实验用高温高压微型反应器的密封设计与应用

2014-10-04 任荣亭中国石油大学（华东）机电装备教学实习总厂

　　针对石油加工、油品精制、催化剂评价等科研实验研究的需要，选择316 优质不锈钢作为微型反应器的材质，选用石墨密封，以适应高温高压以及耐腐蚀的实验环境。采用反扣施力挡圈和施力螺母共同作用使石墨垫片在被挤压的过程中只承受挤压力(即筒体只做直线挤压，不旋转挤压)，避免了垫片磨损，延长了垫片的使用寿命。

　　高温高压微型反应器是一种应用广泛的实验室试验仪器设备关键部件之一，主要用于石油加工、油品精制，催化剂评价等科研实验设备中。这些科研实验对反应器的耐压耐温性能要求很高，而且实验中会用到具有易燃易爆、强腐蚀性的酸碱等化学试剂。例如加氢裂化实验中，氢气在实验中的应用对反应器的安全可靠性提出了更高的要求。

　　我们设计的这种高温高压微型反应器操作简便，密封设计安全可靠，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为完全满足实验室的应用。主要技术要求如下：①工作温度：常温～450℃；②工作压力：常压～25MPa。

1、微型反应器结构及密封特点

　　由于微型反应器的应用环境需要耐酸耐碱，我们采用316 优质不锈钢作为制造加工反应器的材质，反应器筒体采用316 不锈钢无缝厚壁管。微型反应器装配图如图1 所示。

微型反应器装配图

1-压帽　2-石墨垫片　3-施力挡圈　4-施力螺套　5-反应器筒

图1 微型反应器装配图

　　根据工作温度、工作压力和工作环境的要求，我们选择了密封垫片为石墨材质，石墨垫片具有最大使用压力可达：30MPa，使用温度范围为：-200℃～650℃，适用介质广泛如：热水、蒸汽、油类、酸、碱、氨气、氢气、有机溶剂、碳氢化合物、低温液体等的优点[4]。针对石墨垫片密封，我们的微型反应器密封结构如图2 所示。

密封头结构放大图

图2 密封头结构放大图

　　此种结构特点：

　　(1)从图中可看到05-反应器筒体端面车有一个楔形倒角，倒角角度控制在10～15 度范围内，这样在挤压密封垫片时，石墨会沿着楔形方向越挤越紧，有利于密封。

　　(2)在03-施力挡圈和04-施力螺套的共同作用下[6]，筒体在挤压垫片的过程中只做直线运动，不会旋转。这种挤压方式避免了磨损垫片，利于挤压定型密封。

　　(3)03-施力挡圈为反扣，防止施力挡圈随着施力螺套一起旋转。通过调节它在筒体的位置，可以控制垫片挤压的程度。

2、反应器压帽螺纹承载能力校核

　　受静载荷作用的螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺纹被强力拉断所致，而螺纹联接部件通常在螺纹底部断裂损坏，因此单个螺栓联接的计算，主要是确定螺纹小径d1，然后按标准选定大径d 及其他尺寸。本装置螺纹所受载荷为轴向静载荷，其强度条件为：

螺纹所受载荷为轴向静载荷

　　式中FΣ———螺纹承受的轴向总拉力，mm；

　　F0———预紧力，mm；

　　F———工作载荷产生的拉力，N；

　　d1———螺纹小径，mm；

　　[σ]———螺栓材料的许用应力，MPa；

　　KC———螺栓联接的相对刚性系数。

　　已知d1=50mm，经计算FΣ=53 760N，可以得到σ=35.59<[σ]=133。因此，螺纹满足强度要求。

3、微型反应器密封性试验

　　根据《压力容器安全技术监察规程》，我们对微型反应器进行水压试验。试验介质为水，试验压力30MPa。实际压力试验曲线，如图3 所示。经30MPa 压力试验，无渗漏、未见异常变形，无异常响声，实验结论合格。

实际压力试验曲线

图3 实际压力试验曲线

4、微型反应器的应用

　　该微型反应器已经应用于系列实验室科研设备中，如2011 年新疆大学的高温高压加氢裂化实验装置、2008 年中国石油大学(华东)的小型催化剂评价实验装置(即微型反应实验装置)、2007 年重质油研究所的加氢精制实验装置(即柴油加氢装置)等。一直以来，使用中均未发生泄漏，密封可靠，性能稳定，操作简便，深得使用者认可。