氟化氢传统工艺装备的改进

㊀第２５卷㊀第５期厦门理工学院学报Ｖｏｌ．２５㊀Ｎｏ．５㊀㊀２０１７年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＯｃｔ．２０１７㊀㊀［收稿日期］２０１７－０７－２８㊀㊀㊀㊀［修回日期］２０１７－１０－１１［作者简介］雷游生（１９７６－），男，畲族，工程师，研究方向为化工机械及自动化，Ｅ⁃ｍａｉｌ：３７５１３４４６１＠ｑｑ．ｃｏｍ㊂氟化氢传统工艺装备的改进雷游生，黄天梁，邱秋生（福建龙氟化工有限公司技术中心，福建龙岩３６４２０４）［摘㊀要］针对传统氟化氢工艺装备存在的生产工艺热能利用不足，导气箱腐蚀严重㊁堵管频率高，反应转炉炉头㊁炉尾密封性欠佳，有水酸制酸条件受限以及有水氟化氢人工充装易产生喷溅现象等问题，改进了装备中的５个关键工艺装置：即改进反应转炉的余热利用装置，导气箱换耐腐蚀材料并安装自动推渣装置，炉头炉尾缸由机械密封装置取代弹簧压紧装置，利用ＤＣＳ系统实现有水酸制酸自动控制及有水氟化氢自动充装㊂试运行调整后，原传统萤石⁃硫酸法传统氟化氢生产条件得到大幅改善，产品质量稳定，年节约生产成本５００多万元，减少二氧化硫排放量１０ ５９ｔ，烟尘排放量减少４ ２５ｔ，实现了节能㊁降耗㊁减排的目标㊂［关键词］氟化氢；装备改进；传统工艺装备［中图分类号］ＴＱ１２４ ３㊀［文献标志码］Ａ㊀［文章编号］１６７３－４４３２（２０１７）０５－００２１－０７氟化氢是现代氟化工的基础，是制取元素氟㊁各种氟制冷剂㊁含氟新材料㊁无机氟化盐㊁各种有机氟化物等的最基本原料㊂生产氟化氢的主要原材料是萤石［１］，萤石是不可再生资源，经过多年的开采，已濒临枯竭状态，现已成为国家战略物资㊂因此，探索高效㊁低能耗㊁绿色环保和可持续发展的氟化氢生产工艺对氟化工行业有很重要意义和深远的影响㊂业内人士一直关注对传统生产工艺的改进，如改善无水氟化氢冷凝器腐蚀，改进ＳｉＦ４的分离工艺等［２－４］，但目前仍存在生产工艺热能利用不足㊁导气箱腐蚀严重及堵管频率高㊁有水酸制酸条件受限㊁反应转炉炉头炉尾密封性欠佳㊁有水氟化氢人工充装易产生喷溅现象等问题，通过改进反应转炉余热利用装置㊁新型导气箱及推渣耙㊁炉头炉尾机械密封装置㊁有水酸制酸自动控制装置及有水氟化氢自动充装装置，改造后改善了氟化氢生产条件，节能㊁降耗㊁减排，节约生产成本，增加了氟化氢的生产工艺稳定性，延长了工艺设备的使用寿命㊂１㊀传统氟化氢生产工艺装备存在的问题因氟化氢其固有的理化特性决定了其对生产工艺设备的条件较为苛刻，不仅要有较好的耐腐蚀㊁耐高温要求，而且生产系统是在密闭的环境下连续生产，因而对其密封性也有较高的要求，另外反应转炉需要大量连续供应的热能，如何节能也是需要重点解决的问题㊂通过对福建龙氟化工有限公司（ＬＦ）生产工艺条件的研究分析，重点归纳出５个关键问题：一是反应转炉排空的余热未充分利用；二是导气箱是普通的碳钢材料，在高温高湿条件下极易腐蚀［３］；三是反应转炉炉头与炉尾采用传统的弹簧式压紧机构，可靠性不强；四是传统有水氟化氢生产工艺存在较多可改善的空间；五是氟化氢充装是用人工原始充装，劳动强度大且安全性不高㊂１ １㊀氟化氢生产工艺热能利用不足氟化氢生产过程中反应工序及分馏工序需用到热能，关键设备中的反应转炉所需的热能需求量最㊃２２㊃厦门理工学院学报２０１７年大，占整个工艺热能利用的９０％左右，而分馏工序中所需的热能较少，仅在精馏塔釜及脱气塔釜需要５５ ６５ħ之间的热源㊂氟化氢的生产工艺为连续运行，所需热能也必须是持续稳定的供给㊂现阶段大部分的氟化氢生产线所需的热能均采用煤气发生炉制备的煤气经过燃烧室的燃烧产生热气来达到加热的目的㊂而分馏工艺中所需的热能，大部分企业是通过锅炉产生的蒸汽，通过相关辅助控制件来调节蒸汽开启及运行速度来达到所需的温度㊂ＬＦ公司反应转炉的热源由煤气发生炉产生的煤气经燃烧室燃烧产生的热气，通过高温循环风机将热风通过管路引入反应转炉夹套空腔，余热大部分通过循环风机在转炉循环利用，但仍有一部分排空，经现场分析检测，排空的烟气温度可达４５０ħ㊂这部分热能未加以利用，因而存在能源浪费的损失㊂传统生产氢氟酸的精馏系统加热方式是采用蒸汽，对精馏塔和脱气塔塔釜的氢氟酸半成品进行加热㊂这种加热方式必须配置锅炉及其附属设备；目前锅炉的燃烧材料依然是煤炭为主，煤的燃烧不仅需要大量的煤炭，而且也产生很多二氧化硫和粉尘污染环境㊂实际上，在分馏工艺中的精馏塔釜和脱气塔釜所需的热量温度范围是５５ ６５ħ，而蒸汽的温度是１００ħ以上，因此这里也存在热能的浪费㊂可见，ＬＦ公司的能源浪费是需要重点改进的项目之一㊂１ ２㊀导气箱腐蚀严重及堵管频率高原氟化氢生产反应转炉气体出口导气箱的材质为碳钢材料，由于受氟化氢的特性及高温的影响，导气箱很容易受到腐蚀，据统计分析平均４０ｄ就需要进行检修更换，导气箱伸入节常常因腐蚀造成冷凝酸从机械密封处漏出，检修更换的频率高，不能连续性生产，造成生产停工损失成本大㊂另一方面，由于导气箱是直接与反应转炉连接的抽料管，与进料口距离非常接近，在负压作用下，易将原料萤石粉及其他微小粉尘杂质吸入堵在导气管水平过渡处，生产时间大约２ｈ后，即会出现导气箱抽气不畅的现象，俗称 堵管 ，这将严重影响生产的连续运行，会导致炉头机械密封处漏气，不仅浪费粗制氟化氢的冷凝吸收，而且会对环境产生污染㊂１ ３㊀反应转炉炉头和炉尾密封性欠佳在传统的氢氟酸生产工艺［４］中，反应转炉炉头和炉尾端盖密封均用弹簧压紧机构装置，实际应用中，因弹簧压紧力不足，密封并不严实，压盖处极易造成漏气㊂加上弹簧长时间在酸性条件下工作易腐蚀致弹力失效，因而严重影响其寿命㊂同时由于各弹簧间受力不均极易造成密封面偏差，造成漏气隐患㊂限于弹簧压紧机构在安装㊁维修拆装时的不便，在转炉检测维修中也存在较大的维护缺陷㊂１ ４㊀有水酸制酸条件受限原制取不同浓度的有水氢氟酸均由人工控制无水氟化氢和工业水的投料配比和速度㊂投料速度不易控制，受氢氟酸理化特性［５］影响，快了易引起暴沸，安全隐患大；慢了又影响制酸效率㊂投料量按制酸槽液位计控制，准确度较低，为确保准确度，需化验人员取样检测，这样又增加了化验检测工作量㊂另人工制酸过程中，受操作人员熟练程度的影响，也易引起制酸槽冒汽，不仅浪费原料，而且也对环境造成一定的影响㊂１ ５㊀有水氟化氢人工充装易产生喷溅现象传统的氢氟酸生产行业的有水氢氟酸充装装置，主要是利用磁力泵从成品槽中抽取有水氢氟酸，后通过连接管路打到充装点，充装点与连接管路上装配一根充装软管，通过人工将充装软管把有水氢氟酸打入充装桶中，充装桶充装物料时，放置在设定好目标质量的磅秤中，利用阀门控制充装的开启和切断㊂这套装置的特点是通过磁力泵直接打入充装桶中，压力较高，充装过程中容易产生喷溅现象，充装软管受有水氢氟酸浓度高低和使用时间的影响，容易产生老化开裂的现象，操作工人的人身安全存在隐患㊂由于充装质量是通过人工进行手动控制充装阀门的，到充装终点时，阀门关闭过快或过慢都会让实际充装质量与目标质量存在很大偏差，所以会把磅秤的实际充装质量提高０ ２ｋｇ左右，使充装时目标质量不存在偏低的现象，无形中使得产品得到流失，使得生产的成本大大的提高㊂该装置对工人的操作和劳动强度要求比较高，而且充装时产生的挥发废气直接排入大气中污染环境㊂㊃３２㊃㊀第５期雷游生，等：氟化氢传统工艺装备的改进２㊀氟化氢传统工艺装备的改进基于上述５个关键工艺装置的分析，分别设计并制作出如下５项创新型工艺装置，经过２ａ的反复尝试与不断研究改进，现已全部成功实施应用到氟化氢生产工艺中，具体的实施情况说明如下：２ １㊀反应转炉余热利用装置改造前后供热系统流程如图１所示，图２是改造后反应转炉余热利用装置原理示意图㊂如图所示，应用列管换热法设计换热器［６］，热风从下端进入换热器，流经列管后从上端排出，水在换热器上端从列管外围流入换热器浸泡列管，与列管形成自上而下逆流换热，由于列管排列密度高，流入换热器的水得到快速分散加热，热水从换热器外壳的下端流出，达到高效吸收转炉余热的效果㊂（a）改造前(b)改造后图1改造前后供热系统流程图modificationFig.1Process flowchart of heating system before and after Array图2反应转炉余热利用装置原理示意图Fig.2Schematic diagram of converter heat transfer厦门理工学院学报２０１７年应用管道和阀门，将脱气塔釜加热器㊁精馏塔釜加热器㊁换热器㊁热水泵及热水槽联通形成热水加热循环系统㊂在热水泵作用下，热水槽的热水经换热器进一步加热后，输送至脱气塔釜加热器和精馏塔釜加热器加热氢氟酸半成品，热水释放热能降温后，返回热水槽，形成热水加热循环通道㊂２ ２㊀新型导气箱及自动推渣装置图3新型导气箱及自动推渣装置Fig.3A new type of gas box and automatic slagpusher导气箱在高温（１２０ ２２０ħ）㊁强腐蚀条件下工作，因而需要既耐腐蚀又耐高温的材料来制作㊂为达到上述目的，应用钢板衬聚四氟乙烯［７］材料，设计新型的导气箱，如图３所示㊂采用这种耐腐蚀导气箱后，可减少受氢氟酸气体理化特性和受高温腐蚀的影响，延长导气箱及伸入节的使用周期，只需两年更换一次，降低维修频率，从而节约维修成本㊂对于导气箱堵管的问题，应用变频电机㊁时间控制器㊁推渣耙㊁转轴㊁轴承座等部件设计导气箱自动推渣装置，解决氟化氢转炉导气箱淤堵问题，通过在导气箱过渡处安装自动化清堵机构，利用电机带动螺旋搅拌推渣耙，用时间控制器设定好推渣时间，这样就可以在设定的时间里自动将导气箱淤积的粉尘清理回反应转炉内，从而确保导气箱通畅㊂无需人工操作，达到降低生产成本㊁工人劳动强度和减少环境污染的目的㊂２ ３㊀炉头炉尾机械密封装置应用多气缸结构设计新型氟化氢转炉端盖气缸机械密封装置，解决前后炉门漏气和维修问题，减少了污染物排放，消除了安全隐患，如图４所示㊂图4炉头炉尾机械密封装置Fig.4Mechanical sealing for furnace head and end通过使用气缸机械密封的装置取代弹簧压紧装置，在反应转炉前端盖均布３个气缸，用空压机产㊃４２㊃㊀第５期雷游生，等：氟化氢传统工艺装备的改进生的空气源输入到储气罐，再送至气缸，由气缸压紧端盖㊂因气缸为标准件，３个气缸所产生的压力误差近乎为０，反应转炉端盖所受的压紧力均匀，故机械密封较好，漏气现象得以很好的控制㊂同时因气缸用耐腐蚀材料制作，因而其寿命也较传统弹簧高３ ５倍或以上㊂在实际应用中，因气缸的压紧与松开完全由气源控制，检修时无需拆卸，只需将气缸气源断开，即可将端盖松开，无需拆密封机构，从而给转炉的检维修带来极大的方便㊂２ ４㊀有水酸制酸自动控制装置1—加酸槽；2—温度传感器；3—制酸槽；4—液位器；5—回流管；6—加水电动阀；7—取样管；8—泵；9—重量传感器图5有水酸制酸自动控制装置Fig.5Automatic control device for hydrofluoric acid making应用ＰＬＣ可编程控制器［８］㊁电磁进酸阀㊁电磁进水阀㊁磁力泵㊁取样管㊁制酸槽㊁取样管等部件设计有水酸制酸自动控制装置，如图５所示㊂自动制酸装置由一套由微机控制的自动投料系统，精确控制投料量和投料速度，进而取代人工制酸作业㊂实现自动化控制作业，降低操作强度和化验检测工作量，同时提高操作安全系数和减少对环境的污染㊂为达上述目的，在车间中控室计算机上，利用ＤＣＳ系统［９］对制酸生产过程主要参数进行控制㊁报警及记录显示，如图６所示㊂制酸槽电子秤重数据由通讯方式传输给计算机，计算机根据设置的各种参数调节电动阀或控制开关阀，防止流量过大反应激烈而超温，实现制酸生产过程自动控制㊂同时ＤＣＳ系统具有记录㊁查询㊁统计报表等管理功能㊂图6投料原理图Fig.6Schematic diagram of feeding监控主机COM1COM2THMK-4520THMK-45201#制酸槽5#制酸槽COM1COM2COM1COM2有水酸称重控制器有水酸称重控制器温度数显表温度数显表阀手操器阀手操器传感器加水阀加酸阀温度计传感器加水阀加酸阀温度计㊃５２㊃厦门理工学院学报２０１７年每１个制酸槽均通过２个接口（即ＣＯＭ１和ＣＯＭ２）将实际质量和温度数据传送到中控室监控主机上，由主机依据所接收的信号分别对加水电动阀和加酸阀进行控制㊂简言之，制酸作业员只需输入酸的浓度及质量两个数据，其他具体制酸过程交由微机系统自动完成，制酸完毕，监视屏会显示制酸完成㊂同时该系统设置了相应的投料上下限，当超出此上下限时，系统会发出警报，并提供手／自动切换功能，从而有效控制投料量并确保安全，制酸配管示意图如图７㊂图7制酸配管示意图Fig.7Schematic diagram of hydrofluoric acid distribution去aHF 大槽另受无水氟化氢理化性能的影响，制酸时需确保先加水后加无水氟化氢的投料顺序，故该系统增加了相应的联锁装置，以避免出现先加无水氟化氢后加水的错误顺序，从而大大提高了操作安全系数㊂图8有水氟化氢自动充装装置Fig.8Automatic HF filling device主机程序写入下列制酸公式，以实现电脑完成自动配比功能㊂（ａ）稀释：Ｘ＝Ｍ（Ａ－Ｂ）／Ｂ；（ｂ）调浓：Ｙ＝Ｍ（Ｂ－Ａ）／（１－Ｂ）；式中Ｍ为有水酸总质量，Ａ为现有有水酸浓度，Ｂ为目标有水酸浓度，Ｘ为加水量，Ｙ为加无水酸量㊂主机按照下述两个指标，对温度传感器传回的信号作出相应的反馈㊂（ａ）制酸槽温度＜８０ħ；（ｂ）磁力泵温度ɤ７５ħ㊂２ ５㊀有水氟化氢自动充装装置有水氢氟酸自动充装装置，包括电子秤㊁重量控制器㊁气动阀㊁成品槽㊁磁力泵㊁高位槽㊁空压机㊁尾气吸收装置，利用连接管路和控制元件组成的自动充装装置，如图８㊂成品槽中有水氢氟酸利用磁力泵打入高位槽，高位槽底部接管至充装点，高位槽设置一个溢流管，直接溢流回成品槽㊂充装点上接一个气动阀，空压机压力保持在０ ４ ０ ５ＭＰａ供气动阀使用，通过重量控制器设置好充装皮重和净重，当重量控制器开关开启时，通过重量控制器给气动阀信号，开启气动阀㊂当充装质量达到重量控制器设㊃６２㊃㊃７２㊃㊀第５期雷游生，等：氟化氢传统工艺装备的改进置的净重时，通过重量控制器给气动阀信号，关闭气动阀停止充装，完成一次充装操作㊂设计的管道连接部门均为ＰＰ材质管道的硬性连接，有水氢氟酸通过高位差流至充装点，不存在因压力高等问题导致的管道老化和安全隐患㊂在充装桶充装位置设置一个吸气口把桶中的挥发气体抽入尾气吸收系统进行吸收㊂使充装过程中不存在大气污染㊂３㊀结语上述５项研究成果及相应技术方案经过一段时期的试运行调整，原传统萤石 硫酸法传统氟化氢生产条件得到大幅改善，产品质量稳定，实现了节能㊁降耗㊁减排的目标㊂经统计分析，年节约生产成本５００多万元，减少二氧化硫排放量１０ ５９ｔ，烟尘排放量减少４ ２５ｔ，并向国家知识产权局申请５件实用新型专利，且均顺利获得授权，取得了经济效益㊁环保效益双丰收的可喜成绩㊂［参考文献］［１］赵力强．浙江省萤石资源开发现状及发展对策［Ｊ］．浙江冶金，１９９３（４）：３５⁃３８．［２］徐建国，周贞峰，应盛荣．我国氟化氢产品技术的现状及发展趋势［Ｊ］．化学生产与技术，２０１０，１７（６）：８⁃１４．［３］王丽，肖玉岭，曹建磊．无水氟化氢冷凝器腐蚀原因分析［Ｊ］．有机氟工业，２０００（４）：１４⁃１５．［４］王占前，旷戈，林诚，等．氟化氢生产技术进展［Ｊ］．化工生产与技术，２００９，１６（６）：１⁃６．［５］吴国庆．无机化学：下册［Ｍ］．４版．北京：高等教育出版社，２００３，４６２⁃４６４．［６］梁潞华．管壳式换热器结构设计的探讨［Ｊ］．化学工程与装备，２００９，６（６）：３３⁃３５．［７］冯嘉祯，刘宝钧．γ辐照接枝聚四氟乙烯特性和自由体积的关系［Ｊ］．原子能科学技术，１９９９，３３（３）：２１１⁃２１８．［８］史国生．电气控制与可编程控制器技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．［９］刘新亮，鄢波．ＤＣＳ系统稳定性的探讨［Ｊ］．科技广场，２０１１（９）：２２８⁃２３１．ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＨｙｄｒｏｇｅｎＦｌｕｏｒｉｄｅＰｒｏｃｅｓｓＥｑｕｉｐｍｅｎｔＬＥＩＹｏｕｓｈｅｎｇ ＨＵＡＮＧＴｉａｎｌｉａｎｇ ＱＩＵＱｉｕｓｈｅｎｇＦｕｊｉａｎＬｏｎｇｆｕＦｌｕｏｒｉｎｅＣｈｅｍｉｃａｌ Ｌｏｎｇｙａｎ３６４２０４ ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｇｅｎｆｌｕｏｒｉｄｅ ＨＦ ｐｒｏｃｅｓｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｈｅａｔｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｅｖｅｒｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｔｗａｔｅｒｔｕｂｅｂｌｏｃｋｉｎｇｉｎｇａｓｂｏｘ ｐｏｏｒａｃｉｄｍａｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｐｏｏｒｓｅａｌｉｎｇｉｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒｔｏｐａｎｄｅｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄｗａｔｅｒｓｐｌａｓｈｗｈｅｎａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｌｌｉｎｇｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｆｌｕｏｒｉｄｅ 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