潤滑油基礎油蒸發損失的影響因素研究

王 魯 強

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

環保要求的提高和汽車技術的進步對潤滑油質量提出了更高的要求，提高燃油經濟性、減少排放和延長換油期是未來的發展趨勢[1-2]。作為潤滑油主要成分的基礎油，其蒸發損失對油耗、黏度穩定性和氧化安定性都有一定的影響[3]。潤滑油基礎油(簡稱基礎油)的蒸發損失隨餾分沸點的增高而降低。不同加工工藝、不同黏度級別的礦物基礎油的蒸發損失不同。蒸發損失的問題主要出現在低黏度級別的基礎油中。目前調配高檔潤滑油主要使用API Ⅱ+類或Ⅲ類4號基礎油，而高檔潤滑油對基礎油的蒸發損失提出了更加苛刻的要求，如北京現代裝車油要求潤滑油蒸發損失不大于15%，MB229.5奔馳汽車出廠用潤滑油要求蒸發損失不大于10%。企業通過加氫工藝生產API Ⅱ+類和API Ⅲ類基礎油時，常常出現由于蒸發損失過大導致基礎油質量不合格的現象。

基礎油的蒸發損失不僅和其餾程有關，還與生產基礎油的原料組成、加工工藝技術、產品組成等多方面因素有關。通過深入研究上述因素對蒸發損失的影響，從而提出解決基礎油蒸發損失過大問題的切實可行方法具有重要意義。

1 蒸發損失的分析方法及對比

潤滑油蒸發損失的測定有多種分析方法，國內常用的方法標準有NB/SH/T 0059，SH/T 0731，GB/T 7325，SH/T 0695，國外方法標準主要有美國的ASTM D972、德國的DIN 51581和日本的JIS K2220(5.6)等。目前在研究基礎油蒸發損失時普遍采用標準NB/SH/T 0059或SH/T 0731進行測定。

NB/SH/T 0059《潤滑油蒸發損失的測定 諾亞克法》(簡稱諾亞克法)參照ASTM D5800—2008標準，規定了測定潤滑油(特別是內燃機油)蒸發損失的兩種方法：A法采用伍德合金諾亞克蒸發損失測定儀，B法采用自動非伍德合金諾亞克蒸發損失測定儀。兩種方法測定結果存在差異[4]：對于全配方內燃機油，A法的測定結果略低于B法的測定結果；對于基礎油，A法的測定結果略高于B法的測定結果。目前國內基礎油企業標準中，蒸發損失大多采用B法進行測定。試樣于蒸發損失測定儀中，在250 ℃和恒定壓力下(真空度196 Pa±2 Pa)，蒸發出的油蒸氣由空氣攜帶出去，根據加熱前后試樣質量之差測定試樣的蒸發損失。

SH/T 0695 《發動機油揮發度測定法(氣相色譜法)》(簡稱氣相色譜法)參照ASTM D5480—1995標準，規定了發動機油在371 ℃下揮發度的氣相色譜測定方法，適用于含有不必由氣相色譜柱洗脫出來的高相對分子質量組分的發動機油。前面討論過蒸發損失與餾程的關系，而發動機油的揮發度在某種意義上與蒸發損失是一致的，該方法實際是通過測定油品餾程的方法來測定揮發度。為簡化起見，以下將采用氣相色譜法測得的油品揮發度也稱作蒸發損失。

此外，美國石油公司采用ASTM D2887模擬蒸餾方法測定多級內燃機油與基礎油的蒸發損失。

本研究主要采用諾亞克法和氣相色譜法兩種方法對基礎油蒸發損失進行測定。據文獻[5]報道，對于同一牌號基礎油，采用諾亞克法測定的蒸發損失結果比采用氣相色譜法測定的蒸發損失結果高約一個數量級，但兩種方法的相關性較好，通過多組數據統計結果看，兩種方法具有顯著的線性相關性。

2 實 驗

2.1 原料及產品組成與蒸發損失的關系

采用多種原料油(包括加氫裂化尾油、不同餾分段的加氫餾分油等)通過異構降凝工藝得到基礎油產品，考察原料組成、工藝條件、產品性質對基礎油蒸發損失的影響。6種具有代表性的加氫裂化尾油(記作尾油1～尾油6)的主要性質及烴類組成見表1。

表1 6種代表性加氫裂化尾油的主要性質及組成

由于煉油廠加工的原料不同、加氫裂化技術的差別，使得各種加氫裂化尾油的性質差別較大。由表1可以看出：尾油1的黏度指數較高，達到133，傾點為42 ℃；尾油4和尾油6的黏度指數基本相當，均為120左右，傾點為30 ℃左右；尾油2、尾油3的黏度指數較低，為100左右，其中尾油2傾點為-14 ℃、尾油3傾點為32 ℃；尾油1、尾油2、尾油3、尾油5的100 ℃運動黏度較高，均大于4.500 mm2/s，而尾油4、尾油6的100 ℃運動黏度較低，均小于4.000 mm2/s；在烴類組成方面，尾油1和尾油6的鏈烷烴含量較高，質量分數均在45%以上，尾油3和尾油5的鏈烷烴含量偏低，其中尾油5的鏈烷烴質量分數僅為29.6%。

對上述各種原料進行異構降凝，得到多種基礎油產品，并從中選取6個黏度接近的產品(依次記作產品1、產品2、產品3、產品4、產品5和產品6)進行比較。此6個基礎油產品的主要性質和烴類組成見表2。

表2 6個黏度接近的基礎油產品的主要性質和烴類組成

由表2可以看出：產品2的諾亞克法蒸發損失為14.0%，氣相色譜法蒸發損失為5.0%；產品4的諾亞克法蒸發損失為11.8%，氣相色譜法蒸發損失為3.0%；產品2和產品4的100 ℃運動黏度均為5.8 mm2/s左右，傾點基本相當，分別為-39 ℃和-36 ℃，兩者都屬于6號基礎油，兩種產品的主要區別在于產品2的黏度指數僅為88，產品4的黏度指數為110，兩者相差22。由此看來，基礎油黏度指數的高低影響著其蒸發損失，黏度指數越高，蒸發損失越小。

對于運動黏度、餾程、傾點基本相當的基礎油產品來說，影響黏度指數的一個重要因素為其鏈烷烴的含量。從表2中的烴類組成數據可以看出，產品2的鏈烷烴質量分數為24.5%，產品4的鏈烷烴質量分數為33.2%，后者的鏈烷烴含量明顯高于前者。

由表2還可以看出：產品1、產品3、產品5、產品6的100 ℃運動黏度均為5.4 mm2/s左右，四者都屬于5號基礎油；產品1的黏度指數最高，達到121，其蒸發損失也最小，諾亞克法蒸發損失僅為9.5%，氣相色譜法蒸發損失為2.0%；其次是產品6，其黏度指數為115，諾亞克法蒸發損失為13.9%，氣相色譜法蒸發損失為5.0%；產品3與產品5的黏度指數更低，分別為74與65，故蒸發損失更大，二者的諾亞克法蒸發損失分別為20.5%與20.8%，氣相色譜法蒸發損失分別為9.5%與14.0%；在烴類組成數據上，基本表現為基礎油的鏈烷烴含量越高，蒸發損失越小；環烷烴含量越高，蒸發損失越大。

從上述數據分析看，要想得到較低蒸發損失的基礎油產品，需要提高基礎油的黏度指數，從組成上就是要提高基礎油中的鏈烷烴含量，降低環烷烴含量。因此，可以通過提高異構降凝原料的鏈烷烴含量來提高最終基礎油產品的黏度指數。方法一是餾分油深度加氫處理生產異構降凝原料，提高芳烴飽和、環烷烴開環生成鏈烷烴的能力；方法二是通過添加高含蠟組分來提高原料中的鏈烷烴含量。

2.2 原料餾程與蒸發損失的關系

影響基礎油蒸發損失的一個關鍵因素是黏度與餾程的相互制約，尤其是在低黏度潤滑油基礎油的加工過程中，要想得到低黏度基礎油，許多生產廠家將基礎油初餾點適當降低，但會帶來基礎油蒸發損失的增大。

實際上基礎油產品黏度的高低除了受其初餾點影響外，也受其終餾點的影響。終餾點高，黏度大是必然的，將基礎油終餾點降低，既可適當降低基礎油的黏度，也有利于生產較低蒸發損失的低黏度潤滑油基礎油產品。

由于潤滑油基礎油的蒸餾切割需要高真空、低爐溫，產品終餾點的切割需要較高的爐溫，基礎油產品容易縮合變質，因此終餾點的切割不能放在最終產品切割的階段進行，應該在原料準備的蒸餾切割階段進行。

表3列出了以尾油6全餾分及以其為原料切割出的不同餾分段(包括390～470 ℃餾分、大于380 ℃餾分和大于420 ℃餾分)的主要性質。由表3可以看出：尾油6全餾分的餾程較寬，實際餾程為251～531 ℃，100 ℃運動黏度為3.390 mm2/s；通過掐頭去尾，將餾程控制在390～470 ℃，所得餾分的100 ℃運動黏度為3.801 mm2/s；切割時將尾油適當切重，得到的大于380 ℃餾分和大于420 ℃餾分的100 ℃運動黏度分別為4.768 mm2/s和5.015 mm2/s。可見，切割時將尾油終餾點降低，可使其100 ℃運動黏度從4.768 mm2/s降低到3.801 mm2/s，黏度降低較多，有利于生產低黏度基礎油。

表3 尾油6各餾分段的主要性質

以表3所示的4種餾分為原料進行異構降凝試驗，對產物切割得到的大于370 ℃基礎油產品(依次記作產品6-1、產品6-2、產品6-3、產品6-4)的主要性質見表4。

表4 尾油6各餾分段降凝產品的主要性質

從表4可以看出：盡管尾油6的100 ℃運動黏度為3.390 mm2/s，但因其餾程較寬，故含有較多非潤滑油餾分，其降凝產品100 ℃運動黏度已達到4.696 mm2/s，超過了4號基礎油指標要求(3.5～4.5 mm2/s)，且產品的諾亞克法蒸發損失為17.7%，氣相色譜法蒸發損失為7.0%，蒸發損失已超過了基礎油標準中規定的小于15%的指標，也就是說該原料通過調整產品餾程來滿足4號基礎油的黏度指標難以實現；尾油6的390～470 ℃餾分降凝產品的100 ℃運動黏度為4.345 mm2/s，較原料上升0.544 mm2/s，但仍滿足4號基礎油的黏度指標要求，且產品的諾亞克法蒸發損失為14.1%，氣相色譜法蒸發損失為6.0%，也滿足4號基礎油蒸發損失的要求；尾油6大于380 ℃餾分降凝產品的100 ℃運動黏度為5.828 mm2/s，較原料上升1.060 mm2/s，基礎油產品黏度等級達到6號基礎油指標要求(5.5～6.5 mm2/s)；尾油6大于420 ℃餾分降凝產品的100 ℃運動黏度為6.131 mm2/s，較原料上升1.116 mm2/s，基礎油產品黏度等級達到6號基礎油指標要求，且由于餾分較重，產品的蒸發損失較小。

表5列出了以尾油1全餾分及以之為原料切割出的不同餾分段(包括390～450 ℃餾分、大于410 ℃餾分)的性質對比。由表5可以看出：尾油1全餾分的實際餾程為309～537 ℃，100 ℃運動黏度為4.656 mm2/s，不適合作為生產4號基礎油的原料；通過掐頭去尾，將餾程控制在390～450 ℃，所得餾分的100 ℃運動黏度為3.846 mm2/s，可以作為生產4號基礎油的原料；通過將尾油適當切重，得到的大于410 ℃餾分的100 ℃運動黏度為5.538 mm2/s，可作為生產6號基礎油的原料。

表5 尾油1各餾分段的主要性質

以表5所示的3種餾分為原料進行異構降凝試驗，得到的基礎油產品(依次記作產品1-1、產品1-2、產品1-3)的主要性質見表6。

表6 尾油1各餾分段降凝產品的主要性質

從表6可以看出：尾油1降凝產品的100 ℃運動黏度為5.873 mm2/s，比原料上升1.217 mm2/s，達到6號基礎油指標要求，諾亞克法蒸發損失為14.5%，氣相色譜法蒸發損失為5.0%；尾油1的390～470 ℃餾分降凝產品的100 ℃運動黏度為4.438 mm2/s，較原料上升0.592 mm2/s，滿足4號基礎油的黏度等級，諾亞克法蒸發損失為11.8%，氣相色譜法蒸發損失為3.0%，也滿足4號基礎油蒸發損失的要求；尾油1大于410 ℃餾分降凝產品的100 ℃運動黏度為6.681 mm2/s，較原料上升1.143 mm2/s，黏度超過了6號基礎油指標要求，諾亞克法蒸發損失為7.4%，氣相色譜法蒸發損失為2.0%。

從上述試驗結果看，通過異構降凝工藝生產基礎油，基礎油產品的黏度與原料相比，會有所提高，4號基礎油100 ℃運動黏度提高幅度為0.5 mm2/s左右，6號基礎油100 ℃運動黏度提高幅度為1.1 mm2/s左右。要想生產黏度與蒸發損失均合格的4號基礎油產品，需要原料的100 ℃運動黏度在3.5～4.0 mm2/s之間，餾程范圍一般在370～470 ℃之間。

2.3 處理方式與蒸發損失的關系

在相同黏度、相同餾程范圍下，基礎油的黏度指數越高，蒸發損失越小。在降凝過程中，異構反應深度不同，基礎油黏度與黏度指數的變化都會有所不同，蒸發損失也會有區別。

表7為尾油1的4組大于370 ℃異構降凝產品(YG1，YG2，YG3，YG4)與溶劑脫蠟產品(TL1)的主要性質對比。從表7可以看出：尾油1異構降凝得到的基礎油產品，隨著產品傾點由-15 ℃降至-45 ℃，其100 ℃運動黏度呈現上升趨勢，黏度指數呈現下降趨勢，諾亞克法蒸發損失也隨之升高，從11.1%上升到12.5%；將尾油1采用溶劑脫蠟方法降凝，得到的基礎油產品黏度指數為108，傾點為-21 ℃，諾亞克法蒸發損失為22.0%，氣相色譜法蒸發損失為12.0%。可見，采用溶劑脫蠟工藝得到的基礎油產品蒸發損失高，黏度指數低。

表7 尾油1異構降凝產品與溶劑脫蠟產品的主要性質對比

表8為尾油1中390～450 ℃餾分的4組大于390 ℃異構降凝產品(YG5，YG6，YG7，YG8)與溶劑脫蠟產品(TL2)的主要性質對比。從表8可以看出：與以尾油1為原料時相同，尾油1的390～450 ℃餾分異構降凝基礎油產品的蒸發損失也是隨著傾點的下降而升高，降凝程度越大，傾點越低，黏度越高，對于生產合格的4號基礎油越不利；將尾油1的390～450 ℃餾分采用溶劑脫蠟方法降凝，得到的基礎油產品黏度指數為106，傾點為-15 ℃，諾亞克法蒸發損失為22.5%，氣相色譜法蒸發損失為12.0%。可見，對于尾油1的390～450 ℃餾分，依然是采用溶劑脫蠟工藝得到的基礎油產品蒸發損失高，黏度指數低。因此，通過加

表8 尾油1中390～450 ℃餾分的溶劑脫蠟和異構降凝產品的性質對比

氫異構的方式，在適宜的降凝深度條件下，保證高黏度指數的同時蒸發損失有所降低，有利于生產Ⅲ類低黏度基礎油。

3 結論與建議

通過對原料與產品組成分析，發現基礎油的結構組成是影響蒸發損失的關鍵和內在因素，通過各種工藝手段提高基礎油的鏈烷烴含量，不僅可以提高基礎油黏度指數，還可以降低基礎油的蒸發損失；基礎油黏度和餾程是影響蒸發損失的外在因素，可以通過優化原料和分餾塔的操作來降低蒸發損失。

對如何生產蒸發損失合格的加氫基礎油提出如下幾條建議：

(1)加氫處理過程要深度開環裂化，提高異構降凝原料的鏈烷烴含量，同時還可以降低原料的運動黏度，以保證滿足生產4號基礎油的要求。

(2)通過對加氫處理原料的合理蒸餾切割，將高黏度的重組分切除，也可以滿足生產4號基礎油的要求。

(3)可以適當摻煉高含蠟組分，提高原料的鏈烷烴含量。

(4)一般情況下，在降凝過程中，裂化反應程度較深會提高基礎油黏度、降低黏度指數、提高蒸發損失，因此要盡可能減少裂化反應的發生。