反應釜端面密封間隙內流動的特性分析

崔文廣（蘭州石化公司 甘肅蘭州 730000）

前言

石油化工產品的生產過程中，特別是高壓反應釜中常用的端面密封裝置，其原理是利用高速旋轉的動環和靜環之間產生的流體動壓來分離動、靜環，從而實現了端面的非接觸性密封。在運行過程中，因動、靜環產生的機械變形和摩擦產生的熱變形，引起端面密封介質的泄漏，造成環境污染。密封裝置的特性直接受泄漏量大小的影響，在石油化工行業要求無污染、無泄漏，特別是對易燃、易爆、高溫、高壓、有毒和腐蝕的介質，尤其嚴格。為此對端面密封的泄漏問題備受關注。在這方面國內外學者做了大量工作，如文獻所示：[1]對機械密封流場和熱行為進行了實驗研究。[2]利用fluid軟件對機械密封腔內流場和溫度場進行了數值模擬；[3]用CFD軟件對一元流動進行了數值模擬；[4]提出機械密封的動態特性參數的表達式和計算方法。本文用有限元軟件ANSYS對端面密封的壓力場和速度場進行了研究分析，計算了泄露量。通過現場考證，對反應釜端面密封的設計和運行過程操作具有現實意義。

一、端面密封間隙流動的邊界問題

1.最優微分方程式的控制

由于動靜環之間（即端面間隙）發生的變形屬于楔形間隙，分析得知：可假設層間流體流動的控制方程是在以下幾點的基礎上建立的

（1）動靜環之間的流動為層流；

（2）符合牛頓粘性定律，所以屬于牛頓流體；

（3）據壓力和粘性力相比，流體的慣性力可忽略不計；

（5）流動過程假定穩態。

根據上述假定可以得出楔形間隙中流體流動的二維方程：

2.計算楔形間隙中的泄漏量

參閱文獻[5]，根據（2）式計算得：Q=v A（2）

式中:A——楔形出口的橫截面積

v——楔形出口端流體的速度

二、求解邊值的數值

1.劃分網格，根據假定條件建立模型，

用大型軟件ANSYS處理程序PREP7,選擇單元類型，確定層間流體參數，建立楔形間隙流動場的有限元模型，并進行網格劃分。采用2D.fluid141單元類型自下向上建立模型，節點共有368點和270個單元。因層間液膜厚度極薄，為了清楚描述建模，將楔形膜厚擴大12倍。得到圖1所示有限元網格模型圖：

圖1: 有限元網格模型圖

2.設定載荷并求解

通過分析選項、定義類型、加載數據和加載步選項，最后進行有限元求解。當全部添加了載荷數據后利用有限元軟件自動求解，將所得速度、壓力等結果存入文件中并做后處理。

4.處理結果

通過圖形界面得到計算結果，并對數據進行分析計算包括速度和壓力等,輸出形式有兩種，即數據列表和圖形顯示。處理數據的方法是：通過后處理器POST1復查整個模型的某一部分特定數據集的結果；時間歷程后處理器POST28,可跨多個數據集復查選擇的部分模型數據。因本文計算分析是層流穩態流場，因此可采用后處理器POST1復查整個模型的某一部分中任意一個特定數據集的后處理方法。

三、案例計算分析

端面楔形液膜長L=6mm,寬度b=0.02mm,B=0.05mm,試驗介質為常溫水，設定粘度為0.001Pa.s，密度1000kg/m3,設端面楔形進口壓強為0.2MPa,出口壓強0.1 MPa。

1.計算分析壓力場

用ANSYS求解過程中，加壓力載荷，采用后處理器post1。即可獲得各節點的壓力分布圖，如圖2所示，單位為MPa。

圖2: 壓力分布圖

從圖得知：壓力的變化隨液膜沿楔形長度方向減小，呈不規則分布，出口最小，進口最大，沿橫截面壓力分布比較規則。

2.計算分析速度場

節點的速度數據是本案例的基本計算數據。因過程分析屬于穩態的速度場，所以后處理可用POST1進行。由此可得到速度矢量圖，如圖3所示。X向速度場分布圖4和Y向速度場分布圖5，速度單位m/s。

圖3: 速度矢量圖

圖4: X-向速度場分布云圖

圖5: Y-向速度場分布云圖

從圖得知：速度的變化隨液膜沿楔形長度方向不規則分布，在出口處和進口處都有Y向最小和最大的速度值，速度最大值在出口X方向呈非線性分布，中間部分速度變化較平穩，在出進口處速度變化較大。

3.計算泄漏量

據公式（2）Q＝v A，將出口液體的速度和出口端面的橫截面積代入可得如下數據：Q=0.000404ml/min,

通過分析比較與實際運行過程中的測量結果基本相同。

結論

分析釜式反應器端面楔形密封面間隙內的流場變化，且難以觀察的楔形層流間的場內變化，可利用大型有限元軟件ANSYS8.0進行數值模擬，并可實現計算過程的可視化，從而可得速度場和壓力場云圖。云圖上可清楚看出壓力和速度的分布情況，為研究設計減少端面密封楔形間隙的泄漏量提供了理論依據。對確保系統的長期運轉，特別是高壓釜式反應器端面密封的可靠性具有現實意義。

從楔形間隙泄漏量的計算結果看，影響泄漏量的關鍵因素速度和變形量。所以在設計釜式反應器端面密封和系統運轉操作過程中，要盡可能控制變形量，已達到最終控制泄漏量的目的。

[1]蔣小文，顧伯勤。收斂楔形間隙中流體流動的數值模擬[J].潤滑與密封，2004。3（163）：47－49.

[2]徐華，朱均。螺旋槽式液體機械密封的動力學性能分析[J].西安交通大學學報，2004，38（5）：474－479.

[3]鐘汝林，陳次昌，關劍峰。機械密封環溫度場及密封腔內流場分析[J],四川工業學院學報：2004,0185（03）：185－187.

[4]Parviz Merati，Nori Aki Okita，Robert L Phillips，Larry EJa?cobs.Experimental and computational investigation of flow and ther?mal behavior of a mechanical seal.Park Ridge，oct.1999.Vol.42（4）：731-739.

[5]顧永泉.流體動密封[M].北京:中國石化出版社，1992.