陶瓷膜在透平油脱水中的应用研究_张凯滨.pdf

第 卷第期膜科学与技术 年月 陶瓷膜在透平油脱水中的应用研究张凯滨，罗平，柯威，范益群（南京工业大学 环境科学与工程学院，南京 ；南京市膜材料产业技术研究院，南京 ）摘要：水是透平油使用过程中常见且最主要的污染物质 由于透平油黏度较大且油中水分含量标准要求较高，同时膜分离技术应用于透平油乳液分离时水易堵塞膜孔，增加了油水分离的难度本文采用表面疏水改性陶瓷膜对含微量水分的透平油进行油水分离，考察跨膜压差、膜面流速、油液温度和油中水分含量对陶瓷膜的渗透及截留性能的影响结果表明，提高跨膜压差和油液温度可以显著提高透平油乳液的膜渗透通量；增大膜面流速未对膜渗透通量和水分截留效果产生影响；对于不同含水率的透平油，膜渗透通量随着含水率的增加逐渐降低在跨膜压差，膜面流速，油温 的优化条件下，疏水陶瓷膜表现出长期运行稳定性，分离所得透平油中水分质量分数在 左右，远低于行业标准要求的最高含水量关键词：陶瓷膜；透平油；脱水中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：透平油主要应用于发电厂蒸汽轮机的润滑系统，由于汽轮机轴与轴封之间存在间隙，轴封蒸汽易透过油膜直接进入润滑系统，而透平油具有一定的吸湿性，不可避免的混入微量水分 油中水分不仅会破坏油膜的强度和完整性，导致润滑不良或者金属之间直接摩擦，还会加速透平油的氧化，降低透平油质量并缩短其使用寿命 随着发电厂超临界及超超临界技术的应用，蒸汽轮机对透平油中水分含量的要求变高，使得透平油中微量水分去除的难度增大目前常 见 的 工 业 润 滑 油 脱 水 技 术 有 聚 结 分离、吸附分离、真空脱水及膜分离技术 等在应用过程中，聚结分离对油品微量水分去除的效率较低；吸附分离的分离精度较高，但停留时间较长，且易导致油品二次污染；真空脱水可以有效去除润滑油中的游离水、乳化水，但所需能耗较高；膜分离技术是一种高效节能的过滤技术，设备简单、破乳效果好，但对润滑油进行脱水时需研究疏水性能的膜材料及表面性质，以减少水分在膜表面的停留时间，避免水分对膜的污染 依据膜材料的不同通常分为表面疏水改性后的陶瓷膜 和具有低表面能的聚合物膜，聚合物膜成本较低廉但使用寿命较短且稳定性较差，与聚合物膜相比陶瓷膜具有优异的化学、热稳定性以及机械性能等优点，在油水分离中受到广泛关注 等 利用聚四氟乙烯的部分热分解和表面沉积进行改性，制得超疏水亲油氧化铝膜，对含水量 为 的 润 滑 油 中水分 截 留 率 维 持 在收稿日期：；修改稿收到日期：基金项目：国家重点研发计划项目（，）第一作者简介：张凯滨（），男，安徽省淮北市人，硕士研究生，研究方向为陶瓷膜材料及应用 通讯作者，：引用本文：张凯滨，罗平，柯威，等陶瓷膜在透平油脱水中的应用研究 膜科学与技术，（）：，.（），（）：第期张凯滨等：陶瓷膜在透平油脱水中的应用研究 以上 等 和 等 均通过在陶瓷膜表面接枝烷氧硅烷进行疏水改性，所得陶瓷膜在处理油包水乳液时具有良好的抗污染性能 李梅等 利用疏水陶瓷膜对含水率为 异辛烷中的水分进行去除，适宜的操作条件下异辛烷中非溶解水分截留率在 以上以上研究均表明，疏水改性陶瓷膜对油水乳液具有良好的分离及抗污染性能，但对于油中水分质量分数低至 及以下微量水分的去除还少有报道为实现对透平油中微量水分的高效稳定截留，使其满足现代蒸汽轮机使用要求笔者采用疏水陶瓷膜对蒸汽轮机透平油进行脱水实验，考察油中水分含量、跨膜压差、油液温度和膜面流速对陶瓷膜的油液渗透及水分截留性能的影响，为疏水陶瓷膜在透平油脱水中的工程化应用提供技术支撑实验部分实验材料与设备实验所用陶瓷膜由南京膜材料产业技术研究院提供，本实验采用膜孔径为 的（内径外径，）膜管，单支膜管的长度为，有效过滤面积为 实验所用陶瓷膜均通过接枝十六烷基三甲氧基硅烷进行疏水改性，所得陶瓷膜具有良好的疏水性能，空气中水接触角为 根据课题组之前研究表明，十六烷基三甲氧基硅烷分子长度及单层厚度均为几纳米，且改性前后陶瓷膜对氮气的渗透性能无明显差异，因此疏水改性对陶瓷膜结构及孔径影响较小 十六烷基三甲氧基硅烷，质量分数，（上海）贸易有限公司；无水乙醇，分析纯，无锡市亚盛化工有限公司；去离子水，实验室自制；透平油，国能常州发电有限公司高剪切分散乳化机（弗鲁克 ）用于高速剪切分散含一定量去离子水的透平油，制得稳定的透平油乳液 通过将、和水分别加入透平油中得到 油 水混合液，在高速剪切分散乳化机中以 的转速对上述乳液进行剧烈搅拌 ，制备水分质量分数为 、和 的透平油乳液，静置，无明显分层，即得到稳定的透平油乳液 采用智能黏度计（上海越平科学仪器 ）测试含水透平油的运动黏度分析方法与评价指标膜渗透率是单位压力（）下单位有效面积的膜在单位时间内过滤的油量，可以根据式（）计算：（）式中：为膜渗透率，（）；为渗透液体积，；为有效膜面积，；为渗透时间，；为跨膜压差，透平油原液和渗透液中水分含量采用库仑法卡尔费休水分仪（）测定，水分截留率可以根据式（）计算：（）式中：为截留率，；为渗透液含水率，；为原料液含水率，陶瓷膜过滤实验实验装置如图所示，向料液槽中加入一定量的透平油乳液，由齿轮泵将其送入膜组件中，料液自下而上经过膜组件进行错流过滤，在压力差的推动下，渗透液透过陶瓷膜，得到澄清的透平油，油中水分得到去除，而截留液经过膜后压力返回料液槽首先对透平油乳液最佳过滤操作条件进行探索，将上述配制含水率为 的透平油乳液加入料液槽中进行错流循环过滤通过调节泵运行功率及针阀，变化分离过程中的跨膜压差及膜面流速，通过恒温水浴槽对透平油乳液进行温度控制，测定不同跨膜压差（）、膜面流速（）及温度（）下的膜渗透通量及水分截留率，确定最佳过滤操作条件 其次在优选条件下分别对含水率为 、和 的透平油乳液进行过滤实验，考察透平油中的水分含量对过滤效果的影响 最后对疏水改性陶瓷膜处理透平油乳液的稳定性能进行测试图陶瓷膜过滤装置示意图 膜科学与技术第 卷结果与讨论跨膜压差对陶瓷膜过滤效果的影响跨膜压差是膜分离过程中的推动力，首先考察跨膜压差对膜分离过程的影响在油温为 、膜面流速条件下，针对含水率为 的透平油，使用 疏水陶瓷膜对透平油进行分离实验，研究跨膜压差在 范围内对膜渗透通量和水分截留情况的影响，结果如图所示从图（）可以看出，随着跨膜压差的逐渐增大，透平油的膜渗透通量从 下的（）增加至 下的 （），且随着跨膜压差的增大，渗透通量增加的趋势变缓，这与胡剑安等、曾坚贤等 所报道的结果相一致这是因为在同一温度下，随着压力的增大，膜两侧的压力差增大，传质动力增大，使得透平油更快通过膜孔，导致陶瓷膜渗透通量增大，此阶段属于压力控制区 同时随着跨膜压差的增大，也使得透平油中水滴更容易附着在陶瓷膜的表面，导致透平油渗透阻力增加，传质推动力由压力控制趋于传质控制，压力增大对膜渗透通量的影响逐渐减小不同跨膜压差下透平油乳液中水分截留情况如图（）所 示，当 跨 膜 压 差 从 增 大 至 时，透 平 油 渗 透 液 中 水 分 质 量 分 数 均 在 左右，归因于透平油中含有一定量的溶解水，而本实验无法对油中的溶解水进行去除；当跨膜压差从 增大至 时，透平油渗透液中水分质量分数增加至，陶瓷膜对透平油中水分的截留效果略微降低这是因为跨膜压差的逐渐增加，传质推动力增加，由于液滴的变形，尺寸大于孔径的水滴在较大压力下也能透过膜，但由于陶瓷膜表面的疏水性能，降低了水滴在膜表面的停留时间，导致渗透液中水分含量轻微增加，油中水分含量仍远低于行业标准要求的最高含水量 （）综合考虑跨膜压差对过滤效果的影响，较为适宜的跨膜压差为 油温；膜面流速；透平油初始含水率 图不同跨膜压差下透平油乳液膜渗透通量（）及水分截留情况（）（）（）膜面流速对陶瓷膜过滤效果的影响增大膜面流速可以增加错流过程中湍流程度或膜表面的剪切应力，从而降低膜表面的污染，缓解浓差极化对过滤过程带来的影响 在跨膜压差为、油温 条件下，针对含水率为 的透平油，使用 疏水陶瓷膜对透平油乳液进行过滤分析，察膜面流速在范围内对膜渗透通量的影响和不同膜面流速下渗透通量随时间的变化如图所示，从图（）可以看出，随着膜面流速的增大，陶瓷膜对透平油乳液的渗透通量均稳定在 （）由图（）可以看出，膜面流速在 范围内，透平油渗透液中水分质量分数均稳定在 左右，增大膜面流速未对水分截留效果产生影响上述结果是由于透平油的黏度较大，使得油品在膜管内的流动状态较为稳定，而透平油在膜管内的流动型态可以通过式（）计算雷诺数进行判断 （）式中：为雷诺数；为管道直径，；为流体流第期张凯滨等：陶瓷膜在透平油脱水中的应用研究 速，；为流体运动黏度，当油温为、膜面流速为时，雷诺数在 （）的范围内 因此本实验过程中增大膜面流速并未改变透平油在膜管内的流动型态，同时由于透平油中水分含量较低，归因于膜表面的疏水性，油品中水滴与膜表面接触的机会较少，膜表面受污染程度较轻，因此增大流速并未对膜渗透率及水分截留效果产生较大影响 考虑到较高膜面流速会导致泵运行成本增加，因此在透平油脱水过程中，可选择在较低膜面流速下操作跨膜压差；油温；透平油初始含水率 图不同膜面流速下透平油乳液膜渗透通量随时间的变化（）及水分截留情况（）（）（）温度对陶瓷膜过滤效果的影响温度是影响膜分离过程的主要因素，在跨膜压差为、膜面流速条件下，针对含水率为 的透平油，使用 疏水陶瓷膜对透平油乳液进行过滤分析，考察油温在 范围内对膜渗透通量的影响和不同油温下膜渗透通量随时间的变化如图所示，从图（）可以看出，随着油温的逐渐升高，陶瓷膜对透平油渗透通量从 下的 （）增加至 时的 （）跨膜压差；膜面流速；透平油初始含水率 图不同温度下透平油乳液膜渗透通量随时间的变化（）及水分截留情况（）（）（）这是因为透平油的黏度是影响渗透率的关键因素 根据 方程可知，液体的渗透通量与其黏度成反比，油品黏度越大，流动性越差，透过疏水陶瓷膜上微小的孔径越困难，膜渗透通量越小 而温度则是影响油品黏性的关键因素，当温度升高时，分子间距离增大，引力减小，使得黏性力减弱 图为含水率 透平油黏温曲线，可以看出，温度升高，透平油黏度降低，使得透平油 膜科学与技术第 卷更易透过膜，导致膜渗透率增大图含水率 透平油黏温曲线 从图（）可以看出，时透平油渗透液中水分含量为，而 时透平油渗透液中水分含量增加至，随着油温的升高，透平油渗透液中的水分含量略微增加这是因为温度升高，导致溶解于透平油中的水分也相应增加，增加了油 水分离的难度 综合考虑油品温度对过滤效果的影响，较为适宜的操作温度为 水分含量对陶瓷膜过滤效果的影响由于透平油来源及所处环境之间的差异，导致透平油中水分含量的不同，因此需考察油中水分含量对膜渗透通量及水分截留性能的影响在油温为、跨膜压差为 、膜面流速的条件下，采用 疏水陶瓷膜对含水率为 的透平油进行分离实验，结果如图所示从图（）中可以看出，随着油中水分含量的逐渐升高，膜渗透通量逐渐下降，陶瓷膜对含水率为 透平油的渗透通量稳定在 （），当含水率增加至 ，膜渗透通量下降为 （）这是因为随着油中水分含量的增加，水滴碰撞聚结及膜表面污染的可能性增加，同时膜面浓差极化也导致膜面阻力相应增大，使得膜渗透率降低跨膜压差；膜面流速；油温 图不同水含量下透平乳液膜渗透通量随时间的变化（）及水分截留情况（）（）（）由图（）可以看出，当原料中水分质量分数从 增加到 ，透平油渗透液中水分质量分数均在 左右，这是由于陶瓷膜表面具有良好疏水性能，分离选择性较高，而陶瓷膜孔径也小于乳化液中水滴的粒径，因此水分含量增加未对透平油乳液中水分截留效果产生影响 水分截留率则随着原液中水分含量的增加而逐渐增大疏水改性陶瓷膜稳定性测试为考察疏水改性陶瓷膜在处理透平油乳液时的稳定性，在油温为、跨膜压差为、膜面流速的条件下，采用 疏水陶瓷膜对含水率为 的透平油进行了分离实验，所得膜渗透通量及水分截留率随时间的变化如图所示 从图（）中可以看出，陶瓷膜对透平油乳液的初始渗透通量为 （），经 运行后膜渗透通量逐渐衰减至 （）并维持稳定，膜渗透通量衰减较为明显 这是由于运行初期，透平油中水滴在膜表面的沉积量逐渐增加，膜污染问题较为严重，导致膜渗透通量逐渐下降 随着运行时间的增加，由于陶瓷膜表面的疏水性及水流的剪切作用，膜表面水滴的量逐渐保持动态平衡，使得膜表面的传质过程即渗透通量趋于稳定第期张凯滨等：陶瓷膜在透平油脱水中的应用研究 跨膜压差；膜面流速；油温；透平油初始含水率 图优化条件下膜渗透通量（）及水分截留情况（）随时间的变化 （）（）在优化条件下，疏水陶瓷膜对透平油乳液中水分截留效果如图（）所示，可以看出，经过长时间的运行，透平油渗透液中水分质量分数始终维持在 左右，陶瓷膜对含水率 透平油乳液中的水分截留率维持在 以上随着运行时间延长，疏水改性陶瓷膜对透平油乳液的分离表现出较强的稳定性结论采用疏水改性后的陶瓷膜对透平油乳液进行脱水研究，考察跨膜压差、膜面流速、油液温度以及油中的水分含量对膜渗透通量和水分截留率的影响，结论如下：）随着跨膜压差的逐渐增大，传质推动力由压力控制趋于传质控制，导致膜渗透通量增加趋势变缓，渗透液中水分含量略微增加，较为适宜的跨膜压差为 ）随着膜面流速的增大，透平油乳液的膜渗透通量均稳定在 （），同时增大膜面流速未对膜的分离性能产生影响）温度升高导致透平油的黏度显著降低，透平油乳液的膜渗透通量逐渐增大，但会略微降低膜对水分的截留效果，较为适宜的操作温度为）随着透平油中水分含量的逐渐升高，膜渗透通量逐渐下降，但水分含量增加对水分截留效果没有明显影响）在优化操作条件下，疏水改性陶瓷膜呈现出长期稳定的渗透及水分截留性能，所得透平油中水分质量分数为，远低于行业标准要求的最高含水量参考文献：莫显威对汽轮机透平油带水原因及对策探讨机电信息，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：全国电气化学标准化技术委员会 ，电厂运行中矿物涡轮机油质量 北京：中国标准出版社，：，（）：，膜科学与技术第 卷 ，：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，：李梅，高能文，范益群 疏水陶瓷膜脱除油中水分的研究 膜科学与技术，（）：，：，（）：胡剑安，唐红艳，郭玉海 疏水性陶瓷复合膜的制备与油水分离性能研究水处理技术，（）：曾坚贤，郑立锋，叶红齐，等陶瓷膜净化溶剂油的实验研究 过程工程学报，（）：钟道悦无机陶瓷膜在废润滑油再生中的应用研究 广州：华南理工大学，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：范益群，邢卫红陶瓷膜表面性质研究进展膜科学与技术，（）：，（，；，）：（下转第 页）膜科学与技术第 卷 ，；，：；（上接第 页），：，：；广 告 目 次中科瑞阳膜技术（北京）有限公司（封 面）时代沃顿科技有限公司（封 二）海南立昇净水科技实业有限公司（封 三）常州冀德环保科技有限公司（封 四）