Дипломная (вкр): Регенерация трансформаторных масел

В зависимости от процесса регенерации получают 2-3 фракции базовых масел, из которых компаундированием и введением присадок могут быть приготовлены товарные масла (моторные, трансмиссионные, гидравлические, СОЖ, пластичные смазки).

Методы очистки отработанных трансформаторных масел определяются характером их загрязнения их можно разделить на физические, физико-химические, химические и комбинированные.

Физические методы очистки.

К физическим методам относят такие методы, при которых, не затрагивая химической основы очищаемых масел, удаляют лишь механические примеси, т. е. пыль, частицы металлов, воду, смолистые, коксообразные и углистые вещества. К этим методам относятся очистка масел в силовом поле и фильтрование. Аппаратура, применяемая при очистке нефтяных масел указанными методами, по принципу действия и по конструктивным особенностям весьма разнообразна. Основные типы оборудования (очистители), используемые при очистке нефтяных масел в силовом поле, следующие:

·        гравитационные (непрерывного, полунепрерывного, периодического действия);

·        центробежные (гидроциклоны и центрифуги);

·        электрические (высокочастотные и электростатические);

·        магнитные (с электромагнитом и с постоянным магнитом);

·        вибрационные (механические и ультразвуковые);

·        комбинированные.

Фильтрование осуществляют в фильтрах и в фильтрах-сепараторах. К физическим методам можно отнести также обезвоживание нефтяных масел путем испарения эмульгированной воды; для этого масло нагревают или продувают через него горячий воздух. В отличие от способов очистки, при которых на частицы загрязнений действуют различные силы, при обезвоживании масел путем нагревания процессы основываются на принципах тепло - и массообмена, т. е. являются теплофизическими [1].

Химические методы очистки.

Химические методы очистки широко применяются в процессе производства нефтяных масел и при регенерации отработанных. Наибольшее распространение получили кислотная и щелочная очистки.

Кислотная очистка.

Она заключается в обработке масла концентрированной серной кислотой и позволяет удалить асфальто-смолистые соединения и другие продукты окисления, а также компоненты, способствующие возникновению в масле этих продуктов, - непредельные углеводороды и часть ароматических соединений. Серная кислота вступает в реакцию с загрязнителями, имеющими наибольшую реакционную способность - со смолами, асфальтенами, карбоновыми и оксикислотами, фенолами и другими веществами. Процесс химической очистки сопровождается физико-химическими явлениями, т. к. серная кислота для некоторых веществ - растворитель. Действие серной кислоты на смолы проявляется в трех направлениях: часть смол растворяется в кислоте, другие полимеризуются в асфальтены и дальнейшие продукты уплотнения, остальные образуют сульфокислоты. Все эти продукты переходят в кислый гудрон - вязкий осадок, состоящий из свободной серной кислоты, сульфосоединений и асфальто-смолистых веществ, нафтеновые кислоты частично растворяются в серной кислоте, а частично сульфируются, непредельные углеводороды при взаимодействии с серной кислотой образуют эфиры и полимеризуются. Эффективность кислотной очистки определяется количеством и концентрацией серной кислоты, временем контактирования кислоты с маслами, температурой и режимом процесса. Глубина очистки в значительной степени зависит от удельного расхода кислоты, при недостаточном ее количестве в масле образуются загрязняющие вещества, а при избытке кислоты из масла удаляются вещества, повышающие его химическую стабильность, при регенерации отработанных масел расход кислоты обычно составляет 3-5 %. На процесс очистки существенно влияет концентрация кислоты. При понижении концентрации эффект очистки снижается, а расход кислоты возрастает. В то же время с повышением концентрации кислоты усиливается образование сульфокислот и кислого гудрона, при взаимодействии с ароматическими и нафтеновыми углеводородами образуются сульфокислоты. Для регенерации масел обычно используют 93-96 % серную кислоту. Температуру кислотной очистки масел нужно ограничивать в определенных пределах. При повышении температуры происходит растворение в масле части полимерных и кислотных соединений из гудрона усиливается образование сульфокислот. При низкой температуре взаимодействие серной кислоты с углеводородами и смолами уменьшается, а растворимость смол в кислоте увеличивается. Оптимальная температура очистки (минимально возможная) определяется вязкостью очищаемых масел: веретенные и трансформаторные дистиллятные масла очищают обычно при температуре 20-35°С. Регенерацию отработанных масел проводят при 20-25°С для трансформаторных масел, для автомобильных при 40-45°С, при 45-50°С для дизельных. Время и интенсивность контактирования кислоты с маслом также влияют на качество очистки, т.к. при длительном контактировании масла с кислотой увеличивается растворение в масле полимерных соединений из кислого гудрона, а при непродолжительном не достигается нужного взаимодействия кислоты с загрязнениями. Чем больше интенсивность перемешивания, тем меньше должно быть время контактирования. Обычно перемешивание масла при регенерации проводят в течение 25-35 мин. При регенерации масла для повышения их контакта с серной кислотой иногда используют механические мешалки. На процесс кислотной очистки влияет и режим подачи серной кислоты в аппарат с мешалкой. Более эффективно очистка проходит при обработке масла последовательно несколькими порциями кислоты - это уменьшает расход кислоты и повышает качество очищенного масла. Первая порция кислоты (около 1/4 от общего количества масла) служит для удаления влаги из масла и для его предварительной обработки. При регенерации масла после первичной обработки остальную кислоту, как правило, подают одной порцией [3].

Щелочная очистка.

Ее можно проводить после кислотной, для нейтрализации в масле кислотных соединений сульфосоединений, нафтеновых кислот, остатков серной кислоты, а также в качестве самостоятельного процесса при регенерации трансформаторных отработанных масел. В последнем случае щелочь взаимодействует главным образом с органическими кислотами, содержащимися в масле или образовавшимися в результате старения, - с нафтеновыми, ди - и оксикарбоновыми и др. В результате взаимодействия щелочи со всеми выше перечисленными веществами образуются водорастворимые натриевые соли (мыла), которые с водным раствором щелочи удаляются после отстаивания. Для щелочной очистки масел обычно применяют гидроокись натрия. Вместо этого реагента можно брать карбонат натрия (кальцинированную соду) и тринатрийфосфат. Иногда в процессах регенерации масел для их щелочной очистки используют гидроокись калия (гашеную известь) в сухом виде или в виде суспензии известковое молоко). На щелочную очистку влияют те же факторы, что и на кислотную: количество и концентрации реагента, температура, продолжительность и т. д. Повышение температуры процесса препятствует образованию эмульсий и способствует интенсификации гидролиза. Очистку регенерированных масел, в которых содержится значительно меньше нафтеновых кислот, чем в сырье для производства масел, ведут при температуре 70-80°С. Обработку масел щелочью продолжают обычно до слабощелочной реакции. Отстаивание щелочных отходов продолжают 12-16 часов. Затем их удаляют, дополнительно отстаивают смесь при 70-95°С в течение 4-6 часов, а потом в ряде случаев промывают масло паровым конденсатом, чтобы удалить из масла не прореагировавшую щелочь и следы нафтеновых мыл. После промывки удаляют остатки влаги, продувая масло, горячим воздухом при 80-90°С. При регенерации масел для удаления из них остатков влаги в ряде случаев применяют центробежные сепараторы и фильтр-сепараторы или сушат масло в вакууме.

Комбинированные методы.

При выборе метода регенерации или комбинации методов необходимо учитывать характер и природу продуктов старения отработанных масел и требования, предъявляемые к регенерируемым маслам, а так же количества собираемых отработанных масел. Располагая такими данными, можно определить какие физико-химические свойства требуют исправления, и выбрать соответствующий способ восстановления масла. Воду и твердые механические примеси удаляют из масла с помощью простейших методов регенерации - отстоя и фильтрации, в случае наличия в отработанном масле горючего, растворенных или химических связанных продуктов старения, а так же в зависимости характера загрязнения, сорта масла и дальнейшего его назначения, на практике очистку производят в следующих сочетаниях [4]:

·        отстой и фильтрация;

·        отстой, обезвоживание и фильтрация;

·        отстой, обработка адсорбентами и фильтрация, в том числе с отгоном воды;

·        отстой, обработка ПАВ, обработка адсорбентом и фильтрация;

·        отстой, обработка щелочью, адсорбентом и фильтрация;

·        отстой, обработка кислотой, адсорбентом и фильтрация;

·        отстой, обработка кислотой, щелочью, адсорбентом и фильтрация

Рассмотренные методы являются основными, применяемыми для регенерации трансформаторных масел. Режим работы свежих масел и характер претерпеваемых ими изменений в процессе эксплуатации настолько разнообразны, что в каждом случае к выбору оптимального метода регенерации необходимо подходить аналитически [1].

Физико-химические методы.

Физико-химические методы регенерации включают в себя удаление загрязнений из масла за счет коагуляции и последующего осаждения, адсорбции или растворения загрязнений.

Коагуляция загрязнений.

Разновидностью адсорбционной очистки является ионообменная очистка. Коагуляция загрязнений, находящихся в масле в коллоидном и мелкодисперсном состоянии, может быть вызвана определенными веществами - коагулянтами, а также может происходить под влиянием механических, тепловых и световых воздействий электрического поля и т.п. В качестве коагулянтов используют неорганические и органические электролиты, поверхностно-активные вещества, не являющиеся электролитами, коллоидные растворы поверхностно-активных веществ и гидрофильные высокомолекулярные соединения. Механизм действия неорганических электролитов в принципе основан на изменении свойств двойного электрического слоя, который образуется на поверхности частиц загрязнений, находящихся в масле и препятствует слипанию частиц. Применение электролитов позволяет нейтрализовать образовавшиеся на поверхности заряды и тем самым создает возможность коагуляции частиц. Из неорганических электролитов при регенерации нефтяных масел получили распространение соединения натрия (кальцинированная сода, тринатрийфосфат, жидкое стекло и др.), которые применяют в количестве до 10 % (масс.). Эффективным коагулянтом загрязнений в регенерируемом отработанном масле является 36-98 % серная кислота при ее применении в небольших количествах (до 0.25-0.5% от массы масла). Органические электролиты, являющиеся ионогенными поверхностно-активными веществами, диссоциируют в растворе на ионы, которые сообщают пограничному слою поверхностно-активные свойства. Наибольшей эффективностью из органических коагулянтов обладают, в частности, алкилбензол - и алкилтолуолсульфонаты. Эти вещества входят в состав синтетических моющих средств, выпускаемых отечественной промышленностью. Неионогенные поверхностно-активные вещества (неэлектролиты) - это органические соединения с полярными молекулами, имеющими гидрофильные и гидрофобные группы. Первые представляют собой, как правило, кислотный остаток и легко гидротируются, а вторые состоят из углеродной цепи (главным образом нормального строения) с различными функциональными группами и радикалами. В качестве неэлектролитных коагулянтов рекомендуются также неионогенные поверхностно-активные вещества, как, например, октадециламид оксимасляной кислоты. Процесс коагуляции, как и рассмотренные выше химические процессы очистки, зависит от количества и концентрации коагулянта, продолжительности и эффективности его контактирования с маслом, температуры. Коагуляция загрязнений в масле завершается, как правило, за 20-30 мин., после чего коагулированные частицы отстаивают. Влияние температуры связано в основном с понижением вязкости масел при нагревании, что благоприятствует очистке. Однако нагревание масла выше 95°С может сопровождаться вспениванием и выбросом масла, поэтому при коагуляции температуру масла поддерживают равной 75-80°С (при использовании серной кислоты в качестве коагулянта температура ниже - от 60 до 70°С) [4].

Адсорбционная очистка.

Адсорбционная очистка трансформаторных масел основана на способности веществ, применяемых в качестве адсорбентов, удерживать загрязняющие соединения на наружной поверхности гранул и внутренней поверхности капилляров, пронизывающих гранулы. Адсорбционные методы главным образом применяют при производстве и регенерации масел. Адсорбционную очистку можно проводить путем перколяции, контактным методом и с использованием движущегося слоя адсорбента. Перколяция заключается в пропускании очищаемого масла (самотеком или под давлением) через цилиндрический сосуд, заполненный соответствующим адсорбентом. На качество перколяционной очистки влияет эффективность контактирования с адсорбентом, зависящая от размера гранул адсорбента, от температуры и вязкости масла, причем с возрастанием этих величин качество очистки снижается. Требование одновременно снижать и температуру и вязкость масла не может быть выполнено ввиду взаимосвязанности их показателей, поэтому оптимальную температуру процесса выбирают минимально возможной для обеспечения достаточно низкой вязкости масла. Перколяционную очистку применяют при регенерации масел, а также в конструкциях химических (восстановительных) фильтров, которые иногда устанавливают при использовании так называемых термосифонных фильтров на масляных трансформаторах. В настоящее время разработаны термосифонные фильтры, вмещающие от 1 до 200 кг адсорбента в зависимости от мощности трансформатора и места его установки. Циркуляция масла в системе происходит непрерывно под влиянием разности температур в различных точках адсорбера и бака трансформатора. При использовании перколяционного метода качество очистки снижается по мере насыщения адсорбента загрязнениями. Когда произойдет полное насыщение, адсорбент следует заменить и подвергнуть регенерации. Контактная очистка заключается в перемешивании масла с мелко размолотым адсорбентом; после поглощения находящихся в масле загрязнений адсорбент удаляют. Этот метод широко распространен при производстве и регенерации масел. Важными факторами, влияющими на эффективность контактной очистки, являются температура и продолжительность очистки масла адсорбентом. С повышением температуры возрастает тепловое движение адсорбируемых молекул, что затрудняет их адсорбцию на активной поверхности поглотителя и снижает эффективность очистки. Если же вести очистку при низкой температуре, вязкость масла повышается, что препятствует диффузии адсорбируемых молекул к поверхности адсорбента. Контактную очистку при регенерации масел ведут при температуре 70-75°С для трансформаторных масел. Продолжительность контактной очистки зависит от условий контактирования очищаемого масла с адсорбентом. Процесс очистки осуществляют обычно при интенсивном перемешивании, чем обеспечивается максимальное контактирование загрязнений с активной поверхностью адсорбента. Продолжительность адсорбции при контактной очистке составляет 25-40 мин. в зависимости от вида адсорбента. После окончания контактной очистки должно обязательно проводиться фильтрование смеси масла и адсорбента через фильтр-пресс с целью удаления адсорбента, что несколько усложняет технологию контактной очистки. Процесс адсорбционной очистки масел в движущемся слое адсорбента является непрерывным, в отличие от перколяции и контактной очистки, связанных с периодическими операциями регенерации или отфильтровывания адсорбента. Сущность метода очистки в движущемся слое адсорбента заключается в том, что в адсорбер противотоком подают оба компонента, участвующие в процессе; в нижнюю часть аппарата входит загрязненное масло, разбавленное растворителем, а в верхнюю часть - мелкодисперсный адсорбент. По мере опускания адсорбент насыщается загрязнениями и из нижней части адсорбера поступает на регенерацию в десорбер, откуда снова поступает в адсорбер, т.е. постоянно циркулирует в системе. Процесс очистки осуществляют при температуре 40°С, т.к. вязкость масла невысока из-за применения растворителя. Очистка масла в движущемся слое адсорбента значительно увеличивает выход готового или регенерированного масла и повышает его качество по сравнению с другими адсорбционными методами, однако ввиду сложного аппаратурного оформления этот способ широкого распространения не получил [1].

3. Анализ патентной информации

Существует множество различных методов, технологий и устройств, для регенерации трансформаторных отработанных масел. Представленные устройства относятся к физико-химическим методам.

В патенте № 2504576 предлагается: Устройство для регенерации отработанного трансформаторного масла

Устройство для регенерации отработанного трансформаторного масла, характеризующееся тем, что оно включает волновод, на торцах которого размещены упорные кольца и полый конус с отверстием в вершине с возможностью перемещения его между упорными кольцами стержнем, соединенным с основанием полого конуса через скользящее кольцо (рисунок 1).

- волновод, 2 - полый конус с отверстием в вершине (расположение полого конуса с отверстием в вершине основанием у торца волновода используется для формирования узкой диаграммы направленности вращающихся электромагнитных полей), 3 - кольцо скользящее, встроенное в основание полого конуса с отверстием в вершине, 4 - кольцо упорное на торце волновода со стороны основания полого конуса с отверстием в вершине, 5 - кольцо упорное на торце волновода со стороны вершины полого конуса с отверстием в вершине, 6 - стержень для перемещения по волноводу полого конуса с отверстием в вершине, 7 - отрицательные ионы, окружающие полый конус с отверстием в вершине, 8 - направление отекания отрицательных ионов от основания к вершине по поверхности полого конуса с отверстием в вершине, 9 - поток отрицательных ионов, сформированного в процессе отекания их (эффект отекания зарядов с острия) с поверхности полого конуса с отверстием в вершине, 11 - направление тока, сформированного отрицательными ионами, стекаемых с поверхности полого конуса с отверстием в вершине, 12 - напряженность вращающегося магнитного поля в узкой диаграмме направленности, расположенной в пространстве между волноводом и емкостью с узким горлом, 13 - узкое горло емкости, 14 - емкость с узкой площадью горла, 15 - молекулы воды в трансформаторном масле (магнитные диполи), 16 - направление движения (притягивания) молекул воды из объема емкости, заполненного отработанным трансформаторным маслом, на силовые линии вращающегося магнитного поля, 17 - размещение (притянутых) молекул воды (магнитных диполей) на силовых линиях вращающегося магнитного поля в отработанном трансформаторном масле, 18 - осадок продуктов старения на дне емкости, 19 - слой коагулированной воды (центробежными силами при вращении молекул воды на силовых линиях вращающегося магнитного поля), 20 - регенерированное трансформаторное масло.

Рисунок 1 - Схема обработки отработанного трансформаторного масла, находящегося в емкости с узкой площадью горла, узкой диаграммой направленности вращающегося электромагнитного поля.

Устройство работает следующим образом:

Регенерация отработанного трансформаторного масла, находящегося в емкости 14 с узкой площадью горла 13, реализуется узкой диаграммой направленности.