Desde sus humildes comienzos hace más de 3000 años, la tecnología de lubricación ha experimentado numerosas fases de evolución. A medida que continúa evolucionando a un ritmo cada vez mayor, el desempeño del aceite base contribuye de manera más significativa al desempeño del lubricante terminado.
Esta es la primera parte de una serie de tres artículos que describe la evolución de la tecnología de aceites base y su impacto en la industria de los lubricantes. La primera parte aborda el pasado, la segunda el presente y la tercera el futuro.
La lubricación primitiva se basaba en grasas y aceites animales, y poco a poco evolucionó hacia aceites derivados del petróleo. Desde entonces, numerosos procesos de refinamiento han perfeccionado los aceites naturales. Los primeros procesos, como el tratamiento con ácido y la extracción con solventes, mejoraron la calidad de los aceites base al eliminar algunas o la mayoría de las moléculas menos beneficiosas. Procesos posteriores, como el hidrotratamiento, el hidrofraccionado catalítico, el desparafinado catalítico y la hidro isomerización de ceras moderna, mejoraron propiedades específicas de los lubricantes.
La moderna hidro isomerización de ceras, en particular, produce aceites base con bajas impurezas y un aspecto típicamente transparente. Actualmente, aproximadamente la mitad de todos los aceites base fabricados en Norteamérica son de esta alta calidad.
De cara al futuro, la tendencia apunta hacia una mayor pureza del aceite base, un índice de viscosidad (IV) más elevado, una menor volatilidad y una mayor vida útil. La distinción entre los aceites minerales altamente procesados y los aceites sintéticos tradicionales seguirá difuminándose.
Inicios del procesamiento de aceites base
La tecnología de los aceites base ha experimentado numerosas fases de evolución. En la primera fase, se utilizaban grasas animales como lubricantes. Inscripciones antiguas que datan del año 1400 a. C. muestran que se aplicaba grasa de res y cordero (sebo) a los ejes de las carretas. Poco cambió durante los siguientes 3000 años, salvo que los aceites a veces provenían de animales más exóticos, como las ballenas.
En 1852, se empezaron a comercializar los aceites derivados del petróleo. Al principio no fueron bien recibidos porque su desempeño no era tan bueno como el de muchos productos de origen animal. El petróleo crudo no era un buen lubricante. La industria de los aceites base se encontraba en una fase inicial de aprendizaje.
Pero a medida que crecía la demanda de automóviles, también lo hacía la de mejores lubricantes. Los fabricantes de lubricantes pronto descubrieron qué crudos producían los mejores lubricantes. Luego, perfeccionaron los procesos naturales refinando el crudo en fracciones de destilación específicas con viscosidad variable. Para 1923, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE, por sus siglas en inglés) clasificó los aceites de motor por viscosidad: ligeros, medios y pesados. Los aceites de motor no contenían aditivos y debían cambiarse cada 1300 a 1600 kilómetros.
En la década de 1920, más fabricantes de lubricantes comenzaron a procesar sus aceites base para mejorar su desempeño. Tres rutas de procesamiento populares incluían:
Tratamiento con arcilla
Se utilizaba arcilla similar a la arena para gatos para absorber y eliminar algunos de los componentes más dañinos del aceite base mineral. Estos compuestos solían ser aromáticos y altamente polares, y contenían azufre y nitrógeno.
Tratamiento con ácido
Se utilizaba ácido sulfúrico concentrado para reaccionar con los componentes más dañinos del aceite base y convertirlos en un lodo que podía eliminarse. Si bien este proceso limpiaba eficazmente el aceite, era costoso. Esta tecnología prácticamente ha desaparecido de Norteamérica debido a la preocupación ambiental por el ácido y el lodo1.
Tratamiento con SO2
El tratamiento con SO₂ era un proceso de extracción primitivo que eliminaba los componentes más dañinos del aceite lubricante mediante un disolvente reciclable. Desafortunadamente, este disolvente era altamente tóxico. Si bien su uso prácticamente ha desaparecido¹, constituyó un paso previo útil hacia la extracción convencional con solventes.
Refinación con solventes (aceites base parafínicos)
Hacia 1930, el procesamiento con solventes se consolidó como una tecnología viable para mejorar el desempeño de los aceites base mediante el uso de un solvente relativamente seguro y reciclable. La mayoría de los productores de aceites base del mundo aún utilizan este proceso en la actualidad.
Tabla 1. Categorías de aceites base de API (Publicación 1509 de API)
Aproximadamente la mitad del aceite base en Norteamérica se fabrica actualmente mediante este método. Los aceites base refinados con solventes se denominan comúnmente aceites base del Grupo I, que se caracterizan por tener menos del 90 % de moléculas saturadas (más del 10 % de aromáticos) y más de 300 ppm de azufre. La Tabla 1 muestra todos los grupos de aceites base según la publicación 1509 del Instituto Americano del Petróleo (API, por sus siglas en inglés).
Los solventes y el equipo utilizados para fabricar aceites base refinados con solventes han evolucionado con el tiempo, pero la estrategia básica no ha cambiado desde 1930. Los dos pasos principales del proceso son:
- Eliminar los compuestos aromáticos mediante extracción por solventes.
- Eliminar la cera mediante enfriamiento y precipitación en presencia de un solvente diferente (Figura 1).
Figura 1. Proceso de extracción por solventes del Grupo 1
Los compuestos aromáticos se eliminan mediante extracción por solventes para mejorar la calidad lubricante del aceite. Si bien los aromáticos son buenos solventes, no son aceites base de alta calidad, ya que se encuentran entre los componentes más reactivos en el rango de ebullición de los lubricantes naturales. La oxidación de los aromáticos puede desencadenar una reacción en cadena que reduce drásticamente la vida útil del aceite base.
La viscosidad de los componentes aromáticos en un aceite base también presenta una respuesta relativamente pobre a los cambios de temperatura. Los lubricantes suelen diseñarse para proporcionar una viscosidad lo suficientemente baja para un buen arranque en frío y lo suficientemente alta para garantizar un espesor de película y una lubricidad adecuados en condiciones de alta temperatura y exigencia. Por lo tanto, cuando se requiere un buen desempeño tanto en frío como en caliente, se busca un cambio mínimo de la viscosidad con los cambios de temperatura.
La industria de lubricantes expresa esta respuesta mediante el índice de viscosidad (IV). Un IV más alto indica una mejor respuesta y más favorable a la temperatura. Se extrajeron los destilados de petróleo con solventes hasta alcanzar la calidad (IV) del destilado de petróleo de alta calidad de Pensilvania. Por definición, a este destilado se le asignó un IV de 100. El destilado de petróleo de baja calidad de Luisiana se le asignó un IV de 0 en la escala del IV.
Los compuestos aromáticos se eliminan introduciendo el destilado de lubricante crudo (gasóleo de vacío) en un extractor por solventes, donde se pone en contacto a contracorriente con un disolvente. Los solventes más comunes son el furfural, la N-metilpirrolidona (NMP) y el DUO-SOL™. El fenol era otro disolvente popular, pero hoy en día se usa poco debido a preocupaciones medioambientales.
La extracción con solventes generalmente elimina entre el 50 % y el 80 % de las impurezas (aromáticos, polares, compuestos que contienen azufre y nitrógeno). El producto resultante de la extracción por solventes se conoce comúnmente como refinado del Grupo I.
El segundo paso es la eliminación de la cera con solvente. Se elimina la cera del aceite para evitar que se cristalice en el cárter o reservorio del cliente a bajas temperaturas. Para eliminarla se diluye primero el refinado con un disolvente para reducir su viscosidad y mejorar su filtrabilidad a bajas temperaturas. Los solventes más comunes para el desparafinado son la metil etil cetona (MEK)/tolueno, la MEK/metil isobutil cetona o (en raras ocasiones) el propano. El aceite diluido se enfría a una temperatura de entre -10 °C y -20 °C. Se forman cristales de cera, que se precipitan y eliminan por filtración.
El proceso de desparafinado reduce el punto de fluidez (punto de congelación) del aceite base. Los objetivos de punto de fluidez del aceite base se establecen en el mercado por fuerzas competitivas que equilibran el costo del desparafinado con el costo de los aditivos que se utilizan habitualmente para reducir el punto de fluidez de los lubricantes terminados. Estas fuerzas competitivas impulsan a la mayoría de los fabricantes a adoptar un conjunto común de objetivos.
Aceites base nafténicos
También existen los aceites base nafténicos, pero no se utilizan habitualmente en lubricantes convencionales. Los aceites nafténicos se elaboran a partir de destilados de petróleo crudo de calidad similar a la de Luisiana, en lugar de la de Pensilvania. Son ricos en ciclo parafinas, también llamadas naftenos. Debido a su color claro, a veces se les denomina aceites pálidos. Su alto contenido en aromáticos les confiere una ventaja en cuanto a su capacidad de disolución para ciertos tipos de aditivos.
El bajo contenido de parafina en estos aceites les confiere un punto de fluidez inherentemente bajo y no requieren desparafinado con solventes. Sin embargo, su índice de viscosidad (IV) es bajo en comparación con los aceites parafínicos, por lo que su desempeño lubricante y su estabilidad a la oxidación son relativamente deficientes. Se utilizan habitualmente en aplicaciones especiales, como fluidos para el mecanizado de metales y aceites para transformadores.
Los aditivos mejoran el desempeño
Durante las décadas siguientes, el proceso de refinación por solventes no sufrió grandes cambios. La calidad del aceite final mejoró principalmente gracias a la adición de aditivos. Estos aditivos comenzaron a utilizarse ampliamente en 1947, cuando la API empezó a clasificar los aceites de motor según su severidad de servicio: regulares, premium y para uso severo. Los aditivos se utilizaban para prolongar la vida útil únicamente en los aceites premium y para uso severo.
Los aceites de motor convencionales no contenían aditivos y estaban diseñados para un uso de entre 80 y 100 horas en condiciones de baja exigencia. Los aceites de motor premium contenían aditivos para prolongar la vida útil de los aceites de motor para vehículos de pasajeros. Los aceites de motor para uso severo contenían una mayor cantidad de aditivos para extender su vida útil en aplicaciones más exigentes, como camiones comerciales y maquinaria de construcción.
En 1950 se introdujeron por primera vez los aceites multigrado, a los que se les añadieron polímeros para mejorar el índice de viscosidad del aceite, lo que mejoró su desempeño tanto en caliente como en frío (Figura 2).
Figura 2. Los aditivos entran en escena
Durante varias décadas más, la industria de los lubricantes siguió dependiendo en gran medida de la tecnología de aditivos para mejorar el desempeño de los aceites terminados. La calidad del lubricante mejoraba significativamente solo cuando mejoraba la composición química de los aditivos. Esta era la única estrategia viable hasta que se dispusiera de una mejora sustancial en la tecnología de los aceites base.
En la segunda parte se explicará cómo las nuevas tecnologías de hidroprocesado abrieron la puerta a mejoras significativas en la calidad del aceite base y el desempeño del lubricante terminado.
Nota del editor:
Esta es una versión modificada del artículo “La evolución de la tecnología de aceites base”, que apareció en STP 1407 - Lubricación de turbinas en el siglo XXI, © ASTM International.
Referencias
- National Petroleum Refiners Association. “1999 Lubricating Oil and Wax Capacities of Refiners and Re-Refiners in the Western Hemisphere.”Enero1999.
- Kramer, D., Lok,B.and Krug, R. (2001). “The Evolution of Base Oil Technology.” Turbine Lubrication in the 21st Century, ASTM STP #1407, W. Herguth and T. Warne, Editors. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
Chevron Global Lubricants. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América