CN1051056A - 净化油的改进方法 - Google Patents

Abstract

对被气和/或挥发性液体所污染的油进行加热， 上述污染物为轻质烃、酸性气体和水，然后使上述被 污染的油穿过一喷气压缩机停留室装置，对其进行处 理，在上述处理装置中使被污染的油与空气或惰性气 体相接触，在此过程中有热量和质量传递，其中污染 物从油相传递到气相，然后将上述混合物在分离柱中 急聚蒸发，空气或呈惰性气体与油相分离，并夹带着 挥发性污染液体和气体排出。净化后的油从分离柱 底部回到贮油罐中。

Description

本发明涉及一种去除油中污染液体和气体的方法和设备，该污染液体相对于油来说其蒸汽压常常较高，它即可以以独立的液相存在，也可以溶解在油中，但污染气体常常溶于油中。

油在与较少量的污染液体如水相接触时，会将该污染液体溶解和吸收，并达到油的饱和状态。超过饱和溶解度的污染液体便在油中形成独立的液相，当污染液体是水时，该游离水被称为第二液相。

根据亨利定律，与气体（包括水蒸气）相接触的油常常将该气体溶解。

无论是被溶解的液体，还是气体都会给油和与油接触的设备带来麻烦。

润滑油和密封油中的主要污染物是水。然而，上述油还可以溶解并吸收硫化氢、氧、烃类和其它有机化合物，如酒精、醛类、酮类等等，并且在油中形成独立的液相。

污染物可以通过几种作用方式对润滑油产生不利的影响。例如，如果油吸收了上述化合物以后，油的粘度便会下降，对油产生有害的影响，从而影响油对机械中运动的或承载的表面的润滑能力。如果油的粘度变小了，通常会使机械表面起防护性的润滑油膜的厚度减小，增加了金属与金属间的接触，这样就会增加磨损，使机械性能变差。

除了粘度的影响以外，水和硫化氢、氰化氢等酸性气体会腐蚀与它们所接触的表面。腐蚀的颗粒会使金属表面剥落，并且在金属表面摩擦时增加磨损。

水和挥发性气体通过另一种作用方式对金属表面产生侵蚀，这种对金属表面的侵蚀是通过快速汽化产生的。当含有挥发性气体的润滑油穿过和处于轴承、齿轮和其它高负荷的表面之间时，该油便会被加热，从而产生突然汽化，由此使穿过上述表面的油和气体的速度迅速增加所造成的侵蚀，就是人们常常说的气蚀。

绝缘油常常会被水污染，这种水以气态的形式进入油中，并被油所吸收，被吸收的水会使油的介电常数降低，从而导致变压器失效，另外在极端状态下，由于变压器流体的击穿和汽化，还会导致爆炸。

液压油常常会因以水蒸汽形式进入贮存容器中的水而遭受污染。溶解的水会对液压系统内部产生腐蚀。

食用油，一般为植物油，也含有溶解的水。这种溶解的水是在工厂提炼过程中进入油中的，还有在油的贮存过程中，来自空气中的水蒸汽凝结也可进入油中。上述油、溶解水和游离水均含有氧，油中的水会使氧与油发生反应，产生氧化作用，从而造成油的酸败，并使作为食用的油变质。为此，人们常常要向食用油中加入抗氧化剂。这种抗氧化剂是一种化学药品，它能阻止油中的氧和/或水对油中的氧化部分的氧化反应。如果不加这种抗氧化剂，食用油就会迅速变质，而不适于人们食用。

为了克服上述问题，水是一种应从油中去除的主要污染物。水是以下列形式的各种各样的组合存在的：

游离水，它作为油的独立相存在，并且在静置时可以分离出来。乳化水，尽管它是以独立相的形式存在的，但它如此精细地弥散，以致于没有足够大的表面张力从静置状态自由沉降出来。一般说来，乳化水不能通过纯机械的方法从油中分离出来。

溶解水，它在油中以溶液形式存在，它是油相中的组成部分，不能通过机械的方法去除（如静置、过滤或离心分离）。溶解水可以达到饱和状态，其饱和度因油的种类和温度的不同而不同。一旦达到了饱和溶解度，油就不能再接纳溶解水了，剩余的水以游离水和/或乳化水的独立相形式出现。

除了来源于气相而被油吸收的水污染之外，油还会被渗漏到油系统中的液态水所污染，尤其是在液压和润滑系统中，因为这些系统一般都是用水来冷却的。当来自油上方的空气中的水凝结时，特别是在储油罐紧靠蒸汽涡轮机或蒸汽出口的情况下，水就会进入这些系统中。因此，为了避免给润滑系统和它所保护的机械造成灾难性的事故，对于这些有严重污染的系统来说，就需要大量地去除水。

水的污染浓度可以从百万分之几百到百万分之几千，有些润滑系统中还会周期性地出现油中的水高达10%的严重污染情况。

在油中，水的浓度的理想标准是小于油在一定温度下的饱和溶解度，例如，多数润滑油都是在30℃～80℃温度下工作的。在30℃时，通常油中水的饱和溶解度为100ppm，而在80℃时，水的饱和溶解度为500ppm。然而，如果在供给轴承或齿轮的油中水的浓度小于百万分之100，那么多数润滑油则具有优良的性能。如果油中水的浓度小于50ppm，那么该油中肯定没有游离水存在，并且有吸收任何与该油相接触的液态水或水蒸汽的能力，当水的浓度这样低时，水不容易使油的粘度改变，或造成腐蚀或侵蚀。

经济上可能的净化技术设备有其目的在于去除游离水的聚结器，离心分离器和过滤器，前两者不能去除溶解的或乳化的水。此外，经济上可能的过滤器，可以使游离水聚结，从而除去水，但是它不能去除溶解的水和溶解的气体，并且只对去除固体污染物才有效。

真空脱水机能去除各种形式的水和溶解气体，然而，该设备不仅复杂、体积大，还造价高，而且该设备也很难用于小型系统，通常认为该设备只对较大的复杂系统才是可行的。

简言之，已有技术中的设备，对于去除大多数污染物都具有一定的局限性，除真空脱水机以外，所有的设备只能去除游离水。虽然真空脱水机能够去除游离的、乳化的和溶解的水以及溶解气体，但它却有体积大，造价高和效率低的缺点。

在澳大利亚第71431/81号专利说明书中，Shell公司指出，可以在塔板式或填料塔中，通过惰性气体与密封油的对流，进一步精炼密封油，其中该密封油处于预定的一定压力和20℃～120℃的温度下。在美国第4146475号专利说明书中Forselard指出，油中的挥发性液体污染物不用提供载体或汽提气体，只用急骤蒸发的方法就可以去除挥发性的污染物。

同样，在美国第4261838号专利说明书中Halleron指出，在真空条件下，使加热的油中的污染物急骤蒸发，不用提供汽提剂，就可以从物理上去除挥发性污染物。

在美国第3977972专利说明书中Bloch和Calwell指出，在一通有空气或氮气的柱中，在一定压力下，使空气或氮气穿过油，使密封油得到净化和精炼。为了达到其目的，根据Bloch和Calwell所提供的数据，气体与液体的体积比大致在900∶1～1800∶1之间。然而，根据本发明的优秀的混合及温度控制方法，可使上述体积比大致降到3∶1～9∶1。

在澳大利亚第554116号专利说明书中，Russo指出可以在填充有填料的闪蒸室中，利用干空气或惰性气体将污染物汽提出来，从而去除油中的污染物。虽然他给出的四个实施例中的一个有氮气泵/进料混合器，但是显然，为了质量传递提供足够大的表面积，而需要在闪蒸室中装填填料，该泵/进料混合器的接触效率并不很高。

以上已有技术中所述的精炼方法与本发明所述的方法和设备相比，不仅效率低，和/或体积大。

从Shell和Russo公开的说明书可知，他们的方法需要塔板和/或填料，而且还需要使油和空气或惰性气体进行逆流接触。而在本发明中，由于即不需要塔板，也不需要填料，所以上述条件一个也不需要。本发明的方法和设备是使空气或惰性气体与油同向流动。

在公开的Bloch和Calwell的说明书中指出，对于流速为1伽/小时的密封油来说，在每平方英尺的横截面上，需要2～4杯准立方英尺/分的空气或惰性气体，这说明空气或惰性气体与油的比在900∶1～1800∶1之间，而相比之下，本发明的空气或惰性气体与油的比值在3∶1～9∶1之间。上述采用汽提方法的所有专利说明书中均要求在高于大气压的条件下供给汽提介质（空气或惰性气体），而本发明的介质即是被吸入的。

对于润滑油来说，本发明与已有技术相比另一特点在于，将喷气压缩机与停留室结合成单一的小型部件，这样就使油均匀地弥散于气相中，并在最佳的周期时间内维持上述状态，以保证进行最大的质量和热量传递。本发明的方法能够有效地去除微小的表面活性污染物，而该污染物是在油的加热分解中形成的，在一般过程中，该污染物会遗留在油中，并会使水与油发生乳化，与上述已有技术相比，本发明不仅可以去除挥发性液体和气态污染物，而且还能通过去除表面活性污染物，消除油的乳化作用。

本发明的目的在于提高油与惰性气体或干空气的混合效率，取消要使惰性气体或空气处于高于大气压力的条件，并提高使用热交换器方法的净化效率。即使满足了上述所有要求时，本发明的方法仍然是简单、容易操作的。

本发明提供了一种简单小型的设备（即喷气压缩机停留时间室）。它将喷气压缩机的吸气、混合和压缩的功能与停留时间室结合为一体。在本发明的设备中，高粘度的油将惰性气体或空气吸进喷气压缩机中的混合室，在该混合室中利用很大的剪切力将油和惰性气体或空气充分混合在一起，从而在气流中形成均匀的油雾。紧靠混合室后边的是喷气压缩机的压力恢复区，在这里混合物的压力被增大，然后进入本发明设备的停留时间区，在该区内确定好了时间周期，有足够的时间使油滴的精细弥散相与周围空气或惰性气体相进行质量和热量传递。采用这种方式，可以使接触效率及随后进行的油中污染气体的汽提效率相对于Russo提出的已有技术有很大的提高。

与其它的混合设备，如填料塔或闪蒸柱等相比，使用喷气压缩机/停留时间管或室的优点在于，仅在一台设备中就可以对汽提用的惰性气体或空气进行吸入和压缩，并可使惰性气体或空气与油充分混合，这样在油中的水和污染气体与空气或惰性气体相中的污染气体或水蒸汽就会迅速达到平衡状态。利用本发明的设备，当油和气的混合物进入和离开停留时间室时，油可以充分和自由地弥散于空气或惰性气体相中，与此同时，在分离或闪蒸塔中，空气或惰性气体可以均匀地弥散于油相中，每升油中含数百万个微小的气泡。这样在一个单独的小型设备中，就可使水或污染气体从油相传递到惰性气体或空气相的质量传递效率达到95%～100%。

由于在喷气压缩机停留时间室中，热量传递和质量传递可以进行得很快，这样就可以利用较高的温度来提高质量传递的效率，并且不会对油造成不利影响，因为油在高温下只停留很短的时间。

由于主要效果是由于使用喷气压缩机停留时间室带来的，因此利用两种作用（快速热量/质量传递和温度）的协同作用是可行的。

本发明的设备，可以使闪蒸塔中的压力维持在最低状态，最好是大气压，从而就可提高空气或惰性气体携带污染物的能力。同时，设备中的喷气压缩机将气体吸入并对其压缩，使得无需添加高压源来的空气或惰性气体便可实现混合。另一方面，空气或惰性气体可以被加压到足够大的压力，以便使油在足够大的压力下排放到闪蒸室中，在不需另设二级泵的情况下，进行后续的油的处理过程，或者在无需压缩机的条件下，进行湿润气体的后续处理过程。

为了更清楚地理解本发明，可参照附图，其中图1为喷气压缩机停留时间室部件的详图;图2是本发明整体流程的简图;图3是本发明流程的详图，其目的在于提高其热效率，以及使本发明与复杂的机械更为密切地联系起来。

图1和下面的文字说明描述了喷气压缩机停留时间室部件的一个实施例，本发明所有的实施例都有该喷气压缩机停留时间室，图2～6以及后面的文字说明描述了整体发明的实施例。处于高压和高温下的油通过喷嘴（11a）进入喷气压缩机（11）中，这时在空气或惰性气体入口区域（11b）产生了一个低压区，使得空气或惰性气体被吸进喷气压缩机中。当空气或惰性气体进入混合室（11c）和喷气压缩机的压力恢复区（11d）中时，便与油充分混合在一起。在停留时间室（12）中，油滴在空气或惰性气体相中处于均匀弥散状态。停留时间室的大小要使得弥散体保持稳定，并能提供足够的停留时间以保证热量和质量传递率能够达到95%～100%，质量传递是指水或污染物从油中传递到空气或惰性气体相中。实际上这就需要这样一个横截面面积，对应于停留室中的0.03～0.4秒的停留时间，速度为0.5～21m/sec。

参见图2～6，来自储油罐（1）中的油通过管路（2）输送到泵（3）中，此处最好采用齿轮泵，但是采用其它合适的油泵也可以。在预定的压力下，该油泵通过排放管路将油排出。上述预定压力对于处理过程来说应是最有效的，并可显示在压力表（4）上。接着油进入过滤器（5）进行过滤，应选择那些适合杂质负荷以及要净化油的性质的过滤器，所选择的过滤器要使其能够去除粒径为1～300微米的固体颗粒，当然最好是粒径为10～125微米的颗粒，过滤器的主要目的在于去除那些会弄脏后续设备的杂质。

从过滤器中出来的油进入热交换器（6）中，该热交换器由蒸汽（8）加热，该蒸汽（8）通过可变化的喷嘴（7）进入热交换器中，然后，该蒸汽冷凝物排放到蒸汽收集器（9）中。另一方面，热交换器也可通过电来加热，从热交换器中排出的油进入喷气压缩机（11）中，在这里油因经过喷气压缩机的喷嘴后，其压能被消耗了。

在喷气压缩机中所消耗掉的压能将来自气源（19）的空气或惰性气体吸入喷射压缩机中，并与从喷嘴（11a）喷出的油充分混合在一起，经喷嘴所损耗的压能最小值最好为420KPa，但又能高到实际情况要求的值（通常为1200KPa的量级），充分混合的油和空气或惰性气体经喷气压缩机排入停留时间室，该停留时间室紧挨着喷气压缩机（12）。经过停留时间室的油/气混合物进入分离或闪蒸柱（14），为了使污染气体的去除效率达到最大值，该闪蒸柱一般在大气压力下运行，在分离柱中气相从液相中分离出来，空气或惰性气体与水和污染物体达到饱和，从而将上述水和污染气体夹带走。油相从污染物质已被减少的塔底排出，而气相则由出气口（13）从系统中排出。在柱的内部设有温度测量装置（10），它即可以接通一个自动控制器，用来控制前面的热交换器（6），也可以由设备操作人员来操纵，用手来建立热交换条件。

油通过密封管（17）排出分离柱，密封管线的尺寸要选择得使气相与液相是隔离的，使回到油箱或贮油罐中的油所夹带的气体的量最少。此外，密封管线的直径要足够大，使分离柱在不需要泵的情况下，能自行将油排出。

为了防止密封管线出现虹吸，以及夹带气体，要在密封管线的顶部与分离柱的出气口之间安装一个小型的管状真空止回阀（16）。为了使分离柱能自行将油排出，规定其出口喷嘴（15）在贮油罐上方的高度要最小。高出贮油罐的距离是由油的粘度、温度和密度等性质以及回流管线（18）的直径来确定的。

涉及复杂的润滑油或其它油系统的大型系统以及需要回收热量的大型系统，尽管需要添加许多辅助设备，但是只利用一个移动部件-进料泵，辅助设备仍能够使整个过程是简易的。参见图3和4，在出流管线（18）上添加一个流出液交换器（22），这样就能够综合和充分地利用热能。

设置在分离柱出口管线上的压力控制阀和控制器（20）可以使喷气压缩机在分离柱内产生足够大的压力，该压能用来迫使流体通过流出液交换器，并且可以控制分离桂中的液面。实际上分离柱的液面是由位于分离柱附近的液面控制器和控制阀（21）来控制的。如果分离柱在高于大气压的条件下运行，污染物的去除效率就会降低。但是这会从流出液交换器所提供的热效率中得到部分补偿，而且这样做会使本发明的设备体积减小，造价降低。

图4表示的是另一个实施例，在该实施例中，闪蒸塔的排放管线上增加了第二个喷气压缩机，该喷气压缩机插在流出液交换器与贮油罐之间，利用单个进料泵（3）排出的流体来驱动喷气压缩机，它再将油从闪蒸塔中吸出，并将其打回到油罐中，闪蒸塔的液面由控制阀来控制，然而在这种情况下，闪蒸塔能够在大气压条件下运行，并且可以达到只有在低压条件下运行才能获得的高的污染物去除效率。上述高效率之所以在低压条件下才能得到是因为污染物的蒸汽压较低，而低压条件有助于从油相向惰性气体或空气中的质量传递。

如果想要节省惰性气体的话，则可以将本发明的设备设计成如图5所示的闭合回路。通过热交换器（24）中的冷却水或制冷剂的冷凝作用，使污染物在闪蒸塔出气口外面冷凝，并且在冷凝后的污染物分离柱（26）中将冷凝后的污染物去除，通过自动排放管（27）将污染液排走，而上面的干空气则进入喷气压缩机（11）的气体入口被连续循环使用。采用这种方式所需要的惰性气体的量将会大大降低，如果所使用的惰性气体，一般为氮气，价格昂贵的话，该方法更是具有极大的优越性。本发明的实施例中还设有二极泵（28），该泵可以使喷气压缩机起动，使分离柱（26）保持在真空状况下，这样就能进一步提高循环气体夹带污染物的效率，并且提高了难于去除的污染物如高沸点烃的去除效率。

图6描述了一种带有二极泵（28）的设备，该二极泵将去除了污染物的油打回到油罐中。在这种情况下，可以采用齿轮泵，因为该泵额定功率比进料泵（3）要高些。该设备不需要如图4和5所示的液面控制器和控制阀（21）。在图6中还设有热交换器（30），该热交换器（30）用来加热空气或惰性气体，从而提高空气或惰性气体的热量传递效率，而且对于对温度太灵敏的油，还能降低油的温度。

在所有情况下，所建造的设备最好都采用防腐材料，如不锈钢，以保证设备不会给油系统带来污染物。

Claims (19)

1、一种油的净化设备，上述油为被水和/或溶解燃料和/或溶解气体污染的润滑油、密封油，液压油或绝缘油，该设备包括一个喷气压缩机与停留时间室的组合装置，在上述室中，在预定的温度、压力和清洁度的条件下，使空气或惰性气体如：氮气与上述油充分混合在一起，在温度不断升高的情况下，使其在预定的时间内相接触，然后在分离或闪蒸柱中，上述气体从油相中分离出来，这样分离出的气体不仅可以使污染物达到饱和，而且可以使其饱和度达到理论值的95%～100%，从而使油得到净化，上述净化后的油通过分离柱的底部进入贮油罐中，而污染物随气体一起从分离柱的顶部排出。

2、如权利要求1所述的设备，其特征在于，在喷气压缩机与停留时间室组成的装置中，利用空气或惰性气体进行汽提去除油中的挥发性污染物，无需使用常规的板式或填料柱或室。

3、如权利要求1或2所述的设备，其特征在于油是在热交换器中加热的，该热交换器在喷气压缩机的前面。

4、如权利要求1～3中任何一项权利要求所述的设备，其特征在于净化后的油是在高于大气压力的条件下，在有分离室的进料/出流交换器中被冷却的。

5、如权利要求1～3中任何一项权利要求所述的设备，其特征在于采用一个液体喷射泵将净化后的油打回到贮油罐中，此处上述过程应在远离贮油罐和/或低于油罐中液面的地方进行，并使分离柱中的工作压力为大气压。

6、如权利要求1～3中任何一项权利要求所述的设备，其特征在于采用一个机械泵将净化后的油打回到贮油罐中。

7、如权利要求1～3中任何一项权利要求所述的设备，其特征在于有一个重复使用气相的气相闭合循环回路，来更有效地利用净化油过程中的循环气体，并用泵将净化后的油打回贮油罐中。

8、根据权利要求1～7中任何一项权利要求所述的设备，其特征在于使用氮气或二氧化碳惰性气体去除食用油中的水和氧气等污染物，从而避免了氧化反应的发生，并大大降低了所需加入的抗氧化剂的剂量，或根本不需要加抗氧化剂。

9、根据权利要求1～8中任何一项权利要求所述的设备，其特征在于该设备与去除油中溶解的污染物如水、轻质烃类和气体的现有技术相比，体积小，而且造价低。

10、一种油的净化方法，该油是被水和/或溶解燃料和/或溶解气体污染的润滑油、密封油、液压油或绝缘油，该方法包括一个喷气压缩机与停留时间室的组合装置，在上述室中，在预定的温度、压力和清洁度的条件下，使空气或惰性气体如：氮气与上述油充分混合在一起，在温度不断升高的情况下，使其在预定的时间内相接触，然后在分离或闪蒸塔中，上述气体从油相中分离出来，这样分离出的气体不仅可以使污染物达到饱和，而且可以使其饱和度达到理论值的95%～100%，从而使油得到净化，上述净化后的油通过分离柱的底部进入贮油罐中，而污染物则随气体一起从分离柱的顶部排出。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，在喷气压缩机与停留时间室组成的装置中，利用空气或惰性气体进行汽提去除油中的挥发性污染物，无需使用板式或填料柱或室。

12、如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，油是在热交换器中加热的，该热交换器在喷气压缩机的前面。

13、如权利要求10～12中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于净化后的油是在高于大气压力的条件下，在有分离室的进料/出流交换器中被冷却的。

14、如权利要求10～12中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于采用一个液体喷射泵将净化后的油打回到贮油罐中，此处上述过程应在远离贮油罐和/或低于油罐中液面的地方进行，并使分离柱中的工作压力为大气压。

15、如权利要求10～12中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于采用一个机械泵将净化后的油打回到贮油罐中。

16、如权利要求10～12中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于有一个重复使用气相的气相闭合循环回路，用来更有效地利用净化油过程中的循环气体，并用泵将净化后的油打回贮油罐中。

17、如权利要求10～16中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于使用氮气或二氧化碳惰性气体去除食用油中的水和氧气等污染物，从而避免了氧化反应的发生，并大大降低了所需加入的抗氧化剂的剂量，或根本不需要加抗氧化剂。

18、一种去除油中污染物的设备，该设备包括喷气压缩机与停留时间室的组合装置，在该装置中，在预定的温度和压力条件下，使空气或惰性气体与被净化的油充分混合，经过预定的时间间隔，温度不断升高，然后在分离柱中将气体和污染物从油中分离出来。

19、一种净化油的方法，包括在停留时间室与喷气压缩机的组合装置中，在预定的温度和压力条件下，使空气或惰性气体与被净化的油充分混合，经过预定的时间以后，利用分离装置将气体和污染物从上述油中分离出来。

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