透平油濾油機(jī)脫水效率影響因素實(shí)驗(yàn)研究*

賴文佳， 張賢明， 李江華， 郭豫川， 董 玉

(重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)各種石油資源的需求量也在日益增長,所廢棄的潤滑油對(duì)環(huán)境的污染也日趨加劇[1]。潤滑油在使用過程中，由于各種原因會(huì)在其中產(chǎn)生固體雜質(zhì)、水分和氣體等污染物，使?jié)櫥推焚|(zhì)不斷惡化，增加運(yùn)動(dòng)摩擦、產(chǎn)生酸化、出現(xiàn)粘膠態(tài)物質(zhì)等，最終將會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行和使用壽命[2]。潤滑油污染將對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成嚴(yán)重危害，如對(duì)液壓系統(tǒng)而言，因油污染而形成的事故率高達(dá)82%，電氣及機(jī)械故障占18%[3]。污染后的潤滑油常常作為廢油被直接扔棄或當(dāng)成燃料焚燒，這不僅對(duì)能源造成極大浪費(fèi)，而且還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。根據(jù)潤滑油劣化機(jī)理分析，絕大部分“廢油”并不是真正報(bào)廢，對(duì)于其中污染程度嚴(yán)重的潤滑油，則需要通過如白土精制、無機(jī)膜技術(shù)、分子蒸餾、加氫精制等[4-6]再生工藝才能使其達(dá)到合格基礎(chǔ)油的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于污染程度較輕的潤滑油，通過一定的物理方法[7-9]如水擊諧波破乳、超聲波破乳、真空蒸發(fā)；化學(xué)方法、生物方法加以凈化就可以完全恢復(fù)功能[10]。對(duì)污染潤滑油如何進(jìn)行高效、低能耗凈化處理已成如今的研究熱點(diǎn)，而潤滑油含水量超標(biāo)問題則是其中的一個(gè)重要方面。透平油作為一種常見的潤滑油，由于在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注和使用過程中的種種原因使油液中混入水分，形成溶解水、乳化水、游離水成為污染油液。油液中的水分不僅會(huì)造成油液中添加劑損失降低油液潤滑能力還會(huì)與空氣作用加速鋼鐵運(yùn)動(dòng)部件腐蝕磨損。油液中的大量水分會(huì)與其中的添加劑作用形成乳化液使?jié)櫥г斐蓾櫥蛨?bào)廢[11]。物理凈化技術(shù)因具有低耗高效、無污染、后續(xù)處理容易等突出優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)應(yīng)用中占據(jù)越來越重要的地位，其中真空蒸發(fā)技術(shù)就已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。為了反映油液凈化技術(shù)效果優(yōu)劣，需要采取適當(dāng)?shù)臋z測(cè)技術(shù)加以驗(yàn)證。目前常用于檢測(cè)油液中水分的方法有蒸餾法、色譜法、卡爾-費(fèi)休法。蒸餾法雖然原理非常簡(jiǎn)單，但存在耗時(shí)長,環(huán)境影響嚴(yán)重,誤差較大等缺點(diǎn)。色譜法具有靈敏度高,抗干擾性強(qiáng)，耗時(shí)短等特點(diǎn)[12]，但由于操作復(fù)雜，設(shè)備昂貴使用較少?？?費(fèi)休法總體來說具有分析速度快,靈敏度高、準(zhǔn)確度好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油液水分含量檢測(cè)方面[13]。

1 真空濾油機(jī)脫水原理及影響因素分析

1.1 真空濾油機(jī)脫水原理

TY-II透平油專用真空濾油機(jī)的工作原理為：待處理透平油在真空吸力的作用下由儲(chǔ)油罐中吸出通過粗過濾器進(jìn)入加熱罐中加熱到設(shè)定溫度。已加熱到設(shè)定溫度的油液再經(jīng)精過濾器后由真空罐頂部的噴淋部件，噴淋成細(xì)小液滴，再降落到稍下的分離塔板上， 增大氣液兩相界面接觸面積，同時(shí)經(jīng)填充物阻擋, 延長液滴或液體薄層在空間中的停留時(shí)間，增加油中水蒸發(fā)的機(jī)會(huì)。因?yàn)橛偷娘柡驼羝麎哼h(yuǎn)低于水的飽和蒸汽壓，在低壓下油很少蒸發(fā)，而氣體和部分水就能很快蒸發(fā)分離出來，達(dá)到油水分離的效果。處理后的油液最后降落至真空罐的下部，再經(jīng)排油泵抽出進(jìn)入儲(chǔ)油罐或直接再進(jìn)入噴淋部件，進(jìn)行循環(huán)脫水。

1.2 影響真空濾油機(jī)脫水率因素分析

根據(jù)真空濾油機(jī)的工作原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知：油液在真空罐中分離塔板上形成的液滴越微小、液層越薄、油液在氣相空間中停留時(shí)間越長、氣液兩相接觸界面面積越大脫水效果越好。但由于TY-II型透平油專用濾油機(jī)已經(jīng)是工業(yè)產(chǎn)品，其內(nèi)部分離塔板的材質(zhì)和鋪設(shè)方式已經(jīng)確定不能變動(dòng)，所以不能從此方面提高脫水率。雖然TY-II型透平油專用濾油機(jī)不能改變結(jié)構(gòu)提高氣液兩相接觸界面面積，但是可以采取通入干燥空氣來增加氣核以擴(kuò)大兩相接觸界面面積并形成大量氣泡，通過氣泡上升將油液深部的水分子帶到液面，再由真空泵抽出，提高脫水率。也可以通過調(diào)節(jié)處理溫度改變同一飽和蒸汽壓所需的真空度從而改變脫水率。也可以通過調(diào)節(jié)真空度改變同一溫度下的飽和蒸汽壓從而改變脫水率。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和試劑

EV1000-4T0007G變頻器、TY-II透平油專用真空濾油機(jī)(重慶工商大學(xué)科技開發(fā)總公司生產(chǎn))、SK-9K06-II空氣壓縮機(jī)(AC220 V、50 Hz，功率：500 W，氣體流量：0.08 m3/min，氣壓：0.5～0.8 Mpa)、SYD-2122B型微量水分測(cè)定儀(典型測(cè)定范圍：10 μg～10 mg，最大滴定速度：2 mg/min，準(zhǔn)確度：10 μg～1 mg±3 μg)、KFR-CO2(庫倫電量法)卡爾·費(fèi)休試劑、汽輪機(jī)油、甲醇、蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用SYD-2122B型微量水分測(cè)定儀測(cè)定透平油初始含水量，然后按照比例加入一定量蒸餾水在儲(chǔ)油罐中攪拌5 h讓其充分混合，配制成一定含水率的油樣。配制好的油樣進(jìn)入TY-II透平油專用濾油機(jī)中處理，脫除水分，研究各種實(shí)驗(yàn)條件下脫水效率。

透平油含水量運(yùn)用SYD-2122B型微量水分測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。微水儀測(cè)水含量主要是根據(jù)卡爾·費(fèi)休試劑同水反應(yīng)消耗電量的多少來確定，其工作原理為

陽極：2I--2e→I2，陰極：I2+2e→2I-；2H++2e→H2↑

電極反應(yīng)式中碘與水的摩爾比為1∶1，因此1 mg水相當(dāng)于10.71庫侖電量。因此，可以由電解所需的電量直接確定油液中的水含量。在參數(shù)設(shè)定中設(shè)定反應(yīng)油樣體積為1 mL、密度為865 kg/m3后，微水儀上顯示的水含量μg單位即為ppm(百萬分之一)。每次向微量水分測(cè)定儀的滴定池中注入1 mL油樣，測(cè)定油液中水分含量。所以，微水儀測(cè)定的數(shù)值就是油液中水分含量。油液含水率為處理前油液含水量與處理后油液含水量之差比上油液處理前含水量的百分含量。所得含水率運(yùn)用origin軟件繪制相應(yīng)條件下的處理效果對(duì)比圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同溫度脫水效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

透平油各60 L，處理真空度設(shè)定為0.098 Mpa，通過調(diào)節(jié)加熱器使溫度設(shè)定為30、40、50、60、70、80 ℃，油液最初含水量分別實(shí)測(cè)為153.6、156.6、159.7、157.3、155.6、153.7 ppm。進(jìn)油3 min后關(guān)閉進(jìn)油閥門開啟真空罐下部攪拌泵對(duì)真空罐中油液進(jìn)行攪拌，使其混合均勻，此時(shí)在罐體底部取樣作為0 min時(shí)的含水量，運(yùn)行20 min每5 min取樣一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1看出，隨著溫度的升高、處理時(shí)間的延長，油液中水分的脫除率呈遞增趨勢(shì)與理論上溫度越高脫水率越好相符合。處理溫度在50 ℃以下時(shí)，油液脫水率上升趨勢(shì)較平緩，當(dāng)處理溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，油液整個(gè)處理時(shí)間段脫水率明顯升高，處理20 min后脫水率超過90%。雖然理論上處理溫度越高脫水率越好，但是過高的溫度可能使油液達(dá)到沸點(diǎn)、閃點(diǎn)甚至燃點(diǎn)，影響真空濾油機(jī)的正常運(yùn)行，還會(huì)使油液發(fā)生劣化變質(zhì)，甚至報(bào)廢。自由水和乳化水是真空濾油機(jī)的主要脫除目標(biāo)，溫度越高，自由水的脫除效率也就越好，但在即定真空度條件下，達(dá)到較高油液溫度以后，溫度的進(jìn)一步升高并不能顯著提高脫水率，溫度越高能耗也越大。一般油液處理溫度控制在60 ℃左右為宜。

3.2 不同真空度脫水效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

透平油各60 L，處理溫度設(shè)定為60 ℃，真空度通過變頻器調(diào)節(jié)為0.098、0.090、0.080、0.070、0.060 Mpa，油液最初含水量分別實(shí)測(cè)為157.3、164.1、157.2、160.3、164.0 ppm。進(jìn)油3 min后關(guān)閉進(jìn)油閥門開啟真空罐下部攪拌泵對(duì)真空罐中油液進(jìn)行攪拌，使其混合均勻，此時(shí)在罐體底部取樣作為0 min時(shí)的含水量，運(yùn)行20 min每5 min取樣一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖1 不同溫度脫水率對(duì)比

圖2 不同真空度脫水率對(duì)比

由圖2看出, 隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，油液脫水率逐漸增高。但是，脫水時(shí)間愈長，能耗也愈大。隨著真空度的增加，油液脫水率逐漸增高。真空度在0.070、0.060 Mpa時(shí)，脫水率較接近，都比較低，平均脫水率在60%左右。當(dāng)真空度達(dá)到0.080 Mpa時(shí)，脫水率明顯增高，在0.098 Mpa時(shí)達(dá)到最大。由此可知在高真空條件下脫水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低真空狀態(tài)，真空度對(duì)脫水效率影響顯著。那是因?yàn)殡S著真空度的增加，水分達(dá)到飽和蒸氣壓的溫度要求就越低，在相同溫度條件下水分的蒸發(fā)量越大，從而顯著提高脫水效率。

3.3 不同通氣情況脫水效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

透平油各60 L，處理溫度設(shè)定為60 ℃，在真空罐的上、中、下3個(gè)部位通入干燥空氣調(diào)節(jié)真空度為0.090、0.080、0.070、0.060 Mpa，通氣量的大小分別為19、29、37、45，油液最初含水量分別實(shí)測(cè)為175.9、215.6、163.4、183.7；195.8、168.4、161.9、187.0；165.9、164.4、193.5、184.7 ppm。進(jìn)油3 min后關(guān)閉進(jìn)油閥門開啟真空罐下部攪拌泵對(duì)真空罐中油液進(jìn)行攪拌，使其混合均勻，此時(shí)在罐體底部取樣作為0 min時(shí)的含水量，運(yùn)行20 min每5 min鐘取樣一次。同一真空度不同通氣位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，圖中L、M、H、N分別表示下部通氣、中部通氣、上部通氣、未通氣。

圖3 不同通氣情況脫水率對(duì)比

由圖3可以看出，隨著處理時(shí)間的延長，油液脫水率逐漸增高。同一真空度條件下沒有通入干燥空氣的脫水率明顯比通入干燥空氣的低。并且出現(xiàn)了上部通氣、中部通氣、下部通氣脫水率逐漸上升的趨勢(shì)。雖然在真空度為0.090 Mpa處理時(shí)間為5 min左右時(shí)沒有通入干燥空氣的脫水率高于上部通氣的脫水率，但整體趨勢(shì)還是上部通氣脫水率較高。在真空度為0.080 Mpa的條件下，個(gè)別時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)了脫水率變化波動(dòng)，但整體趨勢(shì)還是未通氣、上部通氣、中部通氣、下部通氣脫水率逐漸升高。在真空度為0.070 Mpa的條件下這一變化趨勢(shì)更加明顯。在真空度為0.060 Mpa的條件下，上部通氣的初始脫水率高于中部通氣的初始脫水率，但是隨著處理時(shí)間的延長，中部通氣位置的脫水率明顯高于上部通氣。在這種狀態(tài)下，未通氣的脫水率高于上部通氣的脫水率。這是因?yàn)闉榱司S持較低真空度必須提高通氣流量，氣體流量達(dá)到45 L/min。在這種大量通氣的條件下，將使通氣位置到真空罐上部出氣位置之間形成高壓環(huán)境，不利于真空罐下部油液中水蒸汽的逸出降低脫水率，使得上部通氣條件下脫水率低于未通氣條件。由于中部通氣和下部通氣這兩個(gè)位置已經(jīng)與真空罐中油液相接觸，所以不存在因通氣量的劇增而形成高壓環(huán)境的情況，因此其脫水率高于未通氣條件。從圖3中還可得知，隨著通氣量的加大，脫水率整體上出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。綜上可以得出在真空度為0.090 Mpa、下部通氣條件時(shí)處理效果最佳。

4 結(jié) 論

通過對(duì)影響真空濾油機(jī)脫水效率的因素：運(yùn)行時(shí)間、溫度、真空度、通氣量、通氣位置的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，得出隨著處理時(shí)間的延長濾油機(jī)的脫水效率增高，隨著溫度的升高，濾油機(jī)的脫水效率逐漸增大，但在保證油液品質(zhì)的情況下，得出最佳處理溫度為60 ℃。當(dāng)設(shè)定處理溫度為60 ℃時(shí)，隨著真空度的升高，油液脫水率呈遞增趨勢(shì)，高真空條件下的脫水率遠(yuǎn)高于低真空條件下的脫水率。在通入干燥空氣的條件下，則有未通氣、上部通氣、中部通氣、下部通氣脫水率依次升高的規(guī)律。得出在真空度為0.09 0Mpa、下部通氣條件時(shí)處理效果最佳結(jié)論。

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