含氟硅渣制备硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置优化研究

含氟硅渣制备硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置优化研究

丘建强

上杭汉晶新材料科技有限公司，福建省龙岩市上杭县，364200

【摘要】 采用含氟硅渣[1]制备硅钛白粉过程产生的工艺尾气中含有一定量的气态HF和SiF4，可以通过水洗吸收的方式将二者转化成具有经济价值的H2SiF6，但传统的水洗装置吸收效率不高。为此，本研究设计开发了一种硅钛白粉生产工艺尾气循环洗涤装置，有效提高了HF和SiF4的吸收率。此外，本研究结合能耗、水耗等因素计算综合经济指数，以此为因变量，通过单因素试验探究了四个关键因素对因变量的影响。并根据单因素试验结果选择循环水流量、喷淋头喷嘴数和吸收塔液位三个自变量，以综合经济指数为响应值，运用响应面法优化了硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置的参数。结果表明，最优的工艺条件是：循环水流量9.1 m3·h-1 、喷淋头喷嘴数12 个、吸收塔液位 707 mm和扇叶频率35 Hz。在该工艺条件下，HF和SiF4吸收率超过98%，且电耗和水耗适中，综合经济指数达15.46元，较传统水洗装置提高7.5元以上。

关键词：硅钛白粉、氟化氢　氟硅酸 水洗 装置优化

前 言

氟化氢，别称无水氟化氢，沸点19.51 ℃，是一种有剧毒的无色发烟液体，水溶性极强，溶于水时形成氢氟酸且过程剧烈放热[2]。其化学性质极其活泼，可以绝大多数物质发生反应，对金属、玻璃、混凝土等具有强烈腐蚀性[3]。

因此，氟化氢在现代工业中应用极其广泛，尤其是在氟化工方向[4]，可用于制备氟化钠、氟化钾、氟化锂、氟化铵、氟化氢铵等多种下游产品，是原子能、金属刻蚀、玻璃加工、含氟试剂、电子特种气体、新能源、新材料等诸多领域的重要原材料[5]。

当前，主流的氢氟酸制备工艺为萤石-硫酸法[6]，该法以萤石和硫酸为原材料，以燃煤锅炉为热源，以回转反应炉为反应器，在高温条件下制备HF气体，再通过吸附、精馏、脱气等工序除杂提纯，得到纯度较高的液态HF。该法工艺简单，收率较高可达90%以上，但是需消耗大量的萤石矿资源，众所周知，萤石资源是仅次于稀土的国家第二战略资源。为突破资源的限制，现在有采用副产品氟硅酸制备氟化氢，但该过程中也会产生大量的氟硅渣，氟硅渣若不利用，将产生大量的资源浪费，同时也污染环境，对此，本研究采用含氟硅渣制备硅钛白粉，显然，此工艺尾气[7]中将产生不少气态HF和SiF4，这部分HF和SiF4可以通过水洗的方式转化为H2SiF6溶液，具有一定的回收价值，但传统的水洗装置效果不佳，仍有许多HF、SiF4气体未被吸收。

为提高HF和SiF4的回收率，本研究设计开发了一种硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置，结合能耗、水耗、氟硅酸处理费用等因素计算综合经济指数，以此为因变量，通过单因素探究了循环水流量、喷淋头喷嘴数、吸收塔液位和扇叶频率四个因素对其的影响，并在此基础上使用响应面法对该装置的工艺条件进行了优化。

1 硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置的结构设计与工作原理

1.1 结构设计

硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置的结构如图1所示，该装置由尾气吸收塔和水洗循环系统组成。

尾气吸收塔的侧壁上下两端分别设置有净气出口和污气进口，净气出气口与外部排气装置连接，用于排出净化达标后的尾气，污气进气口与工厂设备出气端连接，用于向尾气吸收塔内导入待净化的工艺尾气。

水洗循环系统包括用于装盛水洗用水的蓄水器，蓄水器内设置有循环水泵，循环水泵的输出端通过输出水管连接至喷淋头，喷淋头下端设有若干个间距相等的喷嘴。

1.2 工作原理

实际工作时，开启循环水泵将蓄水器的中的循环水通过输出水管抽吸至喷淋头，并通过喷淋头向尾气吸收塔内腔喷洒，形成自上而下喷淋的水雾，用于与工艺尾气接触反应，尾气含有SiF4及HF气体，无水氟化氢过程逸出的SiF4气体与HF气体用水吸收，进一步反应生成H2SiF6，化学反应方程：SiF4 + 2HF ＝ H2SiF6，得到H2SiF6溶液。

2 硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置优化试验

2.1 材料与仪器

试验材料：硅钛白粉工艺尾气，HF和SiF4含量约为2.1%；工业用水，ph值7.1。

主要仪器设备：硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置、氟硅酸富集器、碱洗塔等。

综合经济指数计算：综合经济指数E为生产一吨HF所产尾气经水洗回收氟硅酸能获得的经济价值，E = (a - b)·x1 - c·x2 - d·x3。式中，a为氟硅酸价格，元；b为氟硅酸处理费用，元；x1为回收的氟硅酸质量，吨； c为电价，元/度；x2为耗电量，度；d为水价，元/吨；x3为耗水量，吨。

2.2 试验过程

　　以硅钛白粉工艺尾气为原料，使用硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置进行试验。记录不同试验条件下的氟硅酸回收量、耗电量和耗水量[8]，计算综合经济指数，以综合经济指数为因变量，通过单因素试验考察循环水流量、喷淋头喷嘴数、吸收塔液位和扇叶频率对综合经济指数的影响。并在单因素试验的基础上，选择三个合适的自变量，以综合经济指数为响应值，进行响应面优化试验。

2.2.1 单因素试验

固定喷淋头喷嘴数为10个、吸收塔液位为700 mm和扇叶频率为30 Hz，考察循环水流量分别为6、7、8、9和10 m3·h-1 时对综合经济指标的影响；固定循环水流量为9 m3·h-1、吸收塔液位为700 mm和扇叶频率为30 Hz，考察喷淋头喷嘴数分别为6、8、10、12和14 个时对综合经济指标的影响；固定循环水流量为9 m3·h-1、喷淋头喷嘴数为12 个和扇叶频率为30 Hz，考察吸收塔液位分别为600 、650、700、750和800 mm时对综合经济指标的影响；固定循环水流量为9 m3·h-1、喷淋头喷嘴数为12 个和吸收塔液位为700 mm，考察扇叶频率分别为20 、25、30、35和40 Hz时对综合经济指标的影响。

2.2.2 响应面试验

根据单因素试验的结果，将综合经济指数的作为响应值，以循环水流量、喷淋头喷嘴数和吸收塔液位三个因素为自变量[9]，使用Design-Expert 8.0.6软件设计响应面试验方案，并依照试验方案进行试验。试验的因素及水平如表1所示。

表1 响应面试验的因素及水平

3 结果与分析

3.1 单因素试验

各个因素对综合经济指数率的影响如图2所示。由图2（a）可知，随着循环水流量的增加，综合经济指数先迅速增加，在9 m3·h-1时达到最大值，之后开始缓慢减小，这是因为增大循环水流量可以使HF和SiF4吸收率增大，但循环水流量过高会显著增加耗水量和耗电量，所以选择循环水流量为8~10 m3·h-1；由图2（b）可知，随着喷淋头喷嘴数的增加，综合经济指数先不断增加，在12个时达到最大值，之后呈下降趋势，这是因为增加喷淋头喷嘴数可使喷淋头向尾气吸收塔内腔喷洒的液滴增多，但喷嘴数过多会导致循环水系统内压降过大，导致液滴动能降低和能耗增加，所以选择喷淋头喷嘴数为10~14个；由图2（c）可知，随着吸收塔液位的增加，综合经济指数先迅速增大，在700 mm时达到最大值，随后呈下降趋势，这是因为吸收塔液位越高塔内压力越大气液反应越充分，但吸收塔液位过高会导致气体因流速过大而不能与液体充分接触，进而影响HF和SiF4的吸收量，所以选择合适的吸收塔液位为650~750 nm；由图2（d）可知，随着扇叶频率的增大，综合经济指数先不选增大，在35 Hz时达到最大值，随后开始下降，这是因为增大扇叶频率可使喷淋头喷洒的液滴变得更小，与空气接触更充分，但扇叶频率过高会使耗电量增大且使液滴动能损耗增加，所以选择合适的扇叶频率为30~40 Hz。

3.2 响应面优化试验

以循环水流量、喷淋头喷嘴数和吸收塔液位三个因素为自变量，采用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken模型设计并进行响应面优化试验，试验方案及结果如表2所示。

表2 响应面试验方案及结果

建立模型与显著性分析： Design-Expert 8.0.6分析拟合可得到的二次多项式回归方程如下:Y = 15.42 + 0.43A + 0.19B + 0.28C - 0.17AB + 0.085AC - 0.000BC - 1.01A2 - 0.57B2 - 0.47C2。回归模型的方差分析见表3。

表3回归模型方差分析

观察表3可知，该模型的P值＜0.001，非常显著；而失拟项的p值>0.05，不显著，表明模型与实际非常相近。决定系数R2 为0.9987、R2Adj为0.9970，表明预测值与实际值具有较高的相关度。所以，该模型能够充分地反应三个因素对综合经济指数的影响，能应用于循环水洗装置的优化。由表3中的各项P值可知，三个因素对综合经济指标的影响顺序为: A>C>B，即循环水流量>吸收塔液位>喷淋头喷嘴数；所有的一次项、二次项和交互项AB、AC对综合经济指数均有非常显著的影响(P<0.01)；交互项BC无显著影响（P>0.05）。

响应面[10]分析：三个因素间的交互作用对综合经济指数影响的等高线图和响应面图如图3和图4所示。由图3可知，椭圆AB和椭圆AC扁率极大（P＜0.01），说明A和B的交互作用、A和C的交互作用对综合经济指数的影响非常大；椭圆BC的扁率很小（p>0.05），说明 B和C的交互作用对综合经济指数的影响不显著。响应面越陡峭说明自变量对响应值的影响，由图4可知，三个因素对综合经济指数的影响次序为：A>C>B。

最佳装置参数验证：使用Design-Expert 8.0.6 软件对综合经济指数最大的装置参数进行模拟，所得的参数组合及综合经济指数为：循环水流量9.13 m3·h-1、喷淋头喷嘴数12.27个和吸收塔液位706.67 mm，综合经济指数为15.4989元。根据生产实际，将其调整为循环水流量9.1 m3·h-1、喷淋头喷嘴数12个、吸收塔液位707 mm和扇叶频率35 Hz，进行尾气吸收试验。结果表明，从生成1吨硅钛白粉所产工艺尾气中吸收转化的氟硅酸有0.02吨，HF和SiF4吸收率超过98%，扣减能耗、水耗等，算得综合经济指数为15.46元，与模拟值非常接近，说明该模型可用于优化硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置。

4 结 论

为提高硅钛白粉工艺尾气中HF和SiF4的吸收力，本研究设计开发了一种硅钛白粉工艺尾气循环水洗装置，可使更多的HF和SiF4转化为易于收集的氟硅酸。为提高回收HF、SiF4制备氟硅酸的经济效应，本研究设计包涵氟硅酸价值、电耗、水耗在内的综合经济指标，通过单因素试验和响应面优化试验，得到了最佳的装置参数：循环水流量9.1 m3·h-1、喷淋头喷嘴数12个、吸收塔液位707 mm和扇叶频率35 Hz。在此条件下，HF和SiF4吸收率超过98%，且电耗和水耗适中，综合经济指数达15.46元，即从生产1吨硅钛白粉工艺废气中回收氟硅酸可获得15.46元，较传统水洗系统提高7.5元以上。

参考文献：

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[10]龚定芳, 赵萍萍.响应面法优化石灰处理高氟废水的研究 [J]. 河南师范大学学报, 2020, 50(1):108-112.