己二酸双轴混合器用磁性液体密封设计

2020-04-03刘汉勇颜招强徐德怀

化工装备技术 2020年1期

刘汉勇* 颜招强徐德怀

（1. 山东省华鲁恒升化工股份有限公司 2. 自贡兆强密封制品实业有限公司）

己二酸又叫肥酸 ( Adipic Acid），通过化工反应流程后可以制成尼龙66 纤维和尼龙66 树脂，而通过缩合反应可以生产出多种聚氨酯产品，所以，己二酸在化工、医药、建筑、食品等行业中应用十分广泛，是重要的化工原料[1-2]。

己二酸的生产过程中需要使用反应器搅拌装置，搅拌过程中设备的密封性能尤为重要。传统的反应器通常采用填料密封，虽然填料密封使用方便、费用低廉，但是其密封效果并不理想，因为搅拌轴与填料之间始终存在一定偏差，填料与轴之间产生的油膜无法始终处于良好的密封状态，因此填料密封只能减少泄漏而不能实现零泄漏。机械密封广泛应用于化工反应器中，与填料密封相比，其能够有效降低泄漏量，提高设备的可靠性。由于机械密封是通过静环与动环摩擦来减少泄漏量的，因此较易导致磨损失效，其使用寿命很难得到保障，且其结构复杂、制造精度高、拆装困难并存在较多附加管路，也无法实现零泄漏[3]。

某双轴搅拌混合器原采用四氟填料密封，使用过程中混合器内部的己二酸粉末产生了泄漏，通过密封通道进入轴承箱内部并损坏轴承。该填料密封位置空间狭小，无法满足机械密封尺寸要求。现采用磁性液体密封技术对该设备的填料密封进行改造，磁性液体密封是一种新技术，具有无泄漏、使用寿命长、附加系统少等特点，可以满足设备高危险、长时间连续运行的要求，具有较高的推广价值[4]。

1 磁性液体密封的设计要求

1.1 设备的工况条件

在进行磁性液体密封产品设计前，首先应该明确己二酸生产装置及工艺流程，确定磁性液体密封的安装形式及安装位置。己二酸搅拌器一般为卧式或立式结构，根据项目的实际情况选用卧式结构，同时还需要确定反应器内介质的状态以及pH，选用合理的材料防止密封部件被腐蚀。

在使用中了解反应器内的结晶情况以及反应介质的黏度，根据不同的介质选取不同的密封结构形式，并加强轴的强度，防止运转时轴断裂。磁性液体密封的密封性能与搅拌装置的转速有关，确定轴的转速可以更好地选择磁性液体密封的结构形式，避免密封失效[3]。

已知反应器的内部压力后，可以设计磁性液体的密封压力，即选用合适的极靴组数、极齿形式，辅助密封的布置型式等参数，通常选取安全系数为1.4 来进行压力设计。

反应器内部温度高低决定了设备是否需要添加冷却系统，冷却系统的布置形式，冷却液的注入压力以及流量。磁性液体与永磁铁是磁性液体密封的2个重要部件，为了防止磁性液体蒸发过快以及永磁铁失去磁性，一般需确保将密封部位的温度冷却至100 ℃以下。

轴的径向跳动与轴向窜动是密封设计时需要考虑的重要影响因素。其径向跳动过大时，极靴与轴套之间的间隙就会相应放大，从而影响磁性液体的承压能力；轴向跳动过大时，磁性液体密封的组件配合间隙就会相应调整，影响密封结构的紧密性，增加密封损坏的风险。

双轴混合器的密封介质为己二酸粉末，设计压力为常压，操作温度为80 ℃，转速为60 r/min，其工况如表1 所示。

1.2 安装尺寸

设计前需要明确反应釜轴径、最大安装直径、定位止口直径、最大安装高度、法兰螺栓大小及分布等参数，如表2 所示。

表1 混合器的工况条件

表2 安装尺寸表

1.3 存在的问题

双轴混合器的工况条件虽然不苛刻，但密封环境中有大量己二酸粉末，己二酸粉末极易通过密封通道进入后端的轴承箱内，破坏轴承，所以对该双轴混合器进行改造，防止己二酸粉末进入密封装置。

2 磁性液体密封的设计

2.1 结构设计及特点

整个密封件主要由驱动环组件、轴套、密封圈、压盖、骨架油封、前密封、磁性液体密封组件及密封座组成，如图1 所示。

为了防止己二酸粉末进入密封座内部，在密封座上设置了气体入口，并在密封座上开孔，根据现场条件通入氮气或其他化学性质稳定的气体，保证腔内维持正压，气体通过迷宫向密封座外流动，为了防止物料进入，通风量应不小于2.25 m3/h。同时应该注意通入密封座内的气体流量不能过大，以免干扰混合器的正常运行。

图1 磁性液体密封的结构图

密封座内的一组磁性液体密封组件可以承受较高的压力，保证密封性能的可靠性。磁性液体密封将极靴结构与永磁铁配合使用，磁性液体加注在极齿之间，由于磁性液体具有超顺磁特性，在永久磁铁的磁场作用下，极靴和导磁轴套被磁化，形成磁力线回路，磁性液体被吸附在极靴上环形齿和轴套形成的间隙内，形成一个类似于 “O”型的液体密封圈[5]。

磁性液体密封采用的是集装式结构，轴套的内径为96 mm，外径为110 mm，其上部配置驱动组件锁紧装置，采用内六角螺钉拉紧驱动组件抱紧轴传递扭矩，装配到位后锁紧即可使用，不仅不会对轴产生损坏，还能加强轴的强度。

密封座上设置了2 个吊环螺孔，方便安装时起吊。轴套与轴之间采用全氟醚胶及氟胶密封，介质端设置了一道 O 型圈，防止一道密封损坏导致泄漏；大气端也设置了一道 O 型圈，在下端设置有骨架油封，可防止反应物泄漏。在磁性液体密封组件的两侧设置了骨架油封及前密封圈。骨架油封可以防止己二酸粉末进入磁性液体密封组件，前密封可以防止密封系统外的粉末进入密封系统。

2.2 材料选择

磁性液体主要由铁磁性颗粒、基液和表面活性剂3 部分构成，铁磁性颗粒在表面活性剂的包覆下分散在基液中，形成均匀、稳定的液体，在磁场力、离心力、重力等作用下，既不发生聚集也不会沉降。磁性液体的饱和磁化强度对磁性液体的耐压能力有直接影响,当介质不同及压力环境不同时，选择的磁性液体也不尽相同。磁性液体不能与密封介质发生反应，其次需要具备足够的耐压能力。 Fe3O4是较为常用的磁性颗粒，其稳定性较好，因此本文选用的铁磁性颗粒是Fe3O4磁粉[6-8]。基液是磁性颗粒的载体，常用基液包括水、煤油、机油、桂油、矿物油和酸等。基液需要满足低蒸发率和低黏度等要求，通过验证选择氟醚油基磁性液作为基液[9-10]。

极靴采用高导磁材料，磁铁材质选用磁性较高的牌号材料，为了形成完整的导磁回路，需要在轴套上镀镍。接触介质的部位采用316L 材料，接触介质的密封圈则采用全氟醚胶或PTFE，以便提高密封的耐酸碱性及使用寿命。

2.3 检验试验

设备检验试验在自贡兆强密封制品实业有限公司的磁性液体密封实验室进行，试验内容包括性能试验、水压试验和机械运转试验。性能测试可以确保密封件在压力状态下有较好的密封性能，机械运转试验则用来确定密封的可靠性。试验结果表明：磁性液体密封效果可满足用户需求。目前采用磁性液体密封的己二酸双轴混合器投入运行后密封效果良好。