MTBE计算书.docx

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MTBE计算书

工艺流程：

常见的MTBE的装置为1反3塔的流程，即反应器、共沸器、萃取塔和甲醇回收塔。

MTBE是甲醇在催化剂的作用下反应生成，装置中包含了反应、共沸精馏、萃取和精馏过程，是一个非常典型的化工过程。

自装置外来的混合碳四和甲醇分别进入碳四罐和甲醇罐，再分别经碳四原料泵和甲醇泵加压后按一定比例混合进入反应器进行反应。

在控温反应器中异丁烯和甲醇反应生成MTBE。

反应后的物料经共沸塔进料预热器与MTBE换热后进入共沸塔。

纯度≥98.5%（质量分数）的MTBE产品由共沸精馏塔底部自压流出，冷却至40°C后进入MTBE产品罐；塔顶醚后碳四及少量未反应甲醇从共沸塔顶部馏出，冷凝后进入回流罐，再由回流罐抽出加压后分成2路，一部分作为回流返回共沸塔塔顶，另一部分去萃取塔底部。

共沸塔底部热量由再沸器提供。

含有少量甲醇的醚后碳四进入萃取塔下部与萃取水在塔内逆流接触脱除去甲醇，净化碳四由塔顶溢流出装置，塔釜富液进入甲醇回收塔中部。

甲醇回收塔塔顶回收的甲醇返回甲醇原料罐循环使用，塔釜贫液经过换热后进入萃取塔顶部循环使用，由循环泵补充消耗掉的萃取水。

MTBE计算书

运行“PRO2”，根据MTBE生产工艺过程建立流程图；

在“PFD”模块栏中分别选择：

换热器SimpleHX、反应器Conversionreactor、塔器Distillation、控制系统Multivariablecontroller、计算器Calculator。

建立流程如下图1：

MTBE流程为一个反应器，三个塔器，在实际生产中，由于需要补充甲醇，以提高异丁烯的转化率，所以反应器一般采用两个串联，在模拟过程中，此处设置两个反应器。

由于在MTBE反应过程中要控制醇烯比，所以在计算过程中要采用控制（MV1）、计算模块（CA1）,来控制原料配比。

设置单位制

根据设计要求设置模拟计算的单位制；

点击PRO2窗口上方的“Unitofmeasure”按钮，进入如图2

点击右上角“InitializefromUOMlibrary...”按钮，进入如图3；

选择任务要求的单位制，本题中选用“METRIC-SET1”米制单位制；确定“OK”后,如图4所示；

根据任务要求，Temperature温度选为Celsius摄氏度，Pressure选为Kilogram/centimeter>2等。

定义组分

根据任务装置进料数据，在工具栏中ComponentSelection按钮，如图5所示，

或者使用“Selectfromlists”按钮进入如下图6，

选择“MostCommonlyUsed”使用“ChemicalFormula”输入化学式，如图结果7，

确定，完成定义组分。

热力学方法的选择

本例题介质主要有轻烃类、甲醇、水和MTBE等，由于存在大量的极性物质，装置操作压力小于等于1MPa，故选NRTL。

对于萃取塔，涉及到液液相态，需要K-value（LLE）项进行规定。

点击工具栏中的“Thermodynamicdata”按钮，进入如图8所示，进行热力学确定，选择“Mostcommonlyused”选项，在Primarymethod栏中，选择NRTL，点击“Add”，出现如图9所示，根据任务选择“Enabletwo-liquid-phasecalculations”选项，点击确定。

重复操作，建立NRTL02热力学方法的选择。

结果如图10所示：

4.1NRTL01热力学方法的规定

点击如上图界面所示中“definedsystems”栏中的NRTL01,双击进入下图11所示界面，也可选择后，点击modify按钮进入；

点击K-value（VLE）一行中的Enterdata,进入如下界面12：

选择Filloptions，点击Enterdata，进入如下界面13；

选择UNIFAC,确定，并退出到图10所示界面，选择Transportproperties,进入下图14：

选择computetransportpropertiesforsystemNRTL01。

热力学方法1规定完成。

4.2NRTL02热力学方法的规定

NRTL02热力学方法主要是为了萃取模拟而设置，在图10中所规定的Definedsystems栏中，选择NRTL02,双击或选择modify，进入如下图15；

在K-value（LLE）栏中，点击enterdata进入图16所示的界面。

点击LLEKeyComponents,进入图17所示界面，

如图在KeyComponentsforLightLiquid（L1）Phase中，选择User-specified，并在下拉菜单中选择IC5，将异戊烷作为轻液相的关键组分，同样的方法，在KeyComponentsforHeavyLiquid（L2）Phase中，选择水为重液相的关键组分。

这样就完成了KeyComponents的规定设置。

点击OK,回到图15界面，点击transportproperities，如前图14所示一样，完成NRTL02的热力学方法设定。

反应方程式的输入

对于MTBE生产，主要涉及以下反应，主要反应是异丁烯在树脂催化剂的作用下进行醚化反应，该反应是个可逆平衡发热反应过程。

方程式如下所示：

工业生产原料中，一般都含有杂质，甲醇组分也含有水，所以，副反应的发生就不可避免，主要副反应有以下两个：

异丁烯+甲醇======甲基叔丁基醚（C5H12O）

异丁烯+水=======叔丁醇（C4H10O）

甲醇+甲醇=======二甲醚（C2H6O）+水

异丁烯+甲醇1=======MSBE

下面来输入化学反应方程式，点击工具栏中的ReactionData按钮，进入图18所示界面：

在ReactionSetName中，将该组反应方程式命名为MTBE，以便在反应器模块中方便调用，然后可在后面的Description中输入反应描述，最后点击EnterData,进入图19ReactionDefinitions界面：

在图19中，这里的Name，是指在MTBE的反应过程中，包含有一个或多个反应方程式的名称。

在Name中输入M1,点击Definition中Reactants=products,进入图20所示界面，按照反应方程式选择输入组分，

左边为反应物Reactant，右边为生成物Product，反应物选择1单位异丁烯和一单位甲醇，生成一个单位MTBE。

输入结果如图21所示：

将所有反应输入完成后，结果如图22所示：

点击OK.然后进行下一步工作。

输入物流数据

流程模块及相关设置已经完成，然后需要根据设计要求，输入原料组成数据。

设计要求数据如表1所示：

在图1所示的流程图中，需要输入碳四物料（501）、预反应甲醇进料（502）、反应精馏塔甲醇进料（505）和水洗水（509）。

如上图数据，以碳四进料（501）为例，进行详细输入说明，其余三股进料输入方法与碳四进料（501）相同。

双击物流（501），弹出如图23所示界面，

在SystemType一栏中，选择程序默认的CompositionDefined，点击后面的FlowrateandComposition，进入图24所示界面，

如图，选择FluidFlowrateSpecification中选择TotalFluidFlowrate，输入流量4250Kg/h，然后再下面的表格中，Compositionmass中碳四组分的质量组成，完成后点击OK,回到图23界面，并在此界面下ThermalCondition中分别输入温度和压力数据。

点击OK,完成碳四进料（501）的输入。

然后依次输入预反应甲醇进料（502）、反应精馏塔甲醇进料（505）和水洗水（509）的物流数据，完成物流数据的输入。

502和505物料相同甲醇99.8、水0.2。

509物料只有水100。

输入操作单元数据及规定

注：

E1进料预热器出口温度=45℃

7.1反应器的数据及规定

双击第一反应器，（R1）,进入如图25所示

在ReactionSetName栏下拉菜单中选择MTBE；根据设计规定，在ThermalSpecification中选择FixedDuty,规定反应负荷0。

点击右边ExtentofReaction，规定各反应的关键组分的转化率，在图26中对反应M1、M2、M3和M4反应中，给定关键组分A的数值。

点击OK，完成反应器1的工艺装置数据的输入。

反应器2的工艺数据输入方式与反应器1输入相同。

控制器、计算器模块规定

对于此MTBE反应，主反应是一个可逆过程，为了最大限度的提高异丁烯的转化率，就需要适量的提高醇烯比，一般设置进料配比中醇烯摩尔比在1.05（针对第1反应器）；而对于反应器2,本身就是在极高的醇烯比情况下，将反应器1中未反应的异丁烯反应完全，所以增加了补充甲醇进料（505）。

对于此过程醇烯摩尔比的控制，由于有两股物流，且均含有甲醇，所以需要借助计算器，再将数据导入到控制器中予以控制，并控制反应器2中醇烯摩尔比为2.5。

1、计算器

此处计算器是用来计算分析进入反应器2的甲醇与异丁烯的摩尔比值，甲醇来自补充甲醇进料（505）和反应器1的产物（504），异丁烯来自反应器1产物（504），设置方法如下：

双击打开计算器（CA1），进入图27所示界面：

点击Edit/viewDeclarations，进入图28所示界面：

在ParameterNumber和ParameterSpecification中分别输入参量名称和参量说明，输入完成如图29所示：

点击OK,完成此项输入。

点击Results，进入图30所示界面，在ResultsNumber和PrintName栏中输入结果编号和结果名称，在Procedure中栏输入计算关系式：

点击OK，完成计算器的工艺规定输入。

2、控制器

双击控制器（MV1），在如图31所示界面中，规定Specifications一栏写入物流502中甲醇摩尔流量比物流501中异丁烯摩尔比等于1.05，然后在变量Variables一栏中将物理502总流量作为规定1的变量；为了将计算器中的数据导入并控制反应器2进料中的醇烯比，增加一个规定和变量。

增加一个规定的操作：

点击规定1，然后点击Insert，就可以增加一个规定，变量也是一样操作方法。

在规定2中，输入计算器CA1的结果R1RMC等于2.5，再在变量Variables2中输入物流505总流量为规定2的变量。

点击OK完成控制器的工艺规定输入。

塔器模块规定

1、共沸精馏塔

在图1流程图上点击MTBE精馏塔（T1），出现塔数据输入主窗口，如图32界面：

在塔T1数据输入界面中，输入NumberofIterations迭代次数为15。

单击左侧Feedsandproducts按钮，进入图33所示界面：

输入进料位置16，进料位置的确定可由初步设计中根据设计任务，利用PROII中塔的Shortcut模块来计算得到。

然后指定物流507从塔板1处采出液相产品为3525kg/h，从塔板32处采出底部液体。

点击OK，回到图32所示塔数据输入主窗口。

点击PressureandProfile按钮，进入如图33所示界面，设置塔板压力。

如图，在PressureSpecificationMode中点击Overall，并在OverallSpecification和PressureDrop中输入塔顶压力和全塔压降。

点击OK，回到主窗口。

点击Condenser按钮，设置冷凝器。

选择Subcooled，并指定温度为40℃。

如图34所示。

设置完成，点击OK，回到主窗口。

点击ConvergenceData按钮，定义塔的收敛数据，此处为默认值。

点击InitialEstimaters按钮，使用初值计算器，此处为默认。

初始估计值输入initialestimates,如下。

输入后点击OK.

塔器设置中，最重要也是最难的就是PerformanceSpecifications的设置。

点击PerformanceSpecifications按钮，进入图35所示界面：

按照设计要求，输入规定，结果如下图36所示：

点击OK，回到流程图界面。

T1塔输入完成。

2、萃取塔

萃取塔的输入同精馏塔的输入数据类型大体一致，点击萃取塔T2，如图37所示：

输入Algorithm为Liquid-Liquid，CalculatedPhases为Liquid-Liquid，都为液液相。

并输入NumberofIterations为60。

输入PressureandProfile与精馏塔输入一样；结果如图38所示：

输入Feedsandproducts，与精馏塔不同之处在于，萃取操作进料为两股，如图39所示：

点击ConvergenceData按钮，输入塔的收敛数据，改变衰减因子为0.6如图40所示：

点击OK，回到主窗口。

点击ThermodynamicSystems按钮，对塔2的热力学方法进行设置。

如图41所示，在ThermodynamicSystemsSpecification的下拉菜单中，选择NRTL02。

点击OK，完成热力学方法的设置。

输入InitialEstimaters，与T1的输入相似。

输入结果如图42所示：

完成T2塔的输入。

3、甲醇回收塔

甲醇回收塔主要目的是将为参与反应的甲醇分离出来并循环使用。

此塔的工艺数据输入

与MTBE输入相似。

数据输入主界面如图43所示：

输入PressureandProfile，结果如图44所示：

输入Feedsandproducts，结果如图45所示：

输入ConvergenceData，改变衰减因子为0.8，输入结果如图46所示：

输入ThermodynamicSystems，选择NRTL01，结果如图47所示：

输入InitialEstimaters数据，输入结果如图48所示：

输入PerformanceSpecifications数据，输入结果如图49所示：

单击OK，返回到主界面。

至此，完成了MTBE装置模拟的全部工艺数据的输入，下面可以开始进行模拟计算工作。

模拟计算

点击工具栏中的Run运行按钮，开始进行模拟计算。

会弹出如图50所示界面，这是由于此次模拟中定义了两种热力学方法的缘故。

点击RunSimulation，继续进行计算。

模拟计算完成后，单元设备会由灰色变为蓝色，如果出现错误，则会出现红色。

出现红色是由于计算不收敛，需要进一步调试，修改数据。

如图51，模拟计算已通过、完成，可进行下一步数据处理工作。

模拟结果分析

检查输入数据

根据生成报告，逐项进行检查。

输入文件如下：

$GeneratedbyPRO/IIKeywordGenerationSystem

$Generatedon:

WedAug2515:

37:

472010

TITLE

PRINTINPUT=PART,STREAM=ALL,RATE=M,PERCENT=WT,MBALANCE=OFF,&

SEQMAP=OFF,ION=NONE

DIMENSIONMETRIC,STDTEMP=0,STDPRES=1.03323

SEQUENCESIMSCI

CALCULATIONRVPBASIS=APIN,TVP=37.778

COMPONENTDATA

LIBID1,C3H6/2,C3/3,IC4/4,NC4/5,IBUTENE/6,1BUTENE/7,T2BUTENE/&

8,C2BUTENE/9,IC5/10,MA/11,H2O/12,TBA/13,MTBE/14,DME/15,MSBE,&

BANK=PROCESS,SIMSCI

ASSAYCONVERSION=API94,CURVEFIT=CURRENT,KVRECONCILE=TAILS

THERMODYNAMICDATA

METHODSYSTEM=NRTL,MEOH=OFF,SET=NRTL01,DEFAULT

KVAL（VLE）FILL=UNIF,AZEOTROPE=SIMSCI

METHODSYSTEM（VLLE）=NRTL,L1KEY=9,L2KEY=11,MEOH=OFF,SET=NRTL02

KVAL（VLE）FILL=UNIF,AZEOTROPE=SIMSCI

KVAL（LLE）FILL=UNIF,AZEOTROPE=SIMSCI

STREAMDATA

PROPERTYSTREAM=502,TEMPERATURE=25,PRESSURE=8.6811,PHASE=M,&

RATE（WT）=500,COMPOSITION（WT）=10,99.8/11,0.2

PROPERTYSTREAM=505,TEMPERATURE=25,PRESSURE=8.6811,PHASE=M,&

RATE（WT）=41.94,COMPOSITION（WT）=10,99.8/11,0.2

PROPERTYSTREAM=501,TEMPERATURE=25,PRESSURE=8.6811,PHASE=M,&

RATE（WT）=4250.02,COMPOSITION（WT）=1,0.1/2,0.5/3,30.41/4,9.55/&

5,18.99/6,14/7,15.18/8,10.57/9,0.7

PROPERTYSTREAM=509,TEMPERATURE=40,PRESSURE=2.5628,PHASE=M,&

RATE（WT）=1000,COMPOSITION（WT）=11,100

RXDATA

RXSETID=MTBE

REACTIONID=M1

STOICHIOMETRY5,-1/10,-1/13,1

REACTIONID=M2

STOICHIOMETRY5,-1/11,-1/12,1

REACTIONID=M3

STOICHIOMETRY10,-2/11,1/14,1

REACTIONID=M4

STOICHIOMETRY5,-1/10,-1/15,1

UNITOPERATIONS

HXUID=E1

COLDFEED=502,501,M=503

OPERCTEMP=45

CONREACTORUID=R1

FEED503

PRODUCTM=504

OPERATIONADIABATIC

RXCALCULATIONMODEL=STOIC,XOPTION=FAIL,REFS=IDEA

RXSTOICRXSET=MTBE

REACTIONM1

BASECOMPONENT=5

CONVERSION0.9

REACTIONM2

BASECOMPONENT=11

CONVERSION0.85

REACTIONM3

BASECOMPONENT=10

CONVERSION0.001

REACTIONM4

BASECOMPONENT=5

CONVERSION0

CALCULATORUID=CA1

RESULT1,RMC

DEFINEP

（1）ASSTREAM=504,RATE（KGM/H）,COMP=10,WET

DEFINEP

（2）ASSTREAM=505,RATE（KGM/H）,COMP=10,WET

DEFINEP（3）ASSTREAM=504,RATE（KGM/H）,COMP=5,WET

PROCEDURE

R

（1）=（P

（1）+P

（2））/P（3）

RETURN

CONREACTORUID=R2

FEED504,505

PRODUCTM=506

OPERATIONADIABATIC

RXCALCULATIONMODEL=STOIC

RXSTOICRXSET=MTBE

REACTIONM1

BASECOMPONENT=5

CONVERSION0.9

REACTIONM2

BASECOMPONENT=11

CONVERSION0

REACTIONM3

BASECOMPONENT=10

CONVERSION0.025

REACTIONM4

BASECOMPONENT=5

CONVERSION0.05

MVCUID=MV1

SPECID=SPEC_4,STREAM=502,RATE（KGM/H）,COMP=10,WET,DIVIDE,&

STREAM=501,RATE（KGM/H）,COMP=5,WET,VALUE=1.05,&

ATOLER=1E-5

SPECID=SPEC_5,CALCULATOR=CA1,R

（1）,VALUE=2.5

VARYSTREAM=502,RATE（WT,KG/H）

VARYSTREAM=505,RATE（WT,KG/H）

COLUMNUID=T1

PARAMETERTRAY=32,IO=60

FEED506,16

PRODUCTOVHD（WT）=507,3525,BTMS（M）=508,SUPERSEDE=ON

CONDENSERTYPE=TFIX,TEMPERATURE=40,TEST=40

DUTY1,1,-0.462,CONDENSER

DUTY2,32,0.416,REBOILER

PSPECPTOP=6.6417,DPCOLUMN=1.5

PRINTPROPTABLE=PART

ESTIMATEMODEL=CONVENTIONAL,RRATIO=1,CTEMP=40,TTEMP=53,&

BTEMP=136,RTEMP=137

TEMPERATURE1,40/2,53

SPECID=COL1SPEC1,STREAM=508,PCT（WT）,COMP=13,WET,VALUE=96.9,&

ATOLER=0.2

SPECID=COL1SPEC2,RRATIO（WT）,VALUE=1

VARYDNAME=CONDENSER,REBOILER

REBOILERTYPE=KETTLE

COLUMNUID=T2

PARAMETERTRAY=10,LLEX=60DAMPING=0.6

FEED507,10/509,1

PRODUCTOVHD（L1,WT）=510,BTMS（WT）=511,1070,SUPERSEDE=ON

PSPECPTOP=6.1318,DPCOLUMN=0.4

PRINTPROPTABLE=PART

ESTIMATEMODEL=SIMPLE,TTEMP=40,BTEMP=40

TEMPERATURE1,40

METHODSET=NRTL02

C