年产21.5万吨二甲醚工厂设计说明

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

项目名称：年产万吨二甲醚工厂的设计

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

1.1产品概述

1.1.1二甲醚的特性

DME的化学结构式为CH3―O―CH3，不含C―C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。常温常压下为无色可燃性气体，加压到0.5～0.6 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。

1.1.2二甲醚的用途

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、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

① 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]。

② 替代柴油作车用燃料

二甲醚的十六烷值高，为50～60，是柴油机的理想燃料。二甲醚减压后呈气态，汽车使用不存在冷起动问题。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Ⅲ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1-1 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-CH3C X H Y

分子重量46.07 190～220

沸点(℃)-24.9 180～360

续表1-1 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-CH3C X H Y

分子重量46.07 190～220

沸点(℃)-24.9 180～360 液体密度(g/cm3) 0.661 0.84

理论空气燃料比率9.0 14.6 十六烷值55～60 40～55

蒸气化潜热(kJ/kg) 460 290

低热值MJ/kg 28.84 42.5

自燃温度(℃)235 250

粘结性(cp) 0.15 44～54

碳(%) 52.2 86.0

氢(%) 13.0 14.0

氧(%) 34.8 0

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(55～60)；

(b) 自燃温度低；

(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]。

1.2 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。

1.3 国内外发展概况

1.3.1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