年产5.5万吨MTBE的工艺毕业设计正文.doc
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化工与生物技术学院毕业设计
摘 要
本设计为年产5.5万吨MTBE装置工艺设计，主要完成了甲基叔丁基醚的物料衡算和热量衡算、精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器和泵等辅助设备的设计计算。
查阅了《化工设计概论》、《化工原理课程设计》、《化工热力学》、《化工原理》、《分离工程》等资料。
设计并绘制了甲基叔丁基醚的带控制点的工艺流程图、设备平面布置图及局部管道布置图。
在软件设计计算中运用了AspenPlus模拟流程，完成了简捷计算、严格计算。
在精馏塔设备计算中，通过Aspen模拟可知，理论塔板数38块（除冷凝器与再沸器），进料位置为第10块板，回流比为7。
甲基叔丁基醚塔结果均在要求范围内，能都达到设计的分离要求，完成了设计任务。
关键词：
甲基叔丁基醚；精馏；工艺设计
I
Abstract
Thedesignforprocessdesignofannual55000tonswithMTBEdevice,mainlytocompletethematerialbalanceofmethyltert-butyletherandheatbalance,distillationtower,overheadcondenser,towerbottomreboilerdesignandcalculationofthepumpandotherauxiliaryequipment.Referto“IntroductiontoChemicalEngineeringDesign”,“CourseDesignofPrinciplesofChemicalIndustry”,“ChemicalEngineeringThermodynamics”,“PrinciplesofChemicalIndustry”“SeparationEngineering”data.Designangdrwntheprocessflowdiagram,equipmentlayout,equipmentlayoutangpipinglayoutwiththecontrolpointsofMTBE.
InthesoftwaredesignandcalculationusingAspenPlussimulationprocess,completedthesimplecalculation,rigorouscalculation.Inthecalculationofthedistillationcolumnequipment,throughtheAspensimulation,thenumberoftheoreticalplates38（exceptforthecondenserandreboiler）,feedlocationforthetenthplates,refluxratiois7.Methyltert-butylethercolumnresultsintherequiredrange,canmeettherequirementofthedesignofseparation,completedthedesigntask.
Keywords:
methyltert-butylether;distillation;processdesign
目录
摘 要 I
Abstract II
第一篇设计说明书 1
第1章概述 2
1.1MTBE生产的历史前景的沿革 3
1.2厂址的选择及设计地区的自然条件车间的组成 4
1.2.1厂址选择 4
1.2.2设计地区的自然条件 4
1.2.3车间组成 4
1.2.4车间状况 4
1.2.5设备布置 4
第2章工艺说明 5
2.1原材料规格 5
2.2原材料及动力消耗定量 5
2.3副产品规格 6
2.4安全标准 6
2.4.1防火、防爆等级和卫生标准 6
2.4.2生产的材料、半成品及成品的爆炸范围及卫生安全浓度 6
2.5产品性质 7
2.5.1MTBE物理性质 7
2.5.2MTBE化学性质 8
2.5.3MTBE生产原理 8
2.5.4MTBE生理化学性质 9
2.5.5MTBE主要用途 9
2.6生产工序及工艺流程叙述［3］ 9
2.7异常现象及处理方法 12
2.8三废及处理 13
第二篇设计计算书 15
第1章物料衡算 16
1.1全车间物料衡算 16
1.2反应器物料衡算 17
1.2.1反应器A进料组成及流量 17
1.2.2反应器二段出口物料的组成及流量 20
1.2.3反应器三段出口物料组成及流量 22
1.3MTBE精馏塔物料衡算 23
1.4萃取塔物料衡算 25
1.5回收塔物料衡算 28
第2章热量衡算 29
2.1一器一段循环冷却器E0103热量衡算［4］ 29
2.2反应器一段热量衡算 31
2.3T0101塔底出料换热器E0107的热量衡算 32
2.4T0101进料换热器热量衡算 34
2.5T0101热量衡算 34
2.6E0109热量衡算 36
第3章精馏塔的计算［5］ 39
3.1物性参数计算 39
3.1.1温度压力确定 39
3.1.2平均相对分子质量计算 39
3.1.3平均密度计算 40
3.1.4液相平均表面张力计算 40
3.1.5液相平均粘度计算 40
3.2气液负荷计算 41
3.3精馏塔塔体工艺尺寸计算 41
3.3.1塔径的计算和选择 41
3.3.2溢流装置 43
3.3.3塔板布置 45
3.3.4开孔数n与开孔率Φ 45
3.4筛板的流体力学验算 46
3.4.1气体通过筛板压降相当的液柱高度 46
3.4.2雾沫夹带的验算 47
3.4.3漏液验算 48
3.4.4液泛验算 49
3.5塔板负荷性能图 50
3.5.1雾沫夹带线 50
3.5.2液泛线 51
3.5.3液相负荷上限线 52
3.5.4漏液线 52
3.5.5液相负荷下限线 53
3.6塔体高度计算 55
3.6.1塔顶封头 55
3.6.2塔的顶部空间高度 55
3.6.3塔的底部空间高度 55
3.6.4进料板处板间距 55
3.6.5人孔 55
3.6.6裙座 55
3.6.7塔总体高度 56
第4章塔顶冷凝器计算 56
4.1冷凝器的设计 56
4.1.1确定流体流动空间 56
4.1.2计算平均传热温差 57
4.1.3估算传热面积 57
4.1.4传热管工艺结构尺寸 57
4.2换热器核算 58
4.3塔底再沸器选型 61
4.3.1平均传热温差 61
4.3.2估算传热面积 61
第5章塔进料泵的选型计算 61
5.1泵的初选 61
5.2管路阻力系数计算 62
5.3进料泵的最终选型 63
第6章塔接管的选型 65
第7章技术经济核算 66
第8章环境保护 68
8.1编制依据 68
8.2执行的有关法规及规定 68
8.3环境质量标准 68
8.4排放标准 68
8.5环保措施 68
8.5.1环境影响因素 68
8.5.2施工期环境影响分析 69
结 论 71
参考文献 72
附录设备一览表 73
致谢 75
I
第一篇设计说明书
I
第1章概述
甲基叔丁基醚，英文缩写为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，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。
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2001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。
但是，MTBE极易溶解于水中，主要由于地下和地上汽油贮罐的泄漏，美国在地下饮用水体中越来越多地发现了MTBE。
MTBE即使浓度很低也会造致水质恶臭，美国环保局已将MTBE列为人类可能的致癌物质。
而MTBE的生产状况还取决于甲醇、丁烷和汽油的价格。
如果甲醇价格迅速降至达不到再投资经济性丁烷价格降到与汽油关系保持原水平，汽油价格在全球范围大幅度提高，则到2000年全球MTBE用量将从18.49Mt/a增长到20.86Mt/a，主要增长在远东。
如果甲醇价格缓慢下降，丁烷价格略高于通常水平，欧洲和远东的汽油价格基本保持现有水平，则对欧洲MTBE的使用将产生不利影响，在远东市场亦将受到抑制。
如果甲醇和丁烷的价格使生产MTBE不具竞争力，则更多的MTBE装置将进行调整，有些可能不得不停产。
总的来说，MTBE市场在100年内将保持稳定，总增长率比早期预计的低。
但而美国的需用量则略有下降。
对于MTBE在燃料中作为充氧剂（oxygenate）的禁令可能从建议实施的日期延缓一到两年。
美国参议院环境与公共事务委员会表决从2004年全面禁止使用MTBE年上半年美国开始使用乙醇代替MTBE作为充氧剂，MTBE需用量比2000年同期约下降2%，或每天1--1.2万桶。
截至2006年，世界汽油用MTBE的年产能力仍约2100×104t，在禁用MTBE的呼声日益高涨的情况下，MTBE装置本身的生存将受到严峻考验。
1.1MTBE生产的历史前景的沿革
自1970年Raycher发现醇和烯烃醚化反应后的数十年间，其有关文摘指导极少，但却有大量的专利指导了甲基叔丁基醚。
1973年意大利第一套10万吨/年的MTBE工业装置投产后，MTBE作为新兴汽油添加剂，引起了各国石油化学界的普遍重视，其产量每年以54％的速度增长。
MTBE工业是当今极有前途的新兴工业之一［1］。
1979年我国才开始研究MTBE合成工业。
1983年我国第一套500万吨/年化工型MTBE工业装置建成后，增长的速度较快，已形成一定规模的生产能力。
制备MTBE的原料异丁烯的技术发展呈多样化的趋势，用一种异丁烷制异丁烯的技术生产MTBE极为理想。
总收率达95％.意大利snan公司研发了直链丁烯异构制异丁烯的新方法，MTBE增加80％.MTBE生产工艺普遍采用用酸性的离子交换树脂合成MTBE，用MeoH和在液相70～100％下通过酸性的离子交换树脂在填充床内进行。
离子交换树脂是磺化聚苯乙烯和二乙烯基苯共聚物。
用硫酸作催化剂合成MTBE的工艺也不是很理想。
催化剂蒸馏是当今MTBE醚化工艺的发展方向，世界公认的MTBE生产技术元老意大利斯拉姆公司的ParetGiancalo等人对新技术作了改进，采用六块塔盘的泡罩踏，将催化剂支撑体系设计的更为合理。
1987年底用于甲醇和异丁烯摩尔为简化。
在相同条件下，该工艺能耗为非催化剂蒸馏的60％，催化更为简化，催化蒸馏新工艺在高纯度异戊烯、异丙苯、二甲醚工业生产中推广应用。
我国继齐鲁5500吨/年MTBE装置投产后，上海燕山、吉化、浙江、抚顺等MTBE工业装置相继投产。
第一套采用催化蒸馏新工艺的4万吨/年MTBE工业装置建成投产，标志着我国生产工艺水平达到80年代国际先进水平。
设计依据
根据要求，设计年产5.5万吨MTBE的生产工艺。
由于MTBE取代四乙基铅可减少环境污染，且用途广泛，促使世界各国对MTBE的需求量日益增加，因此世界各国在寻求更先进的方法。
投资建厂生产MTBE。
由此可见，建设项目具有十分重要的意义。
目前合成MTBE的方法主要有:
1、离子交换树脂法2、硫酸法3、催化蒸馏法。
目前催化蒸馏法最先进，但远没有广泛应用。
硫酸具有腐蚀性，因此本设计是采用离子交换树脂法。
此法工业应用最早，技术上比较成熟，采用一器一塔流程，能耗低，经济合算。
由于位于松花江畔，水源充足，所以设计的车间建设在松花江畔，且既靠近丰满水电站又临热电厂及动力厂，能源充足，且资源也较富足。
本设计装置所用的原料由吉化104厂丁二烯抽取。
所用的甲醇原料来自吉化化肥厂生产的甲醇，为MTBE的生产奠定了雄厚的基础。
1.2厂址的选择及设计地区的自然条件车间的组成
1.2.1厂址选择
本厂建于吉林市铁东，其原因是水电充足。
1.2.2设计地区的自然条件
吉林市自然条件如下：
平均气压755.66mmHg
最高温度36.6℃
最低温度-38℃
平均相对湿度71％
最大冻土深度7.4×10cm
最大降雪量420mm
平均风速2.7m/s
松花江水温15℃
最高水温25℃
1.2.3车间组成
包括生产车间和辅助车间。
辅助车间包括：
办公室、工艺组、设备组、化工班、机修。
1.2.4车间状况
占地面积0.58公顷
1.2.5设备布置
由于生产无赖哦易燃易爆，主要设备露天布置，考虑到吉林地区冬季温度较低，而且时间较长的气候状况，泵集中安装在室内，反应器及塔并排安装，冷凝器及换热器安装在二楼和三楼上控，调节仪表安装在控制室。
第2章工艺说明
2.1原材料规格
本装置以吉化炼油厂液化气分离车间催化裂解碳四（含异丁烯18％）和本厂丁二烯抽提车间抽余（含异丁烯34.1％）两者以51.326：
1（重量比）混合为碳四原料［2］。
序号
原料名称
控制项目名称和指标
备注
1
混合碳四原料
异丁烯含量18～42％
﹤0.8％、﹤0.5％
ACN﹤20ppm、阳离子﹤4ppm
水﹤0.03％、其他碳四：
平衡
以计
2
甲醇
外观：
无色透明液体、比重：
0.791～0.792
初馏点;64～65.5℃、蒸馏量≥99.2％
游离酸：
≤0.002％、游离碱≤0.005％
水≤0.05％、酸值（koHmg/g）≤0.035
蒸馏残渣≤0.002％
以HAC计
以计
3
碱液
NaoH含量≥6％
4
盐酸溶液
HCL含量≥12％
5
触媒
外观：
灰白球状、孔容：
0.25～0.29ml/g
交换当量:
4.2～4.8mg当量/g干树脂
膨胀比：
1.3～1.75、强度：
99％
比表面;13～15、粒度：
10～60目
2.2原材料及动力消耗定量
以生产1吨98.7％MTBE计
1.原料
序号
原料名称
规格
单位
设计消耗定额
备注
1
碳四
异丁烯含25.22％
吨
2.67
2
甲醇
一级工业品
千克
385
2.辅助材料
序号
原料名称
规格
单位
设计消耗定额
备注
1
触媒
干燥工业品
千克
0.5
2
氢氧化钠
6％
千克
4
3
盐酸
12％
千克
12
2.3副产品规格
以每生产1吨98.7％MTBE计，副产品丁烯-1、残液馏分的数量如下：
序号
名称
规格
单位
设计定额
1
丁烯-1
丁烯-1～41％、～18.4％
异丁烯≤0.4％、甲醇≤0.15％
MTBE≤0.5％
T
19.07
2
残液馏分
MTBE≥98.7％
Kg
10
2.4安全标准
2.4.1防火、防爆等级和卫生标准
根据生产所用原料，中间产品和成品的性质，对生产各部分的防火防爆标准规定如下：
序号
地点
防火等级
防爆等级
避雷等级
1
装置区
甲级
级
二类
2
泵房
甲级
级
二类
3
中间罐区
甲级
级
二类
2.4.2生产的材料、半成品及成品的爆炸范围及卫生安全浓度
序
号
名称
闪点℃
自燃点℃
爆炸极限％
爆炸极限％
空气中允许浓度mg/L
上限
下限
1
碳三组分
—66.7
455～510
11
2
0.5
2
碳四组分
—40～—80
455
12
2
0.1
3
碳五组分
—40
6.9
1.25
4
甲醇
12
433
36.5
5.5
0.05
5
MTBE
—26.7
8.4
1.6
0.35
2.5产品性质
2.5.1MTBE物理性质
常数名称
单位
数据
沸点
℃
55.2
冰点
℃
—108.6
闪点
℃
26.7
生成自由能
（Gf298）
液相
KJ/mol
—119.90
气相
535.30
自燃点
℃
460
爆炸范围
空气vol％
1.6～8.4
液体比重（d15.56℃）
0.746
临界压力
amt
33.85
溶解度
20℃在100g水中溶醚
g
4.89
20℃在100g醚中溶水
1.5
燃烧热
KJ/㎏
35.1079
蒸发潜热
KJ/㎏
321.1776
液体热容
KJ/㎏℃
2.1328
折光指数（20℃）
1.3689
绝对熵
液相
KJ/mol
265.1806
气相
357.6446
生成热
液相
KJ/mol
—313.3991
气相
2.5.2MTBE化学性质
（1）MTBE与氧气或空气接触时，不能形成爆炸性过氧化物。
（2）MTBE与强无机酸相接触，则会发生分解反应，生成异丁烯、甲醇及烃类。
（3）MTBE在酸性三氧化二铝存在下，于20℃和压力条件下，生成异丁烯、甲醇，由此性质可生成高纯度异丁烯。
（4）MTBE与甲醛在阳离子树脂上于140℃反应生成异戊二烯、甲醇。
（5）MTBE在230～280℃，在有催化剂存在下与空气氧化可以生成异戊二烯。
2.5.3MTBE生产原理
MTBE是由混合碳四中的异丁烯和甲醇在强酸性苯乙烯大孔阳离子交换树脂催化剂上进行合成。
主反应方程式:
↓↓
-C=+-OH→-C-O-（MTBE）
↑
副反应方程式:
↓↓
-C=+→-C-O-（TBA）
选择工艺参数，必须综合考虑动力学和热力学因素，采用外循环冷却绝热式固定床反应器，采用水萃取法回收过量甲醇后，以蒸馏方式使甲醇——水分离，甲醇循环使用。
2.5.4MTBE生理化学性质
（1）MTBE蒸汽吸入以及MTBE对眼睛的刺激作用相当于无铅汽油的水平，MTBE被皮肤吸收后的作用相当于乙醇的刺激程度。
（2）麻醉程度：
MTBE是一种较弱的麻醉剂，对人类麻醉性程度高于无铅汽油。
（3）新陈代谢作用：
被吸入人体的MTBE在最初1小时有75％被呼出，相当于挥发性碳氢化合物的程度。
2.5.5MTBE主要用途
（1）MTBE是良好的无铅高辛烷值汽油添加剂。
（2）MTBE是油质、胶质、油漆、芳烃以及粘合剂的良好溶剂。
（3）MTBE是醚解可制的高纯度异丁烯，从而将后者进一步加工成异戊橡胶或聚异丁烯橡胶。
2.6生产工序及工艺流程叙述［3］
本车间分为反应、精馏、回收三个工序。
混合碳四原料经FRQ0101进行流量记录与累积后进入碳四原料储罐V0101，V0101液面通过LRCA0101液面调节器保持稳定，工业甲醇经FRQ0102进行流量记录与累积后进入甲醇储罐V0102，其液面由LRCA0102进行液面指示与报警，当槽内压力过2389.03Pa后开启水喷淋降温。
由P108A/B泵来的回收甲醇，也进入V0102槽，V0101罐中的碳四经原料泵P0101A抽出，由FRC101控制流量8.922T/Hr与P0102A/B甲醇泵来的甲醇接触，醇烯比1.05～1.2：
1进入X101混合器混合。
碳四原料进入P0101泵签经在线色谱AR101分析原料中异丁烯含量，V102中的甲醇经甲醇原料泵P0102A/B抽出，经FI111计量后与P0101来的碳四混合。
碳四原料、甲醇经X101混合后进入原料冷却器E123，以—12℃的冷冻盐冷却，出口温度由TIC102控制在25±5℃，冷却后的物料进入保护反应器R103A/B，以脱除原料的金属阳离子。
R103内装有树脂3.85立方米，物料经过床层后，氧离子浓度即可由4ppm降至1ppm以下。
脱除阳离子的新鲜物料由R103出来后，与第一醚化反应器R101A/B一段循环物料混合一起进入原料换热器E101，在E101中由TRC101表调节蒸汽加热或循环水冷却，控制出口温度为55℃，然后进入R101A/B的一段，原料中的异丁烯与甲醇在接触媒床层进行反应。
一段一器操作条件：
压力：
1570537.5Pa，入口温度：
55℃，出口温度76.43℃，充分利用热能和控制转化率74％，一段一器反应终了后，由一段一器循环泵P103A/B抽出部分物料，循环到原料换热器E101，循环量由FRC102控制循环比为0.8，其余部分进入一段二器继续反应。
由二段流出的物料，温度为71.7℃，压力为1530007.5Pa，经一器二段循环泵P104A/B抽出，视情况一部分经一器二段经循环冷却器E101冷却后，循环回到二段上部，循环量由FRC103控制，冷却温度由TRC103控制为69℃，另一部分物料则通过一器二段出口冷却器E103冷却温度由TRC104控制为69℃之后进入R101B（A）,即一器三段中，三段操作条件：
出口压力：
1530007.5Pa，出口温度：
71.7℃.当物料经过三段床层反应后，异丁烯转化率达93％，当一段或二段触媒严重失活时，A与B互换。
由反应器R101A/B流出的物料通过调节器PRC102维持第一醚化反应
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