车间工艺流程的选择和工艺设备的选型课件

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。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14.1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。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2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。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3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。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4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。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，54.2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4.2非定型设备设计（一）管壳式换热器6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。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7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－排水阀溶剂法醇酸树脂装置示意图8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。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9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。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10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。不锈钢反应釜不锈钢反应釜具有以下特点:11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。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12①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。①允许工作压力有限制。一般釜内为０.３９ＭＰa，夹套内为０.13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。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14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－下封头图2醇酸树脂反应釜（热载体加热）15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1016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17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。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18图4椭圆形封头T－封头内径；h１－直边高度；h２－曲面高度；Ｓ－厚度图4椭圆形封头19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。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20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。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21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。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22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。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23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。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24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。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25浸入式传热装置为了加大传热面积，加快升、降温速度，不论夹套釜或半管釜，都可以在釜内设置浸入式热交换装置。一般反应釜容量大于６m3时，就要考虑加浸入式盘管。盘管有单排式和双排式等。以分段设置为宜。盘管设置数量按工艺要求而定。盘管设计成能经受较高的压力，其制造质量应经严格的检验，以防泄漏。浸入式传热装置为了加大传热面积，加快升、降温速度，不论夹套釜26反应釜的搅拌装置搅拌是化工生产中经常应用的单元操作。它可使液－液或液－固相间得以充分的混合、分散或溶解。它能使物料强烈流动，从而强化传热过程，使化学反应加速进行。在树脂等生产过程中，反应釜的搅拌对提高产品质量和生产效率起着重要作用。反应釜的搅拌装置搅拌是化工生产中经常应用的单元操作。它可使27反应釜的冷凝回流设备

反应釜的冷凝回流设备主要是蒸出管、冷凝器和分水器，从反应釜出来的蒸汽经蒸出管进入冷凝器冷凝，冷凝液进入分水器，使水与溶剂（如二甲苯）分离，溶剂回流到反应釜，水从分水器下端排出。（1）蒸出管蒸出管，又称直管冷凝器，根据不同品种树脂的反应要求，有不同形式。如生产乳液时，蒸出气体很少，通常使用直管。一般使用带夹的直立式圆管，管径较粗，根据需要夹套中通入冷水或蒸汽，以起到使气体冷凝回流入反应釜，或使气体快速蒸出到冷凝器中冷凝的作用。反应釜的冷凝回流设备28（2）冷凝器冷凝器是树脂反应釜重要的配套设备，其结构大多是列管式（也叫管壳式），以卧式倾斜安装的居多。从材质上看，除少数场合使用铝管冷凝外，几乎都用不锈钢冷凝器，管程与物料接触的全用不锈钢，通水的部分可用碳钢。冷凝器的大小依据冷凝物料的数量和冷凝速度选用。（3）分水器也称油水分离器。它的作用是将经冷凝器冷凝下来的液体进行分离，上部的溶剂回收利用或经Ｕ型回流管返回反应釜内，下部的水不定期排放掉。分水器的容量以略大于釜内反应所可能产生的水量为原则。（2）冷凝器29稀释罐稀释罐又称兑稀罐、稀释釜，它是树脂反应釜的配套设备，在稀释罐中，树脂用稀释剂予以稀释，使之达到工艺要求的固体分和粘度。影响高分子聚合物溶胀和溶解过程的因素，除与高分子的结构、特性及稀释剂的特性有关外，也与二者间相互扩散速率有关。为了增加树脂与稀释剂的接触，加快分子扩散速率，获得均匀的树脂溶液，在稀释过程中需要搅拌。搅拌的同时改善了传热状况，如树脂反应完成后通过泵送、真空抽送或依靠位差自流进入稀释罐时，一般需要冷却，搅拌加快了冷却速度。稀释罐稀释罐又称兑稀罐、稀释釜，它是树脂反应釜的配套设备，30稀释用的稀释剂，根据工艺要求，可能是一种，也可能是几种。加入稀释剂的方法，大体上有两种：一种是先在稀释罐中加入树脂，然后加入稀释剂，此谓正兑稀；另一种是先在稀释罐中加入稀释剂，然后再加入树脂，此谓“反兑稀”。“反兑稀”冷却速度快，稀释罐内壁不易结皮。但稀释时挥发的稀释剂较多，需要配备较大的回流冷凝器。稀释罐的结构与反应釜相似，一般都是一个立式的带搅拌的容器，需要有传热结构---夹套或者带内部盘管。稀释罐的搅拌，并不需要很激烈。所以一般采用桨式搅拌的容器或开启式折叶涡轮搅拌器，罐壁加挡板。反应釜的传动大多用摆线针轮减速机。稀释用的稀释剂，根据工艺要求，可能是一种，也可能是几种。加入31稀释罐的传热结构，在大多数情况下是为了冷却罐内的树脂液。但有时也有需要加热的时候，如在稀释罐中的树脂液未及时过滤，在需要过滤时，温度较低而不适合过滤的要求，这时就要给稀释罐内的树脂液加热（一般用蒸汽）。稀释罐的传热结构可以用夹套或内部盘管。使用内部盘管时，筒体不受外压，罐内是常压的，可按常压容器设计和制造，罐体较薄，造价较低。所以使用这种结构的较多。稀释罐的传热结构，在大多数情况下是为了冷却罐内的树脂液。但有32由于稀释时，稀释剂要挥发，所以要在稀释罐顶部设置回流冷凝器，回收稀释剂，保护环境。回流冷凝器用直管或列管式，垂直安装于稀释罐出气口上。稀释剂冷凝后回流入稀释罐，不凝性气体排至大气中。稀释罐的容量一般取与之配套的反应釜容量的1.5～2倍，为了给兑稀操作留一点调整粘度与固体分的余地，稀释罐的容量可以略大于反应釜2倍容量。由于稀释时，稀释剂要挥发，所以要在稀释罐顶部设置回流冷凝器，33加热设备在树脂生产过程中，温度的控制特别重要。按照工艺要求，使反应在规定的温度下进行，既能缩短工时，又能保证产品质量。另外，在整个生产周期中，减少加热和冷却占用时间，对提高单机的产量，也有重要的意义。对于树脂反应釜来说，加热方式可分为直接加热和间接加热，常用的加热方式如下：加热设备在树脂生产过程中，温度的控制特别重要。按照工艺要求，34直接加热间接加热燃料燃烧火焰加热电加热热载体加热固体燃料（煤或焦碳）液体燃料:柴油气体燃料:煤气或天然气工频电感加热电阻远红外加热电热棒加热:直接或间接蒸汽加热热水加热:热水或加压热水导热油液相加热联苯混合物气相加热直接加热间接加热燃料燃烧火焰加热电加热热载体加热固体燃料（煤35加热方式的选择要因地制宜，综合考虑。生产工艺提出的要求如加热温度、加热速度，是否需要冷却及冷却的速度，要求达到的温度精度，对自控的要求等。以生产丙烯酸树脂和乳液为例，蒸汽加热和热水加热都能达到加热温度，但热水加热更缓和、更均匀，温度自控更精确，避免了局部过热现象，对提高产品质量起到很重要的作用。加热方式的选择要因地制宜，综合考虑。36生产规模及设备容量的大小近年来导热油加热很流行，但它也有系统庞大、复杂附属设备多、耗电量大、占地面积大、占用人员多以及投资费用高等缺点。所以，若生产规模很小或设备容量很小，很可能用电加热更经济。当地及现场环境的条件有些地方水电资源充足，用电不紧张，可适当多考虑用一些电加热（要作经济技术对比）。有些工厂场地面积小，无堆煤存灰之处，就不宜选用燃煤热油炉。有些环境要求防爆，选用的加热方式是否符合要求，还要征得当地消防部门的同意。生产规模及设备容量的大小近年来导热油加热很流行，但它也有371.燃料燃烧火焰加热燃料燃烧火焰加热通称直接火加热或明火加热，也称炉灶加热。即将反应釜安置在炉灶之上，在炉膛直接燃烧煤、焦碳、柴油、煤气或天然气等燃料，火焰直接烧及釜底及釜壁。这是最原始、最古老的加热方法，但由于它简单易行，投资费用低，至今还有使用。1.燃料燃烧火焰加热382.电加热（1）工频电感加热工频电感加热是利用涡流损耗在铁壳中所产生的热量对釜内物料进行加热。工频电感加热多用于高温反应型的树脂生产，它的优点是取材容易，施工简单，加热比较均匀，控制温度方便，作业环境比较清洁，缺点是功率因素低，约０.65-0.70,热效率低，耗电量大，运行费用高。2.电加热39（2）电阻远红外加热电阻远红外加热是７０年代发展起来的一种加热新技术。它的主要优点是功率因素高（约0.97）、热效率高、省电、节能。据介绍，它比工频电感加热可节能２５％左右。而且安全、卫生、无噪音。电阻远红外加热反应釜受热均匀，若配用可控硅调功器，能方便地调控温度。电阻远红外加热的缺点是一次投资费用高，冷却不方便，使用寿命一般不及工频电感长。（2）电阻远红外加热40（3）电热棒加热

电热棒是管状电热元件的俗称。它是用金属作外壳，管中放入合金电阻丝作发热体，在空隙部分紧密填充具有良好绝缘和导热性能的结晶氧化镁而组成的一种电加热元件。（3）电热棒加热

电热棒是管状电热元件的俗称。它是用金属作41电热棒的使用主要有两种方式。一种方式是直接插入釜内物料中加热，这种方式，热效率当然很高，但由于树脂反应釜内的液体大多是易燃易爆的，故一般不推荐采用。另一种方式是将电热棒插入反应釜夹套中，加热中间热载体，中间热载体处于自然对流状态。中间热载体受热同时给反应釜加热。

电热棒的使用主要有两种方式。一种方式是直接插入釜内物料中加热42这种方法的缺点是中间热载体没有强制循环，电热棒表面的高温使其局部过热、分解、变质，使用寿命大大地缩短；同时，电热棒表面也容易结焦，使传热效率降低。中间热载体大多用导热油或联苯混合物。这种方法的缺点是中间热载体没有强制循环，电热棒表面的高温使其43解决夹套中热载体不流动的缺点，有两种改进的方法。一种方法是在釜外单独设置2台热油泵，使电热棒所在的釜底夹套部分的导热油定期轮换流动，以冲刷电热棒表面，使之不结焦。这种方法与冷油箱配合，还可以起到冷却作用。另一种方法是在夹套底部插一个小型搅拌器，此搅拌器也是定期轮换作正反向转动，使导热油不停地冲刷电热棒表面。解决夹套中热载体不流动的缺点，有两种改进的方法。一种方法是在44.蒸汽加热蒸汽加热即饱和水蒸气加热，是低温树脂最常用的加热方法。将蒸汽从上部通入反应釜的夹套或釜内的蛇管中，然后将冷凝水从夹套或蛇管下方通过疏水器排出，这样就可以方便地完成加热操作，由于饱和水蒸气的温度与压力有对应关系，通过压力的调节，就能控制加热温度。下表中摘录了部分饱和水蒸气的压力与温度的对应关系。.蒸汽加热蒸汽加热即饱和水蒸气加热，是低温树脂最常用的加热方45表压，Ｍp温度，℃表压，Ｍp温度，℃0.10.20.30.40.5120.2

133.3

143.4

151.7

158.70.6

0.7

0.8

0.9

1.0164.7

170.4

175.1

179.9

183.5饱和水蒸气压力与温度对照表表压，Ｍp温度，℃表压，Ｍp温度，℃0.1120.2

46从上表可以看出要加热到150℃左右，加上加热时需要的温差，大约用0.6-0.7ＭＰa压力的蒸汽即可行。如加热温度再提高，由于压力太大，对一般夹套反应釜是不适宜的。因此蒸汽加热通常用于反应温度150℃以下的树脂生产。从上表可以看出要加热到150℃左右，加上加热时需要的温差，大47利用蒸汽加热，要注意几个问题。①在开始加热时，要把夹套中的空气排尽。一般多在夹套顶端、蒸汽入口对面设置排气旋塞，以排除不凝性气体。②冷凝水要及时排除，否则部分传热面积被浸泡，将使传热效果变坏。要通过蒸水器排出，不要使蒸汽从旁路直接溢出，以免浪费能源。③夹套通入蒸汽传热，反应釜本体受外压，所以蒸汽压力不能超过设备设计压力，特别当夹套上未安装安全阀时，更要注意，以免釜体被压瘪。使用蒸汽加热，对反应釜冷却也很方便，只要在蒸汽出口处接冷却水入口，在蒸汽入口处接冷却出口即可。利用蒸汽加热，要注意几个问题。48热水加热热水加热的优点是加热均匀、缓和，不会产生局部过热现象。其缺点是其给热系数不大。普通热水加热的温度范围为40-100℃，但加压热水（过热水）加热，其温度视压力的大小可提高很多。如用表压0.7ＭＰa的蒸汽通过一个高效换热器可将水加热到１50℃左右，加压热水（约0.4ＭＰa）经离心泵密闭旋环，向反应釜供热．反应釜可采用半管加热结构，对温度可进行自动调节，加热均匀，操作方便．可应用在150℃以下反应的树脂生产，如丙烯树脂和乳液等。热水加热热水加热的优点是加热均匀、缓和，不会产生局部过热现49导热油加热为了加热均匀，能精确调控温度并满足安全生产要求，在复合材料生产的很多场合，都不能使用直接火加热。除去几种电加热方法外，普遍使用间接加热法。间接加热，就是通过热载体来加热。除了上面提到的以水为热载体的水蒸气加热和热水加热外，还有多种热载体．无机盐、熔融金属和合金，也可作为热载体，可用于400℃以上高温的特殊情况。一般对于150-385℃范围，大多使用有机热载体加热。以前，汽缸油、汽轮机油等石油类物质也曾用作热载体．由于它们耐热性能差，使用中很快氧化、变稠，寿命很短，现已基本淘汰。导热油加热为了加热均匀，能精确调控温度并满足安全生产要求，在50目前广泛使用的有机热载体加热方法主要有导热油液相加热和联苯混合物气相加热。采用导热油液相加热的方式具有加热均匀、能在较低压力下获得较高的温度、热效率高（0.7-0.85）、节能、安全性好、无污染、方便操作，并易于实现自动控制温度等优点，是复合材料行业大型树脂装置比较理想的加热方式，自80年代以来，得到迅速推广。目前广泛使用的有机热载体加热方法主要有导热油液相加热和联苯混51下图为典型的导热油液相加热流程。图5热油加热装置简要流程图（加热）

1－热油炉；2－膨胀槽；3－用热设备；4－热油贮槽；

5－注油泵；6－过滤器；7－热油循环泵导热油加热流程下图为典型的导热油液相加热流程。图5热油加热装置简要52导热油经热油循环泵注入热油炉加热，然后去加热用热设备，再回流到热油循环泵，如此不断循环，将热油炉的热量传递给用热设备，达到加热的目的。导热油受热后，其自身体积要膨胀，所以要在高于系统所有设备1.5-2m以上的地方设置高位膨胀槽，膨胀槽与系统用膨胀管连接，一般都接在热油循环泵的进口管上。膨胀槽设溢流管，如系统中加油过多，受热膨胀后溢出，可流入热油贮槽。热油贮槽也可以经油泵向系统中补加导热油。如热油贮槽的位置比热油炉低，在系统检修或发生事故时应将导热油放入热油槽。否则为安全计要另设泄油贮槽。导热油经热油循环泵注入热油炉加热，然后去加热用热设备，再回流53阀门Ｋ1处的管路通常称之为旁路，在以往的工程实践中，常有人犯了不设旁路的常识性错误。试想，假如没有旁路，当用热设备停止加热时，系统中的导热油停止流动，那么导热油在热油炉内就可能过热、变质、甚至炭化成焦炭状固体。所以不但一定要设旁路，而且最好能根据通过热油炉的流量或炉进出口的压差进行自控。其目的就是无论用热设备工艺情况如何变化，都要保证有足够的流量的导热油通过热油炉。阀门Ｋ1处的管路通常称之为旁路，在以往的工程实践中，常有人犯54图6热油加热装置简要流程图（加热和冷却）1-热油炉；2-膨胀槽；3-用热设备；4-冷油冷却器；5-冷油贮槽6-冷油循环泵；7-热油槽；8-注油泵；9-过滤器；10-热油循环泵图6热油加热装置简要流程图（加热和冷却）55图6为除了加热，同时还能进行冷却的流程图。此流程中有两套系统：热油系统和冷油系统，热油系统与图5加热流程相同。当需要冷却时，启用冷油系统，应注意，此时热油炉和热油循环泵不能停。应先打开阀门Ｋ1，使热油通过Ｋ１阀从旁路进行循环。然后倒换用热设备的进出口阀门，关闭Ｋ2、Ｋ４开启Ｋ3、Ｋ5，启动冷油循环泵，将冷油贮槽的冷油送入用热设备，置换热油，对用热设备进行冷却。热交换后的通过冷油冷却器冷却，再进入冷油贮槽，如此循环，直至达到冷却要求。从图6中可以看出热油系统和冷油系统装置的区别。热油系统中，热油贮槽并末串联在循环回路中，热胀冷缩问题由膨胀槽来解决。冷油系统中，冷油贮槽串联在循环回路中，但冷油贮槽不充满，通大气，所以不需要膨胀槽。近年的加热流程中增加了自动控制系统，如热油炉热油出口温度和反应釜内温度的自动调节系统，热油炉流量自动调节系统。此外在膨胀槽管路安装中也有不同改进。图6为除了加热，同时还能进行冷却的流程图。此流程中有两套系统56热油炉热油炉用来加热导热热油，是热油加热系统的关键设备。热油炉选用是否得当，直接影响操作的安全、热效率的高低及装置的成本。与蒸汽锅炉不同的是，热油炉中的热载体是有机物，而不是水，为了避免导热油在炉内局部过热而结焦，就要求导热油在炉管内有较高的流速，必须有循环泵使之强制循环。所以热油炉大多采用管式炉结构。热油炉热油炉用来加热导热热油，是热油加热系统的关键设备。热油57热油系统的附属设备热油系统除热油炉外，附属设备还有导热油循环泵、高位膨胀槽、过滤器、贮槽、冷却器等。①导热油循环泵热油系统的导热油要作强制循环，必须有循环泵提供动力。对同时具备加热和冷却功能的热油系统，需要分别设置热油循环泵和冷却循环泵。热油系统的附属设备热油系统除热油炉外，附属设备还有导热油循58②高位膨胀槽膨胀槽是热油系统中一个重要设备,其主要功能是：a吸收整个系统中导热油因温度升高所产生的膨胀量；b补充系统中因泄漏等原因造成导热油的损失；c该槽处于高位，起着补充压头的作用；d当新油装入系统后，操作时起排气作用；e在突然停电时，可以用膨胀槽的冷油置换热油炉炉管中热油，以保护导热油不结焦；f在向系统补加油时，可把油注入膨胀槽，再由膨胀槽自流到系统中。这种注油方法对降低高位膨胀槽的油温有利；g当系统需要氮封时，可在膨胀槽液面上通入氮气。膨胀槽有立式和卧式两种，其容积一般应不小于系统中导热油运行量膨胀值的1.3倍。膨胀槽安装、使用要注意下列问题：②高位膨胀槽膨胀槽是热油系统中一个重要设备,其主要功59a.膨胀槽的安装位置，应使槽底高出系统中所有用热和供热设备导热油液面最高点1.5m以上，并且不要安装在热油炉的正上方，以防导热油因膨胀或系统意外进水导致喷出而引起火灾。b.膨胀槽下部应连接适合的膨胀管，膨胀管的直径一般不大于主管线直径的一半。c.高位膨胀槽的膨胀管应该接在循环泵的进口侧，由于它给泵的进口提供了较高的压头，可防止离心油泵产生汽蚀现象。d.膨胀槽应配有液面计和最低报警器，并设有溢流管，溢流管应接到贮槽上。a.膨胀槽的安装位置，应使槽底高出系统中所有用热和供热设备60③过滤器导热油系统使用的过滤器有两种。一种是粗过滤器，目的是过滤铁锈、焊渣、导热油的结焦物等较大的机械杂质，一般为筒状不锈钢丝网过滤器。安装位置都在热油循环泵前，主要起到保护油泵的作用。一些装置的过滤器，在操作正常后把过滤网取出，以减小系统的阻力，节约能源。另一种是细过滤器，目前常用粉末冶金微孔过滤器。粉末冶金微孔过滤器由壳体和几根可拆卸的粉末冶金过滤管制成，过滤管上布满孔径约20μm的微孔，能除去导热油中因氧化和过热而形成的胶质和炭粒等微小杂质。③过滤器导热油系统使用的过滤器有两种。一种是粗过滤器，61④贮槽当系统检修或发生意外事故时需要将系统中的导热油放入贮槽内，贮槽的容积应不小于导热油总量的1.2倍，其位置应尽可能设在加热系统的最低位置。⑤冷却器加热和冷却兼用的流程，需要设置冷却器。目前常用的冷却器是管壳式冷却器，材质大多是碳钢，冷却用水大多使用经冷却塔冷却的工业循环水。但由于循环水中含盐浓度高及微生物作用，对冷却器的腐蚀相当严重，一般使用２-３年，冷却器中的换热管就要发生穿孔而漏水。为此，应对工业循环水进行化学处理或采用不锈钢材料作冷却器的换热管和管板。④贮槽当系统检修或发生意外事故时需要将系统中的导热油放62导热油导热油加热使用的好坏，导热油寿命的长短，主要与流程设计是否合理、操作是否得当及导热油本身的质量有关。导热油的质量要求：热稳定性好，抗氧化性好；在温度指标范围内，能在较长时间内不变质或少变质；具有良好的热传导性；沸点或初馏点高，蒸汽压低，能在高温下以液相运行，而且压力较低；闪点较高，有利于安全生产；毒性低、渗透性小、无刺激性气味；凝固点低，因此可用于寒冷地区，不易堵塞设备和管道；粘度小，有利于输送；对钢材不腐蚀，以降低设备造价；货源充足，价格合理。导热油导热油加热使用的好坏，导热油寿命的长短，主要与流程设63①导热油的品种导热油的品种很多，从其组成和来源可分为合成型导热油和矿物型导热油两大类。合成型导热油，如氢化三联苯、三乙基联苯、二苄基甲苯、烷基萘等，它们一般耐高温（大多达340～350℃），热稳定性好，使用寿命长，但相应的价格也较高。矿物油型导热油是经过精致加工的石油炼制产品，加有少量添加剂（如抗氧化添加剂、清净分散剂、降凝添加剂等）而成。主要有烷烃型和芳烃型两种类型，前者在较高温度下的抗氧化能力较强。依据最高工作温度，矿物型导热油分为不同规格，不同厂家生产的牌号也不一样。这类导热油虽然性能不如合成型导热油，但较易生产，价格较低，如质量可靠，使用得当，基本上以能满足生产要求。

不同品种的导热油不宜混用。如必须混合使用时，混用前应由导热油生产单位提供混用条件和要求。①导热油的品种导热油的品种很多，从其组成和来源可分为合成64②导热油的报废和更新导热油长期在高温下使用，由于氧化和高温裂解，其品质会缓慢地发生变化。直观地看，颜色逐渐变深，粘度加大，油内残碳含量增加，从化验数值可看出闪点逐渐降低而酸度升高。按化工部《有机载热体加热炉安全技术规程》的规定，有机载热体应每半年取样分析一次，并注意观察以下四项质量指标：粘度变化大于15%时应引起重视，闪点变化达到20%以上时应重视；酸值达到0.5mgＫＯＨ／g时应引起重视；残碳（质量百分数）达到1.5时引起重视。若上述四项指标中有两项不合格时，应更新或再生。②导热油的报废和更新导热油长期在高温下使用，由于氧化和高65热油液相加热的缺点①系统比较复杂，附属设备比较多，其中热油泵、鼓风机、引风机等都要连续运转，耗电量较大。②由于系统设备多，加上有关安全规定要求的安全距离较大，整个系统占地面积较大。③操作要求比较严格，占用操作人员较多。④导热油最高工作温度有限制，即使使用合成类导热油，最高温度也不能超过350℃，矿物类导热油，根据品种不同，使用温度还要低些。⑤导热油价格较贵，而且前期使用寿命一般也不长（用得好的可超过5年），再加上厂房设备的投资及运转的费用，使它的使用受到限制，一般导热油加热适用于规模较大的生产。⑥热油炉开车后切忌开开停停，所以它不适用于临时性、经常需要停车的生产方式。热油液相加热的缺点①系统比较复杂，附属设备比较多，其中热油66作业题1.简述设备工艺设计包括的内容。2.从制造材质上进行分类命名,反应釜有那几类,各有何特点?3.间歇式反应釜通常由那些装置组成?4.UP生产中,反应釜和稀释釜有何作用?5.简述树脂反应釜的加热方式.作业题1.简述设备工艺设计包括的内容。67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。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684.1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。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69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。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70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。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71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。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，724.2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4.2非定型设备设计（一）管壳式换热器73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。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74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－排水阀溶剂法醇酸树脂装置示意图75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。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76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。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77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。不锈钢反应釜不锈钢反应釜具有以下特点:78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。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79①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。①允许工作压力有限制。一般釜内为０.３９ＭＰa，夹套内为０.80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。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81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－下封头图2醇酸树脂反应釜（热载体加热）82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1083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84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。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85图4椭圆形封头T－封头内径；h１－直边高度；h２－曲面高度；Ｓ－厚度图4椭圆形封头86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。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87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。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88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。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89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。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90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。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91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。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92浸入式传热装置为了加大传热面积，加快升、降温速度，不论夹套釜或半管釜，都可以在釜内设置浸入式热交换装置。一般反应釜容量大于６m3时，就要考虑加浸入式盘管。盘管有单排式和双排式等。以分段设置为宜。盘管设置数量按工艺要求而定。盘管设计成能经受较高的压力，其制造质量应经严格的检验，以防泄漏。浸入式传热装置为了加大传热面积，加快升、降温速度，不论夹套釜93反应釜的搅拌装置搅拌是化工生产中经常应用的单元操作。它可使液－液或液－固相间得以充分的混合、分散或溶解。它能使物料强烈流动，从而强化传热过程，使化学反应加速进行。在树脂等生产过程中，反应釜的搅拌对提高产品质量和生产效率起着重要作用。反应釜的搅拌装置搅拌是化工生产中经常应用的单元操作。它可使94反应釜的冷凝回流设备

反应釜的冷凝回流设备主要是蒸出管、冷凝器和分水器，从反应釜出来的蒸汽经蒸出管进入冷凝器冷凝，冷凝液进入分水器，使水与溶剂（如二甲苯）分离，溶剂回流到反应釜，水从分水器下端排出。（1）蒸出管蒸出管，又称直管冷凝器，根据不同品种树脂的反应要求，有不同形式。如生产乳液时，蒸出气体很少，通常使用直管。一般使用带夹的直立式圆管，管径较粗，根据需要夹套中通入冷水或蒸汽，以起到使气体冷凝回流入反应釜，或使气体快速蒸出到冷凝器中冷凝的作用。反应釜的冷凝回流设备95（2）冷凝器冷凝器是树脂反应釜重要的配套设备，其结构大多是列管式（也叫管壳式），以卧式倾斜安装的居多。从材质上看，除少数场合使用铝管冷凝外，几乎都用不锈钢冷凝器，管程与物料接触的全用不锈钢，通水的部分可用碳钢。冷凝器的大小依据冷凝物料的数量和冷凝速度选用。（3）分水器也称油水分离器。它的作用是将经冷凝器冷凝下来的液体进行分离，上部的溶剂回收利用或经Ｕ型回流管返回反应釜内，下部的水不定期排放掉。分水器的容量以略大于釜内反应所可能产生的水量为原则。（2）冷凝器96稀释罐稀释罐又称兑稀罐、稀释釜，它是树脂反应釜的配套设备，在稀释罐中，树脂用稀释剂予以稀释，使之达到工艺要求的固体分和粘度。影响高分子聚合物溶胀和溶解过程的因素，除与高分子的结构、特性及稀释剂的特性有关外，也与二者间相互扩散速率有关。为了增加树脂与稀释剂的接触，加快分子扩散速率，获得均匀的树脂溶液，在稀释过程中需要搅拌。搅拌的同时改善了传热状况，如树脂反应完成后通过泵送、真空抽送或依靠位差自流进入稀释罐时，一般需要冷却，搅拌加快了冷却速度。稀释罐稀释罐又称兑稀罐、稀释釜，它是树脂反应釜的配套设备，97稀释用的稀释剂，根据工艺要求，可能是一种，也可能是几种。加入稀释剂的方法，大体上有两种：一种是先在稀释罐中加入树脂，然后加入稀释剂，此谓正兑稀；另一种是先在稀释罐中加入稀释剂，然后再加入树脂，此谓“反兑稀”。“反兑稀”冷却速度快，稀释罐内壁不易结皮。但稀释时挥发的稀释剂较多，需要配备较大的回流冷凝器。稀释罐的结构与反应釜相似，一般都是一个立式的带搅拌的容器，需要有传热结构---夹套或者带内部盘管。稀释罐的搅拌，并不需要很激烈。所以一般采用桨式搅拌的容器或开启式折叶涡轮搅拌器，罐壁加挡板。反应釜的传动大多用摆线针轮减速机。稀释用的稀释剂，根据工艺要求，可能是一种，也可能是几种。加入98稀释罐的传热结构，在大多数情况下是为了冷却罐内的树脂液。但有时也有需要加热的时候，如在稀释罐中的树脂液未及时过滤，在需要过滤时，温度较低而不适合过滤的要求，这时就要给稀释罐内的树脂液加热（一般用蒸汽）。稀释罐的传热结构可以用夹套或内部盘管。使用内部盘管时，筒体不受外压，罐内是常压的，可按常压容器设计和制造，罐体较薄，造价较低。所以使用这种结构的较多。稀释罐的传热结构，在大多数情况下是为了冷却罐内的树脂液。但有99由于稀释时，稀释剂要挥发，所以要在稀释罐顶部设置回流冷凝器，回收稀释剂，保护环境。回流冷凝器用直管或列管式，垂直安装于稀释罐出气口上。稀释剂冷凝后回流入稀释罐，不凝性气体排至大气中。稀释罐的容量一般取与之配套的反应釜容量的1.5～2倍，为了给兑稀操作留一点调整粘度与固体分的余地，稀释罐的容量可以略大于反应釜2倍容量。由于稀释时，稀释剂要挥发，所以要在稀释罐顶部设置回流冷凝器，100加热设备在树脂生产过程中，温度的控制特别重要。按照工艺要求，使反应在规定的温度下进行，既能缩短工时，又能保证产品质量。另外，在整个生产周期中，减少加热和冷却占用时间，对提高单机的产量，也有重要的意义。对于树脂反应釜来说，加热方式可分为直接加热和间接加热，常用的加热方式如下：加热设备在树脂生产过程中，温度的控制特别重要。按照工艺要求，101直接加热间接加热燃料燃烧火焰加热电加热热载体加热固体燃料（煤或焦碳）液体燃料:柴油气体燃料:煤气或天然气工频电感加热电阻远红外加热电热棒加热:直接或间接蒸汽加热热水加热:热水或加压热水导热油液相加热联苯混合物气相加热直接加热间接加热燃料燃烧火焰加热电加热热载体加热固体燃料（煤102加热方式的选择要因地制宜，综合考虑。生产工艺提出的要求如加热温度、加热速度，是否需要冷却及冷却的速度，要求达到的温度精度，对自控的要求等。以生产丙烯酸树脂和乳液为例，蒸汽加热和热水加热都能达到加热温度，但热水加热更缓和、更均匀，温度自控更精确，避免了局部过热现象，对提高产品质量起到很重要的作用。加热方式的选择要因地制宜，综合考虑。103生产规模及设备容量的大小近年来导热油加热很流行，但它也有系统庞大、复杂附属设备多、耗电量大、占地面积大、占用人员多以及投资费用高等缺点。所以，若生产规模很小或设备容量很小，很可能用电加热更经济。当地及现场环境的条件有些地方水电资源充足，用电不紧张，可适当多考虑用一些电加热（要作经济技术对比）。有些工厂场地面积小，无堆煤存灰之处，就不宜选用燃煤热油炉。有些环境要求防爆，选用的加热方式是否符合要求，还要征得当地消防部门的同意。生产规模及设备容量的大小近年来导热油加热很流行，但它也有1041.燃料燃烧火焰加热燃料燃烧火焰加热通称直接火加热或明火加热，也称炉灶加热。即将反应釜安置在炉灶之上，在炉膛直接燃烧煤、焦碳、柴油、煤气或天然气等燃料，火焰直接烧及釜底及釜壁。这是最原始、最古老的加热方法，但由于它简单易行，投资费用低，至今还有使用。1.燃料燃烧火焰加热1052.电加热（1）工频电感加热工频电感加热是利用涡流损耗在铁壳中所产生的热量对釜内物料进行加热。工频电感加热多用于高温反应型的树脂生产，它的优点是取材容易，施工简单，加热比较均匀，控制温度方便，作业环境比较清洁，缺点是功率因素低，约０.65-0.70,热效率低，耗电量大，运行费用高。2.电加热106（2）电阻远红外加热电阻远红外加热是７０年代发展起来的一种加热新技术。它的主要优点是功率因素高（约0.97）、热效率高、省电、节能。据介绍，它比工频电感加热可节能２５％左右。而且安全、卫生、无噪音。电阻远红外加热反应釜受热均匀，若配用可控硅调功器，能方便地调控温度。电阻远红外加热的缺点是一次投资费用高，冷却不方便，使用寿命一般不及工频电感长。（2）电阻远红外加热107（3）电热棒加热

电热棒是管状电热元件的俗称。它是用金属作外壳，管中放入合金电阻丝作发热体，在空隙部分紧密填充具有良好绝缘和导热性能的结晶氧化镁而组成的一种电加热元件。（3）电热棒加热

电热棒是管状电热元件的俗称。它是用金属作108电热棒的使用主要有两种方式。一种方式是直接插入釜内物料中加热，这种方式，热效率当然很高，但由于树脂反应釜内的液体大多是易燃易爆的，故一般不推荐采用。另一种方式是将电热棒插入反应釜夹套中，加热中间热载体，中间热载体处于自然对流状态。中间热载体受热同时给反应釜加热。

电热棒的使用主要有两种方式。一种方式是直接插入釜内物料中加热109这种方法的缺点是中间热载体没有强制循环，电热棒表面的高温使其局部过热、分解、变质，使用寿命大大地缩短；同时，电热棒表面也容易结焦，使传热效率降低。中间热载体大多用导热油或联苯混合物。这种方法的缺点是中间热载体没有强制循环，电热棒表面的高温使其110解决夹套中热载体不流动的缺点，有两种改进的方法。一种方法是在釜外单独设置2台热油泵，使电热棒所在的釜底夹套部分的导热油定期轮换流动，以冲刷电热棒表面，使之不结焦。这种方法与冷油箱配合，还可以起到冷却作用。另一种方法是在夹套底部插一个小型搅拌器，此搅拌器也是定期轮换作正反向转动，使导热油不停地冲刷电热棒表面。解决夹套中热载体不流动的缺点，有两种改进的方法。一种方法是在111.蒸汽加热蒸汽加热即饱和水蒸气加热，是低温树脂最常用的加热方法。将蒸汽从上部通入反应釜的夹套或釜内的蛇管中，然后将冷凝水从夹套或蛇管下方通过疏水器排出，这样就可以方便地完成加热操作，由于饱和水蒸气的温度与压力有对应关系，通过压力的调节，就能控制加热温度。下表中摘录了部分饱和水蒸气的压力与温度的对应关系。.蒸汽加热蒸汽加热即饱和水蒸气加热，是低温树脂最常用的加热方112表压，Ｍp温度，℃表压，Ｍp温度，℃0.10.20.30.40.5120.2

133.3

143.4

151.7

158.70.6

0.7

0.8

0.9

1.0164.7

170.4

175.1

179.9

183.5饱和水蒸气压力与温度对照表表压，Ｍp温度，℃表压，Ｍp温度，℃0.1120.2

113从上表可以看出要加热到150℃左右，加上加热时需要的温差，大约用0.6-0.7ＭＰa压力的蒸汽即可行。如加热温度再提高，由于压力太大，对一般夹套反应釜是不适宜的。因此蒸汽加热通常用于反应温度150℃以下的树脂生产。从上表可以看出要加热到150℃左右，加上加热时需要的温差，大114利用蒸汽加热，要注意几个问题。①在开始加热时，要把夹套中的空气排尽。一般多在夹套顶端、蒸汽入口对面设置排气旋塞，以排除不凝性气体。②冷凝水要及时排除，否则部分传热面积被浸泡，将使传热效果变坏。要通过蒸水器排出，不要使蒸汽从旁路直接溢出，以免浪费能源。③夹套通入蒸汽传热，反应釜本体受外压，所以蒸汽压力不能超过设备设计压力，特别当夹套上未安装安全阀时，更要注意，以免釜体被压瘪。使用蒸汽加热，对反应釜冷却也很方便，只要在蒸汽出口处接冷却水入口，在蒸汽入口处接冷却出口即可。利用蒸汽加热，要注意几个问题。115热水加热热水加热的优点是加热均匀、缓和，不会产生局部过热现象。其缺点是其给热系数不大。普通热水加热的温度范围为40-100℃，但加压热水（过热水）加热，其温度视压力的大小可提高很多。如用表压0.7ＭＰa的蒸汽通过一个高效换热器可将水加热到１50℃左右，加压热水（约0.4ＭＰa）经离心泵密闭旋环，向反应釜供热．反应釜可采用半管加热结构，对温度可进行自动调节，加热均匀，操作方便．可应用在150℃以下反应的树脂生产，如丙烯树脂和乳液等。热水加热热水加热的优点是加热均匀、缓和，不会产生局部过热现116导热油加热为了加热均匀，能精确调控温度并满足安全生产要求，在复合材料生产的很多场合，都不能使用直接火加热。除去几种电加热方法外，普遍使用间接加热法。间接加热，就是通过热载体来加热。除了上面提到的以水为热载体的水蒸气加热和热水加热外，还有多种热载体．无机盐、熔融金属和合金，也可作为热载体，可用于400℃以上高温的特殊情况。一般对于150-385℃范围，大多使用有机热载体加热。以前，汽缸油、汽轮机油等石油类物质也曾用作热载体．由于它们耐热性能差，使用中很快氧化、变稠，寿命很短，现已基本淘汰。导热油加热为了加热均匀，能精确调控温度并满足安全生产要求，在117目前广泛使用的有机热载体加热方法主要有导热油液相加热和联苯混合物气相加热。采用导热油液相加热的方式具有加热均匀、能在较低压力下获得较高的温度、热效率高（0.7-0.85）、节能、安全性好、无污染、方便操作，并易于实现自动控制温度等优点，是复合材料行业大型树脂装置比较理想的加热方式，自80年代以来，得到迅速推广。目前广泛使用的有机热载体加热方法主要有导热油液相加热和联苯混118下图为典型的导热油液相加热流程。图5热油加热装置简要流程图（加热）

1－热油炉；2－膨胀槽；3－用热设备；4－热油贮槽；

5－注油泵；6－过滤器；7－热油循环泵导热油加热流程下图为典型的导热油液相加热流程。图5热油加热装置简要119导热油经热油循环泵注入热油炉加热，然后去加热用热设备，再回流到热油循环泵，如此不断循环，将热油炉的热量传递给用热设备，达到加热的目的。导热油受热后，其自身体积要膨胀，所以要在高于系统所有设备1.5-2m以上的地方设置高位膨胀槽，膨胀槽与系统用膨胀管连接，一般都接在热油循环泵的进口管上。膨胀槽设溢流管，如系统中加油过多，受热膨胀后溢出，可流入热油贮槽。热油