微波加热技术在磷肥副产氢氟酸工艺中的应用

颜　彬，王海洋，畅皓皓

（1.淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏 淮安223003；2.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安223002）



微波加热技术在磷肥副产氢氟酸工艺中的应用

颜彬1，2，王海洋2，畅皓皓1

（1.淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏 淮安223003；2.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安223002）

摘要：介绍一种磷肥副产氢氟酸工艺的氟化氢解析器工艺的设备，首次将微波加热技术运用到磷肥副产氢氟酸工艺中，解决传统氟化氢解析器存在的问题，并通过特殊结构避免微波的外泄。本设计具有结构简单、制造成本低、解析效率高、使用寿命长的特点。

关键词：氟化氢；解析器；微波技术

作为重要基础性化工原料——氢氟酸，是氟化工生产中是不可或缺的原材料，但其自然界中作为氟资源加以利用的矿物仅限于萤石、磷矿石等[1]。但作为主要生产原料萤石面临着逐渐枯竭的现状，而我国对氢氟酸的需求却在逐年递增。在磷矿石中氟含量约为3%，通过开采和生产磷肥所伴生的氟资源总量很大，占氟资源总量达到90%，远超过萤石中所含氟资源总量[2]。但当前我国磷肥副产中的氟资源由于氟化氢解析器加热段的关键技术不成熟，所以磷肥副产生产氟化氢技术普及率不高，大部分磷矿中的氟资源都没转换成氢氟酸而得到很好的利用。

本文针对传统解析器所存在加热方式的研究，对原有解析器装置进行优化，设计一种非接触式微波加热装置，使其不仅在加热效果，还在防腐性能上，都更加优越传统的列管换热器。

1　传统氟化氢解析器采用的加热方式及缺陷

在化工生产过程中所采用的加热方式通常有电加热、蒸汽加热、换热器加热等，以及近年来将工频电感效应加热等应用在化工生产加热过程中。几种加热方式在实践应用中都有着不同的特点，但对于磷肥副产氢氟酸工艺生产中几种加热方式有着明显的不足，主要表现如下所示：

1.1电阻加热方式

在化工生产中所采用的电阻加热设备，首先是一种接触式加热方式，对于有着强腐蚀性氟化氢而言其对加热设备的腐蚀较强，设备使用寿命短等不足；其次加热的电子元件的损坏频率较大，故障点查找难度大且不能及时处理等特点，而对于长期运行的设备其故障率随之增加，属于一种高耗能且后期维护困难的产品。

1.2工频电感效应加热方式

工频电感效应在加热过程中不仅可以实现快速加热，对于加热的介质还可以进行均匀加热，加热过程也无污染和明火产生。所以其优越的特点也正是取代传统的加热方式的主要的原因，成为新一代的化工加热设备。但是工频电感效应加热设备也存在着不可避免的本身缺缺陷，对于工频电感效应加热设备结构较为复杂，制造成本较高，投资成本大；其次生产批量较小，但检验工作较为复杂且工作量大，不符合氟化氢生产过程中的大批量生产；对其设备维修起来也较为不方便，加热成本和维修费用高。

1.3传统的列管式换热器加热方式

在传统的氟化氢接解析器设计中都采用列管式换热器。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。目前换热器的主要形式有以下几种（如下表1所示）[3]。

表1　换热器分类

虽然目前氟化氢解析器采用的列管换热器，但不可避免会出现不足，主要表现为：第一，采用列管换热器为解析器提供解析热源，不可避免由于加热不均匀现象而影响酸解液的解析效果；第二，在换热器进行换热工作中由于两种流体温度不同，产生对壳体和管束受热程度都有不同，在其管壁与壳壁产生较大的温度差，且两种的热膨胀程度也相同，必然会产生很大的温差应力，以致管子会受力而产生扭弯，或者使得管子从管板上产生松脱；第三，传统列管换热器为接触式加热方式，对具有强腐蚀性氟化氢而言，不仅所采用的材料昂贵，而且使用寿命短；第四，对于采用传统型列管式换热器，在其制作过程中，一般对于管板与列管都是采用的手工电弧焊进行焊接，这必然产生不同程度的焊缝缺陷，焊接产生的应力分布也不均匀，从而导致对于换热器产生电化学腐蚀，严重影响换热器的寿命。

2　一种微波加热氟化氢解析器的结构

为了改变传统解析器加热方式的缺陷，设计出了一种应用微波加热的氟化氢解析器，实现非接触快速稳定加热方式。该解析器是由方形筒体、进口端盖和出口端盖组成，进口端盖和出口端盖由法兰分别连接在方形筒体的两端构成解析器，进口端盖上设计有酸解液进口，出口端盖上设计有酸解液出口；方形筒体为卧式放置，方形筒体由若干分段筒由法兰连接组成，每个分段筒的上部设计有微波发射器的安装口。设计的氟化氢解析器的结构如图1所示。

图1　微波加热氟化氢解析器的结构示意图

使用时，酸解液从酸解液进口连续进入解析器，酸解液从进口流向出口，流动过程中酸解液在解析器内被安装口上安装的微波发射器发出的微波加热，解吸出来的氟化氢气体从气体出口去后续氟化氢气体处理工段，剩余的酸解液从酸解液出口流出去后续酸解液处理装置。

3　微波加热技术及其原理

本设计的设备采用一种非接触式微波加热方式，使其不仅在加热效果，还在防腐性能上，都更加优越传统的列管换热器。微波加热技术用酸解液分子高频往复运动产生“内摩擦热”，使酸解液加热速度快且均匀，避免传统加热方式存在的温度梯度与加热不均匀现象，同时使解析器结构简单。

其主要原理可用微波会对酸解液中的极性分子在外电场作用下迅速转动进行解释。微波在通过具酸解液中有极性材料时，由于微波形成的电场使得介质在电场中发生扰动，并使得酸解液中的自由电荷和束缚电荷发生位移，及复合电荷会发生旋转运动。对这些粒子运动的阻力如惯性力、弹性力和摩擦力等，产生了能量损耗及电场衰减，从而以热的形式表象出来而使介质的温度升高，这种现象称为微波的热效应，也是酸解液进行微波加热的基本原理[4]。

4　设备在防止微波泄漏上的处理

微波发射器用交流电产生的微波使介质中的水分子以每秒钟几十亿次的速度旋转，造成分子之间巨大的摩擦力，使介质迅速加热。微波能对介质产生作用，同样对人体也有作用。实验表明，人的眼球、皮肤表层与睾丸等器官对微波辐射最为敏感，因此在使用中要做好微波泄漏的防护防止微波源有能量泄漏，设计时可以从材料的选取和局部结构两个方面来考虑屏蔽泄露的方法[5]。

4.1选取合适材料来避免微波的泄漏

在材料上，因为这台设备的介质不直接接触外侧金属壳体，外侧的金属壳体按仅承受内压力设计，按化工设备的选材原则选用碳素钢或低合金钢即可。微波发射器发出的是波长比较短的微波，能引起水分子共振，如果外泄会对人体造成伤害，考虑到碳素钢及低合金钢对微波无屏蔽作用，所以改选不锈钢等金属材料来屏蔽微波，本设备设计的壳体材料就选用S30408.

4.2采用特殊结构来避免微波的泄漏

除此之外，设备本体上对外连接法兰接口处的微波屏蔽如何来实现也是个难题。本设备对较小的接管法兰采用加长接管以达到微波衰减至对人体无害的数量；而对人孔及较大的接管这种方法并不可行，只能另辟蹊径，采用在法兰垫片的外侧装设防微波泄漏材料来屏蔽微波。对进口端、出口端及各分段筒体间连接是通过非标准的方形法兰来实现的，而此连接处的预防微波泄漏的结构比起圆形法兰更为复杂，虽然同样是在密封垫片外侧加工凹槽，用于装设防微波泄漏材料，但因为是方形结构，给制造增加不小的难度。

5　本设备采用微波技术的特点

5.1加热速度快

与热量通过介质由表及里向内部传播的电热、蒸汽、换热器等常规加热方式不同，微波加热是电磁能以波的方式渗透到介质内部引起介质损耗而发热，不需要热传导的过程，内外同时加热，能在短时间内达到加热的效果，因此具有快速加热效果。

5.2均匀加热

常规加热，为提高加热速度，就需要升高加热温度，容易使酸解液产生外高内低的温度差。微波加热时，物体各部分通常都能均匀渗透电磁波，产生热量，因此均匀性大大改善，并更加有利于酸解液的解析效果。

5.3易于控制

微波加热的热惯性极小，若配用微机控制，则特别适宜于加热过程和加热工艺的自动化控制，同时更有利于控制酸解液的进入量。

5.4节能高效

由于特殊的加热机理，微波加热具有突出的节能优点，在微波加热中，微波能只能被加热物体自身吸收而生热，因此，微波能量绝大部分耗散在被加热物料上，而对加热物料周围的空气，或者加热设备的金属部件耗能小。

6　结束语

本次装置首次采用微波加热技术，改变传统列管式换热器的不足和缺陷，使酸解液加热快速均匀，并有效解决了加热温度梯度现象，该技术突破国外技术的垄断地位和目前国内研究限于实验室的现状。通过特殊结构的设计，避免设备中微波的泄漏，对人体和环境造成危害。因此采用磷肥副产生产氢氟酸不仅能延长了磷化工的产业链，增强了企业的竞争力的考虑，还能有效提高了磷矿资源的利用率，缓解了氟化工面临的氟资源不足及环境污染的困扰。

参考文献：

[1]丁运玲.无水氢氟酸生产工艺改进研究[J].石油和化工设备，2015，（08）：37-41.

[2]张会平，王玲，微波加热氟化氢解析器的设计[J].装备制造技术，2014，（05）：104-107.

[3]张怀，赵冰，赵纪峥.HAZOP在电解制氟工艺中的应用[J].化学推进剂与高分子材料，2015，（02）：79-81.

[4]管凌飞，张海燕.我国磷矿伴生氟资源回收利用制无水氟化氢的发展现状及前景[J].有机氟工业，2014，（01）：88-91.

[5]陈文兴，田娟，周昌平.利用磷肥企业副产氟硅酸制备无水氟化氢的技术[J].现代化工，2013，（05）：73-75.

中图分类号:TQ051

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2016）04-0212-03

收稿日期：2016-01-30

作者简介：颜彬（1990-），男，安徽芜湖人，硕士，主要研究方向为化工装备设计与制造。

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