化工设计课程设计

化工设计课程设计学院：化学与化工学院专业：化学工程与工艺班级：化工122指导老师：徐梅松《化工设计》课程设计任务书教师姓名徐梅松所在学院化学与化工学院指导学生姓名所在班级及学号化工1221208110208化工1221208110化工122化工122设计起止时间2015年11月10日——2015年12月30日共需周数6设计题目本项目的目标是：设计一套二甲醚生产装置，若有副产品仅进行概念设计。主要内容:1、建设的意义及规模；2、原料、燃料的选择及厂址的选择；3、工艺流程的选择及论述；4、简单的物料衡算、热量衡算及设备的选型计算；5、环境保护与安全措施6、简单的工程概算；7、总结及个人心得主要要求:装置的规模、厂址、生产的工艺路线、主要设备的选型，参数自定流程简图一张、工厂布置设计图纸一张预期目标:通过简单的小设计，对《化工设计》课程所学内容达到深入的理解和认识，做到理论与实践的结合；同时，在设计过程中，让学生拥有团队精神。主要参考文献:[1]黄仲九、房鼎业主编.化学工艺学[M].浙江大学：高等教育出版社，2008.[2]陈声宗主编.化工设计[M].北京：化学工业出版社，2011.[3]陈甘棠主编.化学反应工程[M].北京：化学工业出版社，2011.[4]中国石化集团上海工程有限公司主编.化工工艺设计手册[Z].化学工业出版社，2009.-I-一、化工课程设计题目年产10万吨甲醇制二甲醚生产工艺的初步设计二、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：10万吨/年年操作日：300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-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%。-II-摘要作为LPG和石油类的替代燃料，目前二甲醚(DME)倍受注目。DME是具有与LPG的物理性质相类似的化学品，在燃烧时不会产生破坏环境的气体，能便宜而大量地生产。与甲烷一样，被期望成为21世纪的能源之一。目前生产的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。气相法的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。关键词：二甲醚，甲醇，工艺设计。Abstract:AsLPGandoilalternativefuel,DMEhasdrawnattentionsatpresent.PhysicalpropertiesofDMEissimilarforLPG,anddon’tproducecombustiongastodamagetheenvironment,so,Itcanbeproducedlargely.Likemethane,DMEisexpectedtobecome21stcenturyenergyresources.,DMEispreparedbymethanoldehydration,namely,syntheticmethanolfirstandthenmethanoldehydrationtodimethyletherbymethanoldehydration.MethanoldehydrationtoDMEisdividedintotwokindsofliquidphaseandgas-phaseprocess.Thisdesignusesaprocessgasofdimethyletherpreparedbydimethyl.Heatingmethanoltoevaporation,methanolvaporthroughtheγ-AL2O3catalystbed,vapormethanoldehydrationtodimethyletherby.Thisprocessismadeofmethanolprocessheating,evaporation,dehydrationofmethanol,dimethylethercondensationanddistillationetc.Completedforthefollowingwork:1)Distillationtowerusedinseparationofdimethyletherandmethanolrecovery,columnheightoftower,diameter,arrangementofcolumnplateetc;2)Thecalculationandselectionofheatexchanger,pump;Keywords:dimethylether,methanol,processdesign1前言二甲醚又称甲醚、木醚氧、二甲，是最简单的脂肪醚重要的甲醇下游产品之一。二甲醚的理化性质比较独特，热植高，无毒、无害，具有潜在的广泛用途，除作为有机化工原料广泛用于制药、染料、农药等，还用于替代氟里昂用作汽溶胶喷射剂和制冷剂，由于其良好的燃料性能，具有实用、通用、环保、安全、质优价廉的优点，最近作为民用代用燃料和柴油代用燃料，二甲醚受到人民的日益重视。20世纪70年代，二甲醚开始被用作气雾剂，以取代破坏臭氧层的氟里昂。近几年来，在各国寻求清洁燃料的过程中，二甲醚的良好燃烧性能和低污染排放的特性使其日益受到重视。二甲醚作为清洁燃料具备如下特征：（1）资源量丰富，来源广；（2）环境友好，其排放物对环境的影响很小；（3）技术可行、成熟，可在大范围内使用；（4）经济可行，其成本有竞争力；（5）易于实现，其运行所需要的基础设施和现有基础设施基本相容，不需要另装一套装置。本设计流程简洁明畅，工艺条件温和，操作简易方便。而且设备台数较少，设备制作立足于国内现状，均能在国内制造而不需进口，可大大降低项目投资。1、概述1.1二甲醚概述1.1.1二甲醚的发展现状自20世纪70年代，二甲醚开始被用作气雾剂，以取代破坏臭氧的氟利昂。近几年来，在各国寻求清洁车用替代燃料的过程中，二甲醚的良好燃烧性能和低污染排放特性使其日益受到重视。二甲醚（DME）常温常压下是一种无色低毒的可燃性气体，性能与液化石油气相似，燃烧时不析碳，无残液，燃烧废气无毒，是一种理想的清洁燃料。DME还是一种新型的、理想的、可替代车用燃料的“21世纪的绿色燃料”。随着环境污染的日益严重及石油资源的日益匮乏，对二甲醚的需求量迅速增加，因此二甲醚的合成研究已成为各国科技人员的研究焦点。2二甲醚是21世纪的超清洁燃料，无论是作为民用燃料、或替代柴油、汽油作为汽车燃料、或是用于发电，其制备、储运等都比较容易解决，并能促进新一代汽车、电力等工业的发展。目前，二甲醚发展的关键问题在于配套措施不完善、市场发展不成熟、二甲醚使用观念有待更新。1.1.2二甲醚的传统领域的应用及其拓展（1）传统领域的应用第一，做气雾剂、制冷剂和发泡剂。DME作为停止使用的氯氟烃的替代物，在气雾剂制品中显示出良好的性能，如：①不污染环境，对臭氧破坏系数为零；②DME在水中溶解度为34%，若加6%的乙醇，则可与水混溶，它与各种树脂也有极高的溶解能力；③毒性很微弱，用在化妆品上观察不到有什么问题；④可用水或氟制剂作阻燃剂；⑤使喷雾产品不易致潮，加之与其他气雾剂相比，其成本低、价格便宜从而被认为是新一代理想的气雾推进剂。在西欧各国已经成为民用气溶胶制品的氯氟烃的替代品。目前DME在世界喷射剂的用量中居第二位，仅次于碳氢化合物，其次，由于DME容易液化的特性，许多国家正在开发以DME代替氯氟烃做制冷剂的技术。Bohnenn报道了用DME与氟里昂混合制成特种制冷剂，通过大量实验后，认为随着DME含量的增加，制冷能力增加，能耗降低并且在冷冻食品时可免除异味和臭味。另外Kohl等人报道了以DME、丙烷、丁烷制无氟制冷剂的方法。第二，DME作为化学中间体，主要用于制造硫酸二甲酯。DME同发烟硫酸反应可以生成硫酸二甲酯；同苯胺反应生成高纯N，N-二甲基苯胺，脱水成乙烯，羰基化可以制取醋酸甲酯；与硫化氢反应生成二甲基硫醚，进而可生成二甲基亚砜。除此之外DME还是重要的化工原料,可用于许多精细化学品的合成,同时在轻化、制药、燃料、农药等工业中有许多独特的用途。（2）新近拓展的应用领域作为新型高效清洁燃料是DME应用领域的一个崭新的拓展应用领域。DME作为民用燃料比液化气具有更优良的物理化学性能（如表1，表2所示）。由于DME的分子结构与烃类不同，只有C-H与C-O键，没有C-C键，所以燃烧时无黑烟，CO与NOx排放量很低，3符合洁净燃料的要求；而且燃烧性能良好，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，用现有的液化石油气罐盛装，燃具与LPG基本通用，是优良的民用洁净燃料。当温度在37．8℃时，二甲醚的蒸汽压低于1378kPa，符合液化石油气的要求（如表1-1）所示。表1DME液化气与液化石油气性质比较项目分子量压力Mpa(60℃)燃烧温度℃爆炸下限%理论空气量预混气热值KJ/m3LPGDME56.646.071.921.35205522501.73.4511.326.9639034219表2DME与0＃柴油的比较对比项目DME0＃柴油分子量46.07190～220沸点（℃）-24.9180～360十六烷值55～6040～50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。本设计采用的甲醇原料浓度为90%（质量分数）。（1）物理性质甲醇是最简单的饱和脂肪醇，密度0.791g/cm3，沸点63.8℃，自燃点385℃20℃，蒸汽压96.3mmHg，常温常压下纯甲醇是无色透明，易挥发、可燃，略带醇香味的有毒液体。甲醇可以和水以及乙醇、乙醚等许多有机液体无限互容，但不能与脂肪烃类化合物4相互溶，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）化学性质甲醇作为最简单的饱和脂肪醇因此具有脂肪醇的化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化、胺化、脱水等化学反应，在此只介绍几种重要的化学反应。脱水反应:甲醇在浓硫酸或其它催化剂的催化作用下脱水生成二甲醚，是工业制备二甲醚的重要方法；主反应：2CH3OH→CH3OCH3+H2O+Q△H298=10.92KJ/mol副反应：⑴CH3OH→CO+2H2O⑵2CH3OH→C2H4+2H2O⑶2CH3OH→CH4+2H2O+C⑷CH3OCH3→CH4+CO+H2⑸CO+H2O→CO2+H2氧化反应:甲醇在电解银催化剂下可被空气氧化成甲醛，是重要的工业制备甲醛的方法；酯化反应:甲醇可与多种无机酸和有机酸发生酯化反应，甲醇和硫酸发生酯化反应生成硫酸氢甲酯，硫酸氢甲酯经减压蒸馏生成甲基化试剂硫酸二甲酯；④羰基化反应:甲醇和光气发生羰基化反应生成氯甲酸甲酯，进一步反应生成碳酸二甲酯；⑤裂解反应:在铜催化剂上，甲醇可裂解生成CO和H2，1.3二甲醚的性质（1）化学性质二甲醚在辐射或加热条件下会分解成甲烷、乙烷、甲醛、二氧化碳及一氧化碳（产物取决于反应条件及催化剂）。二甲醚可作为烷基化合剂，在很多场合中，它具有甲基化反应性能，例如在硅酸铝催化剂存在的条件下，二甲醚可以与苯发生烷基化反应而生成甲苯、二甲苯及多烷基苯。二甲醚与一氧化碳反应可生成乙酸或乙酸甲脂；与二氧化碳反应则生成甲氧基乙酸。当与氰化氢反应时则生成乙腈。此外，二甲醚可与三氟化硼形成络合物，其分子式（CH3）2OBF3，此络合物在空气中发烟，而在水或醇中则可分解。DME还可选择性氯化为各种氯化衍生物。无致癌性、腐蚀性甚微。5（2）物理性质DME是具有挥发性醚味的无色气体，有