目錄TOC\o"1-3"\h\u24416摘要 I15201Abstract II306231.綜述 3244011.1二甲醚的理化性質(zhì) 3274991.2二甲醚的用途 4297621.2.1二甲醚代替液化石油氣作為民用燃料 4118331.2.2作為環(huán)保型制冷劑 5120451.2.3作氣霧劑 5235131.2.4作為車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和添加劑 6218381.3二甲醚的國內(nèi)外現(xiàn)狀 6133831.3.2國外二甲醚市場簡況 7213891.3.4國內(nèi)二甲醚市場簡況 879721.4二甲醚的生產(chǎn)方法 9272371.4.1硫酸法（硫酸催化脫水） 9204831.4.2甲醇?xì)庀嗝撍?953051.4.3合成氣直接合成二甲醚 10171051.4.4CO?加氫直接合成二甲醚 1154211.5二甲醚的生產(chǎn)工藝 1268981.5.1工藝流程敘述級框圖 12305341.5.2工藝條件 1285911.5.3主要設(shè)備指標(biāo) 1331621.5.4催化劑的使用 13227072.工藝計(jì)算 14123882.1物料衡算 1426372.1.1計(jì)算依據(jù) 14166452.1.2甲醇精餾工段物料衡算 14269782.1.3合成工段物料衡算 15144782.2熱量衡算 1789162.2.1原料精餾工段熱量衡算 17163002.2.2換熱器E101熱量衡算 21215052.2.3合成工段熱量衡算 22282353.設(shè)備計(jì)算及選型 262263.1主設(shè)備計(jì)算及選型 2692523.1.1精餾塔的計(jì)算及選型 26100443.1.2合成反應(yīng)塔的計(jì)算及選型 35105453.2附屬設(shè)備的計(jì)算及選型 36128443.2.1精餾塔附屬設(shè)備的選型計(jì)算 36277833.3換熱器 37293803.3.1設(shè)計(jì)方案 38247253.3.2物性參數(shù)的確定 38297533.3.3傳熱面積估算 39179093.3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 3932505總結(jié) 13247參考文獻(xiàn) 212025致謝 3

1.綜述能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，它不僅關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，而且還關(guān)系到國家安全和外交戰(zhàn)略。而我國能源總體呈現(xiàn)3大特點(diǎn)，分別是豐富的煤礦、稀缺的原油和貧窮的天然氣。我國每年都要花費(fèi)大量資金從沙特、俄羅斯等國進(jìn)口大量原油，每年進(jìn)口額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了世界公認(rèn)的30%的安全警戒線，危及到我國的能源安全。同時(shí)我國的天然氣也十分依賴。盡管我國的煤炭資源十分豐富，且我國的煤炭資源利用率有所提高，但在我國的14多億人口面前，這些能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。每年還要因?yàn)槊禾咳紵a(chǎn)生的酸雨、煙霧和溫室氣體問題而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此我國正在積極推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，加大對綠色能源和新能源的開發(fā)，這對緩解我國能源缺口具有重大意義。1.1二甲醚的理化性質(zhì)二甲醚又稱甲醚，簡稱DME，結(jié)構(gòu)簡式為CH3OCH3，分子量為46.07。甲醚在常壓下是種無色氣體或壓縮液體，具有輕微醚香味。常溫下二甲醚蒸汽壓為0.6Mpa,性質(zhì)與液化石油氣相似，對臭氧層無損害[1]，是一種重要的有機(jī)化工產(chǎn)品。表1.1二甲醚的物理性質(zhì)性質(zhì)數(shù)值性質(zhì)數(shù)值分子式CH3OCH3飽和蒸氣壓密度1.97kg/m3沸點(diǎn)熔點(diǎn)蒸發(fā)熱燃燒熱臨界溫度溶解度(水)臨界壓力爆炸極限(空氣)二甲醚的密度為1.97kg/m3，比空氣大，因此可以在較低的地方擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方。熔點(diǎn)-141℃，沸點(diǎn)-29.5℃。它溶解性比較好，溶于水及醇、乙醚、丙酮、氯仿等多種有機(jī)溶劑。在正常的溫度和壓力下，二甲醚相對穩(wěn)定，不易與大多數(shù)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。然而，當(dāng)它與某些物質(zhì)接觸時(shí)，例如熱火星、火焰或氧化劑，它可能會(huì)燃燒或爆炸[2]。在接觸空氣或在光照條件下，二甲醚可以生成具有潛在爆炸危險(xiǎn)性的過氧化物。同時(shí)，二甲醚具有毒性，吸入二甲迷可以引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抑制作用，導(dǎo)致麻醉和室息，對皮膚也有刺激性。

總的來說，二甲迷的理化性質(zhì)包括其顏色、氣味、密度、溶解性、可燃性、毒性等等。但是二甲醚具有較高的化學(xué)反應(yīng)活性，可參與多種化學(xué)反應(yīng)，例如酯化反應(yīng)、氧化反應(yīng)和酸堿中和反應(yīng)。由于其易燃易爆的特性，處理二甲迷時(shí)需要特別小心。1.2二甲醚的用途二甲醚是一種用途非常廣泛的化工產(chǎn)品。目前主要用在日用化工、制藥、制冷、染料、涂料、氣溶膠的噴射劑等方面。除了上述用途之外，二甲醚還具有十分優(yōu)良的燃料性能，被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”。1.2.1二甲醚代替液化石油氣作為民用燃料二甲醚（DME）是一種有機(jī)化合物，具有易貯存、易壓縮、低污染、高燃燒效率等特點(diǎn)。這些特性使得二甲醚成為一種潛在的替代能源，可以用于替代液化石油氣（LPG）等傳統(tǒng)民用燃料[3]。與傳統(tǒng)的LPG相比，二甲醚具有更高的燃燒值和更低的污染物排放量。此外，二甲醚的十六烷值大于55，高于柴油，因此有望作為柴油的替代品。這些優(yōu)勢使得二甲醚在能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。表1.1DME液化氣與液化石油氣性質(zhì)比較項(xiàng)目分子量壓力Mpa(60℃)燃燒溫度℃爆炸下限%理論空氣量預(yù)混氣熱值KJ/m3LPGDME56.646.071.921.35205522501.73.4511.326.9639034219目前，我國已經(jīng)有一些地區(qū)開始試點(diǎn)使用二甲醚作為民用燃料。例如，在云南省的一些地區(qū)，二甲醚已經(jīng)成功替代了LPG，用于居民生活和商業(yè)用途。這些試點(diǎn)項(xiàng)目的成功，為二甲醚在全國范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和參考。1.2.2作為環(huán)保型制冷劑首先，二甲醚具有良好的熱物理性質(zhì)，具有較高的蒸發(fā)潛熱和較低的沸點(diǎn)，這使得它在制冷領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的制冷劑相比，二甲醚具有更高的制冷效率和較低的環(huán)境污染性，能夠在更低的溫度下實(shí)現(xiàn)有效的制冷效果。其次，二甲醚作為一種環(huán)保型制冷劑，其使用過程中產(chǎn)生的污染物較少。與傳統(tǒng)的制冷劑相比，二甲醚的溫室效應(yīng)較低，對大氣環(huán)境的污染也較小。因此，使用二甲醚作為制冷劑有助于減少制冷行業(yè)對環(huán)境的負(fù)面影響，尤其可以減少氟里昂系列對大氣臭氧層的破壞。此外，二甲醚還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，這使得它在制冷系統(tǒng)中具有較長的使用壽命和較高的可靠性。同時(shí)，二甲醚的制取工藝也相對簡單，可以通過多種途徑進(jìn)行生產(chǎn)，這為其在大規(guī)模應(yīng)用中的可行性提供了支持。1.2.3作氣霧劑二甲醚目前最大的用途是用于氣溶膠產(chǎn)品。它可以作為氣霧劑的推進(jìn)劑、溶劑和發(fā)泡劑等，具有廣泛的應(yīng)用前景。因?yàn)槎酌丫哂辛己玫娜芙庑院拖嗳菪?，可以與許多樹脂類物質(zhì)相容，并能溶解一些原本不溶于水的油漆基料。這使得二甲醚在水基氣霧噴漆中可以作為溶劑使用，能夠避免使用某些有機(jī)溶劑，降低了產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)的含量。同時(shí)，二甲醚作為推進(jìn)劑，可以提高產(chǎn)品的分散性并減少泡沫，從而降低生產(chǎn)成本并提升產(chǎn)品質(zhì)量。二甲醚的純度高且沒有異味，是唯一與水有高度互溶性的推進(jìn)劑，其溶水度可達(dá)到34%。這一特性使得二甲醚在空氣清新劑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可以替代其他溶劑。此外，二甲醚還普遍用于其他氣霧劑產(chǎn)品，如噴發(fā)膠、衛(wèi)生氣霧殺蟲劑、輪胎修補(bǔ)劑以及醫(yī)用氣霧劑等。在這些產(chǎn)品中，二甲醚可以替代烴類和氟氯碳化物等傳統(tǒng)推進(jìn)劑，提升產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本。1.2.4作為車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和添加劑液化的二甲醚可以直接作為汽車燃料，燃燒效果比甲醇更好。二甲醚具有較高的辛烷值和低的空氣污染物排放，非常適合作為汽車燃料使用。相比傳統(tǒng)的汽油和柴油，二甲醚的燃燒效率更高，能夠提供更多的能量，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加高效。同時(shí)，二甲醚的燃燒產(chǎn)物中的有害物質(zhì)較少，對環(huán)境的污染較小，有助于減少大氣污染物的排放。其次，二甲醚還可以作為添加劑添加到傳統(tǒng)的汽油或柴油中，以提高燃料的性能。加入二甲醚可以改善燃料的燃燒性能，提高燃料的熱值和燃燒效率，從而減少燃油消耗和排放的有害物質(zhì)。此外，二甲醚還可以提高燃料的抗爆性，減少發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的發(fā)生，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)并延長其使用壽命。是十分理想的柴油代用燃料。1.3二甲醚的國內(nèi)外現(xiàn)狀1.3.1國外二甲醚市場簡況現(xiàn)狀在全球范圍內(nèi)，二甲醚得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。尤其在發(fā)達(dá)國家如美國、日本和德國，對二甲醚的需求在不斷增加。這種增長趨勢主要得益于二甲醚作為清潔能源的廣泛應(yīng)用，以及全球環(huán)保意識的日益增強(qiáng)。在北美地區(qū)，環(huán)保法規(guī)的加強(qiáng)和清潔能源政策的推動(dòng)，使得二甲醚在供暖和電力行業(yè)的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。同時(shí)，隨著天然氣價(jià)格的波動(dòng)，二甲醚作為一種成本效益較高的替代燃料，在工業(yè)和商業(yè)供暖市場的需求逐漸增加。此外，美國政府對可再生能源的大力支持，為二甲醚的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了良好的市場環(huán)境。歐洲市場對二甲醚的需求同樣旺盛，尤其是在北歐國家，政府對減少溫室氣體排放的政策導(dǎo)向?yàn)槎酌训耐茝V提供了有力支撐。在法國和德國，二甲醚作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的添加劑，有助于降低污染物排放，因此在交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。亞洲市場是全球二甲醚消費(fèi)的主要驅(qū)動(dòng)力，尤其是印度，這些國家龐大的人口基數(shù)和快速的工業(yè)化進(jìn)程，對清潔能源的需求日益增長。此外，韓國和日本在二甲醚的研發(fā)和應(yīng)用方面也取得了一定的進(jìn)展，尤其是在高效燃燒技術(shù)和新型催化劑的開發(fā)上。國外市場預(yù)測首先，全球能源需求將繼續(xù)增長，尤其是在發(fā)展中國家。由于二甲醚具有清潔、高效、易儲(chǔ)存和易運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，它有望在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)更重要的地位。特別是在交通領(lǐng)域，二甲醚可以作為替代燃料，用于汽車、船舶和飛機(jī)等交通工具，減少對傳統(tǒng)石油資源的依賴。其次，環(huán)保政策也是影響二甲醚市場的重要因素。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提升，各國政府可能會(huì)出臺更嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，鼓勵(lì)清潔能源的使用。這將為二甲醚市場的發(fā)展提供有力支持。此外，技術(shù)進(jìn)步也將推動(dòng)二甲醚市場的發(fā)展。目前，二甲醚的生產(chǎn)成本仍然較高，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。但隨著新技術(shù)的不斷研發(fā)和應(yīng)用，二甲醚的生產(chǎn)成本有望降低，從而拓寬其應(yīng)用范圍。最后，市場供需關(guān)系也是決定二甲醚市場未來趨勢的關(guān)鍵因素。隨著二甲醚生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高和產(chǎn)能的擴(kuò)大，市場供應(yīng)將逐漸增加。而需求方面，除了交通領(lǐng)域外，二甲醚在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。因此，未來二甲醚市場有望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長?？偟膩碚f，國外二甲醚市場呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的態(tài)勢，但同時(shí)也面臨著技術(shù)更新、環(huán)保政策調(diào)整等多重因素的影響。企業(yè)需要密切關(guān)注市場動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和品牌建設(shè)，提升整體競爭力，以應(yīng)對未來市場的變化和發(fā)展。1.3.2國內(nèi)二甲醚市場簡況現(xiàn)狀中國二甲醚的生產(chǎn)起步較晚，但發(fā)展勢頭迅猛。1994年，廣東中山化工廠建成中國第一個(gè)大型的二甲醚生產(chǎn)裝置，標(biāo)志著二甲醚生產(chǎn)在中國的起步。此前，僅江蘇昆山化工廠少量生產(chǎn)二甲醚。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對清潔能源需求的增長，二甲醚生產(chǎn)進(jìn)入快速發(fā)展期。特別是近幾年，國內(nèi)陸續(xù)涌現(xiàn)出一大批生產(chǎn)二甲醚的化工廠。其中，山東臨沂魯明化工有限公司、湖南雪納新能源有限公司、廣東中山精細(xì)化工實(shí)業(yè)有限公司、江蘇昆山化工原料廠、江蘇吳縣合成化工廠、山東久泰科技股份有限公司及瀘天化公司等成為行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，年總產(chǎn)量已超過1000萬噸。近年來，二甲醚產(chǎn)能在中國呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。多地紛紛建成或正在建設(shè)數(shù)十萬噸到數(shù)百萬噸規(guī)模不等的二甲醚制造基地。這些地區(qū)包括山東、陜西、山西、四川、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、安徽、江蘇、廣州等，形成了較為完善的二甲醚產(chǎn)業(yè)鏈。但是，隨著國內(nèi)二甲醚產(chǎn)能過剩不斷加劇，落后產(chǎn)能逐漸清退，產(chǎn)能規(guī)模有所下降。從2018年的1035萬噸下降至2022年的1020萬噸。目前，中國已成為全球最大的二甲醚生產(chǎn)國之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2023年底，中國二甲醚產(chǎn)能已達(dá)到數(shù)百萬噸規(guī)模，且仍有多個(gè)大型二甲醚項(xiàng)目正在建設(shè)或規(guī)劃中。這些項(xiàng)目的實(shí)施將進(jìn)一步提升中國二甲醚行業(yè)的整體產(chǎn)能。國內(nèi)市場預(yù)測作為一種重要的化工原料和清潔能源，二甲醚在中國的生產(chǎn)和應(yīng)用近年來呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的態(tài)勢。隨著環(huán)保意識的提升和清潔能源政策的推動(dòng)，二甲醚市場在中國正面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇。中國政府一直高度重視清潔能源的發(fā)展，并出臺了一系列政策措施來推動(dòng)二甲醚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，在稅收優(yōu)惠、資金扶持等方面給予企業(yè)一定的支持，鼓勵(lì)企業(yè)加大技術(shù)研發(fā)投入，提高二甲醚的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，隨著國內(nèi)外對環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，清潔能源的市場需求不斷增加。這為二甲醚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的市場驅(qū)動(dòng)。許多企業(yè)紛紛加大在二甲醚領(lǐng)域的投資力度，以期在市場競爭中占據(jù)有利地位。近年來，中國二甲醚企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新方面取得了顯著成果，通過引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)和自主研發(fā)相結(jié)合的方式，不斷提升生產(chǎn)工藝水平。同時(shí)，一些企業(yè)還積極探索二甲醚與其他能源的協(xié)同利用，如與生物質(zhì)能、太陽能等可再生能源的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。1.4二甲醚的生產(chǎn)方法二甲醚最早來自在生產(chǎn)甲醇過程中被發(fā)現(xiàn)，是生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品,但是隨著對這些副產(chǎn)品的研究，人們發(fā)二甲醚是一種具有高附加值的化學(xué)品及化工原料。經(jīng)過多年的探索研究，目前二甲醚的生產(chǎn)可以由多種工藝過程制得，但是其主要的的原料還是由合成氣。一步法和二步法是二甲醚主要的兩大類工藝技術(shù)路線。二甲醚的一步法生產(chǎn)工藝是指在同一反應(yīng)器中，利用雙功能催化劑直接將合成氣轉(zhuǎn)化為二甲醚的過程。在這個(gè)過程中，甲醇的合成與甲醇的脫水兩個(gè)步驟是連續(xù)且同時(shí)進(jìn)行的，無需中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移或儲(chǔ)存。這種方法可以顯著提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，并且減少了生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的副反應(yīng)和雜質(zhì)生成。而先在反應(yīng)釜由合成氣制取甲醇，在將甲醇轉(zhuǎn)移到另一個(gè)反應(yīng)釜，經(jīng)過脫水催化劑的作用下由甲醇脫水制得二甲醚的方法叫做二甲醚二步法。與一步法不同，二甲醚的二步法生產(chǎn)工藝分為兩個(gè)獨(dú)立的階段。首先，在第一個(gè)反應(yīng)釜中，由合成氣制得甲醇。然后，將生成的甲醇轉(zhuǎn)移到另一個(gè)反應(yīng)釜中，在脫水催化劑的作用下，甲醇經(jīng)過脫水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二甲醚。這種方法雖然操作相對簡單，但由于涉及到中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存，可能會(huì)增加生產(chǎn)成本和能源消耗。此外，部分學(xué)者也研究了由溫室氣體CO2出發(fā)制備二甲醚以及可再生資源生物質(zhì)合成二甲醚等工藝。1.4.1硫酸法（硫酸催化脫水）在以甲醇為原料的二步法中有氣相法和液相法這兩種不同方法，而甲醇在液相硫酸催化作用下，先和硫酸反應(yīng)生成硫酸氫甲酯和水，硫酸氫甲再與一個(gè)甲醇反應(yīng)生成二甲醚的過程就是傳統(tǒng)的液相法。具體反應(yīng)方程式如下：H2SO4+CH3OH→CH3HSO4+H2OCH3HSO4+CH3OH→CH3OCH3+H2SO4該反應(yīng)中硫酸以催化劑的身份參與其中，硫酸法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)條件相對溫和，溫度通常在130～160℃,反應(yīng)的壓力也比較低，不需要高溫高壓的條件，且原料甲醇易于獲取。然而，該方法的缺點(diǎn)也較為明顯，如硫酸的回收和再生問題、殘液及廢水污染環(huán)境、副產(chǎn)物二氧化硫的處理以及對設(shè)備的腐蝕問題等。此外，該方法的二甲醚產(chǎn)率和純度受到多種因素的影響，需要通過優(yōu)化工藝條件來提高。目前使用該方法的企業(yè)也是寥寥無幾。1.4.2甲醇?xì)庀嗝撍庀嗝撍ㄊ侵迫《酌训牧硪环N主要工藝，是一種高效的化學(xué)制備工藝，其核心在于利用固體酸催化劑促進(jìn)甲醇分子間的脫水反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)二甲醚的合成。該方法以其較高的反應(yīng)速率和生產(chǎn)效率，成為目前工業(yè)上主流的二甲醚制備途徑。在氣相脫水法中，固體酸催化劑的選擇至關(guān)重要，它直接影響到反應(yīng)的催化活性和選擇性。目前，廣泛應(yīng)用的固體酸催化劑包括γ-氧化鋁、分子篩（如ZSM-5、SAPO-34等）以及活性氧化鋁等。這些催化劑能夠在高溫條件下提供有效的酸性位點(diǎn)，促進(jìn)甲醇分子間的脫水反應(yīng)，同時(shí)保持較高的選擇性，減少副產(chǎn)物的生成。氣相脫水法的操作條件通常包括較高的溫度（250-350℃）和適宜的壓力。在這些條件下，甲醇經(jīng)氣化變成甲醇蒸汽，在催化劑表面發(fā)生分子間氣固相催化脫水反應(yīng)，反應(yīng)過程中放出大量熱量。該反應(yīng)中甲醇單程轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%～80%,選擇性大于99%。該反應(yīng)具有快速的動(dòng)力學(xué)特征，使得二甲醚能夠在短時(shí)間內(nèi)從催化劑表面脫離，有利于維持催化劑的活性。盡管氣相脫水法在二甲醚制備方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，催化劑的失活問題是制約該方法長期穩(wěn)定運(yùn)行的主要障礙之一。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑表面可能會(huì)吸附雜質(zhì)或發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致催化活性下降。因此，開發(fā)高效的催化劑再生技術(shù)以及探索新型催化劑材料，對于提升氣相脫水法的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性具有重要意義。此外，為了進(jìn)一步提高二甲醚的產(chǎn)率和純度，對反應(yīng)條件的精確控制至關(guān)重要。這包括優(yōu)化甲醇的濃度、反應(yīng)溫度、壓力以及氣體流速等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的反應(yīng)條件。同時(shí)，采用先進(jìn)的在線監(jiān)測和控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)過程，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，確保反應(yīng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。綜上所述，二甲醚的氣相脫水法是一種高效且具有潛力的制備工藝。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，有望克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)，推動(dòng)該方法在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，為二甲醚的大規(guī)模生產(chǎn)提供有力支持。1.4.3合成氣直接合成二甲醚合成氣直接合成二甲醚的一步法工藝是目前工業(yè)上常用的方法。這種工藝路線的主要特點(diǎn)是將合成氣直接引入反應(yīng)器，在其中同時(shí)完成甲醇的合成與甲醇的脫水兩個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)，以及可能的水-煤氣變換反應(yīng)。通過優(yōu)化反應(yīng)條件和催化劑的選擇，可以使得這些反應(yīng)在單一的反應(yīng)器內(nèi)高效且連續(xù)地進(jìn)行。具體反應(yīng)過程的方程式可以如下：甲醇合成：CO+2H2→CH3OHΔH=-90.7kJ/mol甲醇脫水：2CH3OH→CH3OCH3+H2O,ΔH=-23.5kJ/mol水煤氣轉(zhuǎn)換：CO+H2O→CO2+H2,ΔH=-41.2kJ/mol總反應(yīng)式：3CO+3H2→CH3OCH3+H2O,ΔH=-246.1kJ/mol在這個(gè)過程中，產(chǎn)物是甲醇與二甲醚的混合物，這個(gè)混合物會(huì)經(jīng)過蒸餾分離得到二甲醚，而未反應(yīng)的甲醇會(huì)返回反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)利用。一步法根據(jù)反應(yīng)器類型可以分為固定床和漿態(tài)床兩種。這種方法具有高效率和高產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。需要注意的是，雖然這個(gè)工藝路線具有很多優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)器少、流程短、CO的轉(zhuǎn)化率高、投資較少等。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中仍然需要注意催化劑的選擇、反應(yīng)條件的控制以及產(chǎn)物的分離和提純等問題，以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和二甲醚的質(zhì)量。1.4.4CO?加氫直接合成二甲醚二甲醚的二氧化碳加氫合成法是一種利用二氧化碳和氫氣作為原料，通過催化反應(yīng)制備二甲醚的方法。該方法不僅能夠有效地轉(zhuǎn)化二氧化碳，減少溫室氣體排放，而且能夠生產(chǎn)清潔能源二甲醚，具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。其反應(yīng)的方程式為：2CO2+6H2→CH3OCH3+3H2O但CO2加氫制二甲醚技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在催化劑研發(fā)方面，研究者們主要集中在尋找高效、穩(wěn)定的催化劑，以提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率和二甲醚的選擇性。目前，過渡金屬催化劑，如銅基催化劑，是該反應(yīng)的主流催化劑，它們能夠在相對溫和的條件下促進(jìn)反應(yīng)。此外，研究者們還在探索新型催化劑材料，如金屬有機(jī)骨架（MOFs）和石墨烯基復(fù)合材料，以期進(jìn)一步提高催化性能。在反應(yīng)條件優(yōu)化方面，通過調(diào)整溫度、壓力和氣體流速等參數(shù)，可以優(yōu)化反應(yīng)條件，提高二甲醚的產(chǎn)率。例如，較高的壓力有利于提高二氧化碳的溶解度，從而促進(jìn)反應(yīng)；而適宜的溫度則可以平衡催化活性和選擇性。同時(shí)，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)也是影響反應(yīng)效率的關(guān)鍵因素，如微通道反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等新型反應(yīng)器正在被研究和開發(fā)。二氧化碳加氫合成二甲醚的過程還伴隨著一些挑戰(zhàn)，如副產(chǎn)物的生成、催化劑的失活以及能量效率的提升。為了解決這些問題，研究者們正在開展一系列的研究工作，包括催化劑的再生技術(shù)、反應(yīng)機(jī)理的深入理解以及過程的集成優(yōu)化。在環(huán)境影響評估方面，二氧化碳作為一種溫室氣體，其轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)的重要途徑。二氧化碳加氫合成二甲醚的過程有助于減少大氣中的二氧化碳濃度，對抗全球變暖。同時(shí)，由于二甲醚可以作為清潔燃料替代傳統(tǒng)化石燃料，其應(yīng)用還可以減少對石油資源的依賴，降低環(huán)境污染。在經(jīng)濟(jì)性分析方面，雖然目前二氧化碳加氫合成二甲醚的成本相對較高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)，其成本有望降低。此外，政府政策的支持和市場需求的增長也將推動(dòng)該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程?？傊?，二甲醚的二氧化碳加氫合成法是一種具有潛力的二甲醚制備方法，它不僅有助于解決環(huán)境問題，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)前景。隨著催化劑技術(shù)、反應(yīng)條件優(yōu)化和過程強(qiáng)化等方面的研究不斷深入，該方法有望在未來成為二甲醚生產(chǎn)的重要途徑。經(jīng)過以上方法對比，其中合成氣一步合成法雖然可以減少反應(yīng)器，但是該方法催化劑使用壽命短，且生產(chǎn)選擇性低產(chǎn)物不易分離，生產(chǎn)技術(shù)不成熟。液相甲醇脫水法生產(chǎn)污染大，催化劑有毒。同時(shí)，因?yàn)榧状家M(jìn)行提純分離，更容易得到氣相的甲醇，且生產(chǎn)工藝較成熟，因此本設(shè)計(jì)采用氣相甲醇脫水法。1.5二甲醚的生產(chǎn)工藝1.5.1工藝流程敘述級框圖圖1.1工藝流程敘述級框圖1.5.2工藝條件本設(shè)計(jì)采用氣相脫水法生產(chǎn)二甲醚。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的甲醇為原料，使用γ-Al2O3作為反應(yīng)的催化劑，目標(biāo)生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的二甲醚。氣相脫水法具有反應(yīng)速度快、催化劑壽命長、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。甲醇的基本物理性質(zhì)見下表2.1：表2.1甲醇的物理性質(zhì)性質(zhì)數(shù)值性質(zhì)數(shù)值分子式CH3OH比熱容2.51kJ/(kg·K)(20℃)摩爾質(zhì)量32.04飽和蒸氣壓12.3kPa(20℃)沸點(diǎn)64.8℃粘度0.55mPa·s(25℃)熔點(diǎn)-97.8℃偶極矩1.69D(g)閃點(diǎn)11.1℃折射率1.33066臨界溫度240.0℃密度0.791g/cm2(20℃)1.5.3主要設(shè)備指標(biāo)本次設(shè)計(jì)為甲醇精餾和二甲醚合成反應(yīng)兩個(gè)階段，因此，以下只會(huì)列出與精餾塔和反應(yīng)釜相關(guān)的參數(shù)。精餾塔：原料甲醇純度90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），塔頂甲醇?xì)怏w純度≥99%，釜液甲醇含量≤0.5%；反應(yīng)釜：轉(zhuǎn)化率≥80%，選擇性≥99.9%；脫水反應(yīng)溫度為300℃；反應(yīng)壓力為1MPa.1.5.4催化劑的使用本設(shè)計(jì)采用輻射型固定床反應(yīng)器作為DME（二甲醚）合成塔，這是基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠提供良好的熱傳遞和反應(yīng)物接觸效果。選擇的催化劑為γ-Al2O3分子篩，該催化劑具有適宜的顆粒尺寸（φ=3mm，L=5～8mm）和堆積體積密度（≤0.7t/m3），這有助于確保催化劑在反應(yīng)器中的均勻分布和高效利用。該催化劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、撞擊強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度，這意味著它在反應(yīng)過程中能夠保持穩(wěn)定的催化性能，并且有較長的使用壽命。針對甲醇縮水生成二甲醚的工藝過程，該催化劑表現(xiàn)出高催化活性、選擇性和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了高效、經(jīng)濟(jì)的二甲醚生產(chǎn)。此外，對于催化劑的設(shè)計(jì)，要使得甲醇的轉(zhuǎn)化率≥80%，這表明在反應(yīng)中有較多的甲醇能夠轉(zhuǎn)化為二甲醚，且副反應(yīng)較少。生成的副產(chǎn)物主要為甲烷和二氧化碳，均為微量。催化劑的再生周期長達(dá)300日以上，可以反復(fù)使用，這大大降低了生產(chǎn)成本和環(huán)境污染。值得注意的是，該催化劑在制備過程中添加了少量稀土元素，但不含有毒重金屬組份。因此，在處理廢棄的催化劑時(shí)，可以將其就地填埋或送至催化劑配制公司進(jìn)行回收處理，這有助于減少環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)。綜上所述，本設(shè)計(jì)所選用的沸石型酸性氧化鋁分子篩催化劑具有優(yōu)異的催化性能、長壽命和良好的環(huán)境友好性，能夠滿足二甲醚生產(chǎn)的需求并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.工藝計(jì)算2.1物料衡算2.1.1計(jì)算依據(jù)二甲醚年生產(chǎn)規(guī)模：50000t，產(chǎn)品二甲醚純度≥99.9%；年生產(chǎn)300天，連續(xù)生產(chǎn)，每天24小時(shí)，不考慮到精制中各個(gè)步驟的損失。表2.1各物質(zhì)相對分子質(zhì)量組分CH3OCH3CH3OHH2OCOH2相對分子質(zhì)量g/mol463218282二甲醚的流量：q合成塔:選擇g-A12O3做催化劑，轉(zhuǎn)化率>80%，選擇性>99.9%2CH3OH→CH3OCH3+H2O得到純甲醇的流量：q甲醇=原料粗甲醇純度90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))得到原料甲醇的進(jìn)料量：q其中水的流量：q水的摩爾流量：q=1341.87/18原料甲醇年用量：m甲醇=2.1.2甲醇精餾工段物料衡算原料：粗甲醇純度90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分離要求：塔頂甲醇?xì)怏w純度>99%釜液甲醇含量≤0.5%F：進(jìn)料量（kmol/?），xFD：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/?），xDW：塔底產(chǎn)品流量（kmol/?），xW原料組成： x塔頂組成： x塔底組成： x進(jìn)料平均相對分子質(zhì)量：M=原物料： F總物料： F易揮發(fā)組分： FxF=D帶入數(shù)據(jù)可得： D塔頂甲醇的平均相對分子質(zhì)量：M塔頂甲醇質(zhì)量流量：D'塔頂廢液質(zhì)量流量：W'表2.2甲醇物料衡算結(jié)果表塔頂出料塔底出料進(jìn)料質(zhì)量流量/(kg/?)121921226.6713418.67質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%990.590摩爾流量/(kmol/?)384.0067.96451.96摩爾分?jǐn)?shù)/%98.240.2883.512.1.3合成工段物料衡算甲醇合成二甲醚的轉(zhuǎn)化率>80%，選擇性>99.9%主反應(yīng)式： 2CH3OH→CH3OCH3+H2O副反應(yīng)式： CH3OH→CO+H2甲醇的流量：384.00×98.24質(zhì)量流量：377.24水的流量：水的質(zhì)量流量：6.76生成二甲醚的量：二甲醚的質(zhì)量:m二甲醚生成水：qCO的量：qCO的質(zhì)量流量：mH2的量：qH2的質(zhì)量流量：m剩余甲醇的量：q剩余甲醇的質(zhì)量流量：m水的總量：6.76+水的質(zhì)量流量：m表2.3二甲醚合成工段物料衡算結(jié)果進(jìn)料口出料口流量（kmol/?）質(zhì)量流量(kg/?)流量（kmol/?）質(zhì)量流量(kg/?)CH3OH377.2412071.6875.452414.4H2O6.76121.68157.512835.18CH3OCH300150.756934.50CO000.3028.456H2000.3020.604總計(jì)384.0012193.36384.31412193.14

2.2熱量衡算2.2.1原料精餾工段熱量衡算（1）加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇化工生產(chǎn)過程中，選擇合適的加熱介質(zhì)對于保證反應(yīng)的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。飽和水蒸氣和煙道氣作為兩種常見的加熱介質(zhì)，各有其特點(diǎn)和適用范圍。飽和水蒸氣作為加熱介質(zhì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，其冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)高，這意味著熱量傳遞效率高，可以實(shí)現(xiàn)快速且均勻的加熱；其次，通過改變蒸汽的壓力，可以精確地控制加熱溫度，這對于需要嚴(yán)格溫度控制的化學(xué)反應(yīng)尤為重要；此外，飽和水蒸氣易于獲得，且在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生腐蝕問題，從而延長了加熱設(shè)備的使用壽命，并減少了維護(hù)成本。在實(shí)際應(yīng)用中，1.2MPa（溫度為187.8℃）的飽和水蒸氣是一種常見的選擇，既能滿足多數(shù)加熱需求，又能保持經(jīng)濟(jì)性。煙道氣作為加熱介質(zhì)，其主要優(yōu)勢在于溫度較高，適合高溫加熱過程。然而，煙道氣的比熱容和傳熱膜系數(shù)較低，這使得熱量傳遞效率不如飽和水蒸氣，且加熱溫度控制較為困難。此外，煙道氣可能含有雜質(zhì)，有潛在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，需要特別注意設(shè)備的防護(hù)和維護(hù)。因此，在選擇煙道氣作為加熱介質(zhì)時(shí)，需要綜合考慮加熱溫度的要求和經(jīng)濟(jì)成本。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中選擇1.2MPa的飽和水蒸氣作為加熱介質(zhì)，是基于其高效的傳熱性能、精確的溫度控制能力以及經(jīng)濟(jì)性。這種選擇既能滿足生產(chǎn)需求，又能確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗?，冷卻水一般為4-25℃。本設(shè)計(jì)選用25℃的冷卻水，選升溫10℃，即冷卻水的出口溫度為35℃。（2）塔內(nèi)的溫度進(jìn)料溫度：25℃甲醇進(jìn)料量：12076.80kg/h水的進(jìn)料量：1341.87kg/h表2.4甲醇?xì)庖浩胶獗頊囟萾/℃甲醇摩爾分?jǐn)?shù)溫度t/℃甲醇摩爾分?jǐn)?shù)液相x/%氣相y/%液相x/%氣相y/%1000073.846.2077.5692.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.8388.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.8100100據(jù)查表，利用內(nèi)插法可得塔頂：100?98.24100?91.94=64.7?tD塔底：0?0.280?5.31=100?tW100?92.9進(jìn)料口：85.62?83.5185.62?68.49=68?tF68?70精餾段平均溫度：t1=（tD+tF提餾段平均溫度：t2=（tW+tF（3）冷凝器的熱負(fù)荷QC=(R+1)D(IVD?IIVDILD又I?H?H蒸發(fā)潛熱的計(jì)算?Tr表2.5甲醇、水沸點(diǎn)下的蒸發(fā)潛熱物質(zhì)沸點(diǎn)/℃蒸發(fā)潛熱?HTc甲醇64.81105513.15水1002257648.15甲醇：TT蒸發(fā)潛熱：?H水：TT蒸發(fā)潛熱：?H因此I=0.9824×=1125.93kJ/kg由甲醇?xì)庖浩胶獗淼臄?shù)據(jù)繪制x-y圖圖2.1甲醇?xì)庖浩胶鈭D由圖可知，其中對于回流比R100xDRmin+1=20.62我們?nèi)?.5，則R=因此Q=(4.88+1)=2.54（4）冷卻水消耗量WWC——CPCt1,t查得在改溫度下冷卻水的熱容CPC=4.25kJ/(kg·WC（5）加熱器熱負(fù)荷表2.6甲醇、水沸點(diǎn)下的熱容甲醇水熱容CPJ/(mol·K)81.675.29數(shù)據(jù)由天津《物理化學(xué)》第六版課后附錄得知進(jìn)料液體熱容:Cp,F=塔頂液體熱容：Cp,D=塔釜液體熱容：Cp,則精餾段：Cp提餾段：C為了簡便計(jì)算，現(xiàn)在以進(jìn)料焓，以68.25℃為基準(zhǔn)。QD=DQW=WC（6）全塔進(jìn)行熱量衡算Q其中Q所以QS=?9.64×由于塔釜熱損失為10%,則η=QS'=式中QS——QS'QD——QW——加熱蒸氣消耗量：查得：?HW表2.7精餾塔熱量衡算數(shù)據(jù)結(jié)果列表符號數(shù)值2.54kJ/h5.98×kg/h0?9.64×kJ1.66×kJ2.61×1061337.58kg/h2.2.2換熱器E101熱量衡算熱量衡算的基礎(chǔ)是能量守恒定律，即進(jìn)入系統(tǒng)的熱量與離開熱量相互平衡?？捎霉奖硎緸椋篞1——物料進(jìn)入設(shè)備所具有熱量；Q2——由加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和物料的熱量；Q3——過程中出現(xiàn)的熱效應(yīng)；Q4——物料離開設(shè)備所具有的熱量；Q5——消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量；Q6——設(shè)備向四周環(huán)境所放出的熱量。本設(shè)計(jì)采用此換熱器對混合后的進(jìn)料氣體進(jìn)行加熱，進(jìn)料氣體的進(jìn)料壓力為標(biāo)準(zhǔn)氣壓，進(jìn)料溫度為65.15℃，需將其加熱至300℃。根據(jù)已知換熱器的出料流股即甲醇反應(yīng)器的進(jìn)料流股，且在換熱器中的無物料損失，且不發(fā)生反應(yīng)，則可得換熱器物料衡算表如下表所示。表2.8換熱器E101物料衡算表進(jìn)料口出料口流量（kmol/?質(zhì)量流量(kg/?)流量（kmol/?質(zhì)量流量(kg/?)CH3OH377.2412071.68377.2412071.68H2O6.76121.686.76121.68總計(jì)384.0012193.36384.0012193.36查得標(biāo)準(zhǔn)氣壓下65.15℃和300℃時(shí)以下溫度下各物質(zhì)的熱容如下表：表2.9標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，不同溫度的各物質(zhì)熱容物質(zhì)65.15℃（kJ/kg·K）300℃（kJ/kg·K）CH3OH2.583.09H2O4.183.5由物料衡算表可得：以下計(jì)算均以0℃為基準(zhǔn)（1）物料帶入熱量Q1①CH3OH:q1②H2O:q2③Q1Q1（2）物料帶出的熱量Q4①CH3OH:q1②H2O:q2③Q4Q4熱效應(yīng)Q3在換熱器中，取熱效應(yīng)為0則：（4）熱損Q5和Q6取熱損為5%，求出熱損為：Q（4）外加能量Q2由熱量衡算公式可得：QQ2由上可得換熱器熱量衡算表如下表所示：表2.10熱量衡算結(jié)果表物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hCH3OH2.031.125.6509.802H2O3.31127764合計(jì)2.063×1.13×2.2.3合成工段熱量衡算已知二甲醚合成塔的物料衡算表如下：表2.11合成塔物料進(jìn)料口出料口流量（kmol/?質(zhì)量流量(kg/?)流量（kmol/?質(zhì)量流量(kg/?)CH3OH377.2412071.6875.452414.4H2O6.76121.68157.512835.18CH3OCH300150.756934.50CO000.3028.456H2000.3020.604總計(jì)384.0012193.36384.31412193.14在合成塔內(nèi)的反應(yīng)為：主反應(yīng)式： 2CH3OH→CH3OCH3+H2O?H=-24.5kJ/mol副反應(yīng)式： CH3OH→CO+H2?H=90.14kJ/mol因?yàn)樵诤铣伤蠧H3OH轉(zhuǎn)化率>80%，主反應(yīng)的選擇性>99.9%表2.12各反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)反應(yīng)進(jìn)度（kmol/h）主反應(yīng)150.75副反應(yīng)0.302生成物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)氣壓，300℃時(shí)的熱容如下表：表2.13生成物在標(biāo)準(zhǔn)氣壓，300℃時(shí)的熱容物質(zhì)熱容（kJ/kg·K）CH3OH3.09H2O3.5CH3OCH32.16CO0.97H214.3設(shè)出料口與進(jìn)料口溫度相同。（1）物料帶入熱量Q1①CH3OH:q1②H2O:q2③Q1Q1（2）熱效應(yīng)Q3可得出2CH3OH→CH3OCH3+H2O的反應(yīng)熱：?CH3OH→CO+H2的反應(yīng)熱：?Q（3）物料帶出的熱量Q4①CH3OH:q1②H2O:q2③CH3OCH3:q3④CO:q4⑤H2:q5⑥Q4Q4（4）熱損Q5和Q6取熱損為5%，求出熱損為：Q（5）外加能量Q2由熱量衡算公式可得：QQ2表2.14反應(yīng)釜的熱量衡算表物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hCH3OH6?3.67×2.568H2O1277642.98CH3OCH304.49CO02460.7H202591.2合計(jì)1.13×9.71×

3.設(shè)備計(jì)算及選型3.1主設(shè)備計(jì)算及選型3.1.1精餾塔的計(jì)算及選型填料的選擇填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個(gè)方面進(jìn)行。本汽化塔設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，金屬板波紋250Y型填料。精餾塔設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件表3.1不同溫度下甲醇和水的密度物質(zhì)密度(kg/m3)溫度/℃5060708090100甲醇水750988741983731978721972713965704958表3.2查化工工藝設(shè)計(jì)手冊整理得甲醇-水特殊點(diǎn)粘度物質(zhì)粘度（mPa.s）塔頂65.15℃塔底99.63℃進(jìn)料68.25℃甲醇水0.3330.4350.2280.2850.340.416塔頂條件下的的參數(shù)x①氣相平均相對分子質(zhì)量M②液相平均相對分子質(zhì)量M③氣相密度ρ④液相密度當(dāng)T=65.15℃時(shí)，查表，利用內(nèi)插法算得ρ1ρ⑤液相黏度μLD計(jì)算結(jié)果如下所示：表3.3精餾塔塔頂數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值31.7531.751.235748.530.33512192384.00塔釜條件下的的參數(shù)x①氣相平均相對分子質(zhì)量M②液相平均相對分子質(zhì)量M③氣相密度ρ④液相密度當(dāng)T=99.63℃時(shí)，查表，利用內(nèi)插法算得ρ1ρ⑤液相黏度μLW計(jì)算結(jié)果如下所示：表3.4精餾塔塔釜數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值18.0318.030.589957.670.2851226.6767.96進(jìn)料條件下的參數(shù)x根據(jù)甲醇?xì)庖浩胶獗?，利用?nèi)插法可得87.41?68.49y①氣相平均相對分子質(zhì)量M②液相平均相對分子質(zhì)量M③氣相密度ρ④液相密度當(dāng)T=68.25℃時(shí)，查表，利用內(nèi)插法算得ρ1ρ⑤液相黏度μLF計(jì)算結(jié)果如下所示：表3.5精餾塔進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值29.6930.671.009753.010.35313418.67451.96精餾段的參數(shù)①氣相平均相對分子質(zhì)量M②液相平均相對分子質(zhì)量M③氣相密度ρ④液相密度ρ⑤液相黏度μL精⑥氣相流量摩爾流量：V質(zhì)量流量：V⑦液相流量摩爾流量：L質(zhì)量流量：L

表3.6精餾段數(shù)據(jù)結(jié)果符號數(shù)值氣相平均相對分子質(zhì)量31.32液相平均相對分子質(zhì)量30.72氣相密度1.122液相密度750.77氣相摩爾流量/2257.92氣相質(zhì)量流量/70469.68液相粘度0.344液相摩爾流量1873.92液相質(zhì)量流量57566.82提餾段的參數(shù)①氣相平均相對分子質(zhì)量M②液相平均相對分子質(zhì)量M③氣相密度ρ④液相密度ρ⑤液相黏度μL提⑥氣相流量摩爾流量：VV提=V質(zhì)量流量：V⑦液相流量摩爾流量：L質(zhì)量流量：L表3.7提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果符號精餾段氣相平均相對分子質(zhì)量24.35液相平均相對分子質(zhì)量23.86氣相密度0.799液相密度855.34氣相摩爾流量/2257.92氣相質(zhì)量流量/54980.35液相粘度0.319液相摩爾流量2325.88液相質(zhì)量流量55495.50理論板數(shù)由于本次設(shè)計(jì)時(shí)汽化塔的相對揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡捷法求得，應(yīng)用圖解法。精餾段操作線方程為：截距：因?yàn)槲覀兯x的泡點(diǎn)進(jìn)料，所以q=1,得提餾段操作線，然后由平衡線與操作線可得精餾塔理論板數(shù)為30塊，提餾段4塊，精餾段26塊。塔徑設(shè)計(jì)汽化塔設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件：由氣速關(guān)聯(lián)式lg式中——干填料因子；——液體粘度，mPa·s；A——250Y型為0.291；L、V——液體、氣體質(zhì)量流速；ρL、ρV——?dú)怏w、液體密度；g——重力加速度,取9.8m/s（公式來源于《常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》李功樣等編P49，數(shù)據(jù)來源于化學(xué)工程師手冊[4]P917和湖南科大化工原理課程設(shè)計(jì)P127）精餾段：ρV=1.122kg/m3，ρL=750.77kg/m=0.97，=250，=0.344mPa·s，L=57566.82kg/h，V=70469.68kg/h，A=0.291代入式中求解得uF因?yàn)榭账馑賣可取到（0.6~0.8）u空塔氣速u=0.7×3.255=2.27m/s體積流量VS=V則塔徑D=圓整后：D=3.20m,代入原來的公式空塔氣速u=2.17m/s提餾段：ρV=0.799kg/m3，ρL=855.34kg/m=0.97，=250，=0.319mPa·s，L=55495.50kg/h，V=54980.35kg/h，A=0.291代入數(shù)值得uF空塔氣速u=0.7×4.17=2.92m/s體積流量VS=V則塔徑D=圓整后：D=3.2m,空塔氣速u=2.78m/s選取整塔塔徑為D=3.2m。選取汽化塔的型號為：Ф3200/700×1500,VN=4.8m2拉西環(huán)填料填料層高度精餾段：u=2.17m/s，ρV=1.122動(dòng)能因子F=u經(jīng)查每米理論級數(shù)精餾塔填料層高度：Zn精——精餾段理論塔板數(shù)提餾段：u=2.78m/s，ρV=0.799kg/m動(dòng)能因子F=u經(jīng)查每米理論級數(shù)精餾塔填料層高度：Zn提填料層總高度：Z填料層壓降精餾段液體負(fù)荷：L=3600F根據(jù)精餾段動(dòng)能因子F查液體負(fù)荷L為10和20的每米填料層壓降，數(shù)值分別為0.22和0.25，在利用內(nèi)插法算出塔板的每米壓降。20?10解得?精餾段壓降：?提餾段液體負(fù)荷：L=3600F根據(jù)提餾段動(dòng)能因子F查液體負(fù)荷L為5和10的每米填料層壓降，數(shù)值分別為0.166和0.179，在利用內(nèi)插法算出塔板的每米壓降。10?5解得?提餾段壓降：?全塔填料層總壓降：?表3.8填料層高度和壓強(qiáng)降計(jì)算匯總表參數(shù)精餾段提餾段全塔每米壓降?壓降?P/k填料層高度/m0.2252.25100.1680.2651.58-2.51511.58表3.9汽化塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表塔頂塔釜進(jìn)料精餾段提餾段氣相摩爾流量（kmol/h）384.0067.96451.962257.922257.92液相摩爾流量（kmol/h）1873.922325.88氣相質(zhì)量流量（kg/h）121921226.6713418.6770469.6854980.35液相質(zhì)量流量（kg/h）57566.8255495.50摩爾分率0.98240.00280.8351--質(zhì)量分率0.990.0050.9--溫度/℃65.1599.6368.25--氣相平均相對分子質(zhì)量31.7518.0330.6731.3224.35液相平均相對分子質(zhì)量31.7518.0329.6930.7223.86氣相平均密度（kg/m3）1.1350.5891.0091.1220.799液相平均密度（kg/m3）748.53957.67751.01750.77855.34平均粘度（mPa·s）0.3350.2850.3530.3440.3193.1.2合成反應(yīng)塔的計(jì)算及選型（1）合成反應(yīng)塔合成塔作為氣液傳質(zhì)設(shè)備，在多種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著核心作用。其設(shè)計(jì)目的主要是為了實(shí)現(xiàn)特定的合成反應(yīng)，這些反應(yīng)涉及多種化學(xué)品的生產(chǎn)，如氨、甲醇、尿素等，這些產(chǎn)品在工業(yè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)形式，合成塔主要分為板式塔和填料塔兩種類型。板式塔是一種經(jīng)典的合成塔結(jié)構(gòu)，它由圓柱形塔體和內(nèi)部按一定間距水平安裝的塔板組成。這種設(shè)計(jì)允許氣體以鼓泡或噴射的形式穿過塔板上的液層，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和熱量的有效傳遞。由于氣體和液體在塔板上的逐級接觸和逆流操作，氣液相的組成會(huì)呈現(xiàn)階梯狀的變化。這種特性使得板式塔特別適用于氣液或液液系統(tǒng)的分級接觸傳質(zhì)過程。在工業(yè)生產(chǎn)中，合成塔的選擇和應(yīng)用需要根據(jù)具體的生產(chǎn)需求、反應(yīng)特性以及操作條件來綜合考慮。板式塔由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作靈活性，被廣泛應(yīng)用于各種需要?dú)庖簜髻|(zhì)的場景中。然而，隨著科技的進(jìn)步和工藝的優(yōu)化，新型的填料塔也逐漸展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更多的選擇（2）合成反應(yīng)塔尺寸根據(jù)物料衡算的結(jié)果，甲醇的進(jìn)料流量為384.00kmol/h，反應(yīng)器內(nèi)的氣體。反應(yīng)器的尺寸計(jì)算主要包括反應(yīng)器的直徑和長度的確定，以及催化劑的裝填量的估算。反應(yīng)器的直徑的確定主要考慮反應(yīng)器內(nèi)的壓降和傳質(zhì)效率，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式其中，D為反應(yīng)器的直徑，單位為m；Q為反應(yīng)器的進(jìn)料流量，單位為m3/s；v為反應(yīng)器內(nèi)的氣體流速，單位為m/s。根據(jù)反應(yīng)器的進(jìn)料流量和氣液比，由公式pV=nRT可求得在1MPa，300℃時(shí)，摩爾氣體體積為：V可以計(jì)算出反應(yīng)器內(nèi)的氣體流量為V=n假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)的氣體流速為0.8m/s，代入公式，可得反應(yīng)器的直徑為：D反應(yīng)器的長度的確定主要考慮反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式：其中，L為反應(yīng)器的長度，單位為m；v為反應(yīng)器內(nèi)的氣體流速，單位為m/s；t為反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，單位為s；η為反應(yīng)器的空隙率，一般取0.8。假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間為15s，代入公式，可得反應(yīng)器的長度為：L催化劑的裝填量的估算主要考慮反應(yīng)器的直徑、長度和空隙率，以及催化劑的密度和活性，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式：其中，W為催化劑的裝填量，單位為kg；D為反應(yīng)器的直徑，單位為m；L為反應(yīng)器的長度，單位為m；ρ為催化劑的密度，單位為kg/m3；η為反應(yīng)器的空隙率，一般取0.8。根據(jù)錳基催化劑的密度為3960kg/m3，代入公式，可得催化劑的裝填量為：W綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇的二甲醚合成反應(yīng)器的尺寸為：直徑2.85m，高度15m，催化劑裝填量17.58×1043.2附屬設(shè)備的計(jì)算及選型3.2.1汽化塔附屬設(shè)備的選型計(jì)算（1）甲醇回流冷凝器選用管殼式冷凝器，被冷凝氣體走管間，以便于及時(shí)排出冷凝液，采用逆流換熱。取冷凝器傳熱系數(shù)K=700W/（m2℃）逆流：T68.25℃→65.15℃t35℃←25℃?A=選取冷凝器型號為：選取冷凝器型號為：Φ500×4500，冷凝面積F=100m2（2）塔底再沸器選用U型管加熱器，經(jīng)處理后，放在塔釜內(nèi)，蒸汽選擇1.2MPa（187.8℃）飽和水蒸氣，傳熱系數(shù)K=2000W/(m2·℃)△t=187.8-100=87.8℃=2.9×10A=選取再沸器的型號為：Ф300×3000，換熱面積為F=173.3換熱器換熱器是眾多工業(yè)領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備，特別是在化工、石油、食品等行業(yè)中，其地位尤為重要。由于各行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、物料特性以及傳熱需求各異，因此換熱器的類型和設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出多樣性。換熱器是一種用于傳遞熱量的設(shè)備，它可以將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝條件的需要。根據(jù)應(yīng)用目的，換熱器可以分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。而從傳熱原理與方式上劃分，換熱器則主要有混合式、蓄熱式和間壁式三大類別?；旌鲜綋Q熱器是一種特殊的換熱器類型，其工作原理是通過冷、熱流體的直接接觸和混合來實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。這種換熱器沒有固定的傳熱壁面，而是依靠流體的運(yùn)動(dòng)和混合來傳遞熱量?；旌鲜綋Q熱器的傳熱效率通常較高，因?yàn)槔?、熱流體之間的接觸面積大，傳熱阻力小。同時(shí)，由于沒有傳熱壁面，因此不存在因污垢或結(jié)垢導(dǎo)致的傳熱效率下降的問題。此外，混合式換熱器還具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)。蓄熱式換熱器，又稱回流式換熱器或蓄熱器，其工作原理是利用熱容量較大的固體蓄熱體來傳遞熱量。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，會(huì)吸收熱量并升溫，隨后再與冷流體接觸，將熱量釋放給冷流體，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，耐高溫，常用于高溫氣體的熱量回收或冷卻。但需要注意的是，其體積較大，且難以完全避免兩種流體的混合。在間壁式換熱器中，作為工業(yè)中最常見的換熱器類型，其特點(diǎn)在于通過固體壁面將冷、熱流體隔開，實(shí)現(xiàn)熱量的間接傳遞。這種設(shè)計(jì)方式確保了冷、熱流體不會(huì)直接接觸，特別適用于那些需要避免流體直接接觸的場合，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間壁式換熱器可以進(jìn)一步細(xì)分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。管殼式換熱器其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其在各種工業(yè)環(huán)境中都能保持較高的穩(wěn)定性，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它能夠有效地實(shí)現(xiàn)熱量從熱流體到冷流體的傳遞。在化工、石油等行業(yè)中，由于其高效的傳熱和穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，管殼式換熱器得到了廣泛的應(yīng)用。而緊湊式換熱器以其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小而受到青睞，盡管結(jié)構(gòu)緊湊，但其傳熱性能并不遜色于其他類型的換熱器，甚至在某些特定場合下更為出色。因此，緊湊式換熱器在一些特定的工業(yè)應(yīng)用場景中得到了推廣。3.3.1設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)采用此換熱器對混合后的進(jìn)料氣體進(jìn)行加熱，進(jìn)料氣體的進(jìn)料壓力為2MPa，進(jìn)料溫度為65.15℃，需將其加熱至300℃，采用熱蒸汽對其進(jìn)行加熱，規(guī)定熱蒸汽進(jìn)料壓力為1MPa，進(jìn)料溫度為400℃，出料溫度為200℃。在冬季操作時(shí)，由于環(huán)境溫度的降低，換熱器的進(jìn)口溫度可能會(huì)受到影響，導(dǎo)致整體傳熱效果下降?？紤]到這一因素，選擇一種能夠適應(yīng)較大溫差、同時(shí)保持較高傳熱效率的換熱器顯得尤為重要。浮頭式換熱器由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠較好地適應(yīng)管壁溫度和殼體溫度之間較大的溫差變化，因此被認(rèn)為是一個(gè)合適的選擇。此外，為了減少環(huán)境對加熱氣體的影響，需要確定熱蒸汽和進(jìn)料氣體的流動(dòng)路徑。通常情況下，我們希望熱蒸汽在殼程中流動(dòng)，因?yàn)闅こ痰牧鲃?dòng)阻力相對較小，可以更容易地實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。同時(shí)，進(jìn)料氣體則通過管程流動(dòng)，以便更好地控制其溫度和加熱效果。3.3.2物性參數(shù)的確定（1）定性溫度取熱流股的定性溫度為：T取冷流股的定性溫度為：T（2）物性參數(shù)在定性溫度下，通過已知數(shù)據(jù)升溫流股即管程流體的流量為12192kg/h，根據(jù)化工數(shù)據(jù)表分別查得殼程流體和管程混合流體（主要成分是甲醇）的物性參數(shù)，如下表：表3.10物性參數(shù)表分子量密度kg/m3定壓熱容kJ/(kg?℃)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m?℃)黏度Pa?s管程320.792.500.21.2×10-4殼程180.5481.350.02931.38×10-53.3.3傳熱面積估算（1）熱流量（忽略熱損）Q=mC計(jì)算平均傳熱溫差（以逆流計(jì)算）?水蒸氣用量W（4）估算總