焦?fàn)t煤氣回收粗苯工藝的設(shè)計(jì)

姜德惠

（承德中灤煤化工有限公司，河北承德 067000）

煤炭資源自古以來便是國(guó)家重要的能源之一，推動(dòng)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的快速增長(zhǎng)。 而煤炭資源在使用時(shí)也具有其特別的優(yōu)勢(shì)條件，不同形式的煤炭以不同的形式用于不同的行業(yè)。 例如，如今的發(fā)電依然有很大比例依靠火力發(fā)電，而居民生活中也離不開煤氣，煤炭燃燒時(shí)會(huì)釋放很大的熱量，主要用于煉鋼企業(yè)[1]。 焦炭是焦化廠中煤焦的產(chǎn)物，其中75%的煤在焦化過程中轉(zhuǎn)化為焦炭， 其余25%的煤轉(zhuǎn)化為各種化學(xué)物質(zhì)和氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以從焦?fàn)t煤氣，粗苯和煤焦油中提取數(shù)百種焦化過的產(chǎn)品，為各行各業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。 為了實(shí)現(xiàn)粗苯回收效果的提升，本文對(duì)此展開了研究。

1 粗苯介紹

1.1 粗苯性質(zhì)

煤焦化過程中產(chǎn)生的粗苯不溶于水， 易燃，易爆且有毒。 粗苯是各種有機(jī)化合物的混合物。在工業(yè)應(yīng)用中，粗苯可以由丙酮，苯酚和其他物質(zhì)制成，也可以加工成橡膠，纖維和其他產(chǎn)品。 而且，粗苯還可以提純以生產(chǎn)甲苯、二甲苯、純苯等化工物質(zhì)[2]。 所以，為了保證生產(chǎn)過程及使用過程的安全性，并且使得焦煤與煤炭資源的產(chǎn)品都能在最大效率下發(fā)揮作用，從焦?fàn)t煤氣里回收出苯便顯得尤為重要。 這對(duì)于焦?fàn)t煤氣的安全性與經(jīng)濟(jì)效益來說都是具有積極意義的。 粗苯的詳細(xì)性質(zhì)如表1 所示。

表1 粗苯詳細(xì)性質(zhì)

1.2 粗苯價(jià)值

粗苯是一種有價(jià)值的化學(xué)原料。 煉焦?fàn)t氣體通常包含25g/m3～40g/m3的粗苯，塔中煉焦?fàn)t氣體中的粗苯含量通常為2g/m3～4g/m3。 粗苯是眾多焦化廠回收的主要目標(biāo)， 主要包含各類物質(zhì)， 例如苯，甲苯，二甲苯和三甲基苯。 隨著原油價(jià)格繼續(xù)上漲，苯及其衍生物的價(jià)格也有所回暖[3]。 所以，絕大多數(shù)的焦煤公司對(duì)于苯回收的環(huán)節(jié)都投入了大量的技術(shù)與人力， 甚至對(duì)于一些公司而言，維持公司主要經(jīng)營(yíng)的收入來源成為了粗苯的銷售。在回收方法中應(yīng)用范圍最廣，使用程度最高的方法主要有兩種，分別是洗油吸收法和活性炭吸收法，這兩種方法均為物理方法，而洗油吸收法的應(yīng)用程度要高于活性炭吸收法。 吸油吸收法最初是由德國(guó)的某位科學(xué)家在19 世紀(jì)中期提出的，在一戰(zhàn)時(shí)首先被德國(guó)應(yīng)用，并在多個(gè)國(guó)家被廣泛采用。 富油是利用蒸汽蒸餾溶解在富油中的苯系物，根據(jù)設(shè)備的不同，可以獲得輕質(zhì)苯的一種產(chǎn)品或輕質(zhì)苯和中性苯的兩種產(chǎn)品，制重苯和萘溶劑油的三種產(chǎn)品[4]。 富油變成苯后的洗油稱為貧油，可將該貧油送入苯吸收過程進(jìn)行再循環(huán)。 活性炭吸附法出現(xiàn)的時(shí)間比洗油吸收法的時(shí)間晚一些， 是由德國(guó)人恩格哈特在20 世紀(jì)早期提出的，并隨后應(yīng)用于各大城市的煤氣廠中，自1920年后，英國(guó)、法國(guó)、荷蘭等部分國(guó)家也都運(yùn)用該方法。 和前一種方法比起來，該法主要的優(yōu)勢(shì)是需要投入的資金與設(shè)備少，能耗少，并且回收效率較高。 然而因?yàn)榛钚蕴康膬r(jià)格并不低，自1950 年以來很少在工業(yè)中使用[5]。 目前，化學(xué)公司正在逐步轉(zhuǎn)向深加工渠道，但是許多焦化廠正在越來越多地追求粗苯生產(chǎn)。 粗苯的生產(chǎn)高度依賴于工藝設(shè)備的效率。

1.3 粗苯工藝

粗苯回收主要分為兩步，分別是苯的最終冷洗和粗苯的蒸餾。 而在這個(gè)過程中運(yùn)用的設(shè)備，對(duì)于進(jìn)行過程的效率、使用原材料的消耗及最終的收益情況都有極大的影響，究其根本是粗苯在提取過程中需要極其穩(wěn)定的環(huán)境。 幾乎所有的焦化廠里運(yùn)用的熱交換頭均為浮頭管式熱交換器、螺旋板式熱交換器或者波紋板式熱交換器等[6]。而洗油與粗苯因其化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定，所以非常容易爆炸，并且粗苯也是非常危險(xiǎn)的介質(zhì)，所以必須選擇安全且適宜的運(yùn)輸泵，保證運(yùn)送過程的安全。 通常，對(duì)于攜帶粗苯的泵，均采用密封程度高與安全性能高的泵， 很多時(shí)候是使用罐頭泵，這可以從根本上預(yù)防出現(xiàn)泄漏等的安全事故，并且安裝空間小。 在回收工程中，選擇適宜且品質(zhì)優(yōu)良的設(shè)備可以保證生產(chǎn)粗苯的品質(zhì)與安全。 現(xiàn)如今，在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上，設(shè)備可以達(dá)到的效率與節(jié)約的能源越來越高，尤其如今粗苯不僅在市場(chǎng)上有較好的發(fā)展形勢(shì)，而且在粗苯行業(yè)中也具有更好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，在這種情況下， 提升粗苯回收效果越發(fā)引起人們的關(guān)注，目前關(guān)于粗苯回收的理論研究較多，下一節(jié)將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 粗苯回收理論研究

現(xiàn)在，運(yùn)用吸收法來回收苯可劃分為壓力吸收法、常壓吸收法與負(fù)壓吸收法三種。 在這三種方法中，壓力吸收法因其高能耗，更多地被運(yùn)用于長(zhǎng)距離輸送方面。 而常壓吸收法所取的壓力范圍，僅比正常大氣壓多一點(diǎn)，所以運(yùn)用范圍較大[7]。 負(fù)壓吸收法絕大多數(shù)在煤氣系統(tǒng)的進(jìn)化方面發(fā)揮主要作用。 所以，綜合回收過程中所涉及各項(xiàng)流程的實(shí)際操作情況與經(jīng)濟(jì)情況等，此次以大氣壓吸收法為例來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3 工藝選擇

由于需要使用較多的工藝以實(shí)現(xiàn)粗苯回收，為此，本章節(jié)繼續(xù)對(duì)粗苯回收工藝的選擇進(jìn)行研究，可得到粗苯回收工藝的選擇主要包括兩個(gè)方面： 洗苯工藝的確定、脫苯工藝的確定。

3.1 洗苯工藝的確定

苯清洗工藝即運(yùn)用我們所選擇的大氣壓吸收法將焦?fàn)t煤氣里的粗苯分離出來，筆者行文此次主要涉及的清洗方法是清洗油吸收法。 而現(xiàn)實(shí)生活里， 焦油也可以成為凈化原料的主力之一。這里面以苯為原料來進(jìn)行清洗操作時(shí)具備耗材低、容易上手等優(yōu)勢(shì)，但是這便無法避免其不具備高清潔效率的劣勢(shì)，所以循環(huán)洗油和焦油洗油比起來要運(yùn)用到更多的原材料[8]。 綜上，我們最終決定運(yùn)用焦油洗油方法來完成清洗步驟。

3.2 脫苯工藝的確定

焦化廠里運(yùn)用的苯塔一般都為氣泡塔。 它的形狀大多為圓形或條狀，材料通常是鑄鐵或不銹鋼。 管式爐里一般運(yùn)用三層之后的塔板來進(jìn)行升溫處理，其具備更好的耐適性，并且操作相對(duì)穩(wěn)定。 當(dāng)塔的氣液兩相負(fù)荷顯著變化時(shí)，仍然可以保持較高效果。 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和維護(hù)不便且昂貴[9]。 同時(shí)，由于托盤效率低，在相同的處理能力下， 主塔需要更大的直徑和更大的面積，并且通常配備有混凝土結(jié)構(gòu)框架，這需要大量的工作。 近年來，鑄鐵氣泡塔已逐漸被不銹鋼氣泡塔所取代。 不銹鋼氣泡塔泡罩是一種具有高傳熱效率的不銹鋼構(gòu)件，在相同處理能力下，其直徑比鑄鐵塔小1～2m。 塔筒壁薄，操作重量輕，并且塔筒部分被焊接。 可以用鋼平臺(tái)替換混凝土框架，從而節(jié)省工程成本。 盡管不銹鋼塔的成本高昂，但在使用壽命和維護(hù)周期方面，總體消耗仍然相對(duì)較低。

苯清洗操作后， 富油必須經(jīng)過脫苯操作，然后才能運(yùn)到原油泵中。 在正常情況下，粗苯通過蒸餾以蒸氣形式釋放。 但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，將富油加熱到250℃以上才可以達(dá)到理想的效果，而在工業(yè)上加熱到250℃以上是不可能的。 因此，富油通常被蒸汽和管道加熱以達(dá)到上述目的。 該管式爐加熱蒸餾方法表明，粗苯具有較高的回收率和較低的能耗特性。 因此，本文中的脫苯工藝是通過在管道中加熱和蒸餾來實(shí)現(xiàn)的，以減少粗苯回收過程中的不必要的浪費(fèi)和損失，提高粗苯回收效果，從而為實(shí)現(xiàn)本文研究目的提供必要保障。

而且采用這種方式可穩(wěn)定脫苯塔的塔壓，從而降低蒸氣壓波動(dòng)的影響，在蒸氣壓大幅度波動(dòng)且時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，苯塔頂部的溫度和壓力會(huì)根據(jù)蒸氣量而變化，這直接影響粗苯的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 除了控制粗苯以穩(wěn)定質(zhì)量和生產(chǎn)，粗苯在塔中的回流速率外，還可以使用過熱蒸氣來減少蒸氣量的影響和改變。 同時(shí)，如果蒸氣壓過高并且苯塔內(nèi)的壓力升高，則苯蒸氣會(huì)通過排氣管排出，從而避免損失。 粗苯冷卻器的進(jìn)水溫度必須控制在19℃以下，以便可以將苯蒸氣冷凝到粗苯冷卻器中的最高溫度。

4 設(shè)備的選型設(shè)計(jì)

在本節(jié)中，我們選擇并設(shè)計(jì)用于苯清洗操作的苯清洗塔和用于脫苯操作的導(dǎo)管。

4.1 洗苯塔填料的選擇

研究表明，在一定程度上添加填料的比表面積可以在一定范圍內(nèi)擴(kuò)大洗油和焦煤氣二者的接觸，進(jìn)而能夠加強(qiáng)該過程的運(yùn)行效率與最終的輸出效率。 所以，我們可以在進(jìn)行苯回收的過程中，將不銹鋼波紋或者是磁性環(huán)為填充物運(yùn)用到清洗步驟中[10]。 而隨著工作的不斷展開，會(huì)有一些殘留的物質(zhì)在儀器內(nèi)，所以必須安排間隔時(shí)間的清洗。 所以，考慮到儀器的清洗與使用，就要選擇有更高強(qiáng)度與耐溫性的填料。 因?yàn)榇森h(huán)強(qiáng)度不高，因此使用不銹鋼波紋作為包裝材料，以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 管式爐的選擇

能否高效率取得安全的出苯與管式爐內(nèi)管道的質(zhì)量有很大的關(guān)系[11]。 為了確保管道的整體性能，應(yīng)用316L 作為熱管和導(dǎo)管的材料，其具有強(qiáng)大的抗點(diǎn)蝕性，能夠讓導(dǎo)管許多性能變得更加優(yōu)異，從而擴(kuò)大服務(wù)范圍，因此316L 可以使管式爐使用時(shí)間得到有效延長(zhǎng)， 減少粗苯回收過程中的資源浪費(fèi)和成本浪費(fèi)。 此外，316L 可以提升粗苯回收效率， 對(duì)粗苯回收而言是一種極佳的材料。

此外，在加熱富含油脂的油時(shí)，它使用級(jí)聯(lián)加熱方法來減少加熱過程中的能耗。 首先，在對(duì)流段中加熱熱交換器的富油， 富油進(jìn)入輻射區(qū)后，進(jìn)一步升高溫度以控制富油溫度并達(dá)到蒸餾效果，同時(shí)降低系統(tǒng)能耗。

總之，此次研究主要針對(duì)焦油煤氣中粗苯的回收問題，以理論為基礎(chǔ)，研究了在實(shí)際操作過程中所涉及的設(shè)備選取以及各個(gè)步驟方法的選擇等問題，重點(diǎn)論述了苯的清洗過程和脫苯時(shí)的工藝。 在探究的過程中，我們也注意到許多操作進(jìn)行過程中必須要注意的細(xì)節(jié)問題，這對(duì)于今后粗苯的回收工作具有一定的啟發(fā)意義。 但為了深入提升粗苯回收效果，在接下來的研究過程中還需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析實(shí)驗(yàn)。