氢氟酸生产设备技术及发展

    1、前沿

    我国是世界萤石储量最丰富的国家之一，近年来，国内的氟化工发展迅速，氟化工的基础氢氟酸的生产更是迅猛发展，目前我国的氢氟酸生产能力达到了80万吨以上，为世界上最主要的氢氟酸生产国。

    氢氟酸生产的关键设备：反应器。国内外几十年来，虽然不断的改进，但是均是采用各种类型的回转窑连续生产工艺，我们氟化氢生产技术水平虽然在消化吸收国外技术的基础上也在逐步提高，不少先进企业已经达到国际先进水平。但从国内外总体上说，高能耗，高设备维修率，较高的原料消耗，易造成环境严重污染的局面并未完全改观。

    本文将从氢氟酸生产工艺及关键设备氢氟酸反应器上探讨解决功耗能，高设备维修率，较高原料消耗，易造成环境严重污染等问题技术发展思路。

    2、氢氟酸生产技术现状

    2.1 工业生产氢氟酸反应过程及原理

    国内外氢氟酸生产目前普遍使用的是酸级氟化钙（CaF2），硫酸（H2SO4）进行反应的工艺，其反应过程为：
 
    萤石粉与硫酸的反应过程的特点见表1.
 

    可见氢氟酸生产过程中不但需要在较高温度下进行，而且反应的物料为粘性的腐蚀性物料，所以对于反应器及工艺的要求很高。

    虽然目前采用磷肥生产过程汇总的氟硅酸生产氢氟酸的工艺正在发展中，但是由于需要完整循环工业体系，其发展目前还会受到限制。

    2.2 氢氟酸反应器的特点及问题

    不管事哪种工艺路线，目前国内生产氢氟酸均是采用各种形式的回转窑反应器。萤石粉与硫酸。按比例连续加入到回转窑中进行连续化生产。

    萤石粉与硫酸反应物料为粘性的物料，易粘壁，难混合，传热慢；反应过程腐蚀性强，普通碳钢材料腐蚀严重。针对萤石粉与硫酸反应生产氟化氢的特点，国内外发展了各具特点的回转窑，见下图：
 
    为了减少对回转窑的腐蚀，延长使用寿命，发展了预反应器，预反应器采用昂贵的高镍耐腐蚀合金材料制备，反应的腐蚀阶段主要在预反应器中进行，从而保护回转窑免受快速的腐蚀；为了改善强化传热，减少腐蚀，发展了内反渣工艺，大量热的石膏携带 热量从回转窑后端返回来进料端，迅速加热进入反应炉的物料，并可减少对回转窑炉体的腐蚀。这两种工艺由于需要使用大量的高镍合金，反应器投资巨大。
 
    萤石粉与硫酸反应的粘性、腐蚀性及需要大量热量的特点，发展了氟化氢反应器均是在回转窑设备的基础上进行各种改进，解决腐蚀。物料粘壁以及强化传热的问题。导致氢氟酸生产回转窑工艺越来越复杂，维护要求高，大量使用昂贵高镍合金，设备投资大，反应器系统复杂，然而并没有办法完全彻底解决氢氟酸生产过程中的问题。

    2.2.2 氢氟酸生产反应器的问题

    回转窑两端进料及出料设备大，虽然发展有各种密封系统，由于动密封面很大，导致生产维护过程密封困难。氟化氢生产过程需要保持氟化氢气体的高浓度，所以氢氟酸回转窑必须在微负下压操作，尽量避免其他杂质气体的混入。由于各种原因，一旦回转炉内略有正压时，剧毒的腐蚀性气体HF逸出的情况难以避免。因而实际生产过程中国内外工艺的各种氟化氢回转窑反应器环境污染的隐患很大。

    氟化氢生产由于需要高浓度氟化氢气体，回转窑生产一般均采用煤气燃烧的热空气夹套循环间接加热来提供反映需要的热量。热空气的热熔小，所以需要大量的热空气玄幻，热风机循环系统以及大量热空气排空导致生产过程燃煤能耗打；由于回转窑一般钢板厚度在50mm以上，传热阻力大，而且回转窑内壁还可能物料物料结壳等原因导致传热恶化。特别是回转窑的实际利用的传热面积只在三分之一左右，因而设备庞大。年万吨规模的直径3m，长度30m左右的氟化氢回转窑的总重量超过250多吨，加上物料，运行的过程中300吨以上，反应器运行动力消耗大。为了在回转窑物料不粘以及排料顺畅，一般进入回转窑的物料萤石会微过量；而且由于是连续生产过程，萤石粉与硫酸的加料需要瞬时都处于一定的配比，这在生产控制过程中是比较困难的；再考虑生产过程温度控制不稳定等原因，国内一般技术较先进的，生产稳定氢氟酸的工厂生产排出的渣中总计8%左右未反应的硫酸及萤石，原料的利用率进一步提高的难度及代价都比较大。

    3、氢氟酸生产反应器技术发展思路

    利用回转窑来连续生产氟化氢的工艺目前从设备及工艺上来说已经发展到了极致。然而从生产维护、运行费用、设备造假、原料消耗及环境污染等方面已难以进一步提高。要减低能耗，消除目前回转窑反应器的问题需要根据反应的特点，在反应器的设计及工艺上再做打算。

    对于新型氟化氢反应器的设计应该从以下几点进行考虑：

   （1）消除环境隐患，回转窑动密封面大，要保持好密封在生产维护过程中是相当困难的，新型反应器应动密封面尽量小，才有可能在生产操作中做到即使是在正压的情况下亦能保证不泄露剧毒的HF气体，并确保在生产过程中保证高的HF气体浓度，少吸入空气。

   （2）萤石与硫酸配料精确，现有的国内外工艺都是连续化的生产工艺，要在生产过程中萤石与硫酸瞬时均做到精确配比，特别是萤石粉成分以及硫酸浓度也很难保证在稳定的情况下是极其困难的，而且炉温的控制等多因素影响，所以要提高原料的利用率对于回转窑，连续工艺也是相当困难了，因此，从间歇反应器进行工艺设计及反应器设计将是令人振奋的思路，此举有望彻底解决配比精确并提高原料利用率的问题。

   （3）降低能耗方面，回转窑由于实际利用的传热面积仅在三分之一左右，因而，设备庞大；而且采用热空气外夹套传热，热空气的热熔低，热风循环系统庞大，热空气外排能量损失也大，因此回转窑工艺降低能耗已难可能。化氢反应器的设计应从充分利用传热面积，使用高热熔的传热介质，这样才能使设备紧凑，减少设备投资及降低能耗，新型氟萤石与硫酸反应完全的实现温度只在250摄氏度左右，尚优错中传热方式，及介质可供选择，同事反应器设备紧凑，设备造价不高，并能减少设备维修。
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