产万吨二甲醚工艺实施方案.doc

个人收集整理 仅供参考学习

设计题目：年产40万吨二甲醚工艺设计
学 院：北京化工大学继续教育学院
专 业：化工工艺
班 级：11化工高级班
学 生：王岁兵
指导教师：司稳琴

2013年 月 日

68 / 80

诚信申明

本人申明:
我所呈交地大专毕业设计（论文）是本人在老师指导下对三年专业知识而进行地全面总结，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列地内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过地研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构地学位或证书而已经使用过地材料.与我一同完成毕业设计论文地同学对本课题所做地任何贡献均已在文中做了明确地说明并表示了谢意.若有不实之处，本人承担一切相关责任. b5E2RGbCAP

本人签名：

年 月 日

化工设计课程设计任务书
一、化工课程设计题目
年产40万吨二甲醚工艺设计
二、化工课程设计要求及原始数据（资料）：
操作方式：连续操作
产品品种：二甲醚
拟建规模：40万吨/年
年操作日：365天
汽化塔：原料粗甲醇纯度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：选择g-Al2O3做催化剂，转化率≥80%，选择性≥99.9%，脱水温度选择300摄氏度.
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%.
三、化工课程设计主要内容：
1、摘要
2、生产流程或方法地确定
3、物料衡算和热量衡算
4、主要工艺设备地计算及选型（包括设备一览表）
5、原材料、动力消耗定额及消耗量
6、参考文献
7、致谢
四、时间安排：
共设计四周，前2周收集资料，进行工艺流程地设计、物料和热量衡算，后两周进行设计说明书地撰写、工艺流程图和设备图地绘制.
五、学生应交出地设计文件：
课程设计说明书一本
带控制点地工艺流程图一套（要求手工绘制2#图纸）
六、主要参考文献（资料）：
1、《化工设计》王静康主编 1995年版化学工业出版社出版
2、《化工原理》（上、下） 2001年版天津大学化工原理教研室编
天津科学技术出版社出版
3．…………

专业班级化工工艺学生王岁兵
要求设计工作起止日期 2012年11月25日至2013年5月5日
指导教师签字日期
教研室主任签字日期
系主任批准签字日期

年产40万吨二甲醚工艺设计

摘 要

作为LPG和石油类地替代燃料，目前二甲醚(DME)倍受注目.DME是具有与LPG地物理性质相类似地化学品，在燃烧时不会产生破坏环境地气体，能便宜而大量地生产.与甲烷一样，被期望成为21世纪地能源之一.目前生产地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.将甲醇加热蒸发，甲醇蒸气通过γ-AL2O3催化剂床层,气相甲醇脱水制得二甲醚.气相法地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.主要完成以下工作：p1EanqFDPw
(1）精馏用到地二甲醚分离塔和甲醇回收塔地塔高、塔径、塔板布置等地设计；
(2）所需换热器、泵地计算及选型；

关键词:二甲醚 甲醇 工艺设计

目 录

第1章 概 述1DXDITA9E3D
1.1 二甲醚地用途1RTCrpUDGiT
1.2 设计依据2
1.3 技术来源2
1.3.1 液相甲醇脱水法制二甲醚2
1.3.2 气相甲醇脱水法制二甲醚3
1.3.3 合成气一步法生产二甲醚3
1.3.4 二氧化碳加氢直接合成二甲醚3
1.3.5 催化蒸馏法制二甲醚4
1.3.6 本设计采用地方法4
1.4 原料及产品规格4
1.5 设计规模和设计要求4
第2章 技术分析5
2.1 反应原理6
2.2 反应条件6
2.3 反应选择性和转化率6
2.4 催化剂地选择6
第3章 反应器地结构计算7
3.1 物料衡算7
3.2 计算催化剂床层体积7
3.3 反应器管数8
3.4 热量衡算9
第4章 甲醚精馏塔结构计算10
4.1 甲醚精馏塔地物料衡算及理论板数105PCzVD7HxA
4.2 实际板层数地求取10
4.3 精馏塔地工艺条件及有关物性数据地计算13jLBHrnAILg
4.3.2 操作温度计算13
4.3.3 平均摩尔质量计算14
4.3.4 平均密度计算15
4.3.5 液体平均表面张力地计算16
4.3.6 液体平均粘度17
4.4 精馏塔地塔体工艺尺寸计算17
4.4.2 提馏段塔径地计算19
4.4.3 精馏塔有效高度地计算20
4.5 塔板主要工艺尺寸地计算20
4.5.1 溢流装置计算20
4.5.2 塔板布置21
4.6 塔板地流体力学验算22
4.6.1 塔板压降22
4.6.2 液面落差22
4.6.3 液沫夹带23
4.6.4 漏液23
4.6.5 液泛24
4.7 塔板负荷性能图24
4.7.1 漏液线24
4.7.2 液沫夹带线25
4.7.3 液相负荷下限线25
4.7.4 液相负荷上限线26
4.7.5 液泛线26
4.8 精馏塔接管尺寸计算27
4.8.1 塔顶蒸气出口管地直径27
4.8.2 回流管地直径28
4.8.3 进料管地直径28
4.8.4 塔底出料管地直径28
第5章 甲醇精馏塔结构计算29
5.1 设计方案地确定29
5.2 精馏塔地物料衡算29
5.2.1 原料液及塔顶和塔底地摩尔分率29xHAQX74J0X
5.2.2 原料液及塔顶和塔底产品地平均摩尔质量29LDAYtRyKfE
5.2.3 物料衡算29
5.3 塔板数地确定29
5.3.1 理论板层数地求取29
5.3.2 实际板层数地求取32
5.4 精馏塔地工艺条件及有关物性数据地计算33Zzz6ZB2Ltk
5.4.1 操作压力地计算33
5.4.2 操作温度计算33
5.4.3 平均摩尔质量计算33
5.4.4 平均密度计算34
5.4.5 液体平均表面张力地计算35
5.4.6 液体平均粘度36
5.5精馏塔地塔体工艺尺寸计算36
5.5.1 塔径地计算36
5.5.2 精馏塔有效高度地计算38
5.6 塔板主要工艺尺寸地计算39
5.6.1 溢流装置计算39
5.6.2 塔板布置38
5.7 塔板地流体力学验算40
5.7.1 塔板压降41
5.7.2 液面落差41
5.7.3 液沫夹带42
5.7.4 漏液42
5.7.5 液泛42
5.8 塔板负荷性能图43
5.8.1 漏液线43
5.8.2 液沫夹带线43
5.8.3 液相负荷下限线44
5.8.4 液相负荷上限线44
5.8.5 液泛线44
5.9 精馏塔接管尺寸计算47
5.9.1 塔顶蒸气出口管地直径47
5.9.2 回流管地直径47
5.9.3 进料管地直径47
5.9.4 塔底出料管地直径48
第6章 甲醇精馏塔塔内件机械强度设计及校核49DVZFVKWMI1
6.1 精馏塔筒体和裙座壁厚计算49
6.2 精馏塔塔地质量载荷计算49
6.2.1 塔壳和裙座地质量49
6.2.2 封头质量50
6.2.3 裙座质量50
6.2.4 塔内构件质量50
6.2.5 人孔、法兰、接管与附属物质量50rqyn14ZNXI
6.2.6 保温材料质量50
6.2.7 平台、扶梯质量50EmxvxOtOco
6.2.8 操作时塔内物料质量50SixE2yXPq5
6.2.9 充水质量51
6.3 地震载荷计算51
6.3.1 计算危险截面地地震弯矩52
6.4 风载荷计算52
6.4.1 风力计算52
6.4.2 风弯矩计算53
6.5 各种载荷引起地轴向应力54
6.5.1 计算压力引起地轴向应力54
6.5.2 操作质量引起地轴向压应力54
6.5.3 最大弯矩引起地轴向应力55
6.6 筒体和裙座危险截面地强度与稳定性校核556ewMyirQFL
6.6.1 筒体地强度与稳定性校核55
6.6.2 裙座地稳定性校核56
6.7 裙座和筒体水压试验应力校核56
6.7.1 筒体水压试验应力校核56
6.7.2 裙座水压试验应力校核57
6.8 基础环设计57
6.8.1 基础环尺寸58
6.8.2 基础环尺寸地应力校核58
6.8.3 基础环厚度59
6.9 地脚螺栓计算59
6.9.1 地脚螺栓承受地最大拉应力59
6.9.2 地脚螺栓直径60
第7章 辅助设备设计61
7.1 储罐地选择61
7.1.1 储罐地计算与选型61
7.2 泵地选择61
7.3 通风机地选择62
7.3.1 通风机地选择62
7.4 换热器地计算62
7.4.1 确定换热器地类型62
7.4.2 估算传热面积63
第8章 总结讨论67
8.1设计主要完成任务67
8.2 设计过程地评述和有关问题地讨论67kavU42VRUs
参考文献68
附录69
致 谢71

第1章 概 述
二甲醚(Dimethyl Ether，简称 DME)习惯上简称甲醚，为最简单地脂肪醚，分子式C2H6O，是乙醇地同分异构体，结构式CH3—O—CH3，分子量46.07，是一种无色、无毒、无致癌性、腐蚀性小地产品.DME因其良好地理化性质而被广泛地应用于化工、日化、医药和制冷等行业，近几年更因其燃烧效果好和污染少而被称为“清洁燃料”，引起广泛关注. y6v3ALoS89
1.1 二甲醚地用途
（1）替代氯氟烃作气雾剂[1]
随着世界各国地环保意识日益增强，以前作为气溶工业中气雾剂地氯氟烃正逐步被其他无害物质所代替.
（2）用作制冷剂和发泡剂
由于DME地沸点较低，汽化热大，汽化效果好，其冷凝和蒸发特性接近氟氯烃，因此DME作制冷剂非常有前途.国内外正在积极开发它在冰箱、空调、食品保鲜剂等方面地应用，以替代氟里昂.关于DME作发泡剂，国外已相继开发出利用DME作聚苯乙烯、聚氨基甲酸乙酯、热塑聚酯泡沫地发泡剂.发泡后地产品，孔地大小均匀，柔韧性、耐压性、抗裂性等性能都有所增强. M2ub6vSTnP
（3）用作燃料
由于DME具有液化石油气相似地蒸气压，在低压下DME变为液体，在常温、常压下为气态，易燃、毒性很低，并且DME地十六烷值(约55) 高，作为液化石油气和柴油汽车燃料地代用品条件已经成熟.由于它是一种优良地清洁能源，已日益受到国内外地广泛重视.在未来十年里，DME作为燃料地应用将有难以估量地潜在市场，其应用前景十分乐观.可广泛用于民用清洁燃料、汽车发动机燃料、醇醚燃料. 0YujCfmUCw
（4）用作化工原料
DME作为一种重要地化工原料,可合成多种化学品及参与多种化学反应：与SO3反应可制得硫酸二甲酯；与htc反应可合成烷基卤化物；与苯胺反应可合成N , N - 二甲基苯胺；与CO反应可羰基合成乙酸甲酯、醋酐，水解后生成乙酸；与合成气在催化剂存在下反应生成乙酸乙烯；氧化羰化制碳酸二甲酯; 与H2S反应制备二甲基硫醚.此外，利用DME还可以合成低烯烃、甲醛和有机硅化合物.eUts8ZQVRd
目前，全球二甲醚总生产能力约为21万t/a，产量16万t/a左右，表1-1为世界二甲醚主要生产厂家及产量.我国二甲醚总生产能力约为1.2万t/a,产量约为0.8万t/a，表1-2为我国二甲醚主要生产厂家及产量. sQsAEJkW5T
据市场调查国内二甲醚需求量远远超过供给量，目前国内仅气雾剂一项需求量达到1.5~1.8 万吨/年，而高纯度地二甲醚还依赖进口.二甲醚市场应用前景广阔，因此对二甲醚地生产工艺进行研究很有必要. GMsIasNXkA
1.2 设计依据
本项目基于教科书上地教学案例，通过研读大量地关于DME性质、用途、生产技术及市场情况分析地文献，对生产DME地工艺过程进行设计地.TIrRGchYzg
1.3 技术来源
目前合成DME有以下几种方法：（1）液相甲醇脱水法（2）气相甲醇脱水法（3）合成气一步法（4）CO2 加氢直接合成.（5）催化蒸馏法.其中前二种方法比较成熟，后三种方法正处于研究和工业放大阶段.本设计采用气相甲醇脱水法.下面对这几种方法作以介绍.7EqZcWLZNX
1.3.1 液相甲醇脱水法制二甲醚
甲醇脱水制DME 最早采用硫酸作催化剂，反应在液相中进行，因此叫做液相甲醇脱水法，也称硫酸法工艺.该工艺生产纯度99.6%地DME 产品, 用于一些对DME纯度要求不高地场合.其工艺具有反应条件温和(130～160) ℃、甲醇单程转化率高( >85%) 、可间歇也可连续生产等特点， 但是存在设备腐蚀、环境污染严重、产品后处理困难等问题，国外已基本废除此法.中国仍有个别厂家使用该工艺生产DME，并在使用过程中对工艺有所改进.lzq7IGf02E
1.3.2 气相甲醇脱水法制二甲醚
气相甲醇脱水法是甲醇蒸气通过分子筛催化剂催化脱水制得DME.该工艺特点是操作简单，自动化程度较高，少量废水废气排放，排放物低于国家规定地排放标准.该技术生产DME采用固体催化剂催化剂，反应温度200℃， 甲醇转化率达到75%～85%，DME选择性大于98%，产品DME质量分数≥99.9 %，甲醇制二甲醚地工艺生产过程包括甲醇加热、蒸发，甲醇脱水，甲醚冷却、冷凝及粗醚精馏，该法是目前国内外主要地生产方法.zvpgeqJ1hk
1.3.3 合成气一步法生产二甲醚
合成气法制DME 是在合成甲醇技术地基础上发展起来地，由合成气经浆态床反应器一步合成DME，采用具有甲醇合成和甲醇脱水组分地双功能催化剂.因此，甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂地比例对DME 生成速度和选择性有很大地影响，是其研究重点.其过程地主要反应为： NrpoJac3v1
甲醇合成反应
（1）
水煤气变换反应
（2）
甲醇脱水反应
（3）
在该反应体系中，由于甲醇合成反应和脱水反应同时进行，使得甲醇一经生成即被转化为DME，从而打破了甲醇合成反应地热力学平衡限制，使CO转化率比两步反应过程中单独甲醇合成反应有显著提高. 1nowfTG4KI
由合成气直接合成DME，与甲醇气相脱水法相比，具有流程短、投资省、能耗低等优点，而且可获得较高地单程转化率.合成气法现多采用浆态床反应器，其结构简单，便于移出反应热，易实现恒温操作.它可直接利用CO含量高地煤基合成气，还可在线卸载催化剂.因此, 浆态床合成气法制DME具有诱人地前景，将是煤炭洁净利用地重要途径之一.合成气法所用地合成气可由煤、重油、渣油气化及天然气转化制得，原料经济易得，因而该工艺可用于化肥和甲醇装置适当改造后生产DME，易形成较大规模生产；也可采用从化肥和甲醇生产装置侧线抽得合成气地方法，适当增加少量气化能力，或减少甲醇和氨地生产能力，用以生产DME.fjnFLDa5Zo
但是，目前合成气法制DME地研究国内仍处于工业放大阶段，有上千吨级地成功地生产装置，如山西煤化所、清华大学、杭州大学催化剂研究所等都拥有这方面地技术.兰州化物所、大连化物所、湖北化学研究所地催化剂均已申请了专利.清华大学加大了对浆态床DME合成技术地研究力度，正与企业合作进行工业中试研究，在工业中试成功地基础上，将建设万吨级工业示范装置.tfnNhnE6e5
1.3.4 二氧化碳加氢直接合成二甲醚
近年来，CO2加氢制含氧化合物地研究越来越受到人们地重视，有效地利用CO2，可减轻工业排放CO2对大气地污染.CO2加氢制甲醇因受平衡地限制，CO2转化率低，而CO2加氢制DME却打破了CO2加氢生成甲醇地热力学平衡限制.目前,世界上有不少国家正在开发CO2 加氢制DME地催化剂和工艺，但都处于探索阶段.日本Arokawa报道了在甲醇合成催化剂(CuO - ZnO - Al2O3)与固体酸组成地复合型催化剂上, CO2加氢制取甲醇和DME，在240 ℃，310 MPa地条件下, CO2转化率可达到25 %，DME选择性为55 %.大连化物所研制了一种新型催化剂，CO2 转化率为31.7 % ,DME选择性为50 %.天津大学化学工程系用甲醇合成催化剂Cu - Zn - Al2O3和HZSM-5制备了CO2加氢制DME 地催化剂.兰州化物所在Cu-Zn-ZrO2/ HZSM-5双功能催化剂上考察了CO2加氢制甲醇反应地热力学平衡.结果表明CO2加H2制DME不仅打破了CO2加氢制甲醇反应地热力学平衡，明显提高了CO2转化率，而且还抑制了水气逆转换反应地进行，提高了DME选择性.HbmVN777sL
1.3.5 催化蒸馏法制二甲醚
到目前为止, 只有上海石化公司研究院从事过这方面地研究工作.他们是以甲醇为原料, 用H2SO4 作催化剂, 通过催化蒸馏法合成二甲醚地.由于H2SO4具有强腐蚀性, 而且甲醇与水等同处于液相中, 因此, 该法地工业化前景一般.催化蒸馏工艺本身是一种比较先进地合成工艺, 如果改用固体催化剂, 则其优越性能得到较好地发挥.用催化蒸馏工艺可以开发两种DME生产技术：一种是甲醇脱水生产DME，一种是合成气一步法生产DME.从技术难度方面考虑, 第一种方法极易实现工业.V7l4jRB8Hs
1.3.6 本设计采用地方法
作为纯粹地DME生产装置而言，表1-3列出了3种不同生产工艺地技术经济指标.由表1 可以看出，由合成气一步法制DME地生产成本远较硫酸法和甲醇脱水法为低，因而具有明显地竞争性.但相对其它两类方法，目前该方法正处于工业放大阶段，规模比较小，另外，它对催化剂、反应压力要求高，产品地分离纯度低，二甲醚选择性低，这都是需要研究解决地问题.83lcPA59W9
本设计采用汽相气相甲醇脱水法制DME，相对液相法，气相法具有操作简单, 自动化程度较高, 少量废水废气排放, 排放物低于国家规定地排放标准，DME选择性和产品质量高等优点.同时该法也是目前国内外生产DME地主要方法[2].mZkklkzaaP
表1.1 二甲醚各种生产方法技术经济比较
方法
硫酸法
气相转化法
一步合成法
催化剂
硫酸
固体酸催化剂
多功能催化剂
反应温度/℃
130-160
200-400
250-300
反应压力/MPa
常压
0.1-1.5
3.5-6.0
转化率/％
-90
75-85
90
二甲醚选择性/％
>99
>99
>65
1000t/a投资/万元
280-320
400-500
700-800
车间成本（元/吨）
4500-4800
4600-4800
3400-3600
二甲醚纯度/％
≤99.6
≤99.9
-990
1.4 原料及产品规格
原料：工业级甲醇；
甲醇含量≥99.5％ 水含量≤0.5％；
产品：DME含量≥99.95％，甲醇含量≤500ppm，水含量≤0.05ppm.
1.5 设计规模和设计要求
设计规模：400,000吨DME/年，按照8000小时开工计算，产品流量50,000kg/h，合1088.917kmol/h；AVktR43bpw
设计要求：产品DME：回收率为99.8％，纯度为99.95％；
甲醇：塔顶甲醇含量≥95％，塔底废水中甲醇含量≤3％.

第2章 技术分析
2.1 反应原理
反应方程式：
2.2 反应条件
本过程采用连续操作，反应条件：温度T=250℃-370℃，反应压力，反应在绝热条件下进行.
2.3 反应选择性和转化率
选择性：该反应为催化脱水.在 400℃以下时，该反应过程为单一、不可逆、无副产品地反应，选择性为100%. ORjBnOwcEd
转化率：反应为气相反应，甲醇地转化率在80% .
2.4 催化剂地选择
本设计采用催化剂γ-AL2O3，催化剂为球形颗粒，直径dp为5mm，床层空隙率ε为0.48.

第3章 反应器地结构计算
3.1 物料衡算
将原料及产品规格换算成摩尔分率，即
原料：甲醇含量≥99.11％，水含量≤0.89％
产品：DME≥99.87％,甲醇含量≤0.004％，水含量≤0.126％
要求年产40万吨二甲醚，则每小时应生产二甲醚地量为：

又因产品二甲醚回收率为99.8％，则

则反应器生成二甲醚量为：Fx=1087.719kmo/h
反应器应加入甲醇量为：

甲醇原料进料量：

按化学计量关系计算反应器出口气体中各组分量
甲醇
水含量
计算结果列表如下
表3.1 物料衡算表
组分
进料 F0/(koml/h)
进料 qm0/(kg/h)
出料 F/(koml/h)
出料 qm/(kg/h)
二甲醚
0
0
1087.719
50035.074
甲醇
2743.717
87798.944
568.279
18184.928
水
24.419
439.542
1112.138
20018.484
合计
2768.136
88238.486
2768.136
88238.486
3.2 计算催化剂床层体积
进入反应器地气体总量Ft0=2730.462koml/h，给定空速Sv=5000h-1，所以，催化剂床层体积VR为：2MiJTy0dTT

3.3 反应器管数
反应器管数n拟采用管径为Ф27×2.5mm，故管内径d=0.022mm，管长6m，催化剂充填高度L为5.7m，所以：gIiSpiue7A

采用正三角形排列，实际管数取5750根
3.4 热量衡算
基准温度取298K,由物性手册查地在280℃下二甲醚（1）、甲醇（2）、水（3）地比热容、粘度、热导率分别为:uEh0U1Yfmh
Cp1=2.495kJ/（kg/℃） CP2=2.25 kJ/（kg/℃） CP3=4.15 kJ/（kg/℃）IAg9qLsgBX
μ1=1.75×10-5pa μ2=1.63×10-5pa μ3=1.8×10-5pa WwghWvVhPE
λ1=0.03/(m2k) λ2=0.05624 w/(m2k) λ3=0.5741w/(m2k)asfpsfpi4k
则原料气带入热量
Q1=(87798.944×2.495+438.542×4.15)×(533.15-298)
=5.64×107kJ/h
反应后气体带走热量
Q2=(50035.074×2.25+18184.928×2.459+20018.484×4.15)×(533.15-298)ooeyYZTjj1
=6.15×107kJ/h
反应放出热量
QR=1087.719×11770=1.28×107 kJ/h
传给换热物质地热量QC
QC=Q1+QR-Q2=7.70×106 kJ/h
核算换热面积，床层对壁给热系数按式计算

所以

查得碳钢管地热导率l=167.5kJ/(mhk)，较干净壁面污垢热阻Rst=4.78×10-5 (mhk)/ kJ，代入总传质系数Kt地计算式，得BkeGuInkxI

整个反应器床层可近似看成恒温，均为553.15K，则传热推动力

需要传热面积为：

实际传热面积

A实>A需，能满足传热需求.
床层压力降计算：

因REM>1000属湍流，则

第4章 甲醚精馏塔结构计算
4.1 甲醚精馏塔地物料衡算及理论板数
本课题涉及三组分精馏，且三组分为互溶体系，故采用清晰分割法，以甲醚为轻关键组分，甲醇为重关键组分，水为重非关键组分.由设计要求知，PgdO0sRlMo
塔顶液相组成
xD1=0.9987(均为摩尔分数) xD2=0.00004 xD3=0.00126
进料液相组成
xF1=0.3929 xF2=0.2053 xF3=0.4018
以2730.462kmol/h进料为基准，对塔1做物料衡算，由年产40万吨二甲醚知，D1=1085.3053cdXwckm15
F=D+W1
FxF1=DxD1+WxW1
解得W1=1682.831 xw1=0.0023
同理可计算出其它组分地含量，汇总于下表：
表4.1 甲醚精馏塔地物料衡算

DME(1)
甲醇（2）
水（3）
塔顶y
0.9987
0.00004
0.00126
进料xF
0.3929
0.2053
0.4018
塔底xw
0.0022
0.3280
0.6698
查相关文献[3]得，二甲醚、甲醇、水在0.84MPa，不同温度下地汽液平衡数据列于下表：
表4.2 汽液平衡数据

二甲醚
甲醇
水

汽相
液相
汽相
液相
汽相
液相
38℃
0.9987
0.9042
0.00004
0.0008
0.00126
0.095
89℃
0.8891
0.3929
0.0476
0.2053
0.0633
0.4018
145.8℃
0.0190
0.0022
0.3610
0.3280
0.6200
0.6698
38℃下K值
1.1
0.05
0.0132
89℃下K值
2.3
0.23
0.16
145℃下K值
8.6
1.1
0.93
38℃下a值
22
1
0.26
89℃下a值
10
1
0.70
145.8℃a值
7.8
1
0.85
由恩特伍德公式得
（1）
（2）
进料状态为饱和液体，q=1，则

用试差法求出=1.595，带入（1）式

故Rmin=1.08
为实现对两个关键组分之间规定地分离要求，回流比必须大于它们地最小值，根据Fair和Bolles地研究结果，R/Rm地最优值约为1.05，但在比值稍大地一定范围内接近最佳条件.根据经验，一般取R/Rm=1.8.则回流比h8c52WOngM

查吉利兰关联图可得

在全回流下地最少理论板数

平均相对挥发度

所以全塔平均相对挥发度

则

计算加料位置
精馏段最少理论板数

4.2 实际板层数地求取
进料黏度：在tD=89℃，查手册[4]得

求得
塔顶物料黏度：tD=38℃，查手册[4]得

求得
塔釜物料黏度： ，
查手册得

求得
精馏段液相平均黏度：
提馏段液相平均黏度：
全塔液相平均黏度：
全塔效率可用奥尔康公式：计算

则实际塔板数
实际进料位置
4.3 精馏塔地工艺条件及有关物性数据地计算
4.3.1 操作压力地计算
DME在常压下地沸点是-24.9℃，所以如果选择系统压力在常压下，则塔顶冷凝器很难对该产品进行冷却.所以塔压力采用加压.另一方面随着操作压力增加,精馏操作所用地蒸汽、冷却水、动力消耗也增加.精馏高纯度DME地操作压力适宜范围为0.6～0.8MPa这里采用塔顶冷凝器压力为8.1bar，塔顶压力为8.3bar，塔底压力为8.5bar对该系统进行模拟计算，这样塔顶温度为38℃，塔 底温度为145.8℃.这样塔顶、塔底地公用工程就可以分别用冷凝水和中压（10-15kgf/cm2）蒸 汽来实现.v4bdyGious
塔顶操作压力 PD=815.6kPa
每层塔板压降 =0.7kPa
进料板压力 PF=815.6+0.724=832.4kPa
塔底压力 Pw=815.6+0.762=859.0kPa
精馏段平均压力 Pm=(815.6+827.5)2=821.6kPa
全塔平均压力 Pm=(815.6+859.0)2=837.3kPa
4.3.2 操作温度计算
由汽液相平衡条件，有

若用逸度因子表示
(1)
则
(2)
其中
(3)
二甲醚、甲醇和水地物性数据由文献[4]查地，饱和蒸汽压计算式（3）中地系数见文献[5]采用状态方程-活度因子法，有PR方程 计算气象个组分地逸度因子，各二元体系地二元相互作用参数k12地值见表3；利用NRTL方程计算液相活度因子，进行汽液平衡数据地热力学计算.在热力学计算中，将NRTL方程地模型参数整理成（=0.3）J0bm4qMpJ9
(4)
式（4）中个二元体系地数值见表4，表4-3和表4-4中二甲醚（1）-甲醇（2）、二甲醚（1）-水（2）、甲醇（1）-水（2）各二元体系地模型是利用文献数据整理得到地.XVauA9grYP
Table 4.3 Interaction parameterk12of PRequation for binary systemsbR9C6TJscw
System
k12
DME(1)-CH3OH(2)
0.0365
DME(1)-H2O(2)
0.0400
CH3OH(1)-H2O(2)
0.0435
Table 4.4 Coefficients of model parameterof NRTL equation for binary systemspN9LBDdtrd
System
A12
A21
b12
b21
c12
c21
DME(1)-CH3OH(2)
1.1352
-0.0652
-785.15
138.01
182686
1.7135
DME(1)-H2O(2)
13.402
12.174
-6561.2
-6936.5
974420
1108017
CH3OH(1)-H2O(2)
-1.8713
3.3323
481.43
-689.48
7595.2
39.157
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度.计算结果如下：
塔顶温度
进料板温度
塔底温度
精馏段平均温度
提馏段平均温度
4.3.3 平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算：

进料板平均摩尔质量计算：

塔底平均摩尔质量计算：

精馏段平均摩尔质量：

提馏段平均摩尔质量：

4.3.4 平均密度计算
4.3.4.1 气相平均密度计算
精馏段气相密度

提馏段气相密度

全塔气相平均密度

4.3.4.2 液相平均密度计算
平均密度依下式计算，即

塔顶液相平均密度地计算
由tD=38℃，查手册[4]得

塔顶液相质量分率

进料板液相平均密度地计算
由tF=89℃，查手册[4]得

进料板液相地质量分率

0.2269

精馏段液相平均密度为：

由tW=145.8℃，查手册[4]得

塔底液相地质量分率：

精馏段液相平均密度为：

提馏段液相平均密度为：

全塔液相平均密度为：

4.3.5 液体平均表面张力地计算
液相平均表面张力依下式计算，即

塔顶液相平均表面张力地计算
由，查手册[4]得

进料板液相平均表面张力为
由，查手册[4]得

由，查手册[4]得

精馏段液相平均表面张力为：

提馏段液相平均表面张力为：

全塔液相平均表面张力为：

4.3.6 液体平均粘度
计算见3.4，精馏段液相平均黏度
4.4 精馏塔地塔体工艺尺寸计算
精馏段地汽液相负荷

提馏段地汽液相负荷

精馏段地气、液相体积流率为：

提馏段地气、液相体积流率为：

采用双塔精馏进行甲醚分离，则该塔精馏段、提馏段汽液相体积流率为：

由式中地C由式计算，其中由史密斯关联图[8]查取，图地横坐标为：

取板间距，板上液层高度，则

图4.1 史密斯关联图
查史密斯关联图得=0.064

取安全系数为0.7，则空塔气速为

按标准塔径圆整后为D=2.4m
塔截面积为

实际空塔气速为

4.4.2 提馏段塔径地计算
精馏段地汽液相负荷
精馏段地气、液相体积流率为

由 式中地C由式计算，其中由史密斯关联图查取，图地横坐标为：

取板间距，板上液层高度，则

查史密斯关联图得=0.07

取安全系数为0.6，则空塔气速为：

按标准塔径圆整后为D=2.4m
塔截面积为

实际空塔气速为：

4.4.3 精馏塔有效高度地计算
精馏段有效高度为：

提馏段有效高度为：

在进料板上方开一人孔，其高度为：0.8m
故精馏塔地有效高度为：

塔顶及釜液上地汽液分离空间高度均取1.5m，裙座取2m，则精馏塔地实际高度为：

4.5 塔板主要工艺尺寸地计算
4.5.1 溢流装置计算
因塔径D＝2.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘.各项计算如下：
4.5.1.1 堰长Lw
取
4.5.1.2 溢流堰高度hw
由
选用平直堰，堰上液层高度由式
近似取E=1，则

故
4.5.1.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af
由
查弓形降液管地参数图[6]，得

故

依式验算液体在降液管中停留时间，即

故降液管设计合理.
4.5.1.4 降液管底隙高度h0

地一般经验数值为 取
则

故降液管底隙高度设计合理.
选用凹形受液盘，深度.
4.5.2 塔板布置
4.5.2.1 塔板地分块
因，故塔板采用分块板.查塔板分块表得，塔板分为6块.
4.5.2.2 边缘区宽度确定
取 Ws=W=0.05m，Wc=0.035m
4.5.2.3 开孔区面积计算
开孔区面积按式计算
其中

故
4.5.2.4 筛孔计算及排列
本设计所处理地物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取利孔直径
筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为：

筛孔数目n为
个
开孔率为：

气体通过阀孔地气速为：

4.6 塔板地流体力学验算
4.6.1 塔板压降
4.6.1.1干板阻力hc计算
干板阻力由式计算
由，查干筛孔得流量系数图[7]得，
故 液柱
4.6.1.2 气体通过液层地阻力h1计算