磁传动搅拌器气氛控制装置的研制

曹红蓓，张 恒

CAO Hong-bei,ZHANG Heng

（南通大学 机械工程学院，南通 226019）

0 引言

在化工行业中，物料的搅拌与反应常常是在高温、高压、易燃、易爆或剧毒的工况条件下进行，在这种工况下，是不允许有任何外泄漏的。磁传动搅拌器是利用磁力耦合，即由于磁场作用不通过接触便能传递力矩的特性，成功地解决恶劣环境下的动态密封问题，即将动密封转变为静密封，从而实现零泄漏。因此磁传动搅拌器在化工行业得到越来越广泛的应用[1～3]。

虽然磁传动技术彻底解决了泄漏问题，即反应釜中腐蚀性物料不会从搅拌器中泄漏至外部环境中来。但实际使用中，还会出现反应釜内具有腐蚀性或溶剂性的物料气体进入磁传动腔体的问题，导致腔体里的轴承与内磁组件被腐蚀；轴承里的润滑脂因溶剂凝液作用而被溶解流失；反应釜里高温气体会导致轴承润滑脂的干涸，内磁因为高温而失磁。这些问题直接导致轴承及磁的使用寿命大大缩短[4]，制约了产品的发展。

国内曹斯卡诺研究所，针对上述问题，采取了机械式隔离防护的方法。首先将轴承、内磁组件等集中到密封罩内，再在下方加机械密封，从而形成密封腔体。最后在密封腔体内充封液，通过压力自平衡装置使封液压力始终高于反应釜内的压力。这样，反应釜内物料的各类气体包括腐蚀性的、溶剂性的气体，都不会进入磁传动密封腔体内。机械隔离式适用性好，通用性强，机械隔离式磁传动搅拌器现已批量生产。

但机械隔离是种直接隔离的方法，存在很多弊端。机械隔离磁传动搅拌器使用要求高，需专人维护，若操作或维护不当，会导致零压差或压差倒置，造成机封失效，反应釜中腐蚀性的物质进入到磁传动密封腔体的严重后果。为此开发新的便于操作、无需维护的保护装置就成为亟待解决的课题。

1 气氛控制的设想

按腐蚀机理，腐蚀分化学腐蚀与电化学腐蚀。在化工装备中，大部分腐蚀为电化学腐蚀。如果没有电解质溶液存在，如水汽、冷凝导电液体，就不可能发生电化学反应。

本人设想通过气氛控制即人为的在磁传动腔体内创造一种理想的小气候，其满足以下要求：温度远低于磁以及轴承润滑脂的耐受温度；不存在过饱和气体，无雾状或露状液体微粒。那么在这样的气候条件中，既不存在电化学腐蚀，又不存在磁性材料的高温失磁、轴承润滑脂的高温流失、溶剂溶解流失及润滑脂的因含水造成的乳化的可能。

为了检验气氛控制设想的可行性与正确性，进行以下气氛控制原理试验。

2 气氛控制原理试验

2.1 气氛控制原理试验装置和方法

图1 气氛控制试验装置简图

气氛控制试验装置如图1所示。装置中设置一个气氛控制区3，下面设置一个模拟反应釜物料上方区域9，此区域与控制区之间设计有冷却水套10，紧贴冷却水套的是冷凝回流管6。物料8里安装电热管7，中间有一根贯通3，9空间的轴5（模拟反应釜里的搅拌轴）。另有通蒸汽的加热套4、透明视窗1及温湿传感器2。

试验首先在容器里灌入水作为物料，在冷却水套内通冷却水，在加热套内通热蒸汽（模拟磁传动搅拌器的涡流热）用于加热气氛控制区，提高其温度；再把物料即水里的热电管通电，使水沸腾。

2.2 试验结果与分析

从气氛控制区上面的透明视窗观察气氛控制区的变化。当作为物料的水保持沸腾时，在气氛控制区里，看不到任何水蒸汽。只能听到冷凝管里液体滴落的声音。一旦冷却水套停止通水，加热套停止通蒸汽，从视窗可以立即看到气氛控制区内出现雾气与蒸汽凝结的液滴。

如将物料由水换成腐蚀性很强的氢氟酸溶液，仍然通冷却水冷却通蒸汽加热，情况相似，在气氛控制区里看不到任何蒸汽。一旦停止通冷却水和蒸汽，则会发现轴承及预先放在气氛控制区里的刚加工出来的发亮工件，逐步失去光泽，颜色越来越深。说明轴承及工件都受到物料氢氟酸蒸汽的腐蚀了。

上述试验说明通过气氛控制可以防止气氛控制区结露，从而可以防止电化学腐蚀的发生。这验证了气氛控制防护原理的正确性及气氛控制的可行性。

有此基础，再结合磁传动搅拌器的结构特点，设计出了磁传动搅拌器气氛控制装置，并申请了专利。

3 磁传动搅拌器气氛控制装置结构设计及工作原理

3.1 气氛控制装置结构设计

气氛控制装置由隔热套、冷凝回流管及冷却管组成。隔热套主要用来隔离反应釜的高温。冷却水套上开有双螺旋冷却水通道，冷却水的进出水口呈180°对称分布。冷却管在传动轴和冷凝回流管之间，因此它有冷却传动轴同时又冷却冷凝回流通道的双重功效。冷凝回流管的冷凝回流通道为螺旋结构，其下端与反应釜空间相通，上端与磁传动腔体相通。

3.2 气氛控制装置工作原理

当反应釜内物料发生反应时，温度不断升高，压力不断增加。反应釜液面上方的空间里充满各种气体，其中有参与反应的原始物料气体及空气，还有化学反应产生的新物料气体。由于压力增加，釜内物料气体上升，上升过程中经过冷凝回流通道，由于外侧冷却水套中循环冷却水的冷却作用，使得冷凝回流管的温度比反应釜温度低，部分物料气体因过饱和在此冷凝回流到反应釜。越往上，温度越低，被冷凝的量越多。初始冷凝温度以及以后的冷凝量与反应釜内的具体物料有关。对于反应釜内有些物料气体，上升时降温，也会由不饱和到过饱和，产生冷凝液。也有些物料气体因为其冷凝温度很低在冷凝回流通道里始终不冷凝，如氢等。

冷凝回流通道的温度从下到上是不断下降的，接近上端与磁传动接口部分，温度最低。

而磁传动的不锈钢密封罩在内外磁之间转动时，内外磁间的磁力线切割密封罩产生涡流热[5,6]，涡流热使磁传动腔体即气氛控制区的温度上升。从而出现温度由低到高的转折，越往上，温度越高。

温度最低点是物料气体过饱和区与不饱和区的交界点。自此点往上，不可能再有新结液产生。

图2 磁传动搅拌器气氛控制装置

由此可见，过饱和的物料气体都已在冷凝回流通道内冷凝回流，在气氛控制区由于温度比冷凝回流通道高，不可能出现过饱和物料气体冷凝结露。因此，通过气氛控制装置能实现在磁传动腔体内创造理想小气候空间的目的。

3.3 防止在磁传动腔体冷凝

磁传动腔体内没有温度因素引起结露，应为无液区，但还要考虑压力因素。在化学反应过程中，即使不考虑空间气体组份的变化，但压力还会变化的。当压力增加时，原不饱和的气氛在压力增加时会变成过饱和，析出液相。

在一定压力范围内，压力越高，同种物质的冷凝温度越高，即物质更易冷凝。设计时充分考虑到涡流热可以提高磁传动腔体的温度，此温度不致引起内磁失磁，但高于物料气体的冷凝温度，不会导致物料气体在磁传动腔体内冷凝。

3.4 气氛控制装置实际应用中的防护效果

带气氛控制装置的磁传动搅拌器已应用在宁波某公司实际生产中，该装置很好地满足了防护磁传动内部免受腐蚀及轴承润滑脂流失的要求，且操作简单。

图3左侧为带气氛控制装置的磁传动搅拌器中轴承，表面看不出有任何腐蚀；右侧为未使用气氛控制装置的磁传动搅拌器中轴承，表面已明显锈蚀，颜色暗黑。

带气氛控制装置的磁传动搅拌器中轴承，润滑脂流失甚少，大大延长了添加轴承润滑脂的周期。

带气氛控制装置的磁传动搅拌器中未发现内磁高温失磁现象。

4 结论

1）针对现有磁传动搅拌器解决内泄漏问题存在的弊端，提出气氛控制设想；

2）气氛控制原理试验结果证明，气氛控制设想的可行性与正确性；

3）根据气氛控制原理，结合磁传动搅拌器设计要求设计的磁传动搅拌器气氛控制装置，经实际应用证明，防护效果好，操作简单，无需维护，其对于化工搅拌技术发展具有重要意义。

[1] 苏彦宏,张泽慧.磁传动技术的发展和应用[J].甘肃科技,2004,20(8):82-86.

[2] 章志耿,叶子兆.磁传动技术在搅拌装置上的应用与计算[J].机械传动,2006,30(1):31-34.

[3] 杨超君,顾红伟.永磁传动技术的发展现状和展望[J].机械传动,2008,32(2):1-4.

[4] 王向东,童小育.磁力泵轴承耐磨损抗腐蚀的实验研究[J]. 甘肃科学学报,2008,20(3):96-98.

[5] 赵克中,徐成海,窦淑萍,等. 磁力驱动器涡流损失的研究[J].化工机械,2003,30(6):326-328,346.

[6] 曹红蓓,江武,林卿.空载状态下磁传动装置密封罩涡流损耗理论研究[J].磁性材料及器件,2012,43(2):24-28.