【正文】 母液溫度過高時，硫銨在母液中的溶解度很大，當(dāng)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(nèi)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(yù)熱到６０ ７０度。而飽和器母液應(yīng)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。 飽和器內(nèi)的母液液面上的水蒸氣分壓與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，母液液面上的水汽分壓一般為煤氣６中的水汽分壓的１ .３～１ .５倍，與此相應(yīng)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(guān)系見圖１ ２。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。 ２）酸度的影響 母液酸度對硫銨結(jié)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(jié)晶，反之，則可能使氨和吡啶的吸收不完全。母液酸中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 度與硫銨結(jié)晶的顆粒大小的關(guān)系如圖１ ３。 一般情況下，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(nèi)沉積的結(jié)晶。采取中加酸時母液酸度為１２％～１４％，大加酸時為１８％～２２％。 ３）雜質(zhì)的影響 在純凈的母液中，硫銨結(jié)晶的生長速度最快。母液中的雜質(zhì)對結(jié)晶的成長和晶形均有不利影響。 如圖 23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(fù)合組成的，強度較高，當(dāng)母液中含有ＡＬ和ＦＥ時，則生成細長片狀的晶體，在生產(chǎn)中這種晶體會被大量粉碎，導(dǎo)致硫銨粒度大為減少。 另外，雜質(zhì)不僅影響晶體的成長和晶形，而且還由于在單位時間內(nèi)晶體體積的總增長量小于同時間內(nèi)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(chǎn)工藝上，必須采取有效措施，減少母液中的雜質(zhì)，才能生成晶形較好、粒度較大的硫銨晶體。 ４）攪拌對結(jié)晶的影響 由結(jié)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(zhì)分子擴散到晶核表面上，由于晶核表面常有液膜生成，溶質(zhì)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(nèi)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(jié)晶。 ５）結(jié)晶濃度的影響 母液中的結(jié)晶濃度是指母液中所含結(jié)晶的體積對母液與結(jié)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(jié)晶的長大，晶比不宜過大，而晶比太小，則不利于結(jié)晶的長大，因此一般控制晶比在４０－５０％。 二、飽和器法生產(chǎn)硫銨的工藝流程 來自冷凝鼓風(fēng)工段的去焦油霧的煤氣首先進入煤氣預(yù)熱器，在此煤氣被預(yù)熱到６５度左右，然后，熱煤氣與蒸氨塔來得氨氣一起進入飽和器的中央煤氣管，經(jīng)分配傘穿過母液層鼓泡而出，其中氨被硫銨吸收，因此飽和器起著吸收設(shè)備的作用，煤氣出飽和器后進入除酸器，除去所夾帶的酸霧，然后送往粗笨車間，在飽和器后煤氣的含氨量一般要求低于３０ mg/標 m3。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 飽和器母液中不斷有硫酸氨生成，當(dāng)其呈飽和狀態(tài)時，就析出硫銨晶體，沉積至飽和器底部。因此，飽和器還起著結(jié)晶設(shè)備的作用。用結(jié)晶泵將晶體連同一部分母液 送至結(jié)晶槽。沉積在結(jié)晶槽底部的硫銨晶體送到離心機內(nèi)離心分離，濾除母液，并用熱水洗滌晶體，以減少晶體表面上的游離酸和雜質(zhì)。分離出來的母液返回飽和器。離心機卸出的硫銨晶體經(jīng)干燥后既為產(chǎn)品。 飽和器溢出的母液不斷通過液封內(nèi)的滿流管流人滿流槽，而由循環(huán)泵連續(xù)送回飽和器。當(dāng)定期大量加酸，補水并用水沖洗飽和器和除酸器時，所形成的大量母液由滿溜槽流至母液儲槽暫時儲存。而在兩次大量加酸之間的正常生產(chǎn)過程中，再將儲存的母液用母液泵打回飽和器中。 在飽和器內(nèi)生產(chǎn)的酸焦油可用氨水中和法回收，由滿流槽溢出來的酸焦油和母液進 入分離槽，在此再壓入酸焦油洗滌器。在洗滌器內(nèi)用來自蒸氨塔前的剩余氨水進行洗滌，然后靜止分離。洗滌器下層經(jīng)中和的焦油放入焦油槽，并用液下泵送往冷凝工段的機械化澄清槽，分離槽在中上層的氨水則放人母液儲槽中。 此法的優(yōu)點是能回收焦油，其缺點是氨水帶人母液系統(tǒng)的雜質(zhì)影響硫銨的質(zhì)量。 ３ .飽和器法生產(chǎn)硫銨工藝流程及主要設(shè)備 焦化廠生產(chǎn)的硫銨是濃硫酸和氨氣在飽和器內(nèi)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)而生成硫銨的。反應(yīng)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(yīng)是防熱反應(yīng) ,當(dāng)用硫酸吸收煉焦煤氣中的氨時 ,當(dāng)用硫銨吸收煉焦煤氣中的氨時 ,實際所得的熱效應(yīng)和硫銨母液的酸度及溫度有關(guān)，其值約比理論反應(yīng)放出的熱量少 10%左右。 由上述反應(yīng)方程式可以看出產(chǎn)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(chǎn)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(diào)節(jié)。在飽和器內(nèi)的酸度控制在 12%時，生成的硫銨產(chǎn)品主要為正鹽當(dāng)酸度升高時，隨酸度的提高而酸式鹽含量則提高，飽和器內(nèi)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。但酸式中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 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(nèi)從溶液中首先析出的是（ NH4） 2SO4，而 則次出或不出。 在飽和器內(nèi)硫銨從母液中形成晶體要經(jīng)歷兩個階段：首先是細小的結(jié)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(jié)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(jié)晶。反之，則得到大粒結(jié)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(chǎn)品硫酸銨顆粒粒度。由于飽和器內(nèi)氨和硫銨不斷的反應(yīng)生成硫銨，當(dāng)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(zhì)由液相向固相的傳質(zhì)速率有關(guān)，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(zhì)對結(jié)晶的成長速度和晶核均有不利的影響。傳質(zhì)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(nèi)充分攪拌使使母液受到充分的混合，以提高傳質(zhì)速率，同時還可以使飽和器內(nèi)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(jié)晶長大。母液內(nèi)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(jié)晶的溫度的提高有很大的增長，因而在適當(dāng)?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(nèi)，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(jié)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(nèi)），大顆粒結(jié)晶的產(chǎn)率下降，同時結(jié)晶的形狀也發(fā)生變化，從長寬比小的多面顆粒多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛心z結(jié)趨勢的細長六角形棱柱形，甚至變形針狀。這是因為當(dāng)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(chǎn)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，當(dāng)酸度低于%時，因母液比重的下降，還易于使泡沫產(chǎn)生，導(dǎo)致操作條件惡化。 一、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(fēng)工段，剩余氨水來自于溶劑脫酚工段，硫酸來自酸堿庫。 二、硫酸的選擇 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 焦化生產(chǎn)硫銨一般采用 : １ .濃度為 7578%的塔式酸； ２ .濃度為 9398%的接觸法硫酸； ３ .少量使用精苯的再生酸摻入到新酸中 。 其中塔式酸一般含有鉛、砷及氮的氧化物等雜質(zhì)。氮的氧化物在操作過程中會轉(zhuǎn)入煤氣中，其他雜質(zhì)會影響硫銨的晶體和顏色，同時不利于獲得大顆粒的結(jié)晶。此外，還會使飽和器的母液生成泡沫影響安全生產(chǎn)。 精苯車間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(jié)晶時嚴重污染環(huán)境， 因此應(yīng)于新酸混合均勻使用。 濃硫酸具有含雜質(zhì)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(yù)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(chǎn)品的質(zhì)量。 權(quán)衡上述利弊， 本設(shè)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(yù)熱器的負荷，又可以利用精苯車間的再生酸。 1)預(yù)熱器后煤氣溫度 6070度 2)飽和器后煤氣溫度 5565度 3)飽和器內(nèi)母液溫度 5055度 4)預(yù)熱器內(nèi)煤氣阻力 500PA 5)飽和器內(nèi)煤氣阻力 5000PA 6)除酸器內(nèi)煤氣阻力 1000PA 7)飽和 器 后煤氣含氮 =8)空氣預(yù)熱器后溫度 130140度 9)質(zhì)量指標 (二級品 ) 含 N(干基 ) 游離酸 水 10)蒸氨塔頂溫度 101103度 11)分縮器后氨氣溫度 9798度 12)廢水冷卻器后廢水溫度 4045度 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 13)廢水含量 主要設(shè)備硫銨工段的主要設(shè)備 硫銨工段的主要設(shè)備有煤氣預(yù)熱器、飽和器、離心機、干燥機、除酸器等。而其中飽和器是該工段的主要設(shè)備。 飽和器是用鋼板焊制的，具有頂蓋和錐底的圓形設(shè)備，內(nèi)壁襯以防酸層。此外，飽和器頂蓋內(nèi)表面及中央煤氣管的外表面，由于經(jīng)常與酸霧接觸，均需焊鉛扳襯層，近年來，采用環(huán)氧玻璃鋼襯飽和器頂蓋的內(nèi)表面及中央煤氣管表面，也取得了良好的效果。 在中央煤氣管下端裝有煤氣泡沸傘，沿泡沸傘整個圓周，焊有一定數(shù)量的彎成一定弧度的導(dǎo)向葉片，構(gòu)成了２８個弧形通道，煤氣均勻的分布，并泡沸穿過母液，同時還促使飽和器中的上層母液劇烈地旋轉(zhuǎn)，從而使母液中的硫酸銨晶體保持一定的懸浮狀態(tài)，這對于晶體的長大是有利的。 泡沸傘的侵沒深度是指 泡沸傘煤氣煤氣出口上緣至飽和器滿流口下緣的垂直距離。一般情況下，為使飽和器后煤氣含氨量小于３０ＭＧ／標Ｍ３，泡沸傘的侵沒深度不應(yīng)小于２００ＭＭ。煤氣通過飽和器的阻力主要有侵沒深度所決定。為了減少阻力，煤氣通過泡沸傘鼓泡處的速度取７ ８Ｍ／Ｓ。泡沸傘可用硬鉛（８５％鉛和１５％合金）澆鑄，也有用鎳鉻鈦不銹鋼制成。近幾年來，有用石棉酚酞玻璃鋼制作的。較經(jīng)濟耐用。 當(dāng)回收氨與吡啶同時進行時，由于硫酸吸收氨的反應(yīng)速度快的多，故在飽和器中同時回收吡啶時，為保證吡啶的回收率，應(yīng)適當(dāng)加大液封高度，以增加氣液接觸和反應(yīng)時 間。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 、焦?fàn)t選型及計算 焦?fàn)t選型及計算 選用 JN606型 2179。 65孔的 米焦?fàn)t，年設(shè)計能力 200 萬噸，主要尺寸如下： (單位 mm) 炭化室有效容積 (m3) 全長 有效長 全高 有效高 平均寬 錐度 結(jié)焦時 間 約18800 18000 7． 63 7180 590 50 25 焦?fàn)t生產(chǎn)能力的計算 焦干τ MkKhl bnNG ????? 124365 ? 式中 365179。 24—— 全年工作時間 n—— 每個焦?fàn)t組的焦?fàn)t個數(shù) N—— 每座焦?fàn)t的炭化室個數(shù) h—— 炭化室的有效裝煤高度 m l—— 炭化室的有效裝煤長度 m b—— 炭化室的有效裝煤寬度 m 干? —— 裝煤煤干基堆密度 t(干煤 )/ 3m 一般 ～ ,本設(shè)計取