Литературная Газета 6440 ( № 47 2013)

В масле главное – чистота и текучесть

Масло для трансформатора

Всем известно, что продукты глубокой переработки нефти используются как топливо для автомобилей, самолётов и ракет. Но из нефти получают также различные масла, причём не только для двигателей разных типов, но и для весьма важных и необходимых на каждом шагу силовых трансформаторов или выключателей. Это устройства, в которых протекает электрический ток высокого напряжения и где необходима защита от возможных вспышек и искрения. Немаловажна также функция охлаждения.

Трансформаторные масла - минеральные масла высокой чистоты и низкой вязкости. Применяются для заливки силовых и измерительных трансформаторов, реакторного оборудования, а также масляных выключателей. Предназначены для изоляции находящихся под напряжением частей и узлов силового трансформатора, отвода тепла от нагревающихся при работе трансформатора частей, а также предохранения изоляции от увлажнения.

Трансформаторные масла выполняют функции дугогасящей среды. Электроизоляционные свойства масел определяются в основном тангенсом угла диэлектрических потерь. Диэлектрическая прочность трансформаторных масел, в свою очередь, в основном определяется наличием волокон и воды, поэтому механические примеси и вода в таких маслах должны полностью отсутствовать.

Низкая температура застывания масел (минус 45С и ниже) нужна для сохранения их подвижности в условиях пониженных температур. Для обеспечения эффективного отвода тепла трансформаторные масла должны обладать наименьшей вязкостью при температуре вспышки не ниже 95, 125, 135 и 150°С для разных марок.

Наиболее важное свойство трансформаторных масел – это их стабильность против окисления, то есть способность сохранять свои параметры при длительной работе.

Обычно все сорта таких отечественных масел содержат эффективную антиокислительную присадку.

Эксплуатационные свойства трансформаторного масла определяются его химическим составом, который зависит главным образом от химического состава сырья и применяемых способов его очистки. Применяемые марки трансформаторного масла отличаются химическим составом и эксплуатационными свойствами и имеют различные области применения. В новые масляные трансформаторы следует заливать только свежие трансформаторные масла, не бывшие в эксплуатации. Каждая партия трансформаторного масла, применяемая для заливки и доливки трансформаторов, должна иметь сертификат завода – поставщика масла. Свежее трансформаторное масло, поступающее с нефтеперерабатывающих предприятий, перед заливкой в силовые трансформаторы следует очистить от имеющихся механических примесей, влаги и газов. Влага в трансформаторном масле может находиться в состоянии осадка, в виде эмульсии и в растворённом состоянии. Подготовленное для заливки трансформаторное масло полностью очищается от влаги, находящейся в эмульсионном состоянии и в виде отстоя. В растворённом состоянии влага не оказывает значительного влияния на электрическую прочность и тангенс угла потерь, однако способствует повышению окисляемости трансформаторного масла и снижению его стабильности. Поэтому достижение удовлетворительных значений пробивного напряжения и тангенса угла потерь трансформаторного масла не является окончательным критерием очистки. При атмосферном давлении в трансформаторном масле может быть растворено 10% воздуха. Перед заливкой в силовые трансформаторы, оборудованные азотной и плёночной защитой, трансформаторное масло должно быть дегазировано до остаточного газосодержания не более 0,1% массы. После очистки в масле должны отсутствовать механические примеси.

Масляное производство

Процесс производства высококачественного трансформаторного или моторного масла состоит из нескольких этапов.

Вначале идёт гидрокрекинг вакуумного газойля.

Что такое крекинг? Кре́кинг (или расщепление) – это высокотемпературная переработка нефти и её фракций для получения моторных топлив, смазочных масел, а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Крекинг протекает с разрывом связей С–С и образованием свободных радикалов. Одновременно с разрывом связей С–С происходят дегидрирование, изомеризация, полимеризация и конденсация всех составляющих. В результате последних двух процессов образуются крекинг-остаток (фракция с температурой кипения более 350°C) и нефтяной кокс.

Cправка :

Первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга нефти была создана и запатентована великим русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым в 1891 году (патент Российской империи № 12926 от 27 ноября 1891 года). Была сделана экспериментальная установка. Научные и инженерные решения Шухова повторены У. Бартоном при сооружении первой промышленной установки в США в 1915–1918 годах. Первые отечественные промышленные установки крекинга построены Владимиром Шуховым в 1934 году на заводе "Советский крекинг" в Баку.

Крекинг проводят нагреванием нефтяного сырья или одновременным воздействием на него высокой температуры и катализаторов.

Вакуумный газойль – это смесь нефтепродуктов, кипящая при 250–300 градусах Цельсия. Гидрокрекинг вакуумного газойля – это его переработка в присутствии водорода и молибденовых катализаторов при высоком давлении и температуре.

Гидрокрекинг – гидрокаталитическая переработка сырья для получения базовых масел с высоким индексом вязкости (100 и выше), низким содержанием сернистых и ароматических углеводородов. Масла нужного качества получаются не удалением нежелательных компонентов из сырья (как в случае с очисткой селективными растворителями, адсорбционной очисткой и гидроочисткой), а преобразованием их в углеводороды необходимой структуры за счёт реакций гидрирования, крекинга, изомеризации и гидрогенолиза (происходит удаление серы, азота, кислорода), что сказывается на стабильности получаемых масел. При гидрокрекинге получают высококачественные основы широкого ассортимента товарных смазочных масел: гидравлических, трансформаторных, моторных, энергетических, индустриальных и так далее. По своим физико-химическим свойствам масла гидрокрекинга приближаются по свойствам к синтетическим маслам или полиальфаолефинов при более низкой стоимости производства. По сравнению с базовыми маслами, получаемыми традиционными способами очистки, масла гидрокрекинга имеют безоговорочные преимущества, особенно при производстве автомобильных масел.

С развитием промышленности и техники всё более и более высокие требования предъявляются к качеству вырабатываемых масел. Эти требования хорошо известны. Это повышенный индекс вязкости, высокий уровень насыщения для продления срока службы, низкое содержание серы, повышенная окислительная стабильность, пониженная испаряемость, достаточно большой объём, который мог бы покрыть требования развитых отраслей промышленности и соответственно разумное соотношение цена–качество и при общем требовании защиты окружающей среды.

Хорошо известна традиционная схема получения базовых масел. Она включает в себя стадии дистилляции, очистки, депарафинизации с использованием определённых растворителей и процессов экстрации. Недостатки этой схемы: достаточно низкий выход масел, высокое содержание ароматических соединений в получаемых продуктах и высокое содержание серы, что не отвечает современным требованиям.

Для оптимального состава масел есть определённые химические соединения, которые являются хорошими для создания масел, и соединения, которые оказывают негативное влияние на потребительские качества масел. В частности, очень приветствуются в маслах изопарафины, нафтено-парафины, моно- и бициклические ароматические углеводороды с длинными боковыми разветвлёнными цепями. Соответственно нежелательные компоненты: твёрдые н-парафины, которые имеют низкую температуру застывания, хотя и обладают хорошими вязкостными характеристиками; полициклическая ароматика; смолистые и асфальто-смолистые соединения.

Справка:

Парафин – воскоподобная смесь так называемых предельных углеводородов (алканов). Название происходит от лат. parum – «мало» и affinis – «сродный» из-за его низкой восприимчивости к большинству реагентов.

Парафин – вещество белого цвета, в расплавленном состоянии обладает малой вязкостью. Парафины инертны к большинству химических реагентов. Они окисляются азотной кислотой, кислородом воздуха (при 140°C и выше) и некоторыми другими окислителями с образованием различных жирных кислот, аналогичных жирным кислотам, содержащимся в жирах растительного и животного происхождения. Синтетические жирные кислоты, получаемые окислением парафина, применяют вместо жиров растительного и животного происхождения в парфюмерной промышленности, при производстве смазок, моющих средств и других продуктов.

Изопарафины – это парафины с молекулами разветвлённого строения. Обладают хорошими антидетонационными характеристиками (например, изооктан – эталон для бензина с октановым числом 100) и очень пониженной, по сравнению с нормальными парафинами, температурой застывания. Это чрезвычайно важно и при применении в топливах, кому понравится, когда в морозный день солярка превратится в кашу. Так и в остальных областях. Именно изопарафины узкой фракции составляют основу синтетического масла. Другое дело, что там требуется столь высокая очистка от примесей других углеводородов, что основу легче направленно синтезировать, чем потом очищать. Хорошо очищенные изопарафины имеют ряд ценнейших свойств, которыми не обладает ни один другой растворитель.

Всем хороши парафины и изопарафины, но для масла и топлива они противопоказаны. Естественно, что учёные стремятся разработать процесс, который будет направлен на удаление из нефтепродуктов нежелательных компонентов и в то же время на увеличение количества компонентов, которые улучшают качество вырабатываемых масел. Соответственно для этих целей и был разработан процесс каталитической депарафинизации. Он достаточно сложный по своему обилию химических превращений, сравнимый с процессом риформинг. Определённые основные компоненты этого процесса приводят к получению желательных целевых компонентов в вырабатываемых маслах. Это процесс изомеризации, который из нормальных парафинов приводит к парафинам с разветвлёнными цепями. Процесс гидрокрекинга, который разрывает длинные углеводородные цепи на более короткие. Процесс гидрирования насыщают ароматические соединения. И процессы гидродециклизации, когда раскрываются циклические соединения. В состав необходимых для этого процесса катализаторов входят обычно соединения алюминия, цеолиты, платина, а также присутствуют другие металлы. Вся эта сложная композиция позволяет проводить реакцию в нужном направлении и получать из низкокачественных нефтепродуктов высококачественное сырьё, которое является базовой основой масел II и III групп, то есть высокого качества.

Традиционная схема получения базовых основ масел I группы и трансформаторного масла такова: гидрокрекинг и каталитическая депарафинизация, в результате чего удаётся получать трансформаторное масло с неплохим выходом.

Учёные РН-ЦИР смогли улучшить этот процесс, который идёт теперь при температуре около 300 градусов, при этом на стадии депарафинизации выход составляет около 70%. Введение такого процесса позволяет существенно снизить температуру проведения реакции, при этом температура застывания масла при морозе, которая регламентирована -45°С, существенно перекрывается, а выход продукта на этой стадии доходит до 90%. Соответственно преимущества предлагаемого метода: высокий выход целевых продуктов, хорошие эксплуатационные характеристики получаемых продуктов, пониженная температура процесса, а также возможность кроме этого отказаться от финишной стадии, которая в настоящее время используется для гидрирования образующихся непредельных соединений. Есть пока и недостатки у этого метода – это высокая стоимость катализатора и достаточно жёсткие требования к качеству сырья, в частности по содержанию серы.

Учёные РН-ЦИР работают как над совершенствованием самого процесса получения высококачественного трансформаторного масла, так и над разработкой всё более эффективных и стабильных катализаторов этого процесса.