Регенерация отработавших масел

Несмотря на глубокие изменения качества масла при длительной работе в двигателе, химический состав базового масла меняется незначительно. Если из масла удалить механические примеси и продукты окисления, общее количество которых обычно не превышает 4…6 %, то вновь можно получить базовое масло высокого качества. Именно на этом принципе основана регенерация масел.

Сдаваемые на регенерацию отработавшие нефтепродукты подразделяются на три группы: ММО – масла моторные отработавшие, МИО – масла индустриальные отработавшие и СНО – смесь нефтепродуктов отработавших. Наиболее жесткие требования предъявляются маслам группы ММО (рабочая вязкость не менее 5 сСт, температура вспышки не ниже 120 °С, содержание механических примесей не более 2 %, воды – не более 5 %), поскольку в дальнейшем регенерированное масло пойдет на изготовление товарных моторных масел.

При регенерации выход базовых масел высок и составляет 70…85 %. Отработавшие масла регенерируют разнообразными методами, для чего используют технологические процессы: физические (отстаивание, фильтрация, отгон топливных фракций, центрифугирование, промывка водой, вакуумная перегонка), химические (сернокислотная, щелочная, гидрогенизационная очистка) и физико-химические (коагуляция загрязнений поверхностно-активными веществами; контактная очистка отбеливающими глинами, селективная очистка пропаном, фенолом, фурфуролом и др.).

На практике применяют комбинированные многоступенчатые схемы очистки в условиях как моторной установки (на крупных стационарных и судовых ДВС), так и промышленного предприятия, обслуживающего некоторый регион. Особенностью регенерации моторных масел является необходимость удаления из них не только продуктов окисления и полимеризации, но и присадок, поскольку большинство из них при температурах перегонки разлагаются и снижают качество вторичных рафинатов (регенерированных масел).

“ Обычная регенерация ” [19, 24] включает в себя: удаление воды и механических примесей (отстаиванием, фильтрацией), удаление топливных фракций (атмосферной перегонкой), удаление продуктов окисления и присадок (сернокислотной очисткой), разделение на дистилляты и остаток (вакуумной перегонкой), отбеливание и стабилизация фракции (при помощи отбеливающих глин). Технологический процесс может выглядеть следующим образом (рис. 41): масло из верхней части бака-отстойника насосом 1 подают в кислотную мешалку 2, куда подается и серная кислота из мерника 3. После обработки кислотой, отстоя и спуска кислого гудрона масло насосом 4 подают в щелочную мешалку 5, где оно перемешивается с раствором каустика (или извести), поступающего из мерника 6. Перемешиванию способствует подача сжатого воздуха компрессором 16. Нейтрализованное масло после отстаивания и спуска щелочного отброса подают в куб 7, где при помощи перегретого пара поднимают температуру до 220…250 °С (до прекращения выделения топливных паров). Пары топлива и воды через дефлегматор 8 отводят в холодильник 9, откуда топливо собирают в приемник 10. Горячее масло из куба 7 после отгона топливных фракций через холодильник 11 подают в контактную мешалку 12. Масло с отбеливающей глиной насосом 13 подают в фильтр-пресс 14, откуда очищенное масло поступает в приемник 15. Процессу отбеливания может предшествовать вакуумное разделение масла на фракции. Тяжелые газойли и остатки, получаемые при перегонке, используют в качестве топлива для нужд предприятия и производства водяного пара. Кислый гудрон нейтрализуют известью, смешивают с отработавшим маслом и тоже сжигают.

За рубежом к настоящему моменту разработано большое количество запатентованных процессов и установок для регенерации моторных масел [19], которые обеспечивают высокое качество вторичных рафинатов, а также экологичность и безотходность протекающих процессов.

По своим показателям регенерированные масла практически не уступают маслам первичной переработки нефти, поэтому они вполне применимы во многих областях техники, в том числе и в ДВС. Недостатки вторичных рафинатов в большинстве случаев с успехом компенсируются компаундированием с базовыми маслами первичной переработки, а также введением соответствующих пакетов присадок.

8.10. Производство базовых моторных масел:
минеральных и синтетических

Минеральные базовые масла получают в результате вакуумной перегонки мазута (см. рис. 2). Более подробная схема процесса показана на рис. 42. Мазут из атмосферной колонны, проходя через теплообменники 2, поступает в трубчатую печь 7, где нагревается до температуры 700 К. Из трубчатой печи мазут попадает в вакуумную ректификационную колонну 6, в верхней части которой поддерживается давление порядка 0,007 МПа. В нижнюю часть колонны подают перегретый водяной пар. Масляные фракции сначала поступают в вакуум-приемники, затем их откачивают через теплообменники и холодильники в промежуточные емкости.

Полученные масляные дистилляты в зависимости от происхождения исходного сырья могут значительно отличаться по химическому составу и свойствам. В состав минеральных масел входят парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды. Парафиновые углеводороды нормального и изо-строения с различной длиной основных и боковых цепей входят в состав масел как в чистом виде, так и в виде боковых цепей нафтеновых и ароматических
соединений. Нафтеновые и ароматические углеводороды масел состоят
из одного, двух, трех и более колец с большим количеством боковых
парафиновых цепей. В маслах имеются циклические углеводороды смешанного характера, содержащие одновременно нафтеновые и ароматические кольца.

Вязкостно-температурные характеристики базовых масел зависят от количества сконденсированных колец в молекулах и от структуры боковых цепей. С увеличением числа колец и с разветвлением боковых цепей углеводородов их вязкостно-температурные свойства ухудшаются. Негативным образом сказывается также наличие в прямогонных продуктах кислород- и серусодержащих соединений, полициклических ароматических соединений, твердых парафинов и др. С учетом этого масляные дистилляты подвергают очистке, используя методы депарафинизации, деасфальтизации, серной, селективной и контактной очистки.

Однако даже очищенные базовые масла часто не обладают требуемыми вязкостно-температурными и другими характеристиками. К примеру, базовые масла на основе парафинов с рабочей вязкостью 12 сСт имеют ИВ 95…100, чего достаточно только для выработки сезонных моторных масел. Значительно повысить индекс вязкости позволяет применение гидрокрекинга (под давлением 13…17 МПа при температуре 400 °С), при помощи которого парафиновые соединения из любой нефти превращаются в смеси высокомолекулярных насыщенных изопарафинов. Последующая депарафинизация позволяет доводить индекс вязкости таких смесей до 120…150. Базовые масла гидрокрекинга считают “полусинтетическими” углеводородными базовыми маслами, которые применяют при производстве всесезонных моторных масел (к примеру, типа 10W–30) с небольшим содержанием вязкостной присадки либо вообще без нее. Помимо высоких вязкостно-температурных свойств гидрокрекинговые масла обладают хорошими низкотемпературными характеристиками, их вязкость не зависит от напряжений сдвига, и они дают малое количество отложений.

Дальнейшее повышение качества моторных масел связано с применением синтетических основ, которые по ряду свойств обладают лучшими показателями, чем нефтяные. Первые углеводородные синтетические масла были разработаны еще в начале прошлого столетия, а с 20-х годов они уже выпускались промышленными партиями. Начиная с 30-х годов в мире разработано несколько классов органических соединений, которые по сей день называют синтетическими смазывающими материалами. Промышленное производство “синтетики” неуклонно растет: если в 1980 г. ее доля на рынке оценивалась в 1 %, то в 1987 г. уже в 10 %, а сейчас, к примеру на автомобильном транспорте, ее применение становится превалирующим. Даже несмотря на относительную дороговизну, многие предпочитают применять именно синтетику благодаря длительным срокам бессменной эксплуатации, чистоте двигателя, отличным смазывающим и низкотемпературным свойствам.

В настоящее время практический интерес представляют наиболее исследованные синтетические масла: углеводородные, галогенуглеродные, полиэфирные, полигликолевые, полисилоксаны.

Одно из основных преимуществ синтетических масел – их значительно более высокий индекс вязкости, чем у нефтяных масел даже лучших сортов. Малая вязкость синтетических масел при низких температурах позволяет осуществлять нормальную эксплуатацию ДВС в районах Крайнего Севера. Высокие показатели вязкости при рабочих температурах (вязкость синтетических масел при температуре 200…250 °С в 3…5 раз выше равновязких им при 100 °С минеральных масел) обеспечивают условия гидродинамической смазки в наиболее нагретых трибологических узлах двигателя. Характерно, что расход топлива при работе ДВС на синтетике снижается до 4…5 %. Это объясняется более оптимальными условиями трения при работе двигателя.

Кроме того, синтетические масла обладают высокой термической стабильностью, низкой испаряемостью, малой склонностью к высокотемпературным отложениям – все это предопределяет их использование в высокофорсированных и теплонапряженных двигателях, двигателях с ограниченным отводом теплоты и хорошие эксплуатационные показатели в условиях жаркого климата. Синтетические масла имеют значительно больший срок службы и характеризуются лучшими противоокислительными, диспергирующими, противоизносными и противозадирными свойствами. Они дают на 30…40 % меньший расход масла на угар.

Синтетические масла не всегда обеспечивают идеальное решение всех проблем при работе ДВС, поэтому часто приходится искать компромиссные решения. Для улучшения свойств в синтетические масла вводят специальные композиции присадок с учетом их индивидуальной приемистости. В последние годы установлено, что, возможно, лучшими эксплуатационными свойствами обладают смеси различных синтетических масел, однако задача создания товарных продуктов в этом случае становится еще более сложной.

Современные синтетические углеводородные масла характеризуются в отличие от обычных минеральных масел содержанием в своей основе отдельных групп углеводородов специально подобранных фракций. Наиболее распространенными базовыми маслами этой группы являются масла, получаемые полимеризацией a-олефинов (так называемые полиальфаолефины – ПАО), алкилбензол и диалкилбензол (алкилированные прямыми цепями ароматические соединения), а также масла на основе хлорированных парафинов.

Полимеризация a- олефинов позволяет получать масла с весьма благоприятными вязкостно-температурными характеристиками. В качестве исходного сырья используют олефины крекинга природных парафинов или олефиновые фракции, получаемые синтезом. В практике нашли применение полимеры этилена, пропилена, бутенов и высокомолекулярных (высших) олефинов. Индексы вязкости получаемых фракций обычно находятся в пределах 100…150. ПАО относительно дешевы, хорошо смешиваются с минеральными углеводородными маслами, обладают высокой физической и химической стабильностью, не вызывают коррозии металлов, изменения свойств уплотнительных материалов, нагарообразования и низкотемпературных отложений. Они используются для производства универсальных всесезонных моторных и трансмиссионных масел.

Диалкилбензол по своим свойствам близок к ПАО и маслам гидрокрекинга и отличается высокими низкотемпературными свойствами. Применяется при производстве арктических масел и масел для двухтактных двигателей.

Углеводородные синтетические масла часто применяют в смеси с минеральными маслами (в концентрациях 20…25 % и более), при этом свойства последних существенно улучшаются. Данный вид товарных масел обычно называют полусинтетическими углеводородными маслами.

Вязкость масел на основе хлорированных углеводородов повышается по мере повышения степени хлорирования (до 13…15 мас. %) используемого сырья. Значение ИВ линейных хлорпарафинов достигает 125, температура застывания около минус 20 °С, вспышки – свыше 320 °С. Такого рода масла могут быть использованы в качестве цилиндровых для машин, работающих на перегретом паре. Свое применение нашли также масла конденсации хлорпарафинов с ароматическими углеводородами, однако индекс вязкости у таких масел относительно низок (не более 100).

Галогенуглеродные масла – алифатические фтор- и фторхлоруглеродные – получают путем замещения водорода галогенами в углеводородных молекулах (тетрафторэтиленовые, хлортрифторэтиленовые полимеры с молекулярной массой 500…1000 и др.). Они обладают низкой температурой кипения и высокой температурой замерзания, относительно низким ИВ, поэтому применение их в ДВС весьма проблематично. Положительные свойства – практически нулевая коррозионная агрессивность, высокая термоокислительная и термическая стабильность, хорошие смазывающие свойства (на уровне противозадирных присадок), минимальная склонность к образованию отложений. Благодаря указанным свойствам эта группа масел находит применение в установках, работающих с агрессивными средами. Фторхлоруглероды, как правило, сами не токсичны, однако при температуре свыше 260 °С они разлагаются с образованием высокотоксичных карбонилхлоридов.

Полиэфирные масла (масла органических сложных эфиров) представляют собой достаточно обширную группу синтетических масел. Это диалкилэфиры вида R–O–R¢, перфторполиалкилэфиры, тетрагидрофурановые полимеры, политиоэфиры, полифениловые эфиры и др. Большинство соединений этой группы по многим параметрам превосходят нефтяные масла: имеют высокие индекс вязкости (до 180), температуру вспышки и термостабильность, малую испаряемость, хорошие смазывающие свойства. Однако они часто агрессивны по отношению к изделиям из маслостойкой резины, вызывают набухание и рязмягчение прокладок, шлангов и других
изделий. Полиэфирные масла являются основой производства долгоработающих масел и используются как в чистом виде, так и в смеси с минеральными маслами и ПАО как компоненты, повышающие ИВ и понижающие температуру застывания.

Эфиры карбоновых кислот и эфиры фосфорной кислоты представляют собой отдельные группы масел. Первые нашли широкое применение в авиации, вторые – в качестве огнестойких гидравлических жидкостей, присадок к маслам и топливам. Оба указанных вида эфиров могут быть использованы в качестве базовых масел пластичных смазок.

Полигликолевые базовые масла получают путем синтеза из газообразных углеводородов, поэтому стоимость их весьма высока. Однако они обладают высокими естественными противоизносными и противозадирными свойствами, малой коксуемостью, испаряемостью и коррозионной агрессивностью, хорошей ВТХ и низкой температурой застывания, практически не оказывают воздействия на резинотехнические изделия. Существуют полигликоли, легко смешиваемые с водой (плохо растворимые в углеводородах), и водонерастворимые полигликоли. Водорастворимые полигликоли (в частности этиленгликоль) широко применяются как компоненты трудновоспламеняемых охлаждающих жидкостей. Они же применяются в качестве гидравлических жидкостей и СОЖ. Водонерастворимые полигликоли можно использовать в ДВС как в чистом виде, так и в смеси с нефтяными маслами при введении стабилизирующих присадок.

Полисилоксаны (кремнийорганические, силиконовые масла) по химической структуре представляют собой цепочку чередований атомов кремния и кислорода с присоединенными углеводородными радикалами. Они обладают низкой температурой застывания (ниже минус 50 °С), пологой ВТХ (ИВ достигает 300), они термостабильны, химически инертны, не вызывают коррозии металлов, температура вспышки около 300 °С, плохо испаряются и не вспениваются. Основные недостатки (плохая смазывающая способность и низкие противоизносные свойства) удается несколько уменьшить введением присадок. Полисилоксаны наилучшим образом проявляют свои свойства в парах трения качения, а также при скольжении в некоторых парах из цветных металлов и пластмасс. Сейчас они применяются в гидросистемах, гидроамортизаторах и весьма перспективны.

В настоящее время помимо синтетических получают распространение базовые масла растительного и животного происхождения – жировые масла. Эта группа масел обладает естественной высокой смазывающей способностью и имеет возобновляемые источники сырья. Недостатков у этих масел много: они склонны к образованию отложений и смол, весьма коррозионно-агрессивны, обладают ограниченной растворимостью в нефтяных маслах.

Важнейшими и давно известными представителями данной группы являются касторовое масло и масла на его основе – кастроли, успешно применяемые в высокофорсированных ДВС с малым ресурсом (в спортивных автомобилях, авиации).

Наиважнейшее положительное свойство жировых масел – их почти полная биологическая разлагаемость, причем в весьма сжатые сроки. Такие масла (на основе рапсового, касторового и др.) целесообразно использовать, к примеру, в двухтактных двигателях внутреннего сгорания, смазка деталей которых организована за счет перемешивания масла в топливе. Постоянно ужесточающиеся экологические требования к ДВС, по всей видимости, приведут к необходимости применения биоразлагаемых масел и в других типах ДВС.