设备工艺设计

第4章设备工艺设计本阶段工作通常在工艺流程设计、物料衡算及热量衡算工作完成的基础上进行。但有时需和物料衡算及热量衡算联合计算。设备的工艺设计包括定型设备（标准设备）和非定型设备（非标准设备）两大类。定型设备通过选型计算确定规格、型号，非定型设备则通过设计与计算，确定设备的结构及工艺尺寸。4.1定型设备选用定型设备最多的是流体动力过程、冷冻操作和机械操作中的设备，其他单元过程亦有可供选用，如不锈钢反应罐、搪玻璃反应罐及贮罐、冷凝器、离心机等都广泛用于复合材料产品的生产中。在选择时，必须充分考虑工艺上的要求和各种定型设备的规格、性能、技术特性与使用条件的适应。在选择设备时一般先确定设备的类型，然后确定其规格。物料输送泵（1）选择泵型泵型的选择一般从以下几方面考虑：物料状态（如含固量、含气量、压力及温度等）；物料性质（如腐蚀性、毒性、易燃易爆等）泵的安装位置情况（包括环境温度、海拔高度、装置平立面、布置要求等）。（2）确定流量和扬程流量按最大流量或正常流量的1.1～1.2倍计算，所需扬程（或压差）按泵的布置情况利用柏努利方程求出，再根据工艺过程情况采用1.05～1.1的安全系数。（3）选择泵的型号根据流量和扬程按选定的泵型从样本手册和说明书确定具体型号，并列出该泵的技术特性数据和安装尺寸以便定货及车间布置设计后序工作。真空泵选择（1）按真空泵的特性和系统的特性要求及有关环境选定合适的泵型，真空泵的特性见表4-1。（2）估算被抽真空系统空气泄露量。（3）按系统泄露量，由产品样本或有关设计手册选定真空泵的具体型号，并列出技术特性数据和安装尺寸，以便定货及后序设计工作。表4-１常用真空泵的特性真空泵类型特性活塞泵抽气量大，适于真空度较高、含水蒸汽少的场合。水环泵抽气量小，极限真空度较低，适合于排水蒸汽的场合。旋片泵抽气量小，极限真空度高，适合于水蒸汽少的场合。水喷射泵抽气量一般，极限真空度较低。结构简单，无运动部件，安装、操作、管理都方便。广泛用于真空要求不高、有水蒸气或腐蚀气体及毒性气体存在的场合。蒸气喷射泵抽气量大，结构简单，无运动部件，不需电动力，由一级到多级可适合各种场合，缺点是消耗水蒸气和水量大。4.2非定型设备设计（一）管壳式换热器（二）塔设备（三）搅拌反应釜装置（四）加热设备搅拌反应釜装置复合材料中所用树脂生产的核心装置是搅拌反应釜。间歇式生产工艺的反应装置包括配有搅拌器的反应釜和相应的加料、冷凝回流装置等，根据生产品种不同，在装置形式和包含内容上略有差别。下图为溶剂法醇酸树脂的反应装置。溶剂法醇酸树脂装置示意图１－反应釜；２－冷凝器；３－分水器；４－高位槽；５－温度计；６－视镜；７－回流管；８－排水阀反应釜的种类反应釜是反应装置的主体设备。对反应釜有不同的分类命名方法。如前所述，反应釜按生产产品不同，可命名为醇酸树脂反应釜、不饱和聚酯树脂反应釜、乳液反应釜等。可按所进行的反应，称为醇解釜、酯化釜、聚合釜等。也可按反应温度的高低，称为高温树脂反应釜（150—300℃）和低温树脂反应釜（60—150℃）。有的按反应釜加热的方式，称为直接火加热反应釜、电阻远红外加热反应釜、工频电感加热反应釜等。习惯上多从制造材质上进行分类命名，主要有碳钢反应釜、复合钢板反应釜、不锈钢反应釜和搪玻璃反应釜等４类。碳钢反应釜碳钢反应釜由于易生锈和不耐化学介质腐蚀，又有使反应物颜色加深的弊病，现在基本上已很少使用。复合钢板反应釜所用复合钢板是由一层不锈钢板热扎而成，它主要用在采用工频电感应加热的场合，与物料接触的是不锈钢，碳钢层主要用于电感应加热。现在使用最广的是不锈钢反应釜和搪玻璃反应釜。不锈钢反应釜不锈钢反应釜具有以下特点:不锈钢材质具有优良的机械性能，反应釜设计得当，可承受较高的工作压力，也可承受块状固体物料加料时的冲击。耐热性能好，工作温度范围很广（－１９６～６００℃）,在较高温度下不会氧化起皮，可用于直接火加热。具有高的腐蚀性能，无生锈现象。传热效果比搪玻璃反应釜好，升温和降温速度较快。有优良的加工性能，可按工艺要求，制成各种不同形状和结构的反应釜，还可以打磨抛光。但是用不锈钢材制造的造价较高，比搪玻璃反应釜要贵好几倍。接触卤族元素（氟、氯、溴等）时会产生晶间腐蚀，因此，不锈钢反应釜不能在有卤族元素介质存在的情况下工作。搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜又称搪瓷反应釜，是将含有二氧化硅的玻璃质釉涂于低碳钢制成的容器表面，经高温烧结而成。形成的搪玻璃衬里耐腐蚀性能好，能耐一般无机酸、有机酸、弱碱液（t≤６０℃，pＨ≤１２）、有机溶剂等介质的腐蚀，但不耐氢氟酸、强碱及温度高于１８０℃的浓磷酸的腐蚀。此外，搪玻璃衬里表面光滑，物料粘附少，容易清洗。因此，搪玻璃反应釜可以用作树脂生产的反应釜。但它毕竟是用两种不同物理性能的材料复合而成，而且玻璃釉质脆性大，因此它在耐压、耐温、抗机械冲击等方面还是有许多不足之处。①允许工作压力有限制。一般釜内为０.３９ＭＰa，夹套内为０.５９ＭＰa。由于搪玻璃设备的法兰密封及轴封的严密程度要比非搪玻璃设备差（烧结时变形所致），所以它不宜用于真空度大于８０kＰa的工作场合。②允许工作温度有限制。一般只能在２００℃以下使用。③温度急剧变化时，瓷釉容易出现破损。④搪玻璃层脆，抗机械冲击能力很低。⑤传热较慢，而且导电性差。由于导电性差，物料在釜内运动时容易产生静电荷的积聚。因此，必须采取防静电措施。由于以上原因，搪玻璃反应釜主要适用于较低温度下反应的树脂生产，如用作生产不饱和聚酯树脂稀释釜、乳液等的反应釜。反应釜从形式上有敞开式和密封式之分。在树脂生产中，除个别品种外，现在广泛使用密封式反应釜。反应釜的结构间歇式反应釜通常为圆筒形立式反应器，同时作为传热容器，一般由容器、釜内和釜外传热装置、搅拌装置和相应的传动、密封装置以及其他附件组成。它根据釜体的结构、传热装置和搅拌器形式而有多种不同型式。敞开式反应釜结构比较简单，由筒体和筒底（下封头）组成，一般装有活动釜盖，传动和搅拌装置为可移动式。密封式反应釜由釜盖（上封头）、筒体与筒底组成。在釜盖上安装传动和密封装置，以连接搅拌装置，并设置人孔、视镜、温度计孔、取样装置及各种接管、阀门等。根据生产品种和加热方式装配不同的釜内和釜外传热装置，在筒底大多有出料阀。图2为生产醇酸树脂的密封式反应釜结构示意图。图2醇酸树脂反应釜（热载体加热）１－减速机（带电机）；２－机架；３－填料箱；４－上封头；５－打沫翅；６－夹套；７－搅拌轴；８－蛇管；９－搅拌器；１０－筒体；１１－下封头不同用途的反应釜开孔数量不同，例如醇酸树脂釜盖开孔至少有10个，图3为釜盖开孔示意图。图3反应釜釜盖开孔示意图１－人孔；２－惰性气体通入口；３－回流液入口；４－温度计；５－投光孔；６－视镜；７－排空或安全阀接口；８－搅拌轴（轴封）；９－蒸汽出口；１０－取样孔；１１－加料口反应釜釜盖的开孔配置，也随釜盖直径的大小、出料方式的不同而略有差异。如釜盖直径较小，布孔布置不足，有的可一孔多用，如在人孔盖上设视镜；在一个进料口上设置一个水平总管，供几种原料管路并联连接；若布孔位置富余，为了减少打开人孔的次数并减轻劳动强度，有的反应釜另外开设手孔；直接火加热的反应釜，从安全角度考虑，都不在釜底接管，出料采用一个插底管，大多利用抽真空的方法从釜盖上出料；取样则大多利用插入液面下的取样管用真空取样，也有从釜体下部侧面取样的。反应釜的壁厚，随反应釜的容积增大而增加，如釜径1m以下的不锈钢的筒体壁厚为3-4mm；釜径2m以上时，则最低壁厚为8-10mm。具体尺寸依据反应釜操作情况而定。釜底厚度一般要比筒体为大。例如12m3以热载体加热的醇树脂反应釜的釜底厚度为20mm，筒体厚度为16mm。反应釜筒体的长径比（H/D）通常在1~1.3之间，依据反应釜容积的大小而有变化。如一般树脂反应釜容积在12m3以下时，长径比通常在1.1左右,若容积增大至20m3以上，由于需要的传热面积增大，因而长径比通常要增大1.2~1.3倍。此外，根据生产品种不同，反应釜的长径比也有差别。一般不锈钢反应釜的釜盖和釜底多采用标准的椭圆形封头，如图4所示。图4椭圆形封头T－封头内径；h１－直边高度；h２－曲面高度；Ｓ－厚度反应釜的传热装置反应釜中物料在反应过程中要吸热或放热，有时还要反复进行。反应釜作为传热容器，使外来热源传入物料以加热物料，或使物料的热能用热载体吸收以冷却物料。依据热源不同反应釜釜体可设计成不同形式。为反应釜物料提供热源有两种形式，即直接加热和间接加热。如用燃料燃烧的直接火焰、电阻或电感应等直接加热发方式对反应釜加热时，反应釜釜体多为单层圆筒形容器，由金属板材制成。用气相或液相热载体对反应釜间接加热，釜体就有各种型式的传热装置。釜体外部最常用的是平滑夹套和螺旋盘管夹套；釜体内部常用浸入式热交换盘管（蛇管）。为了增加传热面积，有的釜内设置了传热挡板。平滑夹套在筒体和筒底底装设平滑的夹套是间接方式最通用的传热设施，也叫整体夹套或简称为夹套，适用于液态或气态的各种热载体加热反应釜中物料。通常，平滑夹套设计的高度为筒体高的0.65倍左右，相当于反应釜的装料系数的下限。容积１m3以下的反应釜，夹套的宽度一般在５０mm左右；３m3以上反应釜，约为７５mm；１０m3反应釜夹套约宽１００mm。在夹套内通入气态或液态热载体，筒体承受外来压力，带夹套的筒体要按外压容器考虑，厚度要经过计算。在操作中要注意控制夹套内的压力不超过设计规定值，否则筒体可能被压瘪。原则上釜内装料高度应超过夹套高度，以避免形成“干烧”，使釜内物料出现局部过热和结焦现象。为了适应反应物料不同的液面高度，同时也便于调节加热速度，可将夹套设计成２～３段。对于原料分段加入的反应釜，例如醇酸树脂反应釜，可避免器壁反应物过热。经验表明，夹套位置适当降低较好，设计成两段是比较恰当的。另外，为了提高加热效率，需要提高热载体在夹套内的流速，以提高夹套侧流体的给热系数，并防止流体从进口走“短路”直达出口，形成部分“死角”，有必要在夹套中间设置螺旋导板，螺旋导板与夹套壁的间隙要小些，以减少热载体从间隙处通过的流量。为了减少由于筒壁与夹套壁温度不同而产生的温差应力，常在高温树脂反应釜的上部夹套中设置膨胀节，底部夹套由于封头有一定的补偿能力，不再设置膨胀节。螺旋盘管夹套在反应釜筒体釜底焊接整管、半管或成型轧材的螺旋盘管式夹套，是近年来通行的釜体外部传热装置，其中以半管式应用为广泛。螺旋半管夹套有３个特点：可以减少筒体和封头的壁厚，节省金属材料。由于蒸汽或导热油等热载体都有一定压力，夹套反应釜按外压容器计算，所以筒体和封头壁厚较大。而半管式反应釜，由于半管尺寸小，加上筒体和封头上焊了较多螺旋半圆管，大大增加了刚性和承压能力，不必按外压容器计算，壁厚大大减小。例如同样为１２m3的醇酸树脂反应釜，夹套式反应釜筒体的名义壁厚为１６mm，釜底为２０mm；而半管式反应釜的筒体和釜底的名义壁厚仅为１０mm。提高传热效率由于半管截面积小，热载体流速大，所以给热系数也大，提高了传热效率。适合于液态热载体对反应釜的加热。节约能量半管的总容积比夹套的总容积小得多，以１２m3树脂反应釜为例，夹套的总容积为1.8m3，而半管总容积仅为0.2m3，两者相差８倍。树脂反应釜在生产过程中，要不断进行升温和降温，夹套容量大，在反复升温、降温过程中，就要多消耗一些能量。但半管反应釜也有不足之处；它的制造难度大，所以虽然节省一些材料，但因制造费工，设备总造价还是与夹套反应釜相近。其次，半管式反应釜焊缝太多，焊接质量难以保证，加上温差应力的影响，半管焊缝泄漏的可能性和几率比夹套大得多。使用过程中有发生过焊缝泄漏事故的实例。在实践中发现需要反复进行加热和冷却的反应釜，泄漏严重，而只进行加热、不需要强制冷却的反应釜，在制造质量较高情况下很少出现泄漏。因此，半管式反应釜最适宜用于液相热载体加热和冷却的低温树脂反应釜和只作加热用的高温树脂反应釜。浸入式传热装置为了加大传