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一种新型衬钽反应釜的结构设计



引言

精馏塔设计单位雷特石化2018年2月28日讯  目前,在国内外石油、化工、医药等行业产品生产装置中,反应釜是广泛应用的关键设备之一,担负着提供化学反应场所的重要作用,是整个化工工艺流程的心脏。然而,反应介质通常具有毒性和腐蚀性等特点,一旦泄漏,不但会影响产品质量,还会对操作人员和环境造成极大的危害。因此在确保使用安全的前提下,如何合理设计、制造反应釜设备具有非常重要的现实意义。

1反应釜的分类及使用

根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类。根据材质和用途又可分为不锈钢反应釜、搪玻璃反应釜、磁力搅拌反应釜、不饱和聚酯树脂全套设备、蒸汽反应釜、小型试验用高压釜、双玻璃反应釜等。

2反应釜的结构形式

反应釜一般由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等,搅拌装置在高径比较大时,可用多层搅拌桨叶,也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套,或在器内设置换热面,也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外(内)盘管加热等,冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却,搅拌桨叶的形式等[1]。支承座有支承式或耳式支座等。

3反应釜的工作原理

在进行化学反应之前,先将反应物按照一定的比例混合,然后与催化剂一同投入反应釜内,在反应釜的夹套中加入一定量的热载体来提高釜内物料的温度,通过搅拌器的搅拌使物料均匀并同时提高导热速度,使其温度均匀。当釜内温度达到预定的温度时,保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行,反应结束后进行冷却。

4铂溶解反应釜设计

4.1设计工况

本台铂溶解反应釜设备的主要设计参数如表1所示。

表1 主要设计参数

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4.2设计内容

(1)釜体的强度、刚度、稳定性及结构设计[2]

(2)釜盖、夹套的强度、刚度和结构设计[2]

(3)搪瓷结构设计;

(4)视镜的选型;

(5)法兰、接管法兰及开孔补强计算;

(6)支座的选型及校验;

(7)焊缝的结构及尺寸设计;

(8)衬钽结构设计;

(9)风搅拌系统设计;

(10)温度控制系统设计;

(11)辅助设备设计;

4.3设计特色

铂溶解反应釜的主体为釜盖,釜体,夹套三大部分组成(见图一)。在釜内按王水的配制比例依次加入盐酸和硝酸以及金属铂,使其在内部进行化学反应。为了维持反应釜内的反应温度,需要设置换热元件。换热元件选择夹套,它包围在釜体的外部,用焊接的连接方式使其与釜体外壁形成密闭空间。在此空间通入导热油,通过夹套内壁的传热,可加热容器内的物料,提供化学反应的基础条件。

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图1 铂溶解反应釜结构图

(1)材料选择   

反应釜设备本体采用多种制造工艺完成,釜盖采用Q245R衬搪瓷结构(见图2),釜体采用Q345R衬钽结构

搪瓷又称搪玻璃,是在金属基体上通过高温复合一层光滑、致密的特殊性能的玻璃质材料。因搪玻璃反应釜具有玻璃的稳定性和金属强度的双重优点,是一种优良的耐腐蚀设备[3]

金属钽作为国家战略储备物资是一种稀有金属,主要通过电子束或真空电弧熔炼而成,其熔点高达2996℃,密度16.6g/cm3,具有体心立方晶体结构、线膨胀系数小、导热率高等性能。钽的质地虽然坚硬,但其延展性和韧性良好,因此它具有良好的高温强度和加工性能。此外,钽还具有非常出色的化学性质,有极高的抗腐蚀性能,但是造价昂贵[4]两种材料对王水都能展现出强大的耐腐蚀性能。结合设备的结构特点、承载介质的液位高度以及对传热的要求,将两种衬层结构有效地结合,既保证了设备的使用要求,又降低了整台设备的成本。

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图2 釜盖搪瓷实物图

(2)热载体的选取   

反应釜在操作温度下才能正常工作,如何在安全操作的情况下更快速的提升反应釜的温度显得尤为重要。一般而言,在温度要求不高的情况下,可以采取水加热的方法来快速提温,但这种方法的局限性是提升空间有限。如果需要更高的温度,可以使用高压过热蒸汽法加热。然而,设备的风险系数也会相应增加。新技术的应用让工业生产的不可能变成了可能,更让设备的操作变得简单。越来越多的介质代替了水和高压蒸汽作为新一代热载体列入到企业的选择中,例如矿物油、导热油、联苯醚混合剂、液态铅、熔盐等。本台反应釜采用的是YD-320型号的导热油,性能稳定,使用温度高,加热速度快,传热效率高。

(3)辅助设备设计

反应釜的加热方式采用在夹套底部插入电加热棒直接加热介质,产生的热能来间接加热釜体内的王水,以促进铂在王水介质中的溶解过程。

目前,国内制造厂在使用导热油的过程中存在不少问题,如经常遇到导热油被氧化、酸值、粘度值等偏离,最终油品变质失效的问题。这其中不乏有油品性能低劣的原因,还有大部分原因是客户在使用过程中不注意油品防护引起的。另外,导热油的使用量也是根据理论计算或凭经验给定的。若导热油的注入量过多,有可能发生热油溢出、烧伤、着火等事故,若注入量过少,会引起设备的干烧问题。针对这些可预见性的隐患,此反应釜的导热油进口处配备一个平衡装置。此装置的作用:一方面,利用平衡装置与铂溶解反应釜的势能差,及时补给导热油所需量,使夹套内的导热油始终处于充满状态,并及时将多余气体排出。另一方面,用来容纳与补偿夹套内的导热油因温度变化而产生的体积膨胀或收缩,同时隔绝高温导热油与空气的直接接触,降低油品被氧化的速度;

(4)风搅拌系统

与传统的搅拌方式不同,铂溶解反应釜内搅拌方式为风搅拌。通过鼓风机将风源由管道送至与设备相连的搅拌棒中,在搅拌棒接近釜底的位置开孔,搅拌棒底部用螺纹塞堵住,风源吹动开孔处的介质与周围的铂反应。风速大小可通过阀门自行控制。为了达到预期搅拌的效果,采用数值模拟的方法对流体流动状态进行了模拟,结果良好。

(5)温度控制系统

在反应釜内完成的化学工业过程的特征参量一般为温度、压力、浓度等,这些参量是化工过程本身属性的表现。它们不仅是化工生产过程质量好坏的表征,而且在很多时候也是化工生产过程安全性的表征。因此,通过测量并校正这些参数,以确保化工生产过程的质量和安全是十分重要的。

本台反应釜温度控制系统通过PID调节方式调节釜内温度,利用PLC内建的PID调节模块对设定温度和实时温度进行PID调节,PID输出量作为可控硅的驱动控制元件同时控制8根加热器的加热功率,从而调节导热油和釜内温度。本系统并入原有PLC控制系统,提供釜内温度和导热油温度的数字信号输出[5]

由于工艺温度在200度以下,所以采用PT100铂热电阻作为测温元件,釜内测温采用搪瓷保护套管保护测温电阻,夹套内采用不锈钢保护套管进行保护。

反应釜温度控制系统由现场温度测量仪表,电加热器和远程操作控制柜等组成。通过PT100热电阻实时测量釜内温度,进行现场显示和远传给远程控制柜。在夹套内设置PT100热电阻测量导热油温度并接入远程控制柜,在触摸屏上监视温度变化并实现超温报警功能。采用8根电加热器共计24KW对导热油进行加热。通过PLC内算法对加热功率进行实施调节,确保加热器控温精度。

5总结与展望

针对特材反应釜的结构特点和使用条件,突破常规设计思路,大胆采用多种材料相结合的制造方法,将衬搪瓷与衬钽工艺成功应用在一台反应釜上。除此之外,对于同类产品出现过的问题进行了改善创新、对于设备在运行过程中的可能出现的问题进行了预测防护。迄今为止,铂溶解反应釜设备已经投入使用3年有余,据抚顺石化公司的反馈证明使用效果良好。

国内在反应釜等化工机械设备的设计和制造方面已经有了很大进步,但在实际应用中还有很多不足。设备的局限性,功能的单一性,产品的可靠性,加上同行业间的竞争,使各个企业面临的形势十分严峻。只有使化工产品向知识密集化、技术综合化、产品智能化等方面发展才能在未来走的更快更远。


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