大容積磁力攪拌釜的研發(fā)與應(yīng)用

紀(jì)民舉 楊 麒 崔鵬程

(上海化工研究院)

大容積磁力攪拌釜的研發(fā)與應(yīng)用

紀(jì)民舉*楊 麒 崔鵬程

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根據(jù)磁力傳動(dòng)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了大容積磁力攪拌釜的研發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。其中，磁力傳動(dòng)裝置和攪拌軸支承方式的設(shè)計(jì)是研發(fā)大容積磁力攪拌釜的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了大容積磁力攪拌釜。

大容積 磁力傳動(dòng) 攪拌釜

磁力傳動(dòng)攪拌設(shè)備與慣用的攪拌設(shè)備相比較，除了動(dòng)力傳遞方式不同外，其余基本相同。磁力傳動(dòng)攪拌設(shè)備驅(qū)動(dòng)軸的扭矩是通過(guò)磁力聯(lián)軸器傳遞到攪拌軸上的，而普通的攪拌設(shè)備常用夾殼式聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)主軸和攪拌軸直接相連。采用磁力傳動(dòng)攪拌設(shè)備最突出的優(yōu)勢(shì)是可完全消除攪拌設(shè)備內(nèi)的氣體介質(zhì)通過(guò)軸封向外泄漏[1]。目前，中、小型磁力傳動(dòng)攪拌設(shè)備應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)也很成熟。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，中、小型磁力傳動(dòng)攪拌設(shè)備已不能滿足生產(chǎn)的需求，大容積、大功率的磁力傳動(dòng)攪拌設(shè)備的需求不斷增加。因此，需要從技術(shù)上解決問(wèn)題，研制開(kāi)發(fā)大容積的磁力攪拌釜。下面，通過(guò)介紹磁力攪拌釜的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)來(lái)闡述大容積的磁力攪拌釜的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

1 磁力傳動(dòng)原理

磁力傳動(dòng)原理就是利用永磁體的特性同極相斥、異極相吸來(lái)完成力矩的空間傳遞。圖1所示為磁力傳動(dòng)器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。磁力傳動(dòng)器通常由以下幾個(gè)主要部件組成： （1）隔離套； （2）外磁環(huán)；（3）內(nèi)磁環(huán)； （4）密封圈等。外磁環(huán)由外部的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，基于磁的庫(kù)侖定律，外磁環(huán)通過(guò)磁場(chǎng)作用力驅(qū)動(dòng)內(nèi)磁環(huán)，內(nèi)磁環(huán)帶動(dòng)攪拌軸運(yùn)動(dòng)，從而使整個(gè)攪拌釜正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

從磁力傳動(dòng)器的工作原理可知，磁力攪拌釜工作時(shí)，通過(guò)磁力 （磁場(chǎng)）耦合驅(qū)動(dòng)封閉在隔離套內(nèi)的內(nèi)磁環(huán)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置在密封受壓腔體內(nèi)作同步轉(zhuǎn)動(dòng)[2-3]。隔離套使內(nèi)磁環(huán)和外磁環(huán)轉(zhuǎn)子隔離，靠?jī)?nèi)外磁場(chǎng)進(jìn)行傳動(dòng)，隔離套與釜體僅僅通過(guò)密封圈將物料完全密閉在攪拌釜內(nèi)，從而起到全封閉密封作用。這種傳動(dòng)方式使其由原先的動(dòng)密封 （填料密封、機(jī)械密封）變?yōu)橥耆珶o(wú)泄漏的靜密封。在能量傳遞的過(guò)程中，磁力傳動(dòng)靜密封不會(huì)破壞容器的完整性，保證了密封性能的安全可靠，而且能量傳遞平穩(wěn)可靠，效率高，無(wú)任何振動(dòng)及電磁和噪音污染，是一種安全、可靠的傳動(dòng)密封技術(shù)[4]。同時(shí)，也具有過(guò)載保護(hù)功能，過(guò)載時(shí)對(duì)電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、軸等部件有保護(hù)作用。

圖1 磁力傳動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2 大容積磁力攪拌釜開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施

習(xí)慣上，我們把釜體容積大于5 m3的稱為大容積磁力攪拌釜。與小容積磁力攪拌釜相比，大容積磁力攪拌釜的磁力傳動(dòng)裝置和攪拌軸支承方式的設(shè)計(jì)是一重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。磁力傳動(dòng)器的設(shè)計(jì)主要是解決磁力矩和渦流損失的問(wèn)題，保證磁力傳動(dòng)裝置的正常安全運(yùn)行；攪拌軸支承方式的設(shè)計(jì)要保證攪拌軸的穩(wěn)固可靠，從而保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1 磁力矩

在大容積磁力攪拌釜開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，磁力矩的計(jì)算十分重要。計(jì)算磁力傳動(dòng)裝置磁力矩的大小，借以判斷所設(shè)計(jì)的磁力驅(qū)動(dòng)裝置是否能夠滿足工程應(yīng)用的要求。磁扭矩 （即驅(qū)動(dòng)力矩）的計(jì)算方法有等效磁荷法、靜磁能理論力矩求解法、轉(zhuǎn)矩有限元計(jì)算法等等。力矩的計(jì)算方法較多，計(jì)算也比較復(fù)雜。一般在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，常采用比較實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式求解得最大磁力矩，即：

式中Tmax——最大磁力矩，N·m；

Br——永磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

Hg——工作氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

Sm——內(nèi)外永磁體磁極相互作用的總面積，m2；

R——內(nèi)外永磁體平均作用半徑，m。

從式(1)可看出，最大磁力矩與永磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、內(nèi)外永磁體磁極相互作用的總面積以及內(nèi)外永磁體平均作用半徑有關(guān)。在大容積磁力攪拌釜開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，為了得到實(shí)際需要的最大磁力矩，可采取的技術(shù)措施有下述幾項(xiàng)：(1)采用良好的磁路設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)裝置反復(fù)試驗(yàn)，采用圓筒型組合疊加磁路，以小單元磁塊產(chǎn)生密集磁力線，磁能利用率高，不僅大大提高了單位輸出扭矩，而且也減小了渦流損失。(2)采用優(yōu)良的具有高矯頑力和高磁能積的新型稀土合金磁性材料，不僅可提高單位輸出扭矩，同時(shí)可耐高溫，以防退磁。

2.2 渦流損失

當(dāng)磁力驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子同步或不同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬隔離套便處在交變磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向和大小按一定規(guī)律瞬間變化，即隔離套壁厚中的磁通量隨時(shí)間而變化，作為導(dǎo)體將產(chǎn)生環(huán)繞磁通量變化方向的渦電流，即渦流[5]。金屬隔離套密封磁力驅(qū)動(dòng)裝置在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于渦流的產(chǎn)生，連續(xù)釋放熱量，磁性材料工作的環(huán)境溫度不斷上升，溫度升高到額定溫度值時(shí)，磁體的磁性能隨溫度的繼續(xù)升高而降低，使傳遞的力或力矩下降，影響磁裝置正常的運(yùn)行工作。如果溫度升高到磁性材料的居里溫度點(diǎn)時(shí)，磁性材料的磁性能完全消失。因此，對(duì)大容積磁力攪拌釜來(lái)說(shuō)，為保證磁力傳動(dòng)裝置的正常安全運(yùn)行，必須采用良好的設(shè)計(jì)方法和冷卻措施來(lái)消除渦流帶來(lái)的不利影響。

磁力傳動(dòng)裝置隔離套中產(chǎn)生的渦流可采用下式計(jì)算：

式中Pj——渦流損失，W；

L——磁化長(zhǎng)度，m；

r——隔離套半徑，m；

t——隔離套壁厚，m；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

B0——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

γ——電導(dǎo)率，s/m。

從式(2)可以看出，隔離套中產(chǎn)生的渦流與隔離套的壁厚、隔離套半徑、隔離套材料等有關(guān)。為了減小渦流損失，在大容積磁力攪拌釜開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，可采取的技術(shù)措施有：(1)合理設(shè)計(jì)隔離套，減小渦流損失。采用電阻功率大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好的非導(dǎo)磁性材料制作。(2)合理設(shè)計(jì)磁力驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)徑比。對(duì)磁轉(zhuǎn)子的基本要求是能滿足其轉(zhuǎn)矩要求，同時(shí)應(yīng)具有較低的渦流損失和較低的成本。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)研究，當(dāng)傳遞轉(zhuǎn)矩的最大靜磁轉(zhuǎn)矩在某一范圍值時(shí)，長(zhǎng)徑比有一個(gè)范圍，取值大不利，取值小同樣不利。磁力驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)徑比選擇的原則是在轉(zhuǎn)速低、壓力小時(shí)取小值，轉(zhuǎn)速高、壓力大時(shí)取大值。(3)合理選擇冷卻方式，及時(shí)消除磁力傳動(dòng)裝置帶來(lái)的過(guò)高溫升，減小渦流損失。

2.3 攪拌軸支承方式的選擇

磁力驅(qū)動(dòng)攪拌釜攪拌軸的軸承支承方式如圖2的左、右示圖所示。上、下軸承組件分別為徑向軸承和推力軸承組合；兩軸承組件的跨矩根據(jù)軸的總長(zhǎng)和攪拌輪承載狀態(tài)確定；軸承材質(zhì)根據(jù)不同的工作介質(zhì)選擇確定。

圖2 攪拌軸支承方式

根據(jù)工況條件和結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)選用滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承。載荷較大、轉(zhuǎn)速較高時(shí)，一般多選用滾動(dòng)軸承；攪拌軸較長(zhǎng)時(shí)，軸承組件1和軸承組件3的支承方式在結(jié)構(gòu)上難以保證軸的徑向跳動(dòng)，一般在軸的下端部采用增加輔助軸承組件的方法以保證攪拌軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性，如圖2的右圖中元件5所示。

在大容積磁力攪拌釜開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，攪拌軸一般都較長(zhǎng)，重量也較大，如果不采取可靠措施，攪拌軸在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，不僅影響設(shè)備的安全運(yùn)行，而且會(huì)增加功耗。在設(shè)計(jì)時(shí)，可采取的措施有：(1)轉(zhuǎn)子軸系采用自潤(rùn)滑徑向與推力組合軸承，具有良好的耐磨耐腐蝕性能，且使用壽命長(zhǎng)。同時(shí)，由于攪拌軸較長(zhǎng)，采用底軸承，多支點(diǎn)支撐，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠穩(wěn)定。(2)如果攪拌軸重量較大，在保證機(jī)械強(qiáng)度的條件下，可采用空心軸，不僅減輕了重量，容易支承，而且節(jié)省了功耗。

3 應(yīng)用實(shí)例

以開(kāi)發(fā)研制的全容積為12.6 m3的磁力攪拌釜為例來(lái)說(shuō)明大容積磁力攪拌釜的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。該反應(yīng)釜的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 12.6 m3磁力釜的主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，采取了合理的技術(shù)措施來(lái)解決。

（1）采用良好的磁路設(shè)計(jì)和采用優(yōu)良的新型稀土合金磁性材料。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，隔離套的壁厚取3 mm；根據(jù)攪拌轉(zhuǎn)速n=135 r/min和設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，磁力驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)徑比取2。

（3）在冷卻方式上，本設(shè)備為立式容器，根據(jù)立式容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，冷卻方式有自冷卻和外加冷卻系統(tǒng)的形式。由于本設(shè)備磁力驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的溫升并不高，不會(huì)影響磁力驅(qū)動(dòng)裝置的正常工作，故選擇自冷卻方式，在磁力驅(qū)動(dòng)裝置的支架上開(kāi)設(shè)散熱孔即可消除磁力傳動(dòng)產(chǎn)生的渦流損失。

（4）攪拌軸系采用自潤(rùn)滑徑向與推力組合軸承，具有良好的耐磨耐腐蝕性能，且使用壽命長(zhǎng)。同時(shí)，由于攪拌軸較長(zhǎng)，采用底軸承，多支點(diǎn)支撐，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠穩(wěn)定。

經(jīng)計(jì)算，12.6 m3的磁力攪拌釜的磁力矩為750 N·m；實(shí)際應(yīng)用上實(shí)測(cè)輸出的磁力矩為680 N·m，設(shè)計(jì)滿足實(shí)際的需求。整個(gè)隔離套中的渦流損失計(jì)算值為1 350 W，實(shí)測(cè)值為1 405 W，實(shí)測(cè)值在測(cè)試時(shí)因受機(jī)械摩擦力的影響大于計(jì)算值，計(jì)算與實(shí)測(cè)值基本符合實(shí)際狀況。

本設(shè)備投產(chǎn)至今，從用戶單位反映的使用情況看，該設(shè)備滿足用戶的工藝要求，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，密封性能良好，保證了加氫反應(yīng)過(guò)程絕對(duì)無(wú)泄漏，具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠性，同時(shí)產(chǎn)量增加了一倍，降低了能耗、人工和設(shè)備投資。

表2 部分大容積磁力釜的主要技術(shù)參數(shù)

4 大容積磁力釜的開(kāi)發(fā)應(yīng)用情況

基于上述所采用的技術(shù)措施，大容積磁力釜的開(kāi)發(fā)技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用越來(lái)越多。大容積磁力釜廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、精細(xì)化工、農(nóng)藥或制藥中間體、香料合成及日用輕工等化工工藝所需的氧化、氫化、氟化、乙烯化等反應(yīng)過(guò)程，均能在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的絕對(duì)無(wú)泄漏操作。該設(shè)備也特別適用于各種極毒、易燃、易爆及其它滲透力極強(qiáng)的化工工藝過(guò)程。

近年來(lái)，還相繼開(kāi)發(fā)了12.6 m3、15 m3和24 m3等更大容積的磁力釜，其相關(guān)的參數(shù)如表2所示。其中，12.6 m3是1999年為浙江新和成公司開(kāi)發(fā)的，15 m3、24 m3超大容積的磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜是在2009年為上海、南京石化企業(yè)設(shè)計(jì)制造的，經(jīng)使用效果良好，并相繼通過(guò)批量生產(chǎn)。

經(jīng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行，可以看出大容積磁力攪拌釜其主要的技術(shù)特點(diǎn)為：

（1）磁力傳動(dòng)密封裝置為靜密封結(jié)構(gòu)，保證介質(zhì)絕對(duì)無(wú)泄漏，釜內(nèi)物料無(wú)污染。

（2）采用良好的磁路設(shè)計(jì)，用圓筒型組合疊加磁路，減小渦流損失，磁能利用率高，大大提高了單位輸出扭矩。

（3）采用優(yōu)良的高矯頑力和高磁能積的新型稀土合金磁性材料。

（4）攪拌轉(zhuǎn)速高于傳統(tǒng)釜，強(qiáng)化了攪拌操作，提高了生產(chǎn)能力。

（5）節(jié)約能耗，因采用了非接觸式磁力傳動(dòng)裝置，比傳統(tǒng)的填料密封攪拌釜節(jié)省功率10%左右。

（6）采用變頻調(diào)速，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，檢修方便，時(shí)間短。

（7）軸系采用底軸承，多支點(diǎn)支撐，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文闡述了大容積磁力攪拌釜的研發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。與小容積磁力攪拌釜相比，開(kāi)發(fā)大容積磁力攪拌釜應(yīng)著重解決的關(guān)鍵問(wèn)題有：

（1）磁力矩要滿足大容積大功率的需求；

（2）合理設(shè)計(jì)磁力驅(qū)動(dòng)裝置，減少和消除渦流損失；

（3）合理選擇攪拌軸支承方式，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。

從目前大容積磁力攪拌釜的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，設(shè)備設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行良好，并取得了很好效益。

[1]陳志平，章序文，林興華，等．?dāng)嚢枧c混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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[5]趙克中.磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Study on Development and Application of Magnetic Drive Stirrer with Large Capacity

Ji Minju Yang Qi Cui Pengcheng

Based on the principle of magnetic drive and structural features,the paper describes the designing and application of the magnetic drive stirrer with large capacity.The designing of magnetic drive device and the supporting way of agitating shaft are the key technical problems.Through the rational designing,we designed the magnetic drive stirrer with large capacity.

Large capacity；Magnetic drive；Stirrer

TQ 052.5

*紀(jì)民舉，男，1980年生，碩士研究生。上海市，200062。

2011-03-22)