【正文】 適的熱力學(xué)方法是能否正確模擬工藝過程的關(guān)鍵。 WILSON 適用領(lǐng)域 為 極性物系的氣液過程 。 為確保系統(tǒng)物性計(jì)算的準(zhǔn)確性， 根據(jù)各股物料的性質(zhì)分析知： 采用的熱力學(xué)方法是 NRTL 熱力學(xué)系統(tǒng)下的 UNIFAC 方程 ，二元交互作用參數(shù)可獲得，焓計(jì)算采用 Kvalue 方法。 圖 反應(yīng)過程物料配比的控制 對(duì)于 MTBE 反應(yīng)過程，由于其主反應(yīng) 是一個(gè)可逆過程，為了保證最大程度的提高異丁烯的轉(zhuǎn)化率，就得適合的提高醇烯比，一般設(shè)置進(jìn)料配比中醇烯比為（針對(duì)第一反應(yīng)器）。而對(duì)于第二個(gè)反應(yīng)器，其本身目的就是在極高醇烯比的狀況下將第一反應(yīng)器未反應(yīng)的異丁烯反應(yīng)完全，所以補(bǔ)入了補(bǔ)充甲醇進(jìn)料。 反應(yīng)過程溫度 的控制 第一反應(yīng)器采用 熱管式固定床 反應(yīng)，目的是使反應(yīng)維持在最適宜反應(yīng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行， 控制反應(yīng)熱點(diǎn)溫度不超過 60~65C ,通過 PRO/II 的模擬控制， 利用 給定冷卻水帶走的熱負(fù)荷大小來保證進(jìn)第二反應(yīng)器的溫度合適，在這里控制出料溫度為 60C . 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 16 萃取水的流量控制 通過 PRO/II 模擬得到的 C4 流量大小，根據(jù) 萃取塔操作料水比 來確定需要的萃取水量，操作料水比 降低有利于提高碳四產(chǎn)品質(zhì)量 ,但是滿足了產(chǎn)品質(zhì)量要求后 ,保持過 低的操作料水比 ,會(huì)因?yàn)楹罄^甲醇回收塔進(jìn)料中甲醇含量較低而增加了甲醇和水的分離難度和裝置能耗 ,因此建議在滿足萃取產(chǎn)品質(zhì)量的前提下 ,盡量提高操作料水比。 工藝計(jì)算概述及結(jié)果 用 PRO/II 模擬的整個(gè)流程，得出每股物流的物流數(shù)據(jù)，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行物料衡算 以及能量衡算 。 表 總物料衡算： 總進(jìn)料 Stream Name S1 S2 S5 S11 Temperature(C) 25 25 30 30 Pressure(KG/CM2) TotalMassRate(KG/HR) 500 Vapor Mass Rate(KG/HR) n/a n/a n/a n/a Liquid Mass Rate(KG/HR) 500 Total Weight Comp. Rates IBUTANE 0 0 0 NBUTANE 0 0 0 IBUTENE 0 0 0 1BUTENE 0 0 0 C2BUTENE 0 0 0 T2BUTENE 0 0 0 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 17 MA 0 0 H2O 0 500 進(jìn)料總計(jì) 總出料 Stream Name S10 S12 S13 S14 S19 Temperature(C) 40 Pressure(KG/CM2) TotalMassRate(KG/HR) VaporMassRate(KG/HR) n/a n/a n/a n/a LiquidMassRate(KG/HR) n/a TotalWeight Comp. Rates IBUTANE NBUTANE IBUTENE 1BUTENE C2BUTENE T2BUTENE MA H2O TBA DME MTBE 出料總計(jì) 設(shè)備的物料衡算見附錄 1 熱量衡算 物料平衡計(jì)算之后，我們還需要根據(jù)各階段 的物料量，進(jìn)行熱平衡計(jì)算，熱量平衡計(jì)算可以為生產(chǎn)過程提供熱能的供需量、如換熱器的換熱面積、熱介質(zhì)或冷介質(zhì)的消耗量、設(shè)備能量消耗等，從而可以求得原材料、燃料和能量的消耗定額，計(jì)算成本和經(jīng)濟(jì)效益、通過熱量或能量平衡計(jì)算，可從各個(gè)環(huán)節(jié)找2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 18 出不合理的消耗，以此作為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗的重要手段。 工藝工程中輸入和輸出的熱量和能量、能量或熱量的轉(zhuǎn)換是基于能量守恒定律的。 化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)可以通過與過程有關(guān)化合物的生成熱和燃燒熱來求得，而根據(jù)蓋斯定律： “ 不管化學(xué)過程是一步完成或分步完成，其過程的熱效應(yīng)是相同的。即反應(yīng)熱效應(yīng)等于生成物與反應(yīng)物的生成熱（生成焓）之差。 ∑ 生成物 —— 生成物的生成焓之和。 物理變化的熱效應(yīng) 該部分的熱效應(yīng)就等于物理變化前后物流的焓差。 熱量散失 計(jì)算模擬過程中該部分熱在簡化過程中被忽略不計(jì)。 ∑Hin —— 進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。 石油，化工裝置對(duì)泵的要求 在工業(yè)生產(chǎn)中，典型的泵有：進(jìn)料泵，回流泵，塔 底泵，循環(huán)泵，產(chǎn)品泵，注入泵，排污泵，燃料泵，潤滑油泵和液封泵，根據(jù)不同的工藝要求選擇不同型號(hào)的泵是很重要的。 。 ，要求過流部件采用耐腐蝕材料。 泵，要求采取防大氣腐蝕的措施。 ，應(yīng)根據(jù)爆炸區(qū)域等級(jí)，采用防暴電動(dòng)機(jī)。為適應(yīng)三年一次大檢修的要求， AP1610(第 8版 )規(guī)定石油，重化學(xué)和氣體工業(yè)用泵的運(yùn)轉(zhuǎn)周期至少為三年。 ，制造，檢驗(yàn)應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范 的規(guī)定。我國供電電壓，頻率的變化范圍為 電壓 380V ? 10%,6000V+5%,7% 頻率 50Hz? % 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 21 ，應(yīng)綜合考慮泵的性能，能耗，可靠性，價(jià)格和制造規(guī)范等因素。 甲醇精餾塔回流泵的流量為 3/mh，泵放在地面上， 輸送高度為 ,則估算泵的壓頭為： 1 0 .8 1 .5 1 6 .2 5Hm? ? ?，選擇 MPH 型流程泵。泵的使用范圍：流量 ~ 3/mh，揚(yáng)程 15~138m，介質(zhì)溫度 — 20~400 C . 選型結(jié)果：型號(hào) MPH330A,流量 hm/3 ,揚(yáng)程 20m，轉(zhuǎn)速 2900r/min,軸功率 ,電機(jī)功率 ,電機(jī)型號(hào) YB90L2，必需汽蝕余量 4m 其它泵的選型的計(jì)算過程就不列舉，選型結(jié)果見設(shè)計(jì)圖表。 固定床是固體催化劑顆粒 (固相 )裝填于反應(yīng)器中 ,反應(yīng)物 (液 相 )通過催化劑床層與其接觸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 。 合成 MTBE的催化劑有硫酸、離子交換樹脂、雜多酸、 分子 篩等。此類反應(yīng)器的缺點(diǎn)是 : ( 1)由于反應(yīng)物料的大量返混 ,催化劑的利用率低 。 由于反應(yīng)壓力較高 , 物料輸送泵容易發(fā)生泄漏 ,存在安全隱患 。為了克服這些缺點(diǎn) ,將“熱管技術(shù)”與反應(yīng)器結(jié)合 ,研制了合成 MTBE 的熱管反應(yīng)器 , 并在江蘇泰州石油化工總廠 20 kt/aMTBE 裝置的擴(kuò)能改造中應(yīng)用。 圖 固定床反應(yīng)器 熱管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) [15] 熱管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1,圖 2為熱管反應(yīng)器的橫截面 , 圖 3 為一根熱管。 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 23 圖 熱管反應(yīng)器示意圖 圖 圖 熱管反應(yīng)器的單元結(jié)構(gòu) 傳熱和傳質(zhì)分析 反應(yīng)物從進(jìn)料口進(jìn)入反應(yīng)器 , 自上而下流過催化劑床層和熱管組件。處于負(fù)壓狀態(tài)下的低沸點(diǎn)介質(zhì)吸熱汽化 , 上升到熱管的冷端 (冷卻器 ) , 經(jīng)過冷凝后經(jīng)回流管返回到熱管 ,形成閉路循環(huán) ,從而帶走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。 反應(yīng)器 設(shè)計(jì)計(jì)算 過程 反應(yīng)物衡計(jì)算：反應(yīng)原料物衡計(jì)算，年產(chǎn) 2萬噸 /年 MTBE， 假定兩反應(yīng)器中異丁烯的轉(zhuǎn)化率為 90%，異丁烯和水副反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為 5%，甲醇反應(yīng)生成二甲醚的轉(zhuǎn)化率為 %。 反應(yīng)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。 反應(yīng)器直徑一般取為 800~1200mm，在這里我們?nèi)?d=1m， 39。31 .2 0 .6 2 6 4V V m? ? ? 計(jì)算的 h= 反應(yīng)器的組合參數(shù) 根據(jù)反應(yīng)器操作壓力我們選擇殼體材質(zhì)為 Q235A 碳素鋼材料，公稱壓力為 1Mpa， 表 反應(yīng)器參數(shù) 公稱壓力 Mpa 公稱直徑 mm 圓筒壁厚 mm 質(zhì)量 kg/m 第一反應(yīng)器 1000 8 199 第二反應(yīng)器 800 6 119 根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)封頭進(jìn)行選型有： 表 反應(yīng)器封頭參數(shù) 封頭高度 mm 直邊高度 mm 質(zhì)量 kg 第一反應(yīng)器封頭 226 40 第二反應(yīng)器封頭 181 25 塔的設(shè)計(jì)選型 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 25 MTBE 產(chǎn)品精餾塔的設(shè)計(jì)選型 第一部分 產(chǎn)品精餾塔設(shè)計(jì)概述 塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，它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。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(zhì) 和傳熱的增濕、解濕等。 一：設(shè)計(jì)任務(wù) 此精餾塔的進(jìn)料來自 第二個(gè)反應(yīng)器 ， MTBE是關(guān)鍵組分。操作連續(xù)的從再沸器中取出部分液體汽化產(chǎn)生上升蒸汽一次通過塔板，連續(xù)從塔底采出 產(chǎn)品， 塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝后，部分泡點(diǎn)回流，其余 流入萃取塔進(jìn)行萃取 。因此它在整個(gè)生產(chǎn)流程中起到了舉足輕重的作用。 三：塔型選擇與依據(jù) 最常見的塔設(shè)備為板式塔和填料塔兩大類。此外，為2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 26 滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還必須滿足以下要求：生產(chǎn)能力大；操作穩(wěn)定，彈性大；流體流動(dòng)阻力小 。 板式塔與填料塔都是氣－液傳質(zhì)過程的常用設(shè)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(yīng)范圍較大的優(yōu)點(diǎn)。 表 板式塔與填料塔 比較 項(xiàng) 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(chǎng)合 空 塔 氣 速 （生產(chǎn)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(yīng)范圍較大 對(duì)液體噴林量有一定要求 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)一般比填料塔造價(jià)低 直徑小于 Φ800mm，一般比板式塔便宜，直徑增大，造價(jià)顯著增加 重 量 較輕 重 因?yàn)榘迨剿幚砹看?、效率高、清洗檢修方便且造價(jià)低，故工業(yè)上多采用板式塔。 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(dǎo)向篩板、新型垂直篩板、舌形、 S型、多降液管塔板等。 工業(yè)上常見的幾種的板式塔及其優(yōu)缺點(diǎn)： Ⅰ 、浮閥塔： 浮閥塔廣泛應(yīng)用于精餾、吸收和解吸等過程。浮閥可根據(jù)氣體流量的大小而上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)。盤式浮閥的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，操作彈性較大，分離效率較高，塔板結(jié)構(gòu)較泡罩塔簡單。 Ⅱ 、篩孔塔： 結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、篩板塔壓降小、液面落差也較小、生產(chǎn)能力及塔板效率都較泡罩塔高，故應(yīng)用廣泛。 篩板塔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便，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。但設(shè)計(jì)良好的篩板塔仍具有足 夠的操作彈性，對(duì)易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板，故近年我國對(duì)篩板的應(yīng)用日益增多。泡罩的種類很多，國內(nèi)應(yīng)用較多的是圓形泡罩?，F(xiàn)雖已為其它新型塔板取代，但鑒于其某些優(yōu)點(diǎn)，仍有沿用。但泡罩塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，安裝檢修不便，生產(chǎn)能力小。 第二部分 產(chǎn)品精餾塔工藝計(jì)算 MTBE 精餾塔 （ 1） 塔徑、塔板間距 計(jì)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(jìn)料板是第 19 塊。 根據(jù)《 化學(xué)工程師手冊(cè) 》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） 。 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(duì)該精餾塔采用全塔統(tǒng)一塔徑的原則， 由軟 件計(jì)算精餾塔報(bào)告中得到相關(guān)數(shù)據(jù)： 表 各塔板有關(guān)數(shù)據(jù) 2 萬噸 /年 MTBE 裝置工藝設(shè)計(jì) 29 氣 體 體積流量3m /s 液體體積流3m