Основные физико-химические свойства масел.

Вязкость.

Вязкость масла меняется при изменении температуры. При нагревании вязкость масла уменьшается, а при охлаждении она увеличивается. Наиболее ценны те масла, у которых изменение вязкости с изменением температуры протекает плавно и которые имеют гак называемую пологую кривую вязкости. Степень изменения вязкости в зависимости от температуры принято характеризовать отношением кинематической вязкости при 50°С к кинематической вязкости при 100°С. Чем меньше это отношение, тем лучше вязкостно-температурные свойства.

Индекс вязкости.

Индекс вязкости – показатель, характеризующий зависимость вязкости от температуры. Это безразмерная величина. Чем выше индекс вязкости (ИВ), тем менее значительно изменение режима смазки с изменением температуры. ИВ является важным товарным показателем масла, так как характеризует качество его отчистки – чем выше ИВ, тем лучше очищено масло.

По индексу вязкости масла можно разделить:

1. Низкоиндексные (ИВ не выше 80)

2. Среднеиндексные (ИВ равно 80-90)

3. Высокоиндексные (ИВ равно 90-95 и выше)

Так же масла с вязкостными присадками и синтетические масла имеют индекс вязкости 120-150. У маловязких глубокоочищенных масел ИВ может достигать 200.

Температура застывания.

Температура застывания – это температура, при которой масло теряет

подвижность. За температуру застывания смазочных масел принимается та температура, при которой масло не меняет положения мениска (исследование проводят в пробирке, определенного размера, при повороте её из вертикального положения в наклонное).

Температура застывания является важной характеристикой масел, работающих при низких температурах. Чем больше в масле парафиновых углеводородов с высокой температурой плавления, тем выше температура застывания масел.

Температура вспышки.

Температура вспышки - это минимальная температура, при которой и масла выделяются пары углеводородов в количестве, достаточном, чтобы при поднесении источника огня произошла их вспышка.

Значительное понижение температуры вспышки работающего масла, например, ниже 180°С, может сигнализировать о разбавлении масла топливом, что в свою очередь характеризует недостаточно эффективную работу топливной системы.

Цвет.

Качество и товарный вид масла иногда оценивается по его цвету и прозрачности. В большинстве случаев, прозрачность масла должна быть полной, без видимых механических включений (исключением является применения твердых присадок). Цвет масла зависит от присутствия темных смолистых веществ и от свойств нефти, из которой изготовлено масло. Нет прямой зависимости между цветом масла и содержанием смолистых веществ. Готовое товарное масло в большинстве случаев не окрашивается и бывает от светло-желтого до темно-коричневого цвета.

По цвету так же можно судить о степени очистки масла. Хорошо очищенное масло имеет светло-желтые тона, а плохое или совершенно неочищенные масла имеют темно-коричневый (черный) цвет.

Судить по цвету о качестве работающих дизельных масел с присадками, применяемых на тепловозах, является ошибкой, так как при работе двигателя масло с присадками очень быстро изменяет свой цвет и становиться черным, но это не значит, что оно требует замены.

Коксуемость.

Коксуемостью масла называется склонность его под влиянием высоких температур разлагаться с образованием твердых углистых осадков (кокса).

Коксуемость зависит от химического состава масла и степени его очистки. При наличии в масле присадки коксуемость может возрасти по сравнению с базовым маслом, но от этого не ухудшается свойство масла.

Эксплуатационные свойства моторных масел.

Показатели эксплуатационной надежности двигателей во многом определяются качество моторных масел.

Противоизносное свойство.

Характеризует способность масла снижать износ трущихся поверхностей деталей. Эти свойства улучшаются путем введения в масла присадок.

Антиокислительные и антикоррозионные свойства.

Масляные фракции являются сложной смесью различных углеводородов, неодинаково взаимодействующих с кислородом. Для повышения устойчивости масел к окислению в них добавляют антиокеслительные присадки.

Противокоррозионными свойствами масел называют их способность препятствовать коррозии деталей. Для улучшения этих свойств в масла вводят присадки, которые образуют на поверхности защитные пленки.

Вязкостно-температурные свойства.

Вязкость моторных масел возрастает при снижении температуры. Для оценки вязкостных свойств масел при изменении температур определяются их вязкостно-температурные характеристики (ВТХ). В идеальном случае вязкость масел не должна зависеть от температуры. Для «сжигания» ВТХ масел в них вводятся загущающие присадки (загущают масло в зоне высоких температур) и депрессаторы (снижают вязкость в зоне низких температур).

Присадки к маслам.

Для улучшения эксплуатационных свойств базовых масел применяют присадки. Присадками называются вещества, в большинстве случаев сложные химические соединения, которые добавляют к маслу от тысячных долей процента до 10—15%.

Моющие присадки.

Уменьшают и предотвращают образование низкотемпературных отложений, обеспечивают чистоту деталей. Они, как правило, состоят из детергирующих компонентов, которые вымывают продукты окисления масла и износа деталей и несут их к фильтру, и диспергирующих, способствующих дроблению крупных частиц нагара на мелкие.

Детергенты.

Принцип действия этих присадок в двигателе в точности такой же, как и у моющих средств, использующихся в быту. Кроме этого,детергенты обладают щелочными свойствами, т.е. могут нейтрализовать кислоты. Кислоты образуются при сгорании серы, содержащейся в топливе, особенно дизельном и при окислении самого масла. Нейтрализуя такие кислые продукты, эффективно предотвращается коррозия деталей двигателя. Т.е. вторая важная функция таких присадок – нейтрализация кислот и антикоррозионные свойства.

Дисперсанты.

Основная задача этих присадок – поддержание загрязнений в масле в растворенном состоянии, предотвращение их отложений на деталях двигателя, масляных каналах и др., диспергирование (растворение) крупных загрязнений.

Противоизносные присадки.

Основная функция – предотвращение изнашивания трущихся деталей двигателя в местах, где невозможно образование масляной пленки необходимой толщины. Они работают путём абсорбирования в поверхность металла, а затем химически реагируя с ней в процессе контакта металл-металл, тем более активно, чем больше тепла при этом контакте образуется, создавая при этом особую металлическую плёнку со “скользящими” свойствами, чем и предотвращают абразивный износ.

Вязкостно-загущающие присадки.

Механизм их действия основан на изменении формы макромолекул полимеров в зависимости от температуры. В холодном состоянии эти молекулы, будучи свернутыми в спиральки, не влияют на вязкость масла, при нагреве же они распрямляются, и масло густеет, или, точнее, не становится слишком жидким. Фактически эта присадка повышает индекс вязкости масла. Масла, в состав которых входят вязкостные присадки (до 10%), называют загущенными - это зимние и всесезонные сорта. Чем выше изначальный индекс вязкости базового масла, тем меньше вязкостно-загущающей присадки необходимо добавлять.

Антиокислительные присадки.

В процессе работы масло в двигателе постоянно подвергается воздействию высоких температур, кислорода воздуха и окислам азота, что вызывает его окисление и ведет к образованию кислот, отложений, лаковых образований, разрушению присадок и загущению самого масла. Именно с этими негативными последствиями и призваны бороться антиокислительные присадки. Благодаря им, в том числе, удалось существенно увеличить интервалы замены моторных масел. Принцип их действия заключается в химической реакции при высоких температурах с продуктами, вызывающими окисление масла. Как правило, в качестве антиокислительных присадок используются осерненные эфиры, сульфиды фенатов, ароматические амины, замещенные фенолы и диалкилдитиофосфаты цинка (которые также исполняют роль противоизносных присадок).

Классификации масел.

По происхождению или исходному сырью:

• Минеральные: вазелин, моторные масла

• Растительные и животные: подсолнечное, сливочное, Оливковое

• Синтетические: моторные масла, дизельные

По агрегатному состоянию:

• Твердое: Масло Пальмовое, Масло Какао нерафинированное, Масло Какао.

• Полутвердое: Масло Карити или Ши, масо бабассу

• Жидкое: Масло виноградных косточек , синтетическе и минеральные моторные масла.

• Газообразные.

По назначению:

• Смазочные: Моторные, газотурбинные , трансмиссионные; индустриальные

• Не смазочные: Белые, в качестве рабочих жидкостей в тормозных системах, трансформаторах, конденсаторах

По способам получения (нефтяные масла):

• Дестиллятные: маслама отдельной фракции или их смеси.

• Остаточные: Гудрон или ваккумный остаток.

• Компаундированные: масла получанные смешением дистиллятов и остаточных масел

По способам очистки (нефтяные масла):

• Селекативной

• Кислотно-контактной

• Адсорбционной

Групповой химический состав нефти.

Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (> 500 или обычно 80-90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5%), сернистые (около 250), азотистые (> 30) и кислородные (около 85), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты - растворенные углеводородные газы (С₁-С₄, от десятых долей до 4%), вода (от следов до 10%), минеральные соли , растворы солей органических кислот и других, механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

Основными классами углеводородов, входящих в состав нефти или ее прямогонных фракций, являются алканы, цикланы и ароматические углеводороды.

Алканы или предельные углеводороды парафинового ряда, имеющие общую формулу , являются одной из основных групп углеводородов нефти. Алканы, обладающие строением в виде прямой цепочки углеродных атомов, называются нормальными алканами (n-алканы). Алканы, строение которых представляется в виде разветвленных цепей углеродных атомов, называются изоалканами.

Алкены (олефины) — непредельные углеводороды, обычно не содержатся в природных нефтях, но зато образуются в процессе крекинга нефти, а также присутствуют в продуктах переработки сланцевых и торфяных смол. При сравнении химических свойств алкены, как ненасыщенные соединения, имеющие двойную связь между углеродными атомами, обладают большой реакционной способностью, проявляя склонность к реакциям присоединения и полимеризации. 

Цикланы или полиметиленовые углеводороды, имеющие общую формулу СnН2n, относятся к числу циклических соединений, в молекулы которых входят замкнутые кольца атомов углерода, соединенных между собой простыми валентными связями. Представителями моноцикланов с одним пятичленным или шестичленным кольцом являются циклопентан С5Н10 и циклогексан С6Н12.

Так как циклановые углеводороды были впервые найдены в нефтях, то, по предложению В. В. Марковникова, они были названы нафтенами. По своему строению цикланы разделяют на три группы: 1) моноциклические (циклопентан, циклогексан). Эти углеводороды содержатся в бензиновых фракциях нефти, 2) бициклические, представляющие сочетание пяти- и шестичленных циклов. Углеводороды подобного строения, обычно с боковыми цепями, весьма распространены в дизельных топливах и маслах, 3) три- и полициклические цикланы с боковыми цепями содержатся преимущественно в масляных фракциях.

Ароматические углеводороды. В состав нефтей входят ароматические углеводороды с числом циклов от 1 до 4. Распределение их по фракциям различно. Они обладают наибольшей плотностью и являются ценным компонентом бензина, но снижают качество реактивных и дизельных топлив, так как ухудшают характеристики их сгорания. По сравнению с другими группами углеводородов они обладают высокой растворяющей способностью к органическим веществам, они токсичны. Применяются как компоненты нефтепродуктов при производстве взрывчатых веществ в качестве сырья для нефтехимического синтеза.

Сернистые соединения. Сера встречается во всех нефтях. Наименьшее содержание серы озоксуатской нефти (0,1%) и наибольшее в американских нефтях (до 6%). С повышением содержания серы в нефтях возрастает плотность, коксуемость, содержание смол и асфальтенов. Распределение серы по фракциям зависит от природы нефти и типа сернистых соединений. Обычно содержание серы увеличивается от низкокипящих фракций к высококипящим (в остатках). Различают три группы сернистых соединений. К первой относятся сероводород и меркаптаны, обладающие кислотными свойствами (коррозионностью). Ко второй относятся сульфиды и дисульфиды. При температуре от 1300 до 1600 С они распадаются на сероводород и меркаптаны. К третьей группе относятся тиофаны и тиофены. Сернистые соединения снижают химическую стабильность топлив, предают неприятный запах и вызывают коррозию двигателей. Основное количество серы содержится в виде производных тиофанов и тиофенов.

Азотистые соединения. Азотистые соединения в российских нефтях содержатся в количествах не более 0,52%. В зарубежных нефтях (в Алжирских нефтях) 2,2%. Они делятся на:

- основные

- кислотные

- нейтральные

Нейтральные сосредоточены в остаточных фракциях, и поэтому они попадают в маслянистые фракции.

Азотистые соединения с основными и нейтральными свойствами составляют до 80% всех органических соединений нефти.

Кислородосодержащие соединения нефти. Эти соединения имеют кислый характер и делятся на три класса:

- нафтеновые кислоты;

- жирные кислоты;

- фенолы.

Соединения нафтеновых кислот невелико (не более 10% от общего содержания кислотных веществ). Наименьшее количество их в парафинистых нефтях, наибольшее в смолистых, они малолетучие, в виде маслянистой жидкости с плотностью до единицы, с резким неприятным запахом, нерастворимы в воде, они широко применяются в технике пропитки шпал, регенерации каучука, при производстве мыла. Металлические соли нафтеновых кислот используются в производстве консистентных смазок, смазок для механизмов, работающих под высоким давлением. Жирные (карбоновые) кислоты от С6 до С8, присутствующие в бензиновых и керосиновых фракциях.

Фенол - производные Аренов, от С6 до С8. Они содержатся в нефтях восточных регионов.

Металлосодержащие соединения. В нефтях обнаружено около 30 гетероэлементов металлов, главным образом переменной валентности (ванадий, никель, железо, вольфрам, хром, титан и т.д.). Их содержание невелико в нефтях (500 мг/кг). Из металлосодержащих соединений нефтей наиболее изучены металлопарфериновые, а среди них ванадий и никель - порферины, в состав которых в нефти входит около 40% всего содержания ванадия и никеля. Эти соединения обычно концентрируются в остаточных фракциях, для переработки нефти они нежелательны.

Асфальтеносмолистые вещества. Эти вещества являются компонентами почти всех нефтей, редко встречаются белые нефти.

Содержание и химический состав этих веществ влияют на выбор направления переработки нефти. Количество асфальто-смолистых веществ в легких нефтях не выше 4-5%, а в тяжелых 20% и выше. Из-за исключительно сложного состава они представляют собой комплексы полициклических, гетероциклических и металлоорганических соединений.

Они подразделяются на:

1) нейтральные смолы;

2) асфальтены;

3) карбены, карбоиды;

4)асфальтогеновые кислоты.

Нейтральные смолы - полужидкие, почти твердые вещества темно-красного цвета, плотность примерно единица, растворяются в нефтепродуктах. В их состав кроме углерода и водорода входит сера, кислород и азот. Углеводороды находятся в смолах в виде ароматических и нафтеновых циклах с большим количеством боковых парафиновых нефтей.

Смолы - нежелательный компонент всех моторных топлив, так как служит источником нагарообразования и уменьшает полноту сгорания топлива.

Асфальтены представляют собой черные, хрупкие вещества плотностью более единицы. При температуре более 3000С они разлагаются сообразованием газа и кокса. Молекулярное масло исчисляется тысячами. Серы, кислорода и азота больше, чем в смолах. И концентрированная смесь этих двух веществ представляет из себя хороший битум.

Групповой химический состав масляных фракций.

Масляная фракция - представляет собой сложную смесь высококипящих углеводородов с числом углеродных атомов 20-60 (молекулярной массы 300-750), выкипающих в интервале 300-650 °С. В этих фракциях содержатся: высокомолекулярные парафиновые углеводороды (алканы нормального и изостроения); нафтеновые углеводороды (цикланы); ароматические углеводороды (арены моно- и полициклические); гибридные углеводороды; серо-, азот- и кислородсодержащие соединения; смолисто-асфальтеновые углеводороды.

Парафиновые углеводороды - их содержание составляет 5-20%. Нежелательный компонент, так как повышает температуру застывания, удаляется путем депарафинезации.

Нафтеновые углеводороды содержатся в не большом количестве.

Ароматические углеводороды. Моноциклические арены с длинными боковыми изопарафиновыми цепями придают смазочным маслам хорошие вязкотемпературные свойства. А нежелательны и подлежат удалению из масел полициклические арены без боковых цепей.

Гибридные углеводороды. Исследования группового химического состава масляных фракций нефтей показали, что они практически полностью состоят из высокомолекулярных гибридных углеводородов.

Серосодержащие соединения. Их содержание в масляной фракции наиболее высокое. Ухудшают в дальнейшем эксплуатационные свойства масел.

Азотсодержащие соединения. Содержание основных азотистых соединений меньше, чем у низкокипящих фракциях, а содержание нейтральных соединений увеличивается.

Кислородные соединения. Содержаться в наибольшем количестве, чем

в других фракциях. Подлежат удалению так как вызывают коррозию, нагаро- лакообразование и выпадения осадков (шлам)

Смолисто-асфальтеновые вещества. Их содержание в масляных фракциях снижает приемистость базовых масел к присадкам, образует нагаро и лакообразование и нерастворимые вещества, ухудшает эффективность селективной очистки, затрудняет адсорбционную и гидроочистку.

Расчет групповой углеводородной характеристики дистиллятной части нефти.

Определение числа колец:

• Ароматических ( Ка) = 2,33

• Нафтеновых ( Кн) =3,17

• Общее (Ко) =5,50

Расчет молекулярной массы групп.

• Ароматические = С14Н7 М=175

• Нафтеновые = С16Н18 М=210

• Парафиновые = С15Н36 М=216

• Общая молекулярная масса =601

• Количество атомов углеводорода = 45

Определения % содержания структурных групп.

Колец.

• % Ка = 175·100/601=29,12

• % Кн =210·100/601=34,94

• % Ко =64,06

Распределения атомов углеводородов в различных структурах.

• Ароматических:

%Са =14·100/45=31,11

• Нафтеновых:

%Сн =16·100/45=35,56

• Парафиновые:

%Сп = 15·100/45=33,33

Подготовка сырья - получение исходных масляных фракций.

Нефтяные масла самого разного назначения получают из остатков атмосферной перегонки мазутов. Процесс производства любых масел состоит из 3 этапов:

1. подготовка сырья – получение исходных масляных фракций

2. получение компонентов из исходных масляных фракций

3. смешение компонентов ( компаундирование) и «сдабривание» их присадками для получения товарных масел

Ваккумная перегонка мазута масляного профеля состоит в получении узких маслянных фракций задоной вязкости, являющейся базовой основой получения товарных масел. Этот вид перегонки используют для того, чтобы снизить температуру кипения веществ. Снижениее температуры не обходимо тогда, когда соединения разлогаються в процессе их перегонки при атмосферном давлении или их тепрература кипения выше 200°С.

Для больее точного перегонка соблюдаються четкие требования погоноразделения с минимальным налеганием температур кипения смежных дестелятов (не более 30-60°С).

Исходным сырьем ваккумной перегонки является мазут, а продукта ми легкий, средний и тяжелый дестиляты а так же гудрон.

Технологическая схема производства базовых масел.

Получение компонентов из исходных масляных фракций.

Производство компонентов из исходной масляной фракции – многоступенчатый процесс. Назначения каждой ступени – полное или частичное удаления компонентов отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства масел. Удалению подвергаются следующие компоненты: парафиновые углеводороды, кислородсодержащие соединения, непредельные углеводороды, САВ и полициклические ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями.

Деасфальтизация гудрона

Назна чение – удаление с помощью избирательных растворителей смолисто-асфальтеновых веществ и полициклических углеводородов, обладающих повышенной коксуемостью и низким индексом вязкости. В качестве растворителя обычно применяется пропан. Деасфальтизация гудрона применяется также для получения сырья установок каталитического крекинга и гидрокрекинга; в этом случае наряду с пропаном используются бутан, пентан или легкие бензиновые фракции.

Сырье и продукция. Сырье установки является гудрон – остаток, полученный вакуумной перегонкой мазута.

Продукция:

• Деасфальтизат – используется как промежуточный продукт в производстве остаточных масел или сырье для установок каталитического крекинга и гидрокрекинга; в производстве масел иногда применяется двухступенчатая деасфальтизация – из полученного в первой ступени асфальта выделяется высоковязкий компонент – деасфальтизат II.

• Асфальт – служит сырьем для производства битумов или компонентом котельного топлива.