文献检索课程大作业

课题研究报告

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课题名称：搅拌反应釜用轴封优化设计及有限

元分析

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2011年09月01日

1、课题研究背景及意义

目前国内精细化工发展速度比较快，反应釜的应用已经普及化。为了使传热和传质加速、提高反应速度，获得最大的经济效益，经常在反应釜上配置机械搅拌浆，为了防止物料泄漏，机械搅拌浆需要轴封来解决密封问题。

而釜用轴封部件因其特有的工作条件主要受到以下因素影响：一、釜用机械密封大部分密封介质是气体而不是液体，故密封端面的工作条件比较苛刻，摩擦面处于干磨状态，端面磨损较大；二、反应釜大多为立式结构，转轴大而长，且一般无底轴承，故轴的摆动量较大，影响动环和静环的紧密结合；四、反应釜的工艺条件是变化的，所以在实际工作中，压力的大小、温度的高低变化等都应服从反应釜中介质工艺要求的需要。

正因为多种因素的综合作用，所以反应釜轴封较易损坏。而反应釜的轴封泄漏将导致进入设备检修作业的频次增加，增加了不安全的因素，也严重影响反应釜的使用寿命及生产装置的平稳运行，对于大型连续型搅拌反应釜影响就更为严重，由此造成的经济损失非常巨大。因此反应釜轴封技术的发展趋势的探索变得非常关键。

正是在这样的背景下，我们有必要对搅拌反应釜用轴封进行优化。而现今随着有限元分析技术的发展，其应用以广泛应用于国民经济建设的许多行业中。有限元技术的应用可以增加工程的可行性和装备产品的可靠性，在零件设计后就可以通过模拟发现问题，并进行设计优化，减少了试验经费，降低了产品开发的成本。因而，有必要将有限元分析技术应用到本次课题的研究。

2、文献检索范围及检索策略

（1）国内必查数据库

1 中国期刊网

输入检索词为：“轴封”并且“反应釜”并且“优化”检索结果为0，分析原因可能是检索词设定太严格，放宽检索要求重新检索。

输入检索词为：“轴封”并且“反应釜”

检索结果为13，发现检索结果中有7篇符合要求的文献：

由于上边的检索只涉及到课题一半的内容，所以需要继续检索没有涉及到的部分，再次输入检索词为：“轴封”并且“反应釜”并且“有限元”

发现检索结果中有1篇符合要求的文献：

2 万方数据库

阅读前边中国期刊网检索出来的相关文章的关键词及摘要，从中发现轴封与泄漏、失效密切相关，所以这次万方数据库检索侧重这方面检索。

输入检索词为：标题:泄漏,关键词：反应釜

除去与中国期刊网相同的文献，发现检索结果中有1篇符合要求的：

再次将检索词更改为：标题:密封失效,关键词：反应釜

发现检索结果中有1篇符合要求的文献：

3 google scholar检索

阅读前边中国期刊网检索到的文献的参考文献，在其中一篇名为“部分式机械密封结构有限元分析”得到一篇题为”完全剖分式釜用机械密封结构分析”的期刊文献，在google scholar输入该文献，发现其被引次数为3次

从中又发现一篇相关的文献：

同样的，阅读前边万方数据库检索到的文献的参考文献，在其中一篇名为“催化剂反应釜密封系统失效分析与改造”得到两篇题为”石油化工釜用机械密封的失效分析与对策”和“反应釜用机械密封设计”的期刊文献，在google scholar

输入该两篇文献，发现第一篇被引次数为11次，但没有发现一篇与本课题相关的文献；第二篇被引次数为3次

从中又发现一篇与课题相关的文献：

4 读秀

输入检索词为：“反应釜”并且“轴封”并且“优化”，条件设定为“期刊”

命中3条期刊信息。除去前边已经检索到的，其中有1篇与课题有参考价值的文献：

再次输入检索词为：“反应釜”并且“轴封”并且“有限元”，条件设定为“期刊”，命中1条期刊信息。但前边已经检索到，所以不再列出。

更改检索词为：“反应釜”并且“密封”并且“有限元”，条件设定为“期刊”

命中4条期刊信息。除去前边已经检索到的，其中有2篇与课题有参考价值的文献：

5国家知识产权局专利数据库

采用高级检索，在名称中输入“反应釜轴封”，检索结果为0；重新将名称更改为“轴封”，摘要处输入“反应釜”，但结果仍然为0；再次将名称更改为“密封”，摘要处输入“反应釜”

检索到16条发明专利，65条实用新型专利。其中发明专利均不符合要求，实用新型专利有以下几个符合要求：

（2）国外必查数据库

1 EI

输入检索词为：“Stirred tank reactor”and“seal”and“optimization”，search in 设置为其他保持默认，检索结果为0，分析原因可能是条件设置过于严格。

放宽检索范围，输入检索词为：“Stirred tank reactor”and“seal”，search in 设置为其他保持默认

共检索到6篇文献，经筛选只有一篇符合要求的：

变换检索词，输入检索词为：“reactor”and“shaft seal”and“failure”，search in 设置为，limit by 设置为，其他保持默认

共检索到8篇文献，发现多数均与核电问题相关，其中与课题相关的文献有：

2 web of science

输入检索词为：“Stirred tank reactor”and“shaft seal”and“failure”，检索范围均设置为“主题”，检索结果为0；后经过各种变换，发现只要设定“Stirred tank reactor”，不管怎么变换后边的检索词，结果都为0，说明关于“Stirred tank reactor”的文章不多，所以有必要先省去该关键词放宽范围检索。

再次输入检索词为：“shaft seal”and“failure”，检索范围均设置为“主题”

检索结果为23，经筛选符合要求的文献如下：

3 PQDT

由于不管怎么变换检索词，要么范围放宽则检索出很大量的无关文章，稍加限定范围检索结果就变为0，所以没有检索到相关文献。

4欧洲专利局数据库

首先选择数据库为“worldwide”，检索式及检索词如下所示：

检索命中2条相关信息，详细信息如下所示：

变换检索词，数据库仍然为“worldwide”，检索式及检索词如下所示：

检索命中1条相关信息，详细信息如下所示：

5 国家科技图书文献中心

输入检索词为：“reactor”and“shaft seal”and“failure”，或者输入检索词为：“reactor”and“shaft seal”and“leakage”，或输入检索词为：“reactor”and“shaft seal”and“optimization”，不管怎么设置“标题”还是“关键字”，结果一直都为0，说明限定太具体了，需要放宽检索条件。

重新检索，检索词及检索式如下：

结果只检索到相关的3篇科技报告：

变化检索词及检索法，重新检索：

结果只检索到相关的1篇会议文献：

3、国内外研究现状综述

搅拌反应釜用轴封优化设计及有限元分析

摘要：反应釜是石油化工等行业的重要设备，其旋转轴密封装置是反应釜乃至整个工艺流程可能发生故障最频繁的部位之一，一旦密封发生故障，将给整个工艺流程带来很大的麻烦。本课题以反应釜旋转轴密封为研究对象，介绍了常用轴封的密封原理、以及导致密封发生泄漏的一些常见原因，同时文章也陈述了目前国内外对反应釜轴密封的研究现状，最终课题定位为借助于有限元分析软件对气流和外流相结合的全封闭密封进行深入研究。

关键字：全封闭密封，泄漏，反应釜，优化，有限元

1.前言

在石油、化工、医药等行业中，各种搅拌反应釜的应用广泛，是其关键设备。由于反应工艺的需要，绝大多数搅拌反应釜都是在釜内有压力、温度(有些还是高温、高压)的工况下进行操作的，所以其密封是反应釜能否正常工作的关键所在[1]。一旦密封发生故障需要检修时，反应釜机械密封装置拆卸麻烦、维修周期长，会造成重大的设备财产损失[2]。国内外许多企业曾发生过搅拌反应釜轴封泄漏的事件。例如：上海高桥石化公司炼油厂1993年投产一聚甲基内烯酸装置的醋化反应釜，发现该密封的使用寿命很短，平均运行2个月就需要更换轴密封装置[3]。锦化化工(集团)有限责任公司4万t/a聚醚车间共有4台反应、中和釜，其中A系反应釜从1998年10月开始发生密封泄漏，使用国产密封但效果不理想，使用寿命短，最长时间4个月，最短只有3天[4]。此类泄漏事故的例子不胜枚举。

随着有限元技术的发展及其在石化行业的应用，该技术在节约成本、时间方面的作用已毋庸置疑。国内外的一些学者对反应釜密封环机械变形的数值计算做了许多工作，如：采用边界元法建立了机械密封变形计算模型；采用综合平衡方程、几何方程、物理方程和虚功方程建立了机械密封环轴对称有限元模型；建立了机械密封端面的机械变形方程，为深入进行泄漏量计算和密封结构改进奠定了理论基础[5-7]。因此，有必要将有限元分析应用到本课题的研究。

2.常用轴封的密封机理

填料密封的结构及工作原理。填料密封的结构是由底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等组成。在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间的

填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力。由于填料中含有润滑剂，因此，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到润滑，另一方而阻止设备内流体的溢出或外部流体渗入，达到密封的目的[8]。填料密封是转动设备上最早采用的一种旋转密封，在反应釜上得到广泛应用，填料密封的主要密封性能取决于填料材料性能的好坏。随着新材料的不断出现，填料结构形式也有很大变化。

机械密封的结构及工作原理。机械密封的结构由固定在轴上的动环及弹簧压紧装置、固定在设备上的静环以及辅助密封圈组成。当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从接触面上泄漏[8]。近年来，随着机械密封的发展和它特有的一系列优点，填料密封大有被机械密封取代的趋势。机械密封的密封性好、性能稳定、泄露量少、摩擦功耗少、使用周期长、对轴磨损很小，能够满足多种工况的要求，在化工、石油化工等部门已经得到广泛应用，但其结构复杂、制造精度高、价格较贵、维修不方便。

全封闭密封工作原理。全封闭密封有磁力搅拌密封、气流搅拌和外流体搅拌相结合的两种方式[9]。磁力搅拌密封的工作原理：套装在输入机械能转子上的外磁转子和套装在搅拌轴上的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离，靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭作用。气流搅拌的原理：利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌是比较弱的，尤其在高黏度的介质时效果更差，这就需要采取与外流体搅拌相结合的途径。外流体搅拌的原理：利用将反应釜内介质从下部抽出，流经外界动力设备(如机泵)加压后沿着筒体切线方向进入釜内，带压液体进入后将带动釜内的液体沿着切线方向旋转，从而达到搅拌的目的。搅拌的效果可由动力设备的流量、扬程的变化控制，使化工反应变成可控反应。

3.导致轴封发生泄漏的原因

通过查阅相关文献，发现轴封失效主要集中在以下几个方面：

1.釜用机械密封处于气相空间中(只有物料为满釜时才是液相)，易出现干运转，大气端密封面磨损严重[4]；

2.介质在釜内进行化学反应，其压力、温度和物料的形态等都随时间变化，在釜内的高温条件使用时，由于热传导的作用使其温度上升，引起摩擦面的液膜汽化，产生干运转，并促进腐蚀，加速辅助密封圈老化，致使密封性能在短期内

恶化[10]。

3.运转时由于物料阻力很大且不稳定，使得轴向力和径向力不平衡，引起搅拌轴的振摆，从而造成密封处有较大振摆。这会影响动、静环端面的贴合，导致泄漏[11]。

4.国内外轴封的优化进展

机械密封设计理论相对成熟，很多文献[12-14]对此都有详尽的论述，利用这些知识以及借助设计手册[15]可进行常规设计。填料密封是搅拌反应釜最开始使用的一种密封形式，但目前已经逐渐被机械密封所取代，现在在企业中使用最广泛的是机械密封。

釜用机械密封的一个最大特点是常常用于大直径的搅拌设备上，维修和更换难度极大，因此一些研究人员在降低维修难度上进行了研究，若实现机械密封的剖分结构设计，避免在每次的维修更换时拆装轴上的其它大型部件和紧固部件，将给生产带来很大便利并由此产生可观的经济效益。关于剖分式机械密封的研究设计己有相关报道。

邵嘉兴，姚黎明等[1]通过对单端面非平衡型多弹簧式机械密封改进静环座法兰和弹簧座，采用两瓣哈夫式将机械密封合为整体，封液通过法兰座进、出口通孔进入密封腔体并循环之，整套密封完全剖分。

张园，杨启明[2]对单端面非平衡型多弹簧式机械密封进行进一步的改进，他们将两端面设计成一窄一宽的结构，填充聚四氟乙烯为软材料、陶瓷为硬材料。密封圈中对于扣式密封圈:接口处采用扣式结构；插口式密封圈:接口处采用插口式结构，更进一步优化了剖分式轴机械密封。

针对诸如工作压力过低，密封圈的结构设计难于实现，密封环的半分断口生产工艺不稳定等不足之处，王洪群，虞培清[16]对此展开分析。他们做了如下改进：两个半分动环借助于半分动环座和半分动环座夹紧环的束缚而成圆，两个半分静环借助于半分静环压盖和半分静环压盖夹紧环的束缚而成圆；正常械密封的副密封O形圈被两个分别置于各自半分动环上的O形圈取代。按照上述密封设计对釜用机械密封进行完全剖分改进，与正常的机械密封相比，不仅具有可操作性，而目完全满足性能要求。

但上述弹簧旋转式机械密封仍未从根木上消除釜轴偏摆及泄漏问题，每次检修都要停工清理反应釜，影响了生产计划的顺利完成。为此，相关人员对弹簧旋转式机械密封做了进一步的改进：对原弹簧旋转式机封进行彻底改进，只保留原

机封静环座及箱体，采用性能优良的金属波纹管机封。波纹管动环组件用定位螺孔处的定位销钉固定，随轴一起运转。波纹管组件的动环端面紧压在静环端面上构成摩擦副起到密封作用。静环仍采用压环紧压在下箱体静环座上，靠摩擦力防转[17-18]。新波纹管机械密封自投用以来运行良好，可以实现反应釜长周期运行。

由于填料密封与机械密封都属于动密封，不可能从根本上解决泄漏的问题。国内外一些研究人员正试图将动密封转换成静密封，从根本上解决泄漏的问题。他们提出用磁力传动搅拌装置代替机械密封，具体结构原理为：外转子与减速机输出轴相连，内转子与上搅拌轴相连，隔离套将内、外转子完全隔开。内外转子上各带有永久磁铁，其间磁力线透过隔离套借助磁引力的作用来传递扭矩，即电机的输出扭矩通过外磁钢、内磁钢传递给上搅拌轴，通过联轴器带动下搅拌轴及搅拌器同步转动[19-21]。

国外的一些相关研究人员对于轴密封材料进行了深入的研究。查阅文献可以发现，他们将更多的注意力放在了对核反应用容器及机械泵轴封上面，这对于我们优化搅拌反应釜轴封是有很大借鉴意义的。多篇文献都提到在钻石涂层的基础上研究出一种新型的金刚石膜（UNCD），UNCD材料具有极端硬度(97帕)、低摩擦(0.1)和优秀的耐化学性。这种涂层可以大大提高旋转轴封的使用寿命,降低维修成本，减少密封摩擦能量损失[22-23]。

5.结论与展望

综上所述，目前国外更侧重于对核反应堆用反应容器的轴封及各种机械泵用轴封的研究，对搅拌反应釜用轴封的研究还是比较少的。而国内虽然对反应釜用轴封有了一定的研究，但很多只停留在机械密封的研究上，只是对机械密封装置不断改进，但不能从根本上解决反应釜搅拌轴泄漏的问题。而反应釜轴封正逐步向全封闭密封发展，但对全封闭密封的两种方式（磁力搅拌密封、气流搅拌和外流体搅拌相结合）研究还是比较少的，尤其是几乎找不到气流搅拌和外流体搅拌相结合这方面的资料。因此，进一步研究全封闭密封的相关装置结构以及建立对应的有限元分析模型是非常有重要意义的。

（1）研究全封闭密封（气流与外流相结合方式）如何将动密封转换成静密封，对于高温高压、反映介质苛刻的条件下，怎样能够提高反应釜搅拌轴的密封性能。

（2）进行有限元软件的数值模拟，通过有限元软件优化相关参数，提高课

题研究效率。