甲醇脱水生产二甲醚过程的概念设计.doc

PAGE 1 *任务5 甲醇脱水生产二甲醚过程的概念设计 知识目标：了解概念设计的战略与步骤，理解产品和工艺信息的文献检索对工艺选定的决定性作用，理解反应器的工艺设计在流程设计中的核心作用，掌握分离序列选择的几个原则。 技能目标：根据概念设计的战略和步骤，使用CHEMCAD完成反应器的工艺设计，完成精馏塔的设计和模拟，完成整个流程的构建和模拟。 概念设计是设计者综合开发初期收集的技术经济信息，通过分析研究之后，对开发项目作出一种设想的方案，其主要内容包括：原料和成品的规格，生产规模的估计，工艺流程图和简要说明，物料衡算和热量衡算，主要设备的规模，型号和材质的要求，检测方法，主要技术和经济指标，投资和成本的估算，投资回收预测，三废治理的初步方案以及对中试研究的建议。 随着计算技术和计算机技术的发展，化工流程过程模拟软件也越来越成熟，计算机辅助设计也日趋广泛。在进行概念设计时，采用流程系统模拟物料衡算和热量衡算，投资和成本估算等问题以及采用流程模拟软件进行整体优化已经越来越普遍。本章采用国际上最成功和最流行的过程模拟软件之一——ChemCAD作为辅助设计的主要工具。对甲醇脱水生产二甲醚的进行物料和能量的衡算、主要设备的工艺计算，并从设计流程计算的收敛与否以及和现实操作的符合程度来检验该流程是否可行。 一、过程的基本信息 （一）市场信息 二甲醚工业生产的兴起是同氟氯烷的限制和禁止使用紧密相连的。70年代初国际上气雾剂制品得到了迅速发展，气雾剂生产中，气雾抛射剂主要采用氟氯烷。近年来，发现氟氯烷对地球大气臭氧层有严重的破坏作用，遭到限制和禁止使用。鉴于二甲醚的饱和蒸汽压等物理性质和二氟二氯甲烷相近，以及其优良的无毒害和环保性能，使之成为氟氯烷的理想替代品。自80年代以来，二甲醚作为一种安全气雾剂得以迅猛地发展。目前，气雾剂制品已成为二甲醚最重要的应用市场。二甲醚不仅可以做致冷剂和气雾剂，而且还作为液体燃料。低压下的二甲醚变为液体，与石油液化气有相似之处。二甲醚也可以做醇醚燃料，与甲醇按一定比例混合后，可克服单一液态燃料的缺点，从而改善燃料性能，具有清洁、使用方便等优点。 据市场调查，二甲醚市场应用前景广阔，国内需求量远远超过供给量。现市场上甲醇价格为1500—2000元/吨，二甲醚价格为7000元/吨。以甲醇为原料，经催化脱水得到二甲醚，为甲醇的综合利用和增值提供了一条理想的途径。本设计按照概念设计的思路，寻找从甲醇催化脱水生产二甲醚的最佳工艺流程和估算最佳设计条件。 （二）反应信息 （1）反应方程式 2CH3OH ? (CH3)2O + H2O （2）反应热 ?HR(25℃)= ?11770kJ/kmol （3）反应条件：温度t=250℃~370℃，反应压力为常压； （4）选择性：该反应为催化脱氢，催化剂为10.2%硅酸处理的无定性氧化铝。在400℃以下时，该反应过程可以看作是单一、不可逆的，反应的选择性S可以近似认为等于1。 （5）反应为气相反应。 （6）二甲醚产量率：130kmol/h； （7）甲醇的转化率在80%以上。未反应的甲醇循环回收到反应器中的流量是65kmol/h （8）二甲醚产品纯度：99wt%； （9）原料：常温下工业级甲醇(假定含量1%)。 （三）连续或间歇生产的选择 选择一个连续的过程，操作费用和物流费用以年为基准，操作时数为8150 h/a。 二、流程输入输出结构和循环结构 （一）原料预处理 原料是工业级的甲醇，内含少量水（假定摩尔比 甲醇∶水=99∶1），和微量其他杂质（对于主反应无影响），水是反应的产物，忽略对原料进行净化处理。如原料甲醇含水量过高，可考虑精馏以后进料。 （二）副产物 在所选催化剂和反应条件下，主反应的选择性接近1，副产物很少，在整个设计过程中忽略副产物存在。 （三）循环和放空 由于反应转化率为80%，所以用循环物流将未反应的甲醇循环。反应产生的水，残留少量甲醇（2%），经简单处理可排放。 三、反应器的工艺设计 （一）动力学模型 反应器的工艺设计主要是完成催化剂用量或反应器反应体积的设计。设计的主要依据是反应动力学模型。 甲醇在γ-Al2O3上脱水生成二甲醚的动力学模型如下： （5-5-1） 式中：xM——甲醇的转化率； k——反应速率常数，hr－1atm－1。5； b——甲醇的吸附常数； p——压力，atm； τw——质量停留时间，hr； KP——反应平衡常数； 下标：M——甲醇 D——二甲醚 质量停留时间定义为： （5-5-2） 式中 Wcat——催化剂质量； WM0——反应器进料中组分甲醇的质量流量 在CHEMCAD中有一个动力学反应器（kinetic reactor）操作单元，可以自定义动力学模型，一种计算模式是根据反应器体积计算反应出口转化率