华北科技学院毕业设计
2 煤焦油蒸馏工段工艺设计
迁安地理位置
2.1 煤焦油原料要求
煤焦油是炼焦过程中所得到的重要副产物，炼焦煤于炼焦炉内在隔绝空气并高温加热条件下，煤质发生一系列的变化，裂解成各种化合物。炼焦煤在碳化室内最终形成焦炭，排放出荒煤气。荒煤气经净化处理得到净煤气和粗焦油及其他化学物质。炼焦煤组成和炼焦操作的工艺条件的不同对煤焦油的组成和物理性质影响范围较大。所以，对于不同的焦化厂来说，各自生产的煤焦油质量和组成是有差别的。但煤焦油产品应符合YB/T 5075—2010 的规定，见表2-1
表2-1 煤焦油的技术指标
项目
密度（ρ20）/(g/cm3) 水分/% 灰分/% 黏度(E80)
甲苯不溶物(无水基)/% 萘含量(无水基)/%
不大于 不大于 不大于 不小于
1号 1.15～1.21 3.0 0.13 4.0 3.5～7.0 7.0
2号 1.13～1.22 4.0 0.13 4.2 ≤9.0 7.0
组成煤焦油的主要元素中，碳占90%以上，氢占5%，此外还含有少量的氧、硫、氮及微量的稀有金属等。
煤焦油的化学组成大致有以下几个特点:
（1）主要是芳香族化合物，而且大多是两个环以上的稠环芳香族化合物，烷烃、烯烃和环烷烃化合物很少。
（2）含氧化合物主要是呈弱酸性的酚类，还有一些中性含氧化合物,如氧茚和氧芴等。
（3）含氮化合物主要是具弱碱性的吡啶和喹啉类化合物，还有吡咯类化合物如吲哚和咔唑等，还有少量胺类和腈类。
（4）含硫化合物主要是噻吩类化合物，如噻吩和硫茚等,还有硫酚类化合物。
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（5）不饱和化合物有茚和氧茚类化合物，以及环戊二烯和苯乙烯等。 （6）芳香烃的烷基取代基主要是甲基。
（7）蒸馏残渣沥青的含量很高，一般在50%以上，含有相当多的高相对分子质量的组分，其相对分子质量在2000～30000之间。
高温焦油中质量分数≥1.0%的化合物只有10余种，它们是萘(10.0%)、菲(5.0%)、荧蒽(3.3%)、芘(2.1%)、苊烯(2.0%)、芴(2.0%)、蒽(1.5%)、2-甲基萘(1.5%)、咔唑(1.5%)、茚(1.0%)和氧芴(1.0%)等。
2.2 煤焦油生产前的准备
为了保证焦油蒸馏的安全稳定操作，提高设备的生产能力及加强设备的维护，煤焦油在蒸馏前应做好准备工作。煤焦油加工前的准备工作包括煤焦油的运输及储存、煤焦油质量的均和、煤焦油脱水及脱盐等。 2.2.1 焦油质量均匀化
对于焦油加工来说，焦油的以下指标：喹啉不溶物(QI)、水和灰分含量都十分重要，因为它们会影响焦油蒸馏操作稳定和蒸馏残液沥青的质量。
在焦油蒸馏过程中，焦油含萘波动1%，就会严重影响各馏分的质量变化，会给蒸馏操作带来困难。焦油QI含量波动大于1.5%，中温沥青QI含量波动在3%左右，对其应用和改质沥青生产会带来不利影响。而一些大型煤焦油加工厂收购处理很多焦化厂的煤焦油，这些焦油在组成、密度、QI、水和灰分含量等方面均有较大差别，如不经预先均匀混合，对焦油连续蒸馏操作的稳定性会带来很大的影响和不安全因素。煤焦油在进入装置之前进行均质，使其组成和QI含量相对稳定，对安全稳定生产、保证产品质量是十分有意义的。 2.2.2 焦油的脱水
煤焦油中含有较多的水分，不利于煤焦油蒸馏操作。在间歇操作中，煤焦油含水较多，将拖延脱水时间而降低设备的生产能力，增加耗热量。特别是水在煤焦油中可以形成油包水型乳化液。受热时，这类小水滴不能立即蒸发，温度继续升高，这些小水滴在煤焦油整个容积中进行急剧汽化蒸发，容易造成突沸窜油事故。
在管式炉蒸馏系统中，煤焦油含水太多，会使系统的压力显著提高，带来附加阻力。呈乳浊液而稳定存在于煤焦油中的小水滴同样会发生急剧蒸发式整个系
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统压力剧增，打乱操作制度。因此，焦油在蒸馏前必须将水分除去。脱水的焦油可以减少蒸馏过程的热量消耗，增加设备的生产能力，降低连续蒸馏加热的系统阻力。
焦油脱水分为初步脱水和最终脱水，经最终脱水的焦油称作无水焦油。焦油初步脱水一般采用加热静置脱水法，即焦油在贮槽内用蛇管加热保温在80℃左右，静置36h以上，焦油与水因密度不同而分离。静置脱水可使焦油中水分初步脱至4%以下。此外，焦油初步脱水还有离心脱水法和加压脱水法等。初步脱水的同时，溶于水中的盐类（主要是铵盐）也随水分一起排除。因此要求初步脱水后煤焦油中含水量尽可能低。
焦油最终脱水，依据生产规模不同，主要有以下几种方式：
（1）间歇釜脱水 间歇蒸馏系统中，专设脱水釜进行焦油最终脱水。釜内焦油温度加热至100℃以上，使水分蒸发脱除。脱水釜容积与蒸馏釜相同，一釜脱水焦油供一釜蒸馏用。脱水釜蒸汽管温度加热至130℃时，最终脱水完成，釜内焦油水分可降至0.5%以下。
（2）管式炉脱水 连续焦油蒸馏工艺应用管式炉脱水。经初步脱水的焦油送入管式炉连续加热到120～130℃，然后送入一次蒸发器（脱水塔），脱除部分轻油和水。此时焦油含水量降至0.3%～0.5%。国内的连续式管式炉焦油蒸馏工艺中，绝大多数厂家最终脱水是在管式炉的对流段进行的。
（3）蒸汽加热脱水 经初步脱水的焦油送人蒸汽加热器连续加热到125～130℃，再进入脱水塔来完成焦油的最终脱水。 2.2.3 焦油的脱盐
焦油中含的水实际上就是氨水，在这种稀氨水中，一部分氨以ΝΗ3?Η2Ο的形式存在，另一部分以氯化铵、硫氰化铵、硫酸铵等固定铵盐形式存在，其中主要是氯化铵。它们在焦油最后脱水阶段仍留在焦油中，当被加热到220～250℃时，固定铵盐就会分解成游离酸和氨：
NH4Cl?HCl?NH3
产生的HCL存在于焦油中，会引起设备管道的严重腐蚀。同时，铵盐还会使馏分与水起乳化作用，对萘油馏分的脱酚操作十分不利。因此，焦油必须在蒸
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馏前进行脱盐处理。
焦油脱盐是焦油在最终脱水前加入8%～12%的碳酸钠溶液，使固定铵盐转化为稳定的钠盐：
2NH4Cl+Na2CO3?2NH3 +CO2 +2NaCl+H2O
这些钠盐在焦油蒸馏时完全残留在沥青中变成灰分，若除去0.1g/(kg焦油)中的固定铵盐，沥青灰分约增加0.08%。故碳酸钠的加入量要适当，在选择工艺路线时，使最终脱水前焦油中含水减少，固定铵盐含量也相应减少了（因固定铵盐溶解于水而不溶于焦油）。 2.2.4 焦油的脱灰、脱渣
煤焦油中含有少量的机械杂质，它来源于煤炼焦时炭化室的耐火材料、煤粉、焦粒等。这部分机械杂质在焦油蒸馏时全部残留在沥青里，这对焦油蒸馏操作和沥青应用是不利的，应予以除去。德国、美国、日本、法国等国家在焦油蒸馏前用超级离心机进行脱灰、脱渣处理。我国宝钢、马钢、山西焦化厂、济宁碳素厂等若干厂家对焦油进行了脱灰、脱渣处理，这一工艺逐步在全国各焦油加工厂推广，焦油在用超级离心机脱灰、脱渣的同时，也脱除了大量的水分和铵盐，对焦油蒸馏的稳定操作是非常有利的。
2.3 生产工艺选择
我国大型焦化厂广泛采用了管式炉焦油连续蒸馏装置，一般均采用原料焦油直接进管式炉的加热方式。按蒸馏系统采用的塔数及馏分窃取的不同，主要有：单塔式流程、两塔式流程和切取宽、窄馏分的焦油蒸馏流程。本设计采用一塔式蒸馏工艺。以迁安中化煤化工有限公司产品煤焦油作为原来来源，可以避免原料采购难，成本高的弊端，土地由政府征用，水电气均由本项目自成一体配套建设。根据本生产装置规模和建厂条件，生产技术立足于国内，利用国内现有成熟的生产流程，确定煤焦油深加工工艺。因此投资12万吨煤焦油深加工项目，其产品适应市场需求，适应循环经济和环境保护的宏观政策，适应市、区工业发展规划和产业政策导向要求。
焦油连续蒸馏一般采用常压蒸馏工艺流程，可分为两种类型，即两塔式和一塔式。按切取馏分的不同又可分为窄馏分和酚萘洗三混馏分或萘洗两混馏分。
两塔式和一塔式流程，当切取窄馏分时，在钢材、基建投资、产品产量和质
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量、操作条件等各项主要技术经济指标方面，并无显著区别。但是一塔式二段蒸发器送回流后，在塔板层数较少情况下，二蒽油馏分量不易控制。致使其产率偏高，初馏点偏低，而一蒽油产率亦相应降低。
两塔式和一塔式流程，当切取三混馏分时，萘集中度高；蒸馏及洗涤工序操作简化；但由于馏分合并，制取工业萘时重复蒸馏，热能单耗增多。当切取两混馏分时，萘集中度较高，洗涤及工业萘工序简化，在采用单炉单塔精馏制取工业萘的工艺上取得了成熟的经验。
本设计采用一塔式焦油蒸馏工艺流程，并切取三混馏分，工艺流程如图2-1所示。
碳酸钠溶液 21 6 3 4 5 水 水 2 1 沥青 7 11 10 9 8 饱和蒸汽 水 13 水 水 12 25 14 15 20 19 一蒽油 焦油 22 23 27 二蒽油 18 三混馏分17 酚水 氨水 16 26 24 轻油
图2-1 切取混合馏分的焦油蒸馏工艺流程
1—焦油管式炉；2—一段蒸发器；3—二段蒸发器；4—馏分塔；5—一段轻油冷凝冷却器；6—轻油冷凝冷却器；7—一段轻油油水分离器；8—轻油油水分离器；9—混合馏分冷却器；10—一蒽油冷却器；11—二蒽油冷却器；12—轻油回流槽；13—一蒽油回流槽；14—无水焦油槽；15—焦油循环槽；16—轻油接收槽；17—酚水接收槽；18—混合馏分接收槽；19—一蒽油接
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