微波加熱技術(shù)在磷肥副產(chǎn)氫氟酸工藝中的應(yīng)用

顏　彬，王海洋，暢皓皓

（1.淮陰工學(xué)院機械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安223003；2.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安223002）

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微波加熱技術(shù)在磷肥副產(chǎn)氫氟酸工藝中的應(yīng)用

顏彬1，2，王海洋2，暢皓皓1

（1.淮陰工學(xué)院機械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安223003；2.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安223002）

摘要：介紹一種磷肥副產(chǎn)氫氟酸工藝的氟化氫解析器工藝的設(shè)備，首次將微波加熱技術(shù)運用到磷肥副產(chǎn)氫氟酸工藝中，解決傳統(tǒng)氟化氫解析器存在的問題，并通過特殊結(jié)構(gòu)避免微波的外泄。本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、解析效率高、使用壽命長的特點。

關(guān)鍵詞：氟化氫；解析器；微波技術(shù)

作為重要基礎(chǔ)性化工原料——氫氟酸，是氟化工生產(chǎn)中是不可或缺的原材料，但其自然界中作為氟資源加以利用的礦物僅限于螢石、磷礦石等[1]。但作為主要生產(chǎn)原料螢石面臨著逐漸枯竭的現(xiàn)狀，而我國對氫氟酸的需求卻在逐年遞增。在磷礦石中氟含量約為3%，通過開采和生產(chǎn)磷肥所伴生的氟資源總量很大，占氟資源總量達到90%，遠超過螢石中所含氟資源總量[2]。但當(dāng)前我國磷肥副產(chǎn)中的氟資源由于氟化氫解析器加熱段的關(guān)鍵技術(shù)不成熟，所以磷肥副產(chǎn)生產(chǎn)氟化氫技術(shù)普及率不高，大部分磷礦中的氟資源都沒轉(zhuǎn)換成氫氟酸而得到很好的利用。

本文針對傳統(tǒng)解析器所存在加熱方式的研究，對原有解析器裝置進行優(yōu)化，設(shè)計一種非接觸式微波加熱裝置，使其不僅在加熱效果，還在防腐性能上，都更加優(yōu)越傳統(tǒng)的列管換熱器。

1　傳統(tǒng)氟化氫解析器采用的加熱方式及缺陷

在化工生產(chǎn)過程中所采用的加熱方式通常有電加熱、蒸汽加熱、換熱器加熱等，以及近年來將工頻電感效應(yīng)加熱等應(yīng)用在化工生產(chǎn)加熱過程中。幾種加熱方式在實踐應(yīng)用中都有著不同的特點，但對于磷肥副產(chǎn)氫氟酸工藝生產(chǎn)中幾種加熱方式有著明顯的不足，主要表現(xiàn)如下所示：

1.1電阻加熱方式

在化工生產(chǎn)中所采用的電阻加熱設(shè)備，首先是一種接觸式加熱方式，對于有著強腐蝕性氟化氫而言其對加熱設(shè)備的腐蝕較強，設(shè)備使用壽命短等不足；其次加熱的電子元件的損壞頻率較大，故障點查找難度大且不能及時處理等特點，而對于長期運行的設(shè)備其故障率隨之增加，屬于一種高耗能且后期維護困難的產(chǎn)品。

1.2工頻電感效應(yīng)加熱方式

工頻電感效應(yīng)在加熱過程中不僅可以實現(xiàn)快速加熱，對于加熱的介質(zhì)還可以進行均勻加熱，加熱過程也無污染和明火產(chǎn)生。所以其優(yōu)越的特點也正是取代傳統(tǒng)的加熱方式的主要的原因，成為新一代的化工加熱設(shè)備。但是工頻電感效應(yīng)加熱設(shè)備也存在著不可避免的本身缺缺陷，對于工頻電感效應(yīng)加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本較高，投資成本大；其次生產(chǎn)批量較小，但檢驗工作較為復(fù)雜且工作量大，不符合氟化氫生產(chǎn)過程中的大批量生產(chǎn)；對其設(shè)備維修起來也較為不方便，加熱成本和維修費用高。

1.3傳統(tǒng)的列管式換熱器加熱方式

在傳統(tǒng)的氟化氫接解析器設(shè)計中都采用列管式換熱器。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設(shè)備之一。目前換熱器的主要形式有以下幾種（如下表1所示）[3]。

表1　換熱器分類

雖然目前氟化氫解析器采用的列管換熱器，但不可避免會出現(xiàn)不足，主要表現(xiàn)為：第一，采用列管換熱器為解析器提供解析熱源，不可避免由于加熱不均勻現(xiàn)象而影響酸解液的解析效果；第二，在換熱器進行換熱工作中由于兩種流體溫度不同，產(chǎn)生對殼體和管束受熱程度都有不同，在其管壁與殼壁產(chǎn)生較大的溫度差，且兩種的熱膨脹程度也相同，必然會產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，以致管子會受力而產(chǎn)生扭彎，或者使得管子從管板上產(chǎn)生松脫；第三，傳統(tǒng)列管換熱器為接觸式加熱方式，對具有強腐蝕性氟化氫而言，不僅所采用的材料昂貴，而且使用壽命短；第四，對于采用傳統(tǒng)型列管式換熱器，在其制作過程中，一般對于管板與列管都是采用的手工電弧焊進行焊接，這必然產(chǎn)生不同程度的焊縫缺陷，焊接產(chǎn)生的應(yīng)力分布也不均勻，從而導(dǎo)致對于換熱器產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，嚴重影響換熱器的壽命。

2　一種微波加熱氟化氫解析器的結(jié)構(gòu)

為了改變傳統(tǒng)解析器加熱方式的缺陷，設(shè)計出了一種應(yīng)用微波加熱的氟化氫解析器，實現(xiàn)非接觸快速穩(wěn)定加熱方式。該解析器是由方形筒體、進口端蓋和出口端蓋組成，進口端蓋和出口端蓋由法蘭分別連接在方形筒體的兩端構(gòu)成解析器，進口端蓋上設(shè)計有酸解液進口，出口端蓋上設(shè)計有酸解液出口；方形筒體為臥式放置，方形筒體由若干分段筒由法蘭連接組成，每個分段筒的上部設(shè)計有微波發(fā)射器的安裝口。設(shè)計的氟化氫解析器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　微波加熱氟化氫解析器的結(jié)構(gòu)示意圖

使用時，酸解液從酸解液進口連續(xù)進入解析器，酸解液從進口流向出口，流動過程中酸解液在解析器內(nèi)被安裝口上安裝的微波發(fā)射器發(fā)出的微波加熱，解吸出來的氟化氫氣體從氣體出口去后續(xù)氟化氫氣體處理工段，剩余的酸解液從酸解液出口流出去后續(xù)酸解液處理裝置。

3　微波加熱技術(shù)及其原理

本設(shè)計的設(shè)備采用一種非接觸式微波加熱方式，使其不僅在加熱效果，還在防腐性能上，都更加優(yōu)越傳統(tǒng)的列管換熱器。微波加熱技術(shù)用酸解液分子高頻往復(fù)運動產(chǎn)生“內(nèi)摩擦熱”，使酸解液加熱速度快且均勻，避免傳統(tǒng)加熱方式存在的溫度梯度與加熱不均勻現(xiàn)象，同時使解析器結(jié)構(gòu)簡單。

其主要原理可用微波會對酸解液中的極性分子在外電場作用下迅速轉(zhuǎn)動進行解釋。微波在通過具酸解液中有極性材料時，由于微波形成的電場使得介質(zhì)在電場中發(fā)生擾動，并使得酸解液中的自由電荷和束縛電荷發(fā)生位移，及復(fù)合電荷會發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。對這些粒子運動的阻力如慣性力、彈性力和摩擦力等，產(chǎn)生了能量損耗及電場衰減，從而以熱的形式表象出來而使介質(zhì)的溫度升高，這種現(xiàn)象稱為微波的熱效應(yīng)，也是酸解液進行微波加熱的基本原理[4]。

4　設(shè)備在防止微波泄漏上的處理

微波發(fā)射器用交流電產(chǎn)生的微波使介質(zhì)中的水分子以每秒鐘幾十億次的速度旋轉(zhuǎn)，造成分子之間巨大的摩擦力，使介質(zhì)迅速加熱。微波能對介質(zhì)產(chǎn)生作用，同樣對人體也有作用。實驗表明，人的眼球、皮膚表層與睪丸等器官對微波輻射最為敏感，因此在使用中要做好微波泄漏的防護防止微波源有能量泄漏，設(shè)計時可以從材料的選取和局部結(jié)構(gòu)兩個方面來考慮屏蔽泄露的方法[5]。

4.1選取合適材料來避免微波的泄漏

在材料上，因為這臺設(shè)備的介質(zhì)不直接接觸外側(cè)金屬殼體，外側(cè)的金屬殼體按僅承受內(nèi)壓力設(shè)計，按化工設(shè)備的選材原則選用碳素鋼或低合金鋼即可。微波發(fā)射器發(fā)出的是波長比較短的微波，能引起水分子共振，如果外泄會對人體造成傷害，考慮到碳素鋼及低合金鋼對微波無屏蔽作用，所以改選不銹鋼等金屬材料來屏蔽微波，本設(shè)備設(shè)計的殼體材料就選用S30408.

4.2采用特殊結(jié)構(gòu)來避免微波的泄漏

除此之外，設(shè)備本體上對外連接法蘭接口處的微波屏蔽如何來實現(xiàn)也是個難題。本設(shè)備對較小的接管法蘭采用加長接管以達到微波衰減至對人體無害的數(shù)量；而對人孔及較大的接管這種方法并不可行，只能另辟蹊徑，采用在法蘭墊片的外側(cè)裝設(shè)防微波泄漏材料來屏蔽微波。對進口端、出口端及各分段筒體間連接是通過非標(biāo)準的方形法蘭來實現(xiàn)的，而此連接處的預(yù)防微波泄漏的結(jié)構(gòu)比起圓形法蘭更為復(fù)雜，雖然同樣是在密封墊片外側(cè)加工凹槽，用于裝設(shè)防微波泄漏材料，但因為是方形結(jié)構(gòu)，給制造增加不小的難度。

5　本設(shè)備采用微波技術(shù)的特點

5.1加熱速度快

與熱量通過介質(zhì)由表及里向內(nèi)部傳播的電熱、蒸汽、換熱器等常規(guī)加熱方式不同，微波加熱是電磁能以波的方式滲透到介質(zhì)內(nèi)部引起介質(zhì)損耗而發(fā)熱，不需要熱傳導(dǎo)的過程，內(nèi)外同時加熱，能在短時間內(nèi)達到加熱的效果，因此具有快速加熱效果。

5.2均勻加熱

常規(guī)加熱，為提高加熱速度，就需要升高加熱溫度，容易使酸解液產(chǎn)生外高內(nèi)低的溫度差。微波加熱時，物體各部分通常都能均勻滲透電磁波，產(chǎn)生熱量，因此均勻性大大改善，并更加有利于酸解液的解析效果。

5.3易于控制

微波加熱的熱慣性極小，若配用微機控制，則特別適宜于加熱過程和加熱工藝的自動化控制，同時更有利于控制酸解液的進入量。

5.4節(jié)能高效

由于特殊的加熱機理，微波加熱具有突出的節(jié)能優(yōu)點，在微波加熱中，微波能只能被加熱物體自身吸收而生熱，因此，微波能量絕大部分耗散在被加熱物料上，而對加熱物料周圍的空氣，或者加熱設(shè)備的金屬部件耗能小。

6　結(jié)束語

本次裝置首次采用微波加熱技術(shù)，改變傳統(tǒng)列管式換熱器的不足和缺陷，使酸解液加熱快速均勻，并有效解決了加熱溫度梯度現(xiàn)象，該技術(shù)突破國外技術(shù)的壟斷地位和目前國內(nèi)研究限于實驗室的現(xiàn)狀。通過特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，避免設(shè)備中微波的泄漏，對人體和環(huán)境造成危害。因此采用磷肥副產(chǎn)生產(chǎn)氫氟酸不僅能延長了磷化工的產(chǎn)業(yè)鏈，增強了企業(yè)的競爭力的考慮，還能有效提高了磷礦資源的利用率，緩解了氟化工面臨的氟資源不足及環(huán)境污染的困擾。

參考文獻：

[1]丁運玲.無水氫氟酸生產(chǎn)工藝改進研究[J].石油和化工設(shè)備，2015，（08）：37-41.

[2]張會平，王玲，微波加熱氟化氫解析器的設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2014，（05）：104-107.

[3]張懷，趙冰，趙紀崢.HAZOP在電解制氟工藝中的應(yīng)用[J].化學(xué)推進劑與高分子材料，2015，（02）：79-81.

[4]管凌飛，張海燕.我國磷礦伴生氟資源回收利用制無水氟化氫的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].有機氟工業(yè)，2014，（01）：88-91.

[5]陳文興，田娟，周昌平.利用磷肥企業(yè)副產(chǎn)氟硅酸制備無水氟化氫的技術(shù)[J].現(xiàn)代化工，2013，（05）：73-75.

中圖分類號:TQ051

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0212-03

收稿日期：2016-01-30

作者簡介：顏彬（1990-），男，安徽蕪湖人，碩士，主要研究方向為化工裝備設(shè)計與制造。

The Application of Microwave-Heating Technology in the Process of Hydrofluoric Acid in Phosphate Fertilizer By-Product

YAN Bin1，2，WAN Hai-yang2，CHANG Hao-hao1
（1.Jiangsu Kesheng Chemical Machinery Co.，Ltd.，Huai'an Jiangsu 223002，China；2.Faculty of Mechanical and Material Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an Jiangsu 223003，China）

Abstract：The article will introduce a kind of Resolver for HF which involve the process of phosphate fertilizer byproduct.For the first time，microwave-heating technology is applied to the process of phosphate fertilizer byproduct.It solves the problems of not up to our expect by traditional resolver for HF，and avoids the leakage of microwave through special structure.This resolver has the advantages of simple structure，low manufacture cost，high resolution rate and long service life.

Key words：HF；resolver；microwave-heating