В этой части (II), мы рассматриваем современные технологии производства базовых масел, которые создали возможность существенного улучшения свойств готовых смазочных материалов.

Гидрирование
Гидрирование было разработано в пятидесятых годах двадцатого века и впервые использовано при производстве базовых масел в шестидесятых годах компанией Amoco, а затем и другими компаниями. Гидрирование представляет собой технологию присоединения водорода к базовому маслу при температурах, превышающих 315°С, и давлениях, превышающих 34 атм., в присутствии катализатора. Этот процесс позволяет удалить примеси, стабилизировать наиболее реактивные компоненты, содержащиеся в базовом масле, улучшает окраску и продлевает срок эксплуатации базового масла. Но одного только гидрирования, как правило, не достаточно для производства базового масла.

Гидрокрекинг
Гидрокрекинг представляет собой более интенсивную форму гидрирования. При гидрокрекинге подача базового масла осуществляется поверх слоя высокоактивного катализатора при температурах, превышающих 343°С, и давлениях, превышающих 68 атм. Исходные молекулы изменяют форму, некоторые расщепляются с образованием более мелких молекул. Удаляются почти вся сера и весь азот, многие ароматические соединения насыщаются водородом. Формирование молекул происходит по мере того, как образуются изопарафины и насыщенные циклические соединения. У этих веществ высокие коэффициенты вязкости (VI) и низкая температура предела текучести. Тем не менее, воскообразные компаунды, в основном, нормальные парафины, в значительной степени не подвергаются воздействию гидрокрекинга, и их необходимо удалять с помощью следующего процесса для снижения температуры предела текучести. Побочными продуктами данной технологии являются экологически чистые топлива (дизельное и топливо для реактивных двигателей, а также лигроин для автомобильного бензина).

В тридцатые годы были предприняты попытки реализации упрощенного варианта технологии гидрокрекинга для производства смазочного масла, но вскоре эти попытки были оставлены по экономическим причинам, после того, как была запущена в производство технология очистки смазочных масел селективными растворителями. Тем не менее, технология гидрокрекинга в присутствии катализатора продолжала совершенствоваться.

После Второй мировой войны из Германии были импортированы предшественники современной технологии катализаторного гидрокрекинга. Компания Chevron поставила данную технологию на коммерческую основу для производства топлива в конце пятидесятых годов. В 1969 г. первая установка для гидрокрекинга при производстве базовых масел была запущена на предприятии Chiba Refinery компании Idemitsu Kosan Company с использованием технологии, лицензированной Gulf. За ним последовало предприятие Yabucoa Refinery в Пуэрто-Рико компании Sun Oil Company в 1971 г. (также с использованием технологии Gulf).

Каталитическая депарафинизация и гидроизомеризация парафинов
Каталитическая депарафинизация представляет собой технологию с использованием высоких температур и высокого давления, при которой катализатор избирательно расщепляет молекулы парафинов, имеющиеся в базовом масле, до легких продуктов, таких как газ и нафта. Хотя этот процесс рентабелен, он все же в некоторой степени неэкономичен, поскольку парафины с высокими параметрами преобразуется в газ и легкое топливо с более низкими параметрами. При изомеризации процесс такой же, но парафины избирательно преобразуется (изомеризируется) в очень высококачественное базовое масло. При использовании обеих технологий удаляется парафин, и, соответственно, снижается температура предела текучести базового масла, но в результате гидроизомеризации получается более высокий коэффициент вязкости базового масла (VI) и больший выход продукта.

Впервые технологии каталитической депарафинизации и гидроизомеризации парафина были запущены в производство в семидесятые годы прошлого века. Компания Shell использовала технологию гидроизомеризации парафина в сочетании с депарафинизацией селективными растворителями для производства в Европе базовых масел со сверхвысоким коэффициентом вязкости (VI). Компания Exxon и другие создали такие же предприятия в девяностых годах. В Соединенных Штатах компания Mobil использовала каталитическую депарафинизацию вместо депарафинизации селективными растворителями, но все же сочетала ее с экстракцией селективными растворителями для производства обычных дистиллятных масел средней вязкости. Каталитическая депарафинизация была долгожданным шагом вперед по сравнению с депарафинизацией селективными растворителями, в особенности, для производства обычных дистиллятных масел средней вязкости, поскольку при этой технологии использовались более простые способы удаления н-парафинов и парафинистых боковых цепей из других молекул за счет их расщепления на более мелкие молекулы. Это снижало температуру предела текучести базового масла так, что оно становилось текучим при низких температурах подобно маслам, депарафинизированным селективными растворителями.

Chevron была первой компанией, применившей сочетание каталитической депарафинизации, гидрокрекинга и гидрорафинирования на своем предприятии по производству базовых масел в Ричмонде, Калифорния, в 1984 г. (рис.1).

Рисунок 1. Предприятие по производству смазочных масел компании ChevronTexaco в Ричмонде, Калифорния (RLOP).

Это была первая промышленная демонстрация всей технологической схемы гидроочистки для производства базовых смазочных масел.

В 1993 г., первая современная технология изомеризации парафина – депарафинизации была поставлена компанией Chevron на коммерческую основу. Это был большой шаг вперед по сравнению с более ранними видами каталитической депарафинизации, поскольку температура предела текучести базового масла снизилась за счет изомеризации н-парафинов и других молекул с длинными боковыми цепями в требуемые соединения с разветвленной цепью с превосходными смазывающими свойствами вместо их расщепления и удаления. Данная революционная технология использовала катализатор компании Chevron ISODEWAXING® для того, чтобы значительно повысить выход продукта при депарафинизации и улучшить эксплуатационные характеристики базового масла.

Гидрорафинирование
Окончательным этапом на современных предприятиях по производству базовых масел является гидрорафинирование, при котором используются усовершенствованные катализаторы и значения давления, превышающие 68 атм., для того, чтобы осуществить окончательную обработку базового масла. В сущности, немногие оставшиеся примеси преобразуются в стабильные молекулы базового масла.

Подведение итогов
Современная гидроочистка позволяет производить продукты исключительной чистоты и устойчивости благодаря чрезвычайно высокой степени водородного насыщения. Эти продукты имеют характерные особенности, поскольку, в отличие от других базовых масел, они, обычно, не имеют окраски. За счет использования сочетания гидрокрекинга, изодепарафинизации и гидрорафинирования молекулы с низкой смазывающей способностью преобразуются и переформируются в молекулы высококачественных базовых масел. Температурой предела текучести, коэффициентом вязкости и устойчивостью к окислению управляют независимо в ходе отдельных этапов каталитической переработки.

К числу преимуществ такого сочетания технологий относится меньшая зависимость от сорта сырой нефти, из которого следует производить высококачественные базовые масла. Кроме того, эксплуатационные характеристики базовых масел могут стать в значительной степени независимыми от источника сырой нефти, в отличие от базовых масел селективной очистки. На рисунке 2 дана технологическая блок-схема работы современной установки по производству базового масла с двумя параллельными технологическими линиями – одной для легких базовых масел и другой для тяжелых базовых масел на входе и с получением «нейтрального» высококачественного масла на выходе.

Рисунок 2. Гидроочистка. Группа II. (Гидрокрекинг, каталитическая депарафинизация, гидрорафинирование).

Группа II – Современные стандартные базовые масла (не содержащие присадок)
Смазочные базовые масла, производимые с помощью современных технологий гидроочистки, обладают, как правило, лучшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с маслами, произведенными по старым технологическим схемам. Это побудило Американский институт нефти (API) создать в 1993 г. классификацию базовых масел по составу (API Выпуск 1509), см. Таблицу 1.

Таблица 1. Категории базовых масел (API 1509)

Данные таблицы наглядно показывают, что базовые масла Группы II отличаются от базовых масел Группы I, поскольку они содержат значительно меньше примесей (менее 10% ароматических углеводородов, менее 0,03% серы). Они также имеют другой внешний вид. Масла Группы II, произведенные с использованием современной технологии гидроочистки, настолько чистые, что они выглядят почти бесцветными.

С точки зрения эксплуатационных характеристик повышение чистоты означает, что базовое масло и присадки в готовом продукте могут иметь больший срок эксплуатации. Точнее говоря, масло более инертно и образует меньше побочных продуктов окисления, что повышает вязкость базового масла и уменьшает количество присадок. В таблице 1 отображено различие между базовыми маслами Групп I и II по классификации API. Очень большое различие в содержании примесей, являющееся основной причиной превосходства эксплуатационных характеристик масел Группы II, будет более подробно рассмотрено в Части 3 данной серии статей.

Рисунок 3. Сырье, используемое для производства масел Группы II, содержит меньше примесей.

С момента своего промышленного внедрения в 1993 г. современная технология изомеризации, лицензированная компанией Chevron под названием ISODEWAXING, быстро завоевала признание. Более того, свыше 40 % всех производимых в Северной Америке базовых масел производится в настоящее время с использованием технологии ChevronTexaco. В остальной части планеты по-прежнему доминируют базовые масла Группы I, но масла Группы II уже также довольно значительно проникли на этот рынок.

За прошедшие несколько лет компания Mobil (ExxonMobil) внесла свой вклад в развитие этой тенденции за счет коммерческого внедрения базовых масел Группы II в Сингапуре и в Бейтауне, Техас. Депарафинизация селективными растворителями Mobil Selective Dewaxing (MSDWTM) используется в Сингапуре для производства полностью гидроочищенных базовых масел, а Exxon RHC (гидроконверсия рафината), дополнительный этап гидроочистки, используется в Бэйтауне для превращения почти половины бэйтаунского сланцевого базового масла в масло Группы II, депарафинизированного селективными растворителями. Модернизация установки в Бэйтауне повышает долю базовых масел Группы II в Северной Америке почти до 50 %.

Рисунок 4. Процентная доля базовых масел Группы II в Северной Америке.

Группа III – Нестандартные базовые масла
Таблица 1 показывает, что API определяет различие между базовыми маслами Групп II и III только в пересчете на коэффициент вязкости. Базовые масла со стандартным коэффициентом вязкости (от 80 до 119) относятся к Группе II, а базовые масла с нестандартным коэффициентом вязкости (120+) относятся к Группе III. Масла Группы III иногда также называются нестандартными базовыми маслами (UCBO) или базовыми маслами с очень высоким коэффициентом вязкости (VHVI).

Базовые масла Группы III производились в Европе с помощью технологии депарафинизации селективными растворителями на протяжении более чем 10 лет, прежде всего компаниями Shell и BP, но некоторые из этих масел первого поколения Группы III имеют не такие хорошие эксплуатационные параметры, как современные масла Группы III. В этой связи многие старые установки в настоящее время модернизируются для того, чтобы на них можно было производить масла Группы III методом изомеризации/депарафинизации.

С точки зрения технологии, современные базовые масла Группы III производятся, в сущности, с использованием той же технологической схемы, что и современные базовые масла Группы II. Более высокий коэффициент вязкости достигается за счет повышения интенсивности эксплуатации установки для гидрокрекинга или перехода на подачу сырья с более высоким коэффициентом вязкости.

Базовые масла Группы III сейчас широко распространены в Северной Америке, поскольку они могут производиться в больших количествах большинством компаний, которые в настоящее время производят масла Группы II. Многие из этих компаний уже начали добавлять к своим линиям синтетических продуктов масла Группы III.

Современные базовые масла Группы III обладают свойствами, которые позволяют им эксплуатироваться в самых сложных условиях, во многих случаях соответствуя или превосходя эксплуатационные характеристики традиционных синтетических масел.

Группа IV – Традиционные «синтетические» базовые масла (PAO)
Термин «синтетический» традиционно использовался в отрасли, производящей смазочные материалы, как синонимичный термину «полимеризованные базовые масла», такие как полиальфаолефины (PAO), которые состоят из небольших молекул. Первая пригодная для коммерческого использования технология производства PAO была предложена компанией Gulf Oil в 1951 г.; эта технология была усовершенствована компанией Mobil в шестидесятых годах. Первоначально Mobil использовала это новое базовое масло в специальных продуктах, таких как Mobilgrease 28, который позволил решить проблему отказа роликовых подшипников авианосцев в холодных климатических условиях.

PAO стали основным востребованным потребителем смазочным компонентом, когда компания Mobil Oil приступила к реализации своего Mobil 1®. За 15 лет, прошедшие со дня внедрения, рынок PAO прошел долгий и тернистый путь в борьбе за медленный и устойчивый рост продаж, отражая нападки на обоснование более высоких по сравнению со стандартными маслами затрат. На протяжении последних десяти лет рынок PAO значительно вырос, сначала в Европе, а затем и в Северной Америке, переживая отдельные периоды двузначного роста. Частично такой рост можно отнести на счет более строгих требований к смазочным веществам, которые действуют в Европе, и которые создали на рынке нишу для синтетических и полусинтетических продуктов.

По мере того, как рос высокодоходный рынок PAO, некоторые производители базовых масел начали использовать подаваемое сырье с более высоким коэффициентом вязкости Группы III (как правило, побочные продукты от производства парафинов) для получения минеральных масел с коэффициентом вязкости, который был бы сходен с коэффициентом PAO. Эти новые масла Группы III не производились из небольших молекул, как традиционные синтетические материалы, но они заполнили эксплуатационный пробел, который существовал для большинства продуктов с более низкими затратами. В этой связи многие производители смазочных веществ, в первую очередь в Европе, начали заменять PAO этими вновь появившимися на рынке базовыми маслами Группы III в своих синтетических моторных маслах. Это породило дискуссию в отрасли, производящей смазочные материалы, поскольку некоторые производители синтетических базовых масел и смазочных материалов считали, что только полимеризованные базовые масла это истинные синтетические масла. Наиболее значительной нишей, в рамках которой маслам Группы III трудно выдерживать конкуренцию со стороны PAO, является производство низкотемпературных веществ, таких как арктическая смазка, которая должна иметь исключительно низкую температуру предела текучести.

Существование общей тенденции глобализации требований к смазочным материалам и спецификаций производителей оборудования создают в настоящее время более широкий спрос на базовые масла Группы III. Это особенно справедливо для Северной Америки благодаря решению Бюро по улучшению деловой практики Управления национальной рекламы от 1999 г., которое позволяет считать базовые масла Группы III синтетическими.

В третьей, заключительной части данной серии, будут рассматриваться эксплуатационные характеристики базовых масел и дальнейшие перспективы.

По материалам www.newchemistry.ru
Дэвид К. Крэмер, Брент K. Лок,
Расс Р. Керг и Дж.M. Розенбаум
http://www.machinerylubrication.com