年產(chǎn)8萬噸二甲醚精餾工段及分離塔的設(shè)計

8萬噸/年二甲醚精餾工段及別離塔的設(shè)計【摘要】本文主要對二甲醚精餾工段進行工藝設(shè)計，別離二甲醚、甲醇和水三元體系。二甲醚精餾塔采用篩板塔，塔頂冷凝裝置采用全凝器，用來準(zhǔn)確控制回流比。塔底采用水蒸汽加熱，以提供足夠的熱量。通過運用化工模擬軟件對二甲醚精餾塔進行模擬，分別討論了回流比、輕組分回收率等參數(shù)對二甲醚精餾過程的影響，得出適宜的回流比，理論塔板數(shù)，最正確進料板位置。由模擬結(jié)果進行工藝計算得出塔徑，有效塔高，篩孔數(shù)，通過篩板塔的流體力學(xué)驗算，證明各指標(biāo)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)。同時，設(shè)計結(jié)果與實際生產(chǎn)情況相符?！娟P(guān)鍵詞】二甲醚精餾;工藝設(shè)計;模擬分析Abstract:ThearticlemainlydesignestheprocessofDMEdistillationtoseparatedimethylether,methanolandwatersystem.DesignofDMEdistillationcolumnusessieve.Toaccuratelycontroltherefluxratio,topcondensingunitusesall-condenser.Atthebottomofthecolumn,sufficientheatcanbeprovidedbysteamheating.SieveissimulatedbyusingASPENPLUSchemicalindustrysimulationsystem.Factors,suchasrefluxratio,feedingtemperature,lightkeycomponentrecoveriesarediscussedontheeffectsofDMEdistillationtoobtainsuitablerefluxratio,numberoftheoreticalplates,thebestfeedlocation..Columndiameter,theeffectiveheightoftower,sievenumbercanbecalculatedbythesimulationresults.Checkingthroughthesieveofthefluiddynamics,provesthattheindexdataareinlinedwithstandards.AndtheresultsofdesignconformetotheActualproduction.Keywords:DMEDistillation;ProcessDesign;Simulation1.引言二甲醚(Dimethy1Ether，簡稱DME)習(xí)慣上簡稱甲醚，為最簡單的脂肪醚，分子式C2H6O，是乙醇的同分異構(gòu)體，分子量46.07，是一種無色、無毒、無致癌性、腐蝕性小的產(chǎn)品。DME因其良好的理化性質(zhì)而被廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥和制冷等行業(yè)，近幾年更因其燃燒效果好和污染少而被稱為“清潔燃料〞,引起廣泛關(guān)注。二甲醚主要用于燃料〔民用燃料、工業(yè)燃料、車用燃料〕、氣霧劑、制冷劑等方面[1]。目前合成DME有以下幾種方法：〔1〕液相甲醇脫水法；〔2〕氣相甲醇脫水法；〔3〕合成氣一步法；〔4〕CO2加氫直接合成；〔5〕催化蒸餾法[1]。其中前二種方法比擬成熟，后三種方法正處于研究和工業(yè)放大階段。本設(shè)計采用氣相甲醇脫水法。相對液相法，氣相法具有操作簡單，自動化程度較高，少量廢水廢氣排放，排放物低于國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，DME選擇性和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點。同時該法也是目前國內(nèi)外生產(chǎn)DME的主要方法[2]。2.設(shè)計方案2.1原料與設(shè)計要求1.原料粗二甲醚〔組成為二甲醚55wt%，甲醇21wt%，水24wt%〕2.設(shè)計規(guī)模及要求設(shè)計規(guī)模：80,000噸DME/年，一年按330天計算，即7920小時，產(chǎn)品流量10,101kg/h，合計219.25kmol/h。設(shè)計要求：產(chǎn)品DME的純度：二甲醚≥99.95％。3.反響原理反響方程式：2CH3OHCH3OCH3+H2O℃)=-11770KJ/kmol2.2設(shè)計循環(huán)結(jié)構(gòu)在DME合成反響中，由于甲醇不能完全轉(zhuǎn)化，因此必須對反響后的物流進行別離，使甲醇同其它的組分別離出來，通過循環(huán)返回反響器，從而提高反響物的利用率。其循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)圖2.3別離流程由反響器得到的產(chǎn)品為粗二甲醚，對于二甲醚——甲醇——水三組分體系，采用兩精餾塔進行別離，主要有兩者流程方案，A——二甲醚，B——甲醇，C——水[3]。圖2.2流程〔1〕圖2.3流程〔2〕從上圖可以看出，流程〔1〕是按組分揮發(fā)度遞減的順序，流程〔2〕是按組分揮發(fā)度遞增的順序。比擬流程方案〔1〕與〔2〕可知，方案〔2〕中組分被冷凝與汽化的總次數(shù)較方案〔1〕的多，因而加熱介質(zhì)與冷卻介質(zhì)耗用量大，即操作費用高，同時，方案〔2〕的上升蒸汽量比方案〔1〕的要多，因此所需的塔徑大、再沸器與冷凝器的傳熱面積均較大，即投資費用也較高。所以假設(shè)從操作與投資費用來考慮，方案〔1〕優(yōu)于方案〔2〕。本設(shè)計中，別離工藝采用流程一。2.4塔板選型根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，塔設(shè)備可以分為板式塔與填料塔兩大類。按塔類氣液接觸方式，有逐級和微分接觸式之分[3]。塔型選擇根本原那么：〔1〕生產(chǎn)能力大，彈性好；〔2〕滿足工藝要求，別離效率高；〔3〕運轉(zhuǎn)可靠高，操作、維修、方便；〔4〕結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，造價較低；〔5〕塔壓降小。本設(shè)計中二甲醚精餾塔選擇篩板塔，生產(chǎn)能力大，塔板效率較高，通過流體力學(xué)驗算，設(shè)計符合要求。3.物料衡算3.1二甲醚精餾塔表3.1二甲醚精餾塔物料衡算表料向組分質(zhì)量流量質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾流量摩爾分?jǐn)?shù)〔kg/h〕〔kmol/h〕進料DME1014955%220.300.37529CH3OH3785.221%120.950.20604H2O4428.624%245.760.41867出料塔頂DME101010.9998219.250.99971CH3OH2.03770.00020.063600.00029塔釜DME2.54090.00030.0551540.00015CH3OH3033.80.4712122.800.33392H2O4412.30.5285244.860.665933.2甲醇精餾塔物料衡算表3.2甲醇精餾塔物料衡算表料向進料出料組分塔頂塔底摩爾流量Kmol/h摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量Kmol/h摩爾分?jǐn)?shù)摩爾流量Kmol/h摩爾分?jǐn)?shù)CH3OH81.810.3341181.800.991500.00970.00006H2O163.050.665880.700.00850162.350.99994∑244.861.000082.501.0000162.361.00004.流程模擬與優(yōu)化ASPENPLUS化工模擬軟件系統(tǒng)功能齊全、規(guī)模龐大，可用于石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)境保護、動力、節(jié)能、食品加工等許多工業(yè)領(lǐng)域，目前已在全世界范圍內(nèi)廣泛使用[4]4.1二甲醚精餾塔簡捷模擬[5]圖4.1二甲醚精餾簡捷模擬圖二甲醚精餾塔簡捷模擬結(jié)果見表4.1表4.1resultsummaryMinimumrefluxratio0.45008973Actualrefluxratio0.90017946Minimumnumberofstages8.29983362Numberofactualstages14.5513894Feedstage7.98244027Numberofactualstagesabovefeed6.98244027Reboilerheatingrequired(Watt)2459593.11Condensercoolingrequired(Watt)2098362.2Distillatetemperature(K)313.433487Bottomtemperature(K)425.247137Distillatetofeedfraction0.373591634.2二甲醚精餾塔精確模擬圖4.2二甲醚精餾塔精確模擬圖4.3靈敏度分析實際塔板數(shù)對回流比的影響由圖4.3可以看出，隨著回流比的增大，實際塔板數(shù)逐漸減小，回流比對精餾塔的影響很大，直接關(guān)系著塔內(nèi)各層板上的物料濃度的改變和溫度的分布，最終反映在塔的別離效率上，是重要操作參數(shù)之一。圖4.3N-R曲線圖實際塔板數(shù)對輕關(guān)鍵組分回收率的影響由圖4.4可以看出，輕組分的回收率在0.95～0.9999之間變動時，隨著它的增大塔板數(shù)隨之增大，特別指出的是，回收率大于0.99以后，隨著回收率的增大實際塔板數(shù)急劇增大，在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該結(jié)合別離要求和經(jīng)濟因素，選擇一個合理的回收率。圖4.4N-RECOVL曲線圖DME別離塔優(yōu)化結(jié)果同時考慮DME精餾塔回流比對理論塔板數(shù)及二甲醚回收率的影響，進行精確模擬，得到模擬優(yōu)化結(jié)果如表4.2表4.2DME精餾塔優(yōu)化結(jié)果理論塔板數(shù)28回流比0.712最正確進料位置15產(chǎn)品DME純度〔摩爾%〕99.971%塔頂壓力〔bar〕9.0塔釜壓力〔bar〕9.5塔頂溫度〔k〕313塔釜溫度〔k〕4255.二甲醚精餾塔工藝計算[6]5.1塔板負(fù)荷性能圖圖5.1精餾段塔板負(fù)荷性能圖圖5.2精餾段塔板負(fù)荷性能圖5.2二甲醚精餾塔計算結(jié)果表5.1二甲醚精餾塔計算結(jié)果序號工程數(shù)值備注平均溫度tm,℃精餾段提餾段1平均溫度tm,℃58.45118.142平均壓力Pm,kPa912.75936.553氣相流量Vs,m3/s0.3170.3384液相流量Ls,m3/s0.00250.007895實際塔板數(shù)15136有效段高度,m5.24.47塔徑，m1.08板間距,m0.49溢流形式單溢流分塊式塔板續(xù)表5.1二甲醚精餾塔計算結(jié)果10降液管形式弓形11堰長,m0.660.8012堰高,m0.0640.04913板上液層高度,m0.0814堰上液層高度,m0.0160.03115降液管底隙高度,m0.0470.04116安定區(qū)寬度,m0.06517邊緣區(qū)寬度,m0.03518開孔區(qū)面積,m20.5320.41819篩孔直徑,m0.00520篩孔數(shù)目2731214621孔中心距,m0.01522開孔率,%10.123空塔氣速,m/s0.400.4324篩孔氣速,m/s5.908.0225穩(wěn)定系數(shù)2.222.4826每層塔板壓降,Pa170027負(fù)荷上限液泛控制28負(fù)荷下限漏液控制29液沫夾帶eVkg液/kg氣0.00330.003530氣相負(fù)荷上限,m3/s0.400.3731氣相負(fù)荷下限,m3/s0.130.11232操作彈性3.085.4二甲醚精餾塔附件選型封頭設(shè)計[7]本設(shè)計塔徑D=1.0m,選用圓形封頭，查《化工設(shè)備機械根底》P196，JB/T4746—2002，那么封頭曲面高度選用250mm，直邊高度為25mm,厚度為8mm。接管尺寸設(shè)計[7,8]表5.2接管及法蘭繪制中用到的主要數(shù)據(jù)公稱直徑法蘭外徑D連接標(biāo)準(zhǔn)法蘭厚度b接管外徑d接管內(nèi)徑d0接管厚度t長度L連接方式用途或名稱200340HG20593242192009.5200突面塔頂蒸汽入口100200HG20593221081004200突面回流口125250HG20593221331254.5200突面進料口65185HG205932076655.5200突面塔釜出料口100200HG20593221081004200突面塔頂產(chǎn)品出口250395HG20593262602505200突面蒸汽入口5.5塔高的計算人孔設(shè)置[6]對于D=1000mm的板式塔，為安裝、檢修的需要，每隔7～8層塔板設(shè)一人孔。人孔處的板間距取為600mm。人孔采用板式平焊法蘭人孔，具體尺寸見設(shè)備圖。實際塔高的計算[9]；HF=0.5m；H1=0.25+0.025=0.275m；HD=1.5HT=1.5×0.40=0.60m取HB=1m，H2=3mH=〔28-1-3-1〕0.4+10.5+30.6+0.60+0.275+1+3=16.375m5.6過程控制[10]1.R12001流量控制。反響器進料流量穩(wěn)定不僅能保持物料平衡，還能保持反響所需的停留時間，防止由于流量變化而使反響物帶出的熱量與載入的熱量發(fā)生變化從而影響反響溫度的變化，因此對反響器進料流量進行控制。2.C12001塔頂壓力控制。塔頂壓力的變化必將引起塔內(nèi)氣相流量與液相流量和塔板上氣液平衡條件的變化，結(jié)果會使操作條件改變，最終將影響產(chǎn)品的質(zhì)量。采用冷凝器的冷劑量來控制塔壓。該方案的優(yōu)點是所用的調(diào)節(jié)閥口徑較小，節(jié)約投資，節(jié)約冷卻水。3.C12001溫度控制。通過控制二甲醚收集槽的進料流量，使塔上部溫差維持不變。4.T12004液位控制。通過控制二甲醚收集槽的液位使精餾塔回流量維持不變。5.T12003壓力控制。通過二甲醚精餾塔緩沖罐的壓力控制來調(diào)節(jié)精餾塔流量與采出量。6.T12003液位控制。通過測量二甲醚精餾塔的液位來控制進料量，采用簡單的反響控制。7.E12007流量控制?？偨Y(jié)1.本設(shè)計中對于二甲醚——甲醇——水三組分物系，根據(jù)排定簡單精餾塔的塔序推理法那么選擇按揮發(fā)度遞減的順序進行別離，這樣可以節(jié)約設(shè)備費