簡易型動態電化學反應釜設計

高騰遠，蘇建文，董小平，2，陳亞方，馬玉蕊，李 旭

（1.河北大學質量技術監督學院，河北保定 071000；2.汽車制造質量教育社會實踐基地（河北大學-長安汽車），河北保定 071000）

0 引言

目前，反應釜往往用于不同溶液介質中金屬材料的腐蝕模擬，大多數的反應釜占地面積較大，安裝系統復雜，造價較高（達到10 余萬元）。如果用于科研設備，價格可接受。但用于教學設備，因價格問題導致學生在實驗時處于觀摩狀態，因此，為了提高學生的實踐能力，設計并制作簡易型電化學反應釜是非常必要的。王軍寧[1]等利用磁力攪拌設計了超小型反應釜，實現了反應釜小型的可能性。馮梅[2]等為高溫高壓釜設計了一套自控系統，發現該系統自動化程度高、穩定性好、操作方便。劉志華[3]等對高溫高壓反應釜加熱及移熱設備的工藝參數進行了核算，估算了反應熱效應及換熱和移熱設備的面積。通過對生產中的基本設備工藝參數進行確定，對加熱、移熱工藝流程進行了工藝參數選擇。余柏健[4-5]指出了高壓反應釜設計和制造要點：設計以及選材對反應釜的質量至關重要。基于此，根據參數的選擇設計一種簡易型電化學反應釜，以實現河北大學相關專業學生有效實驗要求。

1 反應釜基本參數

通常，產品的合理化設計，其參數選擇是非常關鍵的。本項目中反應釜設計的參數如表1 所示，反應釜各個部件的尺寸如表2 所示。

除了上述一些基本工作參數和各個部件的尺寸外，還對反應釜的標準件進行選定，主要有41K25RGN—C 型號電機、6200RS2RSRZZZZ 型軸承、EN837-1 型壓力表、WST-313 型溫度計、SYC-30S 型聯軸器、標準螺母M8×30、M16×30 等。

2 結構設計

簡易型動態反應釜結構主要包括釜體、釜蓋、電機臺、掛具軸、傳動裝置（軸承、聯軸器）和加熱裝置等。

釜體結構主要有筒體、釜底、通孔、密封槽等結構（圖1）。筒體為由5 mm 厚的有機玻璃制成外徑為210 mm 的圓筒狀。釜底厚度10 mm，筒體內部高340 mm，外部高350 mm，容積約為11 L。法蘭部分環狀邊緣均勻分布有8 個直徑為16 mm 的通孔，通孔圓心距離法蘭邊緣21 mm，靠近法蘭口部位有一外徑215 mm、寬3 mm、深2 mm 的密封槽，用于放置密封圈增加密封性。筒體與釜底和法蘭部分通過粘接方式合為一體，經濟效果突出，密封性好，具有質量小、強度高的特點，同時還具有良好的導熱性，使用水浴鍋即可加熱，耐腐蝕性良好。

表1 反應釜的設計參數

表2 反應釜各個部件的尺寸

圖1 反應釜釜體

為了方便連接釜體，反應釜蓋做成高度10 mm 的圓柱形（圖2）：釜蓋外徑286 mm，內徑15 mm，在釜蓋內徑處上方安裝一固定軸承座，軸承座內徑30 mm，外徑40 mm，高度10 mm，用于固定軸承。釜蓋從左方順時針依次安裝有進氣口、溫度表、出氣口、壓力表，為了拆卸方便和增加氣密性，均采用螺紋連接。釜蓋周邊制作8 個與釜體配套的通孔，方便用螺栓進行密封固定，釜蓋上放置有電機座，用于固定電機。

圖2 反應釜釜蓋

為了方便安裝聯軸器，電機臺不能做成密封形式，電機臺的結構跟釜體結構類似，主要結構有筒體、筒蓋、螺紋口、密封槽等。電機臺筒體由5 mm 厚的有機玻璃制成圓筒狀，筒體外徑100 mm，內徑為90 mm（圖3）。由于反應釜蓋面積有限，為了防止電機臺與壓力表、溫度表安裝過程中發生位置沖突，電機臺筒體具有一定高度，設計為110 mm。電機臺法蘭部分環狀邊緣均勻分布有8 個直徑為8 mm 的通孔，通孔圓心距離法蘭邊緣9 mm。在靠近筒口內部加工一條外徑為115 mm，內徑為109 mm，深度為2 mm 的密封槽，放置密封圈，用于保障電機臺的密封性。電機臺與反應釜蓋通過粘接的方式連接在一起，保障其密封性。

圖3 電機臺示意

圖4 電機臺蓋示意

電機座蓋外徑155 mm，內徑60 mm，厚度10 mm，在其上設計8 個與筒體配套的通孔，用于螺栓的連接。

不同于其他攪拌反應釜，本次反應釜沒有采用攪拌器進行攪拌，而是將試樣固定在掛具軸上隨傳動軸一起轉動，在傳動軸下端焊接了兩組螺栓，每組4個，傳動軸直徑10 mm，長度410 mm，因釜體盛裝工作介質的高度為340 mm，一般實驗過程中只將工作介質添加到其高度的2/3，經過計算，在距離傳動軸頂端260 mm 處，焊接第一組螺栓，再向下80 mm 處，焊接第二組螺栓，可以保證試樣處于工作介質中，又不接觸釜底，4 個螺栓平行均勻分布傳動軸四周，用于固定試件（圖5）。在攪拌過程中，既不會發生試件的碰撞，又加快了試樣的腐蝕速率，保障了實驗的嚴謹性和準確性。

傳動裝置主要包括軸承和聯軸器。軸承選用內徑為10 mm，外徑為30 mm，厚度9 mm 的密封軸承，放于軸承座內，起到支撐掛具軸、減小旋轉阻力的作用。聯軸器選用外徑30 mm、內徑10 mm、長35 mm 的梅花聯軸器，且一端開寬4 mm的鍵槽一端連接電機轉軸，另一端連接傳動軸，使電機的轉矩可以傳遞到傳動軸，帶其一起轉動，滿足試驗需求。

因本反應釜體積小，壁厚薄，且釜體材料選用有機玻璃導熱性能良好，所以加熱裝置可以選用數顯恒溫水箱。實驗前往水箱中注入純凈水，達到理想的溫度后，將反應釜釜體直接放入調好溫度的水浴箱中加熱。基于以上設計，其組裝圖如圖6 所示，實物如圖7 所示。

圖5 掛具軸示意

圖6 反應釜裝配圖

圖7 電化學反應釜

該反應釜的工作過程如下：工作時電機提供轉矩，通過控制調速器得到合適的轉速，用聯軸器將電機轉頭和傳動軸連接在一起，在釜蓋內徑上方軸承座處安裝一固定軸承，防止傳動軸在工作中左右搖擺引起試件的碰撞，并起到減小旋轉阻力的作用，保障試樣的均勻腐蝕。進行水浴加熱，在溫度表達到理想溫度后，停止升溫并保持溫度不變，將反應釜放入水浴箱內，從進氣口通入氬氣排氣后，通入實驗氣體，如CO2，觀察壓力表的示值，控制進氣量，以達到實驗要求的pH 值。實驗結束后，待反應釜冷卻后，取出試件，并清理干凈反應釜。

3 結論

（1）釜體筒體由5 mm 厚的有機玻璃制成外徑為210 mm的圓筒狀，容積約為11 L。靠近法蘭口部位有密封槽，保障密封性。

（2）電機臺主要結構有筒體、筒蓋、螺紋口、密封槽等。電機臺筒體有一定高度，設計為110 mm，在靠近筒口內部有密封槽，保障電機臺的密封性。

（3）傳動軸下端焊接了兩組螺栓。傳動裝置主要包括密封軸承和梅花聯軸器。