2. Конспект лекционных занятий

Модуль 1: введение в технологию очистки и разделения нефтяного сырья

Лекция №1

Назначение, развитие и способы очистки масляного сырья

Нефтяные масла широко применяют в различных областях тех­ники (ракетной, атомной, космической). В настоящее время мировое производ­ство масел превышает 100 млн. т/год. Хотя стоимость масел не столь велика, от их качества и правильного применения во многом зависит надежность и долговечность работы различного оборудования. Одной из тенденций современного развития техники является максимальное увеличение срока служ­бы смазочных материалов и сокращение затрат на техническое обслу­живание. Только в результате применения высококачественных масел в 2-3 раза увеличен срок службы многих машин и механизмов. Качество самих масел улучшается совершенствованием технологии их производства, широким ис­пользованием высокоэффективных присадок. В зависимости от назначения нефтяные масла выполняют следующие, основные функции: уменьшают си­лу трения между перемещающимися друг относительно друга поверхностями; снижают износ и предотвращают задир (заедание) трущихся поверхностей; защищают металлы от коррозионного воздействия окружающей сре­ды; отводят тепло, выделяющееся в результате трения, охлаждают детали; уплотняют зазоры между сопряженными деталями, удаляют с трущихся поверхностей загрязнения и продукты износа; образующиеся в зоне трения. Кроме того, нефтяные масла служат рабочими жидкостями в гидравлических пе­редачах; создают электрическую изоляцию в трансформаторах, конденсаторах и масляных выключателях; снижаю вибрацию и шум; защищают детали узлов трения от ударных нагрузок, используются для приготовления присадок, смазок и т.д. Практически невозможно получить масла, хорошо выполняю­щие все указанные функции. В этом и нет необходимости, т.к. в зависимости от условий применения масла выполняют лишь одну-две основные функции, что и обеспечивает и надежную работу. Независимо от условий применения и назначения нефтяные масла должны: надежно выполнять свои функции в ши­роком диапазоне температур, удельных нагрузок и скоростей перемеще­ния трущихся поверхностей; в минимальной степени изменять свои свойства в условиях эксплуатации; оказывать минимальное воздействие на контакти­рующие с ними материалы; максимально полно удовлетворят правилам техники безопасности и в минимальной степени загрязнять окружаю­щую среду, т.е. обладать экологическими свойствами, должны быть обеспечены постоянной сырьевой базой и экономичны в эксплуатации, иметь невысокую стоимость. Кроме того, к маслам предъявляют некоторые специальные требования: минимальная вспениваемость, высокая газостойкость, хорошие диэлектрические и оптические свойства и т.д. Нефтяные масла классифицируют по раз­ным принципам:

1) по способу получения или в зависимости от вида нефтяного сырья их подразделяют на: дистиллятные, полученные из масляных фракций вакуумной перегонки мазута; остаточные, полученные из остатка от вакуумной перегонки мазута (гудрона). Смешением дистиллятных базовых масел друг с другом или с остаточными маслами получают компаундированные масла. Са­мостоятельную группу составляют загущенные масла, приготовленные введе­нием в базовые полимерных присадок.

2) по способу очистки в зависимо­сти от используемых реагентов различают масло кислотно-щелочной, кислот­но-контактной, селективной, адсорбционной очистки, а также масла гидрогенизационных процессов (гидроочистки, гидрокрекинга и т.д.).

3) по назначению (областям применения) выделяют следующие группы масел: смазочные, консервационные, электроизоляционные, гидравлические, технологические, ваку­умные, медицинские и парфюмерные (белые).

Наиболее представительны как по ассортименту, так и по объему производства, смазочные масла. Классифика­ция масел по назначению в значительной степени соответствует их функцио­нальному действию. Она наиболее обширна: многие из приведенных групп ма­сел делятся еще на несколько подгрупп по более узким областям применения среди смазочных масел, основным назначением которых является уменьшение трения и износа металлических поверхностей, наиболее значительной группой являются моторные масла, которые далее делятся на масла для карбюраторных, дизельных и поршневых авиационных двигателей. Электроизоляционные масла подразделяют на трансформаторные, кабельные и конденсаторные. Выявить и оценить качество масел различного назначения можно, изучая их физико-химические и эксплуатационные свойства. К первой группе свойств относятся вязкость, плотность, коксуемость, температура застывания, испаряемость, ди­электрические, оптические и некоторые другие свойства. Под эксплуатацион­ными понимают такие свойства масел, которые проявляются только в условиях их применения и определяют надежность и долговечность эксплуатации машин и механизмов. Основными показателями эксплуатационных свойств для боль­шинства нефтяных масел являются: стабильность к окислению, смазочная спо­собность, вязкостно-температурные, защитные и коррозионные свойства. Экс­плуатационные свойства могут изменяться в зависимости от назначения и ус­ловий применения масел. Например, для электроизоляционных масел важней­шими эксплуатационными свойствами являются газостойкость и диэлектриче­ские потери, не играющие никакой роли при эксплуатации моторных масел. Моющие свойства моторных масел, являющиеся одним из основных показате­лей их качества, не существенны для трансформаторного или кабельного масла. Для некоторых индустриальных и моторных масел существенное значение приобретает их вспениваемость. Эксплуатационные свойства масел связаны с их физико-химическими свойствами.

Зависимость свойств нефтяных масел от их состава: Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов, со­держащих 20:60 атомов углерода молекулярной массой 300-750, выкипающих в интервале 300-650°С.

Головным процессом производства нефтяных масел является вакуумная перегонка мазута, в результате которой получают масляные дистилляты и гуд­рон (концентрат). Все последующие стадии производства масел сводятся к очи­стке этих продуктов от смолисто-асфальтеновых веществ, полициклических углеводородов с короткими боковыми цепями, высокомолекулярных парафино­вых углеводородов, серо-, кислород- и азотсодержащих соединений, ухудшаю­щих эксплуатационные свойства масел. В зависимости от состава и свойств ис­ходного сырья в нем содержится до 80% нежелательных продуктов, подлежа­щих удалению; по этому его необходимо очищать различными способами и различной глубиной. Выбором оптимального сырья и эксплуатационными за­тратами на очистку определяются основные технико-экономические показатели производства масел. В результате очистки получают базовые масла, являющие­ся основой для приготовления товарных масел. Последние получают, смешени­ем дистиллятных и остаточных компонентов и добавлением различных приса­док. В масляных дистиллятах и остатках, получаемых при вакуумной перегонке мазута, содержатся: парафиновые углеводороды (нормального и изостроения); нафтеновые углеводороды, пяти и шестичленные кольца с парафиновыми це­пями разной длины; ароматические углеводороды (моно- и полициклические), а также нафтено-ароматические с парафиновыми цепями: смолисто-асфальтеновые вещества; серо-, кислород- и азотсодержащие органические со­единения. Содержание и состав парафиновых углеводородов в дистиллятных фракциях и остатках; зависят от характера нефти и пределов выкипания фрак­ций. По мере их повышения в масляных фракциях увеличивается общее содер­жание высокоплавких углеводородов. Удаление парафиновых и циклических углеводородов с длинными боковыми цепями кристаллизующихся при пони­женных температурах, осуществляют в процессе депарафинизации с целью по­лучения низкозастывающих масел. Парафиновые углеводороды по сравнению с другими имеют наименьшую вязкость и наибольший индекс вязкости (ИВ). По­этому при удалении этих углеводородов ухудшаются вязкостно-температурные свойства масел. Выделяемые при депарафинизации концентраты твердых угле­водородов подвергают различным видам очистки для получения широкого ас­сортимента товарных парафинов, церезинов и др. продуктов. Содержание в маслах нафтено-парафиновых углеводородов в зависимости от происхождения нефти составляет 50-75%. С повышением температуры выкипания нефтяной фракции увеличивается число атомов углерода в боковых цепях молекул наф­теновых углеводородов, повышаются температура их застывания и индекс вяз­кости. Нафтеновые углеводороды в оптимальных количествах являются жела­тельными компонентами масел. Ароматические углеводороды практически все­гда присутствуют в товарных маслах. Их содержание и структура зависят от природы нефти и температуры выкипания фракции, чем выше эти температуры, тем больше ароматических углеводородов в ней содержится; при этом возрас­тает доля полициклических. Ароматические углеводороды (в основном поли­циклические с короткими боковыми цепями) удаляют из масляного сырья в процессах селективной и адсорбционной очистки и превращают их в нафтено­вые и парафиновые - при гидрогенизационных процессах. Однако полное удаление этих углеводородов может привести к ухудшению других свойств масел, например стабильности к окислению. Существует оптимальная глу­бина очистки селективным растворителем, которая изменяется в зависимости от состава масляного сырья.