万吨年MTBE装置项目设计

1、目录目录1第1章 总论1参考文献4第2章 工艺流程设计5参考文献17第3章 物料衡算183.2 主要设备的物料衡算183.3 全装置物料衡算283.4 操作条件汇总283.5 全装置工艺物料平衡图PFD绘制283.6 物料衡算结果汇总及小结28参考文献29第4章 热量衡算304.1 热量衡算概述304.2 主要设备热量衡算304.3 全装置热量衡算344.5 热量合理利用方案354.6 热量衡算分析小结35参考文献35第5章 设备工艺计算与选型365.1 设备工艺设计概述365.2 反应器设计375.3 精馏塔设计405.4 换热器计算及选型505.5 容器设计535.7 各类设备规格表和设备

2、一览表58参考文献61第6章 原材料、动力消耗定额及消耗量626.1 原料消耗626.2 动力消耗62第7章 自动控制647.1 典型设备自动控制方案概述647.2 反应器的自控647.3 精馏塔的自控657.4 换热器的自控687.5 容器的自控697.6 机泵的自控69参考文献70第8章 车间及设备布置设计718.1 设计依据718.2 设计范围718.3 车间平面布置方案718.4 设备布置原则2728.5 典型设备布置方案3-4728.6 车间及设备平立面布置图绘制738.7 车间设备布置小结74参考文献74第9章 设计总结759.1 本设计的优点759.2 本设计的缺点759.3 收

3、获体会759.4 教学建议和意见75致谢76第1章 总论1.1 项目概况项目性质：5.6万吨/年MTBE装置项目设计。项目简介：本项目为年产5.6万吨MTBE装置设计，采用上游气体分馏装置的C4组分及外购甲醇经过反应系统和分离系统进行转化。分离主产品MTBE纯度98.0 wt%，同时得到未反应C4馏分。本设计采用催化蒸馏技术，以大孔径强酸性阳离子交换树脂为催化剂，异丁烯转化率较高。该反应是放热反应，较低的反应温度既有利于提高异丁烯平衡转化率，又有利于抑制副反应。该装置具有流程简单、转化率高、选择性好、投资省、能耗低等优点。产品名称：MTBE产品规格：MTBE 98.0 wt%生产规模：5.6万

4、吨年 市场需求：随着国家对环境保护的日趋重视,目前我国大部分城市禁止销售加铅汽油。采用甲基叔丁基醚(methyl tertiary-butyl ether,简称MTBE)作为汽油添加剂，因其能与汽油很好地互溶、可以提高汽油辛烷值和汽油燃烧效率、减少CO和其他有害物质（如臭氧、苯、丁二烯等）的排放等优点，在我国得以推广应用1。因此研究合成甲基叔丁基醚的各种工艺技术, 开发其新的应用领域,仍具有重要价值。1.2 设计依据（1）可行性报告（2）化工工程设计相关规定（3）国家经济、建筑环保等相关政策1.3 设计原则本设计遵循安全、规范、经济、环保的设计原则。设计依据以下化工规范：化工企业总图管理规定

5、原化工部文件化工企业总图运输技术规定 HG/T20649-98建筑设计防火规范 GBJ16-87(2001版)厂矿道路设计规范 GBJ22-87工业企业总平面设计规范 GB50187-93化工管道设计规范 HG/T20695-87化工设备管道外防腐设计规定 HG/T20679-90化工工厂总图运输施工图设计文件编制深度规定 HG/T20561-941.4 设计内容本设计内容包括年产5.6万吨MTBE/年装置的工艺流程设计、设备工艺计算与选型、自动控制方案设计、工厂车间平面布局设计、设备平立面布置设计具体包括：具体过程包括：1、查阅文献，了解设计内容，确定设计基础数据，完成文献综述；2、生产方案

6、确定及工艺流程设计，绘制工艺原则流程图；3、主要设备及全装置的物料衡算，列出物料平衡表等表格，绘制PFD；4、主要设备及全装置的热量衡算（包括热负荷及介质用量的计算与汇总），列出热量平衡表等表格；5、主要设备的工艺计算与选型，列出各类设备规格表及设备一览表；6、确定自控方案，绘制工艺管道及仪表流程图（PID）；7、进行车间及设备布置设计，绘制车间平面布置图及设备平、立面布置图；8、设计总结，编写初步设计说明书。1.5 建设规模及产品方案本装置设计规模是MTBE年产量5.6万吨。原料采用上游气体分馏装置的C4组分及外购甲醇，通过催化蒸馏技术得到主产品MTBE,副产品未反应C4馏分按照要求进液化气

7、罐区或进其它装1.6 厂址选择本项目所在厂址位于齐鲁炼油厂，具备以下良好条件：甲醇原料供应充足，可集团内部供应，无需外购，节约原料成本；厂区位置的土地不占用耕地、军事基地等；工程地质条件很好，地貌相对平整，有利于控制土建工程成本；水文地质条件较好，项目所需的工业用水和生活用水可以得到保证；交通运输的基础设施条件很好，需要建设的连接厂区与规划区道路很短；厂区内电力供应充足，保障工业生产的需要；厂址距目标市场相对较近，可以有效地控制产品运输成本；项目的建设一方面将获得国家西部开发的方针、政策的指导和鼓励，同时有优惠政策；另一方面，有有利于推动西部开发工作在陕西地区的良好实施，是一个理想的建厂环境。

8、齐鲁石化炼油厂位于山东省淄博市城郊，始建于1966年.目前已发展成为以850万吨年原油加工能力和45万吨年乙烯工程为龙头，能够生产120多种石化产品的特大型石油化工联合企业，是我国主要的原油加工基地和塑料、化肥、合成橡胶、烧碱及沥青生产基地之一。公司秉承“发展企业、贡献国家、回报股东、服务社会、造福员工”的企业宗旨，以“企业发展、职工幸福”为最高追求，持续强化内部管理，积极开展节能减排，努力创建资源节约型和环境友好型企业，较好地履行了国有企业的经济责任、政治责任和社会责任。先后荣获全国科技进步百强企业、全国企业管理“金马奖”、全国“五一”劳动奖状、全国财会工作先进集体、全国资源综合利用先进单位

9、、全国厂务公开先进集体、全国思想政治工作优秀企业等数十项荣誉称号。1.7 能量利用及环境保护1.7.1 节能在我国资源形式相当严峻的现状下，对于化工企业来说，必须充分认识节约的重要意义。本设计从节约能源的角度出发，针对工艺过程特点，对原料资源、工艺流程、操作条件、采暖、通风及空调方案等进行系统节能优化，采用节能工艺技术，从而不仅达到减少无效需求的目的，更可以减轻能源压力，降低成本，取得巨大的经济效益、社会效益和环境效益。本装置根据中华人民共和国水法等法律标准，将工艺生产过程设计与节能设施综合考虑，选用先进、成熟、可靠的节能新工艺、新技术、新设备及环境友好吸收剂，以提高工艺过程中能源的转换和利用

10、效率，减少能源消耗。并对工艺流程、操作条件和自控方案应进行系统节能优化，并选用节能型设备；节能措施的采用应考虑投资效益。具体能量优化见第四章。1.7.2 节水可以通过以下途径节水：（1）加强节水宣传力度，提高全员节水意识和水资源的忧患意识。（2）制定切实可定的节水措施和管理制度。（3）加大科技投入，推进技术进步，提高节水的科技水平。（4）对现有设施进行节水改造，如减少水冷。（5）推广污水回用技术，实现污水资源化，降低新鲜水用量。1.7.3 执行的环境质量标准及排放标准拟建集成工厂应执行国家规定的环境质量标准和污染物排放标准：（1） 工业企业设计卫生标准 TJ36-1979，GBZ1-2002（

11、2）工业粉尘排放标准执行 GB16297-1996（3）工业企业厂界噪声标准执行 GB12348-1990（4） 污水综合排放标准执行 GB8978-1996（5）大气污染物综合排放标准 GB16297-1996（6） 危险废物焚烧污染控制标准 GB18484-20011.7.4 主要污染物、污染源分析以及处理（1）废水本装置精馏塔底会有大量含有少量乙醇的废水产生，该废水经过简单处理后可以作为原料水或吸收水循环使用。罐区和装置区的初期雨水通过相应区域的围堰和收集闸门收集至装置和罐区附近建设的收集池收集后泵送总厂废水处理站处理；检修期间设施清洗废水则同样依托初期雨水收集池汇集；本项目建设同时将建

12、设应急废水池，具体池容及相关要求将根据项目环境影响评价文件及批复要求实施，突发性事故时的消防废水则汇集至该池，最终通过泵送总厂污水处理设施达标处理。（2）废气正常生产状况下，本装置不会有废气的出现。个别情况下可能会出现一些跑冒滴漏。总体来看，本装置的废气量极少。1.7.5 厂区绿化绿化植物可以对保护环境起着多种作用，是防止环境污染的一项重要措施，它可以调节和改善小区域的气候、净化空气中的有毒有害气体，防止粉尘扩散和迁移、净化污水、减弱噪声、吸收放射性物质、减少细菌、美化环境等。因此，大力开展植树绿化对防止污染，保护环境，改善劳动和居住条件，确保人民健康、增强经济收益和社会效益都有一定的意义。因

13、此在厂区范围内，我们采用的植物主要以绿色木本植物为主，环厂区种植。同时为兼顾绿化植物品种的多样性，在厂区内我们也设有花坛，花圃种植易成活花草。这些植物既能净化空气，吸收一部分有毒有害气体，降低空气酸性，减少噪音，提高了空气质量，另一方面又起到美化环境、怡人心情的作用。1.8 存在问题及建议本设计存在的主要问题是要保证原料C4馏分的供应，因此，厂区选址时应考虑原料来源，或者与炼厂结合生产,以减少原料成本费用，提高经济性。参考文献1米镇涛.化学工艺学.北京：化学工业出版社，2005:141142.2陈声宗.化工设计.北京：化学工业出版社，2000:2063陈静，马殿涛。乙苯装置环境风险评价与危险分

14、析.山东淄博：中国石化齐鲁分公司，2009.第2章 工艺流程设计2.1 生产方案选择产品性质及规格标准1、MTBE主要理化数据表2-1列举了MTBE的主要理化数据。表2-1 MTBE的理化数据1沸点，°C55.2比热容，J/(g·K)2.135熔点，°C-108.6蒸发热，kJ/mol30.10密度，kg/m3-3371.21(液)20°C740.6-3401.31(气)25°C735.3 313.76(液)临界温度，°C223.9 -283.36(气)临界压力，kpa3430 -120.04(液)折光率 -117.23(气)20&#

15、176;C1.3690 265.48(液)25°C1.3663 358.06(气)表面张力，N/m31.94研究法辛烷值117在水中溶解度（20°C）4.3马达法辛烷值1012、化学安定性由于MTBE特殊的化学结构，使其具有良好的化学安定性。MTBE经52个月的储存没有发现过氧化物生成，安定性远优于甲基叔戊基醚和催化裂化汽油，结果见表2-2。因此，可以认为在汽油中加入MTBE可提高汽油的安全性。表2-2 MTBE贮存安定性比较2物名贮存月数生成过氧化物量，ppm1452MTBE000甲基叔戊基醚0049催化裂化汽油6466035-3、MTBE的毒性（1）我国在开发MTBE技

16、术的初期，委托北京医科大学公共卫生教研室进行了MTBE的毒性试验，以含MTBE15% 的汽油为试验物料吸毒2小时进行了小白鼠的半致死量LC50试验，试验证明3:含15%MTBE汽油的半致死量LC50为26800mg/kg对比的宽馏分重整汽油的半致死量LC50为39000mg/kg国家规定:吸毒2小时LC50<5001-50000mg/kg为低毒。(2)含15%MTBE的汽油对家兔的皮肤未见明显的刺激作用。白家兔的皮肤很细嫩，很敏感，对白家兔皮肤没有刺激作用，对人的皮肤也就不会有太大的影响。(3)化学品有无致癌作用是人们很关心的问题。用含15%MTBE的汽油进行代谢作用，试验证明含15My

17、0cTBE的汽油加入体内进行生化转化，因转化而有致癌作用的实验为阴性。以上试验及我国使用MTBE汽油十余年来的经验说明MTBE的毒性不大，是低毒品。据报道国外也进行了MTBE对健康影响的大量研究工作，也未得出阳性结论，因此才促进MTBE在世界上的快速发展，用以生产清洁燃料以减少汽车尾气对环境的污染。4、MTBE的规格标准MTBE本装置的产品为MTBE，其纯度98.0 wt%。副产品为未反应C4馏分： 甲醇含量 100 g/gMTBE含量 100 g/g5、MTBE的应用1)作为汽油添加剂甲基叔丁基醚主要用于辛烷值汽油改进。它的化学性质稳定,抗爆炸性能也很稳定,在空气中不易生成过氧化物。含氧量相

18、对较高,可以改善汽车尾气排放,降低尾气中的一氧化碳含量。燃烧效率高, 可以抑制臭氧的生成。同时减少了苯、丁二烯等的排放,降低对人体健康的危害.而且，它可以和汽油以任意比例互溶而不发生分层现象,与直馏汽油，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。在汽油中加入少量的MTBE，就能使汽油辛烷值有较大的增加。如表2-3所示。表2-3 MTBE在不同组分汽油中的调和辛烷值4油样调和辛烷值MTBE加入量，%（体）5101520直馏汽油MONRON(M+R)/2106136121110143126.5114136125115133124烷基化汽油MONRON(

19、M+R)/2112120116108130119109130119.5108130119催化裂化汽油MONRON(M+R)/2103138120.5102121111.5106121113.5103119111宽馏分重整汽油MONRON(M+R)/298137117.51011271141021231512.102123112.52)裂解制取异丁烯异丁烯是在化工中的应用非常广泛, 是一种重要的化工原料，目前主要来自蒸汽裂解和催化裂化得到的C4馏分。以异丁烯为原料可生产很多种化工产品，由于化工产品的种类不同，对原料异丁烯纯度要求也不同。例如，生产丁基橡胶，聚异丁烯、叔丁基苯、叔丁胺等化工产品所需

20、的异丁烯原料，要求异丁烯含量大于99%。若从混合C4馏分中得到高纯度异丁烯，通常需通过繁杂的分离流程来实现。工业上常用的方法有硫酸萃取法，分子筛吸附分离法和叔丁醇脱水法。近年来又开发了MTBE裂解制得高纯度异丁烯的方法，利用甲基叔丁基醚生产纯度高的异丁烯, 具有无污染、无腐蚀、产品纯度高、流程转化效率高、装置独立性强等特点。进而产生附加值高的一系列下游产品, 可以缓解禁用甲基叔丁基醚带来的危机。裂解甲基叔丁基醚生产异丁烯,在适当的酸性催化剂作用下, 甲基叔丁基醚可以产出异丁烯和甲醇。经冷却、吸收、回收、精馏后,就可以得到高纯度的异丁烯。3) 作为反应溶剂和试剂难于过氧化的MTBE在作为反应溶剂

21、、萃取剂和色谱液等方面具有多种用途。(1)用作反应溶剂 在苯酚、多聚甲醛和二烷基胺经过 Mnanich 反应制备邻二烷氨基苯酚中，MTBE用作溶剂。(2)用作反应试剂MTBE可作为反应试剂，生产许多重要的化工产品。例如:异戊烯的制备MTBE在300-450温度下，在Al-Mo催化剂和惰性稀释剂存在下分解形成异戊烯。MTBE的羰基化MTBE与CO在HF-H2O催化剂存在下反应生成甲基醋酸三甲酯。甲基丙烯基衍生物的制备 MTBE经氨氧化可制备甲基丙烯基衍生物。异戊二烯的制备MTBE在230-280下，可以空气氧化制备异戊二烯，催化剂为载在SiO2上的Mo、V、W。N-叔丁基酰胺的制备 苯甲腈和MT

22、BE在H2SO4和醋酸的混合物存在下反应，可得到a-苯甲酮-N-叔丁基酰胺。原料路线确定原则和依据1、企业开发产品的选择原则：（1）效率优先原则。企业的市场竞争反映到产品上就是产品开发的速度竞争。（2）效率实现原则。企业所以要开发新品，其目的是通过市场的承认和接纳实现自己的效益增加。而企业产品效益的实现，一是扩大销量以收回产品开发成本；二是在产品开发过程中尽量降低产品开发成本。（3）市场需求原则。没有市场需求的产品无疑是没有开发价值的，但是否有市场需求的产品就一定有开发价值呢?对此需作具体分析。（4）自我估计原则。企业选择怎样的产品开发路线与企业的自我估计有着密切的关系。产品自然要努力开发，不

23、是量力而为，而是应当尽力而为。这就有一个本身“力”的估计。诸如生产能力、设计能力、投资能力、市场应变能力、经济实力、竞争能力等等。选择生产路线也就是选择生产方法，这一步是决定设计质量的关键，必须认真对待。如果某产品只有一种生产方法，就无须选择；若有几种不同的生产方法，就应逐个进行分析研究，通过各方面比较，从中筛选一个最好的方法，作为下一步工艺流程设计的依据。由于我们接触到的大多数是已有生产路线的工艺流程设计，因此，本节只对上述内容作简要介绍。2、生产方法和工艺流程选择的原则在选择生产方法和工艺流程时，应考虑以下一些原则。（1）先进性先进性主要指技术上的先进和经济上的合理可行，具体包括基建投资、

24、产品成本、消耗定额和劳动生产率等方面的内容，应选择物料损耗小、循环量少，能量消耗少和回收利用好的生产方法。（2）可靠性可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。如果采用的技术不成熟，就会影响工厂正常生产，甚至不能投产，造成极大的浪费。因此，对于尚在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应慎重对待。要防止只考虑新的一面，而忽视不成熟、不稳妥的一面。应坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产厂当作试验工厂来进行设计。另外，对生产工艺流程的改革也应采取积极而又慎重的态度，不能有侥幸心理。（3）结合国情中国是一个发展中的社会主义国家。在进行工厂设计时，不能单纯从技术观点考虑问题，应从中国的具体情况

25、出发考虑各种具体问题。上述三项原则必须在技术路线和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。一种技术的应用有长处，也有短处。设计人员必须采取全面分析对比的方法，并根据建设项目的具体要求，选择其中不仅对现在有利，而且对将来也有利的工艺技术，竭力发挥有利的一面，设法减少不利的因素。比较时要仔细领会设计任务书提出的各项原则要求，要对收集到的资料进行加工整理，提炼出能够反映本质的、突出主要优缺点的数据材料，作为比较的依据。要经过全面分析、反复对比后选出优点较多、符合国情、切实可行的技术路线和工艺流程。总的目标是使未来的化工厂的产品质量、生产成本以及建厂难易等主要指标达到比较理想的水平。3、生产方法和工艺流程确

26、定的步骤确定生产方法，选择工艺流程一般要经过三个阶段。（1）搜集资料，调查研究这是确定生产方法和选择工艺流程的准备阶段。在此阶段，要根据建设项目的产品方案及生产规模，有计划、有目的地搜集国内外同类型生产厂的有关资料，包括技术路线特点、工艺参数、原材料和公用工程单耗、产品质量、三废治理以及各种技术路线的发展情况与动向等技术经济资料。掌握国内外化工技术经济的资料，仅靠设计人员自己搜集是不够的，还应取得技术信息部门的配合，有时还要向咨询部门提出咨询。（2）落实设备设备是完成生产过程的重要条件，是确定技术路线和工艺流程时必然要涉及到的因素。在搜集资料过程中，必须对设备予以足够重视。对各种生产方法中所用

27、的设备，分清国内已有定型产品的、需要进口的及国内需重新设计制造的三种类型，并对设计制造单位的技术力量、加工条件、材料供应及设计、制造的进度加以了解。（3）全面对比全面分析对比的内容很多，主要比较下列几项：几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；产品的质量情况；生产能力及产品规格；原材料、能量消耗情况；建设费用及产品成本；三废的产生及治理情况；其他特殊情况。2.1.3 工艺技术方案比较和选择理由1、反应原理MTBE是在树脂催化剂作用下, 由混合C4 中的异丁烯与甲醇反应而得, 其反应式为:该反应是可逆放热平衡反应, 在生产允许的操作条件下, 异丁烯的最大转化率为96% 左右。通常生产厂控制在9

28、0%94%之间。该化学反应的选择性很高,混合C4 中正丁烯几乎不与甲醇反应。因此C4 中的正丁烯含量基本上保持不变。采用适当的工艺流程, 可使异丁烯的转化率达99.5%以上, 即将异丁烯从C4中脱除, 再经分离可得高纯度正丁烯。醚化的产品MTBE在适当的条件下可分解得到纯的异丁烯。由此可得到两个宝贵的C4 烯烃,大大提高了C4烯烃的综合利用价值。2、MTBE制造工艺分类及特性一般讲, MTBE制造工艺分两种: 一种是其生产目的是为了获得MTBE,用于汽油调合, 要求异丁烯的转化率在90% 左右。这种制造工艺称为一般工艺或称为炼油型工艺; 另一种生产目的是为了利用醚后剩余C4,作化工原料用,要求

29、异丁烯转化率在99.5%以上。这种工艺称为深度转化工艺或称为化工型工艺。1) MTBE一般制造工艺这种工艺目的只要求生产合格的MTBE产品。其工艺流程相对简单, 投资、能耗和成本要力求合理,其流程如图2-1。该工艺的特点只设一级反应器, 一个共沸蒸馏塔, 一个水洗塔和一个甲醇回收塔。其中醚化反应器可以是列管式、筒式外循环式、膨胀床或混相床。如采用筒式反应器或膨胀床反应器,在该反应器后需再串联一个绝热床反应器, 才能使异丁烯的转化率达90%94% 。如果使用混相床反应器, 不用串联绝热床, 即可使异丁烯转化率达90%94%。图2-1 MTBE一般制造工艺流程图2) 深度转换工艺MTBE深度转化工

30、艺, 要求异丁烯转化率大于99.5% ,其工艺流程见图2-2。图2-2 MTBE深度转化工艺流程图由图2-2可见, 该工艺设二级反应器, 两个共沸蒸馏塔, 其目的是使异丁烯深度转化。MTBE合成反应是可逆平衡反应, 一级反应转化率达93%左右, 经分离出MT BE 后的醚后C4 中的异丁烯再经二级醚化反应器, 再转化其中异丁烯的93%左右, 则总转化率可达99.5%以上。由于有两个共沸蒸馏塔, 能耗相对增加45%左右。与MTBE一般工艺( 如图1) 相比, 该工艺流程长、投资多、能耗高。但是该工艺的目的产物更注重在醚后剩余C4 中仅含微量的异丁烯, 用来制取高纯度的正丁烯。从这点出发, 用MT

31、 BE 深度转化工艺脱除异丁烯和其它分离异丁烯工艺技术相比, 还是最经济合理的。因此国内外有很多套这类的工业装置。我国已有5 套这种MTBE工艺装置建成投产。3) 催化蒸馏工艺催化蒸馏工艺合成MTBE是当前最新的技术。它既能达到异丁烯的深度转化, 又具有工艺流程短、投资省、能耗低的优点, 其工艺流程见图2-3。图2-3 催化蒸馏工艺流程图由图2-3可见, 其工艺流程与图1-1一般工艺流程相似。不同的是图1-1的共沸蒸馏塔改成催化蒸馏塔。催化蒸馏塔除了能完成共沸蒸馏塔的产品分离性能外, 同时它还具备使未反应的异丁烯进一步深度转化的反应性能。催化蒸馏深度转化工艺能使异丁烯的总转化率达99.5%以上

32、。图2-3催化蒸馏深度转化工艺与图2-2深度转化工艺相比较, 技术指标相同, 但工艺流程明显简短,投资明显节省,能耗明显降低。3、国外的生产技术状况国外MTBE生产工艺较有代表性的有:意大利斯纳姆、普罗盖蒂/阿尼克工艺、法国石油研究院工FP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50-60，用冷却水控制反应温度，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，该工艺的异丁烯转化率约为97-98%，产品MTBE的纯度大于99%(重)。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，即采用两个

33、串联的管式反应器。西德赫斯(HULS)工艺是该工艺的代表。2）法国石油研究院(IFP)工艺该工艺于七十年代由法国石油研究院开发，并于1980年在法国建设了一套装置。该工艺用含异丁烯的蒸汽裂解和催化裂化的C4馏分作原料，主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DCTECH公司催化蒸馏工艺由chemical Research & Licensing公司和ABB Lummus Crest公司创立的DCTEHC公司开发了催化蒸馏MTBE制造技术，把

34、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表2-4。国外MTBE主要生产厂工艺特点见表2-5。表2-4 生产MTBE的几种方法的消耗定额（以每吨MTBE计）6指标SNAMIFP催化精馏联合工艺甲醇/kg

35、316379361C4/t4.4340.747C4/m ³7.667C4中异丁烯含量/%1515 17催化剂/美元0.50.555.032水/ m ³60618712.24电/(kW·h)18111436.72蒸汽/t11.21.51.63.14异丁烯转化率/%9798999390.5MTBE纯度/%>999599>93表2-5 国外MTBE主要生产厂工艺特点6生产工艺原料工艺特点ARCO Chem.Co混合C4液流，甲醇可靠的有弹性的优化工艺，已工业生产20多年EdeleanuC4抽余液，甲醇异丁烯与甲醇催化加成反应Huels AG含异丁烯液流，甲醇

36、液相催化合成，选择性高，能量有效利用Philips Petroleum.Co异丁烯，甲醇离子交换树脂反应，中等反应条件，MTBE产率99%Stone&Web/ARCO Chem.Co丁二烯装置抽余液，甲醇使用原料广泛，投资和操作费低CR&L Neochem FCC异丁烯，甲醇固定床，离子交换树脂催化，连续反应，能耗低UOPFCC C4，蒸汽裂解或脱氢，甲醇Ethermax工艺，催化反应蒸馏，转化率 99%Davy Inter异丁烯，甲醇丁烷异构化脱氢，固定床离子交换树脂醚化IFPFCC或蒸汽裂解异丁烷，甲醇液相反应，离子交换树脂催化Mafki异丁烯（10%-50%）甲醇液相反应

37、，硫酸催化SnamprogettiFCC或蒸汽裂解异丁烷，甲醇液相反应，离子交换树脂催化住友化学异丁烯，甲醇收率高，适于丁烷馏分分离Sun OilFCC C4 ，甲醇固定床，液相，循环甲醇用水抽提4、选择工艺方案及理由传统的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。催化精馏技术的特点是反应和分离同时在一个设备内进行，从而改变了传统的反应后蒸馏的工艺。由于此技术利用蒸馏作用及时把反应产物移出，反应进行更为彻底。另外，由于蒸馏时存在着汽液平衡，在此条件催化反应所产生的反应热正好用于液相汽化，避免了一般反应器中难

38、于解决的散热问题，同时还节省能量，并大大简化工艺流程，降低投资。因此该技术很快得到推广。在反应精馏中，一种均相催化剂引入精馏塔中，并假设反应发生在所有塔盘上，事实上也是如此。在催化蒸馏中，假定反应仅发生在催化剂表面上，由于产品连续从反应区域中移去，改善了受平衡限制的反应收率。将化学反应和精馏合并在一个塔中，有利于反应朝生成物方向移动，因此增加了收率，减少或取消了后面的回收过程。另外，催化精馏技术在降低投资和操作费用方面也具有优越性。2.1.4 操作条件的确定本设计采用催化蒸馏法制备MTBE。1、反应工艺条件：催化蒸馏混相反应反应温度：反应压力：0.7MPa体积空速：2.5 h-1n(甲醇)n(

39、异丁烯) =1.08:1催化剂：D005阳离子交换树脂2、工艺参数的影响分析91）反应温度在甲醇与异丁烯合成MTBE的反应中，主副反应主要有以下几个：主反应：副反应：在醚化反应过程中反应温度是非常重要的。在一定的异丁烯浓度和醇烯比下，反应温度的高低，不仅影响异丁烯的转化率，而且也影响生成MTBE的选择性，催化剂的寿命和反应速度。据有关研究数据表明，主副反应的液相反应平衡常数情况如表2-6所示1。由表2可以看出，主副反应均为放热反应，因此降低温度有利于反应的进行。同时必须及时撤走反应放出热量，以便使反应过程始终处于动力学控制之下，使反应平衡转化率不断提高。这表明：二聚反应较其它3个反应容易进行，

40、因而受温度影响不大；低温反应，主反应占有一定优势，因此为了提高异丁烯转化率，延长催化剂寿命，减少第3、第4副反应，提高选择性，应采取较低反应温度。在低温时反应速度慢，反应转化率由动力学控制，随着反应温度增加，平衡转化率下降，反应速度增加，达到平衡时所需时间缩短，因此在高温时，反应转化率受热力学控制。温度越高，反应速度越快。但异丁烯与甲醇在催化剂作用下的反应是一个可逆放热反应，温度越高，平衡转化率越低，过高的反应温度对转化率不利1。表2-7是不同温度下的异丁烯极大转化率。装置所用的催化剂是强酸性阳离子交换树脂，它的活性和树脂交换容量成比例，交换容量越高，反应活性越高，反之亦然。通常原料都含有或多

41、或少的金属离子（正常时质量分数1×1062×106），这些金属离子与催化剂接触后，把催化剂的活性中心氢离子置换出来，引起催化剂失活，所以催化剂随着使用时间的延长，它的活性越来越低，催化剂活性的降低就需要反应温度逐步提高来弥补。表2-6 主副反应液相反应平衡常数项目25405060708090K1（主反应）17280.554.336.424.817.412.3K2（二聚反应）×10325165.728.813.36.43.221.68K3（叔丁醇反应）15.47.815.23.52.41.71.2表2-7 不同温度下的异丁烯极大转化率温度/506065708090转

42、化率%96.895.895.294.693.191.4对工业反应器来说，新装、中期、后期和末期催化剂较好的反应温度分别是:6065,6570，7075和7580。2）压力反应压力对反应转化率、选择性影响不大，只要保持物料在液相反应状态，一般在0.5-1.3Mpa.3）醇烯比在醚化反应过程中，醇烯比的高低对异丁烯的转化率是至关重要的。甲醇和异丁烯合成MTBE是一个体积减少的可逆反应，增加一种原料用量，可以提高另一种原料的转化率。我们对甲醇配比进行了调整试验并应用于大生产。实际表明，当甲醇过量时，可使异丁烯的转化率增加，同时可使副反应异丁烯二聚物、多聚物的生成量大大降低。当醇烯比很低时，异丁烯的聚

43、合反应很激烈，常常出现较高的温升，会导致床层超温，导致催化剂烧坏。因此实际操作中，床层温度的上下变化，可表明二聚反应增加及醇烯比减少。在装置开停车时，也必须保证甲醇过量以保护床去催化剂。实际生产中醇烯比必须控制大于1.05。然而，醇烯比并非愈高愈好，必须控制在适当值内，否则将会增加产品分离部分设备的负荷与操作费用。4）空速反应空速与催化剂性能、原料中异丁烯浓度、要求达到的异丁烯转化率、反应温度因素有关。5）原料中的含水量及杂质原料碳四或甲醇的含水量，直接影响产品MTBE中叔丁醇的含量。在一定的醇烯比、反应温度等条件下，叔丁醇的多少主要与原料含水量有关，严格控制原料碳四及甲醇中的水特别是回收甲醇

44、的浓度（即含水量），也是确保MTBE质量的一个重要手段。生产实践中，为加强MTBE原料罐的脱水效果，一方面控制原料罐液面在5565之间，另一方面加强了对原料罐脱水器的监控，及时排水；其二是控制回收甲醇中存在少量水。原料中C5含量过高也会影响MTBE产品的纯度。由于C5组分较重，正常操作将会随MTBE从催化蒸馏塔底带走。另外C5中杂质含量较高，容易引起催化剂中毒，直接影响催化剂的寿命。装置所用强酸阳离子交换树脂催化剂中的H会被金属离子所置换而使催化剂失活，因此要求进入反应器的原料中金属阳离子含量小于1mg/kg。6）催化剂活性与寿命催化剂的活性、选择性、耐高温性、强度等直接影响到异丁烯的转化率及

45、整个装置的经济效益。2.2 工艺流程设计反应原理低温下可有效抑制副反应的发生，因此本设计主要考虑的反应有：异丁烯+甲醇 甲基叔丁基醚 该反应是可逆放热反应，反应热H=-37kJ/mol。装置工艺原则流程图图2-4 MTBE装置工艺原则流程图工艺流程简述工艺流程如下：装置包括反应部分和甲醇回收部分。反应部分包括原料预处理和醚化反应；甲醇回收部分由MTBE精馏塔、甲醇萃取塔、甲醇回收塔三塔组成，回收未反应的甲醇并生产出符合产品规格的MTBE。（1）反应部分从罐区来的原料甲醇经甲醇进料泵（P101A/B）进行初步加压与来自上游气体分馏装置的C4组分混合经反应进料泵（P102A/B）、原料换热器E20

46、1、原料预热器E102加压、升温至0.7Mpa、55°C后进入第一、二反应器R201、R202进行反应。反应器采用绝热式反应器，在醚化反应过程中反应温度非常重要，因此为防止温度大幅度变化，采取固定床中间取热反应器进行中间取热。（2）甲醇回收部分由反应器出来的反应物经泵P201A/B泵到反应精馏塔T202，在T202操作条件下，甲醇与未反应的C4形成低沸点共沸物从塔顶馏出，馏出物经T202塔顶冷凝器冷凝，凝液一部分作为T202回流打回顶部，一部分经冷却器E203冷却至35°C后进入甲醇萃取塔T203。T202塔底得到符合产品规格的MTBE，该物流依靠塔压压出，经MTBE产品冷

47、却器E102冷却至40°C左右后，送往装置外MTBE产品罐贮存。由冷却器E203出来的甲醇与C4共沸物无法再用蒸馏方法进行分离，因此进入甲醇萃取塔T203，与能和水完全互溶但与C4基本不互溶的水为逆向接触,塔顶得到满足产品规格的副产品，塔底含甲醇的水的进入甲醇回收塔，以精馏的方式分离出水和甲醇；塔顶气相甲醇冷却进入回流罐后，部分甲醇经回流泵打回流，另一部分甲醇产品进入原料甲醇中回收。塔底冷却水排出装置外。参考文献1 丁洪杉.MTBE催化蒸馏技术的开发和应用.天津大学.化学工程.2 杭道耐,赵福龙.甲基叔丁基醚生产和应用.中国石化出版社.3 王进善.MTBE毒性研究.MTBE与轻烃加工

48、，1998，2：20224 张倩,段会宗,曹守凯.甲基叔丁基醚生产技术概况.山东化工，2002,31（4）：1415.5 中国MTBE产业分析报告，北京经纬万方信息咨询有限公司.6 张倩,段会宗,曹守凯.甲基叔丁基醚生产技术概况.山东化工，2002,31（4）：1517.7 郝兴仁.MTBE生产技术.MTBE与轻烃加工，1995，1：2126.8 于宗凯.CDTECH公司MTBE催化蒸馏工艺.石油技术，14(6)：1518.9 张林平.混相反应-催化蒸馏工艺生产MTBE的质量控制.化学工程与装备，2012, (8)：6871.第3章 物料衡算3.1 物料衡算概述物料衡算作用物料衡算就是根据质量

49、守恒定律，来确定原料和产品间的定量关系，从而可以计算出原料和辅助材料的用量、各种中间产品、副产品、成品的产量和规格以及三废的排放量。物料衡算是进行化工工艺设计和设备设计的基础，在完成物料衡算的基础上才能进行能量衡算，从而进行工艺方案的比选，指导定型设备和仪表的选型、非定型设备的工艺计算和管路尺寸计算，完成化工过程的PFD和PID的设计。另外，通过物料衡算还可以分析实际生产过程的完善程度，从而找出改造措施来改进工艺流程，达到提高成品率、减少副产品和减少三废排放量等目的。物料衡算内容本工艺采取年开工8400h的连续操作，物料衡算的主要 内容是：1、确定生产MTBE实际产量以及质量指标、规格。2、确

50、定原材料的消耗定额以及转化率。3、确定工艺中的“三废”排放量等公共经济指标。4、各主要单元过程的物料衡算，并指导工艺设备的尺寸确定。5、汇总全流程物料衡算，数据用于完成物料流程图等后续设计任务。具体物料衡算见附录物料衡算表。3.2 主要设备的物料衡算3.2.1 反应器R201和R202物料衡算进反应器的原料为甲醇和上游C4组分混合物，在反应器内反应后，出反应器的产品有目的产物MTBE、未反应的C4组分以及甲醇。反应器物料衡算图见图3-1。图3-1 反应器R201和R202物料衡算图通过Aspen软件模拟获得反应器物料衡算的各项数据，利用Excel做出衡算表格，见表3-1。表3-1 反应器R20

51、1和R202物料衡算表流股12组分相对分子 质量反应原料反应产物质量流率 （kg/h）质量分数质量流率 （kg/h）质量分数丙烷44.1011.920.00065111.920.00065107正丁烷58.12 3233.110.176597943233.110270.17659794异丁烷58.12 2378.660.129926622378.66354 0.1299正丁烯56.111768.750.096612381768.754950.09661238异丁烯56.114508.240.2462477935.30967950.00192867顺丁烯56.111747.880.0954720

52、91747.878810.09547209反丁烯56.111463.620.079945481463.62170.07994548异戊烷72.15149.150.00814674149.1485250.00814674MTBE88.150.000.0000 6938.700.37900327叔丁醇740016.20714140.00088526DIB112.220044.16499420.00241236甲醇32.043042.340.16617779520.1444910.02841117水18.024.070.000222070.126645266.9176e-06合计18307.751.000018307.74631.0000续表3-1流股12组分相对分子 质量反应原料反应产物摩尔流率 （kmol/h）摩尔分数摩尔流率 （kmol/h）摩尔分数丙烷44.10 0.27030.000742450.270310080.00094928正丁烷58.1257.62347490.1582721257.62347490.