La producción de muchos lubricantes sintéticos comienza con aceites básicos que son sintetizados a partir de hidrocarburos intermedios de alto volumen. Por ejemplo, las polialfaolefinas (PAO) se sintetizan a partir del etileno. Sin embargo, otros sintéticos se formulan con materia prima muy básica. Por ejemplo, los fluidos a base de silicona están hechos de arena (SiO2), requieren de considerable energía, y hay muchos pasos en su fabricación, incluyendo el manejo de materiales muy corrosivos. Estas etapas variables de fabricación explican el amplio rango de precios de los productos sintéticos y el precio mucho más elevado de los “sintéticos exóticos” como las fluorosiliconas. A diferencia de los básicos minerales, que son una mezcla compleja de hidrocarburos naturales refinados del petróleo crudo, los básicos sintéticos son hechos por el hombre, y tienen estructura molecular controlada, con propiedades predecibles. Como sucede con todos los fluidos lubricantes actuales, los sintéticos se formulan combinando los básicos con ciertos aditivos seleccionados.
Propiedades y aplicaciones industriales de los sintéticos
La mayoría de los lubricantes sintéticos son muy diferentes, no solo en lo que respecta a los aceites minerales convencionales, sino también entre sí. Con mucha frecuencia, la selección de cierto lubricante sintético para una aplicación específica es determinada por una o más propiedades sobresalientes del sintético, que están más allá de la capacidad de los lubricantes minerales convencionales o donde puede justificarse el costo adicional.
Polalfaole nas (PAO)
Las polialfaolefinas (PAO), conocidas comúnmente como hidrocarburos sintéticos, tienen muchas propiedades favorables que han contribuido a su rápido y creciente uso para diversas aplicaciones industriales. Tienen bajo punto de fluidez, baja volatilidad, buena compatibilidad con elastómeros, estabilidad térmica, estabilidad hidrolítica, son químicamente inertes y tienen buena lubricidad natural.
La elevada estabilidad de temperatura en la ausencia de aire ha llevado a usar las PAO como el fluido de sellado y lubricación para los sellos mecánicos de bombas para el manejo de líquidos en el proceso de poliestireno a 232 °C (450 °F). Se mantiene una atmósfera inerte de nitrógeno sobre el fluido sellante.
Un lubricante PAO formulado, debido a su estabilidad hidrolítica, ha demostrado una vida útil prolongada en la sustitución de un lubricante poliol éster de alta temperatura para los rodamientos y engranajes de sopladores positivos rotativos secos utilizados como compresores de refuerzo de vapor. Los sellos tipo laberinto permitían la fuga de vapor vivo en el lubricante, lo que resultaba en la degradación del poliol éster.
Dado que los PAO tienen puntos de uidez bajos, también se utilizan en compresores de refrigeración. Algunas aplicaciones son compresores de amoníaco y fluorocarbono.
Ésteres orgánicos
Los ésteres orgánicos, diésteres y poliol ésteres (POE), se utilizan para muchas aplicaciones industriales. La mayoría de los aditivos son fácilmente solubles en ésteres orgánicos. Esta característica proporciona flexibilidad en la formulación de lubricantes, tanto ésteres 100% orgánicos como ésteres orgánicos combinados con otros sintéticos.
Debido a sus propiedades mejoradas de resistencia al fuego y la estabilidad a la oxidación, los lubricantes base diéster se utilizan para aplicaciones de compresores de aire, particularmente recíprocantes. Los diésteres proporcionan una acción de solvencia que resiste las formaciones de lodos y barniz cuando se utilizan para la lubricación de los cilindros de compresor de aire alternativo. También es posible reducir las tasas de alimentación de lubricantes a los cilindros, hasta un 50% de las tasas requeridas de alimentración con aceite mineral. Las válvulas más limpias y menos lubricante reducen la posibilidad de incendios y explosiones en los sistemas de compresores reciprocantes de aire. Como lubricantes de compresores de aire reciprocantes, los diésteres proporcionan limpieza, lo que resulta en una mejor transferencia de calor y la prevención del pegado de piezas móviles. El resultado puede ser menos consumo de energía.
Los poliol ésteres tienen excelentes propiedades de desempeño en alta temperatura y, en general, han mejorado las propiedades sobre los diésteres, 3 incluyendo la estabilidad hidrolítica a largo plazo y la compatibilidad del software. La Tabla 1 muestra una comparación de las propiedades de los diésteres y lubricantes de poliol éster comúnmente utilizados para aplicaciones industriales.
Tabla 1. Comparación de propiedades entre diéster y poliol éster
Aunque los lubricantes de poliol éster son aproximadamente el doble del costo de un diéster, los costos generales son menores con el poliol éster debido a la reducción del uso de lubricante y menos costos de mantenimiento y limpieza.
El poliol éster es preferible para la lubricación de los cilindros de compresores de aire si la temperatura de descarga del aire es de 150 oC o superior y si se toma la decisión de minimizar el uso de lubricante a través de la microlubricación.
Para los compresores de tornillo rotativo que funcionan por encima de las temperaturas normales de funcionamiento de 82 oC, el poliol éster es una mejor opción que las polialfaolefinas, especialmente cuando hay un funcionamiento continuo bajo cargas pesadas. A una temperatura de funcionamiento de 104 a 110 oC, el poliol éster tiene una vida aproximada de 5,000 horas en comparación con las 2,500 horas de los polioleolefinas.
Los lubricantes de poliol éster son adecuados para aplicaciones de compresores de aire de tornillo rotativo que se emplean en la perforación de pozos de petróleo, minería, compresores multi etapas y compresores en lugares de temperatura ambiente caliente. Otras aplicaciones industriales de poliol éster incluyen:
- Lubricante de cadena para hornos de aire de 200 oC. Se habla de ahorros de energía del 15% pasando de un aceite mineral a un aceite base poliol éster,
- Lubricante para cojinetes metálicos porosos en sopladores de hornos, y c.
- Lubricante para engranajes y para sopladores de aire rotativos de 175 oC.
Polifenil éteres
Los polifenil éteres tienen resistencia a la radiación a 1010 ergs/gramo oC, estabilidad térmica de hasta 454 oC y estabilidad oxidativa de hasta 315-370 oC con inhibidores adecuados. Los polifenil éteres tienen presiones de vapor muy bajas que alcanzan vacíos en el rango de 10-10 torr, por lo que son ideales para usos de alto vacío. Sin embargo, tienen un punto de fluidez relativamente alto (4 oC) y son caros (mñas de US $1,700 – $2,000 por galón). Estos factores limitan su uso a fluidos y lubricantes en aplicaciones especializadas de vacío, alta temperatura y resistencia a la radiación.
Ésteres de silicato
Los ésteres de silicato tienen buenas propiedades a bajas temperaturas. Sin embargo, tienen muy poca estabilidad hidrolítica, y se descomponen para formar geles cuando entran en contacto con la humedad en el aire. Esta característica limita su uso a los sistemas cerrados. Por ejemplo, los ésteres de silicato se utilizan para la lubricación de compresores de refrigeración a baja temperatura.
Ésteres fosfatados
Los ésteres fosfatados se utilizan como fluidos y lubricantes principalmente debido a sus buenas propiedades resistentes al fuego (temperaturas de autoignición superiores a 537.5 oC (1,000 oF). Incluso cuando hay ignición, los ésteres fosfatados continuarán ardiendo solo si se mantienen las condiciones severas requeridas para la ignición. Su uso incluye lubricantes resistentes al fuego para turbinas de gas industriales de servicio pesado y equipos auxiliares y fluidos hidráulicos en acerías, fundiciones y otras plantas donde el fluido podría presentar fugas sobre superficies calientes. Los ésteres fosfatados tienen un alto módulo bulk, dándole una respuesta extremadamente rápida en los sistemas electrohidráulicos de control. Estos sistemas se utilizan comúnmente cuando se requiere un control preciso, como el control de la velocidad de la turbina.
Los ésteres fosfatados se han utilizado como lubricantes de compresores de aire principalmente debido a su alta autoignición. Sin embargo, se han notificado explosiones causadas por cantidades excesivas de lubricante en los sistemas de aire comprimido. Además, el aire caliente húmedo puede hacer que gradualmente los ésteres fosfatados se descompongan. Los productos de degradación (ácidos fuertes) atacan pinturas y sellos de goma, juntas y diafragmas. Debido a que esto es particularmente problemático si el aire se utiliza para instrumentación.
Los ésteres fosfatados están siendo reemplazados por otros sintéticos para la lubricación del compresor de aire. Además, los ésteres fosfatados se consideran contaminantes indeseables en las vías fluviales.
Polialquilén glicoles (PAG)
Las características de no formación de lodos característica de los PAG ha llevado a su uso para aplicaciones de alta temperatura. Por ejemplo, los poliglicoles se pueden mezclar con grafito para lubricar rodamientos de horno refractario de 1,093 oC (2,000 oF). Los productos de degradación de los poliglicoles se queman limpiamentes dejando al lubricante sin depósitos de alquitrán.
Los poliglicol solubles en agua se utilizan como fluidos hidráulicos base de agua resistentes al fuego. Una aplicación novedosa para lubricantes base poliglicol solubles en agua son los actuadores de válvulas de grandes líneas de transmisión de gas ubicadas al aire libre en climas bajo cero. En el pasado, con los lubricantes convencionales, la humedad se condensaría y congelaría los actuadores en invierno. Con los lubricantes base poliglicol, la humedad se disuelve en el poliglicol y la solución resultante tiene un punto de fluidez bajo cero, eliminando el problema de congelación.
El uso de lubricantes a base de poliglicol para aplicaciones de compresores de gas hidrocarburo se está expandiendo rápidamente, especialmente para compresores de tornillo rotativo inundados en aceite. El polipropilen glicol está funcionando muy bien en compresores de refrigeración de propano. Este lubricante reduce la solubilidad de los hidrocarburos y las buenas características de viscosidad/temperatura con un índice de viscosidad superior a 200.
Un lubricante de polietilenglicol con grado de viscosidad ISO 150 proporciona la máxima resistencia al adelgazamiento de hidrocarburos para compresores de tornillo rotativo que manipulan altas concentraciones de hidrocarburos condensables (C4+). Para aplicaciones de gas y otros compresores de tornillo rotativo que impliquen tanto hidrocarburos condensables como vapor de agua, se debe utilizar un lubricante copolímero de polietilen/polipropilen glicol. Este lubricante resiste la dilución de hidrocarburos y, a temperatura de funcionamiento de lubricación superior a 71 oC (160 oF), resiste la dilución con agua.
Las altas presiones de descarga en los compresores de tornillo rotativo que manipulan gases de hidrocarburos pueden ser un problema. A pesar de que se puede formular un lubricante de poliglicol para resistir la dilución, a altas presiones de funcionamiento los hidrocarburos continuarán condensando con la acumulación de una fase líquida rica en hidrocarburos separada en el tanque separador de lubricante. Esta fase de hidrocarburos tiene una viscosidad muy baja y una lubricidad deficiente. Si este líquido de hidrocarburo se transporta al compresor, puede producirse una falla en el rodamiento. Las dos fases líquidas (lubricantes y condensables de hidrocarburos) no se separan fácilmente por gravedad, por lo que es necesario evaporar o quemar la fase de hidrocarburos.
Lubricantes fluorinados
Hay tres clasificados de lubricantes sintéticos fluorinados actualmente en uso para aplicaciones industriales, además, los lubricantes fluorinados son muy caros, estos productos se enumeran en la Tabla 2 con sus costos aproximados.
Tabla 2. Productos flurinados y costos aproximados
El alto costo limita el uso de estos lubricantes, pero aún así, las aplicaciones industriales se están expandiendo principalmente debido a su excelente química inerte y resistencia a los disolventes.
Los cloro fluorocarbonos y per fluoroalquil poliéteres son los más inertes, incluso para el oxígeno líquido y el cloro. Las aplicaciones incluyen bombas de oxígeno líquido; compresores y bombas de vacío que manipulan vapores de oxígeno, flúor y otros productos químicos extremadamente activos; y productos de manipulación de sólidos con fuertes características oxidantes. Los cloro fluorocarbonos tienen limitaciones de temperatura con una rápida evaporación a 150 oC o más. Además, tienen características de viscosidad-temperatura deficientes y puntos de fluidez relativamente altos en comparación con per fluoroalquil poliéteres y fluorosiliconas.
Los lubricantes de fluorosilicona son químicamente inertes para una amplia variedad de productos químicos corrosivos agresivos. Una de las primeras aplicaciones de los fluidos de fluorosiliconas fue la microlubricación de los cilindros de compresores de cloruro de metilo y ácido clorhídrico. Aunque no se recomiendan fluorosiliconas para el servicio de cloro líquido, las pruebas de laboratorio demostraron su inactividad al cloro gaseoso bajo presión a 90 psi (260.6 kPa) y temperaturas a 200 oC.
Se han probado grasas de fluorosilicona fabricadas con espesante de politetra fluoroetileno y han demostrado ser mejor inertes en comparación con las grasas de hidrocarburos convencionales. Estas grasas son muy costosas.
Siliconas
Además de las fluorosiliconas, también se utilizan otros tipos de siliconas para aplicaciones industriales. Las dimetil siliconas tienen excelentes características de viscosidad- temperatura y son hidrolíticamente estables, pero tienen propiedades lubricantes cuestionables de metal a metal. Sin embargo, hay aditivos disponibles para mejorar su lubricidad.
Las alquilmetil siliconas tienen excelentes propiedades lubricantes debido a la formación de películas gruesas en las operaciones. Estos lubricantes están siendo formulados con bases lubricantes altamente re nadas y saturadas y polialfaolefinas para su uso en una amplia variedad de aplicaciones de compresores alternativos, compresores de tornillo rotativo inundados en aceite y bombas de vacío. Proporcionan una película protectora duradera y, debido a su inactividad química, protegen las piezas metálicas contra la corrosión. Las aplicaciones incluyen compresores de refrigeración de amoníaco; compresores de cloruro de metilo, ácido clorhídrico y dióxido de azufre; y bombas de vacío que manejan una amplia variedad de vapores químicos.
Conclusiones
El número de lubricantes sintéticos y aplicaciones industriales está creciendo rápidamente y seguirá creciendo durante la próxima década a este ritmo acelerado, ya que la “ingeniería de valor” se utiliza para identificar aplicaciones, seleccionar los lubricantes sintéticos adecuados y determinar el ahorro general de costos.
En aplicaciones que impliquen lubricación de “una sola pasada”, como la lubricación de cilindros de compresores de aire alternativos, es muy importante minimizar las velocidades de alimentación del lubricante. El resultado es una menor contaminación y menor ingreso de contaminantes; reducción del mantenimiento y el tiempo de inactividad; reducción de los riesgos de incendio; y, en algunos casos, reducción de los requisitos de lubricante. Para monitorear y controlar con precisión estos pequeños alimentos lubricantes sintéticos, se requiere la conversión de los lubricadores existentes a la microlubricación. Hay disponibles sistemas de conversión probados y disponibles comercialmente. En muchos casos, la amortización de este hardware es inferior a un año.
Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.