氟化氢精馏塔塔釜列管式加热器优化研究_黄天梁.pdf

202313科研开发162Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发162Modern Chemical Research当代化工研究氟化氢精馏塔塔釜列管式加热器优化研究黄天梁（福建省龙氟新材料有限公司 福建 364204）摘要：传统的氟化氢精馏塔塔釜加热装置为以水蒸汽作热源的盘管式加热器，存在换热效率低和热源与精馏物温差过大的问题。为提升精馏效率，规避因温差过大带来的设备穿孔风险，设计开发以60水作热源的列管式加热器。在单因素试验的基础上，以换热效率为响应值，通过响应面法对列管式加热器的结构进行优化。结果表明，最优装置结构为：折流板数量8块、热水缓存区宽度240mm、换热管翅化比5.9。经试验验证，新研制的列管式加热器可以满足氟化氢精馏塔的供热需求，换热效率达97%以上。关键词：氟化氢；精馏；列管式加热器；装置优化中图分类号：TQ124.3 文献标识码：BDOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.054Optimization of Tube Heater in Hydrogen Fluoride Distillation ColumnHuang Tianliang(Fujian Longfu New Material Co.,Ltd.,Fujian,364204)Abstract：The traditional heating device for hydrogen fluoride distillation tower kettle is a coil heater using water vapor as the heat source,which has problems of low heat exchange efficiency and excessive temperature difference between the heat source and the distillate.In order to improve distillation efficiency and avoid the risk of equipment perforation caused by excessive temperature difference,a calandria heater using 60 water as a heat source was designed and developed.Based on single factor experiments,the structure of calandria heaters was optimized using response surface method with heat transfer efficiency as the response value.The results show that the optimal device structure is as follows:the number of baffles is 8,the width of the hot water buffer zone is 240 mm,and the fin to fin ratio of the heat exchange tube is 5.9.The experimental verification shows that the newly developed calandria heater can meet the heating demand of the hydrogen fluoride distillation tower,with a heat exchange efficiency of over 97%.Key words：hydrogen fluoride；rectification；calandria heater；device optimization氟化氢，化学式HF，是一种有刺激性气味的有毒气体1，极易溶于水 2，且化学性质非常活泼3。氟化氢是氟化工行业的基础性产品4，广泛应用于玻璃加工、金属加工、电子特种气体、半导体材料等诸多领域5。国内主流的氟化氢制备工艺采用萤石-硫酸法反应制取HF粗气6，以洗涤塔、冷凝器、精馏塔、脱气塔等装置进行纯化7。其纯度主要取决于精馏和脱气环节的效果8。图1 盘管式加热器结构图为提高产品纯度和精馏效率，本研究对现有的氟化氢精馏塔塔釜加热装置进行了研究分析。该装置采用盘管式结构，以100高温的水蒸汽作为热源，存在换热面积小、管程流体与壳程流体温差过大等缺陷9，导致换热效率低（不到90%）、盘管表面出现轻微穿孔现象10，从而影响了产品质量。其结构如图1所示。据此，本研究设计开发了以60温水作热源的列管式加热器，并通过单因素试验和响应面法进行了优化。1.氟化氢精馏塔塔釜列管式加热器的研发该列管式加热器呈圆柱形，内部设有热水缓存区、进水管、出水管，热水进口通过进水管与热水缓存区相通，热水出口通过出水管与热水缓存区相通。该装置不仅换热面积更大，而且以60的热水为新热源，与管程流体温差更小，温度十分稳定，能够提升换热效率和产品质量。其结构如图2所示。图2 列管式加热器结构图2.氟化氢精馏塔塔釜列管式加热器优化试验(1)材料与仪器试验材料：萤石粉，CaF2含量97%；硫酸，H2SO4含量98%；发烟硫酸，SO3含量为20%。202313科研开发163Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发163Modern Chemical Research当代化工研究仪器设备：回转反应转炉；洗涤塔；冷凝器；粗酸槽；精馏塔；脱气塔；气相色谱仪。(2)试验过程本研究以萤石粉、硫酸、发烟硫酸为原料，在内置列管式换热器的精馏塔、脱气塔中进行装置优化试验，以换热效率为指标，探究关键因素对其的影响。单因素试验。固定热水缓存区宽度为200mm、换热管翅化比为0，考察不同折流板数量对换热效率的影响；固定折流板数量为8块、换热管翅化比为0，考察不同热水缓存区宽度对换热效率的影响；固定折流板数量为8块、热水缓存区宽度为240mm，考察不同换热管翅化比对换热效率的影响。响应面试验。根据单因素试验的结果，将加热器换热效率作为响应值，选择折流板数量、热水缓存区宽度和换热管翅化比三个因素作为自变量，使用Design-Expert 8.0.6软件建立响应面模型，设计并进行响应面优化试验。3.结果与分析(1)单因素试验各因素对换热效率的影响如图3所示。图3 各因素对换热器换热效率的影响由图3（a）可知，随着折流板数量的增加，换热效率在8块时达到最大值，随后开始呈下降趋势，这是因为折流板过多会导致壳程流体的阻力和压降 过大，所以选择折流板数量为79块；由图3（b）可知，随着热水缓存区宽度的增加，换热效率在240mm时达到最大值，随后开始呈下降趋势，这是因为热水缓存区宽度过大会导致热水出现分层现象，温度较高的热水因密度轻将快速上浮流入出水口，所以选择热水缓存区宽度为230250mm；由图3（c）可以看出，随着换热管翅化比的增加，换热效率在翅化比为6时达到最大值，随后开始呈下降趋势，这是因为翅化比过高会导致壳程流体的阻力和压降过大，所以选择翅化比为57。(2)响应面优化试验本研究采用Box-Behnken模型建立响应面模型，试验方案和结果如表1所示。表1 响应面试验方案和结果序号A折流板数，x/1B热水缓存区宽度,w/mmC翅化比,r/1换热效率,/%17230688.4429230685.3337250684.6449250690.0557240582.6969240584.8777240782.0089240780.9698230586.25108250586.48118230785.68128250783.72138240696.03148240695.57158240695.34168240696.37178240697.41方差分析：运用Design-Expert 8.0.6软件，对换热效率试验结果进行分析拟合，得到的二次多项式回归方程如下：Y=96.14+0.43A-0.10B-0.99C+2.13AB-0.81AC-0.55BC-5.97A2-3.06B2-7.55C2。回归模型方差分析结果见表2。由表2可知，该模型的P值，小于0.01；而失拟项的P值为0.6287，大于0.05，表明该模型具有较高的拟合程度。相关性系数R2=0.9924、R2Adj=0.9826，均大于0.8，则说明回归方程的拟合性较好。因此，该模型可以较好地反映列管式加热器中各因素与响应值的关系并预测最佳工艺条件。由P值可知，三个因素对加热器换热效率的影响顺序为：CAB，即翅化比折流板数量热水缓存区宽度；一次项C、交互项AB以及所有二次项对加热器换热效率的影响均为极显著（P 0.01），其余均不显著（P0.05）。表2 回归模型方差分析方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型503.35955.93101.650.01*A-x1.4811.482.690.15B-w0.0810.080.150.71C-r7.8617.8614.290.01*202313科研开发164Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发164Modern Chemical Research当代化工研究方差来源平方和自由度均方F值P值显著性AB18.15118.1532.980.01*AC2.5912.594.710.07BC1.211.22.180.18A2149.71149.7272.08 0.01*B239.43139.4371.67 0.01*C2239.711239.71435.66 0.01*残差3.8570.55失拟项1.2530.420.640.6287纯误差2.640.65 0.01总和507.216注：显著性水平取0.05，P0.05为不显著；0.01P0.05为显著；P0.01为非常显著。*代表显著，*代表非常显著响应曲面分析：各因素间交互作用对换热效率影响的等高线图和响应面图如图4、图5所示。观察等高线图可知，AB椭圆的扁率非常大（P0.01），A和B的交互作用对加热器换热效率的影响非常显著；AC椭圆、BC椭圆的扁率较小（P0.05），说明A和C的交互作用、B和C的交互作用并不显著。由响应面的陡峭程度可知，三个因素对换热效率的影响次序为CAB。图4 各因素间交互作用对换热效率影响的等高线图图5 各因素间交互作用对换热效率影响的响应面图最优工艺条件预测及验证：使用Design-Expert8.0.6软件对换热效率最高的工艺条件进行预测，得到折流板数8.04块、热水缓存区240.04mm、翅化比5.93，该工艺条件下的加热器换热效率为97.18%；结合实际情况，选择折流板数量8块、热水缓存区宽度240mm、翅化比5.9，测得加热器换热效率为（97.200.20）%，与模型预测值较为接近，说明该模型可用于列管式换热器的优化。此外，换用该列管式加热器以后，HF的纯度由原来的99.995%提升至现在的99.999%。4.结论本研究针对传统的氟化氢精馏塔塔釜盘管式加热器的缺陷，设计开发了一款列管式加热器，通过单因素试验和响应面优化试验，得到该列管式加热器最佳的结构参数为折流板数量8块、热水缓存区宽度240mm、翅化比5.9。该换热器增加了换热面积，缩小了壳程流体与管程流体的温差，实现了生产安全性的提升，并且将换热效率从不到90%提升至97%以上；HF纯度从99.995%提升至99.999%。【参考文献】1江云波,葛立平.无水氟化氢生产装置余热利用及节能措施J.化工与生产技术,2022,28(5):40-44.2李金安,丁浩.无水氟化氢的制备工艺J.有机氟工,2022,1:48-49.3王建萍.低品位氟资源制备无水氟化氢工艺