【正文】 設計任務書一、設計任務 為年產80萬噸冶金焦的焦化廠設立硫銨工段。二、設計的基礎資料 徐州焦化廠位于徐州的西面，用水主要用地下水、自來水和本廠的處理循環(huán)水。硫銨工段屬于焦化廠的回收車間。它設立在回收車間的冷凝鼓風工段和粗笨工段之間。 徐州地區(qū)位于東經117*18 北緯34*17 海拔高度 43米 平均氣壓 年平均氣溫 14度 極端最高氣溫 極端最低氣溫 平均相對濕度 71% 年降水量 年降水天數(shù) 最大積雪厚度 25厘米 平均風速 最大風速及風向 16WSW 最多風向及頻率 C14 ESE 12 三、設計的基礎數(shù)據(jù)假設年產80萬噸的焦化廠用的是 2 座 63 孔的 TJL4350D 型焦爐。每孔有效容積 m3 結焦時 24 小時，配煤的揮發(fā)份為26%，%；；裝爐干煤的表面水為7%；煤氣在初冷器冷卻的溫度為30度，進入硫銨工段的溫度為45度。焦爐炭化室尺寸： 有效長 l=13280m 有效高 h=4100m 平均寬 b=500m堆積密度 =~ t(干煤)/ 煤炭作為我國的主要能源之一，由于其儲藏量有限，單純作為燃料不僅浪費很大，而且會造成嚴重的環(huán)境污染，隨著現(xiàn)代科技和化學工業(yè)的發(fā)展對煤炭的利用范圍已大大擴展，煤炭的綜合利用已被列為我國煤炭行業(yè)的三大支柱。 高溫煉焦化學工業(yè)是煤炭的綜合利用中歷史最久，工業(yè)最完善，技術最成熟，應用最廣泛的行業(yè)。由于煤炭的自身組成特殊性，在煉焦同時產生的煤氣中，含有多種可供回收利用的成分，其中氨作為生產過程中的有害成分之一，其含量雖少但由于其水溶液具有腐蝕設備和管路，生成的銨鹽會引起堵塞，燃燒產生的氮氨化物污染大氣，所以有必要將其回收，并加以利用。 硫銨的生產不僅達到了除去煤氣中氨的目的，而且硫銨作為化肥應用于農業(yè)中可以提高農作物的單位面積產量，對農業(yè)的發(fā)展起著重要作用。 硫銨的生產方法有：飽和器法和非飽和器法。飽和器法有分直接法和半直接法。 直接法 熱的煤氣從焦爐中出來經過煤氣冷凝器冷卻再經電捕焦油器清潔凈化后進入飽和器，在飽和器內，煤氣中的氨同硫酸結合生成硫銨。直接法由于對電捕焦油器等凈化裝置要求較高以保硫酸銨產品質量。因此，在工業(yè)上應用比較困難，所以此法在工業(yè)上得不到廣泛應用，難以推廣。 間接法 煤氣中的氨在氨洗塔中用冷水吸收，所得氨水從蒸餾柱進入飽和器同濃硫酸反應制成硫酸銨。由于這方法需要的設備龐大，投資大，消耗掉大量的蒸汽，耗能大，經濟效果也不好。因此，此法在工業(yè)上應用很少，很難推廣，特別是在現(xiàn)代化工業(yè)生產中應用更少。 半直接法： 由焦爐出來的煤氣經過冷卻，所得的冷凝氨水通過氨蒸餾柱蒸出氨水并和煤氣中的氨共同進入飽和器，穿過母液層和硫酸溶液相互作用生成酸式硫酸銨。半直接法生產硫酸銨由于生產流程簡單，產品成本較低，工藝技術及管理較成熟，因此在工業(yè)生產上應用較廣，但它也不是十全十美，也有它的缺點，主要有下列幾點：（1）需處理一定量的氨水。（2）結晶顆粒較小。（3）煤氣通過飽和器阻力較大，因而能量消耗大。因此半直接法生產硫銨的工業(yè)等有待進一步改進，以適應現(xiàn)代工業(yè)生產的需要，盡管如此，由于它的生產工藝管理等方面均較直接法和間接法先進，因此工業(yè)生產上應用較廣。本設計選擇半直接法。 ?。ǎ保┘儜B(tài)硫酸氨為無色長棱形結晶體，工業(yè)為白色或淺灰色黃色晶體顆粒，／Ｍ３。　（２）／ＭＯＬ，結晶區(qū)位于硫銨含量較低區(qū)域?！。ǎ常┮兹芘c水，其水溶液呈弱酸性，易吸潮結塊。 　　長期以來，主要用來做肥料，適用多種土壤和多種作物，還可用于紡織、皮革、醫(yī)藥等方面。食用硫酸銨由工業(yè)硫酸銨加入蒸餾水溶解，加入除砷劑、除重金屬劑進行溶液凈化、過濾、蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、離心分離、干燥制得。用做食品添加劑，做面團調解劑、酵母養(yǎng)料等。 1. 流程選擇 目前，我國大部分焦化廠均用飽和器法生產硫酸銨，來回收煤氣中的氨。國外除趨向于用沸薩姆法生產無水氨外，還有許多焦化廠用飽和器法或酸洗法生產硫酸銨。所以硫酸銨仍是目前焦化廠生產的主要產品之一。 用硫酸吸收煤氣中的氨是快速不可逆的化學反應，所以可在飽和器或酸洗塔內，使焦爐煤氣與適量濃度的硫酸接觸以用來回收煤氣中的氨。本設計選擇半直接法。2. 生產工藝流程的原理 焦化廠生產的硫銨是濃硫酸和氨氣在飽和器內發(fā)生如下化學反應而生成硫銨的。反應方程式： H2SO4+NH3（NH4）2SO4 （硫酸適量） H2SO4+NH3 NH4HSO4 （硫酸過量） NH4HSO4+NH3（NH4）2SO4 上述反應是防熱反應,當用硫酸吸收煉焦煤氣中的氨時,當用硫銨吸收煉焦煤氣中的氨時,實際所得的熱效應和硫銨母液的酸度及溫度有關，其值約比理論反應放出的熱量少10%左右。 由上述反應方程式可以看出產品硫銨既存在著正鹽又存在著酸式鹽，它們分別以各自的形式存在于生產硫銨的溶液中，而溶液中酸式鹽還是正鹽各自所占的比主要由溶液的酸度決定，溶液的酸度可以用加入硫酸的數(shù)量多少來調節(jié)。在飽和器內的酸度控制在12%時，生成的硫銨產品主要為正鹽當酸度升高時，隨酸度的提高而酸式鹽含量則提高，飽和器內酸度控制（指母液的酸度）在48%時飽和器和母液中同時存在著正鹽又存在著酸式鹽。但酸式鹽比正鹽更容易溶于水和稀硫酸，因此，在溶解度達到極限時，在飽和器的酸度范圍內從溶液中首先析出的是（NH4）2SO4，而則次出或不出。 在飽和器內硫銨從母液中形成晶體要經歷兩個階段：首先是細小的結晶中心晶核的形成，而后是晶核（或晶體）的長大。通常兩個過程同時進行的。即在一定的條件下結晶，若晶核形成的速率大于晶體成長的速率，得到的是小粒結晶。反之，則得到大粒結晶。顯然，如控制好此速率，便可控制晶體顆粒的大小，從而可以得到較滿意的產品硫酸銨顆粒粒度。由于飽和器內氨和硫銨不斷的反應生成硫銨，當硫銨與硫酸達到一定的過飽和程度時，即形成晶核。晶核的成長速度和溶液的潔凈程度，溶液的酸度以溶質由液相向固相的傳質速率有關，在純凈的母液中，硫銨晶體的生長速度最快，母液中的可溶性雜質對結晶的成長速度和晶核均有不利的影響。傳質速率是由硫銨分子從晶體表面上移走晶體熱的速率所決定的，而在飽和器內充分攪拌使使母液受到充分的混合，以提高傳質速率，同時還可以使飽和器內的母液的酸度和溫度均勻，且使洗粒晶體的母液中呈懸浮狀態(tài)和延長其在母液中的停留時間，均有利于結晶長大。母液內晶體的生長速度隨著溫度的提高而顯著增大。由于晶體各棱面的平均生長速度比晶體沿生長長向速度增長的速度較快，溫度的提高還有助于降低晶體的長寬比和形成較好的晶形。同時，由于體積生長的速度隨結晶的溫度的提高有很大的增長，因而在適當?shù)奶岣邷囟鹊那闆r下，可把溶液的過飽和程度控制在教小的范圍內，從而大大減少針形晶核的形成，但是不是把溫度提高的太高，否則會適得其反，飽和器母液的酸度對硫銨結晶的成長也有一定的影響。隨著母液酸度的提高（從0到10%的范圍內），大顆粒結晶的產率下降，同時結晶的形狀也發(fā)生變化，從長寬比小的多面顆粒多數(shù)轉變?yōu)橛心z結趨勢的細長六角形棱柱形，甚至變形針狀。這是因為當其他條件不變的時候母液的介穩(wěn)區(qū)隨著酸度的增加而減少，因而不保持有利于晶體成長所必須的過飽和程度。同時，隨著酸度的提高，母液的黏度將增大。因而增加了硫銨分子向晶體表面擴散的阻力，阻礙了晶體正常的生長?？梢姡蜾@晶體的平均粒度是隨著母液酸度的提高而減少的。但是，從生產的操作來看，母液的酸度過低也是不允許的。這是因為除了使氨和吡啶吸收不完全外，還同時易使飽和器堵塞，此外，%時，因母液比重的下降，還易于使泡沫產生，導致操作條件惡化。1. 原料來源 進入硫銨工段的原料有煤氣，剩余氨水和硫酸，其中煤氣來自于冷凝鼓風工段，剩余氨水來自于溶劑脫酚工段，硫酸來自酸堿庫。2. 硫酸的選擇 焦化生產硫銨一般采用: %的塔式酸；　　%的接觸法硫酸；　　。其中塔式酸一般含有鉛、砷及氮的氧化物等雜質。氮的氧化物在操作過程中會轉入煤氣中，其他雜質會影響硫銨的晶體和顏色，同時不利于獲得大顆粒的結晶。此外，還會使飽和器的母液生成泡沫影響安全生產?！　【杰囬g的再生酸對鋼材有著強烈的腐蝕作用，其中有的焦油酸和磺酸，在硫銨結晶時嚴重污染環(huán)境，因此應于新酸混合均勻使用?！　饬蛩峋哂泻s質少，帶人飽和器的水分也少，且加入飽和器有較高的稀釋熱。因此可減少煤氣預熱器的負荷等優(yōu)點。但濃硫酸價高，且冬季易凍，還會使煤氣中的不飽和組分聚合，影響產品的質量?！　嗪馍鲜隼?，本設計所用的硫酸的濃度為７８％，其中再生酸是再大加酸時加入母液儲槽的，在母液儲槽分離其所含焦油后，再進入飽和器，選用這樣的酸既可以降低煤氣預熱器的負荷，又可以利用精苯車間的再生酸?！　∧撤N物質在溶液中結晶時，每一個晶體均經歷兩個階段， 在飽和器內硫銨從母液中形成晶體要經歷兩個階段：首先是細小的結晶中心晶核的形成，而后是晶核（或晶體）的長大。通常兩個過程同時進行的。即在一定的條件下結晶，若晶核形成的速率大于晶體成長的速率，得到的是小粒結晶。反之，則得到大粒結晶。顯然，如控制好此速率，便可控制晶體顆粒的大小，從而可以得到較滿意的產品硫酸銨顆粒粒度?！　【Ш诵纬珊推涑砷L取決于溶液的過飽和度，使溶液結晶中的物質的濃度維持在過飽和狀態(tài)，以便在溶液和晶體表面之間建立濃度差，使溶液中的結晶中的物質向晶體表面轉移，溶液的過飽和度既為結晶的推動力，推動力越大，則結晶過程速率也越快?！　【Ш诵纬珊腿芤旱臏囟群蜐舛戎g有一定關系，見圖１１。圖中ＡＢ線與普通溶解度曲線，ＣＤ線為超溶解度曲線，ＡＢ與ＣＤ線之間為介穩(wěn)區(qū)，在此區(qū)域內，晶核不能自發(fā)形成。若濃度為Ｅ的未加晶種的溶液冷至Ｆ，達到飽和，理論上可以結晶，但實際上過飽和程度還不夠，由Ｆ到冷到Ｇ，溶液經介穩(wěn)區(qū)已處于過飽和狀態(tài)，但仍無結晶形成。只有冷到Ｇ，才有大量晶核急劇形成。溶液濃度迅速降至Ｈ（飽和點），這樣得到的晶體很小。為了控制晶體數(shù)目和大小，可在結晶前，溶液中加入晶種，降低晶核形成所需的過飽和度。過飽和度急劇降低時，則生成新晶核的速度小，而晶核成長速度大， 過飽和度大，則反之。因此在實際生產中為了得到較大顆粒的硫酸銨結晶，必須使母液處于介穩(wěn)區(qū)和適宜的過飽和度?！　。保囟鹊挠绊憽　∮蓤D２２可以看出，硫銨在母液中的溶解度，隨著溫度升高而增加。但飽和器內母液溫度的高低，是取決于飽和器的水平衡。母液溫度過高過低都不利于晶體的成長。但母液過高時，雖然由于母液黏度降低而增加了硫銨分子間晶體表面的擴散速度，有利于晶體長大。但母液溫度過高時，硫銨在母液中的溶解度很大，當溫度波動時，造成局部過飽和現(xiàn)象，促使大量晶核形成，這樣就得不到大顆粒晶體。飽和器中的水分是由煤氣、氨氣和硫酸帶人的。為了蒸發(fā)飽和器的多余水分，保持飽和器內的水平衡以防止母液被稀釋。一般要求進入飽和器的煤氣必須預熱到６０７０度。而飽和器母液應該在保證不被稀釋的條件下，保證較低的操作溫度，以５０～５５度為宜?！　★柡推鲀鹊哪敢阂好嫔系乃魵夥謮号c煤氣的水汽分壓相平衡時的母液溫度為最低溫度，根據(jù)水平衡可求出煤氣的露點及煤氣中的水汽分壓，～，與此相應的母液溫度即為母液的適宜溫度。母液酸度、溫度與母液液面上的水蒸氣的關系見圖１２。提高母液的酸度和其中硫銨的含量以及降低母液的溫度都會降低母液上的水蒸氣分壓?！　。玻┧岫鹊挠绊憽　∧敢核岫葘α蜾@結晶影響較大，酸度過大使溶解在母液中的硫銨數(shù)量增加，難以獲得大顆粒結晶，反之，則可能使氨和吡啶的吸收不完全。母液酸度與硫銨結晶的顆粒大小的關系如圖１３?！　∫话闱闆r下，母液酸度維持在４％～６％比較合適。為保持酸度穩(wěn)定，可采用飽和器連續(xù)加酸制度，同時用水和蒸氣沖洗，以消除飽和器內沉積的結晶。采取中加酸時母液酸度為１２％～１４％，大加酸時為１８％～２２％?！　。常╇s質的影響　　在純凈的母液中，硫銨結晶的生長速度最快。母液中的雜質對結晶的成長和晶形均有不利影響。如圖１４所示，母液中含有的金屬離子不同，硫銨晶體的晶形也不同，純凈的母液形成的晶形是扁六方形棱面和錐面復合組成的，強度較高，當母液中含有ＡＬ和ＦＥ時，則生成細長片狀的晶體，在生產中這種晶體會被大量粉碎，導致硫銨粒度大為減少?！　×硗?，雜質不僅影響晶體的成長和晶形，而且還由于在單位時間內晶體體積的總增長量小于同時間內在飽和器中形成的硫銨量，因而使母液的過飽和程度增加。這不僅會使晶體形狀發(fā)生變化，降低強度，同時還會形成大量的針狀晶核，很快充滿溶液的全部體積，因而破壞了正常操作，因此在硫銨生產工藝上，必須采取有效措施，減少母液中的雜質，才能生成晶形較好、粒度較大的硫銨晶體?！　。矗嚢鑼Y晶的影響　　由結晶理論可知晶核的成長是基于晶核界面上的濃度差，使溶液中溶質分子擴散到晶核表面上，由于晶核表面常有液膜生成，溶質分子不易擴散到晶核表面。同時，有了外加的攪拌，還可以減少飽和器內部各部位溫度和濃度不均勻的程度，易于增大硫銨分子的顆粒，加大母液循環(huán)也有利于制取大顆粒的硫銨結晶?！　。担┙Y晶濃度的影響 母液中的結晶濃度是指母液中所含結晶的體積對母液與結晶總體積的百分比。為有利于氨和吡啶的吸收，減少攪拌阻力和有利于結晶的長大，晶比不宜過大，而晶比太小，則不利于結晶的長大，因此一般控制晶比在４０－５０％?！　?