Schmieröl

Hintergrund

Seit der Römerzeit wurden viele Flüssigkeiten, einschließlich Wasser, als Schmiermittel verwendet, um Reibung, Hitze und Verschleiß zwischen mechanischen Teilen in Kontakt zu minimieren. Schmieröl oder Schmieröl ist heute aufgrund seiner vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der am häufigsten verwendete Schmierstoff. Die beiden grundlegenden Kategorien von Schmieröl sind mineralisch und synthetisch. Mineralöle werden aus natürlich vorkommendem Erdöl oder Rohöl raffiniert. Synthetische Öle sind hergestellte Polyalphaolefine, also Polyglykole oder Esteröle auf Kohlenwasserstoffbasis.

Obwohl es viele Arten von Schmierölen gibt, werden Mineralöle am häufigsten verwendet, da sie aufgrund der Rohölversorgung kostengünstig sind. außerdem existiert bereits eine große Menge an Daten über deren Eigenschaften und Verwendung. Ein weiterer Vorteil mineralischer Schmieröle besteht darin, dass sie in einem breiten Viskositätsbereich – Viskosität bezeichnet den Fließwiderstand des Stoffes – für vielfältige Anwendungen hergestellt werden können. Sie reichen von niedrigviskosen Ölen, die aus Wasserstoff-Kohlenstoff-Ketten mit Molekulargewichten von etwa 200 Atommasseneinheiten (amu) bestehen, bis hin zu hochviskosen Schmierstoffen mit Molekulargewichten bis 1000 amu. Mineralöle mit unterschiedlichen Viskositäten können sogar miteinander vermischt werden, um ihre Leistung in einer bestimmten Anwendung zu verbessern. Das gängige Motorenöl 1OW-30 beispielsweise ist eine Mischung aus niedrigviskosem Öl (für leichten Start bei niedrigen Temperaturen) und hochviskosem Öl (für besseren Motorschutz bei normalen Betriebstemperaturen).

Synthetische Schmierstoffe, die erstmals in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wurden, werden normalerweise für eine bestimmte Anwendung formuliert, für die Mineralöle nicht geeignet sind. Kunststoffe werden beispielsweise dort eingesetzt, wo extrem hohe Betriebstemperaturen auftreten oder das Schmieröl feuerbeständig sein muss. Dieser Artikel konzentriert sich auf Schmieröl auf Mineralbasis.

Rohstoffe

Schmieröle sind nur eine von vielen Fraktionen oder Komponenten, die aus Rohöl gewonnen werden können, das aus einer Ölquelle als gelb bis schwarz brennbares flüssiges Gemisch aus Tausenden von Kohlenwasserstoffen (organische Verbindungen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten) Atome, diese kommen in allen fossilen Brennstoffen vor). Erdölvorkommen entstanden durch die Zersetzung winziger Pflanzen und Tiere, die vor etwa 400 Millionen Jahren lebten. Aufgrund klimatischer und geographischer Veränderungen, die zu dieser Zeit in der Erdgeschichte auftraten, variierte der Abbau dieser Organismen von Region zu Region.

Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen organisches Material an verschiedenen Stellen zersetzt wird, variieren die Art und der Prozentsatz der resultierenden Kohlenwasserstoffe stark. Folglich auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der an verschiedenen Standorten geförderten Rohöle. Während kalifornisches Rohöl beispielsweise ein spezifisches Gewicht von 0,92 Gramm/Milliliter hat, hat das leichtere Pennsylvania-Rohöl ein spezifisches Gewicht von 0,81 Gramm/Milliliter. (Spezifisches Gewicht, was sich auf das Verhältnis des Gewichts einer Substanz zu einem gleichen Volumen Wasser bezieht, ist ein wichtiger Aspekt von Rohöl.) Insgesamt liegt das spezifische Gewicht von Rohöl zwischen 0,80 und 0,97 Gramm/Milliliter.

Je nach Anwendung können Chemikalien, sogenannte Additive, mit den Schmieröl wird aus Rohöl raffiniert. Das Rohöl wird nach einem Reinigungsprozess gekühlter Sedimentation in riesigen Fraktioniertürmen erhitzt. Die verschiedenen Dämpfe, aus denen unter anderem Treibstoff, Wachse oder Propan hergestellt werden können, verdampfen und werden an verschiedenen Stellen im Turm gesammelt. Das gesammelte Schmieröl wird gefiltert und dann werden dem raffinierten Öl Additive beigemischt, um ihm die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu verleihen. Zu den üblichen Additiven gehören Metalle wie Blei oder Metallsulfid, die die Fähigkeit des Schmieröls verbessern, Fressen und Riefen zu verhindern, wenn Metalloberflächen unter extrem hohen Drücken in Kontakt kommen. Polymere mit hohem Molekulargewicht sind ein weiteres gängiges Additiv:Sie verbessern die Viskosität und wirken der Neigung von Ölen, bei hohen Temperaturen zu verdünnen, entgegen. Nitrosamine werden als Antioxidantien und Korrosionsinhibitoren eingesetzt, da sie Säuren neutralisieren und Schutzfilme auf Metalloberflächen bilden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Schmieröl wird aus Rohöl gewonnen, das einer Vorreinigung (Sedimentation) unterzogen wird, bevor es in Fraktioniertürme gepumpt wird. Ein typischer hocheffizienter Fraktionierungsturm mit einem Durchmesser von 25 bis 35 Fuß (7,6 bis 10,6 Meter) und einer Höhe von bis zu 400 Fuß (122 Meter) besteht aus hochwertigen Stählen, um den korrosiven Verbindungen in Rohölen zu widerstehen; im Inneren ist er mit einer aufsteigenden Reihe von Kondensatauffangwannen ausgestattet. In einem Turm werden die Tausenden von Kohlenwasserstoffen im Rohöl durch einen Prozess namens fraktionierte Destillation voneinander getrennt. Wenn die Dämpfe durch den Turm aufsteigen, kühlen die verschiedenen Fraktionen ab, kondensieren und kehren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in die flüssige Form zurück, die durch ihre jeweiligen Siedepunkte bestimmt werden (je niedriger der Siedepunkt der Fraktion, desto höher steigt sie vor der Kondensation). Erdgas erreicht zuerst seinen Siedepunkt, gefolgt von Benzin, Kerosin, Heizöl, Schmiermitteln und Teeren.

Sedimentation

• 1 Das Rohöl wird per Pipeline oder Tankschiff von der Ölquelle zur Raffinerie transportiert. In der Raffinerie wird das Öl einer Sedimentation unterzogen, um Wasser und feste Verunreinigungen wie Sand und Gestein zu entfernen, die darin möglicherweise suspendiert sind. Dabei wird das Rohöl in große Vorratstanks gepumpt, in denen sich Wasser und Öl trennen und sich die Verunreinigungen aus dem Öl absetzen.

Fraktionieren

• 2 Als nächstes wird das Rohöl auf etwa 700 Grad Fahrenheit (371 Grad Celsius) erhitzt. Bei dieser Temperatur zerfällt es in ein Gemisch aus heißem Dampf und Flüssigkeit, das dann in den Sumpf des ersten von zwei Fraktioniertürmen gepumpt wird. Hier schweben die heißen Kohlenwasserstoffdämpfe nach oben. Beim Abkühlen kondensieren sie und werden in verschiedenen Schalen gesammelt, die auf verschiedenen Ebenen im Turm installiert sind. In diesem Turm wird kontinuierlich normaler Atmosphärendruck aufrechterhalten und etwa 80 Prozent des Rohöls verdampfen.
• 3 Die restlichen 20 Prozent des Öls werden dann wieder erhitzt und in einen zweiten Turm gepumpt, in dem der Vakuumdruck den Siedepunkt des Restöls senkt, damit es bei einer niedrigeren Temperatur verdampft werden kann. Die schwereren Verbindungen mit höheren Siedepunkten wie Teer und die anorganischen Verbindungen bleiben für die Weiterverarbeitung zurück.

Filterung und Lösungsmittelextraktion

• 4 Nach der Weiterverarbeitung zur Entfernung unerwünschter Verbindungen wird das in den beiden Fraktioniertürmen gesammelte Schmieröl durch mehrere Feinstfilter geleitet, die verbleibende Verunreinigungen entfernen. Aromaten, eine solche Verunreinigung, enthalten Sechs-Kohlenstoff-Ringe, die die Viskosität des Schmieröls beeinträchtigen würden, wenn sie nicht in einem Prozess namens Lösungsmittelextraktion entfernt würden. Eine Lösungsmittelextraktion ist möglich, da Aromaten im Lösungsmittel besser löslich sind als die Schmierölfraktion. Wenn das Schmieröl mit dem Lösungsmittel behandelt wird, lösen sich die Aromaten auf; später, nachdem das Lösungsmittel entfernt wurde, können die Aromaten daraus zurückgewonnen werden.

Zusatzstoffe, Inspektion und Verpackung

• 5 Schließlich wird das Öl mit Additiven vermischt, um ihm die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu verleihen (z. B. die Fähigkeit, niedrigen Temperaturen standzuhalten). An diesem Punkt wird das Schmieröl einer Vielzahl von Qualitätskontrolltests unterzogen, die seine Viskosität, sein spezifisches Gewicht, seine Farbe, seinen Flammpunkt und seine Brennpunkte bewerten. Öl, das den Qualitätsstandards entspricht, wird dann für den Verkauf und Vertrieb verpackt.

Qualitätskontrolle

Die meisten Anwendungen von Schmierölen erfordern, dass sie harzfrei, blass, geruchlos und oxidationsbeständig sind. Über ein Dutzend physikalischer und chemischer Tests werden verwendet, um Schmieröle zu klassifizieren und zu bestimmen. Gängige physikalische Tests umfassen Messungen der Viskosität, des spezifischen Gewichts und der Farbe, während typische chemische Tests solche für Flamm- und Brennpunkte umfassen.

Von allen Eigenschaften ist die Viskosität, der Fließwiderstand eines Schmieröls bei bestimmten Temperaturen und Drücken, wahrscheinlich die wichtigste. Die Anwendung und der Betriebstemperaturbereich sind Schlüsselfaktoren bei der Bestimmung der richtigen Viskosität für ein Öl. Ist das Öl beispielsweise zu viskos, bietet es den gegeneinander bewegten Metallteilen zu viel Widerstand. Andererseits, wenn es nicht viskos genug ist, wird es zwischen den Passflächen herausgedrückt und kann diese nicht ausreichend schmieren. Das Saybolt Standard Universal Viskosimeter ist das Standardinstrument zur Bestimmung der Viskosität von Erdölschmierstoffen zwischen 21 und 99 Grad Celsius. Die Viskosität wird in der Say Bolt Universal Sekunde gemessen, Dies ist die Zeit in Sekunden, die 50 Milliliter Öl benötigen, um bei einer bestimmten Temperatur aus einem Saybolt-Viskosimeterbecher durch eine kalibrierte Rohröffnung zu entleeren.

Das spezifische Gewicht eines Öls hängt von der Raffinationsmethode und den Arten der vorhandenen Additive ab, wie z. B. Blei, das dem Schmieröl die Fähigkeit verleiht, extremem Oberflächendruck und kalten Temperaturen zu widerstehen. Die Farbe des Schmieröls weist auf die Einheitlichkeit einer bestimmten Sorte oder Marke hin. Die Flamm- und Brennpunkte des Öls variieren je nach Herkunft des Rohöls. Der Flammpunkt ist die Temperatur, auf die ein Öl erhitzt werden muss, bis genügend brennbare Dämpfe ausgetrieben sind, damit es bei Kontakt mit einer Flamme entzündet. Der Feuerpunkt ist die höhere Temperatur, bei der der Öldampf beim Zünden weiter brennt.

Gängige Motoröle werden nach Viskosität und Leistung gemäß den Spezifikationen der Society of Automotive Engineers (SAE) klassifiziert. Zu den Leistungsfaktoren gehören Verschleißvermeidung, Bildung von Ölschlammablagerungen und Öleindickung.

Die Zukunft

Die Zukunft mineralischer Schmieröle ist begrenzt, da die natürlichen Vorkommen an Erdöl sowohl endlich als auch nicht erneuerbar sind. Experten schätzen die insgesamt förderbaren leichten bis mittleren Erdölreserven auf 1,6 Billionen Barrel, von denen ein Drittel verbraucht wurde. Daher werden Öle auf synthetischer Basis wahrscheinlich immer wichtiger, da die natürlichen Reserven schwinden. Dies gilt nicht nur für Schmieröl, sondern auch für die anderen Produkte, die bei der Erdölraffination anfallen.