2万吨年MTBE装置工艺设计

1、成绩本科毕业论文题目： 2万吨/年MTBE装置工艺设计 学生姓名 丁路 学 号 指导教师 褚雅志 院 系 化工学院 专 业 化学工程与工艺 年 级 2005年级 教务处制诚信声明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。特此声明。论文作者签名： 丁路日 期： 2009 年 6 月 3 日2万吨/年MTBE装置工艺设计目录第一章 概 述11.1 MTBE的有关性质11.2 MTBE的用途21.3 MTBE的

2、产能及需求情况2第二章 设计依据及技术来源42.1 设计依据42.2技术来源1442.2.1 国外工艺介绍42.2.2 国内生产技术状况52.3 本次设计采用的方法62.4主要节能措施及技术改进156第三章 设计规模与产品方案83.1 原料及产品规格83.2 设计规模和设计要求83.3 产品的质量指标83.4 建筑组成8第四章 过程技术分析94.1 反应原理94.2 反应条件94.3 反应选择性和转化率94.4 系统循环结构104.5 分离工艺104.6 控制方案的选择2-3104.6.1泵的控制方案114.6.2.换热器的控制方案114.6.3.反应器的控制方案114.6.4.精馏塔的控制方

3、案12第五章 流程模拟与优化145.1流程叙述145.2 PRO/II模拟与计算1145.2.1 PRO/II热力学方法的初步分析145.2.2过程的主要操作控制指标155.3 工艺计算概述及结果165.3.1物料衡算165.3.2 热量衡算17第六章 主要设备选择说明及计算7-13206.1泵的选型206.1.1 石油，化工装置对泵的要求206.1.2 泵的选型计算216.1.3 泵选型表216.2 反应器的设计与选型226.2.1 热管反应器的结构15226.2.2传热和传质分析236.2.3 反应器设计计算过程236.2.4 反应器的组合参数246.3 塔的设计选型246.3.1 MTB

4、E产品精馏塔的设计选型256.3.2 萃取塔设计406.4 储罐设计416.4.1 甲醇原料罐的确定416.4.2 C4馏分原料罐的确定416.4.3 循环水罐的确定416.4.4 塔回流罐的确定416.4.5储罐选型表416.5 换热器的设计426.5.1换热器的介绍与论述部分426.5.2手算计算部分446.5.3 换热器大师计算部分506.6管道设计（GB81631999）53第七章 原材料、动力消耗消耗定额及消耗量557.1 原料消耗557.2 动力消耗定额及消耗量55第八章 机构及定员568.1 组织机构568.2 生产班制及定员568.3 人员来源和培训578.3.1 人员来源57

5、8.3.2 人员培训578.3.3 人员工资及福利57第九章 装置边界条件58第十章 环境保护5910.1 编制依据5910.2 执行的有关法规及规定5910.3 环境质量标准5910.4 排放标准5910.5 环保措施5910.5.1 环境影响因素6010.5.2施工期环境影响分析60小结62谢辞62附录A 物料衡算表64附录B 能量衡算表68附录C PRO/II模拟物流的物流表70附录D 设备一览表72摘要本次设计以工业上各种甲基叔丁基醚的工艺生产方法为技术依据，对该反应的反应原理、反应条件、反应选择性和转化率等进行了阐述。反应原料由C4馏分中的异丁烯及质量分数为99.3%的甲醇组成，进行

6、醚化反应，目标产物甲基叔丁基醚的产量是2万吨/年，采用的流程是甲基叔丁基醚常规工艺，主要由两反三塔工艺装置组成，通过PRO/II软件对其进行了流程模拟与计算，根据模拟计算得到的数据，对流程的各个设备进行了设计和选型，如塔、罐、泵、管子等；并进行物衡和热衡计算，列出物衡表和热衡表。本次设计过程还包括了原材料消耗量、动力消耗定额、机构定员以及环境保护等各项指标。过程还使用了CHEMCAD、换热器大师等多种软件，提出了过程优化、节能及技术改进的具体措施，如主反应器采用热管式反应器以提高转化率以及充分利用物料的能量交换节省蒸汽消耗量等。关键词：甲基叔丁基醚、PRO/II、流程模拟与计算、节能Abstr

7、actThe process of the design is technically based on various methods of production of MTBE in industry ,we have explanationed the theory、the condition、the selectivity and fractional conversion in the process of the reaction。The material is composed of IBUTENE in the fraction of C4 and methanol whose

8、 mass fraction is 99.3%, the etherification is annual production capacity of 20,000 tons MTBE,the purity of the production is not less than 98.5%。The procedure is taken in the common technology which primarily contains two reactors and three towers。Process simulation and calculation is carried out w

9、ith the simulation software of PRO/II。According to the data simulated, all of the process equipments are designed and selected,such as towers, tanks, pumps, tubes, etc. And material balance and heat balance were calculated, the material balance table and the heat balance table were listed. This proj

10、ect also besides the rate of consumption、power consumption 、the rated passenger capacity of the institution、environmental protection and so on。We have used various kinds of softwares such as chemcad and THEM，we provide the specific measures of the process optimization、energy saving and the improveme

11、nt of the techniques，such as the major reactor adopts the heat pipe fixedbed reactor in order to improve the fractional conversion and the process fully makes use of energy exchange between the material so that save the consumption of the steam。Keywords： MTBE、PRO/II、Process simulation and calculatio

12、n、energy saving第一章 概 述1.1 MTBE的有关性质甲基叔丁基醚，英文缩写为MTBE（methyl tert-butyl ether），溶点-109，沸点55.2，是一种无色、透明、高辛烷值的液体，具有醚样气味，是生产无铅、高辛烷值、含氧汽油的理想调合组份，作为汽油添加剂已经在全世界范围内普遍使用。它不仅能有效提高汽油辛烷值，而且还能改善汽车性能，降低排气中CO含量，同时降低汽油生产成本。另外，MTBE还是一种重要化工原料，如通过裂解可制备高纯异丁烯，作为橡胶及其它化工产品的原料。 MTBE是含氧量为18.2%的有机醚类。它的蒸汽比空气重，可沿地面扩散，与强氧化剂共存时可燃烧

13、。 MTBE的工业上的质量纯度要求一般约为97%99.5%，分子式为：。甲基叔丁基醚这种汽油添加剂的辛烷值是115，化学含氧量较甲醇低得多，利于暖车和节约燃料，蒸发潜热低，对冷启动有利。MTBE与汽油可以任意比例互溶而不发生分层现象，与汽油组分调和时，有良好的调和效应，调和辛烷值高于其净辛烷值。MTBE含氧量相对较高，能够显著改善汽车尾气排放。它具有良好的化学安定性和物理安定性，在空气中不易生成过氧化物，而且其毒性很低，在生产和使用过程中，不会产生严重毒害人体健康的问题。由于对环境保护的更高要求,世界各国都对汽油提出无铅化要求。在二十世纪九十年代,美欧各国通过立法制定了清洁汽油标准。我国从20

14、01 年开始实行汽油无铅化并制定了新的汽油标准,对汽油质量提出了新的要求。新标准明确规定含氧量不低于2. 0 % ,这对全世界的炼油行业都产生了巨大冲击,为了适应清洁汽油的生产和环境保护的需要, 由FCC 联产MTBE 和TAME 等醚类汽油稳定剂的生产技术得到了很大发展,MTBE 等醚类产品是当代较理想的汽油稳定剂,近期内尚无其它产品可以取代。表1.1 MTBE的物理性质1.2 MTBE的用途作为汽油的添加剂由于MTBE 有很高的净辛烷值,而且对于直馏汽油、烷基化汽油、催化裂化汽油、催化重整汽油等各种汽油有着良好的调和效应,有较高的调和辛烷值,在汽油中加入有增加汽油辛烷值、限制四乙基铅的作用

15、。因此,作为无铅汽油添加剂的MTBE ,在当今社会有更深远的意义。MTBE 是良好的反应溶剂和试剂，因为MTBE 是难于氧化的,因此,可以作为溶剂和试剂使用。在用苯酚、多聚甲醛和二烷基胺制备邻二烷氨基甲基苯酚中作为溶剂使用。异戊烯的制备、苯酚的烷基化、甲酯的制备、MTBE 羰基化、异戊二烯的制备等,都是用MTBE作为溶剂的。MTBE 裂解可制得高纯度的异丁烯，由于异丁烯是重要的化工原料,可以生产丁基橡胶、聚异丁烯、叔丁基苯、叔丁胺等,而且对异丁烯的含量要求非常高, 有的要大于99 % , 而MTBE的生产是可逆反应,因此,在适当的酸性催化剂作用下,MTBE 可裂解制得高纯度的异丁烯。1.3 M

16、TBE的产能及需求情况国内MTBE 真正投入规模生产始于上世纪90年代, 尤其近几年产能迅速增长, 截至2005 年年末、2006 年年初国内MTBE 生产企业及产能见表1.2。表1.2 国内MTBE 生产企业及产能表1.3 05-08年MTBE扩建装置统计由上知MTBE应用前景广阔，因此对其生产工艺进行研究很有必要。按目前MTBE产能统计, 国内异丁烯资源除很少部分仍留作燃料外, 约有90%的异丁烯被用来生产MTBE, 其余不足10 万t 供生产精制异丁烯, 用来生产丁基橡胶、聚异丁烯、叔丁胺、橡胶促进剂及医药用精细化工产品。第二章 设计依据及技术来源2.1 设计依据本项目是基于教科书上的教

17、学案例，通过研读大量的关于MTBE的性质、用途、生产技术及市场情况分析的文献，对生产MTBE的工艺装置进行设计的。2.2技术来源142.2.1 国外工艺介绍目前合成MTBE国外生产工艺较有代表性的有:意大利斯纳姆. 普罗盖蒂/ 阿尼克(SNAM PROGETTI/ ANIC)工艺、法国石油研究院IFP工艺,美国催化蒸馏及联合工艺等。现分别介绍如下。（1）意大利SNAM工艺该工艺所采用的反应器为列管式固定床,反应温度5060 ,催化剂是聚苯乙烯- 二乙烯苯离子交换树脂。反应中,甲醇稍过量,产品MTBE 的含量在98 %以上。为解决甲醇过量所引起的MTBE 净化问题,可采用SNAM的二段法工艺,即

18、采用两个串联的管式反应器。西德许尔斯(HULS) 工艺是此工艺的代表。（2）法国IFP 工艺IFP 工艺的主要特点是反应器采用上流式膨胀床,与管式反应器相比,它具有结构简单、投资少、催化剂装卸方便等优点。另外,采用上流式操作,可防止催化剂堆集成块,减少压力降,催化剂使用寿命长,副反应少等优点。（3）美国催化蒸馏工艺催化蒸馏工艺是把筒式固定床反应器与蒸馏塔结合在一起,故一方面反应放出的热量用于产物的分离,具有明显的节能效果;另一方面由于反应的同时连续蒸出产品,可最大限度地减少逆向反应和副产品的生成。（4）美国UOP 公司的联合工艺以油田气或炼厂气中的丁烷为原料,异构化反应转化为异丁烷,进而脱氢生

19、成异丁烯,异丁烯再与甲醇醚化反应生成MTBE。联合工艺使MTBE生产具有更为广泛的原料来源,且可减低成本, 单程转化率高,设备投资低,可靠性好。生产MTBE 的几种方法的消耗定额见下表1。表2.1 生产MTBE的几种方法的消耗定额(以每吨MTBE计）表2.2 国外MTBE主要生产特点2.2.2 国内生产技术状况我国自20世纪70年代末开始MTBE合成技术的研究和开发,第一套生产装置于1983年在齐鲁石化公司橡胶厂投产,规模为0.55万t/ a 。先后开展MTBE合成工艺、催化剂、反应工程研究与开发的单位有齐鲁石化公司研究院和橡胶厂、岳阳石化总厂橡胶厂、燕山石化公司、吉林化工公司、上海石化研究院

20、、清华大学化工系、北京石油设计院、上海高桥石化公司炼油厂、洛阳炼油厂等。通过有关单位协作,先后开发出多种合成工艺。主要有以下三种:（1）常规MTBE合成工艺由反应、共沸蒸馏和甲醇回收三部分组成,使用固定床反应器,异丁烯和甲醇在强酸性阳离子交换树脂存在下液相合成MTBE。反应压力0.81.47MPa ,温度4080,醇烯比为1. 0 左右,利用冷却设备以外循环方式取出部分反应热来控制反应温度。异丁烯转化率可达90%95% ,接近平衡转化率。（2）催化蒸馏法MTBE合成工艺把催化反应与分馏结合的反应蒸馏技术早已被用于酯化、水合等反应过程,而应用于大型MTBE合成过程则是美国Chem.Researc

21、h &Liecensing公司首先成功的,于1987 年工业化。（3）混相床反应蒸馏MTBE合成工艺这是由齐鲁石化公司研究院、北京石油设计院和上海高桥石化公司炼油厂联合开发的,1992年3月通过中国石化总公司的技术鉴定。这一工艺的特点是在反应塔内设一固定床反应段,不需任何冷却设备。控制反应压力使反应在沸点温度下进行,反应热使部分物料汽化而使反应温度衡定,形成汽- 液混相状态。反应物浓度较高时,可把催化剂分为几个床层,部分未预热的原料由侧线进入各床层之间,作为激冷料进一步调节汽化率与反应温度,但各床层之间不设分馏塔板。MRD 技术分为两种类型,即MRD -A型、MRD- B型。MRD-

22、A 型用于炼油型MTBE装置,MRD - B型用于石油化工型。2.3 本次设计采用的方法在本次设计中我采取MTBE常规工艺装置，反应装置采取固定床反应技术，分离装置采取三塔分离形式，即由两个固定床反应器、MTBE共沸精馏塔、萃取塔和甲醇精馏塔组成。该工艺属于传统工艺，技术上已经非常成熟，它适用于异丁烯浓度变化较大的C4原料。2.4主要节能措施及技术改进15主反应装置采取热管式固定床反应器的形式，相对于传统的多段绝热固定床反应器而言，更为有效地控制反应器的温度,获得较佳的轴向温度分布，更有利于反应转化率的提高。在设计过程中对反应原料的预热设置一个热切换装置，反应初利用蒸汽预热，待反应进行了一段时

23、间后，将蒸汽物流切换成MTBE共沸精馏塔塔釜的热流出料对原料进行预热，充分利用物料的能量交换。同理将甲醇精馏塔的进料预热到泡点温度也是利用此方法。第三章 设计规模与产品方案3.1 原料及产品规格表3.1 原料组成原料物质质量分数组成（Wt%）C4馏分异丁烷35；正丁烷15；异丁烯25；正丁烯15；顺丁烯5；反丁烯5工业甲醇甲醇99.3，水0.7.3.2 设计规模和设计要求该工艺规模是2万吨/年MTBE 装置工艺设计，共沸精馏塔MTBE的纯度要求是质量分数达到98.5%（Wt），萃取塔萃取后碳四出料中甲醇含量小于50g/ g，甲醇回收塔底萃取水甲醇含量小于500g/ g以及甲醇回收塔塔顶循环甲醇

24、质量分数达到99.3%的要求。按照8000小时开工计算，产品流量2500kg/h ，合28.41kmol/h。 3.3 产品的质量指标本装置MTBE产品质量按照MTBE企业标准燃料级设计，该产品指标见表3.2。 表3.2 产品MTBE规格燃料级MTBE质量分数，% 98.5甲醇质量分数，% 1.0气相水分质量分数，% 0.533.4 建筑组成拟建工程的主要建筑物为生产厂房、变电站、原料库、办公楼及其它生产辅助设施所组成。按总平面规划要求建设道路、绿化及相应的消防、工业及卫生等设施。第四章 过程技术分析 4.1 反应原理在所选择的工艺条件下,原料C4中的异丁烯和工业

25、甲醇经预热混合后通过催化剂床层并反应生成MTBE。异丁烯与甲醇在强酸性阳离子树脂催化剂的作用下, 异丁烯在叔碳位形成正碳离子, 具有较高的反应活性。甲醇由于属于极性分子，与其进行加成反应生成MTBE。该反应为放热反应,反应温度在4080, MTBE 的合成反应受热力学平衡的制约。在低温下,向生成MTBE的方向反应,但是,从反应动力来说, 在较高的温度下加快反应速度,但副反应也加快。为此在生产操作中要控制合适的反应温度。在反应的条件下, 原料中所含水份与异丁烯反应生成叔丁醇(TBA)。异丁烯自聚生成二聚物(DTB)、甲醇缩合成二甲醚(DME),副产品叔丁醇和二聚物也具有较高的辛烷值,可随同MTB

26、E调入汽油。副反应方程式:4.2 反应条件 本过程采用连续操作，反应条件：温度T=400C800C，反应压力P=0.8MPa，一段反应在热管固定床下进行，二段反应在绝热固定床下进行。 4.3 反应选择性和转化率 选择性：该反应过程为催化加成。在80以下时，该反应过程为单一、不可逆、选择性为98%99%。转化率：反应为液相反应，异丁烯的转化率在90%以上。4.4 系统循环结构 在MTBE合成反应中，由于甲醇过量不能完全转化，因此必须对反应后的物流进行分离，使甲醇同其它的组分分离出来，通过循环返回反应器，从而提高反应物的利用率。其循环结构如图4.1 所示： 图 4.1 MTBE生产过程系统循环结构

27、图4.5 分离工艺 从反应器中出来的物流含有MTBE、未反应的甲醇、水等物质，它们都是以液体形式存在。MTBE产品分离产用的是共沸精馏塔，C4和甲醇分离采用的是水萃取塔，而甲醇分离采用的是普通精馏塔。图4.2 三塔流程分离工艺图4.6 控制方案的选择2-3该流程主要包括泵、换热器、反应器、精馏塔，下面详细介绍各种过程的控制方案。4.6.1泵的控制方案本设计中选用的泵均为卧式化工流程离心泵，对于泵设备主要是控制流量。我们采用旁路阀调节的方式。即用改变旁路阀开度的方法来调节实际排出量。经旁路返回的液体，从泵得到的能量完全消耗在调节阀上。泵出口有止回阀，防止液体回流打坏泵内部叶片；泵出口有一个现场指

28、示压力表。泵的PID图如下图4.3所示：4.6.2.换热器的控制方案该流程涉及的几种换热器：合成物料之间的换热器、冷却水冷却的换热器、蒸汽加热的换热器、精馏塔的再沸器和冷凝器，精馏塔的再沸器和冷凝器部分放在后面精馏塔控制方案中作介绍。对于换热器的控制，通过测定需控制温度物流的出口温度形成信号输入控制器，控制器控制公用工程的流量，通过这种改变公用工程用量的方式来调节并稳定需控制物流的出口温度。此类换热器PID图如下图4.4所示： 图4.4换热器的控制示意图 图4.3 泵的控制示意图4.6.3.反应器的控制方案本设计中的反应器为固定床反应器，催化剂床层的温度需要维持在一个给定值附近。对于第一个反应

29、器，通过测定床层的温度形成信号输入控制器，控制器调节是利用冷却水移走部分热量的方式来调节床层温度。对于第二个反应器，通过PRO/II模拟知床层维持绝热固定床反应的温度在合成MTBE适宜反应温度范围内（60650C左右），不需要冷却措施。对于该反应器的压力控制，只在反应器的底部安装一个设定承受压力的安全阀，当压力过高时安全阀打开进行泄压，使压力恢复到正常压力。该反应器的PID图如下：图4.5 反应器的控制示意图4.6.4.精馏塔的控制方案精馏塔的控制参数主要是压力、回流比、塔内温度、塔内液位。下面对甲醇精馏塔控制方案叙述如下： 甲醇精馏塔T-103塔顶冷凝器为部分冷凝器，需要对其回流比进行调节。

30、首先通过测定回流罐的液位，形成信号控制自动调节阀，调节塔顶甲醇的采出量。再通过测定甲醇采出的流量，形成信号控制自动调节阀，调节强制回流泵的旁路流量，以达到控制回流比的目的。塔的温度都是靠再沸器提供热量实现的。一般塔的稳定主要靠测定灵敏板温度，灵敏板温度稳定说明精馏塔的温度比较稳定。本系统通过测定灵敏板温度，形成信号，控制蒸汽流量，形成闭路控制系统。精馏塔液位的控制是比较简单的，主要靠测定液位信号，通过控制排出塔釜的阀门开度，形成一个回路，达到控制液位的目的。再沸器及液位控制图如下图4.7：图4.6 T-101精馏塔塔顶回流比控制示意图图4.7 精馏塔温度及塔釜液位控制方案第五章 流程模拟与优化

31、5.1流程叙述自装置外来的混合碳四与甲醇分别进入碳四罐V101和甲醇罐V102，再分别经碳四原料泵P102和甲醇泵P101加压后进入预热器E101,先利用中压蒸汽对其进行加热，当MTBE精馏塔T1塔釜开始出料时，将蒸汽加热切换成物料之间的换热，最终将原料预热到45，通过控制器控制醇烯比为1.05进入主反应器R101进行反应，在热管式固定床反应器中异丁烯和甲醇反应生成MTBE。反应器外利用冷却水移走反应热，控制反应器出口温度T=60，产物同补充甲醇混合后共同进入第二个反应器R2继续醚化反应，利用控制器控制第二反应器醇烯比为2.5,反应完后物料进入共沸精馏塔T1分离。纯度（W）的MTBE产品由底部

32、流出，预热完进料物流后，继续与后续萃取塔T2出料进行热量交换，将甲醇精馏塔进料物流预热到泡点温度左右，同时MTBE冷却到60，再利用冷却水将其冷却至40后进入MTBE产品罐；T1塔顶醚后碳四及少量未反应的甲醇从共沸精馏塔塔顶馏出，冷凝后进入回流罐，再由回流泵从碳四回流罐抽出加压后分成两路，一部分作为回流返回共沸精馏塔顶，另一部分去萃取塔底部，共沸塔底部热量由再沸器提供。含有少量甲醇的醚后碳四进入萃取塔T2底部与萃取水在塔内逆流接触脱出去甲醇，净化碳四由塔顶溢流出装置，塔釜富液经换热后接近泡点温度进入甲醇回收塔T3中部。甲醇回收塔塔顶的甲醇达到质量分数要求（99.3%）后返回甲醇原料罐循环使用，

33、塔釜贫液经过换热后进入萃取塔顶部循环使用，由循环泵P104补充消耗掉的萃取水。工艺流程图PFD见附录。5.2 PRO/II模拟与计算1该工艺流程模拟计算采用的是PRO/II模拟软件。整个系统主要包括甲醇、C4组分和C5三种组分，整个流程模拟如下图5.1所示5.2.1 PRO/II热力学方法的初步分析PRO/II软件提供多种用于流体的气液平衡常数、液液平衡常数、焓、熵、密度和其他传递性能参数等热力学计算方法，由于每种热力学方法有一定的适用范围，在应用PRO/II解决具体问题时，选择合适的热力学方法是能否正确模拟工艺过程的关键。NRTL适用领域为可以利用液相活度系数的化工、石油化工极性物系.UNI

34、QUAC适用领域为没有提供气液、液液平衡数据的化工、石油化工极性物系。WILSON适用领域为极性物系的气液过程。UNIFAC适用领域为任何已知组分结构的物系。为确保系统物性计算的准确性，根据各股物料的性质分析知：采用的热力学方法是NRTL热力学系统下的UNIFAC方程，二元交互作用参数可获得，焓计算采用K-value方法。由于过程存在液液萃取，所以在定义NRTL方程时需要定义VLE和LLE两个方程。图5.1PRO/II模拟流程图5.2.2过程的主要操作控制指标1、 反应过程物料配比的控制对于MTBE反应过程，由于其主反应是一个可逆过程，为了保证最大程度的提高异丁烯的转化率，就得适合的提高醇烯比

35、，一般设置进料配比中醇烯比为1.05（针对第一反应器）。为了在模拟过程中反映此过程，我们需要对进料进行控制，而不是人为的通过手算的方法调节进料。而对于第二个反应器，其本身目的就是在极高醇烯比的状况下将第一反应器未反应的异丁烯反应完全，所以补入了补充甲醇进料。对于此反应器的醇烯比控制，由于有两股物料，且均含有甲醇，所以需要通过模拟程序中的计算器进行计算，再将数据导入到控制器中予以控制，此处控制第二反应器中醇烯比为2.5 。2、 反应过程温度的控制第一反应器采用热管式固定床反应，目的是使反应维持在最适宜反应温度范围内进行，控制反应热点温度不超过6065,通过PRO/II的模拟控制，利用给定冷却水带

36、走的热负荷大小来保证进第二反应器的温度合适，在这里控制出料温度为60.3、 萃取水的流量控制通过PRO/II模拟得到的C4流量大小，根据萃取塔操作料水比来确定需要的萃取水量，操作料水比降低有利于提高碳四产品质量,但是满足了产品质量要求后,保持过低的操作料水比,会因为后继甲醇回收塔进料中甲醇含量较低而增加了甲醇和水的分离难度和装置能耗,因此建议在满足萃取产品质量的前提下,尽量提高操作料水比。经过PRO/II模拟分析后，最终取萃取水量为500kg/h即可达到甲醇回收塔底萃取水甲醇含量小于500g/ g以及萃取后碳四出料中甲醇含量小于50g/ g的设计产品质量要求。5.3 工艺计算概述及结果用PRO

37、/II模拟的整个流程，得出每股物流的物流数据，根据所得的数据进行物料衡算以及能量衡算。5.3.1物料衡算本流程的所有过程均为连续操作过程，选择时间(hr)为计算基准，分为反应、MTBE共沸精馏、水萃取、甲醇精馏四部分进行衡算。表5.1 总物料衡算：总进料Stream NameS1S2S5S11Temperature(C)25253030Pressure(KG/CM2)8.68118.68118.68116.118297TotalMassRate(KG/HR)6436.692971.71291.99413500Vapor Mass Rate(KG/HR)n/an/an/an/aLiquid Ma

38、ss Rate(KG/HR)6436.692971.71291.99413500Total Weight Comp. Rates IBUTANE2252.842000 NBUTANE965.5037000 IBUTENE1609.173000 1BUTENE965.5037000 C2BUTENE321.8346000 T2BUTENE321.8346000 MA0964.9191.350170 H2O06.8019840.643959500进料总计8000.398kg/h总出料Stream NameS10S12S13S14S19Temperature(C)48.3122961.2061561

39、.20615111.440940Pressure(KG/CM2)6.13181.13521.13521.53528.1417TotalMassRate(KG/HR)4807.75133.853218.47764500.86832539.419VaporMassRate(KG/HR)n/an/a18.47764n/an/aLiquidMassRate(KG/HR)4807.75133.8532n/a500.86832539.419TotalWeight Comp. Rates IBUTANE2249.3280.3327392.7848022.16E-200.396906 NBUTANE951.1

40、4110.0155520.1260092.47E-2114.22115 IBUTENE7.9488270.0055890.028391.52E-200.010102 1BUTENE963.45610.1306810.7631562.75E-191.153858 C2BUTENE313.41930.2248781.0385479.58E-197.151873 T2BUTENE317.45130.2175361.0737297.99E-193.092051 MA0.000838132.916212.647810.1662470.106716 H2O4.1640680.0085430.0003225

41、00.7022.87E-06 TBA8.08E-051.96E-056.58E-073.04E-1111.95865 DME0.8414390.0014320.0148761.16E-214.07E-07 MTBE7.16E-066.64E-083.00E-083.59E-192501.327出料总计8000.37kg/h设备的物料衡算见附录15.3.2 热量衡算物料平衡计算之后，我们还需要根据各阶段的物料量，进行热平衡计算，热量平衡计算可以为生产过程提供热能的供需量、如换热器的换热面积、热介质或冷介质的消耗量、设备能量消耗等，从而可以求得原材料、燃料和能量的消耗定额，计算成本和经济效益、通过

42、热量或能量平衡计算，可从各个环节找出不合理的消耗，以此作为实现高产、低耗的重要手段。因此，进行热量衡算是工厂规划必要的前提。工艺工程中输入和输出的热量和能量、能量或热量的转换是基于能量守恒定律的。在一个封闭的体系中，各个能量之总和将维持不变，热平衡是以物料平衡为基础的(前面我们已经验证了物料是守恒的)，在连续生产过程中我们以单位时间来计算，把装置或过程中所发生的化学反应的热效应、物理变化的热效应、从外界输入的热量和随反应物、反应产物带出的热量以及设备、器壁散失热量等都考虑在内进行计算。1、化学反应的热效应化学反应中的热效应可以通过与过程有关化合物的生成热和燃烧热来求得，而根据盖斯定律：“不管化

43、学过程是一步完成或分步完成，其过程的热效应是相同的。”因此，我们进行热量衡算的时候可以不必考虑反应的中间过程，而只考虑始末状态。即反应热效应等于生成物与反应物的生成热（生成焓）之差。即：其中：Q化学反应反应热。生成物生成物的生成焓之和。反应物反应物的生成焓之和。2、物理变化的热效应该部分的热效应就等于物理变化前后物流的焓差。3、设备的热负荷在本次流程模拟中各设备的热负荷已由PRO/II计算得出。4、热量散失计算模拟过程中该部分热在简化过程中被忽略不计。综合考虑上述各部分热量，在整个体系中，热量应满足守恒定律，即：输入系统中的能量从系统输出的能量系统中积累的能量，而在本次流程模拟中系统能量的积累

44、等于物料进出焓差，输入输出的能量差都体现于设备的热负荷中，所以有：进出物流焓变设备的热负荷：其中：Q设备的热负荷Hout离开设备的各物料焓之和。Hin进入设备的各物料焓之和。本设计工艺过程的热量衡算书见下：以产品精馏塔T-101为例，其他的见附录2表5.2 产品精馏塔T-101的能量衡算表：设备T-101物流（物流号）进料（6）塔顶出料（7）塔底出料（8）焓值MkJ/hr1.1740.611 0.792热负荷MkJ/hr-3.6163（冷凝器）3.8464（再沸器）H=0.611+0.792-1.174=0.229MkJ/hrQ=3.8464-3.6163=0.2301MkJ/hrW=0MkJ

45、/hrERROR=W+Q-H=0.0011MkJ/h第六章 主要设备选择说明及计算7-13设备计算主要包括典型设备的选型和非标设备的设计两个部分。6.1泵的选型6.1.1 石油，化工装置对泵的要求在工业生产中，典型的泵有：进料泵，回流泵，塔底泵，循环泵，产品泵，注入泵，排污泵，燃料泵，润滑油泵和液封泵，根据不同的工艺要求选择不同型号的泵是很重要的。1.必须满足流量，扬程，压力，温度，汽蚀余量的工艺参数要求。2.必须满足介质特性。a.对输送易燃，易爆，有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如屏蔽泵，磁力驱动泵，隔膜泵等。b.对输送腐蚀性介质的泵，要求过流部件采用耐腐蚀材料。c.对输送含

46、固体颗粒介质的泵，要求过流部件采用耐磨材料，必要时轴封应该采用清洁液体冲洗。3.必须满足现场安装的要求a.对安装在有腐蚀性气体存在的场合的泵，要求采取防大气腐蚀的措施。b.对安装在室外环境温度低于-20以下的泵，要求考虑泵的冷脆现象，采用耐低温材料。c.对安装在爆炸区域的泵，应根据爆炸区域等级，采用防暴电动机。d.对于要求每年一次大检修的工厂，泵的连续运转周期一般不应小于8000h。为适应三年一次大检修的要求，AP1610(第8版)规定石油，重化学和气体工业用泵的运转周期至少为三年。e.泵的设计寿命一般至少为十年AP1610(第8版)规定石油，重化学和气体工业用泵的运转周期至少为20年。f.泵

47、的设计，制造，检验应符合有关标准，规范的规定。g.泵厂应保证泵在电源电压，频率变化范围内的性能。我国供电电压，频率的变化范围为电压 380V 10%,6000V+5%,-7%频率 50Hz0.5%h.确定泵的型号和制造厂时，应综合考虑泵的性能，能耗，可靠性，价格和制造规范等因素。6.1.2 泵的选型计算甲醇原料泵选择DXL型小流量，高扬程化工流程泵。甲醇精馏塔回流泵的流量为1.044，泵放在地面上，输送高度为10.8m,则估算泵的压头为：，选择MPH型流程泵。MPH型流程泵为小流量高扬程流量泵，适用于石油化工、化学工业及其他部门输送石油及其产品，也可用来输送清水和沸水。泵的使用范围：流量0.5

48、7.8，扬程15138m，介质温度20400.选型结果：型号MPH3-30A,流量2.37 ,扬程20m，转速2900r/min,轴功率0.46kw,电机功率2.2kw,电机型号YB90L-2，必需汽蚀余量4m 其它泵的选型的计算过程就不列举，选型结果见设计图表。6.1.3 泵选型表表6.1 泵选型一览表型号流量Q扬程H/m效率/%NPSHr/m轴功率/kw电机泵质量/kg型号功率/kwC4原料泵IH50-32-12512.520512.01.33Y90L-22.244MTBE塔回流泵IH50-32-12512.520512.01.33Y90L-22.244甲醇塔回流泵MPH3-30A2.37

49、204.00.46YB90L-22.2循环水泵MPH1.8-109A1.81092.011.915甲醇原料泵DXL2-60321803.56.62YAg132S2-2116.2 反应器的设计与选型本设计一共使用了两个固定床反应器，主反应器选用热管反应器，反应过程有热量移走，此反应器选用单一的绝热固定床反应器。固定床是固体催化剂颗粒(固相)装填于反应器中,反应物(液相)通过催化剂床层与其接触进行化学反应。甲基叔丁基醚(M TB E)是一种重要的化工原料和汽油辛烷值改进剂, 可由甲醇和混合C4 中的异丁烯为原料, 由强酸性催化剂催化合成。合成MTBE的催化剂有硫酸、离子交换树脂、杂多酸、分子筛等。

50、据不完全统计, 我国有34套MTBE工业装置,生产能力约1.2Mt/a ,主体反应设备大部分是采用离子交换树脂作为催化剂的固定床外循环取热反应器。此类反应器的缺点是: ( 1)由于反应物料的大量返混,催化剂的利用率低; ( 2)物料大量外循环,消耗较高; 由于反应压力较高, 物料输送泵容易发生泄漏,存在安全隐患; ( 3)床层的轴向温度沿物流方向逐渐升高, 不利于提高可逆放热反应转化率。为了克服这些缺点,将“热管技术”与反应器结合,研制了合成MTBE的热管反应器, 并在江苏泰州石油化工总厂20 kt/aMTBE装置的扩能改造中应用。该反应器能将热点温度较好的控制在6065 范围之内。图6.1固

51、定床反应器6.2.1 热管反应器的结构15热管反应器结构示意图见图1,图2为热管反应器的横截面, 图3为一根热管。热管组件埋在树脂催化剂中,热管内充装一定量的低沸点介质, 反应器出入口段筒体的自由空间内填充惰性瓷球。 图6.2 热管反应器示意图 图6.3热管反应器的横截面 图6.4热管反应器的单元结构6.2.2传热和传质分析反应物从进料口进入反应器, 自上而下流过催化剂床层和热管组件。反应产生的热量经热管壁传递给热管内部的介质。处于负压状态下的低沸点介质吸热汽化, 上升到热管的冷端(冷却器) , 经过冷凝后经回流管返回到热管,形成闭路循环,从而带走反应产生的热量。通过调节冷却器的冷却水流量来控

52、制反应器的温度。6.2.3 反应器设计计算过程反应物衡计算：反应原料物衡计算，年产2万吨/年MTBE，假定两反应器中异丁烯的转化率为90%，异丁烯和水副反应的转化率为5%，甲醇反应生成二甲醚的转化率为0.1%。假定原料中异丁烯的物质的量为n在第一个反应器中，醇烯比为1.05有：n（MTBE1）= 剩余甲醇：第二反应器醇烯比为2.5，补充甲醇: 第一反应器剩水为：第二反应器补充甲醇中含水为：第二反应器n（MTBE2）= 总MTBE= n（MTBE1）+ n（MTBE2）=98.865%n= 转化成异丁烯的质量为m=1609.173kg/h,又其质量分数为25%，所以总C4为6436.693kg/

53、h，初甲醇为对应的原料量为补充甲醇为对应的原料量为由PRO/II模拟知第一个反应器生产的MTBE为2275.2956kg/h,催化剂选用 D005系列催化专用大孔强酸性阳离子交换树脂，催化剂溶胀系数取1.8，密度取0.78g/ml。反应器有效体积为，取富裕度为1.2得。反应器直径一般取为8001200mm，在这里我们取d=1m，得高h=8m第二个反应器，由于反应量较少，取d=0.8m，反应器有效体积为 计算的h=1.4m6.2.4 反应器的组合参数根据反应器操作压力我们选择壳体材质为Q235A碳素钢材料，公称压力为1Mpa，表6.2 反应器参数公称压力Mpa公称直径mm圆筒壁厚mm质量kg/m第一反应器1.010008199第二反应器1.08006119根据以上数据对封头进行选型有：表6.3 反应