产80万吨冶金焦的焦化厂设立硫铵工段的工艺设计.doc
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1、设计任务书一、设计任务 为年产80万吨冶金焦的焦化厂设立硫铵工段。二、设计的基础资料 1.地理位置 徐州焦化厂位于徐州的西面，用水主要用地下水、自来水和本厂的处理循环水。硫铵工段属于焦化厂的回收车间。它设立在回收车间的冷凝鼓风工段和粗笨工段之间。 2.自然气象条件 徐州地区位于东经117*18 北纬34*17 海拔高度 43米 平均气压 1012.5 年平均气温 14度 极端最高气温 40.1度 极端最低气温 -22.6度 平均相对湿度 71% 年降水量 869.9毫米 年降水天数 91.7天 最大积雪厚度 25厘米 平均风速 3.0米/秒 最大风速及风向 16WSW 最多风向及频率 C14
2、ESE 12 三、设计的基础数据假设年产80万吨的焦化厂用的是 2 座 63 孔的 TJL4350D 型焦炉。每孔有效容积 26.6 m3 结焦时 24 小时，配煤的挥发份为26%，氨产量为加煤的0.3%；剩余氨水的含氨量为3.5g/l；装炉干煤的表面水为7%；煤气在初冷器冷却的温度为30度，进入硫铵工段的温度为45度。焦炉炭化室尺寸： 有效长 l=13280m 有效高 h=4100m 平均宽 b=500m堆积密度 =1.01.15 t(干煤)/.绪论 煤炭作为我国的主要能源之一，由于其储藏量有限，单纯作为燃料不仅浪费很大，而且会造成严重的环境污染，随着现代科技和化学工业的发展对煤炭的利用范围
3、已大大扩展，煤炭的综合利用已被列为我国煤炭行业的三大支柱。 高温炼焦化学工业是煤炭的综合利用中历史最久，工业最完善，技术最成熟，应用最广泛的行业。由于煤炭的自身组成特殊性，在炼焦同时产生的煤气中，含有多种可供回收利用的成分，其中氨作为生产过程中的有害成分之一，其含量虽少但由于其水溶液具有腐蚀设备和管路，生成的铵盐会引起堵塞，燃烧产生的氮氨化物污染大气，所以有必要将其回收，并加以利用。 硫铵的生产不仅达到了除去煤气中氨的目的，而且硫铵作为化肥应用于农业中可以提高农作物的单位面积产量，对农业的发展起着重要作用。 硫铵的生产方法有：饱和器法和非饱和器法。饱和器法有分直接法和半直接法。 直接法 热的煤
4、气从焦炉中出来经过煤气冷凝器冷却再经电捕焦油器清洁净化后进入饱和器，在饱和器内，煤气中的氨同硫酸结合生成硫铵。直接法由于对电捕焦油器等净化装置要求较高以保硫酸铵产品质量。因此，在工业上应用比较困难，所以此法在工业上得不到广泛应用，难以推广。 间接法 煤气中的氨在氨洗塔中用冷水吸收，所得氨水从蒸馏柱进入饱和器同浓硫酸反应制成硫酸铵。由于这方法需要的设备庞大，投资大，消耗掉大量的蒸汽，耗能大，经济效果也不好。因此，此法在工业上应用很少，很难推广，特别是在现代化工业生产中应用更少。 半直接法： 由焦炉出来的煤气经过冷却，所得的冷凝氨水通过氨蒸馏柱蒸出氨水并和煤气中的氨共同进入饱和器，穿过母液层和硫酸
5、溶液相互作用生成酸式硫酸铵。半直接法生产硫酸铵由于生产流程简单，产品成本较低，工艺技术及管理较成熟，因此在工业生产上应用较广，但它也不是十全十美，也有它的缺点，主要有下列几点：（1）需处理一定量的氨水。（2）结晶颗粒较小。（3）煤气通过饱和器阻力较大，因而能量消耗大。因此半直接法生产硫铵的工业等有待进一步改进，以适应现代工业生产的需要，尽管如此，由于它的生产工艺管理等方面均较直接法和间接法先进，因此工业生产上应用较广。本设计选择半直接法。.饱和器法生产硫铵原理 2.1.1物理性质（）纯态硫酸氨为无色长棱形结晶体，工业为白色或浅灰色黄色晶体颗粒，晶体密度.。（）结晶热.，结晶区位于硫铵含量较低区
6、域。（）易溶与水，其水溶液呈弱酸性，易吸潮结块。 2.1.2硫铵用途长期以来，主要用来做肥料，适用多种土壤和多种作物，还可用于纺织、皮革、医药等方面。食用硫酸铵由工业硫酸铵加入蒸馏水溶解，加入除砷剂、除重金属剂进行溶液净化、过滤、蒸发浓缩、冷却结晶、离心分离、干燥制得。用做食品添加剂，做面团调解剂、酵母养料等。 2.1.3生产的工艺流程1. 流程选择 目前，我国大部分焦化厂均用饱和器法生产硫酸铵，来回收煤气中的氨。国外除趋向于用沸萨姆法生产无水氨外，还有许多焦化厂用饱和器法或酸洗法生产硫酸铵。所以硫酸铵仍是目前焦化厂生产的主要产品之一。 用硫酸吸收煤气中的氨是快速不可逆的化学反应，所以可在饱和
7、器或酸洗塔内，使焦炉煤气与适量浓度的硫酸接触以用来回收煤气中的氨。本设计选择半直接法。2. 生产工艺流程的原理 焦化厂生产的硫铵是浓硫酸和氨气在饱和器内发生如下化学反应而生成硫铵的。反应方程式： H2SO4+NH3-（NH4）2SO4 （硫酸适量） H2SO4+NH3- NH4HSO4 （硫酸过量） NH4HSO4+NH3-（NH4）2SO4 上述反应是防热反应,当用硫酸吸收炼焦煤气中的氨时,当用硫铵吸收炼焦煤气中的氨时,实际所得的热效应和硫铵母液的酸度及温度有关，其值约比理论反应放出的热量少10%左右。 由上述反应方程式可以看出产品硫铵既存在着正盐又存在着酸式盐，它们分别以各自的形式存在于生
8、产硫铵的溶液中，而溶液中酸式盐还是正盐各自所占的比主要由溶液的酸度决定，溶液的酸度可以用加入硫酸的数量多少来调节。在饱和器内的酸度控制在1-2%时，生成的硫铵产品主要为正盐当酸度升高时，随酸度的提高而酸式盐含量则提高，饱和器内酸度控制（指母液的酸度）在4-8%时饱和器和母液中同时存在着正盐又存在着酸式盐。但酸式盐比正盐更容易溶于水和稀硫酸，因此，在溶解度达到极限时，在饱和器的酸度范围内从溶液中首先析出的是（NH4）2SO4，而-则次出或不出。 在饱和器内硫铵从母液中形成晶体要经历两个阶段：首先是细小的结晶中心-晶核的形成，而后是晶核（或晶体）的长大。通常两个过程同时进行的。即在一定的条件下结晶
9、，若晶核形成的速率大于晶体成长的速率，得到的是小粒结晶。反之，则得到大粒结晶。显然，如控制好此速率，便可控制晶体颗粒的大小，从而可以得到较满意的产品硫酸铵颗粒粒度。由于饱和器内氨和硫铵不断的反应生成硫铵，当硫铵与硫酸达到一定的过饱和程度时，即形成晶核。晶核的成长速度和溶液的洁净程度，溶液的酸度以溶质由液相向固相的传质速率有关，在纯净的母液中，硫铵晶体的生长速度最快，母液中的可溶性杂质对结晶的成长速度和晶核均有不利的影响。传质速率是由硫铵分子从晶体表面上移走晶体热的速率所决定的，而在饱和器内充分搅拌使使母液受到充分的混合，以提高传质速率，同时还可以使饱和器内的母液的酸度和温度均匀，且使洗粒晶体的
10、母液中呈悬浮状态和延长其在母液中的停留时间，均有利于结晶长大。母液内晶体的生长速度随着温度的提高而显著增大。由于晶体各棱面的平均生长速度比晶体沿生长长向速度增长的速度较快，温度的提高还有助于降低晶体的长宽比和形成较好的晶形。同时，由于体积生长的速度随结晶的温度的提高有很大的增长，因而在适当的提高温度的情况下，可把溶液的过饱和程度控制在教小的范围内，从而大大减少针形晶核的形成，但是不是把温度提高的太高，否则会适得其反，饱和器母液的酸度对硫铵结晶的成长也有一定的影响。随着母液酸度的提高（从0到10%的范围内），大颗粒结晶的产率下降，同时结晶的形状也发生变化，从长宽比小的多面颗粒多数转变为有胶结趋势
11、的细长六角形棱柱形，甚至变形针状。这是因为当其他条件不变的时候母液的介稳区随着酸度的增加而减少，因而不保持有利于晶体成长所必须的过饱和程度。同时，随着酸度的提高，母液的黏度将增大。因而增加了硫铵分子向晶体表面扩散的阻力，阻碍了晶体正常的生长。可见，硫铵晶体的平均粒度是随着母液酸度的提高而减少的。但是，从生产的操作来看，母液的酸度过低也是不允许的。这是因为除了使氨和吡啶吸收不完全外，还同时易使饱和器堵塞，此外，当酸度低于2.5-3.5%时，因母液比重的下降，还易于使泡沫产生，导致操作条件恶化。2.1.4原料来源及其选择1. 原料来源 进入硫铵工段的原料有煤气，剩余氨水和硫酸，其中煤气来自于冷凝鼓
12、风工段，剩余氨水来自于溶剂脱酚工段，硫酸来自酸碱库。2. 硫酸的选择 焦化生产硫铵一般采用: .浓度为75-78%的塔式酸；.浓度为98%的接触法硫酸；.少量使用精苯的再生酸掺入到新酸中。其中塔式酸一般含有铅、砷及氮的氧化物等杂质。氮的氧化物在操作过程中会转入煤气中，其他杂质会影响硫铵的晶体和颜色，同时不利于获得大颗粒的结晶。此外，还会使饱和器的母液生成泡沫影响安全生产。精苯车间的再生酸对钢材有着强烈的腐蚀作用，其中有的焦油酸和磺酸，在硫铵结晶时严重污染环境，因此应于新酸混合均匀使用。浓硫酸具有含杂质少，带人饱和器的水分也少，且加入饱和器有较高的稀释热。因此可减少煤气预热器的负荷等优点。但浓硫
13、酸价高，且冬季易冻，还会使煤气中的不饱和组分聚合，影响产品的质量。权衡上述利弊，本设计所用的硫酸的浓度为，其中再生酸是再大加酸时加入母液储槽的，在母液储槽分离其所含焦油后，再进入饱和器，选用这样的酸既可以降低煤气预热器的负荷，又可以利用精苯车间的再生酸。2.2硫酸氨的结晶过程某种物质在溶液中结晶时，每一个晶体均经历两个阶段， 在饱和器内硫铵从母液中形成晶体要经历两个阶段：首先是细小的结晶中心-晶核的形成，而后是晶核（或晶体）的长大。通常两个过程同时进行的。即在一定的条件下结晶，若晶核形成的速率大于晶体成长的速率，得到的是小粒结晶。反之，则得到大粒结晶。显然，如控制好此速率，便可控制晶体颗粒的大
14、小，从而可以得到较满意的产品硫酸铵颗粒粒度。晶核形成和其成长取决于溶液的过饱和度，使溶液结晶中的物质的浓度维持在过饱和状态，以便在溶液和晶体表面之间建立浓度差，使溶液中的结晶中的物质向晶体表面转移，溶液的过饱和度既为结晶的推动力，推动力越大，则结晶过程速率也越快。晶核形成和溶液的温度和浓度之间有一定关系，见图-。图中线与普通溶解度曲线，线为超溶解度曲线，与线之间为介稳区，在此区域内，晶核不能自发形成。若浓度为的未加晶种的溶液冷至，达到饱和，理论上可以结晶，但实际上过饱和程度还不够，由到冷到，溶液经介稳区已处于过饱和状态，但仍无结晶形成。只有冷到，才有大量晶核急剧形成。溶液浓度迅速降至（饱和点）
15、，这样得到的晶体很小。为了控制晶体数目和大小，可在结晶前，溶液中加入晶种，降低晶核形成所需的过饱和度。过饱和度急剧降低时，则生成新晶核的速度小，而晶核成长速度大， 过饱和度大，则反之。因此在实际生产中为了得到较大颗粒的硫酸铵结晶，必须使母液处于介稳区和适宜的过饱和度。2.3硫桉结晶影响因素）温度的影响由图-可以看出，硫铵在母液中的溶解度，随着温度升高而增加。但饱和器内母液温度的高低，是取决于饱和器的水平衡。母液温度过高过低都不利于晶体的成长。但母液过高时，虽然由于母液黏度降低而增加了硫铵分子间晶体表面的扩散速度，有利于晶体长大。但母液温度过高时，硫铵在母液中的溶解度很大，当温度波动时，造成局部
16、过饱和现象，促使大量晶核形成，这样就得不到大颗粒晶体。饱和器中的水分是由煤气、氨气和硫酸带人的。为了蒸发饱和器的多余水分，保持饱和器内的水平衡以防止母液被稀释。一般要求进入饱和器的煤气必须预热到-度。而饱和器母液应该在保证不被稀释的条件下，保证较低的操作温度，以度为宜。饱和器内的母液液面上的水蒸气分压与煤气的水汽分压相平衡时的母液温度为最低温度，根据水平衡可求出煤气的露点及煤气中的水汽分压，母液液面上的水汽分压一般为煤气中的水汽分压的.倍，与此相应的母液温度即为母液的适宜温度。母液酸度、温度与母液液面上的水蒸气的关系见图-。提高母液的酸度和其中硫铵的含量以及降低母液的温度都会降低母液上的水蒸气
17、分压。）酸度的影响母液酸度对硫铵结晶影响较大，酸度过大使溶解在母液中的硫铵数量增加，难以获得大颗粒结晶，反之，则可能使氨和吡啶的吸收不完全。母液酸度与硫铵结晶的颗粒大小的关系如图-。一般情况下，母液酸度维持在比较合适。为保持酸度稳定，可采用饱和器连续加酸制度，同时用水和蒸气冲洗，以消除饱和器内沉积的结晶。采取中加酸时母液酸度为，大加酸时为。）杂质的影响在纯净的母液中，硫铵结晶的生长速度最快。母液中的杂质对结晶的成长和晶形均有不利影响。如图-所示，母液中含有的金属离子不同，硫铵晶体的晶形也不同，纯净的母液形成的晶形是扁六方形棱面和锥面复合组成的，强度较高，当母液中含有和时，则生成细长片状的晶体，
18、在生产中这种晶体会被大量粉碎，导致硫铵粒度大为减少。另外，杂质不仅影响晶体的成长和晶形，而且还由于在单位时间内晶体体积的总增长量小于同时间内在饱和器中形成的硫铵量，因而使母液的过饱和程度增加。这不仅会使晶体形状发生变化，降低强度，同时还会形成大量的针状晶核，很快充满溶液的全部体积，因而破坏了正常操作，因此在硫铵生产工艺上，必须采取有效措施，减少母液中的杂质，才能生成晶形较好、粒度较大的硫铵晶体。）搅拌对结晶的影响由结晶理论可知晶核的成长是基于晶核界面上的浓度差，使溶液中溶质分子扩散到晶核表面上，由于晶核表面常有液膜生成，溶质分子不易扩散到晶核表面。同时，有了外加的搅拌，还可以减少饱和器内部各部
19、位温度和浓度不均匀的程度，易于增大硫铵分子的颗粒，加大母液循环也有利于制取大颗粒的硫铵结晶。）结晶浓度的影响 母液中的结晶浓度是指母液中所含结晶的体积对母液与结晶总体积的百分比。为有利于氨和吡啶的吸收，减少搅拌阻力和有利于结晶的长大，晶比不宜过大，而晶比太小，则不利于结晶的长大，因此一般控制晶比在。2.4饱和器法生产硫铵的工艺流程来自冷凝鼓风工段的去焦油雾的煤气首先进入煤气预热器，在此煤气被预热到度左右，然后，热煤气与蒸氨塔来得氨气一起进入饱和器的中央煤气管，经分配伞穿过母液层鼓泡而出，其中氨被硫铵吸收，因此饱和器起着吸收设备的作用，煤气出饱和器后进入除酸器，除去所夹带的酸雾，然后送往粗笨车间
20、，在饱和器后煤气的含氨量一般要求低于mg/标m3。饱和器母液中不断有硫酸氨生成，当其呈饱和状态时，就析出硫铵晶体，沉积至饱和器底部。因此，饱和器还起着结晶设备的作用。用结晶泵将晶体连同一部分母液送至结晶槽。沉积在结晶槽底部的硫铵晶体送到离心机内离心分离，滤除母液，并用热水洗涤晶体，以减少晶体表面上的游离酸和杂质。分离出来的母液返回饱和器。离心机卸出的硫铵晶体经干燥后既为产品。饱和器溢出的母液不断通过液封内的满流管流人满流槽，而由循环泵连续送回饱和器。当定期大量加酸，补水并用水冲洗饱和器和除酸器时，所形成的大量母液由满溜槽流至母液储槽暂时储存。而在两次大量加酸之间的正常生产过程中，再将储存的母液
21、用母液泵打回饱和器中。在饱和器内生产的酸焦油可用氨水中和法回收，由满流槽溢出来的酸焦油和母液进入分离槽，在此再压入酸焦油洗涤器。在洗涤器内用来自蒸氨塔前的剩余氨水进行洗涤，然后静止分离。洗涤器下层经中和的焦油放入焦油槽，并用液下泵送往冷凝工段的机械化澄清槽，分离槽在中上层的氨水则放人母液储槽中。此法的优点是能回收焦油，其缺点是氨水带人母液系统的杂质影响硫铵的质量。2.5工段主要控制指标1)预热器后煤气温度 60-70度2)饱和器后煤气温度 55-65度3)饱和器内母液温度 50-55度4)预热器内煤气阻力 500PA5)饱和器内煤气阻力 5000PA6)除酸器内煤气阻力 1000PA 7)饱和
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