Huile lubrifiante

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Contexte

Depuis l'époque romaine, de nombreux liquides, dont l'eau, ont été utilisés comme lubrifiants pour minimiser le frottement, la chaleur et l'usure entre les pièces mécaniques en contact les unes avec les autres. Aujourd'hui, l'huile lubrifiante, ou huile de lubrification, est le lubrifiant le plus couramment utilisé en raison de sa large gamme d'applications possibles. Les deux catégories de base d'huile de lubrification sont minérales et synthétique. Les huiles minérales sont raffinées à partir de pétrole naturel ou de pétrole brut. Les huiles synthétiques sont des polyalphaoléfines fabriquées, qui sont des polyglycols ou des huiles esters à base d'hydrocarbures.

Bien qu'il existe de nombreux types d'huiles lubrifiantes parmi lesquelles choisir, les huiles minérales sont les plus couramment utilisées car l'approvisionnement en pétrole brut les a rendues peu coûteuses; de plus, il existe déjà un grand nombre de données sur leurs propriétés et leur utilisation. Un autre avantage des huiles lubrifiantes à base minérale est qu'elles peuvent être produites dans une large gamme de viscosités (la viscosité fait référence à la résistance de la substance à l'écoulement) pour diverses applications. Ils vont des huiles à faible viscosité, qui sont constituées de chaînes hydrogène-carbone avec des poids moléculaires d'environ 200 unités de masse atomique (amu), aux lubrifiants très visqueux avec des poids moléculaires aussi élevés que 1000 amu. Des huiles minérales de viscosités différentes peuvent même être mélangées pour améliorer leurs performances dans une application donnée. L'huile moteur courante 1OW-30, par exemple, est un mélange d'huile à faible viscosité (pour un démarrage facile à basse température) et d'huile très visqueuse (pour une meilleure protection du moteur à des températures de fonctionnement normales).

D'abord utilisés dans l'industrie aérospatiale, les lubrifiants synthétiques sont généralement formulés pour une application spécifique à laquelle les huiles minérales sont mal adaptées. Par exemple, les matières synthétiques sont utilisées lorsque des températures de fonctionnement extrêmement élevées sont rencontrées ou lorsque l'huile de lubrification doit être résistante au feu. Cet article se concentrera sur l'huile lubrifiante à base minérale.

Matières premières

Les huiles lubrifiantes ne sont qu'une des nombreuses fractions, ou composants, qui peuvent être dérivés du pétrole brut, qui émerge d'un puits de pétrole sous la forme d'un mélange liquide jaune à noir, inflammable, de milliers d'hydrocarbures (composés organiques ne contenant que du carbone et de l'hydrogène atomes, ceux-ci se produisent dans tous les combustibles fossiles). Les gisements de pétrole ont été formés par la décomposition de minuscules plantes et animaux qui vivaient il y a environ 400 millions d'années. En raison des changements climatiques et géographiques survenus à cette époque de l'histoire de la Terre, la répartition de ces organismes variait d'une région à l'autre.

En raison des différentes vitesses auxquelles la matière organique se décompose en divers endroits, la nature et le pourcentage des hydrocarbures résultants varient considérablement. Par conséquent, il en va de même des caractéristiques physiques et chimiques des pétroles bruts extraits des différents sites. Par exemple, alors que le brut californien a une densité de 0,92 gramme/millilitre, le brut plus léger de Pennsylvanie a une densité de 0,81 gramme/millilitre. (Gravité spécifique, qui fait référence au rapport du poids d'une substance à celui d'un volume égal d'eau, est un aspect important du pétrole brut.) Dans l'ensemble, la gravité spécifique des bruts varie entre 0,80 et 0,97 gramme/millilitre.

Selon l'application, des produits chimiques appelés additifs peuvent être mélangés avec le L'huile lubrifiante est raffinée à partir de pétrole brut. Après avoir subi un processus de purification par sédimentation collée, le pétrole brut est chauffé dans d'immenses tours de fractionnement. Les différentes vapeurs, qui peuvent être utilisées pour fabriquer du carburant, des cires ou du propane, entre autres substances, s'évaporent et sont collectées à différents endroits de la tour. L'huile de lubrification collectée est filtrée, puis des additifs sont mélangés à de l'huile raffinée pour lui conférer les propriétés physiques souhaitées. Les additifs courants incluent des métaux tels que le plomb ou le sulfure de métal, qui améliorent la capacité de l'huile de lubrification à empêcher le grippage et les rayures lorsque les surfaces métalliques entrent en contact sous des pressions extrêmement élevées. Les polymères de poids moléculaire élevé sont un autre additif courant :ils améliorent la viscosité, contrecarrant la tendance des huiles à se diluer à haute température. Les nitrosomines sont utilisées comme antioxydants et inhibiteurs de corrosion car elles neutralisent les acides et forment des films protecteurs sur les surfaces métalliques.

Le processus de fabrication

L'huile de lubrification est extraite du pétrole brut, qui subit un processus de purification préliminaire (sédimentation) avant d'être pompé dans des tours de fractionnement. Une tour de fractionnement à haute efficacité typique, de 7,6 à 10,6 mètres de diamètre et jusqu'à 122 mètres de haut, est construite en acier de haute qualité pour résister aux composés corrosifs présents dans les pétroles bruts ; à l'intérieur, il est équipé d'une série ascendante de bacs collecteurs de condensats. Dans une tour, les milliers d'hydrocarbures contenus dans le pétrole brut sont séparés les uns des autres par un processus appelé distillation fractionnée. Au fur et à mesure que les vapeurs montent à travers la tour, les différentes fractions se refroidissent, se condensent et retournent sous forme liquide à des vitesses différentes déterminées par leurs points d'ébullition respectifs (plus le point d'ébullition de la fraction est bas, plus il s'élève avant de se condenser). Le gaz naturel atteint son point d'ébullition en premier, suivi de l'essence, du kérosène, du mazout, des lubrifiants et des goudrons.

Sédimentation

• 1 Le pétrole brut est transporté du puits de pétrole à la raffinerie par pipeline ou navire-citerne. À la raffinerie, le pétrole subit une sédimentation pour éliminer l'eau et les contaminants solides, tels que le sable et la roche, qui pourraient y être en suspension. Au cours de ce processus, le brut est pompé dans de grands réservoirs de stockage, où l'eau et le pétrole sont autorisés à se séparer et les contaminants se déposent hors du pétrole.

Fractionnement

• 2 Ensuite, le pétrole brut est chauffé à environ 700 degrés Fahrenheit (371 degrés Celsius). À cette température, il se décompose en un mélange de vapeur chaude et de liquide qui est ensuite pompé dans le fond de la première des deux tours de fractionnement. Ici, les vapeurs chaudes d'hydrocarbures flottent vers le haut. En refroidissant, ils se condensent et sont collectés dans différents bacs installés à différents niveaux de la tour. Dans cette tour, la pression atmosphérique normale est maintenue en continu et environ 80 pour cent du pétrole brut se vaporise.
• 3 Les 20 pour cent restants de l'huile sont ensuite réchauffés et pompés dans une deuxième tour, dans laquelle la pression du vide abaisse le point d'ébullition de l'huile résiduelle afin qu'elle puisse être vaporisée à une température plus basse. Les composés plus lourds avec des points d'ébullition plus élevés, tels que le goudron et les composés inorganiques, restent pour un traitement ultérieur.

Filtrage et extraction par solvant

• 4 Après un traitement supplémentaire pour éliminer les composés indésirables, l'huile de lubrification qui a été collectée dans les deux tours de fractionnement est passée à travers plusieurs filtres ultrafins, qui éliminent les impuretés restantes. Les aromatiques, l'un de ces contaminants, contiennent des anneaux à six carbones qui affecteraient la viscosité de l'huile lubrifiante s'ils n'étaient pas éliminés dans un processus appelé extraction par solvant. L'extraction par solvant est possible car les aromatiques sont plus solubles dans le solvant que la fraction d'huile lubrifiante. Lorsque l'huile lubrifiante est traitée avec le solvant, les aromatiques se dissolvent; plus tard, après élimination du solvant, les aromatiques peuvent en être récupérés.

Additifs, contrôle et conditionnement

• 5 Enfin, l'huile est mélangée à des additifs pour lui conférer les propriétés physiques souhaitées (telles que la capacité de résister aux basses températures). À ce stade, l'huile de lubrification est soumise à une variété de tests de contrôle de qualité qui évaluent sa viscosité, sa densité, sa couleur, ses points d'éclair et de feu. L'huile qui répond aux normes de qualité est ensuite conditionnée pour la vente et la distribution.

Contrôle qualité

La plupart des applications d'huiles lubrifiantes nécessitent qu'elles soient non résineuses, de couleur pâle, inodores et résistantes à l'oxydation. Plus d'une douzaine de tests physiques et chimiques sont utilisés pour classer et déterminer la qualité des huiles lubrifiantes. Les tests physiques courants incluent les mesures de la viscosité, de la densité et de la couleur, tandis que les tests chimiques typiques incluent ceux des points d'éclair et d'incendie.

De toutes les propriétés, la viscosité, la résistance d'une huile de lubrification à l'écoulement à des températures et pressions spécifiques, est probablement la plus importante. L'application et la plage de températures de fonctionnement sont des facteurs clés pour déterminer la viscosité appropriée d'une huile. Par exemple, si l'huile est trop visqueuse, elle offre trop de résistance aux pièces métalliques se déplaçant les unes contre les autres. En revanche, s'il n'est pas assez visqueux, il sera expulsé d'entre les surfaces de contact et ne pourra pas les lubrifier suffisamment. Le viscosimètre universel standard Saybolt est l'instrument standard pour déterminer la viscosité des lubrifiants pétroliers entre 70 et 210 degrés Fahrenheit (21 et 99 degrés Celsius). La viscosité est mesurée en Say bolt Universal seconde, qui est le temps en secondes nécessaire pour que 50 millilitres d'huile se vident d'une coupelle de viscosimètre Saybolt à travers un orifice de tube calibré à une température donnée.

La densité d'une huile dépend de la méthode de raffinage et des types d'additifs présents, tels que le plomb, qui confère à l'huile de lubrification la capacité de résister à une pression de surface d'accouplement extrême et à des températures froides. La couleur de l'huile lubrifiante indique l'uniformité d'une qualité ou d'une marque particulière. Les points d'éclair et de feu du pétrole varient selon l'origine du pétrole brut. Le point éclair est la température à laquelle une huile doit être chauffée jusqu'à ce qu'une quantité suffisante de vapeur inflammable soit chassée pour qu'elle s'éclaire lorsqu'elle est mise en contact avec une flamme. Le foyer est la température plus élevée à laquelle la vapeur d'huile continuera à brûler lorsqu'elle est enflammée.

Les huiles moteur courantes sont classées par viscosité et performance selon les spécifications établies par la Society of Automotive Engineers (SAE). Les facteurs de performance incluent la prévention de l'usure, la formation de dépôts de boues d'huile et l'épaississement de l'huile.

Le futur

L'avenir des huiles lubrifiantes à base minérale est limité, car les réserves naturelles de pétrole sont à la fois limitées et non renouvelables. Les experts estiment les réserves totales récupérables de pétrole léger à moyen à 1,6 billion de barils, dont un tiers a été utilisé. Ainsi, les huiles synthétiques seront probablement de plus en plus importantes à mesure que les réserves naturelles s'amenuiseront. Cela est vrai non seulement pour l'huile de graissage mais aussi pour les autres produits qui résultent du raffinage du pétrole.