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润滑油基础油组成及物性与

作者:原创   发布时间: 2018/8/17 13:02:50

 矿物基础油是由高沸点、高相对分子质量烃类和非烃类的混合物经一系列加工而得,主要由烷烃、环烷烃、芳烃、多环芳烃等烃类化合物,以及含硫、含氮、含氧有机化合物和胶质、沥青质等非烃化合物组成;基础油的组成虽然复杂,但从族组成看,主要由饱和烃(链烷烃和环烷烃)、芳烃和极性化合物等组成。

低温动力粘度(简称CCS,下同)是油品在低温、高剪切速率条件下测得的内摩擦力大小的量度,是冬用型及多级内燃机油的重要性能指标之一,能反映内燃机油低温性能的好坏以及预测发动机在低温条件下能否顺利启动。基础油的低温动力粘度与其组成有很大的关系,基础油因生产工艺的不同而产生的组成的变化会导致其物理性质发生变化,同时这些变化也会相应带来低温动力粘度的变化。研究基础油组成及物理性质与低温动力粘度的关系,对掌握基础油低温动力粘度的变化规律具有较为重要的意义,对内燃机油的生产成本及产品质量控制也具有指导意义。

1不同生产工艺的基础油组成的差异1.1溶剂精制工艺与加氢工艺生产的基础油的组分差异溶剂精制工艺主要是用来生产I类基础油,该工艺主要是利用原油馏分中的不同烃类在溶剂中的溶解度不同而进行理想组分与非理想组分的分离,除去了原料油中的大部分非理想组分(多环芳烃、胶质、沥青质),得到I类基础油,生产过程基本以物理过程为主,不改变烃类结构,生产的基础油质量取决于原料中理想组分的含量和性质。该工艺生产的基础油饱和烃质量分数<90 %,芳烃质量分数>10°%,主要为轻芳烃,也含有少量的中芳烃和重芳烃,硫、氮含量较高,油品质量较差。

基础油加氢工艺的主要化学反应包括以下几个方面:(1)稠环芳烃加氢生成单环和双环芳烃或稠环环烷烃;(2)稠环环烷烃部分加氢开环,生成带长侧链的少环(单环和双环等)环烷烃;(3)正构烷烃或分支程度低的异构烷烃临氢异构为分支程度高的异构烷烃;(4)同时脱除氮、硫、氧杂原子,并使烯烃饱和。加氢基工艺生产的基础油饱和烃质量分数可高达99%以上,芳烃质量分数<1%,且都为轻芳烃。另外,由于经过加氢处理或加氢裂化,基础油中硫、氮含量也极低。

与加氢工艺生产的基础油相比,溶剂精制生产的基础油含有较多的多环芳烃、杂环化合物等非理想组分,这些组分的存在使I类基础油在许多物理性质方面存在与加氢基础油差异较大的情况。

1.2不同加氢工艺生产的基础油组分差异目前基础油的加氢工艺主要有:加氢精制、加氢处理、加氢裂化、加氢催化脱蜡、加氢异构脱蜡等。其中加氢精制和加氢处理工艺条件比较温和,一般是进行S、N等杂质的脱除,对烯烃、芳烃进行饱和。加氢裂化、催化脱蜡、加氢异构脱蜡反应条件比较苛刻,发生了断键裂化、异构化等反应,大大改变了烃类的分子结构,所以不同的加氢工艺生产的基础油组分也存在较大的差异。

m类基础油的生产中一般都采用加氢裂化以及异构脱蜡的工艺,与类基础油相比,其组分中的环烷烃和芳烃的含量更少。

2基础油的低温动力粘度与其组成及物理性质的关系由于加工工艺的不同,基础油的组分相差很大,因此也引起了基础油各种物理性质的变化。基础油的物理性质有很多,但是与低温动力粘度关系最为密切的物理性质主要有运动粘度、粘度指数、密度这三项。

2.1低温动力粘度与运动粘度及组成的关系运动粘度是评定油品流动性的指标,粘度值就是用以表示流体运动时分子间摩擦阻力大小的指标。所以说,基础油的运动粘度与其组成中分子的大小及结构有密切的关系,烃类的粘度与其分子结构、分子大小、环的数目和类型有关。

从一般的经验可知,基础油的低温动力粘度是随着其运动粘度的增大而增大的,这也和其组分中的馏分范围有很大关系,馏程越高的基础油,组成中的重组分含量也越高,所以运动粘度也就越高,低温性能也就越差。选取了中国石化茂名分公司生产的不同馏分(减二线、减三线、减四线)的I类基础油(粘度指数都为95),分别测定了基础油的运动粘度和低温动力粘度,基础油-15C的低温动力粘度随40C的运动粘度的变化情况如所示:从中可以看出,同种类基础油低温动力粘度与其运动粘度的具有较高的相关性,是成正相关关系,最主要的因素是受基础油的馏分影响。可以得出以下结论:同种类的基础油,随其馏程范围及运动粘度的增大,低温动力粘度也增大。所以说同种基础油运动粘度引起的低温动力粘度变化主要是受馏分变化的影响。

王俊(1982-),男,河南信阳人,硕士研究生,工程师,主要从事润滑油生产工艺管理及新产品开发等工作。

不同种类基础油低温动力粘度的变化除了受馏分的影响外,还与其精制程度有关:相同馏分的基础油,精制程度越高,含有的芳烃及杂环化合物也越少,粘度也越低,低温动力粘度也相应越低,这主要基础油的粘度指数有很大的关系,将在2.2节中进行阐述。

2.2基础油低温动力粘度与粘度指数及组成的关系粘度指数(用VI表示,下同)是反映基础油粘温性质的指标,是基础油化学组成的函数,以最简单的形式反映了基础油的烃组成。润滑油基础油的组成中,正构烷烃的粘温性质最好,分支程度较小的异构烷烃的粘温性质比正构烷烃的稍差,随着其分支程度的增大,粘温性质越来越差。环状烃(包括环烷烃和芳香烃)的粘温性质都比链烷烃的差,当分子中的环数增多时,粘温性质显著变差,甚至变为负值。当分子中环数相同时,其侧链越长则粘温性质越好,侧链上如有分支也会使粘度指数下降。

不同加工工艺的基础油对比来看,溶剂精制工艺生产的I类基础油由于含有较多比例的多环烷烃、多环芳烃等,所以其粘度指数较加氢工艺生产的低。同时也可看出基础油的精制程度越高,多环烷烃和多环芳烃的含量越低,其粘度指数越高,粘温性能也越好。

基础油的低温动力粘度与其组成密切相关,而粘度指数又能较好地反映基础油组成变化以及精制程度的情况,所以粘度指数也是影响基础油低温动力粘度的一个重要因素。选取了运动粘度相近的(V4约为32.5左右)几种不同种类基础油,分别测定了各基础油的粘度指数和-15°C的低温动力粘度,基础油的低温动力粘度随粘度指数(VI)的变化情况如所示:粘度指败(VI〉基础油低温动力粘度与粘度指数的关系Fig.2RelationshipofCCSandVIfor从中可以看出,基础油低温动力粘度与粘度指数成反相关关系,相同粘度的基础油,随着粘度指数的增大,基础油的低温动力粘度也随之降低,这也说明粘度指数能够较好地反映出基础油低温动力粘度随其组成及粘度指数的变化情况:基础油中多环烷烃和多环芳烃等非理想组分含量越低,基础油的粘度指数就越高,其低温动力粘度就越小,这个规律也能很好地反映出基础油的精制程度。

2.3低温动力粘度与密度及组成的关系基础油的密度主要反映了基础油的馏程和平均分子量的变化情况,而低温动力粘度又与基础油的组分变化密切相关,所以说密度也是低温动力粘度的一个重要函数。

密度也可以近似地判断基础油的化学组成,一般的规律是烃类的碳原子数越多,相对分子质量越大,其密度也越大;分子中的碳原子数相同时,芳香烃的相对密度最大,环烷烃的次之,烷烃的最小。

基础油的低温动力粘度与密度的关系,一般是与基础油的馏程及组成相关。选取了中国石化茂名分公司生产的不同馏分(减二线、减三线、减四线)的基础油,分别进行了低温动力粘度(-15C)和密度(20C)的测定,测定结果如所示:从中可以看出,低温动力粘度是随基础油密度增大而增大的,基础油组分的馏程越高,重组分含量越高,平均分子量越大,密度就越大,低温动力粘度也越大,所以低温动力粘度与密度是成正相关关系。

3基础油低温动力粘度与其物理性质的函数关系3.1函数关系式的建立基础油的低温动力粘度可以采用数据拟合的方法将其与物理性质的函数关系式表达出来。数据拟合最常用的方法是最小二乘法,它是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配,利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据,并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。使用MicrosoftExcel软件就能够实现数据的拟合,回归分析的输出结果由以下几部分组成:第一部分,回归统计。Multiple(相关系数R,越接近1线性关系越显著);R Square(相关系数的平方);调整之后的相关系数;回归标准差(均方差的估计值)以及样本个数。

第二部分,方差分析。df为自由度、SS为平方和(离差、残差、总离差)、MS=SS/df表示均方和他们的自由度以及由此计算出的F统计量和相应的显著水平。

第三部分,Coefficient所在的一列表示回归系数。

分别选取了I类(中石化茂名石化公司)、11类(上海高桥石化公司)、111类(韩国双龙公司)等23个基础油的样本,测定了这些不同种类基础油的低温动力粘度(-15C)、运动粘度(40C)、粘度指数和密度(20C),分析数据见表1.由于低温动力粘度与运动粘度、粘度指数以及密度的关系都不是线性关系,所以,低温动力粘度与这几个自变量的关系是多元非线性关系,为了更好地反映出它们之间的关系,就需要将多元非线性关系转换为多元线性关系进行求解。令Y=ln(CCS),X1=ln(V40),X2=ln(VI),X3=ln(p20),假设Y=a+bX1+cX2+dX3,将CCS与V40、VI、P20之间的关系用多元线性方程表示出来,通过使用MicrosoftExcel软件中的数据拟合及回归分析的功能,从而将结果输出。使用计算机输出的回归结果如所示。计算机输出的结果中,Multiple(相关系数R,越接近1线性关系越显著)=0.997,基本上接近于1,说明各变量之间具有非常好的相关性。方差分析的表中:df为自由度,SS为平方和(离差、残差、总离差)、MS=SS/df,F值为1056,而查F临界值表可知F(0.05,3,19)=3.13,由于F值远远大于临界值,所以说明数据回归的效果很好。

Coefficient所在的一列表示回归系数,从而可以得到低温动力粘度与运动粘度、粘度指数以及密度的关系式为:为了验证该关系式的实用性,选取了部分样本外的不同种类基础油样品,使用该函数关系式进行计算并对比可以得到结果如基础油种类100N/I类基础油HVI+6基础油HVI6基础油回归统计标准误差观测值方差分析回归分析残差总计表2低温动力粘度(-15°C)计算值与实测值的对比(计算的低温动力粘度值)(实测的低温动力粘度值)误差/%从结果可以看出,使用低温动力粘度与基础油物性的函数关系式计算出的值与实测值误差较小,从而证明了低温动力粘度与基础油运动粘度、粘度指数以及密度之间具有很好的相关性。

3.2存在问题由于受到基础油样本的种类和数量限制,所得出的关系式可能对某些基础油的低温动力粘度预测偏差较大。此外,还需要继续研究不同温度下基础油低温动力粘度的变化规律,对多级内燃机油的生产才具有更好的指导意义。

4结论基础油加工工艺的不同使其组成不同,从而引起物理性质的差异。基础油的低温动力粘度与其部分物理性质如运动粘度、粘度指数、密度等存在函数关系,而基础油的这些物理性质又能反映出其组成的变化。

续表4现象原因分析处理方法现象原因分析处理方法有机物附着增加①加二氧化氯量小②水浑杂质多③中水COD、BOD、粪大肠杆菌高①加大二氧化氯加入量②减少或停用中水,循环水补水全部切换为黄河水或视情况适当增加黄河水掺配量。

凝聚剂计量泵自停凝聚剂计量泵出口管堵塞;频率设定不当。

用水冲洗凝聚剂计量泵出口管,必要时联系检修处理;调整合适的频率。

阻垢效率低①硫酸、水质稳定剂加入量不合理②浓缩倍率大③水质被污水污染①合理调整加药量②控制浓缩倍率③杜绝废水、污水进入循环水系统加大排污量和补水量隔膜计量泵不上药①入口管道堵塞、漏气②入口逆止阀或出口逆止阀内有杂物卡住③充油腔内油量过多或不足④充油腔内有气体。

清理疏通入口管道,联系检修或更换法兰片。

联系检修清除入口逆止阀或出口逆止阀内杂物经补偿阀作人工排油或补油联系检修排出充油腔内气体凝汽器结垢阻垢效率低未按要求进行胶球冲洗①合理调整加药量②控制浓缩倍率③杜绝废水、污水进入循环水系统加大排污量和补水量④按要求进行胶球冲洗5调试结果经过2个月运行和调试后,出水水质较好,优于设计标准,结果如表5所示:项目进水参数机加池出水参数过滤器出水参数去除率/%浊度/NTU 8左右3左右总磷(以P计)从上表98拉霸娱乐APP可以看出,石灰处理去除浊度、氨氮、碱度的效果很高,达90°%,去除CODr、BOD5及总磷次之,70°%左右,而硬度去除很少,有时,甚至出现硬度增加现象。

6结论对于含盐量和含硫量高的矿井水,含盐量、暂硬、含硫高的城市再生水,用于循环水水源,具有高腐蚀性和高结垢性,必须进行处理,三种处理工艺经过比较后得出,石灰软化处理方法较好;循环水石灰处理采用机加池加PCF过滤器方法,运行效果较好。机加池中投加凝聚剂、助凝剂、杀菌剂和石灰,其中凝聚剂可以采用聚合硫酸铁,助凝剂可以采用聚丙烯酰胺(PAM溶液);石灰工艺的运行需要严格控制,特别注意水源水质的变化时,运行参数的调整;在调试运行过程中,发现了机加池的一些异常现象:如出水浑浊、矾花上飘、翻池等,循环水水质异常现象:如碱度和PH过高或过低、浓缩倍率大、有机物附着增加、凝汽器结垢等,分析其产生的原因,并找到了解决方法,为以后的运行、调试提供了经验;调试结果表明:石灰处理去除浊度、氨氮、碱度的效果很好,能到90%,CODr、BOD5及总磷次之,70 %左右,而硬度去除很少,甚至出现增加现象。

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