روغن‌هاي روان‌كننده
چكيده
امروزه به دليل كاربرد زياد روغن‌هاي صنعتي، شيوه‌ها و روش‌هاي جديد براي بهبود كيفيت خواص روان‌كننده‌ها به كار برده مي‌شود. در گذشته فرايندهاي توليد روان‌كننده‌ها به چند روش خلاصه مي‌شد. امروزه به دليل دستيابي به فناوري‌ها و مواد جديد، تحولاتي در فرايندهاي سنتي توليد روغن صورت گرفته است. از جمله اين فناوري‌ها و مواد مي‌توان به مواد افزودني جديد، بهبود دهنده‌هاي خواص ويسكوزيته، و جلوگيري‌كننده‌ها اشاره نمود. در اين مقاله تیم تحقیقاتی شرکت پترو فرهان گستر جنوب ابتدا فرايندهاي سنتيو در ادامه فرايندهاي جديد توليد روان‌كننده‌ها شرح داده است . سپس به روش‌هاي توليد و خواص مواد افزودني بهبود‌دهندة روان‌كننده پرداخته‌ايم.
1. مقدمه
كاركرد و وظيفة اصلي روغن‌هاي روان‌كننده كاهش اصطكاك، انتقال گرما، و جلوگيري از آلودگي است. طراحي روان‌كننده‌اي كه بتواند وظايف فوق را با هم انجام دهد، كار بسيار پيچيده‌اي مي‌باشد. اين كار نيازمند دقت زياد در ايجاد تعادل بين خواص پايه‌هاي نفتي و خواص مواد افزودني است كه براي بالا بردن كارايي روان‌كننده به كار مي‌روند. اين مقاله اطلاعات كلي از همة فاكتورهاي مؤثر در يك روان‌كنندة خوب (WD40) را در اختيار مي‌گذارد.
2. پاية روغن‌هاي روان‌كننده
روغن‌هاي روان‌كننده معمولاً از يك سيال پايه كه اغلب منشأ نفتي دارد تشكيل شده‌اند كه با مواد افزودني شيميايي بركيب شده است. مواد افزودني براي ارتقاي خصوصيات سيال پاية نفتي به كار مي‌روند. سيال‌هاي پايه را مي‌توان از دو منبع عمده به دست آورد.
- مواد حاصل از پالايش نفت خام
- مواد مصنوعي كه از تركيبات تقريباً خالص تشكيل شده و داراي خواص روان‌كنندگي مناسبي هستند.
پاية نفتي روغن
نفت خام از طريق حفر چاه‌هايي در پوستة زمين به عمق حدود 5 مايل به دست مي‌آيد. نفت خام مرتباً تحت فشار بالايي همراه با مخلوطي از گازها به سطح زمين مي‌آيد. گاز را از نفت جدا كرده و براي جداسازي مايعات فرارتر استفاده مي‌كنند. اين گازها گاز طبيعي (گاز مايع) را تشكيل مي‌دهند. گاز خشك به عنوان سوخت به فروش مي‌رسد يا به زير زمين برگشت داده مي‌شود تا فشار سفرة نفتي را حفظ كند. با اين كار ميزان بهره‌وري نفت خام بيشتر مي‌شود.
نفت خام داراي انواع گوناگوني است با تركيباتي با رنگ‌هاي مختلف؛ از روشن تا تيره و سياه مانند آسفالت جامد. نفت خام مخلوط پيچيده‌اي است كه حاوي هيدروكربن‌هاي مختلف با زنجير يك تا 15 كربني و گاهي حتي بيشتر. محدودة نقطة جوش اين تركيبات با افزايش تعداد اتم‌هاي كربن نيز افزايش مي‌يابد.
تركيبات | دماي جوش تقريبي (ºC) |
گاز طبيعي | كمتر از 20 |
گاز مايع (گازولين) | 30 تا 200 |
ديزل و سوخت خانگي | 200 تا 350 |
روغن‌هاي روان‌كننده و سوختهاي سنگينتر | بيش از 350 |
مواد آسفالتي سنگينتر توانايي تبخير ندارند و هنگامي كه در دماهاي بالاتر از دماي نرمال تقطير گرم كنند، تجزيه مي‌شوند. در اين حالت مولكولهاي آن‌ها به اشكال گاز، گاز مايع، سوختهاي سبك يا تركيبي متشكل از مولكولهاي با وزن‌هاي مولكولي بالا شكسته مي‌شوند.
نفت خام همچنين داراي مقادير مختلفي از تركيبات حاوي گوگرد، نيتروژن، اكسيژن، فلزاتي مانند واناديوم و نيكل، آب، و نمك است. تمام اين مواد در طول فرايند پالايش يا فرايندهاي توليد بعدي مي‌توانند مشكل‌ساز شوند. كاهش مقدار اين مواد و يا حذف آن‌ها از نفت خام هزينه‌هاي پالايش را افزايش مي‌دهد.
اولين قدم در پالايش نفت خام معمولاً نمك‌زدايي است. به دنبال آن گرم كردن نفت خام در كوره‌ها باعث تبخير جزئي نفت خام مي‌شود. مخلوط نفت داغ و بخار وارد برج تقطير مي‌شود كه در فشاري كمي بالاتر از فشار اتمسفر كار مي‌كند. اين برج نفت خام را به گروه‌هايي از هيدروكربن‌ها بر اساس نقطة جوششان جدا مي‌كند. پسماند سياه سنگين از انتهاي برج اتمسفري خارج مي‌شود.
از آنجايي كه پسماند تمايل به تجزيه‌شدن در دماهاي بالاتر از 700 درجة فارنهايت دارد، برش‌هاي با نقطة جوش بالاتر مانند (روغن‌هاي روان‌كننده) را بايد در برج تقطير خلأ و جداگانه به دست آورد. فشار بسيار پايين اين برج به طور كاملاً محسوس نقطة جوش نفت خام و تركيبات داخل آن را كاهش مي‌دهد. مواد انتهايي برج خلأ براي تهية آسفالت يا انجام عمليات بيشتر و تهية مواد سبكتر استفاده مي‌شوند.
روغن‌هاي روان‌كنندة نفتي در واقع قسمتي از نفت خام با نقطة جوش بالا هستند كه پس از جداسازي تمام تركيبات سبكتر، در نفت خام باقي مي‌مانند. آن‌ها از نفت‌هاي خام مختلفي به دست مي‌آيند كه از نقاط مختلف جهان استخراج مي‌شود. خصوصيات اين نفت‌ها بسيار متفاوت است. به عنوان مثال پيچيدگي يك روغن روان‌كنندة نفتي به علت وجود ايزومرهاي گوناگون و يا تركيبات مختلفي است كه يك هيدروكربن با تعداد اتم‌هاي كربن مشخص مي تواند داشته باشد. يك مولكول پارافيني با 25 اتم كربن كه جزء اصلي يك روغن روان‌كنندة معمولي است، داراي 52 هيدروژن است و مي تواند حدوداً 37 ميليون ايزومر داشته باشد.همچنين با به حساب آوردن تركيبات نفتني و آروماتيك با 25 اتم كربن، كه هر كدام تعداد زيادي ايزومر دارند، اين گوناگوني افزايش مي‌يابد. اين امر سبب متفاوت بودن خواص فيزيكي و كيفيت عملكرد پايه‌هاي روغني حاصل از نفت‌هاي خام مختلف مي‌شود.توليد مواد پاية روغني از نفت خام نيازمند يك سري فرايندهاي حذفي (كاهش) براي جداسازي تركيبات نامطلوب است تا پاية روغني، خواص و كيفيت مطلوب را به دست آورد. به طور كلي اين فرايند شامل 5 مرحلة زير است.
1. تقطير خلأ
برج خلأ كه پسماند برج اتمسفريك را به يك سري از برش‌هاي نفتي با جرم مولكولي متفاوت يا ويسكوزيته‌هاي متفاوت از 100-90 تا 500 neutral جدا مي‌كند. (عدد neutral ويسكوزيتة مخلوط در 100 درجة فارنهايت است.) پسماند برج شامل مواد سبك است كه قبل از ورود به واحد استخراج بايد از مواد آسفالتيني و رزين‌ها جدا شود.
2. استخراج
استخراج از طريق مايع (furfural) تركيبات آروماتيك را از تركيبات غير آروماتيك جدا مي‌كند. به عبارت ساده‌تر، در اين فرايند فرفورال با خوراك ورودي مخلوط مي‌شود به مخلوط اجازه داده مي‌شود تا به دو فاز مجزا تقسيم شود. Raffinate و استخراج دو لاية جداسازي شده و حلال را از هر فاز بازيافت مي‌كنند.
فاز استخراج حاوي مقدار زيادي آروماتيك است. فاز raffinate حاوي مقدار زيادي هيدروكربن‌هاي پارافيني است. فرايند استخراج خواص گرمايي و پايداري در مقابل اكسيداسيون را در مقايسه با پاية روغن قبل از فرايند افزايش مي‌دهد. علاوه بر اين خواص ويسكوزيته در برابر دما را نيز بهبود مي‌بخشد كه نشانگر ويسكوزيتة بالاتر مي‌باشد.
3. حذف موم
گام بعدي در توليد روغن روان‌كننده حذف مواد مومي به منظور بهبود مشخصات سياليت در دماهاي پايينتر مي‌باشد. براي مثال متيل اتيل كتون با روغن حاوي موم مخلوط مي‌شود. اين مخلوط را تا حدود 10 الي 20 درجة فارنهايت سرد مي‌كنند. اين دما، دماي نقطة ريزش نرمال است. كريستال‌هاي مومي تشكيل شده از نفت توسط فيلتر جداسازي مي‌شوند.
4. فرايند پاياني
برخي از پايه روغن‌ها كه به اين مرحله مي‌رسند، به خصوص پايه روغن‌هاي با كيفيت مرغوب، نيازمند فرايند پاياني از قبيل hydrofinishing يا خالص‌سازي از طريق خاك رس براي بهبود رنگ، پايدار در مقابل اكسيد شدن، و پايداري در مقابل حرارت مي‌باشند. hydrofinishing شامل عبور روغن داغ شده همراه با هيدروژن روي بستر كاتالستي است. اين فرايند پايه‌هاي رنگي و تركيبات ناپايدار از قبيل نيتروژن و تركيبات گوگرددار موجود در پايه روغن را حذف مي‌كند.
فرايند ديگر، خالص‌سازي توسط خاك رس است. اين فرايند نيز مشابه فرايند قبل مجموعة رنگي و تركيبات ناپايدار را حذف مي‌كند.
علاوه بر فرايند hydrofinishing، فرايندهاي هيدروژني بسيار ديگر نيز استفاده مي‌شود. فرايند فوق گاهي اوقات قبل از استخراج از طريق حلال صورت مي‌گيرد. هدف از اين كار افزايش بازده فرايند استخراج است. زيرا در اين روش آروماتيك‌هايي در فاز extract باقي مي‌ماند، تبديل به مولكولهاي غير آروماتيك مي‌شوند كه در فاز raffinate هستند. اين فرايند معمولاً باعث گوگردزدايي و نيتروژن‌زدايي از روغن مي‌شود.
5. راه ديگر دستيابي به روغن روان‌كننده استفاده از فرايندهاي مشكل هيدروژني به نام هيدروكراكينگ است.
در اين فرايند ساختار بسياري از مولكول‌ها كه در خوراك وجود دارد تغيير مي‌كند. آروماتيك‌ها به نفتين‌ها تبديل مي‌شوند. حلقه‌هاي نفتيني شكسته مي‌شوند و بسياري از مولكولهاي پارافيني بازآرايي يا شكسته مي‌شوند. اين بازآرايي در روغن مولكول‌هايي به وجود مي‌آورد كه مشخصات ويسكوزيته بر روي دما، پايداري در مقابل حرارت و اكسيد شدن را افزايش مي‌دهد. اين فرايند قابليت توليد روغن‌هاي روان‌كننده با كيفيت بالا از نفت خام را افزايش مي‌دهد.
جدول صفحة بعد مشخصات نهايي پايه روغن‌هاي نفتي حاصل از فرايندهاي فوق را نشان مي‌دهد كه از نفت‌هاي خام مختلف به دست آمده‌اند.
توجه به نكات عملي زير به منظور كاهش تغييرات و توليد محصولات را كيفيت بالا و كارايي ثابت ضروري است.
- انتخاب و درجه‌بندي نفت خام
- جداسازي برش‌هاي مشابه با نقاط جوش مشابه
- انجام فرايندها جهت حذف اجزاء نامطلوب و ارتقا به مواد مطلوبتر
- مخلوط كردن براي به دست آوردن خواص فيزيكي مورد نياز و به كارگيري افزودني‌هاي شيميايي براي افزايش كارايي روغن
پايه مصنوعي روغن
منبع ديگر ،سيالات روان‌كنندة توليد شده از مواد مصنوعي است. تعريف مناسب اين مواد به شرح زير است.
محصولي كه از واكنش شيميايي مواد با جرم مولكولي پايينتر براي ساخت سيالي با جرم مولكولي بالاتر تهيه مي‌شود به طوري كه داراي يك سري خواص قابل پيش‌بيني باشد. اين دقيقاً در مقابل روغن پايه نفتي است كه از مجموعه‌اي از تركيبات با تركيب درصدهاي شيميايي مختلف تشكيل شده است.
از بين مزيت‌هاي روغن‌هاي مصنوعي در مقابل روغن‌هاي پايه نفتي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد.
- پايداري گرمايي و مقاومت در برابر اكسيد شدن
- مشخصات ويسكوزيته به دماي مطلوب پايينتر
- خواص بهتر در دماهاي پايين
- خواص اصطكاكي بهتر
روان‌كننده‌هاي مصنوعي تجاري تنها به يك نوع شيميايي محدود نشده است. پر كاربردترين روان‌كننده‌هاي مصنوعي به شرح زير‌اند.
- اولفين اوليگومر: وسايل نقليه و مصارف صنعتي
- نئو پنتيل پلي ال استرها: وسايل نقليه و مصارف هواپيمايي
- استرهاي با دو عامل اسيدي: وسايل نقلية و صنايع هواپيمايي
- آروماتيك‌هاي قليايي.
اين چهار نوع از روغن‌هاي مصنوعي مصارفي در وسايل نقليه پيدا كرده‌اند. آن‌ها را يا به تنهايي استفاده مي‌كنند يا با روغن‌هاي پايه نفتي مخلوط مي‌كنند.
Fluid | Dynamic Viscosity (cP) at -40°F | Kinematic Viscosity (cSt) | Viscosity Index | Pour Point (°C) | COC Flash (°C) | Temperature Range (°C) | |
at 40°C | at 100°C | ||||||
Olefin Oligomer | 2371 | 18.12 | 3.96 | 126 | -79 | 221 | -65 to 232 |
Olefin Oligomer | 8176 | 34.07 | 6.00 | 134 | -68 | 243 | -65 to 232 |
Ester of Dibasic Acid — Dioctyl Sebacate | 3450 | 119.58 | — | 76 | -51 | 232 | -54 to 204 |
Ester of Trimethylol — Propane (C7) | 2360 | 15.00 | 3.50 | — | < -51 | 232 | -59 to 280 |
Alkylated Aromatics | 9047 | 29.37 | 5.10 | 119 | -54 | 224 | -40 to 177 |
به طور كلي روغن‌هاي مصنوعي را مي‌توان در بازة دمايي بزرگتري نسبت به روغن‌هاي پايه نفتي با همان ويسكوزيته استفاده كرد. گروه خاصي از روان‌كننده‌هاي مصنوعي را مي‌توان با روان‌كننده‌هاي پايه نفتي مخلوط كرد تا به خواص مورد نياز از قبيل فراريت، دماي بالا، و مشخصات ويسكوزيته دماي پايين دست يافت.
3. خواص روان‌كننده‌ها و نقش افزودني‌ها
بعضي از خواص مهم و ضروري براي كارايي و عملكرد رضايت‌بخش روان‌كننده‌ها به شرح زير مي‌باشد.
- فراريت پايين تحت شرايط عملياتي، فراريت، و يك روغن روان‌كننده فقط به نوع انتخاب روغن پايه نفتي براي يك نوع خاصي از خدمات بستگي دارد و نمي‌توان آن را با مواد افزودني بهبود داد.
- خواص مناسب براي سيال در بازة دمايي مورد استفاده. خواص سيال به طور عمده به انتخاب نوع پايه روغن بستگي دارد. هر چند اين خواص را مي‌توان با استفاده از كاهش دهنده‌هاي نقطة ريزش و يا بهبود دهنده‌هاي ويسكوزيته ارتقا داد.
- پايداري بالا و يا توانايي حفظ خواص مورد نظر براي يك بازة زماني مشخص تا حدودي به نوع پايه روغن بستگي دارد. اما مواد افزودني هم در تعيين خواص مؤثر هستند. به علاوه، پايداري روان‌كننده‌ها به محيطي كه در آن كار مي‌كنند نيز بستگي دارد. عواملي از قبيل دما، توانايي اكسيدشدن، و آلودگي توسط آن و يا باقي‌ماندة سوخت حاصل از احتراق ناقص، و اسيدهاي خورنده عمر مفيد روان‌كننده‌ها را كاهش مي‌دهند. در اين حالت افزودني‌ها سهم عمده‌اي در ارتقاي كيفيت و افزايش عمر مفيد روان‌كننده‌ها ايفا مي‌كنند.
- سازگاري با ديگر مواد موجود در سيستم مانند كاسه‌نمد، بلبرينگ‌ها، صفحه‌كلاج و ... نيز ممكن است تا حدودي متأثر از نوع روغن پايه نفتي باشد. اما افزودني‌هاي شيميايي بيشترين تأثير را در اين مورد دارند.
افزودني‌ها را مي‌توان به عنوان موادي كه در به وجود آوردن خواص جديد روغن‌هاي روان‌كننده نقش دارند به چند دستة مهم تقسيم كرد. هدف از معرفي آن‌ها ارائة توضيح كامل در مورد علم مربوط به اين مواد نيست. بلكه هدف تنها ارائة يك ديد كلي، هم در زمينة شيمي و هم در زمينة نحوة عملكرد آن‌ها مي‌باشد.
افزودني‌هاي پايه به روغن‌هاي روان‌كنندة موتور در ادامة مقاله مورد بررسي قرار خواهند گرفت.
كاهش‌دهنده‌هاي نقطة ريزش
اين كاهش‌دهنده‌ها از ماسيدگي روغن در دماهاي پايين جلوگيري مي‌كند. اين پديده به دليل كريستال شدن مواد پارافيني مومي است كه در برش‌هاي نفت خام وجود دارد. براي دستيابي به نقطة ريزش پايين طي پالايش در فرايندي به نام موم‌زدايي، موم موجود در روغن را كه در دماهاي بالا جامد است جدا مي‌كنند. جداسازي كامل موم‌ها از روغن بازده اقتصادي آن را كم مي‌كند. بنابراين براي كامل كردن اين فرايند از افزودني‌هايي استفاده مي‌شود كه نقطة ريزش روغن را كاهش مي‌دهند.
بهبود دهنده‌هاي ويسكوزيته
همان طور كه قبلاً گفته شد، شاخص ويسكوزيتة يك روغن به وسيلة به كار گيري نوع خاصي از مواد بهبود مي‌يابد كه خواص ويسكوزيته در برابر دما را افزايش مي‌دهد. در دماهاي بالا مشخص مي‌شود كه شاخص ويسكوزيتة روغن روان‌كننده بهبود يافته يا خير. اين امر را مي‌توان از طريق كاهش شيب خطوط در نمودارهاي ويسكوزيته دماي استاندارد ASTM تشخيص داد.
بهبود دهنده‌هاي وسيكوزيته عموماً پليمرهاي قابل حل در روغن با وزن مولكولي بين 10000 تا 1 ميليون هستند. مولكولهاي پليمري بعد از انحلال در روغن به وسيلة مولكولهاي روان‌كننده پر مي‌شوند. حجم اجزاء بزرگ شده مقدار تأثير هر پليمر در افزايش ويسكوزيته را نشان مي‌دهد. دماهاي بالاتر باعث افزايش بيشتر حجم پليمر و تأثير بيشتر پليمر در «غلظت» روغن است. از اين رو روغن در دماهاي بالاتر عموماً كمتر آبكي شدن تمايل دارد.
كاركرد اين پليمرها به پايداري در مقابل شكستن، مقاومت در برابر برش‌هاي مكانيكي، و پايداري گرمايي و شيميايي آن‌ها بستگي دارد. اين موارد براي ارتقاي ويسكوزيته مورد توجه قرار مي‌گيرد. به عنوان مثال، پايداري در مقابل شكست اين پليمرها با افزايش وزن مولكولي كاهش مي‌يابد. كاهش در شكسته شدن پليمرها در افزايش ويسكوزيتة روغن تأثيرگذار است. از طرف ديگر، با افزايش وزن مولكولي همان نوع پليمر، غلظت روغن افزايش مي‌يابد.
بايد نوعي تعادل بين اين دو خاصيت به وجود آورد كه با در نظر گرفتن پايداري در مقابل شكست روغن در شرايط واقعي كار موتور، مقدار ويسكوزيتة مورد نياز تعيين مي‌گردد.
افزودني‌هاي ضد فرسايش
ساييدگي يا فرسايش، از بين رفتن فلز در اثر تغيير فاصلة بين سطوحي است كه مرتباً روي هم حركت مي‌كنند. اگر اين روند ادامه پيدا كند، باعث كاركرد بد تجهيزات مي‌شود. از بين عوامل اصلي فرسايش فلز مي‌توان به تماس بين دو فلز، حضور يك مادة ريز ساينده، و هجوم اسيدهاي خورنده به سيستم اشاره كرد.
تماس فلز با فلز را مي‌توان با اضافه كردن تركيبات ورقه‌اي (فيلمي) شكل از بين برد. اين تركيبات از طريق جذب فيزيكي يا واكنش شيميايي از سطح فلز محافظت مي‌كنند. دي‌تيوفسفات روي به طور گسترده‌اي براي اين منظور استفاده مي‌شود. از ديگر افزودني‌هاي مؤثر مي‌توان به مواد حاوي فسفر، گوگرد، يا تركيبات اين دو اشاره كرد.
فرسودگي و سايش فلزات را مي‌توان از طريق پاكسازي (تصفيه) هواي ورودي به موتور و تصفية روغن در حال گردش در موتور كاهش داد.
اسيدهاي تشكيل شدة موجود در محصولات حاصل از احتراق منجر به فرسايش فلزات مي‌گردند. اين نوع فرسايش را مي‌توان با استفاده از مواد افزودني با خاصيت قليايي از قبيل پنتان و سولفونات‌ها برطرف كرد.
4. افزودني‌هاي جلوگيري كننده از اكسيد شدن و خوردگي
ضد اكسيد شونده‌ها در روغن از اكسيداسيون آن در معرض اكسيژن جلوگيري مي‌كنند. اين مواد راديكال‌های آزاد را با شكستن زنجيره‌ها نابود مي‌كنند يا بر روی پراكسيدهاي درگير در مكانيسم اكسيد شدن تأثير مي گذارند. از ميان پر كاربردترين آن‌ها مي‌توان به گونه‌هاي فنولی يا دي‌تيو فسفات‌هاي روي اشاره كرد.
خوردگي قطعات فلزي بيشتر به دليل واكنش با اكسيدهاي قطعات فلزي است. اين اسيدهاي هم از محصولات احتراق ناقص محفظة احتراق در هنگام كار موتور توليد مي‌شوند و هم از اكسيد شدن روغن روان‌كننده. ضد اكسيد شونده‌ها آشكارا اين تمايل را كاهش مي‌دهند. دترجنت‌ها مي‌توانند خوردگي قطعات را توسط خنثي كردن اسيدها كاهش دهند. از ديگر ضد اكسيد شونده‌ها مي‌توان به دي‌تيو فسفات‌هاي روي اشاره كرد كه نه تنها خاصيت ضد زنگ دارند، بلكه يك لاية محافظ روي قطعات به وجود مي‌آورند. اين لايه از تماس مستقيم اسيد با قطعات جلوگيري مي‌كند.
