合成润滑油在加工和碳氢化合物气压机中的应用
合成润滑油在加工和碳氢化合物气压机中的应用
SO’MALLEY
CPI工程技术服务有限公司，密歇根州，美国
合成润滑油用于容积式装置，润滑油加工和碳氢化合物气压机是有争议得。这些应用中的许多都要求合成产品限制有毒催化剂，减少气体溶解度并从而导致粘度的丧失以及限制与气体的反应。
旋转式螺杆、往复式发动机和旋叶式压缩机在碳氢化合物和气体加工使用中的润滑要求是受评议的。合成润滑油的物理和化学性质对压缩机润滑的影响是关键的。在压缩机运行条件下气体在合成润滑油中的影响也很重要。在许多应用中合成润滑油可延长换油期限，减少油耗，增加效率以及延长压缩机使用寿命。
1.碳氢化合物和加工气体压缩机润滑油
历史上，碳氢化合物、化学加工和惰性工业气体压缩机使用传统的矿物油基润滑油。然而矿物油无法满足许多现代化旋转式压缩机设计和其它复杂应用的需求。典型的气体加工应用是在流出温度在80-1100C之间以及压力在7-70barg。在这些条件下矿物油可能会热退化。它们的不稳定导致了压缩机中润滑油的蒸汽相遗留向下液流。在许多应用中存在化学性质活泼的气体，可能造成矿物油的化学性退化。在一些应用中可能发生矿物油被压缩气体严重稀释。这种稀释将降低润滑油的粘度，经常造成某处的润滑不足。系统得防腐蚀保护是另一个矿物油经常表现欠佳的方面。
合成与半合成润滑油满足这些复杂应用的需求。它们提供了许多超越传统矿物油的优势。其中一些包括出色的化学惰性，高粘度指数，低倾点，良好的水解稳定性和完全反乳化性。这些产品也提供优秀的天然润滑力，出色的热稳定性，抵抗碳氢化合物的稀释，低挥发性和与弹性材料及金属的兼容性。由于并不是每一种类型的流体中都具备所有的优点，故了解每种合成与半合成基流体的物理和化学性质是十分重要的。了解压缩机及其应用的需求以选择具有最佳性能的最合适流体也同样重要。
本文中所讨论的半合成润滑油是经严格氢化处理的高粘度指数油。两阶段的氢化处理加工产出一种高质量的基油。原料在高压和高温下进行氢化，接着经分馏法，脱蜡和第二阶段氢化处理。最后成为一种高分子量等渗油。粘度指数在105-120范围内。
2.压缩机润滑油
2.1 旋叶式压缩机
每种型号的压缩机对润滑油的要求都是不同的。旋叶式压缩机的润滑油功能是润滑在压缩过程中滑入和滑出的叶片。润滑油也作为叶片与机架间的密封剂使用，使气体压缩成为可能。通常ISO68-150产品满足旋叶式压缩机的粘度要求。
2.2 往复式压缩机
往复式压缩机提供了一个很大的流出压力容量范围从1bar g至1000bar g（4）。往复式压缩机的油润滑汽缸，曲轴箱部件，线圈，活塞，阀门和装填杆。曲轴箱部件包括十字头轴承，十字接头，十字头导承和曲柄销。近来的制冷应用表明操作粘度小于10 cSt的ISO15润滑油可提供合适的润滑作用。然而，依靠气体分子量和流压操作，加工和碳氢化合物气体往复式压缩机的经典使用是ISO68-680产品。
在大多数往复式压缩机，一种流体作为润滑剂使用于所有部件。较小的往复式压缩机使用喷溅润滑油。较大的装置通常使用一种油泵系统以润滑上方的曲轴箱部件。一些大型设备使用两种不同的润滑油，一种用于汽缸而另一种用于其它需润滑的部件。由于汽缸润滑油须与气体共存，故必须与向下液流过程兼容。汽缸润滑油可设计成为特殊气体或操作条件提供润滑作用。（2）
2.3螺旋式压缩机
注满螺旋式压缩机通常使用压缩烃和生产气体，流压范围从1-25 bar g（5）。它们具有许多优点，包括改进压缩效率，低流出温度，高可靠性和由于简单的机械构造所致的较少维护。螺旋式气体压缩机必须具备几种功能。它们润滑轴承，在螺杆与机架之间提供足够的密封，移去压缩过程中的热量，冲去压缩机中的任何微粒以及保护系统免于腐蚀。较低的粘度限制是10-20cSt在对轴承的油供温度以及5cSt在流出条件下以确保合适的密封。上部的润滑油粘度取决于为轴承提供足够的润滑油的能力。典型的上部粘度限制是30-100cSt。通常ISO68-220润滑油满足螺旋式压缩机的粘度要求。准确的粘度级别依赖于操作条件和气流成分。
由于系统的闭环设计，合成产品特别适用于螺旋式压缩机（图表1）。润滑油与压缩气体进入分离器。分离的油经过一个油冷却器再回流入压缩机。在这个过程中润滑油的降解可导致如轴承故障，密封不够或腐蚀等压缩机问题。在许多应用中，合成压缩机润滑油的使用能造成有效的烃压缩和生产气体（7）。
3.润滑油的选择
在碳氢化合物和生产气体压缩机中合适的粘度选择是至关重要的。气体对润滑油的稀释是主要问题。稀释的粘度与温度曲线（图表2）稀释可造成粘度直接下降。无稀释时处于压缩机的粘度限制之上的润滑油可通过稀释而降至限制之下。该条件经常导致压缩机的磨损和/或故障的增加。它也可以成为压缩机性能的一种副作用。
预测润滑油的稀释度所需信息包括压缩机的型号，运行条件和完整的气体成分，也就是存在的每种气体成分的量。平衡计算基于气体成分的蒸汽压力和 Raoult's法则提供的潜在的润滑油稀释。稀释对润滑油粘度的影响可通过将润滑油与已知数量的碳氢化合物混合来确定。粘度与温度的关系也可通过这些稀释混合物来确定。稀释水平、运行温度和稀释效果都影响润滑油的实际操作粘度。如果必要，提高运行温度可有助于将压缩气体的稀释减至最小。
设备型号也是润滑油选择的一个因素。在一些应用中，气流中有大量的污染物，包括水，氢化硫（酸性气体），沥青烯或其它微量污染物。其它应用则对油的运行和润滑油/添加剂的化学性特别敏感。这些因素和粘度的稀释可用于确定最佳的润滑油。
4.碳氢化合物气体应用
碳氢化合物气体应用包括天然气，蒸炼气,沼气，气体涡轮增压器，制冷装置，蒸汽回收锅炉，精炼厂废气和生产气体的应用。气体成分的不同主要取决于应用设备的型号。另外，应用的部位可影响许多应用的气体成分（表1）。润滑油满足压缩机制造商在稀释条件下对所有碳氢化合物应用的粘度要求是十分重要的。
也有许多其它的考虑因素可以影响润滑油的选择和性能。气体包含湿气可导致系统腐蚀。在比气流的露点高的温度中运行压缩机可使其降至最低。润滑油的配方中含有防锈剂有助于保护接触水的金属部件。酸性气体的应用由于有硫化氢的存在，要求润滑油有专门的防腐添加剂以保护系统免于腐蚀。挥发性添加剂在运行条件下可通过汽化来完成此任。它们包裹着系统的金属部件，使其不与润滑油直接接触。酸性气体系统的材料选择很重要，因为一些黄色金属当暴露于含有硫化氢的气体中时腐蚀明显。
4.1轻型天然气，蒸炼气
适当配制的半合成润滑油当稀释不严重时适合用于天然气和酸性气体的应用。基本由甲烷和二氧化碳及微量硫化氢组成的蒸炼气也可使用半合成润滑油。半合成润滑油比矿物油的粘度指数更高，因此满足了在宽温度范围的压缩机粘度要求。这些材料的低挥发性可使遗留减至最少。
含有沥青质的天然气应用必须使用一种PAO或半合成油。这些润滑油溶解了沥青质并使其保持溶解状态。聚(亚烷基)二醇（PAGs）不能溶解沥青质，它们的使用可能导致滤油器和油管的堵塞。
4.2重型天然气，精炼厂废气，蒸汽回收锅炉气体
一些天然气，精炼厂废气和蒸汽回收锅炉气体产生了更高分子量的碳氢化合物气体。这可导致润滑油的稀释水平的增加。这些应用要求有合适配制的聚(亚烷基)二醇（PAGs）。PAGs有几种不同的类型，通过生产它们的单体来分类（图表3）（9）。聚乙烯，聚丙二醇共聚物限制了碳氢化合物的稀释。依靠乙撑氧占其与环氧丙烷聚合的比例，可制出稀释度限制在10-20%的润滑油。高于此水平，润滑油即成为饱和状态。
一些聚乙烯，聚丙二醇共聚物具有独特的溶混性。它们在高温时比在低温时难溶于水（图表4）。这种反转的溶混性可能在有湿气存在的压缩机应用中的防腐方面具有优势。聚乙烯，聚丙二醇共聚物在室温下能溶于冷凝水。这样能防止在停工期自由水汇积在系统中造成的腐蚀性的环境。一旦压缩机重新启动并到达正常运行温度，润滑油会变得较难溶于水。然后这些水汽化并与流出气体共存于压缩机。
一些碳氢化合物气压机使用完全溶于碳氢化合物的润滑油将造成严重稀释，可使用聚乙二醇。聚乙二醇完全不溶于碳氢化合物。实验表明当润滑油与达 13790kPa的碳氢化合物气体接触时，其粘度无损失。碳氢化合物气体与该润滑油之间缺乏吸引力，从而导致其与其它型号的润滑油相比，油分离器中的气体能更好的从润滑油中分离。
一种改进压缩机系统在应用含有PAGs的乙撑氧上的设计的方法是从油箱中移去所有多余的浓集碳氢化合物。碳氢化合物的浓集在含有具丁烷或更高分子量的气体应用中成为焦点。浓集也可发生在压力上升或温度下降的条件下。一个插于油箱中运行充油管略上方的排出阀能排出任何的浓集碳氢化合物。一个蒸汽回收锅炉装置收集液体(正)己烷生产，并为一个完整的压缩机系统提供六个月的回收期（3）。
4.3 沼气
压缩沼气并燃烧它供能是另一种碳氢化合物气体的应用。对沼气压缩机最重要的考虑是保护压缩机系统防止有侵蚀性的微量污染物（7）。针对这些污染物，PAO 以杰出的化学惰性为特色。PAO也提供了如高粘度指数和低汽压等优点。低汽压不但最小化了组合油的量，而且使气流遗留降至最少。
最小化的遗留在供给碳氢化合物气涡轮的气体压缩应用中是关键要求。气涡轮典型的要求是1500-4500kPa的气体注入压力。气体压缩机促进了气体从大气压到注入的压力。润滑油的遗留可导致碳沉渣的形成，从而淤塞下游的装置，或在燃烧室内造成热点导致烧毁。由于其最小化遗留的特征，PAO是常被选用的润滑油。在这些装置中的被压缩的碳氢化合物气体通常不会造成严重的稀释。
4.4生产气体
气体的纯度，遗留和发现于润滑油添加剂中的源自金属及其它无机化合物的有毒催化剂，在一些碳氢化合物生产气体的应用中是重要焦点。气体必须从润滑油的杂质中分离出来以便在生产过程中发挥适当的功能。润滑油的遗留必须最小化以减少下游生产装置中与润滑油有关的问题。少量到达下游的遗留物必须不含任何具有副作用的催化剂。许多催化剂的替换成本很高，在停机期间更换催化剂是很经济的。用于生产气体装置的润滑油的基本原料或添加剂中必须不含任何金属或其它杂质，生产过程中不使用有毒催化剂。4.5制冷设备
润滑油与碳氢化合物气体冷冻剂的低温物理特性和溶混性是为制冷系统选择合适润滑油的重要考虑因素。合适的分离装置将使到达下游的油量降至最低。任何到达系统冷冻面的润滑油必须不在蒸发器的管道系统中结冻，否则将导致系统热效的丧失。到达下游的润滑油必须具备比蒸发器温度更低的倾点或在蒸发器温度下能与冷冻剂溶混。如果它是可溶混的，润滑油/冷冻剂的混合物可单相回到压缩机。制冷设备通常使用不含杂质的气体，故润滑油中所需的添加剂的量应为最小化。
聚丙二醇比起其它类型的润滑油具有在碳氢化合物气体中更低的溶解度。低浓度聚丙二醇在低温下可与碳氢化合物溶混（图表5）。它们的稀释要少于碳氢化合物基的润滑油如矿物油和PAO。这种在压缩机环境中的稀释限制使润滑油提供了更好的密封，从而增加了压缩机的容积效率。为此，它们经常被用于碳氢化合物气体制冷系统以改进性能。
要求遗留最小化的碳氢化合物制冷系统应用了聚乙二醇润滑油。它们完全不溶于碳氢化合物。由于润滑油和气体之间无吸引力，故比起其它润滑油而言，润滑油/气体能更好的分离。聚乙二醇不会与蒸发器中的液体冷冻剂混合。如果蒸发器温度低于该润滑油的倾点，润滑油将会固体化。为此，典型的低温应用不使用聚乙二醇。
具低稀释水平的碳氢化合物气体制冷系统可使用一种PAO基的润滑油。PAO是与碳氢化合物气体完全溶混的。PAG和PAO都具有极低的挥发性，故润滑油的气态遗留可减至最少。
5 生产气体压缩机
5.1惰性气体
生产气体压缩机可处理惰性或活性气体。典型的惰性气体包括氢，氦，二氧化碳和氮。除了二氧化碳，大多数惰性气体与大多数润滑油一起不会造成粘度的损失。就象碳氢化合物生产气体压缩机，在惰性生产气体压缩机中的两个焦点是气体的纯度和催化剂的毒性。
大多数惰性气体设备使用PAO类或PAG类基的润滑油。这些材料的低挥发性可将气体与润滑油蒸汽的杂质减至最低。另外，这些润滑油的低蒸汽压力有助于使遗留最小化。在选择正确的润滑油时，催化剂的类型是一个因素。润滑油的基本流体和添加剂必须不会影响催化剂的寿命或生产的反应速度。
5.2活性气体
活性气体压缩机润滑油必须符合与惰性气体压缩机润滑油同样的准则，同时还有附加的要求。润滑油的基本原料和添加剂不得与生产气体发生反应。一些所谓活性气体是指氯甲烷，二氯甲烷，氯气，氯化氢，二氧化硫和氧气。
纯氧是一种极强的氧化剂。它要求使用充分氟化或氯化的润滑油。大多数的其它生产气体压缩机使用PAO类，因为它们具有抵抗化学反应的能力。这种润滑油的配制一般仅包括不与气体发生反应的添加剂。这些添加剂有助于保护系统防止腐蚀以及最大限度的延长润滑油的寿命。
6油的分析
在生产和碳氢化合物气体装置中使用的润滑油要求按常规取样。合适的取样和分析确保润滑油保持它原有的性质。这也是确定换油期限的最佳方法。一次典型的采样间隔是3至6个月。实验包括对产品、湿气、杂质、粒子数量、粒子尺寸和磨损金属的腐蚀分析。所用润滑油的粘度，添加剂的水平和总酸值的变化是决定何时换油的关键参数。
7节约成本
7.1减少润滑油成本
合成与半合成润滑油在生产和碳氢化合物气体压缩机中能提供显著的成本节约。它们的化学惰性和热稳定性能延长换油期限。这样减少了每年新油的成本，油处理的成本和维护时间。合成产品的低挥发性使润滑油的气态遗留降至最低。这就降低了油组合的要求。
7.2改进设备效率
这些产品具有高粘度指数，使它们在旋转式压缩机和高温中能成为更好的密封流体。PAG类产品能抵抗碳氢化合物的稀释，使其在流出温度下能维持粘度并可进一步改进密封能力。这些特点有助于增加压缩机的容积效率达18%（11）。在生产气体装置中，低挥发性也可使沾染于下游工序的润滑油的量减至最少。这改进了下游装置的效率和成本效力。
7.3延长装置的使用寿命
当装置在寒冷环境中启动时，高粘度指数使合成和半合成产品能提供较低的粘度。这有助于增加油的流动和减少启动时的磨损。在高温下维持足够粘度的能力
为高温中的防磨损提供了更多的保护。最后，在使用中PAO和半合成产品含水量达到最少化。这可显著延长轴承的寿命。
8结论
合成润滑油拥有许多独特的物理性质，使其能理想的用于碳氢化合物和生产气体设备。粘度的稀释；与气体的兼容性；设备的选择；生产过程的设计；和防腐蚀的能力，在挑选合适的润滑油时必须都列入考虑。合成润滑油包括PAO类、PAG类和氢化处理油，满足这些系统的需要。在压缩机中应用的合适是对最佳润滑油选择的关键。
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