年产16万吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计.docx

年产16万吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计.docx

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年产16万吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计

年处理16万吨焦油焦油车间蒸馏工段初步设计

（一）

摘要

本次设计的题目是年产16万吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计，焦油蒸馏采用两塔连续式馏分工艺流程。

通过已知数据计算整个生产过程的主要设备的工艺尺寸，并进行非工艺部分的设计。

详细论述了工艺流程。

本设计的主体设备是管式炉，主要进行管式炉的物料衡算、能量衡算及具体的工艺尺寸计算，并绘制成图。

此外还进行蒽塔和馏分塔的物料衡算和热量衡算对蒽塔、馏份塔、冷凝冷却器等设备进行计算与选型。

本设计的专题是沥青冷却生产工艺探讨，详细论述目前沥青冷却的工艺流程、沥青冷却工业中所产生的问题——沥青烟的净化。

最后根据相关数据及资料进行非工艺部分的简要论述。

完成工艺流程图、蒸馏车间的设备布置图、平面立面布置图和主体设备（管式炉）图。

关键词：

焦油蒸馏，管式炉，沥青

Thepreliminarydesignofdistillingsectionofcoaltarworkshopwiththescaledealingof160,000tonscoaltarperyear

（一）

Abstract

Thetopicofthedesignisthepreliminarydesignofdistillingsectionofcoaltarworkshopwiththescaledealingof160,000tonscoaltarperyear,thedistillationprocessusestwotowercontinualtypeoftechnicalprocess.Majorequipment'scraftsizeofproductionprocessiscalculatedbytheknowndata,andthedesignofthenon-craftparthasbeencarriedon.Thetechnicalprocessiselaborated.

Themainequipmentpipestilliscalculated,includingmaterialbalance,energybalanceandandsizeofthepipestil,andthechartofthathasbeenworkedout.Inadditionthematerialabalanceandheatbalanceofanthracenetowerandthefractiontoweriscalculatedandthecraftsizeofthatisdfinited.

Thespecialtopicofthedesignisstudyonproductiontechnologyofcoolingasphalt.thecoolingproductiontechnologyandcleansingofasphaltgasindifferentcrafthavebeendiscussedindetail.

Finally,accordingtothedataandthematerial,thenon-craftpartiscarriedon.Thedraftingincludingtheflowsheetwithcontrolledpoint,thequipmentlayoutplansandthemainequipmentpipestillhavebeendrawn.

Keyword:

tardistillation,pipestill,asphalt

1绪论

1.1煤化工生产的国内外现状

煤焦油行业是一个比较传统的行业，尽管近30年来受到石油化工行业的激烈竞争，煤焦油行业仍然具有较大的发展潜力，尤其近几年来随着新材料和钢铁行业的发展，煤焦油资源的高效利用再度引起人们的重视。

我国煤焦油年产量约为500—600万吨，加工能力约为450万吨，在建、扩建、拟建项目能力约为200万吨。

目前共有约50多家企业进行煤焦油加工，其中最为先进的是宝钢集团上世纪从日本引入的煤焦油加工装置，加工规模为26万吨／年，产品品种有26种，其次是鞍钢、武钢和本钢。

随着我国经济的不断发展和对环境保护要求的日益提高，煤焦油的深加工成为一个亟待解决的课题。

从目前煤焦油行业的发展情况来看，国内的煤焦化行业正处在一次重要的整合变革时期，未来的煤焦油工业正向集中化、精细分离、深加工、新材料合成方向发展。

1、生产规模

日本、德国、法国、俄罗斯等国家的单套焦油蒸馏装置的能力都在l0～50万。

从理论上讲，能力越大，规模效益越好。

国内单套焦油蒸馏装置有0．6，1．2，3，5，7．5，5，10，15万吨／年各种规模。

3万吨／年以上的规模均为连续蒸馏工艺，小于3万吨／年的规模都是间歇蒸馏工艺。

。

2、产品方案

国外煤焦油加工有3种模式生产：

一是全方位多品种，提纯和配制各种规格和等级的产品；二是在煤焦油加工产品的基础上，向着精细化工、染料、医药方面延伸的深加工产品；三是重点加工沥青类产品

国内煤焦油加工产品主要是酚类、萘、洗油、粗蒽、沥青等。

3、工艺流程

国内外焦油蒸馏的工艺大同小异，都是脱水、分馏，但国外的工艺比国内要多样化。

国内的焦油蒸馏工艺与国外工艺相比较，差距并不大，只是适用的场合不同。

只要对国内工艺的设备、仪表控制、能量利用方面做一些改进工作，就能够变成先进和实用的工艺。

4、环保水平

环保主要是指对焦油加工过程中所产生的废水、废气、废渣的处理。

在废水、废渣的处理上国内外所采取的措施基本相同，所不同的是国内处理后的指标要差一点。

废气处理主要是指焦油加工过程中的放散气和沥青烟气的处理。

国外焦油厂收集这部分废气，并集中到洗涤塔，净化、降温后送管式炉焚烧。

有些焦油加工厂的油槽顶部还进行氮封，其放散气排出的可能性就更小。

而国内只有个别焦油加工装置对放散气进行集中收集处理，大部分装置都是自由放散。

但只要严格管理，认真处理，达到国外处理水平是完全可以实现的。

5、节能水平

节能降耗是装置的重要指标。

焦油加工是高能耗过程，国外在水、蒸汽、煤气消耗方面控制较好，采用空冷、冷热流体换热、多级循环水、低温减压蒸馏、热量回收蒸汽等技术，但电的消耗反而比国内还高。

随着国内能源结构的调整，多使用电，减少水、蒸汽和煤气的消耗是一个必然趋势。

目前国内多采用常压、一塔式、切取两混或三混馏分的蒸馏工艺。

而引进的煤焦油蒸馏装置有如下特点：

采用连续脱水-脱轻油，馏分塔为减压操作，塔顶采出酚油、压力为13．3kPa，塔底为软化点为65℃的软沥青；采用方箱管式炉，出口焦油温度为330℃；余热利用好，其中，软沥青与焦油换热、各馏分采用蒸汽发生器产生0．3MPa的低压蒸汽；馏分塔塔顶的油汽采用空气冷凝冷却器，并为减压操作，可节能约15％一50％；减压抽出的尾气与分离酚水均送往管式炉焚烧；馏分塔材质选用抗腐蚀低碳合金钢。

1.2发展煤化工产业的经济意义

煤焦油是塑料、合成纤维、染料、合成橡胶、农药、医药、耐高温材料以及国防工业的重要原料。

在国内，其产品已广泛应用于各个生产建设领域。

随着经济的发展，其生产、加工、消费呈现良好的发展势头。

2000年中国煤焦油需求量约为3Mt／a，预计到2005年的需求量约为3.5Mt／a，生产能力将有望达到4.425Mt／a。

增长的原因：

一是中国能源消费历来以煤为主，煤焦油化工一直是中国化学工业的主要支柱之一；二是炼焦工业将随着钢铁工业的发展继续发展；三是城市燃料煤气化的发展表明，焦炉制气将是中等城市最好的供气方案之一；四是化学工业中的某些重要有机产品无法从石油中提取，只能从煤焦油中提

取。

随着产业结构的调整和企业改制任务的逐步完成，中国经济的发展已开始走上持续发展的轨道。

这对中国基础工业的发展从新的发展层次提出越来越紧迫的更高要求，对煤焦油加工工业的发展在结构和总量上会带来新的发展需求。

其主要原因：

一是国家发展改革委员会在“十五”计划中己确定中国基础化学品和能源将以煤为主，煤焦油加工项目己列人国家发展计划，得到国家和地方政府政策上的支持；二是进入90年代中期，利用煤焦油加工的萘、蒽、吡啶、酚类等多环或杂环芳香烃产品，以及发展起来的炭素工业对原料（如针状焦、中间相沥青）的需求不断加大，人们对煤焦油加工业的重要经济地位又有了更新的认识。

中国煤焦油加工工业作为区域经济发展的重要支柱产业已经形成。

煤矿是我国的只要能源对人民的日常生活起着举足轻重的影响。

而煤焦油蒸馏是焦油加工的龙头，其技术水平影响着焦油馏份的质量，并对焦油馏份的后续加工工艺的选择有着较大影响。

所以说对蒸馏工段的研究将会对增加产量有着巨大的作用[1]。

目前，我国煤焦油主要用来加工生产轻油、酚油、萘油及改质沥青等，再经深加工后制取苯、酚、萘、蒽等多种化工原料，产品数量众多、用途十分广泛。

但煤焦油简单加工后的利用价值不大，国内外普遍看好的是其深加工精制产品的应用。

世界焦油精制先进厂家已从焦油中提取230多种产品，并集中加工向大型化方向发展。

其优点是：

成本低；能耗低、产率高；投资省；产品品种多、档次高，有利于深加工；环境保护好。

据业内人士介绍，国内外煤焦油加工工艺大同小异，都是脱水、分馏，煤焦油加工的主要研究方向是增加产品品种、提高产品质量等级、节约能源和保护环境[1]。

1.3设计任务

本设计主要完成年处理16吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计.对工艺与主要设备进行物料衡算，能量衡算；主要设备的工艺计算及选型：

包括管式炉的工艺尺寸的计算；沥青换热器工艺尺寸的计算；蒽塔，沥青高置槽，一次蒸发器和二次蒸发器及相关冷却器的选型。

完成蒸馏工段的设备布置，绘制工艺流程图、平面图及立面图；完成该工艺三废处理与环境保护方面的设计和用水、用电等非工艺部分的设计任务。

2生产工艺流程和设备的论述

目前我国各焦化厂根据生产能力和规模大小的不同，所采取的生产形式有：

间歇式焦油蒸馏和连续式焦油蒸馏，生产工艺有分为：

单塔、双塔两种。

通过设计题目和要求可知本设计属大型焦化厂精馏工段，所以采用管式炉连续蒸馏工艺对焦油进行蒸馏，在这套工艺中，无水焦油经过汽化和精馏，能够较好地得到分离，从而得到沥青和其他副产品[2]。

2.1工艺流程的论述

2.1.1原料及产品

煤焦油是炼焦工业煤热解生成的粗煤气中的产物之一，其产量约占装炉煤的3%～4%，在常温常压下其产品呈黑色粘稠液状，密度通常在

之间，闪点100℃，具有特殊臭味，煤焦油又称焦油。

煤焦油是煤在干馏和气化过程中获得的液体产品。

根据干馏温度和方法的不同可得到以下几种焦油：

低温（450～650℃）干馏焦油；

低温和中温（600～800℃）发生炉焦油；

中温（900～1000℃）立式炉焦油；

高温（1000℃）炼焦焦油。

生产原料为炼焦回收的高温焦油。

一般在焦油连续蒸馏系统中所切取的馏分有以下几种：

轻油馏份：

为170℃前的馏分，产率0.4~0.8%（对无水焦油），比重为0.88~0.90。

主要含有苯族烃，酚含量小于5%并含有少量的古马龙和茚等不饱和化合物及微量的萘。

酚油馏份：

为170~210℃前的馏分，产率为1.0~2.5%，比重为0.98~1.01。

含有酚和甲酚20～30%；萘5～20%；吡啶碱类4～6%，其余为酚油。

萘油馏份：

为210～230℃的馏份，产率为10～13%，比重为1.01～1.04。

主要含有萘（达70～80%）；另含有酚、甲酚、二甲酚4～6%；重质吡啶碱类3～4%；其余为萘油。

洗油馏份：

为230～300℃馏份，产率为4.5～6.5%，比重为1.04～1.06。

含有甲酚、二甲酚及高沸点酚类3～5%；重质吡啶碱类4～5%；萘含量低于15%；其余为洗油及少量其他有机物质。

Ⅰ蒽油馏份：

为280～360℃馏份，产率为16～22%，比重1.05～1.10。

含蒽16～20%；萘2～4%；高沸点酚类1～3%；重质吡啶碱类2～4%；其余为Ⅰ蒽油。

Ⅱ蒽油馏份：

产率4~6%，比重1.08～1.12，初馏点310℃，馏出50%时为400℃，含萘不大于3%。

沥青：

为焦油蒸馏的残液，产率为54～56%[2]。

2.1.2生产工艺的论述

我国大型焦化厂广泛采用了管式炉焦油连续蒸馏装置，一般均采用原料焦油直接进管式炉的加热方式。

按蒸馏系统采用的塔数及馏份切取的方式的不同，主要有：

单塔式流程、两塔式流程和切取宽、窄馏分的焦油蒸馏流程[3]。

本设计采用两塔式蒸馏过程，蒸馏工艺如下：

由原料贮槽来的初步脱水的焦油用1段焦油泵送入管式炉的对流段、加热至120—130℃后进入1次蒸发器。

于此，粗焦油中的大部分水份和部分轻油的混合蒸汽以100—106℃的温度自1次蒸发器顶逸出，进入一段冷凝冷却器；及油水分离器；与水分离后的轻油送往粗苯工段处理。

经脱水后含水量0.5%以下的无水焦油，经过油封流入无水焦油槽中。

无水焦油槽应保持经常满流，满流的焦油流入无水焦油槽，此槽中的焦油可用泵倒回原料焦油贮槽，或将满流焦油引入一段焦油泵前的管路中。

无水焦油用2段焦油泵送入管式炉辐射段，在此被加热到400℃左右送入2段蒸发器进行闪蒸，分离成镏份的混合蒸汽和液体沥青。

由2次蒸发器的底部排出的沥青，送沥青冷却浇注系统。

从2次蒸发器顶逸出的馏份混合蒸汽进入蒽塔进料塔板，塔底排出温度为320~330℃的二蒽油，侧线切取温度为290~300℃的一蒽油。

一、二蒽油分别经各自埋入式冷却器冷却后，流入各自贮槽，以备结晶工段加工处理。

蒽塔顶用洗油打回流。

自蒽塔顶来的油气进入馏分塔进料塔板。

洗油馏份以230~340℃的温度自塔底排出；温度为200~210℃的萘油馏份从侧线采出；温度为150~160℃的酚油馏份从对应的侧线层采出；这些馏份都分别经各自的埋入式冷却器，然后经窥镜流入各自的贮槽。

馏份塔顶出来的轻油和水的混合蒸汽引入馏份塔轻油冷凝冷却器中，冷凝液经油水分离后，水经窥镜导入酚水槽或下水道内。

轻油经窥镜流入回流槽，用回流泵送到馏份塔顶作为回流油，剩余的轻油送往粗苯工段。

2.2设备的论述

焦油蒸馏过程主要是将焦油加热，利用组分间的沸点不同。

从而得到分离开的轻、重组分，重组分为沥青，轻组分可通过进一步的精馏得到多种产品。

此生产过程的主要设备为：

管式炉、蒸发器、蒽塔、馏分塔、冷却器等[4]。

2.2.1管式炉的工作原理

管式加热炉一般由三个主要部分组成：

辐射室、对流室及烟囱。

其工作原理如下：

炉底的油气联合燃烧器（火嘴）喷出高达几米的火焰，温度高达1000~1500℃、主要以辐射传热的方式，将大部分热量传给辐射室（又叫炉膛）炉管（也叫辐射管）内流动的油品。

烟气沿着辐射室上升到对流室，温度降到700~900℃。

以对流传热的方式继续将部分热量传给对流室炉管内流动着的油品，最后温度降至200~450℃的烟气从烟囱排人大气。

油品则先进入对流管再进入辐射管，不断吸收高温烟气传给的热量，逐步升高到所需要的温度。

辐射室是加热炉的核心部分，从火嘴喷出的燃料（油或气）在炉膛内燃烧，需要一定的空间才能燃烧完全，同时还要保证火焰不直接扑到炉管上，以防将炉管烧坏，所以辐射室的体积较大。

由于火焰温度很高（最高处可达1500~1800℃左右），又不允许冲刷炉管，所以热量主要以辐射方式传送。

在对流室内，烟气冲刷炉管，将热量传给管内油品，这种传热方式称为对流传热。

烟气冲刷炉管的速度越快，传热的能力越大，所以对流室窄而高些，排满炉管，且间距要尽量小。

有时为增加对流管的受热表面积，以提高传热效率，还常采用钉头管和翅片管。

在对流室还可以加几排蒸汽管，以充分利用蒸汽余热，产生过热蒸汽供生产上使用。

烟气离开对流室时还含有不少热量，有时可用空气预热器进行部分热量回收，使烟气温度降到200℃左右，再经烟囱排出，但这需要用鼓风机或引风机强制通风。

有时则利用烟囱的抽力直接将烟气排入大气。

由于抽力受烟气温度、大气温度变化的影响，要在烟道内加挡板进行控制，以保证炉膛内最合适的负压，一般要求负压为2~3mm水柱，这样既控制了辐射室的进风量，又使火焰不向火门外扑，确保操作安全。

[4]

图2.1管式加热炉的主要结构

2.2.2管式炉的选型

炼油厂加热炉类型很多，按照管式加热炉的用途可分为纯加热炉和加热-反应炉，前者如常压炉、减压炉，原料在炉内只起到被加热的作用；后者如裂解炉、焦化炉，原料在炉内不仅被加热，同时还有足够的时间进行裂解和焦化反应。

按照管式炉的结构又可分为立式炉、圆筒炉和无焰炉[4]。

1、立式炉

立式炉炉膛为长方形箱体，炉管可水平放置或垂直放置。

卧管立式炉其辐射炉管沿炉壁横排，火焰垂直于炉管上烧，炉膛较窄。

对流室置于辐射室之上，长度与辐射室相同，烟囱放在对流室顶部。

这种炉的特点是炉管沿长度方向受热均匀，另外由于其辐射室高度低，故各辐射管间的受热也比较均匀。

其主要优点是减少了炉管支架，便于布置多管程，缺点是炉管沿管长受热不均匀，清扫困难。

立式炉在热负荷较低时，投资高于圆筒炉，一般在热负荷较大时使用。

2、圆筒炉

圆简炉炉膛为直立圆筒形，辐射管在炉膛周围垂直地排列一周，方形对流室在圆筒体上部，对流管分水平与直立设置两种。

圆筒炉的特点是结构紧凑，造价较低。

从热负荷上看，圆筒炉通常用作中、小型加热护，这是因为辐射管不能太长，加大炉膛直径又会提高造价。

圆筒炉的热效率偏低也使热负荷的提高受到限制。

3、无焰炉

无焰炉其外形和立式炉相似，主要特点是将无焰喷嘴沿炉膛测墙均匀分布。

由于无焰燃烧，炉膛体积可缩小，传热较均匀。

由于燃烧完全，过剩空气系数小，炉子热效率较高。

但这种无焰燃烧喷嘴目前只能烧气体燃料，另外炉墙结构也比较复杂、造价较高，国内主要用作焦化炉、高温制氢的转化炉及裂解炉等。

从生产实践和经济条件方面来选择管式炉。

圆筒炉是本设计的最佳选择，其不仅能够达到设计要求而且造价便宜。

2.1.3塔设备的选型

1、板式塔

可根据气液操作状态分为鼓泡式塔板，如泡罩、浮阀、筛板等塔板及喷射式塔，如舌形、网孔等塔板。

又可根据有没有降液管分为溢流式塔板（泡帽等）和穿流式塔板（穿流式筛板和穿流式栅板等）[5]。

（1）泡罩塔盘

泡罩塔盘是工业上应用最早的塔盘之一。

在塔盘板上开许多圆孔，每个孔上焊接一个短管，称为升气管，管上再罩一个“帽子“，称为泡罩，泡罩周围开有许多条形空孔。

工作时，液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘，气体从下一层塔盘上升进入升气管，再经泡罩的条形孔流散到液体中。

（2）浮阀塔盘

浮阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔，每一个孔上装一个带三条腿可上下浮动的阀。

浮阀是保证气液接触的元件，操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平地吹入塔盘上的液层；液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘，再横流过塔盘与气相接触传质后，经溢流堰入降液管，流入下一层塔盘。

（3）筛板塔盘

筛板塔盘是在塔盘板上开许多小孔，操作时液体从上层塔盘的降液管流入，横向流过筛板后，越过溢流堰经降液管导入下层塔盘；气体则自下而上穿过筛孔，分散成气泡通过液层，在此过程中进行传质、传热。

由于通过筛孔的气体有动能，故一般情况下液体不会从筛孔大量泄漏。

（4）舌形和浮舌塔盘

舌形塔盘是在塔盘板上冲有一系列舌孔，舌片与塔盘板呈一定倾角，气流通过舌孔时，利用气体喷射作用，将液相分散成液滴和流束而进行传质，并推动液相通过塔盘。

2、填料塔

根据结构特点分为乱堆填料（鲍尔环、阶梯环、环矩鞍等颗粒填料）及规则填料（网波纹填料、板波纹填料、格栅填料）[6]。

本设计所应用的2个塔设备都是对多种分进行分离，通过造价、塔板效率和操作弹性等多方面考虑，采用泡罩塔作为本设计的塔设备类型。

其主要特点为：

气、液两相接触充分，传质面积大，因此塔盘效率高。

操作弹性大，在负荷变动较大时，仍能保持较高的效率。

具有较高的生产能力，适用于大型生产。

不易堵塞，介质适用范围广。

结构复杂、造价高，安装维护麻烦；气相压降较大，但若在常或加压下操作，这并不是主要问题。

3工艺计算及设备选型

3.1物料与热量衡算

3.1.1计算条件及操作制度

1、原料焦油

无水焦油年处理量吨/年80000

焦油车间工作日，天330

无水焦油处理量，千克/时10101

焦油中含水，%（对无水焦油）4

2、焦油加热制度

焦油入对流段的温度，℃80

焦油出对流段的温度，℃130

焦油入辐射段的温度，℃110

焦油出辐射段的温度，℃400

辐射段出口压力，千帕150

3、过热蒸汽

蒸汽量（占无水焦油的6%），千克/时606

蒸汽入口压力千帕600

蒸汽入口温度℃164.2

蒸汽出口温度℃400

4、燃料体积组成

CO2CmHnO2COH2CH4N2

2.42.20.406.059.525.54.0

5、空气过剩系数α

辐射段1.2对流段1.3

6、焦油蒸馏的馏份产率

表3.1焦油蒸馏的馏份产率

馏份名称产率%产量千克/时平均分子量

轻油0.770.7105

酚油2.5252.5120

萘洗宽馏份16.01616.3130

洗油3.0303.0150

Ⅰ蒽油16.01616.3177

Ⅱ蒽油6.8686.9198

沥青54.05454.5—

损失1.0101—

总量10010101—

3.1.2燃烧过程的计算

1、焦油煤气的低热值

干煤气的低热值Q′e由表3.3查得：

Q′e=30.18CO+25.18H2+85.58CH4+163.75CmHn

=30.18×6.0+25.18×59.5+85.58×25.5+163.75×2.2

=4260千卡/标米3=17807千焦/标米3

煤气中的含水量：

=2.18%≈2.2%

式中：

P0——在20℃时，煤气中的饱和水气分压，由表3.2查得P0=17.5毫米汞柱；

P2——大气压力，取P2=760毫米水柱；

P——烧嘴前煤气的静压力，毫米汞柱，取P=600毫米汞柱；

湿煤气的低热值Qe：

=

=4160千卡/标米3

=17389千焦/标米3

2、燃烧所需空气量

当煤气中含水2.2%湿煤气组成（体积%）：

CO2CmHnO2COH2CH4N2H2O

2.352.160.395.8758.224.913.922.2

表3.2在760毫米汞柱下煤气中的饱和水蒸汽压力

温度℃压力mmHg温度℃压力mmHg温度℃压力mmHg温度℃压力mmHg

04.58119.802219.803337.70

14.901210.502321.103439.90

25.301311.202422.403542.20

35.701412.002523.803644.60

46.101512.802625.203747.10

56.501613.602726.703849.70

67.001714.502828.303952.40

77.501815.502930.004055.30

88.001916.503031.804156.30

98.602017.503133.704261.5