Podręcznik Smarowniczy LOTOS OIL (cz. III)

  • Ten tekst jest częścią STREFY PREMIUM WNP.PL
  • Autor: Lotos Oil
  • Dodano: 09-12-2010 00:00

W kolejnym odcinku "Podręcznika Smarowniczego" zajmiemy się produkcją minerlanych olejów bazowych, olejami grup I-V, oraz olejami mineralnymi i syntetycznymi. Niniejszy tekst został opracowanego przez ekspertów spółki LOTOS OIL SA. Publikacja, którą oddajemy do Państwa rąk ma dostarczyć bardzo podstawowej wiedzy i pomóc w rozwiązywaniu problemów w własnym zakresie czy też z pomocą naszego specjalisty. Autorami podręcznika są Marek Dębiński, Piotr Niemiec, Rafał Mirek i Sławomir Poszelężny.

Aktualne zadania służb utrzymania ruchu w przemyśle stanowią najogólniej rzecz biorąc wypadkową celów ilościowych, kosztowych i jakościowych. Nagromadzone doświadczenie wyniesione z kontaktów w przemyśle przywiodło nas do konkluzji, że dostępność wiedzy na temat środków smarnych i ich stosowania cechuje pewna nierównowaga. Jeden obszar stanowią dostępne obszerne publikacje poradnikowe a także akademickie a z drugiej wydawnictwa producentów obejmujące niewiele ponad katalog produktowy. Często i wiemy to z praktyki wyjaśnienia domagają się sprawy proste, ale ważne, mające w danej sytuacji swoje konsekwencje jak wspomniałem na początku ilościowe, kosztowe i jakościowe. Smarowanie było i będzie i nie miejmy, co do tego złudzeń wiedzą nabywaną w którejś tam kolejności w palecie przedmiotów niezbędnych specjaliście od utrzymania ruchu.

3.3 Produkcja mineralnych olejów podstawowych

W celu uzyskania olejów bazowych z frakcji olejowych, otrzymanych w wyniku destylacji próżniowej ropy naftowej, zostają one poddane procesom mającym na celu dostosowanie ich własności fizykochemicznych do wymagań stawianych przed olejami bazowymi. Ciąg operacji technologicznych, których efektami w poszczególnych etapach są: obniżenie ilości węglowodorów aromatycznych, usunięcie węglowodorów o prostych łańcuchach węglowych oraz usunięcie atomów siarki i azotu, składa się na główne zadania tzw. bloku olejowego rafinerii.

Poszczególne zadania mogą być wykonywane z wykorzystaniem różnych technologii - czego efektem jest możliwość uzyskiwania (z różną wydajnością) gotowych olejów bazowych różniących się jakościowo oraz różnice w rodzaju uzyskiwanych produktów ubocznych.

W dostępnej w języku polskim literaturze ostatniego dziesięciolecia popularny był podział sekwencji procesów w rafineryjnych schematach produkcji bazowych olejów smarowych na: konwencjonalne, zmodernizowane i tzw. "wodorowe". Istota takiego podziału została przedstawiona poniżej. (Kliknij tuta)

Celem pierwszego z procesów realizowanych w bloku olejowym - rafinacji - jest usunięcie (lub znaczne zmniejszenie ilości) z destylatów olejowych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, substancji asfaltenowo-żywicznych oraz związków z heteroatomami (pierwiastki inne niż węgiel i wodór). Operacja ta ma na celu zwiększenie wskaźnika lepkości destylatu olejowego. W schematach konwencjonalnch istota procesu sprowadza się do ekstrakcji (wymywania) związków niepożądanych za pomocą odpowiednich rozpuszczalników takich jak furfurol, fenol lub N-metylo-2-pirolidon.

W następnym etapie realizowanym w bloku olejowym – odparafinowaniu - frakcję olejową pozbawioną związków aromatycznych, poddaje się procesom mającym na celu usunięcie nasyconych węglowodorów o budowie prostołańcuchowej (parafin), które powodują niekorzystną utratę płynności olejów bazowych przy wyższych temperaturach. Odparafinowanie w schemacie konwencjonalnym polega na oziębianiu destylatu, w obecności takich rozpuszczalników jak metyloetyloketon (MEK) lub mieszanina dichloroetanu i chlorku metylenu (Di-Me), a następnie odfiltrowaniu wytrąconych kryształów.

Trzecią i ostatnią operacją stanowiącą ciąg procesów bloku olejowego jest rafinacja wykańczająca mająca na celu poprawę barwy i stabilności oksydacyjnej produktów m.in. poprzez dalsze usunięcie związków siarki i azotu. W wariancie konwencjonalnym istotę procesu stanowi adsorpcja niepożądanych związków na różnego rodzaju adsorbentach.

Konwencjonalny ciąg procesów realizowany na bloku olejowym nie pozwala na produkcję wysokojakościowych olejów bazowych z niektórych typów ropy. W małym stopniu można również wpływać na wydajność, jakość i strukturę uzyskiwanych produktów. Modernizacja konwencjonalnego cyklu procesów sprowadza się do zastąpienia procesów konwencjonalnych, w mniejszym lub większym stopniu, bardziej zaawansowanymi technologicznie operacjami jednostkowymi opartymi na procesach wodorowych.

Konwencjonalne usunięcie związków aromatycznych za pomocą ekstrakcji zostaje zastąpione, w schematach zmodernizowanych, hydrokrakingiem. O ile w rafinacji rozpuszczalnikowej zwiększenie wskaźnika lepkości następuje w wyniku usunięcia substancji aromatycznych charakteryzujących się małym wskaźnikiem lepkości to w procesie hydrokrakingu następuje chemiczna konwersja tych związków w nowe związki - charakteryzujące się wysokim wskaźnikiem lepkości.

Najnowsze technologicznie procesy rafinacji opierają się na połączeniu w jednym procesie hydrokrakingu i dodatkowo izomeryzacji. W efekcie, w procesie zachodzą typowe reakcje hydrokrakingu, czyli: rozpad wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, usunięcie heteroatomów z cząsteczek, reakcje uwodornienia oraz dodatkowo reakcja izomeryzacji w kierunku uzyskania węglowodorów o budowie rozgałęzionej - izoparafin.

Najnowsza koncepcja odparafinowania oparta na procesach wodorowych polega na katalitycznej izomeryzacji węglowodorów n-parafinowych do pożądanych, izoparafin, których wskaźnik lepkości jest znacznie wyższy, a temperatura płynięcia znacznie niższa w porównaniu z odpowiednimi n-parafinami. Konsekwencją stosowania, przy odparafinowaniu, procesów wodorowych jest również szersze wykorzystanie surowca w kierunku uzyskania olejów smarowych kosztem uzyskiwania gaczu parafinowego (produktu ubocznego konwencjonalnego odparafinowania).

Rafinacja wykańczająca oparta o procesy wodorowe nosi nazwę hydrofinishingu. W jej wyniku następuje całkowite uwodornienie węglowodorów nienasyconych oraz stabilizacja produktów gotowych. Końcowe produkty są, zatem praktycznie pozbawione węglowodorów nienasyconych i aromatycznych a przez to wykazują wysoką stabilność termiczno-oksydacyjną i jasną barwę.

Istotna różnica wynikająca z różnych koncepcji technologicznych bloków olejowych jest widoczna nie tylko, w jakości baz olejowych, ale również w rodzaju uzyskiwanych produktów ubocznych. Przykładowe różnice, w jakości produktów wynikające z wyboru różnych koncepcji pracy bloku olejowego wyszczególniono poniżej. (Kliknij tutaj)

Jakość uzyskanej bazy jest zależna od wyboru koncepcji technologicznej w następujący sposób: w procesach konwencjonalnych można uzyskać bazy olejowe grupy I, w sekwencjach zmodernizowanych uzyskuje się bazy grup I i II a w najbardziej zaawansowanych technologicznie - procesach "wodorowych" - bazy grup II i III.
W bloku olejowym Rafinerii Gdańskiej usunięcie aromatów oraz odparafinowanie realizowane jest w sposób konwencjonalny, natomiast rafinację wykańczającą prowadzi się jako hydrofinishing.

3.4 Oleje podstawowe gr I-III

Na początku lat 90-tych konwencjonalny sposób realizacji procesów na bloku olejowym zaczęto coraz częściej zastępować schematami opartymi o katalityczne procesy wodorowe a w związku z tym, jakość olejów podstawowych, pochodzących od różnych producentów, zaczęła się coraz bardziej różnić.

W 1993 roku Amerykański Instytut Naftowy (API) wprowadził system klasyfikacji olejów podstawowych. Istotą wprowadzenia systemu była próba ustanowienia zasad wzajemnej zamienności olejów podstawowych przy formulacji olejów silnikowych o określonej klasie, jakości.

Istota klasyfikacji olejów podstawowych polegała na przyjęciu, jako podstawę podziału trzech parametrów charakteryzujących, jakość oleju podstawowego: zawartości siarki, zawartości węglowodorów nasyconych, (co jest równoznaczne ze stopniem usunięcia węglowodorów aromatycznych) oraz wartości wskaźnika lepkości.

W pierwotnej wersji klasyfikacja obejmowała tylko trzy grupy olejów podstawowych. Grupę pierwszą (Gr.I) tworzyły oleje uzyskiwane w sposób konwencjonalny - zawierające stosunkowo dużą ilość siarki, mniejszą od 90% zawartość węglowodorów nasyconych oraz charakteryzujące się niskimi wartościami wskaźnika lepkości. Grupa druga (Gr.II) zawierała oleje podstawowe pochodzące z procesów wodorowych o wyższych wartościach wskaźnika lepkości, większej zawartości węglowodorów nasyconych i mniejszej zawartości siarki. W pierwotnej wersji klasyfikacji grupę trzecią (Gr.III) tworzyły wszystkie inne typy olejów podstawowych.

Formalnie należą do niej tylko oleje podstawowe pochodzące z procesów wodorowych i charakteryzujące się wskaźnikiem lepkości o wartości ponad 120. Utworzono dwie nowe grupy: czwartą - obejmującą tylko polialfaolefiny (PAO) oraz grupę piątą, do której zaliczono wszystkie inne oleje podstawowe (naftenowe, estrowe, poliakilenoglikolowe itd.). Klasyfikacja ta obowiązuje formalnie do dnia dzisiejszego; jej zasady podsumowano w postaci tabeli: (Kliknij tutaj)

3.5 Oleje podstawowe gr IV (PAO)

Polialfaolefiny stanowią najczęściej stosowaną grupę syntetycznych węglowodorów przy formulacji środków smarowych. Otrzymuje się je poprzez polimeryzację olefin a następnie uwodornienie otrzymanych produktów w celu uzyskania związków nasyconych. PAO stanowią oleje podstawowe w pełni mieszalne z olejami grup I-III. Mogą być stosowane w temperaturach od -60 do +200°C, a ze względu na szeroki asortyment ich produkcji (lepkość w 40°C: 2-1000 cSt ) mogą stanowić oleje podstawowe dla środków smarowych o różnym przeznaczeniu. W porównaniu do olejów grup I i II charakteryzują się szerszym zakresem temperatur pracy, większą odpornością na utlenianie i starzenie, wyższymi wskaźnikami lepkości, wyższą odpornością na ścinanie, lepszą płynnością w niskich temperaturach oraz niższą odparowalnością.

Wzrost udziału PAO w rynku olejów podstawowych był obserwowany od początku lat 70 - tych do połowy lat 90-tych – do momentu pojawienia się na rynku olejów grupy III o własnościach fizykochemicznych zbliżonych do własności PAO, będących jednak produktami tańszymi. W bezpośrednim porównaniu olejów grupy III i PAO -jedyna wyraźna różnica pomiędzy tymi olejami jest widoczna w postaci wyższej wartości temperatury utraty płynności przez oleje podstawowe grupy III. Należy jednak dodać, że temperatura płynięcia stanowi parametr jakościowy determinowany, przez jakość dodatków uszlachetniających a nie, przez jakość oleju podstawowego.

3.6 Oleje podstawowe gr V

Pierwotną przesłanką zainteresowania olejami podstawowymi grupy V było opracowanie środków smarowych do zadań specjalnych (np. praca w skrajnie wysokich lub skrajnie niskich temperaturach), obecnie znajdują one bardzo szerokie zastosowanie. Pomimo wyższych, od olejów grup I-III, kosztów produkcji posiadają one szereg korzystniejszych cech użytkowych, które w dłuższej perspektywie czasowej niejednokrotnie pozwalają na obniżenie kosztów eksploatacji maszyn, w których są stosowane. Do tego typu olejów podstawowych należą m.in. oleje estrowe, polialkilenoglikolowe, roślinne oraz oleje naftenowe.

Estrowe oleje podstawowe uzyskuje się z kwasów karboksylowych i alkoholi, o różnej budowie, poprzez reakcję estryfikacji. W wyniku estryfikacji alkoholi zawierających dwie grupy hydroksylowe uzyskuje się diestry, w przypadku estryfikacji alkoholi zawierających w cząsteczce wiele grup hydroksylowych uzyskuje się poliolestry. Estry kwasów karboksylowych są w pełni mieszalne z olejami grup I-IV, uzyskuje się je w klasach lepkości z zakresu 10-320 cSt (w 40°C), pozwalają na pracę w temperaturach od -60 do +220°C. Zasadniczą zaletą ich stosowania jest wysoka biodegradowalność, dobre własności smarne oraz możliwość stosowania w szerokim zakresie temperatur. Wadę stanowi tendencja do niekorzystnego oddziaływania na elastomery. Niektóre typy olejów estrowych, w porównaniu z olejami podstawowymi innych grup, są bardziej podatne na hydrolityczny rozkład w obecności wody.

Estry kwasu fosforowego stosuje się głównie w charakterze cieczy hydraulicznych, jedynie w przypadku, gdy ewentualny wyciek cieczy hydraulicznej może stanowić poważne zagrożenie pożarowe.

Polialkilenoglikole otrzymuje się w reakcji substratów zawierających grupy hydroksylowe (alkohole, diole, poliole, kwasy karboksylowe) z tlenkami alkilenowymi. Istotę syntezy polialkilenoglikoli można przedstawić w następujący sposób:

Poliglikole stanowią oleje podstawowe o lepkości z zakresu 20-1000 cSt, zakres temperatur ich stosowania wynosi od -30 do +200°C. Najważniejszą ich zaletą są znakomite własności smarne. W stosunku do olejów grup I-III wykazują zalety podobne do zalet olejów estrowych. Ich zasadniczą wadą jest ograniczona mieszalność z dodatkami i olejami z innych grup. Podobnie jak estry, również poliglikole niekorzystnie współdziałają z elastomerami.

Oleje podstawowe oparte o oleje roślinne, charakteryzujące się wysoką biodegradowalnością, wciąż są obiecującymi substytutami innych olejów, ich udział w produkcji rynkowej nie przekracza jednak 2%.

Oleje roślinne ze względu na charakter chemiczny są estrami kwasów karboksylowych (zawierających w cząsteczce ponad 15 atomów węgla) i alkoholu wielowodorotlenowego glicerolu (gliceryny).

Oleje roślinne posiadają tendencję do niekorzystnej zmiany swoich własności wskutek reakcji z tlenem. Ich stabilność oksydacyjna jest tym mniejsza im większa jest zawartości wiązań nienasyconych w cząsteczce (ilość tą określa tzw. liczba jodowa). Jednocześnie mniejsza ilość wiązań nienasyconych w cząsteczce (niższa liczba jodowa) powoduje niekorzystny wzrost temperatury płynięcia oleju. Olej rzepakowy jest jednym z najlepszych surowców do wytwarzania biodegradowalnych baz olejowych, ponieważ wykazuje korzystną relację pomiędzy własnościami niskotemperaturowymi i stabilnością oksydacyjną.

W wyniku procesów utleniania rośnie lepkość środków smarowych oraz powstają związki o charakterze kwaśnym sprzyjające zachodzeniu zjawiska korozji. W porównaniu z innymi olejami podstawowymi oleje roślinne wykazują najniższą stabilność oksydacyjną.

Oleje roślinne charakteryzują się stosunkowo niską klasą lepkości (ISO VG 32 lub 46) co znacznie zawęża obszar ich potencjalnego zastosowania.

Z uwagi na obecność wiązań estrowych naturalne triglicerydy charakteryzują się niską stabilnością hydrolityczną szczególnie w temperaturach wyższych od 60ºC.

Poza zdolnością do szybkiej biodegradacji również szereg innych własności fizykochemicznych warunkuje ich przydatność, jako środków smarowych, do takich cech należą własności lepkościowo – temperaturowe oraz smarne.

Zaletą olejów roślinnych, w aspekcie ich przydatności, jako środków smarowych jest także łatwość mieszania się z innymi olejami podstawowymi oraz dodatkami uszlachetniającymi.

Poprawę niekorzystnych własności użytkowych olejów roślinnych uzyskuje się na drodze ich modyfikacji chemicznej.
W praktyce oleje roślinne stosuje się do produkcji olejów do pił łańcuchowych, jako oleje hydrauliczne, w charakterze olejów formowych, olejów do dwusuwowych silników zaburtowych oraz jako oleje bazowe w produkcji biodegradowalnych smarów. Odpowiednio skomponowane oleje, oparte o biodegradowalne oleje podstawowe, pracują równie efektywnie, co środki smarowe oparte na olejach podstawowych z innych grup

Oleje naftenowe są typem olejów otrzymywanych z ropy naftowej, które są klasyfikowane w V grupie olejów podstawowych wg API. Pochodzą one z rop naftowych zawierających poniżej 55% węglowodorów parafinowych (węglowodory łańcuchowe, w których pomiędzy atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze). Konsekwencją takiego składu węglowodorowego jest bardzo niska wartość wskaźnika lepkości olejów naftenowych, z drugiej jednak strony brak obecności węglowodorów parafinowych wpływa korzystnie na obniżenie temperatury płynięcia. Inną istotną zaletą baz naftenowych jest ich wysoka zdolność do rozpuszczania dodatków uszlachetniających.

Praktyczne znaczenie olejów naftenowych ogranicza się do produkcji olejów elektroizolacyjnych, ATF-ów oraz olejów hydraulicznych, cieczy obróbkowych i smarów.

Oleje mineralne i syntetyczne

Podział olejów podstawowych na "syntetyczne" i "mineralne" jest podziałem powszechnie używanym, nie jest to jednak podział jednoznaczny.

Wg jednej z definicji olejami syntetycznymi są tylko oleje otrzymywane w wyniku chemicznej syntezy z prostych molekuł, o jednoznacznie określonej budowie.

Wg innej, szerszej, definicji są to oleje otrzymywane z materiałów wyjściowych poprzez zmianę struktury ich cząsteczek i przekształcenie ich, w wyniku reakcji chemicznych, w nowe, odmienne cząsteczki w porównaniu z substancjami występującymi w środowisku naturalnym niezależnie od materiału wyjściowego podlegającemu przekształceniom.

Najważniejszym wnioskiem płynącym z obu w/w definicji jest konkluzja, że wg pierwszej z nich olejami syntetycznymi są oleje podstawowe grupy IV i V a wg drugiej również oleje podstawowe grupy III (a nawet grupy II). Pewnym kompromisem, stosowanym w opisach marketingowych, jest podział olejów "syntetycznych" na oleje syntetyczne i hydrosyntetyczne.

Precyzyjny i jednoznaczny opis środka smarowego następuje, zatem jedynie poprzez określenie numeru grupy oleju podstawowego wchodzącego w jego skład.

 

×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Podręcznik Smarowniczy LOTOS OIL (cz. III)

PISZESZ DO NAS Z ADRESU IP: 18.232.59.38
Dodając komentarz, oświadczasz, że akceptujesz regulamin forum

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!