1、 本科 毕业论文 题目 ： 2 万吨 /年 MTBE装置工艺设计 成绩 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 . 1 1.1 MTBE 的有关性质 . 1 1.2 MTBE 的用途 . 2 1.3 MTBE 的产能及需求情况 . 2 第二章
2、设计依据及技术来源 . 4 2.1 设计依据 . 4 2.2 技术来源 14 . 4 2.2.1 国外工艺介绍 . 4 2.2.2 国内生产技术状况 . 5 2.3 本次设计采用的方法 . 6 2.4 主要节能措施及技术改进 15 . 6 第三章 设计规模与产品方案 . 8 3.1 原料及产品规格 . 8 3.2 设计规模和设计要求 . 8 3.3 产品的质量指标 . 8 3.4 建筑组成 . 8 第四章 过程技术分析 . 9 4.1 反应原理 . 9 4.2 反应条件 . 9 4.3 反应选择性和转化率 . 9 4.4 系 统循环结构 . 10 4.5 分离工艺 . 10 4.6 控制方案的
3、选择 2-3 . 10 4.6.1泵的控制方案 .11 4.6.2.换热器的控制方案 .11 4.6.3.反应器的控制方案 .11 4.6.4.精馏塔的控制方案 . 12 第五章 流程模拟与优化 . 13 5.1 流程叙述 . 13 5.2 PRO/II 模拟与计算 1 . 14 5.2.1 PRO/II 热力学方法的初步分析 . 14 5.2.2 过程的主要操作控制指标 . 15 5.3 工艺计算概述及结果 . 16 5.3.1 物料衡算 . 16 5.3.2 热量衡算 . 17 第六章 主要设备选择说明及计算 7-13 . 20 6.1 泵的选型 . 20 6.1.1 石油，化工装置对泵的
4、要求 . 20 6.1.2 泵的选型计算 . 21 6.1.3 泵选型表 . 21 6.2 反应器的设计与选型 . 22 6.2.1 热管反应器的结构 15 . 22 6.2.2 传热和传质分析 . 23 6.2.3 反应器设计计算过程 . 23 6.2.4 反应器的组合参数 . 24 6.3 塔的设计选型 . 24 6.3.1 MTBE 产品精馏塔的设计选型 . 25 6.3.2 萃取塔设计 . 39 6.4 储罐设计 . 41 6.4.1 甲醇 原料罐的确定 . 41 6.4.2 C4 馏分原料罐的确定 . 41 6.4.3 循环水罐的确定 . 41 6.4.4 塔回流罐的确定 . 41
5、6.4.5 储罐选型表 . 41 6.5 换热器的设计 . 42 6.5.1 换热器的介绍与论述部分 . 42 6.5.2 手算计算部分 . 44 6.5.3 换热器大师计算部分 . 50 6.6 管道设计（ GB8163 1999） . 53 第七章 原材料、动力消耗消耗定额及消耗量 . 55 7.1 原料消耗 . 55 7.2 动力消耗定额及消耗量 . 55 第八章 机构及定员 . 56 8.1 组织机构 . 56 8.2 生产班制及定员 . 56 8.3 人员来源和培训 . 57 8.3.1 人员来源 . 57 8.3.2 人员培训 . 57 8.3.3 人员工资及福利 . 57 第九章
6、 装置边界条件 . 58 第十章 环境保护 . 59 10.1 编制依据 . 59 10.2 执行的有关法规及规定 . 59 10.3 环境质量标准 . 59 10.4 排放标准 . 59 10.5 环保措施 . 59 10.5.1 环境影响因素 . 60 10.5.2 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
7、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
8、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 Abstract The 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 com
9、posed of IBUTENE in the fraction of C4 and methanol whose 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
10、towers。 Process simulation and calculation is carried out with 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 bal
11、ance table and the heat balance table were listed. This project 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 mea
12、sures of the process optimization、 energy saving and the improvement of the techniques， such as the major reactor adopts the heat pipe fixed bed 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
13、of the steam。 Keywords： MTBE、 PRO/II、 Process simulation and calculation、 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
14、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： 3 3 3()CH O CH 。 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
15、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
16、 ,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。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
17、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 MTBE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
18、 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 14 2.2.1 国外工艺介绍 目前合成
19、 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 50 60 ,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
20、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 ）
