論反應釜的設計和制造

論反應釜的設計和制造

隨著科學技術日新月異的發展，反應釜已經成為當前社會中不可或缺的一種設施。反應釜主要應用于醫藥、燃料、農藥、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階段實施高壓、高溫化學反應最為理想的一種設施。尤其是實施有毒、易燃、易爆等物質的化學反應，高壓反應釜是必不可少的設備。但是，高壓反應釜也屬于非常容易出現火災爆炸、泄漏事故的設施，具有極高的危險性。鑒于此，設計、制造一種穩定、安全，同時兼具國際科學水平的高壓反應釜非常重要。

1 明確技術參數

明確相關的技術參數不僅是設計反應釜的首要步驟，而且是最為關鍵的一個步驟，主要包含以下幾點：1）溫度設計（工作環境的最高溫度）、壓力設計（工作環境的最高壓力）。在客戶提出最高工作溫度與工作壓力要求之后，先依照物料的性質來進行排放設施的種類與形式設計，再依照GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B“超壓泄放裝置”當中的相關需求進行溫度與壓力的設計。2）反應釜容積設計。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。設計時，必須嚴格遵循安全生產的相關需求進行物料充裝系數的設計，通常充裝系數控制在0.60～0.85；針對存在容器法蘭結構的反應釜，物料的充裝高度應當控制在容器法蘭密封面以內。3）攪拌器類型與攪拌過程的轉速設計。攪拌器類型與攪拌過程的轉速關系到整個攪拌的效果與效率，必須嚴格按照相關的要求進行設計。4）電機功率設計。倘若客戶無法提供電機功率，就必須要明確攪拌器類型、轉速、直徑以及物料的黏度，根據“攪拌設施計算”的相關要求計算攪拌功率，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計出標準的電機功率。

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2 明確軸封型式

現階段，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。其把動密封轉變為靜密封狀態，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勢。但是，其轉速受到線速度與填料類型的約束。當轉速≤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；而當轉速＞100r/min，且p＞6.4MPa的時候，則應當設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構函，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的環境中。缺陷主要在于造價較高，使用維護不便。

3 設計攪拌軸徑及傳動側兩軸承間距離

攪拌軸徑通常是依照扭轉變形條、攪拌功率以及攪拌轉速來綜合計算的，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需求的時候，可以選擇調整傳動側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，亦或是在反應釜內部設置底軸承。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接近軸封的位置設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 選材與結構

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種結構：復合板結構、全不銹鋼結構和內襯不銹鋼結構。詳細情況應當綜合考慮經濟性能、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構。不然，會因為材料出現脆裂狀況而引發事故。

4.3 內襯不銹鋼結構

內襯不銹鋼結構主要包含脹貼式內襯不銹鋼與傳統灌鉛式內襯不銹鋼，這2種結構對應不同的使用場合，具有各自的優缺點。

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

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

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構模式；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 內筒與夾套的組裝

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

4.6 注意事項

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

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。在進行設計與制造的時候，夾套錐部的厚度應進行局部校核。

5 結論

針對反應釜的設計應當從多個層面來進行參數設計、材料選擇以及結構設計，設計的文件也必須符合《固定式壓力容器安全技術監察規程》和《鋼制壓力容器》等相關技術標準規程，才能夠有效地保障反應釜的安全可靠。