Tài liệu Tái sinh dầu nhờn

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................................4 DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................................5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................6 LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN................................................................8 1.1. Giới thiệu chung về dầu nhờn....................................................................................8 1.1.1. Định nghĩa...........................................................................................................8 1.1.2. Lịch sử phát triển của dầu nhờn.........................................................................8 1.1.3. Tầm quan trọng của dầu nhờn..........................................................................10 1.1.4. Chức năng của dầu nhờn..................................................................................12 1.2. Thành phần, tính chất, phân loại dầu nhờn.............................................................13 1.2.1. Thành phần........................................................................................................13 1.2.2. Tính chất...........................................................................................................18 1.2.3. Phân loại............................................................................................................24 1.3. Công nghệ sản xuất dầu nhờn gốc...........................................................................27 1.3.1. Quá trình trích ly, chiết bằng dung môi............................................................28 1.3.2. Quá trình tách sáp.............................................................................................29 1.3.3. Quá trình làm sạch bằng axit sunfuric và đất sét.............................................30 1.3.4. Quá trình tách asphalt bằng propan..................................................................30 1.3.5. Quá trình làm sạch bằng hydro.........................................................................30 1.4. Phụ gia cho dầu nhờn...............................................................................................31 1.4.1. Phụ gia chống oxy hóa dầu...............................................................................32 1.4.2. Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt........................................................................34 1.4.3. Phụ gia ức chế ăn mòn......................................................................................35 1.4.4. Phụ gia ức chế gỉ...............................................................................................36 1.4.5. Phụ gia tẩy rửa..................................................................................................36 1.4.6. Phụ gia phân tán................................................................................................37 1.4.7. Phụ gia giảm điểm đông đặc............................................................................38 SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 1 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.4.8. Phụ gia chống tạo bọt.......................................................................................38 1.4.9. Phụ gia tribology...............................................................................................39 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP TÁI SINH DẦU NHỜN THẢI..................................43 2.1. Nguyên nhân làm thay đổi tính chất của dầu nhờn.................................................43 2.1.1. Sự oxy hóa........................................................................................................43 2.1.2. Sự nhiễm bẩn bởi tạp chất................................................................................46 2.1.3. Sự làm loãng bởi nhiên liệu..............................................................................46 2.1.4. Sự phân hủy bởi nhiệt.......................................................................................47 2.2. Bản chất của quá trình tái sinh dầu nhờn thải.........................................................47 2.3. Các phương pháp tái sinh dầu nhờn thải chủ yếu...................................................48 2.3.1. Phương pháp đông tụ........................................................................................48 2.3.2. Phương pháp hấp phụ.......................................................................................49 2.3.3. Phương pháp làm sạch bằng axit sunfuric.......................................................49 2.3.4. Phương pháp làm sạch bằng chất kiềm............................................................49 2.3.5. Các phát minh mới trong lĩnh vực tái sinh dầu nhờn thải................................50 2.4. Tình hình tái sinh dầu nhờn thải ở Việt Nam..........................................................51 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU TÁI SINH DẦU NHỜN CHO ĐỘNG CƠ.................53 3.1. Nội dung nghiên cứu................................................................................................53 3.2. Hóa chất, dụng cụ thiết bị........................................................................................53 3.2.1. Dầu nhờn thải....................................................................................................53 3.2.2. Axit sunfuric.....................................................................................................53 3.2.3. Kiềm NaOH......................................................................................................53 3.2.4. Dụng cụ, thiết bị................................................................................................54 3.3. Phương pháp nghiên cứu tái sinh............................................................................54 3.3.1. Khử nước..........................................................................................................55 3.3.2. Làm sạch bằng axit sunfuric.............................................................................55 3.3.3. Ly tâm...............................................................................................................59 3.3.4. Trung hòa bằng kiềm........................................................................................60 3.4. Các phương pháp phân tích tính chất của dầu nhờn...............................................60 3.4.1. Phương pháp đo độ màu ASTM D 1500..........................................................60 SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 2 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.4.2. Phương pháp xác định độ nhớt động học ASTM D 445..................................62 3.4.3. Phương pháp xác định trị số axit tổng ASTM D 664.......................................63 3.4.4. Phương pháp xác định trị số kiềm tổng ASTM D 2896...................................65 3.4.5. Phương pháp xác định hàm lượng cặn cacbon conradson ASTM D 189........66 3.4.6. Phương pháp xác định điểm chớp cháy cốc hở ASTM D 92..........................68 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..................................................................71 4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng axit..............................................71 4.1.1. Hàm lượng axit.................................................................................................71 4.1.2. Nhiệt độ xử lý...................................................................................................72 4.1.3. Mức độ khuấy trộn............................................................................................73 4.2. Quá trình trung hòa bằng kiềm................................................................................74 4.3. Kiểm tra các tính chất dầu nhờn tái sinh theo ASTM.............................................75 4.3.1. Kết quả..............................................................................................................75 4.3.2. Nhận xét............................................................................................................76 KẾT LUẬN.....................................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................79 SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 3 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Dầu nhờn cho động cơ......................................................................................8 Hình 1.2. Ứng dụng của dầu nhờn..................................................................................10 Hình 1.3. Lực ma sát phát sinh giữa hai bề mặt của chi tiết chuyển động tương đối với nhau.................................................................................................................................12 Hình 1.4. Phân loại dầu nhờn theo tính năng.................................................................25 Hình 1.5. Phân loại dầu nhờn theo độ nhớt....................................................................26 Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ sản xuất dầu gốc.................................................................27 Hình 1.7. Cơ chế hoạt động phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt........................................35 Hình 1.8. Cấu trúc chung của các phụ gia phân tán.......................................................37 Hình 3.1. Sơ đồ các công đoạn tái sinh dầu nhờn bằng H2SO4......................................54 Hình 3.2. Thiết bị đo độ màu..........................................................................................61 Hình 3.3. Thiết bị đo độ nhớt..........................................................................................62 Hình 3.4. Thiết bị đo trị số axit tổng..............................................................................64 Hình 3.5. Thiết bị đo trị số kiềm tổng............................................................................65 Hình 3.6. Thiết bị xác định hàm lượng cặn....................................................................67 Hình 3.7. Thiết bị xác định điểm chớp cháy..................................................................69 Hình 4.1. Các mẫu sau ly tâm để khảo sát yếu tố hàm lượng axit.................................71 Hình 4.2. Các mẫu sau ly tâm để khảo sát yếu tố nhiệt độ xử lý axit............................72 Hình 4.3. Các mẫu sau ly tâm để khảo sát yếu tố mức độ khuấy trộn...........................73 Hình 4.4. Sự thay đổi màu dầu sau trung hòa bằng kiềm..............................................74 Hình 4.5. Sự thay đổi màu của dầu trước và sau tái sinh...............................................75 SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 4 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thành phần hóa học tổng quát của dầu nhờn động cơ..................................18 Bảng 3.1. Tiến hành khảo sát với các hàm lượng axit khác nhau..................................58 Bảng 3.2. Tiến hành khảo sát với các nhiệt độ xử lý khác nhau....................................58 Bảng 3.3. Tiến hành khảo sát với thời gian khuấy khác nhau.......................................59 Bảng 4.1. Kết quả khảo sát với các hàm lượng axit khác nhau trong dầu.....................71 Bảng 4.2. Kết quả khảo sát với các nhiệt độ xử lý axit khác nhau................................72 Bảng 4.3. Kết quả khảo sát với các thời gian khuấy trộn khác nhau.............................74 Bảng 4.4. Một số tính chất của dầu nhờn nghiên cứu....................................................76 SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 5 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM TAN : : American Society for Testing and Materials Total Acid Number TBN : Total Base Number SAE : Society of Automotive Engineers VI : Viscosity Index SI : System International CGS : Centimetre-Gram-Second System API : American Petroleum Institute SG : Specific Gravity FM : Friction Modifiers AW : Anti Wears EP : Extreme Pressure SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 6 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Dầu nhờn là vật liệu quan trọng trong nền kinh tế của mỗi quốc gia. Tất cả các máy móc, thiết bị sẽ không thực hiện được chức năng của mình hiệu quả nếu không có các loại dầu nhờn thích hợp. Hiện nay, thế giới sử dụng mỗi năm hơn 40 triệu tấn dầu nhờn, trong đó có 60% là dầu nhờn động cơ. Khu vực sử dụng nhiều dầu nhờn nhất là châu Âu 34%, châu Á 28%, Bắc Mỹ 25%. Với các nước khu vực châu Á - Thái Bình Dương là 8 triệu tấn/năm, tăng trưởng hằng năm là từ 5 - 6%. Đứng đầu là Nhật Bản với 29.1%, tiếp theo sau là Trung Quốc 26%, Ấn Độ 10%, Hàn Quốc 8%, Úc 5%, Thái Lan 4.6%, Inđônêsia 4.5%, Malaysia 1.8% và Việt Nam chúng ta khoảng 1.5%. Đáng chú ý, lượng dầu nhờn thải ra hằng năm cũng là một con số không hề nhỏ so với lượng dầu nhờn cần dùng. Cho nên việc tái sinh dầu nhờn cũng là một công việc cần thiết. Tái sinh dầu nhờn không những cho phép tiết kiệm đáng kể nhiên liệu mà còn giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường - một vấn đề cấp bách mà thế giới đang quan tâm. Vì vậy ngay cả khi công việc cung ứng dầu nhờn đảm bảo thì vấn đề tái sinh dầu nhờn vẫn phải đề cập đến. Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp và công nghệ tái sinh dầu nhờn khác nhau dựa trên các thiết bị phức tạp như: xử lý bằng hóa chất, chưng cất chân không, trích ly và hydro hóa làm sạch. Tất cả những phương pháp tái sinh dầu nhờn hiện đại đều cho ra dầu nhờn hoàn toàn có thể thay thế dầu nhờn gốc ban đầu. Tuy nhiên nó đòi hỏi phải có chi phí xây dựng dây chuyền tái sinh lớn, kỹ thuật cao và công nghệ phức tạp. Từ trước đến nay, việc tái sinh dầu nhờn ở Việt Nam vẫn được thực hiện bằng các phương pháp đơn giản và cũng chưa có một quy mô hoàn chỉnh cho việc tái sinh dầu nhờn. Với đề tài nghiên cứu này sẽ giúp chúng em: - Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến dầu nhờn. Tìm hiểu các phương pháp tái sinh dầu nhờn đang sử dụng hiện nay. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 7 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Và tiến hành nghiên cứu tái sinh dầu nhờn sử dụng cho động cơ với công nghệ đơn giản, rẻ tiền. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN 1.1. Giới thiệu chung về dầu nhờn 1.1.1. Định nghĩa Dầu nhờn là loại dầu dùng để bôi trơn các chi tiết máy và động cơ. Dầu nhờn là hỗn hợp bao gồm dầu gốc và phụ gia, thường được gọi là dầu nhờn thương phẩm. Phụ gia thêm vào với mục đích là giúp cho dầu nhờn thương phẩm có được những tính chất phù hợp với chỉ tiêu đề ra mà dầu gốc không có được. Hình 1.1. Dầu nhờn cho động cơ 1.1.2. Lịch sử phát triển của dầu nhờn Cách đây 100 năm, con người vẫn chưa có khái niệm về dầu nhờn. Tất cả các loại máy móc lúc bấy giờ đều được bôi trơn bằng dầu mỡ lợn và sau đó dùng dầu ôliu. Khi dầu ôliu khan hiếm thì người ta chuyển sang sử dụng các loại dầu thảo mộc khác. Ví dụ, để bôi trơn cọc sợi máy dệt người ta sử dụng đến dầu cọ. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 8 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khi ngành chế biến dầu mỏ ra đời, sản phẩm chủ yếu tại các nhà máy chế biến dầu mỏ là dầu hỏa, phần còn lại là mazut (chiếm 70 – 90%) không được sử dụng và coi như bỏ đi. Nhưng khi ngành công nghiệp dầu mỏ phát triển thì lượng cặn mazut càng ngày càng lớn, buộc con người phải nghiên cứu để sử dụng nó vào mục đích có lợi. Lúc đầu người ta lấy cặn dầu mỏ pha thêm vào dầu thực vật hoặc mỡ lợn với tỷ lệ thấp để tạo ra dầu nhờn, nhưng chỉ ít lâu sau người ta đã biết dùng cặn dầu mỏ để chế tạo ra dầu nhờn. Năm 1870 ở Creem (Nga), tại nhà máy Xakhanxkiđơ bắt đầu chế tạo được dầu nhờn từ dầu mỏ, nhưng chất lượng thấp. Nhà bác học người Nga D.I.Mendeleev chính là một trong những người chú ý đầu tiên đến vấn đề dùng mazut để chế tạo ra dầu nhờn. Năm 1870 – 1871, Ragorzin đã xây dựng một xưởng thí nghiệm dầu nhờn nhỏ, và đến năm 1876 – 1877, Ragorzin xây dựng ở Balakhan nhà máy chế biến dầu nhờn đầu tiên có công suất 100.000 put/năm. Nhà máy này đã sản xuất được bốn loại dầu nhờn: dầu cọc sợi, dầu máy, dầu trục cho toa xe mùa hè và mùa đông. Các mẫu dầu nhờn của Ragorzin đã được mang đến triển lãm quốc tế Pari năm 1878 và đã gây được nhiều hấp dẫn đối với chuyên gia các nước. Phát huy kết quả đó, năm 1879, Ragorzin cho xây dựng ở Conxtantinôp nhà máy thứ hai chuyên sản xuất dầu nhờn để xuất khẩu. Chính Mendeleep cũng đã làm việc ở các phòng thí nghiệm và những phân xưởng của nhà máy này vào những năm 1880 – 1881. Dưới sự chỉ đạo trực tiếp của ông, nhiều cơ sở khoa học của ngành sản xuất dầu nhờn đã được xây dựng và chỉ trong vòng mấy năm sau đó, ngành chế tạo dầu nhờn đã thực sự phát triển và đánh dấu một bước ngoặt trong lịch sử chế tạo chất bôi trơn. Kết quả nghiên cứu của nhà bác học Nga N.P.Petrop đã tạo điều kiện để dầu nhờn được sử dụng rộng rãi hơn. Trong kết quả nghiên cứu của mình, ông đã nêu lên khả năng có thể dùng dầu nhờn để thay thế hoàn toàn dầu thực vật và mỡ động vật, đồng thời nêu lên những nguyên lý bôi trơn… Cùng với những tiến bộ khoa học không ngừng, con người đã xây dựng được những tháp chưng cất chân không hiện đại thay thế cho những tháp chưng cất cũ kỹ, đây là bước phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dầu mỏ. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 9 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các tập đoàn tư bản lớn liên quan đến dầu nhờn như: BP, Castrol, Esson, Mobil, Total, Esso… đã có mặt trên hầu hết các nước trên thế giới. Họ đã và đang áp dụng rộng rãi những thành tựu mới nhất của khoa học, đưa nền công nghiệp dầu mỏ hằng năm tăng trưởng không ngừng và sản xuất dầu nhờn cũng không ngừng được nâng cao về mặt chất lượng cũng như số lượng, sáng tạo thêm nhiều chủng loại dầu nhờn mới. 1.1.3. Tầm quan trọng của dầu nhờn Đối với bất kỳ một ngành kinh tế nào có sử dụng máy móc, cơ cấu và dụng cụ thì vấn đề nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của chúng là nhiệm vụ hàng đầu. Phần lớn máy móc (85 - 90%) không tiếp xúc làm việc được vì nguyên nhân hao mòn các chi tiết. Khi xem xét ý nghĩa kinh tế của sự mài mòn máy, người ta đưa ra những chi phí hàng năm ở Mỹ là 46.8 tỷ USD. Trong các vấn đề chung về tính tin cậy, độ chính xác và tuổi thọ của máy móc thì vấn đề về ma sát, mài mòn và bôi trơn là những vấn đề có quan hệ hữu cơ với nhau. Không thể giải quyết được vấn đề chống mài mòn nếu không áp dụng và hoàn thiện kỹ thuật bôi trơn và sử dụng chất bôi trơn hợp lý. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 10 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.2. Ứng dụng của dầu nhờn Hiện nay, trong nhiều ngành công nghiệp, thời gian sử dụng của máy móc chỉ ở mức 30 %, nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hao mòn các chi tiết của máy móc đó là do sự mài mòn. Không chỉ ở các nước đang phát triển, mà ngay cả ở các nước có ngành công nghiệp phát triển thì tổn thất do ma sát và mài mòn gây ra chiếm tới vài phần trăm tổng thu nhập quốc dân. Ở CHLB Đức, thiệt hại do ma sát, mài mòn các chi tiết máy hàng năm từ 32 – 40 tỷ DM. Trong đó, ngành công nghiệp là 8.3 – 9.4 tỷ, ngành năng lượng là 2.67 – 3.2 tỷ, ngành giao thông vận tải là 17 – 23 tỷ. Ở Canada, tổn thất loại này hàng năm lên đến hơn 5 tỷ đôla Canada. Chi phí sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị tăng nhanh, chiếm 46% so với chi phí đầu tư ban đầu. Hiện nay, nước ta có khoảng 8 triệu công cụ liên quan đến bôi trơn bằng dầu mỡ, với tài sản khoảng vài tỷ USD. Theo điều tra và đánh giá của các Chuyên gia trong nước và nước ngoài, do việc sử dụng dầu nhờn không phù hợp với yêu cầu của máy móc đã gây thiệt hại do hư hỏng máy móc trước thời hạn quy định là SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 11 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP rất lớn. Ước tính thiệt hại do ma sát, mài mòn và chi phí bảo dưỡng hàng năm lên tới vài triệu USD. Chính vì vậy, việc làm giảm tác động của lực ma sát luôn là mục tiêu quan trọng của các nhà sản xuất ra các loại máy móc thiết bị cũng như những người sử dụng chúng. Để thực hiện điều này, người ta chủ yếu sử dụng dầu hoặc mỡ bôi trơn. Dầu nhờn (hoặc mỡ nhờn) có chức năng làm giảm ma sát và mài mòn đến mức thấp nhất, bằng cách tạo ra giữa bề mặt ma sát một lớp chất được gọi là chất bôi trơn, nó làm “cách ly” các bề mặt này để chống lại sự tiếp xúc giữa hai bề mặt kim loại. Khi dầu nhờn được đặt giữa hai bề mặt tiếp xúc, chúng bám vào bề mặt tạo nên một màng dầu mỏng đủ sức tác riêng hai bề mặt không cho chúng tiếp xúc với nhau. Khi hai bề mặt này chuyển động, chỉ có các lớp phần tử trong lớp dầu giữa hai bề mặt tiếp xúc trượt lên nhau tạo lên một lực ma sát chống lại tác dụng, gọi là ma sát nội tại của dầu nhờn, lực này nhỏ và không đáng kể so với lực ma sát sinh ra khi hai bề mặt khô tiếp xúc với nhau. Nếu hai bề mặt được cách ly hoàn toàn bằng một lớp màng dầu phù hợp thì hệ số ma sát sẽ giảm đi khoảng 100 – 1000 lần so với khi chưa có lớp dầu ngăn cách. 1.1.4. Chức năng của dầu nhờn Trong động cơ đốt trong, dầu nhờn được sử dụng với 5 chức năng cơ bản bao gồm giảm ma sát, làm sạch, làm kín, làm mát động cơ và bảo vệ bề mặt. Các chức năng chính trên phụ thuộc rất nhiều vào tính chất lý hóa của dầu nhờn, nhất là phụ thuộc vào tính chất độ nhớt của dầu nhờn. Để đảm bảo cho dầu nhờn có thể thực hiện tốt các chức năng nêu trên thì dầu nhờn phải có phẩm chất tốt. Cụ thể là dầu nhờn phải có tính bám dính tốt, có độ nhớt thích hợp, có độ bền hóa học, cơ học, sinh học, có độ dẫn nhiệt tốt, không gây ăn mòn hóa học, tẩy rứa phân tán tốt các cặn muội sinh trong trong quá trình hoạt động của động cơ. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 12 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.1.4.1. Chức năng giảm ma sát Bề mặt vật liệu/ kim loại không hoàn toàn nhẵn, khi chuyển động sẽ xảy ra hiện tượng ma sát, cản trở chuyển động, phát sinh nhiệt và làm tổn hao công suất của động cơ. Dầu nhờn sẽ tạo thành màng dầu mỏng phân tách 2 bề mặt vật liệu. Khi có sự chuyển động thì chỉ có các phân tử dầu nhờn trượt lên nhau và hình thành lực ma sát nội tại giữa các phân tử dầu nhờn. Lực ma sát nội tại nhỏ hơn nhiều so với lực ma sát khô sinh ra giữa hai bề mặt vật liệu. Do vậy, dầu nhờn có chức năng làm giảm ma sát, chống mài mòn, giảm tổn thất công suất, ngăn ngừa hiện tượng bó máy. Hình 1.3. Lực ma sát phát sinh giữa hai bề mặt của chi tiết chuyển động tương đối với nhau a) Không sử dụng dầu bôi trơn b) Sử dụng dầu bôi trơn 1.1.4.2. Chức năng làm sạch Dầu nhờn rửa sạch mạt kim loại, bụi, cát sạn trong không khí, muội than và các chất nhiễm bẩn sinh ra trong quá trình làm việc của động cơ. Giữ cho động cơ luôn sạch, hạn chế hiện tượng mài mòn do các cặn bẩn. Dầu nhờn ở trạng thái lỏng, chảy qua các bề mặt chuyển động và kéo theo các chất nhiễm bẫn và đưa về carter. 1.1.4.3. Chức năng làm mát Dầu nhờn hấp thụ nhiệt từ các chi tiết động cơ do quá trình cháy và do ma SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 13 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP sát. Nhiệt lượng này sau đó được chuyển ra ngoài. 1.1.4.4. Chức năng làm kín Trong động cơ, tại vị trí piston – cylindre yêu cầu độ kín cao. Dầu nhờn có khả năng bám dính và tạo màng sẽ lấp kín các khe hở, ngăn ngừa tổn thất công suất, bảo đảm quá trình làm việc bình thường cho thiết bị. 1.1.4.5. Chức năng bảo vệ bề mặt Trong quá trình hoạt động, do sự tiếp xúc của các tác nhân gây ăn mòn như oxy, độ ẩm của không khí, khí thải hay khí cháy từ nhiên liệu đốt trong động cơ hay các lò đốt do vậy bề mặt vật liệu bị oxy hóa hay bị ăn mòn. Dầu nhờn sẽ tạo thành màng dầu mỏng bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi các tác nhân gây ôxy hóa. 1.2. Thành phần, tính chất, phân loại dầu nhờn 1.2.1. Thành phần Nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn là phân đoạn cặn sau chưng cất khí quyển có nhiệt độ sôi trên 350°C. Trong phân đoạn này có chứa các hợp chất hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ 21 – 40 hay cao hơn. Do vậy, những hydrocacbon trong phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn và có cấu trúc phức tạp. Mặt khác, những hợp chất có mặt trong phân đoạn cặn sau chưng cất khí quyển đều có mặt trong thành phần của dầu nhờn. Trong phân đoạn này, ngoài những hợp chất hydrocacbon khác nhau còn có các hợp chất dị nguyên tố mà chủ yếu là các hợp chất chứa nguyên tử oxy, nitơ, lưu huỳnh và một vài kim loại (Niken,Vanađi...). Nói chung, các hợp chất phi hydrocacbon là các hợp chất có hại, chúng làm tối màu sản phẩm, làm giảm độ ổn định oxy hóa của sản phẩm. Vì vậy, trong quá trình sản xuất dầu nhờn, người ta phải áp dụng các biện pháp khác nhau để loại chúng ra khỏi dầu gốc. 1.2.1.1. Các hợp chất hydrocacbon a) Các hợp chất hydrocacbon naphten và parafin SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 14 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các hydrocacbon này được gọi chung là các nhóm hydrocacbon naphtenparafin. Đây là nhóm hydrocacbon chủ yếu có trong dầu gốc dầu mỏ. Hàm lượng của nhóm này tuỳ thuộc vào bản chất của dầu mỏ và khoảng nhiệt độ sôi mà chiếm từ 41% đến 86%. Nhóm hydrocacbon này có cấu trúc chủ yếu là các hợp chất hydrocacbon vòng naphten (vòng 5 cạnh và 6 cạnh), có kết hợp các nhánh alkyl hoặc iso-alkyl và số nguyên tử cacbon trong phân tử có thể từ 20 – 40 hay cao hơn. Cấu trúc vòng có thể ở hai dạng: Cấu trúc không ngưng tụ (phân tử có thể chứa từ 1 – 6 vòng) và cấu trúc ngưng tụ (phân tử có thể chứa từ 2 – 4 vòng ngưng tụ). Cấu trúc nhánh của các naphten này cũng rất đa dạng. Chúng khác nhau ở số mạch nhánh, chiều dài của mạch, mức độ phân nhánh của mạch và vị trí thế của mạch trong vòng. Thông thường người ta nhận thấy rằng:  Phần nhớt nhẹ có chứa chủ yếu các dãy đồng đẳng của xyclohexan và  xyclopenten. Phân đoạn nhớt trung bình chứa chủ yếu các vòng naphten có các mạch  nhánh alkyl, iso-alkyl với số vòng từ 2 – 4 vòng. Phân đoạn nhớt cao xuất hiện các hợp chất chứa các vòng ngưng tụ với số vòng từ 2 – 4 vòng. Ngoài hydrocacbon vòng naphten, trong nhóm này còn có các hydrocacbon dạng n-parafin và iso-parafin. Hàm lượng của chúng không nhiều và mạch cacbon thường chứa không quá 20 nguyên tử cacbon vì nếu số nguyên tử cacbon lớn hơn 20 thì parafin sẽ ở dạng rắn và thường được tách ra trong quá trình sản xuất dầu nhờn. b) Nhóm hydrocacbon thơm và hydrocacbon naphten-thơm Thành phần và cấu trúc của nhóm hydrocacbon này có ý nghĩa quan trọng đối với dầu gốc. Một loạt các tính chất sử dụng của dầu nhờn như tính ổn định chống oxy hoá, tính bền nhiệt, tính nhớt nhiệt, tính chống bào mòn, độ hấp thụ phụ gia phụ thuộc chủ yếu vào tính chất và hàm lượng của nhóm hydrocacbon này. Tuy nhiên hàm lượng và cấu trúc của chúng còn tuỳ thuộc vào bản chất dầu gốc và nhiệt độ sôi của các phân đoạn. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 15 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Phân đoạn nhớt nhẹ (350°C – 400°C) có mặt chủ yếu các hợp chất dãy đồng  đẳng benzen và naphtalen. Phân đoạn nhớt nặng hơn (400°C – 450°C) phát hiện thấy hydrocacbon thơm  ba vòng dạng đơn hoặc kép. Trong phân đoạn có nhiệt độ sôi cao hơn có chứa các hợp chất thuộc dãy đồng đẳng của naphtalen, phenatren, antraxen và một số lượng đáng kể loại hydrocacbon đa vòng. Các hydrocacbon thơm ngoài khác nhau về số vòng thơm, còn khác nhau bởi số nguyên tử cacbon ở mạch nhánh và vị trí mạch nhánh. Trong nhóm này còn phát hiện sự có mặt của các vòng thơm ngưng tụ đa vòng. Một phần của chúng tồn tại ngay trong dầu gốc với tỷ lệ thay đổi tuỳ thuộc vào dầu gốc của dầu mỏ, một phần nó được hình thành trong quá trình chưng cất do các phản ứng trùng ngưng, trùng hợp dưới tác dụng của nhiệt độ. Một thành phần nữa trong nhóm hydrocacbon thơm là loại hydrocacbon hỗn tạp naphten-aromat, loại hydrocacbon này làm giảm phẩm chất của dầu nhờn thương phẩm vì chúng có tính nhớt nhiệt kém và rất dễ bị oxy hoá tạo ra các chất keo nhựa trong quá trình làm việc của dầu nhờn động cơ. c) Các hydrocacbon rắn Trong thành phần dầu nhờn chưng cất ra từ dầu mỏ còn có các hydrocacbon rắn bao gồm các hydrocacbon dãy parafin có cấu trúc và khối lượng phân tử khác nhau, các hydrocacbon naphten có chứa từ 1 – 3 vòng trong phân tử và có mạch nhánh dài với cấu trúc dạng thẳng hoặc dạng iso, các hydrocacbon thơm có số vòng, số mạch nhánh khác nhau. Chúng đều có tính chất là dễ đông đặc lại ở dạng rắn khi ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, các hydrocacbon rắn này cần phải được tách lọc ra trong quá trình sản xuất dầu nhờn nên hàm lượng của chúng trong dầu nhờn thường rất thấp. Các hydrocacbon rắn này chia làm hai loại:  Parafin là hỗn hợp chủ yếu của các phân tử n-alkan có khối lượng phân tử khá cao. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 16 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Xerezin là hỗn hợp chủ yếu của các hydrocacbon naphten rắn có mạch nhánh dạng thẳng hoặc iso, trong đó dạng izo là chủ yếu. 1.2.1.2. Các thành phần khác Trong phân đoạn dầu nhờn, bên cạnh thành phần hydrocacbon còn có các thành phần khác như các chất nhựa asphalten, hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy... a) Các chất nhựa asphalten Dựa theo tính chất hoá lý người ta phân chia các chất nhựa – asphalten thành các nhóm:  Chất nhựa trung tính: là loại hợp chất hữu cơ tan hoàn toàn trong các phân đoạn dầu mỏ, ete, bezen, CCl4, nhưng khó tan trong cồn, tỷ trọng gần  bằng 1. Nhựa trung tính còn gọi là keo dầu mỏ. Asphalten: Là chất trung tính không hoà tan trong xăng nhẹ, khác với nhựa trung tính là chúng kết tủa trong thể tích lớn ete dầu mỏ. Asphalten hoà tan  tốt trong benzen, CCl4. Sunfuacacbon là một chất rắn, giòn, không chảy mềm, có màu nâu xẫm  hoặc đen, tỷ trọng lớn hơn 1. Các axit asphaltic: Tương tự như nhựa trung tính nhưng lại mang tính axit. Chúng hoà tan trong kiềm, rượu, CCl4, tan ít trong xăng, tỷ trọng lớn hơn  1. Cacbon và cacboit: Cacbon về hình thức giống asphalten nhưng khác  asphalten ở chỗ là không hoà tan trong benzen và các dung môi khác. Các chất nhựa nằm trong phân đoạn dầu nhờn là những hợp chất mà phần cấu trúc chủ yếu của nó là những vòng thơm và asphalten ngưng tụ cao. Đặc điểm của các hợp chất này là có độ nhớt lớn nhưng chỉ số nhớt lại rất thấp. Mặt khác các chất nhựa có khả năng nhuộm màu rất mạnh, nên sự có mặt của chúng trong dầu sẽ làm cho màu của dầu bị tối. Trong quá trình bảo quản và sử dụng, khi tiếp xúc với oxy không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao, nhựa đều rất dễ bị oxy hoá tạo nên các sản phẩm có trọng lượng phân tử lớn hơn tuỳ theo mức độ bị oxy hoá. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 17 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Những chất này làm tăng cao độ nhớt và đồng thời tạo cặn không tan đọng lại trong các động cơ đốt trong, nếu hàm lượng chất nhựa bị oxy hoá càng mạnh thì chúng càng tạo ra nhiều loại cacbon, cacboit, cặn cốc, tạo tàn. Vì vậy việc loại bỏ các tạp chất nhựa ra khỏi phân đoạn dầu nhờn trong quá trình sản xuất là một khâu công nghệ rất quan trọng. b) Các hợp chất của lưu huỳnh, nitơ, oxy Các hợp chất này dưới tác dụng của oxy cũng có thể tạo ra những chất giống như nhựa. Ngoài ra những hợp chất chứa lưu huỳnh nằm lại trong dầu nhờn chủ yếu là lưu huỳnh dạng sunfua khi được dùng để bôi trơn các động cơ đốt trong sẽ bị cháy tạo thành SO2 và SO3 gây ăn mòn các chi tiết động cơ. Những hợp chất chứa oxy, chủ yếu là các hợp chất axit naphtenic có trong dầu gây ăn mòn các đường ống dẫn dầu, thùng chứa làm bằng các hợp kim của Pb, Cu, Zn, Sn, Fe. Những sản phẩm ăn mòn này lại lắng đọng lại trong dầu, làm bẩn dầu và góp phần tạo cặn đóng ở các chi tiết của động cơ. Tuy nhiên sự có mặt của các hợp chất có cực này trong dầu nhờn lại có tác dụng làm tăng độ bám dính của dầu lên bề mặt kim loại. Nguyên nhân có thể do có sự hấp phụ hoá học của các phần có cực của chúng lên bề mặt kim loại, trong quá trình đó các axit có thể tạo nên với lớp kim loại bề mặt một hợp chất kiểu như xà phòng và nhờ đó bám chắc vào bề mặt kim loại. Để tăng thời gian sử dụng, cũng như các tính năng sử dụng của dầu nhờn người ta phải pha thêm vào dầu gốc các phụ gia khác nhau, tùy thuộc vào từng lĩnh vực cụ thể mà nhà sản xuất sẽ thêm vào các phụ gia tương ứng. Do đó thành phần hoá học của dầu nhờn rất phức tạp, ví dụ theo Bảng 1.1 dầu nhờn động cơ sử dụng phổ biến trên thế giới có thành phần hóa học tổng quát như sau: Bảng 1.1. Thành phần hóa học tổng quát của dầu nhờn động cơ SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 18 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thành phần Phần trăm theo khối lượng Dầu gốc (SAE 30 ÷ 40) Phụ gia tẩy rửa Phụ gia phân tán Zn Đithiophốtphát Chất chống oxyhóa Chất giảm ma sát Chất chống bọt Chất hạ điểm đông đặc 71.5% – 96.2% 2% – 10% 1% – 9% 0.5% – 3% 0.1% – 2% 0.1% – 3% 2 – 15ppm 0.1% – 1.5% 1.2.2. Tính chất 1.2.2.1. Độ nhớt Là đại lượng kiểm tra sự thay đổi dầu trong quá trình sử dụng. Độ nhớt là một chỉ tiêu đặc biệt quan trọng. Khi xác định độ nhớt ở 40°C và 100°C có thể đánh giá được dầu tốt hay xấu, có còn sử dụng được hay không và có bị lẫn nhiên liệu hay không. Độ nhớt của dầu động cơ đặc biệt quan trọng ở nhiều khía cạnh. Nó có ảnh hưởng đến độ kín khít, tổn hao công ma sát, khả năng chống mài mòn, khả năng tạo cặn. Do vậy trong động cơ chuyển động khứ hồi, độ nhớt của dầu có tác động chính đến lượng tiêu hao nhiên liệu, khả năng tiết kiệm dầu và hoạt động chung của cả động cơ. Đối với một số loại dầu động cơ nhất là dầu động cơ ô-tô, độ nhớt cũng ảnh hưởng đến sự dễ dàng khởi động và tốc độ trục khuỷu. Độ nhớt quá cao sẽ gây ra sức cản lớn khi nhiệt độ xung quanh thấp, làm giảm tốc độ trục cơ và do đó tăng lượng nhiên liệu tiêu hao, kể cả sau khi động cơ đã khởi động. Độ nhớt quá thấp sẽ dẫn đến chóng mài mòn và tăng lượng tiêu hao dầu. SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 19 GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong điều kiện động cơ làm việc nặng, làm việc với tải trọng lớn thì dầu có độ nhớt cao tin cây hơn. Đặc biệt đáng chú ý, việc dầu oxy hoá có thể dẫn đến hoặc làm tăng hoặc làm giảm động nhớt. Độ nhớt giảm thường do sự phân huỷ cơ học của các chất polyme tăng chỉ số nhớt trong dầu bốn mùa, hoặc do bị lẫn nhiên liệu, các chất căn bẩn. Tuy nhiên quá trình oxy hoá cũng bẻ gãy các chất tăng động nhớt thành các phân tử nhỏ hơn, do đó làm giảm khả năng đông đặc của chúng, nhất là ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao cũng có thể gây tổn thất do bay hơi, làm dầu đặc hơn thêm do nồng độ các thành phần nhớt hơn trong dầu tăng lên. Chính vì vậy độ nhớt, độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của dầu nhờn nói chung và dầu động cơ nói riêng. Khi chọn độ nhớt của dầu nhờn cần phải tính đến những điều kiện có liên quan đến đặc điểm cấu tạo của động cơ cúng như đặc điểm sử dụng động cơ đó. Độ nhớt còn dùng để phân loại các dầu bôi trơn nói chung và dầu động cơ nói riêng. Theo đơn vị SI thì độ nhớt được định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích (N/m2) cần dùng trong quá trình chuyển động tương đối (m/s) giữa hai mặt phẳng nằm ngang được ngăn cách nhau bởi một lớp dầu dày 1 mm, đó là độ nhớt động được tính bằng pascal giây (Pa.s). Theo đơn vị CGS thì độ nhớt được tính bằng poazơ P (dyn.s/cm2). Có thể chuyển đổi giữa hai loại đơn vị này theo công thức: 1Pa.s = 10 P. Ngoài ra poazơ còn có thể chuyển đổi sang đơn vị động học thường dùng là Stoc (Sc) và centimet Stoc (cSt) mà giá trị phụ thuộc vào tỷ trọng của dầu. Theo đơn vị SI thì độ nhớt động học được tính bằng m2/s hay mm2/s (1mm2/s = 1cSt). 1.2.2.2. Chỉ số độ nhớt Chỉ số độ nhớt (VI) là một trị số chuyên dùng để đánh giá sự thay đổi độ nhớt của dầu nhờn theo nhiệt độ. Đối với dầu nhờn thì khi nhiệt độ càng tăng độ nhớt của dầu càng giảm. Mức độ giảm độ nhớt của dầu nhờn khi nhiệt độ tăng phụ thuộc vào thành phần của dầu. Loại dầu có chỉ số độ nhớt thấp thì độ nhớt của dầu thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ (các loại dầu naphten). Ngược lại các loại dầu có chỉ số độ nhớt SVTH: Nguyễn Hữu Long – Lê Văn Phước : Lớp 10H5 Trang 20