CN104254379A - 用于清洁降解的油的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
公开了用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的方法和用于实施所述方法的系统。所述方法包括以下步骤：接受降解油入口流(1，1a，1b)，通过冷却降解油从降解油沉淀油溶性降解产物，使经冷却的降解油作为过滤流(3，3a，3b)通过过滤器(104，204，304)，以在过滤器中保留沉淀的降解产物，和排放清洁过的油的出口流(2，2a，2b)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的方法。根据另一方面，本发明涉及一种用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的系统。
背景
油在许多大规模工业和制造设备中用作功能液体。这样的功能的实例可包含润滑、液压、在钢生产中用作骤冷流体，或其它。许多降解和污染过程影响油的寿命以及使用油的机器的操作、维修和最终寿命。因此，在大的设备中清洁和更换油是极度重要的。然而，鉴于大量高性能油的成本和(通常甚至更重要)由设备的任何停工期引起的成本二者，给定的设备的油系统的这样的维修可涉及显著的成本。
这种使用对油施加显著的应力，并且导致油的磨损和降解，例如，由于在热应力下油的氧化。除了热和机械应力以外，降解的主要来源是油的氧化，和随后这些降解产物的进一步氧化。此外，降解产物可彼此反应和/或聚合。降解过程从而形成清漆前体，以及导致用过的油与新鲜的油相比错色和气味变化的组分。结果是，降解油通常为包含通过使用中油的降解产生的许多不同的油溶性污染物的复杂溶液。因此降解/氧化产物污染油，从而影响油的性能。形成的聚合物可引起在设备的整个油系统中在表面上沉积清漆，从而影响设备的性能，导致停工期以维修，降低设备的中心部件的寿命，或甚至设备的灾难性失效。
为了延长油的寿命和提高需要设备停工期的工作时间间隔，期望在污染物不可逆地劣化设备的部件之前，在设备的操作期间从油除去污染物。然而，降解/氧化产物通常难以除去，因为它们在油中在溶液里。用于从油除去氧化产物的已知的方法通需要停工期，复杂并且涉及可观的投资，或者简单地不够有效。
发明公开内容
因此，期望提供能从油有效降低油溶性降解/氧化产物的浓度的方法和系统，其适于与操作状态的大装置的油-系统操作连接，优选不必关闭工作状态下的装置的相应的部件。
因此，根据一方面，本发明的目的是提供一种克服现有技术的问题或至少产生备选方案的用于清洁用过的油的方法。根据另一方面，本发明的目的是提供一种实施上述方法的系统，用于清洁通过使用已降解的油。
分别通过根据独立权利要求1和权利要求12的用于清洁降解油的方法和/或系统，实现本发明的目的。通过从属权利要求限定有利的实施方案。
根据一个实施方案，一种用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的方法包括以下步骤：接受降解油入口流，通过冷却降解油至沉淀形式和通过保持降解油在沉淀形式经过一定停留时间，从降解油沉淀油溶性降解产物，使经冷却的降解油作为过滤流通过过滤器，以在过滤器中保留沉淀的降解产物，和排放清洁过的油的出口流。
本发明潜在的认识之一是认识到通过冷却来沉淀使得能够从载体油有效分离油溶性降解产物。认识到，在很大程度上，在用过的油中遇到的降解产物的溶解度随着温度的降低而降低，其方式使得通过适当冷却，这些降解产物可从溶液有效沉淀，但仍采用流通方式操作所述方法。
术语“油溶性”指其中油用作溶剂，降解产物为溶质的溶剂-溶质系统。降解产物污染油，对于使用油的机器/装置/设备的机构的性能、工作、维修和寿命有以上提及的结果。在本申请的情境下，“清洁”油指降低溶解于油中的油溶性污染物/降解产物的浓度的过程。因此，“清洁过的油”指具有降低的污染水平的油，即，与“降解油”的污染水平相比，油溶性污染物/降解产物的降低的浓度。油的降解水平可与油的污染水平相关，并且可例如通过测量所讨论的油样品的膜片比色(Membrane Patch Colorimetric, MPC)值来确定。使用通常可得的仪器(例如FLUITEC i-LAB 475分光光度计)实施的标准化和校正的程序，可测量MPC值。MPC值的数值范围为0-100。具有高于约20的MPC值的污染水平通常认为是高水平的油污染，而对于大多数应用，特别是在大设备中，具有高于30的MPC值的污染水平通常认为是临界的。应注意到，油降解为复杂的过程，涉及例如氧化、水解和热降解过程，并且导致多种多样的降解产物，例如醛、酮和羧酸。金属(例如铁或铜)对于降解涉及的过程可用作催化剂。降解油的组成可因此取决于具体的油和包含在油中的添加剂、具体机构的使用条件和进行的降解过程。因此，难以提供任何这样的测量的通用校准。然而，存在多种用于监测油降解的不同的分析方法。相同的分析方法可用于监测在给定机构中的任何清洁过程及其性能，从而确定随着时间和/或在清洁过程的输入和输出之间测量结果的任何偏移/变化/趋势。用于监测油的降解的这些分析方法的实例为测量总酸值(TAN)、粘度、超离心、红外光谱法，剩余可用寿命评价程序(RULER)、以上提及的膜片比色法(MPC)测试、定量分光光度计分析(QSA)和旋转压力容器氧化测试(RPVOT)。由不同的分析方法得到的信息可彼此补充。有利地，不同的方法可因此组合使用。
通过冷却来沉淀的优点是冷却可从外部施加，并且不需要例如向油中引入污染-特异性的溶剂。此外，如提及的，所述方法适于采用流通方式操作。因此，所述方法可采用连续方式应用，其与操作中的机器/工业装置/设备的给定机构的油系统操作偶联。本发明认识到，由于在许多机构中油的正常使用导致的降解产物通常以相对缓慢的速率产生，并且本发明的方法非常适合，并且可有利地设置用于低流速设计用于油的连续维护。使用本发明方法连续清洁油的优点是，通过在早期阶段在基本上在降解产物产生时将其保留，有效保持油清洁，从而防止形成衍生物污染物。
在过滤器的上游激励通过冷却的沉淀。通过在过滤器上游沉淀油溶性污染物，通过过滤材料可捕获沉淀并且保留在其中。虽然热力学平衡决定在给定的温度变化之后从降解油沉淀的降解产物的总量，但动力学决定沉淀过程的速率。通过将降解油冷却至沉淀形式引发沉淀，随后通过保持降解油在沉淀形式的温度经过一定停留时间，使沉淀形成和老化。因此，停留时间应理解为在降解油冷却至沉淀形式的温度的点之后，降解油的流保持在沉淀形式的温度的时间。在该停留时间期间，沉淀物老化至它们可保留在过滤介质中的阶段。通常，至少从将冷却施加到降解油入口流的点开始，从冷却点至过滤器，以及在过滤器本身中，将降解油的流保持在沉淀形式的温度。此外，冷的降解油与过滤介质和与已保留在其中的沉淀物的相互作用，例如吸附/吸收/聚结，可进一步促进形成沉淀物和改进过滤器的保留效率。此外，通过将冷却状态的降解油通过过滤器，油将不倾向于通过溶解过滤材料已保留的降解产物而获得污染。
达到平衡的速度(由动力学决定)是这样的情况，温度的快速变化有利于从降解油沉淀降解产物，并且通过用作聚合/结晶的晶种的油中的杂质加速该沉淀。沉淀过程可因此通过突然施加冷却而加速，例如，与缓慢的冷却过程相比，突然冷却降解油。
在典型的机构中，停留时间优选在分钟的范围，例如至少1分钟，5分钟，10分钟，15分钟，20分钟，25分钟，30分钟，或者在小时的范围，例如最多或约1/2小时，1小时，2小时，3小时，4小时，5小时，6小时，7小时，8小时，9小时，10小时，11小时或甚至12小时。
如以上提及的，降解油为包含溶解于油中的许多不同的降解产物的复杂流体。对于不同的降解产物中的每一种，可在稍微不同的温度下发生沉淀起始，并且可观察到在经冷却的降解油中沉淀形成的起始在一定温度范围延展。然而，可区分三种温度范围。在高温下，存在溶液形式，其中基本上所有的降解产物在溶液中。在低温下，存在沉淀形式，其中基本上所有要从油中除去的降解产物形成沉淀物。在中间温度，存在溶液形式和沉淀形式之间的过渡形式，其中第一部分要除去的降解产物还未形成沉淀物，而第二部分要除去的降解产物已经形成沉淀物。
所述方法可在用于清洁机器或工业装置的给定机构中的降解油的系统(即，油清洁系统)中实施。所述方法可因此包括在油清洁系统的入口处接受降解油入口流，使用冷却装置通过冷却降解油从降解油沉淀油溶性降解产物，以从清洁系统的入口到出口的方向使经冷却的降解油通过过滤器，以在过滤器中保留沉淀的降解产物，和通过油清洁系统的出口排放清洁过的油的出口流。
用于清洁油系统的效率可取决于系统设计，考虑到机器或工业装置的具体机构、在该机构中使用的油和在使用时油暴露的操作条件。实施可因此包括设计阶段，以设计用于清洁给定机构中的油的系统。设计参数可包括冷却功率和流速规格，选择过滤材料和尺寸等。
对于用于清洁油的系统的给定设计，清洁的效率可取决于对该系统选择的实际操作参数，考虑到具体机构、在该机构中使用的油和在使用时油暴露的操作条件、在入口流中油的降解水平和在出口流中排放的油的期望清洁度水平。例如，过滤步骤的效率可取决于实际的输入/输出温度、冷却速率、停留时间和/或流速等。实施可因此包括测试和设置系统的阶段，以将用于清洁降解油的方法实行到所用的具体油和/或在该机构中的具体操作条件。测试和设置阶段可包括确定由温度范围表征的饱和状态，超过该温度范围则降解油必须冷却以获得足够的沉淀，这是使过滤步骤有效并且在清洁后实现预定的污染水平所需的。测试和设置阶段还可包括确定停留时间，这是降解油必须在特定机构中保持冷却以实现足够的沉淀所经历的时间，这是使过滤步骤有效并且在清洁后实现预定的污染水平(清洁度)所需的。比较在清洁之前和之后的污染水平可用作清洁过程的性能的度量。污染水平可例如通过MPC测量或用于监测油降解的任何其它分析方法来确定。
此外，根据本发明方法的一个实施方案，在过滤前冷却降解油包括将过滤器下游的油冷却至低于在入口流中的降解油的温度，在过滤器下游的分支点处将过滤流分开成为通过出口排放的出口流和再循环流，将再循环流进料返回至在过滤器上游的重组点，和将再循环流与入口流重组。
在该实施方案中，在过滤器下游实施油的冷却，即，在滤液侧上。在稳态操作下，与在入口流中的油或在过滤器上游的过滤流相比，在滤液侧上的油的污染水平显著降低。在过滤器下游布置用于冷却油的冷却装置因此具有这样的优点，当直接对过滤器上游的污染的油流(例如，直接对入口流)实施冷却至沉淀温度时，冷却装置的操作不太受到在冷却系统中沉降或沉积的沉淀产物的影响。
将来自再循环流的清洁的冷却油进料返回至入口流的降解油并且在在滤器上游的重组点处与之混合。通过下游冷却，再循环经冷却的清洁油，和在过滤器上游的重组点处将经冷却的清洁油与降解油混合的组合，经冷却的清洁油用作冷却介质，并且快速和有效地冷却入口流的降解油。通过快速冷却实现的温度突降诱导油溶性降解产物的沉淀。从而，在与实施实际冷却的位置不同的位置，在过滤器上游诱导沉淀的主要部分。采用这种方式，在污染物可容易保留的位置，污染物有效沉淀，即，在可容易更换的过滤器元件的过滤材料中而不是在系统中的任何其它地方。
有利地，通过提供在重组点提供的被动和/或主动混合增强装置，混合得以增强。通过增强入口流和再循环流的冷却的清洁油的混合，可加速冷却机制，以促进沉淀。除了加速冷却以外，混合可产生湍流和/或局部不均匀性，用作引发沉淀的起因，从而进一步促进沉淀过程。
另外，根据本发明方法的一个实施方案，在分支点和重组点之间的再循环流中实施冷却过滤器下游的油。在该有利的实施方案中，在分支点处将过滤流分开之后和在将再循环流与入口流重组之前，施加冷却。从而冷却功率仅施加于再循环的油而不是通过出口排放的清洁油的部分。从而，能耗降低。
备选或附加地，可在过滤器下游并且在分支点之前提供冷却。因此，根据用于清洁降解油的方法的一个实施方案，在过滤前冷却降解油包括在过滤器下游并且在分支点处将流分开之前冷却油。例如，对于其中通过出口流排放的清洁过的油要用于冷却用途的系统，该实施方案是有利的。
此外，根据本发明方法的一个实施方案，所述方法还包括预冷却降解油的步骤，其中在通过冷却降解油从降解油沉淀油溶性降解产物的步骤之前，发生预冷却。
在机器/装置/设备的典型的机构中，油在升高的温度下操作，其可远高于50℃，远高于60℃，高于70℃，高于80℃，或甚至高于90℃(摄氏度)。特别是，当在操作中的机器/装置/设备的机构中实施用于连续清洁油的方法时，在入口流中接受的降解油可具有升高的温度。预冷却步骤具有预调节降解油入口流的用途，用于随后的沉淀步骤。将预冷却施加于接受的降解油，其中在入口流中预冷却的油的温度保持高于在重组点处再循环流中经冷却的油的温度。从而确保再循环流可冷却入口流。此外，预冷却的油的温度(即，在预冷却步骤之后并且在重组点上游的在入口流中的降解油的温度)保持远高于发生降解产物显著沉淀的温度。
此外，根据本发明方法的一个实施方案，将入口流的降解油冷却，以将一种或多种降解产物在降解油中的溶解度降低至存在于降解油中的一种或多种降解产物的浓度以下。
降解产物在油中的溶解度随着温度的降低而降低。结果是，当冷却包含一种或多种不同的降解产物的降解油时，给定的降解产物在油中的溶液变得越来越接近其中降解产物的浓度等于其溶解度的饱和点。最后，将溶液冷却成为过饱和形式，其中降解产物的浓度超过由此形成降解产物的沉淀物的温度-依赖性溶解度。
如以上提及的，降解油为包含溶解于油中的许多不同降解产物的复杂流体。这些不同的降解产物中的每一种可具有不同的饱和点。对于不同的降解产物中的每一种，因此沉淀的起始可在稍微不同的温度下发生，并且可观察到在经冷却的降解油中沉淀形成的起始在一定温度范围延展。然而，可区分三种温度范围。在高温下，存在溶液形式，其中基本上所有的降解产物在溶液中，即，对于溶液形式的温度，降解产物的浓度低于它们的溶解度(基本上所有的降解产物为亚饱和溶液)。在低温下，存在沉淀形式，其中基本上所有要从油中除去的降解产物的浓度高于它们的溶解度(降解产物溶液为过饱和状态)。在中间温度下，存在溶液形式和沉淀形式之间的过渡形式，其中对于第一部分降解产物，浓度低于溶解度，而对于第二部分降解产物，浓度超过溶解度，并且由第二部分形成沉淀物。
当在给定的机构中实施本发明的方法时，对于该机构，可确定以上提及的形式的相关温度范围，随后可因此选择在所述方法中不同步骤的操作温度。通过监测对于不同温度得到的沉淀速率，专业技术人员可例如根据预定的清洁目标，证实所实施的方法和所选的操作温度的执行。沉淀速率可例如通过检查或通过测量在过滤器后的污染水平来确定，所述污染水平随着降解油冷却到的温度和/或在沉淀步骤之前降解油预冷却到的温度(对于给定的入口流温度和污染水平)而变化。除了优化沉淀速率并因此优化清洁效率的用途以外，在沉淀步骤中冷却的油的温度还可顺从其它操作限制，例如能使油流动通过给定的过滤器。
此外，根据本发明的一个实施方案，在过滤前降解油冷却到的沉淀温度低于20℃，或者低于15℃，或者低于10℃，或者低于8℃，或者低于6℃，或者低于5℃，或者低于4℃，或者低于3℃，或者低于2℃，或者低于0℃，或者低于-5℃，或者低于-10℃。
沉淀温度为在冷却后但是在过滤前的点处降解油的温度。例如，在使用再循环的一个实施方案中，在重组点和过滤器之间的点处测定沉淀温度。沉淀温度越低，则除去油溶性降解产物的机会越大，特别是以别的方式难以捕获的油溶性降解产物，例如引起气味的污染物、引起错色的污染物和/或与低分子数降解产物和/或亚硝基有机化合物相关的其它污染物。特别是，在低于约5℃的最低沉淀温度范围下，并且更加特别是在低于2℃的沉淀温度下，还特别在低于0℃的温度下，可实现意外低的降解输出水平。在其中在低至0℃以下的温度进行冷却的实施方案中，用于冷却装置/冷冻器的换热介质/冷却剂可需要使用包含在冷却剂中的防冻剂。
液体的倾倒点为其变为半固体并且失去其流动特性的最低温度。因此，在整个本发明的方法/系统中，油的温度应保持高于所讨论的油的倾倒点，使得油能够流动。沉淀温度保持高于倾倒点，或者至少比倾倒点高5℃以上，或者比所讨论的油的倾倒点高至少10℃以上。给定的油的倾倒点数据通常在所讨论的油的数据表中找到，因此对于给定机构中使用的油是预定的。或者，采用相关的ASTM标准(例如ASTM D97)的说明，可确定油的倾倒点。然而，在其中油可能含有显著量的水(其在将油进料至入口之前不分离出来)的机构中，可能需要保持沉淀温度高于0℃，以避免由于例如在冷却装置的内部形成冰的问题。
此外，根据本发明方法的一个实施方案，在入口流中预冷却的油的温度保持在一定温度，在该温度下，降解产物在降解油中的溶解度超过存在于降解油中的降解产物的浓度。
有利地，预冷却步骤预调节降解油的入口流至接近过渡形式的温度，但是不达到其中出现可检测的沉淀的过渡形式。这样的优点在于，其中降解油的温度从溶液形式经过渡形式降至沉淀形式的随后沉淀步骤需要较少的冷却功率并且可更快速实施。此外，通过保持温度在溶液形式，在实际的沉淀步骤之前不发生可检测的沉淀，从而降低在过滤器外部形成不期望的沉积物。与以上关于确定适当的冷却温度所描述的程序类似，通过常规实验可确定在给定的机构中在沉淀步骤之前将降解油预冷却到的适当温度。
此外，根据本发明方法的一个实施方案，预冷却包括借助换热器将热量从入口流传递至出口流。通过采用出口流的清洁油的较低温度用于预冷却入口流，该方法变得更加能量有效。此外，要返回至机构的清洁过的油返回至更接近机构所需的油操作温度的较高温度。
此外，根据一个实施方案，本发明的方法还包括控制入口流的入口流速，控制过滤流的过滤流速以使经冷却的降解油通过过滤器，和/或控制再循环流的再循环流速。使用流量控制装置(例如泵、节流阀、恒温器阀、颈缩、偏置单向阀(biased check valve)等)，可控制流速。特别是，根据一个实施方案，使用入口泵可控制入口流速。通过再循环泵和/或恒温器阀可控制再循环流，其中恒温器阀可响应温度传感器的输入，该温度传感器测量代表过滤器中的油温度的温度。根据彼此来控制入口、过滤和/或再循环流速，允许控制再循环比率，即，在通过出口排放之前，平均多少倍的油在系统中再循环。在再循环分支中施加冷却的情况下，这还允许控制再循环流对入口流的冷却效果，因此控制沉淀速率。
此外，根据本发明方法的一个实施方案，所述方法适用于具有一定总油体积的机构，并且其中每小时清洁的油的体积为机构的总油体积的0.05%-5%，优选0.1%-2%。有利地，每小时清洁的油的体积低于500升，或者低于400升，或者低于300升，或者低于200升，优选低于100升。清洁速率可例如通过控制入口流速来控制，其中出口流速相应于入口流速。用于清洁降解油的方法可采用连续/继续操作模式来操作，其中从操作状态的机构直接接受降解油的入口流，并且将清洁过的油的出口流返回至操作状态的机构。通常，当采用连续/继续操作模式清洁时，可采用低清洁速率，并且应适合对于相应的机构观察到的或已知的降解速率。因此，比起当采用间歇模式操作时，连续操作模式允许较小规模的设备来进行所述方法。此外，有利的是采用连续/继续维护模式操作清洁方法，以在降解反应链的早期阶段保留降解产物，从而有效阻截形成较高阶的降解产物。从而在机构中油的品质保持在较高的水平。在典型的机构上采用连续/继续操作的清洁速率的其它有利范围为机构的总油体积的0.1%-1%，或者0.1%-0.5%，或约0.2%。或者，用于清洁降解油的方法可采用间歇模式操作，其中降解油的入口流从降解油的第一储器接受，而将清洁/清洁过的油的出口流排放至第二储器。通常，当采用间歇模式从给定的机构清洁总体积的油时，期望大的清洁速率，以降低处理时间。
此外，根据一个实施方案，本发明的方法还包括控制停留时间。有利地，通过如上指示的流量控制装置，通过控制入口流速、出口流速、过滤流速和/或再循环流速，可控制停留时间。优选，响应在入口流中油的污染水平和/或响应在出口流中油的污染水平，控制停留时间。如以上提及的，污染水平反映油的降解水平，并且可通过已知的测量方法确定，例如通过测量油样品的MPC值。沉淀和过滤动力学可取决于在入口流中的降解油的污染水平。通过响应在入口流和/或在出口流中的污染水平来调节停留时间，根据输入污染水平的沉淀和过滤动力学，可调节停留时间，从而优化所述方法的清洁效率，实现优化的清洁产量和最后较低的输出污染水平。优选，通过降低过滤流速，调节停留时间，用于降低输入污染水平，因此，提高停留时间用于降低输入降解水平。从而，实现在过滤介质中沉淀物改进的保留和相应的较低的输出污染水平。因此，对于在入口流中的油的高输入污染水平，例如在清洁方法的启动阶段中，过滤流速保持在较高水平，从而实现较高的产量，代价是在出口流中油的较高的输出污染水平。有利地，通过直接控制过滤流速、通过控制入口/出口流速和/或通过控制再循环流速，调节停留时间。此外，有利地，响应测量的、计算的和/或模拟的输入污染水平，调节停留时间。
有利地，根据用于清洁降解油的方法的一个实施方案，所述方法还包括响应在输入流中油的污染水平控制在沉淀步骤中的冷却功率和/或温度，和/或响应在入口流和/或在出口流中油的污染水平控制在预冷却步骤中的预冷却功率和/或温度。
有利地，根据用于清洁降解油的方法的一个实施方案，在油和过滤材料之间的过滤相互作用为沉淀的污染物的吸附和/或吸收。还有利地，过滤材料包含纤维素纤维。
根据本发明的另一方面，提供了一种系统，所述系统适用于实施根据在本申请中提及的任何实施方案的方法。
根据本发明的另一方面，在以下，描述用于清洁降解油的系统的有利实施方案。根据本发明用于清洁降解油的系统受益于以上提及的关于用于清洁降解油的方法的类似考虑和优点。
根据用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的系统的一个实施方案，所述系统包含：用于接受降解油入口流的入口；用于排放清洁过的油的出口流的出口；连接入口和出口的过滤分支，所述过滤分支包含过滤器，其布置为使得过滤流在过滤流速下以从入口到出口的方向通过过滤器；和用于冷却降解油至沉淀形式的装置；和用于在过滤前将降解油保持在沉淀温度经过一定停留时间的装置，以引起溶解于油中的降解产物沉淀和在过滤器中保留沉淀的降解产物。用于将降解油保持在一定温度经过一定停留时间的装置可包含绝热的系统管路和管道，以及绝热的过滤器外壳。此外，可提供主动冷却装置用于保持降解油冷却。
此外，根据一个实施方案，本发明的系统还包含从过滤器下游布置的分流元件到过滤器上游布置的并流元件延伸的再循环分支，其中分流元件适于将过滤流分开成为出口流和再循环流，其中再循环分支适于使再循环流以从分流元件到并流元件的方向通过，并且其中并流元件适于将入口流与再循环流合并，并且将合并的流作为过滤流通向过滤器元件用于过滤，并且其中冷却装置包含在过滤器下游布置的冷却器，以将再循环流冷却至并流器处入口流的油温度的温度以下。在下游冷却过滤的油与在过滤器上游的点处使经冷却的清洁油返回至过滤流组合，改进沉淀，因此改进清洁效率，并且此外改进清洁系统的可靠性。在该实施方案中，通过将清洁过的油的中间体作为冷却介质，将其加入混合至入口流，进行冷却降解油。为了实现冷却效果，这意味着在并流器中，在流的重组/混合时或刚好在之前，再循环流应具有比降解油的入口流更低的温度。
该实施方案也是有利的，因为冷却装置作用于具有低浓度的油溶性降解产物的清洁过的油。因此，所用的冷却装置(例如敞开的槽/流通冷冻器等)不受其中的沉淀物的显著沉积的影响。
此外，根据本发明系统的一个实施方案，在再循环分支中布置冷却装置。通过在再循环分支中在分流器下游布置冷却装置，冷却仅施加于再循环流中的清洁过的油，而不施加于出口流，从而避免对从清洁系统排放的油的冷却功率浪费。
此外，根据本发明系统的一个实施方案，在并流器中提供混合增强装置。用于增强混合的装置可为被动混合装置，例如流混合螺旋，或在入口流和再循环流已重组之后放置在过滤流中布置挡板；和/或主动混合装置，例如搅拌装置等。通过增强入口流和再循环流的经冷却清洁油的混合，提供非常有效和快速的冷却机制，可快速使得在过滤器上游的过滤流中的油处于过饱和状态，由此发生沉淀。此外，混合可产生湍流和/或局部不均匀性，用作引发沉淀的起因，从而进一步加速沉淀过程的动力学。
此外，根据一个实施方案，本发明的系统还包含用于预冷却在入口处接受的油的预冷却装置。如以上关于清洁降解油的方法提及的，预冷却的目的是使得从具有升高的操作温度的机构接受的降解油更接近其中出现可检测的沉淀但不达到沉淀形式的温度。
此外，根据本发明系统的一个实施方案，预冷却装置包含换热器，用于将热量从入口流传递至出口流。在入口流中预冷却油可至少由借助换热器从温的入口流到冷的出口流传热所支持(如果并非完全提供)。同时，将来自出口流的油预热至更接近返回到的机构所需的油的操作温度的温度。从而，可改进清洁系统的能效。有利地，换热器可为错流换热器。其它预冷却装置可例如包含空气-冷却换热器和/或冷却扇。
此外，根据一个实施方案，本发明的系统还包含用于控制入口流的装置、用于控制过滤流的装置和/或用于控制再循环流的装置。
此外，根据一个实施方案，本发明的系统还包含用于控制入口流的入口流速的装置、用于控制过滤流的过滤流速的装置和/或用于控制再循环流的再循环流速的装置。
此外，根据本发明系统的一个实施方案，用于控制入口流和/或过滤流和/或再循环流的装置包含泵送装置和/或恒温器控制阀和/或偏置单向阀。泵送装置可用于设定用于入口流、再循环流和/或过滤流的流速。响应于传感器输入和/或程序化控制，可确定期望的流速。有利地，在一个实施方案中，在再循环分支中可布置恒温器控制阀，以响应于代表过滤器中的油温的信号输入来控制再循环流速。偏置单向阀可用于控制流动方向和使在系统的不同分支中的最小压力。例如，根据一个实施方案，可在系统的分支点和出口之间布置偏置单向阀，其中偏置单向阀打开用于在高于0.5巴的压力下通过出口排放清洁过的油的出口流和阻断油从出口到系统的任何倒流。
附图简述
在以下，参考有利的实施方案来进一步解释本发明，其中相同的附图标记指代相应的/类似的特征。附图显示
图1示意性表示根据本发明的一个实施方案用于清洁降解油的系统和方法，
图2示意性表示根据本发明的另一个实施方案用于清洁降解油的系统和方法，
图3示意性表示根据本发明的又一个实施方案用于清洁降解油的系统和方法。
发明详述
图1-3示意性显示用于清洁降解油的方法和系统的不同实施方案100，200，300。图1显示具有在过滤器104上游布置的沉淀冷却器105的一个简单实施方案100，而图2和3显示包含再循环分支206，306的更复杂的实施方案200，300，其中在过滤器204，304下游布置冷却器205，305，并且通过在过滤器204，304上游的重组点208，308处，使降解油与再循环的冷却油混合，实施通过冷却的沉淀。图2的实施方案200和图3的实施方案300之间的主要差别在于，前者200包含在分支点207处将流分为出口流和再循环流之前冷却滤液，而后者300包含在分支点307和重组点308之间的再循环分支306中冷却滤液。有利地，对于所有实施方案100，200，300，保留沉淀物在过滤材料中的过滤相互作用为吸附和/或吸收。
在图1的实施方案100中，在入口101处接受降解油的入口流1，例如，来自使总油体积由于在机构中的使用而经受降解的机构(未显示)。泵112驱动接受的油在入口流速下通过冷却器105，冷却器105适于在相应于入口流速的流速下降低降解油的温度至沉淀形式。如以上提及的，要通过本发明的方法/系统除去的降解产物的溶解度随着温度而降低。在沉淀形式中，要从降解油除去的油溶性降解产物的溶解度低于这些降解产物在降解油中的浓度，并且观察到这些降解产物的大量沉淀。从冷却器105，冷的降解油在过滤流3中通过过滤器104。过滤器104的体积和过滤流速适于保持冷油在过滤器中经过一定停留时间，允许形成降解产物的沉淀物并且被过滤材料保留。最后，与在入口流1中的降解油相比，具有降低浓度的油溶性降解产物的清洁过的油的出口流2通过出口102排放并且可返回至机构。泵112、冷却器105和过滤器104在形成从入口101到出口102延伸的过滤分支103的相同管线中串联布置。
在图2的实施方案200中，在入口201处接受降解油的入口流1a，例如，来自使总油体积由于在机构中的使用而经受降解的机构(未显示)。将入口流1a通过预冷却器210，用于降低接受的降解油的温度。当操作用于清洁在操作状态的机构中的油的系统/方法时，即，当在升高的操作温度下从机构直接接受降解油时，使用预冷却器是特别有利的。在预冷却后，在入口流1b中的油温度应保持在溶液形式，其中要除去的油溶性降解产物的温度依赖性溶解度超过存在于降解油中的这些降解产物的浓度。换言之，应改变预冷却步骤，使得不预期沉淀步骤。泵212将预冷却的油1b在入口流速下驱动至具有并流器208的重组点，其中入口流1b与从再循环分支206接受的再循环流6混合，并且作为具有过滤流速的过滤流3a通向在过滤分支203中布置的过滤器204，并且进一步通向也在过滤分支中在过滤器204下游布置的冷却器205。实施方案200的过滤分支203因此包含过滤器204和冷却器205二者。然而，与实施方案100相反，冷却器205放置在过滤器204下游，在滤液侧上。在冷却器205下游的过滤分支中的冷却油的流3b在具有分流器207的分支点处分开成为出口流2b和再循环流6，再循环流6经由再循环分支206返回至过滤器204上游的重组点208。通过在分支点207处分开流之前将冷却器205放置在过滤分支203中而不是再循环分支206中，冷却器205的冷却功率施加于再循环流6和出口流2b二者。通过使来自再循环流6的冷的过滤的油混合到入口流1b中，使降解油冷却。改变冷却器205的冷却功率，以将过滤流3a中的降解油的温度降低为沉淀形式，其中观察到要从降解油除去的油溶性降解产物的大量沉淀。在重组点208处和之后，形成沉淀物，并且沉淀物保留在过滤器204中。过滤器204的体积和过滤流速适于将冷油保持在过滤器204中经过一定停留时间，允许形成降解产物的沉淀物并且被过滤材料保留。
在启动阶段期间，例如当用于清洁降解油的方法/系统与操作中的机构连接时，所述机构已含有具有高污染水平的油溶性降解产物的降解油，冷却器205的冷却功率可能必须逐步坡道上升，同时保持入口和过滤流速在开始时高，并且当污染水平下降时，降低流速至稳态设置。备选或附加地，冷却器可预填充有清洁油，并且在清洁方法/系统与机构偶联之前冷却至操作温度，以更快速地实现良好的清洁性能。
冷的清洁油的出口流2b可用于预冷却降解油的入口流1a。为此，预冷却器210可有利地为错流换热器，其中热量从入口流1a的降解油传递至出口流2b的冷的清洁油。从而，将出口流2b的清洁油预热，然后作为预热的出口流2a通过出口202排放并且返回至机构。如以上提及的，在实施方案200中，冷却器205的冷却功率施加于再循环流6和出口流2b二者。从而提高换热器210的预冷却效果。
图3显示用于清洁降解油的方法/系统的另一实施方案300的图。实施方案300包含用于接受降解油的入口流1a的入口301，用于排放清洁过的油的出口流2a的出口302，驱动入口流1a通过预冷却器的入口泵312，该预冷却器包含错流换热器310用于将热量从入口流1a传递至出口流2b，以及优选风扇辅助的液体-空气换热器311。在具有并流器308的重组点处，预冷却的入口流1b与再循环流6b混合，并且作为过滤流3a通向在连接入口301与出口302的过滤分支303中布置的过滤器304。
如同在如图2的实施方案200，图3的实施方案300包含在过滤器304下游布置的冷却器305，以及从过滤器304下游的具有分流器307的分支点延伸至过滤器304上游的重组点308的再循环分支306。然而，与实施方案200相反，实施方案300的冷却器305在再循环分支306中布置。因此冷却器305直接作用于再循环的流6a，6b，并且仅间接冷却出口流2b。再循环流可优选通过在再循环分支306中布置的再循环泵314驱动。再循环流速可通过其它流量控制装置控制，例如响应于测量过滤器304中的油温度的温度传感器的恒温器阀313。在重组点308处的并流器用作沉淀反应器。在重组点308处在并流器中可提供另外的混合增强装置309，以加速再循环流6b和入口流1b的重组，从而促进在过滤器304上游的过滤流3a中的沉淀。
使得用于清洁降解油的方法/系统适于在特定机构中的使用可包括改变冷却器的冷却功率、过滤器尺寸、流速和/或流动能力。改变可包括在清洁系统的设计阶段选定尺寸和设置，设置在试车阶段期间的参数设定，和/或设置和控制在操作期间的参数设定。在操作期间，控制功能可响应对于给定参数的预设置的目标值设定，任选与测量给定参数的实际值或影响该参数的量的传感器输入组合。
在以下，给出适用于在具有约40000升的总油体积的发电设备的涡轮机构中连续清洁油的方法/系统的实施例。由以下数字可见，连续清洁使用中的油的一个优点在于，所需的清洁系统意外地小，因此与间歇处理设备相比不太昂贵，因为清洁可以在降解速率下实施。此外，通过基本上在降解产物形成时除去油溶性降解产物，形成清漆前体和其它降解产物的反应链可在相对早期阶段被阻截，因此避免形成可能作为清漆在机构内部沉积和/或另外严重影响油和机构本身的性能的较高阶的降解产物。这进一步提高机构的寿命，甚至更重要的是，可显著提高机构的运行时间。
实施例
在具有40000升总油体积的发电设备涡轮的典型机构中，在入口处接受的油可具有约90℃的温度和以约30的MPC值表征的输入污染水平。使用风扇辅助的液体-空气换热器的第一预冷却阶段可将入口流中的温度降低至约50℃。在与再循环的油混合之前，使用错流换热器用于将热量从入口流传递至出口流的另一预冷却阶段可在并流元件处将入口流中的温度进一步降低至约20℃。在与具有20℃温度的来自入口流的降解油混合之前，可从放置在再循环分支的冷却器接受再循环的油，并且其在并流元件处的温度为约3-4℃。
在稳态状况下，通过入口泵可控制入口流在约40-50 l/h的入口流速下。通过再循环泵可控制再循环流在高于入口流速的流速(例如，高达入口流速的10倍，或入口流速的约6倍)下。入口流速和再循环流速以组合确定过滤流速。过滤器体积除以过滤流速确定油的停留时间。通过改变入口流速和/或再循环流速来调节过滤流速，从而允许控制停留时间，用于油与过滤器内部的过滤材料相互作用。连续操作模式的稳态下的停留时间的典型值可为约1小时，但是可根据例如在入口流中的污染载荷和/或跨过滤器的压降变化至半小时或高达3小时或甚至高达6小时，其中在较低的污染水平下可能需要较长的停留时间，即，其中油溶性降解产物的污染物浓度低，例如10-20的输入MPC值和低于10的输出MPC值。
通过调节在冷却后但是在过滤步骤/过滤器之前过滤流中的沉淀温度，还可影响根据本发明的一些实施方案的方法/系统的保留效率。在使用ISO VG 32或ISO VG 46涡轮油(例如Regal R&O 46、Mobil DTE 832或Mobil DTE 732)的给定的发电厂涡轮机构中，通过仅将入口流预冷却至约30℃，而入口流没有任何其它主动冷却，在出口流中可实现约20的出口MPC值。通过冷却降解油至约9℃的沉淀温度，可实现约8的出口MPC-值，而在约2℃的沉淀温度下，在出口流中可实现约2的出口MPC-值。特别是，在较低的沉淀温度下，观察到意外良好地除去与降解相关的味道和错色。
虽然设想具有10000升或更多的总油体积（通常约40000升或甚至100000升）的大型装置/设备的机构，但所述方法和系统也可按比例在具有较小油体积的机构中实施。
用于监测油降解的分析方法
如以上提及的，可利用多种不同的分析方法，其可用于监测油清洁过程及其在给定机构中的性能，优选参考对新鲜的油的相应参比测量。测量可用于确定随着时间和/或在清洁过程的输入和输出之间的任何偏移/变化/趋势。在以下给出用于监测油的降解的这样的分析方法的实例。
总酸值(TAN)：提高羧酸导致提高总酸值。通过用KOH滴定测量TAN，结果按用于中和每克油样品的酸的mg KOH给出。实例：TAN：0.35 mg KOH/g。
粘度：氧化副产物倾向于合并和形成更大的分子，该过程称为聚合。由于油的粘度与分子的尺寸相关，聚合导致提高油粘度。如果聚合继续，则将在油中形成淤浆和清漆。
超离心(UC)：在超离心机中，将给定量的油在18,000 rpm下离心30分钟。将沉降的量与UC评定标度相比较，基于视觉评价给出UC值(1-8)。
红外光谱法(通常为FT-IR)：当将红外光通过油样品时，通过测量4000cm-1-500cm-1的光谱范围中红外吸收的程度，得到FT-IR光谱。氧化副产物(像醛、酮和羧酸)均含有碳-氧双键(羰基)。这些羰基在红外光谱的1740 cm-1区域中吸收红外光。当氧化提高时，在该区域中吸光度峰将提高。在油类型、添加剂、降解类型等之间可见偏差。基础油的热降解在1740 cm-1下不显著，而是在1640-1600 cm-1处看到峰(硝化峰)。
剩余可用寿命评价程序(RULER)：RULER测量在矿物质和合成的基础油中抗氧化剂和抗磨添加剂的水平，因此该测试与氧化测量不直接相关，但是可在早期状态下指示即将出现的氧化问题。通过在小瓶中将油样品与溶剂和固体基材混合，进行测试，从而将抗氧化剂与油分离，接着使用电极测量。随后将测得的RUL值与相同品牌的新鲜的油的标准RUL值相比较。氧化导致添加剂耗减(降低RUL值)。通过监测添加剂耗减，可在早期状态下检测油降解。
膜片比色法(MPC)测试：使用0.45 μm硝基-纤维素片从油样品提取不溶性沉积物，真空过滤，石油醚作为溶剂。让膜干燥，使用手提分光光度计分析片的颜色。结果按ΔE值报道。对测量的ΔE值的解释分为4种严重性范围：正常范围：ΔE < 15，监测范围：ΔE 15-30，异常范围：ΔE 30-40，和临界范围：ΔE > 40。
定量分光光度计分析(QSA)：该测试与MPC测试类似。使用0.45 μm硝基-纤维素片从油样品提取不溶性沉积物，真空过滤和溶剂。让膜干燥，测量片的颜色。1-100的评分指示润滑剂形成淤浆和清漆的倾向。
旋转压力容器氧化测试(RPVOT)：RPVOT分析测量当在压力下于升高的温度在填充有氧的密封的室中暴露于加速氧化时，油的氧化稳定性。将样品放置在具有抛光铜盘管的容器中。容器随后充入氧，并且放置在150℃的恒定温度的浴中。当油吸收氧时，在密封室中的压力下降。结果按照实现压降至预定水平所需的时间(分钟)表示。
附图标记
Claims (17)
1. 用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的方法，所述方法包括以下步骤：
—接受降解油入口流(1，1a，1b)，
—通过冷却所述降解油至沉淀形式和通过保持所述降解油在沉淀形式经过一定停留时间，从所述降解油沉淀油溶性降解产物，
—使经冷却的降解油作为过滤流(3，3a，3b)通过过滤器(104，204，304)，以在所述过滤器中保留沉淀的降解产物，和
—排放清洁过的油的出口流(2，2a，2b)。
2. 权利要求1的方法，其中在过滤前冷却所述降解油包括
—将所述过滤器下游的油冷却至所述入口流中的降解油的温度以下，
—在所述过滤器下游的分支点(207，307)处，将所述过滤流分开成为通过所述出口排放的出口流和再循环流(6，6a，6b)，
—将所述再循环流进料返回至所述过滤器上游的重组点(208，308)，和
—将所述再循环流与所述入口流重组。
3. 权利要求2的方法，其中在所述分支点和所述重组点之间的再循环流中实施冷却所述过滤器下游的油。
4. 前述权利要求中任一项的方法，其中将所述入口流的降解油冷却，以将一种或多种所述降解产物在所述降解油中的溶解度降低到存在于所述降解油中的一种或多种降解产物的浓度以下。
5. 前述权利要求中任一项的方法，其中在过滤前将所述降解油冷却至的沉淀温度低于20℃，或者低于15℃，或者低于10℃，或者低于5℃，或者低于0℃，或者低于-5℃，或者低于-10℃，并且其中在过滤前的所述沉淀温度保持在倾倒点以上，或者比倾倒点高5℃以上，或甚至比倾倒点高10℃以上。
6. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述方法还包括预冷却所述降解油的步骤，其中在通过冷却所述降解油从所述降解油沉淀油溶性降解产物的步骤之前发生预冷却。
7. 权利要求6的方法，其中所述入口流中预冷却的油的温度保持在一定温度，在该温度下，所述降解产物在所述降解油中的溶解度超过存在于所述降解油中的降解产物的浓度。
8. 权利要求6或7的方法，其中预冷却包括借助换热器(210，310)将热量从所述入口流传递至所述出口流。
9. 前述权利要求中任一项的方法，所述方法还包括控制所述入口流的入口流速，控制所述过滤流的过滤流速以使所述经冷却的降解油通过所述过滤器，和/或控制所述再循环流的再循环流速。
10. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述方法适用于具有一定总油体积的机构，并且其中每小时清洁的油的体积为该机构的总油体积的0.05%-5%，优选0.1%-2%。
11. 前述权利要求中任一项的方法，所述方法还包括控制所述停留时间，优选响应所述入口流中油的污染水平和/或响应所述出口流中油的污染水平。
12. 用于清洁包含油溶性降解产物的降解油的系统，所述系统(100，200，300)包含
—用于接受降解油入口流(1，1a，1b)的入口(101，201，301)，
—用于排放清洁过的油的出口流(2，2a，2b)的出口(102，202，302)，
—连接所述入口和所述出口的过滤分支(103，203，303)，所述过滤分支包含过滤器(104，204，304)，其布置为使得过滤流(3，3a，3b)在过滤流速下以从所述入口到所述出口的方向通过所述过滤器，和
—用于冷却(105，205，305)所述降解油至沉淀形式的装置和用于在过滤前将所述降解油保持在沉淀温度下经过一定停留时间的装置，以引起溶解于所述油中的降解产物沉淀和在所述过滤器中保留沉淀的降解产物。
13. 权利要求12的系统，所述系统还包含
—再循环分支(206，306)，其从所述过滤器下游布置的分流元件(207，307)延伸至所述过滤器上游布置的并流元件(208，308)，其中所述分流元件适于将所述过滤流分开成为所述出口流和再循环流(6，6a，6b)，其中所述再循环分支适于使所述再循环流以从所述分流元件到所述并流元件的方向通过，并且其中所述并流元件适于将所述入口流与所述再循环流合并，并且将合并的流作为过滤流通向所述过滤器元件用于过滤，并且其中
—所述冷却装置包含在所述过滤器下游布置的冷却器(205，305)，以将所述再循环流冷却至低于并流器处的入口流的油温度的温度。
14. 权利要求13的系统，其中所述冷却装置布置在再循环分支中。
15. 权利要求13-14中任一项的系统，其中在所述并流器中提供混合增强装置(309)。
16. 权利要求12-15中任一项的系统，所述系统还包含预冷却装置(210，310，311)，用于预冷却在所述入口处接受的油，其中所述预冷却装置优选包含换热器(210，310)，用于将热量从所述入口流传递至所述出口流。
17. 权利要求12-16中任一项的系统，所述系统还包含用于控制所述入口流()的装置(112，212，312)、用于控制所述过滤流()的装置和/或用于控制所述再循环流()的装置(313，314)，其中用于控制所述入口流和/或所述过滤流和/或所述再循环流的所述装置优选包含泵送装置(112，212，312，314)和/或恒温器控制阀(313)和/或偏置单向阀。
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