Время чтения: ~7 мин

Технологии получения базовых моторных масел: группы I, II и III

Автор материала: Олег Тимошенко

Базовые масла для моторных масел получают переработкой нефти: сначала перегонкой на фракции разной вязкости, а затем очисткой от нежелательных компонентов - ароматических углеводородов, серы, парафинов и смол. Классические способы (кислотная, глинистая, селективная очистка, депарафинизация растворителями) дают базовые масла группы I по API, а современная гидроочистка и гидрокрекинг - более чистые масла групп II и III с более высоким индексом вязкости и лучшей стойкостью к окислению.

От природных смазок к нефтяным маслам

На заре развития техники смазки изготавливали из животных жиров или растительных масел, а с переходом к промышленному производству начали применять масла на основе нефти. По данным источника, первое масло на нефтяной основе появилось в 1852 году. Сначала такие масла были мало распространены: из сырой нефти удавалось получить смазку невысокого качества, а промышленного производства базовых масел еще не было из-за недостатка технического опыта.

С ростом выпуска автомобилей рос и спрос на смазочные материалы с лучшими свойствами. Производители быстро поняли, что для повышения качества нефть нужно разделять на узкие дистилляционные фракции разной вязкости. По данным источника, в 1923 году Общество автомобильных инженеров (SAE) ввело классификацию моторных масел по вязкости, которая делила их на легкое, среднее и тяжелое. Тогда моторные масла еще не содержали присадок и, по данным источника, требовали замены каждые 1300-1600 км.

В 1920-х годах все больше производителей начали обрабатывать базовые масла, чтобы улучшить их эксплуатационные характеристики. По современной классификации API такие масла относятся к базовым маслам группы I.

Способы получения базовых масел группы I

Базовые масла группы I чаще всего получали следующими способами:

  • очистка серной кислотой;
  • удаление ароматических углеводородов экстракцией селективными растворителями;
  • депарафинизация растворителями;
  • очистка адсорбентами;
  • очистка глиной;
  • обработка SO2.

Очистка серной кислотой

Концентрированная серная кислота реагировала с нежелательными компонентами базовых масел и превращала их в твердый шлам, который затем сравнительно легко удаляли. Хотя так удавалось достичь очень существенной очистки, технология была дорогой, создавала экологические проблемы с утилизацией шлама, а обращение с кислотой технологически сложно. Поэтому, по данным источника, в Северной Америке она не получила большого распространения.

Очистка глиной

Глина поглощала и удаляла самые вредные компоненты нефтяных масел - ароматические и сильнополярные соединения, содержащие серу и азот. Принцип действия глины аналогичен принципу действия наполнителей для кошачьих туалетов.

Обработка SO2

Это простой процесс экстракции: компоненты масла с нежелательными свойствами удаляют растворителем, который можно использовать повторно, но он высокотоксичен. Технология стала важным этапом на пути к традиционной экстракции селективными растворителями, однако сегодня ее почти полностью вывели из производства.

Селективная очистка (solvent refining, solvent extraction)

При селективной очистке ароматические углеводороды удаляют из масла экстракцией селективными растворителями, и качество масла повышается. Ароматические углеводороды - хорошие растворители, но они ухудшают качество базовых масел, поскольку являются самыми реакционноспособными компонентами в интервале кипения природной смазки. Их окисление вызывает цепную реакцию, которая может значительно сократить ресурс базового масла. Кроме того, вязкость ароматических компонентов сильно зависит от температуры.

Моторное масло должно быть достаточно жидким для легкого холодного пуска, но при этом достаточно вязким, чтобы обеспечить нужную толщину пленки, и сохранять смазывающую способность в тяжелых условиях и в жару. Поэтому важный показатель - стабильность вязкости при разных температурах, которую выражают индексом вязкости: чем он выше, тем меньше вязкость масла зависит от температуры.

Селективная очистка основана на образовании двухфазной системы: примеси вместе с растворителем и очищенное масло разделяются на два слоя, после чего слой с экстрактом отделяют. Так из масла удаляют асфальтеновые (битумные) вещества, смолы, ароматические соединения с короткими боковыми цепями, твердые углеводороды и полициклические ароматические соединения, которые способствуют коксованию и усиливают зависимость вязкости от температуры.

Экстракцию растворителями обычно проводят после вакуумной перегонки. Дистилляты после нее имеют более высокий индекс вязкости и лучшую стойкость к окислению. Сегодня для экстракции, как правило, применяют фурфурол и N-метилпирролидон; фенол используют реже из-за его токсичности. При экстракции базовый химический состав дистиллятов меняется несущественно, поэтому влияние состава сырой нефти сохраняется.

Депарафинизация растворителями (solvent dewaxing)

Это технология удаления парафинов, которые повышают температуру застывания масел. Масло смешивают со смесью двух растворителей, например метилэтилкетона и толуола, и охлаждают, по данным источника, до -6...-12 °C. Кристаллы парафина выпадают в осадок и их отделяют фильтрованием, а растворитель затем отгоняют. Получают депарафинированное масло (dewaxed oil) с более низкой температурой застывания. Побочный продукт - гач (slack wax), который служит сырьем для каталитического гидрокрекинга и позволяет получать высококачественные базовые масла.

Очистка адсорбентами

В качестве адсорбентов используют отбеливающую глину или кристаллические алюмосиликаты - цеолиты с однородной пористостью. Подбирая цеолиты с порами определенного размера, можно селективно адсорбировать смолистые вещества, алкены, полициклические арены и асфальтены. Очищенное так масло становится светлее, поэтому технологию еще называют осветлением масла. Как правило, очистку адсорбентами проводят после других процессов химической очистки и экстракции растворителями.

Базовые масла группы I обычно производят, сочетая селективную очистку, депарафинизацию, а в некоторых случаях и очистку адсорбентами.

Базовые масла группы II

Базовые масла группы II содержат значительно меньше примесей, чем масла группы I: по классификации API в них не менее 90% насыщенных углеводородов и не более 0,03% серы, а индекс вязкости составляет 80-119. Их производят по современным технологиям гидроочистки, поэтому они настолько чистые, что выглядят почти бесцветными. Более высокая чистота означает, что базовое масло и присадки в готовом продукте служат дольше: такое масло химически более инертно, образует меньше продуктов окисления, которые загущают масло, и требует меньше присадок.

Базовые масла группы III

От группы II базовые масла группы III по классификации API отличаются только индексом вязкости: 120 и выше. Масла группы III иногда называют нетрадиционными базовыми маслами (UCBO) или маслами с очень высоким индексом вязкости (VHVI). Технология их получения существенно не отличается от группы II: более высокий индекс вязкости достигают более жестким режимом гидрокрекинга или сырьем с более высоким индексом вязкости. Свойства базовых масел группы III позволяют применять их в самых сложных условиях; в некоторых случаях их характеристики не уступают, а иногда и превосходят характеристики обычных синтетических масел.

Растворяющая способность и стойкость к окислению

Базовые масла группы I обладают отличной растворяющей способностью благодаря ароматическим углеводородам. Вместе с правильно подобранным пакетом присадок это помогает предотвращать образование отложений продуктов разложения и загрязнений, что важно для современных систем с жесткими допусками. Из базовых масел группы II ароматические углеводороды удаляют, чтобы повысить стойкость к окислению, а для восстановления растворяющей способности производители добавляют специальные присадки, что удорожает продукт. Поэтому производителям приходится постоянно балансировать между высокой стойкостью к окислению и достаточной растворяющей способностью.

Связанные материалы

Товарные группы TESMA