《二甲醚裝置分離精餾工段設(shè)計》5200字

前言二甲醚的應用非常廣泛，由于其相對較低的沸點、汽化熱、汽化效果好，冷凝和蒸發(fā)特性接近于氟氯代甲烷和價格較低，因此是取代氯氟甲烷作為制冷劑的主要化工產(chǎn)品：由于環(huán)境的污染，幾乎沒有破壞作用，臭氧層中的水。溶解度、弱毒的特征決定了二甲醚取代的氯氟甲烷作為氣溶膠噴霧、日用化學品、膠粘劑等。二甲醚作為替代氯氟烴，顯示出良好的性能，在氣霧劑產(chǎn)品，無環(huán)境污染，臭氧層的破壞系數(shù)幾乎為零。由于氣霧劑產(chǎn)品具有噴霧產(chǎn)品不易潮的特點，是理想的新一代氣溶膠推進劑。其他二甲醚可以作為柴油添加劑柴油燃燒更充分，提高氣化效率，降低柴油機、冰點燃燒性能好，熱效率高，可實現(xiàn)無煙燃燒，減少污染物排放的汽車尾氣，降低發(fā)動機的噪聲，被稱為二十一世紀最理想的清潔燃料和新能源。特別是作為替代柴油的液體燃料，各種污染物的排放量比普通柴油機低，60%～70%可以達到歐IV標準。中國工程院院士倪維斗預測，二甲醚將成為中國能源結(jié)構(gòu)的一種新的力量，并預計在5年內(nèi)，中國將有500萬噸到1000萬噸的二甲醚年需求量。雖然二甲醚投資相對較高，但大從國家能源安全，從市場和企業(yè)效益的需求小，高投資是值得的，國家也應擴大清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予必要的支持，并呼吁建立一個國家層面推動發(fā)展燃料乙醇和乙醚的機制。目前我國二甲醚作為國產(chǎn)燃料和汽車燃料，在某些地區(qū)已被中國使用，早期捕鳥，在世界上處于領(lǐng)先地位。隨著二甲醚工業(yè)的興起，它的市場將非常廣闊。二甲醚是二十一世紀以來在國內(nèi)外發(fā)展起來的一種化工產(chǎn)品?？蓮V泛應用于日化、農(nóng)藥、醫(yī)療、制冷、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。二甲醚因其化學性質(zhì)穩(wěn)定、毒性低，在極性和非極性物質(zhì)的溶解度高，特別適合于氣霧劑和溶劑，高濃度的二甲醚可以作為麻醉劑，由于其易壓縮，冷凝和蒸發(fā)也可以替代氟利昂制冷行業(yè)，也可用于化學合成。二甲醚具有優(yōu)良的燃燒特性，十六烷值高于柴油，污染小，可替代柴油作燃料。二甲醚與液化石油氣的壓力相似，用作民用燃料。儲存和運輸、燃燒安全、預混氣體熱值和理論燃燒溫度等性能優(yōu)于石油液化氣。目前，生產(chǎn)二甲醚的最成熟、應用最廣泛的方法是甲醇氣相脫水法生產(chǎn)二甲醚。甲醇的轉(zhuǎn)化率和二甲醚的選擇性較高。該反應器的主要物流是二甲醚，水和甲醇，這是二甲醚的分離和純化。本文用熱力學模型模擬了甲醇氣相脫水過程中二甲醚精餾裝置生產(chǎn)二甲醚的過程，為二甲醚生產(chǎn)裝置的設(shè)計提供了理論依據(jù)。1二甲醚精餾操作條件1.1操作壓力精餾設(shè)計的操作壓力為常壓，工業(yè)中二甲醚系統(tǒng)的蒸餾需要真空蒸餾，但在設(shè)計操作中，常壓蒸餾可以使用，常壓蒸餾簡單方便。1.2進料方式本設(shè)計采用泡點饋電，這是對精餾塔本身具有操作方便的優(yōu)點，無外界干擾，操作方便，進料狀態(tài)是設(shè)計中非常重要的參數(shù)。它直接影響到進給方程。也影響整個塔的熱平衡，所以確定它是非常重要的。1.3塔釜加熱方式選擇由于管式再沸器為間接加熱換熱器，加熱介質(zhì)為水蒸氣，由于真空安全且易于調(diào)節(jié)。1.4塔頂冷凝方式選擇管殼式換熱器作為冷凝和冷卻介質(zhì)的冷卻水冷凝器，但在操作條件和工藝安排，從經(jīng)濟理性的考慮，在溫度較低的原材料的設(shè)計過程中，蒸汽溫度較高，它可以通過蒸汽加熱材料的考慮，可以節(jié)約水和蒸汽冷卻水。2工藝流程及模型的建立2.1工藝流程二甲醚精餾過程是一種多組分分離過程，該系統(tǒng)主要含有甲醇、二甲醚和水等組分，流程圖如圖所示。二甲醚精餾塔采用理論板，飼料是甲醇二甲醚反應產(chǎn)品脫水多級熱到二甲醚精餾塔后，通過回收二甲醚后，火炬不凝氣體吸收塔的塔的側(cè)線采出產(chǎn)品，塔頂甲醇精餾塔的材料，二甲醇反應醚反應器，塔廢水換熱后排出的界限。2.2流程建模精餾塔采用精餾模塊，同時平衡物料平衡、能量平衡和相平衡，并用平板計算法計算給定塔設(shè)備的運行結(jié)果。熱交換器模塊用于加熱和冷凝器。如圖1所示，用于連接模塊的物流。建立過程模型后，還需要建立合適的熱力學計算模型。在一定條件下二甲醚汽液平衡體系的分離，nrtl-pr物理模型選擇模塊，一個兩部分的NRTL方程的熱力學相互作用參數(shù)處理輸入數(shù)據(jù)文件模塊二甲醚分離系統(tǒng)溫度范圍。分離過程分為水、甲醇等物質(zhì)，其他非極性物質(zhì)。用NRTL方程計算液相物流的特點。P-R方程用于計算氣體的流動性能，與汽液平衡的狀態(tài)方程和活度系數(shù)模型的預測。PR狀態(tài)方程的形式為：p=RT其中aTacαTm=0.37646+1.54226ω?0.26992ωb=0.077796RTPR方程不僅能較好地計算氣體PVT，而且能準確預測液體摩爾體積。PR方程形式簡單，參數(shù)廣義。只有知道純物質(zhì)的臨界數(shù)據(jù)，才能得到數(shù)學上的解析解，適用于工程應用。因此，PR方程用于計算氣相。NRTL模型(α=0.3)計算液相組分活度系數(shù)：lnγτijGij3模擬分析與討論3.1流進料組成與精餾塔壓力的選擇15萬噸二甲醚反應器出口物流，甲醇氣相脫水年產(chǎn)主要包含：二甲醚（DME），甲醇（CH3OH）、水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氫等組成。二甲醚精餾塔的進料組成見表3-1，產(chǎn)品分離要求見表3-2。表3-1二甲醚精餾原料組成組分kmol/hmol%DME634.3737.87CH3OH405.9024.23H2O633.5337.82CO0.140.01CO20.590.04CH40.230.02H20.180.01表3-2二甲醚精餾產(chǎn)品分離要求二甲醚精餾塔產(chǎn)品甲醇精餾塔二甲醚wt%0.99塔頂甲醇wt%99.9甲醇wt%0.05塔釜甲醇wt%0.01水wt%0.005二甲醚在常壓下的沸點是24.9°C。如果系統(tǒng)壓力在大氣壓下，塔冷凝器很難冷卻，所以在壓力下操作。然而，隨著操作壓力的增加，蒸汽、冷卻水和蒸餾過程消耗的功率將相應增加。精餾高純二甲醚的適宜工作壓力范圍為（0.6～0.8）MPa（g）。塔頂壓力為0.80兆帕（G），井底壓力為0.83MPa（G）。甲醇在常壓下的沸點為64.7℃，系統(tǒng)壓力可在大氣壓下控制。實驗采用塔頂壓力0.07MPa（G），塔底壓力為0.12MPa（g）。3.2進料溫度對二甲醚分離效果的影響當進料量恒定時，精餾塔壓力不變，保證了前二甲醚產(chǎn)品的純度，改變了進料溫度。仿真結(jié)果如圖3-2所示。當進料溫度為40～60時，回流比和塔頂冷凝器負荷變化不大。當給水溫度從60變化到100時，回流比先減小后增大，塔頂冷凝器負荷先減小后增大。隨著進料溫度的升高，塔的熱負荷逐漸降低。根據(jù)圖2，進料溫度為70度是合適的，此時回流比和塔頂冷凝器的熱負荷最小。圖3-2原料進料溫度對二甲醚分離效果的影響3.3原料進料位置對二甲醚分離效果的影響圖3-3顯示二甲醚產(chǎn)品純度要求，與原料進料位置的變化，回流比，二甲醚精餾塔頂冷凝器和再沸器熱負荷有一個最佳值，即原料進料位置為第十六塊理論板，三是達到最小，所以選擇第十六板料為原料。圖3原料進料位置對二甲醚分離效果的影響3.4回流比對二甲醚分離效果的影響當原材料的總量是固定的，精餾塔的壓力保持不變，和二甲醚產(chǎn)品產(chǎn)量保持回流比的改變，和仿真結(jié)果表3-3所示。表3-3回流比對二甲醚分離效果的影響RefluxratioCondenserduty/(M·kJ·h-1)Reboilerduty/(M·kJ·h-1)DEMcontent/(wt%)DEMyield/%1.2628.2621.4399.6598.551.3530.0623.4899.8898.781.4331.8625.3399.9098.801.5133.7027.1799.9198.801.5935.5028.9799.9198.811.6737.3430.6299.9198.81回流比對精餾過程的分離效果和經(jīng)濟性有重要影響。當原料量和兩甲基醚的產(chǎn)量一定時，回流比的變化是通過改變回流量來控制的，回流的變化是通過改變塔頂?shù)睦淠亢退數(shù)臒嶝摵蓙韺崿F(xiàn)的。回流率低于價值，二甲醚產(chǎn)品純度達不到要求；回流比的增大，對二甲醚產(chǎn)品純度提高；當回流比達到1.43，二甲醚純度達到了99.90%，增加回流比，對提高二甲醚純度的影響不顯著，兩產(chǎn)量沒有增加。塔頂和底部的熱負荷因此增加。因此，為了保證二甲醚的濃度，并保持一定的收率，二甲醚的回流比應控制在一定范圍內(nèi)。3.5模擬計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的比較某15萬噸/年二甲醚生產(chǎn)裝置，二甲醚精餾塔的頂壓為0.84MPa（G），二甲醚精餾塔的溫度分布實測值如圖3-4所示。二甲醚精餾塔操作參數(shù)的實際值見表3-4。根據(jù)模型模擬，得到了二甲醚精餾塔的溫度分布和操作參數(shù)的模擬值，如圖3-4和表3-4所示。表3-4二甲醚精餾塔操作參數(shù)的比較操作參數(shù)實際值模擬值操作參數(shù)實際值模擬值T1進料/(kmol·h-1)1678.101674.94塔頂溫度/℃42.0041.76T1塔頂出料/(kmol·h-1)14.0815.89塔釜溫度/℃151.00153.59T1塔側(cè)線出料/(kmol·h-1)602.95605.00塔頂/MPa(G)0.840.84T1塔釜出料/(kmol·h-1)1061.071054.05塔釜/MPa(G)0.870.87進料溫度/℃69.0070.00回流比1.641.56圖4二甲醚精餾塔內(nèi)溫度分布從圖3-4和3-4，仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)吻合得很好，從而使過程模擬所采用的方法具有較高的可靠性和準確性。4控制方案的設(shè)計精餾塔的控制主要是控制精餾塔餾出物的產(chǎn)品純度，產(chǎn)品產(chǎn)量和能耗，通過綜合考慮這三方面之間的關(guān)系得出最佳解，由于對普通精餾塔而言，塔內(nèi)溫度與產(chǎn)品的純度呈相應的單值函數(shù)關(guān)系，即溫度變化即可反應組分溶度的改變，因此通常普通精餾塔餾出物的純度控制都是通過溫度進行間接控制的。本工段由于存在側(cè)線出料因此在回路控制時與普通精餾塔不同，在設(shè)計控制方案時因此對分隔壁精餾塔設(shè)計了四個回路控制。如圖4-1所示圖4-1分隅壁全塔控制方案塔頂回路控制包括壓力控制，冷凝器控制，回流罐液位控制，回流量控制。由于塔頂為部分輕烴和苯的餾出物因此要考慮到氣體形成的壓力影響，因此在塔頂設(shè)置壓力控制方案如圖4-2。為確保進入回流罐的液體已經(jīng)冷卻，在此對冷凝器進行了控制，通過冷凝器出口溫度的反饋信息控制冷凝液的進口流量。如圖4-2所示。在此回流罐液位是通過改變餾出液的出料量進行控制的其控制。塔頂回流量是根據(jù)檢測結(jié)果是否合格而進行改變，如圖4-2圖4-2塔頂控制回路控制點側(cè)線回路的控制與塔頂控制不同，側(cè)線采出是直接將塔板上的液體引出進入回流罐的，在此不需要冷凝器進行冷凝。因此其控制相對簡單只需要控制回流罐的液位即可。其控制如圖4-3所示通過控制側(cè)線采出流量控制回流罐的液位。圖4-3側(cè)線控制回路塔釜控制分為再沸器控制和塔底液位控制，再沸器為全塔運行提供動力，因此對其控制至關(guān)重要。如圖4-4所示通過測溫元件測得塔底溫度后再通過信息傳輸原件把溫度信息傳輸至再沸器的蒸汽進料控制器上從而對蒸汽流量進行調(diào)節(jié)達到控制塔底溫度的效果。與回流罐液位控制方法相同，塔釜液位也是通過塔底餾出液的流量進行控制的。圖4-4塔釜控制回路分隔壁精餾塔與其他普通精餾塔不同之處在于其副塔的存在，因此需要建立副塔與主塔之間物流聯(lián)系。由副塔進入主塔的氣體通過冷凝必然有一部分要回流進入副塔，另一部分回流進入主塔，因此存在一個液體分配的問題。原先正因為缺少對該問題的關(guān)注導致分隔壁精餾塔分離效果無法達到預期效果。在此簡要設(shè)計該過程的控制如圖4-5所示，通過預分餾段塔頂氣體的溫度可判定重組分含量從而控制液相回流分配比。圖4-5預分餾塔塔頂控制回路本章對分隔壁塔進行了控制方案的設(shè)計。塔頂通過回流比及壓力控制從而控制塔頂餾出物的純度，塔底通過液位及再沸器控制塔底流出物二甲醚的純度，塔中段通過回流罐的回流比控制餾出甲苯的純度，在主塔與副塔之間設(shè)立了比例控制從而控制氣相分率。通過該控制方案可以基本完成分隔壁塔的完全控制，使塔在運行時達到預期的分離效果，且在遇到不正常情況時具備一定的自動調(diào)節(jié)能力。5結(jié)論（1）選擇適當?shù)拇斫M成，單元模塊和NRTL-PR熱力學模型，15萬噸甲醇氣相脫水二甲醚精餾裝置的工藝流程。（2）考察了進料溫度、進料位置和回流比對兩甲基醚分離效率的影響，得到了二甲醚精餾塔的適宜操作參數(shù)。操作壓力0.83mpa，理論板數(shù)24，進料溫度70，進料位置在第16板，回流比1.43，二甲醚純度不低于99.9%。仿真結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)吻合良好。

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