年產(chǎn)4萬(wàn)噸MTBE裝置工藝計(jì)算設(shè)計(jì)目錄緒論生產(chǎn)工藝說明物料衡算熱量衡算主設(shè)備-催化精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算其余設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型原料消耗及動(dòng)力消耗定額機(jī)構(gòu)及定員環(huán)保要求總結(jié)摘要本次設(shè)計(jì)是對(duì)年產(chǎn)4萬(wàn)噸MTBE的裝置設(shè)計(jì)，MTBE因其特有用途而廣泛應(yīng)用到石油化工領(lǐng)域，此次設(shè)計(jì)以現(xiàn)如今工業(yè)上所用各種甲基叔丁基醚的生產(chǎn)工藝為技術(shù)依據(jù)，對(duì)該反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)條件、反應(yīng)選擇性都作以介紹。反應(yīng)原料由C4餾分中的異丁烯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.73％）以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.85％的外購(gòu)甲醇組成，在酸性催化劑的作用下生成MTBE。本次設(shè)計(jì)采用的流程是催化精餾生產(chǎn)工藝，由一反三塔裝置組成，用Aspenplus軟件對(duì)其進(jìn)行流程模擬與計(jì)算，并由模擬所得的數(shù)據(jù)對(duì)流程的各個(gè)設(shè)備（例如塔，換熱器，管子等）進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，最終得到了符合產(chǎn)品純度要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。關(guān)鍵詞：甲基叔丁基醚、Aspenplus、流程模擬緒論1.1MTBE有關(guān)性質(zhì)甲基叔丁基醚，英文縮寫為MTBE，熔點(diǎn)-109℃，沸點(diǎn)55.2℃，是一種無色、透明、高辛烷值的液體，MTBE是一種含氧量為18.2%的有機(jī)醚類，它的蒸汽比空氣重，可沿地面擴(kuò)散，與強(qiáng)氧化劑共存時(shí)可燃燒。其主要應(yīng)用在汽油添加劑中，因?yàn)樗鼘?duì)提高汽油辛烷值和氧含量有明顯作用，是生產(chǎn)高辛烷值汽油和含氧汽油的理想的調(diào)合組分[1]。自2001年起MTBE取代了四乙基鉛在汽油添加劑當(dāng)中的地位[2]。MTBE的分子式為CH3OC(CH3)3,相對(duì)分子量為88.15,研究法辛烷值為115，馬達(dá)法辛烷值為100。MTBE約有90％以上用作汽油添加劑和抗爆劑，它除了可以提高辛烷值之外，還可以提高燃燒率，并且有降低一氧化碳和苯排放的功能[3]。表1-1MTBE有關(guān)物理性質(zhì)表名稱數(shù)值密度（kg/m3,20℃）740.6臨界溫度/℃223.9臨界壓力/Mpa3.37折光指數(shù)（20℃）1.3689著火點(diǎn)/℃480燃燒熱（MJ/kg）38.21蒸發(fā)熱/(J/(g·k))30.1在水中的溶解度（20℃，g/100g）4.31.2MTBE合成方法及研究意義MTBE一般由甲醇和異丁烯在酸性催化劑的作用下合成，目前應(yīng)用最多的催化劑是酸性分子篩催化劑和樹脂催化劑。MTBE的合成反應(yīng)是一個(gè)選擇性加成反應(yīng)，烯烴中的叔碳原子在酸性催化劑的存在之下形成正碳離子，然后與醇結(jié)合生成醚，MTBE的生成反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱，溫度越高反應(yīng)向逆方向進(jìn)行程度增大，溫度越低的話向正反應(yīng)方向程度增大但是反應(yīng)速率會(huì)降低，所以在此反應(yīng)中要嚴(yán)格控制溫度，有研究表明，溫度在40-70℃時(shí)此反應(yīng)的進(jìn)行程度最大[4]。MTBE生成反應(yīng)中常伴隨以下副反應(yīng)：水和異丁烯反應(yīng)生成叔丁醇（TBA）、異丁烯自聚生成異丁烯低聚物（DIB）、正丁烯與甲醇反應(yīng)生成甲基仲丁基醚（MSBE），副產(chǎn)物還包括極少量甲基叔戊基醚（TAME）、甲基異丁基醚（MIBE）、二甲醚（DME）等[5]。主反應(yīng)方程式如下：易發(fā)生副反應(yīng)：選用分子篩為催化劑時(shí)，合成MTBE的反應(yīng)是一個(gè)液固相催化反應(yīng)，且分子篩催化劑對(duì)甲醇的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對(duì)異丁烯和MTBE的吸附量，因?yàn)榧状际菑?qiáng)極性物質(zhì)，液相反應(yīng)體系是非理想體系。此反應(yīng)速率是單組分吸附態(tài)的表面化學(xué)反應(yīng)控制，以均勻表面吸附理論為基礎(chǔ)的Langmuir-Hinshelwood型動(dòng)力學(xué)方程可轉(zhuǎn)化成冪函數(shù)型動(dòng)力學(xué)方程：，此式中，為反應(yīng)速率，aIB，aMeOH，aMTBE分別表示異丁烯、甲醇、甲基叔丁基醚的活度，和表示正逆反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)速率常數(shù)可由Arrhenius方程計(jì)算獲得：,其中，T為反應(yīng)溫度，單位為K，R=8.314J/(mol·K)。MTBE除了可以用作汽油添加劑外，因其有難氧化性質(zhì)，所以MTBE還可以作反應(yīng)溶劑和試劑，例如在異戊烯的制備、甲酯的制備、苯酚的烷基化等反應(yīng)中可用作溶劑，除此之外，MTBE還可以在酸性催化劑的條件下裂解來制備高純度的異丁烯，裂解會(huì)生成異丁烯和甲醇，甲醇可以通過水洗方法除去，然后用精餾得到高純度異丁烯，異丁烯是一種極為珍貴的化工原料，通過裂解制備的高純度異丁烯可以廣泛用于生產(chǎn)丁基橡膠、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、ABS樹脂、聚異丁烯、特戊酸、叔丁胺以及酚類抗氧劑等[6][7]。反應(yīng)式如下：此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度有利于反應(yīng)向正方向發(fā)生。此外，MTBE還有一個(gè)用途就是可以和菜籽油生產(chǎn)生物柴油，使用這種技術(shù)，芥花籽油與MTBE反應(yīng)會(huì)生成脂肪酸甲酯(FAME)和甘油叔丁基醚[8]。這也是MTBE的一個(gè)特殊的用途。在清潔汽油的大時(shí)代背景下，因?yàn)榱驅(qū)Νh(huán)境和人體具有嚴(yán)重危害，所以對(duì)汽油中硫含量要嚴(yán)格把關(guān)。在前幾年，我國(guó)調(diào)和汽油辛烷值首選的就是MTBE，隨著我國(guó)車用汽油標(biāo)準(zhǔn)的升高，對(duì)汽油中硫含量有了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)Ⅱ、國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)要求汽油硫含量分別小于500μg/g,150μg/g,50μg/g,10μg/g。我國(guó)生產(chǎn)的MTBE硫含量指標(biāo)限值在50-500μg/g間，在執(zhí)行國(guó)Ⅰ國(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代，汽油中加入15％的MTBE其硫含量都不會(huì)超標(biāo)，但是在國(guó)Ⅴ國(guó)Ⅵ時(shí)期，汽油中加入10％的MTBE都會(huì)導(dǎo)致硫含量的超標(biāo)[9]。傳統(tǒng)雙脫工藝處理后的產(chǎn)品含硫量雖然與液化氣脫硫有關(guān)，但影響最大的是原料中碳四化合物中硫的含量，所以生產(chǎn)低硫MTBE主要問題是解決碳四組分含硫量的問題。新型汽油如醇類、烷基化油、重整汽油在迅速興起，因?yàn)榇碱惼驮谌紵胁灰仔纬煞e碳，尾氣污染小，烷基化油、重整汽油具有高辛烷值且比有MTBE調(diào)和的汽油更清潔環(huán)保，這些會(huì)對(duì)MTBE需求產(chǎn)生一定的沖擊[11]。但是醇類汽油價(jià)格較高,熱值比一般汽油小很多，而且對(duì)汽車的內(nèi)燃機(jī)等設(shè)備要求較高，所以對(duì)MTBE的取代過程會(huì)較為緩慢，MTBE仍有很大市場(chǎng)。1.3我國(guó)MTBE產(chǎn)能及進(jìn)出口狀況圖1.12014-2019年我國(guó)MTBE產(chǎn)能趨勢(shì)圖由上圖可以看出，我國(guó)MTBE產(chǎn)能在不斷增加，但近年來產(chǎn)能增長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)。圖1.22011-2018年我國(guó)MTBE進(jìn)出口情況圖由上圖可看出我國(guó)MTBE的進(jìn)出口量變化均較大，我國(guó)MTBE的進(jìn)口量總體上呈下降趨勢(shì)而出口量在逐年增加，這反映出我國(guó)MTBE的國(guó)內(nèi)自給率逐步上升，國(guó)產(chǎn)貨陸續(xù)取代了進(jìn)口貨，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)逐漸可以滿足國(guó)內(nèi)需求，進(jìn)口依存度逐步降低。我國(guó)MTBE進(jìn)口主要來自馬來西亞、沙特阿拉伯和卡塔爾，其中馬來西亞以近一半的進(jìn)口量而占據(jù)首位，而我國(guó)MTBE主要出口為韓國(guó)、新加坡等國(guó)，其中出口到韓國(guó)占比最多。1.4工藝發(fā)展?fàn)顩r1.4.1國(guó)外工藝發(fā)展現(xiàn)狀自1973年世界上第1套10萬(wàn)t/a的MTBE裝置在意大利斯納姆(SNAM)公司建成后，美國(guó)和西歐等地掀起了建設(shè)MTBE生產(chǎn)裝置的熱潮[11]。經(jīng)過近五十年的發(fā)展，目前國(guó)外MTBE的生產(chǎn)有多種工藝方法，其中具有代表性的有法國(guó)IFP工藝、意大利SnamProgetti/Anic工藝和美國(guó)催化蒸餾工藝。1.4.1.1法國(guó)IFP工藝此工藝用含異丁烯的裂解蒸汽和催化裂化的碳四餾分作為原料，特點(diǎn)是主反應(yīng)器采用上流筒式外循環(huán)膨脹床，陽(yáng)離子交換樹脂催化劑保持著運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以此來保證了反應(yīng)的熱平穩(wěn)釋放，消除了反應(yīng)器的熱點(diǎn)，也將副產(chǎn)物的生成控制到了最小程度，上流式的進(jìn)料方式使得床層壓降降低。此工藝優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝填方便，容易操作，投資較少。此外還有IFP二段工藝，二段工藝增加了二段反應(yīng)器和第二脫C4餾分塔，可適應(yīng)不同異丁烯含量的C4餾分原料。1-主反應(yīng)器；2-補(bǔ)充反應(yīng)器；3-脫C4塔；4-水洗塔；5-甲醇-水分離器圖1.3IFP一段法工藝流程圖意大利SnamProgetti/Anic工藝該工藝以聚苯乙烯和二乙烯苯離子交換樹脂為催化劑，為了有效消除反應(yīng)熱與控制床層溫度，反應(yīng)器采用列管式固定器，原料自上而下通過裝填催化劑的管程，反應(yīng)熱通過冷卻水移走。此工藝中甲醇需稍微過量，甲醇過量會(huì)引起MTBE難以凈化，此種情況可以采用斯/阿二段工藝，即采用兩個(gè)串聯(lián)的列管式反應(yīng)器進(jìn)行操作。1-預(yù)熱器；2-反應(yīng)器；3-冷卻器；4-分離器；5-熱交換器；6-氣液分離器圖1.4SnamProgetti/Anic工藝流程圖美國(guó)催化蒸餾工藝（1）醇烯比大于1時(shí)甲醇過量的情況下，生產(chǎn)MTBE包括反應(yīng)-精餾、C4凈化兩個(gè)工序。反應(yīng)-精餾階段讓生成的MTBE與未反應(yīng)的C4烴類分離，水洗回收重回反應(yīng)段，得到的無甲醇碳四混合物用于烷基化或分離出1-丁烯，此種方法生產(chǎn)的MTBE純度可達(dá)98％-99％。1-水洗塔；2-保護(hù)床；3-催化精餾塔；4-甲醇回收塔圖1.5醇烯比大于1的生產(chǎn)MTBE流程圖（2）醇烯比小于1時(shí)在此種條件下，甲醇消耗徹底，在工藝流程中不設(shè)甲醇水洗和回收部分，進(jìn)料中的甲醇百分之百轉(zhuǎn)化，C4餾分中異丁烯變?yōu)镸TBE轉(zhuǎn)化率可達(dá)90％-95％，產(chǎn)品中MTBE含量達(dá)85％，純度達(dá)98％，剩下主要是C8共聚物。1-水洗塔；2-保護(hù)床；3-催化精餾塔圖1.6醇烯比小于1的生產(chǎn)MTBE流程圖國(guó)外有多種生產(chǎn)MTBE的方法，下表羅列出它們各自的特點(diǎn)：表1-2國(guó)外多種MTBE生產(chǎn)特點(diǎn)表公司原料工藝特點(diǎn)CDTechInc.煉廠C4液流，蒸汽裂解，甲醇用專利沸點(diǎn)反應(yīng)器和催化蒸餾技術(shù)ARCOChem.Co混合C4液流，甲醇可靠的有彈性的優(yōu)化工藝，已工業(yè)生產(chǎn)20多年EdeleanuC4抽余液，甲醇異丁烯和甲醇催化加成反應(yīng)HnelsAG含異丁烯液流，甲醇液相催化加成，選擇性高，能量有效利用PhillipsPetroleumCo.異丁烯，甲醇離子交換樹脂反應(yīng)器，中等反應(yīng)條件，MTBE產(chǎn)率99％Stone&Web/ARCOChem.Co丁二烯裝置抽余液，甲醇使用原料廣泛，投資和操作費(fèi)用低CR&LNeochemFCC異丁烯，甲醇固定床，離子交換樹脂催化，連續(xù)反應(yīng)，能耗低UOPFCCC4，蒸汽裂解或脫氫，甲醇Bhemax工藝，催化反應(yīng)蒸餾，轉(zhuǎn)化率99％DavyInter.異丁烯，甲醇丁烷異構(gòu)化脫氫，固定床離子交換樹脂醚化IFPFCC或蒸汽裂解異丁烷，甲醇液相反應(yīng)，離子交換樹脂醚化Mafld異丁烯（10％-50％），甲醇液相反應(yīng)，硫酸催化SnamProgettiFCC或蒸汽裂解異丁烷，甲醇液相反應(yīng)，離子交換樹脂催化住友化學(xué)異丁烯，甲醇收率高，適合丁烷餾分分離SunOilFCCC4，甲醇固定床，液相，循環(huán)甲醇用水抽提國(guó)內(nèi)工藝發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)依靠自己的科技力量經(jīng)過多年探索、不斷突破，現(xiàn)在也有多種不同途徑來生產(chǎn)MTBE的工藝[12]。2008年底，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有50多套MTBE生產(chǎn)裝置，其中裝置規(guī)模在0.1Mt/a以上的公司有4家，裝置規(guī)模在0.05Mt/a以上的公司有17家。到2015年，我國(guó)MTBE的生產(chǎn)能力為1680.5萬(wàn)噸/年，2019年隨著大連恒力石化煉化一體化裝置配套的82.0萬(wàn)噸/年MTBE生產(chǎn)裝置建成投產(chǎn)，生產(chǎn)能力進(jìn)一步增加。如今，MTBE行業(yè)經(jīng)過10余年的快速發(fā)展，產(chǎn)能超過19Mt/a，裝置超過200套[13]。我國(guó)生產(chǎn)MTBE的方法有固定床反應(yīng)技術(shù)，催化蒸餾反應(yīng)技術(shù)，混合膨脹床-催化蒸餾技術(shù)。下面主要介紹催化蒸餾反應(yīng)技術(shù)和混合膨脹床-催化蒸餾技術(shù)。1.4.2.1催化蒸餾反應(yīng)技術(shù)催化精餾技術(shù)最主要的設(shè)備就是催化精餾塔，催化精餾塔與別的塔器相比最顯著的特征就是在塔中段設(shè)置反應(yīng)段，原料在催化劑作用下進(jìn)一步反應(yīng)，而反應(yīng)所放出的熱量可以用來使塔頂塔底產(chǎn)品分離，不僅控制了反應(yīng)溫度，還減少了外部設(shè)備的耗費(fèi)。從微觀上講，反應(yīng)產(chǎn)品MTBE被分離移出反應(yīng)單元,反應(yīng)物中的MTBE濃度降低,從而增強(qiáng)了反應(yīng)向正方向進(jìn)行，使得異丁烯達(dá)到更高的轉(zhuǎn)化率。1-反應(yīng)器；2-催化蒸餾塔；3-甲醇抽提塔；4-甲醇回收塔圖1.7齊魯石化催化MTBE工藝流程混合膨脹床-催化蒸餾技術(shù)MTBE的合成會(huì)伴隨著放熱，調(diào)節(jié)反應(yīng)器出口壓力使液相物料部分汽化帶走部分反應(yīng)熱，從而使反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物料成氣液混相狀態(tài)，不用外循環(huán)取熱，將熱量以進(jìn)料溫度的形式送入催化蒸餾塔內(nèi)利用[14]。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了操作人員的工作強(qiáng)度，此外，物料自底部進(jìn)人反應(yīng)器，催化劑顆粒在一定的線速下呈膨脹狀態(tài)，且有輕微擾動(dòng)，這大大加快了床層內(nèi)的熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，避免局部過熱所造成的催化劑結(jié)塊、催化劑壽命縮短等不良現(xiàn)象，同時(shí)也減少了副反應(yīng)的發(fā)生[15]。此方法的特點(diǎn)是在反應(yīng)器中完成了90％以上的轉(zhuǎn)化，然后繼續(xù)在催化蒸餾塔中完成超過平衡轉(zhuǎn)化率的那部分，實(shí)現(xiàn)了異丁烯的深度轉(zhuǎn)化。1-液相反應(yīng)器；2-催化精餾塔；3-甲醇抽提塔；4-甲醇回收塔圖1.8混合膨脹床-催化蒸餾技術(shù)工藝流程圖設(shè)計(jì)概況設(shè)計(jì)依據(jù)本次設(shè)計(jì)是通過大量地研讀有關(guān)MTBE的性質(zhì)、用途、市場(chǎng)規(guī)模和生產(chǎn)工藝的文獻(xiàn)后進(jìn)行的一次MTBE的裝置工藝設(shè)計(jì)。原料性質(zhì)表1-3原料C4餾分組成表序號(hào)名稱含量/wt％1丙烷0.182異丁烷24.123正丁烯21.624異丁烯18.735正丁烷13.946反丁烯8.597順丁烯12.428異戊烷0.4合計(jì)100外購(gòu)甲醇濃度為99.85wt%，其余雜質(zhì)主要是水。1.5.3設(shè)計(jì)規(guī)模裝置的生產(chǎn)規(guī)模為4萬(wàn)噸/年，年開工時(shí)間為8000h，則產(chǎn)品的流量為5000kg/h,要求MTBE純度達(dá)到98wt％，查得MTBE的相對(duì)分子質(zhì)量為88.15,代入求得產(chǎn)品的流量至少為55.59kmol/h。年平均氣溫10℃，年平均大氣壓99.42kPa，相對(duì)濕度64%~70%。產(chǎn)品質(zhì)量要求表1-4產(chǎn)品組成要求表序號(hào)組分含量/wt％1MTBE≥98.02叔丁醇0.6-1.03低聚物0.3-0.54甲醇＜0.15C40.3-0.56DIB≤0.51.5.5建筑組成擬建工程的主要建筑物有生產(chǎn)廠房，原料庫(kù)，辦公樓，變電站及其他生產(chǎn)輔助設(shè)施，全部按照總平面規(guī)劃的要求建設(shè)道路、綠化、以及相應(yīng)的消防及衛(wèi)生等設(shè)施。1.6主要設(shè)計(jì)內(nèi)容本次工藝設(shè)計(jì)將采取催化精餾工藝，主要設(shè)備由一個(gè)反應(yīng)器、MTBE反應(yīng)精餾塔、水萃取塔、甲醇回收塔組成，這種一反三塔裝置工藝可以適用于異丁烯濃度變化較大的C4原料。設(shè)計(jì)中先構(gòu)建總的工藝流程，繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，然后用Aspenplus軟件對(duì)所確定流程進(jìn)行模擬，用aspen進(jìn)行物料衡算和熱量衡算，然后對(duì)主設(shè)備反應(yīng)精餾塔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，然后對(duì)反應(yīng)精餾塔的接管、甲醇回收塔進(jìn)料泵、冷凝器和再沸器進(jìn)行設(shè)計(jì)及選型，最后繪制反應(yīng)精餾塔的裝配圖以及車間的平立面布置圖。1.7設(shè)計(jì)所用軟件針對(duì)此次工藝流程模擬，選用Aspenplus軟件，Aspen

Plus是大型通用流程模擬軟件，它起源于上世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)能源部在麻省理工學(xué)院組織開發(fā)新型模擬軟件，在那個(gè)時(shí)代背景下aspenplus應(yīng)運(yùn)而生。1982年成立了AspenTech公司，自那以后aspen開始商業(yè)化，該軟件近年來不斷更新，先后已經(jīng)有十余個(gè)版本，它里面包含豐富的單元操作模型和6000多種純物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，含有涉及5000多種二元混合物的二元交互作用參數(shù)，廣受各大化工、煉油公司的青睞，它和Pro/Ⅱ以及Hsys等軟件相比物性參數(shù)更為豐富，在處理復(fù)雜的工藝流程時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)。1.8活度系數(shù)模型選擇在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，物系組成包括甲醇、水、C4、MTBE和少許其它醚類，因?yàn)楹袠O性溶劑，所以體系是非理想體系，在Aspenplus所提供的活度系數(shù)模型里面，UNIFAC活度系數(shù)模型可以用于MTBE體系的相平衡計(jì)算，所以在本次模擬當(dāng)中物性方法采用UNIFAC模型。生產(chǎn)工藝說明2.1MTBE的生產(chǎn)方法確定2.1.1威廉遜合成法威廉遜合成法是指用鹵代烷和醇鈉、硫酸烷酯或酯鈉（鉀）類作用生成醚的反應(yīng)，此法在制備各種混醚時(shí)具有重要作用，在威廉遜合成MTBE的設(shè)計(jì)中有兩種路線，路線一是利用叔丁醇鈉和鹵甲烷反應(yīng)生成MTBE，合成路線如下：(CH3)3C—ONa+CH3X→CH3OC(CH3)3+NaX這種方法因?yàn)樵习嘿F，所以只能用于實(shí)驗(yàn)室合成MTBE，無法推廣至工業(yè)生產(chǎn)。路線二是利用甲醇鈉和叔丁基鹵反應(yīng)，但是這種情況下MTBE是作為副產(chǎn)物出現(xiàn)的，主反應(yīng)是叔丁基鹵發(fā)生消除反應(yīng)生成異丁烯，故此法不適用。2.1.2甲醇和叔丁醇脫水合成MTBE用甲醇和叔丁醇在稀硫酸的催化作用下反應(yīng)會(huì)得到MTBE粗產(chǎn)品，反應(yīng)如下：反應(yīng)原理如下：通過反復(fù)水洗、干燥，金屬鈉回流可以除掉微量水分，然后通過甲醇后蒸餾即可得到無醇的MTBE，雖然會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物二甲醚和異丁烯，但二者在室溫下都是氣體，不會(huì)收集在產(chǎn)品中，這種方法由于原料較為便宜，可以用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，但是缺點(diǎn)是叔丁醇的轉(zhuǎn)化率和MTBE的選擇性較低。2.1.3甲醇與異丁烯反應(yīng)制取MTBE目前在工業(yè)上使用最多的的就是以甲醇和異丁烯為原料在酸性催化劑的存在下反應(yīng)制取MTBE：這種工藝生產(chǎn)方法已經(jīng)很成熟，目前正朝著規(guī)?；?，裝置大型化方向發(fā)展，所以我們此次設(shè)計(jì)也是采用這種生產(chǎn)方法。2.2工藝流程說明外來甲醇和混合碳四控制醇烯比為1.03進(jìn)料，經(jīng)過混合器X101混合后送入預(yù)熱器E101對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱至溫度達(dá)52℃，然后進(jìn)入反應(yīng)器R101，在反應(yīng)器中甲醇和異丁烯反應(yīng),生成MTBE，所得產(chǎn)物經(jīng)換熱器E102換熱后送入第一個(gè)塔催化精餾塔T101進(jìn)行反應(yīng)和產(chǎn)品分離，滿足產(chǎn)品純度要求的產(chǎn)物MTBE經(jīng)塔釜流出，流出的產(chǎn)品經(jīng)換熱器E104換熱后溫度降至25℃送至成品罐區(qū)，塔頂產(chǎn)物在換熱器E103作用下經(jīng)過萃取塔T102底部，萃取水由外來水以及后續(xù)甲醇回收塔中塔底產(chǎn)物共同提供，水萃取塔中C4組分主要從塔頂餾出，塔底產(chǎn)物經(jīng)換熱器E105換熱后進(jìn)入閃蒸罐中，閃蒸罐中繼續(xù)脫除一部分C4組分從罐頂流出，底部產(chǎn)物經(jīng)由泵P101以及換熱器E106換熱后進(jìn)入甲醇回收塔，經(jīng)甲醇回收塔分離后，塔頂產(chǎn)物甲醇達(dá)到回收使用濃度經(jīng)換熱器E108換熱后送入混合器X101中循環(huán)使用，塔底產(chǎn)物經(jīng)泵P102送至換熱器E107中換熱后送入混合器X102中與外萃取水一同混合作為水萃取塔的原料，此工藝流程形成了循環(huán)回路。圖2.1aspen繪工藝流程圖物料衡算根據(jù)此工藝流程的生產(chǎn)特點(diǎn)，將其中的關(guān)鍵設(shè)備的物料衡算列出：3.1反應(yīng)器R101的物料衡算圖3.1反應(yīng)器模型圖3.2反應(yīng)器溫度壓力設(shè)置圖設(shè)置完反應(yīng)器的溫度及壓力后，因原料的組分問題，所以在此操作條件下不只會(huì)有我們所希望的主反應(yīng)（甲醇和異丁烯反應(yīng)生成MTBE），不可避免地還會(huì)有幾個(gè)主要副反應(yīng)的發(fā)生，如甲醇生成二甲醚（DME）和水、異丁烯自聚生成二異丁烯、異丁烯和水反應(yīng)生成叔丁醇（TBA），故對(duì)主副反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率作以規(guī)定：圖3.3反應(yīng)器主副反應(yīng)設(shè)置圖對(duì)反應(yīng)器所有參數(shù)設(shè)置完之后，進(jìn)行運(yùn)行，得到反應(yīng)器的模擬結(jié)果：表3-1反應(yīng)器物料衡算表組分入口處（S4）質(zhì)量流量（kg/h）出口處（S5）質(zhì)量流量（kg/h）PROPANE32.4032.40ISOBUTANE4341.604341.60PROPANE2509.212509.21ISOBUTYLENE3371.40123.611-BUTENE3891.603891.60TRANS-2-BUTENE1546.201546.20CIS-2-BUTENE2235.602235.602-METHYL-BUTANE72.0072.00METHANOL2039.58170.84WATER2.976.18METHYL-TERT-BUTYL-ETHER9.91e-065084.89TERT-BUTYL-ALCOHOL1.3e-0510.402,4,4-TRIMETHYL-1-PENTENE03.37DIMETHYL-ETHER0.0414.71總量20042.620042.63.2催化精餾塔T101的物料衡算圖3.4催化精餾塔模型圖3.5催化精餾塔配置參數(shù)圖圖3.6催化精餾塔進(jìn)料板確定圖圖3.7催化精餾塔壓力設(shè)置圖圖3.8催化精餾塔反應(yīng)段反應(yīng)設(shè)置圖圖3.9反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)置圖圖3.10逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)置圖圖3.11催化精餾塔反應(yīng)段起始位置圖把催化精餾塔所用參數(shù)全部設(shè)置完之后，模擬出運(yùn)行結(jié)果：表3-2催化精餾塔物料衡算表組分入口處（S6）質(zhì)量流量（kg/h）出口處（S7）質(zhì)量流量(kg/h)出口處（S8）質(zhì)量流量(kg/h)C3H832.4032.401.29e-06C4H104341.604341.560.05N-BUT-012509.212509.210.0001C4H8123.61166.680.031-BUT-013891.603891.400.20TRANS-011546.201545.690.52CIS-2-012235.602234.141.46C5H1272.0046.2625.74CH30H170.84190.744.71WATER6.181.055.13MTBE5084.890.245016.94C4H10O10.400.00110.402:4:4-013.373.44e-163.37DME14.7114.714.75e-06總量20042.614974.15068.543.3水萃取塔T102的物料衡算圖3.12水萃取塔模型圖圖3.13水萃取塔塔板規(guī)定圖圖3.14水萃取塔關(guān)鍵組分選取圖圖3.15水萃取塔流股設(shè)置圖圖3.16水萃取塔壓力設(shè)置圖水萃取塔T102各參數(shù)設(shè)置完成后，模擬出結(jié)果：表3-3水萃取塔物料衡算表組分入口處（S9）質(zhì)量流量(kg/h)入口處（S22）質(zhì)量流量(kg/h)出口處（S10）質(zhì)量流量(kg/h)出口處（S11）質(zhì)量流量（kg/h）C3H832.406.38e-1732.120.28C4H104341.555.38e-174329.7711.79N-BUT-012509.204.94e-152487.6121.60C4H8166.685.88e-17166.020.671-BUT-013891.406.14e-163877.5713.84TRANS-011545.693.33e-161540.025.67CIS-2-012234.145.84e-162225.958.19C5H1246.268.97e-2146.220.04CH30H190.744.490.34194.89WATER1.0477324.8559.287266.61MTBE0.242.11e-150.230.001C4H10O0.0012.27e-110.000860.00032:4:4-013.44e-16000DME14.712.16e-0810.424.28總量14974.077329.3414775.547527.863.4甲醇回收塔T103的物料衡算圖3.17甲醇回收塔模型圖圖3.18甲醇回收塔配置參數(shù)圖圖3.19甲醇回收塔進(jìn)料板確定圖圖3.20甲醇回收塔壓力設(shè)置圖對(duì)甲醇回收塔的各參數(shù)設(shè)置完之后，模擬出結(jié)果：表3-4甲醇回收塔物料衡算表組分入口處（S15）質(zhì)量流量（kg/h）出口處（S16）質(zhì)量流量（kg/h）出口處（S17）質(zhì)量流量（kg/h）C3H89.42e-059.42e-056.38e-17C4H100.0020.0025.38e-17N-BUT-010.0070.0074.94e-15C4H80.00020.00025.88e-171-BUT-010.0040.0046.14e-16TRANS-010.0020.0023.33e-16CIS-2-010.0030.0035.84e-16C5H127.41e-067.41e-068.97e-21CH30H61.8859.552.33WATER5884.840.00015884.84MTBE9.91e-069.91e-062.11e-15C4H10O1.34e-051.34-052.27e-112:4:4-01000DME0.040.042.16e-08總量5946.7859.615887.173.5總物料衡算圖3.21全工藝模擬圖表3-5總物料衡算表組分S1(進(jìn))質(zhì)量流量（kg/h）S2(進(jìn))質(zhì)量流量(kg/h)S21(進(jìn))質(zhì)量流量（kg/h）MTBE(出)質(zhì)量流量（kg/h）S10(出)質(zhì)量流量（kg/h）C4-OUT(出)質(zhì)量流量（kg/h）C3H832.4001.29e-0632.120.28C4H104341.6000.054329.7711.79N-BUT-012509.2000.00012487.6121.59C4H83371.4000.03166.020.671-BUT-013891.6000.203877.5713.83TRANS-011546.2000.521540.025.67CIS-2-012235.6001.462225.958.19C5H1272.000025.7446.220.04CH30H01980.032.164.710.34133.02WATER02.971440.015.1359.281381.77MTBE0005016.940.230.002C4H10O00010.400.00080.00022:4:4-010003.3700DME0004.75e-0610.424.24總量1800019831442.175068.5414775.51581.08由上表可以求得所有進(jìn)口物流的總質(zhì)量流量為：18000+1983+1442.17=21425.17kg/h；而所有出口物流的總質(zhì)量流量為：5068.54+14775.5+1581.08=21425.12kg/h。兩者值近似一致，物料衡算成立。且由物料衡算結(jié)果可以看出，MTBE產(chǎn)量為5068.54kg/h，年開工時(shí)間為8000h,則年產(chǎn)量約為4.055萬(wàn)噸，故達(dá)到了年產(chǎn)4萬(wàn)噸的生產(chǎn)要求。由aspen計(jì)算得：圖3.6產(chǎn)品組成圖產(chǎn)品MTBE純度為98.98wt%，大于所要求的98wt％，產(chǎn)品質(zhì)量合格；甲醇回收的純度為99.89wt％，水純度為99.96wt％，均達(dá)到了回收利用要求，將其作為循環(huán)物流打入系統(tǒng)，運(yùn)算結(jié)果無報(bào)錯(cuò)。3.6本章小結(jié)在本章節(jié)中，通過前一章所確定的工藝流程，在aspen里面首先要構(gòu)建出整體的模擬大致流程，但是要先對(duì)各設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)模擬，初步確定好設(shè)計(jì)參數(shù)之后之后再將總體的工藝流程全部連通起來，然后形成循環(huán)回路進(jìn)行模擬，物料衡算的結(jié)果都來自于aspen的計(jì)算，我們通過作物料衡算可以得到原料的消耗量、產(chǎn)品的產(chǎn)量以及純度，可以展示出工藝的優(yōu)劣性，為后續(xù)計(jì)算打好基礎(chǔ)。第四章熱量衡算物料衡算完成之后我們還需要根據(jù)進(jìn)料量進(jìn)行相應(yīng)的熱量衡算，熱量衡算可以幫助我們對(duì)工藝過程中加熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)的需求量有一個(gè)定量認(rèn)識(shí)，還可以對(duì)各設(shè)備的能量耗費(fèi)做出判斷，以便于我們進(jìn)行成本計(jì)算。此次設(shè)計(jì)以混合碳四和外購(gòu)甲醇為原料，物料會(huì)從一個(gè)體系流向另一個(gè)體系，不僅會(huì)有質(zhì)量的傳遞，也會(huì)有能量的轉(zhuǎn)化。進(jìn)行熱量衡算的依據(jù)是下列公式：即化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)熱=生成物生成焓總和—反應(yīng)物生成焓總和。除上述公式外在熱量恒算時(shí)還要考慮物理變化的熱效應(yīng)，設(shè)備的熱負(fù)荷以及熱量的散失，物理變化的熱效應(yīng)即進(jìn)出口物流的焓差，設(shè)備的熱負(fù)荷可以由aspen模擬結(jié)果來提供，熱量損失一般我們可以忽略不計(jì)。所以，考慮到所有熱量形式，模擬過程中熱量滿足熱量守恒定律，即系統(tǒng)輸入能量—系統(tǒng)輸出能量=系統(tǒng)積累能量，系統(tǒng)輸入能量和輸出能量均體現(xiàn)在設(shè)備的熱負(fù)荷上，而系統(tǒng)積累能量等于物料進(jìn)出的焓差，則有：其中：Q代表設(shè)備的熱負(fù)荷，∑Hout代表出口物料焓之和，∑Hin指的是入口物料焓之和。下列是此次設(shè)計(jì)中幾個(gè)主要設(shè)備的熱量衡算表，其值均由aspen計(jì)算而來：4.1反應(yīng)器熱量衡算圖4.1反應(yīng)器凈熱負(fù)荷圖圖4.2反應(yīng)器進(jìn)出口物料焓值圖表4-1反應(yīng)器熱量衡算表進(jìn)料焓值（MJ/h）出料焓值(MJ/h)凈熱負(fù)荷(MJ/h)-37543.3-39566.9-2023.61出料口焓值-進(jìn)料口焓值=-2022.61MJ/h=凈熱負(fù)荷，能量衡算成立。4.2催化精餾塔熱量衡算圖4.3催化精餾塔冷凝器再沸器熱負(fù)荷圖圖4.4催化精餾塔進(jìn)出口物料焓值圖表4-2催化精餾塔熱量衡算表進(jìn)料焓值（MJ/h）出料焓值(MJ/h)冷凝器熱負(fù)荷(MJ/h)再沸器熱負(fù)荷(MJ/h)-36753.1-40805.3-8726.734674.52算得出料口焓值-進(jìn)料口焓值=-4052.2MJ/h=冷凝器熱負(fù)荷+再沸器熱負(fù)荷。4.3水萃取塔熱量衡算圖4.5水萃取塔進(jìn)出口物料焓值圖表4-3水萃取塔能量衡算表進(jìn)料焓值（MJ/h）出料焓值(MJ/h)-138599-138599可得水萃取塔中進(jìn)料焓值=出料焓值。4.4甲醇回收塔熱量衡算圖4.6甲醇回收塔冷凝器再沸器熱負(fù)荷圖圖4.7甲醇回收塔進(jìn)出口物料焓值圖表4-4甲醇回收塔能量衡算表進(jìn)料焓值（MJ/h）出料焓值(MJ/h)冷凝器熱負(fù)荷(MJ/h)再沸器熱負(fù)荷(MJ/h)-92951.7-90622.9-3107.095435.93算得出料口焓值-進(jìn)料口焓值=2328.8MJ/h=冷凝器熱負(fù)荷+再沸器熱負(fù)荷。4.5總能量衡算表4-5總能量衡算表項(xiàng)目物流焓值（MJ/h）進(jìn)出口物流S1-24186.6S2-14779.89S21-22860.56MTBE-18056.96C4-OUT-22830.95S10-19366.65各設(shè)備反應(yīng)器R101-2023.61換熱器匯總E總1717.06P10128.8P10228.8催化精餾塔T101-4052.2閃蒸罐SZG3554.67甲醇回收塔T1022328.8出料口焓值-進(jìn)料口焓值=1572.49MJ/h≈各設(shè)備熱負(fù)荷之和。4.6本章小結(jié)通過用aspen進(jìn)行流程模擬完之后可以查看熱量衡算的結(jié)果，所有結(jié)果皆由aspen模擬給出，通過熱量衡算我們可以得到各個(gè)裝置的熱量消耗以及整體工藝流程所消耗熱量的情況，通過作熱量衡算有利于我們進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，同時(shí)對(duì)后續(xù)的設(shè)備尺寸確定以及設(shè)備的選型提供了數(shù)據(jù)。第五章主設(shè)備-催化精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算塔設(shè)備可使氣液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到實(shí)際傳質(zhì)及傳熱的目的，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。在塔設(shè)備中常完成的單元操作有：吸收、精餾、和萃取等。除此之外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥也可以用塔設(shè)備來進(jìn)行操作。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)塔設(shè)備的要求包括：生產(chǎn)能力要大，單位塔截面積要通過較大的氣、液相流量。塔板結(jié)構(gòu)要有利于氣液兩相充分接觸，要求具有較高的塔板效率或傳質(zhì)速率。流動(dòng)阻力小，氣體通過塔板及其液層的壓降低。操作彈性大。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，方便安裝及檢修。能夠滿足物系某些工藝特殊要求，如熱敏性、腐蝕性、起泡性等。常見塔類型有板式塔和填料塔，它們各有特點(diǎn)：表5-1板式塔與填料塔的對(duì)比項(xiàng)目塔型板式塔填料塔壓降壓降一般大于填料塔壓降較小空塔氣速小大塔效率效率穩(wěn)定，大塔效率高于小塔塔徑在1.4m以下效率較高，隨著塔徑增大效率下降液氣比適應(yīng)范圍較大對(duì)液體噴淋量有一定要求持液量較大較小材質(zhì)要求一般用金屬材料制作可用非金屬耐腐蝕材料安裝維修較容易較困難造價(jià)直徑大時(shí)比一般填料塔低一般在塔徑小于0.8m時(shí)比板式塔便宜，隨塔徑增大造價(jià)迅速增加重量較輕重由于板式塔的工作效率高，處理量大且易于安裝檢修，所以在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中選擇板式塔，工業(yè)上所用板式塔有多種，它們的優(yōu)缺點(diǎn)如下：泡罩塔泡罩塔是隨十九世紀(jì)工業(yè)蒸餾的建立而發(fā)展起來的最早使用的板式塔，屬于最早流行的塔，其主要構(gòu)件是泡罩、升氣管及降液管。泡罩的種類很多，國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的是圓形泡罩，泡罩的制作材料有碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁、銅等，某些特殊情況也可以用陶瓷材料。泡罩塔板上的升氣管出口伸到板面以上，故上升氣流即使暫時(shí)中斷，板上液體也不會(huì)流盡。泡罩塔具有下列優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：塔板操作彈性大，操作穩(wěn)定，不易發(fā)生漏液，塔板不易堵。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，塔板阻力大、板效率低。（2）浮閥塔：浮閥塔是近60年來興起的一種塔型，也是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的塔型之一。它廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收和解吸過程。浮閥塔的主要特點(diǎn)是在塔板開孔處安裝浮閥，氣流從閥的外圍以穩(wěn)定的速度水平進(jìn)入塔板上的液層從而進(jìn)行兩相接觸。根據(jù)氣體流量大小浮閥可以上下浮動(dòng)，自我調(diào)節(jié)。浮閥有很多種，例如盤式浮閥和條式浮閥，在我國(guó)常用的是盤式浮閥。與泡罩塔相比，浮閥塔的主要優(yōu)點(diǎn)是塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力大、操作彈性大、分離效率高，浮閥安裝在托盤開口上方，閥門的開度可隨氣體流量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣可以避免液體泄漏。但是缺點(diǎn)是閥門容易損壞甚至脫落，不適合處理粘度大的系統(tǒng)，而且對(duì)材料的耐腐蝕性要求高。篩板塔：篩板塔的出現(xiàn)比浮閥塔晚了20年左右，它與泡罩塔的區(qū)別在于篩板塔取消了泡罩和升氣，直接在板上開有很多小直徑的孔，稱之為篩孔，操作時(shí)氣體通過小孔上升，液體通過降液管降到下一層板。篩板多用不銹鋼板或合金鋼板制成。篩板塔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，相同條件下生產(chǎn)能力高于浮閥塔，塔板效率接近浮閥塔。但是其缺點(diǎn)是穩(wěn)定操作范圍窄，小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理粘性大的、臟的和帶固體粒子的料液，但設(shè)計(jì)良好的篩板塔仍具有足夠的操作彈性，大孔徑篩板可以用于易堵塞的物系當(dāng)中，近年來篩板塔的應(yīng)用已越來越廣泛，在多種塔板類型里面占有不可或缺的地位。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，選用篩板塔來計(jì)算。5.1物性參數(shù)計(jì)算5.1.1溫度壓力確定用aspen算得數(shù)據(jù)如下:表5-2精餾段各塔板溫度壓力數(shù)值表塔板溫度/℃壓力/Mpa122.630.400230.760.404332.920.410433.790.413534.390.416634.920.421735.450.425836.020.429936.680.4331037.520.4381138.670.4421240.380.446表5-3提餾段各塔板溫度壓力數(shù)值表塔板溫度/℃壓力/Mpa1871.760.4701982.540.4752092.870.47921100.920.48322106.380.48823109.770.49224111.800.49625113.050.5精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：精餾段平均壓力：提餾段平均壓力：5.1.2平均相對(duì)分子質(zhì)量及流量計(jì)算表5-4精餾段分子量及流量數(shù)據(jù)表塔板液相質(zhì)量流量（kg/h）汽相質(zhì)量流量(kg/h)液相體積流量(m3/s)汽相體積流量(m3/s)液相分子量汽相分子量123209.823209.80.01127820.68707153.670253.670228409.3823383.40.004068330.68217355.25854.230638433.3223407.40.00407840.67589955.618254.356148427.223401.30.004076780.66922655.76454.405958416.3923390.50.004073640.6625555.87654.443668403.8623377.90.004069520.65593855.992454.482578388.3623362.40.004063070.64937656.132454.52988366.8323340.90.004051750.64280456.321554.591498333.8123307.90.004031140.63611156.605454.6841108279.92232540.003993710.62910157.066154.8321118190.8423164.90.0039280.62146757.842255.0748128008.2722982.30.003801090.611959.134155.4114表5-4提餾段分子量及流量數(shù)據(jù)表塔板液相質(zhì)量流量（kg/h）汽相質(zhì)量流量(kg/h)液相體積流量(m3/s)汽相體積流量(m3/s)液相分子量汽相分子量1816358.911290.40.007150910.26762271.52766.10421917186.412117.90.00744980.269875.556371.4699201842113352.50.007983020.2781679.613376.97362119699.714631.10.008577160.28849482.898981.40992220726.815658.20.009073220.29706485.096484.34042321423.216354.70.009417370.30243586.388486.04372421857.116788.50.009635440.30499887.108886.9854255068.5500.00223882087.5199經(jīng)計(jì)算精餾段平均分子量：液相為56.27，汽相為54.56；提餾段平均分子量：液相為81.96，汽相為79.05。精餾段液相平均質(zhì)量流量為9572.33kg/h，汽相平均質(zhì)量流量為23298.56kg/h；液相平均體積流量為0.0047m3/s,汽相平均體積流量為0.652m3/s。提餾段液相平均質(zhì)量流量為17592.71kg/h，汽相平均質(zhì)量流量為12524.16kg/h；液相平均體積流量為0.0077m3/s,汽相平均體積流量為0.251m3/s。5.1.3平均密度計(jì)算表5-5精餾段汽液相密度表塔板液相密度（kg/m3）汽相密度（kg/m3）1571.659.383562574.1769.521633574.3899.619864574.29.713245573.9069.806586573.6329.900127573.4829.993548573.60810.08649574.26610.178110575.910.267711579.23410.354112585.23210.4331表5-6提餾段汽液相密度表塔板液相密度（kg/m3）汽相密度（kg/m3）18635.46411.718819640.82412.476220640.97913.334121637.98914.087722634.55314.641623631.90615.021324630.11315.290225628.872計(jì)算得：精餾段液相平均密度為575.31kg/m3，汽相平均密度為9.94kg/m3；提餾段液相平均密度為635.09kg/m3，汽相平均密度為13.80kg/m3。5.1.4液相平均表面張力計(jì)算表5-7精餾段液相表面張力表塔板液相表面張力（mN/m）111.2687211.115311.0398410.9888510.9427610.8992710.8599810.8283910.81141010.8211110.87711211.0074表5-8提餾段液相表面張力表塔板液相表面張力（mN/m）1811.99131911.77152011.29052110.74252210.2825239.95173249.72321259.55714精餾段液相平均表面張力為10.95mN/m,提餾段液相平均表面張力為10.66mN/m。5.1.5汽液相平均粘度計(jì)算表5-9精餾段汽液相粘度表塔板液相粘度（cp）汽相粘度(cp)10.1554990.008196820.1565890.0082296230.1560360.0082485140.1554950.0082635550.1550910.0082775260.1547860.0082915970.154580.0083067180.1545220.0083242190.1547290.00834634100.1554150.00837692110.1569420.00842185120.1598190.0084857表5-10提餾段汽液相粘度表塔板液相粘度（cp）汽相粘度(cp)180.1861850.00945677190.1847920.00968085200.1795170.00981566210.1735730.00987976220.1689650.00991141230.1659660.00993149240.1641170.00994704250.162923計(jì)算可得，精餾段液相平均粘度為0.1558cp，汽相平均粘度為0.0083cp;提餾段液相平均粘度為0.1733cp，汽相平均粘度為0.0098cp。5.2氣液負(fù)荷計(jì)算精餾段：提餾段：5.3塔體工藝尺寸計(jì)算5.3.1塔徑設(shè)計(jì)初選板間距HT為0.6m,取板上清液高度hL為0.06m。圖5.1精餾塔塔徑設(shè)計(jì)圖圖5.2提餾段塔徑設(shè)計(jì)圖也可通過下列方法計(jì)算，以精餾段為例：精餾段：,，圖5.3Fair關(guān)聯(lián)圖查Fair關(guān)聯(lián)圖得C20=0.12取泛點(diǎn)分率為0.7空塔氣速：塔徑，按照標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整取DT=1.2m。則精餾段塔徑取1.2m,提餾段塔徑取1.0m。精餾段塔截面積：，提餾段塔截面積：。精餾段實(shí)際空塔氣速提餾段實(shí)際空塔氣速5.3.2溢流裝置(1)堰長(zhǎng)精餾段塔徑為1.2m,提餾段塔徑為1m，可選用單溢流弓形降液管，受液盤則采用凹型受液盤。精餾段取，提餾段取。(2)堰上液層高度由，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取弓形堰的液流收縮系數(shù)E=1，堰上液層高度：精餾段：故出口堰高提餾段：故(3)弓形降液管寬度和截面積由查弓形降液管參數(shù)圖得：；驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間,即：精餾段提餾段故降液管設(shè)計(jì)合理。（4）降液管底隙高度h0精餾段：取,提餾段：取,5.4塔板布置5.4.1塔板分布由精餾段和提餾段的塔徑查塔板分塊數(shù)目表可得，分為三塊塔板，其中有兩塊弓形板，一塊通道板。5.4.2邊緣區(qū)寬度確定圖5.4塔板版面圖取出口安定區(qū)寬度，支撐區(qū)寬度。5.4.3鼓泡區(qū)面積計(jì)算精餾段鼓泡區(qū)面積計(jì)算：提餾段鼓泡區(qū)面積計(jì)算：5.4.4篩孔計(jì)算及排列取篩孔直徑為d0=6mm，篩板厚度為3mm。篩孔排列方式為正三角形排列，篩孔中心距：開孔率精餾段：開孔面積篩孔數(shù)目：提餾段：開孔面積篩孔數(shù)目：5.5塔板流體力學(xué)性能校核5.5.1塔板壓降（1）干板阻力hc由查圖可得co=0.78圖5.5篩孔的孔流系數(shù)確定圖精餾段：通過篩孔的氣速提餾段：通過篩孔的氣速（2）液層壓力he精餾段：圖5.6篩板塔充氣系數(shù)圖查圖取板上液層充氣系數(shù)β=0.58提餾段：查圖取板上液層充氣系數(shù)β=0.62（3）克服表面張力hσ精餾段：氣體通過每層塔板的液柱高度：氣體通過每層的壓力降為：提餾段：氣體通過每層塔板的液柱高度：氣體通過每層的壓力降為：5.5.2液沫夾帶液沫夾帶量計(jì)算公式：塔板上泡沫層高度液層上部的氣體速度：精餾段：提餾段：精餾段：提餾段：5.5.3液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)清液層高度精餾段：取，則液體流經(jīng)降液管底隙壓降：液體流經(jīng)進(jìn)口堰的壓力降：流體通過降液管的流動(dòng)阻力提餾段：液體流經(jīng)降液管底隙壓降：液體流經(jīng)進(jìn)口堰的壓力降：流體通過降液管的流動(dòng)阻力故設(shè)計(jì)合理，不會(huì)發(fā)生液泛。5.5.4漏液篩板塔漏液點(diǎn)氣速為：精餾段：實(shí)際孔速：，則穩(wěn)定系數(shù)為提餾段：實(shí)際孔速：，則穩(wěn)定系數(shù)為所以均滿足設(shè)計(jì)，不會(huì)漏液。5.6塔板負(fù)荷性能圖5.6.1液相負(fù)荷上限線以=5s和=3s作精提兩段中液體在降液管中停留時(shí)間下限精餾段：提餾段：5.6.2液相負(fù)荷下限線作最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)取E=1算得精餾段：提餾段：5.6.3液泛線計(jì)算公式：得：精餾段：整理得：提餾段：整理得：5.6.4過量液沫夾帶線以為限，求Ls與Vs的關(guān)系塔板上泡沫層高度液層上部的氣體速度：精餾段：，化簡(jiǎn)可得：提餾段：，化簡(jiǎn)可得：5.6.5嚴(yán)重漏液線精餾段：化簡(jiǎn)可得：提餾段：化簡(jiǎn)可得：5.6.6塔板負(fù)荷性能圖圖5.7精餾段塔板負(fù)荷性能圖則塔板的操作彈性=。圖5.8提餾段塔板負(fù)荷性能圖，則塔板的操作彈性=。5.7塔體高度計(jì)算（1）塔頂空間塔頂空間高度指第一塊塔板到塔頂封頭切線的距離，塔頂空間高度HD取1.2m。（2）塔底空間塔底空間是指最后一塊塔板到底部封頭切線的距離，為保證塔底有一定儲(chǔ)量，取HB=2.5m。（3）封頭精餾段塔徑為1.2m,選用橢圓型封頭，查標(biāo)準(zhǔn)封頭格式得曲面高度為300㎜，直邊高度為25㎜，內(nèi)表面積1.665㎡，容積0.255m3，壁厚6㎜，質(zhì)量為79kg。封頭高度為0.3+0.025=0.325m。提餾段塔徑為1.0m,也選用橢圓型封頭，查標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)頭格式得曲面高度為250㎜，直邊高度為25㎜，內(nèi)表面積為1.163㎡，容積為0.151m3，壁厚選用5㎜，質(zhì)量為46kg。（4）人孔塔中共25塊板，設(shè)置3個(gè)人孔，塔頂，進(jìn)料板，塔釜各設(shè)一個(gè)人孔，每個(gè)孔直徑為500mm，人孔處的板間距取800mm。取進(jìn)料板板間距為800mm。（5）裙座裙座采用圓筒形，取裙座高度為2m。（6）塔高塔總體高度為其中n指的是塔板數(shù)，nF是進(jìn)料板數(shù)，HF是進(jìn)料板板間距，np是人孔數(shù)，Hp是人孔處的板間距，H1代表封頭高度，H2指裙座高度。則：表5-11塔設(shè)備計(jì)算結(jié)果匯總項(xiàng)目符號(hào)單位精餾段提餾段平均溫度℃31.5192.41平均壓力MPa0.4230.485汽相體積流量Vsm3/s0.00470.0077液相體積流量Lsm3/s0.6520.251實(shí)際塔板數(shù)128塔總體高度Hm24.03塔徑Dm1.21.0板間距m0.6溢流形式單溢流降液管形式弓形堰長(zhǎng)lWm0.720.6出口堰高h(yuǎn)Wm0.04330.0234板上液層高度hLm0.06堰上液層高度hOWm0.01670.0366降液管底隙高度h0m0.020.02開孔率0.1008篩孔數(shù)n個(gè)31501876單板壓降Pa387.73496.06液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間s7.513.18降液管內(nèi)清液層高度Hdm0.15280.2665操作彈性4.902.73第六章其余附屬設(shè)備計(jì)算6.1精餾塔接管計(jì)算（1）氣體接管氣體接管管徑由計(jì)算，以塔頂蒸汽管為例：取uV=15m/s,Vs=0.687m3/s。則查鋼管規(guī)格表，選取φ=273×8mm的熱軋無縫鋼管。（2）液流管液流管一般指的是回流液管、進(jìn)料管、塔釜出料管，用公式計(jì)算。以塔釜出料管為例，Ls=0.0022m3/s，uR取0.5m/s,則：查鋼管規(guī)格表，選取φ=83×3.5mm的熱軋無縫鋼管。6.2進(jìn)料泵選型以甲醇回收塔進(jìn)料泵為例：進(jìn)料密度流量。設(shè)進(jìn)料速度為。進(jìn)料管直徑進(jìn)料主要是水，溫度為60℃，進(jìn)料管徑為47mm,查相關(guān)資料后選型為50ZX15-60（進(jìn)料入口直徑,出口直徑,泵揚(yáng)程值為40m）其實(shí)際入口流速為：實(shí)際出口流速：實(shí)際入口流量與實(shí)際出口流量一致。塔與泵房之間距離設(shè)為15m，泵房到進(jìn)料口距離取17.5m。管路中包括標(biāo)準(zhǔn)彎頭，回彎頭，全開球心閥和止逆閥，下表列出有關(guān)管件的局部阻力系數(shù)：表6-1管件局部阻力系數(shù)表名稱吸入管排出管進(jìn)口突然收縮：ζ=0.51-出口突然擴(kuò)大：ζ=1.0-190°標(biāo)準(zhǔn)彎頭：ζ=0.7544球心閥（全開）：ζ=6.011止逆閥：ζ=10-1180°回彎頭：ζ=1.5111121.5則對(duì)于光滑管，當(dāng)時(shí)，流動(dòng)進(jìn)入湍流區(qū)，粗糙度對(duì)流動(dòng)阻力不產(chǎn)生影響，但是對(duì)粗糙管來說，摩擦系數(shù)與粗糙度有關(guān)，吸入管與排出管材料都采用無縫鋼管，其粗糙度大概為，取。由所算雷諾數(shù)的值選用顧毓珍式計(jì)算摩擦系數(shù)： 所以，進(jìn)料管摩擦系數(shù)：。同理所以，出料管摩擦系數(shù)：。塔底空間取2.5m；裙座高度：2m；提餾段高度約為18.5m,則泵離進(jìn)料口的高度為：。則： 在貯罐液面與進(jìn)料口兩截面之間列柏努利方程求泵的揚(yáng)程：，。。實(shí)際揚(yáng)程是理論揚(yáng)程的1.1倍，則：綜上所述，選用50ZX15-60型泵：表6-2泵的性能參數(shù)表項(xiàng)目數(shù)值泵吸入口徑/mm50泵排出口徑/mm50流量(m3/h)15揚(yáng)程/m60轉(zhuǎn)速(r/min)2900軸功率/KW6.26.3冷凝器及再沸器設(shè)計(jì)6.3.1冷凝器設(shè)計(jì)（1）先確定流體流動(dòng)空間：由ASPEN模擬，確定餾出液的定性溫度為。甲醇走殼程：水走管程：水的定性溫度為餾出液的定性溫度為兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)見下表：表6-3兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)流體物性溫度t密度ρ粘度μ熱容CP導(dǎo)熱系數(shù)λ餾出液99.38696.780.2553.700.207冷卻水查ASPEN得：計(jì)算逆流平均溫差：甲醇（殼程）水（管程）溫差：即（3）傳熱面積：為求得傳熱面積A，需先知傳熱系數(shù)K，而K不能直接算出，所以只能進(jìn)行試算。初選，估算傳熱面積。則：（4）傳熱管工藝結(jié)構(gòu)尺寸：選擇的碳鋼GB8163換熱管，取管長(zhǎng)，管內(nèi)流速則：，。單程傳熱管數(shù)按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度采用單管程，該換熱器管程數(shù)：管程傳熱管總根數(shù)根采用正三角形排列：隔板中心到最近一排中心距：則各程相鄰的管心距為44mm。折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去圓缺高度為：取折流板間距則：，折流板數(shù)：所選換熱器型號(hào)：選依據(jù)JB/T4715-92固定管板式換熱器規(guī)格選取公稱直徑500mm，管程數(shù)為2，換熱面積為37.3㎡。（5）進(jìn)行換熱器核算：管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)：（無相變）管程流通面積：管程流體流速和雷諾數(shù)為：普朗特準(zhǔn)數(shù)：管程傳熱系數(shù)：殼程傳熱膜系數(shù)：（有相變）當(dāng)量直徑計(jì)算如下：殼程流通面積：查ASPEN可知管程流體流速及雷諾數(shù)分別為：管程傳熱系數(shù)：管外側(cè)污垢熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為總傳熱系數(shù)：其中：=冷凝面積：該換熱器的實(shí)際換熱面積：傳熱面積裕度：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。6.3.2塔底再沸器選型選用立式熱虹吸式再沸器，蒸汽選擇1.0Mpa、180℃蒸汽加熱，傳熱系數(shù)取。蒸汽及物料進(jìn)出口溫度見表28。表6-4物料進(jìn)出口溫度蒸汽物料進(jìn)口溫度℃180（g）147.94出口溫度℃180（l）147.94（1）傳熱負(fù)荷:由ASPEN模擬：（2）平均傳熱溫差:為再沸器入口溫度,為回流蒸汽上升蒸汽的溫度。為加熱蒸汽溫度，為加熱蒸汽冷凝為液體的溫度（3）估算傳熱面積與冷凝器設(shè)計(jì)類似，所選換熱器依據(jù)JB/T4715-92換熱器規(guī)格可試選取公稱直徑800mm，管程數(shù)為2，換熱面積為102.4㎡，其傳熱面積裕度為：，所以該換熱器的換熱面積合適。第七章原料消耗及動(dòng)力消耗定額年產(chǎn)4萬(wàn)噸MTBE的各類消耗按下列數(shù)據(jù)計(jì)算：表7-1原料消耗表序號(hào)名稱每小時(shí)消耗量（kg）年消耗量(t)1甲醇1983158642混合C418000144000表7-2動(dòng)力耗費(fèi)定額表序號(hào)名稱單位消耗定額（噸MTBE）1甲醇t0.3912混合C4t3.5513循環(huán)冷卻水t604中壓蒸汽t1.0455電KWh21.7表7-3其余費(fèi)用序號(hào)項(xiàng)目單價(jià)（萬(wàn)元/萬(wàn)噸MTBE）成本（萬(wàn)元）1工資費(fèi)用148600.142職工福利基金4.417.843車間經(jīng)費(fèi)120048664企業(yè)管理費(fèi)13005271.5第八章機(jī)構(gòu)及定員8.1組織機(jī)構(gòu)現(xiàn)代化企業(yè)均采取全員聘用制度，精簡(jiǎn)的管理機(jī)構(gòu)會(huì)起到事半功倍的效果，所以企業(yè)的管理機(jī)構(gòu)應(yīng)該秉持著小而精的原則，項(xiàng)目的日常管理交由總經(jīng)理負(fù)責(zé)，生產(chǎn)所用裝置、輔助生產(chǎn)裝置、廠區(qū)公用工程系統(tǒng)由生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)，生產(chǎn)過程中的安全運(yùn)行問題以及產(chǎn)品的質(zhì)量保證都由生產(chǎn)部門經(jīng)理負(fù)責(zé)。生產(chǎn)部門下設(shè)立車間，車間下設(shè)立班組。8.2班制及定員根據(jù)《中華人民共和國(guó)勞動(dòng)法》，生產(chǎn)車間和生產(chǎn)調(diào)度等工作人員按三班制運(yùn)行，每班八小時(shí)，按五班制配置定員，管理人員采用一班制。表9.1MTBE裝置操作定員序號(hào)崗位名稱主要職責(zé)定員人數(shù)技能水平崗位類別單班總計(jì)1班長(zhǎng)負(fù)責(zé)執(zhí)行上級(jí)調(diào)度和車間指令，按操作規(guī)程、工藝卡片的規(guī)定監(jiān)督本班人員的安全平穩(wěn)操作。負(fù)責(zé)組織班里安全、清潔生產(chǎn)和班組管理工作。14燃料油生產(chǎn)高級(jí)工基本崗位2內(nèi)操負(fù)責(zé)DCS機(jī)臺(tái)上的儀表控制調(diào)節(jié)以及室內(nèi)操作儀表盤，監(jiān)控生產(chǎn)工藝參數(shù)變化情況。做好優(yōu)化操作和生產(chǎn)運(yùn)行記錄，負(fù)責(zé)指揮協(xié)助外操工作人員進(jìn)行工藝運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)操作。14燃料油生產(chǎn)中級(jí)工基本崗位3外操負(fù)責(zé)反應(yīng)、精餾、甲醇回收等現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行操作和定時(shí)巡檢，并按內(nèi)操的指令進(jìn)行聯(lián)動(dòng)作業(yè)，及時(shí)向班長(zhǎng)、內(nèi)操反饋信息，并做好裝置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)和作業(yè)記錄。28燃料油生產(chǎn)初級(jí)工基本崗位總計(jì)4168.3人員來源因本裝置工藝流程比較復(fù)雜且涉及的化學(xué)反應(yīng)較多，所以人員來源需要從社會(huì)進(jìn)行直接招聘，而且無論是對(duì)操作人員、技術(shù)人員還是管理人員來，都要求具備從事化工行業(yè)操作或研發(fā)且有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)工作三年以上。8.4人員培訓(xùn)操作人員上崗前需要在類似生產(chǎn)廠的相對(duì)應(yīng)工段進(jìn)行為期一到三個(gè)月的崗前培訓(xùn)，具體進(jìn)行理論學(xué)習(xí)以及實(shí)踐操作培訓(xùn)，根據(jù)培訓(xùn)情況進(jìn)行考試，考試合格者方可執(zhí)證上崗，與此同時(shí)還要進(jìn)行安全教育工作。崗前培訓(xùn)對(duì)日后裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要作用，必須進(jìn)行。第九章環(huán)保要求9.1編制依據(jù)（1）化工建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告內(nèi)容和深度的規(guī)定；（2）《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》（中