论文：化工过程分析和合成设计

1、 化工过程分析和合成设计 甲醇脱水生产二甲醚过程概念设计指导教师：钱宇、陆恩锡化工学院 2000级博士生： 姚志湘 2000级硕士生： 但东明一、概念设计简介概念设计又称为“预设计”，在根据开发基础研究成果、文献的数据、现有类似的操作数据和工作经验，按照所开发的新技术工业化规模而作出的预设计，用以指导过程研究及提出对开发性的基础研究进一步的要求，所以它是实验研究和过程研究的指南，是开发研究过程中十分关键的一个步骤。概念设计不同于工程设计，因而不能作为施工的依据，但是成功的概念设计不但可以节省大量的人力和物力，而且又可以加快新技术的开发速度，提高开发的水平和实用价值。即使一个很普通的单一产品的生

2、产过程，也可能有一百多个方案可供选择。如何从技术、经济的角度把最有希望的方案设计出来，是作为强化研究开发工作的方向，这是一种系统化的分级决策过程，也是概念设计的目标。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，

3、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业越来越普遍。本文采用国际上最成功和最流行的过程模拟软件之一：ASPEN PLUS作为辅助设计的主要工具。与过程有关的物料和能量的衡算基本上由该软件给出，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。本文通过概念设计，目标是寻找最佳工艺流程（即：选择过程单元以及这些单元之间的相互连接）和估算最佳设计条件。采用分层次决策的方法和简捷设计消去大量无效益的方案。同时对上一届同学工作进行了检验和优化，提出了进一步的优化方案。二、过程的基本信息市场信息二甲醚工业生产的兴起是同氟氯烷的限制和禁

4、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

5、。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15002000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。反应信息a. 反应方程式：2CH3OH (CH3)2O + H2O b. 反应热：HR(25oC)=-11770KJ/kmolc. 反应条件：温度T = 250oC - 370oC，反应压力P = 11 bard. 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4000C以

6、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。e. 反应为气相反应。f. 甲醇的转化率在80% 以上。g. 二甲醚产率：65kmol/hh. 二甲醚产品纯度：99wt% i. 原料：常温下工业级甲醇(假定含量1%)间歇对连续 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。三、流程输入输出结构和循环结构净化进料物流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，可以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。副产物在所选催化剂和反应条件下，主反

7、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。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。物料平衡和物流的费用物料平衡二甲醚产量PDME=130kmol/h，转化率x=0.8，选择性S=1，则根据反应方程式有：排放水130kmol/h；原料甲醇F=260kmol/h；设循环甲醇量为R kmol/h有（260+R）×(1-0.8)=R循环甲醇量R=65kmol/h。物流费用甲醇价格2000元/吨，二甲醚价格7000元/吨，废水处理价格为100元/吨。经济潜力EP2=(7000×

8、;130×46/1000-100×130×18/1000-2000×260×30/1000)×8150=2121万元/年产品替代方案本方案所生产的二甲醚纯度高达99wt%，主要用做气雾剂。但二甲醚用做液体燃料和致冷剂时，纯度不需这样，但价格也便宜。根据市场的要求，可以开发同时几种质量要求的二甲醚产品，当然可以在分离上少一些设备。所以这两种方案需要进行评价和比较。流程的循环结构设计的决策1. 主反应数目为一，反应器台数为一。2. 反应为催化反应，需要催化。反应有大量的反应热放出。采用绝热固定床式反应器。有一股循环物流。反应的转化率0.8

9、，未反应的甲醇需要循环使用，分离出的未反应甲醇循环回反应器继续反应。循环的物料平衡在前面，根据转化率和甲醚的产量，已经算出甲醇的循环量为R=65kmol/h。四、反应器反应器的热效应为了作出关于反应器的热效应决策，首先要对反应器的热负荷和绝热的温度变化进行估算。同时，也要注意设计中的各种温度限制。根据反应的限制条件，反应催化剂不能在4000C的温度之上工作，如果温度超过4000C，主反应的选择性大为降低。而当温度在360-3700C之间时，反应不仅有接进1的选择性，而且反应速率也较高。此反应为一放热反应，反应热为QR = 11770kJ/kmol, 如果采用绝热反应器，采用出口温度Tout=3

10、700C,在前面对于转化率x=0.8和相应的物流条件下，由ChemCAD模拟反应器，得出反应器进口温度Tin=250oC。由此可见，可以采用绝热反应器。反应器的设计和费用甲醇催化脱水反应器一般采用绝热固定床反应器。在工程上要确定反应器的几何尺寸，首先得确定出一定生产能力下所需的催化剂容积，再根据高径比确定反应器几何尺寸。本文采用实际生产中常见的空速来设计反应器，取7500 h-1 , 于是催化剂容积为式中 V 催化剂容积，米3 标准状态下甲醇的容积流率，米3/小时 U 空速，标米3甲醇/米3催化剂×h-1知道反应器尺寸和操作条件，由Guthrie的费用关系式计算反应器的费用，如下式：

11、式中 D反应器直径，ft H反应器高度，ft Fc=Fm*Fp 取 M&S=792进入反应器的物流量为325kmol/h，则标准状态下甲醇的容积流率为： m3/h所需催化剂体积为： V=7280/2000=3.64 m3ft，则催化剂床层高度L=8m，此为反应器中催化剂的实际填充高度。反应器的时间高度为：反应器高度L=催化剂高度+反应器空闲高度 L=8 + 2 =10 mft则反应器费用为：$×106元按投资偿还因子为1/3年计算，则×106××106元/年五、分离系统从反应器中出来的气体含有二甲醚、未反应的甲醇、水，都是以气态存在。进入分离塔之

12、前，要将气体冷却成液体或者气液两相共存。三组分的混合体系，采用两个精馏塔，即一个二甲醚塔和一个甲醇塔来将三种物质分离。塔序为了清晰的分割了混合物，可通过先回收最轻的组分，也可以先回收最重的组分。当组分数增多时，替代方案数量急剧上升。因而在排定蒸馏塔的塔序时，人们得到了两组推理法则。排定塔序的通用推理法则1、 脱出腐蚀性组分2、 尽快脱出反应性组分或单体3、 以溜出物移出产品4、 4.以溜出物移出循环物流，如果它们是循环送回填料床反应器尤要这样排定塔序的推理法则1、 大的优先2、 最轻的优先3、 高收率的分离最后4、 分离困难的最后5、 等摩尔的分割优先6、 下一个分离应该是最便宜的在根据上述推

13、理法则，三组分中二甲醚的流量最大，而且也最轻，所以本设计中塔的分离顺序为：二甲醚+甲醇+水-à二甲醚， 甲醇+水 ； 甲醇+水-à甲醇，水分离塔1（二甲醚+甲醇+水-à二甲醚， 甲醇+水）二甲醚在常压下的沸点很低（-240C），常压精馏，塔顶冷凝器需要保持低温，要增加制冷设备,增加了设计难度和实际操作困难，不采用此方案。经模拟计算，在加压条件下进行精馏，可以使塔顶的操作温度保持在工业操作范围内，经Aspenplus模拟和灵敏度分析计算，在压力为10bar下加压精馏，塔顶温度保持在500C左右。塔的主体设计根据Aspenplus的模拟结果（详见附录），塔采用严格计算

14、有：塔板数N=15进料塔板位置 9冷凝器热负荷Q冷凝器=8.5*105Watt再沸器热负荷Q再沸器=8.8*105Watt实际设计的过程中，取塔板效率E=0.5，则有实际的塔板数为N实际=15/0.5=30，板间距取0.5m，两端共加上2m，则塔的高度为： H=30*0.5+2=17m此塔的横截面积可由下式计算： A=2.214*104*(M(Tb+460)V)按塔顶处计算，有：M=46o代入公式可以算出：A=2.214*104*(46*(115.7+460)*185.9=6.69 ft2根据D=(4A/Pi)可以计算出塔径：由capcost可以算出费用为：193454$冷凝器的设计根据ASP

15、ENPLUS的模拟结果，塔顶冷凝器的热负荷为Q=8.5*105watt由Q=UcAc(Tm)此处用室温下的水冷却，可取Tm=20oC=68FUC2.F则Ac=Q/Uc(Tm)=8.5*105*3.412/100*68=426ft2由capcost计算费用为：26000$再沸器的设计塔底的热负荷为8.8*105watt由Q=UA(Tm)取于是其面积为：A=432ft2由capcost计算费用为：64000$分离塔2（ 甲醇+水-à甲醇，水 ）根据Aspenplus的模拟结果（详见附录），塔采用严格计算有：塔板数N=20进料塔板位置 14冷凝器热负荷Q冷凝器=1507856watt再沸器

16、热负荷Q再沸器=1315803watt实际设计的过程中，取塔板效率E=0.5，则有实际的塔板数为N实际=20/0.5=40，板间距取0.5m，两端共加上2m，则塔的高度为： H=40*0.5+2=22m塔主体的设计oC=197.2F，M=30V=（R+1）D=（1.4+1）×65=156kmol/h由A=2.214*10-4*(M(Tb+460)*V计算塔的横截面积为：A=2.214*10-4*(30*(197.2+460)2根据D=(4A/Pi)可以计算出塔径：由capcost计算费用为：203466$冷凝器的设计根据ASPENPLUS的模拟结果，塔顶冷凝器的热负荷为Q=15078

17、56watt由Q= UcAc(Tm)此处用室温下的水冷却，可取Tm=70oC=158FUC则Ac=Q/Uc(Tm)=1507856*3.412/100*158=325ft2由capcost计算费用为：23910$再沸器的设计塔底的热负荷为1315803wat由Q=UA(Tm)取于是其面积为：A=1315803*3.412/70*100=641ft2由capcost计算费用为：32340$六、热交换器在过程设计中节能总是重要的。所以，普遍采用在反应器和蒸馏塔的周围安装进料和出料的换热器。本设计中，反应器为热效应最大的设备，设计主要针对反应器的热效应进行，即模拟计算发现，将进入反应器的原料气化和温度提升所需的热值（3.6mmcal/hr），和将出口原料冷却的热值(-3.7mmcal/hr)相当。经夹点分析，两股物流之间完全可以进行换热，设置换热器可以解决设计中主要的热交换问题。其他热量平衡计算和反应器相比要小很多，在概念设计中考虑忽略。七、和上届设计相比的一些改进点：对精馏塔进行了优化，两个精馏塔的设计塔板数和操作回流比都有所降低，计算所得设备建造和操作成本都有所降低，对原料的要求有所降低，