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1、乌海职业技术学院毕业设计煤化工利用生产技术中，炼焦是应用最早的工艺，并且至今仍然是煤化工工业的重要组成部分。炼焦主要产品是生产炼铁用焦炭，同时生产焦炉煤气、苯、萘、蒽、沥青以及碳素材料等产品。在炼焦过程中，煤中的氮有1.2%1.5%与芳香烃发生化合反应生产吡啶盐基。其生成量主要取决于煤中氮含量及炼焦温度。一般在煤气初冷器后煤气含吡啶盐基约为0.40.6 g/m3，其中轻吡啶盐基约占75%85%。回炉煤气中吡啶盐基含量约0.020.05 g/m3，即回收率达90%95%。本设计采用饱和器法生产硫酸铵回收氨。对于饱和器法生产硫酸铵的工艺，煤气经鼓风机和电捕焦油器之后进入预热器，然后进入饱和器。煤气
2、穿过饱和器在除酸器分离出液滴后，去脱硫或粗苯回收段。结晶母液用泵从饱和器底部送至结晶槽，沉淀出结晶后满流母液回到饱和器。结晶经分离器，干燥器成为硫酸铵成品。目录第一章 总 论61.1 概述61.2 文献综述61.2.1 用硫酸回收氨的生产工艺原理71.2.2 从硫酸铵母液中制取粗轻吡啶工艺原理81.3 设计条件及要求101.4 工艺流程的确定11第二章 回收氨的工艺流程12第三章 硫酸铵生产的影响因素及其控制143.1 母液酸度143.2 母液温度153.3 母液搅拌163.4 离心分离和水洗163.5 杂质183.6 晶比19第四章 回收氨时物料平衡和热量平衡的计算204.1 物料衡算204
3、.1.1氨的平衡及硫酸用量的计算和硫酸铵产量的计算204.1.2 水平衡及母液温度的确定214.2 热量衡算234.2.1输入热量234.2.2 输出热量26第五章 硫酸铵生产的主设备计算285.1 饱和器285.2 除酸器305.3 干燥器325.4 结晶槽37第六章 中和器法提取粗轻吡啶工艺流程39第七章 影响粗轻吡啶生产的因素及其控制417.1 吸收阶段417.2 中和及粗轻吡啶分离阶段42第八章 中和器的物料平衡工艺计算438.1 母液处理量438.2 分凝器后氨气分配给中和器的质量分数44第九章 回收粗轻吡啶的主要设备计算459.1 中和器459.2 冷凝冷却器469.3 沉淀槽46
4、第十章 设计一览表47参考文献48设计体会与收获49致谢50第一章 总论1.1概述炼焦化学产品在国民经济中占有重要的地位，炼焦化学工业是国民经济的一个重要部门，是钢铁联合企业的主要组成部分之一，是煤炭的综合利用工业。煤在炼焦时，除有75%左右变成焦炭外，还有25%左右生成多种化学产品及煤气。在高温炼焦过程中，炼焦煤中所含的氮有10%12%转变为氮气，约60%残留于焦炭中，有15%20%生成氨，有1.2%1.5%转变为吡啶盐基。所生成的氨与赤热的焦炭反应则生成氰化氢。在煤气经过集气管和初冷气冷却后，吡啶盐基发生重新分配，一部分高沸点的吡啶盐基溶于煤焦油氨水，沸点较低的吡啶盐基几乎全部留在煤气中。
5、氨则分配在煤气和剩余氨水中，初冷器后煤气中含氨约46 g/m3。纯态的硫酸铵为无色长菱形晶体，焦化厂生产的硫酸铵，因混有杂质而呈现浅的绿色、蓝色、灰色，多为片状、针状甚至粉末状结晶。硫酸铵的密度1766kg/cm3(20oC)，其结晶热为10.87kJ/mol。硫酸铵易吸潮结块，易溶于水，其水溶液呈弱酸性，1%的溶液pH为5.7。粗煤气中氨氮占煤种氮的15%20%，吡啶盐基氮占煤中氮的1.2%1.5%。无水氨主要用于制造氮肥和复合肥料，还可用于制造硝酸，各种含氮的无机盐，磺胺药，聚氨酯，聚酰胺纤维及丁靑橡胶等，此外还常用做制冷剂。1.2文献综述在氨及粗轻吡啶的回收工艺中，用硫酸吸收焦炉煤气中的
6、氨生产硫酸铵按煤气中氨与硫酸母液接触的方式不同，分有三种：半直接法、间接法和直接法，其中应用最广泛的是半直接法。半直接法：将焦炉煤气首先冷却至2535，经鼓风机加压后，再经电捕焦油器除去煤焦油雾，然后进入硫酸铵饱和器内与硫酸母液充分接触生成硫酸铵，同时将初冷时生产的剩余氨水进行蒸馏，蒸出的氨也通如饱和器内与硫酸接触，氨被硫酸吸收生成硫酸铵。间接法：经初冷器后的煤气在洗氨塔内用水冼氨，将得到的稀氨水与冷凝工段来的剩余氨水一起送入蒸氨塔蒸馏，蒸出的氨气全部进入饱和器被硫酸吸收生成硫酸铵。此法消耗大量的蒸汽，而且蒸馏设备较庞大，生产上应用受到一定的限制。直接法：由集气管来的焦炉煤气经初冷器冷却到60
7、70，进入电捕焦油器除去煤焦油雾。然后进入饱和器，煤气中的氨被硫酸吸收而生成硫酸铵。煤气离开饱和器后，再冷却到适宜的温度进入鼓风机。硫酸铵生产按采用的设备不同有饱和器法和酸洗塔法。饱和器法是生产硫酸铵的主要方法，过去多采用鼓泡式饱和器，现在新建和改建焦化厂多采用喷淋式饱和器。1.2.1用硫酸回收氨的生产工艺原理硫酸铵生成的化学原理，硫酸吸收煤气中的氨是迅速的不可逆的化学反应， 实际热效应与母液酸度和温度有关，其值较上述值约小于10%。如氨与酸度为7.8%的硫酸铵饱和母液相互作用，其反应热效应如下：温度/47.766.676.1硫酸铵热效应/（J/mol）硫酸过量时，则生成酸式盐： 用适量被氨饱
8、和的程度，酸式盐又可转变为中式盐 溶液中酸式盐和中式盐的比例取决与母液中游离硫酸的含量，这种含量以质量分数表示，称之为酸度。当酸度为1%2%时，主要时中式盐。酸度升高时，酸式盐的含量也随之提高。饱和器中同时存在两种盐时，由于酸式盐较中式盐易溶于水或稀硫酸中，故在酸度不大的情况下，从饱和溶液中析出的只有硫酸铵结晶。由硫酸铵和硫酸氢铵在不同含量的硫酸溶液（60）内的溶解度比较可知，在硫酸小于19%时，析出的固体结晶为硫酸铵；当酸度大于19%而小于34%时，则析出的是硫酸铵和硫酸氢铵两种盐的混合物；当酸度大于34%时，得到的固体结晶全为硫酸氢铵。1.2.2从硫酸铵母液中制取粗轻吡啶工艺原理吡啶是粗轻
9、吡啶中含量最多，沸点最低的组分，故以吡啶为例来阐述回收的基本原理。吡啶具有弱碱性，与酸发生中和反应生成相应的盐。在饱和器或酸洗塔中，吡啶与母液中的硫酸作用生成酸式盐或中式盐，发生的化学反应分别为：生成酸式盐 生成中式盐 当提高母液酸度时，有利于生成硫酸吡啶的反应，会有更多的吡啶被吸收下来。硫酸吡啶吡啶不稳定，在母液中主要以酸式硫酸吡啶形式存在，此盐在温度升高时极易离解，并与硫酸铵反应而生成游离吡啶，化学反应如下： 当母液温度提高或母液中硫酸铵含量增多，均能促使酸式硫酸吡啶发生离解，使吡啶游离出来。在一定温度下母液液面上总有相应压力的吡啶蒸汽，使吡啶被煤气带走而形成损失。只有当母液面上的吡啶蒸汽
10、压小于煤气中吡啶分压时，煤气中的吡啶才会被母液吸收下来。这两个分压之差越大，吸收反应就进行得越好，则随煤气损失的吡啶就越少。因此，只有连续提取母液中的吡啶，使母液中吡啶含量低于煤气中吡啶分压相平衡的含量，才能使吸收过程不断进行。由以上分析可知，吸收过程好坏主要取决于母液液面上吡啶蒸汽压的大小，母液的酸度，温度及其中吡啶含量等。由表1.1所列数据分析可知，当母液中吡啶含量和母液酸度一定时，母液面上的吡啶蒸汽压随温度升高而增大。当母液温度高于60时，吡啶蒸汽压急剧上升；当母液酸度增加时，吡啶蒸汽压则降低；当母液中吡啶含量增加时，吡啶蒸汽压显著增加。还应指出的是，在分析粗轻吡啶回收时，不要忘记粗轻吡
11、啶是与硫酸铵工艺净化煤气中的氨同时进行的，而硫酸铵工艺中必须考虑温度对水平衡的影响。因此，温度、酸度等的可调范围不是很大。表1.1 吡啶蒸汽压与温度等因素的关系母液酸度/%温度/母液中吡啶含量/(g/l)吡啶蒸汽压/母液面上的煤气中的吡啶含量/(g/m3)44444405060708010101010100.5870.6931.8805.79917.7420.0100.0240.0650.2100.61755555405060708010101010100.1470.4271.2263.53210.5440.0050.0150.0430.1230.336根据表1.1数据，经整理后饱和器母液中粗
12、轻吡啶的最大浓度可按下式估算：式中 -母液酸度，取为6%；-饱和器后煤气中吡啶盐基最大含量。按设计要求，取为0.04 g/m3；t-饱和期内母液温度，取t=55.将有关数据带入上式，即可求得为了保证吸收过程的推动力，需按饱和器后煤气中吡啶盐基的实际含量为的50%来计算，则母液中吡啶允许含量为 当上述计算中其他条件不变时，在不同母液温度下，母液中粗轻吡啶允许含量见表 1.21.3 设计条件及要求设计任务：回收焦炉煤气中氨及粗轻吡啶工艺参数：氨回收：焦炉气处理量m3/h45000氨的产率/%0.3初冷器后煤气温度/30剩余氨水量（t/h）12剩余氨水含氨量(g/L)3.0蒸氨塔废水含氨量(g/L)
13、0.05每蒸馏1m3稀氨水用直接蒸汽/kg100分凝后氨气温度/95硫酸质量分数/%74设计目标：饱和器后煤气含氨量 0.03g/ m31.4工艺流程的确定用硫酸吸收焦炉煤气中氨生产硫酸铵的方法有半直接法、间接法和直接法，结合这三种方法的优点和缺点，经和老师讨论，我确定了利用半直接法即饱和器法生产硫酸铵的方法回收氨。饱和器法生产硫酸铵的方法有鼓泡式饱和器和喷淋式饱和器，鉴于鼓泡式饱和器法比较成熟，老师建议我选用鼓泡式饱和器法生产硫酸铵。第二章 饱和器法回收氨的工艺流程鼓泡式饱和器法硫酸铵生产工艺流程如图2.1所示。煤气经鼓风机和电补焦油之后进入煤气预热器，预热到6070，目的是蒸出饱和器中水分
14、，防止母液稀释。煤气由饱和气的中央管经泡沸伞穿过母液层鼓泡而出，其中的氨被硫酸吸收，形成硫酸氢铵和硫酸铵，在母液中含量分别为40%45%和6%8%。在吸收铵的同时吡啶碱也被吸收下来。 煤气穿过饱和器，在除酸器分理出携带的液滴后，去脱硫或粗苯回收工段。饱和器后煤气含氨量一般要求小于0.03g/m3。 饱和器中母液经水管入满溜槽，由此用泵打回到饱和器的底部，这样构成母液循环系统，并在器内形成上升的母液流，进行搅拌。 硫酸铵结晶沉于饱和器的锥底部，用泵将浆液送到结晶槽，在此从浆液中沉淀出硫酸铵结晶，结晶槽满流母液回到饱和器，部分母液送去回收吡啶装置。 含量为72%78%的硫酸自高位槽加入饱和器。除酸器液滴经满流槽泵送至饱和器。 硫酸铵结晶浆液在离心机分出结晶，结晶含水分1%2%，于干燥器中脱水后送去仓库。饱和器的壁上会沉结细的晶盐，增加煤气流动阻力。为此，饱和器需定期用热水和借助于大加酸进行洗涤。47第三章 饱和器法回收氨的影响因素及控制3.1母液酸度氨吸收设备内母液的酸度，主要影响硫酸铵结晶的粒度和氨与吡啶盐基的回收率。母液酸度对硫酸铵结晶成长有影响，随着母液酸度的提高，结晶平均粒度下降，晶形也
