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環(huán)保型石硫合劑熬制鍋的設(shè)計(jì)
學(xué)生：閆旭東 指導(dǎo)老師：李平
(1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要：本次設(shè)計(jì)的是設(shè)計(jì)一種新型的石硫合劑熬制鍋，這種鍋不僅解決民間傳統(tǒng)開放式熬制石硫合劑的缺點(diǎn)，同時(shí)可以降低工業(yè)成品高昂的費(fèi)用以及保質(zhì)期短，保護(hù)環(huán)境防污染，易失效的弊端，使得農(nóng)戶能以最低的成本獲得高品質(zhì)的石硫合劑。既節(jié)約了時(shí)間，又使反應(yīng)產(chǎn)物不排泄到外面從而繼續(xù)回到反應(yīng)罐里反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了廢氣循環(huán)使用，設(shè)備簡單，安全可靠，使本方案有了初步的設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：環(huán)保型；熬制鍋；石硫合劑
0引言
環(huán)保型石硫合劑熬制鍋是石硫合劑熬制不可或缺的設(shè)備。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的不斷發(fā)展，石硫合劑的環(huán)保與利用價(jià)值也陸續(xù)被發(fā)掘。試驗(yàn)研究表明，石硫合劑的環(huán)保價(jià)值非常可觀，并且節(jié)省原料，部分地區(qū)的供需矛盾也日益突出。因此開發(fā)石硫合劑熬制鍋的銷售市場顯得尤為重要和迫切，而且其發(fā)展前景十分廣闊。
民間熬制石硫合劑是用瓦鍋或生鐵鍋（不能用銅鍋或鋁鍋否則易腐蝕損壞）。首先將生石灰，硫磺粉和水按比例稱好備用。把稱好的生石灰放入鍋內(nèi)用戶少量水化開調(diào)成糊狀，再用少量水配成石灰乳。去除雜質(zhì)后兌入足量水即1份石灰兌10-15份水加熱煮沸，將1.7份硫磺粉用少量水調(diào)成糊狀，慢慢加入石灰乳中攪拌均勻后，猛火熬煮。熬制過程中添加熱水來補(bǔ)充水分，沸騰約40分鐘左右待藥液呈紅褐色，渣子變黃綠色時(shí)?；鹄鋮s后，用紗窗布濾出渣子即為石硫合劑原液。民間用這種熬制鍋石硫合劑，不僅耗時(shí)，而且熬制過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，易導(dǎo)致工作人員中毒和大氣污染；熬制時(shí)間難以把握，易出現(xiàn)熬過現(xiàn)象，多硫化鈣產(chǎn)出率低下；熬制的石硫合劑濃度不穩(wěn)定等諸多缺點(diǎn)。工業(yè)化熬制生產(chǎn)的石硫合劑由于運(yùn)輸，管理等原因，使用成本是農(nóng)民自己熬制的3-4倍，同時(shí)，該產(chǎn)品保質(zhì)期較短，到農(nóng)民手中質(zhì)量不能保證。
所以說設(shè)計(jì)一種由露天反應(yīng)鍋改變成密封式環(huán)保型熬制鍋，通過加裝冷凝回流裝置，攪拌裝置等，使其能加快反應(yīng)速率，防治廢氣排放，做到降低成本，循環(huán)利用資源。
1總體設(shè)計(jì)思路
環(huán)保型石硫合劑熬制鍋的工作部分是在一定溫度壓下，通過攪拌裝置攪拌均勻，然后經(jīng)過冷凝回流裝置再返回到反應(yīng)鍋內(nèi)繼續(xù)參加反應(yīng)，使廢氣不僅不能外排，而且能回到國內(nèi)繼續(xù)充當(dāng)反應(yīng)物的角色繼續(xù)反應(yīng)，經(jīng)過一定的時(shí)間熬制完畢后，即可打開鍋蓋使用。
1.1設(shè)計(jì)原理
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)是一種高壓條件下熬制石硫合劑設(shè)備，包括壓力反應(yīng)罐、冷凝回流裝置、壓力閥、安全閥、壓力溫度計(jì)、加熱系統(tǒng)。壓力反應(yīng)罐蓋有三個(gè)小孔，其中最離罐蓋沿近的的小孔為壓力閥，壓力閥中有一鋼鐵芯，通過鋼鐵芯重量調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力，當(dāng)鍋內(nèi)氣壓達(dá)到一定大小時(shí)，鍋內(nèi)蒸汽就會(huì)頂起排放反應(yīng)廢氣至冷凝回流裝置，經(jīng)過冷卻后回流至反應(yīng)罐。罐蓋中間一小孔是溫度壓力表，用于指示反應(yīng)體系的溫度和壓強(qiáng)。鍋蓋上還有一安全閥排汽小孔，起到安全保護(hù)作用以及把手、攪拌裝置等。在壓力反應(yīng)鍋底部安裝著電磁爐或煤氣灶提供熱源。
1.2設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)
環(huán)保型石硫合劑熬制鍋的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。
該熬制鍋是通過保持一種一定壓力條件下熬制石硫合劑的設(shè)備，它包括了壓力反應(yīng)鍋鍋體，冷凝罐，安全閥，壓力閥，壓力溫度計(jì)等。壓力反應(yīng)鍋蓋上有設(shè)置三個(gè)小孔，其中離鍋蓋沿較近的小孔是壓力閥，壓力閥通過連接管與冷凝管進(jìn)氣管緊密連接，壓力閥中有一鋼鐵芯，用來調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力。當(dāng)鍋內(nèi)氣壓大于臨界值時(shí)，鋼鐵芯被頂起來，鍋體內(nèi)的蒸汽沿壓力閥連接管進(jìn)入冷凝罐中的冷凝管中，通過冷凝罐進(jìn)水口注入自來水使冷凝管中蒸汽冷卻成液體，在壓力和重力作用下通過鍋體上的回流管再次回流至反應(yīng)鍋，繼續(xù)參加反應(yīng)；當(dāng)鍋內(nèi)氣壓小于臨界值時(shí)，鋼鐵芯回到原位，堵死氣孔。鍋蓋中間一小孔接溫度壓力機(jī)，溫度壓力計(jì)用來指示反應(yīng)體系的壓力和溫度狀況。鍋蓋上還有一安全閥，起到安全保護(hù)作用。石硫合劑熬制完畢后，擰開連接管與冷凝管進(jìn)氣管的連接螺栓，松掉緊固栓，便可以直接打開鍋蓋。
圖1環(huán)保型石硫合劑熬制鍋的總體結(jié)構(gòu)示意圖
1固定三角鐵 2鍋體 3旋鈕 4細(xì)桿螺紋 5下管 6把手 7安全閥帽 8壓力溫度計(jì) 9軸承外殼 10搖桿 11馬達(dá)固定架 12馬達(dá) 13螺栓桿 14上部細(xì)管 15小螺母 16冷凝回流裝置 17下部細(xì)管 18鍋蓋 19三角鐵固定架 20轉(zhuǎn)刀 21搖桿螺絲
2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
2.1冷凝回流裝置的設(shè)計(jì)
冷凝回流裝置的作用主要是通過外管外的自來水冷卻管中的水蒸氣，使其液化成水滴并且在壓力和重力的作用下繼續(xù)回流至反應(yīng)鍋中參加反應(yīng)，它是由鍋蓋上通過壓力閥的連接管與冷凝罐中的上部冷凝管相連接，下部細(xì)管則是回流液體繼續(xù)到鍋體中參加反應(yīng)。
2.2鍋體的設(shè)計(jì)
反應(yīng)鍋的作用是在一定壓力溫度下進(jìn)行熬制石硫合劑的反應(yīng)鍋。反應(yīng)鍋是由鍋蓋和鍋體兩大部分組成。鍋蓋上是由安全閥、壓力閥、壓力溫度計(jì)、攪拌裝置、把手、緊固旋鈕等組成。其中，安全閥是起到安全保護(hù)的作用，壓力閥是鍋內(nèi)氣壓大于臨界值時(shí)，用來出氣的閥，壓力溫度計(jì)是用來測量鍋內(nèi)反應(yīng)體系的壓力和溫度，攪拌裝置是用來攪拌鍋內(nèi)混合物，使其能夠更加均勻、充分地反應(yīng)，從而提高效率，縮短反應(yīng)時(shí)間。把手是用來提起鍋蓋，以防被燙傷，緊固旋鈕是用來緊固鍋蓋和鍋體的連接緊密程度。當(dāng)石硫合劑熬制完畢后，即可松開緊固旋鈕，打開與冷凝管相連接的連接管，便可直接取出所需要的反應(yīng)物。
2.3 攪拌裝置
攪拌裝置是主要的工作部件。其質(zhì)量、形狀、和材質(zhì)對熬制鍋的生產(chǎn)能力有很大的影響。因此，根據(jù)不同的進(jìn)料尺寸來選擇適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)擰刀質(zhì)量。擰刀頭是易損件，經(jīng)常需要更換，為減少更換所需時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)刀用高碳鋼鑄造或鍛造，也可用高錳鋼鑄造。為了提高耐磨性，有的錘頭表面涂上一層硬質(zhì)合金，有的采用高鉻鑄鐵。
因?yàn)橛脫u桿螺絲鉸接在搖桿上，所以正確選擇轉(zhuǎn)刀質(zhì)量對破碎效率和能耗都有很大影響，如果轉(zhuǎn)刀質(zhì)量選得過小，則可能滿足不了旋轉(zhuǎn)次數(shù)少就將物料均勻混合的要求。若選得過大，無用功耗過大，離心力也大，對其他零件會(huì)有影響并易損壞。
根據(jù)動(dòng)量定理計(jì)算轉(zhuǎn)刀質(zhì)量時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)破碎物料后，必然會(huì)產(chǎn)生速度損失，若損失過大，就會(huì)使轉(zhuǎn)刀繞本身的懸掛細(xì)桿向后偏倒。降低生產(chǎn)率和增加無用功的消耗。為了使轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)打擊物料后出現(xiàn)偏倒，能夠通過離心力作用而在下一次破碎時(shí)物料很快恢復(fù)到正確工作位置。所以，要求轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)打擊物料后的速度損失不宜過大。一般允許速度損失40%到60%（根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)）即：
（4-4）
式中─轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)打擊物料后的圓周線速度(m/s)
── 轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)打擊物料前的圓周線速度(m/s)
若轉(zhuǎn)刀與物料為了彈性碰撞。且設(shè)物料碰撞之前的運(yùn)動(dòng)速度為0，根據(jù)動(dòng)量定理，可得：
（4-5）
由上式可知，
（4-6）
式中m ─轉(zhuǎn)刀折算到旋轉(zhuǎn)打擊中心處的質(zhì)量(kg)
─最大物料塊的質(zhì)量(kg)
綜上所述，
但是，只是轉(zhuǎn)刀的旋轉(zhuǎn)打擊質(zhì)量。實(shí)際質(zhì)量應(yīng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)順序和轉(zhuǎn)刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求得，
（4-7）
式中—轉(zhuǎn)刀旋轉(zhuǎn)中心到懸掛點(diǎn)的距離(m)
—轉(zhuǎn)刀質(zhì)心到懸掛點(diǎn)的距離 (m)
3.6 固定架
固定架的作用是支撐長方體大水箱和石硫合劑熬制鍋的，為熬制石硫合劑過程中提供支架，保證整個(gè)熬制石硫合劑鍋與長方體大水箱有個(gè)骨架，也為環(huán)保型石硫合劑熬制鍋的工作提供基礎(chǔ)。固定架由角鐵焊接而成。
3總結(jié)
旋轉(zhuǎn)擰刀是石硫合劑熬制鍋的關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)刀的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速以及熬制原料質(zhì)量對石硫合劑熬制鍋的熬制效率、生產(chǎn)能力和能量消耗都有直接影響。在設(shè)計(jì)環(huán)保型石硫合劑熬制鍋時(shí)，必須綜合考慮各種因素，慎重確定轉(zhuǎn)刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。同時(shí)還要根據(jù)鍋體的幾何形狀和質(zhì)量精心設(shè)計(jì)攪拌中心到鍋體容量的距離，盡量消除旋轉(zhuǎn)擰刀在旋轉(zhuǎn)物料時(shí)對搖桿產(chǎn)生的不良影響。
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