3.5 Examples: U-ISC–based composition systems
3.5.1 Composition system for simple rule language
El fluido básico que constituye la mayor parte de los aceites lubricantes es una mezcla de dos o más componentes normalmente denominados aceite base. Estos pueden ser productos derivados del petróleo crudo (aceites minerales) o bien otros productos químicos de obtención sintética que en los últimos años están comiendo terreno a los aceites minerales.
En la década de los 80, se vió la introducción de cantidades significativas de aceites base derivados del petróleo producidos mediante la utilización de nuevos procesos de refino. Estos son los denominados frecuentemente “aceite base de refino no-convencional”. En el proceso de refino convencional los aceites base obtenidos son totalmente dependientes del tipo y calidad del petróleo crudo del que provienen. Con la utilización de nuevos procesos de conversión catalítica en el refino del crudo, tales como el hidrocracking, hidro-isomerización y desparafinado catalítico, el aceite base obtenido es menos dependiente del petróleo crudo utilizado y más dependiente de las condiciones específicas de operación utilizadas en el proceso de refino.
El uso del término “sintético” para definir aceites base o productos finales ha sido sujeto de cierta controversia en los últimos años, fundamentalmente motivado por el empleo de este término como reclamo publicitario. SAE define en su norma SAE J357 lo que se entiende como compuesto sintético, hablando en la definición de productos obtenidos por síntesis química.
Estos productos son obtenidos a partir de reacciones orgánica tales como alquilación, condensación, esterificación, polimerización, etc. Los productos de partida pueden ser uno o más componentes orgánicos relativamente puros. Generalmente de simple composición, estos productos son obtenidos por el procesado químico de fracciones del petróleo, gas natural, o componentes grasos animales o vegetales.
Conviene hacer en este punto una pequeña mención al creciente interés en la reutilización de los aceites usados, promovido desde diversos sectores como un mejor aprovechamiento de los recursos naturales, aunque con el peaje de un mayor costo en su obtención.
Dentro de los aceites base vamos a considerar tres fuentes diferentes que pasamos a ver en mas detalle a continuación:
Aceite base obtenido del refino convencional de petroléo.
El petróleo está formado por hidrocarburos, compuestos de hidrógeno y carbono, y oxígeno, nitrógeno y azufre en menor cantidad. De todas formas, su composición química no es siempre igual y puede hablarse de tantas clases como campos petrolíferos. Son aceptadas tres grandes divisiones en función de las clases de sustancias que contienen en mayor cantidad: crudos de base parafínica (hidrocarburos de cadena lineal o ramificada), crudos de base nafténica (cicloparafinas) y crudos de base mixta o intermedia. En todos los casos nos podemos encontrar también con la presencia de compuestos aromáticos, alquil bencenos o multianillos aromáticos. Las principales características y diferencias entre ellos se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 2.4: Propiedades características de los distintos tipos de hidrocarburos:
Parafínicos Nafténicos Aromáticos
Baja densidad Elevada densidad Densidad muy alta
Punto de congelación alto
(necesidad de desparafinar o aditivar
con producto depresores del punto de congelación)
Punto de congelación bajo (ausencia de punto de niebla).
Punto de congelación muy bajo
Parafínicos Nafténicos Aromáticos
Volatilidad baja (alto punto de inflamación)
Volatilidad alta (bajo
punto de inflamación) Gran volatilidad Carbono Conradson
medio, adherente y de aspecto granuloso
Carbono Conradson bajo, poco adherente y de aspecto pulverulento
Carbono Conradson elevado
Oxidación retardada con formación de ácidos mas o menos corrosivos
Oxidación sin periodo de inducción, menor acción corrosiva pero da formación de precipitado.
Gran oxidabilidad y precipitación de productos insolubles
Sin poder disolvente frente a sustancias de degradación del aceite
Poder disolvente frente a productos de degradación del aceite.
Alto poder disolvente
Punto de anilina elevado Punto de anilina bajo Punto de anilina muy bajo Los llamados procesos de refino convencional son los siguientes:
Destilación:El petróleo crudo es una compleja mezcla de hidrocarburos, desde gases ligeros a material asfáltico pesado. Para realizar una separación inicial de los productos básicos se emplea la llamada destilación atmosférica (realizada a presión atmosférica). Se ilustra gráficamente en la imagen inferior de la izquierda (figura 2.14).
Figura 2.14. Esquema de la destilación atmosférica del crudo de petróleo.
Figura 2.15. Esquema de la destilación a vacío del petróleo.
La fracción residual pesada (residuo atmosférico) es de color oscuro y contiene la mayor cantidad de impurezas y material considerablemente oxidado y degradado. Ello puede ser directamente utilizado como fuel oil o destilado posteriormente bien para alimentar un cracker catalítico o para la producción de aceites lubricantes. Para prevenir posteriores degradaciones de esta fracción, la segunda destilación se realiza al vacío, con lo que se consigue disminuir la temperatura de ebullición de los productos. La destilación al vacío permite obtener diferentes fracciones de aceites base a diferentes rangos de viscosidad (figura 2.15).
El residuo concentrado pesado producto de la destilación a vacío es la materia prima para la obtención de los llamados “bright stock”, fracciones pesadas utilizadas en aceites de cajas de cambio o engranajes y otros lubricantes muy viscosos. Para eliminar el asfalto y otras impurezas el residuo es mezclado con propano en el cual los residuos aromáticos son insolubles. Estos y otras impurezas precipitan y el asfalto es recogido.
Extracción con disolventes.Este proceso elimina la mayor parte de los aromáticos y algunos de los compuestos nafténicos y permite incrementar tanto el índice de viscosidad (IV) como la estabilidad de la base. El disolvente (fenol, furfural o mas recientemente N-metil-2-pirrolidona [NMP]) es pasado a contracorriente sobre la secuencia de materia prima de lubricante, y es recirculado tras ser eliminado de las unidades de extracción de aromáticos y de aceite refinado, tal y como se muestra en la figura 2.16.
Proceso de finalizado.El proceso de extracción con disolventes no elimina todo el material reactivo e inestable de la base y sin el consiguiente proceso de finalizado el aceite podría oscurecerse muy pronto y formar barros precipitados, especialmente cuando es expuesto a la luz.
Hasta hace un tiempo, el proceso de finalizado era un tratamiento arcilloso, en el cual el aceite se mezclaba con tierras especiales las cuales absorbían los reactivos aromáticos y las moléculas inestables, posteriormente se realizaba un filtrado. Los residuos arcillosos contaminados presentaban el consiguiente problema del tratamiento de los mismos y su rendimiento era bajo. Actualmente el proceso normalmente empleado es el “hydrofinishing” o hidroacabado, donde el aceite refinado pasa a través de un reactor caliente en presencia de un catalizador (típicamente óxidos de níquel y molibdeno o sílica y alumina) e hidrógeno a presión.
La reacciones de hidrogenación convierten los compuestos inestables en estables, los aromáticos por ejemplo, son convertidos en nafténicos. El “hydrofinishing” no reduce sustancialmente la cantidad de producto obtenido, permite aumentar el índice de viscosidad (IV) y elimina parte de los compuestos de azufre y otros rastros de materiales. El mayor o menor efecto de este tratamiento es dependiente de la severidad de las condiciones de realización (presión, catalizador, etc. ).
Desparafinado
Innecesario para la mayoría de las bases nafténicas, la necesidad de eliminar las parafinas para mejorar las propiedades del flujo en condiciones de baja temperatura en las bases de tipo parafínico penaliza las mismas con mayores costes y pérdidas de producto (menor rendimiento). El refinado a ser desparafinado es mezclado con un solvente en el cual la parafina más pesada es insoluble a bajas temperaturas. El propano era usado como solvente aunque ahora se tiende a utilizar solventes de tipo cetona tales como metil etil cetona o metil isobutil cetona.
El solvente empleado y el refinado son mezclados juntos y enfriados hasta una temperatura en la que la mayor parte de la parafina cristaliza y puede eliminarse mediante un filtrado rotativo. El disolvente es separado tanto del aceite como de las parafinas y reciclado para un nuevo uso.
Figura 2.18. Desparafinado con disolvente
Procesos de refino modernos.
El proceso de hidroacabado (hydrofinishing) descrito anteriormente es usualmente un proceso relativamente suave, que produce la saturación de compuestos aromáticos y otros compuestos inestables, pero no rompe
significativamente las moléculas con la consiguiente pérdida de viscosidad u otros cambios importantes sobre las mismas. Si se aumente la severidad del tratamiento (temperaturas superiores a 450 ºC y presiones del orden de 28 Mpa) las moléculas presentes en el aceite pueden modificarse de diferentes modos para producir una base de mayor calidad y que resulta menos dependiente del tipo de crudo original del que partimos. Por la severidad fuerte del proceso es conocido como “hydrocracking” y como materia prima pueden utilizarse parafinas, fuel oil u otra fracción pesada disponible. En concreto partiendo de parafinas (provenientes de una planta convencional) pueden obtenerse aceites de un alto índice de viscosidad (IV>150).
Mediante el “hydrocracking” se pueden obtener fracciones útiles entre un 40-70% del producto bruto utilizado, aunque si se buscan aceites base muy específicos y especiales este rendimiento puede bajar hasta el 5%.
Los productos obtenidos mediante este proceso se aproximan a las características de las bases sintéticas polialfaoleofinas y pueden ser muy similares si se utiliza el llamado proceso de “hydro-isomerization”.
Las principales reacciones que se dan en el reformado e hydrocarcking son las siguientes:
Saturación: poliaromáticos Æ polinaftenos (mayor IV, menor punto de congelación)
Rotura de anillos: polinaftenos Æ mononaftenos (mayor IV, menor punto de congelación)
Reformado (isomerización): n-parafinas Æ parafinas ramificadas (menor punto de congelación y algo de descenso de IV)
Craqueo: alto peso molecular (PM) Æ medio PM (menor viscosidad y punto ebullición)
Desulfuración: compuestos de azufre Æ H2S (pérdida de inhibidores naturales)
Denitrogenación: eliminación de nitrógeno (y oxígeno) contenido en los compuestos heterocíclicos Æ aumento de la estabilidadDesparafinado catalítico
Este proceso tiene ciertas similitudes con el proceso de hydrocracking, pero el catalizador toma la forma de un tamiz molecular altamente poroso. Las cadenas lineales o parafinas poco ramificadas (alcanos) entran en los poros del tamiz donde son atrapadas y cortadas en productos más ligeros. Las cadenas largas
de compuestos complejos pueden ser atrapadas y eliminadas, aunque determinados compuestos importantes pueden perderse.
El proceso de desparafinado catalítico es altamente específico y eficiente para la eliminación de las cadenas lineales de hidrocarburos. La base resultante tiene tendencia a tener un menor IV que las provenientes del desparafinado con disolvente donde es la temperatura de separación la que marca la fracción de producto eliminado más que el tamaño de las moléculas.
Aceites base reciclados:
Durante la crisis del petróleo en la década de los 70, varios procesos fueron desarrollados en orden a obtener aceites base de alta calidad a partir del reciclado de aceite usado. Algunas plantas fueron puestas en marcha y funcionaron durante algún tiempo pero generalmente con muy malos resultados económicos. Los altos costes asociados a la recogida de los aceites usados y los sofisticados procesos de refino eran los principales inconvenientes.
El proceso de recogida fue siempre un problema, aunque un éxito considerable fue obtenido, así en Alemania el 50% del aceite usado es recogido. Es por ello que Alemania es líder en la recogida de aceites usados aunque mas por razones medio ambientales que por motivos económicos. La mayoría de aceite residual es empleado como combustible y no para su reciclado.
Figura 2.19. Datos sobre la recogida de aceites usados de cara a su posterior reciclado o utilización [Mang, T.; 2001].
Los aceites reciclados pueden sustituir satisfactoriamente los aceites base directamente derivados del petróleo con el correcto proceso de tratamiento que elimina todos sus contaminantes. De hecho, los aceites reciclados poseen características superiores frente a la oxidación que los aceites virgen ya que los compuestos más fácilmente oxidables ya han reaccionado durante su uso primario y son eliminados en el proceso de reciclado.
Otros tipos de aceites base:
Hasta la llegada de la turbina de aviación hacia los años 40, los aceites directamente derivados del petróleo cubrían adecuadamente los requerimientos que se les demandaba o en cualquier caso cualquier debilidad era aceptada debido a su bajo coste. Para la mayoría de aplicaciones actuales, un análisis de beneficios / costes indica aún que las bases obtenidas directamente del petróleo ofrecen ventajas sobre otros compuestos químicos que deben ser específicamente sintetizados.
Los hidrocarburos y otros compuestos químicos pueden ser diseñados para cumplir requerimientos mas críticos y pueden aportar un nivel de comportamiento superior sobre periodos prolongados y en determinados casos con fuertes solicitaciones sobre el lubricante.
Normalmente están constituidos por un solo tipo de moléculas y usualmente de un tamaño restringido y pueden aportar una combinación de propiedades que no puede alcanzarse con la mezcla de bases directamente obtenidas del petróleo. Entre ellas podemos encontrar:
Hidrocarburos de síntesis, obtenidos a través del proceso de Fischer- Tropsch
Oligomeros de oleofinas Aromáticos alquilados Esteres orgánicos
Otros como: poliglicoles, siliconas, esteres fosfatos, hidrocarburos hidrogenados.
Normalmente cada uno de estos tipos es utilizado en campos específicos donde interesa potenciar determinadas cualidades puntuales en el lubricante.