無水氟化氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

梁真強(qiáng) 張玉平

(1.河北英科石化工程有限公司江西分公司，江西南昌，330001；2.南昌淦森環(huán)保有限公司，江西南昌，330001)

氟化氫是氟化工行業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料，其生產(chǎn)工藝主要有：螢石-硫酸法和氟硅酸法。目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)大多采用螢石-硫酸法，此方法的生產(chǎn)工藝經(jīng)過60多年發(fā)展，單線產(chǎn)能逐步擴(kuò)大，生產(chǎn)技術(shù)成熟可靠。本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，簡介氟化氫生產(chǎn)裝置的工藝，分析設(shè)備選型、布置及管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 無水氟化氫生產(chǎn)工藝

1.1 螢石-硫酸法工藝簡介

氟化氫生產(chǎn)一般由烘干、反應(yīng)、洗滌凈化、冷凝、精餾、脫氣、尾氣吸收、熱風(fēng)系統(tǒng)等工序組成[1]。工藝簡圖如圖1。

圖1 螢石-硫酸法工藝簡圖

1.2 螢石-硫酸法工藝特點(diǎn)分析

螢石粉原料需達(dá)到硫酸鈣含量90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上，烘干之后水含量不大于0.1%[2]。干粉進(jìn)入車間料倉有多種輸送方式，如氣流輸送、螺旋輸送、刮板輸送等。

硫酸與發(fā)煙硫酸通常在車間設(shè)置計(jì)量罐，同時(shí)采用稱重與流量計(jì)計(jì)量相互驗(yàn)證的方式進(jìn)料，并與螢石粉進(jìn)料量設(shè)置成一定比例。通過輸送螺旋或外混器混合或預(yù)反應(yīng)器預(yù)反應(yīng)后進(jìn)入反應(yīng)爐。

來自燃燒爐的高溫燃?xì)膺M(jìn)入反應(yīng)爐夾套，為反應(yīng)提供熱量。需要控制反應(yīng)爐溫度、壓力等參數(shù)，并設(shè)置聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

反應(yīng)產(chǎn)生的粗氟化氫氣體進(jìn)入洗滌凈化工序，此工序設(shè)備及管道容易產(chǎn)生堵塞，尤其是螢石粉品質(zhì)較差時(shí)。之后氣體經(jīng)冷凝成粗酸(氟化氫液體)進(jìn)入精餾工序。

精餾塔、脫氣塔有常壓和加壓兩種方式，常壓較為穩(wěn)定安全，加壓更加節(jié)約能源[3]。

1.3 幾種氟化氫工藝對(duì)比

目前無水氟化氫的生產(chǎn)還是以螢石-硫酸路線為主，氟硅酸原料路線主要應(yīng)用在磷肥行業(yè)[4,5]。各生產(chǎn)工藝特點(diǎn)分析見表1。

表1 氟化氫工藝對(duì)比

2 螢石法無水氟化氫裝置設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)備選型分析

以常壓精餾為例，單線產(chǎn)能30kt/a，裝置布置兩條生產(chǎn)線。表2列舉主要設(shè)備參數(shù)。根據(jù)氟化氫介質(zhì)物性，原料在回轉(zhuǎn)爐反應(yīng)產(chǎn)出氟化氫氣體后，經(jīng)過后續(xù)工序，其設(shè)備大多采用鋼襯四氟的材質(zhì)。

表2 主要設(shè)備選型

2.2 氟化氫裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

反應(yīng)和熱風(fēng)工序設(shè)備均為成套設(shè)備，其他各工序由管道相連接。根據(jù)工藝及設(shè)備選型情況分析，該裝置應(yīng)設(shè)置四層混凝土框架結(jié)構(gòu)廠房。

(1)由于氟化氫的腐蝕性，該廠房采用敞開式建筑，地面采取防腐蝕處理措施。

(2)回轉(zhuǎn)爐、熱風(fēng)爐設(shè)備較長較大布置在室外。回轉(zhuǎn)爐爐頭封料螺旋傾斜設(shè)計(jì)，對(duì)氟化氫氣體有密封作用。

(3)洗滌塔靠近轉(zhuǎn)爐爐頭出氣口。在洗滌塔后設(shè)置凈化塔，有助于去除粉塵等易堵塞固體雜質(zhì)。

(4)粗酸泠凝器、一二級(jí)泠凝器放置于屋面；粗酸泠凝器可能產(chǎn)生堵塞和氟化氫泄漏情況，采用一用一備。

(5)精餾塔置于一層地面，脫氣塔置于二層，采用自流出料方式。精餾塔再沸器、脫氣塔再沸器采用熱水換熱，該熱水來源于熱風(fēng)系統(tǒng)能量回收利用。

(6)尾氣吸收放置室外以便縮小廠房。

通過分析設(shè)計(jì)出氟化氫設(shè)備裝置布置圖，本文圖2表示屋面層設(shè)備布置情況。

圖2 氟化氫生產(chǎn)裝置屋面設(shè)備布置圖

2.3 氟化氫裝置管道布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)回轉(zhuǎn)爐出氣口管道采用鋼襯四氟材質(zhì)，該管道與洗滌塔連接需要根據(jù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場安裝情況定制該管道，避免管道與設(shè)備無法對(duì)接。

(2)洗滌循環(huán)槽、粗酸槽設(shè)置了稱重模塊，其進(jìn)出口管道應(yīng)采用柔性連接，但使用軟管或膨脹節(jié)有泄漏風(fēng)險(xiǎn)，因此配管時(shí)采用增加彎頭方式。

(3)洗滌塔出口氟化氫氣體管道較大，并且工作壓力微負(fù)壓，管道布置時(shí)應(yīng)盡量減少彎頭。

(4)硫酸屬極度危害介質(zhì)[8]，管道等級(jí)PN25[9]，符合壓力管道GC1級(jí)管道，其材質(zhì)不可選用GB8163中的管材。氟化氫管道等級(jí)PN25，采用鋼襯四氟材質(zhì)。

2.4 氟化氫裝置自控設(shè)計(jì)要點(diǎn)

氟化氫屬于高度危害、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，并且該氟化工藝屬于《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄》。裝置生產(chǎn)氟化氫產(chǎn)品為連續(xù)化生產(chǎn)，工序較多、操作頻繁，應(yīng)根據(jù)國家規(guī)范設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)控制措施以保證裝置安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。

還有以下要點(diǎn)需要注意：螢石粉、硫酸和發(fā)煙硫酸的配比控制，回轉(zhuǎn)爐溫度和壓力DCS控制，采用微負(fù)壓操作并設(shè)置SIS系統(tǒng)，爐尾尾氣出口設(shè)置DCS及SIS系統(tǒng)，超壓時(shí)開啟閥門排放尾氣進(jìn)入事故處理系統(tǒng)，設(shè)置有毒氣體報(bào)警系統(tǒng)[10]。

3 結(jié)語

本文介紹了氟化氫生產(chǎn)裝置的工藝流程、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備布置和管道布置等內(nèi)容，通過分析工藝路線，優(yōu)化設(shè)備和管道布置，使得裝置設(shè)計(jì)緊湊合理，以達(dá)到節(jié)約用地、節(jié)省投資的目的。在設(shè)計(jì)過程中考慮氟化氫介質(zhì)特性，選取合適的設(shè)備、管道材料，并且設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度較高的控制措施，保證裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行。