第四节　树脂反应釜的结构设计、加热方式、传热装置及放大设计

一、高压反应釜设计的技术特点

与传统的夹套式反应釜相比,大容量高压反应釜设计具有以下特点。

1.生产能力大

大容量反应釜以单层釜壁取代了传统的夹套式釜壁,使反应容器不承受或只承受较小的外压,因而摆脱了传统的外压容器由于容积增加而带来的釜壁过厚、传热不良等因素的限制,使得反应釜的容积量可达到30m³,甚至更大,这大大提高了单釜生产能力。

2.传热系数高

反应介质的加热和冷却均采用内置板式换热器,传热系数比传统的盘管式换热器高40%,而且板式换热器结构较紧凑,有利于在容积较大的反应釜内布置充足的加热和冷却面积,使树脂的合成反应过程进行得更加均匀、稳定。

3.易于维修

由于内置板式换热器是可拆卸的,因此易于清洗和维修,有利于减少操作故障,提高生产的稳定性。

综上所述,大容量高压反应釜具有生产能力大、传热效果好、易于维修等特点,应用于生产实践中可以减少设备台数,节约厂房投资,减少操作人员,降低生产成本。因此,大容量高压反应釜愈来愈广泛地被应用于人造板黏合剂的生产中。

二、现代反应釜加热方式

目前,反应釜传统的加热方式主要有以下几种。

(1)导热油加热方式　这种加热方式的特点是热效率较高,运行成本较蒸汽加热和电加热低,但其致命的缺陷是危险性大,而且设备运行一年后,其换热效率将大幅度降低,需更换导热油和换热管道。

(2)电加热方式　这种反应釜加热方式的特点是热源清洁,操作方便,缺点是运行成本太高。

(3)蒸汽加热方式　此种加热方式用户需配备高压蒸汽锅炉,不但用户的设备成本很高,而且由于是压力容器需专业人员操作,加热速度也很慢。

针对以上加热方式的弊端,经研究,将热风炉应用到反应釜上,此系统的特点为:升温及降温快速高效;运行成本较蒸汽及电加热大大降低(降低3~4倍);安全可靠,方便操作。

三、现代反应釜的传热装置

反应釜的传热装置(见图2⁃2)可以转入化学反应所需要的热量或带走反应生成的热量,并保持一定的操作温度。釜体外部设置夹套;釜体内壁设置蛇管。

1.夹套

其以夹套包覆范围内的釜体壳壁作为传热元件。其结构简单,制造方便,基本上不需要检修,不占釜内反应空间。

用蒸汽作为载热体,蒸汽从上端进入夹套,冷凝水从夹套底部排出;冷却时,冷却用的液体则从下端进,上端出,这样能使夹套中经常充满液体。夹套的顶部和底部,开有供传热介质进出的管口,出口接管与一般容器的出口接管一样。

为放出夹套中的空气和惰性气体,使载热流体充满整个夹套空间,可以安装排气口。

2.蛇管

当反应釜衬里或釜壁采用导热性差的材料制造,而不宜用夹套传热,或因夹套传热面积不够时,则采用蛇管传热。蛇管沉浸在物料中,热量损失小,传热效果好,同时还能起到导流筒的作用,但检修麻烦。

蛇管的传热面积与其管径和管长有关,管子过长,管内流体阻力大,能量消耗多;管径过大,则蛇管加工较困难。管径通常为DN25~DN70。

四、反应釜搅拌器

反应釜搅拌器选型方法是最好具备两个条件,一是选择结果合理,二是选择方法简便,而这两点却往往难以同时具备。由于液体的黏度对搅拌状态有很大的影响,所以根据搅拌介质黏度大小来选型是一种基本的方法。几种典型的反应釜搅拌器都随黏度的不同而有不同的使用范围。随黏度增高的各种搅拌器使用顺序为推进式→涡轮式→桨式→锚式→螺带式等。这里对推进式分得较细,提出了大容量液体时用低转速,小容量液体时用高转速。

(1)锚式

常用运转条件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介质黏度范围:<10⁵mPa·s。流动状态:不同高度上的水平环向流。如为折叶或角钢型叶可增加桨叶附近的涡流、层流状态操作。

(2)框式

常用运转条件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介质黏度范围:<10⁵mPa·s。流动状态:同锚式。

适合于高黏度的流体的混合、传热、反应等操作过程;特点:低剪切、循环能力强、超低速运行、高能耗;搅拌转速60~120r/min。

分为椭圆底、90°锥底、120°锥底、锚式、搪玻璃专用锚工结构。

(3)推进式

常用运转条件:n=100~500r/min,v=3~15m/s。

常用介质黏度范围:<2000mPs·s。

流动状态:①轴流型,循环速率高,剪切力小。②采用挡板或导流筒,则轴向循环更强。③典型轴流浆,适合低黏度流体的混合、传热、循环、固体悬浮、溶解等。

特点:低剪切、强循环、高速运行、低能耗;搅拌转速200~1500r/min。

分为上翻斜式和下翻斜式结构,如果高速运转需带稳定系统。

(4)开启涡轮式

常用运转条件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介质黏度范围:<10⁵mPa·s。流动状态:不同高度上的水平环向流。如为折叶或角钢型叶可增加桨叶附近的涡流、层流状态操作。

(5)圆盘涡轮

常用运转条件:n=10~300r/min,v=4~10m/s,折叶式v=2~6m/s。

常用介质黏度范围:<5×10⁴mPa·s;

折叶、后弯叶<10⁴mPa·s。

流动状态:平直叶、后弯叶的为径向流。

在有挡板时可自桨叶为界,形成上、下两个循环流。折叶的还有轴向分流,圆盘?上下的液体混合不如开启涡轮。

典型径流剪切桨,适合中低黏度流体的混合、萃取、乳化、固体悬浮、溶解、气泡分散、吸收等。

特点:强剪切、中速运行、高耗能。搅拌转速100~600r/min。

分直叶、折叶、弯叶、斜叶、凹叶五种形式。

(6)螺带式、双螺带式、螺带螺杆式

常用运转条件:n=1~100r/min,v=1~5m/s。

常用介质黏度范围:<10⁵mPa·s。流动状态:不同高度上的水平环向流。如为折叶或角钢型叶可增加桨叶附近的涡流、层流状态操作。

适合高黏度和高固含量物料的混合、传热反应等操作过程;特点:低剪切、循环能力强、超低速运行、高能耗;搅拌转速60~80r/min。

(7)桨式

其见图2⁃3。分平直叶和折叶两种形式。

常用运转条件:n=1~100r/min,v=1.0~5.0m/s。

常用介质黏度范围:<2000mPs·s。

流动状态:

① 平直叶:低速时水平环向流为主;速度高时为径流型;有挡板时为上下循环流。

② 折叶:有轴向分流、径向分流和环向分流。多在层流、过渡流状态时操作。

五、现代反应釜设计制造中搅拌装置的选择

1.选择搅拌器

由结构选择时所决定,本釜选用推进式搅拌器。

根据搅拌器直径与罐体内径之比,常取0.2~0.5,选取搅拌器主要尺寸如图2⁃4及其说明所示。

搅拌器键槽b=12mm;t=43.6mm;H=65mm;质量3.62kg。

2.设计搅拌轴

(1)搅拌轴的材料　选用45#钢。

(2)搅拌轴的结构　连接桨式的轴头较简单,因用螺栓对夹,所以用光轴即可;与联轴器配合的轴头结构需要车削台肩,开键槽,轴端还需要车螺纹,轴的具体结构如图2⁃5所示。

(3)搅拌轴强度校核　选用电机Y32M2⁃6。选用轴功率P=4kW,轴转速n=200r/min,45#钢扭转切应力,系数取122,则考虑开键槽和物料对轴的腐蚀,轴径扩大12%。故d为40mm满足强度要求。

(4)搅拌轴的形位公差和表面粗糙度要求　一般搅拌轴要求运转平稳;为防止轴的弯曲对轴封处的不利影响,轴安装和加工要控制轴的直度,要使搅拌轴转速稳定,直线度允差应不大于壳体长度的0.1%。

(5)安装轴承处轴的公差带　采用k6,外壳孔的公差带采用H7,安装轴承的配合表面粗糙度Ra取0.8,外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。

六、树脂生产中反应釜的放大设计

随着建筑业、汽车业、船舶业等行业的不断发展,涂料行业也得以迅速发展。在一大批新兴涂料企业崛起的同时,不少名牌涂料企业为了扩大业务范围,增加市场份额,巩固自身的市场竞争力,也在不断地引进新技术,扩大生产规模。

反应釜是涂料行业树脂生产中的核心设备,涂料生产规模的扩大与反应釜的放大设计密不可分,其设计的好坏直接影响到产品的质量、产量、能耗等。

反应釜放大设计的基本步骤如下:

确定规格及台数——确定传热方式——计算传热面积——确定搅拌器型式——计算搅拌功率

如下通过对“某公司10000t/a氟涂料产业化工程”树脂反应釜放大设计的阐述,使读者对反应釜放大设计的主要原则和步骤有一定的了解。

1.规格和台数的确定

反应釜放大设计中首先根据工厂现有反应釜规格为1.5m³,考虑到放大风险性、设备投资等因素,首先确定将反应釜的规格放大到4.5m³。

根据工艺控制指标,聚合反应时间约为20h,加上辅助过程,出一釜料的周期约为25h。年工作时间按6000h计算,则每台聚合反应釜全年生产批次为6000÷25=240。按装料系数0.8、物料密度约为1000kg/m³考虑,一台釜全年处理量约为864t。根据扩大后的生产规模,聚合釜年处理量为2982t,则所需台数为2982÷864≈3.45,因此本设计确定聚合釜的台数为4台。

2.传热方式及传热面积的确定

按4.5m³反应釜规格计算夹套最大换热面积约为10m²。

初步估算,根据现有1.5m³反应釜的规格,其夹套换热面积约为4.5m²,设备放大后,K值、Δt基本不变,热量约为原来的3倍,则所需夹套换热面积同样应为原来的3倍,即4.5×3=13.5m²。

由此可见,反应釜放大到4.5m³后,仅靠夹套面积无法满足传热要求,需设内盘管。

为方便冷、热水切换的自动控制,设计中采用内盘管冷却、夹套加热的传热方式。

盘管换热面积核算如下:

根据厂方提供的数据及物料平衡图等,计算出反应热Q≈3.27×10⁵kJ/h。

已知反应釜反应温度为70℃,取循环冷却水上水、回水温度分别为30℃和35℃,则:Δt=[(70-30)-(70-35)]/ln[(70-30)/(70-35)]≈27.78℃

根据公式Q=KFΔt,盘管冷却取经验值K≈2.09×10³kJ/(m²·h·℃),则:F=Q/(KΔt)=3.27×10⁵/(2.09×10³×37.44)≈4.16m²

考虑20%的富余量,确定盘管换热面积为5m²。

夹套换热面积核算如下:

按工艺要求,设反应釜内物料在1.5h内由20℃升温至70℃。

根据物料平衡图及各种物料的物性参数,计算出升温所需热量Q≈1.67×10⁵kJ/h。

取热水上水、回水温度分别为95℃和90℃;夹套热水加热取K≈628.02kJ/(m²·h·℃),

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

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

考虑20%的富余量,夹套所需换热面积约为7.7m²,可见4.5m³反应釜夹套面积可满足加热的需要。

3.搅拌器型式及搅拌功率的确定

反应釜搅拌器常见的有推进式、桨式、涡轮式、框式或锚式、螺带式等,不同的操作类别应选用不同的搅拌器型式。工厂原有反应釜采用框式搅拌。该类搅拌形式消耗功率较大,通常用于高黏度液体的搅拌。根据该工程的工艺特点,反应过程中存在气体分散和气体吸收的过程,且物料黏度不大,这类操作要求搅拌器的容积循环和剪切作用都好。因此设计中将反应釜的搅拌器型式一般改为圆盘弯叶涡轮式为妥。