Mỗi công nghệ tinh chế gốc dầu sẽ tạo ra loại dầu chất lượng khác nhau. Đồng thời quyết định mức giá bán của dầu trên thị trường. Nếu bạn đã biết đến Gốc dầu quyết định trên 95% chất lượng dầu nhớt thì bài viết này giúp bạn biết được tại sao lại có sự khác nhau giữa các gốc dầu. Qua đó bạn sẽ thấu hiểu chất lượng dầu ưu nhược điểm cho từng gốc dầu sâu sắc như một chuyên gia.
Bài viết tóm tắt công nghệ tinh chế dầu, đặc điểm sản phẩm nó tạo ra với 03 phần: Phần 1 đề cập đến quá khứ, Phần 2 là hiện tại, Phần 3 là tương lai của công nghệ chế biến dầu gốc.
→ Dầu gốc đầu tiên từ dầu mỏ
→ Những công nghệ tinh chế đầu tiên
→ Thêm phụ gia cải thiện hiệu suất
2. Công nghệ tinh chế dầu gốc đương đại
→ Hydrotreating
→ Hydrocracking
→ Thủy phân khử sáp
→ Hydrofinishing
→ Nhóm III: Dầu gốc khoáng không thông thường
→ Nhóm IV: Dầu gốc “Tổng hợp” truyền thống (PAO)
3. Chuyển biến công nghệ dầu gốc
→ So kè Dầu gốc nhóm III & PAO nhóm IV
→ Xu hướng tương lai dầu gốc
Khởi đầu khiêm tốn từ hơn 3.000 năm trước
Công nghệ bôi trơn đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển ở thế kỉ 20. Ngày nay nó tiếp tục phát triển với tốc độ ngày càng nhanh, hiệu suất của dầu gốc đang đóng góp lớn hơn vào hiệu suất của dầu nhớt thành phẩm.
Dầu bôi trơn xuất phát điểm với dầu mỡ động vật, dần dần phát triển thành dầu gốc dầu mỏ. Nhiều thế hệ "quy trình tinh chế" đã được cải thiện dựa trên dầu mỏ khai thác từ thiên nhiên. Những quy trình ban đầu như xử lý axit và chiết xuất dung môi đã cải thiện chất lượng của dầu gốc bằng cách loại bỏ một số hoặc hầu hết các phân tử xấu nhất khỏi dầu. Các quy trình sau đó như hydrotreating, hydrocracking, khử sáp với chất xúc tác và hydro hóa sáp hiện đại đã cải thiện chất lượng bôi trơn nên đáng kể.
Đặc biệt, quá trình hydro hóa sáp đương đại làm cho dầu gốc có ít tạp chất và đặc biệt có màu trắng trong như nước. Hiện nay, khoảng 50% số dầu gốc được sản xuất ở Bắc Mỹ có chất lượng cao như vậy.
Nhìn về tương lai, xu hướng dầu gốc có độ tinh khiết cao hơn, chỉ số độ nhớt (VI) cao hơn , độ bay hơi thấp hơn đồng thời tuổi thọ dài hơn. Sự khác biệt giữa dầu khoáng đã qua tinh chế nhiều với dầu tổng hợp truyền thống sẽ tiếp tục mờ nhạt.
Dầu gốc từ dầu mỏ đầu tiên
Mỡ động vật được dùng làm chất bôi trơn trong thủa sơ khai. Các bản khắc cổ có niên đại từ năm 1400 trước Công nguyên cho thấy mỡ bò, mỡ cừu, mỡ cá... được bôi lên trục xe ngựa. Không có thay đổi đáng kể trong 3.000 năm tiếp theo ngoại trừ việc dầu đôi mở rộng thêm từ các loài động vật xa lạ hơn như cá voi.
Năm 1852, các loại dầu làm từ dầu mỏ đã xuất hiện. Ban đầu chúng không hoạt động tốt như nhiều sản phẩm làm từ động vật nên chúng không được chấp nhận rộng rãi. Thời đó ngành công nghiệp dầu gốc đang ở giai đoạn sơ khởi của công nghệ và hiểu biết (phần dốc của đường cong học tập).
Nhưng khi ô tô trở nên phổ biến, thì nhu cầu về chất bôi trơn tốt hơn cũng tăng theo. Các nhà sản xuất chất bôi trơn sớm biết được loại dầu nào tạo ra chất bôi trơn tốt nhất. Sau đó, họ đã cải thiện dầu gốc từ dâu mỏ bằng cách tinh chế dầu thô thành các tháp chưng cất hẹp với độ nhớt thay đổi. Đến năm 1923, Hiệp hội Kỹ sư Ô tô đã phân loại dầu động cơ theo độ nhớt: nhẹ, trung bình và nặng. dầu động cơ không chứa các chất phụ gia và phải được thay thế sau 800 đến 1.000 dặm.
Vào những năm 1920, nhiều nhà sản xuất dầu bôi trơn bắt đầu xử lý dầu gốc để cải thiện hiệu suất của chúng. Ba cách xử lý phổ biến bao gồm:
Những công nghệ xử lý đầu tiên
Công nghệ tinh chế trong bài viết này được nói dưới dạng đặc điểm và kết quả nó tạo ra sản phẩm. Còn chi tiết nguyên lý được giới thiệu sơ bộ tại bài viết
>> Nguyên lý cơ bản của tinh chế dầu gốc khoáng ?
Tại bài viết đó bạn sẽ được cung cấp thêm một vài chỉ dẫn dưới dạng công thức hóa học, vật lý để bạn có thể tìm hiểu chuyên sâu hơn về lĩnh vực hóa dầu.
Xử lý đất sét
Đất sét tương tự như lông mèo được sử dụng để thấm và loại bỏ một số thành phần xấu nhất trong dầu gốc. Các hợp chất này thường là các hợp chất thơm và phân cực cao có chứa lưu huỳnh và nitơ.
Xử lý axit
Axit sulfuric đậm đặc được sử dụng để phản ứng với các thành phần xấu nhất trong dầu gốc và chuyển chúng thành cặn có thể loại bỏ được. Mặc dù quá trình này làm sạch dầu hiệu quả nhưng nó rất tốn kém. Công nghệ này hầu như đã biến mất khỏi Bắc Mỹ do những lo ngại về môi trường từ axit và bùn.
Xử lý SO2 bước ngoặt quan trọng về công nghệ
Xử lý SO2 là một quy trình chiết xuất sơ khai nhằm loại bỏ các thành phần xấu nhất trong dầu bôi trơn bằng cách sử dụng dung môi có thể tái chế. Thật không may, dung môi này rất độc. Mặc dù nó cũng hầu như đã bị loại bỏ nhưng quy trình này là một bước đệm hữu ích để con người chiết xuất ra dung môi đạt chức năng tương tự nhưng không còn độc hại nhứ SO2.
Tinh chế bằng dung môi (Dầu gốc parafinic)
Vào thập niên 1930, xử lý dung môi nổi lên như một công nghệ khả thi để cải thiện hiệu suất dầu gốc bằng cách sử dụng dung môi có thể tái chế, khá an toàn. Hầu hết các công ty sản xuất dầu gốc trên thế giới ngày nay vẫn sử dụng quy trình này. Khoảng một nửa lượng dầu gốc ở Bắc Mỹ hiện được sản xuất bằng cách này.
Bảng I Phân loại 05 nhóm gốc dầu theo API
Dầu gốc tinh chế bằng dung môi thường được gọi là dầu gốc Nhóm I có đặc điểm là có ít hơn 90% chất bão hòa (> 10% chất thơm) và hơn 300 ppm lưu huỳnh. Bảng 1 cho thấy tất cả các nhóm dầu gốc theo ấn bản 1509 của Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API).
Dung môi & dây truyền được sử dụng để sản xuất dầu gốc đã phát triển theo thời gian, nhưng công nghệ cơ bản không thay đổi kể từ năm 1930. Hai bước xử lý chính trong công nghệ này là:
Loại bỏ chất thơm bằng cách chiết dung môi.
Loại bỏ sáp bằng cách làm lạnh và kết tủa với sự có mặt của một dung môi khác (Hình 1).
Hình 1. Quy trình chiết xuất bằng dung môi Nhóm 1
Chất thơm được loại bỏ bằng cách chiết xuất dung môi để cải thiện chất lượng bôi trơn của dầu. Chất thơm tạo ra dung môi tốt nhưng chúng tạo ra dầu gốc chất lượng kém vì chúng là một trong những thành phần dễ phản ứng nhất trong phạm vi sôi bôi trơn tự nhiên. Quá trình oxy hóa chất thơm có thể kích hoạt một phản ứng dây chuyền có thể làm giảm tuổi thọ của dầu gốc.
Độ nhớt của các thành phần thơm trong dầu gốc cũng phản ứng tương đối kém với sự thay đổi của nhiệt độ. Chất bôi trơn thường được thiết kế để cung cấp độ nhớt đủ thấp để bắt đầu thời tiết lạnh tốt và đủ cao để cung cấp đủ độ dày màng, độ bôi trơn trong ứng dụng khắc nghiệt cao. Do đó, khi dầu đòi hỏi hiệu suất trong môi trường nóng & lạnh được yêu cầu, cần có biến động độ nhớt nhỏ trước thay đổi của nhiệt độ.
Ngành công nghiệp dầu nhờn biểu thị khả năng suy giảm độ nhớt dưới dạng chỉ số độ nhớt (VI). VI cao hơn cho thấy suy giảm độn nhớt nhỏ, thuận lợi hơn trong môi trường nhiệt độ thay đổi. Sản phẩm chưng cất dầu mỏ được chiết xuất dung môi ở mức độ cần thiết để phù hợp với chất lượng (VI) của sản phẩm chưng cất từ dầu thô cấp Pennsylvania chất lượng cao. Theo định nghĩa, sản phẩm chưng cất này có VI là 100. Sản phẩm chưng cất từ dầu thô cấp Louisiana chất lượng thấp xác định điểm 0 trên thang VI.
Chất thơm được loại bỏ bằng cách cho chất chưng cất bôi trơn thô (dầu khí chân không) vào bộ chiết dung môi, nơi nó được tiếp xúc đồng thời với dung môi. Các lựa chọn dung môi phổ biến là furfural, n-methyl pyrrolidone (NMP) và DUO-SOL TM . Phenol là một dung môi phổ biến khác nhưng nó hiếm khi được sử dụng ngày nay do những lo ngại về môi trường.
Việc chiết xuất bằng dung môi thường loại bỏ từ 50% đến 80% các tạp chất (chất thơm, phân cực, lưu huỳnh và các loại chứa nitơ). Sản phẩm thu được của quá trình chiết xuất bằng dung môi thường được gọi là raffinate.
Khử sáp bằng dung môi
Sáp được loại bỏ khỏi dầu để giữ cho nó không kết tinh trong bể chứa hoặc bụng máy ở nhiệt độ thấp.
Sáp được loại bỏ trước tiên bằng cách pha loãng raffinate với dung môi để giảm độ nhớt của nó nhằm cải thiện khả năng lọc ở nhiệt độ thấp. Các dung môi khử sáp phổ biến là metyl-etyl xeton (MEK) / toluen, MEK / metyl-isobutyl xeton hoặc (hiếm) propan. Dầu pha loãng sau đó được làm lạnh đến -10 ° C đến -20 ° C. Các tinh thể sáp hình thành, kết tủa và được loại bỏ bằng cách lọc.
Khử sáp làm giảm điểm đông đặc (điểm đóng băng) của dầu gốc. Các mục tiêu về điểm đông đặc của dầu gốc được đặt ra bởi chính thị trường. Thị trường này phụ thuộc 02 yếu tố chi phí khử sáp và chi phí phụ gia giảm điểm đông đặc của dầu nhờn thành phẩm. Bên nào có chi phí thành phẩm rẻ hơn thì khuyến khích phát triển
Dầu gốc Naphthenic
Dầu gốc Naphthenic cũng có sẵn nhưng thường không được sử dụng trong các chất bôi trơn chính thống. Dầu Naphthenic được làm từ các sản phẩm chưng cất dầu thô gần như cấp Louisiana, hơn là cấp Pennsylvania. Chúng rất giàu xyclo-parafin còn được gọi là naphthenes. Dầu Naphthenic đôi khi được gọi là dầu nhạt do màu nhạt của chúng. Chúng rất giàu chất thơm mang lại lợi thế về khả năng hòa tan một số loại phụ gia.
Hàm lượng parafin trong các loại dầu này thấp nên chúng có nhiệt độ đông đặc vốn có thấp và không yêu cầu khử sáp bằng dung môi. Nhưng chúng có VI thấp so với dầu parafinic nên tính năng bôi trơn và độ bền oxy hóa tương đối kém. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như chất lỏng gia công kim loại và dầu máy biến áp.
Phụ gia cải thiện hiệu suất
Trong vài thập kỷ tiếp theo, quá trình tinh chế dung môi không thay đổi nhiều. Chất lượng dầu thành phẩm được cải thiện chủ yếu do bổ sung các chất phụ gia. Các chất phụ gia bắt đầu được sử dụng rộng rãi vào năm 1947 khi API bắt đầu phân loại dầu động cơ theo mức độ nghiêm trọng của dịch vụ: thông thường, cao cấp và hạng nặng. Các chất phụ gia chỉ được sử dụng để kéo dài tuổi thọ trong các loại dầu cao cấp và nặng.
Dầu động cơ thông thường không được thay thế và dùng trong 80 đến 100 giờ bảo dưỡng ở mức độ nghiêm trọng thấp. Dầu động cơ cao cấp đã được bổ sung để kéo dài tuổi thọ của dầu động cơ xe du lịch. Dầu động cơ hạng nặng được bổ sung nhiều hơn để kéo dài tuổi thọ dầu động cơ trong các ứng dụng khắc nghiệt hơn như xe tải thương mại và thiết bị xây dựng.
Năm 1950, dầu đa cấp lần đầu tiên được giới thiệu, được bổ sung thêm polyme để tăng cường VI của dầu, cải thiện tính năng hoạt động trong điều kiện nóng và lạnh của dầu.
Trong vài thập kỷ nữa, ngành công nghiệp dầu nhờn tiếp tục phụ thuộc nhiều vào công nghệ phụ gia để cải thiện hiệu suất của dầu thành phẩm. Chất lượng dầu nhờn chỉ được cải thiện đáng kể khi hóa chất phụ gia được cải thiện. Đây là chiến lược khả thi duy nhất cho đến khi có sự cải tiến đáng kể trong công nghệ dầu gốc.
Phần tiếp theo sẽ giải thích cách các công nghệ thủy phân mới đã mở ra cánh cửa cho những cải tiến đáng kể về chất lượng dầu gốc và hiệu suất dầu nhớt thành phẩm.
2, Công nghệ tinh chế dầu đương đại
Phần đầu của bài này nói về về lịch sử sơ khởi của dầu gốc cho đến đầu những năm 1950. Ở phần này chúng ta bàn đến các công nghệ dầu gốc hiện đại đồng thời mô tả cách dầu gốc đương đại đã mở ra cánh cửa cho những cải tiến tuyệt vời trong dầu nhờn thành phẩm.
Hydrotreating
Hydrotreating được phát triển vào những năm 1950, lần đầu tiên được sử dụng trong sản xuất dầu gốc vào thập niên 1960 bởi Amoco và những người khác. Hydrotreating là một quá trình thêm hydro vào dầu gốc ở nhiệt độ trên 600 ° F và áp suất trên 500 psi với sự có mặt của chất xúc tác. Điều này loại bỏ các tạp chất, ổn định các thành phần phản ứng mạnh nhất trong dầu gốc, cải thiện màu sắc và tăng thời gian sử dụng của dầu gốc. Hydrotreating tự nó nói chung không đủ để tạo ra dầu gốc.
Hydrocracking
Hydrocracking là một dạng hydrotreating mạnh mẽ hơn. Trong hydrocracking, nguồn cấp dầu gốc chảy qua lớp xúc tác hoạt tính cao ở nhiệt độ trên 650 ° F thêm áp suất trên 1.000 psi. Các phân tử không no được định hình lại và một số bị nứt thành các phân tử nhỏ hơn. Hầu như tất cả lưu huỳnh và nitơ được loại bỏ, cùng nhiều hợp chất thơm được bão hòa với hydro. Sự thay đổi hình dạng phân tử xảy ra khi các Isoparafin và các hợp chất vòng bão hòa được hình thành.
Các hợp chất này có chỉ số độ nhớt cao (VI) và điểm đông đặc thấp. Tuy nhiên, các hợp chất sáp, chủ yếu là Parafin thông thường, phần lớn không bị ảnh hưởng bởi quá trình hydrocracking và phải được loại bỏ trong quy trình tiếp theo để giảm điểm đông đặc cho gốc dầu . Nhiên liệu sạch (dầu diesel và nhiên liệu máy bay, cũng như Naphtha dùng cho xăng động cơ) là sản phẩm phụ của quá trình này.
Một phiên bản sơ khai của quá trình hydrocracking đã được thử dùng để sản xuất dầu bôi trơn vào những năm 1930 nhưng sớm bị bỏ rơi vì lý do kinh tế sau khi quy trình tinh chế dung môi được thương mại hóa. Tuy nhiên, công nghệ xúc tác hydrocracking tiếp tục được cải tiến.
Sau Chiến tranh thế giới thứ hai, công nghệ xúc tác hydrocracking hiện đại được nhập khẩu từ Đức. Chevron thương mại hóa công nghệ này để sản xuất nhiên liệu vào cuối những năm 1950.
Năm 1969, Dung môi đầu tiên dùng để sản xuất dầu gốc đã được thương mại hóa tại Nhà máy lọc dầu Chiba của Công ty Idemitsu Kosan bằng công nghệ được cấp phép bởi Gulf. Tiếp theo là Nhà máy lọc dầu Yabucoa của Công ty Sun Oil ở Puerto Rico vào năm 1971, cũng sử dụng công nghệ này.
Xúc tác khử sáp & thủy phân hóa sáp
Khử khô bằng xúc tác là một quá trình diễn ra ở nhiệt độ cao, áp suất cao, trong đó chất xúc tác bẻ gãy một cách chọn lọc các phân tử sáp có trong dầu gốc thành các sản phẩm nhẹ, chẳng hạn như khí naphtha. Mặc dù quá trình này hiệu quả, nhưng nó hơi lãng phí, vì sáp có giá trị cao được chuyển đổi thành khí đốt và nhiên liệu nhẹ có giá trị thấp hơn.
Trong quá trình hydro hóa, quá trình tương tự, nhưng sáp được chuyển đổi có chọn lọc (đồng phân hóa) thành dầu gốc chất lượng rất cao. Cả hai quy trình đều loại bỏ sáp, nhờ đó làm giảm điểm đông đặc của dầu gốc, nhưng quá trình hydro hóa tạo ra dầu gốc có VI cao hơn với sản lượng lớn hơn.
Công nghệ khử bằng chất xúc tác và hydro hóa sáp đầu tiên được thương mại hóa vào những năm 1970. Shell đã sử dụng công nghệ thủy phân hóa sáp kết hợp với khử sáp bằng dung môi để sản xuất dầu gốc VI cực cao ở Châu Âu. Exxon và những người khác đã xây dựng các nhà máy tương tự vào những năm 1990. Tại Hoa Kỳ, Mobil đã sử dụng phương pháp khử sáp bằng xúc tác thay cho phương pháp khử sáp bằng dung môi, nhưng vẫn kết hợp với chiết xuất dung môi để sản xuất dầu trung tính thông thường.
Khử sáp bằng xúc tác là một cải tiến đáng mong đợi so với khử sáp bằng dung môi, đặc biệt là đối với các loại dầu trung tính thông thường, vì nó sử dụng các hoạt động đơn giản để loại bỏ n-parafin và chuỗi bên sáp khỏi các phân tử khác bằng cách bẻ gãy chúng thành các phân tử nhỏ hơn. Điều này làm giảm điểm đông đặc của dầu gốc để nó chảy ở nhiệt độ thấp, giống như các loại dầu được tẩy bằng dung môi.
Chevron là người đầu tiên kết hợp khử sáp bằng xúc tác với hydrocracking và hydrofinishing trong nhà máy dầu gốc Richmond, California vào năm 1984.
Đây là cuộc trình diễn thương mại đầu tiên về một lộ trình xử lý toàn phần dành cho sản xuất dầu gốc bôi trơn.
Năm 1993, quy trình đồng phân hóa-khử sáp bằng sáp hiện đại đầu tiên được thương mại hóa bởi Chevron. Đây là một cải tiến lớn so với phương pháp khử sáp bằng xúc tác trước đó vì điểm đông đặc của dầu gốc được hạ thấp bằng cách đồng phân hóa (định hình lại) n-parafin (sáp) và các phân tử khác có chuỗi bên như sáp thành các hợp chất phân nhánh mong muốn với chất lượng bôi trơn vượt trội hơn là nứt họ đi. Bước đột phá về công nghệ này đã sử dụng Chất xúc tác ISODEWAXING® của Chevron để cải thiện đáng kể năng suất khử sáp và hiệu suất dầu gốc.
Hydrofinishing
Bước cuối cùng trong các nhà máy dầu gốc hiện đại là quá trình thủy phân, sử dụng các chất xúc tác phức tạp và áp suất trên 1.000 psi để đánh bóng lần cuối cho dầu gốc. Về bản chất, một số ít tạp chất còn lại được chuyển thành các phân tử dầu gốc ổn định.
Kết hợp các phương pháp với nhau
Quá trình xử lý bằng thủy phân hiện đại làm cho các sản phẩm có độ tinh khiết và ổn định đặc biệt do mức độ bão hòa hydro cực kỳ cao. Các sản phẩm này đặc biệt bởi vì, không giống như các loại dầu gốc khác, chúng thường không có màu. Bằng cách kết hợp hydrocracking, isodewaxing và hydrofinishing, các phân tử có chất lượng bôi trơn kém sẽ được chuyển đổi và định hình lại thành các phân tử dầu gốc chất lượng cao hơn. Điểm đông đặc, VI và độ bền oxy hóa được kiểm soát độc lập trong các bước xử lý xúc tác riêng biệt.
Trong số nhiều lợi ích của sự kết hợp các quy trình này là tính linh hoạt của dầu thô. Tức sẽ ít phụ thuộc vào một loạt các loại dầu thô để tạo ra dầu gốc chất lượng cao. Ngoài ra, tính năng của dầu gốc có thể trở nên độc lập đáng kể với nguồn thô, không giống như dầu gốc tinh chế bằng dung môi. Hình 2 cho thấy sơ đồ khối của một nhà máy dầu gốc hiện đại với hai quá trình chạy song song - một cho dầu gốc nhẹ và một cho dầu gốc nặng.
Hình 2. Xử lý thủy phân song song tạo Dầu gốc thông thường nhóm API II
Dầu gốc bôi trơn được sản xuất bằng công nghệ xử lý nước hiện đại nhìn chung cho thấy hiệu suất tốt hơn so với các quy trình xử lý cũ. Điều này đã thúc đẩy Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API) phân loại dầu gốc theo thành phần (API Publication 1509) vào năm 1993, như được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng này cho thấy dầu gốc Nhóm II được phân biệt với dầu gốc Nhóm I vì chúng chứa hàm lượng tạp chất thấp hơn đáng kể (ít hơn 10% chất thơm, ít hơn 300 ppm lưu huỳnh). Họ cũng trông khác nhau. Dầu nhóm II được sản xuất bằng công nghệ xử lý nước hiện đại rất tinh khiết nên hầu như không màu.
Từ quan điểm hiệu suất, độ tinh khiết được cải thiện có nghĩa là dầu gốc và các chất phụ gia trong thành phẩm có thể tồn tại lâu hơn nữa. Cụ thể hơn, dầu trơ hơn và tạo ra ít sản phẩm phụ oxy hóa hơn làm tăng độ nhớt của dầu gốc. Bảng 1 cho thấy bằng đồ thị sự khác biệt giữa dầu gốc API Nhóm I và Nhóm II. Sự khác biệt rất lớn về tạp chất là lý do chính giúp Nhóm II có hiệu suất cao hơn, được thảo luận chi tiết hơn trong Phần 3 bài này.
Hình 3. Gốc dầu Nhóm II có tạp chất thấp hơn
Quy trình thủy phân hóa hiện đại do Chevron cấp phép với tên gọi ISODEWAXING đã nhanh chóng được chấp nhận kể từ khi được giới thiệu vào năm 1993. Trên thực tế, hơn 40% tất cả các loại dầu gốc được sản xuất ở Bắc Mỹ hiện được sản xuất bằng công nghệ của ChevronTexaco. Phần còn lại của thế giới vẫn bị chi phối bởi dầu gốc Nhóm I, nhưng Nhóm II cũng đang có những bước thâm nhập đáng kể vào đó.
Trong vài năm qua, Mobil (ExxonMobil) đã tham gia vào xu hướng này bằng cách thương mại hóa dầu gốc Nhóm II ở Singapore và Baytown, Texas. Mobil Selective Dewaxing (MSDWTM) được sử dụng ở Singapore để sản xuất dầu gốc được xử lý toàn bộ bằng nước và Exxon RHC (Raffinate Hydroconversion), một bước xử lý thủy lực bổ sung, được sử dụng tại Baytown để nâng cấp khoảng một nửa gốc dầu gốc của Baytown thành Tập đoàn khử sáp bằng dung môi II. Việc cải tiến nhà máy tại Baytown đưa tỷ lệ dầu gốc Nhóm II ở Bắc Mỹ lên gần 50%.
Nhóm III - Dầu gốc khoáng không thông thường
Bảng 1 cho thấy API xác định sự khác biệt giữa dầu gốc Nhóm II và III chỉ xét về mặt VI. Dầu gốc có VI thông thường (80 đến 119) là Nhóm II và dầu gốc có VI không thông thường (120+) là Nhóm III. Dầu nhóm III đôi khi còn được gọi là dầu gốc độc đáo (UCBO) hoặc dầu gốc có chỉ số độ nhớt rất cao (VHVI).
Dầu gốc Nhóm III pha loãng dung môi đã được sản xuất ở Châu Âu trong hơn 10 năm, chủ yếu bởi Shell và BP, nhưng một số loại dầu Nhóm III thế hệ đầu tiên này không hoạt động tốt như Nhóm III hiện nay. Do đó, nhiều nhà máy cũ hơn này hiện đang được nâng cấp để có thể tạo ra dầu Isodewaxed Nhóm III.
Từ quan điểm chế biến, dầu gốc Nhóm III hiện đại được sản xuất theo cùng một quy trình xử lý như dầu gốc Nhóm II hiện đại. VI cao hơn đạt được bằng cách tăng độ mạnh của hydrocracker hoặc bằng cách thay đổi sang nguồn cấp VI cao hơn.
Dầu gốc Nhóm III hiện đã được phổ biến rộng rãi ở Bắc Mỹ vì chúng có thể được sản xuất với số lượng lớn bởi hầu hết các công ty sản xuất dầu Nhóm II hiện nay. Nhiều công ty trong số này đã bắt đầu thêm Nhóm III vào các dòng sản phẩm tổng hợp của họ.
Dầu gốc Nhóm III hiện đại có các đặc tính cho phép chúng hoạt động ở yêu cầu mức cao - trong nhiều trường hợp phù hợp hoặc vượt quá hiệu suất của dầu tổng hợp truyền thống
Nhóm IV - Dầu gốc “Tổng hợp” truyền thống (PAO)
Từ “tổng hợp” trong ngành dầu nhờn trước đây đồng nghĩa với các loại dầu gốc polyme hóa như poly-alpha olefin (PAO), được làm từ các phân tử nhỏ, nhẹ. Quy trình sản xuất PAO khả thi về mặt thương mại đầu tiên do Gulf Oil tiên phong vào năm 1951.
Quá trình này đã được Mobil cải tiến vào những năm 1960. Lần đầu tiên Mobil sử dụng loại dầu gốc mới này trong các sản phẩm đặc biệt như Mobilgrease 28, loại dầu này đã giải quyết được vấn đề hỏng ổ trục bánh xe trên tàu sân bay ở vùng khí hậu lạnh.
PAOs đã trở thành một thành phần chất bôi trơn được người tiêu dùng săn đón khi Mobil Oil bắt đầu tiếp thị Mobil 1® của mình. Trong 15 năm sau khi được giới thiệu, thị trường PAO đã trải qua một chặng đường dài và quanh co, phát triển với tốc độ tăng trưởng chậm, ổn định kèm những lời chỉ trích biện minh cho chi phí cao hơn so với các loại dầu thông thường, giống như hiện tại trên thị trường Việt Nam.
Trong 10 năm qua, thị trường dầu gốc PAO tăng đáng kể, đầu tiên là ở Châu Âu và sau đó là Bắc Mỹ, trải qua các giai đoạn tăng trưởng hai con số. Một phần cho sự tăng trưởng có thể là do các quy định về thông số kỹ thuật của chất bôi trơn nghiêm ngặt hơn ở Châu Âu đã tạo ra một thị trường ngách cho các sản phẩm tổng hợp & bán tổng hợp.
Khi thị trường PAO béo bở phát triển, một số nhà sản xuất dầu gốc bắt đầu sử dụng các nguyên liệu đầu có VI Nhóm III cao hơn (thường là các sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất sáp) để tạo ra các loại dầu khoáng có VI phù hợp với PAO. Các loại dầu Nhóm III mới này không được sản xuất từ các phân tử nhỏ như dầu tổng hợp truyền thống nhưng chúng thu hẹp khoảng cách hiệu suất cho hầu hết các sản phẩm với chi phí thấp hơn.
Do đó, một số nhà sản xuất dầu nhờn, chủ yếu ở Châu Âu, đã bắt đầu thay thế PAO bằng dầu gốc Nhóm III mới có sẵn này trong dầu động cơ tổng hợp của họ. Điều này đã tạo ra một cuộc tranh cãi trong ngành công nghiệp chất bôi trơn khi một số nhà sản xuất dầu gốc tổng hợp và các nhà sản xuất chất bôi trơn tin rằng dầu gốc polyme hóa là chất tổng hợp thực sự duy nhất.
Phân khúc đáng chú ý nhất mà Nhóm III khó cạnh tranh với PAO là trong các ứng dụng nhiệt độ rất thấp, có yêu cầu về điểm đông đặc cực kỳ thấp.
Xu hướng hướng tới các thông số kỹ thuật của chất bôi trơn được toàn cầu hóa và thông số kỹ thuật OEM trên toàn thế giới hiện đang tạo ra nhiều nhu cầu hơn đối với dầu gốc Nhóm III. Điều này đặc biệt đúng ở Bắc Mỹ do phán quyết năm 1999 của Cục Quảng cáo Quốc gia cho phép dầu gốc Nhóm III được coi là gốc dầu tổng hợp.
Phần thứ ba sẽ nói về hiệu suất của dầu gốc cũng như đề cập đến các xu hướng trong tương lai.
3,Những chuyển biến công nghệ dầu gốc
Công nghệ bôi trơn phát triển chậm từ thời cổ đại cho đến những năm 1950. Sau đó, công nghệ tinh chế dung môi xuất hiện và thay thế các sản phẩm chưng cất dầu mỏ tự nhiên do các đặc tính của chất bôi trơn được cải thiện. Trong những năm 1970 và 1980, công nghệ xử lý nước, đặc biệt là hydrocracking, cho phép sản xuất dầu gốc Nhóm II.
Chúng đã được công nhận là một loại API riêng biệt vào năm 1993 do sự khác biệt tích cực so với các loại dầu gốc khoáng trước đó. Quá trình hydro hóa chuyển hóa sáp thành dầu gốc chất lượng cao. Các công nghệ thủy phân hóa hiện đại, chẳng hạn như Isodewaxing®, đã được chấp nhận rộng rãi và thương mại hóa nhanh chóng sau năm 1993.
Việc cấp phép rộng rãi cho công nghệ này đã tạo ra nguồn cung cấp dồi dào các loại dầu Nhóm II có độ ổn định đặc biệt và hiệu suất ở nhiệt độ thấp so với các loại dầu nhóm I tiền nhiệm. Loại công nghệ này hiện được sử dụng để sản xuất gần một nửa tổng số dầu gốc ở Bắc Mỹ.
Một xu hướng tương tự cũng đang xuất hiện với dầu gốc Nhóm III, đặc biệt là những loại dầu được sản xuất bằng phương pháp thủy phân hóa hiện đại. Các loại dầu này cung cấp hiệu suất tương đương với dầu tổng hợp dựa trên PAO truyền thống cho hầu hết các sản phẩm và có thể được sản xuất với số lượng và mức giá mà PAO không thể đạt được. Hiệu suất tương đương này đã được xác nhận bởi phán quyết năm 1999 của Phòng Quảng cáo Quốc gia của Cục Kinh doanh Tốt hơn cho phép các chất bôi trơn làm bằng dầu Nhóm III được dán nhãn “tổng hợp”.
So sánh Dầu gốc Nhóm III & PAO (Nhóm IV)
Về mặt lịch sử, polyalphaolefin (PAO) có các đặc tính hiệu suất vượt trội như chỉ số độ nhớt (VI), điểm đông đặc, độ bay hơi và độ ổn định oxy hóa không thể đạt được với các loại dầu khoáng thông thường. Với sản xuất dầu gốc hiện đại, tất cả VI, điểm đông đặc, độ bay hơi và độ ổn định oxy hóa đều có thể được kiểm soát độc lập.
Dầu Nhóm III hiện đại thực sự có thể tốt hơn PAO trong một số lĩnh vực quan trọng đối với chất bôi trơn, chẳng hạn như khả năng hòa tan phụ gia, tính năng bôi trơn và chống mài mòn. Dầu gốc nhóm III hiện có thể sánh ngang với các loại dầu PAO về điểm đông đặc, chỉ số độ nhớt và hiệu suất ổn định oxy hóa. Một số biện pháp chính để đạt được hiệu suất dầu nhờn thành phẩm mà Nhóm III phải cạnh tranh với Nhóm IV bao gồm:
↪Pour Point
↪Cold Crank (property)
↪NOACK Volatility
↪Oxidation Stability
Pour Point
Điểm đông đặc là một đặc tính mà ở đó chắc chắn tồn tại khoảng cách, nhưng chất làm giảm điểm đông đã thu hẹp đáng kể khoảng cách hiệu suất. Điều quan trọng là phải hiểu rằng điểm đông đặc của chất bôi trơn được pha chế hoàn toàn (dầu gốc cộng với phụ gia) là đặc tính quan trọng.
Dầu gốc được sản xuất với chất xúc tác đồng phân hóa hiện đại đáp ứng tốt với liều lượng nhỏ các chất phụ gia làm giảm điểm đông tụ. Ví dụ, dầu tuabin được pha chế với dầu gốc Nhóm II thông thường (điểm rót dầu gốc -12 ° C) có sẵn với điểm rót công thức là -36 ° C. Chất bôi trơn gốc Nhóm III được pha chế đầy đủ có thể được sản xuất với điểm đông đặc -45 ° C trở xuống.
Mặt khác, trong chất bôi trơn tổng hợp truyền thống, gói phụ gia thường sẽ làm suy giảm điểm đông đặc của hỗn hợp PAO, đưa điểm đông đặc của chất bôi trơn thành phẩm gốc PAO gần với điểm đông đặc của chất bôi trơn Nhóm III. Điều này có nghĩa là dầu gốc Nhóm III hiện nay có thể được pha chế thành chất bôi trơn phù hợp cho tất cả các ứng dụng, trừ các ứng dụng rất lạnh.
Cold Crank (property)
Độ nhớt trong vòng bi của động cơ trong quá trình khởi động ở nhiệt độ lạnh là yếu tố quan trọng để xác định nhiệt độ thấp nhất mà động cơ sẽ khởi động. Độ nhớt bằng Bộ mô phỏng trục quay nguội (CCS), được đo bằng Phương pháp ASTM D5293, được xác định trong các điều kiện tương tự như các điều kiện trải nghiệm trong vòng bi động cơ trong quá trình khởi động. Đối với dầu gốc, độ nhớt này được xác định gần như hoàn toàn bởi độ nhớt và VI
Bởi vì các gốc dầu Nhóm III thường có VI tương đương với 4 cSt PAO, người ta sẽ mong đợi hiệu suất CCS tương đương. Điều này được chứng minh trong Hình 1, có thể thấy rằng dầu gốc 4 cSt Nhóm III, với độ nhớt động học 4,2 cSt ở 100 ° C và VI là 129 có giá trị CCS tương tự như PAO 4, với độ nhớt là 3,9 cSt và VI của 123.
Hình 1. Hiệu suất quây nguội, Nhóm III So với PAO
Nếu chúng tôi pha trộn PAO với độ nhớt 4,2 cSt, giá trị CCS của chúng sẽ gần như giống hệt nhau. Cả hai đều có khoảng một nửa giá trị CCS của cổ phiếu cơ bản 4 cSt Nhóm II là khoảng 100 VI. Do đó, các loại dầu nhóm III hoạt động rất tốt trong việc tạo ra các loại dầu động cơ tổng hợp, tiết kiệm nhiên liệu, trong dải từ 5W-20 đến 10W-40. Dầu động cơ 0W-20 và 0W-30, với yêu cầu hiệu suất ở nhiệt độ cực thấp, sẽ tiếp tục bị dầu gốc PAO thống trị trong vài năm tới.
NOACK Volatility
Độ bay hơi của dầu động cơ, được đo bằng ASTM D5800 và các phương pháp tương tự, được phát hiện có mối tương quan với mức tiêu thụ dầu trong động cơ xe du lịch. Các yêu cầu nghiêm ngặt đối với độ bay hơi thấp là những khía cạnh quan trọng của một số thông số kỹ thuật của dầu động cơ gần đây và sắp tới, chẳng hạn như ACEA * A-3 và B-3 ở Châu Âu và Ủy ban phê duyệt và tiêu chuẩn dầu nhờn quốc tế (ILSAC) GF-3 và GF-4 ở Bắc Mỹ . Dầu có độ bay hơi thấp cũng được yêu cầu cho các loại dầu động cơ hạng nặng hiện đại. Hình 2 cho thấy từ quan điểm của máy xay sinh tố, dầu gốc Nhóm III có hiệu quả như PAO để đạt được các yêu cầu về độ bay hơi thấp này trong các ứng dụng dầu động cơ.
Hình 2. Hiệu suất Nhóm III so với PAO, Biến động Noack có thể so sánh được
Biến động là một chức năng mạnh của VI. Các VI của dầu Nhóm III hiện đại thường phù hợp hoặc vượt quá PAO, vì vậy chúng có thể phù hợp với độ bay hơi của PAO VI ở một chiều rộng cắt chưng cất hợp lý.
Oxidation Stability(Tính ổn định oxy hóa)
Khả năng chống oxy hóa và ổn định nhiệt là một trong những ưu điểm quan trọng nhất mà chất liệu tổng hợp mang lại. Độ ổn định của dầu gốc tốt hơn có nghĩa là độ ổn định của phụ gia tốt hơn và tuổi thọ cao hơn. Độ ổn định cao là chìa khóa để tạo ra chất bôi trơn chất lượng cao của tương lai với khoảng thời gian xả dài hơn. Ở đây, dầu Nhóm III thường xuyên thách thức hiệu suất PAO.
Sự ổn định của các kho dự trữ Nhóm III hiện đại được dự đoán tốt bởi VI của chúng, bởi vì VI là dấu hiệu của phần cấu trúc bão hòa và isoparafinic cao ổn định trong dầu gốc.1 Không giống như các cổ phiếu Nhóm III thế hệ cũ, có thể có hơn 5% chất thơm , các nguyên liệu nhóm III hiện đại cũng trải qua quá trình thủy phân nghiêm trọng tiếp theo sau quá trình hydrocracking và hydro hóa.
Do đó, chúng có độ tinh khiết vượt trội với mức độ thơm ít hơn một phần trăm, dẫn đến độ bền nhiệt và oxy hóa cao. Mặt khác, độ ổn định của PAO phụ thuộc phần lớn vào hàm lượng olefin dư, có thể có ở mức đáng kể - lên đến năm phần trăm. Mặc dù PAO nói chung có độ ổn định oxy hóa tuyệt vời, trong nhiều ứng dụng như dầu động cơ hoặc dầu máy nén nhiệt độ cao, hiệu suất của chúng tương đương với dầu gốc Nhóm III hiện đại, đã qua xử lý nghiêm ngặt.
Trong một số ứng dụng, ngay cả chất bôi trơn dựa trên Nhóm II cũng có thể cung cấp khả năng chống oxy hóa cạnh tranh đối với chất tổng hợp truyền thống. Công nghệ dầu gốc Nhóm II, cùng với các chất phụ gia được thiết kế đặc biệt, có thể phù hợp với các loại dầu tổng hợp truyền thống làm từ PAO trong các ứng dụng như dầu tuabin . Những lợi ích của quá trình xử lý nước nặng được thể hiện trong Hình 3, so sánh dầu Nhóm II với Nhóm I.
Hình 3. Chất lượng dầu gốc cao hơn kéo dài tuổi thọ của dầu tuabin như được đo bằng thử nghiệm độ ổn định của dầu tuabin
Thử nghiệm độ ổn định của dầu tuabin (TOST), hoặc ASTM D943, đo thời gian cần thiết để dầu tuabin bị ôxy hóa đến điểm mà số axit đạt tới 2,0 mg KOH / g.
Dầu tuabin chỉ chứa khoảng một phần trăm chất phụ gia, do đó, thử nghiệm này là một thước đo tốt về độ ổn định vốn có của dầu gốc. Dầu gốc Nhóm I không được kiểm định sẽ hỏng trong khoảng 200 giờ. Dầu tuabin có công thức từ dầu gốc Nhóm I thường hỏng trong vòng chưa đầy 7.000 giờ. Dầu Nhóm II chất lượng cao được pha chế với cùng một gói phụ gia với cùng tỷ lệ xử lý phụ gia có thể hoạt động lâu hơn gấp đôi trước khi hỏng. Trong dịch vụ thực tế, dầu tuabin dựa trên Nhóm II được pha chế tốt cung cấp khả năng bôi trơn tuyệt vời với khoảng thời gian thay đổi từ ba đến năm năm.
Lợi ích của dầu gốc Nhóm III được xử lý toàn phần trong quá trình ổn định oxy hóa được minh họa trong Hình 4 đối với dầu thủy lực được pha chế bằng cách sử dụng cùng một hệ phụ gia trong bốn loại dầu gốc khác nhau.
Hình 4. Độ ổn định oxy hóa, số lượng axit trong dầu thủy lực
Ở đây, thời gian cần thiết để đạt đến số axit là 2,0 (được xác định bằng cách trung hòa 2,0 mg KOH / g dầu) trong Thử nghiệm oxy hóa phổ quát (ASTM D4871), một phép đo phổ biến về quá trình oxy hóa dầu, về cơ bản lâu hơn đáng kể đối với Nhóm III hơn là cho các sản phẩm Nhóm I hoặc II. Hơn nữa, hiệu suất của sản phẩm Nhóm III về cơ bản giống như đối với dầu được pha chế với PAO.
Bảng 1 liệt kê nhiều loại chất bôi trơn Bắc Mỹ được pha chế bằng nguồn gốc nhóm III được xử lý toàn phần.
Các sản phẩm này bao gồm dầu động cơ, dầu công nghiệp và dầu nhỏ giọt, và được nhắm mục tiêu đến cùng mức hiệu suất đạt được bằng các công thức tổng hợp truyền thống.
Xu hướng tương lai dầu gốc
Nhìn về tương lai, xu hướng là dầu nhờn và dầu gốc có độ tinh khiết cao hơn, độ bay hơi thấp hơn và tuổi thọ cao hơn. Cấu trúc phân tử của dầu gốc sẽ được thiết kế để mang lại hiệu suất bôi trơn cao hơn bao giờ hết. Tính chọn lọc đối với các chế phẩm phân tử mong muốn sẽ được nâng cao bằng cách sử dụng các chất xúc tác, nguyên liệu nạp và cải tiến quy trình xử lý nước tốt hơn.
Đáng kinh ngạc, một nguyên liệu đầu vào dầu gốc mới là khí đốt tự nhiên. Trong thập kỷ này, chúng ta sẽ thấy một loại dầu gốc siêu hiệu suất mới có nguồn gốc từ sáp có nguồn gốc từ khí tự nhiên thông qua quy trình Fischer-Tropsch (xem phần Đọc liên quan ở cuối bài viết). Các nhà máy sản xuất dầu gốc Nhóm III siêu tổng hợp này sẽ sử dụng công nghệ xử lý nước mới nhất. Được gọi là GTL, đối với khí thành chất lỏng, những cổ phiếu cơ bản này đã được gọi là Nhóm III +, hoặc “Siêu nhóm III”.
Thương hiệu của ChevronTexaco cho các sản phẩm này là dầu gốc FTBO TM (FT cho Fischer-Tropsch). Chúng sẽ có VI cao hơn đáng kể so với PAO và chúng sẽ được sử dụng để sản xuất dầu ô tô và dầu công nghiệp tiết kiệm nhiên liệu, tuổi thọ cao trong tương lai.
Các công nghệ cạnh tranh khác cũng có khả năng xuất hiện. Nguồn cấp dữ liệu mới để sản xuất PAO đã được đề xuất và chất lượng của các loại dầu tổng hợp truyền thống này tiếp tục được cải thiện. 2 Thật không may cho các nhà sản xuất PAO, giá nguyên liệu của họ sẽ tiếp tục ở mức tương đối cao và các tác giả tin rằng điều này sẽ khiến chất bôi trơn dựa trên PAO bị loại sang các thị trường chuyên biệt nhỏ hơn trong tương lai. Được thúc đẩy bởi giá dầu Nhóm III thấp hơn đáng kể, thị trường dầu nhờn ô tô tổng hợp ở Bắc Mỹ đang nhanh chóng chuyển đổi phần lớn sản lượng của mình sang các kho dự trữ cơ sở Nhóm III.
Các chất bôi trơn hàng đầu được lựa chọn yêu cầu PAO sẽ tiếp tục tồn tại cùng với các loại dầu Nhóm III như chúng đã có trong nhiều năm ở Châu Âu. Nhưng sự sẵn có rộng rãi của các loại dầu khoáng Nhóm II và III hiện đại đang đẩy nhanh tốc độ thay đổi trên thị trường dầu nhờn. Dầu gốc mới và cải tiến đang giúp các nhà sản xuất động cơ và thiết bị đáp ứng kinh tế nhu cầu ngày càng cao về chất bôi trơn tốt hơn, sạch hơn.
Khi công nghệ dầu gốc tiếp tục phát triển và cải tiến, người tiêu dùng sẽ được hưởng sự bảo vệ tốt hơn nữa đối với ô tô, xe tải và máy móc đắt tiền như tuabin. Hiệu suất bôi trơn trước đây chỉ đạt được trong các ứng dụng thích hợp khối lượng nhỏ, sử dụng PAO và các loại dầu đặc chủng khác, thì nay đã được phổ biến rộng rãi bằng cách sử dụng thế hệ dầu Nhóm II và Nhóm III mới.
0 Nhận xét