ASPEN实训报告关于甲醇脱水制二甲醚.docx
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ASPEN实训报告关于甲醇脱水制二甲醚
第一章总论
1.1设计综述
1.1.1设计任务的题目
年产3万吨甲醇脱水制二甲醚初步设计
1.1.2设计依据
1）《化工厂初步设计文件内容深度规定》（HG/T20688—2000）[1]；
2）化工工程设计相关规定；
3）设计项目可行性报告。
1.1.3设计范围
生产工艺设计、车间PID控制图、生产车间平面布置设计、生产车间立面布置设计。
1.1.4设计指导思想
1）采用成熟的、先进的工艺流程、设备，学习先进的生产技术，努力实现自动化；
2）尽可能创造良好的劳动条件，以利于劳动工人的身心健康；
3）提高机械化和自动化水平，所选择的设备和材料必须切实可靠，且尽可能国产化；
4）重视环境保护，合理处理好三废。
1.2设计产品性能及用途
1.2.1产品性能
甲醚又称二甲醚，该物质溶于水、汽油、四氯化碳、苯、氯苯、丙酮及乙酸甲酯，主要用作溶剂、冷冻剂、喷雾剂等。
为4951.8kJ/mol，临界温度为362.7℃，临界压力是3.21MPa。
异丙苯不溶于水，但溶于醇、乙醚、苯、四氯化碳等多数有机溶剂。
1.3市场需求
厂家生产出二甲醚后，提供给批发商，由批发商掺入液化石油气后销售给用户或者二级批发商，故二甲醚的消费量主要是根据同期的液化石油气来统计。
一般来讲掺混比例是20%，但是也有掺入更高比例的。
2010年全年国内液化石油气表观消费量为2295万吨，2011年8月19日国家发改委公布的数据显示今年上半年全国液化石油气表观消费量1154万吨。
由此可以推算出今年全国二甲醚的市场容量约为460万吨。
由于二甲醚是由批发商掺入LPG后装入钢瓶，所以消费者基本上是被动消费，真实的消费量较难统计。
1.4产品及原料规格
本项目设计年产二甲醚3万吨，采用99w%的甲醇作为原料，在催化剂作用下进行生产。
要求二甲醚产品纯度：
>99w%，甲醇转化率为80%，未反应的甲醇循环使用。
第二章生产流程及生产方法的确定
2.1生产方法
目前合成DME有以下几种方法：
（1）液相甲醇脱水法
（2）气相甲醇脱水法（3）合成气一步法（4）CO2加氢直接合成。
（5）催化蒸馏法。
其中前二种方法比较成熟，后三种方法正处于研究和工业放大阶段。
本设计采用气相甲醇脱水法。
2.2生产流程及方法选择依据和特点
作为纯粹的DME生产装置而言，表1-3列出了3种不同生产工艺的技术经济指标。
由表1可以看出，由合成气一步法制DME的生产成本远较硫酸法和甲醇脱水法为低，因而具有明显的竞争性。
但相对其它两类方法，目前该方法正处于工业放大阶段，规模比较小，另外，它对催化剂、反应压力要求高，产品的分离纯度低，二甲醚选择性低，这都是需要研究解决的问题。
本设计采用汽相气相甲醇脱水法制DME，相对液相法，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[2]
方法
硫酸法
气相转化法
一步合成法
催化剂
硫酸
固体酸催化剂
多功能催化剂
反应温度/℃
130-160
200-400
250-300
反应压力/MPa
常压
0.1-1.5
3.5-6.0
转化率/％
-90
75-85
90
二甲醚选择性/％
>99
>99
>65
1000t/a投资/万元
280-320
400-500
700-800
车间成本（元/吨）
4500-4800
4600-4800
3400-3600
二甲醚纯度/％
≤99.6
≤99.9
-990
表1.1二甲醚各种生产方法技术经济比较
2.3反应原理
反应方程式：
2.4反应条件
本过程采用连续操作，反应条件：
温度T=250℃-370℃，反应压力
，反应在绝热条件下进行。
2.5反应选择性和转化率
选择性：
该反应为催化脱水。
在400℃以下时，该反应过程为单一、不可逆、无副产品的反应，选择性为100%。
转化率：
反应为气相反应，甲醇的转化率在80%。
2.6催化剂的选择
本设计采用催化剂γ-AL2O3，催化剂为球形颗粒，直径dp为5mm，床层空隙率ε为0.48。
第三章Aspen的模拟及生产流程图
3.1化工模拟
化学工程的研究对象通常是非常复杂的，主要表现在过程本身的复杂性、物质的复杂性以及物系流动时边界的复杂性。
由于化学工程对象的而这些特点，使得解析方法在化学工程研究中往往失效。
化学工程初期的主要方法是经验放大，通过多层次、逐级扩大的实验，探索放大规律。
而这种经验方法耗资大、费时长、效果差，只到20世纪人们利用计算机结算化工过程的数学模拟，以模拟化工过程系统的性能，经过40年的发展，化工过程模拟已成为普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制欲优化。
随着计算机产业的发展，计算机硬件的性价比不断提高，目前，过程模拟的发展趋势是将单纯过程模拟与其他应用软件结合在一起，集成化、网络化，成为整个企业创新、管理和应用的工具。
3.2流程模拟
化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，如物料的压力、温度、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数。
采用适当的模拟软件，将每一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。
随着计算机技术的发展以及应用软件技术的开发，化工过程模拟技术日趋成熟和实用，商业化软件出现于化工过程模拟中，其主要的代表有Aspenplus系统和PRO/E系统。
3.2.1流程的建立
化工流程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程，因此流程模拟的第一步就是要在计算机上建立需要模拟的流程。
在建立过程中，根据需要模拟的实际过程选择合适的模型去描述每一个单元操作过程；根据实际流程中的物料走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程。
3.2.2变量的设置
流程建立后，用户应选择所需要进行的流程模拟类型。
根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入。
其中包括模拟的名称、所用单位等变量的输入、设计的物流的组分和组成的定义以及热力学模型的选择、物性相关变量的输入及选择；也包括设备的尺寸以及操作的温度、压力等操作参数的确定；用户也可根据自己的需要选择输入报告的输出及格式。
3.2.3程序的运行
流程的定义和变量的设置完成后，用户就可以根据需要的采用合适的方式运行流程模拟了。
3.3单元模拟
在单元模拟中,用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系。
为求解该方程组，采用离散原理，将单元设备划分为许多微元，并在微元上用代数方程近似偏微分方程，然后联立求解所有微元代数方程及边界方程，得到各个微元上的参数。
在实际过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、传热、反应过程相互耦合。
微模拟那些复杂过程，可以对介质的每一相或每一组分分别求解N-S方程、各相或各组分通过各组N-S方程之间质量、力、热量的相互传递、相互影响。
单元模拟技术可以提供传统手段难以获得的大量信息，通过这些信息可以深入理解单元过程内部的机理，在发生异常时亦有助于分析原因。
单元模拟的应用主要有工程放大、技术创新、诊断及扩能改造以及生产调优以及控制。
3.4流程模拟与单元模拟的关系
流程模拟和单元模拟两者既有不同，又有相互联系的。
两者的不同主要变现有①流程模拟的处理对象时全工艺流程，本质上计算系统各单元过程之间相互影响关系，其结果主要用于流程参数调优，提高生产效率。
②流程模拟本质上是半经验性的，因此所能处理的单元过程类型以及工艺参数范围仅限于数据库的已有数据。
③流程模拟基本上市一维模拟，可得到参数沿流程的变化，但不能获得参数的空间分布。
在实际工业应用中，流程模拟和单元模拟是互补的。
对于流程模拟不能处理的新型单元过程或超常工艺、操作参数,通过单元模拟检验或建模后可以扩充流程模拟的数据库。
用流程模拟优化全流程参数以及确定全流程关键单元过程后,可用单元模拟对关键过程进一步优化。
因此,单元模拟与流程模拟是互补的两种基本过程手段,只是单元模拟实际工业应用的时间晚于流程模拟。
3.5Aspenplus流程模拟软件介绍
Aspenplus是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件，它为用户提供了一套完整的单元操作模型，用于模拟各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程的模拟。
其主要有物性数据库、单元操作模块以及系统实现策略三大部分组成。
Aspenplus是目前应用最为广泛的化工大型通用流程模拟系统，是世界上唯一能处理带有固体、电解质及煤、生物物质和常规物料等复杂的流程模拟系统，其相平衡及多塔精馏计算体现了目前工艺技术水平的重要进展。
3.5.1Aspenplus的启动
BlankSimulation空白模拟
Template模板
OpenanexistingSimulation打开已存在的模拟
如下图所示：
3-1启动界面
3-2Aspen的进入界面
如下图所示：
3-3数据浏览器
3.6建立流程图
根据要求，如图3-4所示，后面的单位模拟一律采用图3-5的数据。
3-4整体的流程图
3-5部分流程图
3.7物料衡算
化学工程的开发与放大都以物料衡算为基础。
而物料衡算的理论依据是质量守恒定律。
对于任一化工过程单元或过程单元系统，不论是物理加工过程还是化学加工过程，也不论是总过程还是单元过程，均服从质量守恒定律。
对于一般的体系而言，物料分布均可表示为：
系统中的积累=输入—输出+生成—消耗
在稳定状态下有：
输入=输出—生成+消耗
特别地，当系统没有化学反应时，则可简化为：
输入=输出
3.7.1反应器
表3-6反应器单元物料衡算
流股信息
进料
出料
水
甲醇
反应出料
温度/℃
250
250
250
压力Mpa
0.8
0.8
5
摩尔流量kmol/h
3.61
201.43
205.04
质量流量kg/h
6519.287
6519.287
体积流量m3/h
145.47
145.47
组分摩尔流量kmol/h
H2O
3.61
/
84.182
CH3OH
/
201.43
40.286
C2H6O
/
/
80.572
3.7.2精馏塔
表3-7精馏塔塔单元物料衡算
流股信息
进料
出料
反应出料
塔顶
塔釜
温度℃
89
36.55
146
压力Mpa
0.832
0.8156
0.859
摩尔流量kmol/h
205.04
80.581
124.459
质量流量kg/h
6519.287
3712.124
2807.163
组分摩尔流量kmol/h
H2O
84.182
0.002
84.180
CH3OH
40.286
0.007
40.279
C2H6O
80.572
80.572
<0.001
3.7.3D1回收塔
表3-8D1回收塔单元物料衡算
流股信息
进料
出料
反应出料
塔顶
塔釜
温度℃
77.9
65.5
102.9
压力Mpa
0.2
0.101
0.121
摩尔流量kmol/h
124.459
40.275
84.184
质量流量kg/h
2807.163
1099.282
1534.758
组分摩尔流量kmol/h
H2O
84.180
1.290
82.890
CH3OH
40.279
38.985
1.294
C2H6O
<0.001
<0.001
<0.001
3.7.4D2回收塔
表3-9D2回收塔单元物料衡算
流股信息
进料
出料
反应出料
塔顶
塔釜
温度℃
77.9
64.3
85.1
压力Mpa
0.2
0.101
0.118
摩尔流量kmol/h
40.275
38.978
1.297
质量流量kg/h
1272.405
1245.832
26.573
组分摩尔流量kmol/h
H2O
1.29
0.222
1.068
CH3OH
38.985
38.756
0.229
C2H6O
<0.001
<0.001
<0.001
3.8能量衡算
3.8.1反应器
表3-10热负荷表
热负荷KW
-612.7516
表3-11热焓值表
In
Out
R1热焓值kw
-10847.334
-11460.086
3.8.2精馏塔
表3-12热负荷表
冷凝器
再沸器
Q
D1热负荷kw
-646.555
500.2182
-146.34
表3-13热焓值表
In
Out
D1热焓值kw
-13391.756
-13538.225
3.8.3回收塔
表3-14热负荷表
冷凝器
再沸器
Q
D2热负荷kw
-340.167
778.3
438.133
D3热负荷kw
-123.56
521.473
397.91
表3-15热焓值表
In
Out
D2热焓值kw
-9242.5789
-9225.6069
D3热焓值kw
-2648.0728
-2665.5533
3.8.4换热器
表3-16热负荷表
H1
2941.1467
H2
-1931.6693
H3
405.747
H4
-233.468
H5
-404.152
H6
-454.848
表3-17热焓值表
In
Out
H1
-13788.481
-10847.334
H2
-11460.086
-13391.756
H3
-4529.1144
-4123.3693
H4
-7.746441
-7.947483
H5
-2243.9201
-2648.0728
H6
-2160.5029
-2615.3512
第四章换热器的模拟
4.1换热器的概述
换热器Heater可以用于模拟计算单股或多股进口物流，使其变成某一特定温度、压力或相态的单股物流；也可以通过设定条件来求解已知组成成分的热力学状态。
换热器Heater可以进行多种类型的计算和模拟，常见的有以下几种：
计算已知物流的泡点和露点；计算已知物流的过热或过冷的匹配温度；计算已知物流达到某一种状态所必须的热负荷；模拟加热器或换热器的一端；模拟已知压降的阀门；模拟与功无关的阀门和压缩机。
4.2换热器的连接方式
如图4-1
图4-1
4.3Heater模型设定参数
图4-2
注意：
指定压力（Pressure），当指定值>0时，代表出口的绝对压力值；当指定值≤0，代表出口相对于进口的压力降低值。
4.4换热器的实际模拟
我们以H1为实际例子。
把常温常压25℃，0.1Mpa升温加压到250℃，0.8MPa。
（详细数据见3-5）
建立如图3-3所示流程图，其中冷凝器（cooler）采用模块库中的HeaterExchanges|Heater|Heater模块。
图4-3
点击
，出现FlowsheetComplete对话框，点击确定，进入Setup|Specifications|Global界面，在名称（title）框中输入H1。
点击
，进入组分设置，输入甲醇和水及它们的流率。
点击
，进入物性参数设置，选择物性方法UNIPUAC,。
点击
，查看方程的二元交互作用参数，本例采用默认值，不做修改。
点击
，输入进料条件，常温常压，25℃，0.1Mpa
点击
，进入要出来的温度和压力，如3-4图所示。
图4-4
点击
，出现RequiredInputComplete对话框，点击确定，运行模拟。
点击
，查看运行结果，如4-5，4-6所示。
图4-5
图4-6
第五章反应器的模拟
5.1反应器的概述
如图5.1所示
图5-1
这七类反应器模块可以划分为三类：
1.基于物料平衡的反应器（化学计量反应器RStoic，产率反应器RYield）；
2.基于化学平衡的反应器（平衡反应器REquil，吉布斯翻译器RGibbs）；
3.动力学反应器（全混斧反应器RCSTR,平推流反应器RPlug，间歇式反应器RBatch）；
5.2化学计量反应器RStoic
用化学计量反应器RStoic模拟计算时，需要规定反应器的操作条件，并选择反应器的闪蒸计算相态；还需要规定在反应器中发生的反应，对每个反应必须规定化学计量系数，并分别指定每一个反应的转化率或产品流率。
RStoic模块有七组模型参数：
1、模型设定（Specifications）
2、化学反应（Reactions）
3、燃烧（Combustion）
4、反应热（HeatofReaction）
5、选择性（Selectivity）
6、粒度分布（PSD）
7、组分属性（ComponentAttr.）
5.3化学计量反应器RStoic
连接图4-2所示。
图5-2
5.4化学计量反应器RStoic的实际模拟
我们以R1作为例子。
用化学记录器RStoic模拟甲醇脱水反应，反应方程式为
，转化率为0.8，流率见H1.，求反应热。
建立如图4-3流程图，其中反应器RSTOIC选用模块库中的Reactors|RStoic|ICON1模块。
（详细数据见3-5）
图5-3
点击
，输入名称R1.
点击
，进入组分设置，如图4-4所示。
图5-4
点击
，输入物性方法。
点击
，输入进料条件。
点击
，输入模块参数，如图4-5所示，
图5-5
点击
，设置化学反应设定，如图5-6，5-7所示。
图5-6
图5-7
点击
，出现RequiredInputComplete对话框，点击确定，运行模拟。
点击
，查看结果。
如图5-8，5-9所示。
图4-8
图5-9
第六章精馏塔的模拟
6.1精馏塔的概述
DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块，针对相对挥发度近似恒定的物系开发，用于计算仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔。
DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland方法进行精馏塔的简捷设计计算。
通过Winn方程（之后Fenske对Winn方程进行了完善）计算最小理论板数，使用Underwood方程计算最小回流比，根据Gilliland关联图来确定操作回流比下的理论板数或一定理论板数下所需要的回流比。
DSTWU模块计算精度不高，常用于初步设计，当存在共沸物时，计算结果可能会出现错误，DSTWU模块的计算结果可以为严格精馏计算提供合适的初值。
回流比随理论板数变化表对选取合理的理论板数很有参考价值。
在实际回流比对理论板数（Tableofactualrefluxratiovsnumberoftheoreticalstages）一栏中输入要分析的理论板数的初始值（Initialnumberofstages）、终止值（Finalnumberofstages），并输入理论板数变化量（Incrementsizefornumberofstages）或者要分析的理论板数个数（Numberofvaluesintable），据此可以计算出不同理论板数下的回流比（Refluxratioprofile），并可以绘制回流比——理论板数关系曲线。
DSTWU模块有四组模块设定参数
1．塔设定（Columnspecifications）
2．关键组分回收率（Keycomponentrecoveries）
3．压力（Pressure）
4．冷凝器设定（Condenserspecifications）
6.2DSTWU精馏塔的连接图
图6-1
6.3DSTWU精馏塔的实际模拟
我们以D1为例子，组分从反应器反应，在经过换热器，然后一以进料条件89℃，0.832Mpa精馏。
（详细数据见3-5）
先建立如下5-2流程图，其中塔（DSTWU）采用模块库中的Coumns|DSTWU|ICON1模块。
图6-2
点击
，输入名称。
点击
，输入组分，如图6-3所示。
图6-3
点击
，选择物性方法。
点击
，输入进料条件。
点击
，输入模块参数，如图6-4所示。
图6-4
点击
，出现RequiredInputComplete对话框，点击确定，运行模拟。
点击
，查看结果。
如图6-5所示。
图6-5
6.4精馏塔的严格计算模块RedFrac
在原来的计算条件下，对二甲醚进行严格核算和设计计算。
建立如D1-2的图。
全局设定，输入组分、物性方法、进料条件皆与上面条件相同。
点击
，输入模块参数，由上面已知，如图5-6所示
图6-6
点击
，出现RequiredInputComplete对话框，点击确定，运行模拟。
点击
，查看结果图5-7,5-8,5-9。
图6-7
图6-8
图6-9
第七章反应器
7.1物料衡算及热量衡算
表7.1物料衡算和热量衡算一览表
In
Out
Temperature℃
250.0
250.0
Pressurebar
8.0
50.0
MoleFlowkmol/h
205.040
205.040
MassFlowkg/h
6519.287
6519.287
VolumeFlowcum/h
1075.456
145.475
EnthalpyMMBtu/h
-37.013
-39.103
MoleFlowkmol/h
CH3OH
201.430
40.286
H2O
3.610
84.182
C2H6O
0
80.572
VaporFraction
1
1
LiquidFraction
0
0
SolidFraction
0
0
MolarEnthalpyKCAL/MOL
-45.49
-48.06
MassEnthalpyKCAL/KG
-1430.68
-1511.5
EnthalpyFlowGCAL/HR
-9.33
-9.85
MolarEntropyCAL/MOL-K
-27.78
-31.98
MassEntropyCAL/GM-K
-0.87
-1.01
MolarDensityKMOL/CUM
0.19
1.41
MassDensityKG/CUM
6.06
44.81
AverageMolecularWeight
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