年产30万吨MTBE气分装置中碳四碳五分离过程模拟研究毕业论文设计.docx

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年产30万吨MTBE气分装置中碳四碳五分离过程模拟研究毕业论文设计

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本科毕业设计

题目30万吨年MTBE气分装置中

碳四碳五分离过程模拟研究

论文题目

作者姓名魏红

专业化学工程与工艺

指导教师姓名张文郁

专业技术职务副教授

摘要1

ABSTRACT2

第一章概述3

1.1设计描述3

1.2MTBE综合分析3

1.2.1MTBE简介3

1.2.2MTBE的化学性质3

1.2.3MTBE用途4

1.2.4MTBE市场供需分析4

1.2.5MTBE发展预测5

1.3副产品综合分析7

1.3.1正丁烷的用途7

1.3.2异丁烷的用途7

1.3.3丁烷性质8

1.3.4丁烷的发展趋势8

1.3.5丁烷经济分析8

1.4原料分析9

1.4.1碳四馏分来源9

1.4.2碳四馏分在国内的利用现状10

1.4.3原料价格分析预测10

第二章工艺方法确定11

2.1碳四碳五分离原理11

2.2脱重塔系12

2.2.1脱重塔系流程简图12

2.2.2脱重塔系流程简述12

2.2.3脱重塔系影响因素13

2.3总工艺流程13

2.3.1总工艺流程简述13

2.3.2总工艺流程简图13

2.4本设计研究方法14

2.4.1方法简述14

2.4.2AspenPlus总体介绍14

2.4.3AspenPlus功能介绍15

第三章脱重塔系计算17

3.1物料衡算17

3.1.1工艺要求17

3.1.2原料处理，分析与计算17

3.3塔参数计算20

3.3.1最小理论板计算20

3.3.2回流比计算21

3.3.3理论板计算21

3.3.4简洁法求精馏段理论板数22

3.3.5实际塔板数23

3.3.6本节小结24

第四章脱重塔计算24

4.1AspenPluse计算选择24

4.1.1物性方法的选择24

4.1.2模型的选择25

4.2DSTWU塔模拟过程26

4.2.1塔初步设计计算模拟DSTWU26

4.2.2塔模拟建立26

4.2.3DSTWU小结32

4.3塔精确计算模拟及塔条件确定32

4.3.1建立精馏塔模型32

4.3.2塔运行结果35

4.4塔分析36

4.4.1分布刨面36

4.4.2分析运行结果38

4.5塔优化及分析38

4.5.1优化数据输入塔设定值38

4.5.2优化后数据结果分析39

4.6塔的水力学数据导出表40

4.7塔径的确定42

4.8塔板数的确定43

第五章换热器计算43

5.1换热器的计算选型43

5.1.1建立Aspen脱重塔流程43

5.1.2换热器详细计算44

5.1.3换热器选型计算结果51

5.1.4所选换热器参数汇总表。

54

5.2换热器的选型54

5.3浮头式换热器的介绍55

5.4换热器的定型表达56

5.5各设备重要接管口口径确定57

5.5.1管径确定的一般要求57

5.5.2管径的确定57

第六章泵的计算58

6.1泵的参数计算58

6.1.1泵汽蚀余量的计算58

6.1.2泵的扬程的计算59

6.2泵的选型59

6.3泵的特点和结构59

第七章物料平衡汇总表61

7.1物料平衡汇总表61

7.1.1物料平衡表陈述61

结论68

参考文献69

致谢70

附录71

摘要

我国炼油工艺的主要结构特点是以催化裂化为主，催化裂化的副产物中大约有60%是碳四馏分，它的主要组分有异丁烷、正丁烷、正丁烯、异丁烯和2-丁烯，其中异丁烷含量可高达34%，烯烃含量可达40%以上。

近年来，随着碳四馏分利用的研发深入和不断发展，对催化裂化碳四馏分综合利用烯烃后的剩余烷烃馏分进行正、异丁烷分离，以提高碳四组分的化工利用是解决碳四出路的又一新途径。

为了更好的提高工业生产能力，基于投资少，能耗低，效益高的想法，本文对年产30万吨丁烯异构脱重塔系进行模拟研究。

模拟研究来自于实际生产MTBE过程中的脱重塔系。

针对C4与C5气体的分离塔研究，经过物料衡算通过AspenPlus软件设计计算塔的各种参数，换热器的参数并选择合适的设备。

通过精馏塔分离C4与C5组分并进行流出物冷却输送，设计计算精馏塔的理论板数，回流比等，设计选择换热器，泵。

本设计的重点是C4，C5在脱重塔的分离，AspenPlus软件的模拟设计，塔系所用设备研究。

关键词：

C4，C5精馏塔AspenPlus模拟研究优化

ABSTRACT

ThemainstructuralcharacteristicsofChina'soilrefiningprocessiscatalyticcrackingmainbyproductofcatalyticcrackingofabout60percentcarbonfourfractions,themaincomponentofiso-butane,butane,butane,isobuteneand2-butene,iso-butanecontentcanbeascontentofupto40percent.

Inrecentyears,withfourcarbonfractionusein-depthresearchandevelopmentandcontinuousdevelopment,theremainingfourfractionsofthecatalyticcrackingofcarbonafterthecomprehensiveutilizationofolefinalkenesfraction,iso-butaneseparation,inordertoimprovechemicalutilizationofcarboncomponentsistosolvethecarbonfour-wayoutofanewway.Inordertoimproveindustrialproductioncapacity,basedontheideaoflessinvestment,lowenergyconsumption,columndesign.theannualoutputof300000tonsofbutenestudiestotakeoffthethispaper.

SimulationstudiesfromtheactualproductiontotakeoffthetheprocessofMTBE.

StudyofC4andC5gasseparationtower,throughthematerialbalancebyAspenPlussoftwaredesigncalculationparametersofthetower,theparametersoftheC4andC5fractionsandeffluentcoolingconveyor,designandcalculationoftherectifyingcolumntheoreticalplatenumber,refluxratioandsoon,thedesignofisthefocusoftheC4,C5intheseriousseparationoftower,AspenPlussoftwaresimulationdesignofthetowerisadeviceusedinresearch

Keywords:

C4,C5：

Rectificationtower：

TheAspenPlussimulationresearch：

optimization

第一章概述

1.1设计描述

本设计是对C4综合利用，继30万吨异构化项目研究中脱重塔系的研究设计。

设计针对市场对MTBE的巨大需求，对裂解气进行处理，分离C4与C5组分，为后面生产MTBE提供原料，顺带副产品正丁烷和异丁烷等。

通过计算塔，换热器，泵等设备参数，完成对C4，C5的模拟分离，达到分离要求，设计附带工艺管道及仪表流程图等图纸完善设计。

1.2MTBE综合分析

1.2.1MTBE简介

MTBE（methyltert-butylether），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。

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。

MTBE的纯度约为97%~99.5%，分子式为：

CH3OC（CH3）3，相对分子量：

88.15，CASNO.：

1634-04-4。

1.2.2MTBE的化学性质

表1-1MTBE的化学性质

性质数据性质数据

分子式CH4OC4H水在MTBE中的溶解度（20°C）g100g1.5

分子量88.119比热容J（gK）2.135

沸点°C55.2蒸发热KJmol30.10

熔点°C108.6△H（298K）KJmol-3371.2（液）-3461.3（气）

密度kgm3（20°C）735.3S（298K）KJmol265.48（液）358.06（气）

临界温度°C223.9△G（298K）KJmol-120.01（液）-117.23（气）

临界压力KPa3430MTBE在水中溶解度（20°C）g100g1.3

折射率（20°C）1.3600研究法辛烷值117

表面张力Nm21.01马达法辛烷值101

1.2.3MTBE用途

（1）MTBE（甲基叔丁基醚）作为汽油添加剂已经在世界范围内普遍应用。

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。

本装置生产的MTBE将全部用于汽油调和。

（2）MTBE另一个主要用途是通过将MTBE裂解生产纯度较高的异丁烯。

而高纯度的异丁烯的用途也越加广泛，用量增加迅速。

1）异丁烯聚合。

低分子量聚异丁烯（LPIB）由于热稳定性好、裂解无残炭、耐化学品及耐候等特点，因而被广泛用于润滑油添加剂、电绝缘材料、粘合剂、腻子胶以及其它高聚聚物共混改质等领域。

特别是近年来，随着润滑油产业的快速发展和进步，中分子量聚异丁烯（MPIB）的需求日趋减少，中、高档二行程内燃机油及其它领域对LPIB的需求量越来越大。

2）以异丁烯为原料生产丁基橡胶。

3）异丁烯水合可以合成叔丁醇；异丁烯氧化可以生成甲基丙烯醛，甲基丙烯醛氧化生成甲基丙烯酸，再和甲醇酯化生成甲基丙烯酸甲酯；异丁烯和甲醛反应生成异戊橡胶的单体异戊二烯等。

1.2.4MTBE市场供需分析

我国MTBE处于快速增长状态，特别是我国近期推广使用高辛烷值无铅汽油，所用的辛烷值改进剂主要是MTBE。

因此，我国MTBE的需求量还将有所增加。

随着一些新建炼油厂的MTBE生产装置投产，我国现有MTBE生产装置增加到38套，总能力达234万吨年。

我国MTBE的规模生产起始于20世纪80年代。

随着我国政府对环境保护的日益重视，汽油无铅化的呼声不断高涨，MTBE作为无铅汽油添加剂日益受到重视，MTBE生产能力迅速增长。

从我国MTBE装置的情况看，一般均采用以抽余碳四或催化裂化的碳四与甲醇为原料，经催化反应、精馏分离等工序生产。

从现有装置情况看，国内的MTBE装置绝大部分设在炼油企业中，只有茂名、燕山、扬巴等少数企业将MTBE装置设在化工企业中。

国内MTBE产品主要用于提高汽油的辛烷值。

2007年我国MTBE总消费量为170．2万吨，主要应用于汽油添加剂、生产高纯度的异丁烯，继而生产丁基橡胶等，另外国内也有一些企业利用MTBE来生产MMA。

从全球MTBE供需状况看，虽然世界新增MTBE新增装置不多，但由于美国近年来MTBE消费大幅减少，使得美国MTBE过剩严重，未来亚洲市场将是美国消化其MTBE的主要市场，将对中国市场的MTBE供需产生影响。

表1-2我国MTBE供需预测

项目

2007年

2010年

2015年

2020年

能力，万吨年

233

282.3

300.3

300.3

产量，万吨

170

204.0

235.2

241.2

表观需求量，万吨

170.2

189.0

218.5

233.8

表面供需平衡，万吨

11.4

15.0

16.7

7.4

1.2.5MTBE发展预测

由于政府的不断努力，2000年我国已基本实现汽油的无铅化，北京、上海等几大城市已经先后出现地方性法规，限制低标号汽油的使用，因此在汽油配方中使用MTBE作为抗爆剂已是大势所趋。

今后几年MTBE需求量将有较大幅度的成长。

从目前掌握的情况看，相当多的企业都在需求扩建或新建MTBE装置。

格尔木炼油厂1万吨年、新疆独山子天利高新技术股份有限公司3万吨年、西安石油化工厂1.2万吨年的MTBE装置正在兴建。

四川炼油厂一期工程中将新建5万吨年MTBE装置，新疆吐鲁番地区利用轻烃分离项目可生产异丁烷，目前正在进行6万吨年MTBE装置兴建招标。

在华东地区常州化工区有意新建30万吨MTBE装置、苏州市也打算新建一套5万吨年的MTBE装置，宁波大榭开发区将新建5万吨年的MTBE装置。

近年来，MTBE产品的发展很快，产品价格也不断在攀升。

因需求猛增及清洁燃料标准的推动，要求汽油中芳烃含量由42％降至40％，使MTBE需求大幅增加，加上高辛烷值汽油需求不断增加。

图1-1中捷石化MTBE出厂价格走势

图1-2近期国内MTBE出厂价格走势

国内MTBE价格也一度攀升到9800元吨以上，目前国内MTBE的销售价格约超过9100元吨，随着国内、国际油价的上涨，作为汽油调和必需品的MTBE也有上涨的空间。

1.3副产品综合分析

1.3.1正丁烷的用途

正丁烷除直接用作燃料外，还用作溶剂、致冷剂和有机合成原料，在化工利用方面，正丁烷主要用于如下几个方面：

（1）异构化制异丁烷

（2）裂解制乙烯

（3）催化脱氢制丁烯或丁二烯

（4）氧化制醋酸、丙酸、顺丁烯二酸酐等

正丁烷的利用是在美国等公司正丁烷氧化制顺酐的工艺实现工业化以后得到了较为迅猛的发展，与传统的苯法合成酸酐相比，此法的优点是原料廉价、污染相对轻微、能耗较低等。

在大多数国家都重视环保的环境下，正丁烷法比苯法合成酸酐更具有发展潜力。

1.3.2异丁烷的用途

异丁烷的主要作用如下：

（1）经裂解可制备异丁烯与丙烯

（2）与异丁烯、丙烯进行烷基化可制烷基化汽油

（3）制备甲基丙烯酸、丙酮和甲醇等

异丁烷不活泼，加工起来比较困难。

根据报道，美国已率先运用异丁烷与丙烯共氧化法合成环氧丙烷并联产叔丁醇。

以这种共氧化法生产的叔丁醇在全球产量中占有相当的比重，共氧化法生产1,4-丁二醇是目前生产成本相对较低的一种可靠方法。

目前，异丁烷应用市场潜力较大，生产该产品原料充足。

在精细化工产业方面上的应用包括：

（1）用作汽溶胶促进剂

（2）作为聚乙烯聚合用剂

（3）用于聚乙烯发泡剂

（4）高纯异丁烷用作配制特种标准混合气，用于温度表和液位表等一些控制显示仪表的校正

（5）作为冷冻剂。

异丁烷作为一种新型制冷剂，几乎不会使气候变暖，而且有较高的冷却效率，所以近来被开发作为冰箱制冷剂原有冷却剂的替代品

1.3.3丁烷性质

（1）正丁烷性质

结构式（CH3）2C=CH2，分子量56.11。

无色气体，熔点（℃）：

-140.3，沸点（℃）：

-6.9，相对密度（水=1）：

0.67（-49℃），饱和蒸气压（KPa）：

131.52（0℃），临界温度（℃）：

144.8，临界压力（MPa）：

3.99。

不溶于水，易溶于多数有机溶剂。

（2）异丁烷性质

相对密度：

0.5572（20℃）、2.01（气体），熔点-159℃，沸点-11.73℃，蒸气压160.07KPa（0℃）、224.90KPa（10℃）、307.98KPa（20℃）、413.34KPa（30℃）、543.01KPa（40℃）、702.06KPa（50℃），闪点-83℃，爆炸极限1.9~8.5%（体积），自燃点462℃。

无色气体，有轻微气味。

与金属无反应。

溶于水，与水不起反应。

微溶于乙醇，溶于乙醚。

1.3.4丁烷的发展趋势

随着我国石油化工行业的发展和产业的拓宽，在技术不断革新的年代，大量的丙烷、丁烷掺入炼厂裂解装置，大大提高了裂解三烯收率，作为优质裂解气的丙烷和正丁烷是近年销售量大、发展较快的化学品。

所以，近几年，我国丙烷、正丁烷、异丁烷一直处于供销两旺的状态。

1.3.5丁烷经济分析

原料价格上涨会导致项目效益降低。

如果丁烷价格的上涨幅度低于原料的价格上涨幅度，将可能导致项目亏损。

原料全部外购，通过汽车罐车运入各消费市场和单位，对外界市场依赖性大，容易受市场价格波动影响。

在这个时间分析段中，受国际政治形势和原油供求关系影响，原油价格波动剧烈，从而带液化气等上游产品价格上涨，其价格利润空间基本是稳中有升。

未来碳四自然高度综合利用的时代，虽然成本推动造成原料价格上升，但下游用户对丙烷、正丁烷、异丁烷等需求上升，也将造成产品价格的上涨。

正因如此，预计仍将会出现一定的价格空间。

说明本项目对于价格的变化还是有一定抗风险能力。

1.4原料分析

1.4.1碳四馏分来源

我国炼油工艺的主要结构特点是以催化裂化为主，催化裂化的副产物中大约有60%是碳四馏分，它的主要组分有异丁烷、正丁烷、正丁烯、异丁烯和2-丁烯，其中异丁烷含量可高达34%，烯烃含量可达40%以上。

碳四馏分主要来源于炼厂气以及石油化工生产中产生的裂解气。

碳四馏分的来源不同，组成也不同。

各个国家工业用的碳四馏分来源大不不同。

美国碳四馏分（大约有95％）来自炼厂气，西欧和日本所用的碳四馏分中来自炼厂气与裂解的量大致相当，中国的碳四利用情况类似于西欧和日本。

通常，碳四馏分的来源有以下三种：

（1）由天然气回收碳四馏分

从含有较大量乙烷、丙烷、丁烷等含碳以上的组分的湿性碳四馏分中回收。

这类天然气由于含有一定量（1％到8％）易液化的碳五烷烃和碳四烷烃。

（2）炼厂气碳四馏分

炼厂气中含有氢气、六个碳原子以内的烷烃和烯烃，是优良的化工原料,炼厂气经过一系列流程如：

压缩、冷凝、分馏可得到碳四馏分,此种碳四馏分一般含有较多量的碳四烯烃，它的主要组成决定了原油的物化性质，还决定了它的加工方法。

在炼油厂中，这两种馏分气通常合起来使用。

（3）裂解气碳四馏分

烃类裂解产生的丙烯、乙烯及副产物碳四烃类,通常称之为裂解碳四馏分,其含量（wt%）及主要组成随裂解原料和条件不同而不同。

裂解气碳四馏分组分含量见下表1.3（质量分数%），据有关分析，以裂解的碳四馏分来生产丁二烯最经济、最便捷的原料。

表1-3裂解气碳四馏分组分

组分

含量（wt%）

丁二烯

40.0~50.0

异丁烯

22.~27.0

1-丁烯

14.0~16.0

2-丁烯

10.0~12.0

正、异丁烷

8.0~10.0

1.4.2碳四馏分在国内的利用现状

目前，国内主要考虑和重视催化裂化碳四馏分中烯烃的综合利用，将催化裂化碳四馏分中的烯烃通过芳构化生产附加值更高的芳烃产品。

催化裂化碳四馏分中的第二大组分丁烷仍作为燃料烧掉。

在我国，碳四馏分被广泛用之于化工基础原料和民用燃料,而作燃料的碳四馏分绝大部分是碳四烷烃。

因为碳四烷烃贮运起来相对比较方便，不仅作为工业用燃料，还可供应民用。

在大多数炼油工业中，碳四烷烃通常用做汽油添加剂，以提高油品蒸气压，来适应恶劣环境和某些地区使用。

在其它方面也有一些用途，但用量不太大。

如作冷冻剂使用、重质油加工脱沥青溶剂、油田井管脱蜡剂、树脂发泡剂等。

碳四馏分直接进烷基化来生产烷基化汽油及其叠合汽油，另外，可用于生产聚丁烯和聚异丁烯（润滑油添加剂）、合成甲基叔丁基醚。

异丁烯可合成烷基酚，正丁烯能合成仲丁醇等。

由此可见，碳四馏分的综合利用利用在我国会有很大的开发前景。

目前，有关这方面研究工作取得了一定成绩。

我国对碳四馏分的利用处于较为初期的阶段，对碳四的综合利用起步比美、日、欧等发达国家晚，在产品的种类、生产技术及下游产品的开发方面也比发达工业国家落后。

近几年，“西气东输”工程自我国的实施，还作燃料使用的碳四馏分即将不合时宜，整个石化企业将会面临着改产业变格局的冲击。

因此，加入WTO后的中国石化企业加紧合理开发利用碳四资源，这对增强国际竞争能力将起着举足轻重的作用。

1.4.3原料价格分析预测

2003年以后，受国际原油市场价格上涨，使各种原料价格大幅度攀升，液化气涨幅比较大，近几年液化气价格处于平稳状态，预计随着国内市场以及原油价格波动，主要原料碳四液化气价格已经稳定并可能下降。

图1-3碳四液化气价格曲线

图1-4近期液化气价格走势图元吨

由图可见，液化气价格相对稳定，在5000～7000元之间波动，预计未来稳中有降，尤其是我国西部大开发战略和西气东输工程顺利实施后，石油液化气的民用燃料市场将逐渐被相对廉价的管道天然气替代，碳四价格会有所下降。

第二章工艺方法确定

2.1碳四碳五分离原理

本设计中碳四碳五的分离采用精馏分离法依据各组分现对挥发度的不同将之分离。

精馏是指把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程。

通过气液两相多次逆向接触相互传质传热，回流提供逆向接触的液相，提高精馏的精度，分离出理想组分。

2.2脱重塔系

脱重塔系作用是通过精馏分离碳四碳五组分，产品经过换热达到要求后送入生产或产品单元。

2.2.1脱重塔系流程简图

图2-1脱重塔流程模拟

2.2.2脱重塔系流程简述

原料气经过处理后以90度的蒸汽进入脱重塔，经过塔内精馏，控制塔底温度150度左右，塔顶温度50左右，完成C4,和C5组分的分离，C4组分从塔顶馏出，经过空冷器降温冷却为液体，之后进入换热器进一步降温至55度左右，之后进入回流罐，流出后经过泵一部分碳四回流至塔顶进料，另一部分经过再经过换热器冷却至40度流向MTBE单元。

塔釜流出物经过换热器冷却至40度左右流向产品灌区。

2.2.3脱重塔系影响因素

脱重塔系的影响因素主要是指脱重塔的影响。

脱重塔影响因素：

（1）塔压波动的影响；

（2）加料量的影响；（3）加料组成的影响；（4）进料温度