【導讀】獨立進行研究所取得的成果。畢業(yè)論文中凡引用他人已經發(fā)表或未發(fā)表。的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或在網上發(fā)表的論文。

　　

【正文】 程有熱量移走， 此反應器 選用 單一的絕熱 固定床 反應器。 固定床是固體催化劑顆粒 (固相 )裝填于反應器中 ,反應物 (液 相 )通過催化劑床層與其接觸進行化學反應 。 甲基叔丁基醚 (M TB E)是一種重要的化工原料和汽油辛烷值改進劑 , 可由甲醇和混合 C4 中的異丁烯為原料 , 由強酸性催化劑催化合成。 合成 MTBE的催化劑有硫酸、離子交換樹脂、雜多酸、 分子 篩等。據(jù)不完全統(tǒng)計 , 我國有 34套 MTBE工業(yè)裝置 ,生產能力約 ,主體反應設備大部分是采用離子交換樹脂作為催化劑的固定床外循環(huán)取熱反應器。此類反應器的缺點是 : ( 1)由于反應物料的大量返混 ,催化劑的利用率低 。 ( 2)物料大量外循環(huán) ,消耗較高 。 由于反應壓力較高 , 物料輸送泵容易發(fā)生泄漏 ,存在安全隱患 。 ( 3)床層的軸向溫度沿物流方向逐漸升高 , 不利于提高可逆放熱反應轉化率。為了克服這些缺點 ,將“熱管技術”與反應器結合 ,研制了合成 MTBE 的熱管反應器 , 并在江蘇泰州石油化工總廠 20 kt/aMTBE 裝置的擴能改造中應用。 該 反應器 能將 熱點溫度 較好的 控制在 60～ 65 ℃ 范圍之內。 圖 固定床反應器 熱管反應器的結構 [15] 熱管反應器結構示意圖見圖 1,圖 2為熱管反應器的橫截面 , 圖 3 為一根熱管。熱管組件埋在樹脂催化劑中 ,熱管內充裝一定量的低沸點介質 , 反應器出入口段筒體的自由空間內填充惰性瓷球。 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 23 圖 熱管反應器示意圖 圖 圖 熱管反應器的單元結構 傳熱和傳質分析 反應物從進料口進入反應器 , 自上而下流過催化劑床層和熱管組件。反應產生的熱量經熱管壁傳遞給熱管內部的介質。處于負壓狀態(tài)下的低沸點介質吸熱汽化 , 上升到熱管的冷端 (冷卻器 ) , 經過冷凝后經回流管返回到熱管 ,形成閉路循環(huán) ,從而帶走反應產生的熱量。通過調節(jié)冷卻器的冷卻水流量來控制反應器的溫度。 反應器 設計計算 過程 反應物衡計算：反應原料物衡計算，年產 2萬噸 /年 MTBE， 假定兩反應器中異丁烯的轉化率為 90%，異丁烯和水副反應的轉化率為 5%，甲醇反應生成二甲醚的轉化率為 %。 假定原料中異丁烯的物質的量為 n 在第一個反應器中 ，醇烯比為 有： n（ MTBE1） = 5% 99 3479 , 79 5nnn? ? ? 剩余甲醇： 1 . 0 5 0 . 8 9 9 3 4 1 . 0 5 0 . 1 % 0 . 1 4 9 6 1n n n n? ? ? ? 第二反應器醇烯比為 ，補充甲醇 : 0 .1 2 .5 0 .1 4 9 6 1 0 .1 0 0 3 9n n n? ? ? 第一反應器剩水為： 1 .0 59 5 % 0 .0 1 2 57 9 .7 9 5n n?? 第二反應器補充甲醇中含水為： 0 .1 0 0 3 9 0 .0 0 1 2 67 9 .7 9 5n n? 第二反應器 n（ MTBE2） = 0 . 1 0 . 9 (0 . 0 0 1 2 6 0 . 0 1 2 5 ) 5 % 0 . 0 8 9 3 1 2n n n n? ? ? ? ? 總 MTBE= n（ MTBE1） + n（ MTBE2） =%n= 72 10 28 .7 35 /80 00 88 kmol h? ?? 轉化成異丁烯的質量為 m=,又其質量分數(shù)為 25%，所以總 C4 為2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 24 ， 初甲醇為 1 .0 5 2 8 .7 3 5 3 0 .1 7 2 /km o l h?? 對應的原料量為 8 0 . 7 9 53 0 . 1 7 2 3 0 . 5 5 /7 9 . 7 9 5 k m o l h?? 補充甲醇為 0 .1 0 0 3 9 2 8 .7 3 5 2 .8 8 5 /km o l h?? 對應的原料量為 8 0 . 7 9 52 . 8 8 5 2 . 9 2 1 /7 9 . 7 9 5 km o l h?? 由 PRO/II模擬知第一個反應器生產的 MTBE為 ,催化劑選用 D005系列催化專用大孔強酸性陽離子交換樹脂 ，催化劑溶脹系數(shù)取 ，密度取。 反應器有效體積為 332 2 7 5 . 2 9 5 6 / 8 0 0 0 1 . 8 5 . 2 5 18 0 0 0 0 . 7 8 1 0k g h hVm?? ? ???， 取富裕度為 得 39。 V m? ? ? 。 反應器直徑一般取為 800~1200mm，在這里我們取 d=1m， 39。 3 216 .3 4V m d h???，得高 h=8m 第 二 個反 應 器， 由于 反應 量 較少 ，取 d= ，反 應器 有 效體 積為332 2 6 . 0 3 1 9 / 8 0 0 01 . 8 0 . 5 2 28 0 0 0 0 . 7 8 1 0k g h hVm?? ? ??? 39。31 .2 0 .6 2 6 4V V m? ? ? 計算的 h= 反應器的組合參數(shù) 根據(jù)反應器操作壓力我們選擇殼體材質為 Q235A 碳素鋼材料，公稱壓力為 1Mpa， 表 反應器參數(shù) 公稱壓力 Mpa 公稱直徑 mm 圓筒壁厚 mm 質量 kg/m 第一反應器 1000 8 199 第二反應器 800 6 119 根據(jù)以上數(shù)據(jù)對封頭進行選型有： 表 反應器封頭參數(shù) 封頭高度 mm 直邊高度 mm 質量 kg 第一反應器封頭 226 40 第二反應器封頭 181 25 塔的設計選型 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 25 MTBE 產品精餾塔的設計選型 第一部分 產品精餾塔設計概述 塔設備是化工、煉油生產中最重要的設備之一，它可使氣液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到實際傳質及傳熱的目的。常見的、可在塔設備中完成的單元操作有：精餾、吸收、解析和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥以及兼有氣液兩相 傳質 和傳熱的增濕、解濕等。 在本次總設計中產品精餾塔也是整個生產線的重點設備，直接 關系到最后產品的質量。 一：設計任務 此精餾塔的進料來自 第二個反應器 ， MTBE是關鍵組分。進精餾塔的 MTBE濃度 XF? % 總進料量為 F= kmol/h 塔操作 壓力為 塔頂 P=要求出口 MTBE含量達到 X? %,甲醇質量分數(shù)， %≤ ， 氣相水分質量分數(shù)， %≤ 二：生產流程簡介及精餾意義簡述： 1．生產流程簡介： 本 裝置為 共沸精餾 ，原料 從 PRO/II模擬得到的最優(yōu)進料位置 加入，在進料位置與塔上部回流液匯合后流入塔底的再沸器，回流液體在物料表面與上升氣體相接觸，進行熱質傳遞過程。操作連續(xù)的從再沸器中取出部分液體汽化產生上升蒸汽一次通過塔板，連續(xù)從塔底采出 產品， 塔頂蒸汽進入冷凝器冷凝后，部分泡點回流，其余 流入萃取塔進行萃取 。 2．精餾意義： MTBE是整個化工廠的主要目標產品，而產品精餾塔直接關系到產品的質量。因此它在整個生產流程中起到了舉足輕重的作用。通過此精餾塔將復雜的吸收液進行初步的分離，并得到目標產品，可謂是一舉兩 得。 三：塔型選擇與依據(jù) 最常見的塔設備為板式塔和填料塔兩大類。作為主要用于傳質過程的塔設備，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得高的傳質效率。此外，為2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 26 滿足工業(yè)生產的需要，塔設備還必須滿足以下要求：生產能力大；操作穩(wěn)定，彈性大；流體流動阻力小 。結構簡單、材料耗用量少，制造和安裝容易；耐腐蝕和不易阻塞，操作方便，調節(jié)和檢修容易。 板式塔與填料塔都是氣－液傳質過程的常用設備。板式塔是與填料塔具有不同特點的氣－液傳質設備。與填料塔相比較，具有效率較穩(wěn)定，檢修清理較易，液氣比適應范圍較大的優(yōu)點。但它也有結構比 較復雜，壓降較大并且耐腐性較差的特點。 表 板式塔與填料塔 比較 項 目 塔 型 板式塔 填料塔 壓 力 降 壓力降一般比填料塔大 壓力降小，較適于要求壓力降小的場合 空 塔 氣 速 （生產能力） 空塔氣速小 空塔氣速大 塔 效 率 效率穩(wěn)定，大塔效率比小塔有所提高 塔徑在 Φ1400mm以下效率較高，塔徑增大，效率常下降 液 氣 比 適應范圍較大 對液體噴林量有一定要求 持 液 量 較大 較小 材 質 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 直徑大時一般比填料塔造價低 直徑小于 Φ800mm，一般比板式塔便宜，直徑增大，造價顯著增加 重 量 較輕 重 因為板式塔處理量大、效率高、清洗檢修方便且造價低，故工業(yè)上多采用板式塔。因而本設計中選用板式塔。 板式塔大致可分為兩類，一類是有降液管的塔板，如泡罩、浮閥、篩板、導向篩板、新型垂直篩板、舌形、 S型、多降液管塔板等。另一類是無降液管的塔板，如穿流式篩板（柵板）、穿流式波紋板等，工 業(yè)應用較多的是有降液管2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 27 的浮閥、篩板和泡罩塔板等。 工業(yè)上常見的幾種的板式塔及其優(yōu)缺點： Ⅰ 、浮閥塔： 浮閥塔廣泛應用于精餾、吸收和解吸等過程。其主要特點是在塔板的開孔上裝有可浮動的浮閥，氣流從浮閥周邊以穩(wěn)定的速度水平地進入塔板上的液層進行兩相接觸。浮閥可根據(jù)氣體流量的大小而上下浮動，自行調節(jié)。 浮閥有盤式、條式等多種，國內多用盤式浮閥。盤式浮閥的主要優(yōu)點是生產能力大，操作彈性較大，分離效率較高，塔板結構較泡罩塔簡單。 在塔板開孔上方，安裝可浮動的閥片，浮閥可隨氣體流量的變化自動調節(jié)開度，可避免 漏液，操作彈性大，造價低，且安裝檢修方便，但對材料的抗腐蝕性能要求高。 Ⅱ 、篩孔塔： 結構簡單、造價低廉、篩板塔壓降小、液面落差也較小、生產能力及塔板效率都較泡罩塔高，故應用廣泛。 篩板是在塔板上鉆有均布的篩孔，上升氣流經篩孔分散、鼓泡通過板上液層，形成氣液密切接觸到泡沫層（和噴射的液滴群）。 篩板塔的優(yōu)點是結構簡單，制造維修方便，造價低，相同條件下生產能力高于浮閥塔，塔板效率接近浮閥塔。其缺點是穩(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。但設計良好的篩板塔仍具有足 夠的操作彈性，對易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板，故近年我國對篩板的應用日益增多。 Ⅲ 、泡罩塔： 泡罩塔是最早使用的板式塔，其主要構件是泡罩、升氣管及降液管。泡罩的種類很多，國內應用較多的是圓形泡罩。泡罩塔的主要優(yōu)點是操作彈性較大，液氣比范圍大，適用于多種介質，操作穩(wěn)定可靠；但其結構復雜、造價高、安全維修不便，氣相壓降較大?，F(xiàn)雖已為其它新型塔板取代，但鑒于其某些優(yōu)點，仍有沿用。 其氣體通道是升氣管和泡罩，由于升氣管高出塔板，即使在氣體負荷很低時也不會發(fā)生嚴重漏液，操作彈性大，升氣管為氣液兩相提供了大 量的傳質界2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 28 面。但泡罩塔板結構復雜，成本高，安裝檢修不便，生產能力小。 經過比較及結合本設計要求，選擇篩板塔。 第二部分 產品精餾塔工藝計算 MTBE 精餾塔 （ 1） 塔徑、塔板間距 計算 通過 PRO/II 簡捷塔模擬得： MINIMUM REFLUX RATIO FEED CONDITION Q FENSKE MINIMUM TRAYS 總 理論 板數(shù)是 30 塊，進料板是第 19 塊。 精餾塔效率 TE? 65%，實際板數(shù) 30 ??，實際進料位置 19 fN ?? 由 嚴格精餾塔進行模擬計算可得塔徑 D=1219mm，圓整到 1400mm。 根據(jù)《 化學工程師手冊 》表 篩板 塔的塔板間距的選則， 見下表： 表 篩板塔 的塔板間距 [2] 塔徑 D （ m） 塔板間距 HT（ m） 塔徑 D （ m） 塔板間距 HT（ m） ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 》 根據(jù)塔徑確定塔板間距取 400mm，總塔板高為 46 ? ? ? 液泛速度 fu = ? ?LVVC ???? . 式中 fu — 液泛速度（ m/s） 。 C— 氣體符合因子（ m/s） 。 L? — 液體密度（ kg/ 3m ） V? — 氣體密度（ kg/ 3m ） 其中 20 ()20CC ???，由 PRO/II 物性查詢知： 我們對該精餾塔采用全塔統(tǒng)一塔徑的原則， 由軟 件計算精餾塔報告中得到相關數(shù)據(jù)： 表 各塔板有關數(shù)據(jù) 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設計 29 氣 體 體積流量3m /s 液體體積流3m