新型電磁加熱實驗室用磁力驅(qū)動反應釜的研究與設計

　　甄繼夏,馬文啟　（威?；C械有限公司,山東　威海　264200）

新型電磁加熱實驗室用磁力驅(qū)動反應釜的研究與設計

甄繼夏,馬文啟
（威海化工機械有限公司,山東威海264200）

實驗室用磁力驅(qū)動反應釜的加熱方式主要采用電阻加熱，加熱效率低、時間長，溫度控制精度差，保溫效果差。通過對多種加熱方式的比對研究，確定電磁加熱的可行性，研究設計開發(fā)一種新型的電磁加熱磁力驅(qū)動反應釜，除了具有磁力驅(qū)動反應釜承壓能力高、釜蓋開啟方便、操作維護簡單、無泄漏的優(yōu)點，還具有加熱效率高，升溫速度快，溫度控制精確等特點。

電磁加熱；磁力驅(qū)動；反應釜；設計

1　引言

實驗室用磁力驅(qū)動反應釜是化工企業(yè)、科研院校、研究所進行化學實驗的主要反應設備之一，它具有承壓能力高、釜蓋開啟方便、操作維護簡單、無泄漏的優(yōu)點。到目前為止，國內(nèi)外關于實驗室用的反應釜種類很多，實驗釜主要由承壓釜體（承壓容器）、釜蓋、加熱裝置、冷卻裝置、攪拌裝置、磁力傳動裝置以及安全附件、閥門等組成，見下圖。

常規(guī)實驗室用反應釜的加熱裝置主要采用電加熱的結構對反應介質(zhì)進行加熱，以促進化學反應的進行，也有采用導熱油加熱以及蒸汽加熱的方式對介質(zhì)進行加熱的，但是在實際操作過程中，普遍反映加熱效率低、時間長，溫度控制精度差，保溫效果差，直接導致實驗的周期長，實驗采集數(shù)據(jù)準確度降低，實驗成功率降低，實驗成本增加。

針對目前實驗用反應釜存在缺點和問題，開發(fā)研制一種新型的實驗室用磁力驅(qū)動反應釜，除了具有常規(guī)磁力驅(qū)動反應釜的特點，還能具有加熱效率高，溫度控制精確等特點，成為各大企業(yè)院校的迫切需求。

2　反應釜加熱方式選擇

目前國內(nèi)傳統(tǒng)反應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熱油、蒸汽等介質(zhì)傳熱。但無論是哪種方式都存在效率不高、熱量散失嚴重的問題，這對能源是一種浪費，也極大地使用單位的生產(chǎn)效率，嚴重地影響了經(jīng)濟效益。行業(yè)內(nèi)迫切需求對反應釜的加熱方式進行改進，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成熟的技術，已成功應用在電磁爐、化纖注塑等行業(yè)，并取得了非常好的效果。

在此情況下，研究人員對國內(nèi)相關科研院所的研發(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)工藝進行了詳細的了解，收集了科技研發(fā)、實際生產(chǎn)流程中所涉及的反應工藝參數(shù)，并對現(xiàn)場應用的反應釜效果進行了檢測，得到了“第一手”的資料。同時查閱了國內(nèi)外大量的相關科技文獻資料，最后結合自身多年的研究成果，提出該電磁加熱磁力驅(qū)動反應釜的設計方案，并反復論證了反應釜行業(yè)引入電磁技術的可行性，提出了開發(fā)研制電磁加熱實驗用磁力驅(qū)動反應釜的新課題。

3　電磁加熱實驗用磁力驅(qū)動反應釜結構設計

3.1加熱方式的選擇

電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當用含鐵質(zhì)容器放置上面時，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規(guī)則運動，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。因為是鐵制容器自身發(fā)熱，所有熱轉(zhuǎn)化率特別高，最高可達到95%。

根據(jù)該原理同時結合反應釜自身的結構特點，明確了反應釜釜體可以實現(xiàn)電磁加熱的機理。將電磁線圈規(guī)則地纏繞在反應釜釜體的外圍，線圈通高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，該磁場將反應釜釜體包覆其中。磁場的高頻變化，當磁場磁力線通過釜體時，會在金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(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)動反應釜材料的選擇

為了滿足磁力驅(qū)動反應釜釜體的電磁加熱要求，研發(fā)人員對反應釜各部件的用材進行了全新的選擇，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)的小型反應釜釜體為達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構。奧氏體不銹鋼屬于非導磁性材料，而電磁加熱要求受熱體必須為導磁性材料。為解決這一問題，滿足電磁加熱的需要，研發(fā)人員對釜體的材料重新做了選擇。將奧氏體不銹鋼鍛件結構改為低碳合金鋼鍛件堆焊不銹鋼結構。這樣低碳鋼的釜體具有導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室反應清潔耐腐蝕的要求。

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)人員對保溫材料也做出了優(yōu)化選擇。常規(guī)反應釜選用的是石棉絨，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，降低了反應過程中的熱量散失，也為反應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程中電磁場對反應釜其他零部件產(chǎn)生熱影響，對電磁線圈外部電磁場進行了屏蔽處理。經(jīng)過多次試驗比較，最終選擇了合適的材料。

3.3設備設計參數(shù)選擇

反應釜在設計之前，根據(jù)調(diào)研返回的信息，該類設備在企業(yè)和院校以中小型實驗反應釜居多，選定以下參數(shù)進行相關設計研發(fā):反應釜容積：2升設計壓力：12.5MPa設計溫度：350℃

電磁加熱功率：2.5KW電磁頻率：20～30KHz

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

3.4設備設計制造

反應釜釜體依據(jù)GB150-2011《鋼制壓力容器》等國家標準對壁厚進行設計。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磁性能以滿足電磁加熱需要，同時對其表面進行堆焊防腐處理，也進行了耐高溫的工藝處理。反應釜釜蓋密封面設計采用高壓反應釜密封結構，同時提高加工精度等級，對形狀與位置公差提高一級(相對普通要求)。

電磁線圈的制作經(jīng)過反復的試驗論證，對線圈的長度、圈數(shù)進行優(yōu)化設計，最終達到最優(yōu)的加熱效果。同時為防止電磁場的輻射散失，采用了特殊材料對電磁線圈的外磁場進行了有效屏蔽。

3.5控制器的優(yōu)化

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

3.6試運行效果比對分析

設備制造完畢，對試制產(chǎn)品進行全面的檢驗和試驗，包括壓力試驗、密封性能試驗、傳動系統(tǒng)試驗、電磁加熱效果試驗等。在工況相同條件下，同時啟動常規(guī)磁力驅(qū)動反應釜以及電磁加熱磁力驅(qū)動反應釜，以升溫到320℃為基準，共進行了60次的試驗比對分析。

試驗數(shù)據(jù)對比見下表：

試驗數(shù)據(jù)參數(shù)表（平均值）

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

4　結論

經(jīng)實驗證明，該電磁加熱實驗室磁力驅(qū)動反應釜的設計達到了預期效果，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)過在部分企業(yè)一年多的實際應用，反映效果好，達到國際、國內(nèi)領先水平。

[1]GB/T30098-2013.實驗室用磁力驅(qū)動反應釜[Z].

[2]GB150.1～150.4.壓力容器[Z].