开题报告化工类

山东科技大学

本科毕业设计（论文）开题报告题目:年产10万吨煤气化制二甲醚工艺设计

学院名称化学与环境工程学院

专业班级化学工程与工艺10定单

学生姓名郭龙年

学号 1311

指导教师李敏

填表时间：2014 年 2 月 27 日

填表说明

1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。

3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。

4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。

5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。

设计（论文）

年产10万吨煤气化制二甲醚的工艺设计题目

设计（论文）类型（划“√”）工程实际科研项目实验室建设理论研究其它√

一、本课题的研究意义及目的

我国石油、天然气资源较为贫乏，而煤炭储备、生产和消费均居世界前列，但其热值利用率又低于20% ，部分煤炭被烧掉，这不仅浪费煤炭资源，而且造成对大气的污染。因此，充分利用煤炭资源，发展现代煤化工，特别是研发、生产煤制能源产品势在必行。只有这样，才能实现煤炭的综合利用和深加工，提高煤炭的经济效益，使其热值利用率提高到原来的3 倍，即达到美国的热值利用水平，同时也能节约煤炭资源并减少大气污染。

二甲醚属于醚的同系物，但却与乙醚不同，毒性相对低，可溶解各种化学物质，因其具有易压缩、气化、冷凝及互溶性，从而被广泛应用于化学品合成中。二甲醚的燃烧效果极佳，它的十六烷值大于55，而常规发动机的大部分代用燃料的十六烷值都小于10，如液化石油气、甲醇、天然气等等，所以这些替代型燃料都仅仅适用于点燃式发动机，而二甲醚由于十六烷值大于55，并且具有良好的压缩性，故此适合应用于压燃式发动机，是柴油发动机最为理想的替代性燃料，市场前景一片光明。

随着国际石油价格的一路飙升,寻求新的石油替代品成了当前化工行业研究的重点,二甲醚由于其物化性质与液化石油气非常相似,而且具有低毒、燃烧完全等特点,越来越引起人们的关注。此外,二甲醚还是制备低碳烯烃的重要原料。因此,二甲醚的未来应用前景十分广阔。

并且二甲醚是一种用途广泛、重要的清洁能源和环保产品，可用作气雾剂、制冷剂、发泡剂以及各种清洁及环保的燃料，它的应用前景是势不可挡的。这也是党的十八大以及建设低碳、环保、生态文明的和谐社会所要求的。因此，二甲醚清洁能源的大力开发及应用是非常紧迫和重要的。

二、文献综述（国内外研究情况及其发展）

最初二甲酸是在高压条件下生产甲醇所得的副产物。合成气制备甲醇技术的快速发展与进步,使得甲醇到二甲醚与合成气到二甲醚两种工业生产技术也得到迅速发展。

两步法生产工艺

该生产工艺分两步进行,即先由合成气合成甲醇,甲醇再作为原料生产制得二甲醚。现在国内外使用最广泛最合理的二甲醚工业生产方法是甲醇气相脱水法。两步法工艺又可分为液相脱水工艺和气相脱水工艺。

甲醇液相脱水法

甲醇液相脱水制备二甲醚即硫酸法,该方法以甲醇为原料,用浓硫酸作催化剂,它的原理是温度140℃时甲醇在浓硫酸的催化作用下加热脱水生成二甲醚。

液相甲醇在阳离子型液体的催化作用下可生成二甲趟。本法的压力和反应温度较低,转化率和选择性都较高,不需再生催化剂,而且不存在污染、腐烛等现象。

混相法甲醇脱水制二甲醚的方法,该方法把甲醇通入到含酸和盐的混相液体,然后将其转化成二甲醚,最后从反应混合物中分离得到二甲醚。该工艺方法会导致污染,而且催化剂有毒,因此己逐步被淘汰。

甲醇气相脱水法

甲醇气相脱水法的基本原理是气相甲醇在装填于固定床反应器中的固体酸性催化剂作用下进行反应制得二甲醚。该工艺首先通过栗将甲醇输入并经热交换器加热后成为甲醇蒸气,进入反应器,在一定温度和压力条件下甲醇蒸气进行脱水反应;反应产物通入精溜塔对其进一步分离提纯,在压力条件下精溜,二甲醚由塔顶采出,塔底的水和甲醇在常压下进行分离,回收的甲醇循环使用。

此外,研究人员在原有基础上进行工艺创新,新工艺具体有以下特点:(1)粗甲醇和精甲醇均可作为原料,为了降低蒸汽消耗,可以采用粗甲醇为原料。(2)为了降低放空尾气所含的甲醇,将二甲醚精馆塔的塔爸所得水-甲醇的混合溶液用于洗涤反应尾气。(3)省却甲醇回收塔,利用汽化塔对精馆塔塔底所得的未反应的甲醇进行回收。

—步法生产工艺

一步法合成二甲醚工艺,其实质是把合成气合成甲醇与气相甲醇脱水两个过

程在一个反应器内的催化剂同时进行。在合成气一步法直接合成二甲醚的过程中,主要包含甲醇合成、脱水和一氧化碳变换等三个相互关联的反应过程。在两种催化剂的共同作用下,三个反应相互影响,把甲醇合成反应旳化学平衡限制打破,因此合成气的单程转化率有所升高。

合成气一步法制备二甲醚可分别由两相法和三相法实现。两相法又称气固相法,即合成气在固定床反应器通过固体催化剂催化作用进行反应;三相法即气-液-固三相法,又称为装态床法,该法需引入惰性溶剂,合成气在悬浮于溶剂的催化剂表面进行反应。

气固相一步法工艺

气固相一步法即合成气在固体催化剂的表面发生催化反应直接制取二甲醚。国内外不少学者做了这方面的研究,将甲醇合成和脱水两种催化剂机械混合制成双功能催化剂,发现原料气中氢气含量较小,催化剂表面会很快积碳。该工艺的优点是CO转化率较高,但一步法合成二甲醚过程中甲醇合成和脱水两个反应均放热,反应所释放的热量在固定床反应器中无法及时移走,导致催化剂床层热点温度较高,催化剂铜晶粒变大,催化剂性能下降。

气液固三相一步法工艺

气液固三相一步法工艺是在游装床内将催化剂细颗粒悬浮在惰性介质中,合成气以鼓泡方式通入齡装床并通过装液扩散到催化剂表面进行反应,产物二甲醚和未反应的合成气混合物一起经由反应器出口管引出_。惰性介质使得反应器传热性能良好。液相比热容大,便于恒温条件下操作,溶剂包围了催化剂表面,积炭现象明显减少,此外CO的溶解度低于氧在溶剂中的溶解度,因此可将氢含量低的合成气用作原料气。

二氧化碳加氧合成二甲醚工艺

二氧化碳加氧制取二甲醆工艺以C02和氧为原料气,反应效果一般,现在仍在技术摸索当中。该工艺路线如能实现,一方面能够利用C02并减少C02排放,有效解决温室效应难题,另一方面也能为日益严峻的能源短缺分忧解难。因此,二氧化碳合成各种化学品例如甲醇、二甲醚已引起广泛关注。

生物质合成气制二甲醚工艺

生物质包括农林业生产所得的稻秆、树木等木质素、农产品下脚料、农林业

废弃物以及禽畜的II便等物质。生物质气化制取二甲醚是指将生物质加热气化生成粗燃气,然后对其进行净化,调变组分得到高质量合成气,最后在加压条件下采用催化合成技术制取液体燃料的整套技术。

目前生物质主要有富氧气化、空气气化、水蒸汽气化和空气-水蒸汽气化等四种方式。C02的含量在四种气化方式中都较高。作为制取二甲醚的合成气中需

要一定量的C02来保证催化剂活性,一般C02含量在3%-5%,但C02含量不能过高。生物质合成二甲醚,比较适宜采用一步法合成技术。由于技术上奖态床一步法还存在不少难题,而固定床一步法生产二甲醚技术是比较有可能实现的,唯一的不足是需要对CO和H2的比例进行调整才能达到符合生产的要求。

在以煤为原料一步法制取二甲醚的生产过程中，第一步是煤气化过程，目前煤气生产的技术和装置已经普遍成熟和广泛应用，大规模的煤化工生产线已经在各地多处兴建。将煤气生产中煤氧吹气化后得到的合成气在～ MPa 和 230～250 ℃条件下，扩散到淤浆床悬浮于惰性溶液中的催化剂表面进行反应，在双功能催化剂（甲醇合成和脱水）的作用下，将有 75%～80%的 CO 转化为二甲醚。

主要化学反应为：CO + H2= CH3OH

CO + H2O = CO2+H2

2CO + 4H2= CH3OCH3+ H2O

合成气进入淤浆床之前的净化过程是不可缺少的。煤氧吹气化生成的合成气中含有硫、砷、金属羟基化合物等杂质，要把这些成分在反应前脱除。在淤浆床中反应制得的二甲醚成品中还有二氧化碳、甲醇、水等组份，要把这些组份分离出去，才能得到纯净的二甲醚成品。分离流程采用“吸收—解析—精馏”这一工艺过程。在二甲醚的提纯过程中，二甲醚和二氧化碳的吸收和解析同时发生，因此二甲醚的成品提纯是一个复杂的过程，还有待深入研究找到更合适的分离工艺和操作方法。

3 一步法制取二甲醚的优势

（1）从资源方面看，我国的煤炭资源远远大于石油、天然气资源。随着石油、天然气资源的日益短缺和大量依赖进口，我国作为煤资源大国的优势地位就得以显现。把煤由单纯的燃料转化为化工原料以取代日益短缺的石油和天然气，成为走出资源短缺困境的一条可取之路，以煤为原料制取二甲醚就有了其现实和深远

的意义。

（2）从煤化工开发的角度看，煤化工越来越受到人们的重视，煤化工项目以在全国多处立项建厂，为由煤制取二甲醚提供了先决条件，使煤化工后续产品链得以延伸，也为二甲醚制备提供了原料基础。

（3）煤化工项目投产运行后，其产品合成气直接用于二甲醚合成，使二甲醚生产的运行费用降低，能源消耗减少，提高了二甲醚产品的综合效益，为其占领市场提供了优势条件。

三、研究主要内容

1.查找文献比较各工艺优缺点并确定工艺路线。

2.利用化工设计、化工原理等书籍计算物料衡算、热量衡算、设备选型。

3.运用AutoCAD绘制工艺流程图、主设备塔图等。

四、本课题的进度安排

第1-2周：查阅文献，整理资料，写文献综述,确定工艺路线。

第3-4周做开题报告。

第5-6周进行物料衡算和热量衡算。

第7-9周进行合成工段设备选型。

第10-11周进行甲醇精馏工段设计。

第12-13周绘制CAD图纸。

第14-15周撰写毕业设计。

第16周：再次修改论文，定稿，准备答辩所需资料。

五、参考文献

[1] 2012年石油和化学工业运行情况分析及2013年形势展望[R].北京:中华人民共和国工业和信息部,2013.

[2]林伯强.中国能源思危[M].科学出版社,2012.

[3]孟晓桥.以煤为原料制取二甲醚的优势探讨[J].辽宁化工,2011.

[4]张明.现代煤化工产业的现状及展望[J].化工机械，2012

[5]纪鹏．煤化工技术方向及发展现状[J]．广东化工，2013，40(8)：70-71

[6]刘志光，龚华俊，余黎明．我国煤制天然气发展的探讨[J]．煤化工，2009，37(1)：1-8．

[7]李丽萍. 探究煤制二甲醚的生产与应用[J]. 科技风，2013

[8]张一惟，黄河，李政，倪维斗. 多方案煤制二甲醚的成本比较[J]. 煤炭转化，2007.

[9]唐宏青. 煤制二甲醚浅说[J]. 化工设计通讯，2003.

[10]勾华，张美. 二甲醚的应用前景讨论[J]. 广州化工，2013.

指导教师意见

指导教师（签名）：

年月日

所在系（所）意见

负责人（签章）：

年月日