焦炉煤气回收粗苯工艺的设计

姜德惠

（承德中滦煤化工有限公司，河北承德 067000）

煤炭资源自古以来便是国家重要的能源之一，推动了国家经济与工业的快速增长。 而煤炭资源在使用时也具有其特别的优势条件，不同形式的煤炭以不同的形式用于不同的行业。 例如，如今的发电依然有很大比例依靠火力发电，而居民生活中也离不开煤气，煤炭燃烧时会释放很大的热量，主要用于炼钢企业[1]。 焦炭是焦化厂中煤焦的产物，其中75%的煤在焦化过程中转化为焦炭， 其余25%的煤转化为各种化学物质和气体。据统计，可以从焦炉煤气，粗苯和煤焦油中提取数百种焦化过的产品，为各行各业的发展提供了强大助力。 为了实现粗苯回收效果的提升，本文对此展开了研究。

1 粗苯介绍

1.1 粗苯性质

煤焦化过程中产生的粗苯不溶于水， 易燃，易爆且有毒。 粗苯是各种有机化合物的混合物。在工业应用中，粗苯可以由丙酮，苯酚和其他物质制成，也可以加工成橡胶，纤维和其他产品。 而且，粗苯还可以提纯以生产甲苯、二甲苯、纯苯等化工物质[2]。 所以，为了保证生产过程及使用过程的安全性，并且使得焦煤与煤炭资源的产品都能在最大效率下发挥作用，从焦炉煤气里回收出苯便显得尤为重要。 这对于焦炉煤气的安全性与经济效益来说都是具有积极意义的。 粗苯的详细性质如表1 所示。

表1 粗苯详细性质

1.2 粗苯价值

粗苯是一种有价值的化学原料。 炼焦炉气体通常包含25g/m3～40g/m3的粗苯，塔中炼焦炉气体中的粗苯含量通常为2g/m3～4g/m3。 粗苯是众多焦化厂回收的主要目标， 主要包含各类物质， 例如苯，甲苯，二甲苯和三甲基苯。 随着原油价格继续上涨，苯及其衍生物的价格也有所回暖[3]。 所以，绝大多数的焦煤公司对于苯回收的环节都投入了大量的技术与人力， 甚至对于一些公司而言，维持公司主要经营的收入来源成为了粗苯的销售。在回收方法中应用范围最广，使用程度最高的方法主要有两种，分别是洗油吸收法和活性炭吸收法，这两种方法均为物理方法，而洗油吸收法的应用程度要高于活性炭吸收法。 吸油吸收法最初是由德国的某位科学家在19 世纪中期提出的，在一战时首先被德国应用，并在多个国家被广泛采用。 富油是利用蒸汽蒸馏溶解在富油中的苯系物，根据设备的不同，可以获得轻质苯的一种产品或轻质苯和中性苯的两种产品，制重苯和萘溶剂油的三种产品[4]。 富油变成苯后的洗油称为贫油，可将该贫油送入苯吸收过程进行再循环。 活性炭吸附法出现的时间比洗油吸收法的时间晚一些， 是由德国人恩格哈特在20 世纪早期提出的，并随后应用于各大城市的煤气厂中，自1920年后，英国、法国、荷兰等部分国家也都运用该方法。 和前一种方法比起来，该法主要的优势是需要投入的资金与设备少，能耗少，并且回收效率较高。 然而因为活性炭的价格并不低，自1950 年以来很少在工业中使用[5]。 目前，化学公司正在逐步转向深加工渠道，但是许多焦化厂正在越来越多地追求粗苯生产。 粗苯的生产高度依赖于工艺设备的效率。

1.3 粗苯工艺

粗苯回收主要分为两步，分别是苯的最终冷洗和粗苯的蒸馏。 而在这个过程中运用的设备，对于进行过程的效率、使用原材料的消耗及最终的收益情况都有极大的影响，究其根本是粗苯在提取过程中需要极其稳定的环境。 几乎所有的焦化厂里运用的热交换头均为浮头管式热交换器、螺旋板式热交换器或者波纹板式热交换器等[6]。而洗油与粗苯因其化学性质的不稳定，所以非常容易爆炸，并且粗苯也是非常危险的介质，所以必须选择安全且适宜的运输泵，保证运送过程的安全。 通常，对于携带粗苯的泵，均采用密封程度高与安全性能高的泵， 很多时候是使用罐头泵，这可以从根本上预防出现泄漏等的安全事故，并且安装空间小。 在回收工程中，选择适宜且品质优良的设备可以保证生产粗苯的品质与安全。 现如今，在科学技术不断进步的基础上，设备可以达到的效率与节约的能源越来越高，尤其如今粗苯不仅在市场上有较好的发展形势，而且在粗苯行业中也具有更好的经济发展优势，在这种情况下， 提升粗苯回收效果越发引起人们的关注，目前关于粗苯回收的理论研究较多，下一节将对其进行详细介绍。

2 粗苯回收理论研究

现在，运用吸收法来回收苯可划分为压力吸收法、常压吸收法与负压吸收法三种。 在这三种方法中，压力吸收法因其高能耗，更多地被运用于长距离输送方面。 而常压吸收法所取的压力范围，仅比正常大气压多一点，所以运用范围较大[7]。 负压吸收法绝大多数在煤气系统的进化方面发挥主要作用。 所以，综合回收过程中所涉及各项流程的实际操作情况与经济情况等，此次以大气压吸收法为例来进行实验操作。

3 工艺选择

由于需要使用较多的工艺以实现粗苯回收，为此，本章节继续对粗苯回收工艺的选择进行研究，可得到粗苯回收工艺的选择主要包括两个方面： 洗苯工艺的确定、脱苯工艺的确定。

3.1 洗苯工艺的确定

苯清洗工艺即运用我们所选择的大气压吸收法将焦炉煤气里的粗苯分离出来，笔者行文此次主要涉及的清洗方法是清洗油吸收法。 而现实生活里， 焦油也可以成为净化原料的主力之一。这里面以苯为原料来进行清洗操作时具备耗材低、容易上手等优势，但是这便无法避免其不具备高清洁效率的劣势，所以循环洗油和焦油洗油比起来要运用到更多的原材料[8]。 综上，我们最终决定运用焦油洗油方法来完成清洗步骤。

3.2 脱苯工艺的确定

焦化厂里运用的苯塔一般都为气泡塔。 它的形状大多为圆形或条状，材料通常是铸铁或不锈钢。 管式炉里一般运用三层之后的塔板来进行升温处理，其具备更好的耐适性，并且操作相对稳定。 当塔的气液两相负荷显著变化时，仍然可以保持较高效果。 缺点是结构复杂，安装和维护不便且昂贵[9]。 同时，由于托盘效率低，在相同的处理能力下， 主塔需要更大的直径和更大的面积，并且通常配备有混凝土结构框架，这需要大量的工作。 近年来，铸铁气泡塔已逐渐被不锈钢气泡塔所取代。 不锈钢气泡塔泡罩是一种具有高传热效率的不锈钢构件，在相同处理能力下，其直径比铸铁塔小1～2m。 塔筒壁薄，操作重量轻，并且塔筒部分被焊接。 可以用钢平台替换混凝土框架，从而节省工程成本。 尽管不锈钢塔的成本高昂，但在使用寿命和维护周期方面，总体消耗仍然相对较低。

苯清洗操作后， 富油必须经过脱苯操作，然后才能运到原油泵中。 在正常情况下，粗苯通过蒸馏以蒸气形式释放。 但是，在实际生产中，将富油加热到250℃以上才可以达到理想的效果，而在工业上加热到250℃以上是不可能的。 因此，富油通常被蒸汽和管道加热以达到上述目的。 该管式炉加热蒸馏方法表明，粗苯具有较高的回收率和较低的能耗特性。 因此，本文中的脱苯工艺是通过在管道中加热和蒸馏来实现的，以减少粗苯回收过程中的不必要的浪费和损失，提高粗苯回收效果，从而为实现本文研究目的提供必要保障。

而且采用这种方式可稳定脱苯塔的塔压，从而降低蒸气压波动的影响，在蒸气压大幅度波动且时间较长的情况下，苯塔顶部的温度和压力会根据蒸气量而变化，这直接影响粗苯的质量和生产效率。 除了控制粗苯以稳定质量和生产，粗苯在塔中的回流速率外，还可以使用过热蒸气来减少蒸气量的影响和改变。 同时，如果蒸气压过高并且苯塔内的压力升高，则苯蒸气会通过排气管排出，从而避免损失。 粗苯冷却器的进水温度必须控制在19℃以下，以便可以将苯蒸气冷凝到粗苯冷却器中的最高温度。

4 设备的选型设计

在本节中，我们选择并设计用于苯清洗操作的苯清洗塔和用于脱苯操作的导管。

4.1 洗苯塔填料的选择

研究表明，在一定程度上添加填料的比表面积可以在一定范围内扩大洗油和焦煤气二者的接触，进而能够加强该过程的运行效率与最终的输出效率。 所以，我们可以在进行苯回收的过程中，将不锈钢波纹或者是磁性环为填充物运用到清洗步骤中[10]。 而随着工作的不断展开，会有一些残留的物质在仪器内，所以必须安排间隔时间的清洗。 所以，考虑到仪器的清洗与使用，就要选择有更高强度与耐温性的填料。 因为瓷环强度不高，因此使用不锈钢波纹作为包装材料，以减轻工人的劳动强度。

4.2 管式炉的选择

能否高效率取得安全的出苯与管式炉内管道的质量有很大的关系[11]。 为了确保管道的整体性能，应用316L 作为热管和导管的材料，其具有强大的抗点蚀性，能够让导管许多性能变得更加优异，从而扩大服务范围，因此316L 可以使管式炉使用时间得到有效延长， 减少粗苯回收过程中的资源浪费和成本浪费。 此外，316L 可以提升粗苯回收效率， 对粗苯回收而言是一种极佳的材料。

此外，在加热富含油脂的油时，它使用级联加热方法来减少加热过程中的能耗。 首先，在对流段中加热热交换器的富油， 富油进入辐射区后，进一步升高温度以控制富油温度并达到蒸馏效果，同时降低系统能耗。

总之，此次研究主要针对焦油煤气中粗苯的回收问题，以理论为基础，研究了在实际操作过程中所涉及的设备选取以及各个步骤方法的选择等问题，重点论述了苯的清洗过程和脱苯时的工艺。 在探究的过程中，我们也注意到许多操作进行过程中必须要注意的细节问题，这对于今后粗苯的回收工作具有一定的启发意义。 但为了深入提升粗苯回收效果，在接下来的研究过程中还需要进行进一步的分析实验。