无水氟化氢生产回转反应炉导气管管路设计

 无水氟化氢生产回转反应炉导气管管路设计

王林  

陕西延长石油集团氟硅化工有限公司  陕西商洛 726000

摘要：在萤石——硫酸法生产无水氟化氢，回转反应炉生成的粗氟化氢气体具有高温、高毒、强酸、强腐蚀，并夹带一定量的粉尘的特性。这些特性给输送管道的选材、布置等提出了很高的设计要求，如果设计安装不当会导致堵塞、泄漏等情况发生，不但影响生产的长期稳定运行，而且容易发生人员伤亡事故和环境污染事故。

关键词：无水氟化氢；回转反应炉；堵塞；内衬

1  前言

氟化氢（HF）是现代氟化工的基础，现已广泛应用于原子能、化工、石油等行业，是强氧化剂，还是制取元素氟、含氟新材料、无机氟化物及各种氟致冷剂等有机氟化物的最基本原料，可配制成各种用途的有水氢氟酸等，在国民经济中占有十分重要的地位[1]。

2  工艺流程简述

萤石——硫酸法无水氟化氢，是以萤石粉、98浓硫酸及发烟硫酸为原料，在外加热式回转反应炉中反应生成的粗氟化氢气体，经洗涤、干燥、净化、冷凝、精馏、脱气等操作单元得到无水氟化氢产品，副产品为氟硅酸和石膏[2]。反应所需的热量由通入回转反应炉夹套内的烟道气供给，主化学反应方程式如下：

CaF 2 (固)+H2SO4 (液)→CaSO4 (固)+2HF(气)↑

主要副化学反应：

CaCO3+H2SO4=CaSO4+H2O+CO2

SiO2+4HF=SiF4+2H2O

SiF4+2HF=H2SiF6

该主反应是吸热反应，标准反应热ΔH 298 =-5.371 kJ/mol。反应生成的气体，其主要成分是HF，还有少量SiF4、CO2、SO2、及粉尘等。反应生成的粗氟化氢气体进入洗涤塔经干燥、净化、冷却后，经氟化氢冷凝器冷凝，后进入粗氟化氢储槽经泵送入精馏塔，精馏塔底物料和重组分水、硫酸等定期经泵送入洗涤酸循环系统，塔顶采出氟化氢经冷凝后进入脱气塔，从脱气塔顶排出的气体循环经氟化氢冷凝器冷凝后，未冷凝气体进入硫酸吸收塔吸收后进入尾气系统。从脱气塔底部得到无水氟化氢成品。

3  导气管设计要求

3.1 导气管材质要求

反应炉生成的粗氟化氢气体温度高且具有极强的腐蚀性[3]，因此要选用耐高温、耐腐蚀，又满足强度要求的钢内衬聚四氟乙烯和钢骨架内衬聚四氟乙烯管道输送。由于管道性能的限制，内衬聚四氟乙烯管道及附件只能预制，不能现场加工及制造，要求配管设计必须准确无误，避免造成安装施工困难和材料的浪费。

3.2导气管功能要求

本装置选用的反应炉为一进四出外加热式回转反应炉，产物无水氟化氢出气口直径为DN600。洗涤塔规格为 Φ1300×12000，进气口直径为DN500。根据工艺流程，连接反应炉出口管道直径为DN600，连接洗涤塔进口管道为DN500，导气管要做DN600 到DN500 的变径，此设计在喷淋弯管上做变径一头做DN600法兰一头做DN500法兰。为保证反应正常操作，避免环境事故的发生，导气管需引出一条应急管线，其公称直径为DN200，此管线上需安装阀门，接入应急尾气吸收系统。竖导气管与斜导气管连接处需安装管式喷淋分布器，喷淋洗涤导气管酸泥，防止粉尘进入后系统，堵塞系统。导气管上还需设置三个仪表测量点，用于工作温度和工作压力的监测[4]，其接口直径均为DN50。工艺流程简图如图 1所示。

3.3导气管工艺要求

在无水氟化氢生产中，生成的粗氟化氢气体具有高温、高毒、强腐蚀的特性，并且夹带大量的粉尘的特点，此导气管设计方案在反应炉出口竖导气管与斜导气管连接弯管顶部加装混酸喷淋装置，冲洗竖导气管内粉尘后直接进入反应炉参与反应，部分喷淋酸还可以进入斜导气管起到冲洗斜导气管的作用（喷淋管详图如图2），一方面可以有效降低进入洗涤塔的粉尘量，另一方面可以有效把导气管中的粉尘酸泥带入反应炉参与反应[5]。

3.4导气管安装要求

为便于管道安装及物料输送，将回转反应炉出气口与洗涤塔进气口布置在同一平面内。再根据设备布置图以及设备装配图，计算出回转反应炉出气口、竖导气管与斜导气管连接法兰平面和洗涤塔进气口三个节点的横纵间距，由于管路中夹带大量的粉尘，为避免导气管和后系统的堵塞，此段管路以竖导气管与斜导气管连接弯头顶部向竖导气管平移30厘米竖直向下加装管式喷淋分布器的布置方式为宜。根据反应炉出口竖导气管与斜导气管两条直线的横纵间距计算出坡角约为25°。由于输送介质具有高温的特性，还必须充分考虑管道的柔性设计。此外，由于管路整体处于主框架内，阀门、仪表等附件应贴近反应炉出气口布置，依靠反应炉进料端操作平台和萤石粉进料螺旋平台进行操作、记录和检修。

4设计方案

综合上述设计要求，考虑如下导气管配管设计方案，如图3 所示。用DN600×500钢骨架内衬PTFE实现回转反应炉出口竖导气管与斜导气管变径。DN500斜径与洗涤塔进口连接，竖导气管异径三通的自由端用五个接管均为DN50的三个仪表口以及一个DN200的应急泄放口、仪表的位置靠近操作平台，便于操作、记录和检修，应急泄放管道接口安装自动控制阀门，斜导气管设置波纹管补偿器，为管路提供伸缩补偿。带喷淋接管的弯管用来接DN50的混酸喷淋管道，混酸由于位差自流进入喷淋分布器，洗涤塔和洗涤循环槽位于主框架内，混酸喷淋管道靠近竖导气管布置。为最大程度的减少粉尘进入洗涤塔及后续装置，造成设备的腐蚀损坏、生产不稳定运行及安全环保事故的发生，还可以在回转反应炉出气竖导气管处增设震动除尘装置，使气体夹带的粉尘沉降后由喷淋酸冲洗进入反应炉中。

5小结

本装置原导气管设计为导气管斜向上进入洗涤塔，无喷淋装置，导气管容易被酸泥堵塞。通过此导气管设计方案整改后，从装置运行情况来看，基本上解决了导气管堵塞的问题，效果显著。此设计方案不足之处是使得竖导气管加高，导气管总长度加长，影响系统负压，但总体来说此种方案利大于弊，适合本装置生产运行。

参考文献：

[1]王树华.氟化工安全技术和环境保护[M].化学工业出版社,2005.

[2] 胡伟.氟化工生产技术（上中下三册）[M].科学出版社,2010.

[3] 王军辉.氢氟酸反应炉的腐蚀分析与防护对策[J].甘肃冶金,2010,32(3):121-123.

[4] 尹洪君.无水氢氟酸回转反应炉出气管路设计[J].山东工业技术,2015（3）:8-9

作者简介：王林（1987-）男，助理工程师，从事氟化工生产技术管理工作，Email:459033958@qq.com。