論反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)和制造

陳 美

（江蘇好收成韋恩農(nóng)化股份有限公司，江蘇 啟東 226221）

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，反應(yīng)釜已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)中不可或缺的一種設(shè)施。反應(yīng)釜主要應(yīng)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(yīng)釜屬于我國(guó)現(xiàn)階段實(shí)施高壓、高溫化學(xué)反應(yīng)最為理想的一種設(shè)施。尤其是實(shí)施有毒、易燃、易爆等物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，高壓反應(yīng)釜是必不可少的設(shè)備。但是，高壓反應(yīng)釜也屬于非常容易出現(xiàn)火災(zāi)爆炸、泄漏事故的設(shè)施，具有極高的危險(xiǎn)性。鑒于此，設(shè)計(jì)、制造一種穩(wěn)定、安全，同時(shí)兼具國(guó)際科學(xué)水平的高壓反應(yīng)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(jì)反應(yīng)釜的首要步驟，而且是最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟，主要包含以下幾點(diǎn)：1）溫度設(shè)計(jì)（工作環(huán)境的最高溫度）、壓力設(shè)計(jì)（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(jìn)行排放設(shè)施的種類與形式設(shè)計(jì)，再依照GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄B“超壓泄放裝置”當(dāng)中的相關(guān)需求進(jìn)行溫度與壓力的設(shè)計(jì)［1］。2）反應(yīng)釜容積設(shè)計(jì)。反應(yīng)釜容積主要包含全容積與有效容積，通?？蛻籼岢龅娜莘e指的是有效容積。設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循安全生產(chǎn)的相關(guān)需求進(jìn)行物料充裝系數(shù)的設(shè)計(jì)，通常充裝系數(shù)控制在0.60～0.85；針對(duì)存在容器法蘭結(jié)構(gòu)的反應(yīng)釜，物料的充裝高度應(yīng)當(dāng)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(jì)。攪拌器類型與攪拌過程的轉(zhuǎn)速關(guān)系到整個(gè)攪拌的效果與效率，必須嚴(yán)格按照相關(guān)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。4）電機(jī)功率設(shè)計(jì)。倘若客戶無法提供電機(jī)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(jì)算”的相關(guān)要求計(jì)算攪拌功率，最后再綜合考慮傳動(dòng)副、減速機(jī)、軸承以及軸封所消耗的功率綜合計(jì)算并設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)功率。

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(dòng)密封、填料密封以及機(jī)械密封3種。1）磁力傳動(dòng)密封，通常主要應(yīng)用于對(duì)軸封泄漏要求極高的情況。其把動(dòng)密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封狀態(tài)，能夠達(dá)成零泄漏的目標(biāo)。缺陷在于，高溫條件下無法使用，并且價(jià)格較為昂貴，維護(hù)工作也較為困難。2）填料密封，通常主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速不高、對(duì)軸封泄漏要求相對(duì)較低的情況。該種密封方式的高壓通常都能夠達(dá)到30MPa，具有使用與維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)。但是，其轉(zhuǎn)速受到線速度與填料類型的約束。當(dāng)轉(zhuǎn)速≤100r/min，且p≤6.4MPa的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)選擇無油潤(rùn)滑的單層填料函機(jī)構(gòu)；而當(dāng)轉(zhuǎn)速＞100r/min，且p＞6.4MPa的時(shí)候，則應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)高壓油泵來進(jìn)行潤(rùn)滑。同時(shí)，要應(yīng)用二級(jí)或者多級(jí)的填料結(jié)構(gòu)函，保障每級(jí)都具有7層以上的填料函［2］。此外，還必須要針對(duì)攪拌軸封位置實(shí)施鍍鉻，提升軸的耐磨性能，亦或是采用套管的方式進(jìn)行保護(hù)。3）機(jī)械密封。通常主要應(yīng)用于軸封泄漏要求不高、轉(zhuǎn)速較高的情況。機(jī)械密封的使用壓力較低，通常都應(yīng)用在6.3MPa的環(huán)境中。缺陷主要在于造價(jià)較高，使用維護(hù)不便。

3 設(shè)計(jì)攪拌軸徑及傳動(dòng)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(jì)算的，以此來估計(jì)大概的攪拌軸徑，最后再依照攪拌軸的強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速來進(jìn)行軸徑的核算。在不能確定攪拌功率的情況下，也可以應(yīng)用電機(jī)功率減去對(duì)應(yīng)傳動(dòng)副消耗的功率來當(dāng)作相應(yīng)的功率。當(dāng)臨界攪拌速率以及軸封、軸端處的擺動(dòng)量無法滿足相關(guān)需求的時(shí)候，可以選擇調(diào)整傳動(dòng)側(cè)2個(gè)軸承之間的距離來實(shí)施核對(duì)。一般來說，2個(gè)軸承之間的距離取值為2.5倍～5.0倍攪拌軸直徑。此時(shí)，若仍舊不能滿足相關(guān)要求，則必須要考慮進(jìn)一步增加攪拌軸的軸徑，亦或是在反應(yīng)釜內(nèi)部設(shè)置底軸承。軸封處攪拌軸擺動(dòng)量的幅度直接涉及到軸封的密封狀況。而擺動(dòng)量的幅度應(yīng)當(dāng)由反應(yīng)釜內(nèi)泄漏量與壓力來進(jìn)行確定。在無法增加軸徑的時(shí)候，且通過設(shè)置底部軸承仍舊不能滿足允許擺動(dòng)量的情況下，可以選擇在反應(yīng)釜內(nèi)接近軸封的位置設(shè)置中間軸承來進(jìn)行解決［3］。通常狀況下，軸封處的擺量控制范圍為：機(jī)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(yīng)力腐蝕和化學(xué)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(shí)候，則應(yīng)當(dāng)選擇通過固溶處理之后的不銹鋼。

4.2 物料選擇

當(dāng)物料存在腐蝕情況，應(yīng)用不銹鋼當(dāng)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(fù)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(xì)情況應(yīng)當(dāng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性能、壁厚以及制造工藝。需要注意的是，當(dāng)處在會(huì)生成晶間腐蝕與應(yīng)力腐蝕的情況下，不能夠選擇全不銹鋼的結(jié)構(gòu)。不然，會(huì)因?yàn)椴牧铣霈F(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(duì)應(yīng)不同的使用場(chǎng)合，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

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(dǎo)熱油，導(dǎo)致其剛度與傳熱的能力相對(duì)較低。釜體間與內(nèi)襯進(jìn)行貼合主要是依靠高壓來實(shí)現(xiàn)，容易使局部應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(jìn)行維護(hù)。

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(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變的情況，主要應(yīng)用于應(yīng)力腐蝕的環(huán)境。但是，在進(jìn)行灌鉛的過程中難以針對(duì)溫度進(jìn)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(diǎn)相對(duì)較低，該結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度應(yīng)當(dāng)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(duì)容積較小的反應(yīng)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(duì)容積較大的反應(yīng)釜而言，由于其具有管口布置簡(jiǎn)單、受力好的特點(diǎn)，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(zhǎng)達(dá)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(gè)導(dǎo)軌，長(zhǎng)度超過內(nèi)筒長(zhǎng)度的1/3，在內(nèi)筒套入夾套約1/3后，利用導(dǎo)軌將內(nèi)筒滑入夾套中。

4.6 注意事項(xiàng)

1）結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單。反應(yīng)釜內(nèi)各個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造應(yīng)當(dāng)盡可能堅(jiān)持簡(jiǎn)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?yàn)槲锪戏e聚或者掛料等各種死區(qū)使反應(yīng)釜出現(xiàn)各類腐蝕性的破壞。

2）保障夾套錐部的強(qiáng)度。因?yàn)槎冈趭A套上，所以套錐部與釜體的連接處承受了整個(gè)釜的重量。在進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造的時(shí)候，夾套錐部的厚度應(yīng)進(jìn)行局部校核。

5 結(jié)論

針對(duì)反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從多個(gè)層面來進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、材料選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，才能夠有效地保障反應(yīng)釜的安全可靠。

［1］ 唐建生，劉紅普，李曉靜.極端工況下新型真空反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)動(dòng)力屈曲分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（16）：146-149.

［2］ 胡建成，陳海霞，章秋香.酯化反應(yīng)釜攪拌器的改進(jìn)［J］.化工機(jī)械，2007，34（5）：281-282.

［3］ 厲鵬，劉寶慶，金志江.攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬的進(jìn)展［J］.化工機(jī)械，2010，37（6）：799-804.

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