甄繼夏,馬文啟　（威?；C(jī)械有限公司,山東　威?！?64200）

新型電磁加熱實(shí)驗(yàn)室用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜的研究與設(shè)計(jì)

甄繼夏,馬文啟
（威海化工機(jī)械有限公司,山東威海264200）

實(shí)驗(yàn)室用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜的加熱方式主要采用電阻加熱，加熱效率低、時(shí)間長(zhǎng)，溫度控制精度差，保溫效果差。通過(guò)對(duì)多種加熱方式的比對(duì)研究，確定電磁加熱的可行性，研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型的電磁加熱磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜，除了具有磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜承壓能力高、釜蓋開(kāi)啟方便、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)泄漏的優(yōu)點(diǎn)，還具有加熱效率高，升溫速度快，溫度控制精確等特點(diǎn)。

電磁加熱；磁力驅(qū)動(dòng)；反應(yīng)釜；設(shè)計(jì)

1　引言

實(shí)驗(yàn)室用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜是化工企業(yè)、科研院校、研究所進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要反應(yīng)設(shè)備之一，它具有承壓能力高、釜蓋開(kāi)啟方便、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)泄漏的優(yōu)點(diǎn)。到目前為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于實(shí)驗(yàn)室用的反應(yīng)釜種類很多，實(shí)驗(yàn)釜主要由承壓釜體（承壓容器）、釜蓋、加熱裝置、冷卻裝置、攪拌裝置、磁力傳動(dòng)裝置以及安全附件、閥門等組成，見(jiàn)下圖。

常規(guī)實(shí)驗(yàn)室用反應(yīng)釜的加熱裝置主要采用電加熱的結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行加熱，以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，也有采用導(dǎo)熱油加熱以及蒸汽加熱的方式對(duì)介質(zhì)進(jìn)行加熱的，但是在實(shí)際操作過(guò)程中，普遍反映加熱效率低、時(shí)間長(zhǎng)，溫度控制精度差，保溫效果差，直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度降低，實(shí)驗(yàn)成功率降低，實(shí)驗(yàn)成本增加。

針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)釜存在缺點(diǎn)和問(wèn)題，開(kāi)發(fā)研制一種新型的實(shí)驗(yàn)室用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜，除了具有常規(guī)磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜的特點(diǎn)，還能具有加熱效率高，溫度控制精確等特點(diǎn)，成為各大企業(yè)院校的迫切需求。

2　反應(yīng)釜加熱方式選擇

目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)反應(yīng)釜普遍采用的加熱方式均為介質(zhì)傳熱，包括電爐加熱以及導(dǎo)熱油、蒸汽等介質(zhì)傳熱。但無(wú)論是哪種方式都存在效率不高、熱量散失嚴(yán)重的問(wèn)題，這對(duì)能源是一種浪費(fèi)，也極大地使用單位的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重地影響了經(jīng)濟(jì)效益。行業(yè)內(nèi)迫切需求對(duì)反應(yīng)釜的加熱方式進(jìn)行改進(jìn)，改變目前耗能高、效益低的尷尬現(xiàn)狀。而電磁加熱方式作為一種相當(dāng)成熟的技術(shù)，已成功應(yīng)用在電磁爐、化纖注塑等行業(yè)，并取得了非常好的效果。

在此情況下，研究人員對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所的研發(fā)流程以及大型化工廠、制藥廠、助劑廠、農(nóng)藥廠等企業(yè)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的了解，收集了科技研發(fā)、實(shí)際生產(chǎn)流程中所涉及的反應(yīng)工藝參數(shù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的反應(yīng)釜效果進(jìn)行了檢測(cè)，得到了“第一手”的資料。同時(shí)查閱了國(guó)內(nèi)外大量的相關(guān)科技文獻(xiàn)資料，最后結(jié)合自身多年的研究成果，提出該電磁加熱磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)方案，并反復(fù)論證了反應(yīng)釜行業(yè)引入電磁技術(shù)的可行性，提出了開(kāi)發(fā)研制電磁加熱實(shí)驗(yàn)用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜的新課題。

3　電磁加熱實(shí)驗(yàn)用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1加熱方式的選擇

電磁加熱的原理是通過(guò)電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場(chǎng)、當(dāng)用含鐵質(zhì)容器放置上面時(shí)，容器表面具即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使容器底部的鐵原子高速無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。從而起到加熱物品的效果。因?yàn)槭氰F制容器自身發(fā)熱，所有熱轉(zhuǎn)化率特別高，最高可達(dá)到95%。

根據(jù)該原理同時(shí)結(jié)合反應(yīng)釜自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確了反應(yīng)釜釜體可以實(shí)現(xiàn)電磁加熱的機(jī)理。將電磁線圈規(guī)則地纏繞在反應(yīng)釜釜體的外圍，線圈通高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將反應(yīng)釜釜體包覆其中。磁場(chǎng)的高頻變化，當(dāng)磁場(chǎng)磁力線通過(guò)釜體時(shí)，會(huì)在金屬體內(nèi)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的小旋渦流，使釜體本身自行高速發(fā)熱，從而起到加熱的效果。

3.2磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜材料的選擇

為了滿足磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜釜體的電磁加熱要求，研發(fā)人員對(duì)反應(yīng)釜各部件的用材進(jìn)行了全新的選擇，包括釜體材料、保溫材料、電磁線圈材料以及磁場(chǎng)屏蔽材料等。

3.2.1釜體材料的選擇

釜體材料的選擇：常規(guī)的小型反應(yīng)釜釜體為達(dá)到耐腐蝕以及美觀等要求，一般都采用奧氏體不銹鋼鍛件的結(jié)構(gòu)。奧氏體不銹鋼屬于非導(dǎo)磁性材料，而電磁加熱要求受熱體必須為導(dǎo)磁性材料。為解決這一問(wèn)題，滿足電磁加熱的需要，研發(fā)人員對(duì)釜體的材料重新做了選擇。將奧氏體不銹鋼鍛件結(jié)構(gòu)改為低碳合金鋼鍛件堆焊不銹鋼結(jié)構(gòu)。這樣低碳鋼的釜體具有導(dǎo)磁性能夠滿足電磁加熱的要求，而不銹鋼的表層也能滿足試驗(yàn)室反應(yīng)清潔耐腐蝕的要求。

3.2.2外部保溫材料的選擇

為了更好的配合電磁加熱的需要，研發(fā)人員對(duì)保溫材料也做出了優(yōu)化選擇。常規(guī)反應(yīng)釜選用的是石棉絨，此種材料是一種硅酸鹽類礦物纖維，作為一種耐火保溫材料，它的熱量散失比較嚴(yán)重，耐火效果還行，保溫效果較差。為了得到更好的保溫效果，采用了一體成型的陶瓷纖維模塊做保溫層，降低了反應(yīng)過(guò)程中的熱量散失，也為反應(yīng)釜溫度的精度控制提供了保障。

3.2.3電磁加熱系統(tǒng)材料的選擇

研發(fā)人員綜合考慮了線圈承受電流的大小、耐熱性能、使用壽命等因素。為了避免溫度變化過(guò)程中電磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)釜其他零部件產(chǎn)生熱影響，對(duì)電磁線圈外部電磁場(chǎng)進(jìn)行了屏蔽處理。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)比較，最終選擇了合適的材料。

3.3設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

反應(yīng)釜在設(shè)計(jì)之前，根據(jù)調(diào)研返回的信息，該類設(shè)備在企業(yè)和院校以中小型實(shí)驗(yàn)反應(yīng)釜居多，選定以下參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā):反應(yīng)釜容積：2升設(shè)計(jì)壓力：12.5MPa設(shè)計(jì)溫度：350℃

電磁加熱功率：2.5KW電磁頻率：20～30KHz

以上技術(shù)指標(biāo)系常規(guī)實(shí)驗(yàn)室用反應(yīng)釜的基本參數(shù)，同時(shí)電磁加熱方式的創(chuàng)新性引入，極大地提高了反應(yīng)釜的升溫速度，縮短了升溫時(shí)間，提高了反應(yīng)效率，提高了效益。同時(shí)也解決了困擾常規(guī)加熱方式伴隨的溫控延遲現(xiàn)象，保證了反應(yīng)溫度控制的精度。

3.4設(shè)備設(shè)計(jì)制造

反應(yīng)釜釜體依據(jù)GB150-2011《鋼制壓力容器》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用低合金鋼鍛件材料，既保證壓力容器的承壓要求，又保證其自身具有導(dǎo)磁性能以滿足電磁加熱需要，同時(shí)對(duì)其表面進(jìn)行堆焊防腐處理，也進(jìn)行了耐高溫的工藝處理。反應(yīng)釜釜蓋密封面設(shè)計(jì)采用高壓反應(yīng)釜密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高加工精度等級(jí)，對(duì)形狀與位置公差提高一級(jí)(相對(duì)普通要求)。

電磁線圈的制作經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)論證，對(duì)線圈的長(zhǎng)度、圈數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到最優(yōu)的加熱效果。同時(shí)為防止電磁場(chǎng)的輻射散失，采用了特殊材料對(duì)電磁線圈的外磁場(chǎng)進(jìn)行了有效屏蔽。

3.5控制器的優(yōu)化

常規(guī)反應(yīng)釜的控制系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單的配備了壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等功能的顯示要求，但對(duì)溫度、壓力控制的實(shí)時(shí)性做的并不好。根據(jù)電磁加熱對(duì)溫度的精度控制要求，重新參照國(guó)外反應(yīng)釜的控制器，設(shè)計(jì)研制了一套可視控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用32位高性能RAM芯片組成實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)釜監(jiān)控系統(tǒng)，其輸入輸出接口與功能更加豐富，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行選擇匹配。而且可以與電腦聯(lián)接進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)分析。不僅可以對(duì)溫度進(jìn)行精確控制，在升溫加熱的過(guò)程還可以繪制溫升曲線，通過(guò)電腦程序來(lái)設(shè)置升溫速率?？梢詫?shí)現(xiàn)全自動(dòng)的操作方法，可在多次定量分析中提高自動(dòng)化操作流程，更加便于定量、定性的分析。

3.6試運(yùn)行效果比對(duì)分析

設(shè)備制造完畢，對(duì)試制產(chǎn)品進(jìn)行全面的檢驗(yàn)和試驗(yàn)，包括壓力試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)、傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)、電磁加熱效果試驗(yàn)等。在工況相同條件下，同時(shí)啟動(dòng)常規(guī)磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜以及電磁加熱磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜，以升溫到320℃為基準(zhǔn)，共進(jìn)行了60次的試驗(yàn)比對(duì)分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)下表：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)表（平均值）

試驗(yàn)結(jié)果顯示：電磁加熱反應(yīng)釜相比傳統(tǒng)電阻加熱方式，單位時(shí)間內(nèi)的加熱效率提高了60%，加熱時(shí)間縮短一倍以上。溫度的控制精度可以確保在±1℃的范圍內(nèi)。

4　結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電磁加熱實(shí)驗(yàn)室磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果，高效節(jié)能，保溫效果好，溫度控制精確，控制器智能化程度高，經(jīng)過(guò)在部分企業(yè)一年多的實(shí)際應(yīng)用，反映效果好，達(dá)到國(guó)際、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

[1]GB/T30098-2013.實(shí)驗(yàn)室用磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜[Z].

[2]GB150.1～150.4.壓力容器[Z].