湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
液相摩尔流量（kmol/h） 气相质量流量（kg/h） 液相质量流量（kg/h）
摩尔分率 质量分率
气相平均相对分子质量 液相平均相对分子质量 气相平均密度（kg/m3） 液相平均密度（kg/m3）
温度/℃ 平均粘度（mPa·s）
785.55 24.972×103 0.9824 0.99 31.79 31.79 1.146 737.83 65.01 0.335
139.147
2.5041×103 0.002818 0.005 18.06 18.06 0.589 958 99.62 0.285
924.697
27.491×103 0.835 0.9 30.50 29.73 1.09 751.65 68.25 0.327
3542.84 137599.21 11262.56
31.15 30.26 1.118 744.74 0.331
4283.50 102292.08 105006.49
24.26 23.88 0.84 854.83 0.306
4.2 合成塔及其附属设备的计算选型 4.2.1 物料衡算
进塔甲醇蒸汽流量 D?=785.55/4=196.388kmol/h
由反应式 2CH3OH?CH3OCH3?H2O 其单程转化率为80%，DME选择性≥99% 则生成二甲醚的出塔流量为 D???196.388?98.24%?80%?99%/2?76.401kmol/h 未反应的甲醇出塔流量为 N1?196.388?98.24%?20%?38.586kmol/h
出塔水的流量为 N2?196.388?(1?98.24%)?196.388?98.24%?80%/2?77.171kmol/h
4.2.2 合成塔的选取选取：
合成塔的尺寸[1]为立式Φ1000×6680，催化剂载量V=1.5m3 4.2.3 热量衡算及附属设备的选型计算
（1）合成反应热的计算：查天大四版物理化学上册[11]附录得，
Qr????B?fHm??2?(?200.66)?(?184.05)?(?241.818)??24.548kJ/mol
?33则反应放热为：Qr?(?24.548)?196.388?98.24%?80%?10/2??1894.44?10kJ/h
进塔甲醇蒸汽的热量：
Qi?QD?QC??58935.1?4.1868/4?0.72?1.412?4.1868?(240?65.01)?24.972?10??19546596.32kJ/h3
其中 QD——汽化塔塔顶馏出液带出热量；QC——甲醇蒸汽由65.01℃加热到240℃所需热量； 0.72——65.01℃时甲醇的比热容，单位kcal/(kg·℃);1.41——240℃时甲醇的比热容； 出塔混合液的热量：损失的热量取反应热的10%
3则 QO?Qi?Qr?Q损??19546596.33?1894.44?10(1?10%)??21251592.32kJ/h
根据经验值取混合液体的比热容cp=11.8kJ/(kg·℃)，则
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合成塔的出口温度为
to?21251592.32(76.40?46.07?38.58?32.04?77.17?18.02)?11.8=293.01℃
（2）第一热交换器的计算选型：取出口温度为260.0℃ , 传热系数K=200 W/(m2·℃), 汽化塔塔顶馏出液温度由65.01℃，经第一热交换器后加热至90.0℃，合成塔出塔混合液经第一热交换器后被降温至260.0℃，则
逆流： T 293.01℃→260.0℃ t 90℃ ← 65.01℃
?tm??t2??t1ln(?t2/?t1)?(293.01?90)?(260.0?65.01)ln293.01?90260.0?65.01?198.97℃
取该条件下混合液体的比热容cp=11.0kj/(kg·℃)，则交换热量为
Q1?cp??t?11.0?(293.01?260)?(76.401?46.07?38.580?32.04?677.171?18.02)?2231837.46kJ/h
换热器面积 A?Q1K??tm?2231837.46/3.6200?198.07?34.65m
2查文献选取换热器型号为：Φ450×3000，换热面积F=38.1m2
（3）第二热交换器的计算选型：原料液温度由常温25℃加热到汽化塔进料温度68.25℃，第一热交换器出来的热流体由260℃降至170℃，传热系数取K=200 W/(m2·℃)。 逆流： T 260℃ →170℃ t 68.25℃←25℃
?tm??t2??t1ln(?t2/?t1)?(260?68.25)?(170?25)ln260?68.25170?25?167.29℃
进入第二热交换器的热量：
Q??Qc?(1?10%)?Cp??t?21251592.32?(1?10%)?2231837.46?16894595.63kJ/h
取该条件下混合液体的比热容cp=8.5kJ/(kg·℃)，则交换热量为
Q2?cp??t?8.5?(260?170)?(76.401?46.07?38.58?32.04?77.171?18.02)?4702034.25kJ/h
换热面积 A?Q2K??tm?4702034.25/3.6200?167.29?39.04m
2查文献选取换热器型号[2]为: Φ450×3000，换热面积F=41.0 m2
（4）第一冷凝器的计算选型：热流体进口温度170℃，出口温度100℃；冷凝水的进口温度20℃，出口温度为35℃。
逆流： T 170℃→100℃ t 35℃← 20℃
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?tm??t2??t1ln(?t2/?t1)?(170?35)?(100?20)ln170?35100?20?105.11℃
进入第一冷凝器的热量：
Q???Q??(1?10%)?Q1?16894595.63?(1?10%)?4702034.25?10503101.82kJ/h
表21 沸点下蒸发潜热列表
二甲醚 甲醇 水
沸点/℃ -24.9 64.7 100
蒸发潜热?Hr/(kj/mol)
21.51 35.25 40.73
TC/K
400.0 512.6 647.3
由沃森公式计算平均温度135℃下的潜热 ?Hr2?1?Tr2???Hr1??1?T?r1?0.38
135℃时，对二甲醚：Tr2=T2/TC=(273.15+135)/400.0=1.02，
Tr1=T1/TC=(273.15-24.9)/400.0=0.621
可以看出不能用沃森公式推算，结合化工工艺手册乙醚在140℃下的蒸发潜热，可估算二甲醚在此温度下的蒸发潜热为?HrDME=17.50kJ/mol.
135℃时，对水： Tr2=T2/TC=(273.15+135)/647.3=0.630，
Tr1=T1/TC=(273.15+100)/647.3=0.576
则，?Hr水?1?0.630??40.73????1?0.576?0.38?38.675kJ/mol
对甲醇，同理得 Tr2= 0.796 ，Tr1=0.659
?1?0.796??35.25????1?0.659?0.38则，?Hr甲醇?28.998kJ/mol
于是混合液的汽化潜热?Hr可由下式计算，
?Hr?17.50?76.401?10?28.998?38.580?10?38.675?77.171?10?5440292.59kJ/h
333取该条件下混合液体的比热容cp=6.5kJ/(kg·℃)，则交换热量为
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Q3??Hr?cp??t?5440292.59?6.5?(170?100)?(76.401?46.07?38.580?32.04?77.171?18.02)?8236927.34kJ/h换热系数取K=700 W/(m2·℃)， 则换热面积为 A?Q3K??tm?8236927.34/3.6700?105.11?52.40m
2查文献得冷凝器的型号[2]为：Φ450×4500，换热面积F=57.8m2 （5）第二冷凝器的计算选型
热流体进口温度100℃，出口温度25℃；冷凝水的进口温度20℃，出口温度为35℃。 逆流： T 100℃→25℃ t 35℃← 20℃
?tm??t2??t1ln(?t2/?t1)?(100?35)?(25?20)ln100?3525?20?23.39℃
由沃森公式计算平均温度62.5℃下的潜热
?HrDME=15.536 kJ/mol. ， ?Hr甲醇 =35.407 kJ/mol. ， ?Hr水 =42.730 kJ/mol.
假设第一冷凝器的冷凝效率为80%，于是混合液的汽化潜热?Hr可由下式计算
?Hr?(15.536?76.401?10?35.407?38.580?10?77.171?64.503?10)?(1?80%)?1170085.31kJ/h333
取该条件下混合液体的比热容cp=3.6kJ/(kg·℃)，则交换热量为
Q4??Hr?cp??t?1170085.31?3.6?(100?25)?(76.401?46.07?38.580?32.04?77.171?18.02)?20%?1501993.61kJ/h
换热系数取K=800 W/(m2·℃)， 则换热面积为 A?Q4K??tm?1501993.61/3.6800?23.39?51.29m]
2查文献得冷凝器的型号为Φ450×4500，换热面积F=52.5m2：
4.3 初馏塔及其附属设备的计算选型 本塔设计为二甲醚、甲醇、水三组分的精馏计算，现做简化设计，按二甲醚——甲醇两组分精馏计算，因为水的沸点高于甲醇的沸点，可近似处理将水的流量并到甲醇中按二组分精馏计算设计初馏塔。
进料质量流量 F=76.401×42.07+38.580×32.04+77.171×18.02=6146.45kg/h
摩尔流量 F?=192.154kmol/h
其中二甲醚的质量流量为3214.148kg/h，摩尔流量为76.401kmol/h 甲醇的质量流量为1236.10kg/h，摩尔流量为38.580kmol/h 水的质量流量为1390.6kg/h，摩尔流量为77.171kmol/h 摩尔分率 二甲醚为39.06%，甲醇为19.72%，水为41.22% 质量分率 二甲醚为54.45%，甲醇为20.94%，水为24.61%
0操作压力为0.78MPa,二甲醚-甲醇的汽液平衡数据可依据Antoine方程（lgPA?A?B/(t?C)）
[2]
计算，所得二甲醚-甲醇的t-x-y数据如下表，其中二甲醚、甲醇的Antoine方程常数查自化学工程师
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手册[4]P59、P55。
表22 二甲醚-甲醇平衡时的t、x、y数据
平衡温度/℃ 液相DME x/mol % 气相DME y/mol % 平衡温度/℃ 液相DME x/mol % 气相DME y/mol %
32.90 100.0 100.0 90 19.1 73.6
40 81.5 99.2 100 13.1 61.1
50 61.6 97.3 110 7.9 44.2
60 46.8 94.3 120 3.3 21.9
70 35.3 89.5 127.76 0 0
80 26.4 83.0
4.3.1 物料衡算
已知：进料F??6146.45kg/h，F?192.152kmol/h
MDME?46.07kg/kmol,M甲醇?32.04kg/kmol
二甲醚的摩尔流量为 76.401kmol/h，甲醇的摩尔流量为 115.75kmol/h
二甲醚的摩尔分率为x1?0.3906，甲醇的摩尔分率为x2?1?0.3906?0.6094
xF?x1?39.06%，xD?xW?0.5/46.070.5/46.07?99.5/32.0495/46.0795/46.07?5/32.04?0.003483
?0.9296，
根据物料衡算方程解得 D?80.31k1mol/h?,W l111.8k3m2oh采用泡点进料q=1，由汽液平衡数据，用内插法求得进料温度为
70?6035.3?46.8?tF?6039.06?46.8?tF?66.73℃
此温度下， ??yAxB/yBxA?1.72 ； RmR?1.2Rmin?1.2?3.06?3.67
L?R?D?3.67?80.311?294.743kmol/h
?in?x???(1?xD)??D? ??3.06??1?xF1?xF?1L??L?q?F?294.743?1?192.152?487.295kmol/h V??V?(R?1)D?375.048kmol/h
表23 物料衡算结果表
物料 进料 塔顶产品D 塔底残液W
流量（kmol/h） 192.152 80.311 111.832
组成 0.3906 0.9296 0.003483
物料
精馏段上升蒸汽量V 提馏段上升蒸汽量V?
物流（kmol/h） 375.048 375.048 294.743 487.295
精馏段下降液体量L 提馏段下降液体量L?
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