5.6万吨年MTBE装置项目设计.doc
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5.6万吨/年MTBE生产装置设计
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 18
3.2主要设备的物料衡算 18
3.3全装置物料衡算 28
3.4操作条件汇总 28
3.5全装置工艺物料平衡图PFD绘制 28
3.6物料衡算结果汇总及小结 28
参考文献 29
第4章热量衡算 30
4.1热量衡算概述 30
4.2主要设备热量衡算 30
4.3全装置热量衡算 34
4.5热量合理利用方案 35
4.6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 36
5.1设备工艺设计概述 36
5.2反应器设计 37
5.3精馏塔设计 40
5.4换热器计算及选型 50
5.5容器设计 53
5.7各类设备规格表和设备一览表 58
参考文献 61
第6章原材料、动力消耗定额及消耗量 62
6.1原料消耗 62
6.2动力消耗 62
第7章自动控制 64
7.1典型设备自动控制方案概述 64
7.2反应器的自控 64
7.3精馏塔的自控 65
7.4换热器的自控 68
7.5容器的自控 69
7.6机泵的自控 69
参考文献 70
第8章车间及设备布置设计 71
8.1设计依据 71
8.2设计范围 71
8.3车间平面布置方案 71
8.4设备布置原则[2] 72
8.5典型设备布置方案[3-4] 72
8.6车间及设备平立面布置图绘制 73
8.7车间设备布置小结 74
参考文献 74
第9章设计总结 75
9.1本设计的优点 75
9.2本设计的缺点 75
9.3收获体会 75
9.4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≥98.0wt%，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≥98.0wt%
生产规模：
5.6万吨∕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（methyltertiary-butylether,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》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/T20561-94
1.4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。
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、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
（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》GB18484-2001
1.7.4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:
141～142.
[2]陈声宗.化工设计.北京：
化学工业出版社，2000:
206
[3]陈静，马殿涛。
乙苯装置环境风险评价与危险分析.山东淄博：
中国石化齐鲁分公司，2009.
75
第2章工艺流程设计
2.1生产方案选择
2.1.1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2-1MTBE的理化数据[1]
沸点，°C
55.2
比热容，J/（g·K）
2.135
熔点，°C
-108.6
蒸发热，kJ/mol
30.10
密度，kg/m3
-3371.21（液）
20°C
740.6
-3401.31（气）
25°C
735.3
313.76（液）
临界温度，°C
223.9
-283.36（气）
临界压力，kpa
3430
-120.04（液）
折光率
-117.23（气）
20°C
1.3690
265.48（液）
25°C
1.3663
358.06（气）
表面张力，N/m3
1.94
研究法辛烷值
117
在水中溶解度（20°C）
4.3
马达法辛烷值
101
2、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2-2MTBE贮存安定性比较[2]
物名
贮存月数生成过氧化物量，ppm
1
4
52
MTBE
0
0
0
甲基叔戊基醚
0
0
49
催化裂化汽油
646
6035
--
3、MTBE的毒性
（1）我国在开发MTBE技术的初期，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]:
①含15%MTBE汽油的半致死量LC50为26800mg/kg
②对比的宽馏分重整汽油的半致死量LC50为39000mg/kg
③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15My0cTBE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≥98.0wt%。
副产品为未反应C4馏分：
甲醇含量≤100μg/g
MTBE含量≤100μg/g
5、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2-3MTBE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）
5
10
15
20
直馏汽油
MON
RON
（M+R）/2
106
136
121
110
143
126.5
114
136
125
115
133
124
烷基化汽油
MON
RON
（M+R）/2
112
120
116
108
130
119
109
130
119.5
108
130
119
催化裂化汽油
MON
RON
（M+R）/2
103
138
120.5
102
121
111.5
106
121
113.5
103
119
111
宽馏分重整汽油
MON
RON
（M+R）/2
98
137
117.5
101
127
114
102
123
1512.
102
123
112.5
2）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、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:
①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。
②MTBE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。
③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。
④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。
⑤N-叔丁基酰胺的制备苯甲腈和MTBE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。
2.1.2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、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：
①几种技术路线在国内外采用的情况及发展趋势；
②产品的质量情况；
③生产能力及产品规格；
④原材料、能量消耗情况；
⑤建设费用及产品成本；
⑥三废的产生及治理情况；
⑦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90%～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2-1MTBE一般制造工
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