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1、 前言前言近年来，由于石油资源短缺 、煤炭资源丰富及人们环保意识的增强，二甲醚作为从 煤转化成的清洁燃料而日益受到重视，成为近年来国内外竞相 开发的性能优越的碳一化工产品。 作为 LPG 和石油类的替代燃料，二甲醚 是具有与 LPG 的物理性质相类似的化学品，在燃烧时不会产生破坏环境 的气体，能便宜而大量地生产。与甲烷一样，被期望成为21 世纪的能源之 一。二甲醚特有的理化性能奠定了其在国际、国内市场上的基础产业地位。 二甲醚未来主要用于替代汽车燃油、石油液化气、城市煤气等，市场前景 极为广阔，是目前国际、国内优先发展的产业。 2002 年我国 LPG 的表观消 费量为 1620 万吨，同时中
2、国自 1990 年开始大量进口 LPG，2002 年 LPG 进 口量为 626 万吨。如果二甲醚的价格合适，假设二甲醚替代进口的LPG， 以目前的进口量计算，需要燃料级二甲醚约1000 万吨。对开发二甲醚作为新型清洁能源，国家给予很大的政策鼓励。2007 年 7 月 1 日，财政部和国家税务总局发布关于二甲醚增值税适用税率问题的通知， 宣布自 2008 年 7 月 1 日起，我国将二甲醚增值税税率由 17%下调为 13%。此次 二甲醚增值税税率下调，使二甲醚与液化气之间的价差进一步增大，从而有利 于提升下游的购买热情。 我国的能源结构现状是“富煤、贫油、少气”，因此以煤制二甲醚发展替 代能源
3、优势明显。根据行业专家的测算，以目前的煤炭成本，制作二甲醚系列 产品具有极大的成本优势，因而二甲醚将作为一种新能源逐渐走向前台。 综上所述，二甲醚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。 建立以二甲醚为中心的能源系 统，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，并给于政策支持，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。本设计利用了目前最有 工业应用前景的合成气一步法合成二甲醚，原料由位于无
4、锡市的联合化工总厂 供应。本设计的生产规模定位在年产 10 万吨，主要是为了从该规模的生产中合 成气一步法制备二甲醚的优势，并从中探索出合成气一步法大规模工业化的技 术目目录录项目名称：年产项目名称：年产 万吨二甲醚工厂的设计万吨二甲醚工厂的设计设计内容及要求：设计内容及要求：一、总论产品概述；生产能力分析；国内外发展概况；产品市场预测及发展前景分析二、厂址选择三、工艺方案的选择与论证四、工艺计算与设备设计选型1）反应工序、二甲醚精馏工序、甲醇精馏工序的物料衡算和热量衡算；2）反应器的设计；二甲醚精馏塔的设计；甲醇精馏塔的设计；换热器的设计与选型；其他主要辅助设备的设计与选型。五、全厂或某一车
5、间的平面布置六、项目经济效益分析（选做）绘图：生产工艺流程图(A2)、精馏塔总装配图(A1 或 A2) 1 设计背景设计背景1.11.1 产品概述产品概述1.1.11.1.1 二甲醚的二甲醚的特性特性 DME的化学结构式为 CH3OCH3，不含CC键，其氧质量分数为34.8%，具 有轻微的醚香味。在空气中长期暴露不会形成过氧化物。能溶于水、甲醇和乙醇 等溶剂，但不会腐蚀金属。DME毒性很低，蒸气有刺激和麻醉作用。DME的半衰期 较短，极易在对流层降解为CO2和H2O，在光化学反应中，不会产生甲醛，对大气 臭氧层无破坏作用和无温室效应。因此，二甲醚具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。常温常压
6、下为无色可燃性气体，加压到0.50.6 MPa可变为液体， DME的饱和蒸气压低于液化气，37.8 时，1380 kPa，适于贮存、运输，并且 燃烧性能好，热效率高，燃烧过程无残渣、无黑烟、CO、NO排量低，二甲醚还可 以掺入液化气、煤气或天然气混烧并能提高热量，纯度高于95%的二甲醚可替代 液化气作燃料。从燃料特性上看二甲醚完全可替代柴油和液化石油气(LPG)，但 却不会像石油基燃料那样排放大量的环境有害物质，因此二甲醚属环境友好燃料。1.1.21.1.2 二甲醚的用途二甲醚的用途 二甲醚由于特有的分子结构和理化性质，因此广泛应用于化工、农药、日用 化工和制冷等领域，用于制造喷雾油漆、杀虫剂
7、、空气清香剂、发胶、防锈剂和 润滑剂等。二甲醚主要用作烷基化剂、溶剂和优良的气雾推进剂，可取代氟里昂， 成为理想的制冷剂。甲醇和二甲醚按一定比例配制的新型醇醚燃料，燃烧效率和 热效率均高于液化气，具有较大的应用潜力8。 (1) 燃料 替代 LPG 作民用燃料由于 DME 具有与 LPG 相似的物理性质，同时又具有完全燃烧、污染物少等特点而且储存、运输、使用比液化石油气安全，在中国作为新型清洁民用燃料，弥补市场上 LPG 的不足，并在广大小城镇没有用上 LPG 的居民中使用，具有很大的市场9。 替代柴油作车用燃料二甲醚的十六烷值高，为 5060，是柴油机的理想燃料。二甲醚减压后呈气态，汽车使用不
8、存在冷起动问题。纯度为 93%的二甲醚可直接作为替代液化气的燃料使用，而纯度为 97%时即可直接替代柴油作为车用燃料，使用二甲醚作燃料，汽车尾气不需要催化转化处理。研究表明，DME 发动机的功率高于柴油机，可降低噪音，实现无烟燃烧，其尾气排放能达到欧洲和美国加州超低排放标准，是理想的柴油代用燃料。二甲醚机动车燃料和柴油燃料的特性比较如表 1-1 所示。表表 1-11-1 二甲醚和柴油的主要物理特性比较二甲醚和柴油的主要物理特性比较名称二甲醚柴油化学式CH3-O-CH3CXHY 分子重量46.07190220沸点()-24.9180360续表续表 1-11-1 二甲醚和柴油的主要物理特性比较二甲
9、醚和柴油的主要物理特性比较名 称二甲醚柴油化学式CH3-O-CH3CXHY 分子重量46.07190220沸点()-24.9180360液体密度(g/cm3)0.6610.84理论空气燃料比率9.014.6 十六烷值55604055蒸气化潜热(kJ/kg)460290 低热值 MJ/kg28.8442.5 自燃温度()235250 粘结性(cp)0.154454碳(%)52.286.0 氢(%)13.014.0 氧(%)34.80二甲醚经研究指出，二甲醚作为马达机动车燃料使它成为一种代替柴油的理想的新型燃料，因为：(a) 二甲醚的十六烷值比柴油高(5560)；(b) 自燃温度低；(c) 在燃烧
10、期间产生的碳质烟雾排放物极少；(d) 对金属无腐蚀；(e) 在用于石油燃烧系统时，无需专门的材料要求；(f) 具有高能量，低噪音，而且在燃烧时无颗粒释放物，因此二甲醚可以满足柴油机的环保要求。(2) 发电厂的燃料替代品用二甲醚发电，800 ktPa 二甲醚可供一个装机 400MW 电厂的燃料需求。(3) 替代氟氯烃作气雾剂以前气雾剂产品大量使用氟氯烷作抛射剂(推进剂)，由于使用时氟氯烷全部释放到大气，对大气臭氧层造成严重破坏，从而影响人类健康、动植物生长和地球生态环境，因此，世界各国都在致力于寻找氟氯烷的替代品。1995 年发达国家已经禁止使用氯氟烃作为气雾剂，发展中国家也已在 2005 年停
11、止使用氯氟烃，我国从 1998 年起禁止气雾剂中使用氟氯烷（医疗用品除外）作抛射剂，氟氯烷的替代品现有 LPG、DME、压缩气(CO2、N2、N2O)、氢氯氟碳(HCFC)、氢氟碳(HFC)。DME 物理性质与氟利昂相似，作为氟氯烃的替代物用作气雾剂，具有不污染环境、不破坏臭氧层、良好的相容性、毒性微弱等优点，在气雾剂工业中的应用正以其良好的性能及相对较好的安全性能逐步替代压缩气体、氟里昂及丙(丁)烷气，成为第四代抛射剂的主体。(4) 替代氟氯烃制冷剂二甲醚的沸点较低，气化热大，气化效果好，其冷凝和蒸发特性接近氯氟烃，二甲醚将是替代氯氟烃制冷剂的主要品种之一，保护了大气臭氧层。以二甲醚为基础原
12、料配制的环保制冷剂，具有无毒无害、安全可靠、化学性能稳定、单位容积制冷量大、流动阻力小、在常温和低温范围内压力适中、热效率高等优点，是一种很有前景的氟利昂长期性替代物。(5) 替代溶解乙炔作金属切割剂与焊接剂以 DME 为母体的新型切割或焊接用燃气可以全功能替代溶解乙炔,具有切割焊接效果好、原材料损耗少、环保又节能、省工、成本低等优点。(6) 化工原料二甲醚是一种有机中间产物，可以羰基化制乙酸甲酯、乙酐，制医药、农药、染料，用作烷基化剂与苯胺反应生成 N，N-二甲基苯胺10，与 CO2反应生成甲氧基乙酸，与硫酸生成硫酸二甲酯，与氰化氢反应成腈，二甲醚合成低碳烯烃的研究正成为国内外研究的热点。二
13、甲醚还可以进一步制取碳酸二甲酯、乙炔、丙烯等。(7) 其它用途二甲醚还可用作聚苯乙烯、聚氨基甲酸乙酯、热塑聚酯泡沫的发泡剂，发泡后的产品具有孔径大小均匀并有良好抗裂性等优点11。1.21.2 生产能力分析生产能力分析本设计为新建生产能力为 21.5 万吨/年的燃料二甲醚厂，运用合成气一步法工艺实现二甲醚的合成。原料合成气由联合总厂通过管道运输直接供给。本设计以生产燃料二甲醚为主要产品，副产品为二氧化碳。1.31.3 国内外发展概况国内外发展概况1.3.11.3.1 国内发展概况国内发展概况 二甲醚作为煤化工的产物，可以用来与液化石油气或柴油掺烧，在民用燃料、柴油替代等方面有很大的市场前景。二甲
14、醚产业还具备原材料多样、国内技术成熟等优势，在国际原油价格高企的背景下，近几年的发展呈直线上升之势。2006 年，我国二甲醚年产能为44.5 万吨，而 2007 年，这一数字暴增了 394%，达到 220 万吨，预计到 2008 年我国二甲醚年产能将达到 436 万吨12。我国主要的 DME 生产企业情况如表 1-2 所示。目前 DME 的消费主要集中在气雾剂、化学品中间体以及燃料等方面。DME 的发展今后主要是在集中民用燃料、车用燃料等方面。(1) DME 替代 LPG 作民用燃料随着我国人口不断增长与城镇人口的发展，LPG 消费量将不断增长，LPG 消费量己从1997 年的 10097 k
15、t 增至 2004 年的 20970 kt。但国内 LPG 增产能力有限，1/3 的 LPG 依赖进口，2004 年 LPG 进口量为 638 万 t，2005 年进口量达到 614.12 万 t，2006 年达到 535万 t，已经成为仅次于日本的第二大 LPG 进口国。如果用 DME 替代 LPG，仅取代进口一项，估计到 2010 年需要替代 LPG 的燃料级 DME 达 1500 万 t13。据悉，二甲醚作为民用燃料，在中、小城镇和广大农村有广阔的市场前景，目前已经开始在山东、四川、陕西、云南、安徽、重庆等地区逐步推广使用。2007 年，民用燃料二甲醚消费量约 100 万 t，占二甲醚总
16、消费量的 94%14。表表 1-2 我国主要的我国主要的 DME 生产企业情况生产企业情况企业名称生产能力/kt/a生产方法投产日期广东中山精细化工实业有限公司5气相催化脱水1994 年50液相催化脱水2003 年山东久泰化工科技有限公司80液相催化脱水2005 年云南解化集团有限公司5气相催化脱水2004 年四川泸州天然气化工集团公司10气相催化脱水2004 年上海焦化有限公司5气相催化脱水2006 年陕西渭化集团公司10气相催化脱水2006 年安徽蚌埠新奥燃气公司10气相催化脱水2006 年河南罗山金鼎化工有限公司10气相催化脱水2006 年内蒙古伊高化学有限公司20气相催化脱水2006 年陕西丰喜集团公司10气相催化脱水2006 年湖北宜昌田田化工有限公司10气相催化脱水2007 年云南滇中化工厂20气相催化脱水2007 年湖北潜江华润化肥有限公司25气相催化脱水2007 年陕西渭河化工科
