تعرف على علم الكيمياء
في هذه المناقشة سيتم التعرف على أهمية زيوت التشحيم وكيفية تحضيرها في الصناعة.
التشحيم وزيوت التشحيم
– إن عملية التشحيم هي إضافة بعض المواد للتقليل من حدة الاحتكـاك حيث يؤدي الاحتكاك إلى خسارة كبيرة في الطاقة تعادل 20% في السيارات الحديثة. ويعتبر العامل الرئيسي للبلي wear فـي المحـرك.
– إن دهونات التشحيم المستعملة في الوقت الحاضر عبارة عن خليط من المركبات الهيدروكربونية المستخلصة من البترول الخـام.
– وقبـل ظـهـور صناعة تصفية البترول كانت زيوت التشحيم تتكون بصـورة رئيسـية مـن الزيوت الدهنية مثل زيت الزيتون وزيت دهن الخنزير إلا أن هذه الأنواع من الزيوت تكون سريعة التأكسد ولها القابلية على توليد الترسبات والمستحلبات بينما تكون الزيوت البرافينية بصورة عامة أقل استعداداً للتأكسـد أو تكـوين المستحليات، إضافة إلى كونها أكثر اقتصادية.
– وفي بداية الأمر لقـد لاقـى استعمال الزيوت المشتقة من البترول الخام بدلاً من الزيوت الشحمية مثـل زيت الزيتون Olive Oil احتجاجاً كبيراً حاداً.
الاحتكاك Friction
– إن السـبب الرئيسي للاحتكاك هو الترابط الكيميائي Chemical bonding أو التجـاذب بين الذرات أو الجدران التي تكون على اتصال مع بعضها البعض، فإن هذا الاتصال قد يؤدي إلى إخـراج بعـض الجسيمات أو الدقائق الفروانية Colloidal particles من أحد السطحين بواسطة السطح الآخر.
كذلك قـد يؤدي إلى اندماج بعـض القمـم الصـغيرة Fusion of tiny peak إلا أن استعمال مواد التشحيم يؤدي إلى تقليل مقدار المواد المتنقلة بين السطحين
تحضير زيوت التشحيم Manufacture of Lubricating Oil
– يتم الحصول على زيوت التشحيم من المشتقات البتروليـة المسـماة بالبترول المختزل.
– تكون نقطة الغليان للمركبات الموجـودة فـي البتـرول المختزل عالية جداً (315.5 مo). ويتعذر تقطيرها تحت ظروف الضغط الجوي العادي، ولذلك تفصل هذه المركبات باستعمال ضـغـط مـنخفض.
– فمـثلاً المركب الهيدروكربوني C20H42 يغلي عنـد درجـة حـرارة 325 مo فـي الظروف الجوية العادية. بينما تنخفض درجـة غليانـه إلـى 170 مo عنـد انخفاض الضغط المسلط عليه إلى 38 كيلو نيوتن / م.
– يتم تقطيـر زيـوت التشحيم تحت ضغوط مقاربة إلى 5 كيلو نيوتن/م.
– إن التقطير الفراغي للبترول المختزل يؤدي إلى إنتاج ثلاثـة أنـواع رئيسية من الزيوت:
(1) زيوت التشحيم الخفيفة.
(2) زيوت التشحيم المتوسطة.
(3) زيوت التشحيم العالية الكثافة.
– يعامل كل من هذه المشتقات الثلاث بطـرق مختلفـة تعتمـد علـى المواصفات المرغوبة فيها ونوعية البترول الخام.
– أن طرق التصفية المتبعة تتمثل عادة باستخلاص السوائل وإزالة الشمع والمعاملة بغاز الهيدروجين.
عملية الاستخلاص بالمذيبات Solvent Extraction
– إن عملية الاستخلاص بالمذيبات Solvent Extraction تحسن من درجة التشحيم ومن خواص الدهن الانسيابية، واستقراريه Stability الزيت بإزالة المركبات الاسفلتية Asphaltic Compounds التي غالباً ما تـؤدي إلى تكـون الترسبات الحامضية وتقلـل مـن مقـدار دليـل اللزوجـة (Viscosity Index)
– من بين المذيبات التي تستعمل لهذا الغرض هو الفينول. والذي له نقطة انصهار تساوي 59°م.
– ومشتقات الفينول الميثيلية Methyl derivatives of phenol والتي تدعى حامض الكرسليك Cresylic acid
البروبان السائل، Liquid propane، ثاني أكسيد الكبريت والبنزين Benzene والمذيبات المعالجـة بـالكلور Chlorinated Solvents مثـل داي كلور إثيل ايثر CH3CH Cl)2O Sym-dichlorethyl ether).
طريقة استخلاص زيوت التشحيم باستخدام الفينول
– تتم أولاً معاملة الدهن مع الفينول المنصهر داخل برج الاستخلاص Extraction Towerحيث ينزل الفينول المنصهر بواسطة تأثير الجاذبية الأرضية خلال عمود الدهن الصاعد، مذيباً المركبات الاسفلتية والأوليفينات ومستخلصاً المركبات الكبريتية.
– تحتوي الدهونات المنقاة بالإذابة والتي تخرج من أعلى البرج على كميات من الفينول. والتي تفصل عادة بتسخين الخليط إلى 260-250 مo وإمرار الأبخرة إلى برج التعرية Stripping Tower
– ومن ثم يقطر الفينول الذي يغلي بدرجة حرارة 182م ويتم تجميعه وضخه ثانيـة إلى برج الاستخلاص.
– ويضخ كذلك الدهن المنقى من الفينول إلـى أجـزاء أخرى من المعمل لإجراء التعاملات الكيميائية الأخرى.
– تحتوي المواد التي تخرج من أسفل برج الاستخلاص على ما يقارب %85 فينول.
– وبنفس الطريقة التي تم ذكرها أعلاه يستعاد مذيب الفينول مـن هذا الخليط ويمزج مع الفينول المستخرج من أعلى البرج لغرض استعماله مرة ثانية في برج الاستخلاص.
يفضل الفرفرال عن الفينول في عملية استخلاص زيوت التشحيم
– الفرفرال عبارة عن منتوج عرضي وهو سائل أصفر اللون ذو درجة غليان مقاربة إلى درجة غليان الفينول (161.5مo)
– يفضل الفرفرال على الفينول في عملية الاستخلاص للأسباب التالية:
(1) إمكانية استعادته كليـاً Complete recovery مـن الـدهونات المنقـاة والمستخرجة Raffinate and Extract مـن بـرج الاستخلاص.
(2) إمكانية فصله بسهولة عن الدهن بواسطة استعمال بخار الماء.
(3) يكون مقدار التآكل أقل من ذلك الناتج عن استعمال مذيب الفينول.
طريقة استخلاص زيوت التشحيم باستخدام سائل البروبان
– ومن بين المذيبات المستعملة الأخرى هـو سـائل البروبـان، إذ أن المركبات الاسفلتية لا تذوب في سائل البروبان وتختلـف عـن البرافينـات والمركبات النفثينية Naphthenes القابلة للذوبان والاستخلاص بالسـائل أعلاه.
– ففي وحدة استخلاص الاسفلت في معمل الدهون يعامل المتبقي الثقيـل الخارج من أسفل برج التقطير الفراغي مع سائل البروبان.
– وفي هذه الوحدة تم عملية فصل المركبات البرافينية داخل برج الاستخلاص. وتحت ظـروف عالية من الضغط، حيث تنزل معظم المركبات الاسفلتية الثقيلة إلـى أسـفل البرج. بينما يندفع إلى الأعلى بتأثير فرق الكثافة سائل البروبان حـاملاً معـه المركبات البرافينية.
– وبعد ذلك تذهب كل من المواد الخارجـة مـن أعلـى وأسفل برج الاستخلاص إلى وحدتين متشابهتين بغية استعادة البروبان.
– يتم استعادة البروبان من الدهن في أبراج التعرية بواسطة استعمال بخار المـاء، ومن ثم يجمع البروبان المستعاد إلى خزانة البروبان الرئيسي بغية استعماله مرة ثانية في عملية الاستخلاص.
إزالة الشمع Dewaxing
– إن عملية إزالة الشمع ضـرورية وبصـورة خاصـة للـدهونات المستخرجة من البترول الخام غير الاسفلتي بغية تقليل لزوجة الـدهـن فـي درجات الحرارة إزالته بسهولة.
– وإضافة إلى ذلك تتفاعل المركبـات غيـر المشبعة والتي غالباً ما تولد الأصماغ Gum forming compounds مع الهيدروجين مكونة البرافينات والنافثينات وتطرأ كذلك بعض التحسنات علـى خواص الدهن الانسيابية.
– تكون عادة الشموع الموجودة في الدهن ذات نقاط انصـهار مختلفـة فنقطة انصهار الشمع البرافيني Paraffinic Wax تتراوح من 32 إلى 71°م، ونقطة انصهار الشمع الدقيق التبلور micro crystalline wax تبلغ 95مo، لذلك يتصلب الشمع في الدهن مكوناً خليطاً غروانيـاً Gel mixture في درجات الحرارة المنخفضة.
– وتسمى درجة الحرارة هذه والتـي عنـدها لا يسكب الدهن بنقطة الانسكاب Pour point
– لذلك تعتبر عملية إزالة الشمع من الدهن من العمليات المهمة والأساسية. والتي تـتـم عـادة بواسـطة الاستخلاص بالمذيبات.
– فبعد تنقية الدهن من المركبات العطرية فـي وحـدة الفرفرال يضخ إلى وحدة إزالة الشمع حيث يخلط في هذه الوحدة حجم واحـد من الدهن مع حجمين من مذيب الشمع.
– يوجد العديد من مذيبات الشمع مثـل مثيل اثيل كيتون Methylethyl Ketone، خليط من بروبل وبيوتل كيتون Propyl and butylketones، تيرايكلورو اثيلين trichlore thyelene، بنزین Benzene واليوريا أو مزيج من هذه المذيبات.
– يعتبر كذلك سائل البروبان المستعمل في وحدة إزالة الأسـفلت مـن المذيبات الجيدة للشمع. إذ يمزج الدهن مع البروبان بنسبة معينة ومن ثم يبرد تدريجياً بواسطة تبخر البروبان تاركاً الشمع على شكل بلورات داخل المزيج. ومن ثم تفصل بلورات الشمع هذه من خليط الدهن وسائل البروبان بواسـطة الترشيح ويتم جمعه مباشرة بواسطة سكينة كاشطة.
– يفصل بعدها البروبـان المصاحب لكل من الشمع المنتج والدهن المنقـى بواسـطة تقليـل الضـغط واستعمال بخار الماء في أبراج التعرية ويعاد بعد ذلك البروبان إلى الخـزان الرئيسي بغية استعماله مرة ثانية.
العمليات النهائية Finishing
– ينقى الدهن الخالي من الشمع بترشيحه خلال طبقة من الطين الفعـال Activated cloy أو Bauxite).
– وفي هذه العملية تتم إزالـة الأجسـام الملونة والمركبات الأخرى بالامتزاز Adsorption، إضافة إلى إزالة بعض البلورات الشمعية Microcry stalline
– وفي الوقت الحاضر في معظم معامل الدهون الحديثة تستخدم طريقة معاملة الدهن بالهيدروجين بدلاً من الامتـزاز بواسطة الطين. حيث تتم في هذه الوحدة معاملة الدهن بالهيدروجين وتحـت ضغط عال ودرجات حرارة مرتفعة وبوجود العامل المساعد. وفي داخـل المفاعلات تتحول مركبات الثاني كبريتيد Disulfides والمركبـات التـي تحتوي على الكبريت إلى غاز كبريتيد الهيدروجين Hydrogen sulfide
المراجع: كتاب أسس الكيمياء الصناعية – الطبعة الأولى 2005 – أ.د. محمد مجدي واصل أستاذ الكيمياء الفيزيائية – كلية العلوم – جامعة الأزهر – مصر
