改进制冷剂反应釜机械密封方式

反应釜按其结构不同可分为搅拌轴侧入式、搅拌轴底部插入式以及搅拌轴顶部插入式3种形式。通常釜内发生化学反应，引起压力、温度及物料形态的变化，使用工况通常较为恶劣。为了安装的方便，反应釜用机械密封通常采用集装式结构。

某化工企业集团数十套反应釜设备由于介质特殊，工况较为恶劣，在使用过程中一直存在着密封使用周期短，频繁停机更换密封元件的问题，经过多次改进仍未解决。为此，研制了一套新型机械密封后，使用效果良好。

1.设备现状

该反应釜为搅拌轴顶部插入式结构，密封置于釜的上部，处于气相空间中（物料满釜时才是液相），反应釜的工况参数见表4-2。

表4-2 反应釜工况参数

釜内处理的主要介质为氟化氢及类似氟利昂的化工物料等，该类物质遇到液体发生反应生成酸性物质，对设备造成腐蚀。同时，该类物料具有遇冷凝固特性，部分物料还会出现遇冷凝华现象，凝固物质具有较大黏度，而凝华所形成物质具有一定的硬度。通常对于反应釜用密封，为了避免干摩擦，需要采用一定的液体润滑冷却。鉴于釜内介质的特殊性，不允许密封液进入反应釜，更严禁使用水作为密封液。另外，也不允许釜内介质泄漏到密封腔内，以免造成密封面磨损，导致密封失效。

该设备改造前所采用的密封为常规205型釜用密封，该密封结构如图4-5所示。

这种机械密封为集装式非平衡型双端面结构，严格来讲，该设备选择此结构机械密封也属牵强。该型密封可基本满足此工况下的工作参数，但是205型机械密封要求其密封液压力略大于或等于密封介质压力，也即需要图4-5中密封液的压力大于密封下侧介质压力0.1MPa左右。实际操作中，为了防止密封液进入釜体，在油腔中注满全损耗系统用油，这种条件下，釜内介质将不可避免地进入密封腔体中，或者密封液油进入反应釜，造成密封失效。

在实际使用中，该设备机械密封更换频繁，密封更换后不到半个月便无法继续使用，甚至数天就已经失效。对机械密封解体发现，密封腔内有大量硬度较高的块状物质，而其使用的密封液油十分洁净，并且非循环使用，所以这些物质只能是釜内物质进入到密封腔内而形成的，这些物质造成导热困难，同时致使密封端面磨损严重。因此要求开发出一种合适的产品，初步要求正常使用寿命不低于两个月。

图4-5 205型釜用密封结构示意

2.改造方案

基于设备的使用工况，常规的液体润滑机械密封无法满足设备要求，而少量的氮气进入釜内不会对整个工艺流程造成影响，因此选择干式气体密封对该密封进行改造。

干式气体密封使用气体作为缓冲或者阻封流体，避免了液体进入釜内，污染介质。目前的干式气体密封根据端面开槽深度的不同可分为两大类，即浅槽密封和深槽密封。

端面开浅槽机械密封是在机械密封端面上开出微米级槽，在旋转过程中，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动，由流体动压效应形成一层很薄的气膜，实现非接触运转。由于膜厚比较薄，浅槽干式气体密封要求配备干净无尘同时稳定的缓冲或者阻封气体，这就要求配备一个复杂的封气供应系统，成本比较高。深槽密封即在密封端面开出毫米级的型槽，利用热流体动压效应来改善密封面的润滑状况，其作用机理比较复杂，一般采取理论分析结合相应试验验证的研究方法。

根据设备工况和用户的承受能力，选择了端面开深槽的机械密封。主要的理由如下：

1）从使用条件来讲，由于釜内工况比较复杂，介质存在凝固、凝华等现象，这些物质一旦微量粘接于开槽端面，将对密封面的动压效应造成影响，甚至失去动压效应，对于浅槽密封尤其致命。

2）从用户经济性以及维护成本考虑，浅槽密封要求具备较为复杂的封气系统，而深槽密封只要进行普通的过滤与监控即可。

3）浅槽密封的制造需要特殊的设备，才能加工出所需的槽形，也不利于成本的控制。

总体方案如图4-6所示，工业氮气经调节、过滤等处理后，作为封气通入密封腔体，安装尺寸保持与原来结构一致。密封的关键就在于端面槽形的选择，槽形选择得当能够增强密封面冷却，同时产生一定的热流体动压效应，提高密封寿命与性能。(https://www.xing528.com)

图4-6 总体方案

3.槽形选择

深槽密封主要是利用各种形状的密封面流槽，加强密封面冷却，产生一定的流体静、动压效应及热流体动压效应，增强承载能力，减少摩擦热，降低功耗，延长密封使用寿命。这类密封流槽的形状主要有矩形槽、三角槽、半圆槽、直弦槽、圆弧槽、台阶槽、凸台槽、多棱（四角、六角、八角）槽、倒角槽、斜角槽和内外圆弧槽等。

开槽形式的不同主要会影响两环端面间流体的流动形式，从而影响密封环与流体间的对流换热情况，最终导致密封环的变形不同。

根据文献以及在深槽密封方面的相关经验，初步选定了图4-7所示的斜槽与直槽结构形式进行流场及温度场分析。

图4-7 开槽形式及槽内流体区域

a）斜槽 b）直槽

槽形参数见表4-3，因深槽动压效应较弱，无法使端面形成完整的流体膜而实现非接触运转，因此取端面槽内流体区域（图4-7所示的槽区）为研究对象，采用GAMBIT进行网格划分，应用FLUENT对其流场进行计算。

表4-3 主要槽形参数

注：操作压力为6MPa，转速为150r/min。

经分析，槽数相同、槽宽相同时，斜槽换热情况要优于直槽。结合经验，最终确定斜角槽作为密封面的形式。

4.使用效果

机械密封投入现场使用后，借助于企业工业氮气作为封气，通过缓冲罐引入密封腔体，运转初期取得了良好的使用效果，稳定运行近两个月时间。但到后期，密封逐渐出现了一些异常情况，如封气经常不能有效保压，同时，偶尔有釜内介质直接进入大气的情况发生。

为了使用安全，立即进行停机检修。检修时发现密封内侧有大量杂质黏附及堆积，另外，密封环出现较为严重的磨损以及局部剥落。经确认，该杂质为釜内物质以及剥落的密封环，该杂质大部分有较高的硬度，密封环的损坏主要是由于颗粒磨损引起的。

介质是如何进入的呢？主要的原因应该是封气压力未保证，即在设备运行中，可能经常出现反应釜介质压力大于封气压力的情况，致使介质侧密封面打开，从而造成介质进入。通过与设备的相关负责人员进行交流得知，在设备运行周期中工况较为稳定，但是设备在投料及出料时，压差波动较大，压力波动超出了预设压力，造成了釜内介质断续进入密封腔体，逐渐累积后，大量杂质造成了密封面的磨损，导致了密封的最终失效。另外，从密封环的损坏情况来看，主要由介质磨损引起，所以认为密封环槽形选择相对较为妥当，如果可以排除介质进入带来的影响，密封整体将能够运行更长周期。从这个意义上来讲，本次改造较为成功，大大减轻了财力和精力的损耗。

总结以上经验，并对机械密封封气压力进行了调整，对槽区进行了精细加工，组装后重新投入使用，系统泄漏量稳定，密封未出现异常情况。