【正文】 24—— 全年工作時間 n—— 每個焦爐組的焦爐個數(shù) N—— 每座焦爐的炭化室個數(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 。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 、焦爐選型及計算 焦爐選型及計算 選用 JN606型 2179。較經(jīng)濟耐用。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。煤氣通過飽和器的阻力主要有侵沒深度所決定。 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。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。而其中飽和器是該工段的主要設(shè)備。 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。因此可減少煤氣預(yù)熱器的負荷等優(yōu)點。 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。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。 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 。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?？梢?，硫銨晶體的平均粒度是隨著母液酸度的提高而減少的。同時，隨著酸度的提高，母液的黏度將增大。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。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。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。由于飽和器內(nèi)氨和硫銨不斷的反應(yīng)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。反之，則得到大粒結(jié)晶。通常兩個 過程同時進行的。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。 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)。 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。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。 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。當定期大量加酸，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。離心機卸出的硫銨晶體經(jīng)干燥后既為產(chǎn)品。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)。因此，飽和器還起著結(jié)晶設(shè)備的作用。 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。 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。 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。 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。母液中的雜質(zhì)對結(jié)晶的成長和晶形均有不利影響。采取中加酸時母液酸度為１２％～１４％，大加酸時為１８％～２２％。 一般情況下，母液酸度維持在４％～６％比較合適。 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。母液酸度、溫度與母液液面上的水蒸氣的關(guān)系見圖１ ２。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。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。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。母液溫度過高過低都不利于晶體的成長。 銨 結(jié)晶影響因素 １） 溫度的影響 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 圖 22 硫銨母液酸度、溫度與母液面 水蒸氣壓的關(guān)系 注： 1mmHg— 1． 2 一母液酸度分別為 4％、 6％ 由圖２ ２ 可以看出，硫 銨在母液中的溶解度，隨著溫度升高而增加。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。溶液濃度迅速降至Ｈ（飽和點），這樣得到的晶體很小。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(jié)晶，但實際上過飽和程度還不夠，由Ｆ到冷到Ｇ，溶液經(jīng)介穩(wěn)區(qū)已處于過飽和狀態(tài)，但仍無結(jié)晶形成。 晶核形成和溶液的溫度和濃度之間有一定關(guān)系，見 圖１ １ 。顯然，如控制好此速率，便可控制晶體顆粒的大小，中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 從而可以得到較滿意的產(chǎn)品硫酸銨顆粒粒度。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。 某種物質(zhì)在溶液中結(jié)晶時，每一個晶體均經(jīng)歷兩個階段， 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。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。 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。此外，還會使飽和器的母液 生成泡沫影響安全生產(chǎn)。 其中塔式酸一般含有鉛、砷及氮的氧化物等雜質(zhì)。 原料來源及其選擇 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。但是，從生產(chǎn)的操作來看，母液的酸度過低也是不允許的。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。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，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?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。母液內(nèi)晶體的生長速度隨著溫度 的提高而顯著增大。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。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。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。 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。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。反應(yīng)方程式： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 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(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。 本設(shè)計選擇半直接法。 （ 3）煤氣通過飽和器阻力較大，因而能量消耗大。半直接法生產(chǎn)硫酸銨由于生產(chǎn)流程簡單，產(chǎn)品成本較低，工藝技術(shù)及管理較成熟，因此在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)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。因此，此法在工業(yè)上應(yīng)用很少，很難推廣，特 別是在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用更少。 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(yīng)制成硫酸銨。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(chǎn)品質(zhì)量。其中生產(chǎn)方法有三 種：直接法、間接法、和半直接法。所以硫酸銨仍是目前焦化廠生產(chǎn)的主要產(chǎn)品之一。 月 份 1 2 3 4 5 器后氨含 量 g/nm3 酸耗 kg/ nm3 硫銨含水量 % % % % % 中國礦業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 生產(chǎn)的工藝流程 制定生產(chǎn)流程的原理 一、流程選擇 目前，我國大部分焦化廠均用飽和器法生產(chǎn)硫酸銨，來回收煤氣中的氨。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(jié)晶、離心分離、干燥制得。 （３）易溶與水，其水溶液呈弱酸性，易吸潮結(jié)塊。 ２ .飽和器法生產(chǎn)硫銨原理 ２ .１物理性質(zhì) （１）純態(tài)硫酸氨為無色長棱形結(jié)晶體，工業(yè)為白色或淺灰色黃色晶體顆粒，晶體密度１ .７７６ＫＧ／Ｍ３。 從上述噴淋式飽和器的技術(shù)性能可以看出，遠遠優(yōu)于其它形式飽和器技術(shù)性能。 從表中可以看出，使用噴淋式飽和器后的氨含量均在 g/nm3～ g/nm3之間，而浸沒式飽和器均在 ～ ；另外，硫銨的含水量降到 %以下，游離酸含量也降低 %；此外酸耗也明顯降低。下面列舉某焦化廠 2021年硫銨工段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可明顯看出質(zhì)量顯著提高。所以，對于焦爐煤氣除氨生產(chǎn)硫銨裝置，選用 SUS316L材質(zhì)制作是完全經(jīng)濟可行的。根據(jù)有關(guān)資料介紹及實際運行證 明，該材料具有良好的耐腐蝕性能，在濃度10%，溫度 60℃的硫酸腐蝕介質(zhì)中，年腐蝕速率 ；在濃度 5%，溫度60℃的硫酸介質(zhì)中，年腐蝕速率 。 第五，噴淋式飽和器采用 SUS316L耐酸不銹鋼材料制作，設(shè)備防腐性能好，使用壽命長，大大延長設(shè)備更換周期，減少停產(chǎn)次數(shù)，從而明顯提高了經(jīng)濟效益。僅以噴淋式飽和器產(chǎn)生的顆粒與浸沒式飽和器相比，其結(jié)晶顆粒明顯增大。由于降液管伸入結(jié)晶室底部，所以母液在上升過程中，大小結(jié)晶顆粒自然分級大顆粒沉在結(jié)晶室底部，懸浮在上部的小顆粒重新被循環(huán)泵收入，再次進行噴灑，結(jié)晶成大顆粒，沉入結(jié)晶室底部，當母液結(jié)晶達到一定程度后 ，從結(jié)晶室底部被抽取，經(jīng)干燥，生成硫銨結(jié)晶。 第四，噴淋式飽和器底部帶結(jié)晶室，有利于硫銨結(jié)晶的解決，增大了結(jié)晶顆粒，提高了硫銨產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，增加了經(jīng)濟效益。脫氨后的煤氣沿側(cè)壁上升通道進入中層與內(nèi)層之間的環(huán)形空間，經(jīng)由上至下旋轉(zhuǎn)