己二酸雙軸混合器用磁性液體密封設(shè)計(jì)

劉漢勇* 顏招強(qiáng) 徐德懷

（1. 山東省華魯恒升化工股份有限公司 2. 自貢兆強(qiáng)密封制品實(shí)業(yè)有限公司）

己二酸又叫肥酸 ( Adipic Acid），通過化工反應(yīng)流程后可以制成尼龍66 纖維和尼龍66 樹脂，而通過縮合反應(yīng)可以生產(chǎn)出多種聚氨酯產(chǎn)品，所以，己二酸在化工、醫(yī)藥、建筑、食品等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，是重要的化工原料[1-2]。

己二酸的生產(chǎn)過程中需要使用反應(yīng)器攪拌裝置，攪拌過程中設(shè)備的密封性能尤為重要。傳統(tǒng)的反應(yīng)器通常采用填料密封，雖然填料密封使用方便、費(fèi)用低廉，但是其密封效果并不理想，因?yàn)閿嚢栎S與填料之間始終存在一定偏差，填料與軸之間產(chǎn)生的油膜無法始終處于良好的密封狀態(tài)，因此填料密封只能減少泄漏而不能實(shí)現(xiàn)零泄漏。機(jī)械密封廣泛應(yīng)用于化工反應(yīng)器中，與填料密封相比，其能夠有效降低泄漏量，提高設(shè)備的可靠性。由于機(jī)械密封是通過靜環(huán)與動(dòng)環(huán)摩擦來減少泄漏量的，因此較易導(dǎo)致磨損失效，其使用壽命很難得到保障，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、拆裝困難并存在較多附加管路，也無法實(shí)現(xiàn)零泄漏[3]。

某雙軸攪拌混合器原采用四氟填料密封，使用過程中混合器內(nèi)部的己二酸粉末產(chǎn)生了泄漏，通過密封通道進(jìn)入軸承箱內(nèi)部并損壞軸承。該填料密封位置空間狹小，無法滿足機(jī)械密封尺寸要求。現(xiàn)采用磁性液體密封技術(shù)對(duì)該設(shè)備的填料密封進(jìn)行改造，磁性液體密封是一種新技術(shù)，具有無泄漏、使用壽命長、附加系統(tǒng)少等特點(diǎn)，可以滿足設(shè)備高危險(xiǎn)、長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的要求，具有較高的推廣價(jià)值[4]。

1 磁性液體密封的設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)備的工況條件

在進(jìn)行磁性液體密封產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)該明確己二酸生產(chǎn)裝置及工藝流程，確定磁性液體密封的安裝形式及安裝位置。己二酸攪拌器一般為臥式或立式結(jié)構(gòu)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況選用臥式結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需要確定反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)的狀態(tài)以及pH，選用合理的材料防止密封部件被腐蝕。

在使用中了解反應(yīng)器內(nèi)的結(jié)晶情況以及反應(yīng)介質(zhì)的黏度，根據(jù)不同的介質(zhì)選取不同的密封結(jié)構(gòu)形式，并加強(qiáng)軸的強(qiáng)度，防止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸斷裂。磁性液體密封的密封性能與攪拌裝置的轉(zhuǎn)速有關(guān)，確定軸的轉(zhuǎn)速可以更好地選擇磁性液體密封的結(jié)構(gòu)形式，避免密封失效[3]。

已知反應(yīng)器的內(nèi)部壓力后，可以設(shè)計(jì)磁性液體的密封壓力，即選用合適的極靴組數(shù)、極齒形式，輔助密封的布置型式等參數(shù)，通常選取安全系數(shù)為1.4 來進(jìn)行壓力設(shè)計(jì)。

反應(yīng)器內(nèi)部溫度高低決定了設(shè)備是否需要添加冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)的布置形式，冷卻液的注入壓力以及流量。磁性液體與永磁鐵是磁性液體密封的2個(gè)重要部件，為了防止磁性液體蒸發(fā)過快以及永磁鐵失去磁性，一般需確保將密封部位的溫度冷卻至100 ℃以下。

軸的徑向跳動(dòng)與軸向竄動(dòng)是密封設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要影響因素。其徑向跳動(dòng)過大時(shí)，極靴與軸套之間的間隙就會(huì)相應(yīng)放大，從而影響磁性液體的承壓能力；軸向跳動(dòng)過大時(shí)，磁性液體密封的組件配合間隙就會(huì)相應(yīng)調(diào)整， 影響密封結(jié)構(gòu)的緊密性，增加密封損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

雙軸混合器的密封介質(zhì)為己二酸粉末，設(shè)計(jì)壓力為常壓，操作溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)速為60 r/min，其工況如表1 所示。

1.2 安裝尺寸

設(shè)計(jì)前需要明確反應(yīng)釜軸徑、最大安裝直徑、定位止口直徑、最大安裝高度、法蘭螺栓大小及分布等參數(shù)，如表2 所示。

表1 混合器的工況條件

表2 安裝尺寸表

1.3 存在的問題

雙軸混合器的工況條件雖然不苛刻，但密封環(huán)境中有大量己二酸粉末，己二酸粉末極易通過密封通道進(jìn)入后端的軸承箱內(nèi)，破壞軸承，所以對(duì)該雙軸混合器進(jìn)行改造，防止己二酸粉末進(jìn)入密封裝置。

2 磁性液體密封的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

整個(gè)密封件主要由驅(qū)動(dòng)環(huán)組件、軸套、密封圈、壓蓋、骨架油封、前密封、磁性液體密封組件及密封座組成，如圖1 所示。

為了防止己二酸粉末進(jìn)入密封座內(nèi)部，在密封座上設(shè)置了氣體入口，并在密封座上開孔，根據(jù)現(xiàn)場條件通入氮?dú)饣蚱渌瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，保證腔內(nèi)維持正壓，氣體通過迷宮向密封座外流動(dòng)，為了防止物料進(jìn)入，通風(fēng)量應(yīng)不小于2.25 m3/h。同時(shí)應(yīng)該注意通入密封座內(nèi)的氣體流量不能過大，以免干擾混合器的正常運(yùn)行。

圖1 磁性液體密封的結(jié)構(gòu)圖

密封座內(nèi)的一組磁性液體密封組件可以承受較高的壓力，保證密封性能的可靠性。磁性液體密封將極靴結(jié)構(gòu)與永磁鐵配合使用，磁性液體加注在極齒之間，由于磁性液體具有超順磁特性，在永久磁鐵的磁場作用下，極靴和導(dǎo)磁軸套被磁化，形成磁力線回路，磁性液體被吸附在極靴上環(huán)形齒和軸套形成的間隙內(nèi)，形成一個(gè)類似于 “O”型的液體密封圈[5]。

磁性液體密封采用的是集裝式結(jié)構(gòu)，軸套的內(nèi)徑為96 mm，外徑為110 mm，其上部配置驅(qū)動(dòng)組件鎖緊裝置，采用內(nèi)六角螺釘拉緊驅(qū)動(dòng)組件抱緊軸傳遞扭矩，裝配到位后鎖緊即可使用，不僅不會(huì)對(duì)軸產(chǎn)生損壞，還能加強(qiáng)軸的強(qiáng)度。

密封座上設(shè)置了2 個(gè)吊環(huán)螺孔，方便安裝時(shí)起吊。軸套與軸之間采用全氟醚膠及氟膠密封，介質(zhì)端設(shè)置了一道 O 型圈，防止一道密封損壞導(dǎo)致泄漏；大氣端也設(shè)置了一道 O 型圈，在下端設(shè)置有骨架油封，可防止反應(yīng)物泄漏。在磁性液體密封組件的兩側(cè)設(shè)置了骨架油封及前密封圈。骨架油封可以防止己二酸粉末進(jìn)入磁性液體密封組件，前密封可以防止密封系統(tǒng)外的粉末進(jìn)入密封系統(tǒng)。

2.2 材料選擇

磁性液體主要由鐵磁性顆粒、基液和表面活性劑3 部分構(gòu)成，鐵磁性顆粒在表面活性劑的包覆下分散在基液中，形成均勻、穩(wěn)定的液體，在磁場力、離心力、重力等作用下，既不發(fā)生聚集也不會(huì)沉降。磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度對(duì)磁性液體的耐壓能力有直接影響,當(dāng)介質(zhì)不同及壓力環(huán)境不同時(shí)，選擇的磁性液體也不盡相同。磁性液體不能與密封介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，其次需要具備足夠的耐壓能力。 Fe3O4是較為常用的磁性顆粒，其穩(wěn)定性較好，因此本文選用的鐵磁性顆粒是Fe3O4磁粉[6-8]。基液是磁性顆粒的載體，常用基液包括水、煤油、機(jī)油、桂油、礦物油和酸等。基液需要滿足低蒸發(fā)率和低黏度等要求，通過驗(yàn)證選擇氟醚油基磁性液作為基液[9-10]。

極靴采用高導(dǎo)磁材料，磁鐵材質(zhì)選用磁性較高的牌號(hào)材料，為了形成完整的導(dǎo)磁回路，需要在軸套上鍍鎳。接觸介質(zhì)的部位采用316L 材料，接觸介質(zhì)的密封圈則采用全氟醚膠或PTFE，以便提高密封的耐酸堿性及使用壽命。

2.3 檢驗(yàn)試驗(yàn)

設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)在自貢兆強(qiáng)密封制品實(shí)業(yè)有限公司的磁性液體密封實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容包括性能試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。性能測試可以確保密封件在壓力狀態(tài)下有較好的密封性能，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)則用來確定密封的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明：磁性液體密封效果可滿足用戶需求。目前采用磁性液體密封的己二酸雙軸混合器投入運(yùn)行后密封效果良好。

3 結(jié)論

本文敘述了己二酸的主要特性、應(yīng)用領(lǐng)域及傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，簡述了化工行業(yè)常用的填料密封及機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用情況，介紹了己二酸雙軸混合器的生產(chǎn)工況及安裝尺寸等。重點(diǎn)介紹了新型磁性液體密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其特點(diǎn)、材料選擇以及相關(guān)檢驗(yàn)試驗(yàn)方法。

主要解決了己二酸粉末進(jìn)入密封裝置的問題，改造后的磁性液體密封的密封效果較好，保證了生產(chǎn)安全，降低了檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有無泄漏、使用壽命長、附加系統(tǒng)少等特點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。