新型电磁加热实验室用磁力驱动反应釜的研究与设计

　　甄继夏,马文启　（威海化工机械有限公司,山东　威海　264200）

新型电磁加热实验室用磁力驱动反应釜的研究与设计

甄继夏,马文启
（威海化工机械有限公司,山东威海264200）

实验室用磁力驱动反应釜的加热方式主要采用电阻加热，加热效率低、时间长，温度控制精度差，保温效果差。通过对多种加热方式的比对研究，确定电磁加热的可行性，研究设计开发一种新型的电磁加热磁力驱动反应釜，除了具有磁力驱动反应釜承压能力高、釜盖开启方便、操作维护简单、无泄漏的优点，还具有加热效率高，升温速度快，温度控制精确等特点。

电磁加热；磁力驱动；反应釜；设计

1　引言

实验室用磁力驱动反应釜是化工企业、科研院校、研究所进行化学实验的主要反应设备之一，它具有承压能力高、釜盖开启方便、操作维护简单、无泄漏的优点。到目前为止，国内外关于实验室用的反应釜种类很多，实验釜主要由承压釜体（承压容器）、釜盖、加热装置、冷却装置、搅拌装置、磁力传动装置以及安全附件、阀门等组成，见下图。

常规实验室用反应釜的加热装置主要采用电加热的结构对反应介质进行加热，以促进化学反应的进行，也有采用导热油加热以及蒸汽加热的方式对介质进行加热的，但是在实际操作过程中，普遍反映加热效率低、时间长，温度控制精度差，保温效果差，直接导致实验的周期长，实验采集数据准确度降低，实验成功率降低，实验成本增加。

针对目前实验用反应釜存在缺点和问题，开发研制一种新型的实验室用磁力驱动反应釜，除了具有常规磁力驱动反应釜的特点，还能具有加热效率高，温度控制精确等特点，成为各大企业院校的迫切需求。

2　反应釜加热方式选择

目前国内传统反应釜普遍采用的加热方式均为介质传热，包括电炉加热以及导热油、蒸汽等介质传热。但无论是哪种方式都存在效率不高、热量散失严重的问题，这对能源是一种浪费，也极大地使用单位的生产效率，严重地影响了经济效益。行业内迫切需求对反应釜的加热方式进行改进，改变目前耗能高、效益低的尴尬现状。而电磁加热方式作为一种相当成熟的技术，已成功应用在电磁炉、化纤注塑等行业，并取得了非常好的效果。

在此情况下，研究人员对国内相关科研院所的研发流程以及大型化工厂、制药厂、助剂厂、农药厂等企业的生产工艺进行了详细的了解，收集了科技研发、实际生产流程中所涉及的反应工艺参数，并对现场应用的反应釜效果进行了检测，得到了“第一手”的资料。同时查阅了国内外大量的相关科技文献资料，最后结合自身多年的研究成果，提出该电磁加热磁力驱动反应釜的设计方案，并反复论证了反应釜行业引入电磁技术的可行性，提出了开发研制电磁加热实验用磁力驱动反应釜的新课题。

3　电磁加热实验用磁力驱动反应釜结构设计

3.1加热方式的选择

电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时，容器表面具即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热物品的效果。因为是铁制容器自身发热，所有热转化率特别高，最高可达到95%。

根据该原理同时结合反应釜自身的结构特点，明确了反应釜釜体可以实现电磁加热的机理。将电磁线圈规则地缠绕在反应釜釜体的外围，线圈通高频交变电流产生高频交变磁场，该磁场将反应釜釜体包覆其中。磁场的高频变化，当磁场磁力线通过釜体时，会在金属体内产生无数的小旋涡流，使釜体本身自行高速发热，从而起到加热的效果。

3.2磁力驱动反应釜材料的选择

为了满足磁力驱动反应釜釜体的电磁加热要求，研发人员对反应釜各部件的用材进行了全新的选择，包括釜体材料、保温材料、电磁线圈材料以及磁场屏蔽材料等。

3.2.1釜体材料的选择

釜体材料的选择：常规的小型反应釜釜体为达到耐腐蚀以及美观等要求，一般都采用奥氏体不锈钢锻件的结构。奥氏体不锈钢属于非导磁性材料，而电磁加热要求受热体必须为导磁性材料。为解决这一问题，满足电磁加热的需要，研发人员对釜体的材料重新做了选择。将奥氏体不锈钢锻件结构改为低碳合金钢锻件堆焊不锈钢结构。这样低碳钢的釜体具有导磁性能够满足电磁加热的要求，而不锈钢的表层也能满足试验室反应清洁耐腐蚀的要求。

3.2.2外部保温材料的选择

为了更好的配合电磁加热的需要，研发人员对保温材料也做出了优化选择。常规反应釜选用的是石棉绒，此种材料是一种硅酸盐类矿物纤维，作为一种耐火保温材料，它的热量散失比较严重，耐火效果还行，保温效果较差。为了得到更好的保温效果，采用了一体成型的陶瓷纤维模块做保温层，降低了反应过程中的热量散失，也为反应釜温度的精度控制提供了保障。

3.2.3电磁加热系统材料的选择

研发人员综合考虑了线圈承受电流的大小、耐热性能、使用寿命等因素。为了避免温度变化过程中电磁场对反应釜其他零部件产生热影响，对电磁线圈外部电磁场进行了屏蔽处理。经过多次试验比较，最终选择了合适的材料。

3.3设备设计参数选择

反应釜在设计之前，根据调研返回的信息，该类设备在企业和院校以中小型实验反应釜居多，选定以下参数进行相关设计研发:反应釜容积：2升设计压力：12.5MPa设计温度：350℃

电磁加热功率：2.5KW电磁频率：20～30KHz

以上技术指标系常规实验室用反应釜的基本参数，同时电磁加热方式的创新性引入，极大地提高了反应釜的升温速度，缩短了升温时间，提高了反应效率，提高了效益。同时也解决了困扰常规加热方式伴随的温控延迟现象，保证了反应温度控制的精度。

3.4设备设计制造

反应釜釜体依据GB150-2011《钢制压力容器》等国家标准对壁厚进行设计。采用低合金钢锻件材料，既保证压力容器的承压要求，又保证其自身具有导磁性能以满足电磁加热需要，同时对其表面进行堆焊防腐处理，也进行了耐高温的工艺处理。反应釜釜盖密封面设计采用高压反应釜密封结构，同时提高加工精度等级，对形状与位置公差提高一级(相对普通要求)。

电磁线圈的制作经过反复的试验论证，对线圈的长度、圈数进行优化设计，最终达到最优的加热效果。同时为防止电磁场的辐射散失，采用了特殊材料对电磁线圈的外磁场进行了有效屏蔽。

3.5控制器的优化

常规反应釜的控制系统只是简单的配备了压力、温度、转速等功能的显示要求，但对温度、压力控制的实时性做的并不好。根据电磁加热对温度的精度控制要求，重新参照国外反应釜的控制器，设计研制了一套可视控制系统。该系统采用32位高性能RAM芯片组成实验室反应釜监控系统，其输入输出接口与功能更加丰富，可根据用户需求进行选择匹配。而且可以与电脑联接进行实时控制和数据分析。不仅可以对温度进行精确控制，在升温加热的过程还可以绘制温升曲线，通过电脑程序来设置升温速率。可以实现全自动的操作方法，可在多次定量分析中提高自动化操作流程，更加便于定量、定性的分析。

3.6试运行效果比对分析

设备制造完毕，对试制产品进行全面的检验和试验，包括压力试验、密封性能试验、传动系统试验、电磁加热效果试验等。在工况相同条件下，同时启动常规磁力驱动反应釜以及电磁加热磁力驱动反应釜，以升温到320℃为基准，共进行了60次的试验比对分析。

试验数据对比见下表：

试验数据参数表（平均值）

试验结果显示：电磁加热反应釜相比传统电阻加热方式，单位时间内的加热效率提高了60%，加热时间缩短一倍以上。温度的控制精度可以确保在±1℃的范围内。

4　结论

经实验证明，该电磁加热实验室磁力驱动反应釜的设计达到了预期效果，高效节能，保温效果好，温度控制精确，控制器智能化程度高，经过在部分企业一年多的实际应用，反映效果好，达到国际、国内领先水平。

[1]GB/T30098-2013.实验室用磁力驱动反应釜[Z].

[2]GB150.1～150.4.压力容器[Z].