2万吨年mtbe装置工艺设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)

2万吨年mtbe装置工艺设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 2020 年年末、 2020 年年初国内 MTBE 生产企业及产能见表。 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 3 表 国内 MTBE 生产企业及产能 表 0508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。 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 4 第二章 设计依据 及技术来源 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。 [14] 国外工艺介绍 目前合成 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 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 生产 MTBE的几种方法的消 耗定额 (以每吨 MTBE计 ）2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 5 表 国外 MTBE主要生产特点 国内生产技术状况 我国自 20世纪 70年代末开始 MTBE合成技术的研究和开发 ,第一套生产装置2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 6 于 1983年在齐鲁石化公司橡胶厂投产 ,规模为 t/ a。 先后开展 MTBE合成工艺、催化剂、反应工程研究与开发的单位有齐鲁石化公司研究院和橡胶厂、岳阳石化总厂橡胶厂、燕山石化公司、吉林化工公司、上海石化研究院、清华大学化工系、北京石油设计院、上海高桥石化公司炼油厂、洛阳炼油厂等。 通过有关单位协作 ,先后开发出多种合成工艺。 主要有以下 三种 : （ 1） 常规 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。 反应压力 ～ ,温度 40～ 80℃ ,醇烯比为 1. 0 左右 ,利用冷却设备以外循环方式取出部分反应热来控制反应温度。 异丁烯转化率可达 90%～ 95% ,接近平衡转化率。 （ 2） 催化蒸馏法 MTBE合成工艺 把催化反应与分馏结合的反应蒸馏技术早已被用于酯化、水合等反应过程 ,而应用于大型 MTBE合成过程则是美国 amp。 Liecensing公司首先成功的 ,于 1987 年工业化。 （ 3） 混相床反应蒸馏 MTBE合成工艺 这是由齐鲁石化公司研究院、北京石油设计院和上海高桥石化公司炼油厂联合开发的 ,1992 年 3 月通过中国石化总公司的技术鉴定。 这一工艺的特点是在反应塔内设一固定床反应段 ,不需任何冷却设备。 控制反应压力使反应在沸点温度下进行 ,反应热使部分物料汽化而使反应温度衡定 ,形成汽 液混相状态。 反应物浓度较高时 ,可把催化剂分为几个床层 ,部分未预热的原料由侧线进入各床层之间 ,作为激冷料进一步调节汽化率与反应温度 ,但各床层之间不设分馏塔板。 MRD 技术分为两种类型 ,即 MRD A 型、 MRD B 型。 MRD A 型用于炼油型MTBE 装置 ,MRD B型用于石油化工型。 本 次 设计采用的方法 在本次设计中我采取 MTBE 常规 工艺装置， 反应装置采取 固定床反应技术 ，分离装置 采取 三塔分离形式， 即 由 两个 固定床 反应器、 MTBE 共沸 精馏塔、萃取塔和甲醇精馏塔组成。 该工艺属于传统工艺，技术上已 经非常成熟， 它 适用于异丁烯浓度变化较大的 C4 原料。 [15] 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 7 主反应装置采取 热管 式 固定床 反应器的形式，相对于传统的多段绝热固定床反应器而言， 更为 有效地控制反应器的温度 ,获得较佳的轴向温度分布，更有利于反应转化率的提高。 在设计过程中 对反应原料的预热设置一个热切换装置，反应初利用蒸汽预热，待反应进行了一段时间后，将蒸汽物流切换成 MTBE共沸精馏塔塔釜的热流出料对原料进行预热，充分利用 物料的能量交换。 同理将甲醇精馏塔的进料预热到泡点温度也是利用此方法。 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 8 第三章 设计规模与产品方案 原料及产品规格 表 原料 组成 原料物质 质量分数 组成 （ Wt%） C4 馏分 异丁烷 35；正丁烷 15；异丁烯 25；正丁烯 15；顺丁 烯 5；反丁烯 5 工业 甲醇 甲醇 ，水 . 设计规模和设计要求 该工 艺 规模是 2万吨 /年 MTBE 装置工艺设计， 共沸精馏塔 MTBE 的纯度要求是质量分数达到 %（ Wt） ，萃取塔 萃取后碳四出料中甲醇含量小于 50μ g/ g，甲醇回收塔底萃取水甲醇含量小于 500μ g/ g 以及 甲醇回收塔 塔顶循环甲醇质量分数达到 %的要求。 按照 8000 小时开工计算，产品流量 2500kg/h ，合。 产品的质量指标 本装置 MTBE 产品质量按照《 MTBE 企业标准》燃料级设计， 该产品指标见表。 表 产品 MTBE 规格 燃料级 MTBE 质量分数， % ≥ 甲醇质量分数， % ≤ 气相水分质量分数， % ≤ 建筑 组成 拟建工程的主要建筑物为生产厂房、变电站、原料库、办公楼及其它生产辅助设施所组成。 按总平面规划要求建设道路、绿化及相应的消防、工业及卫生等设施。 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 9 第四章 过程 技术分析 反应原理 在所选择的工艺条件下 ,原料 C4中的异丁烯和工业甲醇 经预热 混合 后 通过催化剂床层并反应生成 MTBE。 异丁烯与甲醇在强酸性阳离子树脂催化剂的作用下 , 异丁烯在叔碳位形成正碳离子 , 具有较高的反应活性。 甲醇由于属于极性分子，与其进行 加成反应生成 MTBE。 该反应为放热反应 ,反应温度在 40℃ ~80℃ , MTBE 的合成反应受热力学平衡的制约。 在低温下 ,向生成 MTBE的方向反应 ,但是 ,从反应动力来说 , 在较高的温度下加快反应速度 ,但副反应也加快。 为此在生产操作中要 控制 合适的反应温度。 在反应的条件下 , 原料中所含水份与异丁烯反应生成叔丁醇 (TBA)。 异丁烯自聚生成二聚物 (DTB)、 甲醇缩合成二甲醚 (DME),副产品叔丁醇和二聚物也具有较高的辛烷值 ,可随同 MTBE调入汽油。 副反应方程式 : 反应条件 本过程采用连续操作，反应条件：温度 T=400C— 800C，反应压力 P=，一段反应 在 热管固定床 下进行 ，二段反应在绝热固定床下进行。 反应选择性和转化率 选择性：该反应 过程 为催化 加成。 在 80℃以下时，该反应过程为单一、不2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 10 可逆、选择性为 98%~99%。 转化率：反应为 液 相反应， 异丁烯 的转化率在 90%以上。 系统循环结构 在 MTBE合成反应中，由于甲醇 过量 不能完全转化，因此 必须对反应后的物流进行分离，使甲醇同其它的组分分离出来，通过循环返回反应器，从而提高反应物的利用率。 其循环结构如图 所示： 图 MTBE 生产过程系统循环结构图 分离工艺 从反应器中出来的物流含有 MTBE、未反应的甲醇、水等物质，它们都是以液体 形式存在。 MTBE 产品分离产用的是共沸精馏塔， C4 和甲醇分离采用的是水萃取塔， 而甲醇分离采用的是普通精馏塔。 图 三塔流程分离工艺图 控制方案的选择 [2][3] 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 11 该流程主要包括泵、换热器、反应器、精馏塔，下面详细介绍 各种过程的控制方案。 ．泵的控制方案 本设计中选用的泵均为 卧式化工流程 离心泵，对于泵设备主要是控制流量。 我们采用旁路阀调节的方式。 即用改变旁路阀开度的方法来调节实际排出量。 经旁路返回的液体，从泵得到的能量完全消耗在调节阀上。 泵出口有止回阀，防止液体回流打坏泵内部叶片；泵出口有一个现场指示压力表。 泵的 PID 图如下 图 所示 ： 该流程涉及的几种换热器：合成物料之间的换热器、冷却水冷却的换热器、蒸汽加热的换热器、精馏塔的再沸器和冷凝器，精馏塔的再沸器和冷凝器部分放在后面精 馏塔控制方案中作介绍。 对于换热器的控制，通过测定需控制温度物流的出口温度形成信号输入控制器，控制器控制公用工程的流量，通过这种改变公用工程用量的方式来调节并稳定需控制物流的出口温度。 此类换热器 PID 图如下 图 所示 ： 图 的控制示意图 图 泵 的控制示意图 本设计中的反应器为固定床反应器，催化剂床层的温度需要维持在一个给定值附近。 对于第一个反应器， 通过测定床层的温度形成信号输入控制器，控制器调节 是 利用冷却水移走部分热量 的方式来调节床层温度。 对于第二个反应器，通过 PRO/II 模拟知床层维持绝热固定床反应的温度在合成 MTBE 适宜反应2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 12 温度范围内 （ 60~650C 左右 ） ，不需要冷却措施。 对于该反应器的压力控制，只在反应器 的底部安装一个设定承受压力的安全阀，当压力过高时安全阀打开进行泄压， 使 压力恢复到正常压力。 该反应器的 PID图如下： 图 反应器的控制示意图 精馏塔的控制参数主要是压力、回流比、塔内温度、塔内液位。 下面对 甲醇精馏塔控制方案叙述如下： 甲醇精馏塔 T103 塔顶冷凝器为 部分冷 凝器，需要对其回流比进行调节。 首先通过测定回流罐的液位，形成信号控制自动调节阀，调节塔顶甲醇的采出量。 再通过测定甲醇采出的流量，形成信号控制自动调节阀，调节强制回流泵的旁路流量，以达到控制回流比的目 的。 塔的温度都是靠再沸器提供热量实现的。 一般塔的稳定主要靠测定灵敏板温度，灵敏板温度稳定说明精馏塔的温度比较稳定。 本系统通过测定灵敏板温度，形成信号，控制蒸汽流量，形成闭路控制系统。 精馏塔液位的控制是比较简单的，主要靠测定液位信号，通过控制排出塔釜的阀门开度，形成一个回路，2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计 13 达到控制液位的目的。 再沸器及液位控制图如下 图 ： 图 T101精馏塔塔顶回流比控制示意图 图 精馏塔温度及塔釜液位控制方案 第五章 流程模拟与优化 2 万吨 /年 MTBE 装置工艺设计。