反应釜端面密封间隙内流动的特性分析

崔文广（兰州石化公司 甘肃兰州 730000）

前言

石油化工产品的生产过程中，特别是高压反应釜中常用的端面密封装置，其原理是利用高速旋转的动环和静环之间产生的流体动压来分离动、静环，从而实现了端面的非接触性密封。在运行过程中，因动、静环产生的机械变形和摩擦产生的热变形，引起端面密封介质的泄漏，造成环境污染。密封装置的特性直接受泄漏量大小的影响，在石油化工行业要求无污染、无泄漏，特别是对易燃、易爆、高温、高压、有毒和腐蚀的介质，尤其严格。为此对端面密封的泄漏问题备受关注。在这方面国内外学者做了大量工作，如文献所示：[1]对机械密封流场和热行为进行了实验研究。[2]利用fluid软件对机械密封腔内流场和温度场进行了数值模拟；[3]用CFD软件对一元流动进行了数值模拟；[4]提出机械密封的动态特性参数的表达式和计算方法。本文用有限元软件ANSYS对端面密封的压力场和速度场进行了研究分析，计算了泄露量。通过现场考证，对反应釜端面密封的设计和运行过程操作具有现实意义。

一、端面密封间隙流动的边界问题

1.最优微分方程式的控制

由于动静环之间（即端面间隙）发生的变形属于楔形间隙，分析得知：可假设层间流体流动的控制方程是在以下几点的基础上建立的

（1）动静环之间的流动为层流；

（2）符合牛顿粘性定律，所以属于牛顿流体；

（3）据压力和粘性力相比，流体的惯性力可忽略不计；

（5）流动过程假定稳态。

根据上述假定可以得出楔形间隙中流体流动的二维方程：

2.计算楔形间隙中的泄漏量

参阅文献[5]，根据（2）式计算得：Q=v A（2）

式中:A——楔形出口的横截面积

v——楔形出口端流体的速度

二、求解边值的数值

1.划分网格，根据假定条件建立模型，

用大型软件ANSYS处理程序PREP7,选择单元类型，确定层间流体参数，建立楔形间隙流动场的有限元模型，并进行网格划分。采用2D.fluid141单元类型自下向上建立模型，节点共有368点和270个单元。因层间液膜厚度极薄，为了清楚描述建模，将楔形膜厚扩大12倍。得到图1所示有限元网格模型图：

图1: 有限元网格模型图

2.设定载荷并求解

通过分析选项、定义类型、加载数据和加载步选项，最后进行有限元求解。当全部添加了载荷数据后利用有限元软件自动求解，将所得速度、压力等结果存入文件中并做后处理。

4.处理结果

通过图形界面得到计算结果，并对数据进行分析计算包括速度和压力等,输出形式有两种，即数据列表和图形显示。处理数据的方法是：通过后处理器POST1复查整个模型的某一部分特定数据集的结果；时间历程后处理器POST28,可跨多个数据集复查选择的部分模型数据。因本文计算分析是层流稳态流场，因此可采用后处理器POST1复查整个模型的某一部分中任意一个特定数据集的后处理方法。

三、案例计算分析

端面楔形液膜长L=6mm,宽度b=0.02mm,B=0.05mm,试验介质为常温水，设定粘度为0.001Pa.s，密度1000kg/m3,设端面楔形进口压强为0.2MPa,出口压强0.1 MPa。

1.计算分析压力场

用ANSYS求解过程中，加压力载荷，采用后处理器post1。即可获得各节点的压力分布图，如图2所示，单位为MPa。

图2: 压力分布图

从图得知：压力的变化随液膜沿楔形长度方向减小，呈不规则分布，出口最小，进口最大，沿横截面压力分布比较规则。

2.计算分析速度场

节点的速度数据是本案例的基本计算数据。因过程分析属于稳态的速度场，所以后处理可用POST1进行。由此可得到速度矢量图，如图3所示。X向速度场分布图4和Y向速度场分布图5，速度单位m/s。

图3: 速度矢量图

图4: X-向速度场分布云图

图5: Y-向速度场分布云图

从图得知：速度的变化随液膜沿楔形长度方向不规则分布，在出口处和进口处都有Y向最小和最大的速度值，速度最大值在出口X方向呈非线性分布，中间部分速度变化较平稳，在出进口处速度变化较大。

3.计算泄漏量

据公式（2）Q＝v A，将出口液体的速度和出口端面的横截面积代入可得如下数据：Q=0.000404ml/min,

通过分析比较与实际运行过程中的测量结果基本相同。

结论

分析釜式反应器端面楔形密封面间隙内的流场变化，且难以观察的楔形层流间的场内变化，可利用大型有限元软件ANSYS8.0进行数值模拟，并可实现计算过程的可视化，从而可得速度场和压力场云图。云图上可清楚看出压力和速度的分布情况，为研究设计减少端面密封楔形间隙的泄漏量提供了理论依据。对确保系统的长期运转，特别是高压釜式反应器端面密封的可靠性具有现实意义。

从楔形间隙泄漏量的计算结果看，影响泄漏量的关键因素速度和变形量。所以在设计釜式反应器端面密封和系统运转操作过程中，要尽可能控制变形量，已达到最终控制泄漏量的目的。

[1]蒋小文，顾伯勤。收敛楔形间隙中流体流动的数值模拟[J].润滑与密封，2004。3（163）：47－49.

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