СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

2 Расчет процесса синтеза метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ)

Первая промышленная установка синтеза МТБЭ производительностью 100 тыс. т/год по МТБЭ была пущена в 1973 г. в Италии. Затем аналогичные установки были введены в эксплуатацию в ФРГ в 1976 г. и США в 1980 г. С тех пор мировое производство МТБЭ непрерывно возрастало, особенно интенсивно в США, нефтепереработка которой характеризуется исключительно высокой насыщенностью процессами каталитического крекинга.

Производство МТБЭ в 1990 г. составило в мире 7,5 млн. т, в том числе в США - около 1,5 млн. т.

На данный момент его мировое производство составляет более 35 млн. т в год. МТБЭ характеризуется высокой детонационной стойкостью и имеет дорожное ОЧ = 108-110. Присутствие его в бензинах способствует снижению содержания оксидов углерода, углеводородов и циклических ароматических соединений в отработавших газах.

Основной реакцией процесса является присоединение изобутилена к метанолу по следующей реакции:

Важными оперативными параметрами, влияющими на материальный баланс процесса и качество продуктов О-алкилирования, являются: давление, температура, объемная скорость сырья, соотношение метанол:изобутен.

При жидкофазном О-алкилировании изменение давления не оказывает существенного влияния на процесс. Давление должно ненамного превышать упругость паров углеводородов сырья при температуре катализа. Обычно в реакторах с внутренней системой охлаждения при О-алкилировании метанола изобутиленом давление поддерживают 0,7-0,75 МПа.

При повышении температуры снижается вязкость метанола и углеводородов, и создаются условия более благоприятные для их контактирования и диспергирования. Это обусловливает большую скорость всех протекающих реакций. При этом снижаются затраты энергии, что улучшает экономические показатели процесса.

Однако чрезмерное повышение температуры интенсифицирует побочные реакции в большей степени, чем целевую реакцию. При этом снижается избирательность реакций О-алкилирования и ухудшается качество получаемого эфира.

Снижение температуры в определенных пределах оказывает благоприятное влияние на селективность реакций, выход и качество МТБЭ. Лимитирующим фактором при снижении температуры реакции является чрезмерное снижение скорости основной реакции.

24

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

На практике оптимальный интервал температур при О-алкилировании метанола изобутиленом составляет 60-70 °С.

Соотношение метанол:олефин является одним из важнейших параметров О-алкилирования. Избыток метанола интенсифицирует целевую и подавляет побочные реакции О-алкилирования. Чрезмерное повышение этого соотношения увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, поэтому поддерживать его выше 10:1 нерентабельно.

На рис. 3 представлена принципиальная технологическая схема производства МТБЭ.

Рис.3. Принципиальная схема производства МТБЭ:

1, 2, 3, 4 – емкости; 5 – реактор; 6 – экстрактор; 7 - ректификационная колонна; 8, 9,

10– сепараторы; 11, 12, 13 - конденсаторы-холодильники; 14 – 21 – теплообменники; 22-29

–насосы

2.1 Варианты заданий для расчета курсовой работы

Принятые исходные данные для расчета реактора представлены в таблице 14, состав сырья (бутен-изобутиленовой фракции) – в таблице 15, варианты заданий для расчета реактора синтеза МТБЭ – в таблице 16.

25

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Таблица 14

Исходные данные для расчета реактора

Таблица 15

Состав БИФ (бутен-изобутеновой фракции)

2.2Расчет материальных потоков получения МТБЭ

2.2.1Материальный баланс

Обозначим количество изобутилена, поступающего в реактора как GИБ.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

где S – селективность процесса по изобутилену (на МТБЭ); ММТБЭ и МИБ – молекулярные массы МТБЭ и изобутена соответственно, г/моль.

27

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Подбираем значение GИБ таким образом, чтобы количество образовавшегося МТБЭ совпадало со значением, представленным в таблице 14. В ходе подбора определили, что GИБ = 4271,6 кг/ч. Таким образом,

GИБК = 4271,6 ∙ 0,95 = 4058,0 кг/ч.

Количество образовавшегося МТБЭ составит

88

GМТБЭ = 4058,0 ∙ 0,99 ∙ 56 = 6313,1 кг/ч,

что совпадает с табличным значением.

Количество непрореагировавшего изобутилена определяется по формуле:

GИБН = 4271,6 ∙ (1 − 0,95) = 213,6 кг/ч.

Количество углеводородной фракции, поступающей в реактор,

где 0,484 – содержание изобутилена в исходном сырье, доля мас. (таблица 15).

где К – мольное соотношение метанол: изобутилен (таблица 14); ММЕТ – молекулярная масса метанола, г/моль.

28

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

GМЕТ = 6313,1 ∙ 3288 = 2295,7 кг/ч .

Количество непрореагировавшего метанола на выходе из реактора:

GМЕТН = 9763,7 − 2295,7 = 7468,0 кг/ч.

Количество воды, пошедшей на образование трет-бутилового спирта:

где МВОДА – молекулярная масса воды, г/моль; ХИБТБ - доля изобутилена, пошедшего на образование трет-бутанола, доля мас. (таблица 14).

18

GВТБ = 4058,0 ∙ 0,005 ∙ 56 = 6,5 кг/ч.

Количество образовавшегося трет-бутанола:

где МТБ – молекулярная масса трет-бутанола, г/моль.

GТБ = 4058,0 ∙ 0,005 ∙ 7456 = 26,8 кг/ч.

Количество образовавшегося изо-октилена:

где ХИБИО – доля изобутилена, пошедшая на образование изо-октилена, доля мас.

GИО = 4058,0 ∙ 0,005 = 20,3 кг/ч .

Материальный баланс реактора представлен в таблице 17.

Таблица 17

Материальный баланс реактора

29

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

2.2.2 Тепловой баланс реактора

Суть теплового баланса реактора заключается в определении количества несбалансированного тепла, образующегося в ходе процесса и в расчете количества водяного конденсата, необходимого для снятия избытка тепла процесса синтеза МТБЭ. Количество вносимого в реактор или уносимого из реактора тепла определится по формуле

где Gi – расход i-го компонента, кг/с; Сpi – теплоемкость i-го компонента, кДж/(кг∙град); ti – температура, °С.

Для углеводородных компонентов сырья и продуктов реакции

√ρ1515

где ρ1515 – относительная плотность нефтепродукта.

30

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Значение ρ1515 определим по формуле:

где ρ204 – относительная плотность нефтепродукта при 20 °С. Является справочной величиной.

Значения плотностей углеводородных компонентов сырья представлены в таблице 18.

Значения теплоемкости метанола, третбутанола и МТБЭ являются справочной величиной.

Потери тепла в реакторе принимаются равными 1 % от входящего тепла. Реакция синтеза МТБЭ протекает с выделением тепла. Тепловой эффект

где НПРОД и НС – теплоты образования продуктов реакции и исходного сырья соответственно, кДж/моль.

Ввиду малой доли побочных реакций в ходе процесса их влиянием на тепловой эффект пренебрегаем. Теплоты образования метанола, изобутилена и МТБЭ приведены в таблице 19.

Таким образом, согласно реакции, по которой протекает процесс, тепловой эффект реакции составит

∆Н = −291 − (−201 + (−16,92)) = −73,08 кДж/моль.

Мольное количество образовавшегося МТБЭ составит

GМТБЭ′ = GМТБЭ/ММТБЭ = 1,754/0,088 = 19,93 моль/с.

31

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Таким образом, количество тепла, выделившееся в ходе синтеза МТБЭ составит

QP = 19,93 ∙ 73,08 = 1456,4 кДж/с.

Тепловой баланс реактора представлен в таблице 20.

Из таблицы 20 видно, что разность входящего и уходящего тепла равняется

∆= 2353,46 − 930,16 = 1423,3 кВт.

Количество воды, необходимой для снятия избытка тепла процесса,

где Срв – теплоемкость воды, принимается равной 4,187 кДж/(кг∙К); tН и tК – начальная и конечная температура соответственно охлаждающей воды, °С; принимаем соответственно 20 и 40 °С.