Научные факты

Химия нефти или рецепт идеального базового масла

Состав нефти, виды и характеристики углеводородов в составе базовых масел
Время чтения: 8 мин.
Нефть уникальна. Она состоит из тысячи углеводородов. Человечество научилось получать из нефти сотни видов новых веществ: топливо, пластики и даже аспирин. Молекула за молекулой выстраивается базовое масло. В статье разберемся из каких углеводородов состоит идеальное базовое масло.
Содержание:

1. Состав нефти

1

Состав нефти

Нефть - смесь из тысячи различных углеводородов и органических соединений серы, азота и кислорода. По одной из теории, нефть образовалась из останков древних организмов и растений. Эти останки на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или в континентальных условиях.

Углеводороды нефти состоят из атомов углерода и водорода. Они выстраивают сотни видов индивидуальных молекул. В общем виде формула углеводорода — CxHy. Кроме атомов углерода и водорода, присутствуют и другие соединения: атомы серы, кислорода и азота. Тяжелые нефти могут также содержать неорганические компоненты: никель, ванадий, железо. Эти элементы удаляют в процессе переработки нефти.

Элементный состав нефти выглядит следующим образом:
83-87%
Углерод
11-14%
Водород
0-3%
Сера/Азот/Кислород
0-0,02%
Металлы
(никель, железо, ванадий)

2

Виды углеводородов нефти в маслах

С точки зрения состава базовых масел, нам наиболее интересны молекулы, которые содержат от 15 до 95 атомов углеродов. Они соответствует диапазону кипения 300−700°C. По мере увеличения числа атомов углерода в молекуле число способов его структурирования резко возрастает.

Четырехвалентный атом углерода может соединяться либо с водородом, углеродом или с другими соединениями (сера, азот, кислород — «гетероатомные соединения»).
Н-парафины
Парафины разделяются на два типа: «н-парафины» и «изо-парафины». Н-парафины являются насыщенными углеводородами и имеют линейную структуру. Несмотря на то, что н-парафины имеют хороший индекс вязкости, они отличаются плохими низкотемпературными свойствами. Поэтому углеводороды выделяются из нефтяного сырья при производстве масел.
Н-парафины выкристаллизовываются из масла и лишают его подвижности. По этой причине масло застывает при низких температурах.

Структура молекулы н-парафина


Структура молекулы изо-парафина

Изо-парафины
Атомы углерода в молекулах изо-парафинов соединены между собой простыми связями в незамкнутые линейные разветвленные цепи.
Изо-парафины — компонент смазочных материалов, который имеет высокий индекс вязкости, низкие температуры застывания и отличаются прекрасной окислительной стабильностью. По этим причинам, изо-парафины - самый ценный компонент сырья для производства смазочных материалов.

Ароматические углеводороды
Молекулы ароматических углеводородов имеют одно и более бензольные кольца.
Вся ароматика имеет низкий индекс вязкости и демонстрирует изменение вязкости при изменении температуры. Моноароматика (с одним бензольным кольцом) содержится в значительном количестве в базовых маслах Group I. Это помогает присадкам растворяться в базовом масле.
Полиароматика — нежелательный компонент смазочных материалов, т.к. обладает плохими смазывающими свойствами, низкой окислительной стабильностью и является очень токсичной.

Структура молекулы ароматического углеводорода


Структура молекулы нафтена

Нафтены

Это органические соединения, в молекулах которых имеются замкнутые кольца из углеродных атомов. По сравнению с ароматическими углеводородами существует главное различие — все атомы углерода являются насыщенными. Индекс вязкости нафтенов снижается по мере увеличения колец. Нафтены с большим количеством колец обладают низким индексом вязкости и плохими низкотемпературными свойствами, что является нежелательно для моторных масел. Моно-нафтены с одним/двумя кольцами обладают умеренными характеристиками и часто встречаются в базовых маслах Group I and Group II.


3

Свойства и сравнение углеводородов

Существует прямая взаимосвязь между видами углеводородов в составе базовых масел и качеством товарного смазочного материала.

В таблице представлено сравнение углеводородов по их эффективности в составе смазочных материалов. Пять критериев базовых масел:

  1. Индекс вязкости— оценка способности смазочного материала противостоять изменению текучести при изменении температуры
  2. Низкотемпературные характеристики, от которых зависит поведение смазочных материалов при низких температурах
  3. Окислительная стабильность защищает от формирования отложений под воздействием высоких температур в двигателе: лаков и нагаров
  4. Приемистость — способность присадок растворяться в базовых маслах
  5. Токсичность характеризует безопасность применения масел

Сравнение углеводородов в базовых маслах

Молекула
Индекс вязкости
Свойства
при
низких темп.
Окислит.
стабильность
Приемистость
к
присадкам
Н-парафин
Изо-парафины
Нафтены
Полиароматика
Полиальфаолефины (хим.синтез)

Нежелательные углеводороды

Серосодержащие соединения
Обладают естественными антиокислительными свойствами.
При взаимодействии с водой образуют агрессивные кислоты, поэтому удаляются из нефти.
Азотосодержащие соединения
Ухудшают окислительную стабильность и способствуют образованию вредных отложений.
Полиароматические соединения
Способствуют деградации смазочных материалов и ухудшают окислительную стабильность.
Изо-парафины — ценный углеводород в составе базового масла по трем причинам: высокий индекс вязкости, хорошие низкотемпературные свойства и стабильность к окислению. Это важно для работы моторных масел.
В то же время, получение изо-парафинов — дорогостоящий и трудоемкий процесс производства путем гидрокрекинга из нефти или газожидкостной конверсии из природного газа (с последующим вовлечением гидропроцессов).

В таблицу «Сравнение углеводородов в базовых маслах» добавлен еще один вид углеводородов — «Полиальфаолефины» (ПАО). ПАО получают не из нефти, а путем химического синтеза.

Синтезированные углеводороды не застывают при низких температурах, не окисляются, индекс вязкости выше 140. Идеально, но существует обратная сторона. ПАО плохо растворяют присадки, имеют высокую цену и не всегда доступны.

Все моторные масла содержат н-парафины, изо-парафин, ароматику, нафтены и гетероатомные углеводороды. Вопрос в их процентном соотношении и дальнейшей цене масла в магазине. Про состав и различия готовых моторных масел можно почитать в этой статье.
Коротко о главном
1
Нефть состоит из тысячи углеводородов разной структуры. Из углеводородов производят новые продукты. Химическая природа молекул определяет свойства этих продуктов.
2
Углеводороды нефти в базовых маслах: н-парафины, изо-парафины, ароматические, нафтеновые и гетероатомные.
3
Н-парафины стабильны, но застывают при низких температурах. Ароматика окисляется при высоких температурах. Нафтены имеют низкий индекс вязкости. Серо-, азотсодержащие, полиароматические углеводороды — нежелательные соединения в маслах.
4
Изо-парафины стабильны при высоких температурах, не застывают при низких, имеют высокий индекс вязкости. Являются предпочтительным углеводором нефти для производства моторных масел.
Источники:
  • Taylor & Francis Group «Lubricant Base Stock Production and Application»
  • Marika Torbacke Åsa Kassman Rudolphi Elisabet Kassfeldt «Lubricants»
  • Roy M. Mortier · Malcolm F. Fox · Stefan T. Orszulik Editors «Chemistry and Technology of Lubricants»
Если cтатья вам понравилась, расскажите о ней друзьям. Спасибо!

Читай также:

Made on
Tilda