摘 要

二甲醚，是当今一种非常有潜力的清洁能源，正被越来越多的人关注着。二甲醚的物理性质与常用的液化石油气相似，可以使用现有的液化石油气基基础设备来进行运送和保存。像氢一样，二甲醚被认为是本世纪最理想的一类替代燃料。本文是百万吨二甲醚合成工艺规范。采用气相法合成了二甲醚。甲醇首先进行加热蒸发操作，蒸汽从γ-Al2O3床层形成，使二甲醚脱水。蒸馏后，产品被蒸馏。所以我们有二甲醚。在此期间，主要完成了以下工作:

1. 掌握选择主要设备的方法和程序，设计一个二甲醚合成反应器，并对反应器提出相关改进意见，以便在反应过程中更有效地利用热量；
2. 二甲醚蒸馏塔高度，直径，塔盘布置设计；
3. 绘制主要设备（二甲醚合成反应器、二甲醚蒸馏塔）和制作工艺图。并绘制一个流程图。

关键词：二甲醚、甲醇、精馏塔、工艺合成

Abstract

as an alternative fuel in high efficiency, the attiré dimethylether (dme) attention at the present time. the dme fuel, having properties similar to lpg, can make use of the infrastructure for transport and storage of lpg. as the hydrogen fuel, dme is expected to be one of the best alternative fuel of the 21st century. at present, the commercial synthesis process of dme adopted in the world, which includes the processes in the liquid phase and vapor phase is to dehydrate methanol vapour for less expensive investments, and a low pressure process. this article is the investigation of design of 800 000 t / a dme synthesis process has the process in the gas phase, i.e., methanol absorbs heat to be exchanged in the gas phase. the reactions in the catalytic bed of gamma al2o3, methanol is reformed dme semi finished and, after distillation, it is pure. complete the following work:

1) control methods and procedures for the selection of key equipment and materials; complete the design and improvement of the dme synthesis reactor; improve the level of comprehensive utilization of the heat of reaction in the process.

 2) to calculate the height of column, the diameter and arrangement of the trays of a distillation tower.

3) to complete the design of assembly of major equipment (dme synthesis reactor and distillation tower, the structure of dme), and draw the production process.

Keywords: dimethyl ether, methanol, distillation column, synthesis process.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 5

1.1 概述 5

1.1.1 煤气化与二甲醚 5

1.1.2 二甲醚的传统与新兴用途 5

1.2二甲醚的性质 6

1.3二甲醚的工艺背景 7

1.4本设计的设计思路与设计内容 9

第二章 工艺流程介绍 10

2.1 生产规模 10

2.2 产品标准 10

2.3 产品前景分析 10

2.4生产方法简述 10

2.5工艺流程说明 12

2.6生产工艺特点 13

2.7产品和催化剂指标 13

2.7.1 工艺产品要求 13

2.7.2 催化剂的要求 13

第三章 反应器的选型 14

3.1反应器的选型 14

3.2物料衡算 16

3.3热量衡算 17

3.4催化剂床层体积 18

3.5反应器管数 18

3.6换热面积 18

3.7本章小结 20

第四章 精馏塔的计算与选型 21

4.1 精馏塔的物料衡算 21

4.2 热量衡算 22

4.3 计算塔板数 24

4.4 全塔工艺计算 24

4.4.1液相表面张力 24

4.4.2液体平均黏度计算 25

4.5 精馏塔结构设计 26

4.6塔径 28

4.6.1精馏段 28

4.6.2提馏段 29

4.7有效高度计算 30

4.8整体塔高 30

4.9塔板计算 30

4.9.1溢流装置 30

4.9.2计算溢流堰长l_w 30

4.9.3计算堰高h_w 30

4.9.4弓形降液管参数计算 31

4.9.5降液管底隙参数计算 31

4.10塔板布置设计 31

4.10.1分块塔板 31

4.10.2计算边缘区 32

4.10.3计算开孔面积 32

4.10.4筛孔计算及其排列 32

4.11塔板压降 33

4.11.1干板阻力 33

4.11.2气体通过液层的阻力h_l计算 33

4.11.3液体表面张力阻力 34

4.11.4气体通过每层塔板的液柱高 34

4.12液沫夹带核算 34

4.13漏液核算 35

4.14液泛核算 35

4.15塔板负荷性能图 35

4.16本章小结 41

第五章 设计总结 42

参考文献 43

致 谢 45

第一章绪论

1.1 概述

1.1.1 煤气化与二甲醚

煤是地球上最大的化石燃料。中国是世界上最大的煤炭生产国之一，其储量远远超过天然气和石油。截至2003年底，我国已知煤炭储量为吨，占全国能源资源总量以上，2009年我国煤炭产量达到吨，居世界首位。在我国，煤炭在一次能源生产和消费中的比重基本相同。在煤炭利用方面，煤气化具有广阔的应用前景。作为煤气化的主要产品，甲醇的生产需求很大;因此，甲醇是二甲醚的原料来源。

自20世纪70年代以来，二甲醚一直被用作气溶胶来使用，它是氟利昂的替代品之一，但是氟利昂对臭氧层有害。近年来，二甲醚因为具有良好的燃烧性能和低污染的特点，越来越受到各国的重视，相关技术的研发也走上了快速研发的道路上。

二甲醚是一种易燃气体，与空气混合会立即形成爆炸性混合物。与热、火花、火焰或氧化剂接触是易燃易爆的。暴露在空气或光线下可能产生潜在的爆炸性过氧化物。这种气体比空气重，可以在较低的点扩散到相对较远的地方。一旦发生火灾，它就会被点燃。在高温情况下，容器内部压力增加，有开裂和爆炸的危险。它的物理性质与常用的液化石油气相似。燃烧完全，残馀量小，对燃烧产物无它是一种理想的环保燃料。二甲醚也被称为21世纪的绿色燃料，是一种理想的替代燃料，燃烧时清洁高效。随着全球污染的加剧和化石资源的枯竭，二甲醚越来越受欢迎，随之产生的需求的增加使得二甲醚成为各国二甲醚研究的重点。理想的燃料选择主要是由于其与当前主流燃料基础设施的兼容性，这意味着转换成本的重大转变。因此，二甲醚作为民用燃料或汽车燃料更加方便，发电也更加可行。这无疑将促进汽车和电力工业的发展。然而，目前DME行业的发展仍然阻碍了相关设施的完善，提高公众的认知度还需要时间。

1.1.2 二甲醚的传统与新兴用途

(1)传统应用范围

一方面，它被用来生产气溶胶、溶剂和制冷剂。

二甲醚气雾剂具有良好的性能，可替代对环境有害的HCFCs。由于二甲醚较易液化，在许多国家已发展成为一种制冷剂。

另一方面，用于生产硫酸二甲酯、二甲基亚砜、乙酸甲酯等化工原料。

此外，二甲醚是很多精细化工产的重要来源，是一种重要的化学原料，在制药、燃料和农药中有着很大的用途。

(2)近期应用领域扩大化

如上所述，二甲醚作为汽车燃料时不脱碳，燃烧产物对环境没有危害。与其他替代材料相比，二甲醚发动机具有更高的效率。由于石油资源是不可再生的，世界各地都在研究和开发未来的汽车替代燃料。未来DME应用的最大潜在市场是柴油的替代燃料。现有的汽车发动机可以转化为二甲醚燃料与轻微的修改。虽然二甲醚的成本高于柴油，但其成本和污染都低于液体丙烷等低污染替代燃料。因此，二甲醚是一种清洁高效的燃料，有着巨大的市场。二甲醚作为一种民用燃料，物化性能优异(如表1-1、表1-2所示)。由于二甲醚没有C-C键，燃烧时不会产生黑烟，一氧化碳和氮氧化物的排放很少，是一种非常清洁的燃料;燃烧安全无污染;与液化石油气二甲醚储罐相比，使用后的挥发性残渣可在较低的压力下在室温下液化。现有的液化石油气储罐可直接使用，燃烧器具只能稍加改进后使用，具有良好的民用性能。37.8℃时蒸汽压小于1378 kPa，符合LPG标准(见表1-1)。

表1-1 二甲醚液化气与液化石油气性质比较

表1-2 二甲醚与0＃柴油的比较

1.2二甲醚的性质

(1)物理性质

二甲醚是最简单的醚结构，分子式为CH3OCH3。二甲醚的物理性质与丙烷、丁烷等液态石油基燃料相似。二甲醚以可见的蓝色火焰燃烧，不含过氧化氢，无论是纯态还是气溶胶形式。

与甲烷不同，二甲醚的识别不需要有气味的物质，因为它有一种甜的“醚味”。

(2)化学性质

二甲醚受热后会分解，这取决于甲烷、甲醛、一氧化碳等条件。二甲醚可用作各种氯化衍生物的原料，也可用作烷基化剂。无致畸性、诱变性等，腐蚀性低。

下表中列出了二甲醚详细的理化性质:

表1-3 DME的主要理化性质

1.3二甲醚的工艺背景

早期二甲醚是高压甲醇生产的副产品。后来甲醇成为工业上大规模生产二甲醚的原料，需要依靠发烟硫酸脱水，属于“两步法”中的“液相法”。但该方法对设备腐蚀严重，环境污染严重，操作条件相对苛刻，逐渐放弃了生产二甲醚的方法。但是，如果将甲醇从固体催化剂中脱水得到二甲醚，即“两步法”中的“气相法”，反应所需的温度和压力相对较低，投资成本可以降低，生产相对容易控制。有利于连续生产。凭借这一优势，法已成为二甲醚生产的主流方法。目前，国内外对该领域研究最多的是戴维公司、鲁奇公司、TEC公司、丹麦Topsoe公司和四川天翼科技有限公司。然而，丹麦的工业化绩效在世界上主要名列前茅。日本TEC与国内四川天翼科技有限公司在甲醇原料纯度要求方面，TEC的原料只能是精制甲醇。所使用的二甲醚合成反应器为换热固定床反应器，反应器内设置有线圈，利用反应热对原料甲醇进行预热，避免了床内不稳定的温升。增加副反应。目前，该国有1个。年产二甲醚1万吨，年产二甲醚10万吨，建设二甲醚能力21万吨。

国内四川天一科技有限公司对精制甲醇、粗甲醇等原料的要求相对宽松。所采用的反应器为多级冷冲击固定床反应器，工艺比较复杂。我国二甲醚年生产能力1万吨，二甲醚年生产能力10万吨。

丹麦的托普索公司原料要求为精甲醇或粗甲醇均可。所使用的反应器由一系列壳式和管式反应器以及固定床绝热反应器组成。使用第二代催化剂Topsøe克服的缺点减少活动由于疏水催化剂在反应的初始阶段。选择性好，活性高，反应副产物小，甲醇转化率高。升至80%。公司在伊朗二甲醚生产设施的生产能力为80万吨/年，国内建设能力为15万吨/年和40万吨/年。

原材料在丹麦需要Topsøe纯甲醇或甲醇原油。所使用的反应器包括一系列的壳式和管式反应器以及固定床绝热反应器。使用的第二代催化剂Topsøe克服的缺点减少活动由于疏水催化剂在反应的初始阶段。选择性好，活性高，反应副产物小，甲醇转化率高。升至80%。公司在伊朗二甲醚生产设施的生产能力为80万吨/年，国内建设能力为15万吨/年和40万吨/年。

合成二甲醚的目的是将合成气与煤直接合成为合成气，即“一步法”是各国二甲醚生产技术的重要发展方向。“一步法”可以突破纯合成甲醇的热力学平衡极限，提高反应的驱动力，得到比“两步法”高得多的CO转化率。一步法包括气相法和气相法，气相法在固体催化剂表面进行。三相规律是合成气体在由惰性溶剂和催化剂组成的悬浮液中反应，也称为“料浆过程”，使用料浆床反应器[19]。以煤为原料，二甲醚为原料合成汽油。这是一条新的合成汽油生产工艺路线。其中，以煤为原料合成二甲醚的催化剂有很多，如丹麦的Topsoe和日本的三菱。经过多年的实验研究，已经取得了突破。美国APCI公司合成气一步法合成二甲醚，建立了300t/d的[21]工业装置。日本JFE公司也开发了“一步法”，建造了1公斤/天、50公斤/天、5吨/天和100吨/天的小型试点和示范单位。在国内，先后有兰州化学物理研究所、大连化学物理研究所、中国科学院、中国科学院、广州中国科学院、浙江大学、清华大学和山西煤炭化学研究所、大连理工大学等。原料的一个步骤。二甲醚合成技术的发展，但仍处于小规模工业化阶段，装置的安装仅是千吨试验设备，目的是为未来的大规模生产技术做准备。但在试点过程中，一步法的技术缺陷逐渐暴露出来，或者在目前的技术水平上存在一些难以解决的问题:

(1)由于甲醇脱水催化剂的酸中心与合成催化剂在复合催化剂中的相互作用，使得催化剂相对容易失活。复合催化剂没有合适的温度，温度对催化剂本身的寿命有很大的影响。针对这一问题，国内外相关研究单位，包括荷兰Topsoe公司，专业从事工业催化剂的研究和开发，都在积极寻找解决方案。

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