真空耙式干燥器机械密封的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)成都一通密封有限公司 作者:朱军

  对真空耙式干燥工艺及设备特点进行分析,以轴径为320 mm 的某型号真空耙式干燥器为例,设计其密封结构,探讨其冲洗方案及摩擦副、辅助密封和结构件的选材。模拟实际工况对设计的样机进行的运转试验,结果表明该密封结构密封效果良好。

  在制药、食品、农产品加工等行业中,常常需要将湿基物料中的湿分除去,以便于运输、贮藏或达到生产规定的含湿率要求。向固体物料供热以汽化其中湿分的操作称为干燥。干燥作业通常在大气压下进行,但当物料具有热敏性、易氧化性或湿分是有机溶剂( 其蒸汽与空气混合具有一定爆炸危险) 时,一般采用真空干燥,真空耙式干燥器便是其中使用较广泛的设备之一。真空耙式干燥器的轴封装置长期以来基本依赖进口,存在价格高、交货周期长等问题,一旦发生故障,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为将直接影响正常生产。

  本文作者以轴径为320mm 的某型号真空耙式干燥器为例,探讨其密封结构的设计。

1、真空干燥工艺及设备分析

  干燥工艺一般对产品质量要求严格,且设备容量较大、一次性投料较多,若密封不可靠,易对物料造成污染,造成巨大损失。因此,干燥工艺中往往需考虑以下几点:

  (1) 温度的升高可能会引起物料的降解或氧化;

  (2) 工艺过程中应保证异物不得进入产品;

  (3) 设备中不得积存物料或其他杂质;

  (4) 设备内壁应光滑,不能存在锐角、丝网或多孔结构,以利于彻底清洗和消毒。

  如图1 所示为典型的真空耙式干燥器工艺流程,其主要组成部分包含干燥器、抽真空系统、加热和捕集设备。

典型的真空耙式干燥器工艺流程

图1 典型的真空耙式干燥器工艺流程

  真空耙式干燥器的主要特点如下:

  (1) 用蒸汽夹套间接加热物料,并在高真空下排出气体,因此特别适应于不耐高温、在高温下易氧化或干燥时易产生粉末的物料;

  (2) 操作真空度较高,绝对压力一般在8 ~50kPa 范围内;

  (3) 低转速( 4 ~10 r/min) 正反转,主轴上的耙齿组不断将物料拨动移向两侧或中央,物料被不断翻动并加热,其中湿分不断蒸发并从真空泵出口处放空,使物料逐渐变干;

  (4) 操作不连续,间歇加料和出料;

  (5) 主轴“长径比”较大,在加热升温过程中,其轴向热膨胀量较大;

  (6) 制造精度较差,特别是转子与定子的同心度难以保证。

2、真空耙式干燥器密封设计

  2.1、结构设计

  结合以上对真空干燥工艺特点的分析,密封结构设计主要从以下几个方面考虑:

  (1) 对产品质量要求较严格,宜采用带压双端面密封,保证工艺介质实现“零泄漏”;

  (2) 低转速、正反转,有一定的振动和冲击,且由于主轴与腔体同心度较差引起密封腔安装表面与轴线的垂直度较差,宜采用静止补偿元件;

  (3) 操作真空度较高,宜采用防止密封元件发生轴向位移的限位结构,并适当增大弹簧比压;

  (4) 应避免在外压作用下,辅助密封元件发生不规则变形;

  (5) 为保证彻底清洗、消毒,凡与介质接触的部件应尽量避免尖角、狭缝;

  (6) 应充分考虑因为热膨胀引起主轴自由端产生较大的轴向窜动量;

  (7) 由于产品尺寸和质量较大,应充分考虑零件的加工难度,并尽量简化零件结构。综合以上要求,所设计的机械密封结构简图如图2 所示。

  该结构设计的特点为:

  (1) 介质侧机械密封采用静止式结构,不仅能够最大限度地避免尖角和狭缝,还能有效防止密封元件产生轴向位移;

  (2) 大气侧机械密封在保证密封性能的前提下,采用补偿性能更好的旋转式结构,可有效降低加工难度,保证制造和装配精度;

  (3) 机械密封需承受一定的轴向力,采用结构简单的紧定螺钉驱动环传动,保证可靠传动的同时简化零件结构;

  (4) 摩擦副有足够的强度,能有效防止主轴反向时的机械冲击对零件造成破坏;

  (5) 密封液“下进上出”,且开孔尽量靠近密封端面,能有效保证前后两级机械密封端面均能得到良好的润滑和冷却,为主密封的长周期稳定运行创造条件。

空耙式干燥器机械密封结构简图

图2 真空耙式干燥器机械密封结构简图

  2.2、冲洗方案

  为保证机械密封的长期可靠运行,实现介质“零泄漏”,采用Plan53A 冲洗方案:

  (1) 以常温蒸馏水作为密封液,即使有微量蒸馏水向设备内泄漏,也不会对生产工艺和产品质量造成影响;

  (2) 依靠密封液系统一定的液位差维持密封腔体内稳定地略高于常压的压力;

  (3) 依靠密封端面发热产生“虹吸现象”促使密封液循环。

  2.3、选材

  (1) 摩擦副: 由于石墨类材料磨损后产生的颗粒杂质进入设备内部易对工艺介质造成污染,因此,在食品、药品等行业中往往避免或减少使用; 而硬质合金类材料不仅价格较高,而且质量较大,给加工与装配均带来不便。因此,设计选用SiC 作为摩擦副材料,其硬度高、质量轻,且具有一定的自润滑性,能改善机械密封运行时的端面润滑情况。

  (2) 辅助密封: 真空对橡胶的作用与腐蚀作用相似,橡胶组分中的许多易挥发配合剂在真空中会升华,导致物理和力学性能及抗老化、耐温、耐介质作用能力均有一定程度的下降。因此,设计选用氟橡胶作为辅助密封圈,因其具有较好的真空性能,在高温、高真空下具有极小的透气率和升华值,可保证长期稳定运行。

  (3) 结构件: 结构件需具有一定的耐介质腐蚀性能及较小的热膨胀系数。因此,设计选用铬钢作为结构件,因其具有良好的耐腐蚀性能及较小的的线胀系数( 20 ~ 100 ℃内为1. 12 × 10 - 6℃ - 1 ) 。

3、样机试验

  按上述设计思路,生产了一套轴径为320 mm 的样机。

  目前,我国尚无专门针对此类设备轴封装置的技术标准,而该类设备的“低转速、低压力、大容积”特点与反应釜类设备相似。因此,参照HG/T2269-2003 《釜用机械密封技术条件》和HG/T 2099-2003《釜用机械密封试验规范》等相关标准要求,模拟实际工况对样机进行了共计125 h 的运转试验,达到了零泄漏的理想效果。

4、结束语

  通过对真空干燥工艺及设备特点的分析,设计真空耙式干燥器的密封结构,并生产了一套轴径为320mm 的样机。试验结果表明,该密封结构密封效果良好。该密封结构的研制成功,为同类产品的设计探索出了一种可行的设计思路,同时为打破国外产品对该领域的垄断奠定了技术基础。目前,该密封结构已申报实用新型专利,同时面向市场进行推广。

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