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一種新型反應釜的結構設計

發布時間:2021-07-08      點擊次數:608
 1.反應釜簡介
 ?。?)分類根據反應釜的制造結構可分為開式平蓋式反應釜、開式對焊法蘭式反應釜和閉式反應釜三大類。根據材質和用途又可分為不銹鋼反應釜、搪玻璃反應釜、磁力攪拌反應釜、不飽和聚酯樹脂全套設備、蒸汽反應釜、小型試驗用高壓釜、雙玻璃反應釜等。
 ?。?)結構形式反應釜一般由釜體、釜蓋、夾套、攪拌器、傳動裝置、軸封裝置、支承等組成。攪拌形式又分為錨式、槳式、渦輪式、推進式或框式等,用戶可根據介質粘度、流體流動狀態、攪拌特點等需求進行合理選型。傳動裝置一般由電動機、減速裝置、聯軸節及攪拌軸四部分組成。此外,影響設備性能好壞的一個重要組成部分就是軸封。目前,軸封主要以常用的填料密封、機械密封、迷宮密封、浮動環密封等為主。反應釜可配置的傳熱元件有三種:夾套、內構件(如內盤管)和攪拌器本身。加熱方式有電加熱、熱水加熱、導熱油循環加熱、遠紅外加熱、外(內)盤管加熱等。支座主要有支承式支座或耳式支座等[1-2]。
 ?。?)工作原理在進行化學反應之前,先將反應物按照一定的比例混合,然后與催化劑一同投入反應釜內,在反應釜的夾套中加入一定量的熱載體來提高釜內物料的溫度,通過攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導熱速度,使其溫度均勻。當釜內溫度達到預定的溫度時,保持一定時間的恒溫以使化學反應正常進行,反應結束后進行冷卻。
  2.鉑溶解反應釜設計
  2.1設計簡介
  某鉑溶解反應釜的結構示意圖見圖1,主體為釜蓋、釜體、夾套三大部分。工作時在釜內按王水的配制比例依次加入鹽酸、硝酸以及金屬鉑,使其在內部進行化學反應。為了維持反應釜內的反應溫度,需要對其加熱。釜內反應物料的加熱通過包圍在釜體外部密閉夾套內的導熱油向內壁傳熱實現。
  該鉑溶解反應釜的設計、制造、檢驗及驗收應符合標準GB150.1~150.4—2011《壓力容器》[3]和GB25025—2010《搪玻璃設備技術條件》[4]的要求,設備主要受壓元件材料為Q345R、Q245R,襯層材料搪瓷(釜蓋)/鉭(釜體),設計溫度125℃(容器)/165℃(夾套),設計壓力0.1MPa(容器)/0.1MPa(夾套),介質王水、鉑(容器)/導熱油(夾套)。
  1.鉑溶解反應釜結構
  2.2設計內容
 ?。?)釜體的強度、剛度、穩定性及結構設計[5];
 ?。?)釜蓋、夾套的強度、剛度和結構設計[5];
 ?。?)搪瓷結構設計;
 ?。?)視鏡的選型[6];
 ?。?)法蘭、接管法蘭及開孔補強計算[7-8];
 ?。?)支座的選型及校驗;
 ?。?)焊縫的結構及尺寸設計;
 ?。?)襯鉭結構設計[9];
 ?。?)風攪拌系統設計;
 ?。?0)溫度控制系統設計;
 ?。?1)輔助設備設計。
  2.3設計重點
  2.3.1材料選擇
  鉑溶解反應釜本體采用多種制造工藝完成,釜蓋采用Q245R襯搪瓷結構(見圖2),釜體采用Q345R襯鉭結構。
  搪瓷(又稱搪玻璃)是在金屬基體上通過高溫復合一層光滑、致密的特殊性能的玻璃質材料。因搪玻璃反應釜具有玻璃的穩定性和金屬強度的雙重優點,是一種優良的耐腐蝕設備[3]。
  鉭除了具有非常出色的化學性質,有極高的抗腐蝕性能還擁有優異的導熱性能,但是造價昂貴[4]。兩種材料對王水都有很強的耐腐蝕性能。結合設備的結構特點、承載介質的液位高度以及對傳熱的要求,將兩種襯層結構有效地結合,既可保證設備的使用要求,又能降低整臺設備的制造成本。
  2.鉑溶解釜蓋搪瓷實物
  2.3.2導熱油及其用量控制
  鉑溶解反應釜在操作溫度下才能正常工作,如何在安全操作的情況下更快速的提升反應釜的溫度顯得尤為重要。一般而言,在溫度要求不高的情況下,可以采取水作為加熱介質,這種方法的局限性是升溫空間有限。如果需要更高的溫度,可以使用高壓過熱蒸汽法加熱。但采用高壓過熱蒸汽法加熱時,設備的風險系數也會相應增加。
  根據鉑溶解反應釜的加熱要求和對各種熱載體的比較,采用性能穩定、使用溫度高、加熱速度快且傳熱效率高的YD-320號導熱油作為加熱介質。
  鉑溶解反應釜的加熱方式采用在夾套底部插入電加熱棒直接加熱導熱油,通過導熱油間接加熱釜體內的王水,以促進鉑在王水介質中的溶解過程。
  目前,國內制造廠在使用導熱油的過程中存在不少問題,如經常遇到導熱油被氧化和酸值、粘度值偏離等,導致油品變質失效。這其中不乏有油品性能低劣的原因,還有大部分原因是客戶在使用過程中不注意油品防護引起的。另外,導熱油的使用量也是根據理論計算或憑經驗確定。若導熱油的注入量過多,有可能發生熱油溢出、燒傷、著火等事故,若注入量過少,會引起設備的干燒問題。針對這些可預見的隱患,鉑溶解反應釜的導熱油進口處配備一個平衡裝置。此裝置的作用:①利用平衡裝置與鉑溶解反應釜的勢能差,及時補給導熱油所需量,使夾套內的導熱油始終處于充滿狀態,并及時將多余氣體排出。②用來容納與補償夾套內的導熱油因溫度變化而產生的體積膨脹或收縮,同時隔絕高溫導熱油與空氣的直接接觸,降低油品被氧化的速度。
  2.3.3風攪拌系統
  與傳統的攪拌方式不同,鉑溶解反應釜內攪拌方式為風攪拌。通過鼓風機將風由管道送至與設備相連的攪拌棒中,在攪拌棒接近釜底的位置開孔,攪拌棒底部用螺紋塞堵住,風吹動開孔處的介質與周圍的鉑反應。風速大小可通過閥門自行控制。為了達到預期攪拌的效果,采用數值模擬的方法對流體流動狀態進行了模擬,結果良好。
  2.3.4溫度控制系統[10-15]
  此鉑溶解反應釜溫度控制系統通過PID調節方式調節釜內溫度,利用PLC內建的PID調節模塊對設定溫度和實時溫度進行PID調節,PID輸出量做為可控硅的驅動控制元件同時控制8個加熱器的加熱功率,從而調節導熱油和釜內溫度。本系統并入原有PLC控制系統,提供釜內溫度和導熱油溫度的數字信號輸出[5]。
  由于工藝溫度在200攝氏度以下,所以采用PT100鉑熱電阻做為測溫元件,釜內測溫采用搪瓷保護套管保護測溫電阻,夾套內采用不銹鋼保護套管進行保護。
  鉑溶解反應釜溫度控制系統由現場溫度測量儀表、電加熱器和遠程操作控制柜等組成。通過PT100熱電阻實時測量釜內溫度,進行現場顯示并遠傳到遠程控制柜。在夾套內設置PT100熱電阻測量導熱油溫度并接入遠程控制柜,在觸摸屏上監視溫度變化并實現超溫報警功能。
  采用8個電加熱器(總功率24kW)對導熱油進行加熱。通過PLC內算法對加熱功率進行實施調節,確保加熱器控溫精度。
  3結語
  根據鉑溶解反應釜的結構特點和使用條件,突破常規設計思路,大膽采用多種材料相結合的方法,將襯搪瓷與襯鉭工藝成功應用在一臺反應釜上。除此之外,總結了以往導熱油使用中出現過的問題并有針對性地采取了措施。按文中所述制造的鉑溶解反應釜已經投入使用,使用效果良好。
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