کشش سطحی روغن

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوال مطرح شده در بخش نظرات پستی با عنوان «آنالیز روغن گیربکس درایر: مطالعه موردی» در همین وبلاگ می باشد که شرح آن در ذیل آمده است:

«لطفا در این خصوص توضیح بیشتری بفرمایید:

آلودگی جریان روغن باعث تغییر رفتار آن از فاز نیوتنی به غیرنیوتنی شده و کشش سطحی آن را هدف می گیرد. با تغییر کشش سطحی روغن، عملکرد ادتیو های ضد کف تحت تاثیر شدید قرار گرفته (شکل 4 را ببینید) و حباب های هوا آزادانه و بدون مزاحمت می توانند در سیستم روغن تردد کنند.

لطفا بفرمایید دقیقا چگونه الودگی موجب اخلال در عملکرد ادتیوهای ضد کف روغن میگردد؟»

از آنجا که این سوال کاملا پایه ای بوده و پاسخ بدان در حوصله سوال و جواب های کوتاه در بخش نظرات هر پست نبود، تصمیم گرفتم که خارج از نوبت پاسخ این سوال را در قالب پستی جداگانه در وبلاگ بفرستم. امیدوارم توضیحات ارائه شده در این پست، راهگشای مشکلات و مسائل بعدی دیگر مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی باشد.

در پست یاد شده فوق، در شکل شماره 4، نمایه ای از مکانیزم عمکلرد ادتیو های ضد کف در روغن نشان داده شده بود که در شرح و توضیح آن به تاثیر کشش سطحی روغن روی عملکرد این دسته از ادتیو ها اشاره شده بود. لذا، قبل از هر چیز، لازم است که کشش سطحی روغن معرفی شده و نحوه اندازه گیری آن توضیح داده شود. بنابراین، در این پست، ابتدا کشش سطحی روغن معرفی شده و سپس عوامل موثر بر آن، با تمرکز بر آلودگی محیطی (ذرات جامد و...) مورد بحث قرار خواهند گرفت.

الف) کشش سطحی چیست؟

بمنظور درک بهتر موضوع، مساله را به زبان ساده و مثالی مطرح می کنیم. لایه ای از ملکول های سطح روغن را در نظر بگیرید که در تماس با ملکول های هوا هستند (شکل 1). این ملکول ها از دو طرف تحت نیروی جاذبه قرار دارند: ملکول های روغن لایه های زیرین خود که در تماس با هوا نیستند و ملکول های هوا که در تماس با آنها هستند. اگر میزان قدرت این نیروی جاذبه را در نسبت عکس با فاصله منبع جاذبه (ملکول های اطراف) فرض کنیم، قدرت جاذبه وارده به ملکول های سطح روغن از طرف ملکول های هوا به مراتب کمتر از نیروی جاذبه ای است که از طرف ملکول های روغن زیر لایه سطحی به ملکول های تشکیل دهنده این لایه وارد می شود. این کش و قوس نامتعادل نیروهای جاذبه بین ملکولی در مرز بین روغن و هوا که آن را Interface می نامیم منجر به تشکیل لایه ای غشا مانند در سطح روغن می شود که تمایل شدیدی به اشغال کمترین مساحت را دارد. همین تمایل باعث می شود که این غشا از الگوی رفتار کششی تبعیت کند. درست به همین دلیل است که قطرات آب و باران درحال سقوط به شکل کروی درمی آیند. چراکه کره کمترین نسبت سطح به حجم را در میان سایر اشکال هندسی دارد.

شکل 1: نمای شماتیکی از تبادل نیروی جاذبه به لایه سطحی روغن در تماس با هوا

حتی اگر این کش و قوس را بین دو سیال غیرممزوج مانند روغن و آب در نظر بگیریم، همین داستان دوباره اتفاق افتاده و شاهد ناهمترازی نیرو های جاذبه وارده به ملکول های روغن خواهیم بود. منتهای مراتب، در این حالت کشش سطحی (Surface Tension) جای خود را به پدیده کشش بین سطحی یا Interfacial Tension می دهد که در این پست مد نظر ما نیست.

کشش سطحی چه نقشی در تعیین کیفیت روغن و آزمون های آنالیز روغن دارد؟

این سوال ممکن است از آن جهت مطرح شود که در بسیاری از گزارش های روتین آزمایشگاه برای آنالیز روغن و آزمون های تعیین کیفیت نمونه روغن نو یا کارکرده، اثری از آزمون کشش سطحی به چشم نمی خورد و تنها در تعیین کیفیت روغن های ترانسفورماتور است که آزمون کشش سطحی را آزمونی معمول می دانند. اما، علت این عدم رواج چیست؟ اشکال کار در کجاست؟

البته، شاید برای خوانندگان این پست بسیار جالب باشد که بدانند در بسیاری از منابع آنالیز روغن، تغییر در مشخصات کشش سطحی روغن بعنوان نشانه ای مستقیم و پیش آگهی از آلودگی نمونه روغن، تمایل آن به لجن زایی، و اکسیداسیون محسوبب می شوند. به استناد کتاب «روغنرسانی به ماشین آلات صنعتی و دریایی»، نوشته ویلیام جی. فوربس (1943)، «آزمون IFT یا Interfacial Tension Test ارزشمندترین آزمونی است که می تواند بمنظور سنجش سلامت روغن های توربینی مورد استفاده قرار گیرد. این اصل پذیرفته شده است که وقتی کشش بین سطحی در بازه 15~20 dyne/cm باشد، تمایل به رسوب ذرات جامد در جریان روغن افزایش یافته و تعویض روغن می تواند تنها راهکار نجات تجهیز در این بازه از کشش بین سطحی باشد».

کشش سطحی چگونه اندازه گیری می شود؟

یکی از رایجترین روش های اندازه گیری کشش سطحی (ST) یا کشش بین سطحی دو سیال مانند آب و روغن (IFT) استفاده از تانسیومتر (کشش سنج) دونوا (DuNouy Tensiometer) است که براساس اصل ساده تراز نیرو های جاذبه بین ملکولی کار می کند که بالاتر بیان شد (شکل 2 را ببینید). این روش در استاندارد های ASTM D971 و ASTM D1331 تعریف شده است.

شکل 2: شماتیکی از اساس کار تانسیومتر دونوا

در این آزمون، نیروی لازم بمنظور بالا کشیدن یک رینگ ساخته شده از مفتول پلاتینی از سطح روغن اندازه گیری شده و بعنوان کشش سطحی (ST) روغن نمایش داده می شود. این آزمون برای اندازه گیری نیروی کشش بین سطحی (IFT) در محل غشا بین روغن و آب نیز کاربرد دارد (شکل 3). واحد اندازه گیری نیروی کشش سطحی دین (dyne) بر سانتیمتر است که برابر با mN/m می باشد.

شکل 3: شماتیکی از نحوه انجام آزمون کشش بین سطحی غشای بین روغن و آب

روش دیگری هم برای اندازه گیری کشش بین سطحی روغن (IFT) نیز وجود دارد. این روش که در استاندارد ASTM D2285 تعریف شده، کاهش قدرت عایقی روغن در برابر جریان الکتریکی را هدف می گیرد که اغلب در اثر اکسیداسیون یا آلودگی محیطی (اغلب گرد و غبار) رخ می دهد. این آزمون که بیشتر در مورد روغن های ترانسفورماتور کاربرد دارد، با استفاده از یک وزنه (بجای رینگ در روش فوق) انجام می شود.

اما، فارغ از اینکه آزمون تعیین کشش سطحی یا بین سطحی روغن با توسل به کدامیک از روش های فوق انجام شود، دقت نتایج حاصله از چند عامل تاثیر می پذیرد که از جمله مهمترین این عوامل می توان به نظافت و پاکیزگی دستگاه تست، میزان و نحوه تحریک روغن (بمنظور معلق سازی ذرات جامد)، تغییرات دمایی، و آلودگی سهوی نمونه روغن (اغلب ناشی از ظروف حمل یا نگهداری آن در آزمایشگاه یا هر یک از مراحل نمونه گیری و حمل) اشاره کرد. در حالت کلی، و بنا به تجربه شخصی نویسنده این پست، تجدید پذیری نتایج آزمون در هر یک از سه روش فوق دور از انتظار است و این مهمترین دلیل عدم رواج تست کشش سطحی در مورد انواع روغن های صنعتی (بغیر از روغن ترانسفورماتور) است.

پس، علت عدم رواج این تست در بسیاری از گزارش های آزمون انواع روغن مشخص شد: عدم امکان تجدید پذیری، و تاثیر پذیری نتایج از آزمون از پارامتر های متعدد و مختلف.

ب) عوامل موثر بر کشش سطحی چیست؟

اکنون نگاه نزدیکتری به این عوامل و پارامتر ها خواهیم انداخت:

آلاینده ها: در مورد روغن های پایه، بجز برخی از سینتتیک ها، اغلب روغن های پایه مینرال و PAO (گروه های I تا IV) آبگریز محسوب می شوند (برای اطلاعات بیشتر در مورد گروه بندی روغن های پایه، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود). ساختار این روغن های پایه غیرقطبی است (برخلاف آب و سایر اجزای بکار رفته در ساختار ماشین آلات و تجهیزات) و همین باعث می شود که جذب یکدیگر نشده و تمایلی به هم نداشته باشند. آب خالص (یا مقطر) بدلیل قطبیت بالای آن کشش سطحی خوبی دارد و در مقابل، روغن پایه مینرال عاری از ناخالصی نیز بدلیل خاصیت غیرقطبی اش از کشش سطحی بالایی برخوردار است. تقابل این دو مشخصه متضاد را می توان با چکاندن یک قطره از روغن توربین در ظرفی از آب مقطر مشاهده کرد: قطره روغن به سطح آب آمده و شکلی عدسی (شبه کروی) به خود می گیرد تا از کمترین سطح تماس با آب برخوردار باشد. حال، اگر قطره ای از روغن کارکرده و آلوده را در همان ظرف از آب مقطر بچکانیم، شاهد سطح تماس بیشتری از قطره روغن با آب خواهیم بود. در واقع، قطره روغن کارکرده و آلوده سطح تماس بیشتری با آب ساخته و روی سطح آب پهن می شود. این رفتار بدلیل وجود ذرات جامد و آلاینده هایی در سیستم روغن است که برخلاف روغن، از خاصیتی آبدوست برخوردار بوده و با تمرکز در غشای مشترک بین دو سیال (روغن و آب) موجب تغییر خاصیت آبگریزی ذاتی روغن می شوند. وجود این ناخالصی ها و آلاینده ها، وقتی به حد اشباع برسد، عملا رفتار روغن را دستخوش تغییر می کنند. اما، از آنجا که رسیدن این آلاینده ها به مرز غشایی بین دو سیال مستلزم گذشت زمان است، لذا هر چه آب و روغن بیشتر در تماس با یکدیگر بمانند، میزان IFT کمتر و کمتر خواهد شد. به همین دلیل، زمان تماس دو سیال روغن و آب در آزمون اندازه گیری IFT نباید از 30 ثانیه بیشتر شود.

یکی از راه های تشخیص میزان خلوص روغن پایکه بیشتر در بازرسی و کلیم محموله های روغن پیش می آید، تعیین میزان کشش بین سطحی آن با آب مقطر (آزمون IFT) است. این ایده از آنجا می آید که مقدار IFT با غلظت و استحکام ناخالصی های قطبی و فعال در سطح روغن (اعم از کامپاند های اکسیژن و گوگرد دار، اسید های چرب، و الکل ها) متناسب است. بدین ترتیب، روغن های پایه مینرال گروه III نسبت به گروه II، و روغن های مینرال پایه گروه II نسبت به گروه I از IFT بالاتری برخوردارند. از سوی دیگر، با آلوده شدن روغن (به ویژه با ذرات جامدی مانند گرد و غبار، و...) ویسکوزیته دینامیک روغن بالا می رود که این به معنی کاهش حساسیت روغن به تغییرات دمایی است. این کاهش حساسیت را می توان در افزایش IFT مشاهده کرد.

ادیتیو ها:

بسیاری از ادتیو ها، ذاتا، در لایه سطحی روغن فعال بوده و موجب کاهش IFT می شوند. مکانیزم عملکرد این ادتیو ها نیز گرچه متنوع است، اما، بصورت کلی می توان آنها را به دو دسته زیر تقسیم بندی کرد:

1) Metal Wetting Additives: که بیشتر شامل ادیتیو های ضدسایش (AW: Anti-Wear)، EP یا Extreme Pressure (جهت اطلاع از خواص و محدودیت های کاربری این تیپ از ادتیو ها، مطالعه پست «ادتیو های  EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود)، و انواع ضد خوردگی (Rust Inhibitors) شده و بیشتر در روغن های موتور، برخی کمپرسور ها، برخی توربین ها، و روغن های چرخدنده مصرف می شوند؛

2) Particle Enveloping Additives: که ادیتیو های Dispersant، Detergent، (برای اطلاعات بیشتر راجع به این دسته از ادیتیو ها، مطالعه بند «ج» از پست «روغن موتور بجای روغن کمپرسور» در همین وبلاگ مهندسی توصیه می شود)، و انواع Metal Deactivator در این دسته قرار گرفته و استفاده از آنها بیشتر در روغن های موتوری، برخی انواع کمپرسوری (بصورت محدود)، روغن های توربینی (بصورت محدود)، و روغن های چرخدنده رواج دارد؛ و در آخر

3) ادیتیو های امولسیفایر: این تیپ از ادیتیو ها بیشتر در روغن های هیدرولیک و برخی از روغن های شکل دهی به فلزات (معروف به روغن های پرس) بکار رفته و هدف از آنها کاهش IFT بمنظور تشکیل امولسیون آب و روغن است (علت این رفتار روغن های هیدرولیک را می توان در پست «جایگزینی روغن هیدرولیک با روغن موتور. درست یا غلط؟» پیدا نمود).

بدین ترتیب، روغن هایی که ادیتیو های فعال در سطح بیشتری در ساختار خود داشته باشند (مانند انواعی که در بالا شرح داده شد) تمایل بیشتری به انحلال آب در جریان خود و حمل آن بصورت امولسیون به همراه خود در مدار روغنرسانی تا زمان تعویض دارند. توضیح بیشتر در اینباره را می توان در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ پیدا کرد. در واقع، هر چه غلظت و دُز این ادیتیو ها در ساختار روغن بیشتر باشد، ظرفیت جریان روغن برای پذیرش حجم بیشتری از آب و حمل آن بصورت امولسیون بالاتر می رود.

از سوی دیگر، در صورت آلودگی جریان روغن با آب، هرچه سایز و اندازه قطرات آب کمتر باشد، سطح موثر بیشتری از روغن در معرض تماس با ادیتیو های امولسیفایر فعال در سطح (روکنشگر) قرار گرفته و بدین ترتیب مصرف چنین ادیتیو های آبدوستی بالا می رود. بنابراین، در صورتیکه دُز این دسته از ادیتیو های قطبی در حجم واحدی از روغن پایین یا محدود باشد، قطرات آب تمایل بیشتری به ماندن در آن حجم واحد از روغن داشته و علاوه بر این، به تدریج به یکدیگر پیوسته و تشکیل حجم بزرگتری از آب در حجم واحدی از روغن را می دهند. این پدیده ها، همه و همه، به تدریج موجب کاهش پایداری امولسیون شده و موجب کاهش کشش سطحی بین فازی (IFT) خواهند شد. بعنوان نمونه، در امولسیون پایداری از آب و روغن، اندازه ذرات (یا به عبارتی: قطرات) آب بین 1 تا 6 میکرون است.

در مورد هوا، اما، داستان تا حدودی متفاوت است. همانطور که قبلا در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» گفتیم، فوم یا کف در روغن چیزی نیست جز توده ای دو فازی از حباب های هوا (یا گاز) و فیلمی نازک از روغن که می تواند از 0.01 میکرون تا 1 میلیمتر ضخامت داشته باشد. از مکانیک سیالات می دانیم که سیالات تراکم ناپذیر بسیار خالصی مانند روغن های پایه و آب قادر به تشکیل فوم نیستند. اما، طی فرآیند تولید انواع روغن های صنعتی، با اضافه (یا در واقع، معرفی شدن) انواع ادیتیو های بهبود دهنده رفتار روغن که اغلب از مکانیزم روکنشگری تبعیت می کنند، کم کم تمایل سیستم روغن به پذیرش هوا (مکانیزم شناوری) افزایش می یابد. کف یا فوم نیز، در مکانیزم شناوری هوا، با رسیدن حباب های هوا به سطح آزاد روغن کلید می خورد. بدین ترتیب، میزان کشش سطحی روغن به ترتیبی که درشکل 1 عنوان شد، کاهش می یابد. مکانیزم دیگری که در خصوص آلودگی روغن با هوا مطرح است، مکانیزم انحلال است. در این مکانیزم، هرچه غلظت انحلال هوا (یا گاز) در جریان روغن افزایش یابد، میزان IFT و ST کاهش می یابد. این نسبت مستقیم نیست! و از عواملی چون دما و دیفرانسیل فشار روغن نیز تاثیر می پذیرد.

حال که عوامل موثر بر کشش سطحی روغن (ST) و کشش بین سطحی (IFT) روغن را شناختیم، به تاثیر این مشخصه و آزمون مرتبط با آن در سنجش سلامت و رفتار فیزیکی-مکانیکی روغن می پردازیم.

ج) نقش کشش سطحی در سلامت رفتار روغن

همانطورقبلا گفتیم، آزمون کشش سطحی، بویژه در ادبیات فنی و منابع امریکایی و ژاپنی، چندان مورد اقبال نیست که علت اصلی آن در عدم امکان تجدید پذیری (Reproducibility) نتایج این تست است. من باب اطلاع برخی از مخاطبین محترم این وبلاگ، منابع ژاپنی، بویژه، روی مشخصه تجدید پذیری در آنالیز روغن تاکید بسیاری دارند و با این استدلال، کشش سطحی هرگز نمی تواند از نظر منابع ژاپنی مورد پذیرش باشد.

اما، از نظر دیگر منابع مهندسی، بویژه در حوزه بازرسی محموله های روغن،کشش سطحی هنوز هم ابزاری مناسب و کارآمد در تعیین سلامت محموله های روغن (در مبحث بازرسی کالا) محسوب می شود. فرمول کار نیز بسیار ساده است: اگر IFT کاهش پیدا کند به معنی آن است که روغن آلوده شده یا ادیتیو (های) حاضر در آن در حال جدایی از روغن پایه هستند. پدیده ای که با عنوان فساد روغن شناخته می شود. بدین ترتیب، محموله روغنی که از IFT مشابه یا قابل مقایسه با روغن نو (یا روغن شاخص) برخوردار باشد، سالم و قابل استفاده خواهد بود. با این وجود، تست IFT تنها معلول را بیان می کند و از علت چیزی نمی گوید! بنابراین، تنها به درد مباحث بازرسی می خورد و بس! این تست در آنالیز روغن جایگاه مناسب و محکمه پسندی ندارد. اما، می توان با بکارگیری ابزار ها و تست های زیر از نتیجه تست IFT بعنوان ابزاری مناسب برای تشخیص سلامت یک نمونه روغن کارکرده استفاده کرد:

پایداری در برابر اکسیداسیون:

وقتی روغن ها اکسیده می شوند، شروع به تشکیل کامپاند های محلول یا نامحلول آبدوست در ساختار خود می کنند. بسیاری از این کامپاند ها قادر به تغییر در IFT روغن مدتها قبل از بروز هر گونه تغییر قابل توجه در ویسکوزیته یا عدد اسیدی روغن هستند. شکل 4 را ببینید.

شکل 4: نمودار شماتیکی از مقایسه حساسیت یک روغن به اکسیداسیون با توسل به کشش بین سطحی و عدد اسیدی

این نتیجه گیری درست همان رفتاری است که روغن اکسیده در مجموعه تست هایی بسیار پیچیده تر از این، اعم از RPVOT یا Rotating Pressure Vessel Oxidation Test، رنگ سنجی به روش Differential Scanning Calorimetry، و آزمون حجم سنجی سیملیک یا Cyclic Voltammetry از خود نشان می دهد. بنابراین، می توان با یک تست ساده، عملا با یک تیر چند نشان زد و از آزمون های پیچیده و گران دوری کرد.

مثال: روغن توربینی داریم که کشش سطحی آن به اندازه 15~20 dyne/cm افت کرده است. براحتی می توان نتیجه گرفت که امکان تشکیل لجن و رسوبات جامد در روغن توربین به دلیل اکسیداسیون وجود دارد. این نتیجه ای است که تجربه شخصی نویسنده این پست پشتیبان آن است. در یک مجتمع نفتی در جنوب کشور، نمونه روغن توربین، بنا به دلایل اداری، چند ساعتی پشت پنجره آزمایشگاه توسط اپراتور نمونه گیری قرار داده می شد و معطل می ماند. همین موجب واکنش فوتو-کاتالیتیک در نمونه روغن توربین شده و خطای بزرگی در نتایج آزمون RPVOT و رنگ سنجی ایجاد می کرد. در تماسی که با نویسنده این سطور گرفته شد، توصیه بر انجام تست IFT شد که با انجام آن، و مقایسه با مقادیر IFT روغن توربینی نو (و البته کمی تفکر و تحلیل!) ، مقصر پیدا شد!

آلودگی:

همانطور که بالاتر شرح دادیم، انواع متعدد و متنوعی از آلودگی های محیطی هستند که می توانند موجبات کاهش یا افزایش IFT را فراهم آورند و از آن جمله می توان به انواع دیترجنت ها، کامپاند های صابونی، گرد و غبار، کامپاند های شیمیایی وارده به جریان روغن حین عملکرد آن در سیستم روغنرسانی، ضدیخ، چربی زدا ها، روکنشگر ها، و... اشاره کرد. نکته جالب توجه اینجاست که بسیاری از این آلاینده ها توسط آزمون های مرسوم در آنالیز روغن، اعم از انواع شمارنده های ذرات (Particle Counters) یا طیف سنج ها (Spectrometers)، قابل شناسایی نیستند.

اما، منابع آلودگی همیشه عوامل محیطی نیستند! گاه، اختلاط دو یا چند نوع روغن که بیشتر ناشی از عیوب ساختاری در مدار روغنرسانی یا خطای اپراتوری در شارژ روغن است، می تواند بشدت روی IFT تاثیر گذار باشد. مثال بارز آن، تجربه شخصی نویسنده این سطور در یکی از تاسیسات فرآوری محصولات گازی است که روغن موتور بجای روغن چرخدنده در یک گیربکس شارژ شده بود. در تجربه دیگری نیز، بجای روغن توربین از روغن هیدرولیک بهران 32H استفاده شده بود که تست IFT به سادگی مشکل را مشخص کرد. حال آنکه مشاور به تست FTIR متوسل شده بود!

نویسنده مواردی نیز شاهد بوده است که بیشتر به دلایل اپراتوری، گریس با روغن مخلوط شده بود که تست IFT و پس از آن FTIR موجب پدیدار شدن مشکل شد.

تقلیل اثر (زوال) ادیتیو ها:

آزمون IFT می تواند تقلیل اثر یا زوال ادیتیو هایی در سیستم روغن را مشخص کند که از طبیعتی روکنشگر برخوردار باشند. مانند انواع ادیتیو های دیترجنت، AW، ضد زنگ، و... . همانطور که بالاتر شرح داده شد، زوال تاثیر ادیتیو های فوق می تواند منجر به افزایش IFT شود. اما، در حالت کلی، آزمون IFT در مورد زوال تاثیر ادیتیو در روغن هایی کاربرد دارد که دو شرط در آنها برقرار باشد: اول، استفاده از ادیتیو های قطبی در ساختار روغن؛ و دوم، IFT بالا در روغن نو.

بیشتر روغن های توربینی، روغن های هیدرولیک، و برخی از روغن های برینگ (موسوم به R&O) این دو شرط را دارا هستند.

نشتی:

شاید برای بسیاری از خوانندگان این مطلب جالب باشد! اما، حقیقت دارد! نشتی روغن از مدار روغنرسانی می تواند منجر به کاهش کشش بین سطحی روغن یا IFT شود. بعنوان یک شاخص تجربی، در صورتیکه IFT با ضابطه خطی در برابر افزایش دما (درجه حرارت) کاهش یابد، حال آنکه در برابر افزایش دما، ویسکوزیته سینماتیک با تابع نمایی کاهش یابد، نشانه ای از نشتی در مدار روغنرسانی و به بیان علمی تر: انتقال جرم است.

نحوه تولید روغن پایه مینرال

با درود بیکران بر تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

موضوع این پست به نحوه تولید و پالایش روغن های پایه مینرال از نفت خام اختصاص دارد. قبلا در پستی با عنوان «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ، شرح مختصری بر انواع روغن های پایه و ترکیبات و دسته بندی آنها براساس استاندارد API 1509 ارائه شده است. در آن پست، روغن های پایه به پنج گروه تقسیم شده بودند که سه گروه اول آنها را روغن های مینرال تشکیل می دادند. در این پست، قصد بر آن است که فرآیند پالایش و نحوه تولید این سه گروه از روغن های پایه از نفت خام را مورد بررسی قرار دهیم.

بیش از 95 درصد روغن های موجود در بازار جهانی از روغن های پایه مینرال تشکیل شده اند. اکثر ما می دانیم که این روغن ها حاصل فرآوری و پالایش نفت خام هستند. اما، بیشتر ما از جزییات این فرآوری و پالایش ناآگاهیم. نفت خامی که از چاه بیرون کشیده می شود، پس از پالایش و تبدیل به روغن، به شکل های گوناگونی در زندگی روزمره دیده می شود: از روغن های سنگین و تیره با زنجیره های هیدروکربنی بلند گرفته تا روغن هایی به رنگ های روشن و سبک با زنجیره های هیدروکربنی کوتاه و برش خورده که براحتی جاری می شوند. نفت خام، در واقع، ملغمه ای از ترکیبات حاوی هیدروژن و کربن است. این ترکیبات، بعضا، پیچیده و بسیار متفاوت از هم که اصطلاحا هیدروکربن نامیده می شوند، از نظر پیچیدگی ساختاری می توانند از متان (متشکل از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن) تا ساختار های بسیار پیچیده ای متشکل از 60 (یا بیشتر) اتم کربن در ترکیب نفت خام حضور داشته باشند (بعنوان مقایسه، ساختار بیشتر روغن های مینرال از 20 تا 40 اتم کربن تشکیل شده است). بدین ترتیب، و بمنظور استحصال سیستم شیمیایی یکنواخت تری که بعنوان روغن صنعتی مینرال شناخته می شود، نفت خام را باید به پالایشگاه فرستاد. پالایشگاه، نفت خام را بعنوان ماده اولیه ای تحویل می گیرد که در ساختار آن ترکیبات بسیار متفاوتی وجود دارد و از این رو می توان مواد بسیار متفاوتی را از آن استخراج کرد. از بنزین گرفته تا تا قیر. در این میان، ترکیبات شیمیایی که ملکول های پیچیده و سنگین تری داشته باشند، برای تولید روغن جداسازی شده و ترکیباتی که از ملکول های ساده تر و سبکتری تشکیل شده باشند، برای تولید بنزین، نفت سفید، و... بکار خواهند رفت.

کاری که پالایشگاه می کند، بزبان ساده، عبارتست از مرتب کردن این ترکیبات شیمیایی براساس اندازه، وزن ملکولی، و پیچیدگی ساختاری، و سپس فیلتر کردن ناخالصی های ذاتی و طبیعی همراه این ترکیبات.

این عمل مستلزم گذراندن مراحلی فرآیندی روی نفت خام است که شامل نمک زدایی، حرارت دهی بمنظور تبخیر موضعی، و در نهایت، ورود به برج تقطیر است. این برج در فشاری کمی بالاتر از فشار عادی اتمسفر کار کرده و هدف از آن جداسازی هیدروکربن های مختلف براساس نقطه جوش آنها (بعنوان مهمترین مشخصه فیزیکی مرتبط با پیچیدگی زنجیره ملکولی هر ترکیب شیمیایی) است. باز هم به زبان ساده، شرح کار در برج تقطیر بدین صورت است که گرما از پایین این برج به محتویات داخل آن وارد شده و موجب تبخیر هیدروکربن های درون آن می شود. با حرکت این بخارات به سمت بالای برج، به تدریج و در اثر تبرید و چگالش طبیعی این بخارات، هر یک از بخش های این مخلوط با توجه به نقطه جوش و سایر خواص فیزیکی متفاوت خود، در بخش جداگانه ای از برج به حالت مایع باز می گردند. بدین ترتیب، در هر یک از طبقات برج تقطیر، مایعی داریم که خواص متفاوتی از سایر طبقات داشته و می تواند از هر یک از بخش های برج استخراج شود. بدین صورت که هیدروکربن های سبکی مانند بنزین که از 5 تا 10 اتم کربن تشکیل شده اند در طبقات فوقانی برج ساکن شده و هیدروکربن هایی متوسطی مانند نفت سفید و بنزین هواپیما که از 11 تا 13 اتم کربن در ساختار خود برخوردارند در طبقات ماقبل فوقانی برج توقف کرده و طبقات پایینتر از آنها هیدروکربن های سنگین تری را در خود جای می دهند که بین 14 تا 25 اتم کربن را در خود جای داده و محصولاتی مانند گازوییل و مازوت از آن جمله اند. طبقات پایینتر از این مورد نظر این پست است! بمنظور قرار گیری در این طبقات از برج تقطیر به داشتن حداقل 26 تا 40 اتم کربن در زنجیره ملکولی هیدروکربنیک نیاز بوده و مایعاتی که در این طبقات جای می گیرند، به تولید انواع روغن های صنعتی اختصاص دارند. طبقات پایینتر، پیچیده ترین ساختار های شیمیایی و طویلترین زنجیره های ملکولی هیدروکربنی را با بیش از 40 اتم کربن در خود جای می دهند که از جمله بارزترین مثال این بخش از برج تقطیر می توان به انواع قیر و محصولات آسفالتیک اشاره کرد.

شکل 1: نمای شماتیکی از برج تقطیر و محتویات طبقات مختلف آن

فرآیند تقطیر پایان راه نیست (!) و بمنظور استحصال کیفیت تجاری روغن های پایه، باید آنها را پس از خروج از برج تقطیر در معرض فرآیند های تکمیلی قرار داد تا خواص تجاری مناسبی به این روغن های پایه افزوده شود؛ مانند مقاومت به پیرسازی در هوا (اکسیداسیون)، یا تمایل به حفظ ویسکوزیته دینامیک در یک بازه خاص دمایی. وصول این امر از دو طریق ممکن است:

الف) روش اول بر فرآیند جداسازی شیمیایی (Extraction Process) تاکید دارد که طی آن دو نوع محصول تولید می شود که شامل روغن پایه (مطلوب نظر) و محصولات جانبی (نامطلوب) است؛ و

ب) روش دوم که اخیرا محبوبیت و رواج بیشتری یافته است، چیزی نیست جز یک فرآیند استحاله شیمیایی (Conversion Process) که طی آن ساختار های ملکولی نامطلوبی که بالاتر اشاره شد با توسل به هیدروژن، حرارت، و فشار به ساختار های شیمیایی مطلوب تبدیل می شوند.

در ذیل به شرح این دو مجموعه فرآیندی پرداخته ایم:

1. مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه از طریق جداسازی شیمیایی (Extraction Process):

گفتیم که بمنظور استحصال روغن پایه از نفت خام، فرآیند تقطیر مورد استفاده قرار می گیرد. اما، تقطیر منجر به تولید یک محصول تجاری و قابل عرضه به بازار نمی شود! از این رو، بمنظور تکمیل محصول و دستیابی به سطح قابل قبولی از کیفیت، روغن پایه بعنوان محصول نیمه آماده باید فرآیند های دیگری را در روش جداسازی شیمیایی نیز بگذراند. زنجیره ای ساده شده از این فرآیند ها در شکل 2 نشان داده شده است. این زنجیره فرآیندی را اصطلاحا با عنوان مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه به روش جداسازی شیمیایی می شناسند.

شکل 2: نمای ساده شده ای از زنجیره فرآیندی موسوم به جداسازی شیمیایی

این مجموعه فرآیندی که بین دو ایستگاه فرآیندی تولید روغن پایه از نفت خام، یعنی تقطیر و محصول نهایی، قرار دارند عبارتند از:

1.1 آسفالت زدایی (Deasphalting): هدف از این فرآیند جداسازی بقایای آسفالت های پروپانی از ساختار شیمیایی روغن خروجی از فرآیند تقطیر است که به پایینترین طبقات برج تقطیر تعلق داشته و از بیشترین دانسیته و پیچیده ترین زنجیره های ملکولی برخوردار بوده و بیشتر بعنوان ناخالصی شیمیایی در ساختار روغن پایه شناخته می شوند. فرآیند آسفالت زدایی منجر به جداسازی دو گروه ماده از روغن پایه می شود: قطران و کامپاند هایی با ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی بسیار شبیه به روغن پایه، اما با نقطه جوشی اغلب بالاتر از آن. تکلیف قطران که معلوم است! اما، کامپاند هایی که گفته شد دوباره با روش هایی که در بالا گفته شد پالایش شده و بعنوان محصولات روانکاری سنگینتر و برخی از ادتیو ها به بازار عرضه می شوند.

1.2 حلال زدایی (Solvent Extraction): هدف از این فرآیند تصفیه کلیه ترکیبات آروماتیک و سایر حلال های مضر از ترکیب روغن نیمه آماده با توسل به روش استخراج فاز مایع است. حلال هایی که معمولا در این مرحله از ترکیب روغن جدا می شوند حاوی فنول، فورفورال، و دی اکسید سولفور می باشند. در انتهای این فرآیند، دو محصول وجود دارد: یکی، روغن پایه ای است که در واقع چیزی جز یک رافینیت نیست و در ادبیات پالایشگاهی با عنوان آشناتر «روغن خنثی» شناخته می شود. محصول دیگر نیز شامل محلولی غلیظ از ترکیبات آروماتیک است که در تولید گازوییل و برخی دیگر از انواع ادتیو های سوخت کاربرد وسیعی دارد.

1.3 واکس زدایی (Dewaxing): روغن خنثی پس از حلال زدایی و بمنظور بهبود توانایی روانی در دما های پایین باید از وجود ترکیبات واکسی پارافینیک نیز زدوده شود. واکس زدایی، مجددا، منجر به تولید دو محصول می گردد: توده ای از واکس پارافینیک بعنوان محصول جانبی این فرآیند که کاربرد های خاص خود را در صنایع پزشکی، اسباب بازی، شمع سازی، لوازم خانگی، و صنایع غذایی داشته و روغنی بدون واکس که مخلوطی از پارافین ها، نفتِن ها، و برخی ترکیبات آروماتیک است. این روغن پایه اکنون می تواند برای تولید بسیاری از روغن های صنعتی بعنوان روغن پایه بکار رود. اما، برخی روغنساز ها، بمنظور دستیابی به کیفیت بالاتر در برخی از محصولات خود، سفارش یک فرآیند تکمیلی دیگر را نیز علاوه بر این زنجیره فرآیندی می دهند. این حلقه تکمیلی را اصطلاحا فینیشینگ یا هیدروفینیشینگ می نامند.

1.4 هیدروفینیشینگ (Hydro-finishing): هدف از این فرآیند، ایجاد تغییر و یکنواخت سازی رفتار کامپاند های قطبی حاضر در ترکیب روغن پایه با توسل به زنجیره ای از واکنش های شیمیایی با استفاده از اتم هیدروژن و البته چاشنی حرارت و فشار است. روغن پایه ای که این فرآیند را از سر می گذراند، ظاهری شفافتر و رفتار شیمیایی پایدارتری خواهد داشت. کیفیت روغنی که از این فرآیند بدست می آید به پیچیدگی هیدروفینیشینگ، سطح فناوری بکار رفته در طراحی این فرآیند، و کیفیت توزیع و اعمال حرارت و فشاری است که به روغن پایه طی این فرآیند وارد می شود.

2. مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه از طریق استحاله شیمیایی (Conversion Process):

این روش اخیرا مورد توجه شرکت های پیشرو در حوزه تولید روغن های پایه قرار گرفته و شامل زنجیره ای متفاوت از ایستگاه های فرآیندی نسبت به روش جداسازی شیمیایی است. نمایی ساده شده از این زنجیره در شکل 3 نشان داده شده است. این زنجیره فرآیندی را اصطلاحا با عنوان مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه به روش استحاله شیمیایی می شناسند.

شکل 3: نمای ساده شده ای از زنجیره فرآیندی موسوم به استحاله شیمیایی

این روش که مجموعه ای از فرآیند های بین دو ایستگاه فرآیندی تولید روغن پایه از نفت خام، یعنی تقطیر و محصول نهایی، را تشکیل می دهد عبارتست از:

2.1 شکست هیدروژنی (Hydro-Cracking): هدف از این فرآیند پالایشی، شکستن پیوند های شیمیایی حاضر در ترکیب روغن تقطیر شده از نفت خام است. برای این منظور از کاتالیسیتی با دمای 420 درجه سلسیوس و فشار 3000 پی اس آی می باشند. طی این فرآیند، حلقه های نفتن و آروماتیک شکسته شده و کامپاند های شیمیایی حاصله با استفاده از اتم های آزاد هیدروژن مجددا به یکدیگر پیوسته و تشکیل یک ساختار ایزوپارافینیک می دهند. بدین ترتیب، روغن از ساختاری یکدست برخوردار شده و در عین حال، ترکیبات نامطلوبی مانند آب، آمونیا، و سولفید هیدروژن نیز از ساختار آن زدوده می شوند.

2.2 واکس زدایی هیدروژنی (Hydro-dewaxing): مانند شکست هیدورژنی، واکس زدایی هیدروژنی نیز سعی در تبدیل کامپاند های واکسی پارافینیک به ساختار های ایزوپارافینیک با توسل به اعمال فشار و حرارت طی عبور از یک کاتالیست است. بدین ترتیب، ساختار شیمیایی روغن پایه نفتی که تا این مرحله از پالایش را از سر گذرانده است، یکنواختی بیشتری خواهد یافت. شکل 4 نمای شماتیکی از پیچیدگی ساختاری نفتن ها و آروماتیک ها را در برابر ساختار های پارافینیک و ایزوپارافین نشان می دهد.

شکل 4: نمای شماتیکی از ساختارهای شیمیایی حاضر در روغن های پایه نفتی (مینرال)

2.3 یکنواخت سازی هیدروژنی (Hydro-treating): از آنجا که طی دو ایستگاه فرآیندی قبلی، پیوند های شیمیایی بین دو اتم کربن نیز به وفور اتفاق می افتد، ملکول های اشباع نشده فراوانی در ساختار روغن حضور خواهند داشت و این منجر به ناپایداری شدیدی در رفتار شیمایی و فیزیکی روغن می گردد. از این رو، لازم است با معرفی هیدروژن، این ملکول های اشباع نشده را به کامپاند های اشباع شده، پایدار، و هیدراته تبدیل نمود تا رفتار روغن در برابر اکسیداسیون و نیتراسیون بهبود یابد.

اکنون که به تشریح این دو روش در تولید روغن های پایه از نفت خام پرداختیم، ممکن است این سوال برای خواننده این پست مطرح شود که تفاوت محصول خروجی از این دو روش در روغنسازی چیست؟ آیا کیفیت روغن پایه مینرال حاصل از روش استحاله شیمیایی از روش جداسازی بالاتر است؟ پاسخ در جدول 1 خلاصه شده است.

جدول 1: تفاوت خواص روغن حاصله از دو روش جداسازی و استحاله شیمیایی

بارزترین اختلاف در روغن پایه حاصل از نفت خام به روش استحاله شیمیایی نسبت به جداسازی را می توان در حضور کامپاند های آروماتیک در ساختار محصول رخ می نماید. استحاله شیمیایی روغنی را بدست می دهد که کمتر از 0.5 درصد کامپاند های آروماتیک داشته باشد. این در حالی است که روغن پایه حاصل از روش جداسازی میزبان معمولا بین 15 تا 20 درصد کامپاند های آروماتیک در ساختار خود است. از آنجا که دانسیته روغن ارتباط مستقیمی با میزان حضور کامپاند های آروماتیک دارد، بنابراین می توان نتیجه گرفت که روغن های پایه حاصل از روش جداسازی شیمیایی ازدانسیته بالاتری برخوردارند. این بدان معنی است که ویسکوزیته سینماتیک این روغن ها در قیاس با روغن های پایه ای که از روش استحاله شیمیایی بدست می آیند بسیار کمتر است که می تواند در خواص مکانیکی آنها از جمله قابلیت پمپاژ در دما های مختلف تاثیر شدیدی بگذارد. در عین حال، حضور کامپاند های آروماتیک در مقاومت به اکسیداسیون تاثیر منفی دارد. از این رو، روغن های پایه گروه I، II، و III که از روش استحاله شیمیایی بدست می آیند ذاتا از مقاومت بیشتری در برابر اکسیداسیون برخوردارند.

این تنها یک نمونه از اختلافات فاحشی بود که بین خواص عملکردی روغن های پایه حاصل از دو روش جداسازی و استحاله شیمیایی مشاهده شده است. از دیدگاه اقتصادی، اما، روغن های پایه مینرال حاصل از استحاله شیمیایی قیمتی بالاتر (حدود 80 درصد) از همتایان حاصل از روش جداسازی شیمیایی دارند.