年产3万吨二甲醚的初步工艺设计样本.doc
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1、分类号 编号兰 州 交 通 大 学毕 业 论 文年产3万吨二甲醚初步工艺设计Primary for the Manufacturing Process of Dimethyl ether 30Kt/a申请学位: 工学学士 院 系: 化学化工学院 专 业: 化学工程和工艺 班 级: 化工1001 学生姓名: 马学成 学 号: 07042 指导老师: 杨西 04月20日兰州交通大学化工学院年产3万吨二甲醚初步工业设计姓 名: 马学成 导 师: 杨西 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毕业届别专业化学工程和工艺毕业论文(设计)题目年
2、产3万吨二甲醚初步工业设计指导老师杨西学历博士职称教授所学专业化学工程具体要求(关键内容、基础要求、关键参考资料等):确定以甲醇脱水法作为本设计工艺生产方法,经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:查阅文件资料,写出开题汇报。4-5周:进行初步设计计算及选型。6-14周:应用Cad画图,做出PID、PFD图。15-16周:整理完成设计。指导老师(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和石油类替换燃料,现在二甲醚
3、(DME)倍受注目。DME是含有和LPG物理性质相类似化学品,在燃烧时不会产生破坏环境气体,能廉价而大量地生产。和甲烷一样,被期望成为二十一世纪能源之一。现在生产二甲醚基础上由甲醇脱水制得,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,本设计采取气相法制备二甲醚工艺。气相法工艺过程关键由甲醇加热、蒸发、甲醇脱水、二甲醚冷凝及精馏等组成。设计结果达成了设计课题要求,完成了二甲醚生产工工艺初步设计,完成了物料、热量、设备等相关计算。关键词二甲醚 ;甲醇 ;工艺设计AbstractAs LPG and oil alternative fuel, DME has
4、been drawn attentions at present. Physical properties of DME is similar for LPG, and dont produce combustion gas to damage the environment, so, It can be produced largely. Like methane, DME is expected to become 21st century energy sources., DME is prepared by methanol dehydration, namely, synthetic
5、 methanol first and then methanol dehydration to dimethyl etherby methanol dehydration. Methanol dehydration to DME is divided into two kinds of liquid phase and gas-phase process. This process is made of methanol process heating, evaporation, dehydration of methanol, dimethyl ether condensation and
6、 distillation etc. The design result reached the requirements of the design issues, completed the DME production process design, finished materials, thermal, etc-related calculations.Keywordsdimethyl ether;methanol;process design目录序言11 文件综述21.1 二甲醚概述21.2原料说明31.3二甲醚性质32 DME产品方案及工艺步骤介绍42.1产品品种、规格、质量指标
7、及拟建规模42.2生产方法简述42.3工艺步骤说明42.4生产工艺特点52.5关键工艺指标53关键塔设备计算及选型73.1 汽化塔及其隶属设备计算选型73.2 合成塔及其隶属设备计算选型153.3 初馏塔及其隶属设备计算选型193.4 精馏塔及其隶属设备计算选型253.5 回收塔及其隶属设备计算选型314 环境保护及三废处理394.1关键污染源及关键污染物394.2设计中采取环境保护方法及其简明处理工艺步骤394.3装置危险性物料关键物性40总结41致谢42参考文件43序言二甲醚又称甲醚、木醚氧,是关键甲醇下游产品。二甲醚是醚同系物,但和用作麻醉剂乙醚不一样,毒性极低;能溶解多种化学物质;因为
8、其含有易压缩、冷凝、气化及和很多极性或非极性溶剂互溶特征,广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替换制冷剂、溶剂等,另外也可用于化学品合成,用途比较广泛。二甲醚作为一个基础化工原料,因为其良好易压缩、冷凝、汽化特征,使得二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有很多独特用途。如高纯度二甲醚可替换氟里昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂,降低对大气环境污染和臭氧层破坏。因为其良好水溶性、油溶性,使得其应用范围大大优于丙烷、丁烷等石油化学品。替换甲醇用作甲醛生产新原料,能够显著降低甲醛生产成本,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
9、城市管道煤气调峰气、液化气掺混气。也是柴油发动机理想燃料,和甲醇燃料汽车相比,不存在汽车冷开启问题。它还是未来制取低碳烯烃关键原料之一。作为LPG和石油类替换燃料,二甲醚是含有和LPG物理性质相类似化学品,在燃烧时不会产生破坏环境气体,能廉价而大量地生产。和甲烷一样,被期望成为二十一世纪能源之一。 本设计步骤简练,操作简易,工艺条件温和,而且设备台数较少,设备制作立足于中国现实状况,可大大降低项目投资。此次设计共分3部分,设计人关键负责图纸绘制,设备选型和工艺计算有其它两名同学合作共同完成,设计图纸关键包含PID、 PFD图。1 文件综述1.1 二甲醚简述1.1.1 二甲醚发展现实状况20世纪
10、70年代,二甲醚替换了氟里昂作为气雾剂使用,降低了臭氧层破坏。近几年来,二甲醚良好燃烧性能和低污染排放特征使其日益受到重视,作为清洁能源使用。二甲醚(DME)常温常压下是一个无色低毒可燃性气体,和液化石油气性能相同,燃烧废气无毒,可作为清洁燃料使用。伴随石油资源紧缺及价格上涨,清洁环境保护理念深入,作为柴油替换资源清洁燃料二甲醚得到大力推广,并逐步进入了民用燃料市场和汽车燃料市场,二甲醚合成研究已成为各国科技人员研究焦点。现在,二甲醚发展关键问题在于配套方法不完善、市场发展不成熟、二甲醚使用观念有待更新。1.1.2 二甲醚传统领域应用及其拓展(1)传统领域应用第一,做气雾剂、制冷剂和发泡剂。第
11、二,DME作为化学中间体,关键用于制造硫酸二甲酯。第三,DME还是关键化工原料,可用于很多精细化学品合成,同时在轻化、制药、燃料、农药等工业中有很多独特用途。(2)新近拓展应用领域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含有更优良物理化学性能(如表1.1,表1.2所表示)。DME分子结构中没有C-C键,所以燃烧时不产生黑烟,CO和NOx排放量很低,符合洁净燃料要求;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,可用现有液化石油气罐盛装,是优良民用洁净燃料。表1.1 DME液化气和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
12、限%理论空气量预混气热值KJ/ m3DMELPG46.0756.61.351.92225020553.451.76.9611.3242193903表1.2 DME和0柴油比较对比项目DME0柴油分子量46.07190220沸点()-24.9180360十六烷值55604050 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。本设计采取甲醇原料浓度为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,略带醇香味有毒液体,甲醇密度0.791g/cm3,沸点63.8
13、,自燃点38520,蒸汽压96.3mmHg。甲醇不能和脂肪烃类化合物相互溶,但能够和水和乙醇等很多有机液体互溶。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。1.3二甲醚性质二甲醚性质:二甲醚上一个无色、含有轻微醚香味气体,含有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。还含有优良混溶性,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个有机溶剂,加入少许助剂后就可和水以任意比互溶。其燃烧时火焰略带亮光。* L X,
14、 k4 D! _! o9 2 DME产品方案及工艺步骤介绍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生产方法关键有一步法和二步法两种。一步法以合成气(CO+H2)为原料,在甲醇合成和甲醇脱水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,尤其适适用于高纯度二甲醚生产。(一)甲醇脱水制二甲醚100时,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,所以选择该工艺
15、可能性较小。(二) 合成气直接合成二甲醚传统DME生产方法,一直采取两个截然不一样步骤。即甲醇合成和甲醇脱水。为了开发操作简单、成本低而又可连续生产DME新方法,大家曾用合成气直接制取二甲醚。关键反应组成以下:2.3工艺步骤说明(1)原料甲醇直接采取市售质量分数为90%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步骤方框图(2)反应在DME合成反应器中产生反应以下所表示:,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
16、热器中经过工艺气体冷却,接着在甲醇蒸馏塔底部经过蒸馏塔换热器工艺液体冷却,然后在二甲醚精馏塔冷却器中用冷却水冷却,最终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二甲醚液体被送入二甲醚精馏塔,在DME精馏塔中DME和甲醇和水分开,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气相作为燃料被放掉。在塔顶回流罐中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关键工艺特点是步骤简练,工艺条件温和
17、,装置内热能利用很好,操作简易方便。本装置设备台数较少,设备制作充足立足于中国现实状况,全部设备均能在中国制造而不需进口,项目投资大为降低。2.5关键工艺指标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%0.50.30.3塔设备指标以下: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.
18、5%2.5.2 催化剂使用本设计DME合成塔采取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合成塔中发生化学反应为放热反应。所用沸石型酸性氧化铝分子筛为=3mm,L=58 mm白色颗粒状,堆积体积密度0.7t/m3,含有良好化学性质及足够撞击强度和耐磨强度,对于甲醇缩水生成二甲醚工艺过程,该催化剂催化活性、选择性、和稳定性均显示出了优异经济指标,在再生和使用周期上也有很好表现。工艺设计该催化剂可使甲醇一次性转化率80,选择性指标靠近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许稀土元素,无有毒重金属组份。所以粉碎或废弃分子筛
19、可就地填埋或送催化剂配制企业回收处理。本设计产品二甲醚可用作替换燃料或气雾剂等化工原料,现在燃料级二甲醚还未颁布国家标准,设计产品工艺指标可参考表(2.5)。3关键塔设备计算及选型原料甲醇流量估算: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 汽化塔及其隶属设备计算选型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
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