湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
并由液态转化成饱和气态，再进入电加热炉过热至250℃以上温度，过热后的甲醇原料蒸汽以逆流方式进入固定床合成塔，在氧化铝型固定床中进行缩水反应生成气态二甲醚和水（反应温度控制在280℃-450℃之间，一次转化率不小于75%），反应产物中包括有二甲醚、水以及未反应的甲醇蒸汽。反应物经换热器降温后在冷凝器中被循环水冷凝成液体，经计量罐进入中间罐贮存，未被冷凝成液态的少量副反应气体如CH4、CO2等则由放空阀排入放空总管并经吸收塔吸收后直接排入大气或送入锅炉房进行焚烧，进入中间罐的反应物由屏蔽泵加压输送至初馏塔进行精馏分离，塔顶分馏出燃料级的二甲醚组分，塔底分离出粗甲醇混合物，燃料级二甲醚蒸汽在甲醚冷凝器中被循环水冷凝成常温二甲醚液体经计量泵后进入燃料级二甲醚产品中间罐，再经加压磁力泵输送至罐区产品贮罐区进行储存，塔底稀甲醇混合物经冷却后进入粗甲醇中间罐进行贮存。
粗甲醇中间罐的稀甲醇液体由屏蔽泵加压输送至甲醇回收塔进行精馏分离，塔顶分馏出精甲醇组分，塔底分离出废水，精甲醇蒸汽被循环水冷却成常温精甲醇液体，经计量后进入回收甲醇中间罐。再经计量后由工艺管道输送至往复泵进口循环使用，甲醇回收塔底废水中甲醇含量小于0.025%，经冷却稀释后直接输送锅炉房作为脱硫除尘补充循环水。
3.3生产工艺特点
本工艺装置的主要工艺特点是流程简洁明畅，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。
3.4主要工艺指标 3.4.1 二甲醚产品指标
表7 产品二甲醚产品指标
序号 1 2 3 4
组分 二甲醚 甲醇 水分 C3以下烃类
纯度 ≥99.9% ≤0.5 ≤0.3 ≤0.3
备注
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（3-1）
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%；
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回收塔：塔顶回收甲醇纯度≥98%，废水中甲醇含量≤0.5% 3.4.2 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=5～8 mm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[1]。
4主要塔设备计算及选型
原料甲醇流量的估算：年产DME10万吨，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：
?100000?103?99.92.04?3?2???/?78%?90%??27.491?10kg/kmol
300?2446.07??4.1 汽化塔及其附属设备的计算选型 4.1.1 物料衡算
已知F′=27.491×103kg/h，xF′=90%，xD′=99%,xW′=0.5%（以上均为质量百分数），
MCH3OH?32.04kg/kmol,MH2O?18.02kg/kmol，MCH3OCH3?46.07kg/kmol
摩尔分率：xF? xD? xW90/32.0490/32.04?10/18.0299/32.04?83.50%
?98.24 ?/32.?041/18.020.5/32.04??0.2818 %0.5/32.?0499.5/18.02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：F?27.491?1029.733?924.697kmol/h
?总物料 F?D?W ； 易挥发组分 FxF?DxDWWx ；
带入数据解得： D=785.55kmol/h W=139.141kmol/h
塔顶产品平均相对分子质量 M=32.04×98.24%+18.02×(1-98.24%)=31.79kg/kmol 塔顶产品质量流量 D=785.55×31.79=24.972×103kg/h
塔釜产品平均相对分子质量 M=32.04×0.2818%+18.02×(1-0.2818%)=18.06kg/kmol 塔釜产品质量流量 W=139.141×18.06=2.504×103kg/h
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表8 物料衡算结果表
物料
单位 kg/h kmol/h 质量分率
组成
摩尔分率
进料F
27.491×103 924.697
塔顶D
24.972×103
塔釜W
2.504×103 139.141
785.55 99% 98.24%
90% 83.50%
0.5% 0.2818%
[3] 表9 甲醇-水平衡时的t、x、y数据
平衡温度t 液相甲醇x 气相甲醇y
0
28.34 40.01 43.53 54.55
62.73
67.75
69.18 77.56
79.71 81.83
84.92 89.62
91.94
100
0
5.31
7.67
9.26
13.15
20.83
28.18
33.33 46.20
52.92 59.37
68.49 85.62
87.41
100
100
92.9
90.3
88.9
85.0
81.6
78.0
76.7
73.8
72.7
71.3
70.0
68.0
66.9
64.7
根据汽液平衡表（即x-y-t表），利用内插法求塔顶温度tLD、tVD，塔釜温度tW，进料液温度tF 塔顶温度tLD、tVD
98.24?87.41100?87.41100?98.24100?91.94?tLD?66.964.7?66.9?tLD?65.01℃
塔釜温度tW 进料液温度tF
?64.7?tVD64.7?66.9?tVD?65.18℃
100?92.90?5.31?tW?1000.2818?0?tW?99.62℃
68.0?85.6?270.0tF?68.0??tF?68.2℃5 68.498?3.5085.62回流比的确定：由表9的数据绘制x-y图
由图（图略）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Rmin 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
96.5Rmin?1xDR?1?20.62，所以
?20.62，所以Rmin?3.76。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
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R?1..2Rmin?1.2?3.76?4.51
甲醇-水混合液的t-x图1009080气相甲醇（%）7060504030201000102030405060708090100液相甲醇（%）
平均相对挥发度α ： t=92.9℃时 ?1?yAxByBxByAxByBxB?y(1?x)(1?y)xy(1?x)(1?y)x?28.34?(100?5.31)(100?28.34)?5.31?7.05
t=66.9℃时 ?2???91.94?(100?87.41)(100?91.94)?87.74?1.64
???1??22?7.05?1.642?4.35
4.1.2 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
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冷凝器的热负荷 QC?(R?1)D(V )ID?ILD其中 IVD——塔顶上升蒸汽的焓；ILD——塔顶馏出液的焓。
IVD?ILD?xD?HV甲?(1?xD)?HV水
其中 ?HV甲——甲醇的蒸发潜热；?HV水水的蒸发潜热 蒸发潜热与温度的关系：?H1??HV(121?Tr21?Tr1)0.38 其中Tr——对比温度。
表10 沸点下蒸发潜热列表
甲醇 水
沸点/℃ 64.65 100
蒸发潜热?Hr/(kcal·kmol-1)
8430 9729
Tc/K 512.6 647.3
0.38由沃森公式计算塔顶温度下的潜热 ?HV??HV(21T2TCT1TC273.15?65.18512.6273.1?5512.681?Tr21?Tr1)
65.18℃时，对甲醇：Tr2???0.660
Tr1??64.65?0.65 9蒸发潜热 ?Hr甲?8430?(1?0.6600.3)1?0.659?8420 .kcal/kmol 597对水，同理得 Tr2=0.523，Tr1=0.576 蒸发潜热
?Hr水?9729?1?0.5203.38()?1?0.5761017 4kcal/kmol .338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
IVD?ILD?x?HD甲IVD?I?(1?x)D?H 水8420?.5?97(1?0.9824?)10174 .kcal/kmol
代入数据得
LD?0.982?4Qc?(4.51?1)?785.55?8451.463?36581438.69 kcal/h36
冷却剂的消耗量 WC?QCCpc(t2?t1)?36581438.691?(35?20)?2438762.579kg/h
（3）加热器的热负荷及全塔热量衡算
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