氯甲烷壓縮機的密封結構及進排氣緩沖罐設計探析

摘?要：L型壓縮機具有占地面積小，生產制造成本低等特點。文章結合L型氯甲烷壓縮機項目，闡述了L型無潤滑氯甲烷氣壓縮機的密封結構及進排氣緩沖罐設計要點，以期為類似壓縮機項目的開發提供參考。

關鍵詞：氯甲烷壓縮機;密封結構;排氣緩沖罐;設計方法

一、 引言

氯甲烷是一種應用率比較高的化學品，高溫和強光容易發生分解，影響產品屬性，且具有易燃易爆和有毒性，所以在運輸和儲存氯甲烷時，一般要求將其加壓液化處理，然后存于密封性鋼瓶中，這需要借助氯甲烷壓縮機設備進行處理。如何保證密封結構防止泄漏，并配置大容量的進排氣緩沖罐是氯甲烷壓縮機設計的重難點。文章結合L型無潤滑氯甲烷氣壓縮機設計項目，重點分析了壓縮機復合充氣密封結構的設計要點。

二、 項目概況

為滿足市場對小氣量、功率的工藝壓縮機的需求，公司開發L型系列工藝氣壓縮機，筆者于2016年11月至2017年4月負責L型氯甲烷壓縮機項目的設計、制造等全面的統籌管理工作。本項目針對氯甲烷易燃有毒介質設計，采用新工藝，特殊材料，延長使用壽命。通過特殊防漏裝置設計，防止氣體泄漏對人體和環境造成的傷害。

傳統設計模式下，L型壓縮機也存在一定的設計通病，比如密封性不夠嚴謹，仍然存在液化物質泄漏現象、潤滑油容易串入氣缸內部，以及儲罐內壁刮油等，本次設計主要針對這些問題進行了優化。此外，本次項目中通過配置大容量進排氣緩沖罐，防止罐內出現氣流脈動，避免壓縮機管路振動，從而有效延長壓縮機氣閥的使用壽命。

三、 氯甲烷壓縮機主要部件設計

本次項目中所要求的L型壓縮機是一種全新機型，相關的設計案例比較少，設計難度較高，經過與業主多次對接交流，了解其具體需求之后，又對市場現有的幾種壓縮機結構類型進行了全面研究，然后通過對用戶參數和氣體介質的綜合分析，最終基礎件設計采用了559形式，密封部分采用為雙中、雙作用結構設計。

（一）填料密封結構設計

氯甲烷的危險性除了屬于一種有毒性化學物質以外，其分子活躍性也比較高，與空氣混合容易發生爆炸，爆炸極限高達8.2～19.7%;并容易與鎂、鋁、鋅等合金物質發生“格氏反應”。在水分存在下加熱在100℃以上，會緩慢水解生成甲醇和氯化氫。潮濕環境下會腐蝕鋅、鎂，經氯化鋁的催化，氯甲烷與鋁會發生激烈的爆炸反應。因此，氯甲烷場所的濃度是有嚴格要求的，一般不允許超過50ppm，以防止其發生泄漏事件。壓縮機密封結構設計是控制其內部物質濃度的主要手段，其中氣缸、活塞桿和填料都是密封結構不可缺少的組成部分，最簡單的壓縮機密封結構就是由以上三部分組成的，密封時通過填料抱緊活塞桿，以阻止壓縮機內部介質的向外泄露。單集氣室壓縮機填料密封結構設計是在此基礎上再增加單個中體構件、集氣室以及配套氣體引出管，氣缸內的高壓氣體沿活塞桿通過填料后，泄露的氣體則可以被集氣室吸收并通過引出管引出，未被引出的氣體被中體結構回收。該種結構設計可能會吸入空氣，密封效果一般，適用于無毒、不燃不爆的工藝氣體。雙集氣室壓縮機填料密封結構是在單集氣室壓縮機填料密封結構的基礎上增加了一個集氣室和引出口，形成雙集氣室，填料也相應分成了前填料和后填料，其使得前填料密封作用后泄露的氣體能夠以此再被第一集氣室以及第二集氣室收集并引出，然后再由后填料雙重封堵，密封性相對較強。

其結構如圖1所示。

由于氯甲烷氣體屬性特殊，以上三種密封結構設計都無法有效滿足其密封要求，因此，本次設計在雙集氣室壓縮機填料密封結構的基礎上進行了改良和完善。

根據氯甲烷氣體壓縮過程進排氣溫度比普通氣體低的特征，本次設計調整了填料間隙，有效降低了氯甲烷氣體在高壓氣缸中流動經過填料時的泄漏量。與此同時，考慮到氯甲烷的腐蝕特性，所以設計中還取消了常規的填料水冷卻方式，并將密封圈結構采改為三六瓣剖分式，使用加厚碳纖維為主要材料，提高了密封圈的抗腐蝕能力。本次設計中針對集氣室的材質做出了改良，采用了不銹鋼氣體引管，有效減少了泄漏氣體殘留量，降低了壓縮機內部氣壓。在集氣室與填料式之間，本次設計還增加了充氮室，直接通過填料充氮口，向充氮室內填充足夠的正壓力氮氣或者氣體類似的不會與壓縮介質產生物理或化學反應的氣體，利用該類氣體的正壓力阻隔作用，實現壓縮機的雙向封堵作用，一方面，防止壓縮氣體向外泄漏，另一方面，則防止外部空氣等雜質進入壓縮機。剩余微量氯甲烷和氮氣混合氣體，則會繼續沿著活塞桿流動到第二集氣室和充氮室被收納。相比較于第一集氣室而言，第二集氣室的空間設計更大，當氯甲烷和氮氣混合氣體進入之后會迅速膨脹，原先的氣體壓力被釋放減低，最終氣壓值基本上保持比大氣壓力略高的狀態，此時只需要再通過利用第二引氣口將混合氣體引走即可。第四，考慮到氣體壓縮流動過程中仍然有可能會存在極少量泄漏氣體混入填料和活塞桿間隙的問題，本次設計中還在中體刮油環部位設置了一道充氮裝置，該充氮結構主要通過中體充氮口將正壓氮氣輸送至第二充氮室內。然后再由中體引氣口收集引走。此結構設計實現了氯甲烷壓縮的全過程氣體隔絕，杜絕了氯甲烷接觸空氣的各種可能性，同時阻斷了氯甲烷氣體向外泄露的各個路徑，具有很強的環保性。此外，這種充氮結構可以有效避免氯甲烷氣體進入曲軸箱，這樣就不會對箱內的潤滑油造成污染，也就不會破壞潤滑油屬性，有助于維持壓縮機更長久地運行;與此同時，本次設計還對中體結構進行了適當加長，這樣就可以避免進入填料的活塞部分和進入刮油環的結構二者之間出現交叉，減少結構運行沖突，以確保壓縮機的穩定運行狀態。具體的設計圖如圖2所示。

（二）緩沖罐設計

因為本次氯甲烷壓縮機設計項目對進排氣的容量要求較高，瞬時氣壓的增加容易對氣閥造成損壞，所以項目設計中配置了大容量的進排氣緩沖罐，該裝置的作用主要是可以防止壓縮機運行時氣流脈動，從而降低壓縮機管路振動頻率，減少設備磨損，延長氣閥結構等的使用壽命，從而提高壓縮機整體性能質量。緩沖容積計算按照API618-2007?3.9.2.2.2的規范執行，具體計算公式如下：

其中Vs代表最小進氣緩沖容積;Vd代表最小排氣緩沖容積;K代表介質在平均壓力和溫度時的等熵壓縮指數;Ts代表絕對吸入溫度，K和M代表分子量;PD代表與緩沖容積相連的壓縮機氣缸的排出總凈容積，m3/r;R則代表氣缸法蘭處級壓力比。通過計算，需保證項目最小進氣緩沖容積不低于0.028m3，最小排氣緩沖容積不低于0.028m3。經測試，項目壓縮機氣流脈動和管路振動現象都得以改善，此緩沖罐設計起到了良好的進排氣緩沖作用。

四、 ?結語

綜上所述，項目氯甲烷壓縮機采用雙作用、雙中體密封結構設計，對雙集氣室壓縮機填料密封結構進行了優化，通過集氣室和充氮室結構把絕大部分泄漏氣體引走和阻隔在第一充氮室之前，通過第二集氣室收集及引氣，進一步避免了被壓縮氣體泄漏現象的產生，于中體刮油環上設置充氮結構，把中體內的氣體徹底與大氣隔絕;此外，項目配置大容量的進排氣緩沖罐，防止氣流脈動，壓縮機管路振動，實現了復合充氣密封功能。項目不僅將壓縮介質存在污染的問題徹底解決，而且還消除了介質向外泄露以及外界空氣、水等雜質進入壓縮機內部的安全隱患，使得氯甲烷壓縮機的安全性能得到大大提升，具有很強的市場競爭優勢，未來應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]明岳.基于氣流動力學分析的緩沖罐優化設計及實驗研究[D].北京：北京化工大學，2017.

[2]李洪深.成套設備中各類緩沖罐的容積校核[J].工程建設與設計，2016（17）.

作者簡介：常愛華，南京順風壓縮機有限公司。