潤滑油基礎油組成及物性

礦物基礎油是由高沸點、高相對分子質量烴類和非烴類的混合物經一系列加工而得，主要由烷烴、環烷烴、芳烴、多環芳烴等烴類化合物，以及含硫、含氮、含氧有機化合物和膠質、瀝青質等非烴化合物組成；基礎油的組成雖然復雜，但從族組成看，主要由飽和烴（鏈烷烴和環烷烴）、芳烴和極性化合物等組成。




　　低溫動力粘度（簡稱CCS，下同）是油品在低溫、高剪切速率條件下測得的內摩擦力大小的量度，是冬用型及多級內燃機油的重要性能指標之一，能反映內燃機油低溫性能的好壞以及預測發動機在低溫條件下能否順利啟動。基礎油的低溫動力粘度與其組成有很大的關系，基礎油因生產工藝的不同而產生的組成的變化會導致其物理性質發生變化，同時這些變化也會相應帶來低溫動力粘度的變化。研究基礎油組成及物理性質與低溫動力粘度的關系，對掌握基礎油低溫動力粘度的變化規律具有較為重要的意義，對內燃機油的生產成本及產品質量控制也具有指導意義。




　　1不同生產工藝的基礎油組成的差異

      1.1溶劑精制工藝與加氫工藝生產的基礎油的組分差異溶劑精制工藝主要是用來生產I類基礎油，該工藝主要是利用原油餾分中的不同烴類在溶劑中的溶解度不同而進行理想組分與非理想組分的分離，除去了原料油中的大部分非理想組分（多環芳烴、膠質、瀝青質），得到I類基礎油，生產過程基本以物理過程為主，不改變烴類結構，生產的基礎油質量取決于原料中理想組分的含量和性質。該工藝生產的基礎油飽和烴質量分數<90 %，芳烴質量分數>10°%，主要為輕芳烴，也含有少量的中芳烴和重芳烴，硫、氮含量較高，油品質量較差。




　　基礎油加氫工藝的主要化學反應包括以下幾個方面：（1）稠環芳烴加氫生成單環和雙環芳烴或稠環環烷烴；（2）稠環環烷烴部分加氫開環，生成帶長側鏈的少環（單環和雙環等）環烷烴；（3）正構烷烴或分支程度低的異構烷烴臨氫異構為分支程度高的異構烷烴；（4）同時脫除氮、硫、氧雜原子，并使烯烴飽和。加氫基工藝生產的基礎油飽和烴質量分數可高達99%以上，芳烴質量分數<1%，且都為輕芳烴。另外，由于經過加氫處理或加氫裂化，基礎油中硫、氮含量也極低。




　　與加氫工藝生產的基礎油相比，溶劑精制生產的基礎油含有較多的多環芳烴、雜環化合物等非理想組分，這些組分的存在使I類基礎油在許多物理性質方面存在與加氫基礎油差異較大的情況。




　　1.2不同加氫工藝生產的基礎油組分差異目前基礎油的加氫工藝主要有：加氫精制、加氫處理、加氫裂化、加氫催化脫蠟、加氫異構脫蠟等。其中加氫精制和加氫處理工藝條件比較溫和，一般是進行S、N等雜質的脫除，對烯烴、芳烴進行飽和。加氫裂化、催化脫蠟、加氫異構脫蠟反應條件比較苛刻，發生了斷鍵裂化、異構化等反應，大大改變了烴類的分子結構，所以不同的加氫工藝生產的基礎油組分也存在較大的差異。




　　m類基礎油的生產中一般都采用加氫裂化以及異構脫蠟的工藝，與類基礎油相比，其組分中的環烷烴和芳烴的含量更少。




　　2基礎油的低溫動力粘度與其組成及物理性質的關系由于加工工藝的不同，基礎油的組分相差很大，因此也引起了基礎油各種物理性質的變化。基礎油的物理性質有很多，但是與低溫動力粘度關系較為密切的物理性質主要有運動粘度、粘度指數、密度這三項。




　　2.1低溫動力粘度與運動粘度及組成的關系運動粘度是評定油品流動性的指標，粘度值就是用以表示流體運動時分子間摩擦阻力大小的指標。所以說，基礎油的運動粘度與其組成中分子的大小及結構有密切的關系，烴類的粘度與其分子結構、分子大小、環的數目和類型有關。




　　從一般的經驗可知，基礎油的低溫動力粘度是隨著其運動粘度的增大而增大的，這也和其組分中的餾分范圍有很大關系，餾程越高的基礎油，組成中的重組分含量也越高，所以運動粘度也就越高，低溫性能也就越差。選取了中國石化茂名分公司生產的不同餾分（減二線、減三線、減四線）的I類基礎油（粘度指數都為95），分別測定了基礎油的運動粘度和低溫動力粘度，基礎油-15C的低溫動力粘度隨40C的運動粘度的變化情況如所示：從中可以看出，同種類基礎油低溫動力粘度與其運動粘度的具有較高的相關性，是成正相關關系，主要的因素是受基礎油的餾分影響。可以得出以下結論：同種類的基礎油，隨其餾程范圍及運動粘度的增大，低溫動力粘度也增大。所以說同種基礎油運動粘度引起的低溫動力粘度變化主要是受餾分變化的影響。




　　王俊（1982-），男，河南信陽人，碩士研究生，工程師，主要從事潤滑油生產工藝管理及新產品開發等工作。




　　不同種類基礎油低溫動力粘度的變化除了受餾分的影響外，還與其精制程度有關：相同餾分的基礎油，精制程度越高，含有的芳烴及雜環化合物也越少，粘度也越低，低溫動力粘度也相應越低，這主要基礎油的粘度指數有很大的關系，將在2.2節中進行闡述。




　　2.2基礎油低溫動力粘度與粘度指數及組成的關系粘度指數（用VI表示，下同）是反映基礎油粘溫性質的指標，是基礎油化學組成的函數，以非常簡單的形式反映了基礎油的烴組成。潤滑油基礎油的組成中，正構烷烴的粘溫性質較好，分支程度較小的異構烷烴的粘溫性質比正構烷烴的稍差，隨著其分支程度的增大，粘溫性質越來越差。環狀烴（包括環烷烴和芳香烴）的粘溫性質都比鏈烷烴的差，當分子中的環數增多時，粘溫性質顯著變差，甚至變為負值。當分子中環數相同時，其側鏈越長則粘溫性質越好，側鏈上如有分支也會使粘度指數下降。




　　不同加工工藝的基礎油對比來看，溶劑精制工藝生產的I類基礎油由于含有較多比例的多環烷烴、多環芳烴等，所以其粘度指數較加氫工藝生產的低。同時也可看出基礎油的精制程度越高，多環烷烴和多環芳烴的含量越低，其粘度指數越高，粘溫性能也越好。




　　基礎油的低溫動力粘度與其組成密切相關，而粘度指數又能較好地反映基礎油組成變化以及精制程度的情況，所以粘度指數也是影響基礎油低溫動力粘度的一個重要因素。選取了運動粘度相近的（V4約為32.5左右）幾種不同種類基礎油，分別測定了各基礎油的粘度指數和-15°C的低溫動力粘度，基礎油的低溫動力粘度隨粘度指數（VI）的變化情況如所示：粘度指敗（VI>基礎油低溫動力粘度與粘度指數的關系Fig.2RelationshipofCCSandVIfor從中可以看出，基礎油低溫動力粘度與粘度指數成反相關關系，相同粘度的基礎油，隨著粘度指數的增大，基礎油的低溫動力粘度也隨之降低，這也說明粘度指數能夠較好地反映出基礎油低溫動力粘度隨其組成及粘度指數的變化情況：基礎油中多環烷烴和多環芳烴等非理想組分含量越低，基礎油的粘度指數就越高，其低溫動力粘度就越小，這個規律也能很好地反映出基礎油的精制程度。




　　2.3低溫動力粘度與密度及組成的關系基礎油的密度主要反映了基礎油的餾程和平均分子量的變化情況，而低溫動力粘度又與基礎油的組分變化密切相關，所以說密度也是低溫動力粘度的一個重要函數。




　　密度也可以近似地判斷基礎油的化學組成，一般的規律是烴類的碳原子數越多，相對分子質量越大，其密度也越大；分子中的碳原子數相同時，芳香烴的相對密度排第一，環烷烴的次之，烷烴的排第三。




　　基礎油的低溫動力粘度與密度的關系，一般是與基礎油的餾程及組成相關。選取了中國石化茂名分公司生產的不同餾分（減二線、減三線、減四線）的基礎油，分別進行了低溫動力粘度（-15C）和密度（20C）的測定，測定結果如所示：從中可以看出，低溫動力粘度是隨基礎油密度增大而增大的，基礎油組分的餾程越高，重組分含量越高，平均分子量越大，密度就越大，低溫動力粘度也越大，所以低溫動力粘度與密度是成正相關關系。




　　3基礎油低溫動力粘度與其物理性質的函數關系

      3.1函數關系式的建立基礎油的低溫動力粘度可以采用數據擬合的方法將其與物理性質的函數關系式表達出來。數據擬合常用的方法是小二乘法，它是通過小化誤差的平方和尋找數據的函數匹配，利用小二乘法可以簡便地求得未知的數據，并使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為小。使用MicrosoftExcel軟件就能夠實現數據的擬合，回歸分析的輸出結果由以下幾部分組成：第一部分，回歸統計。Multiple（相關系數R，越接近1線性關系越顯著）；R Square（相關系數的平方）；調整之后的相關系數；回歸標準差（均方差的估計值）以及樣本個數。




　　第二部分，方差分析。df為自由度、SS為平方和（離差、殘差、總離差）、MS=SS/df表示均方和他們的自由度以及由此計算出的F統計量和相應的顯著水平。




　　第三部分，Coefficient所在的一列表示回歸系數。




　　分別選取了I類（中石化茂名石化公司）、11類（上海高橋石化公司）、111類（韓國雙龍公司）等23個基礎油的樣本，測定了這些不同種類基礎油的低溫動力粘度（-15C）、運動粘度（40C）、粘度指數和密度（20C），分析數據見表1.由于低溫動力粘度與運動粘度、粘度指數以及密度的關系都不是線性關系，所以，低溫動力粘度與這幾個自變量的關系是多元非線性關系，為了更好地反映出它們之間的關系，就需要將多元非線性關系轉換為多元線性關系進行求解。令Y=ln（CCS），X1=ln（V40），X2=ln（VI），X3=ln（p20），假設Y=a+bX1+cX2+dX3，將CCS與V40、VI、P20之間的關系用多元線性方程表示出來，通過使用MicrosoftExcel軟件中的數據擬合及回歸分析的功能，從而將結果輸出。使用計算機輸出的回歸結果如所示。計算機輸出的結果中，Multiple（相關系數R，越接近1線性關系越顯著）=0.997，基本上接近于1，說明各變量之間具有非常好的相關性。方差分析的表中：df為自由度，SS為平方和（離差、殘差、總離差）、MS=SS/df，F值為1056，而查F臨界值表可知F（0.05，3，19）=3.13，由于F值遠遠大于臨界值，所以說明數據回歸的效果很好。




　　Coefficient所在的一列表示回歸系數，從而可以得到低溫動力粘度與運動粘度、粘度指數以及密度的關系式為：為了驗證該關系式的實用性，選取了部分樣本外的不同種類基礎油樣品，使用該函數關系式進行計算并對比可以得到結果如基礎油種類100N/I類基礎油HVI+6基礎油HVI6基礎油回歸統計標準誤差觀測值方差分析回歸分析殘差總計表2低溫動力粘度（-15°C）計算值與實測值的對比（計算的低溫動力粘度值）（實測的低溫動力粘度值）誤差/%從結果可以看出，使用低溫動力粘度與基礎油物性的函數關系式計算出的值與實測值誤差較小，從而證明了低溫動力粘度與基礎油運動粘度、粘度指數以及密度之間具有很好的相關性。




　　3.2存在問題由于受到基礎油樣本的種類和數量限制，所得出的關系式可能對某些基礎油的低溫動力粘度預測偏差較大。此外，還需要繼續研究不同溫度下基礎油低溫動力粘度的變化規律，對多級內燃機油的生產才具有更好的指導意義。




　　4結論基礎油加工工藝的不同使其組成不同，從而引起物理性質的差異。基礎油的低溫動力粘度與其部分物理性質如運動粘度、粘度指數、密度等存在函數關系，而基礎油的這些物理性質又能反映出其組成的變化。




　　續表4現象原因分析處理方法現象原因分析處理方法有機物附著增加①加二氧化氯量小②水渾雜質多③中水COD、BOD、糞大腸桿菌高①加大二氧化氯加入量②減少或停用中水，循環水補水全部切換為黃河水或視情況適當增加黃河水摻配量。




　　凝聚劑計量泵自停凝聚劑計量泵出口管堵塞；頻率設定不當。




　　用水沖洗凝聚劑計量泵出口管，必要時聯系檢修處理；調整合適的頻率。




　　阻垢效率低①硫酸、水質穩定劑加入量不合理②濃縮倍率大③水質被污水污染①合理調整加藥量②控制濃縮倍率③杜絕廢水、污水進入循環水系統加大排污量和補水量隔膜計量泵不上藥①入口管道堵塞、漏氣②入口逆止閥或出口逆止閥內有雜物卡住③充油腔內油量過多或不足④充油腔內有氣體。




　　清理疏通入口管道，聯系檢修或更換法蘭片。




　　聯系檢修清除入口逆止閥或出口逆止閥內雜物經補償閥作人工排油或補油聯系檢修排出充油腔內氣體凝汽器結垢阻垢效率低未按要求進行膠球沖洗①合理調整加藥量②控制濃縮倍率③杜絕廢水、污水進入循環水系統加大排污量和補水量④按要求進行膠球沖洗5調試結果經過2個月運行和調試后，出水水質較好，優于設計標準，結果如表5所示：項目進水參數機加池出水參數過濾器出水參數去除率/%濁度/NTU 8左右3左右總磷（以P計）從上表我們可以看出，石灰處理去除濁度、氨氮、堿度的效果很高，達90°%，去除CODr、BOD5及總磷次之，70°%左右，而硬度去除很少，有時，甚至出現硬度增加現象。




　　6結論對于含鹽量和含硫量高的礦井水，含鹽量、暫硬、含硫高的城市再生水，用于循環水水源，具有高腐蝕性和高結垢性，必須進行處理，三種處理工藝經過比較后得出，石灰軟化處理方法較好；循環水石灰處理采用機加池加PCF過濾器方法，運行效果較好。機加池中投加凝聚劑、助凝劑、殺菌劑和石灰，其中凝聚劑可以采用聚合硫酸鐵，助凝劑可以采用聚丙烯酰胺（PAM溶液）；石灰工藝的運行需要嚴格控制，特別注意水源水質的變化時，運行參數的調整；在調試運行過程中，發現了機加池的一些異常現象：如出水渾濁、礬花上飄、翻池等，循環水水質異常現象：如堿度和PH過高或過低、濃縮倍率大、有機物附著增加、凝汽器結垢等，分析其產生的原因，并找到了解決方法，為以后的運行、調試提供了經驗；調試結果表明：石灰處理去除濁度、氨氮、堿度的效果很好，能到90%，CODr、BOD5及總磷次之，70 %左右，而硬度去除很少，甚至出現增加現象。