磁傳動攪拌器氣氛控制裝置的研制

曹紅蓓，張 恒

CAO Hong-bei,ZHANG Heng

（南通大學 機械工程學院，南通 226019）

0 引言

在化工行業中，物料的攪拌與反應常常是在高溫、高壓、易燃、易爆或劇毒的工況條件下進行，在這種工況下，是不允許有任何外泄漏的。磁傳動攪拌器是利用磁力耦合，即由于磁場作用不通過接觸便能傳遞力矩的特性，成功地解決惡劣環境下的動態密封問題，即將動密封轉變為靜密封，從而實現零泄漏。因此磁傳動攪拌器在化工行業得到越來越廣泛的應用[1～3]。

雖然磁傳動技術徹底解決了泄漏問題，即反應釜中腐蝕性物料不會從攪拌器中泄漏至外部環境中來。但實際使用中，還會出現反應釜內具有腐蝕性或溶劑性的物料氣體進入磁傳動腔體的問題，導致腔體里的軸承與內磁組件被腐蝕；軸承里的潤滑脂因溶劑凝液作用而被溶解流失；反應釜里高溫氣體會導致軸承潤滑脂的干涸，內磁因為高溫而失磁。這些問題直接導致軸承及磁的使用壽命大大縮短[4]，制約了產品的發展。

國內曹斯卡諾研究所，針對上述問題，采取了機械式隔離防護的方法。首先將軸承、內磁組件等集中到密封罩內，再在下方加機械密封，從而形成密封腔體。最后在密封腔體內充封液，通過壓力自平衡裝置使封液壓力始終高于反應釜內的壓力。這樣，反應釜內物料的各類氣體包括腐蝕性的、溶劑性的氣體，都不會進入磁傳動密封腔體內。機械隔離式適用性好，通用性強，機械隔離式磁傳動攪拌器現已批量生產。

但機械隔離是種直接隔離的方法，存在很多弊端。機械隔離磁傳動攪拌器使用要求高，需專人維護，若操作或維護不當，會導致零壓差或壓差倒置，造成機封失效，反應釜中腐蝕性的物質進入到磁傳動密封腔體的嚴重后果。為此開發新的便于操作、無需維護的保護裝置就成為亟待解決的課題。

1 氣氛控制的設想

按腐蝕機理，腐蝕分化學腐蝕與電化學腐蝕。在化工裝備中，大部分腐蝕為電化學腐蝕。如果沒有電解質溶液存在，如水汽、冷凝導電液體，就不可能發生電化學反應。

本人設想通過氣氛控制即人為的在磁傳動腔體內創造一種理想的小氣候，其滿足以下要求：溫度遠低于磁以及軸承潤滑脂的耐受溫度；不存在過飽和氣體，無霧狀或露狀液體微粒。那么在這樣的氣候條件中，既不存在電化學腐蝕，又不存在磁性材料的高溫失磁、軸承潤滑脂的高溫流失、溶劑溶解流失及潤滑脂的因含水造成的乳化的可能。

為了檢驗氣氛控制設想的可行性與正確性，進行以下氣氛控制原理試驗。

2 氣氛控制原理試驗

2.1 氣氛控制原理試驗裝置和方法

圖1 氣氛控制試驗裝置簡圖

氣氛控制試驗裝置如圖1所示。裝置中設置一個氣氛控制區3，下面設置一個模擬反應釜物料上方區域9，此區域與控制區之間設計有冷卻水套10，緊貼冷卻水套的是冷凝回流管6。物料8里安裝電熱管7，中間有一根貫通3，9空間的軸5（模擬反應釜里的攪拌軸）。另有通蒸汽的加熱套4、透明視窗1及溫濕傳感器2。

試驗首先在容器里灌入水作為物料，在冷卻水套內通冷卻水，在加熱套內通熱蒸汽（模擬磁傳動攪拌器的渦流熱）用于加熱氣氛控制區，提高其溫度；再把物料即水里的熱電管通電，使水沸騰。

2.2 試驗結果與分析

從氣氛控制區上面的透明視窗觀察氣氛控制區的變化。當作為物料的水保持沸騰時，在氣氛控制區里，看不到任何水蒸汽。只能聽到冷凝管里液體滴落的聲音。一旦冷卻水套停止通水，加熱套停止通蒸汽，從視窗可以立即看到氣氛控制區內出現霧氣與蒸汽凝結的液滴。

如將物料由水換成腐蝕性很強的氫氟酸溶液，仍然通冷卻水冷卻通蒸汽加熱，情況相似，在氣氛控制區里看不到任何蒸汽。一旦停止通冷卻水和蒸汽，則會發現軸承及預先放在氣氛控制區里的剛加工出來的發亮工件，逐步失去光澤，顏色越來越深。說明軸承及工件都受到物料氫氟酸蒸汽的腐蝕了。

上述試驗說明通過氣氛控制可以防止氣氛控制區結露，從而可以防止電化學腐蝕的發生。這驗證了氣氛控制防護原理的正確性及氣氛控制的可行性。

有此基礎，再結合磁傳動攪拌器的結構特點，設計出了磁傳動攪拌器氣氛控制裝置，并申請了專利。

3 磁傳動攪拌器氣氛控制裝置結構設計及工作原理

3.1 氣氛控制裝置結構設計

氣氛控制裝置由隔熱套、冷凝回流管及冷卻管組成。隔熱套主要用來隔離反應釜的高溫。冷卻水套上開有雙螺旋冷卻水通道，冷卻水的進出水口呈180°對稱分布。冷卻管在傳動軸和冷凝回流管之間，因此它有冷卻傳動軸同時又冷卻冷凝回流通道的雙重功效。冷凝回流管的冷凝回流通道為螺旋結構，其下端與反應釜空間相通，上端與磁傳動腔體相通。

3.2 氣氛控制裝置工作原理

當反應釜內物料發生反應時，溫度不斷升高，壓力不斷增加。反應釜液面上方的空間里充滿各種氣體，其中有參與反應的原始物料氣體及空氣，還有化學反應產生的新物料氣體。由于壓力增加，釜內物料氣體上升，上升過程中經過冷凝回流通道，由于外側冷卻水套中循環冷卻水的冷卻作用，使得冷凝回流管的溫度比反應釜溫度低，部分物料氣體因過飽和在此冷凝回流到反應釜。越往上，溫度越低，被冷凝的量越多。初始冷凝溫度以及以后的冷凝量與反應釜內的具體物料有關。對于反應釜內有些物料氣體，上升時降溫，也會由不飽和到過飽和，產生冷凝液。也有些物料氣體因為其冷凝溫度很低在冷凝回流通道里始終不冷凝，如氫等。

冷凝回流通道的溫度從下到上是不斷下降的，接近上端與磁傳動接口部分，溫度最低。

而磁傳動的不銹鋼密封罩在內外磁之間轉動時，內外磁間的磁力線切割密封罩產生渦流熱[5,6]，渦流熱使磁傳動腔體即氣氛控制區的溫度上升。從而出現溫度由低到高的轉折，越往上，溫度越高。

溫度最低點是物料氣體過飽和區與不飽和區的交界點。自此點往上，不可能再有新結液產生。

圖2 磁傳動攪拌器氣氛控制裝置

由此可見，過飽和的物料氣體都已在冷凝回流通道內冷凝回流，在氣氛控制區由于溫度比冷凝回流通道高，不可能出現過飽和物料氣體冷凝結露。因此，通過氣氛控制裝置能實現在磁傳動腔體內創造理想小氣候空間的目的。

3.3 防止在磁傳動腔體冷凝

磁傳動腔體內沒有溫度因素引起結露，應為無液區，但還要考慮壓力因素。在化學反應過程中，即使不考慮空間氣體組份的變化，但壓力還會變化的。當壓力增加時，原不飽和的氣氛在壓力增加時會變成過飽和，析出液相。

在一定壓力范圍內，壓力越高，同種物質的冷凝溫度越高，即物質更易冷凝。設計時充分考慮到渦流熱可以提高磁傳動腔體的溫度，此溫度不致引起內磁失磁，但高于物料氣體的冷凝溫度，不會導致物料氣體在磁傳動腔體內冷凝。

3.4 氣氛控制裝置實際應用中的防護效果

帶氣氛控制裝置的磁傳動攪拌器已應用在寧波某公司實際生產中，該裝置很好地滿足了防護磁傳動內部免受腐蝕及軸承潤滑脂流失的要求，且操作簡單。

圖3左側為帶氣氛控制裝置的磁傳動攪拌器中軸承，表面看不出有任何腐蝕；右側為未使用氣氛控制裝置的磁傳動攪拌器中軸承，表面已明顯銹蝕，顏色暗黑。

帶氣氛控制裝置的磁傳動攪拌器中軸承，潤滑脂流失甚少，大大延長了添加軸承潤滑脂的周期。

帶氣氛控制裝置的磁傳動攪拌器中未發現內磁高溫失磁現象。

4 結論

1）針對現有磁傳動攪拌器解決內泄漏問題存在的弊端，提出氣氛控制設想；

2）氣氛控制原理試驗結果證明，氣氛控制設想的可行性與正確性；

3）根據氣氛控制原理，結合磁傳動攪拌器設計要求設計的磁傳動攪拌器氣氛控制裝置，經實際應用證明，防護效果好，操作簡單，無需維護，其對于化工攪拌技術發展具有重要意義。

[1] 蘇彥宏,張澤慧.磁傳動技術的發展和應用[J].甘肅科技,2004,20(8):82-86.

[2] 章志耿,葉子兆.磁傳動技術在攪拌裝置上的應用與計算[J].機械傳動,2006,30(1):31-34.

[3] 楊超君,顧紅偉.永磁傳動技術的發展現狀和展望[J].機械傳動,2008,32(2):1-4.

[4] 王向東,童小育.磁力泵軸承耐磨損抗腐蝕的實驗研究[J]. 甘肅科學學報,2008,20(3):96-98.

[5] 趙克中,徐成海,竇淑萍,等. 磁力驅動器渦流損失的研究[J].化工機械,2003,30(6):326-328,346.

[6] 曹紅蓓,江武,林卿.空載狀態下磁傳動裝置密封罩渦流損耗理論研究[J].磁性材料及器件,2012,43(2):24-28.