EA006273B1

EA006273B1 - Способ и устройство для обезвоживания жидкостей, обладающих низкой летучестью, в частности масел

Info

Publication number: EA006273B1
Application number: EA200400347A
Authority: EA
Inventors: Майкл Р. Сперман; Джон Х. Бэрбан; Матьюс Тундилл; Мейджид Зиа
Original assignee: Пороус Медиа Корпорейшн
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2005-10-27
Also published as: MXPA04001895A; JP2005501168A; EP1442100A1; EA200400347A1; BR0117116A; HK1072068A1; AU2001286733B2; EP1442100A4; KR100864674B1; UA77436C2; KR20040039312A; CN1318545C; NO20041278L; CN1558941A; CA2458957A1

Abstract

В изобретении описаны способ и устройство для удаления свободной, эмульгированной или растворенной воды из жидкостей, обладающих низкой летучестью, в частности масла. Обезвоживание жидкости с низкой летучестью осуществляется с помощью полупроницаемой мембраны. Мембрана делит разделительную камеру на две полости, в одну из которых подается обезвоживаемая жидкость, а из другой отбирается удаленная из жидкости вода. В той полости, из которой удаляется прошедшая через мембрану вода, создается разрежение, или через нее пропускается смывающий воду с поверхности мембраны газ, который поддерживает в этой полости низкое парциальное давление воды.

Description

Настоящее изобретение относится к системам смазки и гидравлическим системам, и в частности к способу и устройству для удаления свободной, эмульгированной или растворенной воды из масла или из любых жидкостей, обладающих низкой летучестью (испаряемостью).

Масло обычно используют в качестве смазки и в качестве рабочей жидкости в различных гидравлических системах. Известно, что наличие воды отрицательно сказывается на качестве масла, состоянии различных элементов и работе практически любой гидравлической системы. Хорошо известно, что попадание воды в систему смазки или в гидравлическую систему отрицательно сказывается на смазывающей способности масла, вызывает коррозию различных элементов системы, приводит к окислению масла, химическому износу и появлению задиров и снижает долговечность подшипников. Вредное влияние воды на состояние и работу системы смазки или гидравлической системы проявляется при наличии в системе и свободной, и эмульгированной, и растворенной воды.

В настоящее время известны многочисленные попытки решения проблемы удаления из масла воды и повышения за счет этого характеристик различных систем смазки и гидравлических систем. К наиболее широко применяемым в настоящее время для удаления из масла воды устройствам и системам относятся различного рода отстойники, центрифуги, абсорбирующие воду фильтры и обезвоживающие масло вакуумные очистители. Однако все такие устройства и системы обладают рассмотренными ниже определенными ограничениями в части их эффективности, простоты в эксплуатации и стоимости изготовления или обслуживания.

Различные отстойники используются для удаления из масла больших количеств свободной воды, удельный вес которой, как известно, больше удельного веса масла. Такие отстойники, в которых из масла удаляется свободная вода, требуют длительного отстоя масла и занимают достаточно большую площадь. При этом, однако, они не предназначены для разделения водомасляных эмульсий и не могут использоваться для удаления из масла растворенной в нем воды.

В центрифугах отделение воды от масла происходит под действием центробежной силы, которая накладывается на гравитационное поле. Центрифуги, по существу, также предназначены для удаления из масла свободной воды. Центрифуги, однако, имеют достаточно высокую стоимость и обладают ограниченными возможностями при разделении водомасляных эмульсий. Центрифуги, кроме того, не предназначены для удаления из масла растворенной в нем воды.

В водяных абсорбирующих фильтрах используют специальную фильтрующую среду, которая абсорбирует содержащуюся в масле воду. В результате абсорбции воды и разбухания фильтрующей среды свободное проходное сечение фильтра постепенно уменьшается, а перепад давления на фильтре постепенно возрастает. В тот момент, когда перепад давления на фильтре достигает определенной величины, фильтр приходится снимать и заменять новым. Такие абсорбирующие воду фильтры, эффективно удаляющие из масла свободную воду, не предназначены, однако, для удаления из масла эмульгированной или растворенной в нем воды. Кроме того, абсорбирующие воду фильтры имеют ограниченную пропускную способность. Поэтому по мере насыщения водой их приходится периодически менять. По этим причинам абсорбирующие воду фильтры обычно используют только для удаления из масла очень небольших количеств (следов) воды. В системах с высоким содержанием в масле воды стоимость требующих постоянной замены абсорбирующих воду фильтров возрастает многократно.

В настоящее время для отделения от масла воды используют также различные вакуумные маслоочистители. Отделение воды от масла в таких очистителях происходит в результате вакуумной дистилляции, массообмена между содержащим воду маслом и сухим воздухом или одновременно и тем, и другим способом.

При вакуумной дистилляции в маслоочистителе создается разрежение, которое снижает температуру кипения воды. Так, в частности, если при барометрическом давлении (нормальном атмосферном давлении), равном 1013 мм вод.ст. (29,92 дюйма рт.ст.), температура кипения воды составляет 100°С (212°Р), то при давлении, равном 100 мм вод.ст. (вакууме, равном приблизительно 26 дюймов рт.ст.), температура кипения воды составляет всего 50°С (122°Р). При создании достаточного разрежения с учетом температуры масла содержащаяся в масле вода начинает испаряться в разреженный воздух и в итоге удаляется из масла.

Обрабатываемое масло обычно прокачивают через вакуумный маслоочиститель, вакуум в котором создается с помощью соответствующего вакуум-насоса. Для повышения скорости испарения воды в маслоочистителе необходимо максимально увеличить соотношение между площадью поверхности масла и его объемом. Обычно для этого в вакуумных маслоочистителях используют структурированную или неупорядоченную насадку, расположенные каскадом тарелки, вращающиеся диски или другие хорошо известные устройства, которые широко применяются при вакуумной дистилляции и при вакуумном фильтровании. Подаваемое обычно в маслоочиститель сверху масло под действием собственного веса проходит через насадку, в которой оно разделяется на сравнительно тонкие пленки. Обработанное масло собирается в нижней части маслоочистителя и откачивается из него масляным насосом. В качестве примеров таких маслоочистителей можно назвать маслоочистители, предложенные в патентах и8 № 4604109 на имя Коз1оте и И8 5133880 на имя Ьипбдшз! и др. Для уменьшения требуемого вакуума масло можно нагревать.

- 1 006273

Создаваемый в маслоочистителе вакуум снижает температуру кипения воды и увеличивает количество воды, удаляемой из масла. Увеличить количество удаляемой из масла воды можно также за счет нагрева маслоочистителя. При этом, однако, необходимо принять определенные меры, ограничивающие величину создаваемого в маслоочистителе вакуума и его температуру, поскольку при чрезмерном увеличении вакуума и/или температуры может произойти испарение не только воды, но и содержащихся в масле углеводородов с низкой молекулярной массой. Необходимо отметить, что при вакуумной очистке масла вместе с водой из масла удаляются любые жидкости, температура кипения которых меньше температуры кипения воды. Удаление из масла таких жидкостей зависит от конкретной ситуации и в некоторых случаях является нежелательным.

В системах для очистки масла от воды, основанных на массообмене, используют, по существу, такие же маслоочистители. В таких системах, однако, удаление из масла воды происходит не в результате дистилляции, а с помощью сухого воздуха или газа, который непрерывно пропускают в противотоке через стекающее вниз масло. При разной концентрации воды в масле и сравнительно сухом воздухе молекулы содержащейся в масле воды непрерывно переходят из масла в воздух. Влажный воздух отбирают из аппарата с помощью вакуум-насоса и сбрасывают в атмосферу. Такой способ очистки масла не связан с испарением воды за счет дополнительного нагрева масла до температуры, большей температуры кипения воды. Поэтому по сравнению с системами вакуумной дистилляции системы, основанные на массообмене, могут работать при более низких температурах и/или при меньшем вакууме.

Способные удалять из масла свободную, эмульгированную и растворенную воду системы вакуумной дистилляции и массобмена обладают, однако, определенными недостатками, ограничивающими их применение. В обеих системах для поддержания минимально допустимого для нормальной (не всухую) работы масляного насоса уровня масла в очистителе приходится использовать соответствующие устройства контроля уровня. Одновременно во избежание переполнения очистителя необходимо также контролировать и максимальный уровень масла. Недостаточно точный контроль уровня масла может привести к снижению эффективности очистителя и попаданию масла в вакуум-насос при полном заполнении очистителя маслом.

В вакуумных очистителях при испарении содержащейся в масле воды часто происходит вспенивание. Образование пены, которая имеет меньший по сравнению с маслом удельный вес, может отрицательно сказаться на работе системы контроля уровня и, как следствие этого, привести к снижению эффективности очистителя.

Обычные очистители, содержащие различные нагреватели, средства контроля, насосы и т. п., представляют собой достаточно сложное оборудование. Кроме того, производительность таких очистителей ограничена наличием в них набивки, вязкостью масла и расходом воздуха. Поэтому обычно для обработки достаточно большого количества масла приходится существенным образом увеличивать размеры очистителей. Содержащие набивку очистители вместе с масляными насосами, вакуум-насосами, нагревателями, панелями управления и различными соединениями имеют не только большие размеры, но и высокую стоимость. Содержащие большое количество различных элементов и достаточно сложные системы очистки требуют высоких затрат, связанных с их обслуживанием и эксплуатацией.

Способные удалять из масла свободную, эмульгированную и растворенную воду вакуумные водоотделители являются достаточно перспективным оборудованием, обеспечивающим возможность удаления из масла воды. Однако присущие им недостатки препятствуют их широкому распространению и/или исключают возможность их практического использования в большинстве систем смазки и гидравлических систем. Из-за больших размеров и высокой стоимости вакуумные водоотделители можно использовать только в составе стационарного оборудования и практически нельзя использовать на различных мобильных установках.

Требующие высоких капиталовложений вакуумные очистители (водоотделители) обычно не используются в качестве оборудования, являющегося неотъемлемой частью той или иной системы, за исключением крупных, дорогостоящих систем смазки или гидравлических систем. Обычно такие водоотделители используют одновременно для очистки масла в нескольких системах, перемещая их с места на место по мере необходимости от одной установки или одного бака с маслом к другой установке или другому баку с маслом соответственно. При таком использовании очистителей всегда существует опасность попадания воды в масло, которое находится в системе смазки или в гидравлической системе, не подключенной к очистителю машины. Вода будет оставаться в такой системе вплоть до подключения к ней очистителя и удаления воды из находящегося в ней масла. Именно этими соображениями и объясняются постоянно ведущиеся в настоящее время исследования, направленные на разработку более совершенных способов удаления из масла воды. К наиболее перспективным средствам очистки масла от воды следует, вероятно, отнести мембранные системы.

В настоящее время мембранные системы достаточно широко используются для удаления воды из органических жидкостей. В этой связи, однако, необходимо отметить, что наличие в используемой для этой цели мембране пор или дефектов неизбежно приводит к прохождению масла через мембранный разделитель по законам гидравлики. В результате этого происходит потеря определенного количества масла. Кроме того, неиспаряющееся масло, образующее на одной из сторон мембраны покрытие, забива

- 2 006273 ет мембрану и тем самым снижает ее проницаемость и соответственно уменьшает количество проходящей через нее воды.

В патенте И8 4857081 на имя Тау1ог предложен способ удаления воды из содержащих углеводороды или галогенированные углеводороды газов и жидкостей. Предложенный в этом патенте способ основан на применении мембраны из медно-аммиачной гидратцеллюлозы. Изготовленные из медно-аммиачной гидратцеллюлозы мембраны, которые достаточно хорошо известны, имеют структуру с соединенными между собой каналами или порами (см. патент И8 № 3888771 на имя Пиде и др.). Распределение пор в таких мембранах составляет от 10 до 90, в среднем 30 А (патенты И8 № 3888771 на имя Пиде и др. и И8 № 5192440 на имя 8епдЬи5с11). Отделение воды от жидкой органической фазы в такой изготовленной из медно-аммиачной гидратцеллюлозы мембране происходит в результате диализа. Проникающие через мембрану вещества проходят через нее как жидкости. Гидравлическая проницаемость мембраны или возможность прохождения через нее жидкостей обусловлена пористой структурой мембраны. Точно так же через мембрану проходят и растворимые в воде вещества. Именно по этой причине такие мембраны и не могут использоваться для отделения воды от масла, которое, как известно, обладает конечной растворимостью в воде.

Пригодные для обезвоживания масла мембраны, предложенные в патенте на имя Тау1ог, имеют структуру, в которой часто появляются дефекты. Молекулярная структура изготовленной из медноаммиачной гидратцеллюлозы мембраны сохраняется только в присутствии влаги. После удаления влаги из гидрофильной мембраны в ее порах возникают большие капиллярные напряжения, которые приводят к усадке и растрескиванию мембраны. Из-за разного диаметра пор возникающие в мембране во время высыхания капиллярные напряжения неравномерно распределяются по всей микроструктуре мембраны. Из-за разницы возникающих в мембране напряжений происходит, как известно, растрескивание мембраны или появление в ней дефектов. При использовании такой мембраны для отделения воды от масла в замкнутой системе влага в мембране в конечном итоге рано или поздно исчезает. В результате этого в мембране, как указано выше, появляются трещины или дефекты. При наличии в мембране таких дефектов она становится проницаемой и пропускает протекающее через нее масло по законам гидравлики.

В патенте И8 № 5182022 на имя РаДегпак и др. предлагается использовать для обезвоживания этиленгликоля процесс диффузионного испарения. Этот процесс используется в тех случаях, когда разделяемые смеси состоят из полностью растворенных один в другом компонентов, к которым, в частности, относятся вода и этиленгликоль. При разделении смесей таким способом через мембрану, изготовленную из сульфированного полиэтилена, проходит большое количество этиленгликоля. Для специалистов в данной области техники очевидно, что прохождение через мембрану больших количеств этиленгликоля обусловлено законами гидравлики и связано с наличием дефектов (определение дефектов приведено ниже) в разделяющем слое. Для осуществления предложенного в этом патенте способа не требуется использование не имеющего дефектов разделяющего слоя, поскольку потери неводной фазы являются при этом вполне допустимыми. Очевидно, что это ни в коей мере не относится к обезвоживанию масла в системах смазки или в гидравлических системах.

В патенте И8 № 5464540 на имя Рйекеп предлагается использовать процесс диффузионного испарения для выделения из жидкой смеси одного из ее компонентов. Обрабатываемый этим способом поток жидкости содержит не удаляемый из него компонент, который подают в аппарат в виде пара. В описании к этому патенту в столбце 5, строки 8-13, сказано, что предлагаемый в нем способ можно использовать для удаления воды из масла, в частности из кунжутного или кукурузного масла. Однако в приведенных в этом патенте примерах содержатся только те данные, которые относятся к обезвоживанию обладающих высокой летучестью (испаряемостью) органических соединений, которые в большом количестве содержатся в кунжутном и кукурузном масле. Так, в частности, приводятся примеры обезвоживания ацетона, толуола и этанола. Очевидно, что для удаления воды из таких масел необходимо использовать не имеющую дефектов (в соответствии с приведенным ниже определением) непористую мембрану. Кроме того, могут возникнуть определенные сомнения и вопросы, связанные с практическим получением смывающего воду потока пара кукурузного или кунжутного масла, который используется для выделения из обрабатываемых органических соединений воды предлагаемым в этом патенте способом.

В патенте И8 № 5552023 на имя Ζΐιοιι предлагается использовать для обезвоживания этиленгликоля метод мембранной дистилляции. Для этого, в частности, предлагается использовать пористые мембраны. Предложенный в этом патенте способ не пригоден для удаления воды из масла, поскольку пористая основа мембраны хорошо пропитывается жидкостью и по законам гидравлики легко пропускает жидкости.

В патенте И8 № 6001257 на имя Вгайоп и др. описана предназначенная для обезвоживания различных жидкостей цеолитная мембрана, по существу, не имеющая дефектов. В описании к этому патенту в столбце 4, строки 12-15, говорится о том, что цеолитная мембрана существенным образом определяет всю работу аппарата, предназначенного для разделения любых двух жидкостей, только одна из которых может проходить через мембрану. При изготовлении цеолитных мембран используют материалы цеолитного типа, известные также как молекулярные сита, с разветвленной сетью каналов, образованных соединенными между собой атомами кислорода тетраэдрами кремния/кислорода. В столбце 2, строки 46-49, описания к этому патенту сказано, что материал должен по существу, не иметь дефектов без всякого

- 3 006273 раскрытия термина по существу и без всякого определения термина дефекты. Такую цеолитную мембрану нельзя использовать для удаления воды из масла из-за наличия в ней определенных ниже дефектов, из-за которых мембрана становится проницаемой для масла, проходящего через нее по законам гидравлики.

Ниже перечислены некоторые встречающиеся в описании термины и раскрыт их смысл, который они имеют в контексте настоящего изобретения.

Термин дефект обозначает отверстие в мембране, размер которого достаточен для прохождения через мембрану по законам гидравлики жидкости, обладающей низкой летучестью (испаряемостью).

Под не имеющей дефектов мембраной подразумевается мембрана, не содержащая отверстий, достаточно больших для прохода через мембрану жидкостей по законам гидравлики и ограничивающих прохождение через мембрану материалов в результате диффузии раствора. Гидравлически проницаемой для масла является такая мембрана, которая имеет постоянные отверстия (или микроканалы), диаметр которых превышает размер молекулы масла или равен ему. Считается, что размер молекул масла составляет от 5 до 10 А, однако, из-за наличия в масле различных фракций с молекулами разных размеров точный размер молекулы масла, определяющий наличие или отсутствие в мембране дефектов, зависит от химического состава конкретного обезвоживаемого масла. Поэтому в не имеющей дефектов мембране минимальный диаметр отверстий должен быть меньше размера всех молекул масла.

Непористой мембраной является мембрана, которая не имеет пор в их обычном понимании, т.е. постоянных отверстий, диаметр которых равен минимальному размеру молекул масла и должен быть, как указано выше, больше 5-10 А, но в каждом конкретном случае зависит от вида масла, из которого удаляют воду.

С учетом этих определений не имеющая дефектов мембрана неизбежно является непористой, в то время как непористая мембрана необязательно не должна иметь дефектов. Теоретически непористая мембрана должна представлять собой мембрану, не имеющую дефектов, в частности указанных выше дефектов. Из этого следует, что теоретически не имеющая дефектов мембрана должна обладать такой же газовой проницаемостью/селективностью, что и плотная пленка, изготовленная из того же самого материала. На практике, однако, это условие не всегда соблюдается. Так, например, в работе авторов Ртпаи и Когоз (Ртпаи I. и Когоз Оаз-Регтеайоп Ргорегйез οί’ Азутте1лс Ро1уеагЪопа1е, Ро1уе81егсагЪопа1е, апб Е1иогта1еб Ро1у1ш1бе МетЪгапез Ргерагеб Ъу 1йе Сепега1|/еб ОгуЖ'е! Рказе 1пуегзюп Ргосезз, I. АррЕеб Ро1утег 8с1епсе, т. 46, 1992, сс. 1195-1204) и в работе автора Резек (Резек 8., Адиеоиз Риепскеб АзушшеШс Ро1узи11опе Е1а1 8кее1 апб 11о11о\х Е1Ъег МетЪгапез Ргерагеб Ъу Огу/Ае1 Рказе 8ерагайоп, диссертация, представленная в Техасском университете, расположенном в г. Остин (1993)), не имеющая дефектов разделяющая газ мембрана определяется как мембрана, относительная избирательная способность которой составляет от 75 до 85% от относительной избирательной способности плотной пленки. Можно показать, что мембрана, относительная избирательная способность которой составляет 85% от относительной избирательной способности плотной пленки, может иметь большое количество дефектов, из-за которых мембрана становится гидравлически проницаемой для масла.

Ниже рассмотрена мембрана с полифсульфоновым избирательным слоем, нанесенным на подложку, обладающую незначительным гидравлическим сопротивлением. При 35 °С относительная проницаемость полисульфона для кислорода составляет 1,4 единиц Баррера (справочник МетЪгапе НапбЪоок), а селективность в отношении Ο₂/Ν₂ составляет 5,6. Так, например, толщина полисульфонового селективного слоя составляет 700 А. Такую толщину имеет большинство промышленно выпускаемых мембран. В этом случае проницаемость такого избирательного слоя для кислорода должна составлять 20 единиц газопроницаемости (ЕГП), а для азота - 3,57 ЕГП. По определению, данному Ртпаи и Когоз (1992), такую полисульфоновую мембрану следует отнести к мембранам, не имеющим дефектов, если ее селективность в отношении Ο₂/Ν₂ составляет 85% от селективности плотной пленки, т.е. 4,76. Очевидно, однако, что по определению, принятому в настоящем изобретении, такая мембрана имеет дефекты. При достаточно небольших размерах дефектов прохождение через дефекты потока жидкости или газа определяется диффузией Кнудсена. При больших размерах дефектов поток проходящей через дефекты жидкости (или газа) должен быть конвективным (или вязким) и определяется законом Хагена-Пуазейля. В приведенной ниже таблице указано количество дефектов разного размера, при которых селективность мембраны в отношении Ο₂/Ν₂ составляет 4,76 на один квадратный метр полисульфонового избирательного слоя.

Диффузия Кнудсена через дефекты в избирательном слое
Диаметр дефекта (А)	25	50	100
Количество дефектов	1,22х10^И	1,53х1О¹⁰	1,91 х 10⁹
Пористость поверхности (площадь дефектов/общая площадь)	6,0х10’⁷	3,0х10’⁷	1,5х10’⁷

- 4 006273

Конвективный поток через дефекты в избирательном слое при избыточном давлении, равном 1 фунту на кв.дюйм
Диаметр дефекта (мкм)	0,5	1	2
Количество дефектов	39700	247	15
Пористость поверхности (площадь дефектов/общая площадь)	7,8x10 ¹⁰	1,9х1О'¹⁰	4,9x1ο'¹¹

Указанные в таблице дефекты имеют достаточно большой размер, при котором такая мембрана становится гидравлически проницаемой для масла и поэтому фактически не пригодной для его обезвоживания. Однако в других случаях, например при разделении газов, наличие в мембране таких дефектов хотя и снижает эффективность разделения газов, но не исключает возможности ее практического использования.

Теоретически непористую мембрану следует в соответствии с принятыми определениями рассматривать как мембрану, не имеющую дефектов. Однако на практике это условие также не всегда соблюдается. На практике к непористым мембранам относятся мембраны, обладающие определенной гидравлической проницаемостью, обычно достаточной для уменьшения способности мембраны к разделению газов до 85% от фактической избирательной способности плотной пленки. Иными словами, такие мембраны имеют хотя и относительно небольшое, но все же достаточное количество пор. Фактическое количество пор у мембраны, которую следует считать непористой, зависит от размера пор и свойств разделяемых мембраной материалов. В рассматриваемом случае не имеющие дефектов мембраны относятся к непористым мембранам, соответствующим указанному выше определению, а не к непористым мембранам в общепринятом в настоящее время смысле. Для успешного осуществления изобретения мембраны должны соответствовать приведенным выше определениям непористых и не имеющих дефектов мембран.

Под маслом в контексте настоящего изобретения подразумевается химический материал, обладающий низкой летучестью (испаряемостью). Обычно масло содержит много фракций с разной молекулярной массой и разной молекулярной структурой в смеси.

Полупроницаемой является мембрана, обладающая соответствующей проницаемостью для определенных материалов и не пропускающая другие материалы. Такую мембрану можно также назвать разделяющей мембраной.

Под смачиванием в контексте настоящего изобретения подразумевается распространение жидкости по поверхности.

Термин забивание или закупоривание означает сопротивление массопереносу за счет нежелательного эффекта, например в результате заполнения пор подложки мембраны маслом или образования слоя масла на чистой стороне мембраны.

Одной из задач, положенных в основу настоящего изобретения, является устранение недостатков, присущих обычным способам обезвоживания масла, и создание и разработка лишенных этих недостатков нового способа и нового устройства для обезвоживания масла.

Другой задачей настоящего изобретения является создание водоотделителя для масла, предназначенного для удаления из масел свободной, эмульгированной или растворенной воды.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание простого в использовании, относительного небольшого, компактного и дешевого водоотделителя для масла, который можно использовать и в небольших, и в крупных системах, а также на мобильном оборудовании во время его работы и передвижения.

Для решения вышеуказанных задач в настоящем изобретении предлагается мембранный способ удаления свободной, эмульгированной или растворенной воды из масел или других жидкостей, обладающих низкой летучестью (испаряемостью). Предлагаемый в изобретении способ можно использовать на работающем и мобильном оборудовании, а также на стационарных установках в стационарных условиях. Предлагаемый в изобретении способ является достаточно простым в осуществлении, а необходимые для его осуществления устройства имеют небольшие размеры и достаточно компактны для их практического и дешевого использования в разных по размерам системах.

В настоящем изобретении предлагается также не имеющий дефектов разделяющий слой или не имеющая дефектов мембрана, гидравлически непроницаемый, соответственно непроницаемая для жидкостей и ограничивающий, соответственно ограничивающая возможность их прохождения через него, соответственно нее. В изобретении предлагается также способ удаления паров, проходящих через разделяющий слой. Иными словами, в настоящем изобретении предлагается устройство и способ эффективного удаления из масла свободной, эмульгированной или растворенной воды.

Настоящее изобретение относится, в частности, к избирательному обезвоживанию масел с использованием непористой не имеющей дефектов мембраны. Предлагаемый в изобретении способ относится преимущественно к обезвоживанию потока масла, которое взаимодействует с одной стороной (приточной стороной) полупроницаемой мембраны. Мембрана делит разделительную камеру на две части, в одну из которых подается масло, а из другой удаляется прошедшая через мембрану и отделенная от масла вода. В той части камеры, в которой собирается отделенная от масла вода, путем создания вакуума

- 5 006273 или с помощью смывающего воду с обратной стороны мембраны газа поддерживается низкое парциальное давление воды. Вода может находиться в масле либо в растворенном виде, либо в виде отдельной фазы, либо в эмульгированном, диспергированном или свободном состоянии. Материал, из которого изготавливают мембрану, должен быть химически совместим с маслом и должен обладать избирательной проницаемостью и пропускать воду. Химически совместимая с маслом мембрана не вступает с маслом в химическую реакцию и сохраняет свои физические свойства, такие как размер, прочность, проницаемость и избирательная способность, при воздействии на нее масла.

Остальные задачи и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены в приведенном ниже описании и в формуле изобретения со ссылкой на прилагаемые к описанию и составляющие его часть чертежи, на которых одни и те же элементы обозначены одними и теми же номерами.

На прилагаемых к описанию чертежах показано на фиг. 1 - аксонометрическая проекция используемой в настоящем изобретении мембраны, на фиг. 2 - аксонометрическая проекция другого варианта выполнения используемой в настоящем изобретении мембраны, на фиг. 3 - аксонометрическая проекция еще одного варианта выполнения используемой в настоящем изобретении мембраны, на фиг. 4А - вид сверху плетеного мата, состоящего из множества показанных на фиг. 3 полых волоконных мембран, на фиг. 4Б - поперечное сечение мата плоскостью В-В по фиг. 4 А, на фиг. 4В - схематичное изображение свернутого в рулон мата, показанного на фиг. 4Б, на фиг. 4Г - аксонометрическая проекция двух полых волоконных полупроницаемых мембран, показанных на фиг. 3 и по спирали намотанных друг на друга, на фиг. 5 - схематичное изображение свернутой в рулон мембраны, показанной на фиг. 1, на фиг. 6 - схема, иллюстрирующая предлагаемый в изобретении мембранный способ сепарации, в котором удаление из масла воды осуществляется с помощью вакуумного насоса, на фиг. 7 - схема, иллюстрирующая другой вариант осуществления показанного на фиг. 6 способа сепарации, в котором для удаления из масла воды используют поток газа, смывающего воду с обратной стороны мембраны, на фиг. 8 - схема, иллюстрирующая еще один вариант осуществления показанного на фиг. 6 способа сепарации, в котором для защиты мембраны от загрязнения потоком обрабатываемого масла используется установленный до мембраны фильтр, на фиг. 9 - вертикальная проекция предлагаемого в изобретении устройства с полой волоконной мембраной, в котором очищаемое от воды масло проходит внутри волокон, на фиг. 10 - вертикальная проекция предлагаемого в изобретении устройства с полой волоконной мембраной, в котором очищаемое от воды масло проходит снаружи волокон, на фиг. 11 - вертикальная проекция предлагаемого в изобретении устройства с полой волоконной мембраной, в котором очищаемое от воды масло проходит снаружи волокон, а вода движется в противотоке с очищенным маслом, на фиг. 12 - вертикальная проекция предлагаемого в изобретении устройства с полой волоконной мембраной, в котором для удаления из масла воды используют смывающий воду с обратной стороны мембраны газ, на фиг. 13 - аксонометрическая проекция еще одного варианта выполнения показанной на фиг. 1 мембраны, которая в этом варианте имеет нанесенное на подложку поверхностное покрытие, образующее слой разделяющего смеси на компоненты материала, на фиг. 14 - изображение в увеличенном масштабе участка торца мембраны, показанной на фиг. 13, на фиг. 15 - аксонометрическая проекция другого варианта выполнения показанной на фиг. 3 мембраны, которая в этом варианте имеет нанесенное на подложку поверхностное покрытие, образующее слой разделяющего смеси на компоненты материала, и на фиг. 16 - изображение в увеличенном масштабе участка торца мембраны, показанной на фиг. 15.

Необходимо отметить, что рассмотренные в описании и показанные на чертежах варианты являются только примерами возможного осуществления изобретения, иллюстрирующими его основную идею в том виде, как она изложена в формуле изобретения. Поэтому указанные в этих примерах конкретные размеры и физические параметры не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения, если они не указаны в формуле изобретения.

Прежде чем приступить к подробному рассмотрению предпочтительных вариантов осуществления изобретения, следует отметить, что в качестве ссылок в него включены справочник МешЬгаие НаибЬоок, опубликованный Уаи №гк1гапб Яет1ю1б. 1992, сс. 3-15, и справочник НаибЬоок о£ Ιηάιικίπηΐ МешЬгаиек, 1-е изд., 1995, сс. 56-61.

Предлагаемые в изобретении устройства и способ предназначены для удаления воды или других растворителей, обладающих высокой летучестью (испаряемостью), из обширного класса жидкостей, обладающих низкой летучестью (испаряемостью). Под жидкостью, обладающей низкой летучестью, имеется в виду жидкость, у которой точка кипения при нормальных условиях превышает точку кипения во

- 6 006273 ды (100°С). Поэтому вода относится к жидкостям, обладающим высокой летучестью. Необходимо отметить, что поведение различных жидкостей, которые в чистом виде обладают низкой летучестью, в смеси с другими жидкостями может отличаться от идеального. Проявляться это свойство может в большей по сравнению с чистой жидкостью кажущейся скорости испарения соответствующего компонента смеси. В предпочтительном варианте настоящее изобретение относится к разделению содержащей воду и масло смеси на воду и масло (или к удалению из масла воды).

При обезвоживании масла предлагаемым в изобретении способом потоком жидкости, в которой содержатся, по меньшей мере, масло и вода, воздействуют на одну сторону непористой не имеющей дефектов полупроницаемой мембраны, которая разделяет камеру сепарации на две полости, в одну из которых подается разделяемая жидкая смесь масла и воды, а из другой выводится пермеат, в данном случае отделенная от масла вода, по разные стороны от мембраны поддерживают парциальный перепад химического потенциала воды, под действием которого предпочтительно вода проходит через мембрану из первой полости камеры сепарации в ее вторую полость, из второй полости удаляют прошедшую в нее через мембрану воду и из первой полости выводят обезвоженное масло. Под перепадом химического потенциала можно также понимать перепад активности воды или перепад парциального давления воды. Перепад парциального давления означает разницу между давлением паров воды в первой полости и равновесным давлением паров воды, соответствующим концентрации содержащейся в масле воды.

Предлагаемое в изобретении устройство для обезвоживания масла имеет корпус, в котором находится, по меньшей мере, непористая полупроницаемая не имеющая дефектов мембрана, которая разделяет корпус по меньшей мере на две полости, в одну из которых подается разделяемая жидкая смесь масла и воды, а из другой выводится отделенная от масла вода, по меньшей мере один входной патрубок, соединенный с первой полостью, по меньшей мере один выходной патрубок, соединенный с первой полостью, и по меньшей мере один выходной патрубок, соединенный со второй полостью. При обезвоживании воды с помощью такого устройства смесь масла и воды через входной патрубок подается внутрь корпуса, попадающая в корпус смесь масла и воды воздействует на одну строну полупроницаемой мембраны, по разные стороны от мембраны поддерживается парциальный перепад химического потенциала воды, под действием которого предпочтительно вода проходит через мембрану из первой полости корпуса в его вторую полость, из второй полости корпуса через выходной патрубок удаляется прошедшая в нее через мембрану вода и из первой полости корпуса через другой выходной патрубок выводится обезвоженное масло.

Мембрана может иметь любые размеры и форму и любую поверхность, позволяющую разделять смесь масла и воды на масло и воду. Обычно мембрану изготавливают в виде самонесущей пленки, полых волокон, композитных листов или композитных полых волокон. В мембранах, состоящих из залитых компаундом или как-либо иным образом собранных друг с другом полых волокон, номинально волокна располагают параллельно друг другу. В мембранах, состоящих из композитных полых волокон или из простых полых волокон, отдельные волокна можно также намотать друг на друга. В другом варианте из отдельных волокон можно сплести мат. Сплетенные из отдельных волокон плоские маты или листы можно свернуть в рулон. Кроме того, между отдельными листами или матами можно расположить различные разделительные элементы.

Используемая для обезвоживания масла мембрана состоит, по меньшей мере, из тонкого не имеющего дефектов плотного непористого разделяющего смесь на отдельные компоненты слоя (или поверхностного покрытия) и несущей основы или подложки. В другом, но не обязательном для практического осуществления изобретения варианте можно использовать и самонесущий, разделяющий смесь на компоненты слой. Для специалистов в данной области техники очевидно, что плотные непористые разделяющие смеси на компоненты слои могут иметь определенные дефекты. При использовании такого слоя для разделения смеси газов или жидкостей через имеющиеся в слое дефекты может проходить не разделенная на компоненты смесь газов или жидкостей. В том случае, когда такой разделяющий смесь на компоненты слой используется для разделения на компоненты смеси газов, смесь газов может проходить через имеющиеся в слое дефекты в результате диффузии раствора по закону Кнудсена. Подробно это явление рассмотрено в диссертации С1аик1 N. Роттабоп апб С11агас1епха1юп о£ Лкуттебтс Ро1у1Ш1бе Ηο11ο\ν Р1Ьет МетЬгапек £от Сак 8ератабоп, защищенной при Техасском университете в г. Остин (1998). При использовании такого имеющего дефекты слоя для разделения смеси жидкостей жидкость по законам гидравлики проходит через имеющиеся в слое дефекты. Проходящая через имеющую дефекты мембрану не разделенная на компоненты жидкость попадает из одной полости разделенного мембраной корпуса в его другую, расположенную с противоположной стороны мембраны полость. В некоторых случаях использование такой мембраны является допустимым, а в других случаях - недопустимым.

Примером не имеющего дефектов плотного непористого слоя для разделения смесей является плотная, отлитая из раствора мембрана. Такие мембраны хорошо известны специалистам в данной области техники. Не имеющий дефектов плотный непористый слой для разделения смесей с определенной скоростью, пригодный для промышленного использования, можно изготовить в виде отлитой из раствора достаточно тонкой пленки, толщина которой соответствует необходимой скорости обезвоживания. Для устранения дефектов на соответствующую подложку можно последовательно нанести несколько

- 7 006273 слоев отлитого из раствора полимерного покрытия с промежуточным образованием поперечных связей между молекулами полимера каждого слоя.

При обезвоживании масла попадание масла из-за гидравлической проницаемости мембраны в расположенную с обратной ее стороны полость разделенного мембраной корпуса водоотделителя, в которой должна находиться только вода, приводит к потерям масла в системе смазки или в гидравлической системе и, по существу, просто исключает возможность применения такого водоотделителя и одновременно сопровождается замасливанием обратной стороны мембраны. Если разделяющий смесь масла и воды на масло и воду слой нанесен на подложку своей обратной стороной, то проходящее через него по законам гидравлики масло будет заполнять и забивать поры подложки, увеличивая ее гидравлическое сопротивление, которое должна преодолеть удаленная из масла вода. При случайном или неслучайном испарении масла масло, которое испаряется со скоростью, меньшей гидравлической скорости масла в дефектах мембраны, необратимо забивает мембрану и снижает скорость его обезвоживания. Кроме того, при наличии в мембране дефектов газ, который используется для удаления с обратной стороны мембраны отделенной от масла воды, может через дефекты мембраны попасть в чистое (обезвоженное) масло. Попадание газа в масло может, как очевидно, привести к нежелательному вспениванию масла.

В основе проницаемости такого не имеющего дефектов плотного непористого слоя для разделения смесей лежит так называемая диффузия раствора. Известно, что диффузия раствора заключается в растворении в разделяющем слое одного из компонентов разделяемой смеси, его последующей диффузией через разделяющий слой и десорбцией на обратной стороне слоя. При удалении из масла воды жидкая смесь воды и масла смачивает одну из сторон мембраны, а проходящая через мембрану в виде пара или в газообразном виде вода удаляется с обратной стороны мембраны. При наличии в разделяющем слое дефектов через них по законам гидравлики на обратную сторону слоя проходит жидкая смесь воды и масла. В результате этого, как уже было отмечено выше, происходит замасливание мембраны и потеря определенного количества находящегося в системе масла, из-за чего такой способ обезвоживания масла становится практически неприемлемым.

Диффузионное испарение заключается в разделении в плотном непористом разделяющем слое смеси полностью перемешанных между собой жидкостей. При диффузионном испарении, кроме того, определенные компоненты смеси проходят через разделяющий слой с ограниченной скоростью и в виде пара удаляются с обратной стороны слоя. При обезвоживании масла диффузионным испарением и наличии в разделяющем слое отдельных дефектов прохождение на обратную сторону слоя неводной фазы не является катастрофичным. Связано это с тем, что неводная фаза обладает высокой упругостью пара (давлением насыщенного пара) и легко испаряется. Происходит это и в отношении обладающих низкой летучестью компонентов, таких как этиленгликоль, поведение которого при его перемешивании с водой резко отличается от поведения чистого этиленгликоля.

Пористые мембраны, которые используются при микрофильтрации, ультрафильтрации и диализе, непригодны для использования при обезвоживании обладающих низкой летучестью жидкостей, которые проникают в поры и забивают мембрану.

К мембранам, которые можно использовать для обезвоживания масла предлагаемым в изобретении способом, относятся плотные непористые пленки или асимметричные мембраны с относительно плотными разделяющими смесь на компоненты слоями или поверхностными покрытиями, нанесенными на одну или обе стороны несущей подложки. Плотные непористые мембраны изготавливают либо инверсией фазы, либо литьем из раствора. При изготовлении мембран инверсией фазы используют систему полимер-растворитель-осадитель, содержащийся в которой полимер выпадает в осадок при испарении или экстракции растворителя или добавлении осадителя. В результате инверсии фазы получают негомогенную пористую симметричную или несимметричную полимерную матрицу, в которой могут находиться участки с плотным непористым полимером. Плотный непористый разделяющий слой можно получить разделением фаз при соответствующем выборе системы растворитель-осадитель и системы осаждения. При изготовлении мембраны литьем из раствора используют соответствующую систему полимеррастворитель, образующую гель, который затем сушат. Мембраны, изготовленные литьем из раствора полимера, обычно представляют собой непористые плотные пленки. В обоих случаях плотную непористую пленку можно использовать как покрытие для другой несущей подложки. Плотные непористые разделяющие смеси на компоненты слои, изготовленные и тем и другим способами, могут иметь дефекты (И8 № 4230463). Различные способы последующей обработки таких слоев с целью уменьшения количества имеющихся в них дефектов подробно рассмотрены в работе Нешк и Тпроб| (Нешк 1. и Тпроб| М., Сошрокйе Ηο11ο\ν ИЬег МешЬгаиек Гог Сак 8ерагайои: Тйе Кек1к1аисе Мобе1 Арргоасй, 1. МешЬг. 8сг 8, 1981, сс. 233-245). Для устранения дефектов в имеющей их мембране на нее последовательно вплоть до полного устранения всех дефектов наносят несколько слоев покрытия. В состав этих слоев вторичного покрытия может входить полимер, который входит в состав самого разделяющего смесь на компоненты слоя, или какой-либо иной полимер. Не имеющий дефектов плотный непористый разделяющий слой можно изготовить литьем из раствора в виде достаточно толстой однородной полимерной пленки. В работе РГгошш (РГгошш Р.Н., Сак 1гаикрой ргорегйек аиб адшд оГ 1Ыи аиб 1Ыск Д1шк шабе Ггош ашогрйоик д1акку ро1ушегк, диссертация, защищенная при Техасском университете в г. Остин (1994)) говорится, что

- 8 006273 для разделения смесей можно также использовать и сверхтонкие не имеющие дефектов плотные непористые слои.

Проницаемость газов через не имеющую дефектов плотную непористую однородную пленку определяется внутренними свойствами полимера (С1аи81, 1998). Внутренняя проницаемость полимера, например, не зависит от толщины разделяющего слоя. При использовании такого слоя для разделения на компоненты смеси газов и в том случае, когда этот слой представляет собой свободно расположенную пленку, и в том случае, когда он образует поверхностное покрытие подложки, обладающей значительно меньшим сопротивлением, чем сам разделяющий слой, соотношение показателей проницаемости отдельных компонентов конкретной смеси также зависит от внутренних свойств составляющего основу разделяющего слоя полимера. Такое отношение обычно называют внутренней избирательной способностью полимера по отдельным компонентам конкретного газа.

Отсутствие у плотного непористого разделительного слоя внутренней избирательной способности в отношении конкретной комбинации газов, скорее всего, обусловлено наличием в нем дефектов. Дефекты образуют в слое каналы для прохода через слой неразделенных компонентов смеси. Известно, что если пористая подложка мембраны обладает исключительно низким гидравлическим сопротивлением, то это свидетельствует о наличии дефектов в слоях, разделяющих смеси на компоненты (С1аи81, 1998; И8 4902422). Такой подход можно использовать для определения наличия или отсутствия дефектов независимо от способа формирования разделяющего слоя. Очевидно, что через не имеющий дефектов слой не разделенная на компоненты смесь газов или жидкостей проходить не будет, и с обратной стороны мембраны будут десорбировать в виде пара только проходящие через слой компоненты смеси.

Тонкий плотный непористый разделяющий смесь на компоненты слой можно выполнить в виде отдельного слоя. Кроме того, его можно выполнить за одно целое с несущей подложкой. Такой слой можно изготовить из такого же материала, что и подложку, либо из другого материала в композитной форме. В композитной мембране разделяющий слой прочно связан с подложкой. При изготовлении композитных мембран плотный непористый разделяющий слой наносят на подложку при выполнении отдельной технологической операции. Композитные пленки, волокна или листы можно изготавливать и пористыми, и непористыми. Для обезвоживания масла предлагаемым в изобретении способом предпочтительно, но не обязательно использовать плоские листовые мембраны. Для отделения обезвоживаемой смеси масла и воды от удаленной из нее воды одну или обе стороны таких волокон, пленок или листов можно герметизировать. Разделяющий слой мембраны можно изготовить из того же материала, что и подложку, которую обычно изготавливают из пористого органического или неорганического полимера, керамики или стекла, либо из другого материала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют мембрану, состоящую из подложки в виде композитного листа или композитного полого волокна, покрытой с одной или с двух сторон тонким плотным непористым разделяющим смесь на компоненты слоем полимера. При использовании симметричных или несимметричных мембран жидкость может смачивать мембрану с любой стороны, хотя в предпочтительном варианте используется мембрана с разделяющим слоем, расположенным на смачиваемой, разделяемой на компоненты смесью воды и масла стороне мембраны.

Плотный непористый слой или поверхностное покрытие можно также выполнить в виде неотъемлемой части мембраны, по меньшей мере, номинально во время изготовления подложки. Изобретение, однако, не ограничено одновременным изготовлением плотного непористого поверхностного покрытия и подложки мембраны. В принципе, плотный непористый слой можно выполнить как отдельную или составную часть композитной мембраны. Плотный непористый слой мембраны можно изготавливать не одновременно с изготовлением подложки. Изготовленный отдельно плотный непористый слой затем соответствующим образом соединяют с подложкой.

Подложка мембраны может быть пористой или непористой. Плотное непористое поверхностное покрытие мембраны и ее подложка могут иметь полимерную основу. Плотное непористое поверхностное покрытие мембраны и ее подложку можно изготавливать из неорганических и органических полимеров. К таким полимерам относятся, в частности, линейные полимеры, разветвленные полимеры, сшитые полимеры, линейные циклополимеры, лестничные полимеры, матричные циклополимеры, сополимеры, тройные сополимеры, привитые полимеры или их смеси.

Жидкость с низкой летучестью может смачивать пористую подложку мембраны. В другом варианте пористую подложку мембраны можно обработать таким образом, чтобы жидкость с низкой летучестью не смачивала подложку. Однако такая обработка подложки является необязательной. Предлагаемый в изобретении способ обезвоживания масла предполагает использование мембраны, пористая подложка которой не смачивается жидкостью с низкой летучестью. Возможен также и другой вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа с использованием мембраны с пористой подложкой, которая не смачивается жидкостью с низкой летучестью в результате ее соответствующей обработки. Предпочтительно, однако, использовать такие пористые подложки, которые по своей природе не смачиваются жидкостью с низкой летучестью.

В мембранах с плотным непористым слоем или поверхностным покрытием, расположенным только с одной стороны мембраны, наличие в этом слое дефектов делает мембрану маслопроницаемой, о чем

- 9 006273 говорилось выше. Проходящее через мембрану по законам гидравлики масло испаряется с обратной стороны мембраны с меньшей по сравнению с водой скоростью или вообще не испаряется и забивает мембрану и снижает скорость обезвоживания. Поэтому в предпочтительном варианте используются мембраны с пористой подложкой, покрытой с одной или с двух сторон не имеющим дефектов плотным непористым разделяющим смесь масла и воды на компоненты слоем или поверхностным покрытием. Мембрана с не имеющим дефектов плотным непористым разделяющим слоем, по существу, не проницаема для масла, которое в мембранах с имеющим дефекты разделительным слоем проходит через эти дефекты по законам гидравлики. Наличие в мембране двух не имеющих дефектов плотных непористых разделяющих смесь масла и воды на компоненты слоев, которыми с двух сторон покрыта пористая подложка мембраны, еще больше снижает вероятность возможного прохода через мембрану масла по законам гидравлики.

При использовании в качестве мембран полых волокон разделяемая на компоненты смесь масла и воды проходит через внутреннее отверстие волокна или смачивает волокно снаружи. В предпочтительном варианте для уменьшения потерь давления используют волоконные мембраны, смачиваемые разделяемой смесью воды и масла снаружи.

В состав разделяющего смесь на компоненты слоя или поверхностного покрытия могут входить любые полимеры, химически совместимые с разделяемой на компоненты смесью и пригодные для изготовления плотного непористого слоя, через который масло не может проходить в заметных количествах. Разделяющий смесь на компоненты слой или поверхностное покрытие считается химически совместимым с маслом в том случае, когда оно не вступает во взаимодействие с маслом или не меняет при контакте с маслом своих физических свойств, таких как размеры, прочность, проницаемость и избирательная способность. К полимерам, которые могут входить в состав плотного непористого слоя, относятся, в частности, но не ограничиваясь только ими, полиимиды, полисульфоны, поликарбонаты, сложные полиэфиры, полиамиды, полимочевины, полиэфирамиды, аморфный тефлон, полиорганосиланы, алкилцеллюлоза и полиолефины.

Предлагаемую в изобретении мембрану можно использовать в противоточных и прямоточных водоотделителях и в водоотделителях с поперечными или радиально-поперечными потоками обрабатываемой в них жидкости и выделенного из нее компонента. Один или оба потока (проходящие через водоотделитель по разные стороны от мембраны) можно тщательно перемешать или вообще не перемешивать. При этом обрабатываемый в водоотделителе разделяемый мембраной на компоненты поток масла и воды предпочтительно должен быть тщательно перемешан.

Поток жидкости, содержащий жидкость с низкой летучестью (в частности, масло) и воду, можно обрабатывать в корпусе с мембраной, не имеющий дефектов плотный непористый слой которой смачивается разделяемой на воду и масло жидкостью. Такой вариант обработки с прокачкой обезвоживаемого масла через корпус со стороны плотного непористого слоя мембраны не ограничивает изобретение. При обезвоживании масла предлагаемым в изобретении способом смесь масла и воды можно также обрабатывать в корпусе с мембраной, у которой плотный непористый слой или поверхностное покрытие расположено с обратной стороны.

Парциальное давление воды с обратной стороны мембраны можно уменьшить путем создания вакуума или с помощью смывающего воду с обратной стороны мембраны газа с низким парциальным давлением водяного пара, например диоксида углерода, аргона, водорода, гелия, азота, метана или предпочтительно воздуха. Поток отделенной от масла воды вместе со смывающим ее с обратной стороны мембраны газом может проходить через водоотделитель параллельно потоку содержащего воду масла, навстречу ему или в поперечном либо радиально-поперечном направлении. Давление на обратной стороне мембраны (давление удаленной из масла воды) выбирается равным или меньшим давления обрабатываемой смеси масла и воды.

Давление на обратной стороне мембраны может быть и больше давления обрабатываемой смеси масла и воды. Давление на обратной стороне мембраны больше давления обрабатываемой смеси масла и воды, например, при использовании газа, смывающего воду с обратной стороны мембраны. В качестве газа, смывающего воду с обратной стороны мембраны, можно использовать обезвоженный сжатый воздух или азот, давление которого больше давления в той части корпуса водоотделителя, в которую подается обрабатываемая в нем смесь масла и воды. Обычно в таких случаях активность жидкости с высокой летучестью, удаляемой из обрабатываемой жидкой смеси, в той части корпуса, в которую подают обрабатываемую жидкую смесь, больше по сравнению с той частью корпуса, в которой собирается удаляемая из смеси жидкость с высокой летучестью.

До обезвоживания масла с помощью мембраны содержащее воду масло предпочтительно отфильтровать. Во время фильтрации масло очищают от различных частиц и основной массы содержащейся в нем воды. Фильтрацию обезвоживаемого масла можно выполнять любым известным способом фильтрации текучих сред. Предварительная фильтрация обезвоживаемого масла защищает от повреждения находящимися в масле частицами отделяющую от масла воду мембрану.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют мембрану в виде полого волокна с пористой подложкой, одна или обе стороны которой покрыты плотным не имеющим дефектов

- 10 006273 непористым отделяющим от масла воду слоем. Используемая в этом предпочтительном варианте мембрана позволяет свести к минимуму толщину пограничного слоя на смачиваемой смесью масла и воды стороне мембраны. Кроме того, используемая в предпочтительном варианте мембрана позволяет свести к минимуму потери давления смеси масла и воды, обрабатываемой в водоотделителе. Для удаления отделенной от масла воды с обратной стороны мембраны можно использовать вакуум или смывающий воду с обратной стороны мембраны газ. Прошедшая через мембрану отделенная от масла вода находится на обратной стороне мембраны в парообразном или газообразном состоянии. Кроме газа, смывающего с обратной стороны мембраны удаленную из масла воду, можно использовать жидкость. Активность такого газа или жидкости по отношению к воде должна быть меньше, чем у обладающей низкой летучестью жидкости.

Предлагаемое в изобретении устройство для обезвоживания масла можно использовать там, где в настоящее время применяются вакуумные очистители масла или другие обычные водоотделители. Предлагаемые в изобретении способ и устройство можно использовать для обработки масла в напоминающей почечный контур системе, в которой водоотделитель соединен с резервуаром, являющимся частью одного из элементов установки. Отбираемое из такого резервуара масло после обработки в водоотделителе снова подается в резервуар. Водоотделитель для масла может работать в непрерывном или периодическом режиме как во время работы установки, так и во время ее остановки. Предлагаемое в изобретении устройство можно также использовать для параллельной обработки масла в отдельном резервуаре, не связанном с основной масляной магистралью. Такой не соединенный с другими элементами установки резервуар можно использовать только для обработки масла и доведения его параметров до необходимого уровня.

Предлагаемое в изобретении устройство можно также использовать как устройство, встроенное в основную масляную магистраль. Наличие плотной непористой перегородки, разделяющей обрабатываемое масло от удаленной из него воды, позволяет работать с разными давлениями в масляной магистрали и в системе слива воды. Иными словами, предлагаемое в изобретении устройство может работать при подаче в него масла с давлением, равным рабочему давлению в системе смазки или в гидравлической системе. Такой вариант использования предлагаемого в изобретении устройства является наиболее предпочтительным, поскольку позволяет встроить его в существующую масляную магистраль. При этом одновременно полностью или в значительной степени отпадает необходимость в создании параллельной маслосистемы или создания системы типа почечного контура. Возможность использования предлагаемого в изобретении устройства на существующих магистралях при рабочем давлении в системе позволяет уменьшить его размеры и вес и использовать практически в любых гидравлических системах или системах смазки. Предлагаемое в изобретении устройство не требует дополнительного расхода энергии, использования отдельных насосов и элементов управления и поэтому может с успехом использоваться не только в стационарных условиях, но и на мобильных установках.

На фиг. 1 прилагаемых к описанию чертежей, на которых одни и те же элементы обозначены одними и теми же позициями, показана предлагаемая в изобретении плоская листовая полупроницаемая мембрана 18. Эта мембрана 18 состоит из непористого не имеющего дефектов разделяющего смеси на компоненты слоя, или поверхностного покрытия, 22 и подложки 24. Разделяющий смесь на компоненты слой (поверхностное покрытие) 22 может быть расположен с одной либо с обеих сторон подложки 24.

На фиг. 13-14 показана другая разновидность полупроницаемой мембраны 18, в которой разделяющий смесь на компоненты слой, или поверхностное покрытие, 22 выполнен за одно целое с подложкой 24 любым из используемых в настоящее время для изготовления мембран способом. В этом варианте разделяющим слоем (поверхностным покрытием) 22 также может быть покрыта любая из сторон или обе стороны подложки 24.

На фиг. 2 показаны две плоские листовые полупроницаемые мембраны 18, отделенные друг от друга множеством элементов 34, образующих каналы для прохода обрабатываемой смеси масла и воды. Разделители 34 можно изготовить из различных хорошо известных материалов, в том числе и из заливочных компаундов. Каждая мембрана 18 имеет поверхностное покрытие 22 и подложку 24. Между мембраной 18 и разделителями 34 расположен собирающий пермеат (фильтрат) разделитель 25, который препятствует перемешиванию обрабатываемой смеси масла и воды с удаленной из масла водой. Мембраны 18 отделены друг от друга образующими каналы для прохода обрабатываемой смеси масла и воды разделителями 34.

На фиг. 3 показана предлагаемая в изобретении полупроницаемая мембрана 20, выполненная в виде полого волокна. Предлагаемая в этом варианте осуществления изобретения мембрана 20, выполненная в виде полого волокна, состоит из разделяющего смесь на компоненты слоя 22 и подложки 24. Разделяющий слой может быть расположен только на одной внутренней или внешней поверхности волокна или одновременно и на внутренней, и на внешней поверхностях волокна.

На фиг. 15-16 показана другая разновидность выполненной в виде полого волокна мембраны 20, в которой разделяющий слой, или поверхностное покрытие, 22 выполнен за одно целое с подложкой 24 любым из используемых в настоящее время для изготовления мембран способом. В этом варианте разделяющим слоем также может быть покрыта любая из сторон или обе стороны подложки 24.

- 11 006273

На фиг. 4А показан мат 30, сплетенный из множества полупроницаемых мембран 20, выполненных в виде полых волокон. Если воспользоваться терминологией, принятой в текстильной промышленности, то выполненные в виде полых волокон мембраны 20 образуют уток тканого мата 30. При изготовлении из полых волокон или мембран 20 тканого мата используются соответствующие наполнители 28. Такого рода наполнители 28 обычно используются при изготовлении тканых матов или полотна.

Поперечное сечение показанного на фиг. 4А мата плоскостью В-В показано на фиг. 4Б. На фиг. 4Б упоминавшиеся выше элементы обозначены теми же позициями. Изготовить предлагаемую в изобретении мембрану в виде тканого мата, состоящего из множества полых, полупроницаемых волокон, можно любым известным в текстильной промышленности способом, исключающим повреждение отдельных волокон.

На фиг. 4В показан смотанный в рулон мат 30. На концах этого мата 30 расположен образующий канал для прохода обрабатываемой смеси масла и воды разделитель 34, изготовленный заливкой компаунда 35, которым заполнены промежутки между полыми волокнами 20, о чем более подробно сказано ниже.

На фиг. 4Г показаны две изготовленные из полых волокон полупроницаемые мембраны 20, навитые друг на друга в виде троса или каната 32.

На фиг. 5 показана свернутая обычным путем в рулон листовая полупроницаемая мембрана 18, образующая в спирально намотанном модуле полость, в которую подается обрабатываемая смесь, и полость, в которой собирается пермеат. До намотки мембраны 18 в рулон к мембране поверх разделяющего смесь на компоненты слоя 22 крепится разделитель 34, образующий канал для прохода через мембрану обрабатываемой смеси. Одновременно в рулон можно намотать несколько листовых полупроницаемых мембран 20. До намотки в рулон листовые полупроницаемые мембраны 18 укладывают друг на друга в горизонтальной плоскости. Между уложенными друг на друга мембранами 18 можно расположить разделители 34. Собранные друг с другом расположенные горизонтально листовые мембраны 20 затем наматывают по спирали на сердечник 60 (при его использовании). В намотанной в рулон многолистовой мембране разделитель 34, образующий канал для прохода через мембрану обрабатываемой смеси, соприкасается с собирающим пермеат разделителем 25.

На фиг. 6 показан предлагаемый в изобретении водоотделитель для масла, в котором с обратной стороны мембраны, на которой собирается удаленная из масла вода, создается вакуум. Масло 40 вместе с содержащейся в нем водой подается в верхнюю полость мембранного корпуса 42 водоотделителя, в которой оно обрабатывается эффективно смачиваемой им мембраной 18. До обработки мембраной 20 содержащее воду масло 40 можно подогреть. Обезвоженная жидкость 44, обладающая низкой летучестью (испаряемостью), выводится из верхней полости корпуса 42 водоотделителя. Удаленная мембраной из масла вода 46 откачивается из водоотделителя вакуум-насосом 48. Содержащее воду масло 40, как и удаленная из масла вода 46, проходят через водоотделитель в определенном направлении параллельно или перпендикулярно мембране 20. Для более эффективного обезвоживания масла корпус 42 водоотделителя можно нагреть до соответствующей температуры.

Очевидно, что размеры корпуса 42 водоотделителя следует выбирать с учетом расхода очищаемого от воды масла 40, допустимых потерь давления и количества удаляемой из масла воды. В показанном на фиг. 6 варианте удаленная из масла вода 46 проходит через корпус водоотделителя перпендикулярно потоку протекающего через него очищаемого от воды масла 40, что, однако, не исключает возможности использования и противоточных, и прямоточных водоотделителей, а также водоотделителей с радиально-поперечными потоками масла и удаленной из него воды.

На фиг. 7 и 8 показаны водоотделители, в которых используется газ 50, смывающий удаленную из масла воду с обратной стороны мембраны 20. На фиг. 8 показан фильтр 52, предназначенный для механической очистки обрабатываемой в водоотделителе смеси масла и воды.

На фиг. 9, 10, 11 и 12 показаны схемы водоотделителей, в которых жидкость, протекающая через отверстие полого волокна 20, отделяется от жидкости, протекающей вдоль внешней поверхности волокна, заливочным компаундом 34. Из водоотделителя, показанного на фиг. 11, очищенное масло выводится через перфорированный сердечник 60. Перфорированный сердечник 60 имеет обычную конструкцию и состоит из корпуса 62 с перфорированным участком 64 и выходным отверстием 68. На перфорированном участке сердечника расположено большое количество отверстий 66 для прохода очищенного от воды масла. Выходное отверстие 68 сердечника сообщается с внутренней полостью корпуса 42 водоотделителя, из которой выходит очищенное от воды масло 44. Перфорированные отверстия в сердечнике должны иметь соответствующие размеры и форму. Обладающая низкой летучестью жидкость (масло) свободно проходит через корпус 62 и его перфорированный участок 64. Внутрь корпуса 62 обладающая низкой летучестью жидкость попадает через перфорированные отверстия 66. Выходит из перфорированного сердечника 60 обладающая низкой летучестью жидкость через его выходное отверстие 68.

Предлагаемое в изобретении устройство можно использовать не только для обезвоживания смазочных масел, но и для обезвоживания других жидкостей, например растительных или пищевых масел, силиконов или других жидкостей, обладающих низкой летучестью (испаряемостью).

- 12 006273

Встречающиеся в приведенном выше описании термины и выражения не ограничивают сущности настоящего изобретения и поэтому их можно заменить любыми эквивалентными по смыслу терминами и выражениями. В полной мере сущность и объем настоящего изобретения определяются только формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обезвоживания масла, заключающийся в том, что

а) потоком жидкости, в котором содержатся в свободном, эмульгированном или растворенном виде вода и масло, воздействуют на одну сторону не имеющей дефектов непористой полупроницаемой мембраны, которая делит разделительную камеру на две полости, в одну из которых подается поток обрабатываемой жидкости, а из другой удаляется прошедшая через мембрану и отделенная от этой жидкости вода, при этом такая не имеющая дефектов непористая полупроницаемая мембрана представляет собой составную часть полого волокна, в котором не имеющий дефектов плотный непористый разделяющий жидкость на компоненты слой расположен на пористой подложке, и эти разделяющий жидкость на компоненты слой и пористая подложка по своей природе являются полимерными,

б) на разных сторонах мембраны поддерживают разное парциальное давление воды, при котором содержащаяся в жидкости вода в результате диффузии раствора проходит через разделяющий полимерный слой в виде пара из указанной полости во вторую полость разделительной камеры,

в) из расположенной под мембраной полости разделительной камеры выводят водяной пар с помощью смывающего воду с обратной стороны мембраны газа или под действием вакуума,

г) препятствуют прохождению масла через мембрану в расположенную под ней полость разделительной камеры и

д) выводят из расположенной над мембраной полости разделительной камеры обезвоженное масло.
2. Способ обезвоживания обладающих низкой летучестью жидкостей, заключающийся в том, что

а) потоком жидкости, в котором содержатся, по меньшей мере, вода и жидкость с низкой летучестью, воздействуют на одну сторону не имеющей дефектов непористой полупроницаемой мембраны, которая делит разделительную камеру на две полости, в одну из которых подается поток обрабатываемой жидкости, а из другой удаляется прошедшая через мембрану и отделенная от этой жидкости вода, при этом такая не имеющая дефектов непористая полупроницаемая мембрана представляет собой составную часть полого волокна, в котором не имеющий дефектов плотный непористый разделяющий жидкость на компоненты слой расположен на подложке, и эти разделяющий жидкость на компоненты слой и подложка по своей природе являются полимерными,

б) на разных сторонах мембраны поддерживают разное парциальное давление воды, при котором содержащаяся в жидкости вода проходит через мембрану из указанной полости во вторую полость, а жидкость с низкой летучестью не может пройти через мембрану по законам гидравлики,

в) из расположенной под мембраной полости разделительной камеры выводят прошедшую через мембрану воду и

г) из расположенной над мембраной полости разделительной камеры выводят обезвоженную жидкость.
3. Способ обезвоживания масла, заключающийся в том, что

а) потоком жидкости, в которой содержатся, по меньшей мере, вода и масло, воздействуют на одну сторону не имеющей дефектов непористой полупроницаемой мембраны,

б) при этом вода находится в масле в свободном, эмульгированном или растворенном виде, а

в) мембрана делит разделительную камеру на две полости, в одну из которых подается поток обрабатываемой жидкости, а из другой удаляется прошедшая через мембрану и отделенная от этой жидкости вода,

г) на разных сторонах мембраны поддерживают разное парциальное давление воды, при котором содержащаяся в жидкости вода проходит через мембрану из указанной полости во вторую полость, а масло не может пройти через мембрану по законам гидравлики,

д) из расположенной под мембраной полости разделительной камеры выводят прошедшую через мембрану воду и

е) из расположенной над мембраной полости разделительной камеры выводят обезвоженное масло.
4. Способ по п.3, в котором не имеющая дефектов непористая полупроницаемая мембрана имеет один или несколько плотных непористых слоев на пористом или непористом плоском листе.
5. Способ по п.2, в котором давление прошедшей через мембрану жидкости больше давления обезвоживаемой жидкости.
6. Устройство для обезвоживания масел, содержащее

а) корпус, в котором находится жидкость,

б) расположенную в корпусе не имеющую дефектов непористую полупроницаемую мембрану, которая делит внутреннее пространство корпуса по меньшей мере на одну полость, в которой находится обезвоживаемое масло, и одну полость, в которой находится прошедшая через мембрану отделенная от масла вода,

- 13 006273

в) по меньшей мере одно входное отверстие, через которое в указанную полость подается обезвоживаемое масло,

г) по меньшей мере одно выходное отверстие, через которое из нее выводится обезвоженное масло, и

д) по меньшей мере одно выходное отверстие, через которое из корпуса выходит прошедшая через мембрану удаленная из масла вода.