Файл: Учебное пособие по эксплуатационным материалам предна значено для лабораторных занятий студентов инженерного фа культета по специальностям.pdf

11
Для получения масел применяются следующие процессы
обработки водородом:
- гидрообработка (hydrogen processing) - проводится отдель- но или одновременно с обработкой растворителями. Гидрообра- ботка базовых масел может быть проведена до разной глубины - от гидроочистки (hydrogen treating, hydrotreating) до гидрокрекин- га (hydrogen cracking). Как гидроочищенное базовое масло
(hydrotreated base stocks), так и базовое масло гидрокрекинга
(hydrocracked base stock) имеют больше предельных связей
(saturates) и меньше серы (reduced sulfur content) по сравнению с базовым маслом, экстрагированным растворителем;
- гидроочистка (hydrotreating) - осуществляется действием водорода на нефтяные фракции в присутствии катализатора. Не- насыщенные и ароматические молекулы базового масла превра- щаются в предельные. Одновременно протекает процесс обессе- ривания (desulfurization) и удаления азотсодержащих соединений
(denitrogenation). Умеренная гидроочистка (mild hydrotreating, hydrofinishing, hydrofining) обычно используется и для снижения окраски и запаха масла;
- гидроизомеризация (hydroisomеrisation) - изомеризация па- рафинов или высокопарафиновых фракций. Линейные молекулы парафинов превращаются в разветвленные изопарафины, одно- временно может иметь место и гидрокрекинг молекул. Сырьем для этого процесса служат продукты депарафинизации масел или производства парафинов. После гидроизомеризации проводится депарафинизация растворителем для снижения температуры за- стывания;
- гидродепарафинизация (hydrodewaxing) - каталитическая депарафинизация (catalytic hydrodewaxing) является альтернатив- ным процессом депарафинизации растворителем. Молекулы па- рафинов каталитически разрываются и изомеризуются до изопа- рафинов. Эта стадия обработки непосредственно следует либо после гидрокрекинга, либо после экстракции растворителем;
- каталитический гидрокрекинг (hydrocracking) - получение базовых масел с высоким индексом вязкости, противоокисли- тельной стойкостью и стойкостью к деформациям сдвига. Масла гидрокрекинга защищают от износа иногда лучше, чем синтети- ческие масла. Гидрокрекинг является одним из самых перспек-

12
тивных методов улучшения свойств масла. В ходе гидрообработ- ки одновременно или последовательно протекает ряд химических реакций, в результате которых удаляются соединения серы, азота, другие гетероатомные соединения, одновременно протекает гид- рирование полициклических ароматических соединений, расщеп- ление нафтеновых колец, деструкция длинных парафиновых це- пей и изомеризация продуктов (рис. 1.2). а б в
Рисунок 1.2 - Стадии гидрокрекинга молекул масла: а) исходная молекула масла; б) расщепление ароматических и нафтеновых колец; в) выпрямление цепи
Эти процессы обеспечивают улучшение молекулярной структуры масла, усиливают стойкость к механическим, терми- ческим и химическим воздействиям и стабильность свойств в ин- тервале периода эксплуатации. Скорость и направление отдель- ных химических реакций, а тем самым и возможность получения желаемых продуктов, может регулироваться изменением пара- метров обработки (температуры, давления, соотношения реаген- тов, применением различных катализаторов и др.). Поэтому раз- ные компании при выполнении процесса глубокой переработки масла могут получить отличающиеся по свойствам продукты.
Производители, как правило, держат в тайне свои оригинальные процессы переработки.

13
Минеральные масла.
Высококачественное минеральное базовое масло является надежной предпосылкой для получения современных смазочных материалов. Такие базовые масла-компоненты обладают ста- бильными свойствами, в частности высокой приемистостью к присадкам, обеспечивая эффективность их действия, а также хо- рошими смазочными свойствами, обеспечивая гидродинамиче- ский режим смазывания в обычных эксплуатационных условиях в широком диапазоне рабочих температур при условии выбора подходящей вязкости. Однако на базе минерального масла труд- но, а иногда и невозможно разработать смазочный материал, об- ладающий отличными свойствами при низких температурах и в то же время сохраняющий достаточно высокие смазочные свой- ства и при высоких эксплуатационных температурах.
Частично синтетические (полусинтетические) масла.
Свойства минеральных масел можно улучшать заменой ча- сти минерального масла на синтетические компоненты. Таким образом можно производить обладающие хорошими свойствами при низких температурах, круглогодичные масла SAE 5W-XX, которые трудно производить на базе одного только минерального масла.
Синтетические масла.
С помощью синтетических базовых масел можно улучшить свойства смазочных материалов. Однако само по себе примене- ние синтетического базового масла не всегда гарантирует высо- кие эксплуатационные свойства товарного продукта. Для дости- жения этой цели требуется тщательный подбор компонентов и оптимизация рецептуры продукта. Поэтому возможна весьма большая разница в стоимости «однотипных» синтетических ма- сел.
Синтетические масла позволяют достичь следующих свойств:
- отличные свойства при низких температурах, в т.ч. легкий запуск двигателя и надежное смазывание в холодных условиях;
- отличные функциональные свойства при высоких темпера- турах, в частности, стабильность против окисления, низкая лету- честь и расход масла.
Способы получения масел.

14
Смазочные масла получают из той части нефти, которая остается после отгонки топливных фракций. Эта часть нефти называется мазутом.
Если нагревать мазут при атмосферном давлении, то многие индивидуальные углеводороды начинают разлагаться при более низкой температуре, чем их температура кипения. При пониже- нии давления понижается температура кипения, что позволяет выделить нужные фракции. Процесс этот называется вакуумной разгонкой. Для его реализации сооружаются специальные уста- новки, позволяющие из мазута получать различные по вязкости масла. Особенно четко удается произвести разгонку в установках с двукратным испарением, применяемым в современных нефте- перерабатывающих комплексах. Эти масла называют дистиллят- ными маслами. Их получение предусматривает перегонку или испарение с последующей конденсацией отдельных фракций жидкостей или их смесей (в данном случае нефти или отдельных ее фракций).
В результате вакуумной перегонки получают базовые ди- стиллятные масла, а оставшиеся продукты (полугудрон и гудрон) используют для получения остаточных масел. Характерной осо- бенностью дистиллятных масел являются их хорошие вязкостно- температурные свойства и высокая термоокислительная стабиль- ность. Но в этих маслах мало соединений, обладающих высокой маслянистостью, т.е. прочностью масляной пленки.
Остаточные масла, наоборот, обладают высокой естествен- ной маслянистостью, но плохими низкотемпературными и вяз- костно-температурными свойствами. Высокая маслянистость остаточных масел связана с находящимися в них продуктами окислительной полимеризации (нефтяными смолами).
Существуют две схемы переработки мазута - топливная и масляная. При топливной получают только одну фракцию
(350…500°С), используемую обычно как базовый продукт для каталитического крекинга или гидрокрекинга. При масляной пе- реработке - три фракции: легкие дистиллятные масла (выкипаю- щие при 300…400°С), средние дистиллятные масла (выкипающие при 400…450°С) и тяжелые дистиллятные масла (выкипающие при 450…500°С).

15
Для получения товарных марок масла подвергают сложным технологическим операциям. Для удаления нежелательных при- месей масло очищают. Из него удаляют продукты окислительной полимеризации, органические кислоты, нестабильные углеводо- роды, серу и ее соединения. Для улучшения низкотемпературных свойств масла подвергают депарафинизации и деасфальтизации.
Очищенные продукты при необходимости смешивают для полу- чения нужного уровня вязкости. Дистиллятные масла используют для приготовления масел, от которых не требуется особо высокой естественной прочности масляной пленки. Остаточные - для ма- сел, высокая маслянистость которых имеет особое значение.
Например, для дизельных масел обычно смешивают дистиллят- ные и остаточные масла в необходимой пропорции.
Масла, используемые в качестве основных моторных масел, называют базовыми маслами. Например, для зимних и летних моторных масел выпускают следующие базовые масла:
- М-6 - дистиллятное;
- М-8 - дистиллятное с добавлением не менее 14 % остаточ- ного компонента;
- М-11 - смесь дистиллятного и не менее 30 % остаточного компонента;
- М-14 - смесь дистиллятного и не менее 40 % остаточного компонента;
- М-16 - смесь дистиллятного и не менее 50 % остаточного масла;
- М-20 - состоит только из остаточных масел.
Для получения всесезонных масел или масел для северных и арктических районов используют в качестве базовых масел глу- боко депарафинизированные дистиллятные масла малой вязкости
(веретенное АУ, АС-5 и др.).
Методы очистки масел.
Технология очистки базовых масел влияет на их свойства.
Применяют следующие методы очистки масел.
1. Выщелачивание. Это самый простой способ. Масло обра- батывают раствором щелочи (NaОН), которая нейтрализует орга- нические кислоты. Продукты окислительной полимеризации
(нефтяные смолы и другие вредные примеси) при щелочной

16
очистке не удаляются, поэтому этот способ для моторных масел не применяют.
2. Кислотно-щелочная и кислотно-контактная очистка. При этом методе очистки основным реагентом, входящим в соедине- ния с нежелательными примесями, является серная кислота, ко- торую добавляют в дистиллятное масло до 6%, а в остаточное - до 10%.
Серная кислота разрушает смолисто-асфальтовые и нена- сыщенные соединения, которые вместе с непрореагировавшей кислотой выпадают в осадок, образуя кислый гудрон. Наиболее ценные для масел циклановые углеводороды серной кислотой не затрагиваются и после отделения кислого гудрона промываются водным раствором щелочи, которая нейтрализует остатки серной кислоты и кислого гудрона. Очистка заканчивается промывкой масла водой и просушиванием перегретым паром или горячим воздухом.
Для предотвращения возможности образования стойких во- домасляных эмульсий обработку щелочью заменяют контактным фильтрованием с использованием отбеливающих глин, обладаю- щих большой адсорбционной способностью поглощать полярно- активные вещества, к которым относятся продукты взаимодей- ствия с серной кислотой.
Кислотную очистку с контактным фильтрованием через от- беливающие земли называют кислотно-контактной очисткой.
Применение для очистки моторных масел серной кислоты имеет существенные недостатки: при современных масштабах производства моторных масел это приводит к огромным безвоз- вратным расходам серной кислоты - ценного продукта, широко используемого во многих химических производствах.
Кислый гудрон, который является отходом при этом спосо- бе очистки, очень токсичный и вредный продукт; дальнейшее ис- пользование его по ряду причин нерентабельно, и его огромные скопления являются источником очень вредного воздействия на окружающую природу.
3. Очистка масел селективными растворителями. Это совре- менный и эффективный способ очистки масел.
Особенностью этого метода является возможность в про- цессе очистки многократного использования селективных рас-

17
творителей. В качестве селективных растворителей применяют фурфурол, фенол и ряд других веществ.
Принцип селективной очистки заключается в следующем.
Подбирают растворитель, который при определенной температу- ре и количественном соотношении с очищаемым маслом выбо- рочно (селективно) растворяет в себе все вредные примеси и пло- хо или совсем не растворяет очищаемый продукт, в данном слу- чае - масло.
При смешивании очищаемого масла с селективным раство- рителем основная часть вредных примесей растворяется и пере- ходит в растворитель, который, не смешиваясь с маслом, легко с ним разделяется при отстаивании. Получается слой очищенного масла (рафинадный слой) и слой растворителя с вредными, уда- ленными из масла примесями. Этот слой называют экстрактом.
Слои разделяют. Слой очищенного масла доочищают отбелива- ющими глинами, а экстракт подвергают регенерации, при кото- рой селективный растворитель отделяется от вредных продуктов и опять вводится в процесс очистки.
Очень важно правильно выбрать как соотношение масла и растворителя, так и температуру, при которой осуществляют процесс очистки. Например, при использовании в качестве селек- тивного растворителя фенола температуру следует поддерживать в диапазоне 50…300°С, а соотношение масла и растворителя 1:1 или 1:2.
При применении фурфурола соотношение очищаемого про- дукта варьируют в зависимости от желаемой глубины очистки очищаемого масла от 1:1,5 до 1:4.
Для получения качественной очистки высоковязких оста- точных масел используют метод парных растворителей. Причем один из них должен выборочно растворять вредные примеси, а другой - очищаемое масло. Происходит как бы разделение полез- ного и вредного продукта. При растворении примесей применяют креозол с 30…50% фенола, а при растворении рафината - пропан.
С целью поддержания пропана в жидком состоянии очистку про- изводят под давлением до 2 МПа.
В последнее время все шире применяют гидрогенизацию, которая является наиболее совершенным способом очистки ма- сел. Процесс аналогичен гидроочистке топлив. Проводят его под

18
давлением до 2 МПа в присутствии водорода при температуре
380…400°С.
Для улучшения низкотемпературных свойств масла (что имеет особое значение при эксплуатации двигателей зимой, находящихся на открытой стоянке автомобилей и тракторов) подвергают деасфальтизации и депарафинизации. Удаление из масла этих соединений, обладающих высокой температурой за- стывания, повышает низкотемпературные свойства масел.
Деасфальтизацию проводят с помощью жидкого пропана, который под давлением 2…4 МПа смешивают с очищенным мас- лом в пропорции до 10:1. Процесс протекает в специальных ко- лоннах. Очищаемое масло поступает в среднюю часть колонны, пропан - в нижнюю. Выводится битум из самого нижнего уровня колонны. Раствор очищенного от асфальта масла выводится из верхней части колонны, после чего очищенное масло отделяется от растворителя.
Депарафинизацию масла, т.е. выделение из него парафина и церезина, производят путем его глубокого охлаждения. Перед охлаждением в масло добавляют растворители и смесь нагревают на 15…20° выше температуры полного растворения парафина и церезина. Затем смесь подвергают охлаждению и фильтрации или центрифугированию. Застывший парафин и церезин остаются на фильтрах. Освобожденное от парафина и церезина масло при его охлаждении в условиях реальной эксплуатации обладает повы- шенной текучестью, что значительно облегчает пуск двигателя при низких температурах.
В последнее время появляются методы очистки масел, осно- ванные на его фильтрации через специальные мембраны, филь- трующие на молекулярном уровне, которые, например, пропус- кают молекулу углеводородов и задерживают молекулу продук- тов окислительной полимеризации и другие нежелательные при- меси. Этот метод еще не получил широкого применения при очистке моторных масел.
1.4. Основные свойства масел
Плотность и удельный вес.

19
Плотность вещества - это соотношение его массы к объему
(кг/м
3
), а удельный вес - соотношение массы определенного объ- ема вещества к массе соответствующего объема воды при 20°С.
Плотность и удельный вес зависят от температуры.
Вязкость.
Вязкость - это одна из важнейших характеристик масел, ко- торая характеризует внутреннее трение, определяет текучесть и способность обеспечить гидродинамический (жидкостной) режим смазывания. Вязкость зависит от температуры, в диапазоне рабо- чих температур (обычно от -30°С до +150°С) вязкость минераль- ных масел изменяется в тысячи раз.
Различают кинематическую и динамическую (абсолютную) вязкость. Первая, характерная для простых масел при положи- тельных температурах, определяется в капиллярных вискозимет- рах, а вторая - для загущенных (всесезонных) масел и масел при отрицательных температурах, определяется в ротационных вис- козиметрах, ее величина зависит не только от температуры, но и от градиента скорости сдвига.
Кинематическую вязкость в технической системе единиц измеряют в Стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт), а в системе СИ в м
2
/с или в мм
2
/с.
Динамическая вязкость представляет собой произведение кинематической вязкости на плотность жидкости, в технической системе ее измеряют в сантипуазах (сП), а в системе СИ - в мил- лиПаскаль-секундах (мПа·с), где 1 сП= 1 мПа·с.
Моторные масла, как и большинство смазочных материалов, изменяют вязкость в зависимости от своей температуры. Чем ни- же температура, тем больше вязкость и наоборот.
Всесезонное масло работает в диапазоне температур от
-35ºС (холодный пуск зимой) до +150…180ºС (работа двигателя летом под полной нагрузкой), что соответственно вызывает мно- гократное изменение его вязкости.
Чтобы обеспечить холодный пуск двигателя (проворачива- ние коленвала стартером и прокачивание масла по системе смаз- ки) при низких температурах, вязкость не должна быть очень большой.