20万吨煤焦油的精馏塔设计毕业设计

1 序

煤焦油是重要的焦化产品，含有多种宝贵的化工原料，是芳烃、多环芳烃和杂环化合物的重要来源，其中有些产品不可能或不可能经济地从石油化工原料中获得，如工业上使用的咔唑和喹啉几乎全部出自煤焦油，蒽、苊、芘世界总需求量的90%以上也是由煤焦油工业来提供的,另外煤焦油沥青还是冶金用电极是重要原料。到目前为止，煤焦油产品已在化工、轻工、医药、冶金、环保等多个部门有重要应用。

煤焦油的加工，最普遍的是把煤焦油中的化合物分离提纯出来，这种分离提纯在工业上普遍使用的首先是要对煤焦油进行蒸馏，把煤焦油的各个组分分别集中在各个不同的馏分中，然后再对各馏分中的组分进行进一步分离精制得到所要的一定纯度的产品。由此可见，煤焦油的蒸馏是整个煤焦油加工的龙头，自从1822年英国建立起世界上第一个煤焦油蒸馏工厂，形成第一套煤焦油蒸馏工艺系统，直到现在世界上还不断出现和快速更新换代的各种不同的煤焦油蒸馏工艺系统，使得煤焦油的蒸馏技术得到了长足的发展，这种发展只要煤焦油的价值的存在就不会停止。

我国的煤焦油加工工业自从新中国成立开始发展，最先是引进前苏联的常压一塔式、二塔式连续煤焦油蒸馏工艺，到了80年代又引进日本、德国等国的减压、常-减压连续煤焦油蒸馏工艺，并且在吸收这些技术的基础上在90年代末又形成了具有自己本国特色的煤焦油蒸馏工艺。在这50多年的发展中，我国的煤焦油加工工业从无到有，一直到现在已具备一定规模，取得了一定的效益，为整个国民经济的发展作出了贡献。但从整个世界的煤焦油加工工业来讲，我国还远落后于世界领先的国家，仍需要继续努力。

我们的设计任务是：对年加工能力为20万吨的无水煤焦油精馏塔进行设计，包括整套装置各个塔器的物料衡算、热量衡算、塔径、进出口管径的计算，馏分塔窄馏分、宽馏分的最少板数的计算以及对它们各组分的成分进行分析。

2 文献综述

2.1 煤焦油加工的发展：意义、地位、发展方向与存在的问题

2.1.1 煤焦油加工的意义与地位

煤焦油中含有上万种有机化合物,目前可以鉴定出的仅有500[1]余种,其中中性组分有174[1]种(如苯、甲苯、二甲苯、萘、苊、蒽、芴和芘等) ,酸性组分有63[1]种(如酚、甲酚和二甲酚等) ,碱性组分有113[1]种(如吡啶、吲哚、喹啉和异喹啉等) ,还含有其它稠环和含氧、含硫等杂环化合物,其中有些产品是不可能或者不能经济地从石油化工原料中取得。因此,煤焦油产品在世界化工原料需求中占有极其重要地位见表2.1:

表2.1 煤焦油产品对世界化工原料需求比重%

在全世界重视可持续发展的今天,焦化工业面临着严峻的形势。但就其存在

[1]

价值而言,前景并不悲观。据专家估计,传统的高炉- 转炉工艺在钢铁生产中的主导地位至少30年不会变,焦炭仍然是不可缺少的原料。与西方国家焦炭产量逐年萎缩相反,近10年我国焦炭产量节节上升,焦炭总产量已超过3[1]亿t,位居世界首位。我国已回收和尚未回收的煤焦油资源约1000[1]万t/a,如能得到充分和合理的利用必将创造巨大的经济价值。

2.1.2 煤焦油加工的发展方向与存在问题

德国早在20世纪20年代就开始进行煤焦油集中加工, 20世纪60年代形成煤焦油加工的专业公司——吕格特公司（Rutgers Werke AG），其加工业技术、产品品种、质量均处于世界领先地位。吕格特公司十分重视技术开发,近40年申请专利3500[1]项,另外,还及时引进其它公司的先进技术,从瑞士苏尔寿公司引进结晶法生产工业萘和精萘技术;与日本吴羽公司合作在德国建成年产万吨二异丙基萘的生产装置。该公司不但在规模上名列世界焦化行业首位,而且在技术水平上也位居前列。世界上一些发达国家,如日本、美国、俄罗斯等煤焦油加工业也具有相当高的水平。

纵观国内外焦化产业的发展状况,可以清楚地看出,煤焦油加工工艺需要解决的主要难题依然是如何提高焦油中各单组分的分离效率,如何提高所得产品的纯度以及如何改善一系列配套的生产工艺和操作条件。在解决这些问题方面,德国的多塔减压蒸馏工艺虽具有较多优势,但仍存在着有待完善之处: ①利用高真空蒸馏分离高熔点(>200℃)芳烃时,冷凝系统的堵塞问题; ②防止在蒸馏过程中不饱和烃和多环芳烃间发生聚合反应; ③加强热量回收,降低能耗,提高分离效率;

④减少体系对设备材料的腐蚀和对环境的污染。

2.2 生产能力的论述

煤焦油产量取决于高炉焦炭的需要量,而不是取决于焦油产品的市场需求量,

因而其生产加工的规模与钢铁工业的兴衰息息相关。目前,全世界煤焦油产量已高达2000[3]万t/a,但实际进行加工的煤焦油量只有1600[3]万t/a。经过长期的生产实践证明，煤焦油加工的发展方向为集中加工与大型化，其具备如下优点：成本低、能耗低、产率高、投资省、产品品种多、档次高、有利于深加工、环境保护好。目前，国外煤焦油加工装置大机组生产能力已提高到70[1]万t/a，国内最大的只有30万t/a。国外最大的煤焦油加工企业吕特格公司（Rutgers Werke AG）的焦油加工能力为150万t/a，国内最大的煤焦油加工企业宝钢化工的焦油加工能力为60万t/a。

由于当前国内煤焦油加工工业还面临着资金短缺、技术和管理的滞后、交通运输不便利等原因，不可能对煤焦油加工企业的一昧求大。专家建议今后煤焦油单套年加工能力要向20万吨以上，30～100万t/a的加工装置方向发展，目前山西已停止批准10万t/a以下的煤焦油加工项目的建设。在这里，另外一个值得关注的动向是，目前国内出现了煤焦油加工装置盲目建设的趋势。据山西焦化集团公司总经理卫正义介绍，我国现有焦油年加工能力为540万吨，在建加工能力425万吨，而拟建的加工能力达到377万吨，投产后合计年加工能力达到1340万吨。据有关统计，今后数年煤焦油的产量会维持在800～1000万t/a之间。如果煤焦油加工装置在建、拟建的项目全部建成投产，煤焦油加工能力将是煤焦油产量的二倍多，煤焦油加工能力面临严重过剩，新建项目应慎重审批、建设。

2.3 煤焦油组成、性质、物化性能

2.3.1 化学组成特点

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。 (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。

2.3.2 主要化合物

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。焦油馏分的产率及主要化合物见表2.2：

表2.2 焦油馏分的产率和主要化合物分布

[4]

2.3.3 煤焦油的性质、物化性能[5]

煤焦油闪点为96～105℃，自燃点为580～630℃，燃烧热为35700～

39000KJ/kg。

煤焦油在20℃的密度介于1.10～1.25g/cm3，其值随着温度的升高而降低。煤焦油在20℃以上时的密度可按下式确定：

dt=d20-0.007（t-20）

式中，d20为煤焦油在20℃的密度；t为实测密度时的温度。

煤焦油在不同温度范围的平均质量热容：25～100℃为1.650KJ/（kg.℃）；25～137℃为1.729KJ/（kg.℃）；25～184℃为1.880KJ/（kg.℃）；25～210℃为2.1KJ/（kg.℃）。也可按下式确定：

ct=1/d15(1.419+0.00519t)

式中，ct为质量热容，KJ/（kg.℃）；d15为煤焦油在15℃的相对密度；t为温度，℃。

煤焦油的蒸发潜热λ可按下式计算：

λ=494.1-0.67t

煤焦油恩氏黏度，在一定温度下，液态焦油从恩氏黏度计中流出200ml所需的时间（s）与水在20℃时流出200ml的时间（s）的比值，用Et表示。一般煤焦油的恩氏黏度40℃为20～30Et；80℃为3～5Et；150℃为1～2Et。

我国的煤焦油质量标准见表2-3：

表2.3 我国的煤焦油质量标准（GB3701—83）

指标 一级 二级 密度（g/cm） 水分（%） 灰分（%） TI（%） 黏度（E80） 含萘量（%） 1.15～1.21 1.13～1.22 〈4.0 〈4.0 〈0.13 〈0.13 3.5～7.0 〈10.0 5.0 〉7.0 -3

2.4 煤焦油的加工工艺

国内比较成熟的煤焦油加工工艺基本上是在以前引进前苏联50～60年代的工艺经简单的改进而形成的，常见的有常压一塔、二塔、多塔三种，它们都是连续式煤焦油蒸馏装置，间歇式煤焦油蒸馏装置已经普遍被淘汰。

2.4.1 常压一塔式煤焦油蒸馏工艺[6]

常压一塔式煤焦油蒸馏工艺流程见图2.1

原料煤焦油在贮槽中加热静置初步脱水后送管式炉对流室加热至120～130℃进行脱水。无水煤焦油于管式炉辐射室加热至405℃左右送于二段蒸发器进行蒸发、分馏，沥青由塔底排出，油气升入馏分塔。蒽油自馏分塔底引出，经冷却后，一部分作二段蒸发器的回流，一部分进贮存槽。洗油、萘油、酚油从馏分塔侧线引出。馏分塔顶引出油气，经冷凝冷却后，油水分离得到轻油和水，一部分轻油作馏分塔回流，一部分去贮存。

2.4.2 常压二塔式煤焦油蒸馏工艺[6]

常压二塔式煤焦油蒸馏流程见图2.2：

原料煤焦油在贮槽中加热静置初步脱水后送往管式炉对流室，加热到120～130℃后进入一段蒸发器进行最终脱水。使煤焦油含水达到1%以下。从一段蒸发器的顶部蒸出的全部水分、挥发氨和部分轻油，经冷凝冷却器和油水分离器得到一段轻油和氨水。一段蒸发器底部出来的无水焦油经无水焦油槽送往管式炉辐射段加热到400～410℃后进入二段蒸发器进行一次蒸发，使馏分和与煤焦油沥青分

离。沥青自底部排出，馏分蒸气自顶部逸出进入蒽塔。蒽塔顶部用洗油馏分回流，从底部排出二蒽油馏分，侧线切取一蒽油馏分，其余馏分以气态自塔顶逸出进入馏分塔。馏分塔顶部用轻油回流，轻油蒸气自塔顶逸出，再经冷凝冷却器和油水分离器得到轻油和酚水。洗油馏分从馏分塔底排出，酚油馏分和萘油馏分分别由侧线切取，各馏分通过相应的浸没式冷却器流入各自的接受槽。

2.4.3 常压多塔式煤焦油蒸馏工艺

常压多塔式煤焦油蒸馏工艺是每一个馏分都用一个塔精馏，适用于特大型的煤焦油加工企业，国内比较少见，在此就不多介绍。

2.4.4 国内最新引进的煤焦油蒸馏工艺

自从进入80年代，国内的煤焦油加工企业为了提高自身的装备水平，提高自身的竞争能力，纷纷引进了外国先进的煤焦油加工技术，这些技术的应用大大促进了我国的煤焦油加工工业的发展。现在对两套比较有代表性的工艺进行简单的介绍。

（1）宝钢的煤焦油蒸馏系统

由于要从焦油中分离出所有的馏分和合格的沥青需要较高的一次气化温度，若一次气化温度太低，将使一些贵重的化合物很大一部分不能进入气相，留在沥青中，不但使得沥青的软化点降低，而且致使贵重化合物收率降低。为此，在常压下，需将焦油加热到很高温度，同时向系统中加入过热蒸气，这样将降低设备生产能力并恶化馏分精馏的精确性。为此，宝钢化工公司采用的是减压焦油

蒸馏系统，这套装置是1985年从日本引进的，也是目前国内处于领先地位的焦油加工装置，它加工规模为26万t/a，单套装置加工能力13万t/a，产品品种26种。其工艺流程见图2.3:

图2.3 宝钢化工减压焦油蒸馏工艺流程图

该装置操作流程如下:

焦油经焦油预热器(仅开工时用)和第一SOP换热器后进入预脱水塔，在塔内蒸出大部分水分和少量轻油。预脱水塔底的焦油依靠重力自流入脱水塔。

脱水塔顶部逸出的蒸气和轻油气经冷凝冷却器和油水分离器分离，得到氨水和轻油。一部分轻油作脱水塔的回流。脱水塔底部的无水焦油一部分经重沸器循环加热，供脱水塔所需的热量，另一部分经第二SOP换热器和管式炉加热后进入主塔。

主塔蒸馏是减压操作，这样在保证主塔精馏所需热量情况下，可以降低加热炉出口的焦油温度，塔顶压力控制在13.3～26KPa，是由通入真空罐的N2来调节减压阀，经过减压蒸馏从主塔主要得到酚油、萘油、洗油、蒽油和软沥青。主塔塔顶出来的酚油，以气态进入酚油冷凝器，利用空气冷却降温至75℃进入酚油冷却器；从主塔切取的萘油经萘油冷却器冷却到80℃，流入萘油封液槽；从主塔切取的洗油和蒽油分别通过蒸汽发生器降温后，再经过洗油冷却器降温至70～80℃，分别送至槽罐区的洗油槽和蒽油槽。在蒸汽发生器内，利用洗油和蒽油的热量可产生0.3MPa蒸汽，可以供装置加热用；主塔底部的软沥青与焦油换热后送出。

（2）山西焦化的煤焦油蒸馏装置

2006年山西焦化从法国IRH工程公司引进了国内最大的煤焦油蒸馏装置，加工能力为30万t/a，该装置使用常-减压技术。其工艺流程见图2.4：

原料粗焦油经导热油分级加热之后，进入脱水塔，塔顶排出轻油和水，塔

底无水焦油一部分循环加热给本塔供热量，另一部分送出经导热油再次加热，进入初馏塔。初馏塔顶产出混合油汽，侧线采出重油，塔底采出沥青。初馏塔热量由管式炉循环加热提供，塔底沥青经汽提塔进一步汽提，得到成品中温沥青。

从初馏塔顶排出的混合油汽，经氨水喷洒急冷，并在急冷塔顶分出轻油和水，塔底分出混合油。混合油在中和塔中与稀碱进行中和反应，并分离出中和氨水及中和后的净混和油。净混合油经与各个馏分换热后进入馏分塔，馏分塔顶采出酚油，侧线分别切取酚油、萘油、洗油和蒽油。塔底采出重油，馏分塔热量由管式炉循环加热塔底重油提供，侧线采出的洗油经洗油副塔进一步提纯,得到成品洗油。馏分塔为负压蒸馏。

2.4.5 本设计选用的煤焦油蒸馏装置

通过综合考虑本设计选用常压一塔式煤焦油连续蒸馏装置。主要原因是常压一塔式煤焦油连续蒸馏装置在国内应用最广（如南京梅山钢铁公司、马钢、攀钢等都是采用该工艺，普遍反映良好），属于常压二塔式煤焦油连续蒸馏装置的改良装置，积累了丰富的技术经验，特别适用于刚刚进入煤焦油加工行业的企业。其有下列特点：

(1)耗热量小，比双塔流程可减少10％，可尽量少用或不用直接蒸汽，能提高酚、萘的集中度；

(2)结构简单，投资费用较少，占地面积小；

(3)采用了较好的塔板结构，鼓泡线长度大，塔板效率高；

(4)影响操作的因素较少，故操作简单，易于稳定，易于自动化操作； (5)二段蒸发器上部有三块塔板，采用一蒽油打回流。故不易被堵塞； (6)馏分塔较高，操作劳动强度大(自动化后可克服)。塔板结构复杂，铸造困难；

(7)萘的集中度较高，但洗油质量难以保证； (8)沥青产量高； (9)不能分段调节馏分塔各段的回流量。各侧线提取温度不易控制．故提取各馏分质量不稳定。

2.5 煤焦油加工主要设备

煤焦油加工主要设备是管式炉和精馏塔。

2.5.1 管式炉

管式炉有三种：箱式炉、立式炉和圆筒炉，国内一般用圆筒炉。圆筒炉由圆筒体的辐射室、长方体的对流室和烟囱三大部分组成。外壳由钢板制成，内衬耐火砖。辐射管沿圆筒体的炉壁内壁周围排列（立管）。火嘴设在炉底中央，火焰向上喷射，与炉管平行，且与沿圆周排列的各炉管等距离，因此沿圆周方向各炉管的热强度是均匀的。沿炉管的长度方向，热强度的分布是不均匀的，可在辐射室上部设一个辐射锥，它的再辐射作用，可使炉管沿长度方向的受热比较均匀。对流室置于辐射室之上，对流管平放。其中紧靠辐射段的两排横管为过热蒸汽管。炉底设有4个煤气燃烧器（火嘴），每个燃烧器有16个喷嘴，煤气从喷嘴喷入，同时吸入所需要的空气。

煤焦油的脱水蒸馏加热在管式炉的对流室进行，把煤焦油加热到300～400℃在辐射室进行，过热蒸汽用于蒸馏煤焦油馏分。

2.5.2 精馏塔[7]

精馏塔是用来分离各组分挥发度不同的混合物的装置，煤焦油蒸馏通常采用筛板塔。筛板塔的效率与塔板密切联系，要提高其的效率就必须选用适当的塔板。常见的塔板有泡罩塔板、斜孔塔板[9-16]、浮阀塔板、筛孔塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直筛板、多降液管塔板、林德筛板、无溢流塔板等。精馏塔的效率往往与其负荷能力成反比，因此需要作综合的考虑，国内常用的塔板是最前面几种，而国外所用的塔板就繁多了，并且还不断有新型的塔板出现。本设计采用浮阀塔板。

2.6 主要的生产指标

煤焦油蒸馏的主要生产指标是对原料煤焦油的质量要求以及最终能得到的产品的质量。

2.6.1 原料煤焦油的规格

化产回收车间送来的原料煤焦油要求达到下述规格：密度（20℃）：1.17～1.20kg/l；水分≤4%；灰分≤0.15%；游离碳≤6～10%；粘度（E80）≤5.0。此外，还要求所夹带的水中固定铵盐含量≤1.5g/l（氨水），对酚、萘、蒽的含量及各种馏分和沥青产率应进行分析检验。

2.6.2 产品的质量

常压装置在正常操作下，能达到表2.4的指标：

表2.4 各馏分中酚、萘的含量（%）

酚（%） 萘（%） 轻油 3.32 1e-5 酚油 40.2 5.87 萘油 2.98 72.7 洗油 0.5 15.1 一蒽油 0.05 2.86 二蒽油 0.2 3.4 [8]

减压、常-减压装置得到的产品质量稍有提高，但提升空间有限，利用减压技术主要是为了得到低温沥青、得到更多产品、降低能耗、降低对设备性能的要求。

3 工艺计算

3.1 管式炉的耗热计算

3.1.1 原始数据

（1）管式炉的生产能力，按无水煤焦油计，为20万t/a（一年按7200工作小时计算）或28000㎏/h。

（2）煤焦油馏分的组成列于表3.1

表3.1 煤焦油的馏分组成 馏分 轻油馏分 酚油馏分 萘油馏分 洗油馏分 Ⅰ蒽油馏分 Ⅱ蒽油馏分 沥青 共计 水 沸点范围（℃） 产率，占煤焦油的（%） 数量（㎏/h） ﹤170 170～210 210～230 230～300 300～330 330～360 ﹥360 — — 0.75 2.20 9.40 10.00 17.15 5.00 55.50 100.00 210 616 2632 2800 4802 1400 15540 28000 馏分的平均分子量 110 115 128 143 174 195 — — — （3）保证所有煤焦油馏分（占无水煤焦油的44.5%）蒸发是一次蒸发温度，可以根据馏出物产率与温度关系的一次蒸发直线（参见图3.1）求出。如图所示，在一次蒸发温度为372℃时和760毫米水银柱的压力下，馏出物占煤焦油的44.5%。二段蒸发器中压力比大气压力高，等于956毫米水银柱（已考虑由于水蒸汽的影响而使装置内总压力降低）。在此压力下一次蒸发温度应高于按图3.1所求得的数值。为了算出在蒸发器中在实际压力下的一次蒸发温度，可利用经验式：在一次蒸发直线斜角的正切与压力P的数值之间，存在着直线关系，可用下式表示

tga=-0.00107P+3.24 （3.1）

式中P——压力，毫米水银柱。

如已知在一定压力下的一次蒸发温度和馏出物产率，则可求出另一压力下的一次蒸发温度（如馏出物产率不变）。利用（3.1）式和另一经验式进行计算：

t=683-tga（174.5-gx） （3.2）

式中 t——一次蒸发温度，℃；

tga——在一定压力下按式（3.1）求出的一次蒸发直线斜角的正切； gx——馏出物产率，%。 计算结果如下：

tga=-0.00107*956+3.24=2.22；

t=683-2.22（174.5-44.5）=394.4℃。 取一次蒸发温度等于395℃

（4）在管式炉一段炉管入口处煤焦油温度为80℃，在出口处为130℃。在二段炉管入口处煤焦油温度为110℃，在出口处为400℃。

（5）加热煤气（焦炉煤气）的组成（体积）见表3.2：

CO2 1.92 CmHn 2.24 表3.2 加热煤气（焦炉煤气）的组成（体积） O2 CO CH4 H2 N2 0.58 5.03 26.62 61.43 2.18 共计 100.00 C上述组成的干煤气的低发热量QH=18359KJ/Nm3

加热管式炉用的焦炉煤气的水分含量由下式求出：

PW煤气=W*100% （3.3）

B?b式中PW——在该温度下饱和气体的水蒸汽分压，毫米水银柱；

B——气压计的压力，等于760毫米水银柱；

b——煤气烧嘴前煤气的静压力，等于600毫米水银柱。 因此

23.8*100=2.96=3% 600760?13.6换算成如表3.3组成的湿煤气的发热量：

W煤气=

CO2 1.86 CmHn 2.17 表3.3 加热湿煤气（焦炉煤气）的组成（体积） O2 CO CH4 H2 N2 H2O 0.56 4.88 25.83 59.60 2.10 3.00 共计 100.00 湿煤气的低发热量为：

Q=QPHCH100?W煤气100=18359

100?3=17794KJ/Nm3

100在管式炉用焦炉煤气加热时，空气过剩系数取为：在燃烧室为1.4；在挡墙顶部转弯处为1.5；在烟道中为1.6。在燃烧室和挡墙顶部转弯处采用这样高的空气过剩系数，旨在降低这些区域内烟道气的温度和防止煤焦油在经过管式炉蛇管时的热分解。

在烟道中的空气过剩系数，应当保证炉子在此区域内的烟道气达到这样的温度，在此温度时烟囱的吸力能够克服炉子设备的所有流体阻力。

在需要情况下，在已知废气组成时，按下式求空气过剩系数： 对于焦炉煤气

1O2?CO2n=1+K CO2?CO式中 K——系数，等于0.43；

O2、CO2、CO——废气中氧、二氧化碳、一氧化碳的含量，%（体

积）。

炉子在上述区域内，1Nm3湿焦炉煤气的湿废气的体积由燃烧过程计算（表3.4）求出

表3.4 燃烧过程的计算 湿煤气的成分 体积% 1.86 0.56 2.17 4.88 25.83 59.60 焦炉煤气可燃成分的燃烧反应 —— —— 理论氧气量 —— -0.56 6.51 2.44 51.66 24.80 废气组成 CO2 H2O 1.86 —— 4.34 4.88 25.83 —— —— —— 4.34 —— 51.66 59.60 N2 —— —— —— —— —— —— CO2 O2 CmHn CO C2H4+3O2=2CO2+2H2O CO+1O=CO2 22CH4 H2 CH4+2O2=CO2+2H2O H2+1O2=H2O 2

N2 H2O 2.10 3.00 100.00 —— —— —— —— —— 84.85 —— —— 36.91 —— 3.00 118.60 2.10 —— 2.10 燃烧1Nm3上述（表3.3）组成的湿煤气的理论氧气量为0.848Nm3。

实际氧气量为见表3.5：

表3.5 实际氧气量 空气过剩系数 1.4 1.5 1.6 Nm/ Nm湿煤气 0.848*1.4=1.187 0.848*1.5=1.272 0.848*1.6=1.537 33因此，未参加燃烧过程的过剩氧气量为见表3.6：

表3.6 未参加燃烧过程的过剩氧气量 空气过剩系数 1.4 1.5 1.6 Nm/ Nm湿煤气 1.187-0.848=0.339 1.272-0.848=0.424 1.357-0.848=0.509 33 这些过剩氧气量转入废气中。

由空气带入的废气量见表3.7：

进入燃烧室用以燃烧煤气的空气所含的水分，也转入废气的组成中。在大气温度为15℃和相对湿度为0.7时，空气带入的水蒸汽量为见表3.8：

表3.7 由空气带入的废气量 空气过剩系数 1.4 1.5 1.6 Nm/ Nm湿煤气 331.187*79=4.413 211.272*79=4.785 211.357*79=5.105 21表3.8 空气带入的水蒸汽量 33空气过剩系数 1.4 1.5 1.6 Nm/ Nm湿煤气 0.017*5.60=0.0952 0.017*6.057=0.103 0.017*6.462=0.110

因此，1Nm3湿煤气燃烧生成的湿废气的体积（Nm3）见表3.9：

表3.9 湿煤气燃烧生成的湿废气的体积 空气过剩系数 1.4 1.5 1.6 Nm/ Nm湿煤气 0.370+1.185+0.021+0.339+4.413+0.095=6.422 0.370+1.185+0.021+0.424+4.785+0.103=6.888 0.370+1.185+0.021+0.509+5.105+0.110=7.300 33（6）供入蒸汽过热器蛇管中的干饱和蒸气量为加工无水煤焦油量的10%，即28000*0.1=2800㎏/h。过热蒸汽和原始蒸汽的参数见表3.10。

原始蒸汽 过热蒸汽 表3.10 过热的和原始蒸汽的参数 压力P，大气压 温度，℃ t2 t1 4 4 142.9 —— —— 400 热焓，KJ/㎏ Ht Ht 122735.66 —— —— 3269.89 3.1.2 有效耗热量

3.1.2.1 煤焦油的第一段加热

（1）煤焦油的第一段加热：

Q1=G煤焦油（i130-i80）=28000（209-113.04）=2110360.00KJ/h 式中 i130——煤焦油在130℃时的热焓，KJ/㎏。

i80——煤焦油在80℃时的热焓，KJ/㎏。

（2）加热和蒸发煤焦油中所含水所需要的热量：

Q2=W（i130?i80）=28000*2%*（2723.9-334.9）=1328712.00KJ/h 式中 i130——饱和水在130℃时的热焓，KJ/㎏。

i80——饱和水在80℃时的热焓，KJ/㎏。

（3）蒸发部分轻油所需的热量：

Q3=0.0025G煤焦油?轻油=28000*0.0025*600=43200KJ/h 式中 r轻油——轻油的蒸发潜热，KJ/㎏ （4）在蒸汽过热器中加热工艺用水蒸汽的热量：

Q4=g蒸汽（Ht2-Ht1）=28000*0.1*（3269.89-2735.66）=1495844.00KJ/h 式中 Ht2、Ht1见表3.10。 在管式炉第一段中总有效热量为：

?Q=2110360.00+1328712.00+43200+1495844.00=2856061.60KJ/h

3.1.2.2 煤焦油的第二段加热

（1）加热煤焦油的耗热量：

Q1'=（G煤焦油-0.0025G煤焦油）（i400-i110）

=27930（1004.83-168）=23387464.80 KJ/h

式中 0.0025——第一段蒸发器蒸发掉的轻油占无水煤焦油的质量百分比。

i400——煤焦油在400℃时的热焓，KJ/㎏。 i110——煤焦油在110℃时的热焓，KJ/㎏。

在两段炉管中总的有效耗热量为：

?Q总=2856061.60+23387464.80=26243526.40KJ/h

3.1.3 热损失

（1）在烟道中空气的过剩系数n=1.6和排出废气温度为250℃时，废气带走的热量（占总耗热量的%）为：

V废气C废气t废气7.30*1.369*250*100=14.04%， X?100?PQH17794式中 7.30——在n=1.6时，1 Nm3焦炉煤气生成的湿废气体积，Nm3；

1.369——在温度为250℃时，废气的平均比热（按其组成算出），KJ/m3.℃；

C废气=（1.842*5.07+1.520*17.74+1.390*6.97+1.302*70.22）

=1.369 KJ/m.℃；

3

1 100式中 1.842；1.520；1.390及1.302——在温度为25℃时，CO2，H2O，O2及N2的比热，KJ/m3.℃（由附表一查得）；

5.07；17.74；6.97及70.22——在烟道废气中CO2，H2O，O2及N2的

含量，%（在空气过剩系数为1.6时）。

（2）砌体和管接头的热损失：

（5+2）+（3+1.5）=11.5%（占总耗热量的%）

式中 5、2——分别为辐射室、对流室砌体的热损失（占总耗热量的%），它们

之和为炉砌体的热损失；

3、1.5——分别为辐射室、对流室管接头的热损失（占总耗热量的%），

它们之和为炉管接头的热损失

热损失总量（占总耗热量的%）：

14.04+11.5=25.54% （3）管式炉热工效率：

η=1.00-0.2554=0.7446

总耗热量：

26243526.40=35245133.49 KJ/h Q总=

0.7446在燃烧室有效利用系数为0.98时，湿焦炉煤气的消耗量为：

湿=V煤气Q总35245133.49==2021.15m3/h PQH*??17794*0.98 干焦炉煤气消耗量为：

35245133.49干==1958.95m3/h V煤气18359*0.98 计算的耗热量的数据列于表3.11。

消耗的项目 有效热 加热煤焦油： 第一段 第二段 共计 加热工艺用蒸汽 共计有效热 热损失 管接头 砌体 废气带走 共计热损失 总耗热量 表3.11 煤焦油蒸馏的总耗热量 辐射室 对流室 KJ/h —— 23387464.80 23387464.80 —— 23387464.80 1057354.01 1762256.68 —— 2819610.69 26207075.49 % —— 66.36 66.36 —— 66.36 3.00 5.00 —— 8.00 74.36 KJ/h 1360217.60 —— 1360217.60 1495844.00 2856061.60 528677.00 704902.67 4948416.74 6181996.41 9038058.01 % 3.86 —— 3.86 4.24 8.10 1.50 2.00 14.04 17.54 25.64 1360217.60 23387464.80 24747682.40 1495844.00 26243526.40 1586031.01 2467159.35 4948416.74 9001607.10 35245133.50 共计 KJ/h % 3.86 66.36 70.22 4.24 74.46 4.50 7.00 14.04 25.54 100.00

3.2 精馏塔计算

3.2.1 一段蒸发器

3.2.1.1 物料平衡

(1)入方（参见图3.2）

①煤焦油，由于一段泵比二段泵煤焦油量要多0.5～1t/h.来保证管式炉的正常生产,现取800㎏/h。

煤焦油量G1=28000+800=28800kg/h

②水分，静置脱水后水分降至2～3%，现取2%。煤焦油中水分

G2=28800?2%=576kg/h

③加入苏打量，G3=

Q*C*3.1*1.2528800*0.03*3.1*1.25==33.48㎏/h

10*B*D10*10*1式中 G3——碳酸钠溶液消耗量，㎏/h；

Q ——进入管式炉一段的煤焦油量，㎏/h；

C ——按固定铵盐含量，换算为每㎏煤焦油中含氨克数，g/㎏（一般

为0.03～0.04 g/㎏）；

3.1——按化学反应计算求得的碳酸钠理论需要量，即煤焦油中固定铵含

量换算为每克氨所耗碳酸钠克数；

B ——碳酸钠溶液的浓度，%； D——碳酸钠溶液的密度，㎏/l，（现取1）； ④一段蒸发器回流量G4；

总入量:G=G1+G2+G3+G4=29409.48 kg/h +G4 (2)出方（参见图3.2）

① 塔顶蒸气

轻油，轻油是低沸点物,随水蒸汽要部分蒸发,蒸发率约占总轻油量的40%，现取煤焦油量的0.25%。

G1'=28800*0.25%=72kg/h

水分，无水煤焦油水分一般为0.2～0.3%,现取0.3%.则蒸发掉水分

'=28800(2-0.3%)=489.6kg/h G21'同时,上段加入的苏打溶液也在塔顶跑出，G22=33.48kg/h；

'故总G2=523.08kg/h

② 塔底

'无水焦油量 G3=G1-800-G1'=27928kg/h

' 水分（占无水焦油量的0.3%） G4=27928?0.3%=83.78kg/h '③溢流量,在正常操作下 G5=800kg/h

''溢流煤焦油所带走的水分G7=28800×0.3%-G4=2.62kg/h '④回流量 G6

'''''''总出方 G'=G1'+G2+G3+G4=29409.48kg/h +G6 ?G5?G6?G73.2.1.2 热量平衡 (1)出方热量

①塔顶水蒸汽带出热量

' Q1=G2(ct+r102)=523.08*（4.220*102+2258.4）=1406478.43KJ/h

其中,水的比热为4.220KJ/kg.℃；水蒸汽气化潜热2258.4KJ/kg；塔顶出口温

度为102℃。

②塔顶蒸发轻油热量

Q2=G1'r102=72?600=43200KJ/h 式中 r102——102℃时轻油热焓，KJ/㎏。

③塔底无水煤焦油带出热量

'Q3=G3r110=27928*168=4691904KJ/h

式中 r110——110℃时煤焦油热焓，KJ/㎏。

④塔底水分带出热量

'Q4= G4r110=83.78*460.97=38620.07KJ/h

式中 r110——110℃时水分热焓，KJ/㎏。

⑤溢流煤焦油带出热量

'Q5=G5r110=800*168=134400KJ/h

式中 r110——110℃时煤焦油热焓，KJ/㎏。

⑥回流带出热量

''*600 Q6=G6r102=G6式中 r102——102℃时回流轻油热焓，KJ/㎏。

⑦热量损失为总热量的5%计(一段蒸发器散热于周围，一般损失于周围介质

热量对塔器来说为2～6%)

' Q7=Q总?5%=379408.32KJ/h

故总热量Q总=6694010.82KJ/h+Q6

(2)入方热量及回流量计算

①设一段加热温度为130℃,煤焦油带入热量

Q1'=G1r130=28800*209=6019200KJ/h

式中 r130——煤焦油在130℃时的热焓，KJ/㎏。

水分带入热量（煤焦油所含水分和苏打溶液）

'=（2%*G1+G3）（2%*28800+33.48）*2723.9=1660162.57KJ/h r130=Q2式中 r130=2723.9——水分在130℃时的热焓，KJ/㎏；。 所以，总出方热量：

''=Q1'+Q2+Q6=7679362.57+Q6(回流带入热量) Q总故回流量

Q'?Q总7679362.57?6694010.82 q===1791.55㎏/h

600?50r102?r35式中 r102——塔顶出口轻油热焓量，KJ/kg；

r35——回流轻油热焓量，KJ/kg。

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