℃←20℃△tm=℃选取冷凝器规格为：Φ800×4500，冷凝面积F=112.9m2（2）塔底再沸器选用U型管加热器，经处理后，放在塔釜内，蒸汽选择1.2MPa（187.8℃）饱和水蒸气，传热系数K=2000W/(m2·℃)△t=187.8-100=87.8℃=1.18×107kcal/h选用两个塔底再沸器，则每个再沸器的换热面积为：=/2=9.76选取再沸器的型号为：Ф273×3000，换热面积为F=11.3m23.2合成塔及其附属设备的计算选型3.2.1物料衡算进塔甲醇蒸汽流量=235.670/4=58.92kmol/h由反应式其单程转化率为80%，DME选择性≥99%则生成二甲醚的出塔流量为未反应的甲醇出塔流量为出塔水的流量为3.2.2合成塔的选取：合成塔的尺寸为立式Φ1000×6680，催化剂载量V=1.5m33.2.3热量衡算及附属设备的选型计算（1）合成反应热的计算：查天大四版物理化学上册附录得，反应放热为:进塔甲醇蒸汽的热量：其中——汽化塔塔顶馏出液带出热量；——甲醇蒸汽由65.01℃加热到240℃所需热量；0.72——65.01℃时甲醇的比热容，单位kcal/(kg·℃);1.41——240℃时甲醇的比热容；出塔混合液的热量：损失的热量取反应热的10%则根据经验值取混合液体的比热容=11.8kJ/(kg·℃)，则合成塔的出口温度为℃（2）第一热交换器的计算选型：取出口温度为260.0℃,传热系数K=200W/(m2·℃),汽化塔塔顶馏出液温度由65.01℃，经第一热交换器后加热至90.0℃，合成塔出塔混合液经第一热交换器后被降温至260.0℃，则逆流：T289.98℃→260.0℃t90℃←65.01℃取该条件下混合液体的比热容=11.0kj/(kg·℃)，则交换热量为则换热面积为：查文献选取换热器规格为：Φ273×1500，换热面积F=4.7m2（3）第二热交换器的计算选型：原料液温度由常温25℃加热到汽化塔进料温度68.25℃，第一热交换器出来的热流体由260℃降至170℃，传热系数取K=200W/(m2·℃)。逆流：T260℃→170℃t68.25℃←25℃℃进入第二热交换器的热量：取该条件下混合液体的比热容=8.5kJ/(kg·℃)，则交换热量为换热面积查文献选取换热器规格为:Φ400×1500，换热面积F=12.2m2（4）第一冷凝器的计算选型：热流体进口温度170℃，出口温度100℃；冷凝水的进口温度20℃，出口温度为35℃。逆流：T170℃→100℃t35℃←20℃℃进入第一冷凝器的热量：表3.13沸点下蒸发潜热列表沸点/℃蒸发潜热/(KJ/mol)/K二甲醚甲醇水-24.964.710021.5135.2540.73400.0512.6647.3由沃森公式计算平均温度135℃下的潜热135℃时，对二甲醚：，可以看出不能用沃森公式推算，结合化工工艺手册乙醚在140℃下的蒸发潜热，可估算二甲醚在此温度下的蒸发潜热为=17.50kJ/mol.135℃时，对水：,则，对甲醇，同理得=0.796，=0.659则，于是混合液的汽化潜热可由下式计算，取该条件下混合液体的比热容=6.5kJ/(kg·℃)，则交换热量为换热系数取K=700W/(m2·℃)，则换热面积为查文献得冷凝器的规格为：Φ273×3000，换热面积F=9.7m2（5）第二冷凝器的计算选型热流体进口温度100℃，出口温度25℃；冷凝水的进口温度20℃，出口温度为35℃。逆流：T100℃→25℃t35℃←20℃℃由沃森公式计算平均温度62.5℃下的潜热=15.536kJ/mol.，=35.407kJ/mol.，=42.730kJ/mol.假设第一冷凝器的冷凝效率为80%，于是混合液的汽化潜热可由下式计算取该条件下混合液体的比热容=3.6kJ/(kg·℃)，则交换热量为换热系数取K=800W/(m2·℃)，则换热面积为查文献得冷凝器的规格为Φ273×2000，换热面积F=7.4m2：3.3初馏塔及其附属设备的计算选型本塔设计为二甲醚、甲醇、水三组分的精馏计算，现做简化设计，按二甲醚——甲醇两组分精馏计算，因为水的沸点高于甲醇的沸点，可近似处理将水的流量并到甲醇中按二组分精馏计算设计初馏塔。进料质量流量摩尔流量=58.7其中二甲醚的质量流量为1056.38，摩尔流量为22.93甲醇的质量流量为371.02，摩尔流量为11.58水的质量流量为435.90，摩尔流量为24.19摩尔分率二甲醚为39.06%，甲醇为19.72%，水为41.22%质量分率二甲醚为56.69%，甲醇为19.91%，水为23.39%操作压力为0.78MPa,二甲醚-甲醇的汽液平衡数据可依据Antoine方程（）计算，所得二甲醚-甲醇的t-x-y数据如下表。表3.14二甲醚-甲醇平衡时的t、x、y数据平衡温度/℃32.904050607080液相DMEx/mol%气相DMEy/mol%100.0100.081.599.261.697.346.894.335.389.526.483.0平衡温度/℃90100110120127.76液相DMEx/mol%气相DMEy/mol%19.173.613.161.17.944.23.321.9003.3.1物料衡算已知：进料，二甲醚的摩尔流量为22.93kmol/h，甲醇的摩尔流量为11.58kmol/h二甲醚的摩尔分率为，甲醇的摩尔分率为根据物料衡算方程解得采用泡点进料q=1，由汽液平衡数据，用内插法求得进料温度为℃此温度下，；表3.15物料衡算结果表物料流量（kmol/h）组成物料物流（kmol/h）进料塔顶产品D塔底残液W58.724.5434.160.39060.92960.003483精馏段上升蒸汽提馏段上升蒸汽精馏段下降液体提馏段下降液体114.60114.6090.06148.763.3.2热量衡算（1）由汽液平衡数据，用内插法可求塔顶温度、塔底温度、泡点温度=35.6℃,=126.94℃注：下标1为DME,下标2为甲醇。二甲醚的比热容采用摩尔定压方程计算得出（数据来自于化学工程师手册[4]P59），甲醇的比热容查自于化工工艺手册上册[3]2-702温度下：16.05kcal/(kmol·℃)=67.20kJ/(kmol·K)，10.62kcal/(kmol·℃)=44.46kJ/(kmol·K)温度下80.11kJ/(kmol·K)，48.06kJ/(kmol·K)温度下：，塔顶:（2）塔顶以0℃为基准，0℃时塔顶上升气体的焓值为（3）回流液的焓kcal/(kmol·℃)=67.07kJ/(kmol·K)kcal/(kmol·℃)=44.72kJ/(kmol·K)（4）馏出液的焓。因为馏出口与回流口组成一样，所以（5）冷凝器消耗（6）进料口的焓。温度下：，kcal/(kmol·℃)=45.68kJ/(kmol·K)所以（7）塔底残液焓。（8）再沸器（全塔范围列衡算式）设再沸器损失能量所以，表3.16热量衡算结果表进料冷凝器塔顶馏出液塔底釜残液再沸器平均比热[kJ/(kmol·K)]热量Q（kJ/h）55.85218767.292266392.57865.6057222.37248.17208878.142570806.443.3.3理论塔板数的计算塔顶温度下，塔底温度下，则全塔平均相对挥发度：查吉利兰图得，，解得N=24.96（含釜）进料液的相对挥发度为塔顶与进料的相对挥发度：同上可得，N=12.60取整数，精馏段理论板数为14块，加料板位置为从塔顶数第15块理论板，整塔理论板数为25块3.3.4初馏塔主要尺寸的设计计算表3.17二甲醚和甲醇在不同温度下的密度温度/℃二甲醚密度/(g/ml)甲醇密度/(g/ml)0.6350.7790.4050.7300.5780.761（1）塔顶条件下的流量和物性参数，（2）塔底条件下的流量和物性参数，（3）进料条件下的流量和物性参数精馏段：提馏段：（4）精馏段的流量和物性参数（5）提馏段的流量和物性参数（6）体积流量塔顶：塔底：进料：精馏段：提留段：3.3.5塔径设计计算选用500（BX）型波纹填料。（1）精馏段塔径计算由气速关联式式中——泛点空塔气速，m/s；g——重力加速度，；——干填料因子，；、——气相、液相密度，；——液相粘度，Cp；L、V——液相、气相流量，kg/h；A——常数，取0.30；——填料空隙率；。表3.18计算得二甲醚、甲醇的特殊点的粘度/cP温度/℃=35.6=119.5=66.7二甲醚0.09640.06310.0804甲醇0.650.220.43已知：=12.028，=650.8，=0.90，=500,L=3719.48kg/h，V=4732.98kg/h，A=0.30。代入式中求得，=0.491m/s空塔气速u=0.6=0.295m/s于是得圆整后：D=0.7m，空塔气速u=0.286m/s（2）提馏段塔径计算已知：=9.066，=683.9，=0.90，=500,L=5177.595kg/h，V=3988.65kg/h，A=0.30。带入计算得=0.506m/s空塔气速u=0.6=0.304m/s于是得圆整后：D=0.8m，空塔气速u=0.245m/s选取整塔直径为D=0.8m。3.3.6填料层高度的计算（1）精馏段：查得压降（2）提馏段：查得压降全塔高度3.3.7附属设备的选型计算（1）冷凝器选用列管式冷凝器，逆流方式操作，冷却水进口温度为25℃，出口温度为35℃。取K=700W/(m2·℃)逆流：T35.6℃→34.9℃t35℃←25℃℃查文献得规格：Φ800×6000，换热面积F=280.7m2（2）再沸器选择187.8℃的饱和水蒸气加热，=119.5℃为再沸器液体入口温度，用潜热加热可节省蒸汽量，从而减少热量损失。取K=1000W/(m2·℃)℃则换热面积为查文献得规格为：Φ800×3000，换热面积F=125.0m23.4精馏塔及其附属设备的计算选型操作压力为0.78MPa，二甲醚-甲醇的汽液平衡数据可依据Antoine方程（）计算，所得二甲醚-甲醇的t-x-y数据如下表，其中二甲醚、甲醇的Antoine方程常数查自化学工程师手册[4]P59、P55。表3.19二甲醚-甲醇平衡时的t、x、y数据平衡温度/℃32.94050607080液相DMEx/mol%10081.561.646.835.326.4气相DMEy/mol%10099.297.394.389.583平衡温度/℃90100110120127.76　液相DMEx/mol%19.113.17.93.30气相DMEy/mol%73.661.144.221.90　3.4.1物料衡算已知：进料，，根据物料衡算方程解得采用泡点进料q=1，由汽液平衡数据，用内插法求得进料温度为℃此温度下，表3.20物料衡算结果表物料流量（kmol/h）组成物料流量（kmol/h）进料塔顶产品D塔底残液W24.5422.841.70.92960.99860.003483精馏段上升蒸汽量提馏段上升蒸汽量精馏段下降液体量提馏段下降液体量79.4879.4856.6481.183.4.2热量衡算（1）由汽液平衡数据，用内插法可求塔顶温度、塔底温度、泡点温度=32.95℃=126.94℃=33.82℃注：下标1为DME,下标2为甲醇。二甲醚的比热容采用摩尔定压方程计算得出温度下：，温度下：，温度下：塔顶（2）塔顶以0℃为基准，0℃时塔顶上升气体的焓值为（3）回流液的焓=66.95=44.51（4）馏出液的焓因为馏出口与回流口组成一样，所以（5）冷凝器消耗（6）进料口的焓温度下：，44.46所以（7）塔底残液焓（8）再沸器（全塔范围列衡算式）设再沸器损失能量所以，表3.21热量衡算结果进料冷凝器塔顶馏出液塔底釜残液再沸器平均比热CpkJ/(kmol·K)55.8565.6048.17热量Q（kJ/h）54985.891424870.650362.5210394.991589602.473.4.3理论塔板数的计算塔顶温度下，塔底温度下，则全塔平均相对挥发度：查吉利兰图得，，解得N=41.65（含釜）进料液的相对挥发度为塔顶与进料的相对挥发度：同上可得，N=30.58取整数，精馏段理论板数为31块，加料板位置为从塔顶数第32块理论板，整塔理论板数为41块3.4.4精馏塔主要尺寸的设计计算表3.22醚和甲醇在不同温度下的密度温度/℃二甲醚密度/(g/mL)甲醇密度/(g/ml)0.6400.7810.4050.7300.6350.779（1）塔顶条件下的流量和物性参数，由（2）塔底条件下的流量和物性参数（3）进料条件下的流量和物性参数，精馏段：提馏段：（4）精馏段的流量和物性参数（5）提馏段的流量和物性参数（6）体积流量塔顶：塔底：进料：精馏段：提馏段：3.4.5塔径设计计算选用500（BX）型波纹填料。（1）精馏段塔径计算由气速关联式式中——泛点空塔气速，m/s；g——重力加速度，；——干填料因子，；、——气相、液相密度，；——液相粘度，Cp；L、V——液相、气相流量，kg/h；A——常数，取0.30；——填料空隙率；。表3.23二甲醚、甲醇的特殊点的粘度/cP温度/℃=32.95=126.94=35.6二甲醚0.09720.06070.0964甲醇0.540.180.49已知：=13.907，=640.51，=0.90，=500,L=2580.8kg/h，V=3621.5kg/h，A=0.30。代入式中求得，=0.477m/s空塔气速u=0.6=0.286m/s于是得圆整后：D=0.6m，空塔气速u=0.256m/s（2）提馏段塔径计算已知：=10.613，=684.0，=0.90，=500,L=3132.33kg/h，V=3066.73kg/h，A=0.30。带入计算得=0.518m/s空塔气速u=0.6=0.311m/s于是得圆整后：D=0.6m，空塔气速u=0.295m/s选取整塔直径为D=0.6m。3.4.6填料层高度的计算（1）精馏段：查得压降（2）提馏段：查得压降全塔高度3.4.7附属设备的选型计算（1）冷凝器选用列管式冷凝器，逆流方式操作，冷却水进口温度为25℃，出口温度为30℃。取K=700W/(m2·℃)逆流：T33.82℃→32.95℃t30℃←25℃℃查文献得规格：Φ600×4500，换热面积F=109.3m2（2）再沸器选择187.8℃的饱和水蒸气加热，=126.94℃为再沸器液体入口温度，用潜热加热可节省蒸汽量，从而减少热量损失。取K=1000W/(m2·℃)℃则换热面积为查文献选型：Φ273×2000，换热面积F=7.4m23.5回收塔及其附属设备的计算选型回收塔的原料液来源于汽化塔、初馏塔、精馏塔的釜残液，一同进入回收塔进行精馏回收甲醇，作为原料液回收循环利用，这无论是在经济上还是环保上都是需要的。3.5.1物料衡算进料其中甲醇含量为，则甲醇的摩尔分率即进料组成为，,由物料衡算方程解得D=11.89kmol/h，W=65.59kmol/h进料平均相对分子质量塔顶产品平均相对分子质量：塔釜产品平均相对分子质量：则质量流量，操作压力为0.02MPa。由于泡点进料q=1，由汽液平衡数据用内插法求得进料液温度℃此温度下，甲醇的饱和蒸汽压，水的饱和蒸汽压表3.24甲醇-水平衡时的t、x、y数据平衡温度t/℃28.5303540甲醇饱和蒸汽压P/Kpa2021.56927.63835.091水的饱和蒸汽压/Kpa3.96054.24745.8127.3766液相甲醇x/%10090.9465.0145.55气相甲醇y/%10098.0789.8479.92平衡温度t/℃45505560.07甲醇饱和蒸汽压P/Kpa44.16755.13468.28984.199水的饱和蒸汽压/Kpa9.858312.3416.131520液相甲醇x/%29.5617.97.420气相甲醇y/%65.2849.3425.340表3.25衡算结果表物料流量（kmol/h）组成物料流量（kmol/h）进料塔顶产品D塔底残液W77.4811.8965.590.15050.96500.002818精馏段上升蒸汽量提馏段上升蒸汽量精馏段下降液体量提馏段下降液体量38.16738.16726.277103.7573.5.2热量衡算（1）由汽液平衡数据，用内插法可求塔顶温度、塔底温度、泡点温度=29.08℃=59.88℃=30.95℃注：下标1为甲醇,下标2为水。甲醇的比热容查自于化工工艺手册上册，水的比热容查自于天大修订版化工原理上册附录。温度下：44.20kJ/(kmol·K)，75.23kJ/(kmol·K)温度下：45.41kJ/(kmol·K)，75.45kJ/(kmol·K)温度下：塔顶（2）塔顶以0℃为基准，0℃时塔顶上升气体的焓值为（3）回流液的焓=44.28kJ/(kmol·K)，=75.22kJ/(kmol·K)（4）馏出液的焓因为馏出口与回流口组成一样，所以（5）冷凝器消耗（6）进料口的焓温度下：=45.07kJ/(kmol·K)，=75.25kJ/(kmol·K)所以（7）塔底残液焓（8）再沸器（全塔范围列衡算式）设再沸器损失能量所以表3.26热量衡算结果表进料冷凝器塔顶馏出液塔底釜残液再沸器平均比热kJ/(kmol·K)热量Q（kJ/h）55.85281232.101470440.0865.6015683.7348.17296017.881667677.323.5.3理论塔板数的计算塔顶温度下，塔底温度下，则全塔平均相对挥发度：查天大化工原理下册[11]P37吉利兰图得，，解得N=15.69（含釜）进料液的相对挥发度为塔顶与进料的相对挥发度：同上可得，N=9.94取整数，精馏段理论板数为10块，加料板位置为从塔顶数第11块理论板，整塔理论板数为16块3.5.4回收塔主要尺寸的设计计算表3.27甲醇和水在不同温度下的密度温度/℃甲醇密度/(g/ml)水密度/(g/ml)0.7780.9960.7390.9830.7510.988（1）塔顶条件下的流量和物性参数，由（2）塔底条件下的流量和物性参数，（3）进料条件下的流量和物性参数，精馏段：提馏段：（4）精馏段的流量和物性参数（5）提馏段的流量和物性参数（6）体积流量塔顶：塔底：进料：精馏段：提留段：3.5.5塔径设计计算表3.28填料的选择填料名称尺寸/mm个数空隙率填料因子金属拉西环25×25×0.8220640550000.92390（1）精馏段所以℃用内插法：又因代入有圆整取：空塔速度（2）提馏段℃用内插法：又因解得取圆整：空塔气速选取整塔直径为。表3.29特殊点下甲醇粘度和水的密度温度/℃=29.08=59.88=51.34甲醇粘度/cP0.550.360.41温度/℃405060密度/992.2988.1983.23.5.6填料层高度的计算（1）精馏段：查得压降（2）提馏段：查得压降全塔高度3.5.7附属设备的选型计算（1）冷凝器选用列管式冷凝器，逆流方式操作，冷却水进口温度为25℃，出口温度为30℃。取K=900W/(m2·℃)逆流：T30.95℃→29.08℃t30℃←25℃℃查文献规格：Φ1000×3000，换热面积F=213.6m2（2）再沸器选择150℃的饱和水蒸气加热，=59.88℃为再沸器液体入口温度，用潜热加热可节省蒸汽量，从而减少热量损失。取K=1200W/(m2·℃)℃则换热面积为查文献规格：Φ273×1500，换热面积F=5.4m24环境保护及三废处理4.1主要污染源及主要污染物本设计采用较先进的工艺技术，主要污染物主要来自于二甲醚合成塔、初馏塔、精馏塔、回收塔产生的废气、废液及少量的废渣(催化剂)。4.2设计中采取的环保措施及其简要处理工艺流程（1）环保治理措施①废气处理二甲醚精馏塔排出的废气