（机械设计及理论专业论文）一种石蜡氧化塔的设计制造.pdf

东北大学硕士学位论丈 摘要 一种石蜡氧化塔的设计制造 摘要 石蜡制品在国民经济各个领域里的应用越来越广泛。比如在汽车、电子元件、 精密铸造、炸药、水果保鲜、防水剂、农药等行业里有着广泛应用。本论文根据 氧化石蜡的生产工艺要求，研制一套容量为1 吨的氧化蜡生产装罱。该氧化蜡生 产装置的主要设计要求是：满足氧化蜡生产工艺，氧化塔的结构要合理、安全可 靠，具有较高的电器自动控制系统等。 在石蜡氧化塔的功能分析中，论文首先利用黑箱法，找出氧化塔的总功能及 分功能。再利用直觉法、调查分析法以及设计目录法等，求出分功能的所有解。 把这些分功能解的组合，按评价与决策原理，分析并筛选出最佳功能解组合。 在石蜡氧化塔的结构设计中，论文在满足氧化石蜡的加工原理及工艺要求的 情况下，确定了塔身结构及其各零部件的材料、形状、尺寸以及加工和装配工艺 等。利用a u t o c a d 、p r o e 等c a d 软件完成了造型结构设计。按照压力容器设 计标准规范对塔身的强度进行了核算。利用a n s y s 有限元分析技术对塔身结构 进行了应力分析和强度评估。研制的参数化设计软件和基于a n s y s 的塔身有限 元分析程序，能实现相同结构不同参数的分析，可提高设计计算效率。还通过计 算确定了氧化塔报警压力为0 1 m p a 。 在自动控制系统的设计中，主要实现了石蜡氧化塔加热系统的自动控制和冷 却装置的自动控制。在石蜡的氧化过程中温度的控制对氧化反应来说是非常关键 的，氧化蜡的生产工艺要求加工温度严格保持在1 6 0 - 士3 和1 4 0 士3 。c 之间。因此设 计配置了性能良好的自动控制系统满足氧化蜡生产的工艺要求。 在完成上述设计和其他相关设计的基础上，研制出了一套1 吨容量的氧化蜡 生产装置，目前已经在抚顺文爱新科技有限公司投入使用1 年多，运行证明该产 品的研发是成功的。 关键词：石蜡氧化塔设计+ 制造控制系统 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 d e s i g na n df a b r i c a t i o no fp a r a f n nw a x 0 x i d a t i o nt o w e r a b s t r a c t t h ep a r a f f i nw a xp r o d u c t si sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l yu s e di nv a r i o u sd o m a i n e g i t i s e x t e n s i v e l yu s e d i nm o t o rd o m ，e l e c t r o n i c c o m p o n e n t ，p r e c i s i o n m a n u f a c t u r e d ，d e t o n a t o r ，w a t e r - p r o o f i n ga d m i x t u r em a dp e s t i c i d ed o m a np a r a f f m w a x a p p a r a t u s f o r p r o d u c i n g i si n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h e t e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t si nt h ep a p e r t h ec a p a b i l i t yo ft h ed i v i c ei so n et o n t h em a i nd e s i g n r e q u i r e m e n to f t h e d i v i c ei ss a t i f y i n gt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eo f p a r a f f i n ，r a t i o n a l c o n f i g u r a t i o no fo x i d a t i o nt o w e r ，o n 恤es a f es i d e ，af l e x i b l ea u t o c o n t r o l l i n gs y r s t e m ab l o c k b o xm e t h o di su s e dt of i n dt h et o t a lf u n c t i o no fo x i d a t i o nt o w e ra n d s u b f i m c t i o no fa l lc o m p o n e n t si nt h ed e s i g no fp a r a f f i nw a xo x i d a t i o nt o w e r s e c o n d l y ，i n t u i t i o nt e c h n i q u e ，d i a g n o s e s ，d e s i g nd i r e c t o r ym e t h o di se x e r c i s e dt o a n s l y s i sa n df i l t e rt h ec o m b i n a t i o no f o p t i m a lf u n c t i o n t h es t r u c t u r eo fo x i d a t i o nt o w e r ，t h em a t e r i a l ，s h a p e ，d i m e n s i o n sa n da s s e m b l y t e c h n i q l i eo fa l lc o m p o n e n t si sc o n s i d e r e di nt h ed e s i g np r o c e s so fp a r a m nw a x o x i d a t i o nt o w e r t h es t r u c t r u a ld e s i g ni sf i n i s h e du t i l i z i n gt h ea u t o c a d p r o ，ea n d a n s y s t h es t r e n g t ho fp a r a f f i nw a xo x i d a t i o nt o w e ri sc h e c k e da c c o r d i n gt ot h e d e s i g ns p e c i f i c a t i o no fp r e s s u r ev e s s e l t h es t r e s sa n s l y s i sa n di n t e n s i o ne v a l u a t i o ni s p e r f o r m e db yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s ap a r a m e t r i cd e s i g ns o f t w a r e b a s e dt h ea n s y si su s e dt oi m p r o v et h ec o m p u t i o ne f f i c i e n c y ，t h ea l a r mw i l jw o r k i f t h ep r e s s u r ee x c e e d s0 1 m pt h a ti se n s u r e db yc o m p u t a t i o n t h ea u t o c o n t r o lo ft h eh e a t i n g - u ds y s t e ma n dc o o l i n gd e v i c ei sd e s i g n d t h e c o n t r o l l i n go f t h et e m p e r a t u r ei sq u i t ec r i t i c a li nt h ep r o c e s so f p a p a f f i nw a xo x i d a t i o n t h em a n u f a c t u r et e m p e r a t u r em u s tb ek e p tb e t w e e n1 6 0 士3 a n d1 4 0 土3 i ti s n e c e s s a r yf o r t h et e c h n o l o 西c a lr e q u i r e m e n t s o fp a r a f f i nw a xt oh a v eab e a e r a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m ap a r a f f i nw a xp r o d u c i n gd e v i c ew h o s ec a p a c i t a n c ei so n et o nh a sb e e n r e s e a r c h e do nt h eb a s eo fd e s i g n sa b o v e i th a sb e e nu s e df o rm o r et h a no n ey e a ri n t h ew j i a in e wt e c h n o l o g yc o m p a n y , w h i c hp r o v e st h ed e s i g no ft h ep r o d u c ti s s u c c e s s f u l k e yw o r d s ：p a r a f f i nw a x ，o x i d a t i o nt o w e r , d e s i g n ，f a b r i c a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 关于石蜡 石蜡是一种应用广泛的重要的基础化工原料。从原油中提炼出来的片状或 针状结晶，又称晶形蜡。主要成分为j 下构烷烃，也有少量带个别支链的烷烃和带 长侧链的环烷烃。石蜡的主要质量指标为熔点和含油量，前者表示耐温能力，后 者表示纯度。根据加工精度的不同，可分为全精炼石蜡、半精炼石蜡和粗石蜡3 种。前二者用途较广，主要用在食品、包装材料、烘烤容器的涂敷料、化妆品原 料、水果保鲜、橡胶抗老化等方面。也用于电器元件的绝缘、精密铸造、蜡纸、 蜡烛等行业。粗石蜡由于含油量较多，主要用于制造火柴、纤维板、篷帆布等。 石蜡中加入聚烯烃添加剂后，其熔点增高，粘附性和柔韧性增加。因此，广泛用 于防潮的包装纸、纸板、某些纺织品的表面涂层等方面。 特种蜡又称专用蜡，是以石蜡( 石油蜡) 为基础原料、经深加工后产生的。 其主要产品有橡胶防护蜡系列、汽车用蜡、电力电容器罐封蜡系列、电子元器件 专用浸渍蜡系列、电子元器件专用包封材料系列、含氧蜡、微晶蜡、硬质合金用 蜡、感温蜡系列、热熔胶系列、乳化炸药专用蜡系列、精密铸造用中温模料、脱 模蜡、水果保鲜剂等。 1 1 2 国内石蜡的生产现状 目前我国已成为世界第一大石蜡生产国，到2 0 0 4 年生产能力已突破1 5 0 万 吨年。我国是石蜡基原油资源和产量最多的国家。其中辽河油田的原油含蜡量 高达4 5 以上，大庆原油含蜡量也在2 5 以上，胜利油田原油含蜡量也有1 5 左右。我国自产原油中的杂质和含硫量都较低，是生产优质石蜡和微晶蜡的理想 原料。根据近几年的市场调查，2 1 世纪的前期将是石蜡基原油走俏的年代。因 为美国、欧洲、中东等地的原油是贫蜡原油，所以，和世界石油产品市场的需求 有定矛盾，这对上述地区的炼油业，将是一个严峻的挑战。而对于含蜡原油极 其丰富的我国来说，却提供了一个大好的发展机遇。因此，我们应该珍惜这个独 有的资源优势和可贵机遇，应在特种蜡、微晶蜡及高熔点石蜡等产品上加大科技 投入，充分发挥石蜡的特性优势，使国内的产品结构与市场衔接，从而达到改善 产品结构，提高企业经济效益的目的。 1 1 3 国内石蜡的消费状况 多年来我国生产的石蜡制品大都是些低端产品，导致目前我国的石蜡产品 大多数只作为初级产品应用。这样不仅限制了石蜡在更多范围内的应用，同时也 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 限制了经济效益的进一步提高。随着我国工农业生产的发展和人民生活水甲的提 高，石蜡的消费结构已发生了较大的变化。从表11 町以看出。石蜡作为蜡烛及 火柴的消费在逐步减少，而石蜡二次开发逐步增加。存食品、火工、纤维扳、橡 胶、电线、电缆和电池等行业的应用日益增加。按照目前国际市场上刘石蜡产品 的需求结构来看，特种蜡将占据主导地位。 表1 1 我国石蜡消费结构( ) t a b l e1 1 t h e c o n s u m p t i o ns t r u c t u r eo fp a r a f f i nw a x ( ) 年份 1 9 9 52 0 0 3 蜡烛 2 52 0 ，4 食品 9 01 11 火工8 7 9 6 纤维板 6 37 5 轻工9 07 4 火柴 8 17 0 橡胶 3 83 9 蓬帆布 4 6 3 6 电线、电缆 1 92 6 电池 2 12 t 3 其他 2 1 52 4 6 合计 1 0 01 0 0 1 1 4 研制石蜡氧化塔设备的意义 以石蜡、微晶蜡为基础原料，通过调合、改性可以生产出多种特种蜡。目前 我国仅有十大类1 0 0 多种特种蜡产品，远远不能满足国民经济各部门的需要。随 着国民经济的迅速发展人民生活水平的不断提高，各方面对特殊用途蜡的需求 量必然逐渐上升，这也需要我们大力开发石蜡的综合利用，不断研制出性能优良、 品种齐全的专用蜡新产品，不断开拓国内国际市场。据相关资料显示，我国目前 特种蜡的需求量为：乳化蜡1 7 2 万吨，汽车防护蜡1 5 2 万吨，热熔粘合剂l 万 吨电子工业用蜡o 2 万吨精密铸造蜡0 5 万吨，建材用蜡o 1 万吨，橡胶防 护蜡2 万吨。 下面介绍几种市场前景较好的特种蜡制品： 下面介绍几种市场前景较好的特种蜡制品： 东北太学硕士学住论文 第一章绪论 1 、人造板乳化蜡。除胶合板外，我国目前的各种纤维板和刨花板都不同程 度地使用石蜡防水剂，如全部采用乳化蜡，按目前国内情况估计，生产这两种人 造板至少需要乳化蜡3 - - 4 万吨年。根据国内有关部门对人造板发展趋势的预 测，2 0 1 0 年国内人造板乳化蜡需求量将达到l o 1 2 万吨。现在，国内的乳化蜡 生产配方和工艺非常落后，生产中需要大量的乳化剂。乳化剂不仅污染环境，而 且成本也很高。因而乳化蜡的实际需用量仅为5 0 0 0 吨。故国内人造板生产f 一和 人造板乳化蜡研制单位应及时改进生产配方和工艺，降低乳化蜡成本。 2 、造纸乳化蜡。目前我国施胶纸的产量约为1 2 0 0 万吨，国内造纸内部施胶 仍沿用松香胶。表面施胶只使用少量的乳化蜡。造纸行业如果采用乳化蜡施胶不 仅可改善纸质量还可降低纸的生产成本。如按o 2 添加量计，2 0 1 0 年我国造纸 乳化蜡需求量将达到2 - 2 5 万吨。 3 、农业用蜡。由于人们对植物保护乳化蜡缺乏足够的认识，加之价格不合 理，在国内至今尚未得到广泛应用。只是在部分地区少量使用，总计不足千吨。 预计到2 0 1 0 年，我国果蔬保鲜乳化蜡的市场需求量为3 - 4 万吨。 4 、上光剂。2 0 0 0 年我国各种上光剂对乳化蜡需求量约为3 万吨年，其中 汽车上光乳化蜡近2 万吨年。除皮革乳化蜡已基本实现国产化外，市场销售的 地板、塑料制品、家具、汽车等上光乳化蜡绝大多数依赖进口，尤其汽车上光蜡。 加上乳化炸药蜡韵需求量约为1 万吨年，到2 0 1 0 年，我国上光乳化蜡的总需 求量将达到3 0 万吨。 综上所述，今后我国应重点在人造板、果蔬保鲜、上光剂等方面发展乳化蜡。 其中，需要改进人造板乳化蜡的配方，开发出成本低、质量好的人造板乳化蜡： 果蔬保鲜乳化蜡应用范围要扩展到延长花卉开花周期方面；上光剂乳化蜡方面， 要根据国内人们消费观念的改变和私人轿车增加这一情况，加大汽车上光乳化蜡 的开发力度；乳化炸药方面要在矿山使用的基础上，开发出水利建设、军工等方 面的乳化炸药蜡。此外，应根据国内市场需求，积极开发新品种乳化剂，如建筑 行业用钢筋混凝土固化剂、机械行业用防锈剂、橡胶行业助剂用乳化蜡，以及新 型建筑材料用乳化蜡等。 上述特种蜡大都需要进行乳化，统称乳化蜡。所谓乳化蜡就是把石蜡溶于水 制成的一种液体蜡。石蜡本身是不溶于水的，需要大量的乳化剂。这样不仅成本 太高，丽且乳化效果也非常差。我 i 、 可以通过改性处理，把石蜡变成氧化蜡，氧 化蜡是非常容易溶于水的，只要用少量的乳化剂，就可以获得稳定的乳化蜡。 因此，生产特种蜡的最关键原材料是高质量的氧化蜡。目前，我国生产氧 化蜡的水平较低，规模也非常小。能生产氧化蜡的企业不到1 0 家，其中东北的 企业就更少，更不用说生产特种蜡了。大部分特种蜡，都要依靠进口和从南方引 进。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 大力开发研制氧化蜡，对我国特种蜡产业的发展有着极其重要的意义。东北 是中国最大的石蜡生产基地，最有条件发展石蜡产品。抚顺文爱新科技有限公司 的主要产品就是以板材用乳化蜡为主的特种蜡制品。本论文结合该公司的生产实 际，进行了石蜡氧化塔的设计。 1 2 相关领域的发展状况 1 2 1 中国特种蜡产业的现状 近年来，对特种蜡的主要原料石蜡的需求不断增长，2 0 0 2 年，世界石蜡的 总需求量已达到3 0 0 万吨以上，我国国内石蜡需求量为6 0 万吨。随着世界经济 的飞速发展和人们生活水平的日益提高，仅利用石蜡的固有特性，己不能满足某 些特殊的需要，因而需对其改质，制取符合特种要求的产品特种蜡。石蜡的 深加工得到了很快发展，同时也极大地推动了特种蜡产业的发展，因此，特种蜡 产品的应用市场潜力极大。 据有关专家介绍，目前国内特种蜡生产厂家有抚顺石油化工研究院、茂名华 粤集团公司、燕山石化公司、大连石油公司、河南油田南阳石蜡精细化工厂、上 海高桥石化炼油厂等l o 余家。产品主要有精密铸造用蜡，汽车防护蜡，乳化炸 药蜡，电力、电子元器件用蜡( 热固性绝缘材料) ，橡胶防护蜡，水果包装用蜡， 热熔胶用蜡等等。其中，中石油抚顺石化公司生产的石蜡产品年产量和出口量已 连续三年位居我国第一，是我国最大的石蜡生产和出口基地，以专用石蜡和特种 蜡为主攻方向，已开发并批量生产了七大类一百余种特种蜡产品，先后开发出了 食品蜡、包装蜡、化妆品用蜡、工艺蜡、船舶下水蜡、家禽拔毛蜡等系列产品。 特别是他们开发生产的f t r 型叶片填充软蜡、f o b 型硬质阳极保护蜡、f c y 型 冲压成型蜡等系列特种蜡产品在航空企业的发动机生产线上已得到广泛应用，成 为我国航空发动机生产线上的国产化新型材料，填补了国内这一领域的空白。而 荆门石化则是中南地区最大的特种蜡生产基地，共有造粒、氧化、乳化、调和4 套装置，能生产氧化蜡、乳化蜡、r p w 橡胶防护蜡、轿车专用防锈用高熔点蜡 等近1 0 个品种，特别是该基地生产的高熔点蜡是汽车防锈蜡的主要原料，深受 市场青睐。目前他们正瞄准市场新需求，力争在精密铸造蜡、造纸施胶剂、纺织 用蜡等新产品上有所突破，并积极开拓市场。力争把特种蜡这块“蛋糕”做大做强， 形成规模效益。2 0 0 2 年春，由中国石化集团公司立项投资、荆门石化总厂自行 设计的3 0 0 0 吨年的特种蜡生产装置建成并投入批量生产。荆门特种蜡生产基 地与东北的抚顺石化石蜡生产基地遥相呼应，共同促进我国特种蜡产业的发展， 预示若我国特种蜡产业即将进入一个生机勃勃的发展时期。 业内人士指出，目前国内的很多企业已经认识到特种蜡生产是石蜡的发展方 向，并正在加快石蜡深加工和特种蜡产业化的步伐。随着我国的入世和电子、建 4 东北大学硕士学住论文第一章绪论 材、汽车等工业的发展，我国特种蜡的产业必将进入一个飞速发展的时期，我国 的特种蜡产业将迎来春天。 1 2 2 国外特种蜡产业与我国特种蜡产业的比较 据了解，国外特种蜡产业化至少已有3 0 年历史，发展比较快，涉及的领域 也比较广。美国、西欧、日本等发达国家，在石蜡总产量和销售量中，特种蜡一 般约占2 5 3 5 ，美国和加拿大仅用于纸制品和包装材料的石蜡量就占总消费 量的4 0 5 0 。石蜡在热熔胶中的应用每年约增长3 4 ，轮胎和橡胶工业 用石蜡预计年增长i 。经过几千年的发展，国外已经形成了具有相当规模和实 力的特种蜡生产公司，如：世界上最大的特种蜡产品开发、生产和经销的跨国公 司之一的英国a s t o rs t a g 公司，德国的s c h u m a n n 集团，美国的c o l l i n s 公司等。世界发达国家的特种蜡年生产能力约为6 8 万吨，产品品种达3 0 0 余 种，产品主要应用于农业、化工、轻工、纺织、造纸、食品、建筑、交通运输、 电业、医药、体育、军工等各个领域。 石蜡产品是我国能够打入国际市场、并占有一定市场份额的主要石油化工产 品之一，每年有相当数量的原料蜡出口到西方发达国家。尽管我国石蜡产量很大， 但特种蜡产品在国际市场上交易还处于初级阶段，我国特种蜡的发展落后于发达 国家。业内人士指出，造成这种石蜡大国却要进口高档特种蜡产品的尴尬局面的 原因，一是品种构成不合理，在石蜡总产量中，全炼蜡仅占1 3 左右( 美国约 占1 2 ) ，食品蜡占2 9 0 0 ，特种蜡和微晶蜡所占比例更低，而一些半炼蜡所占 比例较高，使国内市场上高质量高附加值的特种蜡短缺，低熔点半炼蜡过剩。二 是我国大部分特种蜡、专用蜡产品还只是处于小批量生产阶段，具有一定生产规 模的产品不多，产量不足我国石蜡总产量的1 ，远远不能满足各行各业对特种 蜡、专用蜡的需求，而且国内具有相当规模、自己品牌和销售网络、可以和国外 大公司媲荚的特种蜡公司还不多。 为了适应我国国民经济发展中对特种蜡、专用蜡产品的需求，我国特种蜡、 专用蜡的生产和开发取得了一定的进展，先后开发了用于电子元器件、感温元件、 硬质合金、火工炸药、橡胶防护、精密铸造、农林、建材、日用化工等近1 0 0 种 特种蜡产品。近年来，电子电力器件、予午线轮胎、p v c 塑料加工、陶瓷、建 材、汽车生产等工业部门对特种蜡产品形成了越来越广阔的市场需求，给特种蜡 发展带来了新的机遇。 l 。2 3 目前我国石蜡产品中存在的问题 1 ) 石蜡产品的品种少，规格少。如含油低，熔点高的全炼蜡、食品蜡少。 出口蜡只有含油o 4 一种规格，而国外的要求是含油o 5 o 8 各个品种，产 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 品还未形成系列化，以致国外用户难以选择应用。市场上紧俏的6 6 7 0 号的高 熔点石蜡和7 0 号以上的混晶蜡也很少。 2 ) 石蜡产品质量上还存在一些问题。如些出口蜡，光、热安定性较差， 以致卖到国外后，还要进步精制。特别是微晶蜡质量较差，其颜色、含油、f d a 等指标不能满足用户要求。 3 ) 目前我国的石蜡产品仍然是清一色的块状成型产品，包装上绝大多数还 是采用5 0 虹编织袋。这在销售、运输和使用方面，都带来一些不便。如块状产 品不能满足用户使用要求。不少行业在使用时先要破碎，造成不必要的物料损失 和人力消耗。 上述存在的问题将日益影响我国石蜡在国外市场上的竞争力。更重要的是现 在市场上低档产品销售十分困难。据报道，1 9 9 8 年中高档蜡制品占总的石化市 场的6 0 以上，并且有各种特种蜡产品不断工业化生产面向市场，而低档蜡大都 以极低的价格销售。因此，我国今后发展石蜡生产，不仅仅是在产量上取胜，更 重要的是在产品质量、生产品种，以及产品的高附加值上下功夫。开拓国际市场 是我国石油蜡发展的必行之路，只有这样才能继续维持我们在国际市场上的地位 和威信。 1 3 氧化蜡的特点及生产工艺 1 3 1 氧化石蜡的特点及用途 大部分特种蜡都需要进行乳化。石蜡本身是不溶于水的，也就是说石蜡本身 难以被乳化，乳化时需要大量的乳化剂，使乳化蜡的应用受到限制。将石蜡通过 氧化改质引入_ o h 、c 0 0 h 、一c = 0 、c o o r 等基团，可改变其理化性质。 氧化改质后的石蜡具有以下特点： 1 ) 良好的乳化性能。由于在氧化过程中生成了大量的含氧基团，降低了乳 化时的界面张力，因此可制得稳定的乳状液，还可以降低乳化剂的用量。 2 ) 良好的颜料分散性。深度氧化的蜡中含有大量的羧基，它和碱性颜料有 良好的亲和性，因此能很好地将颜料分散，使得色彩更加鲜艳。 3 ) 良好的润滑性能。在氧化中产生了极性基因，因此具有良好的润滑性能， 使加工温度降低、脱模容易、制品表面光洁度高。 4 ) 油溶性增加。通过调节氧化深度，可使氧化蜡和溶剂油的溶解度参数相 匹配，提高溶解性。 5 ) 改善柔韧性。通过氧化，蜡分子结构中生成了酯、醚等官能团，使得改 质蜡具有良好的柔韧性，形成的膜在低温下不易开裂。 1 3 2 氧化石蜡的基本工艺 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 1 ) 基本工艺流程：取一定量的石蜡，加入到石蜡氧化塔中，从氧化塔底部 通入流速恒定、干燥的热空气。待蜡升温至指定温度时，加入一定量氧化引发剂。 准确控制温度和空气流速，反应一段时间后，从氧化塔底部放出氧化石蜡。 2 ) 氧化蜡的指标：氧化石蜡的酸值按g b t2 6 4 石油产品酸值测定法测定； 皂化值按g b t8 0 2 1 石油产品皂化值测定法测定；针入度按g b t4 9 8 5 石油蜡针 入度测定法测定；滴溶点按g b t8 0 2 6 石油和石油脂滴熔点测定法测定。 3 ) 石蜡氧化属于链式反应，在反应开始时为了生成自由基，需向系统提供 能量。由于氧化反应为放热反应，故一旦反应进行，应及时将系统的多余热量除 去。提高氧化温度，可加速氧化反应，提高氧化深度，在反应时间相同( 7h ) 的 情况下，考察了反应温度对氧化石蜡性质的影响，结果如表1 2 所示。 由表1 2 可知，氧化石蜡的酸值随反应温度的提高而增加，到1 5 5 以后酸 值的增加趋于平缓。提高反应温度可以提高氧化反应速度，缩短氧化时间，但副 反应也同时加快，使生成的脂肪酸进一步氧化成复杂的含氧化合物。反应温度达 1 6 5 时副反应增加，使产品的酸值下降。氧化石蜡的针入度随反应温度的提高 而增加，也就是氧化石蜡的硬度逐渐变软。氧化石蜡的滴熔点随反应温度的提高 而下降，在1 5 0 1 6 0 之间下降较快。由于石蜡氧化生成的脂肪酸、酯、酮等 物质的针入度和滴溶点比正构烷烃低得多，由此可以推测在1 5 0 到1 6 0 。c 之间 反应速度增加较快。 氧化石蜡的颜色从略黄到鹅黄，随反应温度的提高其颜色逐渐加深。在1 6 5 。c 的条件下，反应7h 所产生的氧化蜡，其颜色与蜂蜡颜色相近。这符合石蜡氧化 产物颜色随反应温度变化的一般规律，反应温度过高对氧化反应不利。 表1 2 反应温度对氧化石蜡性质的影响 t a b l e1 2t h ei n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo fp a r a f f i nb yt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e 反应温度 氧化石蜡 酸值( k o h ) ( m g g 。1 ) 针入度m m滴熔点 1 4 5 2 5 4 54 9 08 0 2 0 1 5 02 6 9 35 4 08 0 1 0 1 5 52 8 1 8 6 1 07 8 6 0 1 6 0 2 8 5 37 0 07 5 4 0 氧化时间对产物性质也有较大影响。氧化时间长导致副反应增多，产物质量 降低。因此控制氧化时间也非常重要。在其他条件不变的情况下，随着反应时间 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 增加，氧化石蜡的酸值逐渐变大。在同一反应时问下，反应温度越高，酸值也越 大。从反应温度为1 5 5 及1 6 0 。c 这两条曲线可以发现，当反应时间在4 5h 时， 产物的酸值随时间的变幅度较大，而5h 以后酸值的增加缓慢，说明反应深度增 加，生成复杂含氧化合物的副反应增多。 在相同温度下，随着反应时间的增加产物的针入度逐渐增大，也就是随氧 化程度加深，产品越来越软。另外还可以看出在相同反应时间下。反应温度越高， 则产品针入度也越大。 以氧化石蜡代替蜂蜡配制乳化蜡，当用量相同时，得到的乳化液在外观、粘 度、稳定性等方面与以蜂蜡配制的相同，并在室温放景一个月不发生肉眼可见的 分层。这说明氧化石蜡在使用性能上与蜂蜡相似。与蜂蜡酸值和皂化值相同的氧 化石蜡的颜色比蜂蜡浅，而且氧化石蜡的酸值、皂化值还可以通过改变氧化温度 和氧化时间进行调节，以满足不同用途的需要，所以氧化石蜡的适用范围比蜂蜡 更广。 1 4 本论文研究的主要内容和方法 氧化石蜡，虽然只是一种中间产品，但它是特种蜡行业必不可少的，也是 最关键的原材料。石蜡氧化塔的设计制造以及推广使用，将对我国的特种蜡行业 带来广阔的前景。目前，国内还没有氧化塔的专业生产厂家，拥有氧化塔的企业 大都是自行开发研制的。本论文所设计的氧化塔是根据氧化蜡的生产工艺要求， 在实验用小型氧化塔的基础上，进行设计制作并调试、运行的。 本论文所研究的主要内容和方法有以下几点： 1 ) 研究和分析氧化蜡的特性及生产工艺 所设计的石蜡氧化塔，应符合氧化蜡的生产工艺要求。在设计石蜡氧化塔之 前，必须正确地掌握好氧化蜡的特性及生产工艺。 2 ) 石蜡氧化塔的功能分析 利用黑箱法，找出石蜡氧化塔的总功能和分功能。再利用直觉法、调查分析 法以及设计目录法，求出分功能的所有解。把这些分功能解的组合，按评价与决 策原理，分析并筛选出最佳功能解组合。 3 ) 石蜡氧化塔的结构设计、计算 根据氧化塔各功能的要求，对实现各功能的结构进行具体设计。结构设计的 主要内容包括：设计零部件形状、数量、相互空间位置、选择材料、确定尺寸、 进行各种计算、按比例绘出结构方案总图 4 ) 石蜡氧化塔的生产自动化控制系统设计。 主要内容包括：氧化塔加热系统的自动控制和冷却装置的自动控制。 5 ) 计算机辅助设计 在本论文的设计过程中，应用了a u t o c a d 、p r o e 、a n s y s 有限元分析法 8 查苎苎兰翌主兰竺堡圭j ! = 蔓! ! 鱼 等技术。利用a n s y s 有限元分析法对氧化塔进行了强度核校；利用a u t o c a d 进行了零件图的绘制；利用p r o e 对石蜡氧化塔进行了三维造型设计。 东北大学硕士学位论文 第二章氧化塔的原理方案与系统设计 第二章氧化塔的原理方案与系统设计 2 1 石蜡氧化塔的工作原理 通过氧化石蜡的生产工艺( 1 3 2 ) ，可以确定氧化塔的工作原理。首先，把 适量液体石蜡放入氧化塔中，并开始加热。当液体石蜡的温度达到1 6 0 。c 时，停 止加热并同时加入适量的添加剂( 氧化剂) 。然后，启动空气压缩机给氧化塔供 应氧气，开始氧化过程。氧化过程将产生热量，使液体石蜡的温度不断升高，所 以通过冷却装置进行自动冷却，把液体石蜡的温度始终保持在1 6 0 - 士3 。c 的范围 内。在1 6 0 的温度下氧化一个小时后，把温度冷却到1 4 0 c 继续进行氧化。同 上，在氧化过程当中靠冷却来把液体石蜡的温度始终保持在1 4 0 a ：3 的范围内。 在1 4 0 的温度下氧化5 个小时后，停止空压机和冷却泵，并结束氧化全过程。 最后放料，送到下一道乳化工序。 2 2 氧化塔设计要求 2 2 1 产品设计通用要求 产品设计要求是设计、制造、试验和鉴定的依据。一项成功的产品设计，应 满足许多方面的要求，要在技术性能、经济指标、整体造型、使用维护等方面都 能做到统筹兼顾、协调一致，这项设计才是合理的，才会受到用户的欢迎。 下面举一些通用的主要要求。 1 1 产品功能要求 功能是指产品的用途。同一产品功能越多，价值越高。因此，在满足主要 功能的情况下，还应满足附加功能要求，作到功能齐全。 2 1 适应性要求 所谓适应性，是指工况发生变化时，产品适应程度。工况变化包括作业对 象、工作载荷、环境条件等变化。 3 ) 性能要求 性能是指产品的技术特征，包括动力、载荷、运动参数、可靠度、寿命。 4 ) 生产能力要求 生产能力是产品的重要技术指标，它表示单位时间内创造财富的多少。 5 ) 制造工艺要求 产品结构要符合工艺原则，在同一产品中尽量减少专用件，增加标准件。 6 1 可靠性要求 产品的可靠性是一项重要的技术指标，关系到设备或产品能否持续正常工 作。故障率的多少，甚至关系到设备和人身安全问题。产品的可靠性，在很大程 度上取决于设计的正确性，因此，设计是可靠性活动的重点。 东北大学硕士学位论文第二章 氧化塔的原理方案与系统设计 7 ) 使用寿命要求 产品的使用寿命是指产品的耐用度。不同产品，其使用寿命不同，有一次 性寿命( 如婴儿用的一次性尿布) ，有得则是多次性寿命。在设计中，理想的情 况是将所有零件设计成等寿命，但这是不可能的。零件的磨损有快有慢，失效有 先有后，因此，在设计中要找出提高整机寿命的综合方法，使得产品在耗费最少 的条件下，进一步延长产品使用寿命。 8 1 降低成本要求 产品质量提高，成本下降才有竞争力。产品成本包括材料费用、制造费用 和附加管理费用。设计人员要注意经济效益，把产品成本、价格、利润直接联系 起来。 9 ) 人机工程要求 在现代工业生产中，所有机器和设备都由人操纵和控制，或者由人监督和 维护。人是生产的核心和主导，人一机器一环境形成一个不可分割的系统。因 此要根据人一机器一环境系统要求进行产品设计。 1 0 ) 安全性要求 设计新产品必须认真考虑工作安全性，它包括改善劳动条件、减轻劳动强 度、确保人身和机器的安全。 1 1 ) 包装、运输要求 所有产品都要通过运输送给用户。产品包装既能保护产品在运输中不遭破 坏，又能给产品以美观的外形，提高产品的竞争力和扩大市场销路。产品设计要 考虑产品的运输方法、交通工具、起吊条件、总体尺寸和运输重量等。 上述各项设计要求都是对整机而言，而且是主要设计要求，在设计中，应对 不同产品加以具体化、定量化。 2 2 2 氧化塔的设计要求 根据上述产品设计要求及使用厂家所提出的要求和条件，对氧化塔做了如表 2 1 所示的设计要求。 2 3 氧化塔的系统功能设计 在氧化塔的设计中，首先要利用功能分析设计法来确定氧化塔的主要功能与 辅助功能，通过分析输入、输出关系来明确氧化塔的基本系统。 2 3 1 功能分析法的概述 1 功能分析概念 功能分析是方案设计的出发点，是产品设计的第一道工序。机械产品的常规 设计是从结构件开始，而功能分析是从对机械结构的思考转为对它的功能思考， 从而做到不受现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。 东北大学硕士学位论文第二章氧化塔的原理方案与系统设计 表2 1 设计要求 t a b l e2 1t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 1 功能主要功能：加热、供氧；辅助功能：冷却、排气 作业对象：液态石蜡 2适应性 环境：温度耋5 。c 、工作压力：0 1 m p a 3 性能动力：加热圈3 6 k w 、空压机1 1k w 4 生产能力理论：1 吨次 5可靠性 加热圈易交换、氧化塔本身安全可靠 6 使用寿命 釜体：3 0 年、加热圈：一年 7 经济成本材料费：5 万、加工费：3 5 万、辅助设备：2 万 8人机工程操作方便、自动控制、仪表显示清晰 9 安全保证人身、设备安全；负荷保护、触电保护 l o 包装运输吊装 功能是抽象地描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系，对具体产品来 说，功能是效能、用途、作用。人们购置的是产品功能，人们使用的也是产品功 能。比如，运输工具的功能是运物载客；电动机的功能是电能转换为机械能；减 速器的功能是传递转矩，变换转速；机床的功能是把坯料变成零件等等。 按照功能的重要程度，功能分为两类：基本功能和辅助功能。基本功能是 实现产品使用价值必不可少的功能，辅助功能即产品的附加功能。例如，洗衣机 的基本功能是去污，其辅助功能是甩干；手表的基本功能是计时，其辅助功能有 防水、防震、防磁、夜光等。 图2 一l 表达了功能分析确定方案的工作步骤。 东北失学硕士学位论文 第二章氧化塔的原理方案与系统设计 分析 综合 评价 决策 l 设计任务 求总功能i i _ 一 黑箱法 总功能分解| - 一功能逐级分解 r l 寻求子功能解 h 创造性 法、目录 i 法、调奄分析法 原理解组合k 一形态学矩阵 r l 评价与决策k 一各种评价方法 最佳原理方案 图2 - l 原理方案设计步骤 f i g2 - 1 t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dp r o c e d u r e 2 确定总功能的方法黑箱法 毛坯 冷却剂 润滑剂 驱动能 信号能 启动信号 灰尘环境的地基 温度的震动 湿度 零件 切屑 耗损的冷却剂 耗损的润滑油 切削功率 自动开启 圈2 - 2 机床黑箱示意图 f i g2 - 2 t h ea b r i d g e dg e n e r a lv i e wo fb l a c kb o xo fm a c h i n et o o l 东北大学硕士学位论文第二章氧化塔的原理方案与系统设计 对于要解决的问题，设计人员难以立即认识，犹如对待一个不透明、不知其 内部结构的“黑箱”。利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入 和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能、特性，进一步寻求能实现 该功能、特性所需具备的工件原理与内部结构，这种方法称为黑箱法。 黑箱法要求设计者不要首先从产品结构着手，而应从系统的功能出发设计产 品，这是一种设计方法的转变。黑箱法有利于抓住问题本质、扩大思路、摆脱传 统结构的旧框框，获得新颖的较高水平的设计方案。 图2 2 为金属切削机床黑箱示意淘。图中左右两边输入和输出都有能量、物 料和信号3 种形式，图下方为周围环境( 灰尘、温度和地基震动) 对机床工作性能 的干扰，图上方为机床工作时，对周围环境的影响，如，散发热量、产生振动和 噪声。通过输入、输出的转换，得到机床的总功能是将毛坯加工成所需零件。 3 总功能分解 机械系统的总功能可以分解为子功能( 或称一级分功能、二级分功能、) ， 子功能再分解为功能元( 最小单位) 。所以功能是有层次的，是能逐层分解的。 功能元是功能基本单位。在机械设计中常用的基本功能元有：物理功能元、 数学功能元、逻辑功能元。 1 1 物理功能元：它反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作。常 用的有5 个：转变一复原；放大缩小；连接一分离；传导一绝缘；存贮提取。 2 1 数学功能元：它反映数学的基本动作，如加和减、乘方和开方、积分和 微分。数学功能元主要用于机械式的加减机构和除法机构，如差动轮系、机械台 式计算机、求积仪等。 3 1 逻辑功能元：包括“与”、“或”、“非”三元的逻辑动作，主要用于控制功能。 4 功能结构图 类似电器系统线路图，分功能的关系也可以用图来描述，表达分功能关系的 图称为功能结构图。它有3 种基本结构形式串联结构、并联结构、环形结构。 1 ) 建立功能结构图的要求： a 体现功能元或分功能之间的顺序关系。 b 各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论依据( 物理作用原理) 或经验支持。 c 不能漏掉必要的分功能或功能元。要保证得到预期的结果。 d 尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取。 2 ) 建立功能结构图的步骤 a 通过技术过程分析，划定技术系统的边界，定出其总功能。 b 划分分功能及功能元。 c 建立功能结构图。 d 评比，选出最佳的功能结构方案。 东北大学硕士学位论文 第二章氧化塔的原理方案与系统设计 2 3 2 氧化塔的功能分析 1 利用黑箱法确定氧化塔的总功能 根据上节中的黑箱法，做了如图2 - 3 所示的氧化塔黑箱示意图： 石蜡 冷却水 氧气 加热能 信号能 热量振动噪声 氧化蜡 高温水 废气 散热能 自动开启 环境的地基的 温度振动 圈2 - 3 氧化蟮黑箱示意图 f i g2 - 3t h e a b r i d g e d g e n e r a l v i e wo f b l a c k b o x o f o x i d a t i o n t o w e r 通过分析输入输出关系，得到氧化塔的总功能及分功能：容纳液体石蜡和添 加剂、加热、供氧、冷却、联接与支撑等。 2 划分氧化塔的分功能及功能元 1 ) 根据氧化塔黑箱示意图，划分氧化塔的分功能及功能元。如图2 - 4 所示 图2 - 4 氧化塔的总功能分解 f i g2 - 4 t h ee x p l o d e dv i e wo f t o t a lf u n c t i o no f o x i d a t i o nt o w e r 东北大学硕士学位论文 第二章氧化塔的原理方案与系统设计 2 ) 建立功能结构图( 图2 - 5 ) 辅助能 温度设 温度设 能量 氧气 液体石 。i1 比特甜常信ll 7 i 供冷却镀rl 和际佰r1 测温1 r l 定植 e k 较设定倩i 一厂 ，一 。l 磊际i 厂吲测温i 疋t h + l 能量转换为l i l 控制l r 热能 i l l 1 1r 1 。 i i 二 一i 1 1ii 一f ，一 图2 - 5 氧化塔的功能结构 f i g2 - 5 t h ef u n c t i o n a la r c h i t e c t u r eo f o x i d a t i o nt o w e r 3 建立氧化塔的形态学矩阵 根据功能结构图，确立氧化塔的形态学矩阵，如表2 - 2 所示。 表2 2 氧化塔的形态学矩阵 t a b l e2 2t h em o r p h o l o g ym a t r