導熱油氧化安定性評價方法中存在的問題及改進

司榮，王驕凌

(中國鍋爐水處理協(xié)會 ,北京 100013)

導熱油氧化安定性評價方法中存在的問題及改進

司榮，王驕凌

(中國鍋爐水處理協(xié)會 ,北京 100013)

現(xiàn)有導熱油氧化安定性評價方法存在許多問題，如控溫方式、試驗環(huán)境及樣品擺放位置等以上試驗條件對評價結果影響較大，同時試驗過程中產(chǎn)生的油蒸汽對試驗環(huán)境污染較為嚴重，不利于實驗人員的職業(yè)安全健康。通過采用密封式樣品杯、樣品溫度監(jiān)測及氣流控制等方式對現(xiàn)有方法及設備進行改造，能較好地評價導熱油氧化安定性同時極大地改善試驗環(huán)境。

導熱油；氧化安定性；空氣分布器

0 引言

導熱油是作為傳熱介質(zhì)使用的一類油品的統(tǒng)稱，又稱為有機熱載體、熱傳導液。它既可做加熱介質(zhì)，又可以做冷卻介質(zhì)，因具有傳熱均勻、操作簡單、低的蒸汽壓和比熱等優(yōu)點，在化學化工、石油化工、化纖、紡織、輕工、建材、冶金、糧油食品加工等行業(yè)的多種加熱系統(tǒng)中獲得廣泛應用。

導熱油傳熱系統(tǒng)可分為開式傳熱系統(tǒng)和閉式傳熱系統(tǒng)，開式傳熱系統(tǒng)為膨脹罐與大氣相通的傳熱系統(tǒng)。閉式傳熱系統(tǒng)為膨脹罐與大氣隔離的傳熱系統(tǒng)。目前我國在用的導熱油系統(tǒng)絕大多數(shù)為開式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)膨脹槽內(nèi)導熱油與空氣直接接觸，發(fā)生緩慢的氧化，同時帶有間歇式操作的導熱油系統(tǒng)，頻繁的開停機，膨脹槽溫度波動較大，呼吸作用明顯更易發(fā)生氧化，導致導熱油極易發(fā)生氧化變質(zhì)。

目前針對導熱油氧化安定性的研究較少，較為成熟的方法為潤滑油氧化安定性的相關評價方法，主要有內(nèi)燃機油、變壓器油等氧化安定性的評價[1-11]以及采用相關熱分析方法[12-13]、紅外法[14-15]對潤滑油氧化安定性進行評價。由于使用環(huán)境的不同，目前導熱油氧化安定性的評價采用GB 23971-2009《有機熱載體》附錄C《有機熱載體氧化安定性試驗法》進行，該方法的主要目的在于模擬使用過程中導熱油加熱系統(tǒng)膨脹槽中導熱油的環(huán)境。在試驗過程中筆者對該方法存在的問題進行了分析。

1 試驗部分

1.1儀器設備

AKLY-1B自然對流高溫實驗箱，大連連信儀器設備制造有限公司；RTD溫度檢測器，OMEGA；905型全自動電位滴定儀，瑞士萬通；OSY-105黏度測定器，大連石油儀器有限公司。

1.2試驗內(nèi)容

用砂紙打磨長76 mm直徑6.25 mm的T10A號鋼棒至表面光滑，用丙酮清洗后晾干，放入乘有180 g樣品的敞口燒杯中。將裝有試樣和鋼棒的燒杯放入試驗箱中，開始加熱，恒溫鋁浴溫度設定175 ℃，關閉恒溫箱的門，加熱時間為72 h。 加熱完成后用樣品加熱前后酸值的增加、黏度增長及產(chǎn)生的沉渣量評價導熱油氧化安定性。標準規(guī)定黏度增長(40 ℃)不大于40%，酸值增加不大于0.8 mgKOH/g，沉渣不大于50 mg/100 g。

2 結果與討論

2.1控溫方式

該方法所用溫度測量及控制熱電偶位于加熱鋁浴中心位置，其測量溫度為鋁浴溫度，盛有樣品的敞口杯置于加熱鋁浴預留孔內(nèi)，如圖1，鋁浴溫度到達設定溫度時，盛在樣品杯中的樣品由于傳熱，尚未達到設定溫度，故加熱時間實際為鋁浴時間，樣品本身到達設定溫度的時間儀器無法準確測得。

圖1 鋁浴構造圖

對不同的設定溫度，儀器顯示到達設定溫度后，采用測溫儀測量樣品溫度及到達設定溫度時間，測定結果見表1。

表1 加熱鋁浴及樣品到溫用時

由表1可見，樣品到溫時間較鋁浴到溫時間有不同程度的延后，原因為金屬傳熱較快，油樣傳熱較慢。由于自然對流高溫試驗箱加熱時試驗箱門密閉，無法長時間采用測溫儀監(jiān)測油溫，因此，該實驗裝置需增加油溫測定功能，以記錄樣品溫度。

2.2氣體流量控制方式

該方法為模擬膨脹槽的使用環(huán)境，自然對流條件下樣品的抗氧化的能力，但作為有導熱油氧化安定性評價標準，沒有明確規(guī)定自然對流條件，如空氣、氧氣流速等，導致試驗環(huán)境通風狀況對實驗結果產(chǎn)生很大的干擾?；瘜W實驗室都安裝有通風設備，以便即時排出試驗過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體，在氧化安定性測試試驗過程中，通風設備是否開啟對結果也有較大的影響，見表2。

表2 實驗室通風狀況對測定結果的影響

由以上數(shù)據(jù)可見，不開通風時氧化后酸值黏度變化較小，打開實驗室通風，氧化后酸值黏度變化較大，同時打開通風后通風量的大小不同；也對氧化結果有差異。實驗過程中，若實驗室無通風，試驗加熱過程中產(chǎn)生的油蒸汽不能即時排出，加熱產(chǎn)生的油蒸汽散布于室內(nèi)，污染嚴重，不利于實驗環(huán)境安全及實驗人員的健康。若打開試驗室通風設備，能較好地帶走產(chǎn)生的油蒸汽，但由于無法準確控制系統(tǒng)的通風量，導致與加熱油面接觸的空氣流量不同，對結果產(chǎn)生較大的影響。

2.3樣品位置(見圖2)

圖2 樣品位置圖

自然對流高溫試驗箱內(nèi)加熱部分為圓形加熱鋁浴，如圖2，可同時進行6個樣品的試驗，試驗箱設有通風口，通風口為直徑30 mm圓形孔，位于設備背部。加熱時，位于通風口附近的樣品由于氧氣充分，氧化程度較其他孔位深，數(shù)值偏高。同一樣品同一試驗箱內(nèi)結果重復性差。樣品位置對試驗結果的影響見表3。

表3 樣品位置對試驗結果的影響

由以上數(shù)據(jù)可看出3、4號位置由于靠近通風口氧化程度較其他孔位樣品深，加熱后黏度及酸值變化較大。

2.4該方法存在的其他問題

2.4.1 樣品用量大

該方法一次測試用油為180 g，為防止偶然誤差，試驗通常采取兩組平行實驗，兩次用油共360 g。在加熱完成之后，測定加熱后酸值以及黏度評價，用油量僅需80 g左右。

2.4.2 沉渣測定方式

標準要求，加熱后的樣品采用G3型耐酸砂芯漏斗過濾，砂芯漏斗的砂芯濾板由燒結玻璃料制成，可以過濾酸液或用酸類處理，也叫耐酸漏斗。根據(jù)其孔徑大小，砂芯濾板可分成G1～G6六種規(guī)格。G3型為孔徑 4.5～9 μm 用于濾除細沉淀、過濾水銀。氧化安定性試驗過程中絕大多數(shù)加熱后的樣品，會產(chǎn)生不同程度的深色膠質(zhì)、瀝青質(zhì)狀物質(zhì)，這類物質(zhì)會堵塞濾孔，濾孔堵塞后，難以進行后續(xù)過濾，且用過的G3漏斗難清洗，用鉻酸洗液浸泡12 h后，仍無法洗凈，已不能用于二次過濾。

2.4.3 油蒸汽處理方式

該裝置為將盛裝樣品的敞口燒杯，放入實驗箱中，在175 ℃下加熱72 h，加熱過程中樣品中輕組分有不同程度的揮發(fā)，對輕組分較多的產(chǎn)品其揮發(fā)量能達未加熱樣品質(zhì)量的一半之多。揮發(fā)的油蒸汽或黏附于試驗箱加熱內(nèi)壁或揮發(fā)出試驗箱外，對試驗設備和環(huán)境污染嚴重。

3 儀器改進

針對目前導熱油氧化安定性測試中存在的問題，借鑒部分潤滑油氧化安定性的評價方法，對氧化安定性測試儀進行改進。

3.1樣品池

由原敞開式樣品燒杯改為密閉式，將杯口密封，同時杯口預留溫度傳感器連接口及進氣口、出氣口，同時進氣口尾部連接有空氣分布器，如圖3，其中空氣分布器上均勻地分布有細微的氣孔，氣孔的直徑約1 mm，用于氣體在樣品內(nèi)部的均勻擴散。在出氣管2之后，連接一個冷凝系統(tǒng)，用以收集從出氣管中帶出的油蒸汽，減少油蒸汽的對外排放。

1:進氣口；2:出氣口；3:樣品池蓋；4:磨砂連接口；5:溫度傳感器探測管；6:樣品池；7:空氣分布器

圖3樣品池

采用圖3樣品池，由于溫度探測點位于實際待測的油品中，真實反映了油品在實際測定溫度下的氧化安定性，避免了由于溫度測量不準產(chǎn)生的測定誤差。

3.2箱體

在試驗箱體上加裝有進氣口，用于連接空氣瓶，箱體加裝6個流量計、流量調(diào)節(jié)閥及溫度指示劑，用于六個樣品加熱位置氣流調(diào)節(jié)及溫度顯示。

經(jīng)改造后的樣品池及箱體，試驗加熱過程中可定量的調(diào)節(jié)輸入空氣流量，空氣與待測的樣品實現(xiàn)充分連續(xù)接觸，避免了外界試驗室通風狀況對待測樣品表面流動空氣的影響。同時由于采取了密閉的測定體系，從空氣分布器中帶出來的空氣及油蒸汽經(jīng)冷凝進入了回收裝置中。

3.3對比試驗

將處理好的鋼棒放入盛有180 g樣品的燒杯中，蓋上樣品池蓋3，注意調(diào)整空氣分布器7位置，將帶有空氣分布器7的樣品池放入鋁浴內(nèi)，將對應溫度傳感器放入樣品池蓋上溫度傳感器探測管5內(nèi)，接通空氣，空氣流量調(diào)節(jié)至50 mL/min，出氣管2連接箱體出氣管氣路，穩(wěn)定約5 min后，開始加熱，油溫至175 ℃時開始計時，加熱時間72 h，關閉電源停止加熱，關閉空氣，待油溫降至室溫，取出油樣過濾，測定黏度及酸值，計算黏度變化率及酸值增長，見表4。

表4 實驗室通風狀況對測定結果的影響

不同樣品位置對結果的影響見表5。

表5 樣品位置對試驗結果的影響

儀器改進后由表4、表5數(shù)據(jù)可看出，經(jīng)改造過的儀器實驗數(shù)據(jù)平行性好，試驗結果不受外界通風狀況及樣品在實驗箱內(nèi)的位置影響，且試驗過程中收集了大部分蒸發(fā)的油氣，房間異味減少，試驗環(huán)境明顯改善。

4 結論

在導熱油氧化安定性評價方法中，采用密封樣品池可有效解決原設備無法控制氣流條件以及實驗結果受外界通風狀況影響較大的問題，改造后的儀器可充分模擬自然對流的情形，試驗結果穩(wěn)定。同時對箱體中單個樣品池的溫度進行控制，這樣也能更精確地監(jiān)控樣品池油溫變化情況，避免溫度波動帶來的試驗誤差。因此，改造后的儀器提高了該試驗結果的重復性及可靠性。

[1] SH/T 0259-1992潤滑油熱氧化安定性測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[2] SH/T 0299-1992內(nèi)燃機油氧化安定性測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[3] SH/T 0219-1992熱處理油熱氧化安定性測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[4]SH/T 0206-1992 變壓器油氧化安定性測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[5] SH/T 0196-1992潤滑油抗氧化安定性測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[6] SH/T 0193-2008潤滑油氧化安定性的測定旋轉氧彈法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[7]SH/T 0123-1993 極壓潤滑油氧化性能測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[8] GB/T 12581-2006加抑制劑礦物油氧化安定性測定法.中華人民共和國國家標準.[S].

[9] H/T 0450-1992S合成油氧化腐蝕測定法.中華人民共和國石油化工行業(yè)標準[S].

[10] GB 8018-1987汽油氧化安定性測定法(誘導期法) .中華人民共和國國家標準[S].

[11] GB/T 12581-2006加抑制劑礦物油氧化特性測定法.中華人民共和國國家標準[S].

[12] 左鳳,馬蘭芝. 潤滑油氧化安定性評價方法及與PDSC的相關性研究[J].現(xiàn)代科學儀器,2012(3):145-147.

[13] Pamela L S, Gerald H P, Alan T R. The Development of a Standard Method for Determining Oxidation Induction Times of Hydrocarbon Liquids by PDSC [J]. Thermochimica Acta, 1994，243：201-208.

[14] 李子存，馮新瀘, 熊剛. 紅外光譜評價內(nèi)燃機油抗氧化性能的研究[J].光譜學與光譜分析,2007,27(3):444-447.

[15] 張紅革.用紅外光譜分析車用油的氧化情況[J].潤滑油,2003,18(1):44-46.

Problems in the Oxidation Stability Test Method for Heat Transfer Oil and Improvement

SI Rong, WANG Jiao-ling

(China Boiler Water Quality Association, Beijing 100013, China)

There are many problems in the evaluation method of heat transfer oil oxidation stability, such as temperature control mode, test environment and sample position. All these conditions have great influence on the evaluation result. At the same time, the oil vapor generated during the test has great pollution to the test environment. Using the sealed sample container, sample temperature detection and air control can solve these problems and greatly improve the test environment.

heat transfer oil; oxidation stability; air distributor

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.013

1002-3119(2017)05-0056-05

TE626.3

A

2017-05-05。

國家質(zhì)檢總局2015年質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目資助(201510067)。

司榮，碩士研究生，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(華東)有機化學專業(yè)，主要研究鍋爐傳熱介質(zhì)的應用分析,曾公開發(fā)表論文3篇。E-mail:ccsirong@163.com