《二甲醚装置分离精馏工段设计》5200字

前言二甲醚的应用非常广泛，由于其相对较低的沸点、汽化热、汽化效果好，冷凝和蒸发特性接近于氟氯代甲烷和价格较低，因此是取代氯氟甲烷作为制冷剂的主要化工产品：由于环境的污染，几乎没有破坏作用，臭氧层中的水。溶解度、弱毒的特征决定了二甲醚取代的氯氟甲烷作为气溶胶喷雾、日用化学品、胶粘剂等。二甲醚作为替代氯氟烃，显示出良好的性能，在气雾剂产品，无环境污染，臭氧层的破坏系数几乎为零。由于气雾剂产品具有喷雾产品不易潮的特点，是理想的新一代气溶胶推进剂。其他二甲醚可以作为柴油添加剂柴油燃烧更充分，提高气化效率，降低柴油机、冰点燃烧性能好，热效率高，可实现无烟燃烧，减少污染物排放的汽车尾气，降低发动机的噪声，被称为二十一世纪最理想的清洁燃料和新能源。特别是作为替代柴油的液体燃料，各种污染物的排放量比普通柴油机低，60%～70%可以达到欧IV标准。中国工程院院士倪维斗预测，二甲醚将成为中国能源结构的一种新的力量，并预计在5年内，中国将有500万吨到1000万吨的二甲醚年需求量。虽然二甲醚投资相对较高，但大从国家能源安全，从市场和企业效益的需求小，高投资是值得的，国家也应扩大清洁能源产业的发展给予必要的支持，并呼吁建立一个国家层面推动发展燃料乙醇和乙醚的机制。目前我国二甲醚作为国产燃料和汽车燃料，在某些地区已被中国使用，早期捕鸟，在世界上处于领先地位。随着二甲醚工业的兴起，它的市场将非常广阔。二甲醚是二十一世纪以来在国内外发展起来的一种化工产品。可广泛应用于日化、农药、医疗、制冷、农业等行业。二甲醚因其化学性质稳定、毒性低，在极性和非极性物质的溶解度高，特别适合于气雾剂和溶剂，高浓度的二甲醚可以作为麻醉剂，由于其易压缩，冷凝和蒸发也可以替代氟利昂制冷行业，也可用于化学合成。二甲醚具有优良的燃烧特性，十六烷值高于柴油，污染小，可替代柴油作燃料。二甲醚与液化石油气的压力相似，用作民用燃料。储存和运输、燃烧安全、预混气体热值和理论燃烧温度等性能优于石油液化气。目前，生产二甲醚的最成熟、应用最广泛的方法是甲醇气相脱水法生产二甲醚。甲醇的转化率和二甲醚的选择性较高。该反应器的主要物流是二甲醚，水和甲醇，这是二甲醚的分离和纯化。本文用热力学模型模拟了甲醇气相脱水过程中二甲醚精馏装置生产二甲醚的过程，为二甲醚生产装置的设计提供了理论依据。1二甲醚精馏操作条件1.1操作压力精馏设计的操作压力为常压，工业中二甲醚系统的蒸馏需要真空蒸馏，但在设计操作中，常压蒸馏可以使用，常压蒸馏简单方便。1.2进料方式本设计采用泡点馈电，这是对精馏塔本身具有操作方便的优点，无外界干扰，操作方便，进料状态是设计中非常重要的参数。它直接影响到进给方程。也影响整个塔的热平衡，所以确定它是非常重要的。1.3塔釜加热方式选择由于管式再沸器为间接加热换热器，加热介质为水蒸气，由于真空安全且易于调节。1.4塔顶冷凝方式选择管壳式换热器作为冷凝和冷却介质的冷却水冷凝器，但在操作条件和工艺安排，从经济理性的考虑，在温度较低的原材料的设计过程中，蒸汽温度较高，它可以通过蒸汽加热材料的考虑，可以节约水和蒸汽冷却水。2工艺流程及模型的建立2.1工艺流程二甲醚精馏过程是一种多组分分离过程，该系统主要含有甲醇、二甲醚和水等组分，流程图如图所示。二甲醚精馏塔采用理论板，饲料是甲醇二甲醚反应产品脱水多级热到二甲醚精馏塔后，通过回收二甲醚后，火炬不凝气体吸收塔的塔的侧线采出产品，塔顶甲醇精馏塔的材料，二甲醇反应醚反应器，塔废水换热后排出的界限。2.2流程建模精馏塔采用精馏模块，同时平衡物料平衡、能量平衡和相平衡，并用平板计算法计算给定塔设备的运行结果。热交换器模块用于加热和冷凝器。如图1所示，用于连接模块的物流。建立过程模型后，还需要建立合适的热力学计算模型。在一定条件下二甲醚汽液平衡体系的分离，nrtl-pr物理模型选择模块，一个两部分的NRTL方程的热力学相互作用参数处理输入数据文件模块二甲醚分离系统温度范围。分离过程分为水、甲醇等物质，其他非极性物质。用NRTL方程计算液相物流的特点。P-R方程用于计算气体的流动性能，与汽液平衡的状态方程和活度系数模型的预测。PR状态方程的形式为：p=RT其中aTacαTm=0.37646+1.54226ω−0.26992ωb=0.077796RTPR方程不仅能较好地计算气体PVT，而且能准确预测液体摩尔体积。PR方程形式简单，参数广义。只有知道纯物质的临界数据，才能得到数学上的解析解，适用于工程应用。因此，PR方程用于计算气相。NRTL模型(α=0.3)计算液相组分活度系数：lnγτijGij3模拟分析与讨论3.1流进料组成与精馏塔压力的选择15万吨二甲醚反应器出口物流，甲醇气相脱水年产主要包含：二甲醚（DME），甲醇（CH3OH）、水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氢等组成。二甲醚精馏塔的进料组成见表3-1，产品分离要求见表3-2。表3-1二甲醚精馏原料组成组分kmol/hmol%DME634.3737.87CH3OH405.9024.23H2O633.5337.82CO0.140.01CO20.590.04CH40.230.02H20.180.01表3-2二甲醚精馏产品分离要求二甲醚精馏塔产品甲醇精馏塔二甲醚wt%0.99塔顶甲醇wt%99.9甲醇wt%0.05塔釜甲醇wt%0.01水wt%0.005二甲醚在常压下的沸点是24.9°C。如果系统压力在大气压下，塔冷凝器很难冷却，所以在压力下操作。然而，随着操作压力的增加，蒸汽、冷却水和蒸馏过程消耗的功率将相应增加。精馏高纯二甲醚的适宜工作压力范围为（0.6～0.8）MPa（g）。塔顶压力为0.80兆帕（G），井底压力为0.83MPa（G）。甲醇在常压下的沸点为64.7℃，系统压力可在大气压下控制。实验采用塔顶压力0.07MPa（G），塔底压力为0.12MPa（g）。3.2进料温度对二甲醚分离效果的影响当进料量恒定时，精馏塔压力不变，保证了前二甲醚产品的纯度，改变了进料温度。仿真结果如图3-2所示。当进料温度为40～60时，回流比和塔顶冷凝器负荷变化不大。当给水温度从60变化到100时，回流比先减小后增大，塔顶冷凝器负荷先减小后增大。随着进料温度的升高，塔的热负荷逐渐降低。根据图2，进料温度为70度是合适的，此时回流比和塔顶冷凝器的热负荷最小。图3-2原料进料温度对二甲醚分离效果的影响3.3原料进料位置对二甲醚分离效果的影响图3-3显示二甲醚产品纯度要求，与原料进料位置的变化，回流比，二甲醚精馏塔顶冷凝器和再沸器热负荷有一个最佳值，即原料进料位置为第十六块理论板，三是达到最小，所以选择第十六板料为原料。图3原料进料位置对二甲醚分离效果的影响3.4回流比对二甲醚分离效果的影响当原材料的总量是固定的，精馏塔的压力保持不变，和二甲醚产品产量保持回流比的改变，和仿真结果表3-3所示。表3-3回流比对二甲醚分离效果的影响RefluxratioCondenserduty/(M·kJ·h-1)Reboilerduty/(M·kJ·h-1)DEMcontent/(wt%)DEMyield/%1.2628.2621.4399.6598.551.3530.0623.4899.8898.781.4331.8625.3399.9098.801.5133.7027.1799.9198.801.5935.5028.9799.9198.811.6737.3430.6299.9198.81回流比对精馏过程的分离效果和经济性有重要影响。当原料量和两甲基醚的产量一定时，回流比的变化是通过改变回流量来控制的，回流的变化是通过改变塔顶的冷凝量和塔顶的热负荷来实现的。回流率低于价值，二甲醚产品纯度达不到要求；回流比的增大，对二甲醚产品纯度提高；当回流比达到1.43，二甲醚纯度达到了99.90%，增加回流比，对提高二甲醚纯度的影响不显著，两产量没有增加。塔顶和底部的热负荷因此增加。因此，为了保证二甲醚的浓度，并保持一定的收率，二甲醚的回流比应控制在一定范围内。3.5模拟计算结果与实际数据的比较某15万吨/年二甲醚生产装置，二甲醚精馏塔的顶压为0.84MPa（G），二甲醚精馏塔的温度分布实测值如图3-4所示。二甲醚精馏塔操作参数的实际值见表3-4。根据模型模拟，得到了二甲醚精馏塔的温度分布和操作参数的模拟值，如图3-4和表3-4所示。表3-4二甲醚精馏塔操作参数的比较操作参数实际值模拟值操作参数实际值模拟值T1进料/(kmol·h-1)1678.101674.94塔顶温度/℃42.0041.76T1塔顶出料/(kmol·h-1)14.0815.89塔釜温度/℃151.00153.59T1塔侧线出料/(kmol·h-1)602.95605.00塔顶/MPa(G)0.840.84T1塔釜出料/(kmol·h-1)1061.071054.05塔釜/MPa(G)0.870.87进料温度/℃69.0070.00回流比1.641.56图4二甲醚精馏塔内温度分布从图3-4和3-4，仿真结果与实际数据吻合得很好，从而使过程模拟所采用的方法具有较高的可靠性和准确性。4控制方案的设计精馏塔的控制主要是控制精馏塔馏出物的产品纯度，产品产量和能耗，通过综合考虑这三方面之间的关系得出最佳解，由于对普通精馏塔而言，塔内温度与产品的纯度呈相应的单值函数关系，即温度变化即可反应组分溶度的改变，因此通常普通精馏塔馏出物的纯度控制都是通过温度进行间接控制的。本工段由于存在侧线出料因此在回路控制时与普通精馏塔不同，在设计控制方案时因此对分隔壁精馏塔设计了四个回路控制。如图4-1所示图4-1分隅壁全塔控制方案塔顶回路控制包括压力控制，冷凝器控制，回流罐液位控制，回流量控制。由于塔顶为部分轻烃和苯的馏出物因此要考虑到气体形成的压力影响，因此在塔顶设置压力控制方案如图4-2。为确保进入回流罐的液体已经冷却，在此对冷凝器进行了控制，通过冷凝器出口温度的反馈信息控制冷凝液的进口流量。如图4-2所示。在此回流罐液位是通过改变馏出液的出料量进行控制的其控制。塔顶回流量是根据检测结果是否合格而进行改变，如图4-2图4-2塔顶控制回路控制点侧线回路的控制与塔顶控制不同，侧线采出是直接将塔板上的液体引出进入回流罐的，在此不需要冷凝器进行冷凝。因此其控制相对简单只需要控制回流罐的液位即可。其控制如图4-3所示通过控制侧线采出流量控制回流罐的液位。图4-3侧线控制回路塔釜控制分为再沸器控制和塔底液位控制，再沸器为全塔运行提供动力，因此对其控制至关重要。如图4-4所示通过测温元件测得塔底温度后再通过信息传输原件把温度信息传输至再沸器的蒸汽进料控制器上从而对蒸汽流量进行调节达到控制塔底温度的效果。与回流罐液位控制方法相同，塔釜液位也是通过塔底馏出液的流量进行控制的。图4-4塔釜控制回路分隔壁精馏塔与其他普通精馏塔不同之处在于其副塔的存在，因此需要建立副塔与主塔之间物流联系。由副塔进入主塔的气体通过冷凝必然有一部分要回流进入副塔，另一部分回流进入主塔，因此存在一个液体分配的问题。原先正因为缺少对该问题的关注导致分隔壁精馏塔分离效果无法达到预期效果。在此简要设计该过程的控制如图4-5所示，通过预分馏段塔顶气体的温度可判定重组分含量从而控制液相回流分配比。图4-5预分馏塔塔顶控制回路本章对分隔壁塔进行了控制方案的设计。塔顶通过回流比及压力控制从而控制塔顶馏出物的纯度，塔底通过液位及再沸器控制塔底流出物二甲醚的纯度，塔中段通过回流罐的回流比控制馏出甲苯的纯度，在主塔与副塔之间设立了比例控制从而控制气相分率。通过该控制方案可以基本完成分隔壁塔的完全控制，使塔在运行时达到预期的分离效果，且在遇到不正常情况时具备一定的自动调节能力。5结论（1）选择适当的代表组成，单元模块和NRTL-PR热力学模型，15万吨甲醇气相脱水二甲醚精馏装置的工艺流程。（2）考察了进料温度、进料位置和回流比对两甲基醚分离效率的影响，得到了二甲醚精馏塔的适宜操作参数。操作压力0.83mpa，理论板数24，进料温度70，进料位置在第16板，回流比1.43，二甲醚纯度不低于99.9%。仿真结果与实际运行数据吻合良好。

参考文献闫常群,隋然,华超,等.一种新型的二甲醚精馏节能工艺优化及应用[J].天然气化工(C1化学与化工),2013(4):60-63.张艳红.粗甲醇经单塔分离作为MTO、二甲醚原料甲醇的方案探讨[J].煤化工,2013,41(4):5-9.刘雪飞,刘文祥,常俊石.20万吨/年二甲醚装置节能减排改造[J].气体净化,2015(2):8-12.刘华亮,宋吉春,武方海.10万t/a二甲醚装置工艺改造及总结[J].煤化工,2015,43(6):59-61.王国英.浅析如何提高20万吨/年二甲醚装置中废