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    油品指标基础知识介绍

    发布时间:2014-09-10 阅读:171次

    粘度(VISCOSITY)

    对于燃料油,我们经常会见到诸如180cSt、380cSt这样的分类。这里我们对所有油品经常会用到的各项指标做简单的介绍。
    
     cSt为Centistoke(厘沲)的缩写,cSt是运动粘度(Kinemetic Viscosity)单位“沲”(Stoke)的百分之一,简写cSt。
    
     粘度(VISCOSITY)是油品流动性的一种表征,它反映了液体分子在运动过程中相互作用的强弱,作用强(粘度大),流动难。石蜡基型原油含烷烃成份较多,分子间力的作用相对较小,粘度较低,环烷基原油含脂环、芳香烃较多,粘度一般较大。但需注意的是油品的流动性并非单决定于粘度,它还与油品的倾点(或凝点)有关。
    
     流体的粘度明显受环境温度的影响(压力也有一定影响,但一般可忽略不计),这种影响也是通过分子间的相互作用来实施的:通常的概念是温度升高流体体积膨胀,分子间距离拉远,相互作用减弱,粘度下降;温度降低,流体体积缩小,分子间距离缩短,相互作用加强,粘度上升。由于粘度与温度关系密切,因此任何粘度数据都需注明测定时的温度。通常在低温区域温度对粘度的效应尤其显著。
    
     粘度的测定方法,表示方法很多。在英国常用雷氏粘度(Redwood Viscosity),美国惯用赛氏粘度(Saybolt Viscosity),欧洲大陆则往往使用恩氏粘度(Engler Viscosity),但各国正逐步更广泛地采用运动粘度(Kinemetic Viscosity),因其测定的准确度较上述诸法均高,且样品用量少,测定迅速。各种粘度间的换算通常可通过已预先制好的转换表查得近似值。
    
     粘度对于各种油品都是一重要参数。内燃机及喷气发动机燃料的汽化性能、锅炉用燃料雾化的好坏均直接与各油品的粘度相关,而油品的输送性能亦与粘度有密切关系。由于粘度在油品实际应用中表现出的重要性,因此不少油品,诸如残渣燃料油、某些润滑油等往往以粘度作为其分级的依据。此外通过对使用过程中的润滑油的粘度的测定更可提供该油品是否已经变质而需加以更换的信息。
   
      运动粘度(KINEMETIC VICOSITY)υ是油品的动力粘度(Dynamic Viscosity)η与同温度下的油品密度ρ之比:
    
     υ=η/ρ
    
     单位,沲(Stoke)= 厘米2/秒,通常以其百分之一 ——厘沲cSt表示。
    
     具体是测定一定量的试样在规定的温度下(如40℃,50℃)流过运动粘度计之毛细管所需要的时间“秒”,然后乘以该粘度计之标定常数即得该试样粘度cSt。
    
     运动粘度的优点是样品用量小,测试速度快,更主要是准确度大大高于其它测定法(雷氏、赛氏等),因此应用日趋普遍。
    
     动力粘度是面积各为1厘米2并相距1厘米的两层液体,当其中一层以1厘米/秒的速度与另一层液体作相对运动时所产生的内摩擦力,单位“泊”(Poise),其百分之一即厘泊(CP)。
    
     赛氏粘度(SAYBOLT VISCOSITY)是一定量的试样,在规定温度(如100OF,122 OF或210 OF)下,从赛氏粘度计流出的60毫升所需要的时间,单位秒。
    
     赛氏粘度有赛氏通用粘度(Saybolt Universal ,常用SSU表示)及赛氏重油粘度(Saybolt Furol,常用SSF表示)之分,两种粘度计的差别主要在于试样流出孔的口径上,赛氏通用粘度计之孔口径较小,重油粘度计较大。一般当以赛氏通用粘度计测得之流出时间超过2000秒时,则改用赛氏重油粘度计。数值上SSF约等于SSU的十倍。
    
     赛氏粘度在美国等地被广泛采用。雷氏粘度(REDWOOD VISCOSITY)是一定量的试样在规定温度(100OF)下,从雷氏粘度计流出50毫升所需要的时间,单位(秒)。雷氏粘度分雷氏1号,Redwood 
No.1(简写RWⅠ)及雷氏2号,Redwood NO.2 (简写RWⅡ)。当测得的RWⅠ超过2000秒时,改用RWⅡ测定。数值上RWⅡ等于RWⅠ的10倍。
    
     雷氏粘度在英国被广泛应用,由于规定之准确度较差,已逐步被运动粘度(Kinemetic Viscosity)所取代。

    密度(DENSITY)为油品的质量(Mass)与其体积的比值。常用单位——克/厘米3、、千克/米3或公吨/米3等。由于体积随温度的变化而变化,故密度不能脱离温度而独立存在。为便于比较,西方规定以15℃下之密度作为石油的标准密度。

    闪点(FLASH POINT)是油品安全性的指标。油品在特定的标准条件下加热至某一温度,令由其表面逸出的蒸气刚够与周围的空气形成一可燃性混合物,当以一标准测试火源与该混合物接触时即会引致瞬时的闪火,此时油品的温度即定义为其闪点。其特点是火焰一闪即灭,达到闪点温度的油品尚未能提供足够的可燃蒸汽以维持持续的燃烧,仅当其再行受热而达到另一更高的温度时,一旦与火源相遇方构成持续燃烧,此时的温度称燃点或着火点(Fire Point或Ignition Point)。

    虽然如此,但闪点已足以表征一油品着火燃烧的危险程度,习惯上也正是根据闪点对危险品进行分级。显然闪点愈低愈危险,愈高愈安全。通常愈是轻质的油品闪点愈低,反之愈高。只要条件许可,一切操作均宜在低于闪点的温度下进行,但并非所有油品均能满足这一要求,汽油与石油气之所以特别危险,因前者之闪点一般在零下三、四十度,而石油气更远低于汽油,因此常温下即是远高于它们闪点的条件下操作。另外,值得注意的是原油,因它包括各轻质组分,闪点一般较低。

    在油品的使用过程中,闪点也有重要意义,譬如,若发现内燃机油闪点有显著下降,说明该润滑油已受燃料的稀释,而需及时处理更换等等。

    闪点的标准测定法很多,不同的方法适应不同的要求,通常可粗分为两类——闭口杯法(Closed Cup)及开口杯法(Open Cup),前者主要用于测定轻质油品的闪点,后者多用于重质油品,但是闭口杯法仅能测闪点,而开口杯法除闪点外尚可测定着火点。同一样品由不同方法测得的闪点会有差别,譬如由ABLE法测得的数据可比TAG法低2~3℃。

    倾点(POUR POINT),一油品尚能流动的最低温度称为倾点。单位为℃或oF。随着外界温度的下降,油品的流动变得愈来愈困难,最终甚至于“丧失”流动性。对于石油而言,其低温下的流动性通常同时取决于两个因素:一是粘度随温度下降而增高,一是油品中原来呈溶解状态的石蜡分子因温度下降而以固体结晶析出。但对于环烷基型的石油,其低温下流动性的“丧失”主要决定于前一因素。平时所谓的倾点多指因蜡质析出而刚要使油品“丧失”流动性的那个温度,因此又称为“含蜡倾点(Waxy Pour Point)”。

    倾点愈高自然低温下的流动性愈差。但是由实验室小样测得的倾点数据并不能真正代表如储油罐中大量油品的实际倾点,事实上后者要低得多。而且对于石蜡基型石油只要以机械的方法破坏了蜡的结晶结构,即使在低于倾点的某一段温度范围内仍可顺利流动。为改善油品的低温流动性,尚可添加适量倾点下降剂(Pour Point Depressants)。

    至于环烷基型石油的倾点,在概念上与“含蜡倾点”不同,有人特称之为“粘度倾点(Viscosity Pour Point)”,这种油品不能通过机械的作用获得低于倾点的流动性。

    由于倾点是油品低温流动性的一种指示,因此在油品输送上有着实际的重要意义。

    残炭(CARBON RESIDUE)是残渣燃料油(Residual Fuel Oil)及柴油燃料油润滑油等规格指标之一。是指一定量的油品试样在无空气补充的条件下受热,油品经高温分解、聚合及焦化后所留下的不挥发残渣,其重量占试样重量的比值称为该油品的残炭量,以重量百分数(wt%)表示。

    由上述定义可知,所谓残炭除真正的碳质成份外实质上尚包括有灰份(Ash),故加有添加剂或灰份含量较多的油品(尤其是润滑油)所得残炭量一般均偏高。

    油品的组成对残炭量有直接影响,一般石蜡基型石油残炭量较低,环烷基型石油则较高,直馏油品残炭量低,裂化油品高,轻质油品如汽油、煤油等几乎测不出残炭,而重质油品如残渣燃料油,残炭量可高达10%乃至15%。

    一般多以所用之试样总量为基础计算残炭量,但轻柴油等较轻质油品所含残炭较少,因此亦常先进行试样的蒸馏,待蒸去90%后,对留下的10%蒸余物进行残炭测试,结果则报为基于10%蒸余物之残炭(Carbon Residue On 10% Residum)。

    从一油品所含的残炭量大致可推断该油品在使用过程中产生结炭(焦)的倾向,但这关系并不是绝对的;此外该值亦可作为柴油、润滑油之基础油等精制程度的一种间接指标。

    目前通用的残炭测试法有两种:一为康氏法(Conradson Carbon Test),另一为后期发展起来的兰氏法(Ramsbottom Carbom Test)。目前不少规格仍以康氏测定的结果为指标,但兰氏法测得之数据较准确。 

    灰份(ASH)是中、重质油品包括润滑油的规格指标之一。油品经燃烧后,油品中的不可燃物质所形成的残渣即称灰份,其重量占试样重量的百分比即为该油品的灰份含量。

    燃料型石油产品中的灰份或是来自原油,或是由加工过程中引入,或来自外界杂质的污染。

    正常情况下,原油经加工后,灰份主要集中于残渣燃料油等重质油品之中,中质油品中也可能少量存在。从组成看,构成灰份的主要是一些无机化合物。视油源的不同这些灰份可以包括铅、钙、铁、镁、镍、钠、硅、钒等的化合物,其它金属亦可能存在,但含量微不足道。

    灰份对于燃料型油品有弊无利,如某些类型的灰份对于燃烧器喷嘴、泵部件、阀门以及精密的控制元件等有磨蚀作用;在高温高压下更对金属产生严重腐蚀。一些熔融态灰份,尤其是钠、钒的化合物会被炉内之多孔耐火材料表面所吸附而导致耐火材料的熔蚀崩裂,有些灰份更会积聚在锅炉加热管表面而致使传热恶化。对于玻璃及陶瓷工业,若所用之燃料中含有钒、铁等组份更会引致产品起麻点及变色。

    另外,对于柴油燃料,灰份是造成发动机沉积及产生过度磨损的原因之一。

    因此对于燃料型石油产品灰份愈少愈好,但润滑油的灰份则有所不同。对不加添加剂的润滑油,灰份表示基础油的精制及洁净程度,自然亦是愈少愈好;而对加有高灰份添加剂(如磺酸盐等)者,则灰份标示着添加剂加入量的多少而需控制一定数值以保证有足够的添加剂存在。因此,灰份的测定在润滑油中具有特殊重要的意义,它往往可充当品质“监视”的角色——在润滑油调配过程中可赖以观察有无异常现象发生;对于用过之润滑油可藉以判断是否还可使用抑需废弃更换等等。润滑油规格上尚广泛采用硫酸化灰份(Sulfated Ash)主要是令结果有更好的重复性,提高测定的准确度。

    硫含量(SULFUR CONTENT),在石油的组分中除碳、氢外,硫是第三个主要组分,虽然在含量上远低于前两者,但是其含量仍然是很重要的一个指标。常见的原油其含硫量多在0.2%至5%之间,但也有极个别含硫量高达7%者,一般含硫低于1%者列为低硫原油,高于1%者为高硫石油。

    石油中有游离态的硫存在,但大多以硫化物和硫化氢、硫酸、硫醚、二硫化物及环状硫化物等存在。原油经加工后,硫的分布随馏分的沸点而递增,因此轻质馏分中含硫少,原油中70~80%的硫均集中到较重馏分如柴油特别是残渣燃料油中。轻质馏分中硫多以硫醇、硫醚等存在,因此如航空燃料等的规格中除对总硫量有限制外尚规定了硫醇性硫的允许含量。

    硫的存在是造成石油及其产品腐蚀设备的主要根源,随燃烧而生成的二氧化硫是污染大气的主要因素,同时硫亦是造成油品恶臭及变色的原因之一,此外尚易令石油加工中所用的催化剂中毒,影响润滑油添加剂的效果、令汽油的感铅性降低(即不易通过加铅提高其辛烷值)。因此脱硫精制已成为目前石油加工中的一项重要过程。

    但并非任何情况下硫都是有害的,有些油品如双曲线齿轮油就规定了含硫量不低于1.5%,因发现某些硫化物能增强该润滑油油膜的坚固性,且还可充作抗腐蚀之添加剂。

    总硫量的测定法很多,目前轻质馏分(如汽油、航空煤油、煤油)中的硫多采用燃灯法,近期更发展了X-射线光谱分析法及氢氧燃灯法,后者并可用于石油气,中质馏分油、燃料油等则多用石英管燃烧法(西方1976年起已不再继续使用)、氧弹法,而近期还广泛采用简易三角瓶燃烧法等。

    水份及沉积物(WATER AND SEDIMENT),原油及中、重质油品质量指标之一,亦称BSW(Bottom Sediment And Water)。

    原油中的水份及沉积物一般来源于运输过程以及钻井开采时所用之泥浆,而油品则主要来自储运及加工过程。

    原油中的水分及沉积物往往为加工炼制带来麻烦,沉积物会堵塞、磨损甚至腐蚀设备,而水份的存在有时是引起蒸馏产生液泛(蒸馏塔冲油)的主要原因。而石油产品中的水份,轻则造成火焰的迸散、逆燃(Flash-Back),重则完全中断燃烧而造成熄火;至于沉积物是造成燃烧器喷嘴堵塞,引起喷嘴及敏感部件磨蚀的原因之一,且由于燃烧的不正常导致热量损失而大大降低热效率。

    石油中的水与沉积物通常都与淤渣(Sludge)并存,但在本质上两者完全不同,前者基本属无机性质,而淤渣则基本由有机化合物组成。

    水份(Water Content)与沉淀物(Sediment)可分别测定,亦可藉离心法测得一定量试样中所含有水与沉淀物总量,单位:体积%,但后一测定(尤其是含蜡量较高石油的测定)宜在加热条件下进行,否则一部份蜡亦被作为沉淀而令测定结果偏高。

    水含量(WATER CONTENT)是原油及石油产品重要指标之一。

    石油及其产品中往往会混有一些水份,这些水份除了在储运过程中可能引入外,石油本身也有一定程度的吸水性,而能从大气或与水的接触中吸收并溶解一部份水。

    石油中水的存在大致有三种形态:

    1、悬浮状,水份以水滴形态悬浮于油中,多见于粘度及比重比较大的重质油,如残渣燃料油中,原油中亦有存在。

    2、乳化状,水份以极细的微珠均匀分散于油中,分离困难。

    3、溶解状,水份溶解于油中,一般这种形态存在的水含量极微(如航空燃料中存在的微量水)。但要去除则也更为困难。

    石油中的水份无论从哪方面看都应视作一有害的杂质:

    1、腐蚀设备零件。

    2、由于水蒸发时要吸收热量,因此将降低油品的发热量。

    3、恶化油品尤其是轻质油品的燃烧过程,并能将所含在水中的溶解的盐带入汽缸而造成积炭,增加汽缸磨损,重质油品中若有过量的水份存在更易导致熄火。

    4、低温条件下,易结冰而堵塞燃料管线及过滤器,妨碍乃至中断对发动机的供油。

    5、加速油品的氧化和胶化。

    水份测定是将油样与同体积溶剂如甲苯共蒸馏,由甲苯将油品中的水份带出,后者占原试样的体积比即该试样的水份含量,单位:体积%。

    沉积物(SEDIMENT)指油品中所有不溶于溶剂(如甲苯)的沉淀物质,是中、重质油品的规格指标之一。

    测定原理是将一定量油样置于一多孔性滤器中,不断滴入热溶剂,凡溶于溶剂的成份均透过滤器而被排走,留下者即不溶于溶剂的沉积物,单位:重量%。

    沉积物往往是一些机械杂质,或由加工过程或由运输、储存过程中引入,沉积物含量高,容易堵塞滤器、喷嘴、阀门等,并会引致或加重机件的磨损。

    钒含量(VANADIUM CONTENT):残渣燃料油中的钒、碱金属及铁的化合物当燃烧时会对耐火材料发生反应使之形成流体炉渣,而造成炉膛的严重熔蚀,另外当以残渣燃料油为燃料时钒及钠化物的低熔点亦是船用柴油机之阀件、喷嘴及涡轮鼓风机叶片上产生沉积而造成严重腐蚀的原因之一。因此燃料油中钒等含量需加控制。

    蜡含量(WAX CONTENT)是原油质量指标之一,随产地不同含量变化很大,例如印尼China原油含蜡几近30%,倾点(Pour Point)可高达45℃,而伊拉克的Basrah重质原油需在-30℃下方可测得0.9%含蜡量,倾点低达-40℃以下。含蜡量高的原油对操作与泵送都带来困难,由其加工所得的馏分油及燃料油倾点颇高,同时在润滑油精制上需花高成本进行脱蜡。

    钠含量(SODIUM CONTENT),残渣燃料油中的碱金属及钒等的化合物,当燃烧时会对耐火材料发生反应,使之形成流体残渣,而造成炉膛的严重侵蚀。另外,当以残渣燃料油为燃料时,低熔点的钠化合物亦是船用柴油机之阀件、喷嘴及涡轮鼓风机叶片上产生沉积而造成腐蚀的原因之一,因此对燃料油中的钠含量需加控制。

    含盐量(SALT CONTENT),原油质量指标之一,随产地的不同,含盐量可有颇大幅度的变化,例如阿尔及利亚Hassi Messaoud Blend 原油含盐0.001%,而墨西哥的Roforma原油高达1%。同时即使在同一油田内由不同的生产井或油层测到之原油含盐量亦可能不同。另外在运输途中因海水的引入亦会提高原油的盐含量。由于盐会引起设备的腐蚀,在石油加工前一般先需要脱盐处理(电脱盐或化学脱盐,现下多采用高压电——化学脱盐)。

    金属杂质(METALLIC CONTAMINANTS),原油中除硫外,还常含有一些痕量(ppm级)的金属杂质,对加工或油品品质往往造成有害的影响,诸如引起设备熔蚀,令加工过程中的催化剂中毒等等。

    原油中常见的有害金属主要有钒、镍、钠及铅、砷等。钒的化合物会损害炉膛内的耐火材料,对于玻璃的生产有有害影响,并会引起催化裂化过程中所用的催化剂中毒。砷与铅亦会导致重整催化剂的中毒。燃料油中的钠会损坏炉内之砖砌部份。

    石油中的痕量金属测定法很多,其中X-射线法及原子吸收光谱法可快速测定,应用日益广泛。

    凝点/凝固点(FREEZING POINT)是反映油品低温性能的重要指标,是油品在特定的试验条件下,逐渐降低温度,当丧失其流动性那一瞬间的最高温度即为凝点。但石油是一种混合物,它不像纯化合物那样有一确定的凝点,而是在一相当宽的温度范围内逐渐凝固,因此测定时所采用的条件对所得结果影响很大。

    对于航空燃料,由于在高空条件下使用,凝点有特殊意义。事实是由它规定了油品尚未析出固态烃(石蜡),因而尚未发生管线及过滤器堵塞的最低允许操作温度。航空汽油的凝点一般要求控制在-60℃以下,喷气燃料Jet A-1按新修订的规定不得超过-47℃。

    凝点对于低温条件下使用的润滑油亦是重要指标。


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