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基于Aspen Plus甲醇法生产二甲醚的液相侧线精馏塔设计

一、本课题的研究意义与目的

随着人类对煤、石油、天然气等不可再生能源的不断开采与利用，其储量正逐步减少，寻找新的能源代替物来减缓能源的开采成为摆在人类面前的一道难题，而二甲醚与甲醇由于具备部分优良性质成为代替液化石油气的热点。除可用作代替燃料之外，二甲醚与甲醇也是重要的、应用广泛的有机化工原料，在二甲醚的应用领域逐步扩大的前提下，如何生产纯度较高的二甲醚又成为一个重要的研究内容。在传统的二甲醚生产工艺中，大多采用甲醇合成法，采用此法所生产二甲醚的过程中，除生成二甲醚之外，还会产生水，所以在分离精制过程中通常遇到少量二甲醚、甲醇、水的分离，而传统的分离方法采用的是双塔精馏，但二甲醚在常压下的沸点为248.4K，甲醇的沸点为337.7K，两者沸点相差较大且作为轻组分的二甲醚在含量较低的情况下，采用双塔精馏无疑增加了设备的投资，而采用本设计的侧线精馏的方法进行分离时，在满足分离任务的前提下，能够减少设备投资、减少能耗，并具备易操作、装置简单的优点，能够获得良好的经济与社会效益。

本设计采用大型流程模拟软件Aspen Plus具备的可预测物流的组成、性质、操作条件的特性，对二甲醚-甲醇-水三元体系采用侧线出料的方式进行分离模拟,及优化，确定最佳工艺参数，并且通过Aspen Plus进行塔参数的估计获得塔径和堰高等参数，导入Aspen Dynamic动态模拟软件中，在添加控制之后，通过进料流量以及进料组成扰动来分析塔的性能与稳定性，为实际的工业生产提供可靠的数据。

二、国内外发展现状

二甲醚用作喷雾剂以及燃料，被称为“21世纪的清洁能源产品”及“环境友好的气雾剂产品”，所以二甲醚具有巨大的发展潜力。

由于上世纪爆发的三次石油危机，迫使欧美等一些发达国家研究由合成气制成二甲醚，进一步合成汽油，从而应变石油危机。在此研究的过程中，取得了较多的合成气合成二甲醚的催化剂专利，但是由于反应过程中一氧化碳的转化率较低（＜50%），二甲醚的选择性较低，故这一合成路线并未实现工业化，这一研究仅仅应用于中试。

随着科技的快速发展，人类生活的进步，环境问题日益突出，而气雾剂以及制冷剂中氟利昂的使用对臭氧层的破坏程度更是我们不能忽视的，所以从上世纪80年代中期起欧美等一些发展国家就氟利昂的使用展开了讨论并决定禁止将其应用于气雾剂中，而二甲醚由其易雾化的优良特性得到了广泛的认可度，成为代替氟利昂的较好选择。此时，用甲醇脱水法生产二甲醚成为了主要手段，并且已经实现了工业化，总规模达到120kt/a以上。

随着二甲醚的使用更加广泛，我国也持续对其进行研究。开始时间为上世纪80年代初，但此时仅仅为实验室研究；而在1994年西南化工研究设计院领先研究了气相甲醇脱水法制取二甲醚，并且建成2套2.5kt/a的二甲醚生产装置，所得到的产品二甲醚纯度可达到99.99%。而在我国使用合成气法制取二甲醚的技术仍旧处于试验阶段，到目前为止，合成二甲醚的方法主要有硫酸法（甲醇液相脱水法）、甲醇气相脱水法、合成气一步直接合成法、二氧化碳加氢法、催化蒸馏法五种。

对于合成二甲醚的上述五种方法，前两种方法相对比较成熟，而后三种方法现仍处于研究阶段。而采用前两种方法生产二甲醚，即甲醇合成二甲醚的工业生产中，经常会碰到少量二甲醚、甲醇以及水三种组分的分离问题，分离这三种物质通常采用双塔精馏的方法进行[6],[9]，而在常压下，二甲醚的沸点为248.4K，甲醇的沸点为337.7K，两者沸点相差较大且作为轻组分的二甲醚含量较低，故本设计采用侧线精馏的方法将三种组分进行分离时，与双塔精馏法相比，能够减少设备的投资，具有易操作、装置简单的优点。

三、研究内容与方案步骤

（1）了解二甲醚的生产现状以及产物精馏中二甲醚、甲醇、水混合体系的分离方法。

（2）采用Aspen Plus软件对侧线精馏塔进行模拟优化，利用Aspen Dynamics软件对添加控制的精馏塔进行动态扰动。

（3）分析模拟结果，撰写毕业论文。

四、论文提纲

摘  要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 二甲醚、甲醇的理化性质及用途 1

1.2 国内外二甲醚的发展状况 2

1.3 侧线精馏法 4

1.4 Aspen Plus流程模拟软件简介 5

1.5 选题的目的及意义 6

第2章 设计规定 9

第3章 稳态模拟与分析 11

3.1 稳态模拟过程 11

3.2 工艺参数优化与分析 12

3.2.1 添加设计规定 12

3.2.2 进料位置优化 14

3.2.3 回流比优化 14

3.2.4 侧线采出位置优化 15

3.2.5 优化结果分析 16

第4章 动态模拟与分析 21

4.1 塔的动态导入所需参数设置 21

4.1.1 塔径 21

4.1.2 回流罐尺寸 22

4.2 动态导入 23

4.3 安装各控制器 23

4.4 控制结果分析 25

4.4.1 继电-反馈测试 25

4.4.2 进料流量扰动 27

4.4.3 进料组成扰动 29

第5章 总结与展望 33

致谢 35

参考文献 37

附  录 39

五、课题工作量估计、存在问题及解决措施

1、工作进度（以周为单位）

（1）选题，并下达毕业论文任务书              1周(第1～1周)

（2）开题准备及开题报告审核                  1周(第2～2周)

（3）模拟计算阶段                            7周(第3～9周)

（4）完成毕业论文初稿                        1周(第10周)

（5）毕业论文修改，定稿，打印                1周(第11周)

（6）答 辩                                   1周(第12周) 

2、难点及解决措施

（1）对二甲醚、甲醇、水三组分采用侧线精馏的方法进行分离不够了解，通过查阅文献及相关资料进行学习，并且确定侧线出料的状态为液相。

（2）由于没有接触过Aspen Plus与Aspen Dynamics软件，在进行模拟分析的过程中存在问题，通过请教老师、上网观看视频进行学习，最终问题得以解决。顺利地完成模拟、优化、分析以及论文的撰写。

六、参考文献

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