Научные факты
Химия нефти или рецепт идеального базового масла
Состав нефти, виды и характеристики углеводородов в составе базовых масел
Время чтения: 8 мин.
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.
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:
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)
(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»).
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.
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.
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.
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:
В таблице представлено сравнение углеводородов по их эффективности в составе смазочных материалов. Пять критериев базовых масел:
- Индекс вязкости— оценка способности смазочного материала противостоять изменению текучести при изменении температуры
- Низкотемпературные характеристики, от которых зависит поведение смазочных материалов при низких температурах
- Окислительная стабильность защищает от формирования отложений под воздействием высоких температур в двигателе: лаков и нагаров
- Приемистость — способность присадок растворяться в базовых маслах
- Токсичность характеризует безопасность применения масел
Сравнение углеводородов в базовых маслах
Молекула
Индекс вязкости
Свойства
при
низких темп.
при
низких темп.
Окислит.
стабильность
стабильность
Приемистость
к
присадкам
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.
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.
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!