淺談預灰桶攪拌器軸封的選擇

金亞男，王 琨，王曉茸

(中國成達工程有限公司，四川 成都 610041)

預灰桶是氨堿法制堿工藝中的重要設備，其主要作用是把預熱母液及石灰乳在桶內進行充分混合反應，含氨尾氣通過頂部管道送回母液蒸餾塔的預熱段，混合后的預灰乳進入母液蒸餾塔進行后續蒸餾操作。生產中的預灰桶通常采用帶攪拌的立式圓筒形結構。對于大型氨堿裝置，筒體及框式攪拌器尺寸通常較大。預灰桶內存在氨氣、水汽、石灰乳介質，操作溫度較高，攪拌軸的良好密封性能對設備安全可靠運行具有重要的作用。

本文針對預灰桶可采用的幾種攪拌器軸封形式的優缺點進行探討和分析，以期能為用戶選擇提供參考。

1 水銀箱密封

水銀箱密封是預灰桶攪拌的傳統軸封結構，結構見圖1。

圖1 水銀箱密封結構圖

該結構利用水銀比重大的特性，通過在水銀箱中水銀高度差對預灰桶內實現密封。其優點是結構簡單，造價低，固定部分與轉動軸無接觸，對于攪拌器晃動容忍度較高。

缺點有以下幾方面：

1)為保證有效密封，水銀箱尺寸較大，占用空間大，增加預灰桶高度。

2)水銀有毒，一旦系統超壓水銀會逸出，影響環境。而預灰桶與母液蒸餾塔相連，蒸汽系統不穩定，操作不當短時超壓現象經常會發生，造成攪拌器外面水銀散落，處理困難。

2 填料密封

填料密封是一種傳統的壓蓋密封，可用于大型填料函和重載的場合。它靠壓蓋產生壓緊力，從而壓緊填料，迫使填料壓緊在密封表面(軸的外表面和密封腔)上，產生密封效果的徑向力，因而起密封作用。

圖2 填料密封結構圖

填料密封結構簡單，操作維修方便，成本低廉。對旋轉運動的軸允許有軸向竄動。不足之處在于軸不允許有較大的徑向跳動，消耗功率大，密封可靠性差。在本設備介質條件下對軸或軸套磨損較嚴重，使用壽命短。使用過程中往往發生氨氣及水汽沿填料密封泄漏，不僅污染環境，對生產成本也造成比較大的浪費。

3 機械密封

機械密封是一種比較成熟的密封方式，能滿足多種工況要求，在石化等部門廣泛應用。機械密封通常由四個密封組合而成：

A.動環與靜環之間的密封——動密封

B.動環與軸(軸套)之間的密封——相對靜密封

C.靜環與靜環座之間的密封——靜密封

D.靜環座(壓蓋)與設備之間的密封——靜密封

通過上述幾種密封方式的組合，機械密封的密封性好，性能穩定，泄漏量少，摩擦功耗低，對軸磨損很小。機械密封端面磨損后可自動補償，一般情況下，毋需經常性的維修，抗振性好，對旋轉軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜不敏感。但其結構復雜、制造精度高、價格較貴、維修不方便。

針對預灰桶微正壓操作和攪拌器轉速低的特點，我們選擇了雙端面機械密封。

雙端面機械密封結構如圖3所示。雙端面機械密封有兩道端面密封，密封材料介質側為四氟材料包覆全氟醚，外側為氟橡膠。一級密封圈防止介質進入密封裝置，二級密封圈在密封環的端面上產生一個適當的比壓(壓緊力)，使兩個接觸端面(動環、靜環端面)相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達到密封的目的。雙端面密封需要外供密封液系統，向密封腔內引入密封液進行堵封、潤滑和冷卻，且多為循環冷卻使用?？紤]到密封液有微量內漏的可能，建議選用水作為密封液。密封液不僅可以沖洗摩擦和改善機械密封工作環境，還可以作為一級密封面是否失效的重要檢測手段。

圖3 雙端面機械密封結構圖

4 磁性液體密封

磁性液體旋轉密封是一種新型密封,是利用磁鐵、導磁極靴與導磁軸套之間形成旋轉磁場回路，從而將磁性液體牢牢地吸附在極靴尖端和軸套之間，形成類似“O”形環狀的流體環，將間隙完全堵住，達到密封目的。其原理如圖4。

(1)極靴傳遞磁力，極靴尖端的極齒寬度為0.2～0.4 mm，兩個極齒的間隙為1.5～2 mm。(2)磁性液體處的間隙為0.1～1 mm，單個磁性液體環能承受0.05～0.01 MPa，過增加級數增加整體耐壓能力。(3)軸(軸套)為導磁材料，在高腐蝕性情況通過表面噴涂PTFE或金屬實現耐腐蝕。(4)永磁鐵選用燒結釹鐵硼永磁鐵矯頑力HcJ達到1 114 kA/m。圖4 磁性液體密封原理圖

磁性液體是一種新型納米功能材料。由3～5納米的磁性顆粒、表面活性劑和基載液組成?；d液一般為合成油類、硅油類、氟醚類。磁性液體在磁場中具有磁性，對磁場響應；在非磁場中，就沒有磁性，是一種超順磁液體智能材料。

圖5 磁性液體在磁場中形態圖

磁性液體密封特點：

密封間隙被磁性液體填充，利用磁場力，磁性液體能夠承受來自介質側的壓力，從而被密封介質無法向外泄漏。

固定側與旋轉側無接觸磨損，使磁性液體密封壽命比傳統機械密封大大延長，可靠性更高。

適用于往復狀態下的無泄漏密封，解決傳統密封往復密封難的問題。

圖6 攪拌器用磁性液體密封結構圖

磁性液體旋轉密封具有零泄漏、長壽命、動靜皆可密封、能承受高轉速、低摩擦、無需輔助系統占用空間小等突出優點。磁性液體在軸(軸套)與靜環之間形成密封介質，動靜環之間無摩擦，功耗低，密封間隙是機械密封的 20～200倍，故對攪拌軸的擺動、串動、晃動以及設備的振動適應性很強。對軸的振動偏擺不敏感。磁性液體密封通過增加磁性液體的粘度和增加齒數提高耐用壓力，壓力使用范圍通常為：真空～2 MPa，高壓、低速場合可選擇高粘度磁性液體。磁性液體密封使用溫度受軸承耐溫限制，目前應用裝置中150 ℃可長期穩定運行。磁性液體耐溫可達到230 ℃。磁性液體密封在有毒有害和易燃易爆氣體、液體、粉末密封方面等具有應用優勢。密封的具體選擇需要密封廠家根據設備操作參數給出。

磁性液體為新型納米級混合材料，價格比較貴。

5 幾種密封方式的比較

上述幾種密封形式除磁性液體密封外都在預灰桶攪拌器中有應用。幾種密封形式對比見表1，純堿廠可根據具體情況及操作經驗進行選擇。

表1 幾種密封方式比較表

1)水銀箱密封是比較老的密封形式，雖然成本低廉，對于攪拌器晃動容忍度較高，但由于系統蒸汽壓力不穩定，經常出現水銀箱內水銀噴出的情況，水銀噴出后很難收集和處理，隨著環保要求越來越高，系統操作壓力越來越高，水銀箱密封已經處于被淘汰的邊緣。

2)填料密封成本低，是低壓攪拌器比較常用的密封形式，但泄漏量較大，已經不能滿足越來越高的環保要求。由于預灰桶內介質的腐蝕性較強，需要頻繁更換軸套和填料。我公司在烏茲別克斯坦氨堿項目預灰桶即選用填料密封，至今仍在使用。

3)機械密封正常運行泄漏量極微，可滿足環保要求。但如果一級密封圈泄漏，可能造成隔離液內漏或者介質外漏。機械密封使用壽命長于填料密封，在密封流體壓力和彈簧力作用下即使摩擦副磨損后，密封端面也能自動保持貼緊，因此一旦安裝好后就不需要經常調整，使用方便，適合連續、自動化生產，可在線監測是否存在異常。機械密封停車時需注意密封的表面清理，防止顆?；蛘吵斫橘|進入密封端面或浮動密封圈處影響密封性能。機械密封價格比填料密封高，適用于純堿項目的升級改造。機械密封是比較成熟的產品，適用范圍比較廣泛，結構多樣，價格和使用壽命差異也比較大。建議用戶根據需要同時考慮經濟性，選擇適當品牌的產品。前面描述的機械密封選型應用在我公司沙特純堿項目，目前項目正在安裝階段。機械密封通常需要使用密封液，密封液的循環、收集、處理增加了運行成本。預灰桶攪拌器轉速比較低，在沒有條件使用密封液的場合，可以考慮干磨機械密封。干磨機械密封結構和普通機械密封類似，動靜環摩擦副選用更好的無壓碳化硅和石墨材料，不借助液體壓力，只借助彈簧力達到密封效果，正壓操作泄漏量可能會比常規機械密封略高。

4)磁性液體密封是一種新型密封結構，可以做到零泄漏，使用壽命優于普通機械密封。磁性液體密封結構比機械密封簡單，不需要輔助系統，占地較小。由于采用了新型納米材料，該密封價格較高。由于沒有輔助系統，運行成本較機械密封低。小軸徑磁性液體密封和好的機械密封價格相差不大，考慮到運行成本優勢可以考慮采用，大軸徑的磁性液體密封價格較高，需慎重選擇。磁性液體密封在一些高危害、高腐蝕介質或對釜內潔凈度要求高的攪拌器上已有很好的應用，如頭孢松鈉結晶罐(操作溫度125 ℃，壓力0.3 MPa，介質丙酮、己酯、水蒸汽等)等。第一次使用需要用戶提供實際介質給密封廠家進行磁性液體的基底選擇。