浅谈预灰桶搅拌器轴封的选择

金亚男，王 琨，王晓茸

(中国成达工程有限公司，四川 成都 610041)

预灰桶是氨碱法制碱工艺中的重要设备，其主要作用是把预热母液及石灰乳在桶内进行充分混合反应，含氨尾气通过顶部管道送回母液蒸馏塔的预热段，混合后的预灰乳进入母液蒸馏塔进行后续蒸馏操作。生产中的预灰桶通常采用带搅拌的立式圆筒形结构。对于大型氨碱装置，筒体及框式搅拌器尺寸通常较大。预灰桶内存在氨气、水汽、石灰乳介质，操作温度较高，搅拌轴的良好密封性能对设备安全可靠运行具有重要的作用。

本文针对预灰桶可采用的几种搅拌器轴封形式的优缺点进行探讨和分析，以期能为用户选择提供参考。

1 水银箱密封

水银箱密封是预灰桶搅拌的传统轴封结构，结构见图1。

图1 水银箱密封结构图

该结构利用水银比重大的特性，通过在水银箱中水银高度差对预灰桶内实现密封。其优点是结构简单，造价低，固定部分与转动轴无接触，对于搅拌器晃动容忍度较高。

缺点有以下几方面：

1)为保证有效密封，水银箱尺寸较大，占用空间大，增加预灰桶高度。

2)水银有毒，一旦系统超压水银会逸出，影响环境。而预灰桶与母液蒸馏塔相连，蒸汽系统不稳定，操作不当短时超压现象经常会发生，造成搅拌器外面水银散落，处理困难。

2 填料密封

填料密封是一种传统的压盖密封，可用于大型填料函和重载的场合。它靠压盖产生压紧力，从而压紧填料，迫使填料压紧在密封表面(轴的外表面和密封腔)上，产生密封效果的径向力，因而起密封作用。

图2 填料密封结构图

填料密封结构简单，操作维修方便，成本低廉。对旋转运动的轴允许有轴向窜动。不足之处在于轴不允许有较大的径向跳动，消耗功率大，密封可靠性差。在本设备介质条件下对轴或轴套磨损较严重，使用寿命短。使用过程中往往发生氨气及水汽沿填料密封泄漏，不仅污染环境，对生产成本也造成比较大的浪费。

3 机械密封

机械密封是一种比较成熟的密封方式，能满足多种工况要求，在石化等部门广泛应用。机械密封通常由四个密封组合而成：

A.动环与静环之间的密封——动密封

B.动环与轴(轴套)之间的密封——相对静密封

C.静环与静环座之间的密封——静密封

D.静环座(压盖)与设备之间的密封——静密封

通过上述几种密封方式的组合，机械密封的密封性好，性能稳定，泄漏量少，摩擦功耗低，对轴磨损很小。机械密封端面磨损后可自动补偿，一般情况下，毋需经常性的维修，抗振性好，对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感。但其结构复杂、制造精度高、价格较贵、维修不方便。

针对预灰桶微正压操作和搅拌器转速低的特点，我们选择了双端面机械密封。

双端面机械密封结构如图3所示。双端面机械密封有两道端面密封，密封材料介质侧为四氟材料包覆全氟醚，外侧为氟橡胶。一级密封圈防止介质进入密封装置，二级密封圈在密封环的端面上产生一个适当的比压(压紧力)，使两个接触端面(动环、静环端面)相互紧密贴合，并在两端面间极小的间隙中维持一层极薄的液膜，从而达到密封的目的。双端面密封需要外供密封液系统，向密封腔内引入密封液进行堵封、润滑和冷却，且多为循环冷却使用。考虑到密封液有微量内漏的可能，建议选用水作为密封液。密封液不仅可以冲洗摩擦和改善机械密封工作环境，还可以作为一级密封面是否失效的重要检测手段。

图3 双端面机械密封结构图

4 磁性液体密封

磁性液体旋转密封是一种新型密封,是利用磁铁、导磁极靴与导磁轴套之间形成旋转磁场回路，从而将磁性液体牢牢地吸附在极靴尖端和轴套之间，形成类似“O”形环状的流体环，将间隙完全堵住，达到密封目的。其原理如图4。

(1)极靴传递磁力，极靴尖端的极齿宽度为0.2～0.4 mm，两个极齿的间隙为1.5～2 mm。(2)磁性液体处的间隙为0.1～1 mm，单个磁性液体环能承受0.05～0.01 MPa，过增加级数增加整体耐压能力。(3)轴(轴套)为导磁材料，在高腐蚀性情况通过表面喷涂PTFE或金属实现耐腐蚀。(4)永磁铁选用烧结钕铁硼永磁铁矫顽力HcJ达到1 114 kA/m。图4 磁性液体密封原理图

磁性液体是一种新型纳米功能材料。由3～5纳米的磁性颗粒、表面活性剂和基载液组成。基载液一般为合成油类、硅油类、氟醚类。磁性液体在磁场中具有磁性，对磁场响应；在非磁场中，就没有磁性，是一种超顺磁液体智能材料。

图5 磁性液体在磁场中形态图

磁性液体密封特点：

密封间隙被磁性液体填充，利用磁场力，磁性液体能够承受来自介质侧的压力，从而被密封介质无法向外泄漏。

固定侧与旋转侧无接触磨损，使磁性液体密封寿命比传统机械密封大大延长，可靠性更高。

适用于往复状态下的无泄漏密封，解决传统密封往复密封难的问题。

图6 搅拌器用磁性液体密封结构图

磁性液体旋转密封具有零泄漏、长寿命、动静皆可密封、能承受高转速、低摩擦、无需辅助系统占用空间小等突出优点。磁性液体在轴(轴套)与静环之间形成密封介质，动静环之间无摩擦，功耗低，密封间隙是机械密封的 20～200倍，故对搅拌轴的摆动、串动、晃动以及设备的振动适应性很强。对轴的振动偏摆不敏感。磁性液体密封通过增加磁性液体的粘度和增加齿数提高耐用压力，压力使用范围通常为：真空～2 MPa，高压、低速场合可选择高粘度磁性液体。磁性液体密封使用温度受轴承耐温限制，目前应用装置中150 ℃可长期稳定运行。磁性液体耐温可达到230 ℃。磁性液体密封在有毒有害和易燃易爆气体、液体、粉末密封方面等具有应用优势。密封的具体选择需要密封厂家根据设备操作参数给出。

磁性液体为新型纳米级混合材料，价格比较贵。

5 几种密封方式的比较

上述几种密封形式除磁性液体密封外都在预灰桶搅拌器中有应用。几种密封形式对比见表1，纯碱厂可根据具体情况及操作经验进行选择。

表1 几种密封方式比较表

1)水银箱密封是比较老的密封形式，虽然成本低廉，对于搅拌器晃动容忍度较高，但由于系统蒸汽压力不稳定，经常出现水银箱内水银喷出的情况，水银喷出后很难收集和处理，随着环保要求越来越高，系统操作压力越来越高，水银箱密封已经处于被淘汰的边缘。

2)填料密封成本低，是低压搅拌器比较常用的密封形式，但泄漏量较大，已经不能满足越来越高的环保要求。由于预灰桶内介质的腐蚀性较强，需要频繁更换轴套和填料。我公司在乌兹别克斯坦氨碱项目预灰桶即选用填料密封，至今仍在使用。

3)机械密封正常运行泄漏量极微，可满足环保要求。但如果一级密封圈泄漏，可能造成隔离液内漏或者介质外漏。机械密封使用寿命长于填料密封，在密封流体压力和弹簧力作用下即使摩擦副磨损后，密封端面也能自动保持贴紧，因此一旦安装好后就不需要经常调整，使用方便，适合连续、自动化生产，可在线监测是否存在异常。机械密封停车时需注意密封的表面清理，防止颗粒或粘稠介质进入密封端面或浮动密封圈处影响密封性能。机械密封价格比填料密封高，适用于纯碱项目的升级改造。机械密封是比较成熟的产品，适用范围比较广泛，结构多样，价格和使用寿命差异也比较大。建议用户根据需要同时考虑经济性，选择适当品牌的产品。前面描述的机械密封选型应用在我公司沙特纯碱项目，目前项目正在安装阶段。机械密封通常需要使用密封液，密封液的循环、收集、处理增加了运行成本。预灰桶搅拌器转速比较低，在没有条件使用密封液的场合，可以考虑干磨机械密封。干磨机械密封结构和普通机械密封类似，动静环摩擦副选用更好的无压碳化硅和石墨材料，不借助液体压力，只借助弹簧力达到密封效果，正压操作泄漏量可能会比常规机械密封略高。

4)磁性液体密封是一种新型密封结构，可以做到零泄漏，使用寿命优于普通机械密封。磁性液体密封结构比机械密封简单，不需要辅助系统，占地较小。由于采用了新型纳米材料，该密封价格较高。由于没有辅助系统，运行成本较机械密封低。小轴径磁性液体密封和好的机械密封价格相差不大，考虑到运行成本优势可以考虑采用，大轴径的磁性液体密封价格较高，需慎重选择。磁性液体密封在一些高危害、高腐蚀介质或对釜内洁净度要求高的搅拌器上已有很好的应用，如头孢松钠结晶罐(操作温度125 ℃，压力0.3 MPa，介质丙酮、己酯、水蒸汽等)等。第一次使用需要用户提供实际介质给密封厂家进行磁性液体的基底选择。