合成氣一步法直接合成二甲醚分離工藝和分離設備的研究.pdf

1、能源、環(huán)境問題是困擾人類的熱點問題之一。富煤、貧油、少氣的能源結構特點決定了我國的能源消費以煤為主，盡管煤炭在能源消費結構中的比例將有所下降，但以煤為主的格局在相當長時期內難以改變。應大力發(fā)展煤基車用燃料技術，用我國相對豐富的煤炭資源彌補石油資源的不足，以解決我國中長期的能源安全問題。各種污染指標大大低于現(xiàn)有燃料的二甲醚，原料來源豐富，成本低廉，被譽為“21世紀的清潔燃料”。
　　 相對于二步法合成二甲醚工藝，合成氣一步法CO的

2、單程轉化率高，工藝流程短、設備投資相對較小，產(chǎn)品成本較低，是目前國內外開發(fā)的熱點。目前有關一步法二甲醚合成工藝的研究主要集中在雙功能復合催化劑和合成反應器兩方面。由于目前合成氣一步法合成二甲醚尚無工業(yè)化運行裝置，與之配套的一步法二甲醚分離工藝研究較少?，F(xiàn)有的分離流程大多是初步提出的實驗室流程或計算機模擬結果，沒有經(jīng)過實踐檢驗，存在著不盡合理的地方，將會成為制約一步法二甲醚技術工業(yè)化的瓶頸。
　　 本文針對大型一步法合成二甲醚的吸

3、收分離過程的提高回收率和節(jié)能降耗問題，從工藝和設備兩方面入手，通過梯形垂直長條帽罩與規(guī)整填料有機復合，開發(fā)了一種超大處理能力、高效率的新型立體吸收塔板-NS傾斜長條立體復合塔板，進行了詳盡的流體力學和傳質性能研究，滿足了大型一步法合成二甲醚的高壓吸收分離工藝的需要，解決了塔器大型化塔內件結構和安裝難題。
　　 通過雙層復合穿流篩板與規(guī)整填料的復合，實現(xiàn)了板式塔和填料塔優(yōu)勢互補，充分利用塔內空間，開發(fā)出系列適合于塔器大型化的“全混

4、級”、高點效率、低壓降、大通量的新型精餾塔板-NS高效率穿流式復合塔板，進行了詳盡的流體力學和傳質性能研究，為大型工業(yè)化蒸餾生產(chǎn)過程提供節(jié)能減排的技術支撐。在NS高效率穿流式復合塔板的基礎上，提出了基于點效率的非平衡級模型，構建并求解了MEPSH數(shù)學模型。
　　 在吸收和分離設備研究的基礎上，提出了一步法合成二甲醚的以過程中間產(chǎn)物為吸收劑的變壓吸收分離工藝，對甲醇、水和甲醇水溶液三種不同吸收劑通過利用工藝流程模擬進行了工藝優(yōu)化和

5、能耗比較，得到低能耗、高效率的二甲醚分離工藝，為一步法合成二甲醚工藝的工業(yè)化提供技術支撐和保障。
　　 另外，作者還對開發(fā)的吸收塔板選擇相近的工業(yè)分離過程進行了熱模驗證。通過上述工作得到以下主要結論：
　　 一、一步法合成二甲醚分離過程中吸收設備的研究(1)NS傾斜長條立體復合塔板的塔板壓降低，干板壓降和濕板壓降均較F1浮閥塔板降低100[％]和30[％]以上。文丘里式噴孔結構優(yōu)于平板孔結構，增加規(guī)整填料對壓降影響較小。

6、
　　 (2)NS傾斜長條立體復合塔板的操作下限為漏液控制，上限為霧沫夾帶控制，操作彈性區(qū)間F為7～30，遠大于F1適宜的4～13。增加規(guī)整填料有效地提高了復合塔板的操作上限。
　　 (3)NS傾斜長條立體復合塔板處理能力大。由于增大了塔板開孔率和塔板的噴射操作工況，塔板的氣相通量可達F1浮閥塔的2～3倍以上，另外氣體由板孔直接進入帽罩而不通過板上的液層，塔板上流動的液體為很少含有氣體的清液，因而同樣截面積的降液管，液體

7、的通過能力也可提高80[％]～100[％]。
　　 (4)開孔為文丘里式的NS-3塔板的泄漏和氣液相分布均勻性優(yōu)于開孔為平孔結構的NS-4塔板和F1浮閥塔板，NS-3塔板板面基本無液面落差。
　　 (5)NS-5型塔板高效區(qū)的傳質效率比F1浮閥高10[％]～30[％]，高氣速時已經(jīng)超出F1浮閥的操作上限，而NS-5型仍處于正常操作狀態(tài)；NS-3型塔板，罩外有高效規(guī)整填料的強化傳質和除沫作用，塔板效率再增加10[％]～20

8、[％]，操作上限也進一步增加。
　　 二、一步法合成二甲醚分離過程中高效精餾設備的研究(1)綜合考慮系列NS穿流式復合塔板結構對干濕板壓降、霧沫夾帶、泡沫層高度和清液層高度的流體力學性能和傳質性能的影響，選擇大開孔率和孔徑的雙層板按孔徑與板間距3/1復合并在板下加規(guī)整填料的NS-8結構作為NS高效率穿流式復合塔板的標準結構，能夠滿足高效率、大通量、低壓降、大操作范圍和操作穩(wěn)定性高的新型塔板的要求，“全混級”的結構又為在蒸餾過程模

9、擬計算簡化模擬模型、提高模擬精度提供了可能。
　　 (2)大開孔率和孔徑的雙層板按孔徑與板間距3/1復合的NS-6結構對于易結焦和堵塞體系最為適宜。
　　 (3)研究了NS高效率穿流式復合塔板的流體力學性能。結果表明：NS高效率穿流式復合塔板具有較低的塔板壓降和霧沫夾帶量，具有較高的泡沫層，正常操作的空塔動能因子可高達2.41(m.s-1)(kg.m-3)1/2。
　　 (4)NS高效率穿流式復合塔板可以細化氣泡

10、，在板面上形成良好的泡沫層，使氣液接觸和界面更新幾率加大，強化傳質和傳熱，提高塔板效率。經(jīng)對比，復合塔板的傳質效率比普通大孔徑篩板高出20[％]左右，且在整個操作范圍內效率都在80[％]以上，較高氣速下接近100[％]。
　　 三、基于點效率的非平衡級模型的構建(1)基于點效率的非平衡級模型是建立在“全混級”的系列高效率穿流式復合塔板基礎上，通過點效率(P)方程式和相平衡(E)方程式相結合，采用MEPSH方程組就可以求出精餾塔內

11、各層實際塔板上的氣、液兩相的溫度、組成和流量的數(shù)學模型。
　　 (2)與平衡級精餾計算模型、基于Murphree氣相塔板效率EMV和傳質速率的非平衡級精餾計算模型和三維非平衡混合池模型相比，基于點效率的非平衡級模型的“全混級”是真實、符合實際情況的，根據(jù)MEPSH方程組進行模擬計算的結果不僅能在實際的工業(yè)精餾塔中驗證，也可以直接應用于指導實際的精餾操作。
　　 四、大型一步法合成二甲醚的分離工藝研究(1)系統(tǒng)考慮了一步法

12、二甲醚合成反應器的操作壓力和吸收分離操作壓力的匹配與優(yōu)化以及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的高效、節(jié)能和投資，開發(fā)了合成氣一步法直接合成二甲醚變壓吸收分離工藝，通過高壓分段吸收、中壓解吸脫CO2、低壓精餾分離二甲醚和甲醇，部分甲醇循環(huán)做一級吸收劑，水循環(huán)做二級吸收劑，二甲醚產(chǎn)品回收率＞99[％]、二甲醚純度＞99.5[％]，甲醇純度＞99.7[％]，達到設計要求。
　　 (2)通過分別采用工藝過程的產(chǎn)物或中間產(chǎn)物--甲醇、水和甲醇水溶液為吸收

13、劑進行模擬計算，從能耗對比和操作的方便性考慮，選擇甲醇為吸收塔的吸收劑，采用水作為再吸收塔的吸收劑。
　　 (3)進行了年產(chǎn)50萬噸二甲醚的合成氣一步法直接合成二甲醚變壓吸收分離工藝流程模擬計算和系統(tǒng)優(yōu)化，確定了各個塔的最佳操作條件和理論板數(shù)、塔徑、再沸器和冷凝器負荷、冷卻器總負荷和分離過程總能耗。
　　 (4)從壓力和流動參數(shù)方面綜合考慮，合成氣一步法直接合成二甲醚分離工藝中吸收塔和再吸收塔采用NS傾斜長條立體復合塔板

14、為塔內件，二甲醚精餾塔和甲醇精餾塔采用NS高效率穿流式復合塔板為塔內件，塔徑和塔高降低40[％]以上；若保持塔體不變，僅將F1浮閥更換為NS傾斜長條立體復合塔板和NS高效率穿流式復合塔板，吸收劑用量和回流比可進一步降低，分離過程節(jié)能15.5[％]。
　　 五、吸收設備的工業(yè)應用驗證(1)利用與一步法合成二甲醚產(chǎn)品氣性質和組成較為相近的的乙烯氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷產(chǎn)品氣的吸收分離作為驗證和評價NS傾斜長條立體復合塔板性能的模擬物系，進行

15、了新開發(fā)的二甲醚吸收塔設備性能的驗證和評價，工業(yè)應用結果表明NS傾斜長條立體復合塔板是一種具有超大處理能力的高效率塔板，在工業(yè)擴能改造中，僅更換塔板就可以使處理能力提高4倍，效率同時提高25[％]以上，能夠很好的滿足合成氣一步法直接合成二甲醚分離工藝吸收塔的大氣量小液量操作狀況。
　　 (2)NS傾斜長條立體復合塔板的超大處理能力和高效率可以解決現(xiàn)有裝置改造處理量翻番的難題，可廣泛應用于化工、制藥和煉油等行業(yè)的吸收和分離提純過程