Por:

PEDRO ALBARRACIN AGUILLON INGENIERO MECANICO UdeA FEBRERO 4 DE 2004

MEDELLÍN - COLOMBIA

INTRODUCCION

El monitoreo de los aceites usados basado en el análisis físico-químico y en el nivel de contaminación por sólidos y partículas metálicas, según la norma ISO 4406, conlleva a que el aceite se deba cambiar ó que sea necesario dializarlo ó centrifugarlo. En este último caso, el personal de mantenimiento debe tener muy claros los conceptos de que es dializar un aceite y que es centrifugarlo, cuándo hacerlo y que ventajas ambientales y económicas se obtienen con estas dos técnicas. Los principios básicos de la diálisis y de la centrifugación se fundamentan en los conceptos de lo que es un aceite, la oxidación del mismo y su evaluación mediante el TAN (Número Acido Total), según ASTM D664. A continuación se explican estos conceptos y se dan las ventajas y desventajas al dializar ó centrifugar un aceite.

1. ACEITE LUBRICANTE

Un aceite lubricante está conformado por los siguientes elementos:

Aceite = Base lubricante + aditivos

Donde:

Base lubricante:

Es el componente más importante del aceite, define su viscosidad y le da propiedades físico-químicas importantes al aceite, como las de demulsibilidad, antidesgaste, antiespumante, antioxidante, índice de viscosidad, biodegradabilidad y toxicidad entre otras. Mientras los aditivos realicen su función, la base lubricante no se deteriora sino se contamina, pero una vez que estos se agotan, la base lubricante se empieza a degradar, iniciándose el proceso que se conoce como oxidación del aceite en el cual se forman lacas, barnices y gomas ácidas, que conllevan a que finalmente el aceite se torne ácido y sea necesario cambiarlo.

La base lubricante puede ser derivada del petróleo, sintética ó vegetal. La utilización de uno u otro tipo de base lubricante depende de las condiciones de operación del equipo rotativo y de los programas de tribología que se tengan implementados en la empresa en lo que tiene que ver con el consumo de energía por fricción en los mecanismos lubricados, disminución del desgaste y conservación del ambiente al utilizar lubricantes más biodegradables y menos tóxicos.

Aditivos:

Es un componente químico que se le adiciona a la base lubricante con el fin de mejorarle una ó más propiedades ó de darle otras nuevas, como en el caso de los aceites de tipo automotriz con los aditivos detergentes-dispersantes. Los aditivos son el material de sacrificio en el aceite lubricante, y mientras éstos no se agoten, la base lubricante no se deteriora, pero una vez que la reserva de éstos desaparece del aceite, la base lubricante inicia su proceso de degradación más o menos acelerado dependiendo de las condiciones bajo las cuales esté trabajando el aceite en los mecanismos lubricados. El uso de los aditivos data de la década de los años 50´s y ha permitido alcanzar mayores frecuencias entre cambios de aceite y la reducción del desgaste en los mecanismos lubricados como es el caso de los aditivos antidesgaste y Extrema Presión.

Los aditivos pueden ser de diferentes tipos dependiendo de lo que se quiera mejorar en el aceite, como los orgánico, órgano-metálico ó metálico. Cada uno de ellos puede mejorar ó darle nuevas propiedades al aceite como las antidesgaste, antiespumantes, antiemulsionantes, Extrema Presión, mejoradores del índice de viscosidad, detergentes-dispersantes, etc.

2. OXIDACION

Es un proceso químico que se empieza a presentar en el aceite una vez que la reserva alcalina proveniente de los aditivos antioxidantes ó de los detergentes-dispersantes se empieza a agotar. El proceso se acelera dependiendo de los contaminantes presentes en el aceite; es irreversible y conlleva finalmente a la formación de ácidos como el ácido sulfúrico (H2SO4).

La reacción de oxidación de un aceite mineral es la siguiente:

1. S + O2 — Top —SO2 2. SO2 + H2O —Cu, Fe —H2SO4

Los factores que inciden en la oxidación del aceite son:

· El azufre (S): es un componente del proceso de oxidación; proviene de la base lubricante cuando es derivada del petróleo y del combustible cuando se trata de aceites de tipo automotriz.
· El oxigeno (O2) del aire: es un componente del proceso de oxidación; su presencia es inevitable y es mayor cuando el aceite se encuentra trabajando en los mecanismos lubricados.

· La temperatura de operación (Top): actúa como un catalizador del proceso de oxidación; influye más severamente en la oxidación del aceite en la medida que su valor sea mayor de los 50°C. Se tiene que por cada 10°C de incremento en la temperatura de operación del aceite por encima de los 50°C, su rata de oxidación se duplica. Así, por ejemplo, si se tiene el caso de dos aceites minerales A y B, que trabajan a 50°C y a 80°C respectivamente, el aceite A se cambiaría cada año y el B cada mes y medio para un trabajo continuo de 24 horas diarias. Es un factor que se puede controlar minimizando al máximo las pérdidas por fricción en los mecanismos lubricados ó enfriando el aceite.

· El dióxido de azufre (SO2): es el resultado de la oxidación parcial del aceite y se presenta cuando se agota la reserva alcalina del aceite. Su presencia en el aceite se puede reducir dializando el aceite. Si en este estado se cuantifica el TAN del aceite, su incremento por encima del valor original, es de 0,2 mgr KOH/ gr.ac.us.
· El agua (H2O): es un componente del proceso de oxidación; puede estar presente en el aceite por condensación de la humedad del aire presente dentro del equipo rotativo, ó por la contaminación del aceite ya sea durante su almacenamiento ó porque los sellos ó retenedores del equipo rotativo están en mal estado. Es inevitable su presencia en el aceite, pero se puede eliminar ó minimizar al máximo mediante el drenaje periódico ó el mantenimiento al aceite utilizando las técnicas de la filtración (filtros coalescentes) y de la diálisis.
· Partículas de cobre (Cu) y de hierro (Fe): actúan como catalizadores del proceso de oxidación; estas partículas pueden provenir del desgaste normal ó anormal de los mecanismos lubricados, es inevitable su presencia, pero se puede minimizar mejorando la lubricación de los componentes ó filtrando el aceite.
· Acido sulfúrico (H2SO4): es el producto final cuando el aceite se oxida y se presenta cuando la reserva alcalina tanto de los aditivos como de la base lubricante se agota. Una vez que el aceite alcanza esta condición, se debe cambiar y la única manera de recuperar la base lubricante es por destilación ó por procesos químicos, como el de tratamiento con arcilla. Después de la formación del SO2, hasta que se forma el H2SO4, el incremento del TAN del aceite, por encima del valor original, es de 0,7 mgr KOH/gr.ac.us. aproximadamente.

3. NUMERO ACIDO TOTAL ó TAN

El Número Acido Total (TAN) ó Número de Neutralización (NN) del aceite se da en mgr KOH/gr.ac.us. y se evalúa según el método ASTM D664. Este parámetro permite cuantificar el agotamiento del aditivo antioxidante del aceite y el deterioro de la reserva alcalina de la base lubricante a través del tiempo. El TAN del aceite nuevo puede ser cero ó ligeramente superior a este valor, debido a la tendencia ácida de ciertos aditivos presentes en el aceite, en promedio entre 0,1 y 0,3 mgr KOH/gr.ac.us; aumenta muy poco mientras el aceite tenga aditivos antioxidantes, ya que estos van neutralizando el SO2 que se va formando en el aceite, transformándolo en otros tipos de compuestos que no tienen tendencia ácida ó ligeramente ácida como los ácidos débiles. Este periodo de tiempo es más ó menos largo dependiendo de las condiciones operacionales del mecanismo; una vez que los aditivos antioxidantes se agotan, se inicia el proceso de oxidación, propiamente dicho de la base lubricante, el cual es bastante critico, haciendo que en poco tiempo el TAN aumente rápidamente hasta el valor máximo permisible, que por lo regular en la mayoría de los aceites es de 1,0 mgr KOH/ gr.ac.us. Una vez que se alcanza este valor, el incremento del TAN es exponencial, alcanzando valores extremadamente altos, en cortos períodos de tiempo, como 80-100 mgr KOH/gr.ac.us., siendo necesario cambiar el aceite en el menor tiempo posible, antes de que ocurra esta situación.

Es muy importante tener en cuenta, cuando se le cambia el aceite a un equipo rotativo, que simplemente drenándoselo no basta para garantizar que todos los productos de la oxidación del aceite mineral son evacuados, ya que cuando el aceite se oxida se forman productos ácidos solubles e insolubles en el aceite, estos últimos, se adhieren a las paredes del depósito ó carter donde se halla alojado el aceite y sólo se pueden evacuar siempre y cuando se lave dicho depósito de aceite. Por lo tanto siempre que se le cambie el aceite mineral a un equipo rotativo, se debe lavar internamente, de lo contrario el aceite nuevo que se le aplique se contaminara con dichos productos ácidos insolubles.

4. EVALUACIÓN DE LOS ACEITES USADOS

A un aceite en servicio se le debe evaluar lo siguiente:

· Propiedades físico-químicas según las normas ASTM: permite conocer el estado del aceite y si éste puede ó no continuar en servicio. Los análisis de laboratorio más importantes que se le deben hacer periódicamente al aceite, son: - Viscosidad, cSt/40°C, ASTM D88; - TAN, mgr KOH/ gr.ac.us., ASTM D664; Contenido de agua, % vol., ASTM D95.
· Contenido de metales por espectrofotometría de absorción atómica: permite cuantificar el nivel de desgaste en los mecanismos lubricados y cuál es el elemento que más se está desgastando.
· Contaminación del aceite por partículas sólidas según la norma ISO 4406: permite conocer la cantidad de partículas sólidas presentes en el aceite en los tamaños mayores de 2, 5, 15, 25, 50 y 100 micras.

5. DIÁLISIS Y EQUIPOS DE TERMOVACIO

Es un proceso físico, que se lleva a cabo utilizando un equipo de termo-vacío ó dializador de aceite, móvil ó estacionario, el cual permite calentar el aceite hasta temperaturas de 100°C y someterlo a presiones de vacío de 27” de Hg aproximadamente. Durante este proceso el aceite se filtra hasta dejarlo con el código de limpieza recomendado por el fabricante del mecanismo lubricado. Al final del proceso de diálisis, el aceite queda en óptimas condiciones para ser utilizado en la misma aplicación donde se venía utilizando y con un porcentaje de vida equivalente al que tenía al iniciar el proceso de diálisis.

Determinar si un aceite se puede ó no dializar depende de su estado físico-químico y del nivel de contaminantes sólidos ó fluidos que tenga. Los parámetros que es necesario tener en cuenta son:

· El TAN no ha llegado a su valor máximo permisible.
· El código ISO 4406 del aceite está por encima del recomendado para el mecanismo que el aceite está lubricando.
· El contenido de agua en el aceite es menor ó mayor de 0,2% por volumen.
· El aceite se encuentra emulsionado ó contaminado con gases.

Beneficios del proceso de diálisis

Al dializar un aceite industrial se obtienen los siguientes beneficios:

· Garantiza que el aceite queda dentro de los estándares de limpieza especificados por las normas ASTM e ISO.
· Permite quitarle al aceite contaminado, el 100% del agua que pueda contener, aún cuando ésta se encuentre en estado de emulsión.
· Garantiza que los aceites que estén contaminados con gases como el H2S, SO2, butano, propano, ácidos débiles, etc, queden completamente exentos de ellos.
· Permite reducir al máximo el desgaste erosivo, abrasivo y corrosivo en los mecanismos lubricados al eliminar del aceite las partículas sólidas y metálicas y los ácidos débiles provenientes de los ácidos como el SO2 que se van formando en el aceite debido a su proceso de oxidación.
· Garantiza que los mecanismos lubricados alcanzan ó superan la vida de diseño ó disponible al trabajar con un código ISO 4406 más bajo que el recomendado.
· Permite que los aditivos antioxidantes del aceite trabajen menos, al haber una menor presencia en el aceite de elementos que actúan como componentes y/ó catalizadores del proceso de oxidación como el SO2, el agua y partículas de Si, Cu y de Fe, reduciendo así la rata de oxidación del aceite.
· Garantiza que el aceite alcance como mínimo una vida útil hasta tres veces mayor que la especificada por el fabricante del aceite.

El proceso de diálisis de aceites contaminados no presenta ninguna desventaja.

Elementos que constituyen un equipo de termo-vacío ó dializador de aceite.

- Torre de vacío.
- Depósito de aceite y de agua.
- Condensador de vapores de agua.
- Bomba de circulación y descarga de aceite.
- Bomba de vacío.
- Calentadores de aceite.
- Filtro de succión y descarga.
- Controles eléctricos.

6. CENTRIFUGACION Y CENTRÍFUGAS

Es un medio acelerado para separar el agua libre y diluida y los contaminantes sólidos del aceite, utilizando la fuerza centrífuga desarrollada por la rotación del aceite a altas velocidades. La centrífuga ha sido diseñada de tal forma que el aceite puro y el agua libre (no separa emulsiones ni agua solubilizada) son canalizados y separados independientemente y el mugre y el lodo se depositan en el asiento del casco, excepto una pequeña cantidad, que es descargada junto con el agua. El proceso de centrifugación se lleva a cabo en una centrífuga.

La centrifugación es un proceso muy apropiado para el tratamiento de grandes cantidades de aceite con niveles de contaminación sólida ó con agua libre, elevadas, y por ser la centrífuga un equipo compacto, no requiere de instalaciones e infraestructura especiales. Un embrague de fricción hace el acople entre el motor eléctrico y un engranaje de tornillo sinfín-corona, el cual permite además, una puesta en marcha suave e impide que se sobrecarguen los diferentes elementos de la centrífuga.

El rotor de la centrífuga se mantiene unido a la tapa superior por el anillo de cierre. En el rotor se encuentran el distribuidor y los discos de los que fluye el aceite contaminado y en los cuales tiene lugar la separación. En la parte más alta del juego de discos se encuentra el disco superior, el cual forma una cámara de descarga que evacua el aceite limpio mediante el disco centrípeto. El agua sale del rotor a través del disco de gravedad ó anillo de descarga.

Una bomba de engranajes accionada por el eje horizontal de la centrífuga, succiona el aceite sucio del depósito y lo hace fluir a través de la centrífuga. Una vez que el aceite ha sido purificado, la otra sección de la bomba lo impulsa nuevamente al depósito. En alguno casos se emplea un depósito adicional, el cual se comunica por gravedad con el depósito principal.

El aceite sucio penetra a la tapa de la taza a través del tubo de regulación. Luego baja por el interior del eje tubular hasta la aguja de distribución, desde donde sale hacia la parte inferior del conjunto de discos. La gran fuerza centrífuga originada por la elevada velocidad de la taza hace que el mugre, el lodo y el agua, se muevan hacia el exterior y el aceite purificado hacia la pared interior del eje tubular. Los discos dividen el espacio interior de la taza en pequeños pasajes independientes, lo cual evita la agitación del aceite y aumenta grandemente la eficiencia en la purificación.

La mayor parte del mugre y el lodo permanece en la taza y se recoge como una capa más ó menos uniforme sobre la superficie lateral interior del casco. El agua junto con cierta cantidad de mugre y lodo, se descarga a través del borde del anillo de descarga y el aceite purificado fluye hacia arriba, siendo descargado por la garganta del disco superior.

Dependiendo de las necesidades que se tengan la centrífuga se puede poner a trabajar como purificadora (líquido / líquido / sólidos) ó clarificadora (aceite / sólidos), lo cual permite un uso más general de este equipo.

El proceso de centrifugación es mucho más eficiente si se calienta previamente el aceite a temperaturas entre 70°- 80°C.

Elementos que constituyen la centrífuga

Los más importantes son:

- Motor eléctrico y reductor tornillo sin-corona.
- Bomba de engranajes.
- Cater, Tazón, tapa superior de la taza.
- Rotor, Eje horizontal, vertical y tubular.
- Disco superior, intermedio y de gravedad ó anillo.
- Juego de discos y anillo de cierre.
- Distribuidor y cámara de descarga del aceite limpio.
- Calentador y controles eléctricos.

7. EQUIPO DE TERMOVACIO VERSUS CENTRIFUGA

En la tabla No1 se hace un comparativo entre un equipo de termo-vacío ó dializador de aceite y una centrífuga de aceite, ambos de una capacidad de 10 gpm.

Tabla No1
Características de un equipo de termovacío y de centrifugación

No	Características	Equipo
		Termovacío	Centrífuga
01	Separación de agua libre y diluida	Si	Si
02	Separación de agua emulsionada	Si	No
03	Eliminación de gases (H2S, SO2, propano, butano, etc).	Si	No
04	Eliminación de ácidos débiles.	Si	No
05	Es necesario calentar el aceite.	Si	Si
06	Ligera oxidación durante el proceso de purificación del aceite.	No	Si
07	Tiempo de separación de los contaminantes.	Moderado	Alto
08	Código ISO 4406 de limpieza del aceite.	El que desee	17/16/14
09	Consumo de filtros de aceite.	Si	No
10	Elementos mecánicos ó eléctricos que es necesario hacerles mantenimiento ó cambiarlos.	6	10
11	Mano de obra calificada para hacerle mantenimiento al equipo.	No	Si
12	Funcionamiento automático.	Si	Si
13	Frecuencia de mantenimiento mecánico ó eléctrico.	5 años	3 años
14	Repuestos de consecución nacional.	Si	No
15	Modo de operar.	Fácil	Dispendiosa
16	Consumo de energía.	Moderado	Bajo
17	Valor aproximado del equipo de la misma capacidad, dólares.	$48.000	$64.000

8. RELACION COSTO - BENEFICIO

En la Tabla No2 se especifica la relación costo-beneficio entre un equipo de termo-vacío y una centrífuga de aceite para 10 gpm, con el mismo nivel de contaminación.

Tabla No2
Relación costo-beneficio anual
Con y sin equipo de termovacío ó una centrífuga de aceite de 10 gpm utilizados en un compresor centrífugo que comprime gases con H2S

No	Parámetro	Equipo		Compresor sin equipo de purificación de aceite
		Termovacio	Centrifugación
01	Costo del equipo, dólares.	U $48.000	U $64.000
02	Tiempo de depreciación.	15 años	10 años
03	Costo anual del equipo, dólares.	U $3.200	U $6.400
04	Frecuencia de cambio filtros de aceite, meses.	3	0
05	Consumo de filtros año, unidades.	12	0
06	Costo de un filtro de aceite, dólares.	$80	0
07	Costo anual filtros de aceite, dólares.	U $960	U $0
08	H-H totales para operar el equipo en el año.	0	0
09	Consumo anual de repuestos, dólares.	U $1.600	U $800
10	Costo H-H de mantto equipo, dólares.	U $3,20	U $3,20
11	H-H anuales de mantto equipo, dólares.	U $40	U $120
12	Costo anual H-H mantto equipo, dólares.	U $128	U $384
13	Consumo de energía del equipo, Kw.	17	2
14	Costo del Kw-Hr, dólares.	U $0,05	U $0,05
15	Horas anuales de operación del equipo.	U $1.460	U $2.920
16	Costo total anual consumo de energía, dólares	U $1.241	U $292
17	Costo anual operación y mantto equipo, dólares.	U $7,129	U $7.876
18	Volumen de aceite del compresor, galones.	1.100	1.100	1.100
19	Costo galón de aceite mineral, dólares.	U $5	U $5	U $5
20	Costo total de aceite.	U $5.500	U $5.500	U $5.500
21	Vida útil del aceite mineral, operando el equipo de purificación de aceite, años.	10	5
22	Costo anual del aceite operando el equipo de purificación de aceite.	U $550	U $1´100
23	Costo total anual aceite, operación y mantto del equipo de purificación de aceite	U $7.679	U $8.976
24	Vida útil del aceite, sin equipo de re-acondicionamiento, años.			0,5
25	Costo anual de aceite, sin equipo de re-acondicionamiento. dólares.			U $11.000
26	Frecuencia de cambio filtros de aceite, meses.			3
27	Consumo de filtros año			18
28	Costo de un filtro de aceite, dólares.			U $80
29	Costo anual filtros de aceite, dólares.			U $1.440
30	Costo H-H de mantto, dólares.			U $3,20
31	H-H anuales de mantto cambio filtros aceite.			32
32	Costo anual cambio filtros aceite, dólares.			U $102
33	H-H anuales de mantto cambio de aceite.			8
34	Costo anual cambio de aceite, dólares			U $26
35	Costo total anual aceite mineral, dólares.			U $12.568
36	Rentabilidad anual al utilizar un equipo de termovacío, dólares.	U $4.889
37	Rentabilidad anual al utilizar una centrífuga, dólares.		U $3.592
	Notas: (1) No se tuvo en cuenta que la centrifugación no permite retirarle los gases al aceite, lo que da lugar a que el aceite trabaje con altos niveles de corrosión (> 3a). (2) Se consideró que los equipos de termovacío y centrifugación son automáticos.

9. CONCLUSIONES

Se puede concluir lo siguiente:

- El mantenimiento de las centrífugas de aceite es más dispendioso, requiere un mayor número de H-H y personal especializado para llevarlo a cabo.
- Los componentes del equipo de termovacío sometidas a desgaste son fácilmente desmontables y reemplazadas por otras.
- La operación de la centrífuga requiere personal que esté pendiente cuando se satura la taza con contaminantes sólidos, para evacuarlos y limpiarla. En el equipo de termovacío, sólo es necesario cambiar los filtros de aceite cuando se saturan con contaminantes. Esta operación se puede hacer con el equipo de termovacío en operación.
- La centrífuga posee un gran número de componentes sometidos a desgaste, el equipo de termovacío pocos e intercambiables.
- Las centrífugas, no eliminan gases corrosivos solubles en el aceite, mientras que el equipo de termovacío si.
- El costo de adquisición de la centrífuga es mayor que el del equipo de termovacío.
- La rentabilidad anual al utilizar el equipo termovacío es de US $4.889 versus US $3´592 con el equipo de centrifugación.
- Las centrífugas que trabajan en equipos rotativos se pueden reemplazar por equipos de termovacío.

PREGUNTAS DE NUESTROS SUSCRIPTORES ACEITES PARA BOMBAS DE VACIO Y SELECCIÓN DEL GRADO ISO REQUERIDO

Caso No1 Pregunta: Quiero conocer cuál es la influencia de la presión de vapor en los aceites para bombas de vacío ( rotary vane pump), actualmente uso un aceite que tiene una viscosidad de 77 mm2/s (77 cSt/40°C), y tiene una presión de vapor de 1x10-3 mm de Hg a 100°C, pero se degrada muy rápido en el proceso (se mezcla con aluminio en polvo) por lo cual se requiere cambiarlo casi mensualmente. Biofilm-Colombia Respuesta: En la lubricación de bombas de vacío es muy importante tener en cuenta la presión de vapor del aceite, la cual debe ser lo más baja posible, ya que de lo contrario el aceite se evaporara fácilmente ó terminará degradándose rápidamente como en el caso que usted comenta. En estos casos se deben utilizar aceites exclusivamente formulados para bombas de vacío. Muchas gracias, Ingenieros de Lubricación Ltda. Caso No2 Pregunta: Tenemos una inquietud con respecto al ejercicio de la nota semanal 50, del día 14 de Mayo de 2003, titulada “Modificación del grado ISO del aceite Industrial”. Para hallar el grado ISO del aceite que es necesario utilizar en el compresor de tornillo, a la temperatura ambiente de 35°C, después de que hicimos todos los pasos requeridos, se llegó finalmente a una viscosidad de 120 cSt a 40°C; no sabemos qué grado ISO elegir, ya que este valor de la viscosidad no está dentro del rango, ni del ISO 100 ni del 150. Por otro lado, en el ejercicio que aparece en dicho artículo, ustedes eligieron un aceite de un grado ISO 220. Porqué seleccionaron este grado ISO? Le agradecería mucho que me responda debido a que me encuentro dando este tema en la Universidad y se me presento esta duda. Muchas gracias y muy buena la página. Universidad de Buenos Aires - Argentina. Respuesta: Muchas gracias por consultar nuestra página web. La metodología que usted hizo es la correcta y efectivamente da 120 cSt a 70°C, esto conduce a la selección de un grado ISO 150. El rango de la viscosidad del aceite de grado ISO 100 esta entre 90 y 110 cSt y el del ISO 150 entre 135 y 165 cSt, en este caso se selecciona el aceite de grado ISO 150, aunque 120 cSt está más cerca del grado ISO 100. En el ejemplo que colocamos en el articulo del 14 de mayo del 2003, tenemos un error y es que no es un grado ISO 220 sino un 150. Muchas gracias,