第四節(jié)　樹脂反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加熱方式、傳熱裝置及放大設(shè)計(jì)

一、高壓反應(yīng)釜設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的夾套式反應(yīng)釜相比,大容量高壓反應(yīng)釜設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。

1.生產(chǎn)能力大

大容量反應(yīng)釜以單層釜壁取代了傳統(tǒng)的夾套式釜壁,使反應(yīng)容器不承受或只承受較小的外壓,因而擺脫了傳統(tǒng)的外壓容器由于容積增加而帶來的釜壁過厚、傳熱不良等因素的限制,使得反應(yīng)釜的容積量可達(dá)到30m³,甚至更大,這大大提高了單釜生產(chǎn)能力。

2.傳熱系數(shù)高

反應(yīng)介質(zhì)的加熱和冷卻均采用內(nèi)置板式換熱器,傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)的盤管式換熱器高40%,而且板式換熱器結(jié)構(gòu)較緊湊,有利于在容積較大的反應(yīng)釜內(nèi)布置充足的加熱和冷卻面積,使樹脂的合成反應(yīng)過程進(jìn)行得更加均勻、穩(wěn)定。

3.易于維修

由于內(nèi)置板式換熱器是可拆卸的,因此易于清洗和維修,有利于減少操作故障,提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

綜上所述,大容量高壓反應(yīng)釜具有生產(chǎn)能力大、傳熱效果好、易于維修等特點(diǎn),應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中可以減少設(shè)備臺數(shù),節(jié)約廠房投資,減少操作人員,降低生產(chǎn)成本。因此,大容量高壓反應(yīng)釜愈來愈廣泛地被應(yīng)用于人造板黏合劑的生產(chǎn)中。

二、現(xiàn)代反應(yīng)釜加熱方式

目前,反應(yīng)釜傳統(tǒng)的加熱方式主要有以下幾種。

(1)導(dǎo)熱油加熱方式　這種加熱方式的特點(diǎn)是熱效率較高,運(yùn)行成本較蒸汽加熱和電加熱低,但其致命的缺陷是危險(xiǎn)性大,而且設(shè)備運(yùn)行一年后,其換熱效率將大幅度降低,需更換導(dǎo)熱油和換熱管道。

(2)電加熱方式　這種反應(yīng)釜加熱方式的特點(diǎn)是熱源清潔,操作方便,缺點(diǎn)是運(yùn)行成本太高。

(3)蒸汽加熱方式　此種加熱方式用戶需配備高壓蒸汽鍋爐,不但用戶的設(shè)備成本很高,而且由于是壓力容器需專業(yè)人員操作,加熱速度也很慢。

針對以上加熱方式的弊端,經(jīng)研究,將熱風(fēng)爐應(yīng)用到反應(yīng)釜上,此系統(tǒng)的特點(diǎn)為:升溫及降溫快速高效;運(yùn)行成本較蒸汽及電加熱大大降低(降低3~4倍);安全可靠,方便操作。

三、現(xiàn)代反應(yīng)釜的傳熱裝置

反應(yīng)釜的傳熱裝置(見圖2?2)可以轉(zhuǎn)入化學(xué)反應(yīng)所需要的熱量或帶走反應(yīng)生成的熱量,并保持一定的操作溫度。釜體外部設(shè)置夾套;釜體內(nèi)壁設(shè)置蛇管。

1.夾套

其以夾套包覆范圍內(nèi)的釜體殼壁作為傳熱元件。其結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,基本上不需要檢修,不占釜內(nèi)反應(yīng)空間。

用蒸汽作為載熱體,蒸汽從上端進(jìn)入夾套,冷凝水從夾套底部排出;冷卻時(shí),冷卻用的液體則從下端進(jìn),上端出,這樣能使夾套中經(jīng)常充滿液體。夾套的頂部和底部,開有供傳熱介質(zhì)進(jìn)出的管口,出口接管與一般容器的出口接管一樣。

為放出夾套中的空氣和惰性氣體,使載熱流體充滿整個(gè)夾套空間,可以安裝排氣口。

2.蛇管

當(dāng)反應(yīng)釜襯里或釜壁采用導(dǎo)熱性差的材料制造,而不宜用夾套傳熱,或因夾套傳熱面積不夠時(shí),則采用蛇管傳熱。蛇管沉浸在物料中,熱量損失小,傳熱效果好,同時(shí)還能起到導(dǎo)流筒的作用,但檢修麻煩。

蛇管的傳熱面積與其管徑和管長有關(guān),管子過長,管內(nèi)流體阻力大,能量消耗多;管徑過大,則蛇管加工較困難。管徑通常為DN25~DN70。

四、反應(yīng)釜攪拌器

反應(yīng)釜攪拌器選型方法是最好具備兩個(gè)條件,一是選擇結(jié)果合理,二是選擇方法簡便,而這兩點(diǎn)卻往往難以同時(shí)具備。由于液體的黏度對攪拌狀態(tài)有很大的影響,所以根據(jù)攪拌介質(zhì)黏度大小來選型是一種基本的方法。幾種典型的反應(yīng)釜攪拌器都隨黏度的不同而有不同的使用范圍。隨黏度增高的各種攪拌器使用順序?yàn)橥七M(jìn)式→渦輪式→槳式→錨式→螺帶式等。這里對推進(jìn)式分得較細(xì),提出了大容量液體時(shí)用低轉(zhuǎn)速,小容量液體時(shí)用高轉(zhuǎn)速。

(1)錨式

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<10⁵mPa·s。流動狀態(tài):不同高度上的水平環(huán)向流。如為折葉或角鋼型葉可增加槳葉附近的渦流、層流狀態(tài)操作。

(2)框式

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<10⁵mPa·s。流動狀態(tài):同錨式。

適合于高黏度的流體的混合、傳熱、反應(yīng)等操作過程;特點(diǎn):低剪切、循環(huán)能力強(qiáng)、超低速運(yùn)行、高能耗;攪拌轉(zhuǎn)速60~120r/min。

分為橢圓底、90°錐底、120°錐底、錨式、搪玻璃專用錨工結(jié)構(gòu)。

(3)推進(jìn)式

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=100~500r/min,v=3~15m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<2000mPs·s。

流動狀態(tài):①軸流型,循環(huán)速率高,剪切力小。②采用擋板或?qū)Я魍?則軸向循環(huán)更強(qiáng)。③典型軸流漿,適合低黏度流體的混合、傳熱、循環(huán)、固體懸浮、溶解等。

特點(diǎn):低剪切、強(qiáng)循環(huán)、高速運(yùn)行、低能耗;攪拌轉(zhuǎn)速200~1500r/min。

分為上翻斜式和下翻斜式結(jié)構(gòu),如果高速運(yùn)轉(zhuǎn)需帶穩(wěn)定系統(tǒng)。

(4)開啟渦輪式

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<10⁵mPa·s。流動狀態(tài):不同高度上的水平環(huán)向流。如為折葉或角鋼型葉可增加槳葉附近的渦流、層流狀態(tài)操作。

(5)圓盤渦輪

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=10~300r/min,v=4~10m/s,折葉式v=2~6m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<5×10⁴mPa·s;

折葉、后彎葉<10⁴mPa·s。

流動狀態(tài):平直葉、后彎葉的為徑向流。

在有擋板時(shí)可自槳葉為界,形成上、下兩個(gè)循環(huán)流。折葉的還有軸向分流,圓盤?上下的液體混合不如開啟渦輪。

典型徑流剪切槳,適合中低黏度流體的混合、萃取、乳化、固體懸浮、溶解、氣泡分散、吸收等。

特點(diǎn):強(qiáng)剪切、中速運(yùn)行、高耗能。攪拌轉(zhuǎn)速100~600r/min。

分直葉、折葉、彎葉、斜葉、凹葉五種形式。

(6)螺帶式、雙螺帶式、螺帶螺桿式

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<10⁵mPa·s。流動狀態(tài):不同高度上的水平環(huán)向流。如為折葉或角鋼型葉可增加槳葉附近的渦流、層流狀態(tài)操作。

適合高黏度和高固含量物料的混合、傳熱反應(yīng)等操作過程;特點(diǎn):低剪切、循環(huán)能力強(qiáng)、超低速運(yùn)行、高能耗;攪拌轉(zhuǎn)速60~80r/min。

(7)槳式

其見圖2?3。分平直葉和折葉兩種形式。

常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件:n=1~100r/min,v=1.0~5.0m/s。

常用介質(zhì)黏度范圍:<2000mPs·s。

流動狀態(tài):

① 平直葉:低速時(shí)水平環(huán)向流為主;速度高時(shí)為徑流型;有擋板時(shí)為上下循環(huán)流。

② 折葉:有軸向分流、徑向分流和環(huán)向分流。多在層流、過渡流狀態(tài)時(shí)操作。

五、現(xiàn)代反應(yīng)釜設(shè)計(jì)制造中攪拌裝置的選擇

1.選擇攪拌器

由結(jié)構(gòu)選擇時(shí)所決定,本釜選用推進(jìn)式攪拌器。

根據(jù)攪拌器直徑與罐體內(nèi)徑之比,常取0.2~0.5,選取攪拌器主要尺寸如圖2?4及其說明所示。

攪拌器鍵槽b=12mm;t=43.6mm;H=65mm;質(zhì)量3.62kg。

2.設(shè)計(jì)攪拌軸

(1)攪拌軸的材料　選用45#鋼。

(2)攪拌軸的結(jié)構(gòu)　連接槳式的軸頭較簡單,因用螺栓對夾,所以用光軸即可;與聯(lián)軸器配合的軸頭結(jié)構(gòu)需要車削臺肩,開鍵槽,軸端還需要車螺紋,軸的具體結(jié)構(gòu)如圖2?5所示。

(3)攪拌軸強(qiáng)度校核　選用電機(jī)Y32M2?6。選用軸功率P=4kW,軸轉(zhuǎn)速n=200r/min,45#鋼扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,系數(shù)取122,則考慮開鍵槽和物料對軸的腐蝕,軸徑擴(kuò)大12%。故d為40mm滿足強(qiáng)度要求。

(4)攪拌軸的形位公差和表面粗糙度要求　一般攪拌軸要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn);為防止軸的彎曲對軸封處的不利影響,軸安裝和加工要控制軸的直度,要使攪拌軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,直線度允差應(yīng)不大于殼體長度的0.1%。

(5)安裝軸承處軸的公差帶　采用k6,外殼孔的公差帶采用H7,安裝軸承的配合表面粗糙度Ra取0.8,外殼孔與軸承配合表面粗糙度Ra取1.6。

六、樹脂生產(chǎn)中反應(yīng)釜的放大設(shè)計(jì)

隨著建筑業(yè)、汽車業(yè)、船舶業(yè)等行業(yè)的不斷發(fā)展,涂料行業(yè)也得以迅速發(fā)展。在一大批新興涂料企業(yè)崛起的同時(shí),不少名牌涂料企業(yè)為了擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍,增加市場份額,鞏固自身的市場競爭力,也在不斷地引進(jìn)新技術(shù),擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

反應(yīng)釜是涂料行業(yè)樹脂生產(chǎn)中的核心設(shè)備,涂料生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大與反應(yīng)釜的放大設(shè)計(jì)密不可分,其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗等。

反應(yīng)釜放大設(shè)計(jì)的基本步驟如下:

確定規(guī)格及臺數(shù)——確定傳熱方式——計(jì)算傳熱面積——確定攪拌器型式——計(jì)算攪拌功率

如下通過對“某公司10000t/a氟涂料產(chǎn)業(yè)化工程”樹脂反應(yīng)釜放大設(shè)計(jì)的闡述,使讀者對反應(yīng)釜放大設(shè)計(jì)的主要原則和步驟有一定的了解。

1.規(guī)格和臺數(shù)的確定

反應(yīng)釜放大設(shè)計(jì)中首先根據(jù)工廠現(xiàn)有反應(yīng)釜規(guī)格為1.5m³,考慮到放大風(fēng)險(xiǎn)性、設(shè)備投資等因素,首先確定將反應(yīng)釜的規(guī)格放大到4.5m³。

根據(jù)工藝控制指標(biāo),聚合反應(yīng)時(shí)間約為20h,加上輔助過程,出一釜料的周期約為25h。年工作時(shí)間按6000h計(jì)算,則每臺聚合反應(yīng)釜全年生產(chǎn)批次為6000÷25=240。按裝料系數(shù)0.8、物料密度約為1000kg/m³考慮,一臺釜全年處理量約為864t。根據(jù)擴(kuò)大后的生產(chǎn)規(guī)模,聚合釜年處理量為2982t,則所需臺數(shù)為2982÷864≈3.45,因此本設(shè)計(jì)確定聚合釜的臺數(shù)為4臺。

2.傳熱方式及傳熱面積的確定

按4.5m³反應(yīng)釜規(guī)格計(jì)算夾套最大換熱面積約為10m²。

初步估算,根據(jù)現(xiàn)有1.5m³反應(yīng)釜的規(guī)格,其夾套換熱面積約為4.5m²,設(shè)備放大后,K值、Δt基本不變,熱量約為原來的3倍,則所需夾套換熱面積同樣應(yīng)為原來的3倍,即4.5×3=13.5m²。

由此可見,反應(yīng)釜放大到4.5m³后,僅靠夾套面積無法滿足傳熱要求,需設(shè)內(nèi)盤管。

為方便冷、熱水切換的自動控制,設(shè)計(jì)中采用內(nèi)盤管冷卻、夾套加熱的傳熱方式。

盤管換熱面積核算如下:

根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù)及物料平衡圖等,計(jì)算出反應(yīng)熱Q≈3.27×10⁵kJ/h。

已知反應(yīng)釜反應(yīng)溫度為70℃,取循環(huán)冷卻水上水、回水溫度分別為30℃和35℃,則:Δt=[(70-30)-(70-35)]/ln[(70-30)/(70-35)]≈27.78℃

根據(jù)公式Q=KFΔt,盤管冷卻取經(jīng)驗(yàn)值K≈2.09×10³kJ/(m²·h·℃),則:F=Q/(KΔt)=3.27×10⁵/(2.09×10³×37.44)≈4.16m²

考慮20%的富余量,確定盤管換熱面積為5m²。

夾套換熱面積核算如下:

按工藝要求,設(shè)反應(yīng)釜內(nèi)物料在1.5h內(nèi)由20℃升溫至70℃。

根據(jù)物料平衡圖及各種物料的物性參數(shù),計(jì)算出升溫所需熱量Q≈1.67×10⁵kJ/h。

取熱水上水、回水溫度分別為95℃和90℃;夾套熱水加熱取K≈628.02kJ/(m²·h·℃),

則:Δt=[(95-20)-(90-70)]/ln[(95-20)/(90-70)]≈41.6℃

F=Q/(KΔt)=1.67×10⁵/(628.02×41.6)≈6.4m²

考慮20%的富余量,夾套所需換熱面積約為7.7m²,可見4.5m³反應(yīng)釜夾套面積可滿足加熱的需要。

3.攪拌器型式及攪拌功率的確定

反應(yīng)釜攪拌器常見的有推進(jìn)式、槳式、渦輪式、框式或錨式、螺帶式等,不同的操作類別應(yīng)選用不同的攪拌器型式。工廠原有反應(yīng)釜采用框式攪拌。該類攪拌形式消耗功率較大,通常用于高黏度液體的攪拌。根據(jù)該工程的工藝特點(diǎn),反應(yīng)過程中存在氣體分散和氣體吸收的過程,且物料黏度不大,這類操作要求攪拌器的容積循環(huán)和剪切作用都好。因此設(shè)計(jì)中將反應(yīng)釜的攪拌器型式一般改為圓盤彎葉渦輪式為妥。