利用aspenplus做设计——二甲醚的分离精馏塔工艺设计

利用aspenplus做设计——二甲醚的分离精馏塔工艺设计内容摘要：

车，还有部分甲醇汽车。 以美国为例， 2020 年美国使用替代燃料（ LPG 和 CNG）的汽车为 42 万辆，预计 2020 年为 330 万辆。 目前美国替代燃料消费量折合当量汽油约为 100 万吨（ 352106 加仑 当量汽油），约占当年全部燃料消费量的 %。 如果美国代用燃料的比例提高到 5%，起需求量将达到 2500 万吨，可见替代燃料的市场前景是相当可观的。 新疆工程学院毕业设计（论文） 6 亚洲地区是世界上柴油消费增长最快的地区，据国外研究机构预测，二甲醚作为替代燃料， 2020 年亚洲地区的年需求量达 4000 万吨，可见，由于二甲醚具有其它替代燃料不可比拟的优势，将会成为柴油的主要替代燃料，具有难以估量的市场前景。 由于二甲醚的市场需求潜力十分巨大，在世界范围内，其建设已经成为热点项目，一些大型的二甲醚装置已在积极筹建之中，如果这些项目到 2020 都建成投 产将新增二甲醚生产能力 793 万～ 893 万吨 ， 届时世界二甲醚总能力将达到 1082 万～ 1182 万吨。 日本千代田和石川岛播磨重工公司联合为日本 JEE 控股公司进行 DME 装置工程设计， JEE 公司是工程和钢铁控股公司， 2020 年由川崎钢铁和 NKK 公司联合而成。 JEE 公司将在海外建设大规模 DME 装置，于 2020 年建成。 该装置将采用 JEE 工艺从合成气间接生产 DME。 JEE 工艺 DME 装置可使用天然气、烃类和生物质作为原料。 国外市场预测 目前，世界上二甲醚的总生产能力约为 700 万吨 /年，主要生产厂家有杜邦公司， 德国联合莱因褐煤燃料公司，德国汉堡 DMA 公司，荷兰阿克苏公司，日本和我国台湾省等。 早期的二甲醚主要用作甲基化试剂用于生产硫酸二甲酷，1986 年西欧生产的约 2 万吨二甲醚，有 9000 吨用于生产硫酸二甲酷。 随着人们环保意识的增强，二甲醚在气溶胶推进剂方面的用量逐年增加， 1990 年欧洲生产的 吨二甲醚，其中约有 万吨用于气溶胶工业，其它用作中间体。 目前世界二甲醚的产量约为 600 万吨 /年，预计到 2020 年需求量可突破 1100 万吨/年。 当前世界各国都在注重二甲醚作为替代燃料的研究，届时二甲醚的需求量将大大增加。 日本一个开发合成二甲醚技术的国家计划已经展开， NKK 公司、太平洋碳钢公司和住友金属工业公司将利用通产省提供的资金 (18 亿日元 )进行相关的研究与开发工作，目标是设计一种方法通过用煤气和最新开发的催化剂直接合成低成本的二甲醚。 去年印度石油公司、煤气权力公司和石油研究院已经与阿莫科印度开发公司签署了开发和销售二甲醚作为多用途燃料的协议，使二甲醚商业化并提供技术，目前正着手可行性研究。 阿莫科公司已与丹麦托普索公司（ Haldor Topsoe）签订了进一步开发二甲醚技术的协议。 最近日本有人撰文探讨二甲醚作为清洁燃料 替代柴油，对二甲醚的价格和燃料的性能跟柴油和汽油作比较，认为直接合成二甲醚法在今后的实际应用中没有问题，且成本方面具有较大竞争力。 美国的有关试验也证明，二甲醚作为柴油车燃料可以满足严格的 1988 年美国加利福尼亚超低排放交通工具法规的要求，经济上也很合新疆工程学院毕业设计（论文） 7 理。 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。 二甲醚在常温、常压下为气态，在低压下变为液体，与液化石油气 (LPG)有相似之 处。 二甲醚自身含氧，组分单一，碳链短，燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中无残液，无黑烟，是一种优质、清洁的燃料。 由于二甲醚在储存、运输、使用等方面比液化气更安全，因此二甲醚替代液化气作为民用燃料有着广阔的前景。 二甲醚与液化石油气按一定比例的混合物是一种理想的液体燃料，同时二甲醚也是良好的柴油替代燃料，被称为 2l世纪的清洁燃料，其排放污染大大低于现有燃料。 二甲醚又是一种重要的化工原料，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作麻醉剂，二甲醚也是制取低碳烯烃的主要原料之一。 所以对二甲醚生产工艺的 研究具有重要意义。 目前国内外二甲醚的生产工艺都比较成熟，本设计主要针对二甲醚生产的分离工段进行研究。 精馏塔设备作为汽一液和液一液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼油、石油化工、精细化工、化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，涉及蒸 （ 精 ） 馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单元操作。 是化工、炼油生产装置中最重要的设备之一，塔设备的性能对于整个装置和企业的生产能力、产品质量、消耗额定以及三废和环保等各方面都有重大影响。 板式塔和填料塔在过去几十年中的发展速度有快有慢，竞争能力时有强弱。 但当前工业上的大型 蒸馏设备仍以板式塔为主，因为板式塔结构简单、成本低廉、易于放大而且在设计与操作方面已具备了比较成熟的经验。 但板式塔与高效规整填料相比也有自身的缺点 ： 其通量较小、压降较大、效率也较低，所以进入 90 年代以来，人们又开始寻求板式塔的新突破。 欧美各国，尤其是美国的各大塔器生产商，研制、开发出大批新型塔板。 这些新型塔板既克服了以前的一些缺点，同时又保留了以往普通塔板的优点，以更好适应现在对于大直径蒸馏设备大通量、 高效率的要求达到相际间传质与传热的目的。 当用这些新型高效塔板改造现有的筛板塔或浮阀塔时，无论是从操作性能， 还是从改造费用上都显示出广泛的应用前景。 因此我们可以从塔板的性能：塔板效率、处理能力、操作弹性、压降及抗堵性等几方面来研究来提高精馏塔的性能，从而优化塔设备，达到经济实用的目的。 二甲醚的工业现状 国内二甲醚生产基本上以甲醇脱水方法为主，也有少量试验规模的合成气一步法生产装置，表 列出了国内已建的一些较有代表性的生产装置。 由于国新疆工程学院毕业设计（论文） 8 际市场原油价格长期处于高位， LPG 价格一直居高不下，目前国内以代替 LPG为目的在建的二甲醚装置已超过 20 个，规模从数千吨到 20 万 吨 不等。 还规划了若干几十万吨至百万吨级的 大装置。 表 国内主要二甲醚生产装置产能和技术情况 单 位 设计能力 (kta) 用途 生产技术方案 山东久泰化工企业有限公司 35 燃料 甲醇液相脱水 泸天化集团 110 燃料 甲醇气相脱水 广东中山凯达精细化工 5 气雾剂 甲醇气相脱水 河南新红石化 25 燃料 甲醇气相脱水 陕西渭河煤化工集团有限公司 10 燃料 甲醇气相脱水 河南罗山金鼎化工有限公司 10 燃料 甲醇气相脱水 新奥集团燃气公司 10 燃料 甲醇气相脱水 河北金源化工有限公司 10 燃料 甲醇气相脱水 宁夏 宁鲁石化有限公司 10 燃料 甲醇气相脱水 广州氮肥厂 5 气雾剂 甲醇气相脱水 云南解放军化肥厂 5 燃料 甲醇气相脱水 河南石化 10 燃料 甲醇气相脱水 陕西新型燃料燃具公司 5 燃料 甲醇气相脱水 重庆强源 5 燃料 甲醇气相脱水 重庆应力燃化公司 3 燃料 浆态床一步法 湖北田力实业股份有限公司 燃料 固定床一步法 工艺技术的比较与选择 二甲醚的生产主要有硫酸法、甲醇气相催化脱水法、合成气直接法合成二甲醚法。 硫酸法虽然反应条件温和，甲醇单程转化率高（ 85%），可间 歇或连续生产，但设备腐蚀严重，残液及废水对环境污染严重，操作条件苛刻，产品难以脱除微量杂质，有异味，产品质量差，发属淘汰工艺；而以合成气（ 3H2+CO）直接法合成二甲醚的生产技术目前尚不成熟， CO2 加氢直接合成二甲醚以及催化精馏法合成二甲醚由于一些条件的限制，短时间内工业化的可能性也不大。 目前，二甲醚国内外现有大型工业生产装置主要采用技术成熟的甲醇气相催化脱水法。 因此， 本设计采用汽相气相甲醇脱水法制 DME 气相法具有操作简单 , 自动化程度较高 , 少量废水废气排放 , 排放物低于国家规定的排放标准， DME 选择性和产品质量高等优点。 同时该法也是目前国内外生产 DME 的主要方法。 ASPEN 简介及其在精馏设计和操作中的应用 新疆工程学院毕业设计（论文） 9 ASPEN 简介 Aspen Plus 是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。 Aspen Plus 是大型通用流程模拟系统，源于 美国能源部 七十年代后期在麻省理工学院（ MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟 软件。 该项目称为 “过程工程的先进系统 ”（ Advanced System for Process Engineering，简称 ASPEN），并于 1981 年底完成。 1982 年为了将其商品化，成立了 AspenTech 公司，并称之为 Aspen Plus。 该 软件 经过 20 多年来不断地改进、扩充 和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。 精馏是化工生产中应用非常广泛的一种单元操作。 在精馏塔的实际运行过程中， 由于操作条件的波动，其分离效果和生产能力经常发生变化，因此精馏塔操作性能的分析是化工原理课程的重要教学内容。 由于影响精馏分离的因素很多且呈非线性关系，使此类问题颇为复杂和灵活，成为化工原理教学中的难点。 而在大多数教材中类似问题往往仅用简短的文字作定性分析或用繁琐的试差法编程求解，这势必会影响学生对精馏操作原理和一些概念的深刻理解，更无法触类旁通。 利用模拟软件解决上述精馏操作型问题是一条非常有效的捷径，不仅有助于学生加深对精馏单元过程的理解，而且有助于培养学生利用流程模拟优化技术解决工程实际问题的能力。 Aspen Plus 是一种通用型化工流程模拟软件，可用于单元过程及化工流程的模拟、设计和优化，具有界面友好、工作效率高、结果准确等优点 ，在许多化工企业和国外高校本科生教学中的应用已非常普遍。 本文主要介绍如何利用 Aspen Plus 对理想二元溶液板式精馏塔的操作型问题进行分析。 Aspen Plus 的使用方法 Aspen Plus 的使用方 法一般可分为 4 部分。 （ 1） 定义模拟流程 模拟流程的定义就是选择合适的单元过程模块并用物料流和能流进行连接，但与实际工艺流程并非完全相同，其实质是对实际生产情况建立数学模型的过程。 （ 2） 设置流程模拟参数 该部分包括模拟化学组分、热力学方法、流股信息、模块参数以及计算方法的设置，其操作可在软件 Next 导航按钮提示下完成。 但选择适宜的物性方法是模拟成功与否的关键。 （ 3） 模拟分析工具 当基本模拟流程完成后，就可以利用软件的模拟分析工具 (设计规定、灵敏度分析、优化等 )完成设计要求、操作性能分析、经济优化等目的。 新疆工程学院毕业设计（论文） 10 （ 4） 输出模拟结果 模拟完成后可在多处查看结果，对于不同目的可有不同输出方式。 2 DME 精馏塔的设计 初步设计 物性方法选择及热力学参数模拟 由不同的物性方法模拟的结果有时会相差很大。 在同样的进料和操作条件下，我们分别用 CHAOSEA、 IDEAL、 NRTL 三种物性计算方法模拟甲醇 水物系，图 21 中列出了分别由三种方法绘制的 Txy 图和 yx 图。 从图中可看出不同物性方法得到的组成关系差异极大。 通过查找文献得知甲醇 水体系会形成共沸物，共沸温度 ℃ ，液相甲醇摩尔组成为。 使用 ASPEN 的 Distl模块分析甲醇 水物系也证实了共沸温度和组成，结果如图 22 所示。 表 列出了三种物性计算方法获得的塔板数计算结果。 图 21 分别用 CHAOSEA、 IDEAL、 NRTL 获得的 Txy 和 xy 图 （ CHAOSEA 方法得到的 Txy 关系为图 a1， xy 关系为图 a2； IDEAL 方法得到的 Txy关系为图 b1， xy 关系为图 b2； NRT L 方法得到的 Txy 关系为图 c1， xy 关系为图 c2） 新疆工程学院毕业设计（论文） 11 图 22 Distl 模块查 A 得的甲醇 水共沸数据 表 分别 用 CHAOSEA、 IDEAL、 NRTL 模拟得到的精馏塔塔板数 物性方法 CHAOSEA IDEAL NRTL 塔板数 无法运行 无法运行 20 以上讨论说明物性方法的选择在模拟计算中的重要性，为了更准确地借助ASPEN PLUS 完成本次设计，有必要对 二甲醚 的物性计算方法作全面的评估。 根据图 23 选择合适的物性计算方法并参考相关文献 [1][2][3][4]对 二甲醚 物性计算方法的选择，本次设计中初步考虑采用 NRTL 方法进行模拟。 以下是用该方法得到的一些热力学数据，与文献值 [2]对比，发现误差很小，证明方 法选择较合适。 下面仅列出一些后续计算中必须的数据，更多的模拟数据列于附录。 图 23 ASPEN PLUS 物性计算方法选择流程图 新疆工程学院毕业设计（论文） 12 首先我们用 NRTL 的物性方法来模拟纯组分 、 二元物系以及 三元组分物系的各种 热力学性质 ，包括 yx 图， Txy 图， Pxy 图等。 结果如图 2图 2。