年产140万吨焦炭焦化厂硫铵工段初步设计

`````太原理工大学化学化工学院《化工设计》课程设计说明书项目名称:年产140万吨焦炭焦化厂硫铵工段初步设计设计人姓名:专业班级:化学工程与工艺0503指导教师:申峻设计起止时间：2008年12月——2009年1月`````目录第一章概述1设计依据--------------------------------------------------------------------32硫铵生产方法的确定----------------------------------------------------------5第二章饱和器法硫铵生产工艺1工艺流程图及流程叙述--------------------------------------------------------72硫铵工段的正常操作制度------------------------------------------------------83硫铵工段的工艺操作参数------------------------------------------------------94车间工艺布置---------------------------------------------------------------10第三章化工计算1计算原始数据---------------------------------------------------------------122小时生产能力计算----------------------------------------------------------133氨平衡计算-----------------------------------------------------------------134水平衡的计算---------------------------------------------------------------145热平衡计算-----------------------------------------------------------------15第四章设备选型1饱和器基本尺寸-------------------------------------------------------------202旋风式除酸器的基本尺寸-----------------------------------------------------22第五章设备结构图叙述及附表1设备结构图叙述-------------------------------------------------------------232工艺设备一览表-------------------------------------------------------------26致谢-----------------------------------------------------------------------27参考文献--------------------------------------------------------------------28`````第一章、概述1设计依据（1）设计项目名称：年产140万吨焦炭焦化厂硫铵工段初步设计（2）生产能力：年产干硫铵2.7万吨（3）生产方法：饱和器法（外部除酸式），又称半直接法（4）硫铵主要质量标准：硫铵的主要质量标准名称指标一级品二级品三级品颜色白色或微带颜色的结晶氮含量（以干基计）≥21≥20.8≥20.6水分≤0.1≤1．0≤2.0游离酸（）≤0.05≤0.2≤0.3粒度（60目筛余量）≥75（5）硫铵的物理化学性质:硫铵的分子式为,分子量为132.16。其生成反应式如下：已知的生成热为279500千卡/千摩尔的生成热为11000千卡/千摩尔的生成热为210800千卡/千摩尔则中和热为试验测定得，用纯硫酸吸收气态氨生成硫铵时，其生成热为65300千卡/千摩尔；当用76%的硫酸在饱和器中生成硫铵时，其生成热为413千卡/千克。硫铵分子结晶时放出的结晶热为19.7千卡/千克或2600千克/千摩尔。纯态硫铵带有咸味，为白色的透明长菱形`````晶体。商品硫铵的晶体也可呈椭圆形或正方形，其色泽略呈绿色（或灰色、黄色、浅蓝色）。其先型尺寸平均不超过0.5毫米。硫铵的水溶液呈弱酸性，1%溶液的PH值为5.7，硫铵晶体溶于水时要吸收热量，其吸收热为15千卡/千克。20℃时硫铵晶体的比重为1.766，自由堆积比重随结晶力度的大小波动于780—830千克/的范围内。280℃时硫铵开始分解，并放出氨气而变为酸式硫酸铵；当温度为513℃时，则完全分解为氨气及硫酸。硫铵结晶能吸收空气中的水分而粘结成块，在空气湿度大、结晶粒度小和含水量高时尤甚。潮湿的硫铵结晶对钢铁水泥及麻袋均有不同程度的腐蚀作用。硫铵遇石灰、水泥灰分解放出氨气，因此能破坏建筑物的强度。硫铵的其他性质见下表：硫铵饱和溶液的蒸汽压力表温度（℃）蒸汽压力（mmHg）温度（℃）蒸汽压力（mmHg）107.923025.221510.164043.322014.225071.932519.5——（6）硫铵的主要用途：硫铵主要用于农业施氮肥。化学纯硫铵含氮量为21.2%或含氨量为25.78%，易溶于水。适用于农田后，大部分铵离子被吸附称为土壤的一个组成部分，减少了流动性，不易流失。植物吸收的能力比吸收的能力大得多，因为植物制造蛋白质所需氮素比硫素多。失去铵离子的酸根与土壤中的钙离子结合生成石膏，使土壤中所含的碱性化合物分解，结果土壤中的酸性逐渐提高，故土地连续使用硫铵10—15年后，要用石灰改变土壤的酸性。氮肥中的氮素被植物吸收的量占施用量的百分率，称为肥料的利用率。硫铵对水稻的利用率为65%，对大麦和小麦约为55%，而一般肥料对水稻、大麦和小麦的利用率仅为20%。故硫铵施与燕麦、小麦、棉花、马铃薯、水稻、大麻等农作物均有良好的效果。（7）煤炼焦时氨的形成及产率：烟煤在高温炼焦过程中，煤质要发生一系列的物理化学变化。炼焦初期析出的初次产物经二次热解后，生成组分十分复杂的炼焦煤气、焦油、苯族烃以及氨、硫化氢、氰化氢和高温炼焦化学产品。`````氨的产率取决于炼焦的工艺条件及原料煤的性质。这里所指的工艺条件是指结焦时间、炼焦温度、炉顶空间温度、煤气从碳化室逸出速度等。至于煤料的水分及粒度，只对氨的产率起间接影响，且在工业生产情况下，煤料的水分及粒度一般波动不大，故与氨的产率关系不甚密切。在工业高温炼焦条件下，干煤的全焦产率为65%—75%，转变为氨的氮量约占干煤中总氮量的15%—20%，若干煤中的总氮量平均为2%，即氮对干煤的产率为0.3%—0.4%，每吨干煤料的煤气发生量平均为300—320，因此，出炉煤气中的含氨量为8—13g/。对烟煤来说，煤中大量的氮是结合在开链的和环形化合物的氨基衍生物组成之内，。在炼焦过程中，煤的部分氮化物被分解，并以不同的形式分布于炼焦挥发产物之中，而另一部分氮则残留在焦炭里面。绝大部分氨是煤中有机物的氨基部分分解而成的。这些氨基部分可能直接存与煤中，也可能使炼焦过程中由其他更复杂的氮化物热解而成。比较起来，后一种的可能性更大。此外，少量的氨还可能由元素直接合成：但是合成氨的反应是一种剧烈的放热反应，同时也是可逆反应，，故在炼焦过程中，还会有氨解离成元素氮和氢的反应发生。可见，氨的产率与美的含氮量之间存在着密切的关系。煤的变质程度越深，氮的含量越低。研究表明，对氨的产率起决定性作用的是煤中氮的存在形式和焦炉火道温度。2硫铵生产方法的确定目前绝大多数焦化厂都用硫酸吸收煤气中的氨来制取硫铵。根据工艺过程的不同，生产硫铵的方法可分为间接法、直接法和半直接法。此外，焦化厂还可以用石膏、芒硝或用煤气中的硫化氢代替硫酸来生产硫铵。（1）间接法在现在生产硫酸方法未被提出之前，焦化厂曾用硫酸中和稀氨水，然后蒸发溶液而来制取固体硫铵。这种方法后来进一步得到完善，即形成了所谓间接法。间接法生产硫铵的工艺过程为：煤气在洗氨塔中用水洗涤，氨被吸收，得到稀氨水，送去蒸馏。由蒸氨塔逸出的氨，进入饱和器后被硫酸吸收而得硫氨。这种方法要消耗大量水蒸气，而且蒸发设备庞大，经济效果不佳。现今不采用。（2）直接法这种方法的工艺过程为：出炉煤气在煤气集气管中被循环氨水冷却，除去其中的焦油，进入间接式初步冷却器。煤气在初步冷却器冷凝出的氨水补充到循环氨水中去，而煤气中所含的水汽量，恰好相当于配煤水分和化合水分的总和。煤气`````从初步冷却器出来，温度约为60~70℃,进入电扑焦油器，除去其中之焦油雾滴。然后带着全部氨经预热器进入饱和器。氨和硫酸结合而成硫氨。煤气出饱和器经除酸器，进入冷却到直接式冷却器，冷却到适宜温度，进入鼓风气。采用直接法生产硫铵虽然有很多优点，但因过多的设备处于负压状态，在生产上不安全，故在工业上未被采用。（3）半直接法现代焦化厂广泛采用的是半直接法生产硫铵。我国多以饱和器作为氨的吸收器，国外则有以硫酸洗氨塔代替饱和器的趋势，即所谓无饱和器法生产硫铵。采用饱和器或硫酸洗氨塔生产硫铵，实质上都属于半直接法。半直接法生产硫铵的工艺过程为：出炉煤气在初步冷却器中冷却到25~30℃，进入鼓风机。加压后，经电捕焦油器，煤气预热器.进入饱和器。在初步冷却器中冷凝下来的氨水全部与集气管循环氨水混合。多余的混合氨水送如氨蒸馏器中，蒸馏出的氨气也送入饱和器，并和煤气中的氨一起为硫酸吸收而得硫铵。由于该法工艺过程简单，生产成本低，故为国内外焦化厂普遍采用。（4）不用硫酸制取硫铵的方法由于国民经济各部门对硫酸的需要量很大，焦化厂不用硫酸制取的方法，一向为人们注意。以下简单是几种不用硫酸制取硫氨的方法。①用石膏制取硫铵将石膏粉碎呈粉末后，按气体或液体法进行反应：或将所得的硫铵溶液用真空过滤器过滤。除去碳酸钙沉淀后的滤液中，约含硫铵40%，将其送入蒸发器进行蒸发，得到结晶硫铵。然后经分离与干燥得到最后成品。这种工艺过程复杂，需要的设备较多，耗用的蒸汽量很大，氨的回收率低，因此经济效果很差。由于该过程的副产品是碳酸钙，所以最好与水泥厂联合生产。②用芒硝制取硫铵芒硝与气态二氧化碳，氨与水按以下方式进行反应：`````将反应所得溶液送去过滤分离，除去Na2HCO3沉淀，而滤液用少量硫酸中和后，送入结晶设备浓缩结晶。所得结晶经分离、干燥后即为产品。按该法生产硫铵时，可以得到碳酸氢钠副产品。据文献资料报道，采用该法制取硫铵时，硫酸钠的利用率高达98.5%。硫酸用量对1吨硫铵约为144千克。硫铵质量很高，不含有游离酸，含氮量可达21%。此外，每吨干煤料可得到碳酸氢钠约为9公斤。但是，在焦化厂实现上述工艺过程是有困难的。单是加工硫铵溶液，就需混合、结晶、中和和蒸发等许多工序。处理碳酸氢纳的装置同样也很复杂。此外，采用该法在技术经济上的合理性，还得进一步研究。③用工业废气中的二氧化硫制取硫铵一些焦化厂靠近烧结铁矿的烧结厂或燃烧高硫煤的大型发电厂。在这种情况下，焦化厂利用烧结厂或发电厂工业废气中的二氧化碳来制取硫铵是很理想的。这种方法的实质在于焦化厂生产的浓氨水在吸收器中与废气中的二氧化硫作用，生成亚硫酸氢铵和亚硫酸铵。当有硫化氢存在时，溶液在加热器中发生分解，生成硫代硫酸铵：当溶液中硫代硫酸铵达到一定浓度后，剩余的亚硫酸氢铵和硫代硫酸铵作用，生成硫铵和元素硫：但此法尚在试验研究阶段，工业中并未采用。综上所述，综合权衡利弊，本次设计采用第三种方法，即半直接法。第二章、饱和器法硫铵生产工艺1工艺流程图及流程叙述外置除酸器饱和器法生产硫铵的工艺流程见下图`````如上图所述：炼焦煤气经初冷器冷却到25℃—35℃，其中部分氨气以冷凝氨水形式析出。冷却后的煤气被鼓风机加压，使经电补焦油器，然后进入煤气预热器3，用间接蒸汽加热至60℃-70℃，煤气预热的目的在于保持饱和器的水平衡，以免饱和器内母液因煤气中水汽的冷凝而被冲淡。预热后的煤气沿