5萬t/a甲基叔丁基醚工藝計算

黃燕 藍梓健 黃苗 張智建

摘 ?????要：在5萬t/a甲基叔丁基醚工藝設計中，采用了催化精餾工藝，此工藝采用蒸餾塔把醚化反應后的MTBE提純，把催化反應與精餾分離集于一體，產(chǎn)品純度高達98%，大大減少了建設維護的投入，符合經(jīng)濟效益。由Aspen模擬得出MTBE產(chǎn)量為6 333.593 kg/h，可以達到5萬t的年產(chǎn)量。

關 ?鍵 ?詞：甲基叔丁基醚;催化精餾;工藝計算

中圖分類號：TQ015.1 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1870-04

Abstract： 50 kt/a Methyl tertiary butyl ether production process was designed. The process uses catalytic distillation technology， and distillation tower is used to purify methyl tertiary butyl ether after etherification reaction， the catalytic reaction and the distillation separation are combined in the process. The product purity can reach 98%， the cost in construction and maintenance can be greatly reduced.Aspen simulation results showed that MTBE production was 6333.593 kg/h， which can reach an annual output of 50 000 tons.

Key words： Methyl tert-butyl ether; Catalytic rectification; Process calculation

甲基叔丁基醚是一種汽油組分，其辛烷值高，MTBE的辛烷值分別為：研究法：115，馬達法：100，同時它也是一種汽油抗爆劑。MTBE和汽油可以互溶，具有很好的調(diào)和效益，通過MTBE調(diào)合出來的辛烷值比其本身的還要高。MTBE具有較高的含氧量，較好地改善尾氣排放[1]。

1 ?MTBE的反應原理

1.2 ?工藝條件

影響甲基叔丁基醚生產(chǎn)的工藝參數(shù)：反應溫度、甲醇與異丁烯的物質(zhì)的量比、催化劑等。甲醇與異丁烯物質(zhì)的量比為（1.1～1.2）︰1較好。本項目采用1.05∶1。催化劑采用磺酸基交換樹脂催化劑。

1.3 ?MTBE的合成工藝簡介

合成MTBE生產(chǎn)工藝主要是醚化工藝，目前國內(nèi)MTBE合成工藝主要有：固定床反應技術(shù)、膨脹床反應技術(shù)、固定床與共沸精餾或催化精餾組合工藝、混相床與共沸精餾或催化精餾、膨脹床與催化蒸餾組合工藝等[2，3]。從表2-3看出，無論從設備費還是效益來看，膨脹床與催化精餾組合工藝合成 MTBE 是目前較優(yōu)的工藝技術(shù)路線。本裝置采用催化精餾組合工藝。

1.4 ?生產(chǎn)工藝說明

本裝置以中國石油化工股份有限公司茂名分公司催化裂化車間氣液分離出來的催化裂解碳四（含異丁烯18.99%）和本廠丁二烯抽提車間抽余碳四（含異丁烯34.1%）兩者以50.326∶1（重量比）混合為碳四原料。

2 ?進料組成

2.1 ?流量計算

根據(jù)設計參數(shù)以及進料各組分質(zhì)量分數(shù)確定進料各組分質(zhì)量，本次設計年產(chǎn)5萬t MTBE，一共使用了兩個膨脹床反應器，主副反應器選用絕熱膨脹床反應器，由于缺少動力學數(shù)據(jù)，副反應器和精餾塔模擬反應精餾塔。膨脹床：液相反應物通過催化劑床層與固體催化劑（裝填在反應器中）接觸進行的化學反應（圖1）。

根據(jù)設計給的參數(shù)要求兩個反應器中異丁烯的轉(zhuǎn)化率均為90%，異丁烯和水副反應水轉(zhuǎn)化率為85%左右，原料甲醇生成二甲醚的轉(zhuǎn)化率確定為0.1%，異丁烯和甲醇副作用生成MSBE的轉(zhuǎn)化率為5%。

已知進料流量，應用aspen模擬計算。本流程中混合碳4進料物流101經(jīng)過一個泵P101單元升壓后，與甲醇物流102按一定比例（使用計算機模塊進行控制），經(jīng)過混合單元進行混合、加熱器單元預熱后，再進入反應器R101進行反應，在反應器R101中絕大部分的異丁烯與甲醇反應生成MTBE產(chǎn)品。反應器底部物料與甲醇物流108再按一定比例控制進入第二反應器R103進一步反應。反應器R103和塔單元C101模擬反應精餾塔。此醚化反應后的物料從反應塔底部流出 MTBE產(chǎn)品。醚后碳四及甲醇從反應精餾塔頂部餾出去，經(jīng)萃取塔C102出水萃取后，經(jīng)塔C103回收甲醇[4，5]。

2.2 ?進料組成及條件

進料溫度為25 ℃，壓力0.4 MPa（g），質(zhì)量流量21 505 kg/h，混合碳四進料物流101組分如表1所示。

進料溫度25 ℃，壓力為0.3 MPa（g），質(zhì)量流量為2 450 kg/h，甲醇物流102組分組成：CH4O 99.8%，H2O 0.2%。補充甲醇物流108的組分同上，操作溫度為25 ℃，壓力為0.7 MPa（g），質(zhì)量流量為131.66 kg/h。

萃取劑物流112溫度40 ℃，壓力為0.51 MPa（g），質(zhì)量流量為5 000 kg/h.萃取劑物流的組分組成：CH4O 0.2%，H2O 99.8%。

2.3 ?各設備操作條件

泵P101出口壓力輸入為1.2 MPa（g），物流混合器X501的操作壓力為1.2 MPa，加熱器E501的溫度為45 ℃，壓降為0.03 MPa。

2.4 ?各反應器工藝條件

2.4.1 ?反應器R101和R103

對于反應器R101和R103設定出口壓力均為0.70 MPa（g），熱負荷為0，均為絕熱反應。

2.4.2 ?精餾塔C101

精餾塔C101各參數(shù)如下所示，全塔塔板數(shù)60，餾出物/進料質(zhì)量比0.738，回流質(zhì)量比1，精餾塔進料位置15，操作壓力0.55 MPa（g）。

經(jīng)過模擬計算得知甲基叔丁基醚的收率為0.984，達到設計要求，回流比為1.09，反應溫度為52.95 ℃

2.4.3 ?甲醇回收塔

甲醇回收塔C103采用平衡級計算方式，塔板數(shù)為45塊塔板，進料位置為第30塊塔板，冷凝器類型、再沸器類型、有效相態(tài)和收斂方法同塔C101相同，全塔的餾出物/進料質(zhì)量比為0.085 19;回流質(zhì)量比為10，塔頂操作壓力為0.01 MPa（g），全塔壓降為0.04 MPa（g）。由計算結(jié)果可知甲醇回收達到預計要求98.5%，餾出物/進料質(zhì)量比為0.065 6，因此所有設置參數(shù)均符合本次設計的要求。

2.5 ?MTBE與甲醇模擬計算結(jié)果

MTBE模擬aspen計算結(jié)果如表2所示。

由表2的Stream Pesults窗口中，可以看到物流110中MTBE的產(chǎn)量為6 333.593 kg/h，摩爾流量為71.97 kmol/h，從結(jié)果可知產(chǎn)品的量達到了年產(chǎn)5萬t MTBE的要求。

甲醇回收aspen計算結(jié)果如表3所示。

由表3可以看到在Stream Results窗口中，甲醇物流116中甲醇量為349.68 kg/h，摩爾流量為10.928 kmol/h，其他醚后碳四含量幾乎沒有，可以得到回收的甲醇比較純凈，回收效果達到預期的目的。

2.6 ?物料衡算

2.6.1 ?反應器R101物料衡算

反應器R101進料物流為混合物流105，出料物流為物流106，對進出物流物料衡算列于表4。

2.6.2 ?反應器R103物料衡算

反應器R103進料物流為物流106和補充甲醇物流108，出料物流為物流107，補充甲醇摩爾質(zhì)量為4.114 kmol/h，其中甲醇含水（質(zhì)量分數(shù)0.2%）為0.008 2 kmol/h，反應器R103進出物料衡算見表5。

2.6.3 ?精餾塔C101物料衡算

精餾塔C101進料為物流107，出料組成分為塔頂醚后碳四、剩余甲醇物流109和塔底MTBE產(chǎn)品物流110兩股物流. 根據(jù)設計給的參數(shù)要求兩個反應器中異丁烯的轉(zhuǎn)化率均為90%，異丁烯和水副反應水轉(zhuǎn)化率為85%左右，原料甲醇生成二甲醚的轉(zhuǎn)化率確定為0.1%，異丁烯和甲醇副作用生成MSBE的轉(zhuǎn)化率為5%[6，7]。經(jīng)過精餾甲基叔丁基醚產(chǎn)品從塔底出來，現(xiàn)將精餾塔C101進出物料衡算結(jié)果列于表6。

2.6.4 ?甲醇回收塔C103物料衡算

甲醇回收塔進料為甲醇、水的混合物流115，最終甲醇從塔頂物流116分離回收，塔底物流117出來?，F(xiàn)將進出物料衡算結(jié)果列于表7。

3 ?結(jié) 論

本設計采用了催化精餾工藝，此工藝采用蒸餾塔把醚化反應后的MTBE提純，把催化反應與精餾分離集于一身，產(chǎn)品純度高達98%，大大減少了建設維護的投入，符合經(jīng)濟效益。用Aspen plus軟件對本設計裝置進行模擬計算，檢驗產(chǎn)品的純度以及產(chǎn)量是否達標，整套模擬系統(tǒng)成功運行之后，就能較快的得出物料平衡和能量平衡設計中的數(shù)值。通過對精餾塔的優(yōu)化計算，進行多次驗算，最終才得到最合適的塔板數(shù)以及其他參數(shù)[8]。

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