浅谈压缩空气除油方法及其油含量检测方法

2020-02-06汪永坚邢凯文

压缩机技术 2020年6期

关键词：无油蒸气压缩空气

汪永坚，邢凯文

（贝克欧（上海）净化系统科技有限公司，上海 200120）

1 引言

随着经济和产业的发展，越来越多的企业开始重视压缩空气的品质，特别是压缩空气中的含油量。在电子、芯片、高精密制造、食品、医药等行业，对无油压缩空气品质的需求也越来越高。因此对于无油的压缩空气的需求就变的越来越迫切。

2 压缩空气中油的种类和来源

要想获得无油的压缩空气，我们必须了解压缩空气中油的种类和来源。ISO 8573对油做出了定义，即由6个或更多碳原子（C6+）组成的碳氢化合物的混合物。

碳氢化合物主要是各种烃类物质，如饱和烃，不饱和烃，芳香烃等等。

饱和烷烃的一些举例如表1。

表1

在产生压缩空气的过程中会不可避免的混入空压机、管道、阀门残留的各类润滑油。而高沸点，高分子量烃类是润滑油主要组成部分，因此压缩空气中的油就是这类碳氢化合物的混合物，没有统一的化学式。

理论上来说，无油空压机在生产压缩空气时，不会带入额外的油，但这不意味着压缩空气里就没有油了。我们的大气环境中就存在油，越是工业区，越是污染严重的地方，环境中的油含量就越高。在一些钢铁，石化企业，空压机入口的油含量甚至可以达到5 mg/m3，在这些区域，即使使用无油空压机，产出的压缩空气含油量也无法达到ISO8573-1规定的1级油含量的标准。所以，使用无油空压机可以最大限度的减少压缩空气中的含油量，但并不能保证得到的压缩空气都是无油的。

另外，从空压机出口到终端用气点，压缩空气会经过大量的管道、阀门和接头。这些管道、阀门和接头只要某一点没有处理干净，就会污染整个管路的压缩空气，即使空压机出口的压缩空气含油量合格，到达终端用气点后，压缩空气的含油量也会增加，导致压缩空气无法正常使用。

因此，为了保证终端用气点的需求，需要采取必要的措施来减少压缩空气中的含油量。

3 压缩空气除油方法

压缩空气中，油以液态、气态和气溶胶这3种形态存在（严格意义上来讲，油气溶胶中的油属于液态，只是其体积和尺寸在特定范围内）。对于不同形态的油，需要使用不同的方法来去除。

3.1 过滤器除油

对于液态油和绝大多数的油气溶胶，借助凝聚式过滤器，利用过滤原理即可以除去。过滤原理如下：

第一阶段：直接拦截，见图1：尺寸大于滤材间隙的轻体油滴颗粒被直接拦截在滤材表面层。

第二阶段：撞击分离，见图2：撞击分离主要依靠油滴颗粒的惯性，固体颗粒和液滴穿过滤材间隙后，撞击滤材纤维并附着其上。

第三阶段：布朗运动，见图3：微小的液滴沿着流向附着在滤材纤维上运动，不断积聚成大的液滴；同时，细微油滴颗粒的不规则布朗运动也使其附着在滤材纤维上。

图1 直接拦截

图2 撞击分离

图3 布朗运动

第四阶段：排液，见图4：在最外面的集液层，液滴将逐渐凝聚并变大，然后在重力的作用下，流到过滤器的底部并排出。

通过以上3个阶段的逐级过滤，凝聚式过滤器可以使残油含量最低降至0.01mg/m3。但是，任何凝聚式过滤器都不可能完全过滤掉压缩空气中含有的杂质；这时，衡量压缩空气过滤器过滤效果就是“过滤效率”。被过滤器分离、过滤出来的杂质颗粒数目占杂质颗粒总数目的百分比称为“过滤效率”。

例如：过滤器入口处的压缩空气中含有100000个尺寸为1 μm的颗粒，经过过滤器后，出口只剩下1个尺寸为1 μm的颗粒，则该过滤器的过滤效率为99.999%（对1 μm的颗粒）。

由于上述3个过滤阶段的过滤效率并不相同，所以过滤器的过滤效率就是上述3个过滤阶段的过滤效率的总和，见图5。

从上图中可以看出，不同阶段的过滤效率是与杂质颗粒的尺寸密切相关的。过滤之后，滤材中充满了各种杂质。

通过凝聚式过滤器的过滤可以达到除去绝大多数的液态油和油气溶胶的目的，但是凝聚式过滤器是无法过滤油蒸气的，所以通过凝聚式过滤器，最大能够达到国家标准GB/T 13277.1-2016和ISO 8573-1标准的2级油含量标准。

图4 排液

图5 过滤效率

3.2 通过活性炭过滤器除油

利用活性炭来吸附油蒸气和油气溶胶是目前非常普遍的一种压缩空气除油方式。活性炭，又称活性炭黑，是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色、内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭的主要成分除了碳以外，还有氧和氢等元素。活性炭材料中由大量肉眼看不到的微孔，1克活性炭材料中的微孔，展开面积高达800～1500 m2。活性炭能吸附压缩空气中的油蒸气主要是靠范德华力、毛细作用、质量转移和分压差综合作用的结果。

范德华力（VanderWaalsforce），又称分子间的作用力，存在于中性分子或原子间的一种弱电性吸引力。压缩空气流经活性炭颗粒表面时，油分子与活性炭分子间相互作用，相互吸引，当活性炭和油分子之间的分子吸引力大于油分子之间的引力时，即使油蒸气的压力低于操作温度对应的饱和蒸气压，油分子也会在活性炭表面凝聚。不过这种作用力是比较微弱的，如果温度升高到一定程度，活性炭和油分子之间的分子吸引力又会小于油分子之间的引力，凝聚在活性炭表面的油分子就会汽化并脱离活性炭，所以范德华吸附是一种物理吸附。

毛细作用（Capillaryaction），类似液体的毛细凝聚现象。活性炭吸附剂内含有大量的微孔，根据杜比宁（Dubinin）及其学派的吸附势能理论，对于某些吸附过程，微孔内的吸附不是一层一层的吸附在孔壁上，而是在吸附剂微孔内发生体积填充。所以活性炭微孔内，由于吸附势能的作用，发生微孔填充现象，油蒸气不断被吸附；并且油蒸汽含量越高（即油蒸气的分压越大），吸附量也越大，毛细凝聚现象也更加明显。

质量转移（Masstransfer）指的是油分子从压缩空气内转移到活性炭表面上。活性炭分子和油分子发生电子对共享或者电子转移，使得两者之间形成新的化学键，从而油蒸汽就牢牢地留在活性炭表面。不同于范德华力的物理吸附，质量转移是一种化学吸附（即两者之间发生化学反应）。

分压差（Pressuredifference）原理指的是2个区域某气体分压不一样，气体会从分压高的区域向分压低的区域扩散。活性炭吸附作用使得活性炭内的油蒸气分压低，而活性炭外的油蒸气分压高，分压差使得气体有扩散的动力，促进油蒸气向活性炭内扩散，从而更好地被活性炭吸附。

通过以上分析可知，油分子量越大，油蒸气浓度越高，活性炭的吸附量越高。所以对于小分子链的油蒸气，在低浓度下，活性炭的吸附效果比较有限。

利用活性炭过滤器可以去除压缩空气中的油蒸气和油气溶胶，勉强能够达到国家标准GB/T 13277.1-2016和ISO 8573-1标准的1级油含量标准，不过除油效果并不稳定，受外界因素影响较大。活性炭吸附饱和后会失去除油能力，而活性炭的使用寿命受气体流速、温度、含油量影响，因此活性炭过滤器的使用寿命无法确定。为了不影响后端供气，只能通过勤换活性炭来保证除油效果，会造成一定的浪费。

3.3 通过无油催化机催化裂解方法除油

无论是采用过滤器还是活性炭吸附的方式除油，都有不少弊端，除油效果并不稳定，对于一些要求严苛的行业，以上除油方式还是不够的。目前比较先进的方法是利用催化裂解原理去除压缩空气中的油。催化裂解，顾名思义就是利用化学的方法，通过裂变分解改变油的分子链，使其失去油分子的特性，达到除油的目的。

无油催化机为代表的产品，正是利用这一原理，如图6（a），使其处理后的压缩空气达到无油的状态。该设备的工作原理如下：

需要进行除油的压缩空气经过换热器预热后进入带有催化剂的罐体内，罐体自带温度控制系统，将反应温度控制在150℃左右，如图6（b）。

压缩空气中的油分子（碳氢化合物）在催化剂和氧气的作用下，长分子链断裂成短分子链，短分子链继续断裂成更短的分子链（图7），催化剂颗粒微孔的内表面可以附着氧原子，含油压缩空气进入到微孔中，氧分子靠近催化剂颗粒微孔的内表面时，被分解为2个氧原子，并附着在内表面。当油分子链接触到微孔内表面时，其中的1个碳原子与2个氧原子化合为二氧化碳（CO2）分子，而2个氢原子则与1个氧原子化合为水分子（H2O），油分子链也随之断裂，并随二氧化碳和水分子一起与微孔内表面脱离。断裂后的油分子链继续发生相同的化学反应。

断裂后的油分子链继续发生相同的化学反应，直到所有的油分子链全部断裂，并与氧原子发生化合反应为止。直至最终只有二氧化碳和水，作为反应产物。反应物随压缩空气一起经换热器冷却后，进入后端管路（图8）。

举例说明，如图9：

实际上，油分子的裂解几乎是“瞬间”完成的，反应速度非常快，所以经过这一系列步骤后，压缩空气中的油能完全被处理掉。由于催化剂只是用于催化裂解反应，而本身不参与反应。因此催化剂本身有非常长的使用寿命，同时，催化剂能够保证良好的催化裂解反应。而且除油效果不会随着时间的推移降低，可以保证设备全寿命期稳定的除油效果。

并且通过无油催化裂解后的压缩空气中的油含量可以优于ISO 8573-1标准的1级油含量标准。同时，由于无油催化裂解工艺温度高达150°C，经过无油催化机处理后的压缩空气中没有活细菌、球菌和病毒。

利用催化裂解的方法可以去除压缩空气中的油蒸气和油气溶胶，甚至是液态油滴，由于是利用化学方法除油，因此除油速度和效率都非常高，几乎可以将压缩空气中所有的油除干净，完全能够达到国家标准GB/T 13277.1-2016和ISO 8573-1标准的1级油含量标准。不过此种压缩空气除油方法还没有大规模推广开来：一方面由于原理比较新，认识的程度不深；另一方面除油设备的初始投资成本较高。

4 油含量检测方法

通过以上方式对压缩空气中的油进行处理后，我们还需要对压缩空气除油净化的效果进行评估，此时如何检测压缩空气中的油含量就变得至关重要。

图6

使用PID光离子油含量检测仪可以持续在线监测压缩空气中的油蒸气含量。PID光离子油含量检测仪工作原理，如图10。

首先，压缩空气由减压器1 减压后至OCV compact的工作压力。压缩空气分为2部分：一部分直接流向测量单元；另一部分流入净化单元，净化单元内包含一套净化装置，利用催化裂解原理将这部分压缩空气内所有碳氢化合物转化为水（H2O）和二氧化碳（CO2）。此时，这部分经过净化的压缩空气可作为标准气体。

通过阀门2的控制，标准气体和取样气体交替地进入测量单元进行测量。测量单元内的传感器模块3实时监控待测气体的温度和压力，满足要求的待测气体方可进入后端PID检测，光离子检测器（PID）可以发射紫外线。紫外线使得待测气体内碳氢化合物分子电离，电离过的离子聚集在不同的正负极电极上形成电流，电信号被放大后精确测量，其数值与碳氢化合物含量成正比。测量结果以计算数值的形式显示在触摸屏上，如图11。