筆者介紹的設(shè)備是為某科研機構(gòu)設(shè)計的實驗用搪玻璃反應(yīng)釜，由于實驗需求，該設(shè)備容積僅為200mL。具體工藝流程為：反應(yīng)過程中液體和氣體同時加入搪玻璃反應(yīng)釜內(nèi)(氣體參與反應(yīng)），蛇管內(nèi)通入過熱蒸汽進行預(yù)熱，啟動攪拌裝置對物料進行充分混合，在釜體外部啟動紫外線光源，透過釜體上設(shè)置的光學(xué)石英玻璃對反應(yīng)進行催化，物料發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)品。整個反應(yīng)過程溫度可達(dá)200℃，反應(yīng)平穩(wěn)，期間會產(chǎn)生少量小顆粒。反應(yīng)完成后，在蛇管內(nèi)通入冷卻水對物料進行冷卻，并通過泄壓口泄出釜體內(nèi)壓力，通過增壓口進行適當(dāng)增壓，從取樣口取出物料，實驗完成。

1設(shè)計條件

用戶提出的設(shè)計條件為：攪拌器及所有接口均設(shè)置在搪玻璃反應(yīng)釜頂部，以便整體裝拆；石英玻璃設(shè)置在搪玻璃反應(yīng)釜底部，要求透光直徑與搪玻璃反應(yīng)釜內(nèi)直徑盡量接近。搪玻璃反應(yīng)釜的主要設(shè)計參數(shù)見表1，主要受壓元件材料均為022Cr17Ni12M02。

2設(shè)計難點

由于實驗需要外部光源照射催化，搪玻璃反應(yīng)釜底部需設(shè)置石英玻璃以保證其透光的需求，而搪玻璃反應(yīng)釜工作壓力達(dá)lOMPa，屬于高壓容器，在如此高的壓力下，石英玻璃強度能否達(dá)到要求，密封如何實現(xiàn)，是設(shè)計的一個難點。

為了使物料混合均勻，搪玻璃反應(yīng)釜頂部需設(shè)置攪拌裝置。攪拌裝置運轉(zhuǎn)與動力的傳遞需借助傳動裝置。普通傳動裝置通常采用填料密封或機械密封，這種密封形式屬于動密封結(jié)構(gòu)，常會發(fā)生跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，更為重要的是，此種密封形式用于高壓密封時體積較大，而本次設(shè)計的搪玻璃反應(yīng)釜容積只有200mL，內(nèi)徑僅為50mm，使用常見的攪拌傳動裝置無法實現(xiàn)安裝，必須采用其他攪拌傳動裝置加以解決。

本設(shè)備接口很多，主要有進液口、增壓口、取樣口、測壓口、測溫口、泄壓口以及盤管進出口等。這些接口都需要同攪拌傳動裝置一起設(shè)置在內(nèi)徑50mm的釜體頂部，這為接口的排布增加了難度。同時，釜體內(nèi)部空間也很為緊張，需設(shè)置盤管、攪拌裝置、取樣管以及進液管等。結(jié)構(gòu)空間的利用和排布需要巧妙構(gòu)思加以解決。

3搪玻璃反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1石英玻璃高壓密封結(jié)構(gòu)

石英玻璃高壓密封問題是本搪玻璃反應(yīng)釜設(shè)計的關(guān)鍵點之一。該設(shè)備屬于高壓容器，工作壓力高達(dá)lOMPa，這就要求石英玻璃部位除了能夠滿足較大的承壓要求外，還必須有足夠的密封力以保證其密封效果。常用視鏡密封是將密封力施加在玻璃兩個端面上，由于石英玻璃材料的許用應(yīng)力很低，能夠承受的密封力有限，因此該結(jié)構(gòu)只能用于低壓密封，高壓密封時必須采取措施保證石英玻璃密封部位能夠承受較大的密封力。通過多種方案分析、對比，較終采用如圖1所示的石英玻璃高壓密封結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，石英玻璃部位采用了金屬墊片和O形圈兩種密封形式，其中金屬墊片防止徑向泄漏，O形圈防止軸向泄漏。金屬墊片設(shè)置在法蘭密封面上，這種結(jié)構(gòu)防止了密封力直接施加在石英玻璃上，避免了石英玻璃由于承受較大的密封力發(fā)生碎裂的可能。同時，石英玻璃安裝在法蘭蓋上的凹槽內(nèi)，防止擰出螺栓時石英玻璃掉落，便于拆卸。

3.2磁力傳動攪拌裝置

由于用戶實驗要求，本搪玻璃反應(yīng)釜需設(shè)置攪拌裝置。傳統(tǒng)的機械密封和填料密封傳動攪拌裝置由于高壓密封體積過大，軸封部易泄漏，不適用于本次設(shè)計的很小型高壓搪玻璃反應(yīng)釜。經(jīng)過調(diào)研，采用了一種磁力傳動攪拌裝置，該裝置利用磁性材料磁力基本原理，將傳動攪拌裝置的動力輸入和輸出部分隔開，使釜內(nèi)處于全封閉狀態(tài)，實現(xiàn)了力矩的無接觸傳動。由于傳動的特殊結(jié)構(gòu)，其與搪玻璃反應(yīng)釜的連接可采用密封面靜密封結(jié)構(gòu)，從而使密封體積減小，并實現(xiàn)零泄漏。

本設(shè)計使用的磁力傳動攪拌裝置由電機、傳動帶、磁力耦合器和攪拌器組成。其中磁力耦合器是磁力傳動攪拌裝置的核心機構(gòu)，它主要包括外磁轉(zhuǎn)子、不導(dǎo)磁的密封簡體隔離套和內(nèi)磁轉(zhuǎn)子3部分。電機的輸出軸通過傳動帶與磁力耦合器的外磁轉(zhuǎn)子連接，攪拌器與磁力耦合器的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子連接，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間安裝不導(dǎo)磁的密封簡體隔離套，這樣就形成了一個封閉的靜密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)電動機帶動傳動帶運轉(zhuǎn)時，與傳動帶相連的磁力耦合器的外磁轉(zhuǎn)子也做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運動。外磁轉(zhuǎn)子磁力線穿透空氣間隙和隔離套同步帶動隔離套內(nèi)的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，繼而同步帶動與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子相連接的攪拌器運轉(zhuǎn)，達(dá)到驅(qū)動攪拌裝置的目的，實現(xiàn)了非接觸力矩傳遞。由于該裝置采用了全封閉式密封結(jié)構(gòu)，密封簡體隔離套可承受一定的壓力，傳動攪拌裝置與搪玻璃反應(yīng)釜的連接可不考慮軸向密封，從而實現(xiàn)連接面的密封面靜密封，達(dá)到連接處密封體積小、整體無泄漏的目的。

3.3空間結(jié)構(gòu)布局

本設(shè)備接口眾多，主要有進液口、增壓口、取樣口、測壓口、測溫口、泄壓口以及盤管進出口等。同時，釜體內(nèi)部需設(shè)置盤管、攪拌裝置、取樣管、進液管以及測溫管等。為在有限的空間實現(xiàn)多種功能、到達(dá)提高空間利用率、合理布局的目的，釜蓋頂部接管口在不影響使用的情況下可首先焊接彎管讓開空間，再連接閥門儀表等。另外，部分接口可設(shè)置在法蘭側(cè)外沿，較大限度利用空間。同時，為節(jié)省釜體內(nèi)部空間，換熱盤管采用U形設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)換熱效果良好，降低了制造難度。

解決以上問題后較終確定磁力攪拌光催化搪玻璃反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4結(jié)束語

與大型搪玻璃反應(yīng)釜不同，小型搪玻璃反應(yīng)釜在設(shè)計中應(yīng)從多個角度合理選擇設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)和布局。筆者提供的設(shè)計方法和措施經(jīng)過運用，可使設(shè)備密封可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用效果良好，能夠達(dá)到使用安全可靠，設(shè)計經(jīng)濟合理的目的。