CN111589183A - 一种天然酯绝缘油吸附处理系统及天然酯绝缘油制备方法和应用 - Google Patents

一种天然酯绝缘油吸附处理系统及天然酯绝缘油制备方法和应用 Download PDF

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杨晶晶
赵斌财
黄明洁
黄学增
栾国军
金阿龙
王飞飞
徐克政
许建
王嘉雨
李金宝
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Abstract

本发明涉及一种天然酯绝缘油吸附处理系统及天然酯绝缘油制备方法和应用。包括石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置，石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置依次串联连接。将利用吸附处理和真空处理联合处理方法得到天然酯绝缘油。可以将天然酯绝缘油中的极性物质从油相中分离，从而提高天然酯绝缘油的绝缘性能。真空干燥技术是在低温低压下，将天然酯绝缘油中的结合水从油中分离。显著改善天然酯绝缘油的电气性能和化学性质。

Description

一种天然酯绝缘油吸附处理系统及天然酯绝缘油制备方法和 应用
技术领域
本发明属于环境友好类材料制备技术领域，涉及天然酯绝缘油吸附系统和基于吸附工艺和深度除水相结合的天然酯绝缘油制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着工业和商业规模的不断增加，用电量在不断的上升，变电站等输电场所的建设规模不断增加，因此，所用变压器的数量也随之增加。而当前变压器油主要是矿物油，矿物油虽然应用较广，但是矿物油燃点较低，耐水性较差，因此存在一定的安全问题，同时矿物油在土壤或河流中的代谢速度非常缓慢，一旦发生泄漏，将会对环境造成严重污染。因此随着环保要求的不断提高，传统矿物质绝缘油的使用受到越来越多的限制，因此需要其他类型的绝缘油对矿物质绝缘油进行替代，因此天然酯绝缘油替代矿物油是本领域研究的热点，天然酯绝缘油的制备工艺也就成为研究的难点问题。
天然酯绝缘油是将植物油经过一系列提纯等工艺转换为变压器油，天然酯绝缘油具有燃点高，不易着火，耐水性良好，因此使用安全性较高，同时天然酯绝缘油来源为植物油，可在自然界中快速降解，即使变压器发生泄漏，也不用担心环境问题，同时天然酯绝缘油对变压器内绝缘纸具有一定的保护效果，总体而言，天然酯绝缘油将延长变压器的使用寿命。
天然酯绝缘油中含有的结合水较难去除，并且现有的天然酯绝缘油制备工艺不能达到提高天然酯绝缘油的绝缘性能。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种天然酯绝缘油吸附处理系统及天然酯绝缘油制备方法和应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种天然酯绝缘油的吸附处理系统，包括石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置，石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置依次串联连接，石英砂吸附装置的内部装填石英砂，分子筛吸附装置的内部装填分子筛，氧化铝吸附装置的内部装填氧化铝。
发明人发现，极性物质是影响天然酯绝缘油绝缘性能的关键性能，本发明中提出了一种吸附剂，可以将天然酯绝缘油中的极性物质从油相中分离，从而提高天然酯绝缘油的绝缘性能。
第二方面，一种天然酯绝缘油的吸附处理方法，将植物油依次利用石英砂、分子筛和氧化铝进行吸附处理。
第三方面，一种天然酯绝缘油的制备方法，具体步骤为：将植物油先经过上述的吸附处理，然后进行真空干燥处理。
发明人发现，天然酯绝缘油中的水分多以结合水形式存在，利用吸附的方式较难将结合水去除，真空干燥技术是在低温低压下，将天然酯绝缘油中的结合水从油中分离，不仅可以降低天然酯绝缘油中水分的含量，而且在低温下，天然酯绝缘油不会发生化学性质的变化，避免因处理工艺对天然酯绝缘油造成二次污染。本发明提出了一种同时利用吸附和真空干燥的处理步骤制备天然酯绝缘油的方法。
第四方面，一种天然酯绝缘油的制备系统，包括上述的吸附处理系统和真空干燥装置。
第五方面，上述制备方法得到的天然酯绝缘油。
本发明得到的天然酯绝缘油，水含量较低，杂质深度去除，使用稳定性好，不对植物油本申请性质产生较大变化。
第六方面，上述天然酯绝缘油在输电设备领域中的应用，优选为变压器设备。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述天然酯绝缘油制备过程所应对的植物油来源广，可将大豆油、棕榈油、葵花籽油、菜籽油等多种天然植物油转化为符合使用要求的变压器油，无论是化学性质还是电气性能均可达到天然酯绝缘油使用标准。
(2)本发明所述天然酯绝缘油吸附工艺，吸附剂性质稳定，不会对油造成非必要的污染，在去除杂质的同时，不会向油中引入新的杂质。同时吸附剂可用有机溶剂，如乙醇、甲醇等进行冲洗，烘干后可进行反复使用，不会形成固体废弃物。
(3)本发明所述天然酯绝缘油真空干燥工艺，在较低温度下可明显降低天然酯绝缘油中结合水的含量，对多种植物油来源的天然酯绝缘油均有良好的除水效果，可将天然酯绝缘油的水含量控制在40mg/kg以内，有效避免因水含量较高而引起天然酯绝缘油品质下降的问题。
(4)本发明所制备天然酯绝缘油由于将油中多种杂质深度去除，因此油品不易被其它杂质影响而发生性质变化，因此展现出较高的稳定性，可在70～90℃范围内保持绝缘油本身的化学特性和电气特性，特别是酸值、含水量等化学指标和耐压、介损等电气指标没有明显变化，维持在相同水平。
(5)本发明所述天然酯绝缘油，对植物油进行的改性工艺较少，不会对植物油本身性质产生较大变化，因此制备的天然酯绝缘油生物可降解性强，使用安全性高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的天然酯绝缘油制备系统图；
其中，1.原油储罐，2.石英砂吸附装置，3.分子筛吸附装置，4.氧化铝吸附装置，5.真空干燥装置，6.混合装置，7.封装装置，8.抗氧化剂加入装置。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种天然酯绝缘油的吸附处理系统，包括石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置，石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置依次串联连接，石英砂吸附装置的内部装填石英砂，分子筛吸附装置的内部装填分子筛，氧化铝吸附装置的内部装填氧化铝。
本发明的对天然酯绝缘油的处理主要靠吸附原理，同时氧化铝吸附剂为粉末状，也有一定的过滤作用，吸附过程的原则通常为先用抗污染性较强的吸附剂置于工艺前端，吸附效果好但是不抗污染的吸附剂放在工艺最后，石英砂和分子筛是颗粒状，氧化铝是粉末状，抗污染性能为石英砂>分子筛>氧化铝，因此粉末状吸附剂放在最后，石英砂和分子筛可优先吸附其它含量较高的杂质，最后再用氧化铝粉末，若直接选用氧化铝吸附剂，不仅氧化铝使用寿命有限，若直接使用氧化铝吸附剂，则容易出现板结情况。同时后续两个吸附单元发挥效果也大打折扣。现有技术利用精密滤芯处理天然酯绝缘油，原理为利用滤芯过滤天然酯绝缘油，不具有足够的吸附效果，不能深度去除其中的极性物质。
石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置可以理解为一些含有空腔的结构，内部装填物料，然后植物油经过进行吸附处理，比如吸附柱。
三个吸附装置之间通过泵实现导流。在每个吸附装置内的流动方式为自然下流，如遇到植物油黏度较大的情况，可采用真空泵引流的方式，促进吸附处理方法对植物油的处理过程。
在本发明的一些实施方式中，石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置内部的装填体积量相同或不同。
在本发明的一些实施方式中，石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置内部的填装层的高度为40-60cm，直径为3-10cm，；优选的，填装层的高度为48-52cm，直径为4-6cm；进一步优选，填装层的高度为50cm，直径为5cm。
第二方面，一种天然酯绝缘油的吸附处理方法，将植物油依次利用石英砂、分子筛和氧化铝进行吸附处理。
在本发明的一些实施方式中，石英砂包括普通石英砂，精制石英砂，高纯石英砂和熔融石英砂中的一种或多种；优选为精制石英砂。精制石英砂是天然石英矿石经过处理得到的。高纯石英砂是二氧化硅含量为99.9-99.99％的石英砂。熔融石英砂为以高纯度石英作为原料，通过电熔方法生产得到的石英砂。
在本发明的一些实施方式中，分子筛为包括ZSM-5分子筛，5A分子筛和钠Y型分子筛中的一种或多种；优选为ZSM-5分子筛。
在本发明的一些实施方式中，氧化铝包括γ氧化铝(γ-Al2O3)、β氧化铝(β-Al2O3)、α氧化铝(α-Al2O3)中的一种或多种；优选为β氧化铝。
在本发明的一些实施方式中，石英砂的粒径分布为0.1-0.25cm。
在本发明的一些实施方式中，石英砂、分子筛、氧化铝在装填前进行加热预处理，预处理的温度为60-80℃，加热预处理的时间为8-12h；优选的，预处理的加热温度为70-80℃，预处理的时间为8-10h。加热预处理主要是对石英砂、分子筛、氧化铝的进行干燥处理，去除吸附剂的结合水分。
本发明的吸附预处理在常温下进行，装填料(石英砂、分子筛、氧化铝)在加热预处理并保持干燥的条件下降温后再进行装填。
本发明的天然酯绝缘油吸附处理处理方法，可充分吸附天然酯绝缘油中除结合水之外的所有极性物质，并显著提升天然酯绝缘油的透明度，降低绝缘油的色度，提高天然酯绝缘油的各项应用性能，包括降低天然酯绝缘油的倾点和酸值，提高天然酯绝缘油的击穿电压和电阻率，显著改善天然酯绝缘油的电气性能和化学性质。
第三方面，一种天然酯绝缘油的制备方法，具体步骤为：将植物油先经过上述的吸附处理方法，然后进行真空干燥处理。
真空处理和吸附处理的顺序不能颠倒，天然酯绝缘油中少量水分能保障极性物质充分被吸附剂吸附，如果先进行干燥，则影响吸附效果。
在本发明的一些实施方式中，植物油为大豆油、棕榈油、葵花籽油、菜籽油等天然植物油中的一种或多种。本发明可以适用于多种植物油来源的天然酯绝缘油。
在本发明的一些实施方式中，真空干燥的温度为30-60℃，真空度为0.3-0.7MPa，干燥时间为2～6h；优选的，真空干燥的温度为40-50℃，真空度为0.4-0.6MPa，干燥时间为3～5h；进一步优选的，真空干燥的温度为45℃，真空度为0.5MPa，干燥时间为4h。
在本发明的一些实施方式中，天然酯绝缘油的制备方法包括抗氧化剂的加入步骤，真空处理后，将一部分干燥后的植物油加热，然后加入抗氧化剂，混合冷却后加入到剩余的植物油中。这样的方法有利于抗氧化剂的充分分散。
在本发明的一些实施方式中，先配制成抗氧化剂质量浓度为4-6％的混合物，然后再加入到剩余的植物油中。
在本发明的一些实施方式中，抗氧化剂的加入浓度为0.3-0.5％，优选为0.4％。
在本发明的一些实施方式中，抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、苯醌、甲基苯醌、对二甲基醌、四甲基-1,4-苯醌等物质。
第四方面，一种天然酯绝缘油的制备系统，包括上述的吸附处理系统和真空干燥装置，吸附处理系统的出料口与真空干燥装置连接。
真空干燥装置为利用抽真空进行干燥的设备，优选内部空腔的直径较大的真空干燥设备，有利于提高植物油的真空干燥速度。进一步优选内部空腔的直径与高度的比值大于等于10：1的真空干燥设备，增加油中水分的挥发面积，提高干燥效果。
在本发明的一些实施方式中，制备系统还包括混合装置、抗氧化剂加入装置，真空干燥装置与混合装置连接，抗氧化剂加入装置与混合装置连接。
如图1所示，原油储罐1依次与石英砂吸附装置2、分子筛吸附装置3、氧化铝吸附装置4、真空干燥装置5、混合装置6连接，混合装置6分别与封装装置7、抗氧化剂加入装置8连接。
原油储罐的植物油依次进入石英砂吸附装置2、分子筛吸附装置3、氧化铝吸附装置4进行吸附处理。然后进行真空干燥装置5进行真空干燥。然后进入混合装置6，抗氧化剂加入装置8向混合装置6中加入抗氧化剂，抗氧化剂和处理后的植物油在混合装置6中进行混合，然后得到天然酯绝缘油，进入封装装置7进行封装。
这里石英砂吸附装置2、分子筛吸附装置3、氧化铝吸附装置4可以依次为石英砂吸附柱、分子筛吸附柱、氧化铝吸附柱。
第五方面，上述制备方法得到的天然酯绝缘油。
本发明得到的天然酯绝缘油，水含量较低，杂质深度去除，使用稳定性好，不对植物油本申请性质产生较大变化。
第六方面，上述天然酯绝缘油在输电设备领域中的应用，优选为变压器设备。下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
1.将粒径分布在0.1-0.25cm之间的精制石英砂、ZSM-5分子筛和β氧化铝颗粒，经过70℃干燥10h后，分别填装在吸附柱中，各吸附剂填装紧实，吸附柱内各颗粒的填装层高度为50cm，直径为5cm。选择市售食品级大豆油为植物油，大豆油流经路线为石英砂吸附柱-分子筛吸附柱-氧化铝吸附柱，流动方式为自然下流，而后收集进行真空干燥。
2.将经过吸附工艺处理的大豆油，转入广口容器中，广口容器直径/高度>10:1，进行真空干燥。真空干燥温度为45℃，真空度为0.5MPa，干燥时间为4h。将干燥后的大豆油迅速密封保存。保存容器为不透明塑料桶，灌装天然酯绝缘油后应快速封口保存。
将一部分干燥后的大豆油，加热至60℃，而后加入抗氧化剂BHT，配置成质量浓度为5％的浓油，待抗氧化剂完全溶解后，待浓油冷却至室温，将浓油逐渐加入到剩余的干燥后的大豆油中，最终配置成抗氧化剂浓度为0.4％的大豆绝缘油。
3.对制备的大豆绝缘油进行酸值(<0.06mg/g)、含水量(<200mg/kg)、黏度(<50mm2/s)、击穿电压(>35kV)、体积电阻率(>8*108)、倾点(<-10℃)等指标的测定。
表1
指标 结果 指标 结果
酸值 0.03mg/g 倾点 -23.7℃
含水量 46.6mg/kg 体积电阻率 2.2*10<sup>10</sup>
黏度 36.32mm<sup>2</sup>/s 击穿电压 68kV
实施例2
1.吸附工艺和干燥工艺步骤同实施例1。
2.选择市售食品级棕榈油。
3.处理及分析过程同实施例1，棕榈绝缘油分析数据见表2。
表2
指标 结果 指标 结果
酸值 0.02mg/g 倾点 -20.5℃
含水量 71.7mg/kg 体积电阻率 1.8*10<sup>10</sup>
黏度 35.48mm<sup>2</sup>/s 击穿电压 66kV
实施例3
1.吸附工艺和干燥工艺步骤同实施例1。
2.选择市售食品级葵花籽油。
3.处理及分析过程同实施例1，葵花籽绝缘油分析数据见表3。
表3
指标 结果 指标 结果
酸值 0.03mg/g 倾点 -19.5℃
含水量 66.6mg/kg 体积电阻率 1.7*10<sup>10</sup>
黏度 38.22mm<sup>2</sup>/s 击穿电压 70kV
实施例4
1.吸附工艺和干燥工艺步骤同实施例1。
2.选择市售食品级菜籽油。
3.处理及分析过程同实施例1，菜籽绝缘油分析数据见表4。
表4
指标 结果 指标 结果
酸值 0.01mg/g 倾点 -22.2℃
含水量 59.8mg/kg 体积电阻率 3.9*10<sup>10</sup>
黏度 37.49mm<sup>2</sup>/s 击穿电压 75kV
实施例5
1.将粒径分布在0.1-0.25cm之间的精制石英砂、ZSM-5分子筛和β氧化铝颗粒，经过80℃干燥10h后，分别填装在吸附柱中，各吸附剂填装紧实，吸附柱内各颗粒的填装层高度为52cm，直径为5cm。选择市售食品级大豆油为植物油，大豆油流经路线为石英砂吸附柱-分子筛吸附柱-氧化铝吸附柱，流动方式为自然下流，而后收集进行真空干燥。
2.将经过吸附工艺处理的大豆油，转入广口容器中，广口容器直径/高度>10:1，进行真空干燥。真空干燥温度为50℃，真空度为0.6MPa，干燥时间为4.5h。将干燥后的大豆油迅速密封保存。保存容器为不透明塑料桶，灌装天然酯绝缘油后应快速封口保存。
将一部分干燥后的大豆油，加热至55℃，而后加入抗氧化剂BHT，配置成质量浓度为5％的浓油，待抗氧化剂完全溶解后，待浓油冷却至室温，将浓油逐渐加入到剩余的干燥后的大豆油中，最终配置成抗氧化剂浓度为0.4％的大豆绝缘油。
试验例：
实验过程为将实施例1-实施例4绝缘油暴露在空气中进行加热，分别加热到70℃、80℃、90℃，保温12h后，进行酸值、耐压、介损、含水量等指标的测试，发现各指标没有明显变化，仍维持在原有水平。实施例1得到的大豆天然酯绝缘油，加热前酸值为0.02，70℃加热后酸值为0.02，80℃加热后酸值为0.02，90℃加热后酸值为0.03。实施例2得到的棕榈天然酯绝缘油，加热前酸值为0.02，70℃加热后酸值为0.02，80℃加热后酸值为0.02，90℃加热后酸值为0.03。
本发明通过构建基于复合吸附方法和真空干燥方法为基础的天然酯绝缘油制备工艺，实现了对多种植物油转化为天然酯绝缘油的制备方法，制备的天然酯绝缘油均符合天然酯绝缘油新油标准。且该制备方法中，吸附方法中所用的吸附剂均属于高稳定性吸附剂，不会对植物油引入新的杂质，同时真空干燥工艺在较低温度下对油中的结合水进行有效深度去除，避免残留结合水对油品质造成影响。因此，该工艺提出了一套新型植物油转化为天然酯绝缘油处理模式，可以快速提升多种天然酯绝缘油化学性质和电气性能等指标，同时该工艺稳定性强，可处理油的种类较多，因此该方法具有广阔的应用前景，并且有望用于更多的天然酯绝缘油制备和应用体系。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然酯绝缘油的吸附处理系统，其特征在于：具体步骤为：包括石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置，石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置依次串联连接，石英砂吸附装置的内部装填石英砂，分子筛吸附装置的内部装填分子筛，氧化铝吸附装置的内部装填氧化铝。
2.如权利要求1所述的天然酯绝缘油的吸附处理系统，其特征在于：石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置内部的装填体积量相同。
3.如权利要求1所述的天然酯绝缘油的吸附处理系统，其特征在于：石英砂吸附装置、分子筛吸附装置和氧化铝吸附装置内部的填装层的高度为40-60cm，直径为3-10cm；优选的，填装层的高度为48-52cm，直径为4-6cm；进一步优选，填装层的高度为50cm，直径为5cm。
4.一种天然酯绝缘油的吸附处理方法，其特征在于：将植物油依次利用石英砂、分子筛和氧化铝进行吸附处理。
5.如权利要求4所述的天然酯绝缘油的吸附处理方法，其特征在于：石英砂包括普通石英砂，精制石英砂，高纯石英砂和熔融石英砂中的一种或多种；优选为精制石英砂；
或，分子筛为包括ZSM-5分子筛，5A分子筛和钠Y型分子筛中的一种或多种；优选为ZSM-5分子筛；
或，氧化铝包括γ氧化铝、β氧化铝、α氧化铝中的一种或多种；优选为β氧化铝；
或，石英砂的粒径分布为0.1-0.25cm；
或，石英砂、分子筛、氧化铝在装填前进行加热预处理，预处理的温度为60-80℃，加热预处理的时间为8-12h。
6.一种天然酯绝缘油的制备方法，其特征在于：具体步骤为：将植物油先经过权利要求4-5任一项所述的吸附处理，然后进行真空干燥处理。
7.如权利要求6所述的天然酯绝缘油的制备方法，其特征在于：植物油为大豆油、棕榈油、葵花籽油、菜籽油中的一种或多种；
或，真空干燥的温度为30-60℃，真空度为0.3-0.7MPa，干燥时间为2～6h；优选的，真空干燥的温度为40-50℃，真空度为0.4-0.6MPa，干燥时间为3～5h；进一步优选的，真空干燥的温度为45℃，真空度为0.5MPa，干燥时间为4h；
或，天然酯绝缘油的制备方法包括抗氧化剂的加入步骤，真空处理后，将一部分干燥后的植物油加热，然后加入抗氧化剂，混合冷却后加入到剩余的植物油中；优选先配制成抗氧化剂质量浓度为4-6％的混合物，然后再加入到剩余的植物油中；
或，抗氧化剂的加入浓度为0.3-0.5％，优选为0.4％。
8.一种天然酯绝缘油的制备系统，其特征在于：包括上述的吸附处理系统和真空干燥装置，吸附处理系统的出料口与真空干燥装置连接；
制备系统还包括混合装置、抗氧化剂加入装置，真空干燥装置与混合装置连接，抗氧化剂加入装置与混合装置连接。
9.权利要求6-7任一项所述的制备方法得到的天然酯绝缘油。
10.权利要求9所述的天然酯绝缘油在输电设备领域中的应用，优选为变压器设备。
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