粗笨的回收与精制-用洗油吸收煤气中的苯族烃（煤化工技术课件）

《煤化工技术》吸收苯族烃的基本原理及工艺

一、吸收苯族烃的基本原理洗油的成分中含有甲基萘、联苯、苊、芴、氧芴等组分，用洗油吸收煤气中的苯族烃是典型的多组分吸收，为了叙述问题方便，视其为单组分吸收，同时洗油吸收煤气中苯族烃又是物理吸收过程，服从拉乌尔定律和道尔顿定律。煤气中苯族烃得分压可根据道尔顿定律计算：

pg=P•y

（6－4）

式中P—煤气的总压力，kPa

y—煤气中苯族烃的体积分数(或摩尔分数)。通常苯族烃在煤气中的浓度以g/m3表示。若已知苯族烃在煤气中的浓度为g/m3，则换算为体积分数得：

式中Mb粗苯的平均相对分子质量。将此式代入式（6-4），则得；

用洗油吸收苯族烃所得的稀溶液可视为理想溶液，其液面上粗苯的平衡蒸气压PL可按拉乌尔定律确定:

pL=P0•x式中P0—在回收温度下苯族烃的饱和蒸气压，kPa；

x—洗油中粗苯的摩尔分数。通常洗油中粗苯的含量以C%(质量百分数)表示，换算为摩尔分数得：

式中Mm—洗油的相对分子质量。将此式代入式（6-6），则得：

当煤气中苯族烃的分压pg大于洗油液面上苯族烃的平衡蒸汽压pL时，煤气中的苯族烃即被洗油吸收。pg和pL之间的差值越大，则吸收过程的推动力越大，吸收速率也越快。洗油吸收苯族烃过程的极限为气液两相达成平衡，此时pg=pL，即：

(6-8)洗油中粗苯的浓度很小，式(6-8)可简化为：

因此，在平衡状态下与C之间的关系式为：

g/m3或

洗苯塔常用填料塔，对于填料吸收塔，传质速率与传质推动力成正比而与其阻力成反比将其用于洗油吸收苯族烃的速率即：写成等式为：

或W=K•F•△Pm式中W—吸收的苯族烃量，kg/h；

F—总吸收面积，m2；

K—总吸收系数，kg/(m2•h•kPa)；△Pm—pg与pL之间的对数平均分压差(吸收推动力)，kPa。上式表明所需吸收表面积F与单位时间内所吸收的苯族烃量W成正比，与吸收推动力△Pm及吸收系数K成反比，即目前吸收过程的机理一般仍建立在被吸收组分经稳定的界面薄膜扩散传递的概念上，即液相与气相之间有相界面,假定在相界面的两侧，分别存在着不呈湍流的薄膜：在气相侧的称为气膜，在液相侧的称为液膜。扩散过程的全部阻力就等于气膜和液膜的阻力之和。根据双膜理论，总吸收系数值可按下列步骤进行计算：气膜吸收系数Kg：

m/s(6-13)

或kg/（m2•h•kPa）(6-14)液膜吸收系数KL：

m/h(6-15)或

kg/（m2•h•kPa）(6-16)式中Reg，ReL——煤气和洗油的雷诺准数；

Prg，PrL——煤气和洗油的普朗特准数；

Dg，DL——苯族烃在煤气和洗油中的扩散系数，m2/s；

de——填料的当量直径，m；

A、A′、m、m′、n、n′——常数，针对具体填料和物系，由实验确定。

H—亨利系数，kPa•m3/kg。总吸收系数K即可按下式求得：

kg/(m2．h．kPa)(6-17)二、吸收苯族烃的工艺流程用洗油吸收煤气中的苯族烃所采用的洗苯塔虽有多种型式，但工艺流程基本相同。填料塔吸收苯族烃的工艺流程见图6-1。1-洗苯塔；2-新洗油槽；3-贫油槽；4-贫油泵；5-半富油泵；6-富油泵来自饱和器后的煤气经最终冷却器冷却到25～27℃后（或从洗氨塔后来的25～28℃煤气），依次通过两个洗苯塔，塔后煤气中苯族烃含量一般为2～4g/m3。温度为27～30℃循环洗油（贫油）用泵送至顺煤气流向最后一个洗苯塔的顶部，与煤气逆向沿着填料向下喷洒，然后经过油封管流入塔底接受槽，由此用泵送至下一个洗苯塔。按煤气流向第一个洗苯塔底流出的含苯量约2%的富油送至脱苯装置。脱苯后的贫油经冷却后再回到贫油槽循环使用。在最后一个洗苯塔喷头上部设有捕雾层，以捕集煤气夹带的油滴，减少洗油损失。洗苯塔下部设置的油封管（也叫U型管）起防止煤气随洗油窜出作用。三、影响苯族烃吸收的因素煤气中的苯族烃在洗苯塔内被吸收的程度称为回收率。可用下式表示：

(6-18)式中η一粗苯回收率，％； 、—洗苯塔入口煤气和出口煤气中苯族烃的含量，g/m3。

回收率是一项重要技术经济指标，当一定，煤气量一定时，ɑ2愈小，回收率η愈大，粗苯产量愈高，销售收入也愈多；但相对而言基建投资和运行费用也愈高，最佳的ɑ2值（或最佳的粗苯回收率），应是纯效益最高。确定最佳塔后煤气含苯（即ɑ2值）时，需要建立投入产出数学模型，采用最优化的方法解决。对于已投产的焦化厂粗苯回收率，则是评价洗苯操作好坏的重要指标，一般为93%~95%。回收率的大小取决于下列因素：煤气和洗油中苯族烃的含量，吸收温度，洗油循环量及其相对分子质量，洗苯塔类型和构造，煤气流速及压力等。

1．吸收温度吸收温度系指洗苯塔内气液两相接触面的平均温度。它取决于煤气和洗油的温度，也受大气温度的影响。吸收温度是通过吸收系数和吸收推动力的变化而影响粗苯回收率的。提高吸收温度，可使吸收系数略有增加,但不显著,而吸收推动力却显著减小。式(6-10)中洗油的相对分子质量Mm及煤气总压P波动很小，可视为常数。而粗苯的饱和蒸气压P0

是随温度而变的。将式（6-10）在不同温度时所求得的ɑ与c的数值用图表示，即得图6-2、图6-3所示的苯族烃在煤气和洗油中的平衡浓度关系曲线。

图6-2苯族烃在煤气和洗油中的平衡浓度图6-3苯族烃在煤气和洗油中的平衡浓度

——焦油洗油-------石油洗油——焦油洗油-------石油洗油由图可见，当煤气中苯族烃的含量一定时，温度愈低。洗油中与其平衡的粗苯含量愈高；温度愈高，洗油中与其平衡的粗苯含量则显著降低。当入塔贫油含苯量一定时，洗油液面上苯族烃的蒸气压随吸收温度升高而增高，吸收推动力则随之减小，致使洗苯塔后煤气中的苯族烃含量（塔后损失）增加，粗苯的回收率η降低。图6-4表明了η及与吸收温度间的关系。由图可见，当吸收温度超过30℃时，随温度的升高，显著增加，η显著下降。因此，吸收温度不宜过高，但也不宜过低。当低于15℃，洗油的黏度将显著增加，使洗油输送及其在塔内均匀分布和自由流动都发生困难。当洗油温度低于10℃时，还可能从油中析出固体沉淀物。因此适宜的吸收温度为25℃左右，实际操作温度波动于20~30℃之间。为了防止煤气中的水汽冷凝而进入洗油中，操作中洗油温度应略高于煤气温度。一般规定洗油温度在夏季比煤气温度高2℃左右，冬季高4℃左右。为保证适宜的吸收温度，自硫铵工段来的煤气进洗苯塔前，应在最终冷却器内冷却至18～28℃，贫油应冷却至低于30℃。2．洗油的吸收能力及循环油量由式(6-11)可见，当其他条件一定时，洗油的相对分子质量减小将使洗油中粗苯的平衡含量C增大，即吸收能力提高。同类液体吸收剂的吸收能力与其相对分子质量成反比，吸收剂与溶质的相对分子质量愈接近，则愈易相互溶解，吸收的愈完全。在回收等量粗苯的情况下，如洗油的吸收能力强，使富油的含苯量高，则循环洗油量也可相应减少。图6-5表明了洗油相对分子质量与其吸收能力的关系。但洗油的相对分子质量也不宜过小，否则洗油在吸收过程中挥发损失较大，并在脱苯蒸馏时不易与粗苯分离。送往洗苯塔的循环洗油量可根据下式求得：

（6-19）

式中V—煤气量,m3/h；，

—洗苯塔进、出口煤气中苯族烃含量，g/m3；

L—洗油量，kg/h；

Cl，C2—贫油和富油中粗苯的质量含量，%。由上式可见，增加循环洗油量，则可降低洗油中粗苯的C2含量，增加吸收推动力，从而可提高粗苯回收率。但循环洗油量也不宜过大，以免过多地增加电、蒸气的耗量和冷却水用量。在塔后煤气含量一定的情况下，随着吸收温度的升高，所需要的循环洗油量也随之增加。其关系如图6-6所示。图6-5洗油相对分子质量与其吸收能力的关系（20℃时）图6-6循环洗油量与吸收温度的关系实际的循环洗油量可按下述方法确定：（1）按理论最小量计算确定

kg/h（6-20）式中Lmin—理论最小循环洗油量，kg/h；Pb—纯苯的饱和蒸气压，kPa；

Mm—洗油相对分子质量；

V—不包括苯族烃的入塔煤气体积，m3／h；

P1—入塔煤气压力(绝对压力)，kPa；

η—要求达到的苯族烃的实际回收率；η∞—无限大吸收面积时苯族烃的回收率；

（6-21）实际的循环洗油量可取为Lmin的1.5~1.6倍（2）按定额数据计算确定当装入煤挥发分不超过28%时，则循环洗油量可取为每吨干装入煤0.5～0.55m3；当装入煤挥发分不超过28%时，则循环洗油量宜按每立方米煤气1.6～1.8L确定，此值称为油气比。由于石油洗油的相对分子质量比焦油洗油大，因此当用石油洗油从煤气中吸收同一数量的苯族烃时，所需循环洗油量要比焦油洗油约大30％。

3．贫油含苯量

贫油含苯量是决定塔后煤气含苯族烃量的主要因素之一。由式(6-11)可见，当其他条件一定时，入塔贫油中粗苯含量愈高，则塔后损失愈大。如果塔后煤气中苯族烃含量为2g/m3，设洗苯塔出口煤气压力P=107.19kPa，洗油相对分子质量M=160，30℃时粗苯的饱和蒸气压P0=13.466kPa，将有关数据代入式(6-11)，即可求出与此相平衡的洗油中粗苯含量C1

计算结果表明，为使塔后损失不大于2g/m3，贫油中的最大粗苯含量为0.22％。为了维持一定的吸收推动力，C1值应除以平衡偏移系数n，一般n=1.1～1.2。若取n=1.14，则允许的贫油含苯量。实际上，由于贫油中粗苯的组成里，苯和甲苯含量少，绝大部分为二甲苯和溶剂油，其蒸气压仅相当于同一温度下煤气中所含苯族烃蒸气压的20％～30％，故实际贫油含粗苯量可允许达到0.4％～0.6％，此时仍能保证塔后煤气含苯族烃在2g/m3以下。如进一步降低贫油中的粗苯含量，虽然有助于降低塔后损失，但将增加脱苯蒸馏时的水蒸汽耗量，使粗苯产品的180℃前馏出率减少，即相应增加了粗苯中溶剂油的生成量，并使洗油的耗量增加。

4．吸收表面积为使洗油充分吸收煤气中的苯族烃，必须使气液两相之间有足够的接触表面积(即吸收面积)和接触时间。对于填料塔，吸收面积是塔内被洗油润湿的填料表面积。接触时间是上升煤气在塔内与洗油淋湿的填料表面接触的时间。被洗油润湿的填料表面积愈大，则煤气与洗油接触的时间愈长，回收过程进行得也愈完全。根据生产实践，当塔后煤气含苯量要求达到2g/m3时，每小时1m3煤气所需的吸收面积一般是木格填料洗苯塔为1.0~1.1m2，钢板网填料塔为0.6~0.7m2，塑料花环填料塔为0.2~0.3m2；当减少吸收面积时，粗苯的回收率将显著降低。如图6-7所示，在吸收面积F=Fo（实际吸收面积=设计吸收面积）时，粗苯回收率为93.56％，随着F/F0值的降低，η值也随之下降。当F/F0在0.5以下时，η值则随吸收面积减少而急剧下降。而当吸收面积大于F。时，η值提高得有限。因此适宜的吸收面积应既能保证一定的粗苯回收率，又使设备费和操作费经济合理。图6-7吸收面积对粗苯回收率的影响

5．煤气压力和流速当增大煤气压力时，扩散系数Dg将随之减小，因而使吸收系数有所降低。但随着压力的增加，煤气中的苯族烃分压将成比例地增加，使吸收推动力显著增加，因而吸收速率也将增大。在加压下进行粗苯的回收时，可以减少塔后苯族烃的损失、洗油耗用量、洗苯塔的面积等，所以加压回收粗苯是强化洗苯过程的有效途径之一。但加压煤气要耗用较多的电能和设备费用。而苯族烃的回收率提高的实际收效却不大。因此，通常在常压下操作。

由式(6-13)可见，增加煤气速度可提高气膜吸收系数，增强两相的湍动接触程度，从而提高吸收速率，强化吸收过程。但煤气速度也不宜过大，以免使洗苯塔阻力和雾沫夹带量过大。对木格填料塔，空塔气速以不高于载点气速的0.8倍为宜。回收率中的可联立求解物料衡算、传质速率方程和气液相平衡推算出来，从而可将上式改写为下列无因次式：式中η一回收率；

m—无因次数群，；Ｐ—煤气的平均压力，kPa；

F—填料的表面积，m2；

V—煤气量，m3/h；

K—总吸收系数,kg/(m2•h•kPa)；

b—指数，；

l—油气比，kg/m3；

n—系数，；

C１—贫油中粗苯质量含量，％；

—入洗苯塔煤气中苯族烃含量，g/m3。例如，已知下列数据：C1=0.2%，

=40g/m3

，p=106.7kPa（表压），V=35000m3/h，L=50000kg/h，

K=2.071×10-1kg/(m2•h•kPa),F0=38600m2。计算粗苯回收率η：先求得则

四、洗油量要求为满足从煤气中回收和制取粗苯的要求，洗油应具有如下性能：

(a)常温下对苯族烃有良好的吸收能力，在加热时又能使苯族烃很好地分离出来;

(b)具有化学稳定性，即在长期使用中其吸收能力基本稳定;

(c)在吸收操作温度下不应析出固体沉淀物;

(d)易与水分离，且不生成乳化物;

(e)有较好的流动性，易于用泵抽送并能在填料上均匀分布。焦油洗油是高温煤焦油中230~300℃的馏分,容易得到，为大多数焦化厂所采用。其质量指标见表6-4。要求洗油的的含萘量小于15%，苊不大于5%，以保证在10~15℃时无固体沉淀物析出。因为萘熔点80℃，苊熔点95.3℃，在常温下易析出固体结晶，因此，应控制其含量。但萘与苊、芴，氧芴及洗油中其他高沸点组分混合共存时，能生成熔点低于有关各组分的低共熔点混合物。因此，在洗油中存在一定数量的萘，有助于降低从洗油中析出沉淀物的温度。洗油中甲基萘含量高，洗油黏度小，平均相对分子质量小，吸苯能力较大。所以，在采用洗油脱萘工艺时，应防止甲基萘成分随之切出而造成损失。同理，在脱苯蒸馏操作中要严格控制脱苯塔顶部温度和过热蒸汽用量及温度。洗油含酚高易与水形成乳化物，破坏洗苯操作。另外，酚的存在还易使洗油变稠。因此，应严格控制洗油中的含酚量。石油洗油系指轻柴油，是石油精馏时，在馏出汽油和煤油后所切取的馏分。生产实践表明：用石油洗油洗苯，具有洗油耗量低，油水分离容易及操作简便等优点。现国内某些焦油洗油来源不便的焦化厂采用石油洗油。石油洗油的质量指标见表6-5。石油洗油脱萘能力强，一般在洗苯塔后，可将煤气中萘脱至0.15g/m3以下。但吸苯能力弱，故循环油量比用焦油洗油时大，因而脱苯蒸馏时的蒸汽耗量也大。石油洗油在循环使用过程中会形成不溶性物质—油渣，并堵塞换热设备，因而破坏正常的加热制度。另外，含有油渣的洗油与水还会形成稳定的乳浊液，影响正常操作。故在洗苯流程中增设沉淀槽，控制含渣量不大于20mg/l。洗油的质量在循环使用过程中将逐渐变坏，其密度、黏度和相对分子质量均会增大，300℃前馏出量降低。这是因为洗油在洗苯塔中吸收苯族烃的同时还吸收了一些不饱和化合物，如苯乙烯、环戊二烯、古马隆、茚、丁二烯等，这些不饱和化合物在煤气中硫醇等硫化物的作用下，或在加热脱苯条件下，会聚合成高分子聚合物并溶解在洗油中，因而使洗油质量变坏，冷却时析出沉淀物。此外，在循环使用过程中，洗油的部分轻质馏分被出塔煤气、粗苯和分离水带走，也会使洗油中高沸点组分含量增多，黏度、密度及平均相对分子质量增大。循环洗油的吸收能力比新洗油约下降10％，为了保证循环洗油的质量，在生产过程中，必须对洗油进行再生处理。《煤化工技术》洗苯塔五、洗苯塔焦化厂采用的洗苯塔类型主要有填料塔、板式塔和空喷塔。

1．填料塔填料洗苯塔是应用较早，较广的一种塔。塔内填料常用整砌填料如木格、钢板网等，也可用乱堆填料如金属螺旋、泰勒花环、鲍尔环及鞍型填料等。相对来说，在相同条件下，乱堆填料阻力较大，且易堵塞。因此，普遍采用的是整砌填料。木格填料洗苯塔阻力小，一般每米高填料的阻力为20—40Pa，操作弹性大，不易堵塞，稳定可靠，曾广为应用。但木格填填塔处理能力小，设备庞大笨重、基建投资和操作费用高、木材耗量大等缺点。

因此，木格填料塔已被新型高效填料塔如钢板网、泰勒花环、金属螺旋及等取代。在进行木格填料计算时，可取空塔气速0.8~1.0m/s。钢板网填料是用0.5mm厚的薄钢板，在剪拉机上剪出一排排交错排列的切口，再将口拉开，板上即形成整齐排列的菱形孔。将钢板网立着一片片平行迭合起来，相邻板间用厚为20mm长短不一，交错排列的木条隔开，再用长螺栓固定起来，就形成了图6-8所示的钢板网填料。钢板网填料比木格填料孔隙率（或自由截面积）大，在同样操作条件下，阻力更小，更不易堵塞，可允许较大的空塔气速，传质速率也比木格填料塔大，达到同样的塔后煤气含苯2g/m3需要的吸收面积可比木格填料洗苯塔减少36%~40%

由图6-8可见，从顶部喷淋下来的洗油，被两片钢板网间的木条分配到板网侧面上形成液膜向下流动。煤气在网间向上流动，当被网片间的长木条挡住时，便穿过网孔进入网片的另一侧的空间。这样网上的液膜就不断地被鼓破，随即又形成新的液膜。所以，在钢板网填料中，气液两相的接触面积远大于填料表面积，并由于较激烈的湍动和吸收表面不断更新而强化了操作。钢板网填料塔的构造如图6-9所示。由图可见，钢板网填料分段堆砌在塔内，每段高约1.5m。填料板面垂直于塔的横截面，在板网之间即形成了煤气的曲折通路。

为了保证洗油在塔的横截面上均匀分布，在塔内每隔一定距离安装一块如图6-10所示的带有煤气涡流罩的液体再分布板。煤气涡流罩按同心圆排列在液体再分布板上，弯管出口方向与