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。