Smeerolie: Typen, Toepassingen en Prestaties

Achtergrond

Sinds de Romeinse tijd zijn verschillende vloeistoffen, waaronder water, gebruikt als smeermiddelen om wrijving, hitte en slijtage tussen mechanische onderdelen die met elkaar in contact komen, te minimaliseren. Tegenwoordig is smeerolie, of lubriekerende olie, het meest gebruikte smeermiddel vanwege de brede toepassingsmogelijkheden. De twee basiscategorieën van smeerolie zijn mineraal en synthetisch. Mineraaloliën worden geraffineerd van natuurlijk voorkomend petroleum, of ruwe olie. Synthetische oliën zijn gefabriceerde polyalphaolefinen, die koolwaterstofgebaseerde polyglycolen of esteroliën zijn.

Hoewel er veel typen smeeroliën beschikbaar zijn, zijn mineraaloliën het meest gebruikt omdat de voorraad ruwe olie ze goedkoop maakt; bovendien bestaat er al een grote hoeveelheid data over hun eigenschappen en gebruik. Een ander voordeel van mineraalgebaseerde smeeroliën is dat ze geproduceerd kunnen worden in een breed scala aan viscositeiten - viscositeit verwijst naar de weerstand van een stroom tegen stromen - voor diverse toepassingen. Ze variëren van laag-viscoze oliën, die bestaan uit waterstof-koolstofketens met molecuulgewichten van ongeveer 200 atoommassaeenheden (amu), tot hoog-viscoze smeermiddelen met molecuulgewichten tot 1000 amu. Mineraalgebaseerde oliën met verschillende viscositeiten kunnen zelfs samen worden gemengd om hun prestaties in een bepaalde toepassing te verbeteren. De veelvoorkomende 10W-30 motorolie is bijvoorbeeld een mengsel van laag-viscoze olie (voor gemakkelijk opstarten bij lage temperaturen) en hoog-viscoze olie (voor betere bescherming van de motor bij normale Betriebstemperaturen).

Eerst gebruikt in de luchtvaartindustrie, worden synthetische smeermiddelen meestal geformuleerd voor een specifieke toepassing waar mineraaloliën ongeschikt voor zijn. Bijvoorbeeld worden synthetische oliën gebruikt waar extreem hoge Betriebstemperaturen optreden of waar de smeerolie brandbestendig moet zijn. Dit artikel richt zich op mineraalgebaseerde smeerolie.

Grondstoffen

Smeeroliën zijn slechts een van de veel fracties, of componenten, die afgeleid kunnen worden van ruw petroleum, dat uit een olieput komt als een geel-tot-zwarte, ontvlambare, vloeibare mengsel van duizenden koolwaterstoffen (organische verbindingen die alleen koolstof- en waterstofatomen bevatten, deze komen in alle fossiele brandstoffen voor). Petroleumafzettingen zijn gevormd door de ontbinding van kleine planten en dieren die ongeveer 400 miljoen jaar geleden leefden. Vanwege klimaats- en geografische veranderingen die toen in de geschiedenis van de aarde plaatsvonden, varieerde de afbraak van deze organismen per regio.

Vanwege de verschillende snelheden waarmee organisch materiaal in verschillende plaatsen ontbond, variëren de aard en het percentage van de resulterende koolwaterstoffen enorm. Daardoor verschillen ook de fysieke en chemische kenmerken van de ruwe oliën die uit verschillende locaties gewonnen worden. Zo heeft Californisch ruw petroleum een specifiek gewicht van 0,92 gram/milliliter, terwijl het lichtere Pennsylvaanse ruw petroleum een specifiek gewicht heeft van 0,81 gram/milliliter. (Specifiek gewicht, wat verwijst naar de verhouding van het gewicht van een stof tot dat van een gelijk volume water, is een belangrijk aspect van ruwe olie.) Over het algemeen ligt het specifieke gewicht van ruwe oliën tussen 0,80 en 0,97 gram/milliliter.

Afhankelijk van de toepassing kunnen chemicaliën, additives genaamd, worden gemengd met de Smeerolie wordt geraffineerd uit ruwe olie. Na een zuiveringsproces genaamd sedimentatie, wordt de ruwe olie verhit in enorme fractietorens. De verschillende dampen - die gebruikt kunnen worden om brandstof, wassen of propaan te maken, onder andere stoffen - verdampen en worden op verschillende punten in de toren verzameld. De verzamelde smeerolie wordt gefilterd, en daarna worden additives toegevoegd. geraffinneerde olie om de gewenste fysieke eigenschappen te geven. Veelvoorkomende additives zijn metalen zoals lood of metaalsulfide, die de vermogen van smeerolie verbeteren om klemmen en schrammen te voorkomen wanneer metaaloppervlakken onder extreem hoge druk in contact komen. Hoog-moleculaire polymere zijn een andere veelvoorkomende additive: ze verbeteren de viscositeit, tegenwerkend de neiging van oliën om dunner te worden bij hoge temperaturen. Nitrosaminen worden gebruikt als antioxydanten en corrosieremmers omdat ze zuren neutraliseren en beschermende films op metaaloppervlakken vormen.

Het Fabricageproces

Smeerolie wordt onttrokken aan ruwe olie, die een voorlopig zuiveringsproces (sedimentatie) ondergaat voordat het in fractietorens wordt gepompt. Een typische hoog-efficiënte fractietoren, 25 tot 35 voet (7,6 tot 10,6 meter) in diameter en tot 400 voet (122 meter) hoog, is gemaakt van hoogwaardige stalen om de corrosieve verbindingen in ruwe oliën te weerstaan; aan de binnenkant is het uitgerust met een oplopende reeks condensaatverzamelingsschalen. Binnen een toren worden de duizenden koolwaterstoffen in ruwe olie van elkaar gescheiden door een proces genaamd fractionerende destillatie. Terwijl de dampen omhoog stijgen door de toren, koelen de verschillende fracties af, condenseren en keren terug naar vloeibare vorm op verschillende snelheden bepaald door hun respectievelijke kokpunten (hoe lager het kokpunt van de fractie, hoe hoger het stijgt voordat het condenseert). Aardgas bereikt het eerst zijn kokpunt, gevolgd door benzine, kerosine, brandstofolie, smeermiddelen en teer.

Sedimentatie

• 1 De ruwe olie wordt van de olieput naar de raffinaderij getransporteerd door een pijpleiding of tankschip. In de raffinaderij ondergaat de olie sedimentatie om water en vaste verontreinigingen, zoals zand en rots, die erin geschorst kunnen zijn, te verwijderen. Tijdens dit proces wordt de ruwe olie in grote opslagtanks gepompt, waar water en olie gescheiden kunnen worden en de verontreinigingen uit de olie neerzinken.

Fractioneren

• 2 Vervolgens wordt de ruwe olie verhit tot ongeveer 700 graden Fahrenheit (371 graden Celsius). Bij deze temperatuur breekt het af in een mengsel van hete damp en vloeistof dat vervolgens in de bodem van de eerste van twee fractietorens wordt gepompt. Hier zweven de hete koolwaterstofdampen omhoog. Terwijl ze afkoelen, condenseren ze en worden ze in verschillende schalen op verschillende niveaus in de toren verzameld. In deze toren wordt continu normale atmosferische druk gehandhaafd, en verdampt ongeveer 80 procent van de ruwe olie.
• 3 De overgebleven 20 procent van de olie wordt opnieuw verhit en in een tweede toren gepompt, waarin vacuümdruk het kokpunt van de restolie verlaagt zodat het kan verdampen bij een lagere temperatuur. De zwaardere verbindingen met hogere kokpunten, zoals teer en anorganische verbindingen, blijven achter voor verdere verwerking.

Filteren en oplosmiddel extractie

• 4 Na verdere verwerking om ongewenste verbindingen te verwijderen, wordt de smeerolie die in de twee fractietorens is verzameld, door verschillende ultrafijne filters geleid, die resterende onzuiverheden verwijderen. Aromaten, een dergelijke verontreiniging, bevatten zestig-koolstofringen die de viscositeit van de smeerolie zouden beïnvloeden als ze niet verwijderd zouden worden in een proces genaamd oplosmiddel extractie. Oplosmiddel extractie is mogelijk omdat aromaten beter oplosbaar zijn in het oplosmiddel dan de smeeroliefractie. Wanneer de smeerolie met het oplosmiddel behandeld wordt, lossen de aromaten op; later, nadat het oplosmiddel verwijderd is, kunnen de aromaten eruit worden herwonnen.

Additives, inspectie en verpakking

• 5 Ten slotte wordt de olie gemengd met additives om de gewenste fysieke eigenschappen te geven (zoals de capaciteit om lage temperaturen te weerstaan). Op dit moment wordt de smeerolie blootgesteld aan een verscheidenheid aan kwaliteitscontrole tests die de viscositeit, specifiek gewicht, kleur, vlampunt en brandpunt beoordelen. Olie die aan de kwaliteitseisen voldoet, wordt vervolgens verpakt voor verkoop en distributie.

Kwaliteitscontrole

De meeste toepassingen van smeeroliën vereisen dat ze niet-harsachtig, bleek gekleurd, geurloos en oxidatiebestendig zijn. Meer dan een dozijn fysieke en chemische tests worden gebruikt om smeeroliën te classificeren en de graad te bepalen. Veelvoorkomende fysieke tests omvatten metingen voor viscositeit, specifiek gewicht en kleur, terwijl typische chemische tests die voor vlampunt en brandpunt omvatten.

Van alle eigenschappen is viscositeit, de weerstand van een smeerolie tegen stromen bij specifieke temperaturen en druk, waarschijnlijk de allerbelangrijkste. De toepassing en het Betriebstemperatuurgebied zijn sleutelfactoren bij het bepalen van de juiste viscositeit voor een olie. Als de olie te viscoos is, biedt het te veel weerstand aan de metalen delen die tegen elkaar bewegen. Aan de andere kant, als het niet viscoos genoeg is, zal het uit tussen de paarende oppervlakken worden geperst en niet in staat zijn om ze voldoende te smeren. De Saybolt Standaard Universele Viscometer is het standaardinstrument voor het bepalen van de viscositeit van petroleum smeermiddelen tussen 70 en 210 graden Fahrenheit (21 en 99 graden Celsius). Viscositeit wordt gemeten in de Saybolt Universele seconde, wat de tijd in seconden is die nodig is voor 50 milliliter olie om uit een Saybolt viscometer bekertje door een gekalibreerde buisopening te lopen bij een gegeven temperatuur.

Het specifieke gewicht van een olie hangt af van de raffinagemethode en de typen additives die aanwezig zijn, zoals lood, dat de smeerolie de capaciteit geeft om extreme paaroppervlaktedruk en koude temperaturen te weerstaan. De kleur van de smeerolie geeft de uniformiteit van een bepaalde graad of merk aan. Het vlampunt en brandpunt van de olie variëren met de herkomst van de ruwe olie. Het vlampunt is de temperatuur waartoe een olie verhit moet worden totdat voldoende ontvlambare damp wordt afgedreven zodat het ontvlamt wanneer het in contact komt met een vlam. Het brandpunt is de hogere temperatuur waarop de oliedamp doorgaaat te branden wanneer het ontsteekt.

Gewone motoroliën worden geklassificeerd op viscositeit en prestaties volgens specificaties vastgelegd door de Society of Automotive Engineers (SAE). Prestatiefactoren omvatten slijtagepreventie, olieslibafzetting en olieverdikking.

De Toekomst

De toekomst van mineraalgebaseerde smeerolie is beperkt, omdat de natuurlijke voorraden petroleum zowel eindig als niet-hernieuwbaar zijn. Experts schatten de totale winnende lichte tot middelgrote petroleumreserves op 1,6 biljoen vaten, waarvan een derde al gebruikt is. Dus zullen synthetisch-gebaseerde oliën waarschijnlijk steeds belangrijker worden naarmate de natuurlijke reserves afnemen. Dit geldt niet alleen voor smeerolie maar ook voor de andere producten die voortkomen uit petroleumraffinage.