卧式反应釜搅拌轴密封结构的研究

陈永强

（佛山市金银河智能装备股份有限公司， 广东 佛山 528100）

引言

卧式反应釜广泛应用于聚酯行业，高温、高压或高真空、高黏度是其3 个主要特征。卧式反应釜内的搅拌装置都是在一个支承支架上，该支承支架的两端分别支承在反应釜的前、后圆侧罩上。混合机的结构有双轴式、鼠笼式、单轴式等多种，如卡尔费休的鼠笼式混合机。反应釜是聚合、脱低生产的核心设备，其生产工艺的优劣取决于其高真空度。从实验结果可以看出，搅拌装置密封的可靠性和有效性是影响聚合釜、脱低釜工作性能的重要因素，需在高压力、高真空环境下生产，确保产品的质量。

1 常用旋转轴密封

为了防止釜内的介质与釜外的大气进行交换，需要对旋转轴进行机械密封。常见的旋转轴密封方法有机械密封、填料密封、骨架油封密封、螺旋密封、磁流体密封、干气密封、刷式密封7 种，其中机械密封和骨架油封密封是较好的高温高压旋转轴的密封方式。

1.1 旋转轴密封的工作原理

旋转轴密封是指在传动轴旋转的状态下阻止箱体内外油液沟通的功效，其原理是在自由状态下，油封唇口与轴颈之间形成一条0.3 mm 左右宽的密封带，在该环形密封内保持一层厚约0.009 mm 的油膜，这层油膜使油封唇口与轴颈表面之间在接近“液体摩擦”的条件下工作，起到润滑轴颈，减少油封唇口磨损的作用。唇口与轴颈之间保持薄而均匀的油膜，是油封工作的最佳状态，在这种情况下，会有极微量的油液渗出，使唇口外侧的轴颈湿润，这虽然在外观上会染尘，但却是油封工作良好的标志，不可视为故障；随着油封唇口的磨损，其内径变得比轴颈的外径大，靠自紧弹簧的弹力不足以对轴颈表面形成一定的压力，此时油膜厚度增加，油液的渗漏量会逐渐增多，最终造成密封失效[1]。

1.2 旋转轴密封的功能作用

旋转轴密封可以为旋转和旋转运动提供密封与刮尘功能，主要功能是保存系统中的轴承或系统的润滑剂，以避免泄漏；第二功能是防止外部颗粒或其他环境影响造成系统污染。旋转轴密封是一种动密封，组成结构由静止环（静环）、旋转环（动环）、弹性元件、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈和静止环辅助密封圈等元部件组成。7 种旋转轴密封方法的功能分别介绍如下：

1）机械密封装置是由至少一对垂直于旋转轴线端面在外力（流体压力，弹力等）的作用及辅助密封件的协作下保持紧贴且相对转动组成的防止泄漏的装置。

2）填料密封装置主要靠填料来阻止釜内介质与釜外大气进行交流，填料在压盖的预紧力作用下与螺旋轴紧密接触，达到密封的目的。填料密封一般都设有进出水管，引入具有压力的洁净水，冷却填料密封。填料密封装置结构简单，易维护管理，当发现密封处漏水过多时，稍加压力压紧压盖即可，更换填料也比较方便，但其装置轴功率损耗大，对轴的磨损也较大，必须定期更换防磨衬套。

3）骨架油封密封装置是在油封与轴之间存在着油封刃口控制的油膜，此油膜具有流体润滑特性，在液体表面张力的作用下，油膜的刚度恰好使油膜与空气接触端形成一个新界面，防止了工作介质的泄漏，从而实现旋转轴的密封。骨架油封广泛应用于真空或低压的工作状态。

4）螺旋密封是利用螺旋槽作为推力装置，与釜内介质产生相互作用力，相互低消压力，从而达到密封效果。

5）磁流体密封是利用磁场将磁液固定在密封轴的周围，形成动态封密。

6）干气密封是在两个密封面上产生一个稳定的气膜，利用气膜阻塞相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封效果。

7）刷式密封是由刷环和转子通过接触配合实现密封的，因此泄漏量较少。

2 卧式搅拌器轴向密封的特点

卧式反应釜搅拌装置与垂直反应釜搅拌装置的工作环境是不同的。两个主要的不同之处：一是垂直搅拌机无论上、下装，都是轴向受力的，而水平搅拌机的主要作用是自身的重量和附着在搅拌机圆盘上的材料的径向载荷使得轴发生一定的弯曲受力情况，使得搅拌机的轴封结构比立式要复杂。二是轴向密封面临的环境不同。直立面对的气相、液相比较单一；而水平型则是气、液、固的混合体。这就导致了两种不同的轴向密封件不能用相同的方式比较。以吉玛、卡尔费休和日本的中纺公司的轴向密封件为例分析，3 个企业在熔体密封方面的功能是一样的，但是它们的结构又是不同的。卡尔费休的密封结构是一种V 形的补偿密封，它包括5 个V 形密封圈，V 形密封圈磨损后，因弹簧的作用，轴向压紧，V 形开口打开，从而弥补了径向磨损。但是，这种补偿是有限度的，通常可以持续工作6 个月左右之后，填料与轴面摩擦部位的空隙会逐渐增大。另外，卡尔费休的内部密封圈位于炉膛的另一端，也就是所谓的“迷宫”，最初的设计目的是保护熔体的安全。因设计不当，在强力弹簧的作用下，三环并未形成“宫”，而是紧紧地缠在一起，三环变成了一个环。这就导致了轮轴的磨损。由于这3 个圆圈即使是“宫”，也起不到太大的作用，最后决定将3 个圆圈的大小统一为两个圆圈。吉玛公司的熔体密封体系以套管式间隙为主，其结构比较简单。套管密封件采用无接触密封，通过轴套和轴套间的极细间隙来防止液体外泄，从而达到密封性。套管是由聚四氟乙烯制造而成，中纺公司在熔体密封中使用了双层填料，从而保证了密封的可靠性。应注意上述三种结构的熔体密封体系在搅拌机运行时只能密封熔体，不能阻止气体的流动，不能保证真空。真空的产生完全取决于外层的密封体系，即真空密封体系。

对于外部的真空密封，两家公司都是采用几种不同的唇型骨架密封件作为密封本体。日本中纺使用双端面平衡式机械密封，造价更昂贵，但其性能更佳。内、外密封形式各异，各有其功能，将水平搅拌机轴封所面对的问题逐个解决。卡尔费休的轴封上有一个小洞，位于最外层的密封件中间。小孔与缩聚真空装置相连。这个孔洞的功能很重要，经过分析，内部的熔体密封在长时间的运转中，不可避免地会受到损伤，因为补偿的限制，一段时间后，会有少量的材料通过内部的密封进入到孔洞中，然后冷却为固态粒子，这将严重地威胁到真空密封。在故障停止时，罐内的真空被破坏为小的正压力（为了防止在生产中出现漏油的情况，为了防止过高的黏度，采用了这种方法）。此时炉膛内的材料和气体会从内部的密封体内挤压而入。另外，当冷却系统出现故障或断电时，空腔的温度会逐渐上升，内部的一些物质会分解，内部的气压会逐渐上升，形成一个负压差，最后会把所有的杂质粒子带到真空密封中，造成严重的后果。通过这个小孔，可以保证空腔内的真空，同时也保证了左边的第一个唇形密封存在一个正压力的差异，这样就能保持唇面的比压，确保了密封的可靠性。

3 密封系统的冷却和润滑

在真空密封中，一般不能超过200 ℃的封闭环境温度。因此，必须采取制冷降温措施。而静环和动环之间的摩擦力也会产生热量和磨损，所以，还需要在它们之间用密封液体润滑、冷却和辅助密封。卡尔费休与吉玛公司的密封装置是典型的。前者采用循环式水冷，但因其低温而被称为“低温制冷”。冷却水分为3个部分，一个是轴内部冷却轴承和一个外部的真空封口，另一个是在真空和熔体之间的空腔。在熔体密封部位没有冷却水，所以在连接部位加了一个小孔，并与真空系统相连。第二股水流经过轴内的夹套，极大地减少了密封唇的温度，但是轴的设计制造难度大，成本高，夹套内的污物很难去除。吉玛公司和卡尔费休的制冷方法有很大不同。将200 ℃的凝结水用于熔融密封，故称高温降温。这主要是为了避免熔融液在熔融密封件之间的空隙处冷却结块，从而破坏密封。在高真空环境、100 Pa 的条件下，泄漏的方向必须始终朝向反应釜内部。因此，由于种种原因，熔融物很难在很大的空隙内停留下来作为润滑剂，同时也阻止了后面的熔融物进入空隙。它们在使用水进行降温的同时，也使用了液体封口，也就是将密封液体注射到由唇状骨架密封形成的腔体中。密封液要选择易挥发的液体，要能与容器中的材料兼容，并且不能影响到容器的正常反应。卡尔费休使用了EG，吉玛使用了硅油。高位槽灌装密封液体，即在距离搅拌轴水平方向2～3 m 处设置一个与液体腔连通的密封液体容器，使其具有一定的正压力差。上述配套设备的完善和正常运转是保证卧式反应釜等搅拌设备有效、可靠、持久运作的关键[2]。

4 若干注意事项

1）精心安装。尤其是在真空密封装置上，注意对轴体与唇缘的接触部位进行适当的处理。此外，嘴缘的方向应该始终面对着润滑剂或密封液体，并且确保正压力差，也就是说，唇缘应该朝向密封液体，避免密封性的损坏。

2）不管是唇型密封件，还是机械密封件，密封件都起到了很大的作用。因此，在维修时，要对液腔、密封罐和有关的管道进行仔细的清洁，不得有任何的杂质。在试车前3 h 内，应按照规定向油缸内灌装密封液体，以确保油液能及时渗透到摩擦表面。不要在没有密封液体的情况下启动搅拌机。

3）对罐内液体高度进行严格的控制，防止材料淹没了熔体的密封，并尽可能地创造出一个较好的罐内密闭环境。无论采用何种密封方式，材料的过度渗透都会使密封件提前磨损，对真空密封件造成直接的威胁。

4）在故障调试中，经常会发生密封液体少容器产生气泡，或者是密封液体渗漏的情况。这个时候需等真空系统开始运转后仔细地看一下。如果正确地安装，上述现象将会消除。此外当沿着轴向推进时，唇缘不可避免地会发生轻微的扭曲，从而影响密封的效果，导致密封液体的泄漏。随着真空系统工作轴与唇缘间的抱力增加，逐步吻合气泡及漏油情况将会得到改善，直至恢复正常。在此需要说明的是，不管是什么原因，都要及时地进行密封液体的填充，以保证密封液的正常水平，不能让液体流干。在生产过程中，特别是在新的密封设备运行一段时间之后，由于种种原因，导致密封的过早磨损、老化、变形，以至造成密封液体渗漏，无法保持密封。比如，由于冷却水的停机时间太长，在高温下，会引起密封件的老化、变形；密封液、杂物等杂质会造成密封唇、机械密封端面的不正常磨损；轴承因各种原因造成大的磨耗，间隙大导致唇部填料，对密封造成很大的不利影响。突发停修时，要注意对轴密封系统进行维护，使各副系统的运行正常；反应釜中的压力应该是小正压，不能太高，最好为12 kPa。

5 搅拌轴密封性能的优化研究

根据工况的不同，普通的轴密封可以采用液体密封、法兰盘密封、填料密封、机械密封等多种密封方法，例如一个工程的水解反应器，它的主要功能是亚临界水解，并将其分解成固体燃料。该反应釜的设计参数为：工作压力3.2 MPa，设计压力3.4 MPa，工作温度24.5 ℃，设计温度25.0 ℃。本装置可以采用填料密封，在轴套和箱体之间填充填料（通常称为盘根），并用压盖和螺丝将其压实，从而实现密封。本发明具有结构简单、价格低廉、加工方便、安装方便等特点，但由于填料及搅拌轴使用时间长，会产生磨损，导致物料损耗及动力损耗，并需经常维修。也可以使用机械密封，又称为端面密封，它的主要用途是转动轴式密封，其机械密封性能稳定，泄漏少（大约是填料密封的1%)，耗电低（大约是填料的用量）。可适应高温、高压、强腐蚀介质等恶劣条件下的密封性要求，但其成本相对较高。

针对填料密封，应从改善其磨损程度、频繁更换等方面进行优化。一是选择适当的密封材料，例如，柔性石墨具有良好的渗透性和自润滑性，轴向压力不会太大，而且对轴的磨损也相对较少。二是可以考虑采用复合填充法，例如将两种不同的填充剂交替放置，分别与轴杆、箱体相接触，从而减小了填充物与轴心的接触面积，从而提高了摩擦力。机械密封由于其自身的特点，其自身的结构优势是显而易见的，因此，在优化方面，要从扩大适应性着手，进一步完善参数。一是根据工作场所的不同，选择合适的材料，以适应各种用途。为延长其使用寿命，应选用机械性能好、抗氧化、耐磨损的材质，并尽可能选用易加工、便宜的材质，以减少生产成本。二是针对不同的工作环境，选用适当的结构及密封体系[3]。

6 结语

对卧式反应釜进行轴端密封设计时，应结合反应釜内介质的特性，选用与之相兼容的密封材质，以延长密封件的寿命，节约维护成本，提高生产效率。并且可考虑采用两种或以上的密封材质组合在一起使用，实现对釜内多种介质的密封效果。

由于轴端密封结构属于精密部件，设计时需考虑密封件的磨损量与密封性能的关系，保证在允许磨损量内，密封结构正常工作。同时，在安装时保证各密封面的合理，以免损伤密封结构。

在卧式反应釜中，采用适当的密封结构，适当地优化密封结构，提高其密封性，不仅可以减少材料损耗，而且可以改善运行环境，有效地提高设备的使用效率，节约维护成本，对环保和安全具有重要的作用。