高纯氟化氢铵结晶设备的选型

1、高纯氟化氢铵结晶设备的选型氟化氢铵，分子式NH4HF，相对分子质量57.04，为白色或无色透明斜方晶体，相对密度1.52（25 ），熔点125.6 ，沸点239.5 。在空气中易潮解易结块，易溶于水，水溶液呈强酸性，有氟化氢的酸味；微溶于醇。在热水中分解，高温下升华。氟化氢铵主要用作玻璃蚀刻剂、氧化铍制金属铍的溶剂、化学试剂、锅炉给水系统和蒸汽发生系统的清洗剂、发酵工业消毒剂和硅素钢板表面处理剂、制造陶瓷和铝镁合金的氧化剂、有机合成氟化剂、电镀液、提取稀有元素的溶剂、油田沙石的酸化处理剂等，硅素钢板的表面处理剂和铝型材表面处理时的腐蚀剂。气相法氟化氢铵用作医药工业和电子工业的原料。高纯氟化氢铵

2、主要用于电子行业的硅表面清洗剂，近年来国内用量增加较快。为此开展了高纯氟化氢铵制备中试研究。1原理及工艺制备高纯氟化氢铵反应式：HF+NH3 = NHF，HF+NH3 = NHHF2。氟化氢铵在水中的溶解度与温度有密切关系，温度升高，溶解度增大。利用溶解在热水的氟化氢还未达到饱和，冷却时即由于溶解度降低，溶液变成过饱和而析出晶体。利用溶剂对被提纯物质及杂质的溶解度不同，可以使被提纯物质从过饱和溶液中析出。而让杂质全部或大部分仍留在溶液中，从而达到提纯目的。氟化氢铵在水中的溶解度如表11。由表1可知，饱和溶液中氟化氢铵的含量随温度变化较大，故可以通过冷却的方式，使溶液本体降温，得到过饱和液溶液而

3、结晶分离出氟化氢铵固体产品。并通过小试及分析，氟化氢铵不含结晶水。2结晶方案与设备2.1结晶方案氟化氢铵结晶方式主要有池式自然冷却结晶、釜式夹套冷却结晶、空气冷却结晶等。池式自然冷却结晶的优点：不耗公用工程动力，节约水电资源、设备简单；缺点：占地面积大、产品易混入灰尘等物理杂质、热尾气无组织排放、生产环境恶劣、劳动强度大、自动化程度低。空气冷却结晶的优点：自动化程度高、占地少、晶体粒度均匀、生产能力大；缺点是流程长、控制复杂。釜式夹套冷却结晶的优点：操作、调节简单可靠，重结晶操作一般都采用该种釜式夹套冷却结晶方式，产品质量可靠，特别适用于降低结晶产品中的各种金属离子；缺点：设备要求高、消耗较多

4、的公用工程资源如冷冻媒介。在高纯氟化氢铵项目中的氟化氢铵结晶、重结晶提纯工序拟采用夹套冷却结晶进行初步降金属离子，以降低离子交换及渗析工序的负荷，延长离子交换及渗析工序再生周期。2.2设备材质氟化氢铵溶液在结晶工况下pH为3.03.5，最高温度为80 ，又含有氟离子，该种介质一般按低含量氢氟酸介质进行选材，选材时还要综合考滤温度及介质流体运动特性，一般的金属材料如碳钢、不锈钢不耐该介质的腐蚀2。金属类。碳钢材料和不锈钢，在结晶工况下经挂片试验，腐蚀速率最高分别可达10、8 mm/a，因此都不适用；氟化氢铵是铝的良好蚀刻剂，故对任何含量的氟化氢铵溶液都不能使用含铝设备；铅及铅合金可耐腐蚀，设备可

5、用，但会有铅离子进入产品，工艺不允许；铜和青铜对各浓度的氢氟酸有良好的耐蚀性，可耐至沸点，但氟化氢铵结晶过程中有固体产生，且有一定的流速，会对材料表面进行摩擦，所以铜及铜合金也不适用该介质，另铜离子带入工艺上不充许；镍及镍铜合金适用性很好，但价格昴贵，设备制作周期长；哈氏B和哈氏C，镍钼铁和镍钼铁铬合是适用性很好，但价格昴贵，设备订货周期长；钛、锆及其合金，不耐腐蚀；镁极易产生水线腐蚀；金、银、铂适用性很好，但价格过于昴贵。非金属类。聚环氧丙烷（PO）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）都能适用，PTFE最好，但纯塑料制设备，壁厚将很厚，对结晶时冷却传热不利，传热系数太小；

6、石墨可耐腐适用，不透性石墨最好，但不利于制造整体设备。基于以上的材料分析，宜选取适用、经济的材料，因此结晶釜设备拟采用钢衬PTFE，搅拌桨采用钢衬四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物（PFA）。2.3设备结构参数2.3.1外形尺寸中试的氟化氢铵产能按1 000 kg/d计，衬塑釜的总传热系数K为15 W/(m2·)；进釜的料液温度为60 ，放料温度为10 ；进料质量分数52%，相对密度1.15，其饱和温度约为40 ；出料母液质量分数32%，相对密度为1.09。氟化氢铵平均结晶热为365.9 kJ/kg，料液平均比热容为3.85 kJ/(kg·)；冷却介质进口温度为-10 ，出

7、口温度为-8 3。料液质量mL：mL=1 000 kg/d×(1-32%)/(52%-32%)=3 400 kg。初选5 m3的标准搅拌釜，直径1.68 m、直筒高1.8 m，夹套部分的传面积A=12.64 m2。结晶时料液按均匀降温进行估算：料液侧平均温度为(60+10)/2=35 ，冷却介质侧平均温度为(-10-8)/2=-9 。传热的平均温差：t =(35+9)=44 ；结晶需传热量：Q=mLCP*T+msrv。式中，CP*为料液平均比热容，T为料液温度变化差，ms为结晶质量，rv为氟化氢铵结晶热。Q=3 400 kg×3.85 kJ/(kg·)×

8、(60 -10 )+1 000 kg×365.9 kJ/kg=1 020×103 kJ；结晶时间=Q/(tKA)=1 020×10 kJ/(60 -10 ×15 W/(m2·)×12.64 m2)=107 621 s=30 h。考虑到进料和出料时间操作时间，每釜的生产时间需48 h，即每釜每天生产能力为500 kg，按1 000 kg/d的要求，需2台5 m3的釜。综上计算分析，直径1.68 m、直筒高1.8 m，2台5 m3的衬PTFE釜能满足试验要求。2.3.2搅拌结构、转速和电机功率条件：氟化氢铵结晶粒度dp为300 m，晶体真

9、密度s为1 500 kg/m3，温度10 ，料液黏度为2 mPas，料液密度为1 090 kg/m3，要求料液不能沉底4。颗粒沉降判据Ka：Ka=dpg(s-)1/3/2/3=1.24<3.3。式中，g为重力加速度（9.81 m/s2）。沉降速度ut，适用斯克公式计算：因为自由沉降，常数n、b分别取1和24。ut=4×9.81 m/s2×(300 m)2×(1 500 kg/m-1 090 kg/m)/(3×24×2 mPas) =0.010 06 m/s。物料中的设计固体的质量分数约25%，校正系数fw取1.2，设计沉降速度：ud =u

10、tfw =0.012 1 m/s=0.724 m/min。固液悬浮搅拌操作流量型，只有垂直向上的循环流速提供颗悬浮的能量面切向和径向流速不利于悬浮。按文献4取推荐值，选用单层4折叶（45°）涡轮搅拌桨，C/T=1/6，所以可得沉降因素为0.25。悬浮液固体质量分数为：1 000 kg/(1 000+3 400) kg=22.7%。悬浮液体约为4 m3，查图表可得容积因数为1.3。按文献4取推荐值Z/T=0.92，可得Z/T因数为0.87。由此得悬浮因数=0.25×1.3×0.87=0.283，取D/T=0.35，故D=0.588。查图表可知搅拌所需电机功率Hp为0

11、.3 kW。由下述公式，可计算出搅拌转速：Hp=(Np snN3d5)/(1 000)。式中，p为搅拌功率因素，n为搅拌桨层数，N为搅拌转速，d为容器直径，为电机效率（取0.85）。0.3 kW=1.27×1 090 kg/m3×1×N3×(0.588 m)5/(1 000×0.85)，得转速N=1.38 r/s=82.7 r/min。3结论综上计算和分析，结合工程实际，高纯氟化氢铵中试项目结晶设备结构参数如下：用2台5 m3的带夹套的碳钢釜，内衬PTFE，釜内径为1.68 m、直筒长度1.8 m，装料高度为直筒部分的1.4 m；釜底为椭形封关，底阀采用