BASES LUBRICANTES

Refinación (Parte I) Química Industrial I

Por: Carlos E Sánchez P Abril, 2015

Fuente figura: articulo.mercadolibre.com.ar

GENERALIDADES

• Desde la antigüedad siempre se han buscado grasas animales o vegetales para lubricar superficies

• Gracias a la revolución petrolera, se han elaborado usando como bases a gasoil de vacío. Su punto de ebullición varía entre 320 y 480 °C

• Dependiendo de su uso final, los aceites lubricantes deben tener varias características fundamentales: Lubricidad (Debe tener un cierto de valor de viscosidad)

La viscosidad no ser muy sensible a la T (Índice de viscos.)

Estabilidad química

Bajo punto de fluidez (Debe ser menor que T de trabajo)

CLASIFICACIÓN DE ACEITES LUBRICANTES

• Para aplicaciones diferentes a “aceites de motor” se emplean las normas ISO. Debido a diferentes tecnologías del parque automotor se emplean diferentes criterios, pero el más cono-cido es del viscosidad SAE (Society of Automotive Engineers) de USA

(Fuente: Wauquier, 2004)

• En la clasificación SAE, la letra W indica que es formulado para el invierno (Winter). En la siguiente tabla aparecen valores mínimos (min) y máximos (max) de viscosidad

(Fuente: Chaudhuri, 2011) Existen aceites con la siguiente nomen-clatura: aWb por

ejemplo SAE 15W50 que es una mezcla de

dos aceites y son deno-minados multigrados.

En estos aceites se busca darles la propiedades de

viscosidad deseadas en el invierno y verano al

mismo tiempo. Se suelen añadir

polímeros a estos aceites multigrados

TIPOS DE BASES LUBRICANTES

Las bases lubricantes representan 70-80% del aceite lubricante y el resto son aditivos que le terminan de dar las características deseadas. Existen dos tipos de bases:

• Parafínicas: Compuestas principalmente de alcanos de cadena lineal. Tienen alto IV, alta estabilidad pero alto punto de fluidez. Se usan en motores y equipos industriales (sistemas hidraulicos, turbinas y engranajes)

• Nafténicas: Tienen un contenido mayor de cicloparafinas y aromáticos, pero el contenido de parafinas sigue siendo ma-yoritario. Sin embargo, los naftenos y aromáticos hacen que su IV sea mediano. Se emplean como aceites dieléctricos y de equipos de refrigeración. (Díaz N. n.d.)

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE ACEITES LUBRICANTES

• Viscosidad: Importante para todo tiempo de lubricante. Normalmente se expresa en viscosidad cinemática. La viscosidad disminuye con la T. Hay ábacos, ecuaciones y fórmulas que relacionan estas dos magnitudes

• Índice de viscosidad (IV): Es la propiedad que le permite a un lubricante mantener la viscosidad más o menos constan-te en un amplio rango de T. De acuerdo los ensayos estándar se registra entre 40 y 80 °C. La norma aplicada es ASTM D 341. Se usan aditivos para mejorar esta propiedad (Wauquier, 2004)

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE ACEITES LUBRICANTES

• Punto de congelación: Mínima T a la cual fluye la base lubricante sin agitación (Punto de fluidez). En el caso de bases parafínicas, se presenta cristalización de las n-parafinas. En el caso de bases nafténicas la viscosidad se eleva considerable-mente y el aceite no fluye. Se usan aditivos para su mejora

• Punto de anilina: Determina el contenido de aromáticos. Mientras mayor sea, menor será el contenido de aromáticos

• Volatilidad: Determinación indirecta, por medio de la inflama-bilidad. O por medio de vía directa, según el método Noack

• Residuo de carbón Conradson: Mide la tendencia de formar residuos carbonosos en condiciones de coquificación (Wauquier, 2004)

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE ACEITES LUBRICANTES

• Propiedades mecánicas: Existen diferentes ensayos según su uso del lubricante. Entre ellos se encuentra: penetración de grasas, ensayos de extrema presión (ensayo de 4 bolas)

• Propiedades antioxidantes: Existen ensayos normalizados de oxidación acelerada, que consisten en pasar una corriente de aire u O2 a través de aceite a cierta T, en presencia de catalizadores o no y de agua

• Propiedades de servicio: Características antiespumantes, tiempo de desaireación, ensayos de corrosión, punto de inflamación en vaso cerrado o abierto, etc

CARACTERÍSTICAS DE ACEITES DE MOTOR (Wauquier, 2004)

CÁLCULO DEL ÍNDICE DE VISCOSIDAD

Norma ASTM D-2270:

IV = [(L - U) / (L - H)] x 100 (*)

L = 0,8353 Y2 + 14,67 Y – 216

H = 0,1684 Y2 + 11,85 Y – 97

Donde:

L = Viscosidad @ 40 °C de de un aceite de referencia de IV

= 0 (cSt)

H = Viscosidad @ 100 °C de un aceite de referencia de IV =

100 (cSt)

U = Viscosidad @ 40 °C de la muestra problema (cSt)

Y = Viscosidad @ 100 °C de la muestra problema (cSt)

(*) Para productos con IV > 100 se deben efectuar

correcciones especificadas en la Norma ASTM D-2270

Cortesía: Prof. Mercado

Características de principales aceites usados en motores de combustión interna a gasolina

(Cortesía Prof Mercado, extraído de guía “Introducción a la Refinación de Petróleo” prof Díaz N.)

Tipo Grado

SAE

Viscosidad Indice

Viscosid.

(IV)

Pto

Fluidez

°C

Pto

Inflam

°C

Densidad

relativa

15.6 °C

cSt

40

°C

cSt

100 °C

SF 40 153 14.5 92 -6 225 0.890

50 231 19 92 -6 230 0.897

SF Plus 20W-40 125 14.5 120 -9 220 0.890

20W-50 167 18.4 123 -9 225 0.890

SUPRA

SH

10W-30 70 11 140 -18 220 0.880

15W-40 120 14.5 130 -18 220 0.880

20W-50 165 19 130 -9 220 0.884

SUPRA

SJ

10W-30 70 11 140 -18 220 0.880

15W-40 120 14.5 130 -18.5 220 0.880

Características de principales aceites usados en motores de combustión interna a diesel

(Cortesía Prof Mercado, extraído de guía “Introducción a la Refinación de Petróleo” prof Díaz N.)

Tipo Grado

SAE

Viscosidad Indice

Viscosid.

(IV)

Pto

Fluidez

°C

Pto

Inflam

°C

Densidad

relativa

15.6 °C

cSt

40

°C

cSt

100 °C

Maxi

Diesel

10 32 6 100 -12 210 0.876

30 100 11 90 -12 215 0.900

40 150 15 90 -12 220 0.900

50 220 19 90 -9 220 0.900

Ultra

Diesel 15W-40 105 14.5 140 -18 220 0.880

ADITIVOS DE ACEITES LUBRICANTES

• Mejoradores de IV: Se añaden copolímeros formados por generalmente del éster metacrílico, que son solubles en aceite (ej. copolímero formado por n-laurilmetacrilato e isobuteno). Alternativamente se usan poliisobutenos que se hacen rea-ccionar con pentasulfuro de fósforo. A bajas T, el efecto es po-co significativo pero a altas T los polímeros aumentan la μ

Fuente: Wittcoff & Reuben, 2000

ADITIVOS DE ACEITES LUBRICANTES

• Depresores del punto de fluidez: Es difícil y poco económico remover ceras para tener punto de fluidez inferiores a -18 °C. Por esta razón, se agregan aditivos que buscan que se formen cristales pequeños que queden suspendidos en el aceite co-mo copolímeros de metacrilatos y naftalenos alquilados

• Detergentes-dispersantes: Buscan mantener suspendidos partículas como material carbonoso que se forman en moto-res de combustión interna. Se utilizan jabones de Ba, Ca y Mg junto con polibutensuccinidas o copolímeros formados entre laurilmetacrilato y N-vinil-2-pirrolidona

• Inhibidores de corrosión: Como ditiofosfato de zinc

ADITIVOS DE ACEITES LUBRICANTES

• Mejoradores de lubricación: A veces los lubricantes solos no son suficientes para evitar el roce y desgaste por contacto de dos superficies metálicas. Se emplean ditiofosfato de Zn, fosfato de ticresilo y sebo clorosulfurado

• Agentes antiespumantes: Los lubricantes deben tener baja tensión superficial para que trabajen bien, en especial en pre-sencia de agua, aditivos e impurezas. Pequeñas adiciones de un polímero de metilsilicón reduce duración de burbujas

• Inhibidores de oxidación: Se producen barnices y ácidos carboxílicos por la acción del O2 . A menos de 93 °C se puede usar inhibidores de radicales libres como di-t-butilcresol. Pero a partir de 93 °C, se potencia la catálisis con partes metálicas y se emplean recubrimientos sobre el metal para desactivarlo como el ditiofosfato de Zinc.

PREPARACIÓN DE BASES LUBRICANTES

DESASFALTADO

ELIMINACIÓN DE AROMÁTICOS

DESPARAFINADO

Propano y/o butano

GOV

Asfalto

Furfural o fenol

Aromáticos

Tolueno y MEK

Parafinas >20 C (Ceras)

Base lubricante

DAO

DESASFALTADO

• Extracción con solventes (C3-C5) a una T entre 100 y 170 °C

• Los asfaltenos precipitan y salen por el fondo de columna de extracción mientras que el aceite desasfaltado (DAO) sale por el tope

• La presión está comprendida entre 300-600 psig para mantener líquido el solvente empleado

• La relación solvente carga es de 5/1 a 2/1 en peso (Adaptado de presentación de Prof Mercado)

DESASFALTADO

Desasfaltado con propano (Mouljin et al 2013). Además de residuo de vacío se pueden emplear GOV (Gasoil de vacío)

DESASFALTADO

74ºC

ACEITE DESAFALTADO +

PROPANO

PROPANO

LICUADO

RESIDUO

70ºC

50ºC

54ºC

120ºC

70% ASFALTO

30% PROPANO

43ºC

Torre desasfaltadora (Cortesía prof. Mercado)

DESASFALTADO

Uno de los principales problemas del desasfaltado tradicional es el alto requerimiento de energía. Por esta razón han surgido nuevos procesos como el ROSE (Residuum Oil Supercritical Extraction) donde se utiliza el extractante en forma de fluido supercrítico (gases por encima de P crítica). Otro proceso es UOP/FW USA donde se reduce el tamaño de equipos empleados en extracción. Esquema de proceso ROSE

(Fuente: www.kbr.com )

DESASFALTADO

Diagramas ternarios del sistema pentano-aceite-asfalto generado en ASPEN PLUS a 33 y 40 bar respectivamente (Extraído de Cárdenas et al, n.d)

EXTRACCIÓN DE AROMÁTICOS

Esquema de planta de extracción de aromáticos. El refinado se refiere al aceite “desaromatizado” y el extracto tiene alto contenido de aromáticos. Además de furfural, se usa fenol y en menor medida N-metilpirrolidona

(Fuente: http://www.setlaboratories.com/solvent/tabid/108/Default.aspx)

DESPARAFINADO ACEITE BISOLVENTE

DILUCIÓN(40ºC)

ENFRIAMIENTO (-20ºC)

FILTRACIÓN

FILTRADO

RECUPERACIÓN DE SOLVENTE

ACEITE DESPARAFINADO

PARAFINAS CERAS

SOLVENTE

RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE

PARAFINAS CERAS

PARAFINAS SÓLIDAS ACEITE SOLVENTE

RECRISTALIZACIÓN (0ºC)

FILTRACIÓN

ACEITE CERO SOLVENTE

RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE

ACEITE CERO

Cortesía: prof Mercado

DESPARAFINADO

• Agente Extractante: – Bisolvente : tolueno-metiletilcetona (T-MEK) . Se

emplea una mezcla de 20 a 30 % de bisolvente

• Papel y materiales de empaques, pulituras, removedores de pintura, industrial textil, cerámicas refractarias, goma de mascar, velas, moldes dentales (Cortesía Prof Mercado)

DESPARAFINADO

Unidad de desparafinado con MEK/tolueno (Fuente: http://www.setlaboratories.com/solvent/tabid/108/Default.aspx)

Esquema de una refinería (Fuente: www.ilocis.org)