автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Разработка технологии производства нефтяных маловязких масел с применением гидрокаталитических процессов

ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке"

Шабалина Татьяна Николаевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НЕФТЯНЫХ МАЛОВЯЗКИХ МАСЕЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

05.17.07 - Химическая технология топлива

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Книга I

Москва, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 4

Глава 1 МАЛОВЯЗКИЕ НЕФТЯНЫЕ МАСЛА И ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)........... 12

1.1. Современные требования к маловязким маслам и рабочим жидкостям специального назначения................... 13

1.2. Состояние производства нефтяных маловязких масел, рабочих жидкостей и адъювантов........................ 36

1.3. Технические аспекты получения маловязких деароматизи-рованных масел и рабочих жидкостей.................. 43

1.4. Гидрокаталитические процессы, применяемые в производстве нефтяных масел................................. 45

1.5. Задачи исследования.................................. 55

Глава 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ............. 57

2.1. Разработка единой схемы исследований................ 57

2.2. Характеристика исходных компонентов и технология их получения........................................... 64

2.3. Оценка состава и физико-химических свойств масел и жидкостей .............................................. 90

2.4. Методы оценки эксплуатационных свойств маловязких масел и рабочих жидкостей........................... 105

2.5. Определение загрязненности масел продуктами износа ... 114

Глава 3 ЗАВИСИМОСТЬ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАЛОВЯЗКИХ МАСЕЛ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ОТ УГЛЕВОДОРОДНОГО СОСТАВА ................................................. 116

3.1. Влияние углеводородного состава нефтяных рабочих жидкостей на их основные эксплуатационные свойства при применении в электроэрозионных станках различной мощности ................................................. 116

3.2. Зависимость основных эксплуатационных свойств масел для автономных гидравлических приводов ракет от их углеводородного состава.................................... 130

3.3. Влияние углеводородного состава разбавителя трибутилфос-

фата на процесс экстракции актиноидов................ 171

3.4. Влияние углеводородного состава нефтяного масляного адъ-юванта на его биологические свойства................. 176

Выводы.................................................. 192

Глава 4 РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МАЛОВЯЗКИХ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ И МАСЕЛ ИЗ ПРОДУКТОВ ГИДРОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ.................... 196

4Л. Разработка технологии производства рабочей жидкости РЖ-3 для электроэрозионной обработки металлов на станках малой мощности................................. 197

4.2. Разработка технологии производства рабочей жидкости РЖ-8 для электроэрозионной обработки металлов на станках средней и большой мощности...................... 199

4.3. Разработка технологии производства гидравлических масел для автономных гидравлических приводов ракет..... 202

4.4. Разработка технологии получения маловязких экологически чистых нефтяных масел для биопрепаратов......... 246

Выводы.................................................. 285

Глава 5 ИСПЫТАНИЯ МАЛОВЯЗКИХ МАСЕЛ И РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ У ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, ОРГАНИЗАЦИЯ ИХ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА, РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ.......................... 290

5.1. Рабочие жидкости на доводочных операциях механосборочных производств.................................. 291

5.2. Маловязкие масла для смазки высокоскоростных легко нагруженных механизмов............................... 294

5.3. Смазочно-формовочная жидкость для литейных производств 299

5.4. Смазка технологическая СТАЛ-3....................... 303

5.5. Разбавитель ТБФ для экстракции актиноидов........... 308

5.6. Эксплуатационные испытания масел РМ"у" и РМЦ"у" в изделиях у потребителей................................ 309

5.7. Испытания опытных образцов масел МГ-7-Б, МГ-10-Б в натурных изделиях..................................... 317

Выводы.................................................. 335

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................ 342

ЛИТЕРАТУРА................................................ 346

ПРИЛОЖЕНИЯ

книга II

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение по праву считается точкой опоры научно-технического прогресса, главного рычага повышения эффективности производства, поскольку именно в машиностроении материализуются основные научно-технические идеи. Совершенствование этой важнейшей отрасли народного хозяйства, осуществляемое путем внедрения новых малоотходных ресурсосберегающих технологий, повышения точности обработки и чистоты поверхности при увеличении производства и интенсификации процесса, требует применения новых смазочных материалов, характеризующихся рядом специфических свойств [1,2].

Ускорение научно-технического прогресса наряду с повышением требований к качеству всех изделий и технологий выявило новые отрасли, для которых потребление нефтепродуктов не являлось традиционным. Это - биологическая промышленность, ответственная за обеспечение сельского хозяйства ветеринарными препаратами, а также радиохимическое производство, осуществляющее извлечение радиоактивных элементов из отработанного топлива атомных реакторов.

Указанные отрасли народного хозяйства, хотя и не являются крупными потребителями нефтепродуктов, нуждаются в специальных жидкостях, отвечающих ряду специфических требований, важнейшими из которых являются низкая вязкость, высокая термоокислительная и радиохимическая стабильность, малая пожароопасность и низкая токсичность, хорошие биологические характеристики и другие. Как и новые масла для машиностроения, эта группа масел отличается особыми требованиями к углеводородному составу, которые характеризуются низким содержанием полициклических ароматических углеводородов и соединений серы, азота и кислорода.

Маловязкие индустриальные масла, хотя и составляют наименьшую по количеству марок и объему производства группу масел, имеют очень разнообразные области применения. Они выполняют сложные и ответственные

функции смазки и охлаждения высокоскоростных шпиндельных узлов и зубчатых передач металлорежущих станков, текстильных машин, а также передачи усилий в гидравлических системах высокоточных станков, обеспечения финишных доводочных операций хонигования, шлифования, полирования и мойки деталей. Из шести марок масел, вырабатываемых с 70-х годов для лег-конагруженных высокоскоростных механизмов, только одна марка (ИГП-14) производится стабильно, но и она на сегодня не обеспечивает всей потребности народного хозяйства. Остальные марки (ИГП-4,6,8) вырабатываются только одним предприятием периодически, а масло ВИ-4 снято с производства. Это приводит к использованию вместо маловязких масел керосина, его смесей с индустриальным маслом И-12А или дизельного топлива, что вызывает не только повышенный расход и нерациональное применение нефтепродуктов, но и ухудшение санитарно-гигиенических условий труда и экологической обстановки на машиностроительных заводах.

Традиционная технология получения маловязких индустриальных и гидравлических масел базировалась на двух способах очистки: кислотно-щелочной из малосернистых и селективной очистки из сернистых нефтей [1,3].

Вследствие общей тенденции развития всего народного хозяйства, выражающейся в повышении требований к экологической безопасности технологических процессов, отечественная нефтеперерабатывающая промышленность поставлена в трудные условия необходимости обеспечения различных отраслей высококачественными глубокодеароматизированными маслами и невозможности применения для их изготовления относительно дешевой, но опасной для окружающей среды технологии сернокислотной очистки.

Последнее обстоятельство явилось причиной прекращения производства даже того незначительного количества маловязких гидравлических масел (ЛЗМГ-2, АМГ-10, РМ, РМЦ и др.), получаемых из глубокодеароматизиро-ванных основ из уникальных малосернистых нефтей циклоалканового основания. Прекращение эксплуатации установок сернокислотной очистки, как экологически вредных, и экономическая невыгодность получения маловязких

масел селективной очистки выдвинуло необходимость поиска альтернативных технологий.

С учетом жалоб потребителей на высокую токсичность отечественных маловязких нефтяных масел и их плохой цвет, по сравнению с зарубежными практически бесцветными маслами, была поставлена задача создания отечественного ассортимента маловязких индустриальных масел с применением технологии, обеспечивающей минимальное содержание в маслах полициклических ароматических углеводородов и гетеросоединений [4].

Современной малоотходной и экологически безопасной технологией являются гидрокаталитические процессы переработки нефтяного сырья (глубокое гидрирование, гидрокрекинг, гидроизомеризация, каталитическая депа-рафинизация и другие), обеспечивающие во всем мире получение высококачественных топлив и масел [5-7].

Учитывая вышеизложенное, задачей настоящего исследования являлась разработка технологии получения новых маловязких деароматизи-рованных масел различного назначения с применением современных гидрокаталитических процессов переработки нефтяного сырья.

В предыдущих работах [8-17] показана возможность получения маловязких основ высокоиндексных гидравлических, приборных, индустриальных, трансмиссионных и авиационных масел путем гидрогенизационной переработки высокопарафинистых отходов масляного производства - петролату-ма и фильтратов обезмасливания.

Целью настоящих исследований явилась разработка технологии гидрокаталитической переработки высокопарафинистых остатков для получения основ вновь разрабатываемых масел и рабочих жидкостей, а также сопоставление эксплуатационных характеристик масел, полученных с применением гидрокаталитических процессов переработки различного нефтяного сырья.

Кроме того, уникальные вязкостно-температурные и пьезовязкостные свойства масел [18-25], обеспечиваемые высоким содержанием изоалкановых

углеводородов делают их довольно привлекательным объектом для изучения поведения углеводородов этого типа в новых условиях.

Одновременно в задачу настоящих исследований входил также поиск наиболее доступных технологических решений, базирующихся на действующих мощностях и использующих имеющееся оборудование. При этом в каждом конкретном случае отправной точкой являлись требования потребителей к основным эксплуатационным свойствам масел или технологических жидкостей.

Диссертационная работа посвящена разработке и внедрению в нефтеперерабатывающей промышленности с использованием современных гидрокаталитических процессов специального ассортимента маловязких масел следующего назначения:

- рабочих жидкостей для электроэрозионных станков малой, средней и большой мощности;

- гидравлических жидкостей для автономного гидравлического привода ракет;

- масел-адъювантов для вакцинации животных в сельском хозяйстве;

- радиационно стойких разбавителей экстрагентов актиноидов;

- смазочно-охлаждающих жидкостей для механосборочных производств;

- разделительных покрытий для изготовления литейных моделей из песча-но-глинистых разовых прессформ.

Одновременно рассматривались нужды и других отраслей в подобных продуктах.

Специфичность условий применения вышеперечисленных жидкостей, обусловленная тем обстоятельством, что для ряда областей продукты создавались впервые, поставила задачу определения влияния углеводородов, составляющих масло, на основные эксплуатационные свойства. При этом было необходимым создание модельных смесей определенного углеводородного состава и исследование их эксплуатационных свойств, например, фильтруемость и светопропускание для электроэрозионных станков; смазочные свойства, виб-

рационную и радиационную стойкость жидкостей для объемных гидравлических приводов ракет, адъювантные, эммуногенные и реактогенные свойства для биопрепаратов и другие.

Учитывая, что в практике нефтепереработки многие свойства маловязких масел было невозможно изучить, работа проводилась совместно с отраслевыми институтами: ЭНИМС, НИИТавтопром, ВНИЯИ, ИЭЛ АН СССР, Радиевый институт им. Хлопина и др., где как модельные масла, так и образцы, получаемые в ходе разработки технологии их получения, испытывались по специальным методам испытаний, включая стенды, а биопрепараты на лабораторных и сельскохозяйственных животных.

Проведенные глубокие исследования влияния углеводородного состава разрабатываемых рабочих жидкостей и масел позволили определить оптимальные фракционный и углеводородный составы, физико-химические характеристики каждого продукта. Для продуктов, разрабатываемых впервые, выявлены закономерности, позволившие изменить некоторые представления о физико-химических свойствах, например, опровергнуть выдвинутое заказчи-

О л

ком условие о необходимости низкой вязкости (не более 8 мм /с при 20 С) для масляного адъюванта. Исследования позволили установить, что желательными для большинства масел являются циклоалкановые и изоалкановые углеводороды, а нежелательными - ароматические и н-алканы. Выявлены закономерности между молекулярной массой и реактогенностью масел для адъ-

п о

юванта. Поэтому вместо одного масла с вязкостью при 20 С равной 8,5 мм /с разработано еще два масла с вязкостью - 13,5 мм2/с и 18-27 мм2/с. Последнее по качеству превосходит лучшие зарубежные образцы.

Впервые исследованы противоизносные и радиационные свойства масел для гидравлических систем объемного гидропривода ракет и определен оптимальный углеводородный состав, обеспечивающий ресурс работы без долива и замены.

Основное внимание в работе сосредоточено на разработке качественно новых экологически безопасных маловязких масел и технологических жидко-

стей на базе современных гидрокаталитических процессов, обеспечивающих получение продуктов заданного углеводородного состава и со специфическими эксплуатационными свойствами.

В диссертации обобщены и использованы результаты многолетних исследований по следующим основным вопросам:

1. Развитие нового направления по разработке ассортимента маловязких масел или рабочих жидкостей на основе продуктов многоступенчатой гидро-генизационной переработки нефтяного сырья: гидрокрекинг, гидроизомеризация, каталитическая депарафинизация, гидродоочистка.

2. Исследование зависимости фильтруемости, светопропуекания, проти-воизносных свойств, радиационной стойкости, адьювантных и иммуногенных свойств и реактогенности от состава и структуры углеводородов, содержащихся в маловязких продуктах каталитической переработки нефтяного сырья в сравнении с подобными, получаемыми из нефти традиционными способами (сернокислотная и селективная очистка, гидродоочистка).

3. Решение проблемы создания специальных маловязких рабочих жидкостей для электро-эрозионных станков взамен применяемых керосина и его смесей с маслом И-12А.

4. Создание гидравлических масел для автономного гидропривода ракет с целью замены снятых с производства масел РМ и РМЦ из дистиллята бала-ханской нефти.

5. Создание научно-обоснованного ассортимента глубокодеароматизи-рованных масел для биопрепаратов из продуктов гидрогенизационной переработки нефтяного сырья.

6. Применение новых методов исследования эксплуатационных свойств маловязких масел и рабочих жидкостей.

Разработаны, испытаны, организовано промышленное производство и применение следующих продуктов:

- рабочие жидкости РЖ-3 и РЖ-8;

- гидравлические масла МГ-7-Б и МГ-10-Б;

- масляные адъюванты с кинематической вязкостью при 20 °С 3-х уровней: 8,5 , 13,5 и 18-27 мм2/с;

- технологические жидкости ИМП-5 и СТАЛ-3;

- разделительная модельная смазочная жидкость СЖФ-9;

- разбавитель для экстракционных процессов производства актиноидов.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов,

списка литературы и приложения.

В обзоре литературы (глава 1) в соответствии с поставленными задачами рассмотрены современные требования к маловязким рабочим жидкостям и маслам специального назначения и пути улучшения их эксплуатационных свойств.

Объекты и методы исследования описаны в главе 2. Более обстоятельно рассмотрены впервые применяемые и вновь разработанные методы исследований маловязких масел.

В главе 3 рассмотрено влияние углеводородного состава на основные эксплуатационные свойства маловязких масел и технологических жидкостей различной молекулярной массы и фракционного состава. Полученные результаты легли в основу разработки и внедрения в производство новых жидкостей для электро-эрозионных станков, гидравлических масел для автономных гидроприводов ракет, масел для биопрепаратов и др.

Глава 4 посвящена разработке технологии получения вышеназванных маловязких нефтепродуктов со специфическими свойствами с применением современных гидрокаталитических процессов переработки нефтяного сырь