MTBE计算书.doc

工艺流程：
常见MTBE装置为1反3塔流程，即反应器、共沸器、萃取塔和甲醇回收塔。MTBE是甲醇在催化剂作用下反应生成，装置中包括了反应、共沸精馏、萃取和精馏过程，是一种非常经典化工过程。自装置外来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）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；塔顶醚后碳四及少许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提成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。具有少许甲醇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甲醇返回甲醇原料罐循环使用，塔釜贫液通过换热后进入萃取塔顶部循环使用，由循环泵补充消耗掉萃取水。

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Simple HX、反应器Conversion reactor、塔器Distillation、控制系统Multivariable controller、计算器Calculator。建立流程如下图1：

MTBE流程为一种反应器，三个塔器，在实际生产中，由于需要补充甲醇，以提高异丁烯转化率，因此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，因此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
根据设计规定设置模拟计算单位制；
点击PRO2窗口上方“Unit of measure”按钮，进入如图2

点击右上角“Initialize from UOM library... ”按钮，进入如图3；

选择任务规定单位制，本题中选用“METRIC-SET1”米制单位制；确定“OK”后,如图4所示；

根据任务规定，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Component Selection按钮，如图5所示，

或者使用“Select from lists”按钮进入如下图6，

选择“Most Commonly Used”使用“Chemical Formula”输入化学式，如图成果7，

确定，完毕定义组分。
热力学措施选择
本例题介质重要有轻烃类、甲醇、水和MTBE等，由于存在大量极性物质，装置操作压力不不小于等于1MPa，故选NRTL。对于萃取塔，波及到液液相态，需要K-value(LLE)项进行规定。
点击工具栏中“Thermodynamic data”按钮，进入如图8所示，进行热力学确定，选择“Most commonly used”选项，在Primary method 栏中，选择NRTL，点击“Add”，出现如图9所示，根据任务选择“Enable two-liquid-phase calculations”选项，点击确定。

反复操作，建立NRTL02热力学措施选择。成果如图10所示：

4.1 NRTL01热力学措施规定
点击如上图界面所示中“defined systems”栏中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Enter data,进入如下界面12：

选择Fill options，点击Enter data，进入如下界面13；

选择UNIFAC,确定，并退出到图10所示界面，选择Transport properties,进入下图14：
选择compute transport properties for system NRTL01。热力学措施1规定完毕。
4.2 NRTL 02 热力学措施规定
NRTL02热力学措施重要是为了萃取模拟而设置，在图10中所规定Defined systems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enter data进入图16所示界面。

点击LLE Key Components,进入图17所示界面，

如图在Key Components for Light Liquid (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关键组分，同样措施，在Key Components for Heavy Liquid (L2) Phase中，选择水为重液相关键组分。这样就完毕了Key Components规定设置。
点击OK,回到图15界面，点击transport properities，如前图14所示同样，完毕NRTL02热力学措施设定。
反应方程式输入
对于MTBE生产，重要波及如下反应，重要反应是异丁烯在树脂催化剂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，一般都具有杂质，甲醇组分也具有水，因此，副反应发生就不可防止，重要副反应有如下两个：
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Reaction Data按钮，进入图18所示界面：
在Reaction Set Name中，将该组反应方程式命名为MTBE，以便在反应器模块中以便调用，然后可在背面Description中输入反应描述，最终点击Enter Data,进入图19 Reaction Definitions界面：
在图19中，这里Name，是指在MTBE反应过程中，包具有一种或多种反应方程式名称。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，生成一种单位MTBE。输入成果如图21所示：

将所有反应输入完毕后，成果如图22所示：

点击OK.然后进行下一步工作。
输入物流数据
流程模块及有关设置已经完毕，然后需要根据设计规定，输入原料构成数据。设计规定数据如表1所示：

在图1所示流程图中，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，进行详细输入阐明，其他三股进料输入措施与碳四进料（501）相似。
双击物流（501），弹出如图23所示界面，

在System Type一栏中，选择程序默认Composition Defined，点击背面Flowrate and Composition，进入图24所示界面，

如图，选择Fluid Flowrate Specification中选择Total Fluid Flowrate，输入流量4250Kg/h，然后再下面表格中，Composition mass 中碳四组分质量构成，完毕后点击OK,回到图23界面，并在此界面下Thermal Condition中分别输入温度和压力数据。点击OK,完毕碳四进料（501）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）物流数据，完毕物流数据输入。
502和505物料相似甲醇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反应器数据及规定
双击第一反应器，（R1）,进入如图25所示

在Reaction Set Name栏下拉菜单中选择MTBE；根据设计规定，在Thermal Specification中选择Fixed Duty,规定反应负荷0。点击右边Extent of Reaction，规定各反应关键组分转化率，在图26中对反应M1、M2、M3和M4反应中，给定关键组分A数值。

点击OK，完毕反应器1工艺装置数据输入。
反应器2工艺数据输入方式与反应器1输入相似。
控制器、计算器模块规定
对于此MTBE反应，主反应是一种可逆过程，为了最大程度提高异丁烯转化率，就需要适量提高醇烯比，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,自身就是在极高醇烯比状况下，将反应器1中未反应异丁烯反应完全，因此增长了补充甲醇进料（505）。对于此过程醇烯摩尔比控制，由于有两股物流，且均具有甲醇，因此需要借助计算器，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甲醇与异丁烯摩尔比值，甲醇来自补充甲醇进料（505）和反应器1产物（504），异丁烯来自反应器1产物（504），设置措施如下：
双击打开计算器（CA1），进入图27所示界面：

点击Edit/view Declarations，进入图28所示界面：

在Parameter Number和Parameter Specification中分别输入参量名称和参量阐明，输入完毕如图29所示：

点击OK,完毕此项输入。点击Results，进入图30所示界面，在Results Number和Print Name栏中输入成果编号和成果名称，在Procedure中栏输入计算关系式：

点击OK，完毕计算器工艺规定输入。
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变量；为了将计算器中数据导入并控制反应器2进料中醇烯比，增长一种规定和变量。增长一种规定操作：点击规定1，然后点击Insert，就可以增长一种规定，变量也是同样操作措施。在规定2中，输入计算器CA1成果R1 RMC等于2.5，再在变量Variables2中输入物流505总流量为规定2变量。点击OK完毕控制器工艺规定输入。

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Number of Iterations迭代次数为15。单击左侧Feeds and products按钮，进入图33所示界面：

输入进料位置16，进料位置确实定可由初步设计中根据设计任务，运用PROII中塔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Pressure and Profile按钮，进入如图33所示界面，设置塔板压力。如图，在Pressure Specification Mode中点击Overall，并在Overall Specification和Pressure Drop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。设置完毕，点击OK，回到主窗口。

点击Convergence Data按钮，定义塔收敛数据，此处为默认值。
点击Initial Estimaters按钮，使用初值计算器，此处为默认。
初始估计值输入initial estimates, 如下。

输入后点击OK.
塔器设置中，最重要也是最难就是Performance Specifications设置。点击Performance Specifications按钮，进入图35所示界面：

按照设计规定，输入规定，成果如下图36所示：

点击OK，回到流程图界面。T1塔输入完毕。
2、 萃取塔
萃取塔输入同精馏塔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，Calculated Phases为Liquid-Liquid，都为液液相。并输入Number of Iterations为60。
输入Pressure and Profile与精馏塔输入同样；成果如图38所示：

输入Feeds and products，与精馏塔不一样之处在于，萃取操作进料为两股，如图39所示：

点击Convergence Data按钮，输入塔收敛数据，变化衰减因子为0.6如图40所示：

点击OK，回到主窗口。
点击Thermodynamic Systems按钮，对塔2热力学措施进行设置。如图41所示，在Thermodynamic Systems Specification下拉菜单中，选择NRTL02。点击OK，完毕热力学措施设置。

输入Initial Estimaters，与T1输入相似。输入成果如图42所示：

完毕T2塔输入。
3、 甲醇回收塔
甲醇回收塔重要目是将为参与反应甲醇分离出来并循环使用。此塔工艺数据输入
与MTBE输入相似。
数据输入主界面如图43所示：

输入Pressure and Profile，成果如图44所示：

输入Feeds and products，成果如图45所示：

输入Convergence Data，变化衰减因子为0.8，输入成果如图46所示：

输入Thermodynamic Systems，选择NRTL01，成果如图47所示：

输入Initial Estimaters数据，输入成果如图48所示：

输入Performance Specifications数据，输入成果如图49所示：

单击OK，返回到主界面。
至此，完毕了MTBE装置模拟所有工艺数据输入，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，这是由于本次模拟中定义了两种热力学措施缘故。点击Run Simulation，继续进行计算。

模拟计算完毕后，单元设备会由灰色变为蓝色，假如出现错误，则会出现红色。出现红色是由于计算不收敛，需要深入调试，修改数据。如图51，模拟计算已通过、完毕，可进行下一步数据处理工作。

模拟成果分析
检查输入数据
根据生成汇报，逐项进行检查。
输入文献如下：
$ Generated by PRO/II Keyword Generation System <version 8.3>
$ Generated on: Wed Aug 25 15:37:47
TITLE
PRINT INPUT=PART, STREAM=ALL, RATE=M, PERCENT=WT, MBALANCE=OFF, &
SEQMAP=OFF, ION=NONE
DIMENSION METRIC, STDTEMP=0, STDPRES=1.03323
SEQUENCE SIMSCI
CALCULATION RVPBASIS=APIN, TVP=37.778
COMPONENT DATA
LIBID 1,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
ASSAY CONVERSION=API94, CURVEFIT=CURRENT, KVRECONCILE=TAILS
THERMODYNAMIC DATA
METHOD SYSTEM=NRTL, MEOH=OFF, SET=NRTL01, DEFAULT
KVAL(VLE) FILL=UNIF, AZEOTROPE=SIMSCI
METHOD SYSTEM(VLLE)=NRTL, L1KEY=9, L2KEY=11, MEOH=OFF, SET=NRTL02
KVAL(VLE) FILL=UNIF, AZEOTROPE=SIMSCI
KVAL(LLE) FILL=UNIF, AZEOTROPE=SIMSCI
STREAM DATA
PROPERTY STREAM=502, TEMPERATURE=25, PRESSURE=8.6811, PHASE=M, &
RATE(WT)=500, COMPOSITION(WT)=10,99.8/11,0.2
PROPERTY STREAM=505, TEMPERATURE=25, PRESSURE=8.6811, PHASE=M, &
RATE(WT)=41.94, COMPOSITION(WT)=10,99.8/11,0.2
PROPERTY STREAM=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
PROPERTY STREAM=509, TEMPERATURE=40, PRESSURE=2.5628, PHASE=M, &
RATE(WT)=1000, COMPOSITION(WT)=11,100
RXDATA
RXSET ID=MTBE
REACTION ID=M1
STOICHIOMETRY 5,-1/10,-1/13,1
REACTION ID=M2
STOICHIOMETRY 5,-1/11,-1/12,1
REACTION ID=M3
STOICHIOMETRY 10,-2/11,1/14,1
REACTION ID=M4
STOICHIOMETRY 5,-1/10,-1/15,1
UNIT OPERATIONS
HX UID=E1
COLD FEED=502,501, M=503
OPER CTEMP=45
CONREACTOR UID=R1
FEED 503
PRODUCT M=504
OPERATION ADIABATIC
RXCALCULATION MODEL=STOIC, XOPTION=FAIL, REFS=IDEA
RXSTOIC RXSET=MTBE
REACTION M1
BASE COMPONENT=5
CONVERSION 0.9
REACTION M2
BASE COMPONENT=11
CONVERSION 0.85
REACTION M3
BASE COMPONENT=10
CONVERSION 0.001
REACTION M4
BASE COMPONENT=5
CONVERSION 0
CALCULATOR UID=CA1
RESULT 1,RMC
DEFINE P(1) AS STREAM=504, RATE(KGM/H), COMP=10,WET
DEFINE P(2) AS STREAM=505, RATE(KGM/H), COMP=10,WET
DEFINE P(3) AS STREAM=504, RATE(KGM/H), COMP=5,WET
PROCEDURE
R(1)=(P(1)+P(2))/P(3)
RETURN
CONREACTOR UID=R2
FEED 504,505
PRODUCT M=506
OPERATION ADIABATIC
RXCALCULATION MODEL=STOIC
RXSTOIC RXSET=MTBE
REACTION M1
BASE COMPONENT=5
CONVERSION 0.9
REACTION M2
BASE COMPONENT=11
CONVERSION 0
REACTION M3
BASE COMPONENT=10
CONVERSION 0.025
REACTION M4
BASE COMPONENT=5
CONVERSION 0.05
MVC UID=MV1
SPEC ID=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
SPEC ID=SPEC_5, CALCULATOR=CA1, R(1), VALUE=2.5
VARY STREAM=502, RATE(WT,KG/H)
VARY STREAM=505, RATE(WT,KG/H)
COLUMN UID=T1
PARAMETER TRAY=32,IO=60
FEED 506,16
PRODUCT OVHD(WT)=507,3525, BTMS(M)=508, SUPERSEDE=ON
CONDENSER TYPE=TFIX, TEMPERATURE=40, TEST=40
DUTY 1,1,-0.462,CONDENSER
DUTY 2,32,0.416,REBOILER
PSPEC PTOP=6.6417, DPCOLUMN=1.5
PRINT PROPTABLE=PART
ESTIMATE MODEL=CONVENTIONAL, RRATIO=1, CTEMP=40, TTEMP=53, &
BTEMP=136, RTEMP=137
TEMPERATURE 1,40/2,53
SPEC ID=COL1SPEC1, STREAM=508,PCT(WT), COMP=13,WET, VALUE=96.9, &
ATOLER=0.2
SPEC ID=COL1SPEC2, RRATIO(WT), VALUE=1
VARY DNAME=CONDENSER,REBOILER
REBOILER TYPE=KETTLE
COLUMN UID=T2
PARAMETER TRAY=10,LLEX=60 DAMPING=0.6
FEED 507,10/509,1
PRODUCT OVHD(L1,WT)=510, BTMS(WT)=511,1070, SUPERSEDE=ON
PSPEC PTOP=6.1318, DPCOLUMN=0.4
PRINT PROPTABLE=PART
ESTIMATE MODEL=SIMPLE, TTEMP=40, BTEMP=40
TEMPERATURE 1,40
METHOD SET=NRTL02
COLUMN UID=T3
PARAMETER TRAY=29,IO=60 DAMPING=0.8
FEED 511,19
PRODUCT OVHD(WT)=512,15, LDRAW(WT)=513,1,60.0001, BTMS(M)=514, &
SUPERSEDE=ON
CONDENSER TYPE=MIX, TEST=40
DUTY 1,1,-0.2,CONDENSER
DUTY 2,29,0.287,REBOILER
PSPEC PTOP=1.1352, DPCOLUMN=0.4
PRINT PROPTABLE=PART
ESTIMATE MODEL=SIMPLE, RRATIO=1, CTEMP=40, TTEMP=67, BTEMP=111, &
RTEMP=112
TEMPERATURE 1,40/2,67/22,111/23,112
SPEC ID=COL3SPEC1, STREAM=513,PCT(WT), COMP=10,WET, VALUE=98.5, &
ATOLER=0.1
SPEC ID=COL3SPEC2, STREAM=514,PCT(WT), COMP=11,WET, &
VALUE=99.999
VARY DNAME=CONDENSER,REBOILER
REBOILER TYPE=KETTLE
METHOD SET=NRTL01
END

计算成果与分析
精馏塔模拟成果：
Column Summary
Tray
Temperature
Pressure
Liquid
Vapor
Feed
Product
Heater Duties

° C
KG/CM2
KG-MOL/HR
M*KCAL/HR
1C
40
6.64
62.2

62.2L
-0.6426
2
54.7
6.64
67.7
124.3
3
55.7
6.69
67.8
129.9

4
56.4
6.74
67.8
129.9

5
56.9
6.79
67.7
129.9

6
57.3
6.84
67.7
129.9

7
57.6
6.89
67.7
129.9

8
57.9
6.94
67.7
129.9

9
58.2
6.99
67.7
129.9

10
58.6
7.04
67.7
129.9

11
58.9
7.09
67.7
129.9

12
59.3
7.14
67.5
129.8

13
59.8
7.19
67.2
129.7

14
60.6
7.24
66.3
129.3

15
62.2
7.29
64.4
128.5

16
65.4
7.34
118.7
126.5
76.9M

17
67.1
7.39
118.7
104

18
68.5
7.44
118.7
104

19
69.8
7.49
118.7
104

20
70.9
7.54
118.7
104

21
72
7.59
118.7
104

22
73.4
7.64
118.4
103.9

23
75.3
7.69
117.7
103.7

24
78.5
7.74
116.2
103

25
84.3
7.79
113.8
101.4

26
93.4
7.84
111.6
99

27
104.7
7.89
110.9
96.8

28
115.3
7.94
111.8
96.2

29
123.4
7.99
113.3
97.1

30
129
8.04
114.8
98.6

31
132.4
8.09
115.8
100

32R
134.4
8.14

101.1

14.7L
0.5369