윤활유

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배경

로마 시대부터 물을 비롯한 많은 액체가 서로 접촉하는 기계 부품 간의 마찰, 열 및 마모를 최소화하기 위해 윤활제로 사용되었습니다. 오늘날 윤활유 또는 윤활유는 광범위한 적용 범위로 인해 가장 일반적으로 사용되는 윤활유입니다. 윤활유의 두 가지 기본 범주는 광물 및 합성. 미네랄 오일은 천연 석유 또는 원유에서 정제됩니다. 합성 오일은 탄화수소 기반 폴리글리콜 또는 에스테르 오일인 제조된 폴리알파올레핀입니다.

선택할 수 있는 윤활유 유형은 다양하지만 원유 공급으로 인해 윤활유가 저렴해지기 때문에 광유가 가장 일반적으로 사용됩니다. 게다가 그 속성과 용도에 대한 방대한 양의 데이터가 이미 존재합니다. 광물 기반 윤활유의 또 다른 장점은 다양한 응용 분야에서 광범위한 점도(점도는 물질의 흐름 저항을 나타냄)로 생산할 수 있다는 것입니다. 약 200 원자 질량 단위(amu)의 분자량을 가진 수소-탄소 사슬로 구성된 저점도 오일부터 분자량이 1000 amu에 달하는 고점도 윤활유에 이르기까지 다양합니다. 점도가 다른 광물성 오일을 함께 혼합하여 주어진 응용 분야에서 성능을 향상시킬 수도 있습니다. 예를 들어 일반적인 1OW-30 모터 오일은 저점도 오일(저온에서 쉽게 시동할 수 있도록)과 고점도 오일(정상 작동 온도에서 더 나은 모터 보호를 위해)을 혼합한 것입니다.

항공 우주 산업에서 처음 사용된 합성 윤활유는 일반적으로 광유가 적합하지 않은 특정 용도를 위해 공식화됩니다. 예를 들어, 합성 물질은 극도로 높은 작동 온도가 발생하거나 윤활유가 내화성이 있어야 하는 곳에 사용됩니다. 이 기사는 광물 기반 윤활유에 초점을 맞출 것입니다.

원자재

윤활유는 원유에서 파생될 수 있는 많은 분획 또는 구성요소 중 하나일 뿐이며, 이는 유정에서 나오는 수천 개의 탄화수소(탄소와 수소만 포함하는 유기 화합물)의 노란색에서 검은색의 가연성 액체 혼합물입니다. 원자, 이들은 모든 화석 연료에서 발생합니다). 석유 매장지는 약 4억 년 전에 살았던 작은 동식물이 분해되면서 형성되었습니다. 지구 역사에서 당시 발생하는 기후 및 지리적 변화로 인해 이러한 유기체의 분해는 지역마다 다양했습니다.

다양한 장소에서 유기 물질이 분해되는 속도가 다르기 때문에 생성되는 탄화수소의 성질과 비율은 매우 다양합니다. 결과적으로 다른 지역에서 추출된 원유의 물리적 및 화학적 특성도 마찬가지입니다. 예를 들어, 캘리포니아 원유의 비중은 0.92g/밀리리터인 반면 더 가벼운 펜실베니아 원유의 비중은 0.81그램/밀리리터입니다. (비중, 같은 부피의 물에 대한 물질의 무게 비율을 나타내는 것은 원유의 중요한 측면입니다.) 전반적으로 원유의 비중은 0.80~0.97g/밀리리터입니다.

용도에 따라 첨가제라고 하는 약품이 혼합될 수 있습니다. 윤활유는 원유에서 정제됩니다. 정제 과정을 거친 후, 원유는 거대한 분별탑에서 가열됩니다. 연료, 왁스 또는 프로판을 만드는 데 사용할 수 있는 다양한 증기는 끓어오르고 타워의 여러 지점에서 수집됩니다. 채취한 윤활유를 여과한 후 정제유에 첨가제를 혼합하여 원하는 물성을 부여합니다. 일반적인 첨가제에는 납 또는 금속 황화물과 같은 금속이 포함되며, 이는 금속 표면이 극도로 높은 압력에서 접촉할 때 마모 및 흠집을 방지하는 윤활유의 능력을 향상시킵니다. 고분자량 폴리머는 또 다른 일반적인 첨가제입니다. 점도를 개선하여 고온에서 오일이 묽어지는 경향을 상쇄합니다. 니트로소민은 산을 중화하고 금속 표면에 보호막을 형성하기 때문에 항산화제 및 부식 억제제로 사용됩니다.

제조
프로세스

윤활유는 원유에서 추출되며, 이는 분획탑으로 펌핑되기 전에 예비 정제 과정(침전)을 거칩니다. 직경이 25~35피트(7.6~10.6m)이고 높이가 최대 400피트(122m)인 전형적인 고효율 분류 타워는 원유에 존재하는 부식성 화합물에 저항하는 고급 강철로 구성됩니다. 내부에는 오름차순 일련의 응축수 수집 트레이가 장착되어 있습니다. 타워 내에서 원유에 있는 수천 개의 탄화수소는 분별 증류라고 하는 프로세스에 의해 서로 분리됩니다. 증기가 탑을 통해 상승함에 따라 다양한 분획이 냉각되고, 응축되고, 각각의 끓는점에 따라 결정된 다른 속도로 액체 형태로 되돌아갑니다(분획의 끓는점이 낮을수록 응축되기 전에 상승합니다). 천연가스는 끓는점에 먼저 도달하고 휘발유, 등유, 연료유, 윤활유, 타르가 그 뒤를 잇습니다.

침전

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1 원유는 유정에서 파이프라인 또는 유조선을 통해 정제소로 운송됩니다. 정유 공장에서 오일은 침전을 거쳐 물과 모래, 암석과 같은 고체 오염 물질을 제거합니다. 이 과정에서 원유는 물과 기름이 분리되고 오염 물질이 기름에서 가라앉는 대형 저장 탱크로 펌핑됩니다.

분류

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2 다음으로 원유를 화씨 700도(섭씨 371도)로 가열합니다. 이 온도에서 그것은 뜨거운 증기와 액체의 혼합물로 분해된 다음 두 개의 분류 탑 중 첫 번째 탑의 바닥으로 펌핑됩니다. 여기에서 뜨거운 탄화수소 증기가 위로 떠오릅니다. 냉각되면 응축되어 타워의 다른 수준에 설치된 다른 트레이에 수집됩니다. 이 타워에서는 정상 대기압이 지속적으로 유지되며 원유의 약 80%가 기화됩니다.

3 나머지 20%의 오일은 재가열되어 두 번째 타워로 펌핑됩니다. 여기서 진공 압력은 잔류 오일의 끓는점을 낮추어 낮은 온도에서 기화할 수 있습니다. 타르 및 무기 화합물과 같이 끓는점이 높은 더 무거운 화합물은 추가 처리를 위해 남아 있습니다.

여과 및 용매 추출

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4 두 개의 분획탑에 모인 윤활유는 불필요한 화합물을 제거하기 위한 추가 처리를 거친 후 여러 개의 초미세 필터를 통과하여 남은 불순물을 제거합니다. 그러한 오염 물질 중 하나인 방향족 물질에는 용매 추출이라는 공정에서 제거되지 않으면 윤활유의 점도에 영향을 미칠 수 있는 6개의 탄소 고리가 포함되어 있습니다. 방향족이 윤활유 분획보다 용매에 더 잘 녹기 때문에 용매 추출이 가능합니다. 윤활유가 용제로 처리되면 방향족이 용해됩니다. 나중에 용매를 제거한 후 방향족을 회수할 수 있습니다.

첨가제, 검사 및 포장

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5 마지막으로 오일은 첨가제와 혼합되어 원하는 물리적 특성(예:저온에 견디는 능력)을 부여합니다. 이 시점에서 윤활유는 점도, 비중, 색상, 인화점 및 발화점을 평가하는 다양한 품질 관리 테스트를 거칩니다. 품질 표준을 충족하는 오일은 판매 및 유통을 위해 포장됩니다.

품질 관리

대부분의 윤활유 적용은 수지가 없고 옅은 색을 띠고 무취이며 내산화성이 있어야 합니다. 12가지 이상의 물리적 및 화학적 테스트를 통해 윤활유의 등급을 분류하고 결정합니다. 일반적인 물리적 테스트에는 점도, 비중 및 색상에 대한 측정이 포함되는 반면 일반적인 화학적 테스트에는 인화점 및 발화점에 대한 측정이 포함됩니다.

모든 특성 중에서 특정 온도 및 압력에서 윤활유의 흐름에 대한 저항인 점도는 아마도 가장 중요한 단일 특성일 것입니다. 적용 및 작동 온도 범위는 오일의 적절한 점도를 결정하는 핵심 요소입니다. 예를 들어, 오일의 점성이 너무 높으면 서로 반대 방향으로 움직이는 금속 부품에 대한 저항이 너무 커집니다. 반면에 점성이 충분하지 않으면 결합 표면 사이에서 압착되어 충분히 윤활할 수 없습니다. Saybolt 표준 범용 점도계는 화씨 70도에서 210도(섭씨 21도에서 99도) 사이의 석유 윤활유 점도를 측정하기 위한 표준 기기입니다. 점도는 Say Bolt Universal Second, 로 측정됩니다. 이것은 주어진 온도에서 보정된 튜브 오리피스를 통해 50밀리리터의 오일이 세이볼트 점도계 컵에서 비워지는 데 필요한 시간(초)입니다.

오일의 비중은 정제 방법과 납과 같은 존재하는 첨가제의 유형에 따라 달라지며, 이는 윤활유 오일이 극한의 결합 표면 압력과 저온에 견딜 수 있는 능력을 제공합니다. 윤활유의 색상은 특정 등급 또는 브랜드의 균일성을 나타냅니다. 오일의 인화점과 발화점은 원유의 원산지에 따라 다릅니다. 인화점 충분한 가연성 증기가 제거될 때까지 오일이 가열되어야 하는 온도로 불꽃과 접촉할 때 깜박입니다. 화재 지점 점화될 때 오일 증기가 계속 연소되는 더 높은 온도입니다.

일반적인 엔진 오일은 SAE(Society of Automotive Engineers)에서 제정한 사양에 따라 점도와 성능에 따라 분류됩니다. 성능 요인에는 마모 방지, 오일 슬러지 침전물 형성 및 오일 농축이 포함됩니다.

미래

광물 기반 윤활유의 미래는 제한적입니다. 석유의 천연 공급은 유한하고 재생 불가능하기 때문입니다. 전문가들은 총 회수 가능한 경질~중질 석유 매장량을 1조 6000억 배럴로 추정하고 이 중 3분의 1이 사용되었습니다. 따라서 천연 매장량이 감소함에 따라 합성 기반 오일이 점점 더 중요해질 것입니다. 이것은 윤활유뿐만 아니라 석유 정제에서 나오는 다른 제품들도 마찬가지입니다.