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合成油在压缩机中的用处

2011-10-8 14:14:53
  通常压缩机采用石蜡基、环烷基矿物油作润滑剂。近年来压缩机在材料和设计方面得到很大发展,对润滑材料提供了日益苛刻的要求。由于矿物油与烃气接触时 互溶造成粘度损失;化工原料气将矿物油携带入加工过程中引起催化剂中毒;矿物 油在压缩机内易形成积炭等, 矿物油已不能适应条件更苛刻的压缩机应用。合成润 滑油的性能明显优于矿物油,如高粘度指数、低倾点、防止烃稀释、低挥发性、好 的热安定性、水解安定性、抗乳化性、化学稳定性及与橡胶和金属的相容性。合成 润滑油的选择范围宽,所以必须考察各种不同的合成油的特点,为改进的压缩机正 确选择合适的润滑剂。 
    1 压缩机的类型及其润滑要求
  压缩机按压缩气体方式的不同,分为容积式和速度式两大类。容积式压缩机是 依赖气缸内作往复运动的活塞或作旋转运动的转子来改变气体容积,从而压缩气体 ,提高压力。速度式压缩机则是借助于高速旋转叶轮的作用,使气体得到很高的速 度,然后又在扩压器中急剧降速,使气体的动能变为位能,即压力能。两种压缩机 按其结构和压缩气体方式的不同,可分为以下几种型式:
  压缩机棗容积式棗往复式棗活塞式 膜片式 回转式棗叶片式 螺杆式 液环式 转子式 速度式棗离心式 轴流式   此外,按压缩介质和用途不同,压缩机又可分为动力用压缩机和工艺用压缩机两种 。前者压缩介质为空气,主要用于驱动气动机械、工具和物料输送;后者压缩介质 为所有气体,用于工艺流程中气体的压缩和输送。
  目前广泛应用的各种气体压缩机有离心式、活塞式、叶片式、螺杆式等几种, 由于润滑条件相对苛刻,需要使用合成油,一些以特殊气体为介质的压缩机也需要 使用具有特殊性能的合成油。
    2 合成油的类型及其性能
  酯类油(双酯和多元醇酯)、聚?烯烃(PAO)、聚烷撑二醇(PAG)和氟化硅油能满 足大多数气体压缩机的应用要求,是目前气体压缩机使用最广泛的合成润滑剂。新 近发现加氢裂解饱和烃是压缩机可接受的润滑剂。合成油具有独特的物理性能,在温 度极限、粘温特性和挥发性方面明显优于矿物油。
    2.1 温度极限
  合成油解决的许多润滑问题与温度有关。为了防止水和其他致冷剂在压缩机系 统中冷凝,所以压缩机的工作温度较高,超过一般润滑剂的耐热能力。使用矿物油 ,由于蜡的胶凝作用和差的粘温特性,在野外或无加热条件环境中压缩机起动困难 ,选择合成油可避免这些问题。图1说明了合成油能提供的宽温使用范围。 #07:图1 矿物油和合成油的温度极限比较
    2.2 粘温特性
  图2比较了合成油与矿物油的粘温特性,说明合成油在极限温度能提供有效的润 滑。合成油的粘度指数较高,在高温运转条 图2 粘温曲线比较 件下提供较高的粘度,在低温下压缩机容易起动。运转过程中粘度较高的合成油为 螺杆式压缩机提供高的容积效率。
    2.3 挥发性
  合成油的挥发性低,该特性减少油的补偿,防止杂质被带入下一步骤中。合成 油的蒸汽压比矿物油的小。
    3 合成油在压缩机中的应用
  压缩机的压缩介质有空气、烃类气体、化学加工气体、惰性气体和工业气 体及致冷剂气体。现按不同压缩介质分别介绍气体压缩机用的合成油。
    3.1 合成油在空气压缩机中的应用
    3.1.1 离心式空气压缩机
  合成和加氢裂解饱和烃用于离心式空气压缩机的密封件、齿轮和轴承的润滑。 此类压缩机使用合成油的主要目的是节能。某些工业气体生产厂中使用大功率(高达 5.88MW)离心式空气压缩机,总动力消耗达4.38万美元/月。
  PAO具有长的水解安定性和优良的水分离性,使用PAO,一年的节能费用可以抵 偿9个月因使用合成油增加的费用,此外能延长换油周期,延长油过滤器的使用寿命 和检修间隔,减少停工时间。
  炸药厂基于安全因素选择合成油。特殊配制的PAO化学稳定性好,可阻止硝化, 使压缩机使用安全。
    3.1.2 回转叶片式空气压缩机
  ISO 68粘度级多元醇酯可用于高温回转叶片式空气压缩机。这类压缩机在低压 、315.6℃下连续操作。润滑油的工作温度为148.9℃。
    3.1.3 螺杆式空气压缩机
  工作条件为0.689MPa、82℃的螺杆空气压缩机使用PAO优于双酯,因为PAO长期 水解安定性较好,并且与压缩机中的橡胶和塑料材料相容,与空气压缩系统配伍。
  图3是注油式螺杆压缩机用的各种润滑油的加速寿命试验结果。试验使用25HP螺 杆压缩机,在104.4~110℃下操作(通常为71~82℃)。 图3 螺杆压缩机润滑油加速寿命试验
  由图3所示,高粘度指数(HVI)润滑油的加速寿命和双酯相等(1800 h),大大超 过两种溶剂精制的矿物油。HVI润滑油在正常操作下(单级螺杆空气压缩机,0.689M Pa,71~82℃,相对清洁的空气)的工作寿命长得多。
  用食品级PAO基础油配制与食品接触的符合美国食品和药品管理(FDA)法规21 C FR178.3570的空气压缩机润滑油。原来的食品级螺杆空气压缩机润滑油的寿命为40 00 h。加入符合FDA添加剂后,食品级PAO在压缩机中的润滑寿命高达8000 h。
  对工作温度高于93℃,连续重负荷的多级高压螺杆空气压缩机来说,使用多元 醇酯比PAO好,工作寿命可延长1倍。
  二甲基硅油具有优良的粘度指数(VI=400)、热氧化安定性和水解安定性,但金 属对金属润滑性差,已开发出改进润滑性的添加剂。改进的二甲基硅油已于20世纪 70年代引入市场,在压缩机的使用时间已超过40000 h,使用结果令人满意。最大问 题是润滑油更换费用高,关键是气油分离器的设计和保养费用高。
    3.1.4 往复式空气压缩机
  在空气压缩机中使用合成油的主要原因之一是清洁,即减少油泥、沉淀和积炭 。有机酯作曲轴箱润滑剂能提高清洁度,传热良好,减少摩擦和运动部件的阻力, 从而减少维修和停工时间,减少动力耗费7.2%。曲轴箱使用合成油,节省动力3%, 动力费以0.04美元/1500小时计算,节省的费用可抵销至少6个月因改用合成油而增 加的额外费用。
  对于大型往复式空气压缩机的单程气缸润滑,常见的问题是在气缸和排气阀中 形成残炭和油泥,引起频繁的维修和停车。另外残炭、锈蚀、润滑剂过量和高压作 用使压缩系统在低于149℃的情况下自动起火,甚至引起爆炸。使用多元醇酯可以解 决这些问题。换用合成油后,节省的费用可抵销1.6年因改用合成油增加的额外费用 。多元醇酯的性能见表1。
项目 数值 粘度100℃ 11.3 粘度37.8℃ 76.7 闪点 285 自动点温度℃ 462.8 蒸发损失,%(22h,148.9℃) 0.4 氧化稳定性(42h,218.3℃*5L/h) 酸值增加,% 1.71 37.8℃粘度增加,% 13.5 四球试验(54℃,600r/min,1h,392N) 磨斑直径 mm 0.37 3.2 合成润滑油在气体压缩机中的应用
    3.2.1 化学加工气体压缩机
  合成油成功地解决了化学加工气体压缩机润滑问题。化学加工气体与一般矿物 油可能发生反应。由于矿物油有抑制催化剂的倾向,许多化工厂禁止使用此类润滑 油。典型的化学加工气体包括氯代甲烷、二氧化硫、氯化氢、氨,混杂的加工气体 如CO↓2、氯硅氧烷、氯化烃、含微量矿酸的气体等。当易反应的气体被压缩时,压 缩机设备和润滑油受到化学腐蚀,且随温度、压力升高而加剧。合适的润滑油有PA O、硅油和加氢裂解饱和烃。
  PAO和加氢裂解饱和烃有优良的抗化学腐蚀性。选择合适的基础油可以解决酸和 其他易反应化合物相遇的压缩机润滑问题,但纯氧压缩机只能使用全氟烃油和氯化 烃油。
  加氢裂解饱和烃是比较新型的润滑油。原油馏分在300℃和20 785 kPa条件下接 受加氢处理,硫、氮和氧化合物完全分解,芳香化合物转变为饱和环烷烃。再进行 两次真空蒸馏,除去挥发物和其他杂质。脱蜡和第二次氢处理去掉残留杂质。基础 油是稳定的异构烷烃和环烷烃的混合物,其润滑性与PAO相似。与其他合成油混合能 进一步改善油的润滑性能。
  氟化硅油是部分氟化的聚硅氧烷,除了纯氧和某些强氧化剂,几乎对所有的化 合物具有完全的惰性,用于处理氯代甲烷、氯和HCl的压缩机。但氟化硅油因价格昂 贵(超过800美元/加仑)而限制了它们的使用。
  烷基甲基硅油在使用中形成韧性厚膜,具有天然的润滑性。该油在金属部件表 面提供长期的保护性油膜,在HCl、CO2和含少量硫酸的氯代甲烷应用中提供有效 润滑。
    3.2.2 惰性气体和工业气体压缩机
  惰性气体和工业气体压缩机应用中气体纯度很重要,并且要考虑润滑剂可能产 生抑制催化剂的活性作用。只有质量最好的基础油才能润滑N2、He、CO2等惰性 气体和H2等工业气体压缩机。
  PAO、加氢裂解饱和烃和PAG与上述气体不互溶,在回转式压缩机中提供更好的 容积效率,为工业气体压缩机提供满意的使用。
    3.2.3 烃类气体压缩机
  除上述烃类致冷剂外,烃气体还包括天然气、油井气、垃圾气。
  在轻烃气体压缩机中,由于稀释度低,也可以使用矿物油作润滑剂。但合成润 滑剂在这些应用中具有可靠性,其独特的粘度特性和与烃的相容性使用系统工作效 率提高。许多重烃气体压缩机必须使用合成油。
  烃与大多数润滑油完全可溶,溶解度取决于压缩机的工作压力和温度。图4示出 了 图4 不同温度下烃气与油的关系
  在不同温度和压力下丙烷对ISO 220聚丙二醇的稀释度。在一定温度下压力升高 ,烃气对油的稀释度增大;而在一定压力下温度升高,稀释度减小。烃气溶于油, 使油的粘度减小。图5是烃稀释下聚丙二醇的粘温曲线。如果稀释度太大 ,油的粘度减至不能提供充分润滑的程度,那么设备过早失效。 图5 稀释度对烃气/油混合物粘度的影响
  基于烃气的这些特点,合成油越来越多地用于烃气压缩机,包括垃圾气压缩机 ,油井气压缩机,各种高沸点蒸汽回收压缩机(如汽油、丁烯和己烷蒸汽)和天然气 管线增压压缩机。下面简要介绍各种烃气压缩机适用的合成油。
  对于低沸点烃气,选择PAO作润滑油较好,尤其是含少量强酸和氯杂质的垃圾气 。垃圾气压缩机润滑油还要加入合适的抗磨剂和抗氧剂。
  油井气含有低、高沸点烃、水和硫化氢混合物,为这些压缩机配制的PAG能提供 良好的抗水性,抗稀释性,也可以防止高浓度硫化氢引起的腐蚀。
  PAG防止烃气稀释的能力很强,适用于蒸汽回收压缩机。回收己烷和丁烯蒸汽的 大型螺杆压缩机的费用达5000美元/天。PAG提供优良性能,油的携带量、补充量极 少。每年只需更换一次润滑剂以保养设备。
  烷基甲基硅油混合物因其良好的油膜保持能力而用于大型天然气管道增压器气 缸润滑。需改进气缸供油系统,系统改进费用因所用润滑油的效率提高,维修减少 ,不到一年就抵销,且润滑剂的耗量减少20倍。
  天然气和其他烃气还用作燃气涡轮发动机燃料。压缩机为涡轮的连续操作提供 流速和压力适当的气体,这种情况下即使气体带少量的矿物油也会在涡轮的气体输 入孔形成积炭,阻碍流动,引起断火,因此也必须使用合成油。
    3.3 合成油在冷冻压缩机中的应用
  用于压缩机致冷系统和热泵中的润滑油对系统有效性起着重要作用。因为在压 缩机中润滑油和致冷剂可能发生反应,所以选择合适的冷冻机润滑油很关键。
    3.3.1 以丙烷为致冷剂的压缩机
  丙烷与矿物油互溶,致使压缩机油粘度下降,油膜厚度减小;汽缸中气体对润 滑剂的冲刷或润滑剂对气相的吸收导致润滑不足。PAG具有低倾点、高的粘度指数、 优良的润滑性,特别是良好的低烃溶解性,因此广泛用于丙烷冷冻机中。PAG在螺杆 压缩机中的使用表明,PAG的容积效率比矿物油的高18%,压力比为2~10时,绝热效 率增加5%~8%。在高压压缩机中的使用表明,与矿物油相比,在油输入速度减小的情 况下,油的密封寿命延长20倍。
    3.3.2 以氨为致冷剂的压缩机
  PAO和HVI氢化异构烷烃因其明显的性能优势广泛地用作氨致冷系统润滑油。
  PAO和HVI烃都具有支链多的特点,能提供"三维"厚油膜,改进润滑性。用改 型的Falex机比较氨存在下PAO与环烷基础油的使用效果,发现PAO的磨损值低。氨致 冷系统制造商的使用经验证明,PAO和HVI冷冻机油都有较好的抗磨性,使用寿命比 矿物油的长。因为PAO和HVI润滑油由高饱和分子组成,具有优良的热化学安定性, 从而延长润滑油的工作寿命,减少油泥和积炭。
  PAO粘温性能良好,符合许多致冷系统制造商的低温氨应用标准,HVI油的粘温 性比矿物油的好,但需加入添加剂来降低倾点,改进粘温特性。
  PAO和HVI润滑油溶解性低,产生泡沫少,油气分离性好。经验表明,使用合适 的分离器和PAO或HVI油,油携带量可望减少30%~90%。结果是致冷系统更清洁,改善 传热效率。HVI油在往复和回转螺杆式压缩机的使用中,油耗量减少64%~ 83%。此外,PAO和HVI油的其他优点是初始水含量低,与塑性材料的配伍 性好。
  酯与氨的相容性不好。酯类润滑剂在氨致冷系统使用中产生油泥,长期使用后 变成固体。
    3.3.3 以卤化烃为致冷剂的压缩机
  密封试管试验证明,PAO在氯氟烃致冷剂环境中极其稳定。PAO的高粘 度指数能改进致冷系统的冷起动。PAO不含蜡,无絮凝点,不存在蜡阻塞膨胀阀和控 制管的可能性。
  PAO具有宽粘度范围,粘度级选择适当可以补偿与可溶的致冷剂接触时产生的稀 释,如注油式螺杆压缩机中的R-12氯氟烃致冷系统。R-12可溶于大多数油中,环烷 基矿物油的初始粘度不高,不能补偿压缩机工作条件下的油稀释,所以PAO广泛用于 R-12螺杆压缩机。
  PAO的临界溶解温度高(36.7℃),目前已不用于大多数R-22氯氟烃致冷系统。但 是,由于PAO的其他性能符合压缩机润滑要求,可用于具有特殊设计的R-22系统。
  为R-22系统配制的酯类油具有优良的热安定性、低至-37.8℃的溶解性和良好的 化学稳定性。这类酯在ISO 200粘度范围内,但目前价格较贵(35~70美元/加仑)。
  R-114致冷剂在热泵应用中具有特殊意义。美国和欧洲的使用经验表明,PAO尤 其适用于高温下的工业热泵操作。PAO已用于压缩温度高达120℃的R-114系统,选择 PAO是由于其用于R-114致冷系统具有优良的稳定性、粘度级的可获性、良好的低温 特性和高粘度指数。使用报告表明PAO已工作几千小时,压缩机无磨损,润滑油未失 效。
  低粘度PAO在低温R-13和R-503致冷系统中提供优良性能,蒸发器的温度低至-4 6℃。
    4 结论
  a.使用合成油和加氢裂解饱和烃作润滑剂能有效地改进压缩机的工作性能,包 括延长换油周期,减少磨损,减少部件的更换频率,操作过程清洁,节能,减小火 灾和爆炸危险,减小污染,减少待工时间和生产损失。
  b.空气、化学加工气体、工业气体、惰性气体,特别是致冷剂气体和烃类气体 压缩机使用合成油,其中PAO,有机酯(双酯和多元醇酯)、硅油和加氢裂解饱合烃能 满足大多数压缩机的使用要求。
  c.对于大型往复式压缩机的气缸润滑,需进一步改进现存的加压注油润滑系统 才能获得使用合成润滑油的最大效益。
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