年產(chǎn)20萬噸年二甲醚裝置

1、第1章 總論1.1 項目概況 本項目設(shè)計一座年產(chǎn)20萬噸/年二甲醚裝置。采用工業(yè)級甲醇生產(chǎn)二甲醚（二甲醚回收率：99.80）。1.2 設(shè)計依據(jù)1）西南化工研究設(shè)計院10萬噸/年二甲醚裝置2）石油化工設(shè)計手冊 3）中華人民共和國安全生產(chǎn)法 4）化工工程設(shè)計相關(guān)規(guī)定 5）國家工程、環(huán)保等方面的法律、法規(guī)、政策、規(guī)定。 6）搜集的廠區(qū)所在地氣象、地理條件、交通運輸條件及公用工程條件、技術(shù)經(jīng)濟和核算條件等。1.3 設(shè)計原則工程建設(shè)按照生產(chǎn)成本低、占地面積小、安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)高、低投入、高產(chǎn)出的要求，按照新企業(yè)新體制的管理模式，嚴(yán)格執(zhí)行工程建設(shè)管理程序，把項目建設(shè)成為投資省、質(zhì)量優(yōu)、工期短、效益好，符合HS

2、E標(biāo)準(zhǔn)的全優(yōu)工程的設(shè)計思想，確定本項目設(shè)計的指導(dǎo)思想如下： l）堅持安全、環(huán)保、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀，貫徹國家有關(guān)方針政策，執(zhí)行國家現(xiàn)行的基本建設(shè)法規(guī)做到：經(jīng)濟合理，安全可靠，技術(shù)較先進。 2）從市場和環(huán)保要求出發(fā)，選擇了環(huán)境友好的工藝技術(shù)，以確保裝置的技術(shù)先進性、經(jīng)濟合理性和生產(chǎn)操作安全性、可靠性。 3）全廠布置緊湊集中，盡量使用原有公用工程，生產(chǎn)裝置采用聯(lián)合布置、集中控制，統(tǒng)一管理。輔助生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)置經(jīng)濟合理，有利于生產(chǎn)，方便管理。 4）重視環(huán)境保護，嚴(yán)格控制環(huán)境污染，嚴(yán)格遵守國家及當(dāng)?shù)氐挠嘘P(guān)環(huán)境保護、勞動安全衛(wèi)生等方面的法規(guī)，采取確實有效的措施減少污染物的排放。設(shè)計中重視環(huán)保清潔的主題，執(zhí)

3、行清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，做到“三廢”治理和安全衛(wèi)生保障措施與工程建設(shè)同時進行。1.4 設(shè)計內(nèi)容 1、查閱文獻，完成設(shè)計課題的文獻綜述； 2、對ASPEN PLUS模擬作業(yè)的計算結(jié)果進行分析說明，有條件的話繼續(xù)優(yōu)化； 3、對主要設(shè)備及全裝置的物料衡算和熱量衡算（包括熱負荷及傳熱劑用量的計算）結(jié)果進行總結(jié)整理，列出物料平衡表、熱量平衡表等表格； 4、繪制工藝原則流程圖、PFD； 5、對主要設(shè)備進行工藝計算與選型，列出各類設(shè)備規(guī)格表及設(shè)備一覽表； 6、確定自控方案，繪制工藝管道及儀表流程圖（PID）； 7、進行車間及設(shè)備布置設(shè)計，繪制車間平面布置圖及設(shè)備平、立面布置圖； 8、進行管道布置設(shè)計，繪制部分管道平

4、、立面布置圖； 9、設(shè)計總結(jié)，編寫初步設(shè)計說明書。1.5 建設(shè)規(guī)模及產(chǎn)品方案1、原料及其組成：設(shè)計規(guī)模：20萬噸年，年開工8000小時。原料：工業(yè)級甲醇，甲醇含量99.5wt%，水含量0.5wt%。 2、產(chǎn)品及其規(guī)格：二甲醚產(chǎn)品應(yīng)符合如下的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：二甲醚，wt% 99.9甲醇， wt% 0.01水分， wt% 0.0023、設(shè)計要求產(chǎn)品二甲醚回收率為99.8%。甲醇回收率為99.95%。4、生產(chǎn)制度本裝置按四班兩倒制，年開工時間8000小時。5、裝置組成裝置由甲醇脫水反應(yīng)裝置，丙烯酸精制裝置和公用工程系統(tǒng)組成。1.6 廠址選擇廠址條件選擇是項目建設(shè)條件分析的核心內(nèi)容，不僅關(guān)系到工業(yè)布局的落實

5、、投資的地區(qū)分配、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、生態(tài)平衡等具有全局性、長遠性的重要問題，還將直接或間接地決定著項目投產(chǎn)后的生產(chǎn)經(jīng)營和經(jīng)濟效益。廠址的選擇一般遵循以下原則：（1） 廠址的地區(qū)布局應(yīng)符合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、國土開發(fā)管理的相關(guān)規(guī)定；（2） 廠區(qū)的自然條件要符合建設(shè)要求；（3） 廠址選擇應(yīng)按照指向原理，根據(jù)材料、市場、能源、技術(shù)、勞動力等生產(chǎn)要素的限度區(qū)位來綜合分析確定；（4） 廠址選擇要考慮交通運輸和通訊設(shè)施條件；（5） 便于利用現(xiàn)有生活福利社設(shè)施、衛(wèi)生醫(yī)療設(shè)施、文化教育和商業(yè)網(wǎng)點等設(shè)施；（6） 要注意保護環(huán)境和生態(tài)平衡。甲醇有較強的毒性，對人體的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)影響最大，它經(jīng)消化道、呼吸道或皮膚攝入都

6、會產(chǎn)生毒性反應(yīng)，甲醇蒸氣能損害人的呼吸道粘膜和視力。急性中毒癥狀有：頭疼、惡心、胃痛、疲倦、視力模糊以至失明，繼而呼吸困難，最終導(dǎo)致呼吸中樞麻痹而死亡。慢性中毒反應(yīng)為：眩暈、昏睡、頭痛、耳鳴、視力減退、消化障礙。甲醇攝入量超過4克就會出現(xiàn)中毒反應(yīng)，誤服一小杯超過10克就能造成雙目失明，飲入量大造成死亡。致死量為30毫升以上，甲醇在體內(nèi)不易排出, 會發(fā)生蓄積，在體內(nèi)氧化生成甲醛和甲酸也都有毒性。在甲醇生產(chǎn)工廠，我國有關(guān)部門規(guī)定，空氣中允許甲醇濃度為50mg/m3，在有甲醇氣的現(xiàn)場工作須戴防毒面具，廢水要處理后才能排放，允許含量小于200mg/L。因此甲醇生產(chǎn)廠址遠離居民區(qū)的郊區(qū)，并且選擇在下風(fēng)口

7、和河流的下游，以防使居民中毒，危害居民的身體健康。交通運輸要方便，這樣原料供應(yīng)便捷，節(jié)省運輸費用。1.7 能量利用及環(huán)境保護本裝置綜合利用物流間的換熱，回收了很多能量，節(jié)約了冷卻水和加熱蒸汽的用量。具體的能量利用原則在能量衡算一章詳細敘述。在環(huán)保方面，裝置在設(shè)計的過程中會最大限度的考慮環(huán)保的要求，防止裝置有毒有害氣體的泄漏，同時保證甲醇精餾塔塔底廢水純度為99.9%，避免對河流的污染，保護環(huán)境。1.8 存在的問題及建議 本裝置的原料比較純，對于產(chǎn)品的分離比較容易。但是現(xiàn)在好多甲醇生產(chǎn)廠家采用天然氣生產(chǎn)甲醇的方法，甲醇的純度下降，導(dǎo)致副反應(yīng)增多，分離難度增大。對此，可以在裝置前添加原料甲醇提純裝

8、置，或者在裝置內(nèi)增設(shè)汽提塔。另外，現(xiàn)在由合成氣直接合成二甲醚的工藝正在如火如荼的研發(fā)過程中，如果這項技術(shù)能夠成熟的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，對氣相法合成二甲醚是一次巨大地沖擊。不過現(xiàn)在氣相法仍是二甲醚生產(chǎn)工藝的主流。參考文獻1 HG/T 20688-2000,化工廠初步設(shè)計深度規(guī)定S2 HG/T 3934-2007,二甲醚S第2章 工藝流程設(shè)計2.1 生產(chǎn)方案選擇2.1.1 產(chǎn)品性質(zhì)及規(guī)格標(biāo)準(zhǔn) 二甲醚（Dimethyl ether,簡稱DME)是最簡單的脂肪醚，它是兩分子甲醇經(jīng)催化脫水縮合而成的衍生物，分子式為C2H6O。二甲醚帶有輕微醚香味，通常情況下為氣體或壓縮液體。易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯

9、苯、乙酸甲酯等多種有機溶劑，在汽油中的溶解度（25%)為7.0% (wt)。加入少量助劑就與水互溶，20時，約0.49Mpa下，二甲酸在水中的溶解度為35.3% (wt)，同時良好的水溶性、油溶性，使得其應(yīng)用范圍大大優(yōu)于丙烯、丁烯等石油化學(xué)品。常溫下，二甲酸蒸汽壓為0.6Mpa,性質(zhì)與液化石油氣相似，對臭氧層無損害，是一種重要的有機化工產(chǎn)品。但二甲醚有是一種弱麻醉劑，它的迷麻效力只是乙醇的1/4左右，可經(jīng)呼吸道、消化道、皮膚侵入人體，對皮膚和呼吸有刺激作用，對神經(jīng)系統(tǒng)有影響，長期接觸會使皮膚發(fā)紅，水腫，生皰。表2-1 二甲醚理化性質(zhì)二甲醚性質(zhì)數(shù)值沸點（常壓） -23.7密度（293K） g/m

10、l1.617相對密度 20/200.666蒸汽壓（293K）MPa0.6比熱容（293K）J/(g.K)2.37臨界溫度 127臨界壓力 MPa5.33臨界體積 L/mol0.178表2-2 二甲醚產(chǎn)品規(guī)格表二甲醚產(chǎn)品規(guī)格項目數(shù)值 純度 wt% 99.9甲醇wt% 0.01水分 wt% 0.002二甲醚回收率 % 99.8甲醇回收率 % 99.952.1.2 二甲醚用途1）替代氯氟烴作氣霧劑二甲醚目前最大的市場是用于氣溶膠產(chǎn)品。由于二甲醚是一種優(yōu)良的氣溶膠噴霧劑載體，在制造殺蟲劑、化妝品、日用化學(xué)品等方面被廣泛采用。此外，二甲醚作為氣霧劑可單獨或作為主要成分，用于日用化學(xué)品、噴塑、發(fā)泡和膠粘劑

11、等。二甲醚對金屬無腐蝕、易液化，特別是水溶性和醇溶性能較好，作為氣霧劑具有推進劑和溶劑的雙重功能。由于二甲醚水溶性好，可降低氣霧劑中乙醇等有機揮發(fā)溶劑的含量，減少對環(huán)境的污染。（2）用作制冷劑和發(fā)泡劑 由于二甲醚的沸點較低、汽化熱大、汽化效果好，其冷凝和蒸發(fā)特性接近氟里昂，而銷售價格只有氟里昂F12的一半、F22的三分之一。因此二甲醚作為制冷劑己有不少專利報道，在不久的將來，將是制冷劑的主要品種之一，它可以單獨或與其他有機物配合作為冰箱、空調(diào)等制冷機的制冷劑，減少以至最終取消氟里昂系列對大氣臭氧層的破壞。（3）用作燃料 二甲醚十六烷值較髙，燃燒熱值大，液化后可以直接作為汽車燃料，它不但具備甲醇

12、燃料的所有優(yōu)點，還克服了汽車低溫啟動慢和加速性能差的缺點,而且相比甲醇燃燒效果，它的燃燒效果更好。同時二甲醚組成單一，自身含氧較高，碳鏈短，尾氣不需要催化轉(zhuǎn)化處理，就能滿足汽車超低排放尾氣的標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)發(fā)動機無煙高效燃燒，其噪音很低。而且，只需略加改裝汽車發(fā)動機就可選用二甲醚作燃料，其運行性能良好。2.1.3 工藝技術(shù)方案比較和選擇理由 1.甲醇液相脫水法傳統(tǒng)的液相法以甲醇為原料，采用濃硫酸為催化劑，反應(yīng)生成硫酸氫甲醚，硫酸氫甲醚再與甲醇反應(yīng)生成二甲醚。存在的主要問題:中間產(chǎn)品硫酸氫甲醚毒性較大，設(shè)備腐蝕，環(huán)境污染嚴(yán)重，產(chǎn)品后處理比較困難。所以該工藝已基本被淘汰。2.甲醇氣相脫水法 甲醇氣相催

13、化脫水法是目前國內(nèi)外使用最多的二甲醚工業(yè)生產(chǎn)方法,反應(yīng)壓力為0.5 1.8MPa,反應(yīng)溫度為230400,采用的催化劑為ZSM分子篩、磷酸鋁或-Al203。主要工藝過程為: 氣化甲醇脫水合成二甲醚的工業(yè)生產(chǎn)流程主要包括氣化段、合成段和分離段。甲醇經(jīng)氣化與反應(yīng)器出來的反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進反應(yīng)器進行氣相催化脫水反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)換熱后、用循環(huán)水冷卻冷凝,送精餾分離。工藝的優(yōu)點主要在于，在常壓250下進行，工藝成熟簡單，對設(shè)備材質(zhì)無特殊要求，基本上無三廢及腐蝕問題，裝置易于大型化，是目前國內(nèi)外生產(chǎn)二甲醚的主要方法。如今，國內(nèi)外均已成功研究出成熟的兩步法二甲醚生產(chǎn)技術(shù)并己工業(yè)化，我國己投產(chǎn)的絕大部分裝置均采

14、用該項工藝。3.合成氣一步法合成二甲醚合成氣法制DME 是在合成甲醇技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由合成氣經(jīng)漿態(tài)床反應(yīng)器一步合成DME，采用具有甲醇合成和甲醇脫水組分的雙功能催化劑。因此，甲醇合成催化劑和甲醇脫水催化劑的比例對DME 生成速度和選擇性有很大的影響，是其研究重點。其過程的主要反應(yīng)為：甲醇合成反應(yīng)： （1）水煤氣變換反應(yīng)： （2）甲醇脫水反應(yīng)： （3）在該反應(yīng)體系中，由于甲醇合成反應(yīng)和脫水反應(yīng)同時進行，使得甲醇一經(jīng)生成即被轉(zhuǎn)化為DME，從而打破了甲醇合成反應(yīng)的熱力學(xué)平衡限制，使CO轉(zhuǎn)化率比兩步反應(yīng)過程中單獨甲醇合成反應(yīng)有顯著提高。 但是，目前合成氣法制DME的研究國內(nèi)仍處于工業(yè)放大階段，

15、有上千噸級的成功的生產(chǎn)裝置，如山西煤化所、清華大學(xué)、杭州大學(xué)催化劑研究所等都擁有這方面的技術(shù)。蘭州化物所、大連化物所、湖北化學(xué)研究所的催化劑均已申請了專利。清華大學(xué)加大了對漿態(tài)床DME合成技術(shù)的研究力度，正與企業(yè)合作進行工業(yè)中試研究，在工業(yè)中試成功的基礎(chǔ)上，將建設(shè)萬噸級工業(yè)示范裝置。綜上所述，本設(shè)計采用氣相法合成二甲醚工藝。2.1.4 操作條件的確定但是，目前合成氣法制DME的研究國內(nèi)仍處于工業(yè)放大階段，有上千噸級的成功的生產(chǎn)裝置，如山西煤化所、清華大學(xué)、杭州大學(xué)催化劑研究所等都擁有這方面的技術(shù)。蘭州化物所、大連化物所、湖北化學(xué)研究所的催化劑均已申請了專利。清華大學(xué)加大了對漿態(tài)床DME合成技術(shù)

16、的研究力度，正與企業(yè)合作進行工業(yè)中試研究，在工業(yè)中試成功的基礎(chǔ)上，將建設(shè)萬噸級工業(yè)示范裝置。綜上所述，本設(shè)計采用氣相法合成二甲醚工藝。2.2 工藝流程設(shè)計2.2.1 反應(yīng)原理 生成二甲醚的反應(yīng)式為:2CH3OH=CH3OCH3+H2O該反應(yīng)為強放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱為:反應(yīng)平衡常數(shù)為： 反應(yīng)宏觀動力學(xué)方程為：rmo=KtYMO1.5P2/31-(YDMEYH2O)/(KPYMO2)Kt = 1.59310-5EXP(-16450/R/T)主要副反應(yīng):CH3OH=CO+2H2CH3OCH3=CH4+H2+COCO+H2O=CO2+H22.2.2 裝置工藝原則流程圖國內(nèi)目前丙烯酸的年生產(chǎn)能力約為166

17、萬噸左右，其中大約6萬噸用于出口，大約160萬噸留在國內(nèi)自用（用作脂類的原料）。作為我國經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域，其中華南丙烯酸的需求量約占全國的40%，即每年需求大約65萬噸左右。但整個華南地區(qū)的生產(chǎn)廠家只有中海油惠州一家，由于中海油惠州的質(zhì)量不好，價格稍低。因此在華南區(qū)建立一座生產(chǎn)高純度丙烯酸的廠勢在必行。現(xiàn)有的生產(chǎn)丙烯酸工藝主要有： 1）氯乙醇法制丙烯酸 該法為最早實行的丙烯酸工業(yè)生產(chǎn)方法。以氯乙醇氰化鈉為原料，在堿性催化劑條件下生成氰乙醇，繼而在硫酸條件下脫水生成丙烯腈，再水解生成丙烯酸。在早期丙烯酸生產(chǎn)中，該法占據(jù)主要地位，但該法毒性大且成本高，在現(xiàn)有環(huán)境下已經(jīng)不適宜采用。 2）丙烯直接氧化法該

18、法為丙烯與空氣先在一段反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)生成丙烯醛，再進入二段反應(yīng)器內(nèi)將中間產(chǎn)物丙烯醛氧化生成丙烯酸。丙烯氧化法最早在美國由UCC公司建成第一套生產(chǎn)裝置，現(xiàn)已有德國巴斯夫，日本三菱化學(xué)公司等相繼擁有了該技術(shù)。該技術(shù)由于其較為環(huán)保，轉(zhuǎn)化率高等特點已成為目前世界上較為流行的生產(chǎn)方法。第3章 物料衡算3.1 物料衡算概述 為了弄清生產(chǎn)過程中原料、成品以及損失的物料數(shù)量，必須要進行物料衡算。 物料衡算是設(shè)備熱量衡算乃至整個工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，一般在以下幾種情況下需進行物料衡算。對某個操作過程作物料衡算；對已有的設(shè)備：一個設(shè)備、一套設(shè)備或整個車間作物料衡算；設(shè)計一套新的裝置或一個新的車間時，一般均需做出全面的物料

19、衡算。因此正確的物料衡算結(jié)果為正確的設(shè)備熱量衡算和設(shè)備工藝設(shè)計提供可靠的保證，在整個設(shè)備設(shè)計過程中具有重要的意義。3.2 物料衡算依據(jù)物料衡算為質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，即式中， 輸入物料的總和；輸出物料的總和；累計的物料量。式為總物料衡算式。當(dāng)過程沒有化學(xué)反應(yīng)時，它也適用于物料中任一組分的衡算；但有化學(xué)反應(yīng)時，它適用于任一元素的衡算。若過程中累積的物料量為零，則該式可簡化為物料衡算為質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，即式中， 輸入物料的總和；輸出物料的總和；累計的物料量。式為總物料衡算式。當(dāng)過程沒有化學(xué)反應(yīng)時，它也適用于物料中任一組分的衡算；但有化學(xué)反應(yīng)時，它適用于任一元素的衡算。若過程中累積的

20、物料量為零，則該式可簡化為上式所描述的過程屬于定態(tài)過程，一般連續(xù)不斷的流水作業(yè)（即連續(xù)操作）為定態(tài)過程，其特點是在設(shè)備的各個不同位置，物料的流速、濃度、溫度、壓強等參數(shù)可各自不相同，但在同一位置上這些參數(shù)隨不同時間而變。若過程中有物料累積，則屬于非定態(tài)過程，一般間歇操作（即分批操作）屬于非定態(tài)過程，在設(shè)備的同一位置上諸參數(shù)隨時間而變。式或式中各股物料數(shù)量可用質(zhì)量或物質(zhì)量衡量。對于液體及處于恒溫、恒壓下的理想氣體還可用體積衡量。常用質(zhì)量分率表示溶液或固體混合物的濃度（即組成），對理想混合氣體還可用體積分率（或摩爾分率）表示濃度。3.3 物料衡算的計算范圍及計算基準(zhǔn)作物料衡算時需要確定一個計算范圍

21、，即從哪里開始作為進料，從哪里作為出料。根據(jù)實際需要來確定計算范圍，可以是某一設(shè)備或一套設(shè)備。對分批操作，可從開始加料到最終出料作為計算范圍，有時也取整個過程中的某一階段作為物料衡算的范圍。作物料衡算時也要選定一個計算基準(zhǔn)。例如分批操作可以分批投料量或每晝夜的處理量作為計算基準(zhǔn)。連續(xù)生產(chǎn)可以用每小時、每天或每分鐘的投料量作為計算基準(zhǔn)。根據(jù)需要有時也采用每噸產(chǎn)品或原料作為計算基準(zhǔn)，或者用每千摩爾（kmol）的投料量作為計算基準(zhǔn)。基準(zhǔn)的選擇是跟據(jù)物料衡算的目的和計算的方便來考慮決定。3.4 模擬操作流程3.5 主要設(shè)備的物料衡算流程中主要設(shè)備有混合器，反應(yīng)器，閃蒸罐，順酐精餾塔，精餾塔3.5.1

22、混合器 圖3-1 混合器流程圖表3-1 混合器物料衡算表流股123組分相對分子質(zhì)量物流3物流17物流4摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)甲醇32.041089.955 99.114 270.750 94.823 1360.705 98.230 二甲醚46.0690.000 0.000 0.475 0.166 0.474 0.034 水18.0159.742 0.886 14.306 5.010 24.048 1.736 合計1099.697100285.531 1001385.227 100表3-2 混合器物料衡算表流股123

23、組分相對分子質(zhì)量物流3物流17物流4 質(zhì)量流量/(kg/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kmol/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kmol/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲醇32.0434924.500 99.500 8675.417 96.878 8719.984 19.793 二甲醚46.0690.000 0.000 21.861 0.244 25096.404 56.966 水18.015175.500 0.500 257.730 2.878 10238.620 23.241 合計35100.0001008955.008 10044055.008 1003.5.2 反應(yīng)器圖3-2 反應(yīng)器表3-4 反應(yīng)器物料衡算表流股12

24、組分相對分子質(zhì)量物流5物流6摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)甲醇32.041360.70598.230272.14119.646二甲醚46.0690.4740.034544.75639.326水18.01524.0481.736568.33041.028合計1385.2271001385.227100表3-5 反應(yīng)器物料衡算表流股12組分相對分子質(zhì)量物流5物流6質(zhì)量流量/(kg/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kg/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲醇32.0443599.91998.9678719.98419.793二甲醚46.06921.8590.05025096.40456.96

25、6水18.015433.2290.98310238.62023.2413.5.3 二甲醚精餾塔圖3-3 二甲醚精餾塔T101表3-7 二甲醚精餾塔物料衡算表流股123組分相對分子質(zhì)量物流9物流10物流11 質(zhì)量流量/(kg/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kmol/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kmol/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲醇32.048719.984 19.793 36.812 0.147 8683.172 45.837 二甲醚46.06925096.404 56.966 25074.543 99.853 21.861 0.115 水18.01510238.620 23.241 0.000 0.000 1023

26、8.620 54.048 合計44055.00810025111.355 10018943.653 100表3-8 甲醇精餾塔物料衡算表流股123組分相對分子質(zhì)量物流9物流10物流11 摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)甲醇32.04270.992 32.269 0.242 0.044 270.750 94.823 二甲醚46.0690.475 0.057 0.000 0.000 0.475 0.166 水18.015568.330 67.675 554.024 99.956 14.306 5.010 合計839.797100

27、554.266 100285.531 1003.5.4 二甲醚精餾塔圖3-4 甲醇精餾塔T102表3-9甲醇精餾塔物料衡算表流股123組分相對分子質(zhì)量物流12物流13物流14摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)甲醇32.04270.992 32.269 0.242 0.044 270.750 94.823 二甲醚46.0690.475 0.057 0.000 0.000 0.475 0.166 水18.015568.330 67.675 554.024 99.956 14.306 5.010 合計839.797100554.26

28、6 100285.531 100表3-10甲醇精餾塔物料衡算表流股123組分相對分子質(zhì)量物流12物流13物流14 質(zhì)量流量/(kg/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kmol/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量流量/(kmol/h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲醇32.048683.172 45.837 7.755 0.078 8675.417 96.878 二甲醚46.06921.861 0.115 0.000 0.000 21.861 0.244 水18.01510238.620 54.048 9980.890 99.922 257.730 2.878 合計18943.6531009988.645 1008955.008 1003.6

29、全裝置物料衡算表3-11 全裝置物料衡算表序號物料名稱數(shù)值備注w%kg/h104t/a一原料1甲醇100.000 34924.500 27.940 2水0.503 175.500 0.140 合計100.503 35100.000 28.080 二產(chǎn)品1甲醇0.128 44.567 0.036 2二甲醚71.796 25074.543 20.060 3水28.578 9980.890 7.985 4合計100.503 35100.000 28.080 3.7 操作條件匯總表3-11 操作條件匯總序號設(shè)備名稱壓力MPa(a)溫 度 回流比備 注塔頂塔底進料回流塔頂塔底1二甲醚精餾塔0.830.8

30、799.936.336.3149.10.592甲醇餾塔0.130.17120.666.366.3115.11.253.8 全裝置工藝物料流程圖的繪制全裝置的PFD圖就是在工藝原則流程圖的基礎(chǔ)上，加入全裝置物料平衡表匯總以及各個設(shè)備的熱負荷。（注：圖紙見附錄）3.9 本章小結(jié)本章是物料平衡的計算，正確的物料衡算結(jié)果為正確的設(shè)備熱量衡算和設(shè)備工藝設(shè)計提供可靠的保證，在整個設(shè)備設(shè)計過程中具有重要的意義。物料衡算主要是通過ASPEN PLUS查出各個主要設(shè)備的溫度、壓力、汽化分率、質(zhì)量流率、摩爾流率、摩爾分率、質(zhì)量分率等數(shù)據(jù)，將之列在物料衡算表格中，并計算設(shè)備的進出物料的總質(zhì)量流率，以此證明物料平衡。

31、 參考文獻1 左識之. 精細化工反應(yīng)器及車間工藝設(shè)計M. 上海: 華東理工大學(xué)出版社, 1996.2 美Nicholas P.Chopey主編. Handbook of Chemical Engineering CalculationsM. 朱開宏,譯. 北京: 中國石化出版社, 2005.3 張曉東主編. 計算機輔助化工廠設(shè)計M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005, 33-34.4 姚玉英主編. 化工原理(上冊)M. 天津: 天津大學(xué)出版社, 1999, 4-5.第4章 能量衡算4.1 能量衡算概述熱量衡算按能量守恒定律，在無軸功條件下，進入系統(tǒng)的熱量與離開熱量應(yīng)該平衡。工程依據(jù)化工設(shè)計中

32、關(guān)于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結(jié)合的原則，進行熱量衡算書的編制。其中一個主要依據(jù)是能量平衡方程： Qin=Qout+Q1 (4-1)其中， Qin表示輸入設(shè)備熱量的總和； Qout 表示輸出設(shè)備熱量的總和； Q1 表示損失熱量的總和。 對于連續(xù)系統(tǒng)： Q+W=Hout-Hin (4-2)其中， Q 設(shè)備的熱負荷。 W 輸入系統(tǒng)的機械能。 Hout離開設(shè)備的各物料焓之和。 Hin進入設(shè)備的各物料焓之和。 在進行全廠熱量衡算時，是以單元設(shè)備為基本單位，考慮由機械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放和單純的物理變化帶來的熱量變化。最終對全工藝段進行系統(tǒng)級的熱量平衡計算，進而用于指導(dǎo)節(jié)能降耗設(shè)

33、計工作。 4.2 能量衡算任務(wù)在進行全裝置的熱量衡算中，主要通過定量計算完成下述基本任務(wù)： 確定工藝單元中物料輸送機械（如泵）所需要的功率，以便于進行設(shè)備的設(shè)計和選型； 確定換熱單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率，計算換熱設(shè)備的尺寸，確定加熱劑和冷卻劑的消耗量，為后續(xù)設(shè)計中比如供汽、供冷、供水等專業(yè)提供設(shè)備條件； 提高熱量內(nèi)部集成度，充分利用余熱，提高能量利用率，降低能耗； 最終計算出總需求能量和能量的費用，并由此確定工藝過程在經(jīng)濟上的可行性。4.3 物料流股數(shù)據(jù)在進行了物料衡算的基礎(chǔ)上，繪制出以單位時間為基準(zhǔn)的物料流程圖，確定熱量平衡范圍，并在物料流程圖上標(biāo)明溫度、壓力、相態(tài)等條件。4

34、.4 計算基準(zhǔn)及熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫由于在編制熱量衡算書時借助于計算機輔助模擬的流程設(shè)計文件（ASPEN PLUS），因而計算基準(zhǔn)溫度及熱力學(xué)數(shù)據(jù)直接采用軟件內(nèi)嵌的物性數(shù)據(jù)庫。4.5 主要設(shè)備的熱量衡算4.5.1 反應(yīng)器表4-1 反應(yīng)器能量平衡表項目流量kg/h溫度壓力MPa相態(tài)焓值，kJ/kg能量MJ/h入方進料44055.0072501.56氣-5995.802-264144.833反應(yīng)放熱-11571.852合計-275716.686出方出料44055.0072501.56氣-6258.476-275717.741反應(yīng)吸熱0散熱(損失)0合計-275717.7414.5.2 二甲醚精餾塔表4-2

35、 二甲醚精餾塔能量平衡表項目流量kg/h溫度壓力MPa相態(tài)焓值，kJ/kg能量MJ/h入方進料44055.00799.91.34液-7428.755-327274.099冷凝器-15543.083 合計-342817.181 出方再沸器-15200.189塔頂25111.35436.30.81液-4388.519-110201.637 塔底18943.653149.40.87液-11476.967-217415.355 散熱(損失)0合計-342817.1814.5.3 甲醇精餾塔表4-3 甲醇精餾塔能量平衡表項目流量kg/h溫度壓力MPa相態(tài)焓值，kJ/kg能量MJ/h入方進料18943.6

36、53120.60.4氣液-17053.632-323058.096再沸器-38608.713合計-361666.809出方冷凝器-18163.841塔頂8955.00866.30.11液-7542.242-98969.512塔底9988.64590.60.17液-15477.139-154595.221散熱(損失)0合計-240299.5164.6 全裝置的熱量衡算表4-4 甲醇制二甲醚能量平衡表項目流量kg/h溫度壓力MPa相態(tài)焓值，kJ/kg能量MJ/h入方進料35100.000 250.1液-7489.103-262867.161反應(yīng)器-11571.852汽化器66119.294冷卻器-

37、51556.358進料泵104.451循環(huán)泵39.037T101冷凝器-15543.083T101再沸器15198.079T102冷凝器-22884.161T102再沸器18162.786換熱器-1076.157合計-265875.125出方出料125111.354 36.30.81液-4388.519-110203.747出料29988.645 90.60.17液-15584.873-155671.378散熱(損失)0.000合計-265875.125第5章 設(shè)備選型5.1 設(shè)備工藝設(shè)計概述物料衡算和熱量衡算之后，我們要根據(jù)ASPEN PLUS 模擬出來的數(shù)據(jù)進行設(shè)備的選型，設(shè)備選型是工藝設(shè)

38、計中重要的一環(huán)，只有選擇最合適的設(shè)備型號，才能使流程更好的運行，使車間生產(chǎn)運作的更好、更長久。5.2 反應(yīng)器設(shè)計5.2.1 概述在化工工業(yè)生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器是整套生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵，直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的效率及經(jīng)濟效益。工業(yè)上絕大多數(shù)的甲醇氣相脫水制二甲醚在固定床反應(yīng)器中進行。固定床反應(yīng)器具有較大的生產(chǎn)能力、床層內(nèi)流體流動近似活塞流、催化劑機械磨損小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。但它同時也存在某些缺點比如：傳熱能力差，如果反應(yīng)放熱量很大，有可能出現(xiàn)飛溫而失去控制；生產(chǎn)時催化劑不能頻繁更換，因此不宜使用需要頻繁再生的催化劑等。熱量傳遞和溫度控制作為固定床反應(yīng)器技術(shù)的重點和難點。5.2.2 確定反應(yīng)器類型查找相關(guān)文

39、獻，找出生產(chǎn)20萬噸二甲醚工藝的反應(yīng)器類型，判斷得出我們采用固定床列管式反應(yīng)器。5.2.3 匯總設(shè)計基本數(shù)據(jù)通過查閱文獻，本設(shè)計的液體空速1h-1,列管采用252.5mm,催化劑填料高度為11m,三角型排列。5.2.4 計算反應(yīng)器體積根據(jù)公式： （5-1) 反應(yīng)器的體積，m3/h 進料體積,m3/h r空速，m/s進料由ASPEN模擬知：進料液體體積=69.682m3/h,r=1/h=69.682m35.2.5 反應(yīng)器管束數(shù)的計算根據(jù)計算公式： （5-2) 反應(yīng)器的體積，m3/h 催化劑填料高度，m d 管壁厚度，m 計算得出n =20175通過查文獻得知，管束數(shù)為20175，三角形排列，對角

40、線的排列數(shù)目為b=157，管間距為a=31.3mm 5.2.6 反應(yīng)器內(nèi)徑的確定計算公式： (5-3) D 管束內(nèi)徑，mm 管間距，mm 對角線排列的數(shù)目 L最外層管子的中心到殼體壁邊緣的距離,mm a =31.3mm b=157 d=31.3mm 最外層管子的中心到殼體壁邊緣的距離，取L=2*d=62.6mm 內(nèi)徑的計算公式：D=a*(b-1)+2*L=4945mm 圓整后內(nèi)徑為5.0m5.2.7 反應(yīng)器殼體壁厚的選擇計算公式： （5-4） 殼體壁厚，mm 公稱壓力，MPa 反應(yīng)器壓力，MPa 系數(shù)，一般取值0.85 反應(yīng)器內(nèi)徑，mm 材料選用20R鋼，計算壁厚為：PC=2MPa D=500

41、0mm 取=0.85 殼體溫度為300C 因此取壓力為=300MPa 計算得出 =19.7mm 鋼板厚度附加值計算： 由于介質(zhì)中含有水蒸氣，所以取C2=1mm，鋼板厚度介于7.5mm-25mm之間，因此取C1=0.8mm.C=C1+C2=1.8mm 所以鋼板厚度為：CT=C+=21.5mm 圓整為：CT=22mm5.2.8 反應(yīng)器高度反應(yīng)器兩端各留0.6m的空間高度，則反應(yīng)器的最終高度為：H=11+0.6*2=13.2m5.2.9 反應(yīng)器規(guī)格表5-1 反應(yīng)器規(guī)格表反應(yīng)器類型固定床列管式管間距32mm反應(yīng)器內(nèi)徑5000mm反應(yīng)器直徑5044mm反應(yīng)器壁厚22mm高度13.2m管束數(shù)20175催化

42、劑填料高度11m排列方式三角型排列設(shè)計溫度250C設(shè)計壓力2MPa5.3 精餾塔設(shè)計5.3.1 概述在煉油、化工等工業(yè)中，精餾操作是分離液體混合物的最常用的手段。其操作原理是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同，在氣、液兩相相接觸時，易揮發(fā)組分向氣相傳遞，難揮發(fā)組分向液相傳遞，使混合物達到一定程度的分離。用于實現(xiàn)精餾操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備即精餾塔。這類塔設(shè)備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會，使物質(zhì)和熱量的傳遞能有效地進行；在氣液接觸之后，還應(yīng)使氣、液兩相能及時分開，盡量減少相互夾帶。 常用的精餾塔分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)裝有若干層塔板，液體依靠重力自上而下流過每層塔板；氣體則依

43、靠壓強差的推動，自下而上穿過各層塔板上的液層而流向塔頂，氣、液兩相在塔內(nèi)進行逐級接觸。填料塔內(nèi)則裝有各種形式的填料，氣、液兩相沿塔做連續(xù)接觸，其傳質(zhì)和傳熱的場所為填料的潤濕表面。對塔設(shè)備基本性能的要求主要包含以下幾個方面：（1）氣液兩相充分接觸，相際傳熱面積大；（2）生產(chǎn)能力大，即氣液相處理能力大；（3）操作穩(wěn)定，操作彈性大；（4）流體流動阻力小，流體通過塔設(shè)備的壓降小；（5）結(jié)構(gòu)簡單、耗用材料少，制造與安裝容易；（6）耐腐蝕和不易堵塞。除此以外，塔的造價、安裝及維修的難易以及長期運轉(zhuǎn)的可靠性等因素，也是必須烤考慮的問題。在進行類型選擇時需要考慮多方面的因素，如物料性質(zhì)、操作條件、塔的性能，以

44、及塔的制造、安裝、運轉(zhuǎn)和維修等。對于真空精餾和常壓精餾，通常填料塔塔效率優(yōu)于板式塔，應(yīng)優(yōu)先考慮選用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔內(nèi)空間，提供的傳質(zhì)面積很大，使得氣液兩相能夠充分接觸傳質(zhì)。而對于加壓精餾，若沒有特殊情況，一般不采用填料塔。這是因為填料塔的投資大，耐波動能力差。具體來講，要主要考慮以下方面：（1）塔徑較大時宜采用板式塔。板式塔以單位塔板面積計算的造價隨塔徑的增大而減小，而填料塔的造價是與其體積成正比的。板式塔直徑增大后，其效率可提高，而填料塔隨塔徑的增大，其液體分布較難達到均勻，效率會降低。大直徑塔板的檢修比起填料清理要容易。（2）當(dāng)所需理論板數(shù)比較多或傳質(zhì)單元數(shù)比較多時需要增

45、加塔高，用板式塔比較好，若此時選用填料塔則要分成多段，每段之間都需要液體再分布。（3）板式塔適應(yīng)于較小的液體流量，填料塔則要求一定的淋灑密度，要使填料足夠潤濕。（4）板式塔適用于處理有懸浮物的液體原料，而填料塔易被懸浮物堵塞。（5）填料塔適于處理有腐蝕、易發(fā)泡的物料。（6）填料塔壓降比較小，減壓操作系統(tǒng)用填料塔更易滿足控制塔內(nèi)較小壓降（7）操作彈性，板式塔較填料塔大，其中以浮閥塔最大，泡罩塔次之。對于本次設(shè)計中，主要涉及到兩個分離塔順酐塔和苯酐塔，對于這兩個塔，我們都采用板式塔，首先我們用Aspen Plus V7.2進行塔選型初步的工藝計算，得到塔設(shè)備的大體數(shù)據(jù)，然后我們應(yīng)用Cup-towe

46、r 2.0.0.421進行塔選型計算與校核。下面是我們對板式塔的詳細設(shè)計及校核。5.3.2 二甲醚精餾塔的設(shè)計5.3.2.1 工藝參數(shù)及塔板數(shù)的確定通過查閱文獻，塔釜料液的加熱方式選為外加熱式，換熱器選擇為固定管板式換熱器。塔板效率為80%，實際板數(shù)為23，在第9塊板上方進料。通過Aspen Plus模擬優(yōu)化，得到的操作參數(shù)見下表5-2。表5-2 二甲醚精餾塔T101操作參數(shù)序號位號名稱介質(zhì)操作溫度，塔頂壓力（絕）MPa回流比氣相負荷，m3/h液相負荷，kg/h塔頂塔底精餾段提餾段精餾段提餾段1T-101二甲醚精餾塔氣液混相37.9145.70.830.592371.81769.022.543

47、.62T-201甲醇回收塔氣液混相72.9114.50.131.2513873.68493.314.620.15.3.2.2 塔板流體力學(xué)校核通過使用孫蘭義研究組研究的CUP-TOWER軟件，進行塔板流體力學(xué)校核。校核之后會得到塔的直徑、板間距、和開孔率等參數(shù)，并且可以得到一個塔板負荷性能圖。（精餾段）塔的直徑D=1600mm板間距為d=600mm開孔率為10.86%，其他數(shù)據(jù)見下表。圖5-1 塔板負荷性能圖5.3.2.3 手孔和人孔的選擇為了便于安裝、檢修或清洗設(shè)備內(nèi)部的裝置，需要在設(shè)備上開設(shè)手孔或人孔。人孔和手孔的結(jié)構(gòu)基本上是相同的。通常是在短筒節(jié)（或管子）上焊一法蘭，蓋上人（手）孔蓋，用

48、螺栓螺母壓緊，兩個法蘭之間放有墊片，空蓋上帶有手柄。人孔或手孔的選取原則：（1） 對于直徑大于或等于800mm的塔，采用人孔而非手孔。（2） 在處理清潔物料時，每隔6到8塊塔板設(shè)一個人孔；當(dāng)物料很臟需要經(jīng)常清洗時，每隔3到5塊塔板設(shè)一個人孔。（3） 塔頂、塔底進料處必須設(shè)人孔。（4） 凡是開有人孔的地方，塔板間距應(yīng)等于或大于600mm。根據(jù)以上原則，對順酐塔進行人孔選擇如下：由于順酐塔塔徑為1600mm，故只需設(shè)人孔。每隔8塊板設(shè)一人孔，在塔底，進料處共設(shè)2個人孔（除裙座上的兩個人孔）。人孔規(guī)格為Dg =450mm300mm。人孔分布見下表5-3。表5-3 T101人孔分布人孔序號1234上塔板封頭8-916-17塔釜5.3.2.4 筒體的設(shè)計1）塔