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        油品指標基礎知識介紹

        發布時間:2014-09-10 閱讀:171次

          粘度(VISCOSITY)

          對于燃料油,我們經常會見到諸如180cSt、380cSt這樣的分類。這里我們對所有油品經常會用到的各項指標做簡單的介紹。
          
           cSt為Centistoke(厘沲)的縮寫,cSt是運動粘度(Kinemetic Viscosity)單位“沲”(Stoke)的百分之一,簡寫cSt。
          
           粘度(VISCOSITY)是油品流動性的一種表征,它反映了液體分子在運動過程中相互作用的強弱,作用強(粘度大),流動難。石蠟基型原油含烷烴成份較多,分子間力的作用相對較小,粘度較低,環烷基原油含脂環、芳香烴較多,粘度一般較大。但需注意的是油品的流動性并非單決定于粘度,它還與油品的傾點(或凝點)有關。
          
           流體的粘度明顯受環境溫度的影響(壓力也有一定影響,但一般可忽略不計),這種影響也是通過分子間的相互作用來實施的:通常的概念是溫度升高流體體積膨脹,分子間距離拉遠,相互作用減弱,粘度下降;溫度降低,流體體積縮小,分子間距離縮短,相互作用加強,粘度上升。由于粘度與溫度關系密切,因此任何粘度數據都需注明測定時的溫度。通常在低溫區域溫度對粘度的效應尤其顯著。
          
           粘度的測定方法,表示方法很多。在英國常用雷氏粘度(Redwood Viscosity),美國慣用賽氏粘度(Saybolt Viscosity),歐洲大陸則往往使用恩氏粘度(Engler Viscosity),但各國正逐步更廣泛地采用運動粘度(Kinemetic Viscosity),因其測定的準確度較上述諸法均高,且樣品用量少,測定迅速。各種粘度間的換算通常可通過已預先制好的轉換表查得近似值。
          
           粘度對于各種油品都是一重要參數。內燃機及噴氣發動機燃料的汽化性能、鍋爐用燃料霧化的好壞均直接與各油品的粘度相關,而油品的輸送性能亦與粘度有密切關系。由于粘度在油品實際應用中表現出的重要性,因此不少油品,諸如殘渣燃料油、某些潤滑油等往往以粘度作為其分級的依據。此外通過對使用過程中的潤滑油的粘度的測定更可提供該油品是否已經變質而需加以更換的信息。
         
            運動粘度(KINEMETIC VICOSITY)υ是油品的動力粘度(Dynamic Viscosity)η與同溫度下的油品密度ρ之比:
          
           υ=η/ρ
          
           單位,沲(Stoke)= 厘米2/秒,通常以其百分之一 ——厘沲cSt表示。
          
           具體是測定一定量的試樣在規定的溫度下(如40℃,50℃)流過運動粘度計之毛細管所需要的時間“秒”,然后乘以該粘度計之標定常數即得該試樣粘度cSt。
          
           運動粘度的優點是樣品用量小,測試速度快,更主要是準確度大大高于其它測定法(雷氏、賽氏等),因此應用日趨普遍。
          
           動力粘度是面積各為1厘米2并相距1厘米的兩層液體,當其中一層以1厘米/秒的速度與另一層液體作相對運動時所產生的內摩擦力,單位“泊”(Poise),其百分之一即厘泊(CP)。
          
           賽氏粘度(SAYBOLT VISCOSITY)是一定量的試樣,在規定溫度(如100OF,122 OF或210 OF)下,從賽氏粘度計流出的60毫升所需要的時間,單位秒。
          
           賽氏粘度有賽氏通用粘度(Saybolt Universal ,常用SSU表示)及賽氏重油粘度(Saybolt Furol,常用SSF表示)之分,兩種粘度計的差別主要在于試樣流出孔的口徑上,賽氏通用粘度計之孔口徑較小,重油粘度計較大。一般當以賽氏通用粘度計測得之流出時間超過2000秒時,則改用賽氏重油粘度計。數值上SSF約等于SSU的十倍。
          
           賽氏粘度在美國等地被廣泛采用。雷氏粘度(REDWOOD VISCOSITY)是一定量的試樣在規定溫度(100OF)下,從雷氏粘度計流出50毫升所需要的時間,單位(秒)。雷氏粘度分雷氏1號,Redwood 
      No.1(簡寫RWⅠ)及雷氏2號,Redwood NO.2 (簡寫RWⅡ)。當測得的RWⅠ超過2000秒時,改用RWⅡ測定。數值上RWⅡ等于RWⅠ的10倍。
          
           雷氏粘度在英國被廣泛應用,由于規定之準確度較差,已逐步被運動粘度(Kinemetic Viscosity)所取代。

          密度(DENSITY)為油品的質量(Mass)與其體積的比值。常用單位——克/厘米3、、千克/米3或公噸/米3等。由于體積隨溫度的變化而變化,故密度不能脫離溫度而獨立存在。為便于比較,西方規定以15℃下之密度作為石油的標準密度。

          閃點(FLASH POINT)是油品安全性的指標。油品在特定的標準條件下加熱至某一溫度,令由其表面逸出的蒸氣剛夠與周圍的空氣形成一可燃性混合物,當以一標準測試火源與該混合物接觸時即會引致瞬時的閃火,此時油品的溫度即定義為其閃點。其特點是火焰一閃即滅,達到閃點溫度的油品尚未能提供足夠的可燃蒸汽以維持持續的燃燒,僅當其再行受熱而達到另一更高的溫度時,一旦與火源相遇方構成持續燃燒,此時的溫度稱燃點或著火點(Fire Point或Ignition Point)。

          雖然如此,但閃點已足以表征一油品著火燃燒的危險程度,習慣上也正是根據閃點對危險品進行分級。顯然閃點愈低愈危險,愈高愈安全。通常愈是輕質的油品閃點愈低,反之愈高。只要條件許可,一切操作均宜在低于閃點的溫度下進行,但并非所有油品均能滿足這一要求,汽油與石油氣之所以特別危險,因前者之閃點一般在零下三、四十度,而石油氣更遠低于汽油,因此常溫下即是遠高于它們閃點的條件下操作。另外,值得注意的是原油,因它包括各輕質組分,閃點一般較低。

          在油品的使用過程中,閃點也有重要意義,譬如,若發現內燃機油閃點有顯著下降,說明該潤滑油已受燃料的稀釋,而需及時處理更換等等。

          閃點的標準測定法很多,不同的方法適應不同的要求,通常可粗分為兩類——閉口杯法(Closed Cup)及開口杯法(Open Cup),前者主要用于測定輕質油品的閃點,后者多用于重質油品,但是閉口杯法僅能測閃點,而開口杯法除閃點外尚可測定著火點。同一樣品由不同方法測得的閃點會有差別,譬如由ABLE法測得的數據可比TAG法低2~3℃。

          傾點(POUR POINT),一油品尚能流動的最低溫度稱為傾點。單位為℃或oF。隨著外界溫度的下降,油品的流動變得愈來愈困難,最終甚至于“喪失”流動性。對于石油而言,其低溫下的流動性通常同時取決于兩個因素:一是粘度隨溫度下降而增高,一是油品中原來呈溶解狀態的石蠟分子因溫度下降而以固體結晶析出。但對于環烷基型的石油,其低溫下流動性的“喪失”主要決定于前一因素。平時所謂的傾點多指因蠟質析出而剛要使油品“喪失”流動性的那個溫度,因此又稱為“含蠟傾點(Waxy Pour Point)”。

          傾點愈高自然低溫下的流動性愈差。但是由實驗室小樣測得的傾點數據并不能真正代表如儲油罐中大量油品的實際傾點,事實上后者要低得多。而且對于石蠟基型石油只要以機械的方法破壞了蠟的結晶結構,即使在低于傾點的某一段溫度范圍內仍可順利流動。為改善油品的低溫流動性,尚可添加適量傾點下降劑(Pour Point Depressants)。

          至于環烷基型石油的傾點,在概念上與“含蠟傾點”不同,有人特稱之為“粘度傾點(Viscosity Pour Point)”,這種油品不能通過機械的作用獲得低于傾點的流動性。

          由于傾點是油品低溫流動性的一種指示,因此在油品輸送上有著實際的重要意義。

          殘炭(CARBON RESIDUE)是殘渣燃料油(Residual Fuel Oil)及柴油燃料油潤滑油等規格指標之一。是指一定量的油品試樣在無空氣補充的條件下受熱,油品經高溫分解、聚合及焦化后所留下的不揮發殘渣,其重量占試樣重量的比值稱為該油品的殘炭量,以重量百分數(wt%)表示。

          由上述定義可知,所謂殘炭除真正的碳質成份外實質上尚包括有灰份(Ash),故加有添加劑或灰份含量較多的油品(尤其是潤滑油)所得殘炭量一般均偏高。

          油品的組成對殘炭量有直接影響,一般石蠟基型石油殘炭量較低,環烷基型石油則較高,直餾油品殘炭量低,裂化油品高,輕質油品如汽油、煤油等幾乎測不出殘炭,而重質油品如殘渣燃料油,殘炭量可高達10%乃至15%。

          一般多以所用之試樣總量為基礎計算殘炭量,但輕柴油等較輕質油品所含殘炭較少,因此亦常先進行試樣的蒸餾,待蒸去90%后,對留下的10%蒸余物進行殘炭測試,結果則報為基于10%蒸余物之殘炭(Carbon Residue On 10% Residum)。

          從一油品所含的殘炭量大致可推斷該油品在使用過程中產生結炭(焦)的傾向,但這關系并不是絕對的;此外該值亦可作為柴油、潤滑油之基礎油等精制程度的一種間接指標。

          目前通用的殘炭測試法有兩種:一為康氏法(Conradson Carbon Test),另一為后期發展起來的蘭氏法(Ramsbottom Carbom Test)。目前不少規格仍以康氏測定的結果為指標,但蘭氏法測得之數據較準確。 

          灰份(ASH)是中、重質油品包括潤滑油的規格指標之一。油品經燃燒后,油品中的不可燃物質所形成的殘渣即稱灰份,其重量占試樣重量的百分比即為該油品的灰份含量。

          燃料型石油產品中的灰份或是來自原油,或是由加工過程中引入,或來自外界雜質的污染。

          正常情況下,原油經加工后,灰份主要集中于殘渣燃料油等重質油品之中,中質油品中也可能少量存在。從組成看,構成灰份的主要是一些無機化合物。視油源的不同這些灰份可以包括鉛、鈣、鐵、鎂、鎳、鈉、硅、釩等的化合物,其它金屬亦可能存在,但含量微不足道。

          灰份對于燃料型油品有弊無利,如某些類型的灰份對于燃燒器噴嘴、泵部件、閥門以及精密的控制元件等有磨蝕作用;在高溫高壓下更對金屬產生嚴重腐蝕。一些熔融態灰份,尤其是鈉、釩的化合物會被爐內之多孔耐火材料表面所吸附而導致耐火材料的熔蝕崩裂,有些灰份更會積聚在鍋爐加熱管表面而致使傳熱惡化。對于玻璃及陶瓷工業,若所用之燃料中含有釩、鐵等組份更會引致產品起麻點及變色。

          另外,對于柴油燃料,灰份是造成發動機沉積及產生過度磨損的原因之一。

          因此對于燃料型石油產品灰份愈少愈好,但潤滑油的灰份則有所不同。對不加添加劑的潤滑油,灰份表示基礎油的精制及潔凈程度,自然亦是愈少愈好;而對加有高灰份添加劑(如磺酸鹽等)者,則灰份標示著添加劑加入量的多少而需控制一定數值以保證有足夠的添加劑存在。因此,灰份的測定在潤滑油中具有特殊重要的意義,它往往可充當品質“監視”的角色——在潤滑油調配過程中可賴以觀察有無異常現象發生;對于用過之潤滑油可藉以判斷是否還可使用抑需廢棄更換等等。潤滑油規格上尚廣泛采用硫酸化灰份(Sulfated Ash)主要是令結果有更好的重復性,提高測定的準確度。

          硫含量(SULFUR CONTENT),在石油的組分中除碳、氫外,硫是第三個主要組分,雖然在含量上遠低于前兩者,但是其含量仍然是很重要的一個指標。常見的原油其含硫量多在0.2%至5%之間,但也有極個別含硫量高達7%者,一般含硫低于1%者列為低硫原油,高于1%者為高硫石油。

          石油中有游離態的硫存在,但大多以硫化物和硫化氫、硫酸、硫醚、二硫化物及環狀硫化物等存在。原油經加工后,硫的分布隨餾分的沸點而遞增,因此輕質餾分中含硫少,原油中70~80%的硫均集中到較重餾分如柴油特別是殘渣燃料油中。輕質餾分中硫多以硫醇、硫醚等存在,因此如航空燃料等的規格中除對總硫量有限制外尚規定了硫醇性硫的允許含量。

          硫的存在是造成石油及其產品腐蝕設備的主要根源,隨燃燒而生成的二氧化硫是污染大氣的主要因素,同時硫亦是造成油品惡臭及變色的原因之一,此外尚易令石油加工中所用的催化劑中毒,影響潤滑油添加劑的效果、令汽油的感鉛性降低(即不易通過加鉛提高其辛烷值)。因此脫硫精制已成為目前石油加工中的一項重要過程。

          但并非任何情況下硫都是有害的,有些油品如雙曲線齒輪油就規定了含硫量不低于1.5%,因發現某些硫化物能增強該潤滑油油膜的堅固性,且還可充作抗腐蝕之添加劑。

          總硫量的測定法很多,目前輕質餾分(如汽油、航空煤油、煤油)中的硫多采用燃燈法,近期更發展了X-射線光譜分析法及氫氧燃燈法,后者并可用于石油氣,中質餾分油、燃料油等則多用石英管燃燒法(西方1976年起已不再繼續使用)、氧彈法,而近期還廣泛采用簡易三角瓶燃燒法等。

          水份及沉積物(WATER AND SEDIMENT),原油及中、重質油品質量指標之一,亦稱BSW(Bottom Sediment And Water)。

          原油中的水份及沉積物一般來源于運輸過程以及鉆井開采時所用之泥漿,而油品則主要來自儲運及加工過程。

          原油中的水分及沉積物往往為加工煉制帶來麻煩,沉積物會堵塞、磨損甚至腐蝕設備,而水份的存在有時是引起蒸餾產生液泛(蒸餾塔沖油)的主要原因。而石油產品中的水份,輕則造成火焰的迸散、逆燃(Flash-Back),重則完全中斷燃燒而造成熄火;至于沉積物是造成燃燒器噴嘴堵塞,引起噴嘴及敏感部件磨蝕的原因之一,且由于燃燒的不正常導致熱量損失而大大降低熱效率。

          石油中的水與沉積物通常都與淤渣(Sludge)并存,但在本質上兩者完全不同,前者基本屬無機性質,而淤渣則基本由有機化合物組成。

          水份(Water Content)與沉淀物(Sediment)可分別測定,亦可藉離心法測得一定量試樣中所含有水與沉淀物總量,單位:體積%,但后一測定(尤其是含蠟量較高石油的測定)宜在加熱條件下進行,否則一部份蠟亦被作為沉淀而令測定結果偏高。

          水含量(WATER CONTENT)是原油及石油產品重要指標之一。

          石油及其產品中往往會混有一些水份,這些水份除了在儲運過程中可能引入外,石油本身也有一定程度的吸水性,而能從大氣或與水的接觸中吸收并溶解一部份水。

          石油中水的存在大致有三種形態:

          1、懸浮狀,水份以水滴形態懸浮于油中,多見于粘度及比重比較大的重質油,如殘渣燃料油中,原油中亦有存在。

          2、乳化狀,水份以極細的微珠均勻分散于油中,分離困難。

          3、溶解狀,水份溶解于油中,一般這種形態存在的水含量極微(如航空燃料中存在的微量水)。但要去除則也更為困難。

          石油中的水份無論從哪方面看都應視作一有害的雜質:

          1、腐蝕設備零件。

          2、由于水蒸發時要吸收熱量,因此將降低油品的發熱量。

          3、惡化油品尤其是輕質油品的燃燒過程,并能將所含在水中的溶解的鹽帶入汽缸而造成積炭,增加汽缸磨損,重質油品中若有過量的水份存在更易導致熄火。

          4、低溫條件下,易結冰而堵塞燃料管線及過濾器,妨礙乃至中斷對發動機的供油。

          5、加速油品的氧化和膠化。

          水份測定是將油樣與同體積溶劑如甲苯共蒸餾,由甲苯將油品中的水份帶出,后者占原試樣的體積比即該試樣的水份含量,單位:體積%。

          沉積物(SEDIMENT)指油品中所有不溶于溶劑(如甲苯)的沉淀物質,是中、重質油品的規格指標之一。

          測定原理是將一定量油樣置于一多孔性濾器中,不斷滴入熱溶劑,凡溶于溶劑的成份均透過濾器而被排走,留下者即不溶于溶劑的沉積物,單位:重量%。

          沉積物往往是一些機械雜質,或由加工過程或由運輸、儲存過程中引入,沉積物含量高,容易堵塞濾器、噴嘴、閥門等,并會引致或加重機件的磨損。

          釩含量(VANADIUM CONTENT):殘渣燃料油中的釩、堿金屬及鐵的化合物當燃燒時會對耐火材料發生反應使之形成流體爐渣,而造成爐膛的嚴重熔蝕,另外當以殘渣燃料油為燃料時釩及鈉化物的低熔點亦是船用柴油機之閥件、噴嘴及渦輪鼓風機葉片上產生沉積而造成嚴重腐蝕的原因之一。因此燃料油中釩等含量需加控制。

          蠟含量(WAX CONTENT)是原油質量指標之一,隨產地不同含量變化很大,例如印尼China原油含蠟幾近30%,傾點(Pour Point)可高達45℃,而伊拉克的Basrah重質原油需在-30℃下方可測得0.9%含蠟量,傾點低達-40℃以下。含蠟量高的原油對操作與泵送都帶來困難,由其加工所得的餾分油及燃料油傾點頗高,同時在潤滑油精制上需花高成本進行脫蠟。

          鈉含量(SODIUM CONTENT),殘渣燃料油中的堿金屬及釩等的化合物,當燃燒時會對耐火材料發生反應,使之形成流體殘渣,而造成爐膛的嚴重侵蝕。另外,當以殘渣燃料油為燃料時,低熔點的鈉化合物亦是船用柴油機之閥件、噴嘴及渦輪鼓風機葉片上產生沉積而造成腐蝕的原因之一,因此對燃料油中的鈉含量需加控制。

          含鹽量(SALT CONTENT),原油質量指標之一,隨產地的不同,含鹽量可有頗大幅度的變化,例如阿爾及利亞Hassi Messaoud Blend 原油含鹽0.001%,而墨西哥的Roforma原油高達1%。同時即使在同一油田內由不同的生產井或油層測到之原油含鹽量亦可能不同。另外在運輸途中因海水的引入亦會提高原油的鹽含量。由于鹽會引起設備的腐蝕,在石油加工前一般先需要脫鹽處理(電脫鹽或化學脫鹽,現下多采用高壓電——化學脫鹽)。

          金屬雜質(METALLIC CONTAMINANTS),原油中除硫外,還常含有一些痕量(ppm級)的金屬雜質,對加工或油品品質往往造成有害的影響,諸如引起設備熔蝕,令加工過程中的催化劑中毒等等。

          原油中常見的有害金屬主要有釩、鎳、鈉及鉛、砷等。釩的化合物會損害爐膛內的耐火材料,對于玻璃的生產有有害影響,并會引起催化裂化過程中所用的催化劑中毒。砷與鉛亦會導致重整催化劑的中毒。燃料油中的鈉會損壞爐內之磚砌部份。

          石油中的痕量金屬測定法很多,其中X-射線法及原子吸收光譜法可快速測定,應用日益廣泛。

          凝點/凝固點(FREEZING POINT)是反映油品低溫性能的重要指標,是油品在特定的試驗條件下,逐漸降低溫度,當喪失其流動性那一瞬間的最高溫度即為凝點。但石油是一種混合物,它不像純化合物那樣有一確定的凝點,而是在一相當寬的溫度范圍內逐漸凝固,因此測定時所采用的條件對所得結果影響很大。

          對于航空燃料,由于在高空條件下使用,凝點有特殊意義。事實是由它規定了油品尚未析出固態烴(石蠟),因而尚未發生管線及過濾器堵塞的最低允許操作溫度。航空汽油的凝點一般要求控制在-60℃以下,噴氣燃料Jet A-1按新修訂的規定不得超過-47℃。

          凝點對于低溫條件下使用的潤滑油亦是重要指標。


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