淺析氟化氫生產(chǎn)設備問題分析與優(yōu)化論文

1、淺析氟化氫生產(chǎn)設備問題分析與優(yōu)化小飛(延長石油集團氟硅化工， 726000 ，中國 )摘要： 無水氟化氫( AHF )是化學工業(yè)及國防工業(yè)的重要原料，主要用于生產(chǎn)氟鹽、制冷劑、氟塑 料等。在我國原子能工業(yè)、電子工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，在國民經(jīng)濟中具有重要地位?，F(xiàn)國外普遍 采用螢石和硫酸作用制得。工業(yè)氫氟酸的理化性質(zhì)決定，氟化氫的水溶液為無色易流動液體，在空氣中發(fā)煙，有強烈的腐蝕 性和毒性，能侵蝕玻璃和碳鋼設備，所以氟化氫生產(chǎn)過程中有大量的碳鋼設備被其腐蝕損壞，產(chǎn)生的 副產(chǎn)品含有大量的氟化氫氣體和硫酸的揮發(fā)氣體，對周圍環(huán)境造成較大影響，給企業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的 經(jīng)濟損失。為了解決以上問題，我們對再沸器

2、(冷凝器)、罐區(qū)液下泵、出渣系統(tǒng)予以改進和優(yōu)化。從穩(wěn)定 生產(chǎn)、經(jīng)濟運行等方面為企業(yè)謀求更大的利潤，全面提升企業(yè)市場競爭力。關(guān)鍵詞 ：腐蝕，環(huán)境污染，再沸器，系統(tǒng)優(yōu)化1 前言無水氟化氫( AHF )是化學工業(yè)及國防工業(yè)的重要原料，主要用于生產(chǎn)氟鹽、制冷劑、氟塑料 等?，F(xiàn)國外普遍采用螢石和硫酸作用制得。主化學反應方程式如下 CaF2(s)+H2SO4(1)=2HF(g)+CaSO4(s),該反應是吸熱反應，當反應溫度為125 C時，H=11.309kcal/mol ;當反應溫度為275 C時， H=10.027kcal/mol。反應體系中同時存在氣、固、液三相，所以又是復雜的多相反應。生產(chǎn)中氟化氫

3、幾乎一直和水伴生，對生產(chǎn)設備有極大的腐蝕性，最快1 臺再沸器只能耐腐蝕僅有48 小時; 液下泵可在幾小時由于腐蝕抱死而燒壞; 系統(tǒng)出渣更是揚塵四起， 對周圍環(huán)境造成極大的破 壞。這些問題氟化氫生產(chǎn)企業(yè)一般都會面臨，有時會給企業(yè)帶來上千萬元的損失。針對以上問題我們 將一一的進行分析和優(yōu)化。作者簡介：小飛 (1983-), 男，工程師，從事設備管理研究工作， ：參考文獻：1 陸祖勛 .論螢石和硫酸的反應及其工藝 J. 輕金屬 ,2006, 4.2 UBEmiMe Mexa maNO9， 1983 3 EdinburghUniversity Hydrogen fluoride Chemical en

4、gineering design presentation2002-05-024 化工基礎(chǔ) / 振坤，淑榮主編 -：化學工業(yè)出版5 吳德榮 .化工工藝設計手冊 .：化學工業(yè)， 2009.6 王金榮 .五金實用手冊 . ：機械工業(yè)， 2011.7 化工儀表及自動化 / 樂建波主編 .-3 版.：化學工業(yè)， 2010.1.8 無機鹽工藝手冊第二版 M. 化工研究院編 .化學工業(yè)， 2006.9 陸祖勛 .干法氟化鋁工藝簡析 J. 輕金屬 ,2007,10.10 機械制圖 / 朝儒，高政一主編 -4 版. ：高等教育，2001.8.2 簡述無水氟化氫生產(chǎn)工藝2.1 工藝流程將螢石粉和硫酸、發(fā)煙硫酸按

5、照一定的配比，在反應器外加熱的條件下，生成粗氟化氫氣體和 固態(tài)硫酸鈣。由于螢石中含有雜質(zhì)二氧化硅、碳酸鈣、金屬氧化物、金屬硫化物和浮選劑油酸等， 同時反應中有四氟化硅、二氧化碳、二氧化硫的生成，粗氟化氫氣體中還夾有螢石粉、硫酸和水， 這些組分之間(除固體組分外)沸點相差較大，利用洗滌、冷凝、凈化、精餾等工序除去雜質(zhì)后， 產(chǎn)出純度較高的無水氟化氫。尾氣經(jīng)水吸收，產(chǎn)出純度較高的氟硅酸后經(jīng)堿洗吸收，達標排放 1 。2.2 反應機理2.2.1 主化學反應方程式CaF2(s)+H2SO4(1)=2HF(g)+CaSO4(s)該反應是吸熱反應， 當反應溫度為125 C時， H=11.309kcal/mol

6、 ;當反應溫度為275 C時，H=10.027kcal/mol 。反應體系中同時存在氣、固、液三相，所以又是復雜的多相反應2 。2.2.2 具體反應步驟CaF 2(s)+2H 2SO4(1)=2HF(g)+Ca(HSO4)2(s)CaF 2(s)+Ca(HSO 4)2(s)=2HF(g)+2CaSO 4(s)由于螢石粉中含有 SiO2、CaCO 3、硫化物等雜質(zhì) ,會產(chǎn)生如下副反應：SiO 2+4HF=SiF 4+2H 2OSiF 4+2HF=H 2SiF 6CaCO 3+H 2SO 4=CaSO 4+H 2O+CO 2CaS+H 2SO 4=H 2S+CaSO 42Fe+6H 2SO 4=F

7、e 2(SO4)3+3SO 2+6H 2OSO2+2H 2S= 2H 2O+3S其他副反應有：H 2SO 4+HF=HSO 3F+H 2O2HSO 3F=2HF+2SO 2+O 2氟磺酸(FSO 3H )是一種腐蝕性很強的酸，在80 C時，HF轉(zhuǎn)化為FS0 3H的量高達7 %，但隨溫度的升高而減少，在100 C時已接近于零。理論生產(chǎn)配比：CaF 2 + H 2S0 4 = 2HF + CaS0 478.0898.0740.22136.14配比 CaF 2/H 2S04=78.08/98.07=1:1.26(當有腐蝕介質(zhì)存在時：濃硫酸 2Fe+6H 2S04=Fe2(S04) 3+3S0 2+6

8、H 20 稀硫酸 Fe+H 2S04=FeSO 4+H2 0在日常生產(chǎn)中考慮到螢石原料雜質(zhì)及產(chǎn)地的影響，操作和設備情況，瞬間的損失等因素，操作 配比可根據(jù)爐渣分析情況及時進行調(diào)節(jié)，一般螢石稍過量。2.3 影響反應的因素2.3.1 螢石和硫酸配料比螢石和硫酸的相互作用遵循當量定律為CaF2 : H2SO4 0.8 (重量比)。螢石和硫酸的合理配料很重要，硫酸配量過少會造成爐物料稠度高、螢石單耗高、螢石浪費；硫酸配料過多會造成爐物料過稀、粘壁、HF反應氣體中硫酸濃度及氟磺酸濃度增加，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時浪費硫酸。重要的是，硫酸配料過多會加劇反應爐( R-101A/B )壁的腐蝕，影響反應爐( R

9、-101A/B )的使 用壽命 3 。2.3.2 發(fā)煙硫酸及 98% 硫酸的配料比發(fā)煙硫酸及 98% 硫酸的配料比偏高會導致系統(tǒng)中 SO3 過高，從而造成產(chǎn)品中 SO2 含量超標， 導致精餾塔 (T-102A/B) 中重組分含量偏高，增加了產(chǎn)品精制的難度；發(fā)煙硫酸及98% 硫酸的配料比偏低會導致系統(tǒng)中水分偏高，不但對設備、管道造成腐蝕，而且會造成精餾塔(T-102A/B) 中重組分含量偏高，增加了產(chǎn)品精制的難度。2.3.3 螢石中雜質(zhì)從 2.1 中可以看出，螢石中的各種雜質(zhì)不僅消耗原料硫酸和產(chǎn)品氟化氫，而且產(chǎn)生的水會加劇 介質(zhì)對設備和管道材料的腐蝕，反應產(chǎn)生的 H2O 、 SO2 等雜質(zhì)氣體使

10、得產(chǎn)品精制復雜化。因此要 嚴格控制螢石中 SiO2 、 CaCO3 、 H2O 、硫化物等雜質(zhì)的含量。2.3.4 螢石的粒度相同重量的螢石總表面積與螢石粉的粒度有關(guān)，顆粒越小，表面積越大，反應速率即隨之提高。 但螢石粉過細，部分螢石反應過于劇烈，使反應氣體夾帶粉塵至后續(xù)系統(tǒng)，會造成導氣管、洗滌塔、 粗 HF 冷凝器、精餾塔 (T-102A/B) 、脫氣塔 (T-103A/B) 、硫酸吸收塔等及其相關(guān)附屬物料管道的 堵塞，從而影響正常生產(chǎn)，同時影響原料消耗。螢石粉過細還會造成酸粉混合難度大，導致反應不 充分、螢石單耗增加。2.3.5 反應溫度溫度對反應速率的影響很顯著，螢石和硫酸的反應是吸熱反應

11、，提高反應溫度可以加快反應速 率。但在實際生產(chǎn)中，物料溫度過高會加快硫酸的蒸發(fā)和分解，造成原料浪費、產(chǎn)品質(zhì)量下降，造 成后續(xù)洗滌及精制系統(tǒng)的負擔加重。因此實際生產(chǎn)時需要控制合適的反應溫度。2.3.6 物料停留時間螢石和硫酸的反應是一個多相反應，在固相螢石表面反應后產(chǎn)生石膏層，后續(xù)反應需要擴散穿 過石膏層再與氟化鈣接觸。這個過程除了其它各種條件滿足外還需要足夠的停留時間使得硫酸與螢 石充分反應，因此物料在回轉(zhuǎn)反應爐( R-101A/B )的停留時間越長，反應就越充分，原料的利用 率就越高。物料的停留時間取決于回轉(zhuǎn)反應爐( R-101A/B )的尺寸、傾斜度、轉(zhuǎn)速等，其中轉(zhuǎn)速 過慢會導致回轉(zhuǎn)反應爐

12、( R-101A/B )積料，造成回轉(zhuǎn)反應爐( R-101A/B )電流超標、導氣管堵 塞、出渣口堵塞、出渣螺旋憋停等一系列問題，從而造成安全事故。實際生產(chǎn)時根據(jù)反應爐( R-101A/B )的電流、投料量、反應溫度等因素控制回轉(zhuǎn)反應爐( R-101A/B )轉(zhuǎn)速 4。將氣相無水氟化氫和干燥后的氫氧化鋁按照一定的比例投入到氟化鋁反應器(R-201 )進行反應，生成氟化鋁產(chǎn)品，并對產(chǎn)品進行冷卻包裝，尾氣經(jīng)洗滌達標后高空排放，洗滌液為含氟廢水， 送往冰晶石裝置制作冰晶石。反應所用無水氟化氫主要由無水氟化氫裝置大罐區(qū)提供液相成品，在氟化鋁裝置加熱氣化。3石膏出渣除塵系統(tǒng)優(yōu)化3.1 系統(tǒng)存在的問題一般

13、氟化氫新建企業(yè)，由于在設計、建設期間對副產(chǎn)石膏出渣沒有引起只夠的重視，從而導致 大部分企業(yè)在下料裝車時會產(chǎn)生大量的石膏渣揚塵，其含有大量的氟化氫和二氧化硫等有害物質(zhì)， 對廠區(qū)周圍環(huán)境和人員，造成嚴重污染和傷害。一般裝車是將石膏渣卸料至庫房，然后使用裝載機裝車外運，該種方法存在效率低、成本高， 同時也不便裝車，還會對車輛的車窗玻璃造成腐蝕，嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)和廠區(qū)環(huán)境。直接把車倒進 去裝車，存在只能裝滿車廂后部，同時有害氣體腐蝕車體和車窗玻璃等問題。圖3-1改造前出渣系統(tǒng)3.2 解決方案更換下料螺旋，將下料螺旋總長度設計為7360mm ，要求盡可能一次裝車，無需二次裝載機轉(zhuǎn)運；同時增加除塵系統(tǒng)，減

14、少粉塵對周圍環(huán)境和人體造成污染和傷害。該裝置的優(yōu)化改造需要增 加如下設備。3.2.1 增加螺旋一套螺旋兩下料口之間尺寸 6475mm ，輸送量60噸/小時，安裝方式為水平安裝（0 °），選材 密封墊及相關(guān)材料的選取要耐氟化氫和硫酸氣體腐蝕，要求殼體選用16錳14mm 厚的鋼板，螺旋為U型螺旋，軸承座外置，螺旋電機采用公司現(xiàn)有22kw電機及減速機。3.2.2 增加布袋式單機除塵器一套除塵袋要耐氟化氫和硫酸氣體腐蝕。運輸車車廂寬度2550mm ，車體高度3350mm ，除塵罩外形制成2500*2800mm，布袋式單機除塵器（含脈沖控制柜）。除塵器室數(shù)4個；處理風量：26800m 3/h

15、;過濾面積：372 m2；設備阻力：1770Pa ;入口粉塵濃度：1300g/m 3出口粉塵濃度：50mg/ m 3;壓縮空氣耗量1.2 m 3標/min 壓力（5-7 ） *10 5Pa;濾袋個數(shù)：（每室 96袋）4*96=384。介質(zhì)溫度：120 C。圖 3-2 改造后出渣系統(tǒng)1. 渣氣排放風機 2. 布袋式單機除塵器 3. 氣相管 4. 下料螺旋 5. 除塵罩3.2.3 概算投資氣箱脈沖除塵器 HLPM4C-370 ，包括設備本體，電控箱、螺旋輸送機，風管、吸風罩、密封 掛簾等，需要概算投資 35 萬元。3.3 工藝流程反應爐出渣螺旋產(chǎn)出的石膏，經(jīng)石膏螺旋輸送機送入石膏螺旋輸送機。消石灰

16、由電動葫蘆提升 至加料平臺，拆袋后加入消石灰儲斗，并將手動插板閥調(diào)整至適合流量，由消石灰給料螺旋均勻穩(wěn) 定的加入石膏螺旋輸送機。石膏螺旋輸送機將用消石灰中和后的石膏渣送入石膏斗式提升機，然后 送入石膏倉頂螺旋輸送機，進入石膏儲倉，最后經(jīng)石膏卸料螺旋，直接卸入渣車上運走銷售，卸料 裝車時產(chǎn)生的粉塵經(jīng)除塵引風機引入脈沖除塵器除塵后排空。4無水氟化氫液體輸送設備改造4.1 一般企業(yè)采取的輸送方式儲槽的無水氟化氫液體檢驗合格后，經(jīng)液下泵送至無水氟化氫儲罐，然后經(jīng)儲槽液下泵分別送至銷售的槽車、高位槽及下一道工序。 一般企業(yè)設計兩條生產(chǎn)線需 4個檢驗槽和9個儲罐，共需26 臺液下泵，初步概算需 200多萬

17、元，使用液下泵輸送一般會存在以下風險：無水氟化氫腐蝕液下泵體卡死，從而導致電機頻繁燒壞。當儲槽無水氟化氫液體充滿時，如果液下泵突然損壞，將無法對已壞的液下泵進行檢修或者更換，存在較大安全隱患。|擔匚圖4-1 液下泵4.2 解決方案為了將該問題徹底解決，經(jīng)過研究分析，可以將原來儲罐上的26臺液下泵全部拆除，改用氣壓輸送方式代替液下泵進行輸送。該方案需要增加直徑為640mm 的法蘭（盲板）26個，來盲死拆除掉的26個液下泵的安裝孔，同時需要增加壓縮空氣管道以及相應的法蘭若干。方案投資較小， 操作可行性強，同時還方便檢修，初步概算投資在13萬元左右。圖4-2改造前后對比4.3 無水氟化氫儲存及罐裝無

18、水氟化氫裝置生產(chǎn)出的AHF通過空壓壓料至 AHF儲槽(V-301A-R )進行儲存。AHF儲槽(V-301A-R )物料按需使用空壓壓料輸送至灌裝區(qū)外銷或自用、送至氟化鋁裝置生產(chǎn)氟化鹽、送 至AHF高位槽(V-310)配置有水氫氟酸。5再沸器改造優(yōu)化5.1無水氟化氫再沸器主要存在問題再沸器是氟化氫生產(chǎn)中主要設備之一，其管程通入的是55 C液體氟化氫，殼程是 400KPa壓力的高溫蒸汽，由于管殼程外溫差較大，加之氟化氫含水腐蝕能力極強，非常容易被腐蝕，進而導致氟化氫泄漏，一般使用壽命較短，初步統(tǒng)計最短使用壽命僅有48小時，最長的使用壽命也只有4個月左右。圖5-1 AHF再沸器1臺再沸器價格約4萬

19、元左右，1年需要6-10臺再沸器，更換1臺再沸器需要3天時間，給 企業(yè)帶來較大影響。圖5-2被腐蝕壞的AHF再沸器5.2 無水氟化氫再沸器腐蝕原因分析為了徹底解決該問題，通過研究和分析，造成該問題的原因有以下幾點，一般在設計時不要求 對其進行整體熱處理；同時在再沸器整體的設計和工藝操作上存在嚴重的缺陷。一般工藝上要求再 沸器氟化氫液位控制在上封頭部位即可，但是由于上封頭部位是氣、液分離區(qū)9，設備受熱不均及容易產(chǎn)生腐蝕，同時通過試驗也驗證了該結(jié)論，再沸器損壞腐蝕區(qū)大部分發(fā)生在上管板處?？偨Y(jié)再沸器原設計和操作缺陷，液位控制不嚴一般在上管板處，同時由于封頭過短液位也不好 控制，容易在上管板處形成氣、液分離區(qū)，該部位處