年产16万吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计

辽宁科技学院本科生毕业设计 第 I 页 年处理 16 万吨焦油焦油车间蒸馏工段初步设计 一 摘 要 本次设计的题目是年产 16 万吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计 焦油 蒸馏采用两塔连续式馏分工艺流程 通过已知数据计算整个生产过程的主要设 备的工艺尺寸 并进行非工艺部分的设计 详细论述了工艺流程 本设计的主体设备是管式炉 主要进行管式炉的物料衡算 能量衡算及具 体的工艺尺寸计算 并绘制成图 此外还进行蒽塔和馏分塔的物料衡算和热量 衡算对蒽塔 馏份塔 冷凝冷却器等设备进行计算与选型 本设计的专题是沥青冷却生产工艺探讨 详细论述目前沥青冷却的工艺流 程 沥青冷却工业中所产生的问题 沥青烟的净化 最后根据相关数据及资料进行非工艺部分的简要论述 完成工艺流程图 蒸馏车间的设备布置图 平面立面布置图和主体设备 管式炉 图 关键词 焦油蒸馏 管式炉 沥青 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 II 页 The preliminary design of distilling section of coal tar workshop with the scale dealing of 160 000 tons coal tar per year 一 Abstract The topic of the design is the preliminary design of distilling section of coal tar workshop with the scale dealing of 160 000 tons coal tar per year the distillation process uses two tower continual type of technical process Major equipment s craft size of production process is calculated by the known data and the design of the non craft part has been carried on The technical process is elaborated The main equipment pipe still is calculated including material balance energy balanceand and size of the pipe stil and the chart of that has been worked out In addition the materiala balance and heat balance of anthracene tower and the fraction tower is calculated and the craft size of that is dfinited The special topic of the design is study on production technology of cooling asphalt the cooling production technology and cleansing of asphalt gas in different craft have been discussed in detail Finally according to the data and the material the non craft part is carried on The drafting including the flow sheet with controlled point the quipment layout plans and the main equipment pipe still have been drawn Key word tar distillation pipe still asphalt 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 III页 目录 1 绪论 1 1 1 煤化工生产的国内外现状 1 1 2 发展煤化工产业的经济意义 2 1 3 设计任务 3 2 生产工艺流程和设备的论述 4 2 1 工艺流程的论述 4 2 1 1 原料及产品 4 2 1 2 生产工艺的论述 5 2 2 设备的论述 6 2 2 1 管式炉的工作原理 6 2 2 2 管式炉的选型 7 2 1 3 塔设备的选型 8 3 工艺计算及设备选型 10 3 1 物料与热量衡算 10 3 1 1 计算条件及操作制度 10 3 1 2 燃烧过程的计算 11 3 1 3 耗热量和煤气用量的计算 14 3 2 管式炉的计算与选型 19 3 2 1 辐射段计算 19 3 2 2 对流段的计算 26 3 2 3 炉管压力降计算 35 3 2 4 烟囱计算 40 3 3 其他设备的计算的和选型 46 3 3 1 蒽塔的选型 46 3 3 2 沥青高置槽 47 3 3 3 一次蒸发器 47 3 3 4 二段蒸发器 48 3 3 5 其他冷却器的选型 48 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 IV页 4 非工艺部分 51 4 1 厂址的选择 51 4 2 土建 51 4 3 防火防爆 51 4 3 1 选择适宜的输送设备 51 4 3 2 控制和消除明火与摩擦 撞击火花 52 4 3 3 安全装置 52 4 3 4 焦化厂的防火防爆事项 52 4 4 环境保护 53 4 4 1 采用的环保标准 53 4 4 2 主要污染源和污染物分析 54 4 4 3 三废处理 54 4 5 劳动保护安全卫生 54 4 5 1 编制依据 54 4 5 2 主要危险源及防护措施 55 4 5 3 防护措施 55 4 5 4 工业卫生防护措施 55 4 6 电力 55 4 6 1 供电 55 4 6 2 防触电 56 4 7 给水排水 56 5 专题 沥青冷却生产工艺探讨 58 5 1 沥青冷却生产旧工艺 58 5 1 1 沥青质量 58 5 1 2 沥青的冷却成型 58 5 2 沥青冷却生产新工艺 59 5 2 1 工艺介绍 59 5 2 2 生产参数操作控制 61 5 2 3 该工艺特点 62 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 V 页 5 3 工艺流程的选择 62 5 4 主要设备计算与选型 62 5 5 沥青生产工艺中产生的问题及解决方案 64 5 5 1 出现的问题 64 5 5 2 沥青烟的处理方法 65 5 5 3 技术改造 66 5 3 结论 66 结论 67 致谢 68 参考文献 69 附录 A 70 英文文献 70 附录 B 75 英文翻译 75 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 1 页 1 1 绪论绪论 1 1 煤化工生产的国内外现状 煤焦油行业是一个比较传统的行业 尽管近 30 年来受到石油化工行业的激 烈竞争 煤焦油行业仍然具有较大的发展潜力 尤其近几年来随着新材料和钢 铁行业的发展 煤焦油资源的高效利用再度引起人们的重视 我国煤焦油年产 量约为 500 600 万吨 加工能力约为 450 万吨 在建 扩建 拟建项目能力约 为 200 万吨 目前共有约 50 多家企业进行煤焦油加工 其中最为先进的是宝钢 集团上世纪从日本引入的煤焦油加工装置 加工规模为 26 万吨 年 产品品种 有 26 种 其次是鞍钢 武钢和本钢 随着我国经济的不断发展和对环境保护要 求的日益提高 煤焦油的深加工成为一个亟待解决的课题 从目前煤焦油行业 的发展情况来看 国内的煤焦化行业正处在一次重要的整合变革时期 未来的 煤焦油工业正向集中化 精细分离 深加工 新材料合成方向发展 1 生产规模 日本 德国 法国 俄罗斯等国家的单套焦油蒸馏装置的能力都在 l0 50 万 从理论上讲 能力越大 规模效益越好 国内单套焦油蒸馏装置有 0 6 1 2 3 5 7 5 5 10 15 万吨 年各种规模 3 万吨 年以上的规 模均为连续蒸馏工艺 小于 3 万吨 年的规模都是间歇蒸馏工艺 2 产品方案 国外煤焦油加工有 3 种模式生产 一是全方位多品种 提纯和配制各种规 格和等级的产品 二是在煤焦油加工产品的基础上 向着精细化工 染料 医 药方面延伸的深加工产品 三是重点加工沥青类产品 国内煤焦油加工产品主要是酚类 萘 洗油 粗蒽 沥青等 3 工艺流程 国内外焦油蒸馏的工艺大同小异 都是脱水 分馏 但国外的工艺比国内 要多样化 国内的焦油蒸馏工艺与国外工艺相比较 差距并不大 只是适用的 场合不同 只要对国内工艺的设备 仪表控制 能量利用方面做一些改进工作 就能够变成先进和实用的工艺 4 环保水平 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 2 页 环保主要是指对焦油加工过程中所产生的废水 废气 废渣的处理 在废 水 废渣的处理上国内外所采取的措施基本相同 所不同的是国内处理后的指 标要差一点 废气处理主要是指焦油加工过程中的放散气和沥青烟气的处理 国外焦油厂收集这部分废气 并集中到洗涤塔 净化 降温后送管式炉焚烧 有些焦油加工厂的油槽顶部还进行氮封 其放散气排出的可能性就更小 而国 内只有个别焦油加工装置对放散气进行集中收集处理 大部分装置都是自由放 散 但只要严格管理 认真处理 达到国外处理水平是完全可以实现的 5 节能水平 节能降耗是装置的重要指标 焦油加工是高能耗过程 国外在水 蒸汽 煤气消耗方面控制较好 采用空冷 冷热流体换热 多级循环水 低温减压蒸 馏 热量回收蒸汽等技术 但电的消耗反而比国内还高 随着国内能源结构的 调整 多使用电 减少水 蒸汽和煤气的消耗是一个必然趋势 目前国内多采用常压 一塔式 切取两混或三混馏分的蒸馏工艺 而引进 的煤焦油蒸馏装置有如下特点 采用连续脱水 脱轻油 馏分塔为减压操作 塔 顶采出酚油 压力为 13 3 kPa 塔底为软化点为 65 的软沥青 采用方箱管 式炉 出口焦油温度为 330 余热利用好 其中 软沥青与焦油换热 各馏 分采用蒸汽发生器产生 0 3 MPa 的低压蒸汽 馏分塔塔顶的油汽采用空气冷 凝冷却器 并为减压操作 可节能约 15 一 50 减压抽出的尾气与分离酚水 均送往管式炉焚烧 馏分塔材质选用抗腐蚀低碳合金钢 1 2 发展煤化工产业的经济意义 煤焦油是塑料 合成纤维 染料 合成橡胶 农药 医药 耐高温材料以 及国防工业的重要原料 在国内 其产品已广泛应用于各个生产建设领域 随 着经济的发展 其生产 加工 消费呈现良好的发展势头 2000 年中国煤焦油 需求量约为 3Mt a 预计到 2005 年的需求量约为 3 5Mt a 生产能力将有望 达到 4 425Mt a 增长的原因 一是中国能源消费历来以煤为主 煤焦油化工 一直是中国化学工业的主要支柱之一 二是炼焦工业将随着钢铁工业的发展继 续发展 三是城市燃料煤气化的发展表明 焦炉制气将是中等城市最好的供气 方案之一 四是化学工业中的某些重要有机产品无法从石油中提取 只能从煤 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 3 页 焦油中提 取 随着产业结构的调整和企业改制任务的逐步完成 中国经济的发展已开始 走上持续发展的轨道 这对中国基础工业的发展从新的发展层次提出越来越紧 迫的更高要求 对煤焦油加工工业的发展在结构和总量上会带来新的发展需求 其主要原因 一是国家发展改革委员会在 十五 计划中己确定中国基础化学 品和能源将以煤为主 煤焦油加工项目己列人国家发展计划 得到国家和地方 政府政策上的支持 二是进入 90 年代中期 利用煤焦油加工的萘 蒽 吡啶 酚类等多环或杂环芳香烃产品 以及发展起来的炭素工业对原料 如针状焦 中 间相沥青 的需求不断加大 人们对煤焦油加工业的重要经济地位又有了更新的 认识 中国煤焦油加工工业作为区域经济发展的重要支柱产业已经形成 煤矿是我国的只要能源对人民的日常生活起着举足轻重的影响 而煤焦油 蒸馏是焦油加工的龙头 其技术水平影响着焦油馏份的质量 并对焦油馏份的 后续加工工艺的选择有着较大影响 所以说对蒸馏工段的研究将会对增加产量 有着巨大的作用 1 目前 我国煤焦油主要用来加工生产轻油 酚油 萘油及改质沥青等 再 经深加工后制取苯 酚 萘 蒽等多种化工原料 产品数量众多 用途十分广 泛 但煤焦油简单加工后的利用价值不大 国内外普遍看好的是其深加工精制 产品的应用 世界焦油精制先进厂家已从焦油中提取 230 多种产品 并集中加 工向大型化方向发展 其优点是 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 据业内人士介绍 国内外煤焦油 加工工艺大同小异 都是脱水 分馏 煤焦油加工的主要研究方向是 增加产品 品种 提高产品质量等级 节约能源和保护环境 1 1 3 设计任务 本设计主要完成年处理 16 吨焦油焦油车间蒸馏工段工艺初步设计 对工艺 与主要设备进行物料衡算 能量衡算 主要设备的工艺计算及选型 包括管式 炉的工艺尺寸的计算 沥青换热器工艺尺寸的计算 蒽塔 沥青高置槽 一次 蒸发器和二次蒸发器及相关冷却器的选型 完成蒸馏工段的设备布置 绘制工 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 4 页 艺流程图 平面图及立面图 完成该工艺三废处理与环境保护方面的设计和用 水 用电等非工艺部分的设计任务 2 生产工艺流程和设备的论述生产工艺流程和设备的论述 目前我国各焦化厂根据生产能力和规模大小的不同 所采取的生产形式有 间歇式焦油蒸馏和连续式焦油蒸馏 生产工艺有分为 单塔 双塔两种 通过 设计题目和要求可知本设计属大型焦化厂精馏工段 所以采用管式炉连续蒸馏 工艺对焦油进行蒸馏 在这套工艺中 无水焦油经过汽化和精馏 能够较好地 得到分离 从而得到沥青和其他副产品 2 2 1 工艺流程的论述 2 1 1 原料及产品 煤焦油是炼焦工业煤热解生成的粗煤气中的产物之一 其产量约占装炉煤 的 3 4 在常温常压下其产品呈黑色粘稠液状 密度通常在 之间 闪点 100 具有特殊臭味 煤焦油又称焦油 3 10 1 95 0 cmg 煤焦油是煤在干馏和气化过程中获得的液体产品 根据干馏温度和方法的 不同可得到以下几种焦油 低温 450 650 干馏焦油 低温和中温 600 800 发生炉焦油 中温 900 1000 立式炉焦油 高温 1000 炼焦焦油 生产原料为炼焦回收的高温焦油 一般在焦油连续蒸馏系统中所切取的馏分有以下几种 轻油馏份 为 170 前的馏分 产率 0 4 0 8 对无水焦油 比重为 0 88 0 90 主要含有苯族烃 酚含量小于 5 并含有少量的古马龙和茚等不饱 和化合物及微量的萘 酚油馏份 为 170 210 前的馏分 产率为 1 0 2 5 比重为 0 98 1 01 含有酚和甲酚 20 30 萘 5 20 吡啶碱类 4 6 其余为酚油 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 5 页 萘油馏份 为 210 230 的馏份 产率为 10 13 比重为 1 01 1 04 主要含有萘 达 70 80 另含有酚 甲酚 二甲酚 4 6 重质吡啶碱类 3 4 其余为萘油 洗油馏份 为 230 300 馏份 产率为 4 5 6 5 比重为 1 04 1 06 含 有甲酚 二甲酚及高沸点酚类 3 5 重质吡啶碱类 4 5 萘含量低于 15 其余为洗油及少量其他有机物质 蒽油馏份 为 280 360 馏份 产率为 16 22 比重 1 05 1 10 含 蒽 16 20 萘 2 4 高沸点酚类 1 3 重质吡啶碱类 2 4 其余为 蒽油 蒽油馏份 产率 4 6 比重 1 08 1 12 初馏点 310 馏出 50 时为 400 含萘不大于 3 沥青 为焦油蒸馏的残液 产率为 54 56 2 2 1 2 生产工艺的论述 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份切取的方式的不同 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 3 本设 计采用两塔式蒸馏过程 蒸馏工艺如下 由原料贮槽来的初步脱水的焦油用 1 段焦油泵送入管式炉的对流段 加热 至 120 130 后进入 1 次蒸发器 于此 粗焦油中的大部分水份和部分轻油的 混合蒸汽以 100 106 的温度自 1 次蒸发器顶逸出 进入一段冷凝冷却器 及 油水分离器 与水分离后的轻油送往粗苯工段处理 经脱水后含水量 0 5 以下 的无水焦油 经过油封流入无水焦油槽中 无水焦油槽应保持经常满流 满流 的焦油流入无水焦油槽 此槽中的焦油可用泵倒回原料焦油贮槽 或将满流焦 油引入一段焦油泵前的管路中 无水焦油用 2 段焦油泵送入管式炉辐射段 在 此被加热到 400 左右送入 2 段蒸发器进行闪蒸 分离成镏份的混合蒸汽和液 体沥青 由 2 次蒸发器的底部排出的沥青 送沥青冷却浇注系统 从 2 次蒸发器顶 逸出的馏份混合蒸汽进入蒽塔进料塔板 塔底排出温度为 320 330 的二蒽油 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 6 页 侧线切取温度为 290 300 的一蒽油 一 二蒽油分别经各自埋入式冷却器冷 却后 流入各自贮槽 以备结晶工段加工处理 蒽塔顶用洗油打回流 自蒽塔顶来的油气进入馏分塔进料塔板 洗油馏份以 230 340 的温度自 塔底排出 温度为 200 210 的萘油馏份从侧线采出 温度为 150 160 的酚油 馏份从对应的侧线层采出 这些馏份都分别经各自的埋入式冷却器 然后经窥 镜流入各自的贮槽 馏份塔顶出来的轻油和水的混合蒸汽引入馏份塔轻油冷凝 冷却器中 冷凝液经油水分离后 水经窥镜导入酚水槽或下水道内 轻油经窥 镜流入回流槽 用回流泵送到馏份塔顶作为回流油 剩余的轻油送往粗苯工段 2 2 设备的论述 焦油蒸馏过程主要是将焦油加热 利用组分间的沸点不同 从而得到分离 开的轻 重组分 重组分为沥青 轻组分可通过进一步的精馏得到多种产品 此生产过程的主要设备为 管式炉 蒸发器 蒽塔 馏分塔 冷却器等 4 2 2 1 管式炉的工作原理 管式加热炉一般由三个主要部分组成 辐射室 对流室及烟囱 其工作原 理如下 炉底的油气联合燃烧器 火嘴 喷出高达几米的火焰 温度高达 1000 1500 主要以辐射传热的方式 将大部分热量传给辐射室 又叫炉膛 炉管 也叫辐射管 内流动的油品 烟气沿着辐射室上升到对流室 温度降到 700 900 以对流 传热的方式继续将部分热量传给对流室炉管内流动着的油品 最后温度降至 200 450 的烟气从烟囱排人大气 油品则先进入对流管再进入辐射管 不断吸 收高温烟气传给的热量 逐步升高到所需要的温度 辐射室是加热炉的核心部分 从火嘴喷出的燃料 油或气 在炉膛内燃烧 需要一定的空间才能燃烧完全 同时还要保证火焰不直接扑到炉管上 以防将 炉管烧坏 所以辐射室的体积较大 由于火焰温度很高 最高处可达 1500 1800 左右 又不允许冲刷炉管 所以热量主要以辐射方式传送 在对 流室内 烟气冲刷炉管 将热量传给管内油品 这种传热方式称为对流传热 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 7 页 烟气冲刷炉管的速度越快 传热的能力越大 所以对流室窄而高些 排满炉管 且间距要尽量小 有时为增加对流管的受热表面积 以提高传热效率 还常采 用钉头管和翅片管 在对流室还可以加几排蒸汽管 以充分利用蒸汽余热 产 生过热蒸汽供生产上使用 烟气离开对流室时还含有不少热量 有时可用空气 预热器进行部分热量回收 使烟气温度降到 200 左右 再经烟囱排出 但这 需要用鼓风机或引风机强制通风 有时则利用烟囱的抽力直接将烟气排入大气 由于抽力受烟气温度 大气温度变化的影响 要在烟道内加挡板进行控制 以 保证炉膛内最合适的负压 一般要求负压为 2 3mm 水柱 这样既控制了辐射室 的进风量 又使火焰不向火门外扑 确保操作安全 4 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 8 页 图 2 1 管式加热炉的主要结构 2 2 2 管式炉的选型 炼油厂加热炉类型很多 按照管式加热炉的用途可分为纯加热炉和加热 反 应炉 前者如常压炉 减压炉 原料在炉内只起到被加热的作用 后者如裂解 炉 焦化炉 原料在炉内不仅被加热 同时还有足够的时间进行裂解和焦化反 应 按照管式炉的结构又可分为立式炉 圆筒炉和无焰炉 4 1 立式炉 立式炉炉膛为长方形箱体 炉管可水平放置或垂直放置 卧管立式炉其辐 射炉管沿炉壁横排 火焰垂直于炉管上烧 炉膛较窄 对流室置于辐射室之上 长度与辐射室相同 烟囱放在对流室顶部 这种炉的特点是炉管沿长度方向受 热均匀 另外由于其辐射室高度低 故各辐射管间的受热也比较均匀 其主要 优点是减少了炉管支架 便于布置多管程 缺点是炉管沿管长受热不均匀 清 扫困难 立式炉在热负荷较低时 投资高于圆筒炉 一般在热负荷较大时使用 2 圆筒炉 圆简炉炉膛为直立圆筒形 辐射管在炉膛周围垂直地排列一周 方形对流 室在圆筒体上部 对流管分水平与直立设置两种 圆筒炉的特点是结构紧凑 造价较低 从热负荷上看 圆筒炉通常用作中 小型加热护 这是因为辐射管 不能太长 加大炉膛直径又会提高造价 圆筒炉的热效率偏低也使热负荷的提 高受到限制 3 无焰炉 无焰炉其外形和立式炉相似 主要特点是将无焰喷嘴沿炉膛测墙均匀分布 由于无焰燃烧 炉膛体积可缩小 传热较均匀 由于燃烧完全 过剩空气系数 小 炉子热效率较高 但这种无焰燃烧喷嘴目前只能烧气体燃料 另外炉墙结 构也比较复杂 造价较高 国内主要用作焦化炉 高温制氢的转化炉及裂解炉 等 从生产实践和经济条件方面来选择管式炉 圆筒炉是本设计的最佳选择 其不仅能够达到设计要求而且造价便宜 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 9 页 2 1 3 塔设备的选型 1 板式塔 可根据气液操作状态分为鼓泡式塔板 如泡罩 浮阀 筛板等塔板及喷射 式塔 如舌形 网孔等塔板 又可根据有没有降液管分为溢流式塔板 泡帽等 和穿流式塔板 穿流式筛板和穿流式栅板等 5 1 泡罩塔盘 泡罩塔盘是工业上应用最早的塔盘之一 在塔盘板上开许多圆孔 每个孔 上焊接一个短管 称为升气管 管上再罩一个 帽子 称为泡罩 泡罩周围开 有许多条形空孔 工作时 液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘 气体从下 一层塔盘上升进入升气管 再经泡罩的条形孔流散到液体中 2 浮阀塔盘 浮阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔 每一个孔上装一个带三条腿可上下浮 动的阀 浮阀是保证气液接触的元件 操作时气流自下而上吹起浮阀 从浮阀 周边水平地吹入塔盘上的液层 液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘 再横 流过塔盘与气相接触传质后 经溢流堰入降液管 流入下一层塔盘 3 筛板塔盘 筛板塔盘是在塔盘板上开许多小孔 操作时液体从上层塔盘的降液管流入 横向流过筛板后 越过溢流堰经降液管导入下层塔盘 气体则自下而上穿过筛 孔 分散成气泡通过液层 在此过程中进行传质 传热 由于通过筛孔的气体 有动能 故一般情况下液体不会从筛孔大量泄漏 4 舌形和浮舌塔盘 舌形塔盘是在塔盘板上冲有一系列舌孔 舌片与塔盘板呈一定倾角 气流 通过舌孔时 利用气体喷射作用 将液相分散成液滴和流束而进行传质 并推 动液相通过塔盘 2 填料塔 根据结构特点分为乱堆填料 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍等颗粒填料 及规 则填料 网波纹填料 板波纹填料 格栅填料 6 本设计所应用的 2 个塔设备都是对多种分进行分离 通过造价 塔板效率 和操作弹性等多方面考虑 采用泡罩塔作为本设计的塔设备类型 其主要特点 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 10 页 为 气 液两相接触充分 传质面积大 因此塔盘效率高 操作弹性大 在负 荷变动较大时 仍能保持较高的效率 具有较高的生产能力 适用于大型生产 不易堵塞 介质适用范围广 结构复杂 造价高 安装维护麻烦 气相压降较 大 但若在常或加压下操作 这并不是主要问题 3 工艺计算及设备选型工艺计算及设备选型 3 1 物料与热量衡算 3 1 1 计算条件及操作制度 1 原料焦油 无水焦油年处理量 吨 年 80000 焦油车间工作日 天 330 无水焦油处理量 千克 时 10101 焦油中含水 对无水焦油 4 2 焦油加热制度 焦油入对流段的温度 80 焦油出对流段的温度 130 焦油入辐射段的温度 110 焦油出辐射段的温度 400 辐射段出口压力 千帕 150 3 过热蒸汽 蒸汽量 占无水焦油的6 千克 时 606 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 11 页 蒸汽入口压力 千帕 600 蒸汽入口温度 164 2 蒸汽出口温度 400 4 燃料体积组成 CO2 CmHn O2 CO H2 CH4 N2 2 4 2 2 0 40 6 0 59 5 25 5 4 0 5 空气过剩系数 辐射段 1 2 对流段 1 3 6 焦油蒸馏的馏份产率 表表3 1 焦油蒸馏的馏份产率焦油蒸馏的馏份产率 馏份名称 产率 产量 千克 时 平均分子量 轻油 0 7 70 7 105 酚油 2 5 252 5 120 萘洗宽馏份 16 0 1616 3 130 洗油 3 0 303 0 150 蒽油 16 0 1616 3 177 蒽油 6 8 686 9 198 沥青 54 0 5454 5 损失 1 0 101 总量 100 10101 3 1 2 燃烧过程的计算 1 焦油煤气的低热值 干煤气的低热值Q e由表3 3查得 Q e 30 18CO 25 18H2 85 58CH4 163 75CmHn 30 18 6 0 25 18 59 5 85 58 25 5 163 75 2 2 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 12 页 4260千卡 标米3 17807千焦 标米3 煤气中的含水量 0 2 100 P Wg PP 100 6 13 600 760 5 17 2 18 2 2 式中 P0 在20 时 煤气中的饱和水气分压 由表3 2查得P0 17 5毫米汞 柱 P2 大气压力 取P2 760毫米水柱 P 烧嘴前煤气的静压力 毫米汞柱 取P 600毫米汞柱 湿煤气的低热值Qe 100 100 g ee W QQ 1002 2 4260 100 4160千卡 标米3 17389千焦 标米3 2 燃烧所需空气量 当煤气中含水2 2 湿煤气组成 体积 CO2 CmHn O2 CO H2 CH4 N2 H2O 2 35 2 16 0 39 5 87 58 2 24 91 3 92 2 2 表表3 2 在在760毫米汞柱下煤气中的饱和水蒸汽压力毫米汞柱下煤气中的饱和水蒸汽压力 温度 压力mmHg 温度 压力mmHg 温度 压力mmHg 温度 压力mmHg 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 13 页 0 4 58 11 9 80 22 19 80 33 37 70 1 4 90 12 10 50 23 21 10 34 39 90 2 5 30 13 11 20 24 22 40 35 42 20 3 5 70 14 12 00 25 23 80 36 44 60 4 6 10 15 12 80 26 25 20 37 47 10 5 6 50 16 13 60 27 26 70 38 49 70 6 7 00 17 14 50 28 28 30 39 52 40 7 7 50 18 15 50 29 30 00 40 55 30 8 8 00 19 16 50 30 31 80 41 56 30 9 8 60 20 17 50 31 33 70 42 61 50 10 9 20 21 18 70 32 35 70 43 64 80 表表3 3 焦炉煤气各组成的发热量 千卡焦炉煤气各组成的发热量 千卡 标米标米3 气体名称 高热值 低热值 气体名称 高热值 低热值 CO 3018 3018 C6H6 34910 33504 H2 3052 2581 CmHn 17430 16375 CH4 9500 8558 H2S 6063 5593 C2H4 15057 14120 C3H6 21955 20550 3 燃烧过程计算 由表3 4中可知 燃烧1标米3的湿煤气的理论需氧量为 0 8834 0 0039 0 8795标米3 表表3 4 以以100米米3湿煤气为基准的计算结果湿煤气为基准的计算结果 废弃组成 米3湿煤气 组 成 含量 体积 焦炉煤气可燃成 分的燃烧反应式 理论需 氧量 米3CO2H2ON2 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 14 页 CO22 35 2 35 O20 39 CmHn2 16C2H4 3O2 2CO2 2H2O6 484 324 32 CO5 87CO 1 2O2 CO22 9355 87 CH424 19CH4 2O2 CO2 2H2O48 3824 9149 82 H258 2H2 1 2O2 H2O29 1 58 2 N23 92 3 92 H2O2 2 合 计10088 3437 45114 543 92 当空气过剩系数 1 2时的实际需氧量为 0 8795 1 2 1 055标米3 标米3湿煤 气 当空气过剩系数 1 3时的实际需氧量为 0 8795 1 3 1 143标米3 标米3湿煤 气 未参加燃烧的过剩氧量为 当 1 2时 1 055 0 8795 0 176标米3 标米3湿煤气 当 1 3时 1 143 0 8795 0 264标米3 标米3湿煤气 燃烧1标米3为湿煤气所需的干空气量为 当 1 2时 1 055 5 03 0 21 标米3 标米3湿煤气 当 1 3时 1 143 5 45 0 21 标米3 标米3湿煤气 由干空气带入的氮气量为 当 1 2时 5 03 0 79 3 97标米3 标米3湿煤气 当 1 3时 5 45 0 79 4 31标米3 标米3湿煤气 当大气温度15 和相对湿度为0 7时 则空气入的水汽量为 当 1 2时 0 017 5 03 0 0855标米3 标米3湿煤气 当 1 3时 0 017 5 45 0 0927标米3 标米3湿煤气 表表3 5 燃烧燃烧1标米标米3为湿煤气所产生的废气量及其组成 标米为湿煤气所产生的废气量及其组成 标米3 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 15 页 空气过剩系数CO2H2ON2O2废气量 1 2 1 3 0 375 0 375 1 1454 0 0855 1 23 1 1454 0 0927 1 24 0 0392 3 97 4 01 0 0392 4 31 4 35 0 176 0 264 5 791 6 226 3 1 3 耗热量和煤气用量的计算 1 一次蒸发温度 在管式炉连续蒸馏装置中 煤焦油蒸馏是以一次蒸发的方式进行的 所谓一次蒸发温度 就是指在二段蒸发器中 液体与蒸汽之间达到平衡状 态时的温度 管式炉二段焦油出口温度必须保证焦油在二段蒸发器内一次 蒸发所需的热量 一次蒸发温度与馏份产率及二段蒸发器底部压力有关 1 二段蒸发器底部压力 设器底总压为1035毫米汞柱 进入器底的直 接气量为无水焦油的1 0 无水焦油量为10078千克 时 馏份产率 45 含水0 5 水蒸汽的千摩尔 10078 1 00 5 151 2 8 4 1818 千摩 油汽的千摩尔 按表3 1计算 47 5252 51616 3303 01616 3686 9 29 61 105120130150177198 千摩尔 油气分压 29 61 1035806 29 61 8 4 p 毫米汞柱 2 一次蒸发温度 先按下式确定一次蒸发直线的正切tg 与蒸发压力关 系 tg 3 24 0 00107P 3 24 0 00107 801 2 38 式中 tg 在一定压力下 一次蒸发直线倾角的正切 由tg 进而算出一次蒸发温度tfd tfd 683 tg 174 5 g 683 2 38 174 5 45 375 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 16 页 式中 g 馏份产率 查得 在一次蒸发温度为375 馏份产率为45 时 焦油焓223千卡 千 克 932千焦 千克 设管式炉二段出口焦油的焓为238千卡 千克 994 8千焦 千克 实际上 由二段蒸发器底通入过热蒸汽 故一次蒸发温度较计算为底 图3 1在不同温度下焦油馏分及油类的焓 2 有效耗热量 焦油在一段内吸收的热量 加热无水焦油所需的热量 Q1 G i130 i80 10101 93 74 千卡 时 千焦 小时 式中 G 无水焦油处理量 千克 时 i130 i80 焦油在130 及80 时的焓 千焦 千克 加热和蒸发焦油中水分所需的热量 Q2 W 649 8 80 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 17 页 10101 0 04 649 8 80 千卡 时 千焦 小时 W 焦油中所含的水分 千克 时 649 8 水蒸气在炉管出口处 130 的焓 千卡 千克 80 水在炉管入口处 80 的焓 千卡 千克 蒸发焦油中部分轻油所需的热量 设在第一段内焦油中被蒸出的轻油为无水焦油的0 23 Q3 0 0023G i轻 0 0023 10101 94 5 2195 5千卡 时 9177 0千焦 小时 式中 i轻 轻油馏份的蒸发潜热 千卡 千克 则第一段的有效耗热量为 Q1 Q2 Q3 9177 0 千焦 小时 工艺用蒸汽过热所吸收的热量 Q4 g I2 I1 606 780 7 659 9 73204 8千卡 时 1千焦 小时 式中 g 过热的蒸汽量 千克 时 I1 6千克 厘米2饱和水蒸气的焓 取I1 659 9千卡 千克 I2 6千克 厘米2400 过热水蒸气的焓 取I1 780 7千卡 千克 焦油在二段内吸收的热量 二段焦油出口温度400 其焓为994 8千焦 千克 则焦油在二段内所 吸收的热量为 Q5 G 0 0023G I400 I110 10101 0 0023 10101 994 8 85 4 18 4千焦 小时 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 18 页 式中 I400 I110 焦油在二段 出口与入口温度下的焓 千焦 千克 加热与蒸发焦油中水份所需的热量 Q6 10078 0 005 782 4 110 19 33872 7千卡 时 7千焦 小时 式中 0 005 无水焦油中所含的水份 782 4 110 19 二段出口状态下过热水蒸汽和二段入口状态下水的焓 千卡 千克 则二段的有效耗热量为 Q5 Q6 4 7 7千卡 小时 1千焦 小时 总有效热量 QS 1 1 2千焦 小时 3 热损失 废气带走的热量 当空气过剩系数 1 3 废气温度t 400 时 废气带走的热量占总热量 100 e t Q VC X 100 4160 400336 0 226 6 20 式中 V 湿废气体积 在 1 3时 1标米3 湿煤气能生成6 226标米3的湿废 气 C 400 废气的平均比热 C 0 375 0 460 1 238 0 373 4 349 0 316 0 246 0 329 1 6 226 0 336千卡 标米3 1 4千焦 标米3 摄氏度 上述计算式中的各数据为废气中各组成的量及其比热 后者可由表3 6得 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 19 页 炉体的散热损失 取辐射段和对流段的总热损失占总耗热量的5 表表3 6 不同温度下几种气体和蒸汽的平均比热不同温度下几种气体和蒸汽的平均比热 比热 千卡 标米3 比热 千卡 标米3 温度 N2O2H20CO2 温度 N2O2H20CO2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 302 0 306 0 309 0 312 0 316 0 319 0 322 0 325 0 328 0 310 0 315 0 320 0 325 0 329 0 333 0 337 0 341 0 344 0 346 0 353 0 360 0 366 0 373 0 379 0 386 0 392 0 398 0 402 0 418 0 433 0 447 0 460 0 473 0 485 0 496 0 507 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 0 331 0 333 0 336 0 338 0 341 0 343 0 345 0 347 0 347 0 350 0 353 0 356 0 358 0 360 0 362 0 364 0 404 0 410 0 416 0 421 0 427 0 433 0 438 0 445 0 516 0 525 0 534 0 541 0 518 0 554 0 560 0 564 4 热效率 取热效率 76 总热消耗量 11402687 1 76 s Q 千焦小时 5 煤气耗量 3 2727915 6 656 4160 标米湿煤气 湿煤气重度 r 1 975 2 35 1 49 2 16 1 429 0 39 1 250 5 87 0 0899 58 2 0 717 24 91 1 251 3 92 0 804 2 2 100 0 455千克 标米3 式中 1 975 1 49 1 429 1 250 0 0899 0 717 1 251 0 804 分别为 CO2 CmHn O2 CO H2 CH4 N2 H2O在标准状态下的气体重度 千克 标 米3 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 20 页 湿煤气的重量流量 W 656 0 455 298 48千克 时 6 废气量 当 1 3时 每1标米3湿煤气产生的废气量为 1 975 0 375 0 804 1 238 1 251 4 349 1 429 0 264 7 562千克 标米3 则废气量为WG为 WG 656 7 562 4960 67千克 时 3 2 管式炉的计算与选型 3 2 1 辐射段计算 焦油二段加热的有效热负荷为 占总有 56 QQQ6586320 1 千焦小时 效热负荷 2 千焦 时的 79 通常辐射段的热负荷为全炉热负荷的 70 80 因 此 将辐射段作为二段加热 1 估算辐射管管壁平均温度 12 110400 30 60 40295 22 W tt TC 式中 t1 t2 原料焦油在辐射段入口处和出口处的温度 2 辐射段加热面积 2 1 1575674 7 87 5 18900 Q A q 米 式中 Q 辐射段热负荷 千卡 时 q 辐射段表面积热强度 千卡 米 2 时 3 辐射管管径及管心距 1 管径选择 1110101 0 071 30303 14 1 700 i t G d Nm 米 式中 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 21 页 di 管内径 米 mt 管内流体重量流速 千克 米 2 秒 按实际情况 焦油管式炉重量速度 选取 650 950 此时 相当于管内线速度为 0 55 0 8 米 秒 今取 mt 700 千克 米 2 秒 G 管内焦油流量 取 G 13889 千克 时 N 管程数 选用 89 6 Cr5Mo 石油裂化钢管 2 管心距 C 加大管心距可以提高管表面热强度 管心距一般采用 2dc 外径 此处取 C 105 毫米 4 辐射段炉体尺寸 1 辐射管总长及根数 1 87 5 313 3 14 0 089 c A L d 米 对于不设辐射锥或折烟板的圆筒炉 火焰直接照射遮蔽管 因此 把遮蔽 管当作辐射管看待 遮蔽管长度可取辐射管总长的 5 10 设为 7 则遮蔽管总长 0 070 07 31321 9 Z LL 米 辐射管有效长度 露出长度 与炉膛大小及火嘴结构有关 一般圆筒炉 的高径比 即 5 2 7 1 D Li 小炉高径比应大些 取 Li 6 0 米 则辐射管根数 31321 9 48 5 6 0 Z i LL n L 取 n 48 根 2 炉管节圆直径 D 将 48 根炉管分为 6 组 其中每组为 8 根 组间管心距取为 370 毫米 则节圆直径 D 为 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 22 页 0 15 480 37 6 3D 米 6 0 32 i L D 高径比 3 炉膛直径 一般炉管中心距炉膛内壁约为 3dc 即 333 0 08930 2673 267 c DDd 米 5 当量冷平面 Acp 火焰和赤热烟气的部分 辐射热能直接传给管组 并为管组所吸收 另一 部分热能通过炉墙 再度辐射至炉内 然后再被管组所吸收 其余部分热能上 升至对流段 这种复杂情况 在设计计算中 为简化计算 以当量冷平面来代 替管排进行计算 当量冷面为理想黑平面 与管排具有相同的吸收能力 对于辐射管 当量冷平面 2 1 0 94 48 6 0 1540 6 cp AnLC 米 式中 有效吸收因数 为管心距与管径之比的函数 查图得 0 94 n 辐射管根数 L 辐射管有效长度 米 C 管心距 米 对于遮蔽管 因遮蔽管的后面没有再辐射的炉墙 故不能吸收再辐射热 但由于赤热气体直接流过遮蔽管 籍对流传热给它的热量远较一般辐射管为高 此对流热用以补偿再辐射而有余 故设 1 遮蔽管每排 5 根 每根有效长 2 2 米 则当量冷平面 2 2 1 5 2 2 0 151 65 cp AnLC 米 总当量冷平面 2 40 6 1 6542 25 cp A 米 6 爆露砖墙面积 AR 全部砖墙面积 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 23 页 2 3 267 3 14 3 267678 22 D FDH 米 式中 H 炉膛高 米 D 炉膛直径 米 暴露砖墙面积 2 7842 2537 75 Rcp AFA 米 7 气体辐射率 在炉膛内的燃烧气体中 只有 CO2和水汽等三原子气体具有显著的辐射能 力 所以烟气的辐射能力取决于该气体的浓度 炉膛尺度和烟气温度 即 CO2 和水汽在烟气中的分压 P 气层的平均辐射长度 L 和烟气温度 有关 而气层 的平均辐射长度与炉膛高径比和炉膛直径的关系如下 高径比 1 时 L 2 3D 米 高径比 2 时 L D 米 由于高径比等于 2 所以气层平均辐射长度3 267LD 米 CO2和水汽的分压 P 当 1 2 时 大气压278 0 791 5 231 1 375 0 p 式中 0 375 1 231 分别为烟气中 CO2和水汽的体积 5 791 烟气量 0 278 3 2670 908PL 大气压米 设烟气温度 t 600 查图 3 2 得气体辐射率为 0 5 设烟气温度 t 900 查图 3 2 得气体辐射率为 0 475 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 24 页 图 3 2 气体辐射率 8 交换因数 F 交换因数 F 依赖于气体辐射率和暴露砖墙面积的再辐射量 后者以暴露砖 墙面积 和当量冷面积的比值作为函数进行计算 即 37 75 0 893 42 25 R CP A A 设烟气温度 t 600 查图 3 3 得交换因数 F 0 61 设烟气温度 t 600 查图 3 3 得交换因数 F 0 48 图 3 3 气体的交换因数 9 辐射段气体出口温度 辐射段的热平衡 输入热量 燃料的总发热量 Qn 千焦 时 空气显热 qn 千焦 时 辽宁科技学院本科生毕业设计 第 25 页 燃料显热 qf 千焦 时 输出热量 二段热焦油带出的热量 有效热 QI千焦 时 炉体热损失 qL 千焦 时 烟气带走的热量 qz 千焦 时 则热平衡式为 Qn qn qf Q1 qL qz或 Q1 Qn qn qf qL qz 等式两边均除以 AcpF 1 1 f nlnz CPnnnnCP q