磁傳動(dòng)攪拌器氣氛控制裝置的研制

曹紅蓓，張 恒

CAO Hong-bei,ZHANG Heng

（南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南通 226019）

0 引言

在化工行業(yè)中，物料的攪拌與反應(yīng)常常是在高溫、高壓、易燃、易爆或劇毒的工況條件下進(jìn)行，在這種工況下，是不允許有任何外泄漏的。磁傳動(dòng)攪拌器是利用磁力耦合，即由于磁場作用不通過接觸便能傳遞力矩的特性，成功地解決惡劣環(huán)境下的動(dòng)態(tài)密封問題，即將動(dòng)密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封，從而實(shí)現(xiàn)零泄漏。因此磁傳動(dòng)攪拌器在化工行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1～3]。

雖然磁傳動(dòng)技術(shù)徹底解決了泄漏問題，即反應(yīng)釜中腐蝕性物料不會(huì)從攪拌器中泄漏至外部環(huán)境中來。但實(shí)際使用中，還會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)具有腐蝕性或溶劑性的物料氣體進(jìn)入磁傳動(dòng)腔體的問題，導(dǎo)致腔體里的軸承與內(nèi)磁組件被腐蝕；軸承里的潤滑脂因溶劑凝液作用而被溶解流失；反應(yīng)釜里高溫氣體會(huì)導(dǎo)致軸承潤滑脂的干涸，內(nèi)磁因?yàn)楦邷囟Т?。這些問題直接導(dǎo)致軸承及磁的使用壽命大大縮短[4]，制約了產(chǎn)品的發(fā)展。

國內(nèi)曹斯卡諾研究所，針對(duì)上述問題，采取了機(jī)械式隔離防護(hù)的方法。首先將軸承、內(nèi)磁組件等集中到密封罩內(nèi)，再在下方加機(jī)械密封，從而形成密封腔體。最后在密封腔體內(nèi)充封液，通過壓力自平衡裝置使封液壓力始終高于反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。這樣，反應(yīng)釜內(nèi)物料的各類氣體包括腐蝕性的、溶劑性的氣體，都不會(huì)進(jìn)入磁傳動(dòng)密封腔體內(nèi)。機(jī)械隔離式適用性好，通用性強(qiáng)，機(jī)械隔離式磁傳動(dòng)攪拌器現(xiàn)已批量生產(chǎn)。

但機(jī)械隔離是種直接隔離的方法，存在很多弊端。機(jī)械隔離磁傳動(dòng)攪拌器使用要求高，需專人維護(hù)，若操作或維護(hù)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致零壓差或壓差倒置，造成機(jī)封失效，反應(yīng)釜中腐蝕性的物質(zhì)進(jìn)入到磁傳動(dòng)密封腔體的嚴(yán)重后果。為此開發(fā)新的便于操作、無需維護(hù)的保護(hù)裝置就成為亟待解決的課題。

1 氣氛控制的設(shè)想

按腐蝕機(jī)理，腐蝕分化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕。在化工裝備中，大部分腐蝕為電化學(xué)腐蝕。如果沒有電解質(zhì)溶液存在，如水汽、冷凝導(dǎo)電液體，就不可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

本人設(shè)想通過氣氛控制即人為的在磁傳動(dòng)腔體內(nèi)創(chuàng)造一種理想的小氣候，其滿足以下要求：溫度遠(yuǎn)低于磁以及軸承潤滑脂的耐受溫度；不存在過飽和氣體，無霧狀或露狀液體微粒。那么在這樣的氣候條件中，既不存在電化學(xué)腐蝕，又不存在磁性材料的高溫失磁、軸承潤滑脂的高溫流失、溶劑溶解流失及潤滑脂的因含水造成的乳化的可能。

為了檢驗(yàn)氣氛控制設(shè)想的可行性與正確性，進(jìn)行以下氣氛控制原理試驗(yàn)。

2 氣氛控制原理試驗(yàn)

2.1 氣氛控制原理試驗(yàn)裝置和方法

圖1 氣氛控制試驗(yàn)裝置簡圖

氣氛控制試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置中設(shè)置一個(gè)氣氛控制區(qū)3，下面設(shè)置一個(gè)模擬反應(yīng)釜物料上方區(qū)域9，此區(qū)域與控制區(qū)之間設(shè)計(jì)有冷卻水套10，緊貼冷卻水套的是冷凝回流管6。物料8里安裝電熱管7，中間有一根貫通3，9空間的軸5（模擬反應(yīng)釜里的攪拌軸）。另有通蒸汽的加熱套4、透明視窗1及溫濕傳感器2。

試驗(yàn)首先在容器里灌入水作為物料，在冷卻水套內(nèi)通冷卻水，在加熱套內(nèi)通熱蒸汽（模擬磁傳動(dòng)攪拌器的渦流熱）用于加熱氣氛控制區(qū)，提高其溫度；再把物料即水里的熱電管通電，使水沸騰。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從氣氛控制區(qū)上面的透明視窗觀察氣氛控制區(qū)的變化。當(dāng)作為物料的水保持沸騰時(shí)，在氣氛控制區(qū)里，看不到任何水蒸汽。只能聽到冷凝管里液體滴落的聲音。一旦冷卻水套停止通水，加熱套停止通蒸汽，從視窗可以立即看到氣氛控制區(qū)內(nèi)出現(xiàn)霧氣與蒸汽凝結(jié)的液滴。

如將物料由水換成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸溶液，仍然通冷卻水冷卻通蒸汽加熱，情況相似，在氣氛控制區(qū)里看不到任何蒸汽。一旦停止通冷卻水和蒸汽，則會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承及預(yù)先放在氣氛控制區(qū)里的剛加工出來的發(fā)亮工件，逐步失去光澤，顏色越來越深。說明軸承及工件都受到物料氫氟酸蒸汽的腐蝕了。

上述試驗(yàn)說明通過氣氛控制可以防止氣氛控制區(qū)結(jié)露，從而可以防止電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。這驗(yàn)證了氣氛控制防護(hù)原理的正確性及氣氛控制的可行性。

有此基礎(chǔ)，再結(jié)合磁傳動(dòng)攪拌器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了磁傳動(dòng)攪拌器氣氛控制裝置，并申請了專利。

3 磁傳動(dòng)攪拌器氣氛控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 氣氛控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣氛控制裝置由隔熱套、冷凝回流管及冷卻管組成。隔熱套主要用來隔離反應(yīng)釜的高溫。冷卻水套上開有雙螺旋冷卻水通道，冷卻水的進(jìn)出水口呈180°對(duì)稱分布。冷卻管在傳動(dòng)軸和冷凝回流管之間，因此它有冷卻傳動(dòng)軸同時(shí)又冷卻冷凝回流通道的雙重功效。冷凝回流管的冷凝回流通道為螺旋結(jié)構(gòu)，其下端與反應(yīng)釜空間相通，上端與磁傳動(dòng)腔體相通。

3.2 氣氛控制裝置工作原理

當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)物料發(fā)生反應(yīng)時(shí)，溫度不斷升高，壓力不斷增加。反應(yīng)釜液面上方的空間里充滿各種氣體，其中有參與反應(yīng)的原始物料氣體及空氣，還有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的新物料氣體。由于壓力增加，釜內(nèi)物料氣體上升，上升過程中經(jīng)過冷凝回流通道，由于外側(cè)冷卻水套中循環(huán)冷卻水的冷卻作用，使得冷凝回流管的溫度比反應(yīng)釜溫度低，部分物料氣體因過飽和在此冷凝回流到反應(yīng)釜。越往上，溫度越低，被冷凝的量越多。初始冷凝溫度以及以后的冷凝量與反應(yīng)釜內(nèi)的具體物料有關(guān)。對(duì)于反應(yīng)釜內(nèi)有些物料氣體，上升時(shí)降溫，也會(huì)由不飽和到過飽和，產(chǎn)生冷凝液。也有些物料氣體因?yàn)槠淅淠郎囟群艿驮诶淠亓魍ǖ览锸冀K不冷凝，如氫等。

冷凝回流通道的溫度從下到上是不斷下降的，接近上端與磁傳動(dòng)接口部分，溫度最低。

而磁傳動(dòng)的不銹鋼密封罩在內(nèi)外磁之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)外磁間的磁力線切割密封罩產(chǎn)生渦流熱[5,6]，渦流熱使磁傳動(dòng)腔體即氣氛控制區(qū)的溫度上升。從而出現(xiàn)溫度由低到高的轉(zhuǎn)折，越往上，溫度越高。

溫度最低點(diǎn)是物料氣體過飽和區(qū)與不飽和區(qū)的交界點(diǎn)。自此點(diǎn)往上，不可能再有新結(jié)液產(chǎn)生。

圖2 磁傳動(dòng)攪拌器氣氛控制裝置

由此可見，過飽和的物料氣體都已在冷凝回流通道內(nèi)冷凝回流，在氣氛控制區(qū)由于溫度比冷凝回流通道高，不可能出現(xiàn)過飽和物料氣體冷凝結(jié)露。因此，通過氣氛控制裝置能實(shí)現(xiàn)在磁傳動(dòng)腔體內(nèi)創(chuàng)造理想小氣候空間的目的。

3.3 防止在磁傳動(dòng)腔體冷凝

磁傳動(dòng)腔體內(nèi)沒有溫度因素引起結(jié)露，應(yīng)為無液區(qū)，但還要考慮壓力因素。在化學(xué)反應(yīng)過程中，即使不考慮空間氣體組份的變化，但壓力還會(huì)變化的。當(dāng)壓力增加時(shí)，原不飽和的氣氛在壓力增加時(shí)會(huì)變成過飽和，析出液相。

在一定壓力范圍內(nèi)，壓力越高，同種物質(zhì)的冷凝溫度越高，即物質(zhì)更易冷凝。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到渦流熱可以提高磁傳動(dòng)腔體的溫度，此溫度不致引起內(nèi)磁失磁，但高于物料氣體的冷凝溫度，不會(huì)導(dǎo)致物料氣體在磁傳動(dòng)腔體內(nèi)冷凝。

3.4 氣氛控制裝置實(shí)際應(yīng)用中的防護(hù)效果

帶氣氛控制裝置的磁傳動(dòng)攪拌器已應(yīng)用在寧波某公司實(shí)際生產(chǎn)中，該裝置很好地滿足了防護(hù)磁傳動(dòng)內(nèi)部免受腐蝕及軸承潤滑脂流失的要求，且操作簡單。

圖3左側(cè)為帶氣氛控制裝置的磁傳動(dòng)攪拌器中軸承，表面看不出有任何腐蝕；右側(cè)為未使用氣氛控制裝置的磁傳動(dòng)攪拌器中軸承，表面已明顯銹蝕，顏色暗黑。

帶氣氛控制裝置的磁傳動(dòng)攪拌器中軸承，潤滑脂流失甚少，大大延長了添加軸承潤滑脂的周期。

帶氣氛控制裝置的磁傳動(dòng)攪拌器中未發(fā)現(xiàn)內(nèi)磁高溫失磁現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）針對(duì)現(xiàn)有磁傳動(dòng)攪拌器解決內(nèi)泄漏問題存在的弊端，提出氣氛控制設(shè)想；

2）氣氛控制原理試驗(yàn)結(jié)果證明，氣氛控制設(shè)想的可行性與正確性；

3）根據(jù)氣氛控制原理，結(jié)合磁傳動(dòng)攪拌器設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的磁傳動(dòng)攪拌器氣氛控制裝置，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，防護(hù)效果好，操作簡單，無需維護(hù)，其對(duì)于化工攪拌技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

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