臥式反應釜攪拌軸密封結構的研究

臥式反應釜攪拌軸密封結構的研究

臥式反應釜廣泛應用于聚酯行業，高溫、高壓或高真空、高黏度是其3 個主要特征。臥式反應釜內的攪拌裝置都是在一個支承支架上，該支承支架的兩端分別支承在反應釜的前、后圓側罩上。混合機的結構有雙軸式、鼠籠式、單軸式等多種，如卡爾費休的鼠籠式混合機。反應釜是聚合、脫低生產的核心設備，其生產工藝的優劣取決于其高真空度。從實驗結果可以看出，攪拌裝置密封的可靠性和有效性是影響聚合釜、脫低釜工作性能的重要因素，需在高壓力、高真空環境下生產，確保產品的質量。

1 常用旋轉軸密封

為了防止釜內的介質與釜外的大氣進行交換，需要對旋轉軸進行機械密封。常見的旋轉軸密封方法有機械密封、填料密封、骨架油封密封、螺旋密封、磁流體密封、干氣密封、刷式密封7 種，其中機械密封和骨架油封密封是較好的高溫高壓旋轉軸的密封方式。

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1.1 旋轉軸密封的工作原理

旋轉軸密封是指在傳動軸旋轉的狀態下阻止箱體內外油液溝通的功效，其原理是在自由狀態下，油封唇口與軸頸之間形成一條0.3 mm 左右寬的密封帶，在該環形密封內保持一層厚約0.009 mm 的油膜，這層油膜使油封唇口與軸頸表面之間在接近“液體摩擦”的條件下工作，起到潤滑軸頸，減少油封唇口磨損的作用。唇口與軸頸之間保持薄而均勻的油膜，是油封工作的最佳狀態，在這種情況下，會有極微量的油液滲出，使唇口外側的軸頸濕潤，這雖然在外觀上會染塵，但卻是油封工作良好的標志，不可視為故障；隨著油封唇口的磨損，其內徑變得比軸頸的外徑大，靠自緊彈簧的彈力不足以對軸頸表面形成一定的壓力，此時油膜厚度增加，油液的滲漏量會逐漸增多，最終造成密封失效。

1.2 旋轉軸密封的功能作用

旋轉軸密封可以為旋轉和旋轉運動提供密封與刮塵功能，主要功能是保存系統中的軸承或系統的潤滑劑，以避免泄漏；第二功能是防止外部顆粒或其他環境影響造成系統污染。旋轉軸密封是一種動密封，組成結構由靜止環（靜環）、旋轉環（動環）、彈性元件、緊定螺釘、旋轉環輔助密封圈和靜止環輔助密封圈等元部件組成。7 種旋轉軸密封方法的功能分別介紹如下：

1）機械密封裝置是由至少一對垂直于旋轉軸線端面在外力（流體壓力，彈力等）的作用及輔助密封件的協作下保持緊貼且相對轉動組成的防止泄漏的裝置。

2）填料密封裝置主要靠填料來阻止釜內介質與釜外大氣進行交流，填料在壓蓋的預緊力作用下與螺旋軸緊密接觸，達到密封的目的。填料密封一般都設有進出水管，引入具有壓力的潔凈水，冷卻填料密封。填料密封裝置結構簡單，易維護管理，當發現密封處漏水過多時，稍加壓力壓緊壓蓋即可，更換填料也比較方便，但其裝置軸功率損耗大，對軸的磨損也較大，必須定期更換防磨襯套。

3）骨架油封密封裝置是在油封與軸之間存在著油封刃口控制的油膜，此油膜具有流體潤滑特性，在液體表面張力的作用下，油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個新界面，防止了工作介質的泄漏，從而實現旋轉軸的密封。骨架油封廣泛應用于真空或低壓的工作狀態。

4）螺旋密封是利用螺旋槽作為推力裝置，與釜內介質產生相互作用力，相互低消壓力，從而達到密封效果。

5）磁流體密封是利用磁場將磁液固定在密封軸的周圍，形成動態封密。

6）干氣密封是在兩個密封面上產生一個穩定的氣膜，利用氣膜阻塞相對低壓的密封介質泄漏通道，實現了密封效果。

7）刷式密封是由刷環和轉子通過接觸配合實現密封的，因此泄漏量較少。

2 臥式攪拌器軸向密封的特點

臥式反應釜攪拌裝置與垂直反應釜攪拌裝置的工作環境是不同的。兩個主要的不同之處：一是垂直攪拌機無論上、下裝，都是軸向受力的，而水平攪拌機的主要作用是自身的重量和附著在攪拌機圓盤上的材料的徑向載荷使得軸發生一定的彎曲受力情況，使得攪拌機的軸封結構比立式要復雜。二是軸向密封面臨的環境不同。直立面對的氣相、液相比較單一；而水平型則是氣、液、固的混合體。這就導致了兩種不同的軸向密封件不能用相同的方式比較。以吉瑪、卡爾費休和日本的中紡公司的軸向密封件為例分析，3 個企業在熔體密封方面的功能是一樣的，但是它們的結構又是不同的。卡爾費休的密封結構是一種V 形的補償密封，它包括5 個V 形密封圈，V 形密封圈磨損后，因彈簧的作用，軸向壓緊，V 形開口打開，從而彌補了徑向磨損。但是，這種補償是有限度的，通常可以持續工作6 個月左右之后，填料與軸面摩擦部位的空隙會逐漸增大。另外，卡爾費休的內部密封圈位于爐膛的另一端，也就是所謂的“迷宮”，最初的設計目的是保護熔體的安全。因設計不當，在強力彈簧的作用下，三環并未形成“宮”，而是緊緊地纏在一起，三環變成了一個環。這就導致了輪軸的磨損。由于這3 個圓圈即使是“宮”，也起不到太大的作用，最后決定將3 個圓圈的大小統一為兩個圓圈。吉瑪公司的熔體密封體系以套管式間隙為主，其結構比較簡單。套管密封件采用無接觸密封，通過軸套和軸套間的極細間隙來防止液體外泄，從而達到密封性。套管是由聚四氟乙烯制造而成，中紡公司在熔體密封中使用了雙層填料，從而保證了密封的可靠性。應注意上述三種結構的熔體密封體系在攪拌機運行時只能密封熔體，不能阻止氣體的流動，不能保證真空。真空的產生完全取決于外層的密封體系，即真空密封體系。

對于外部的真空密封，兩家公司都是采用幾種不同的唇型骨架密封件作為密封本體。日本中紡使用雙端面平衡式機械密封，造價更昂貴，但其性能更佳。內、外密封形式各異，各有其功能，將水平攪拌機軸封所面對的問題逐個解決。卡爾費休的軸封上有一個小洞，位于最外層的密封件中間。小孔與縮聚真空裝置相連。這個孔洞的功能很重要，經過分析，內部的熔體密封在長時間的運轉中，不可避免地會受到損傷，因為補償的限制，一段時間后，會有少量的材料通過內部的密封進入到孔洞中，然后冷卻為固態粒子，這將嚴重地威脅到真空密封。在故障停止時，罐內的真空被破壞為小的正壓力（為了防止在生產中出現漏油的情況，為了防止過高的黏度，采用了這種方法）。此時爐膛內的材料和氣體會從內部的密封體內擠壓而入。另外，當冷卻系統出現故障或斷電時，空腔的溫度會逐漸上升，內部的一些物質會分解，內部的氣壓會逐漸上升，形成一個負壓差，最后會把所有的雜質粒子帶到真空密封中，造成嚴重的后果。通過這個小孔，可以保證空腔內的真空，同時也保證了左邊的第一個唇形密封存在一個正壓力的差異，這樣就能保持唇面的比壓，確保了密封的可靠性。

3 密封系統的冷卻和潤滑

在真空密封中，一般不能超過200 ℃的封閉環境溫度。因此，必須采取制冷降溫措施。而靜環和動環之間的摩擦力也會產生熱量和磨損，所以，還需要在它們之間用密封液體潤滑、冷卻和輔助密封。卡爾費休與吉瑪公司的密封裝置是典型的。前者采用循環式水冷，但因其低溫而被稱為“低溫制冷”。冷卻水分為3個部分，一個是軸內部冷卻軸承和一個外部的真空封口，另一個是在真空和熔體之間的空腔。在熔體密封部位沒有冷卻水，所以在連接部位加了一個小孔，并與真空系統相連。第二股水流經過軸內的夾套，極大地減少了密封唇的溫度，但是軸的設計制造難度大，成本高，夾套內的污物很難去除。吉瑪公司和卡爾費休的制冷方法有很大不同。將200 ℃的凝結水用于熔融密封，故稱高溫降溫。這主要是為了避免熔融液在熔融密封件之間的空隙處冷卻結塊，從而破壞密封。在高真空環境、100 Pa 的條件下，泄漏的方向必須始終朝向反應釜內部。因此，由于種種原因，熔融物很難在很大的空隙內停留下來作為潤滑劑，同時也阻止了后面的熔融物進入空隙。它們在使用水進行降溫的同時，也使用了液體封口，也就是將密封液體注射到由唇狀骨架密封形成的腔體中。密封液要選擇易揮發的液體，要能與容器中的材料兼容，并且不能影響到容器的正常反應。卡爾費休使用了EG，吉瑪使用了硅油。高位槽灌裝密封液體，即在距離攪拌軸水平方向2～3 m 處設置一個與液體腔連通的密封液體容器，使其具有一定的正壓力差。上述配套設備的完善和正常運轉是保證臥式反應釜等攪拌設備有效、可靠、持久運作的關鍵[2]。

4 若干注意事項

1）精心安裝。尤其是在真空密封裝置上，注意對軸體與唇緣的接觸部位進行適當的處理。此外，嘴緣的方向應該始終面對著潤滑劑或密封液體，并且確保正壓力差，也就是說，唇緣應該朝向密封液體，避免密封性的損壞。

2）不管是唇型密封件，還是機械密封件，密封件都起到了很大的作用。因此，在維修時，要對液腔、密封罐和有關的管道進行仔細的清潔，不得有任何的雜質。在試車前3 h 內，應按照規定向油缸內灌裝密封液體，以確保油液能及時滲透到摩擦表面。不要在沒有密封液體的情況下啟動攪拌機。

3）對罐內液體高度進行嚴格的控制，防止材料淹沒了熔體的密封，并盡可能地創造出一個較好的罐內密閉環境。無論采用何種密封方式，材料的過度滲透都會使密封件提前磨損，對真空密封件造成直接的威脅。

4）在故障調試中，經常會發生密封液體少容器產生氣泡，或者是密封液體滲漏的情況。這個時候需等真空系統開始運轉后仔細地看一下。如果正確地安裝，上述現象將會消除。此外當沿著軸向推進時，唇緣不可避免地會發生輕微的扭曲，從而影響密封的效果，導致密封液體的泄漏。隨著真空系統工作軸與唇緣間的抱力增加，逐步吻合氣泡及漏油情況將會得到改善，直至恢復正常。在此需要說明的是，不管是什么原因，都要及時地進行密封液體的填充，以保證密封液的正常水平，不能讓液體流干。在生產過程中，特別是在新的密封設備運行一段時間之后，由于種種原因，導致密封的過早磨損、老化、變形，以至造成密封液體滲漏，無法保持密封。比如，由于冷卻水的停機時間太長，在高溫下，會引起密封件的老化、變形；密封液、雜物等雜質會造成密封唇、機械密封端面的不正常磨損；軸承因各種原因造成大的磨耗，間隙大導致唇部填料，對密封造成很大的不利影響。突發停修時，要注意對軸密封系統進行維護，使各副系統的運行正常；反應釜中的壓力應該是小正壓，不能太高，最好為12 kPa。

5 攪拌軸密封性能的優化研究

根據工況的不同，普通的軸密封可以采用液體密封、法蘭盤密封、填料密封、機械密封等多種密封方法，例如一個工程的水解反應器，它的主要功能是亞臨界水解，并將其分解成固體燃料。該反應釜的設計參數為：工作壓力3.2 MPa，設計壓力3.4 MPa，工作溫度24.5 ℃，設計溫度25.0 ℃。本裝置可以采用填料密封，在軸套和箱體之間填充填料（通常稱為盤根），并用壓蓋和螺絲將其壓實，從而實現密封。本發明具有結構簡單、價格低廉、加工方便、安裝方便等特點，但由于填料及攪拌軸使用時間長，會產生磨損，導致物料損耗及動力損耗，并需經常維修。也可以使用機械密封，又稱為端面密封，它的主要用途是轉動軸式密封，其機械密封性能穩定，泄漏少（大約是填料密封的1%)，耗電低（大約是填料的用量）。可適應高溫、高壓、強腐蝕介質等惡劣條件下的密封性要求，但其成本相對較高。

針對填料密封，應從改善其磨損程度、頻繁更換等方面進行優化。一是選擇適當的密封材料，例如，柔性石墨具有良好的滲透性和自潤滑性，軸向壓力不會太大，而且對軸的磨損也相對較少。二是可以考慮采用復合填充法，例如將兩種不同的填充劑交替放置，分別與軸桿、箱體相接觸，從而減小了填充物與軸心的接觸面積，從而提高了摩擦力。機械密封由于其自身的特點，其自身的結構優勢是顯而易見的，因此，在優化方面，要從擴大適應性著手，進一步完善參數。一是根據工作場所的不同，選擇合適的材料，以適應各種用途。為延長其使用壽命，應選用機械性能好、抗氧化、耐磨損的材質，并盡可能選用易加工、便宜的材質，以減少生產成本。二是針對不同的工作環境，選用適當的結構及密封體系[3]。

6 結語

對臥式反應釜進行軸端密封設計時，應結合反應釜內介質的特性，選用與之相兼容的密封材質，以延長密封件的壽命，節約維護成本，提高生產效率。并且可考慮采用兩種或以上的密封材質組合在一起使用，實現對釜內多種介質的密封效果。

由于軸端密封結構屬于精密部件，設計時需考慮密封件的磨損量與密封性能的關系，保證在允許磨損量內，密封結構正常工作。同時，在安裝時保證各密封面的合理，以免損傷密封結構。

在臥式反應釜中，采用適當的密封結構，適當地優化密封結構，提高其密封性，不僅可以減少材料損耗，而且可以改善運行環境，有效地提高設備的使用效率，節約維護成本，對環保和安全具有重要的作用。