毕业设计(论文)开题报告

北京理工大学珠海学院 毕业设计（论文）开题报告

题 目： 一步法制备二甲醚装置精馏

工段的工艺设计(年产5万吨)

学 院： 化工与材料 专 业： 化学工程与工艺 学生姓名： 郭洁纯 指导教师： 刘洪博

一、研究的现状及其意义 (一）二甲醚概况 二甲醚(Dimethyl Ether)又称甲醚、木醚、氧二甲，简称DME，是一种无色气体或压缩液体，具有轻微的醚香气味，易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等多种有机溶剂[1]。 二甲醚作为一种清洁化学品在制药、燃料、农药、化学品的合成方面有许多独特的用途，是重要的化工原料，可以用作气雾剂的抛射剂、制冷剂、发泡剂；高浓度的二甲醚可用做麻醉剂；还可替代LPG及柴油成为新型燃料。 （二）二甲醚的现状及前景 二甲醚目前的主要用途是作为气雾剂的抛射剂。国外许多国家正在开发二甲醚代替氟氯烃作制冷剂和发泡剂；开发利用二甲醚作为聚乙烯、聚氨基甲酸乙酯、热塑性聚酯泡沫的发泡剂。[2]二甲醚与甲醇按一定比例的混合物是一种理想的液体燃料，可作为城市煤气和液化气的代用品。二甲醚还可作为汽油添加剂来生产无铅汽油。因此，对二甲醚生产方法及应用领域的研究，成为了国内外极为重视的开发课题。二甲醚原料来源也十分广泛，可以由石油、天然气、煤和生物物质（如稻草，高梁秆及米糠等有机物质）制得[3]。 在国外，东洋工程公司(TEC)继采用MRF-Z反应器设计，成功开发出10000t/d大型甲醇工艺之后，又围绕单独的甲醇生产和脱水工艺装置，提出大规模二甲醚工艺。此外，托普索工艺属联合型，甲醇反应器和二甲醚反应器串联在同一合成回路中，采用的技术和工艺部件与甲醇工艺相似，都经过实践证明。 在国内，长期以来，我国二甲醚大部分依靠进口，中国对二甲醚的潜在需求量为240-300万t/a。由于二甲醚的用途正在日益扩展，市场潜在容量较大，国内已有一些厂家投产二甲醚。，生产规模较大的有广东中山精细化工实业公司，生产能力2500t/a；义乌市光阳化工公司，生产能力2500t/a。安徽省蒙城县化肥厂建成了2500t/a高纯度二甲醚生产装置。上海石油化工研究院建成800t/a装置，并在江苏昆山建成1000t/a二甲醚工业示范装置。此外，武汉硫酸厂也建有二甲醚生产装置[4]。如今二甲醚制备方法主要有甲醇液相脱水法（硫酸法）、甲醇气相转化法和合成气一步法等等。目前，合成气一步法制二甲醚的科研和工程化进展十分活跃,是一个非常有希望的新工艺。但客观来说，有真正意义的大规模工业化生产尚未实现，仍然处于起步阶段。[5]因此，此方法的全面工业化运用还需要大量的工作量及科研研究来完成。 二甲醚工业是一个具有发展前景的新兴产业，它对国民经济的发展，能源结构调整，环境保护都具有十分重要意义。当前面临的最大挑战是开发高效低廉的二甲醚生产技术，积极吸收与开发新技术，降低成本，同时加大宣传与推广力度，将其纳入发展绿色能源、解决能源安全问题的重要课题，并给与支持，为我国加快可持续发展的能源战略实施提供新途径，使这一新的清洁能源尽快产业化[6]。 （三）课题研究的意义 国内外对甲醇合成和甲醇脱水反应的动力学进行了广泛研究。中国科学院大连化学物理研究所近年来在合成气一步法合成二甲醚方面研制出了性能良好的双功能催化剂,并在此基础上开发了固定床合成气一步法合成二甲醚新工艺。[7]该工艺采用固定床反应器,合成气原料H2 /CO摩尔比为1～2, CO /CO2 摩尔比为15～25,操作压力为2. 5～4. 0 MPa,反应温度为230～300 ℃,原料合成气进气空速为700～1 500 h- 1 ,所用催化剂为该所自己研制的金属沸石催化剂;他们还开展了甲烷化空气催化氧化部分氧化制合成气与含氮合成气制二甲醚技术的研究,希望通过廉价氧源实现廉价合成气,从而降低合成二甲醚生产成本[8]。 一步法合成二甲醚,特别是浆态床一步法合成二甲醚技术,是目前新开发的技术。与传统甲醇脱水工艺相比,该工艺装置结构简单,便于移出反应热,易于实现恒温操作,可以使反应与传热过程耦合,从而达到最佳的反应温度,并防止催化剂失活[9]。它可直接利用CO含量高的煤基合成气,还可在线装卸催化剂,具有较高的CO单程转化率和二甲醚产率,使二甲醚在成本上更具有优势。 由合成气一步法制得的二甲醚可大规模生产,单套装置一般万吨级以上,生产的二甲醚作为民用燃料、柴油发动机燃料;此种工艺比甲醇脱水工艺更合理,是目前国内外开发的重点。我国煤炭和天然气丰富,石油相对匮乏,以二甲醚作为能源载体,部分代替石油,这对于能源的优化利用及实现我国的可持续发展具有十分重要的意义[10]。 参考文献： [1]李伟，张希良：《国内二甲醚研究述评》[J]，《煤炭转化》2007年第7期，第88页。 [2] 王永军，闫冬，张勇，奇许英：《二甲醚市场前景浅析》[J]，《西部煤化工》2008年第1期，第74页。 [3] 韩凌，郭少青，朱凌皓：《二甲醚生产技术与市场状况》[J]，《煤化工》2000年第3期，第33页。 [4] 康举，韩利华，梁英华：《二甲醚生产工艺技术进展》[J]，《河北化工》2007年第11期第11卷，第9页。 [5]赵勇强，白泉，张正敏：《关于发展二甲醚(DME)燃料的探讨》[J]，《中国能源》2006年第3期，第29页。 [6]张正国： 《二甲醚(DME)生产技术及传统工艺优化改造》[J]，《气雾剂通讯》 2002年第3期，第1页。 [7]费金华，王一兆：《二甲醚的生产工艺及其特点》[J]，《小氮肥设计技术》2003年第24期，第57页。 [8] 王震：《合成气一步法合成二甲醚研究》[J]，《化工时刊》2007年第11期第21卷，第59页。 [9]黎汉生，任飞，王金福：《浆态床一步法二甲醚产业化技术开发研究进展》[J]，《化工进展》2004年第9期第23卷，第921页。 [10] 汤洪、许建平、孙炳：《 二甲醚作为新型燃料的前景分析》[J]，《化工催化剂及甲醇技术》2008年第2期，第19页。 二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 （一）研究目标 本项目的研究目标是：运用所学的化工原理基本理论和基础知识进行设计计算，依据原有二甲醚生产装置进行模拟设计，从而培养并提高设计、计算、计算机应用、外文翻译、查阅文献等基本技能；实验研究的能力；技术经济分析和组织工作的能力；撰写科技论文和技术、学术报告，正确运用国家标准和技术语言阐述理论和技术问题的能力。 1、论文 撰写《一步法制备二甲醚装置合成工段的工艺设计(年产5万吨)》设计说明书。 2、绘图 手工绘制带控制点流程图，AutoCAD绘制设备结构图，物料衡算图 （二） 研究内容 1、生产方法的选择、生产原理、生产工艺条件的论证、生产工艺流程； 2、车间的工艺计算及物料衡算，即精馏工序的工艺计算及物料衡算； 3、二甲醚精馏塔的热量衡算；主要设备二甲醚精馏塔的设计计算； 4、二甲醚精馏塔冷凝器、二甲醚精馏塔回流泵等辅助设备计算； 5、各物料进、出管管径确定。 6、绘制带控制点的流程图，设备装配图，物料流程图 （三） 关键问题 1、二甲醚精馏工艺的流程； 2、二甲醚精馏车间物料衡算和热量衡算； 3、设备流程图 三、研究的基本思路和方法、技术路线、实验方案及可行性分析 （一）研究的基本思路和方法 模拟现有的浆态床一步法二甲醚合成产业化技术，对年产5.0万吨二甲醚装置分离精馏工段设计的主要设备结构、操作工艺条件等进行全面的研究。 （二）技术路线 该工艺是以合成气为原料，在甲醇合成和甲醇脱水的双功能催化剂上直接反应生成DME。反应过程中，由于反应协同效应，甲醇一经生成，马上进行脱水反应转化成二甲醚，突破了单纯甲醇合成中的热力学平衡，增大了反应推动力，使得一步法工艺的C0转化率较高。一步法具有原料易得、流程短、设备规模小、能耗低、单程转化率较高、不受甲醇价格影响等优点，而且可以在联产甲醇的化肥厂中实施，利用化肥厂的造气、净化、压缩、合成等全套设备，将生产甲醇的装置适当改造就可以生产，使得设备投资费用和操作费用减少。 ①固定床法 固定床法即为气相法，合成气在固体催化剂表面进行反应；在气相法工艺中，使用贫氢合成气为原料气时，催化剂表面会很快积炭，因此往往需要富氢合成气为原料气。气相法的优点是具有较高的CO转化率，但是由于二甲醚合成反应是强放热反应，反应所产生的热量无法及时移走，催化剂床层易产生热点，进而导致催化剂铜晶粒长大，催化剂性能下降。 ②浆态床法 浆态床法即液相法，采用气液固三相浆态床反应器，液相法是指将双功能催化剂悬浮在惰性溶剂中，在一定条件下通合成气进行反应，由于惰性介质的存在，使反应器具有良好的传热性能，反应可以在恒温下进行。反应过程中气一液一固三相的接触，有利于反应速度和时空产率的提高。另外，由于液相热容大，易实现恒温操作，催化剂积炭现象大为缓解，而且氢在溶剂中的溶解度大于CO的溶解度，因而可以使用贫氢合成气作为原料气.。浆态床工艺存在以下几方面的优点：1)由于操作温度较低，明显降低了甲醇合成催化剂的热失活及脱水催化剂的结炭现象，延长了催化剂的使用寿命；2)CO转化率较高；3)可使用贫氢原料气，因而为煤化工的发展提供了广阔的空间。 二甲醚合成反应机理包括： 甲醇合成（CO氢化作用）： 甲醇脱水： 水煤气转换： 甲醇合成(CO2氢化作用)： 总反应： （三）可行性分析 二甲醚的制备主要有甲醇脱水法和合成气一步法两种。 甲醇脱水法以精甲醇为原料,脱水反应副产物少,二甲醚纯度达99% ,适用于有较高要求的气雾产品,也可以用作制冷剂,甚至可用于医用气雾剂的抛射剂。该工艺比较成熟,可以依托老企业建设新装置,也可单独建厂生产。但该方法要经过甲醇合成、甲醇精馏、甲醇脱水和二甲醚精馏等工艺,流程较长,因而设备投资大,产品成本较高,受甲醇市场波动的影响比较大。 合成气法生产二甲醚工艺是一项适合中国国情的技术路线,特别是在淤浆床中,反应温度分布均匀,热平衡较易控制,操作简单且稳定性好,生产成本大大降 低。合成气法所用的合成气可由煤、重油、渣油气化及天然气转化制得,原料经济易得,因而该工艺可用于化肥厂和甲醇厂,这些工厂可将甲醇装置适当改造用于生产二甲醚,易形成较大规模生产;也可采用从化肥和甲醇生产装置侧线抽得合成气的方法，适当增加少量气化能力，或减少甲醇和氨的生产能力,用以生产二甲醚。 四、研究计划及进度安排 周数 具体任务 1 确定论文（设计）题目 2—4 查阅并阅读毕业设计题目相关的文章，写出开题报告 5—9 完成计算书 10--12 完成说明书 13-14 绘图（CAD图和手画图纸） 15--16 整理论文，准备答辩 五、指导教师意见： 郭洁纯同学在初步查阅相关文献的基础上，对该论文题目理解正确，研究目标明确，研究内容充实，研究思路清晰，研究计划及进度安排符合要求，研究计划技术方案切实可行，有望得到预期的成果，同意按计划进行研究工作。 指导教师： 年 月 日 六、工作小组审查意见： 工作小组组长： 年 月 日