能源、环境问题是困扰人类的热点问题之一。富煤、贫油、少气的能源结构特点决定了我国的能源消费以煤为主,尽管煤炭在能源消费结构中的比例将有所下降,但以煤为主的格局在相当长时期内难以改变。应大力发展煤基车用燃料技术,用我国相对丰富的煤炭资源弥补石油资源的不足,以解决我国中长期的能源安全问题。各种污染指标大大低于现有燃料的二甲醚,原料来源丰富,成本低廉,被誉为“21世纪的清洁燃料”。相对于二步法合成二甲醚工艺,合成气一步法CO的单程转化率高,工艺流程短、设备投资相对较小,产品成本较低,是目前国内外开发的热点。目前有关一步法二甲醚合成工艺的研究主要集中在双功能复合催化剂和合成反应器两方面。由于目前合成气一步法合成二甲醚尚无工业化运行装置,与之配套的一步法二甲醚分离工艺研究较少。现有的分离流程大多是初步提出的实验室流程或计算机模拟结果,没有经过实践检验,存在着不尽合理的地方,将会成为制约一步法二甲醚技术工业化的瓶颈。本文针对大型一步法合成二甲醚的吸收分离过程的提高回收率和节能降耗问题,从工艺和设备两方面入手,通过梯形垂直长条帽罩与规整填料有机复合,开发了一种超大处理能力、高效率的新型立体吸收塔板-NS倾斜长条立体复合塔板,进行了详尽的流体力学和传质性能研究,满足了大型一步法合成二甲醚的高压吸收分离工艺的需要,解决了塔器大型化塔内件结构和安装难题。通过双层复合穿流筛板与规整填料的复合,实现了板式塔和填料塔优势互补,充分利用塔内空间,开发出系列适合于塔器大型化的“全混级”、高点效率、低压降、大通量的新型精馏塔板-NS高效率穿流式复合塔板,进行了详尽的流体力学和传质性能研究,为大型工业化蒸馏生产过程提供节能减排的技术支撑。在NS高效率穿流式复合塔板的基础上,提出了基于点效率的非平衡级模型,构建并求解了MEPSH数学模型。在吸收和分离设备研究的基础上,提出了一步法合成二甲醚的以过程中间产物为吸收剂的变压吸收分离工艺,对甲醇、水和甲醇水溶液三种不同吸收剂通过利用工艺流程模拟进行了工艺优化和能耗比较,得到低能耗、高效率的二甲醚分离工艺,为一步法合成二甲醚工艺的工业化提供技术支撑和保障。另外,作者还对开发的吸收塔板选择相近的工业分离过程进行了热模验证。通过上述工作得到以下主要结论:一、一步法合成二甲醚分离过程中吸收设备的研究(1)NS倾斜长条立体复合塔板的塔板压降低,干板压降和湿板压降均较F1浮阀塔板降低100%和30%以上。文丘里式喷孔结构优于平板孔结构,增加规整填料对压降影响较小。(2)NS倾斜长条立体复合塔板的操作下限为漏液控制,上限为雾沫夹带控制,操作弹性区间F为7~30,远大于F1适宜的4~13。增加规整填料有效地提高了复合塔板的操作上限。(3)NS倾斜长条立体复合塔板处理能力大。由于增大了塔板开孔率和塔板的喷射操作工况,塔板的气相通量可达F1浮阀塔的2~3倍以上,另外气体由板孔直接进入帽罩而不通过板上的液层,塔板上流动的液体为很少含有气体的清液,因而同样截面积的降液管,液体的通过能力也可提高80%~100%。(4)开孔为文丘里式的NS-3塔板的泄漏和气液相分布均匀性优于开孔为平孔结构的NS-4塔板和F1浮阀塔板,NS-3塔板板面基本无液面落差。(5)NS-5型塔板高效区的传质效率比F1浮阀高10%~30%,高气速时已经超出F1浮阀的操作上限,而NS-5型仍处于正常操作状态;NS-3型塔板,罩外有高效规整填料的强化传质和除沫作用,塔板效率再增加10%~20%,操作上限也进一步增加。二、一步法合成二甲醚分离过程中高效精馏设备的研究(1)综合考虑系列NS穿流式复合塔板结构对干湿板压降、雾沫夹带、泡沫层高度和清液层高度的流体力学性能和传质性能的影响,选择大开孔率和孔径的双层板按孔径与板间距3/1复合并在板下加规整填料的NS-8结构作为NS高效率穿流式复合塔板的标准结构,能够满足高效率、大通量、低压降、大操作范围和操作稳定性高的新型塔板的要求,“全混级”的结构又为在蒸馏过程模拟计算简化模拟模型、提高模拟精度提供了可能。(2)大开孔率和孔径的双层板按孔径与板间距3/1复合的NS-6结构对于易结焦和堵塞体系最为适宜。(3)研究了NS高效率穿流式复合塔板的流体力学性能。结果表明:NS高效率穿流式复合塔板具有较低的塔板压降和雾沫夹带量,具有较高的泡沫层,正常操作的空塔动能因子可高达2.41(m.s-1)(kg.m-3)1/2。(4)NS高效率穿流式复合塔板可以细化气泡,在板面上形成良好的泡沫层,使气液接触和界面更新几率加大,强化传质和传热,提高塔板效率。经对比,复合塔板的传质效率比普通大孔径筛板高出20%左右,且在整个操作范围内效率都在80%以上,较高气速下接近100%。三、基于点效率的非平衡级模型的构建(1)基于点效率的非平衡级模型是建立在“全混级”的系列高效率穿流式复合塔板基础上,通过点效率(P)方程式和相平衡(E)方程式相结合,采用MEPSH方程组就可以求出精馏塔内各层实际塔板上的气、液两相的温度、组成和流量的数学模型。(2)与平衡级精馏计算模型、基于Murphree气相塔板效率EMV和传质速率的非平衡级精馏计算模型和三维非平衡混合池模型相比,基于点效率的非平衡级模型的“全混级”是真实、符合实际情况的,根据MEPSH方程组进行模拟计算的结果不仅能在实际的工业精馏塔中验证,也可以直接应用于指导实际的精馏操作。四、大型一步法合成二甲醚的分离工艺研究(1)系统考虑了一步法二甲醚合成反应器的操作压力和吸收分离操作压力的匹配与优化以及大规模工业化生产的高效、节能和投资,开发了合成气一步法直接合成二甲醚变压吸收分离工艺,通过高压分段吸收、中压解吸脱CO2、低压精馏分离二甲醚和甲醇,部分甲醇循环做一级吸收剂,水循环做二级吸收剂,二甲醚产品回收率>99%、二甲醚纯度>99.5%,甲醇纯度>99.7%,达到设计要求。(2)通过分别采用工艺过程的产物或中间产物--甲醇、水和甲醇水溶液为吸收剂进行模拟计算,从能耗对比和操作的方便性考虑,选择甲醇为吸收塔的吸收剂,采用水作为再吸收塔的吸收剂。(3)进行了年产50万吨二甲醚的合成气一步法直接合成二甲醚变压吸收分离工艺流程模拟计算和系统优化,确定了各个塔的最佳操作条件和理论板数、塔径、再沸器和冷凝器负荷、冷却器总负荷和分离过程总能耗。(4)从压力和流动参数方面综合考虑,合成气一步法直接合成二甲醚分离工艺中吸收塔和再吸收塔采用NS倾斜长条立体复合塔板为塔内件,二甲醚精馏塔和甲醇精馏塔采用NS高效率穿流式复合塔板为塔内件,塔径和塔高降低40%以上;若保持塔体不变,仅将F1浮阀更换为NS倾斜长条立体复合塔板和NS高效率穿流式复合塔板,吸收剂用量和回流比可进一步降低,分离过程节能15.5%。五、吸收设备的工业应用验证(1)利用与一步法合成二甲醚产品气性质和组成较为相近的的乙烯氧化生产环氧乙烷产品气的吸收分离作为验证和评价NS倾斜长条立体复合塔板性能的模拟物系,进行了新开发的二甲醚吸收塔设备性能的验证和评价,工业应用结果表明NS倾斜长条立体复合塔板是一种具有超大处理能力的高效率塔板,在工业扩能改造中,仅更换塔板就可以使处理能力提高4倍,效率同时提高25%以上,能够很好的满足合成气一步法直接合成二甲醚分离工艺吸收塔的大气量小液量操作状况。(2)NS倾斜长条立体复合塔板的超大处理能力和高效率可以解决现有装置改造处理量翻番的难题,可广泛应用于化工、制药和炼油等行业的吸收和分离提纯过程中,尤其适合于老设备的技术改造,可达到提高生产能力和产品收率、节能降耗的目的。