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氟化氫又稱氫氟酸,是氟化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ),我國(guó)是全球氟化氫的最大生產(chǎn)國(guó)。
目前世界各國(guó)基本都是采用螢石與硫酸反應(yīng)制取氟化氫,原因是螢石與硫酸原料易得、供應(yīng)量大且穩(wěn)定、大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)成熟可靠。
氟化氫生產(chǎn)技術(shù)路線分為常壓流程和加壓流程,區(qū)別是精餾塔、脫氣塔采用常壓操作和帶壓操作。由于氟化氫在常壓下沸點(diǎn)為19.5℃,因此常壓流程的精餾塔、脫氣塔塔頂冷凝器均需采用冷凍水進(jìn)行冷凝,而冷凍水需消耗大量的電能,所以兩塔冷凝器在氟化氫裝置的能耗中占很大比例;加壓流程通過(guò)提高兩塔操作壓力,使氟化氫沸點(diǎn)升至50℃以上,故塔頂冷凝器可使用循環(huán)水對(duì)氟化氫進(jìn)行冷凝,由于循環(huán)水能耗低,節(jié)能效果顯著。
國(guó)內(nèi)氟化氫企業(yè)通常采用常壓流程,其原因是氟化氫屬于高度危害性物質(zhì),且腐蝕性較強(qiáng),而常壓流程的技術(shù)難度相對(duì)較低,生產(chǎn)中操作比較容易。
常壓流程與加壓流程只在于精餾塔與脫氣塔操作壓力不同,所以只對(duì)這兩塔系統(tǒng)進(jìn)行比較分析。由于脫氣塔和精餾塔的情況相同,比較精餾塔的能耗情況就可以知道總的能耗比例,下面以15 kt/a無(wú)水氟化氫裝置為例,通過(guò)計(jì)算比較常壓流程和加壓流程的能耗。
由于氟化氫在常壓下沸點(diǎn)為19.5℃,所以采用70℃~80℃的熱水即可。通過(guò)再沸器管程的氟化氫質(zhì)量流量為3313kg/h,通過(guò)殼程的熱水流量為29.17t/h,再沸器的換熱面積為26.94m2,傳遞的熱量為34594W,傳熱系數(shù)630.14W/(m2·K)。
加壓流程中精餾塔的操作壓力為0.25MPa,氫氟酸的沸點(diǎn)為61.6℃,故選用0.3 MPa的飽和蒸汽作為熱媒體,通過(guò)再沸器管程的氟化氫質(zhì)量流量同樣為3313kg/h,通過(guò)殼程的蒸汽流量為13383kg/h,再沸器的換熱面積為14.8m2,傳遞的熱量為792508W,傳熱系數(shù)1073.73W/(m2·K)。
進(jìn)入冷凝器的氫氟酸溫度為19.18℃,沸點(diǎn)是17.99℃。冷媒體選用乙二醇溶液,溫度為-10~-5℃,通過(guò)冷凝器管程的氟化氫質(zhì)量流量為3262.5kg/h,通過(guò)殼程的冷媒流量為149.66t/h,傳遞的熱量為787703W,傳熱系數(shù)574.23W/(m2·K)。
進(jìn)入冷凝器的氫氟酸溫度為58.35℃,沸點(diǎn)是57.46℃。冷媒體選用循環(huán)水即可,溫度為33~38℃。通過(guò)冷凝器管程的氟化氫質(zhì)量流量為3262.5 kg/h,通過(guò)殼程的冷媒流量為129.79 t/h,傳遞的熱量為755259W,傳熱系數(shù)844.91W/(m2·K)。
常壓操作流程精餾塔的能耗見(jiàn)表1。
表1 常壓操作流程精餾塔能耗
加壓操作流程精餾塔能耗見(jiàn)表2。
表2 加壓操作流程精餾塔能耗
通過(guò)表1和表2比較可知,加壓操作流程能耗較低。
常壓流程與加壓流程均采用碳鋼,且費(fèi)用差不多,但從腐蝕角度看常壓流程的冷凝器使用年限長(zhǎng)一些。
常壓流程與加壓流程的塔身均采用碳鋼,填料均采用PTFE材質(zhì),塔釜均部分內(nèi)襯PTFE,但加壓流程塔徑小一些,因此加壓流程投資略小。
常壓流程比加壓流程精餾塔再沸器換熱面積大,如果管程材質(zhì)均采用825合金,常壓流程投資比加壓流程大。
相同規(guī)模下,加壓流程比常壓流程能耗低,設(shè)備投資費(fèi)用小,所以在無(wú)水氟化氫生產(chǎn)中采用加壓流程工藝是可行的。