論反應釜的設(shè)計和制造

論反應釜的設(shè)計和制造

隨著科學技術(shù)日新月異的發(fā)展，反應釜已經(jīng)成為當前社會中不可或缺的一種設(shè)施。反應釜主要應用于醫(yī)藥、燃料、農(nóng)藥、橡膠以及石油化工中的縮合、聚合、烴化、氫化、硝化以及磺化等工藝。高壓反應釜屬于我國現(xiàn)階段實施高壓、高溫化學反應最為理想的一種設(shè)施。尤其是實施有毒、易燃、易爆等物質(zhì)的化學反應，高壓反應釜是必不可少的設(shè)備。但是，高壓反應釜也屬于非常容易出現(xiàn)火災爆炸、泄漏事故的設(shè)施，具有極高的危險性。鑒于此，設(shè)計、制造一種穩(wěn)定、安全，同時兼具國際科學水平的高壓反應釜非常重要。

1 明確技術(shù)參數(shù)

明確相關(guān)的技術(shù)參數(shù)不僅是設(shè)計反應釜的首要步驟，而且是最為關(guān)鍵的一個步驟，主要包含以下幾點：1）溫度設(shè)計（工作環(huán)境的最高溫度）、壓力設(shè)計（工作環(huán)境的最高壓力）。在客戶提出最高工作溫度與工作壓力要求之后，先依照物料的性質(zhì)來進行排放設(shè)施的種類與形式設(shè)計，再依照GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B“超壓泄放裝置”當中的相關(guān)需求進行溫度與壓力的設(shè)計。2）反應釜容積設(shè)計。反應釜容積主要包含全容積與有效容積，通常客戶提出的容積指的是有效容積。設(shè)計時，必須嚴格遵循安全生產(chǎn)的相關(guān)需求進行物料充裝系數(shù)的設(shè)計，通常充裝系數(shù)控制在0.60～0.85；針對存在容器法蘭結(jié)構(gòu)的反應釜，物料的充裝高度應當控制在容器法蘭密封面以內(nèi)。3）攪拌器類型與攪拌過程的轉(zhuǎn)速設(shè)計。攪拌器類型與攪拌過程的轉(zhuǎn)速關(guān)系到整個攪拌的效果與效率，必須嚴格按照相關(guān)的要求進行設(shè)計。4）電機功率設(shè)計。倘若客戶無法提供電機功率，就必須要明確攪拌器類型、轉(zhuǎn)速、直徑以及物料的黏度，根據(jù)“攪拌設(shè)施計算”的相關(guān)要求計算攪拌功率，最后再綜合考慮傳動副、減速機、軸承以及軸封所消耗的功率綜合計算并設(shè)計出標準的電機功率。

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2 明確軸封型式

現(xiàn)階段，使用率最高的軸封型式主要包含磁力傳動密封、填料密封以及機械密封3種。1）磁力傳動密封，通常主要應用于對軸封泄漏要求極高的情況。其把動密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封狀態(tài)，能夠達成零泄漏的目標。缺陷在于，高溫條件下無法使用，并且價格較為昂貴，維護工作也較為困難。2）填料密封，通常主要應用于轉(zhuǎn)速不高、對軸封泄漏要求相對較低的情況。該種密封方式的高壓通常都能夠達到30MPa，具有使用與維護方便的優(yōu)勢。但是，其轉(zhuǎn)速受到線速度與填料類型的約束。當轉(zhuǎn)速≤100r/min，且p≤6.4MPa的時候，應當選擇無油潤滑的單層填料函機構(gòu)；而當轉(zhuǎn)速＞100r/min，且p＞6.4MPa的時候，則應當設(shè)計高壓油泵來進行潤滑。同時，要應用二級或者多級的填料結(jié)構(gòu)函，保障每級都具有7層以上的填料函。此外，還必須要針對攪拌軸封位置實施鍍鉻，提升軸的耐磨性能，亦或是采用套管的方式進行保護。3）機械密封。通常主要應用于軸封泄漏要求不高、轉(zhuǎn)速較高的情況。機械密封的使用壓力較低，通常都應用在6.3MPa的環(huán)境中。缺陷主要在于造價較高，使用維護不便。

3 設(shè)計攪拌軸徑及傳動側(cè)兩軸承間距離

攪拌軸徑通常是依照扭轉(zhuǎn)變形條、攪拌功率以及攪拌轉(zhuǎn)速來綜合計算的，以此來估計大概的攪拌軸徑，最后再依照攪拌軸的強度、臨界轉(zhuǎn)速來進行軸徑的核算。在不能確定攪拌功率的情況下，也可以應用電機功率減去對應傳動副消耗的功率來當作相應的功率。當臨界攪拌速率以及軸封、軸端處的擺動量無法滿足相關(guān)需求的時候，可以選擇調(diào)整傳動側(cè)2個軸承之間的距離來實施核對。一般來說，2個軸承之間的距離取值為2.5倍～5.0倍攪拌軸直徑。此時，若仍舊不能滿足相關(guān)要求，則必須要考慮進一步增加攪拌軸的軸徑，亦或是在反應釜內(nèi)部設(shè)置底軸承。軸封處攪拌軸擺動量的幅度直接涉及到軸封的密封狀況。而擺動量的幅度應當由反應釜內(nèi)泄漏量與壓力來進行確定。在無法增加軸徑的時候，且通過設(shè)置底部軸承仍舊不能滿足允許擺動量的情況下，可以選擇在反應釜內(nèi)接近軸封的位置設(shè)置中間軸承來進行解決。通常狀況下，軸封處的擺量控制范圍為：機械密封0.04mm～0.08mm，填料密封0.08mm～0.13mm。

4 選材與結(jié)構(gòu)

4.1 材料選擇

物料的特征包括無腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕和化學腐蝕等。根據(jù)物料的這些特征來選擇使用碳鋼、不銹鋼以及具體的種類。比如，存在晶間腐蝕傾向的時候，則應當選擇通過固溶處理之后的不銹鋼。

4.2 物料選擇

當物料存在腐蝕情況，應用不銹鋼當作防腐蝕材料的情況下，通常可以選擇以下3種結(jié)構(gòu)：復合板結(jié)構(gòu)、全不銹鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)。詳細情況應當綜合考慮經(jīng)濟性能、壁厚以及制造工藝。需要注意的是，當處在會生成晶間腐蝕與應力腐蝕的情況下，不能夠選擇全不銹鋼的結(jié)構(gòu)。不然，會因為材料出現(xiàn)脆裂狀況而引發(fā)事故。

4.3 內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)

內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)主要包含脹貼式內(nèi)襯不銹鋼與傳統(tǒng)灌鉛式內(nèi)襯不銹鋼，這2種結(jié)構(gòu)對應不同的使用場合，具有各自的優(yōu)缺點。

1）脹貼式內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)釜體間與內(nèi)襯之間填充著導熱油，導致其剛度與傳熱的能力相對較低。釜體間與內(nèi)襯進行貼合主要是依靠高壓來實現(xiàn)，容易使局部應力出現(xiàn)過于集中的狀況。再加上外界壓力與溫度的升降變化，內(nèi)襯受到熱脹冷縮的影響，非常容易出現(xiàn)疲勞與內(nèi)應力不足的情況。所以，該種結(jié)構(gòu)主要適用于存在晶間腐蝕傾向與溫度較高的環(huán)境當中［4］。需要注意的是，必須要在內(nèi)襯夾層的間隙下端設(shè)置好排油孔，方便以后進行維護。

2）灌鉛式內(nèi)襯不銹鋼結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)釜體間與內(nèi)襯之間填充著鉛，具有良好的剛度與傳熱能力，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變的情況，主要應用于應力腐蝕的環(huán)境。但是，在進行灌鉛的過程中難以針對溫度進行有效的控制，非常容易出現(xiàn)過熱的情況，再加上鉛、銻合金的熔點相對較低，該結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度應當控制在250℃以內(nèi)。

4.4 封頭型式

釜體的封頭可以選擇平蓋、半球型封頭以及橢圓型封頭等。針對容積較小的反應釜，通常選擇橢圓封頭或者平蓋封頭與容器法蘭連接的結(jié)構(gòu)模式；而針對容積較大的反應釜而言，由于其具有管口布置簡單、受力好的特點，通常選擇半球型封頭。

4.5 內(nèi)筒與夾套的組裝

因內(nèi)筒部分長達近10m，采用立式組裝，受空間限制采用臥著套裝。套裝前，在夾套內(nèi)焊2個導軌，長度超過內(nèi)筒長度的1/3，在內(nèi)筒套入夾套約1/3后，利用導軌將內(nèi)筒滑入夾套中。

4.6 注意事項

1）結(jié)構(gòu)盡可能簡單。反應釜內(nèi)各個結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造應當盡可能堅持簡潔、流暢的原則，釜底位置盡量不設(shè)置排污口與排料，防止因為物料積聚或者掛料等各種死區(qū)使反應釜出現(xiàn)各類腐蝕性的破壞。

2）保障夾套錐部的強度。因為耳座焊在夾套上，所以套錐部與釜體的連接處承受了整個釜的重量。在進行設(shè)計與制造的時候，夾套錐部的厚度應進行局部校核。

5 結(jié)論

針對反應釜的設(shè)計應當從多個層面來進行參數(shù)設(shè)計、材料選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的文件也必須符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《鋼制壓力容器》等相關(guān)技術(shù)標準規(guī)程，才能夠有效地保障反應釜的安全可靠。