基于分油機(jī)的船用油水分離性能研究

陸奕權(quán)

中國(guó)石化股份有限公司潤(rùn)滑油上海研究院

船用中速機(jī)油用于四沖程船用中速機(jī)曲軸箱和氣缸的潤(rùn)滑，船用系統(tǒng)油為二沖程低速十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱用油，兩者都屬于長(zhǎng)期循環(huán)使用的油品，在使用過(guò)程中不可避免地與水接觸，因此其水分離性能是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。水對(duì)潤(rùn)滑油的性能影響主要在兩個(gè)方面：一是潤(rùn)滑油中的添加劑遇水析出或與水發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，從而造成添加劑的損失；二是潤(rùn)滑油和水可能在剪切作用下形成穩(wěn)定的乳化液，這將使油水難以分離，將嚴(yán)重影響油品的使用性能[1]。

對(duì)船用油進(jìn)行水分離性能的考察，常采用SH/T 0619—1995《船用油水分離性測(cè)定法》和GB/T 7305—2003《石油和石油合成液抗乳化性能測(cè)定法》，兩種方法分別描述了低含水量和高含水量條件下油品的水分離性能[2]，但模式相對(duì)固定，在對(duì)市售產(chǎn)品的考察中發(fā)現(xiàn)，部分油品的水分離性能在現(xiàn)行方法中表現(xiàn)較差，但油品實(shí)際應(yīng)用情況良好，未見(jiàn)不良反饋，以這兩個(gè)方法表征的油品水分離性能與油品的實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)并不完全一致。

分油機(jī)是止前航船中進(jìn)行潤(rùn)滑油油水分離的主要設(shè)備，潤(rùn)滑油在潤(rùn)滑和冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)后積聚在油底殼，通過(guò)管道泵送至分油機(jī)進(jìn)行除水，最后回到油底殼，形成循環(huán)。分油機(jī)的工作機(jī)理是通過(guò)離心作用將密度不同的油和水進(jìn)行分離分層，將水相排出，油相回歸潤(rùn)滑油系統(tǒng)，從而減少油品中的含水量[3]。

本文基于分油機(jī)開(kāi)展船用油分水試驗(yàn)，建立了船用油水分離數(shù)學(xué)模型，數(shù)據(jù)化表征船用油的水分離性能，為解釋不同油品水分離性能的差異、提出改進(jìn)措施提供參考。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)設(shè)備

◇碟式離心機(jī)，Manual Mab-103B，Alfa Laval 公司。

◇差示掃描量熱儀，DSC 204 HP Phoenix，NETZSCH 公司。

試驗(yàn)用潤(rùn)滑油

本文選用5 種市售油品進(jìn)行試驗(yàn)，分別為船用中速機(jī)油4030A、3030B、4015C、4012D 與系統(tǒng)油3005E。

試驗(yàn)概述

取10 kg 待試驗(yàn)油樣在分油機(jī)中形成油路循環(huán)，離心轉(zhuǎn)速（9 000 r/min）和溫度穩(wěn)定后在潤(rùn)滑油中加入5%質(zhì)量比例的蒸餾水形成油水體系，以加水時(shí)間為起點(diǎn)計(jì)時(shí)，間隔一段時(shí)間從出油口采樣，檢測(cè)油樣中殘余含水量，考察不同油品在分油機(jī)中的水分離性能。水分離試驗(yàn)根據(jù)溫度分為3 組，分別設(shè)置為95 ℃、80 ℃、60 ℃；采樣時(shí)間 取15 min、30 min、60 min、90 min、120 min。

本文基于分油機(jī)開(kāi)展分水試驗(yàn)，模擬船用油在船舶上的實(shí)際使用工況，建立了船用油水分離模型，以分水效率和最終含水量2 個(gè)參數(shù)表征油品在分油機(jī)中的分水效果。通過(guò)所建模型對(duì)不同油品水分離能力進(jìn)行了區(qū)分，提出了改進(jìn)分離效果的措施。引入DSC 結(jié)晶法，根據(jù)結(jié)晶峰溫度和面積與水相粒徑和水分含量的關(guān)聯(lián)，解釋了不同油品水分離性能存在差異的原因。

結(jié)果與討論

水分含量測(cè)定結(jié)果

通過(guò)分油機(jī)對(duì)油品開(kāi)展分水試驗(yàn)，得到不同時(shí)間段的油樣，然后通過(guò)水分測(cè)定（GB/T 260—2016）得到采集油樣的含水量數(shù)據(jù)。為便于計(jì)算，水分測(cè)定判定為痕跡時(shí)，水分含量取0.03%。各試驗(yàn)油品的含水量隨溫度變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 油品含水量隨溫度變化曲線(xiàn)

如圖1 所示，各試驗(yàn)油品的水分含量在循環(huán)脫水過(guò)程中先快速下降，后趨于平緩。不同油品的水分下降速率和平緩區(qū)含水量有所不同，這與油品的油水分離性能相關(guān)，可通過(guò)模型和曲線(xiàn)擬合數(shù)據(jù)化油品的水分離性能。

水分離模型的建立

油品的耐水性能與油品的黏度，添加劑的種類(lèi)、加劑量都有關(guān)。從微觀(guān)角度看，油水離心分離過(guò)程可以理解為不同密度的油相和水相以不同粒徑的顆粒形式進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中油水混合物中單個(gè)水顆粒在離心中的遷移行為可用斯托克斯方程[4～6]描述：

式中，v為水滴沉降速率，D為單個(gè)水滴的直徑，ρ和ρ0分別為油相和水相密度，ω為離心轉(zhuǎn)速，R為轉(zhuǎn)鼓半徑，μ為油品黏度。在本試驗(yàn)中，水相直徑、油相密度和黏度都是影響油品水分離性能的要素。

根據(jù)公式（1），當(dāng)離心轉(zhuǎn)速為ω時(shí)，在分油機(jī)中，時(shí)間t內(nèi)油相中單個(gè)水滴的相對(duì)位移Δl可用公式（2）表達(dá)：

根據(jù)碟片結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)度△lmax可由公式（3）推導(dǎo)出油水混合物完成分離所需要的臨界水滴直徑Dc：

將油相中水滴顆粒直徑分布用概率學(xué)統(tǒng)計(jì)，可得公式（4），即分級(jí)效率方程[7,8]（式中A和n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）：

根據(jù)分布統(tǒng)計(jì)，為達(dá)到100%的分離效果，顆粒粒徑需為臨界分離粒徑的2.5 倍[8]，即D/Dc＞2.5，因此油相中水滴直徑D越大，油樣破乳能力越強(qiáng)，水滴聚并速度更快，越有利于宏觀(guān)上分水效率的提高和含水量的降低。

然而試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)鼓內(nèi)油水兩相的粒徑和分布都難以測(cè)量，在此通過(guò)含水量變化表征水分離能力差異。與之相關(guān)的主要參數(shù)有分水效率和最終含水量，分水效率描述了油品分水的速率快慢，最終含水量是指離心后油樣能達(dá)到的最低含水量。在本試驗(yàn)中，為進(jìn)一步描述油樣在不同條件下的分水性能，量化分水效率和最終含水量，以循環(huán)時(shí)間t為變量，構(gòu)造了以下模型：

式中，a為與初始加水量相關(guān)的常數(shù)；b為分水效率，受溫度因素影響；c為最終含水量。通過(guò)試驗(yàn)中各采樣點(diǎn)的時(shí)間和含水量數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建含水量變化曲線(xiàn)，并采用公式（5）擬合出相應(yīng)水分離參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析及討論

將圖1 中水分?jǐn)?shù)據(jù)代入模型，即公式（5）中，計(jì)算得到不同油樣在不同溫度下的分水效率和最終含水量，結(jié)果列于表1。

表1 水分離性能模擬計(jì)算值

結(jié)合圖1 和表1 中數(shù)據(jù)可知，溫度對(duì)分水效率b的影響是顯著的，在實(shí)際工況中，分油機(jī)設(shè)置溫度往往與主機(jī)潤(rùn)滑油溫度相近，常見(jiàn)的溫度范圍是60～95 ℃，因此油品在不同工況下表現(xiàn)的水分離性能差異明顯。而最終含水量c體現(xiàn)了水在油樣中的分散狀態(tài)和穩(wěn)定程度，與油品添加劑種類(lèi)、配比等因素[9]相關(guān)。

為直觀(guān)比較不同油品在不同溫度下的分水效率優(yōu)劣及其變化趨勢(shì)，將表1中分水效率b關(guān)于溫度作圖，得到分水效率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2 所示。

圖2 分水效率與溫度關(guān)系圖

由圖2 可見(jiàn)，對(duì)分水效率和溫度進(jìn)行線(xiàn)性擬合，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)分別為0.649 1、0.976 0、0.994 1、0.869 5 和0.989 7，可認(rèn)為在分油機(jī)工作溫度區(qū)間，分水效率與溫度呈近似線(xiàn)性關(guān)系，斜率越大，說(shuō)明該油品水分離性能對(duì)溫度越敏感。

依據(jù)上述線(xiàn)性關(guān)系，可對(duì)各溫度條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總平均（取各溫度下b的算術(shù)平均值和c的幾何平均值），得到b’和c’（列于表1），以此表征油品的水分離能力。b’越大，c’越小，則油樣水分離能力越強(qiáng)。該數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際使用可提供指導(dǎo)作用，針對(duì)b’和c’的不同表現(xiàn)，可改變相應(yīng)條件以提高水分離效果。將油品根據(jù)b’和c’的相對(duì)大小進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)油品水分離性能進(jìn)行差異性區(qū)分，如圖3 所示。

圖3 油品水分離性能差異及改善措施

由圖3可見(jiàn)，四區(qū)的油品4012D 和3005E 水分離性能更為優(yōu)越，分水效率高，分離效果好；其余3 個(gè)區(qū)間的油品水分離性能較弱，但原因可能不同，如三區(qū)的4030A，其水分離性能受溫度影響更大，油水兩相的界面張力是影響分水的主導(dǎo)因素，水相液滴更加穩(wěn)定，難以聚并和沉降，提高溫度有利于改善分離效果；而一區(qū)的3030B 容納水分能力更強(qiáng)，水分含量高，增加離心時(shí)間能使更多液滴發(fā)生聚并，降低含水量。

油品水分離性能差異的機(jī)理探討

由公式（4）可知，水相粒徑是影響分水效率和分離程度的重要因素，對(duì)于圖2 中油品水分離性能的差異性探究，可從DSC 結(jié)晶曲線(xiàn)進(jìn)行分析[10,11]。其具體過(guò)程是將分水試驗(yàn)（SH/T 0619—1995）后的上層油液進(jìn)行取樣，在DSC 中開(kāi)展20～50 ℃的結(jié)晶試驗(yàn)，降溫速率為5 ℃/min。由于油樣的水相粒徑不同，結(jié)晶過(guò)冷度不同，粒徑越小，結(jié)晶溫度越低，從而得到圖4、表3。

表3 各油品結(jié)晶峰面積統(tǒng)計(jì)

圖4 DSC測(cè)試曲線(xiàn)及水相結(jié)晶溫度

表3 中油品中水滴的結(jié)晶溫度和結(jié)晶峰面積分別與水相粒徑和水分含量相關(guān)，結(jié)晶溫度越高，粒徑越大，結(jié)晶峰面積越大，表示該粒徑區(qū)間的水分含量越高。

根據(jù)各油樣DSC 數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：4030A、3030B、4015C 和3005E 的高溫峰溫度較高，表明在這些油品中能穩(wěn)定存在的水滴的粒徑更大，油品乳化發(fā)白的現(xiàn)象更加明顯。4012D 水相粒徑分布廣，無(wú)低溫峰，易實(shí)現(xiàn)油水分離，含水量少，因此水分離性能最優(yōu)；3030B 雖然僅有一個(gè)高溫峰，但含水量較高，盡管其分水效率較高，卻需要更多的時(shí)間達(dá)到分離要求，因此提高分離時(shí)間是改善其分離效果的有效因素，這與水分離試驗(yàn)結(jié)果符合；而4030A、4015C 和3005E 均存在低溫峰，該部分水相粒徑越小，分離越困難，因此理論上需要提高溫度以促進(jìn)油水分離，4030A 和4015C 在水分離試驗(yàn)中的表現(xiàn)符合此規(guī)律，但3005E 黏度較低，分水效率較高，有利于水相沉降，且低溫區(qū)水分占比較少，更容易達(dá)到分離要求，因此其在水分離試驗(yàn)中仍具備較好表現(xiàn)。

結(jié)論

☆對(duì)不同試驗(yàn)油采用分油機(jī)進(jìn)行了分水試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，油品水分含量均隨時(shí)間變化下降，后趨于平緩；溫度對(duì)于油品脫水效果的影響顯著。依據(jù)油水分離機(jī)理建立了數(shù)學(xué)模型，可用分水效率和最終含水量2 個(gè)參數(shù)對(duì)不同油品的水分離性能進(jìn)行有效表征，從而采取針對(duì)性的措施加以改善，如提高分離溫度、增加分離時(shí)間等。

☆依據(jù)DSC 分析結(jié)果，油品的水相粒徑大小及含水量的高低，是引起不同油品水分離性能存在差異的重要原因，水相粒徑越小、含水量越高，一般而言，從油品中脫除水分的難度也相對(duì)越大。