CN108531214B - 一种连续脱除燃油中溶解氧的装置及脱除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续脱除燃油中溶解氧的装置，其包括：外壳(2)；进液口(8)；排液口(3)；进气口(11)；排气口(9)；旋转轴(1)；圆盘(15)，所述圆盘(15)的上端面沿轴向固定布置多个侧壁有孔的动环隙筒(6)，所述动环隙筒(6)内填充有亲油性分散填料(14)；液体再分布管(4)。本发明还公开了使用所述的装置连续脱除燃油中溶解氧的方法。使用本发明的装置脱除燃油中的溶解氧，具有连续性好、处理成本低、脱除效果好的优点；可在室温下将燃油中的溶解氧脱除至10ppb以下。

Description

一种连续脱除燃油中溶解氧的装置及脱除方法
技术领域
本发明属于石油化工设备技术领域，具体涉及一种连续脱除燃油中溶解氧的装置。
背景技术
燃油中的溶解氧是热氧化反应的主要反应物，当燃料油自身温度达到420K后，燃油中的溶解氧将与油中的烃类化合物(尤其是芳香烃化合物)发生热氧化反应直到溶解氧消耗殆尽(420-650K)，该过程形成大量热氧化沉积物或结焦物。在航空航天领域，当航空煤油在换热器中与冷却空气进行换热时，随着温度升高热氧化进程逐渐加深，此时生成的热氧化沉积物会沉积在换热器内壁面，导致换热器传热阻力增大，降低了冷却效果，严重时还可能堵塞喷嘴、油滤等关键部件，影响飞机发动机的可靠运行。脱除燃油中的溶解氧是抑制热氧化反应的重要方法。常温下，RP-3煤油中的溶解氧浓度约为70ppm，Ervin等人研究认为，将初始溶解氧浓度降至5ppm以下的可以有效抑制热氧化结焦。
现在燃油中的溶解氧的脱除方法主要有两种：氮气脱氧及膜脱氧。氮气脱氧为经典的物理方法，该方法一般通过用惰性气体(通常为氮气)喷射燃料来去除燃料中的溶解氧；在使用氮气喷射的过程中，在扩散效应的作用下，溶解氧从高浓度区域迁移到低浓度区域，最终有效地将溶解氧从燃料中迁移到惰性气体中。但是该方法在应用过程中存在明显的缺陷。首先氮气脱氧法的连续性差，一般用于间歇脱氧，如实验室研究溶解氧脱除的效果评价或者是在燃油加注过程；其次要达到一定的脱氧精度需要持续地通入过量氮气，导致氮气与燃油的体积比为10～50，时间长、耗气多，脱氧装置体积庞大。
膜脱氧为联合技术研究中心的研究人员Spadaccini等人(2001)及Spadaccini和Huang(2003)开发的，该方法基于膜过滤器，其中富氧燃油在膜的一侧流动，惰性气体如氮气(在一些情况下是真空)施加在另一侧。膜两侧氧分压的差异导致溶解氧从燃油侧扩散到膜的另一侧。使用氮气作为净化气体，该膜系统能够将氧气去除到低于1ppm的水平。然而，这种技术也具有一些局限性，如膜污染严重、膜泄漏/破裂问题、维持真空所需的能量消耗大等；同时为了保证脱氧的精度，需要较高的燃油入口温度，要对燃油进行预热处理，增加了能量消耗。
现阶段燃油脱氧方面的相关专利数量不多，仅仅只有不到10篇，代表专利有“一种航空航天燃油在线连续脱水脱氧的方法”(专利公开号为：CN103816697A)、“防爆型燃油脱水脱氧装置”(专利公开号为：CN206304397U)及“一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法”(专利公开号为：CN106873361A)等。这些专利多使用一级或者多级静态管道混合器来加强燃油与氮气之间的混合效果。但是这些脱除燃油中溶解氧的方法存在以下问题：一方面氮气与燃油之间的接触面积不够充分，为了保证溶解氧脱除效果，常使用多级分离，增加了设备重量；另一方面由于氮气与燃油之间的接触会导致泡沫生成，而后续油气分离设备又会增加设备重量，且后续分离效果不佳会使得氮气中带油多。超重力技术及装置被应用于脱除废水、油田注水、锅炉水及食品饮料用水中的溶解氧，国内已有相关专利及文献报道，如“油田注水脱氧的方法”(专利公开号为：CN1064338)、“一种制备啤酒及饮料行业用脱氧水的脱氧装置”(专利公开号为：CN2578310)及“用超重力技术进行锅炉给水脱氧”(2002)。目前超重力技术及装置用于脱除燃油中的溶解氧还未见报道，并且燃油体系与水体系有着根本上的差异，燃油中的饱和溶解氧的数值要远远高于水中饱和溶解氧的数值，通常为水中饱和溶氧值几十倍甚至上百倍，用于脱除水中溶解氧的技术不能有效脱除燃油中的溶解氧，因此燃油脱氧要比水脱氧更加困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明第一方面公开了一种连续脱除燃油中溶解氧的装置，其包括：
外壳2，大致为密封的圆筒状；
进液口8，位于所述外壳2的上端面的中心位置；
排液口3，位于所述外壳2侧面的下部；
进气口11，位于所述外壳2侧面的中部；
排气口9，位于所述外壳2的上端面；
旋转轴1，其上端位于所述外壳2内，下端从所述外壳2的下端面的中心位置伸出，其上端水平固定布置有一圆盘15，所述圆盘15的上端面沿轴向固定布置有多个同心的侧壁有孔的动环隙筒6，所述动环隙筒6向上延伸且其内填充有亲油性分散填料14；
液体再分布管4，为管状；其下部侧壁有若干孔，其上端与所述进液口8连通，其下端伸入到所述圆盘15上端面且不接触。
优选地，其还包括：
气体再分布管12，其为有若干孔的片状，布置在所述进气口11内侧的外壳2内，其内侧面面向所述动环隙筒6的外侧面；
动密封结构13，固定布置在所述圆盘15与所述外壳2内侧壁之间；所述排液口3紧靠在所述动密封结构13的上侧。
优选地，所述亲油性分散填料14为环形填料、鞍形填料、鞍环形填料、球形填料、晶形结构填料、不规则填料、金属丝网形填料、带孔波纹板、脉冲填料、小型颗粒散装填料中的一种或几种。
优选地，其还包括：
上隔板10，大致为圆片状，其水平布置在所述外壳2内的上部，并与所述外壳2的内侧壁密封固定连接，其下端面沿轴向固定布置有多个同心的侧壁有孔的静环隙筒5，所述静环隙筒5向下延伸且其内填充有亲油性分散填料14；所述静环隙筒5与所述动环隙筒6同心交替布置；
所述液体再分布管4从所述上隔板10中心沿轴向伸入到所述环隙筒6的中心轴位置；所述液体再分布管4与所述上隔板10之间布置有丝网除沫器7。
本发明第二方面公开了一种连续脱除燃油中溶解氧的方法，使用前述的装置，步骤如下：
①启动旋转轴1带动环隙筒6旋转，然后将含有溶解氧的燃油通过进液口8通入液体再分布管4中，通过液体再分布管4上的孔喷向动环隙筒6内侧面，被旋转的动环隙筒6抛向外侧；
②将不含氧的气体通过进气口11通入气体再分布管12内，然后通过气体再分布管12上分布的孔喷向动环隙筒6的外侧面并通过所有动环隙筒6后进入到动环隙筒6的中心位置然后通过排气口9排出；
③含有溶解氧的燃油通过所有的动环隙筒6后与不含氧的气体充分接触脱除溶解氧后，通过排液口3排出即得到脱除燃油中溶解氧后的燃油。
优选地，所述动环隙筒6内填充有亲油性分散填料14。
优选地，所述亲油性分散填料14在所述动环隙筒6内的厚度为75～250mm，燃油进入所述进液口8的温度为室温，所述旋转轴1转速为200～5000r/min，所述外壳2内的表压为0.05～0.5MPa，所述不含氧的气体与所述含有溶解氧的燃油的体积比为1～5。
优选地，所述不含氧的气体为氮气或二氧化碳气体。
使用本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置的具体步骤如下：含有溶解氧的燃油通过进液口8进入液体再分布管4中，通过液体再分布管4上的均匀分布的孔喷向动环隙筒6，动环隙筒6随着转轴1带动的圆盘高速旋转，动环隙筒6内填充有亲油性分散填料14，含有溶解氧的燃油喷向动环隙筒6后，燃油被填料破碎成极小的液滴、液丝和液膜；同时从进气口11进入的氮气或二氧化碳气体通过气体再分布管12均匀喷向动环隙筒6，与破碎成极小的液滴、液丝和液膜的燃油充分接触，极大地增加了汽液的接触表面积，降低了燃油主体中的溶解氧向表面扩散的距离；当气液体积比为1～5时，可将燃油中的溶解氧含量快速脱除至10ppb以下。燃油通过所有的动环隙筒6后通过排液口3排出；氮气或二氧化碳气体通过所有的动环隙筒6与含有溶解氧的燃油充分接触后，带走燃油中的溶解氧，进入到动环隙筒6中心的轴的位置，再向上通过丝网除沫器7除沫后通过排气口9排出。
如果本发明的装置还有静环隙筒5，则静环隙筒5静止且填充有亲油性分散填料14，含有溶解氧的燃油喷向动环隙筒6和静环隙筒5后，燃油被填料破碎成的液滴、液丝和液膜尺度更小，如20～30μm；极大地增加了汽液的接触表面积，降低了燃油主体中的溶解氧向表面扩散的距离，则除氧效果更好，如需要的气液体积比更少，除氧时间更短，即可将燃油中的溶解氧含量快速脱除至10ppb以下。
本发明的有益效果：
1、本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置首次使用超重力脱氧装置脱除燃油中溶解氧，可将燃油中的溶解氧的含量快速脱除至10ppb以下。与传统脱氧方法相比，使用本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置脱除燃油中溶解氧无需加热、连续性好、处理成本低、脱除效果好。
2、燃油体系与水体系有着根本上的差异，燃油中的饱和溶解氧的数值要远远高于水中饱和溶解氧的数值，通常为水中饱和溶氧值几十倍甚至上百倍，用于脱除水中溶解氧的装置不能有效脱除燃油中的溶解氧，因此燃油脱氧要比水脱氧更加困难。本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置首次使用表面改行的亲油性分散填料，使燃油能均匀地分散在填料的表面及孔道内，创造性地解决了燃油在填料上分散不好、导致氮气或二氧化碳气体与燃油之间不能充分进行传质交换的问题。如燃油被亲油性分散填料破碎成的液滴、液丝和液膜的尺度更小，如20～30μm等，极大地增加了汽液的接触面积，除氧效果更好、更彻底。
3、本发明的装置由于燃油在亲油性分散填料表面的高延展性和分散性，燃油与逆流氮气之间的接触面积足够大，使得燃油与氮气之间能够充分传质，同时使用超重力使得燃油获得足够的动能，使得燃油与氮气能够有效地分离开来，避免氮气中夹带燃油液滴，即极大地提升脱氧效率，又使设备得以小型化、紧凑化，减小了设备重量负荷。
4、本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置设置有除沫器，解决了脱除燃油中的溶解氧后泡沫对气液分离带来不便的问题，提高了燃油除去溶解氧后气液分离的分离效率。
附图说明
图1为本发明实施例1和2的连续脱除燃油中溶解氧的装置示意图；
图2为本发明实施例3和4的连续脱除燃油中溶解氧的装置示意图。
附图标记：1-旋转轴；2-外壳；3-排液口；4-液体再分布管；5-静环隙筒；6-动环隙筒；7-丝网除沫器；8-进液口；9-排气口；10-上隔板；11进气口；12-气体再分布管；13-动密封结构；14-亲油性分散填料；15-圆盘
图中箭头A表示气体运动的方向；箭头B表示燃油的运动方向。
具体实施方式
下面的实例旨在说明本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置。
一种连续脱除燃油中溶解氧的装置，其包括：外壳2，大致为密封的圆筒状；进液口8，位于所述外壳2的上端面的中心位置；排液口3，位于所述外壳2侧面的下部；进气口11，位于所述外壳2侧面的中部；排气口9，位于所述外壳2的上端面；旋转轴1，其上端位于所述外壳2内，下端从所述外壳2的下端面的中心位置伸出，其上端水平固定布置有一圆盘15，所述圆盘15的上端面沿轴向固定布置有多个同心的侧壁有孔的动环隙筒6，所述动环隙筒6向上延伸且其内填充有亲油性分散填料14；液体再分布管4，为管状；其下部侧壁有若干孔，其上端与所述进液口8连通，其下端伸入到所述圆盘15上端面且不接触。其还包括：气体再分布管12，其为有若干孔的片状，布置在所述进气口11内侧的外壳2内，其内侧面面向所述动环隙筒6的外侧面；动密封结构13，固定布置在所述圆盘15与所述外壳2内侧壁之间；所述排液口3紧靠在所述动密封结构13的上侧。所述亲油性分散填料14为环形填料、鞍形填料、鞍环形填料、球形填料、晶形结构填料、不规则填料、金属丝网形填料、带孔波纹板、脉冲填料、小型颗粒散装填料中的一种或几种。
其还包括：上隔板10，大致为圆片状，其水平布置在所述外壳2内的上部，并与所述外壳2的内侧壁密封固定连接，其下端面沿轴向固定布置有多个同心的侧壁有孔的静环隙筒5，所述静环隙筒5向下延伸且其内填充有亲油性分散填料14；所述静环隙筒5与所述动环隙筒6同心交替布置；所述液体再分布管4从所述上隔板10中心沿轴向伸入到所述动环隙筒6的中心轴位置；所述液体再分布管4与所述上隔板10之间布置有丝网除沫器7。
使用本发明的装置连续脱除燃油中溶解氧的方法，步骤如下：
①启动旋转轴1带动环隙筒6旋转，然后将含有溶解氧的燃油通过进液口8通入液体再分布管4中，通过液体再分布管4上的孔喷向动环隙筒6内侧面，被旋转的动环隙筒6抛向外侧；
②将不含氧的气体通过进气口11通入气体再分布管12内，然后通过气体再分布管12上分布的孔喷向动环隙筒6的外侧面并通过所有动环隙筒6后进入到动环隙筒6的中心位置然后通过排气口9排出；
③含有溶解氧的燃油通过所有的动环隙筒6后与不含氧的气体充分接触脱除溶解氧后，通过排液口3排出即得到脱除燃油中溶解氧后的燃油。
所述亲油性分散填料14在所述动环隙筒6内的厚度为75～250mm，燃油进入所述进液口8的温度为室温，所述旋转轴1转速为200～5000r/min，所述外壳2内的表压为0.05～0.5MPa，所述不含氧的气体与所述含有溶解氧的燃油的体积比为1～5。
所述不含氧的气体为氮气或二氧化碳气体。
使用本发明的连续脱除燃油中溶解氧的装置的具体步骤如下：含有溶解氧的燃油通过进液口8进入液体再分布管4中，通过液体再分布管4上的均匀分布的孔喷向动环隙筒6，动环隙筒6随着转轴1带动的圆盘高速旋转，动环隙筒6内填充有亲油性分散填料14，含有溶解氧的燃油喷向动环隙筒6后，燃油被填料破碎成极小的液滴、液丝和液膜；同时从进气口11进入的氮气或二氧化碳气体通过气体再分布管12均匀喷向动环隙筒6，与破碎成极小的液滴、液丝和液膜的燃油充分接触，极大地增加了汽液的接触表面积，降低了燃油主体中的溶解氧向表面扩散的距离；当气液体积比为1～5时，可将燃油中的溶解氧含量快速脱除至10ppb以下。燃油通过所有的动环隙筒6后通过排液口3排出(图1和图2的箭头B所示)；氮气或二氧化碳气体通过所有的动环隙筒6与含有溶解氧的燃油充分接触后，带走燃油中的溶解氧，进入到动环隙筒6中心的轴的位置，再向上通过丝网除沫器7除沫后通过排气口9排出(图1和图2的箭头A所示)。
如果本发明的装置还有静环隙筒5，则静环隙筒5静止且填充有亲油性分散填料14，含有溶解氧的燃油喷向动环隙筒6和静环隙筒5后，燃油被填料破碎成的液滴、液丝和液膜尺度更小，如20～30μm；极大地增加了汽液的接触表面积，降低了燃油主体中的溶解氧向表面扩散的距离，则除氧效果更好，如需要的气液体积比更少，除氧时间更短，即可将燃油中的溶解氧含量快速脱除至10ppb以下。
对比例：使用传统氮气脱氧法，即不使用亲油性分散填料。航空煤油RP-3体积为10L，油温为室温，煤油中含氧量为70ppm，系统为常压，氮气通气速率为100ml/s，通气时间为15min。实验结果：航空煤油RP-3在排液口的氧含量为0.1ppm
实施例1：使用本发明的装置，装置无静环隙筒，动环隙筒为3个同心布置，如图1所示。航空煤油RP-3流量为1ml/s，亲油性分散填料厚度为100mm，进口油温为室温，含氧量为70ppm；旋转轴转速为500r/min，系统表压为0.1MPa，氮气通气速率为100ml/s，通气时间为15min。结果：航空煤油RP-3在排液口的氧含量为8ppb。
实施例2：条件同实施例1，使用不含氧的气体为二氧化碳气体。结果：航空煤油RP-3在排液口的氧含量为7ppb。
实施例3：使用本发明的装置，装置有静环隙筒，静环隙筒和动环隙筒各为3个，同心交替布置，如图2所示。航空煤油RP-3流量为1ml/s，亲油性分散填料厚度为100mm，进口油温为室温，含氧量为70ppm；旋转轴转速为500r/min，系统表压为0.1MPa，氮气通气速率为100ml/s，通气时间为5min。结果：航空煤油RP-3在排液口的氧含量为8ppb。
实施例4：条件同实施例3，使用不含氧的气体为二氧化碳气体，通气时间为5min。结果：航空煤油RP-3在排液口的氧含量为7ppb。
由实施例可知，当动环隙筒内填充有亲油性分散填料时，可以高效将航空煤油RP-3中的溶解氧脱除到10ppb以下；当使用的装置还含有静环隙筒，且静环隙筒内还填充有亲油性分散填料时，可以快速将航空煤油RP-3中的溶解氧脱除到10ppb以下。

Claims (7)

1.一种连续脱除燃油中溶解氧的装置，其特征在于，其包括：
外壳(2)，为密封的圆筒状；
进液口(8)，位于所述外壳(2)的上端面的中心位置；
排液口(3)，位于所述外壳(2)侧面的下部；
进气口(11)，位于所述外壳(2)侧面的中部；
排气口(9)，位于所述外壳(2)的上端面；
旋转轴(1)，其上端位于所述外壳(2)内，下端从所述外壳(2)的下端面的中心位置伸出，其上端水平固定布置有一圆盘(15)，所述圆盘(15)的上端面沿轴向固定布置有多个同心的侧壁有孔的动环隙筒(6)，所述动环隙筒(6)向上延伸且其内填充有亲油性分散填料(14)；
液体再分布管(4)，为管状；其下部侧壁有若干孔，其上端与所述进液口(8)连通，其下端伸入到所述圆盘(15)上端面且不接触；
气体再分布管(12)，其为有若干孔的片状，布置在所述进气口(11)内侧的外壳(2)内，其内侧面面向所述动环隙筒(6)的外侧面；所述外壳(2)内的表压为0.05～0.5Mpa；
动密封结构(13)，固定布置在所述圆盘(15)与所述外壳(2)内侧壁之间；所述排液口(3)紧靠在所述动密封结构(13)的上侧。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述亲油性分散填料(14)为环形填料、鞍形填料、鞍环形填料、球形填料、晶形结构填料、不规则填料、金属丝网形填料、带孔波纹板、脉冲填料、小型颗粒散装填料中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其还包括：
上隔板(10)，为圆片状，其水平布置在所述外壳(2)内的上部，并与所述外壳(2)的内侧壁密封固定连接，其下端面沿轴向固定布置有多个同心的侧壁有孔的静环隙筒(5)，所述静环隙筒(5)向下延伸且其内填充有亲油性分散填料(14)；所述静环隙筒(5)与所述动环隙筒(6)同心交替布置；
所述液体再分布管(4)从所述上隔板(10)中心沿轴向伸入到所述动环隙筒(6)的中心轴位置；所述液体再分布管(4)与所述上隔板(10)之间布置有丝网除沫器(7)。
4.一种连续脱除燃油中溶解氧的方法，其特征在于，使用如权利要求1-3任一所述的装置，步骤如下：
①启动旋转轴(1)带动环隙筒(6)旋转，然后将含有溶解氧的燃油通过进液口(8)通入液体再分布管(4)中，通过液体再分布管(4)上的孔喷向动环隙筒(6)内侧面，被旋转的动环隙筒(6)抛向外侧；
②将不含氧的气体通过进气口(11)通入气体再分布管(12)内，然后通过气体再分布管(12)上分布的孔喷向动环隙筒(6)的外侧面并通过所有动环隙筒(6)后进入到动环隙筒(6)的中心位置然后通过排气口(9)排出；
③含有溶解氧的燃油通过所有的动环隙筒(6)后与不含氧的气体充分接触脱除溶解氧后，通过排液口(3)排出即得到脱除燃油中溶解氧后的燃油。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述动环隙筒(6)内填充有亲油性分散填料(14)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述亲油性分散填料(14)在所述动环隙筒(6)内的厚度为75～250mm，燃油进入所述进液口(8)的温度为室温，所述旋转轴(1)转速为200～5000r/min，所述外壳(2)内的表压为0.05～0.5MPa，所述不含氧的气体与所述含有溶解氧的燃油的体积比为1～5。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述不含氧的气体为氮气或二氧化碳气体。
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