（环境工程专业论文）磷酸酯抗燃油反沉降脱水净化技术研究.pdf

目录 摘要i a b s 。：r a c t i i 第1 章绪论。1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 磷酸酯抗燃油的劣化机理2 1 3 废油净化方法的研究现状5 1 4 磷酸酯抗燃油反沉降净化方法。7 1 5 本课题研究的目的及内容1 0 第2 章采集程序设计及模块选择11 2 1 虚拟仪器l a bv i e w 的简述。1 1 2 2 虚拟仪器l a bv i e w 的优势1 2 2 3 虚拟仪器l a bv i e w 中的基本概念1 2 2 4 虚拟仪器l a bv i e w 的操作模板13 2 5 虚拟仪器l a bv i e w 数据采集。1 4 2 6 反沉降脱水净化数据采集软件模块1 6 2 7 数据采集系统的实现1 7 2 8 运行和调试程序2 4 2 9 本章小结2 6 第3 章l a bv i e w 模拟仿真反沉降脱水净化过程2 7 3 1 反沉降脱水净化过程中水分颗粒运动分析2 7 3 2 反沉降净化过程模块设计2 9 3 3 本章小结3 3 第4 章磷酸酯抗燃油反沉降脱水净化实验研究3 4 4 1 磷酸酯抗燃油的基本特性研究3 4 4 2 实验平台的搭建3 9 4 3 反沉降脱水净化单因素实验研究4 0 4 4 本章j 、结4 6 第五章结论与展望4 7 5 1 结论，4 7 5 2 展望4 8 参考文献4 9 致谢5 l 在学期间发表论文与参加课题一览表5 2 重庆工商大学硕士学位论文 摘要 磷酸酯抗燃液在： 程中惯称磷酸酯抗燃油，是种人工合成的有机脂类液体。 由于它具有优异的抗燃性、润滑性以及俐磨性，现已逐步代替传统矿物汽轮机油 成为大容量高参数机组调节保安系统和旁路系统的工作介质。为了保证核电厂、 火电厂成等大容量高参数机组的安全运行，研究分析磷酸酯抗燃油的劣化原因以 求：达到减缓油液劣化速度，延长油液使用时自j 的目标已经成为众多研究人员的首 选研究课题。针对磷酸酯抗燃油密度比水大这一重要物理特性提出了一种新的磷 酸酯抗燃油的净化方法反沉降脱水净化法，以爱可玛化工原料公司生产调制 的磷酸酯抗燃油为研究对象，设计实验方案搭建试验平台对其进行研究分析。本 次研究的主要内容包括各因素对反沉降脱水净化效率的影响变化规律进行分析， 试图寻找反沉降脱水净化装置的最优反应条件，为今后对磷酸酯抗燃油的净化研 究探索一个新的研究思路。 ( 1 ) 通过对导致磷酸酯抗燃油劣化的影响因素及现有的油液净化处理方法进 行综合分析，以此为基础提出了一种新的净化处理方法反沉降脱水净化法， 并对其定义、作用原理以及适用范围都进行系统阐述。利用l a bv i e w 程序图形化 的编程语言仿真模拟反沉降脱水净化，以动画的形式直观地呈现出来，便于更好 地理解反沉降脱水净化方法的相关理论，从而为试验研究奠定了基础。 ( 2 ) 通过对所选用进行研究的磷酸酯抗燃油进行基础性能分析。以反沉降净 化作用原理为基础，设汁试验方案，选择合适硬件搭建试验研究平台。利用l a b v i e w 编写数掘采集程序，对反沉降处理过程中温度、压力及流速等信号进行采集 处理分析。 ( 3 ) 反沉降试验装置在不同状念下进行油液净化，同时采集试验过程中各参 数数据，并用微水仪测定处理前后油液中的水分含量进行对比分析：反沉降脱水 净化效率随温度及进油流速的增大表现出先增大后降低的变化趋势，与处理时| 白j 及系统压力成萨比关系，但变化相对平缓。得知在试验条件下反沉降脱水净化的 最佳作用条件为：温度5 0 6 0 ，处理时间lh ，压力0 1 2m p a ，进油流速为 2 3 0 c m 3 s 。 本研究对于减缓磷酸酯抗燃油这类重油的劣化速度，提高油液使用效率具有 定的实际意义，在一定程度上丰富了油水分离方法体系。 关键词：磷酸酯抗燃油：反沉降脱水净化：l a bv ie w 仿真：脱水率；试验研究 重庆工商大学硕士学位论文 a b s t r a c t p h o s p h a t ee s t e rf i r e 。r e s i s t a n tf l u i di sc o m m o n l yc a l l e da st h ep h o s p h a t ee s t e rf i r e r e s i s t a n to i l i np r o j e c t ，w h i c hi sak i n do f s y n t h e t i co r g a n i cl i p i dl i q u i d b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tf l a m e r e s i s t a n t ，l u b r i c a t i o na n dw e a rr e s i s t a n c e ，i th a sr e p l a c e dt h e t r a d i t i o n a lm i n e r a l - b a s e do i l g r a d u a l l ya st h ew o r k i n gm e d i u mo ft h es e c u r i t ys y s t e ma n db y p a s s s y s t e m i no r d e rt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h el a r g eu n i ts u c ha sn u c l e a rp o w e rp l a n t s ，t h e r m a l p o w e rp l a n t sa n ds oo n ，s om a n yr e s e a r c h e r sb e g i nt os t u d yt h a th o wt or e d u c et h es p e e do ft h e d e g r a d a t i o na n de x t e n dt h ed u r a t i o no fu s e an e wk i n do fp u r i f i c a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sc a l l e d a n t i s e t t l e m e n td e h y d r a t i o nm e t h o d ，h a sb e e n p r o p o s e d t od e s i g na n da s s e m b l yt h ee x p e r i m e n t d e v i c et of i n dt h el a w o fv a r i o u sf a c t o r st ot h e e f f i c i e n c yo ft h ea n t i s e t t l e m e n td e h y d r a t i o n p u r i f i c a t i o n d oi tl i k et h i s ，w ec a nk n o wt h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n so ft h ea n t i s e t t l e m e n t d e h y d r a t i o np u r i f i c a t i o nd e v i c e w h i c hi san e wr e s e a r c ha p p r o a c hf o rt h ef u t u r er e s e a r c ho nt h eo i l p u r i f i c a t i o n a n a l y s i so ft h ef a c t o r st h a tl e a dt ot h eo i ld e t e r i o r a t i o na n dt h ee x i s t i n gp u r i f i c a t i o nm e t h o d s t o p r o p o s e d an e wp u r i f i c a t i o nm e t h o d a n t i - s e t t l e m e n t d e h y d r a t i o np u r i f i c a t i o nm e t h o d a n d d e s c r i b e st h ed e f i n i t i o n ，t h ep r i n c i p l e sa n dt h es c o p eo ft h ep u r i f i c a t i o nm e t h o ds y s t e m a t i c a l l y w i t h t h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n go ft h el a bv i e wt os h o wt h ea n t i s e t t l e m e n tp u r i f i c a t i o np r o c e s si nt h e f o r mo fa n i m a t i o n w h i c hc o n t r i b u t e st oab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h ea n t i s e t t l e m e n td e h y d r a t i o n p u r i f i c a t i o nt h e o r y s t u d yo nt h eb a s i cp r o p e r t i e so ft h ep h o s p h a t ee s t e rf i r e r e s i s t a n to ila n dc h o o s et h er i g h t h a r d w a r et ob u i l dt h et e s tp l a t f o r mb a s e do nt h ea n t i s e t t l e m e n tp u r i f i c a t i o n p r i n c i p l e w r i t et h ed a t a a c q u i s i t i o np r o g r a mi nl a bv i e wt oa c q u i s i t i o nt h es i g n a ls u c ha st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，f l o wr a t e a n ds oo n c o l l e c t i n ga l lt h ed a t au n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dd e t e r m i n i n gt h em o i s t u r ec o n t e n ti nt h e o i lb e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n tt h e na f t e ra n a l y z e dw ek n o wt h a tt h e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f a n t i s e t t l e m e n td e h y d r a t i o np u r i f i c a t i o ns h o w st h et r e n do ft h ec h a n g ef i r s ta n dt h ed e c r e a s e dw i t h t h et e m p e r a t u r eo rt h ei n l e tr a t e a n dw h i c hi s p r o p o r t i o n a lt ot h ep r o c e s s i n gt i m ea n dt h ei n l e t p r e s s u r e ，w h i l et h ec h a n g ei sr e l a t i v e l yf l a t c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i ss h o w st h a tt h eb e s te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o no ft h ea n t i s e t t l e m e n td e h y d r a t i o np u r i f i c a t i o na sf o l l o w ：t h et e m p e r a t u r ei s5 0 6 0 t h e p r o c e s s i n gt i m ei so n eh o u r ，t h ep r e s s u r ei s0 12m p aa n dt h ei n l e tr a t ei s2 3 0c m 3 s t h i ss t u d yh a sac e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h er e l i e fo ft h ed e g r a d a t i o ns p e e da n dt h e u s ee f f i c i e n c yo ft h ep h o s p h a t ee s t e rf i r e - r e s i s t a n to i la n de n r i c ht h eo i l w a t e rs e p a r a t i o ns y s t e mt o 重庆工商大学硕士学位论文 s o m ee x t e n t k e ) 1 v o r d s ：p h o s p h a t ee s t e rf i r e r e s i s t a n to i l ；a n t i s e t t l e m e n td e h y d r a t i o np u r i n c a t i o n ；l a b v i e ws i m u l a t i o n ；d e h y d r a t i o ne f f i c i e n c y ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 重庆工商大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着电力工业的快速发展，在国内的某些大型火电厂、核电站中，大容量高 参数发电机组日益增多。这类机组设备的压力管道一旦破裂，就会在短时间内喷 出大量的调节液，并且喷射距离远，散布面积广。若调节液仍选用普通的矿物汽 轮机油，当其泄露喷射而接触到高温炙热蒸汽管时可能会酿成火灾事故。因此， 为了保障大型机组的安全运行，其调节保安系统和旁路系统已普遍采用磷酸酯抗 燃油作为液压介质【1 2 _ “】。磷酸酯抗燃液在实际工程应用中惯称磷酸酯抗燃油， 是一种人工合成的有机脂类液体，它是抗燃油家族中应用最普遍的一种。而目前 绝大部分机组使用的抗燃液压油主要依靠国外进口，价格十分昂贵，约为普通汽 轮机油的3 0 倍。例如元宝山电厂所使用的阿克苏诺贝尔公司的f u r q e le h c ，每 桶抗燃油( 18 0l ) 的售价为3 2 万元，3 台机器的耗油量为10 6 0 0l ，若全部更换一 次大约需要资金2 0 0 万元【5 j 。由于磷酸酯抗燃油是人工合成的脂类液体，其油液 组分及理化性能与普通矿物汽轮机油相比也有相当大的区别。抗燃油在实际生产 使用过程中普遍存在油品质劣化严重、劣化速度快、使用周期短等问题，严重的 时候甚至还会出现系统卡涩、跳机等情况的发生。 磷酸酯抗燃油作为合成油液，其组分复杂使得它不仅具有一般油液的通性， 同时也具有添加剂的部分性能，甚至还因为添加剂与基础油间的相互作用使得磷 酸酯抗燃油表现出与其他油液差别较大的特殊化学性质。磷酸酯抗燃油具有良好 的抗燃性、润滑性以及低挥发性等工业特性，但是另一方面它的热安定性和水解 安定性较差，在实际的工业生产中也带来许多的负面影响，例如在大型机组运行 的过程中油液容易发生含水率增大、酸值升高、电阻率降低等问题从而影响系统 的安全运行。 绝大多数的普通工业用油是直接从石油中提炼而成的；合成油液则是根据其 特殊的工作环境或者特定的工作对象，为了满足某一方面的特殊需求，加入合适 的添加剂调和而成。由于合成原料和工艺的不同，无论是经济价值还是使用价值 与普通基础油相比都更高。目前全球资源都陷入紧缺的局面，尤其是诸如石油这 种不可再生资源已经面临枯竭。党中央也早己提出建设节约型社会的方针路线政 策。所以，如果能使被污染的油液经过处理恢复其原有性能从而循环利用，不仅 给生产企业带来巨大的经济效益，还节约了世界能源，对环境保护也做出一份贡 献。废油对环境的污染相当严重，废油渗透到土壤中破坏土壤结构性质，影响土 重庆工商大学硕士学位论文壤肥力，造成农作物失收，数量过大甚至会影响渗透影响地下水源，对人类身体健康造成严重的影响。即使不将污染油液丢弃，若没有行之有效的处理方法，由于大部分的油液自然降解和挥发速度非常慢，随着时间的推移将会造成大量废弃油液囤积，也同样会对人类的生存环境构成相当大的潜在威胁【6 】。随着国民经济的不断发展，社会工业化程度日益扩大，电力行业的蓬勃发展及安全稳定也更加受到社会各界的广泛关注。磷酸酯抗燃油作为大型机组的系统液压介质，对保障机组的安全运行及生产人员的生命健康都具有十分重要的意义，也在一定程度上促进了国家的稳定发展和社会的安定团结。为了满足对油类产品日益增长的需求，不仅需要积极开源，更加应该重视节流。如何提高石油的利用率、充分利用有限的石油资源，就成为了全世界的重大研究课题。综上所述，针对导致磷酸酯抗燃油劣化的影响因素进行系统分析研究，期望减缓油液劣化速度，延长油液使用寿命，并且能探索出合适的净化处理方法，使劣化的油液恢复到原有的性能，从而循环再利用。这样一方面降低了机组的运行成本，减小了投入产出比，另一方面也保障了机组的安全运行和操作人员的安全健康，同时还减少了报废油品量，大大降低了废油对环境的污染。这对于建设节约型社会、经济持续健康发展以及更加有效地保护环境都具有十分重要的意义。1 2 磷酸酯抗燃油的劣化机理磷酸酯抗燃油劣化的显著特征表现为油液颜色加深，严重时还会产生沉淀物。运行温度、油液酸值、水分含量、颗粒杂质、空气释放值、体积电阻率等因素相互影响，其中以温度、水分含量、酸值和颗粒杂质对油液的性能影响最为严重。1 2 1 温度对抗燃油劣化的影响所谓抗燃性，是指抗燃油具有较高的燃点，不易燃烧也不会产生易燃和维持燃烧的分解产物，即使发生火灾火焰也不会沿着油流传递。磷酸酯抗燃油之所以表现出抗燃性，是因为在合成油液的过程中添加了磷酸酯类抗燃剂的原因。磷酸酯类抗燃剂的阻燃效果很好，其主要原因是磷酸酯类物质在燃烧时会生成偏磷酸可聚合成稳定的聚态，成为聚合物的保护层，从而达到隔绝氧气和可燃物而延迟物体着火和减缓燃烧速度的目的，同时磷酸能促使聚合物碳化，组织物体着火燃烧，组织火灾蔓延、延缓火势发展【7 】。然而，这并不意味着磷酸酯抗燃油的油液品质不会受到温度的影响。在过高的温度环境条件下，同样会大大加快抗燃油的劣化速度。黄文列8 】围绕抗燃油在使用过程中劣化速度快，生命周期短等原因对其劣化原因的进行分析，指出抗燃油在较高温度下氧化速率剧增，短期内油液酸值很快升2 重庆工商大学硕士学位论文 高，并且当油温过高时，抗燃油还会使管路连接处的密封材料溶解，造成油泄漏 和油质的改变。曹丽春、李永胜【9 】简述了磷酸酯抗燃油的特点，分析了抗燃油的物 理化学特性，特地强调注意区分磷酸酯抗燃油的抗燃性与抗高温性是两个不同的 概念，指出环境温度过高会使抗燃油氧化速率剧增，机组在运行过程中应将温度 控制在4 0 5 5 。 可见，温度是影响抗燃油品质及使用的一个重要因素。通常情况下，新油的 储存温度应保持在0 3 0 ，当机组运行时，温度也应严格控制在5 5 范围内【l 。 即使机组的运行温度在正常的范围内，也不可忽略阀门、管轴以及连接部件等部 位都有可能存在局部过热点，抗燃油同样可能容易因为温度过高引发氧化或者热 裂解，导致酸值增加致使产生沉淀，颗粒度污染增大，影响油液品质。 1 2 2 酸值对抗燃油劣化的影响 酸值是反映抗燃油劣化程度的重要指标，也是抗燃油重要的日常监测指标之 一。通常情况下新抗燃油的酸值应不大于0 0 8 m g k o h g ，并且在使用过程中要定 期检测，发现酸值明显上升，达到o 2 0m gk o h g 以上时，应采取积极有效措施 加以改善【1 1 1 。酸值升高加快了油液的水解速度以及金属部件被腐蚀的速度，形成 大量油泥，影响调速系统运行，对安全构成威胁。 姚忠太【1 2 】通过介绍了2 15m w 机组高压抗燃油系统的概况，分析指出油液酸 值上升过快是抗燃油在运行中的主要问题之一，酸值急剧上升导致油质进一步劣 化，不但缩短了油液的使用寿命，还会使调速系统失灵影响安全生产。 磷酸酯抗燃油的水解是一个自动催化降解的过程，即水解产物加速水解的过 程。反应中产生的h + 会加快反应速度，一旦发生水解，抗燃油的酸值会很快上升。 磷酸酯抗燃油这类人工合成的有机脂类液体，在酸、碱及盐存在的条件下更容易 催化发生水解【l 五1 4 j 。 1 2 3 水分对抗燃油劣化的影响 水分不仅是导致普通矿物汽轮机油酸化的原因，同样也是造成磷酸酯抗燃油 酸值升高的重要影响因素。酸值升高又会加速油液水解以及机组部件腐蚀，从而 形成恶性循环。普遍条件下抗燃油的设计寿命为1 0 年，但通常在使用半年到一年 后，水分含量就会严重超标。油液中的水含量高会导致电阻率降低，影响泡沫和 空气释放特性。根据研究表明，油液中的水分含量应严格控制在0 1 以内【l5 1 。 赵雁明r 7 】通过分析对比磷酸酯抗燃油劣化前后的红外光谱( i r ) 谱图，得到 水解是引起磷酸酯抗燃油劣化的机理之一，还指出磷酸酯在以酸做催化剂，低含 水量条件下反应方程为： 重庆工商大学硕士学位论文 ( m ) 3p o + h 2 0 与( 舳) 2 p o o h + a r o h 这里的a r 替代c 。、c ，、c 。芳烃或烷基苯，这个反应能产生二元单脂 a r o p o ( o h ) ：和最终产物磷酸。亲核试剂( h ：o ) 与亲电试剂( 磷原子) 发生反应， 并且置换出可分离基团( 酚) 。其反应机理为： a r - - - - - - o a t - - 0 剑p co h ： + a r o 一i a r - - - - - o n 喝卜 兰十一a 蕊+ 枷 g f w o l f e o s j 等研究人员指出在有s n c l 2 、f e c l 3 等路易斯酸存在的环境中，会 加快催化脂类物质水解的速度，并且催化能力比盐酸、磷酸等无机盐更强，其反 应机理为： ( a 雨) 3 p o s c l , 一( a 曲) ，p 一0 一s n 。c 1 2 坚l ( 舯) 3 p 一0 一s n c l 2 】 一【( a 内) 3 p 毒s is c h _ ( 枷) 2 0 h p o + s c t 2 + a r 0 h 1 2 4 颗粒杂质对抗燃油劣化的影响 油液在生产过程中，包括油液的运输、储存以及添加等环节都有可能受到不 同程度的颗粒物污染。在使用过程中，由于运行温度不断升高或局部温度过高都 可能导致油品发生氧化分解，产生黑色粘稠颗粒物，从而导致油液颗粒度的增加。 在检修过程中，由于检修工具、环境或者工艺的局限，甚至是操作人员的熟练程 度都可能对油液造成二次污染，导致颗粒度增加。 颗粒物的增多，影响的不仅仅是油液的理化性质，更严重的是影响了油液的 使用性能。抗燃油通常作为各机组的液压介质进入系统，其中细小粒径的杂质随 着油流进入各机件的间隙中，一方面，粒径较大的杂质有可能堵塞滤料，并且在 滤料表面形成划痕，破坏油膜的均一性，损害油膜的强度；另一方面，油液用作 4 重庆工商大学硕士学位论文 变压器油时，颗粒杂质在高压的条件下形成两端分别带正、负电的偶极子，正、 负偶极子相吸形成偶极子长链，发生电场下的“搭桥”现象，导致油液被击穿【1 9 1 ， 造成潜在的安全隐患。 油液中的颗粒杂质含量超标，导致系统部件卡涩，轻者造成机组运行负荷摆 动，重者致使机组保安系统失灵。为了保证生产的安全有序，油液中的机械杂质 含量必须受到严格地控制。 1 3 废油净化方法的研究现状 油液的净化方法大致可分为物理净化方法和化学净化方法两大类。物理净化 方法包括重力沉降法、膜过滤法、静电吸附法、真空脱水( 气) 法、离心分离法等等， 对于劣化变质程度较轻的油液可以收到很好的净化效果。在选择处理方法时应根 据润滑油的污染情况有针对性的选择其中一种净化方法或者是几种方法综合使 用。但是，物理净化方法通常只能治“表”不能治“里”，对于那些污染程度或劣 化程度较为严重的废油还是需要利用化学处理方法。 对于普通矿物油而言，最常用也是最传统的化学处理方法就是硫酸白土 精制再生工艺，即采用浓硫与废油混合，通过反应除去油中含氧、含氮和含硫的 化合物杂质，然后用白土加以吸附静置，成为基础油【2 0 1 。此净化方法产生酸渣对 环境造成二次污染，并且生产周期长。从七十年代以来，研究人员一直在不断地 寻找新的再生工艺，并且也取得了很大的进展。例如，法国开发的i f p ( i n s t i t u t e f r a n c ep e t r o l e m ) t 艺进行改进之后提高了大约10 的收率；意大利s n a m p r o g e t t i 公司开发的s n a m p r o g e t t i 工艺生成的基础油颜色和酸化安定性想比较而言更好。但 是，这些方法都不能用于磷酸酯抗燃油的净化处理，因为磷酸酯抗燃油的热安定 性和水解安定性较差会水解生成具有腐蚀性的磷酸盐，对油液的品质造成严重的 影响，甚至威胁机组的安全运行。 1 3 1 重力沉降法 重力沉降法是最初级的分离方法，它利用油液和水分的不相溶性及重力作用， 在静止或低速流动状态下将水分和油液分离开来。在普通矿物汽轮机油中，分散 在油液中的水分颗粒在重力作用下缓慢下沉聚集从而达到分离的目的。但是对于 磷酸酯抗燃油而言，其密度比水大，水分颗粒因密度差的原因在油液中至下而上 运动。水分颗粒的运动速度主要受颗粒的大小、油水密度差、流动状态等因素所 影响，其关系可用s t o k e s 公式来描述，即： 重庆工商大学硕士学位论文 一2 r 2 ( 届- p 2 ) g “2 二- _ 一 9 , u 式中：甜一颗粒沉降速度；尺一颗粒半径；( p l 一岛) 一水和油的密度差：一 粘度；g 一重力加速度。 重力沉降法对不同水分含量的油液均适用，通常情况下可除去其中大部分的 自由水，并且水分含量越高，处理效果越明显。若单独使用重力沉降法不能完全 滤除乳化水和溶解水。提高油液温度，采用锥形分离塔有助于提高重力沉降的效 率，但是高粘度油液，氧化产物及添加剂会阻碍油水的有效分离【2 l 】。 1 3 2 过滤分离法 过滤分离法是污水处理过程中常见的工艺方法，通常是将废水通过设有孔状 结构的装置或由某种颗粒介质组成的滤层，利用惯性碰撞、筛选、截留、分离等 作用使废水中的悬浮颗粒物杂质得以去除【2 2 】。 将过滤分离工艺流程用于处理废油时带有一定的局限性。例如，过滤分离法 处理的废油粘度不能过大，否则在通过网状结构装置时有可能造成孔堵塞：应充 分考虑到滤层所选用的颗粒介质材料与油液的相容性，否则将会影响油液的性质。 1 3 3 真空分离法 水的汽化有蒸发和沸腾两种形式，只有沸腾这种剧烈的汽化方式才能实现废 油的快速脱水净化。沸腾的必要条件是温度必须达到液体的沸点，不同真空度下 水的沸点亦有所不同，真空度越高沸点越低。温度升高，水将变成水蒸气，当温 度继续升高接近液体的沸点，在气泡表面会有大量的液体分子逸出，使气泡不断 地胀大。当它受到的浮力能够挣脱容器壁或杂质上的吸附力时，气泡就会上升到 液体表面。从理论分析可知，如果恰当地控制温度和真空度，使水沸腾而油不沸 腾，就可以将水分从油液中分离出来实现油液脱水的目的。已经有研究人员利用 真空分离原理研制出针对油液净化的真空脱水装置1 2 引。 据文献记载，国外早在上世纪8 0 年代中后期就开始研究将真空脱水净化技术 与离子交换技术组合应用于处理磷酸酯抗燃油的处理，并获得显著成效。该工艺 是将粉末状的阴阳树脂固化在类似小过滤器的桶状结构中，形成多孔性树脂滤芯， 以增加离子的吸收与交换面积。阳树脂为强酸型，可去除油液中的金属离子，弱 碱性阴树脂具有永久碱性功能团，能与油液中的酸性物质发生反应。弱碱性阴树 脂的物化特性较为稳定，可在高温的环境条件下使用。树脂本身含有一定水分， 尤其是湿树脂的含水率更高达5 0 以上，同时离子交换反应也会产生微量水分。 6 重庆工商大学硕士学位论文 因此，在离子交换装置的下游串联除水装置，通常采用抽真空的方法进行脱水干 燥。高效真空脱水机能去除1 0 0 的游离水和8 0 以上的溶解水【2 4 1 。现在国内也有 火电厂开始采用这种技术用以改善磷酸酯抗燃油的品质。 1 3 4 聚结脱水法 所谓聚结脱水，就是利用聚结纤维表面对油和水不同的亲和作用，以分离油 液中的乳化水和自由水1 2 引。水滴与聚结纤维的相互作用包括有截获、布朗运动扩 散和惯性碰撞等形式，静电电荷、范德华力和重力都会影响这三者间的相互作用。 水分在外力作用下与纤维接触时，它们之间滞留有油膜。由于聚结纤维层是亲水 物质，水滴可以从纤维上将油膜置换而粘附于纤维之上使纤维润湿。水滴在纤维 上的：粘附效率取决于水滴粒度、纤维表面的接触角及纤维直径等因素的影响。水 滴的粒度越大，接触角越小，纤维直径越小，水滴就越容易附着在纤维表面。 根据自由表面能减少的原则，水滴润湿纤维后将聚结变大，通常情况下水滴 聚结的情况有两种：一是水分颗粒在纤维表面聚结，二是水分颗粒在纤维空隙聚 结。当水分颗粒聚结到一定程度后，在油流动力的带动下，水分颗粒从纤维表面 脱落或沿着纤维向前流动，并在纤维层之间形成水流通道。穿过多孔纤维层后， 在纤维粘附力、油液的流动力和水分自身重力的共同作用下，水分颗粒从纤维表 面脱落。王建忠【2 6 j 以胶体化学相关学科的基本概念和原理为基础，分析了油液过 滤脱水的理论基础、并对过滤装置和脱水滤芯进行实验研究，将细纤维布置在上 游，粗纤维布置在下游，可形成聚结介质的密度梯度，适宜的聚结介质厚度对增 加水滴尺寸有利，可以使水滴从纤维层中释放并排出。 所选择的聚结材料既应具有较好的亲水性同时又能获得细小的纤维直径，实 际应用中常用的聚结材料是玻璃纤维【27 1 。在大多数条件之下，聚结脱水法是解决 油液水污染最经济、最有效的方法。 与重力沉降法相比，聚结脱水法的脱水效率更高，且不需要大尺寸的容器设 备；与离心法相比，其运行成本与维护成本更经济；与真空法相比，聚结脱水法 具有更大的处理能力和更低的能量消耗。由于具有高效率、低成本及低能耗等众 多优点，聚结脱水法在油液净化设备上得到了广泛的使用1 2 8 1 。 1 4 磷酸酯抗燃油反沉降净化方法 沉降分离法是所有净化处理方法中最简单的方法，并广泛应用于化学、医药、 冶金、食品、环境保护等各个领域，例如净化气体、沉淀杂质或结晶聚集等工艺。 将沉降分离法用于处理废油时，通常作为普通矿物汽轮机油的第一道净化处理工 艺。常见的沉降法有两种，一类是悬浮固体颗粒利用自身重力自然沉降，这种方 重庆工商大学硕士学位论文 法能耗低，但沉降速度慢，并且只能去除粒径较大的杂质，粒径较小的颗粒杂质 必须添加絮凝剂辅助沉淀；另一类是借用高速旋转机械装置产生离心力使颗粒杂 质下沉，机械装置高速旋转产生的离心力远大于颗粒杂质本身的重力，使得颗粒 杂质沉淀速度更快，效率更高。化学分析中常用的离心分离机就是利用这个原理 制成的。 1 4 1 定义与说明 目前，暂时还没有相关的资料对“反沉降 进行明确的定义，通过类比“浮 选”与“反浮选”的概念对反沉降进行简要说明。“浮选”一词是浮游选矿的简称， 主要是利用各种矿物表面物理化学性质的差异，使矿石中一种或一组矿物选择性 地吸附于气泡上，升浮至矿液表面，从而将有用矿物分离出来。然而，反浮选则 是将无用矿物选择吸附于气泡上，使有用的矿物留在矿浆中【2 9 1 。 反沉降法的主要目的是将水分杂质从废油中分离出来，降低油液的含水率， 是一种脱水净化方法。绝大多数矿物油的密度都比水小，净化处理后油层位于水 层之上，直接打开阀门排出水分即可得到洁净的油液。与普通矿物油相比不同的 是磷酸酯抗燃油属于重油，其密度比水的密度大。经脱水净化处理后油层位于水 层之下，并且固体颗粒杂质也同样沉降至反应罐底部，若依照普通矿物油的排水 方法处理磷酸酯抗燃油脱水净化处理后的水分，同样可能造成油液的二次污染。 为了得到洁净的油液，需要借助外力将分离出来的水分从罐体上方排出，从而保 证油液的净化效果。反沉降法就是针对磷酸酯抗燃油这一重要物理特性所提出的 净化方法。 1 4 2 反沉降过程中颗粒杂质受力分析 机组运行过程中，颗粒杂质在反沉降罐体中的受力情况十分复杂，主要包括 有浮力、惯性力( 离心力) 和介质阻力等作用力的共同作用。颗粒杂质随着油流在泵 压的动力作用下进入反沉降体系。在反沉降罐的油液进口平面，由于油泵的动力 作用，杂质颗粒进入沉降罐时具有一定的速度，同时也使颗粒杂质受力向罐壁运 动。此作用力的效果和大小与离心力相似，与颗粒杂质本身的密度和进入罐体的 初速度具有密切地联系。 介质阻力的产生有两方面的原因。一是由切应力产生的摩擦力，即粘性阻力， 任何流动的流体都会受到粘性阻力的作用，流体的性质不同导致所受到的粘性阻 力大小也不同，粘度越大的液体，越不容易流动，所受到的粘滞阻力就越大。二 是由物质颗粒形状造成压差称之为压差阻力，即形状阻力。压差阻力的产生是由 于自身惯性作用，介质将落后于颗粒的运动，也或是流动的前后介质出现速度差， 重庆工商大学硕士学位论文 从而引起了介质压力的变化。一般情况，阻力与雷诺数和物质颗粒的形状有关， 它揭示的是流动状态与流体受力性质之间的关系。 1 4 3 磷酸酯抗燃油反沉降净化装置 由于磷酸酯抗燃油与矿物油在化学组成及物化特性上有相当大的差异，其净 化脱水方法不能照搬矿物汽轮机油的再生净化方法。若将普通矿物油的净化设备 用来处理磷酸酯抗燃油，会存在相当大的局限性。据研究人员研究表明磷酸酯抗 燃油的专用净化设备必须解决油液比重特性、热安定性、水解安定性以及溶剂效 应等一系列技术问题保证大型机组在连续工作的情况下同样可以实现抗燃液压油 的在线净化。对抗燃液压油的含水率、酸值和颗粒度等参数进行全面校正，保障 机组安全稳定运行【3 州。 磷酸酯作为一种人工合成的有机高沸点液体，分子结构中包括极性和非极性 部分。当它与塑料、橡胶之类的高分子机型聚合物在一定温度下混合时，磷酸酯 分子进入聚合物的分子键之间，依靠极性部分的相互吸引形成一个均匀稳定的体 系。因此，无论是在实验研究或工业生产中，也或是存储使用过程中都需要注意 垫圈、密封隔板等非金属材料与磷酸酯抗燃油的相容性问题，以免破坏磷酸酯分 子的结构特性，影响油液的使用性能【3 1 1 。 抗燃油对非金属材料的相容性如下表1 1 所示。 表1 - 1 抗燃油对非金属材料的相容性【3 2 】 随着社会的不断发展，油液消耗量的不断增加，油液净化装置的需求也与日 俱增。但是，无论研究生产还是购买使用，首先应该充分了解油液的理化性能， 选择性能良好，针对性较强的净化设备。很多情况下，都需要根据自己的要求对 设备的处理量、工作真空度以及设备运行温度都要做出相应地调整。 1 4 4 反沉降法的应用前景 目前，反沉降技术已经开始在化工及医药等行业得到应用，该方法对于某些 特殊溶液中颗粒杂质的分离去除具有良好的效果。现亦有科研人员利用反沉降的 原理技术研制出反沉降自动加矾计量装置【3 3 j 、逆流式反沉降过滤器【3 4 】等。 反沉降技术在废油净化处理领域中的应用，主要是针对磷酸酯抗燃油这类密 9 重庆工商大学硕士学位论文 度比水大的重油，使得影响油液性能的固体颗粒杂质和水分在外力的作用下分离 聚结，同时受密度差的影响上浮至油液上表面从油液中分离出来，从而达到净化 油液的目的。 1 5 本课题研究的目的及内容 1 5 1 本课题研究的目的 所有的工业用油均是以石油为基础原料，属于不可再生资源。磷酸酯抗燃油 作为人工合成的有机脂类液体，无论其经济价值还是实用价值都远大于普通工业 用油，使得众多科研人员将目光投向研究磷酸酯抗燃油的理化性能及劣化的影响 因素。但是，由于油液价格高昂，特别是实际生产研究过程中耗量大，研究成本 高，也使得许多研究人员望而却步。因此，对于磷酸酯抗燃油的研究多处于理论 研究阶段。本文以磷酸酯抗燃油的理论研究为基础，利用l a bv i e w 软件编写程序， 通过动态模拟还原磷酸酯抗燃油的净化处理方法；充分结合生产实际，利用磷酸 酯抗燃油的专用处理设备对影响其劣化的各项因素变化规律进行验证。 1 5 2 主要研究内容 ( 1 ) 第一章以国内外目前现有的研究为基础，对磷酸酯抗燃油的理化性能及劣化影 响因素和作用机理进行综合叙述，介绍了降低磷酸酯抗燃油水分含量过高的方法 一反沉降脱水净化法，明确指出本课题的研究目的和意义。 ( 2 ) 第二章简单介绍了虚拟仪器技术的发展及应用，对模拟仿真及数据采集程序中 相关的l a bv i e w 概念进行简要地介绍。综合分析试验采集信号对硬件的要求，选 择合适的数据采集板卡及传感器的连接方式。此外，本章重点介绍了如何用l a b v i e w 软件编写采集程序，对各个模块功能及用途进行具体介绍，包括对数据的采 集、数据的处理以及数据的保存和回放等功能。 ( 3 ) 第三章对水分颗粒在反沉降脱水净化处理过程中的受力情况进行简要分析说 明，同时借助l a bv i e w 结构化、模块化的编程思想，对磷酸酯抗燃油反沉降脱水 净化处理过程进行模拟仿真，将整个试验过程以动画的形式直观地展现出来，便 于更好地理解消化反沉降脱水净化方法的作用原理。 ( 4 ) 第四章搭建一个反沉降脱水净化试验装置，分别在不同运行条件下对磷酸酯抗 燃油进行反沉降脱水净化处理，用微水仪测量油液处理前后油液中的水分含量。 利用l a bv i e w 的图形化编程语言编写数据采集程序对各运行状态的温度、压力等 条件进行记录保存。对比分析得到各因素对磷酸酯抗燃油反沉降脱水净化效率的 影响变化规律。 1 0 重庆工商大学硕士学位论文 第2 章采集程序设计及模块选择 虚拟仪器【3 5 j 是由计算机硬件为基础，依靠数据通信，图形界面的软件所组成的 测量控制系统，是一类计算机操纵的模块化虚拟仪器系统。 虚拟仪器是测量仪器最全新的概念，是现代计算机技术和仪器技术结合的产 物，在计算机平台上，用户可以根据自己的目标来设计程序包含的测试功能。与 传统仪器相比，虚拟仪器在多方面都有明显的优势，包括智能化程度、操作便捷 性、性价比等方面。目前在虚拟仪器领域应用最广泛的计算机语言是由美国n i 公 司开发的l a b v i e w 软件 2 1 虚拟仪器l a bv i e w 的简述 ：将计算机技术与传统仪器设备的结合是目前仪器生产的一个重要发展方向。这 种结合最常见的方式就是将计算机直接装配到仪器上，使其成为具有一定计算机 功能的仪器设备。但现在越来越多的研究人员开始对另一种结合方式产生了浓厚 的兴趣，那就是将仪器植入计算机，真正地做到“”软件即仪