FILTRACION Y DIALISIS DE LOS ACEITES CONTAMINADOS

Por:

PEDRO ALBARRACIN AGUILLON INGENIERO MECANICO UdeA FEBRERO 19 DE 2003

MEDELLÍN - COLOMBIA

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 filtrarlo ó dializarlo. En este último caso, el personal de mantenimiento debe tener muy claros los conceptos de que es filtrar un aceite y que es dializarlo, cuándo hacerlo y que ventajas se obtienen con cada una de estas técnicas. Los principios básicos de la filtración y de la dialización se fundamentan en los conceptos de lo que es un aceite, la oxidación del mismo y su evaluación mediante el TAN (Número Acido Total). A continuación se explican estos conceptos y se da la relación costo-beneficio de filtrar ó de dializar un 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 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 elemento 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,

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.

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

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 la 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, ó por la contaminación del aceite ya sea durante su almacenamiento ó porque los sellos ó retenedores del equipo 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 dialización.
· 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. Después de la formación del SO2, hasta que se forma el H2SO4, el incremento del TAN del aceite, es de 0,7 mgr KOH/ gr.ac.us. aproximadamente.

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, 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 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, 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 solo 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, se debe lavar internamente, de lo contrario el aceite nuevo que se le aplique se contaminara con dichos productos ácidos insolubles.

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.
· Contenido de metales por espectrofotometría de emisión 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.

La filtración de un aceite lubricante, consiste en hacerlo fluir a través de una barrera porosa ó filtro, fabricado de un material especial, de un tamaño determinado y con los poros de un diámetro especifico. El filtro garantiza que los contaminantes sólidos presentes en el aceite son eliminados al máximo, manteniéndolos en el nivel que el fabricante del mecanismo lubricado tuvo en cuenta cuando calculó la vida disponible del mismo.

Determinar si un aceite se puede ó no filtrar depende de su estado físico-químico y si se debe filtrar ó no del contenido de partículas sólidas que tenga. El aceite sólo se puede ó se debe filtrar cuando se presentan las siguientes condiciones:

· 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 no es mayor de 0,2% por volumen.

Las ventajas de filtrar un aceite con respecto al desgaste de los elementos lubricados y a la vida del aceite son las siguientes:

· Reduce al máximo el desgaste erosivo y abrasivo que pueden ocasionar las partículas sólidas en los mecanismos lubricados.
· Garantiza que los mecanismos lubricados alcanzan la vida de diseño ó la vida disponible si se trabaja con el código ISO 4406 recomendado.
· Permite que los aditivos antioxidantes del aceite trabajen menos, al haber menos presencia en el aceite de partículas sólidas y metálicas que actúan como catalizadores del proceso de oxidación tales como el Cu y el Fe.
· Reduce la rata de oxidación del aceite, al hacer que los aditivos antioxidantes permanezcan más tiempo protegiendo la base lubricante.
· Incrementa ligeramente la vida especificada por el fabricante del aceite.

Las desventajas de la filtración del aceite en cuanto a la vida del aceite son:

· No elimina compuestos como el SO2, resultantes de la neutralización de los ácidos que se forman en el aceite y que son neutralizados por los aditivos antioxidantes.
· La presencia de SO2 incentiva el proceso de oxidación del aceite y la presencia de lacas, barnices y gomas en los elementos lubricados.

Es un proceso físico, que consiste en 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.

Determinar si un aceite se puede ó no dializar depende de su estado físico-químico y si se debe ó no dializar del nivel de contaminantes sólidos ó fluidos que tenga. El aceite sólo se puede ó se debe dializar cuando se presentan las siguientes condiciones:

· 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.

Las ventajas de dializar un aceite industrial con respecto al desgaste de los elementos lubricados y a la vida del aceite son las siguientes:

· Garantiza la lubricación de los mecanismos con aceites más limpios, ya que van a estar exentos de SO2, ácidos débiles, menos partículas sólidas y metálicas y que el aceite queda con un código de limpieza mejor que si se estuviese filtrando.
· Reduce al máximo el desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados ocasionado tanto por las partículas sólidas y metálicas como por los compuestos solubles 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.
· Reduce la rata de oxidación del aceite al hacer que los aditivos antioxidantes trabajen menos.
· 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 no presenta ninguna desventaja.

En la tabla No 1 se especifica la relación costo-beneficio al filtrar un aceite mineral. En este análisis de costos se han hecho las siguientes consideraciones: - La empresa compra un equipo para filtración de aceites; - El aceite es mineral; - El aceite tiene una vida útil de 8.000 horas; - El aceite trabaja a una temperatura de 50°C; - El aceite se filtra cada 4.000 horas; - La frecuencia para filtrar el aceite se ha determinado con base en los análisis de laboratorio que se le hacen periódicamente al aceite; - El tambor de aceite es de 55 galones.

Tabla No1

OBSERVACIONES:

· La ganancia que se obtiene por cada tambor de 55 galones de aceite que se filtre es de U$ 97.
· La inversión hecha al adquirir el equipo de filtración de U$ 6.400 se recupera al filtrar 62 tambores de 55 galones de aceite (U$ 6.400/U$ 97+U$ 6,4).
· La ganancia al filtrar 1.000 tambores de aceite es de U$ 97.000. Este es el número de tambores de 55 galones para el cual se estimo la vida del equipo de filtración (esta vida se refiere principalmente a la bomba de engranajes y al calentador de aceite).
· La ganancia más significativa al filtrar el aceite de una máquina, es por la disminución de la rata de desgaste erosivo y abrasivo en los componentes lubricados, lo cual implica disminución en los costos de mantenimiento (repuestos, H-H, etc). Este rubro solo se puede evaluar a medida que se lleve a cabo el programa de filtración.
· La filtración del aceite, durante la vida útil del equipo de filtración, implica el desecho de 55.000 galones de aceite menos al ambiente.

En la tabla No 2 se especifica la relación costo-beneficio al dializar un aceite mineral. En este análisis de costos se han hecho las siguientes consideraciones: - La empresa compra un dializador de aceite; - El aceite es mineral; - El aceite tiene una vida útil de 8.000 horas; - El aceite trabaja a una temperatura de 50°C; - El aceite se dializa cada 4.000 horas; - La frecuencia para dializar el aceite se ha determinado con base en los análisis de laboratorio que se le hacen periódicamente al aceite; - El tambor de aceite es de 55 galones.

Tabla No2

OBSERVACIONES:

· La ganancia que se obtiene por cada tambor de 55 galones de aceite que se dialice es de U$ 83,10.
· La inversión hecha al adquirir el dializador de aceite de U$ 38.000 se recupera al dializar 314 tambores de 55 galones de aceite (U$ 38.000/ U$ 83,10+U$ 38).
· La ganancia al dializar 1.000 tambores de aceite es de U$ 83.100. Este es el número de tambores de 55 galones para el cual se estimo la vida del dializador (esta vida se refiere principalmente a las bombas de engranajes, calentadores de aceite y bomba de vacío).
· La ganancia más significativa al dializar el aceite de los equipos, es por la disminución en la rata de desgaste erosivo, abrasivo y corrosivo en los componentes lubricados, lo cual implica disminución en los costos de mantenimiento (repuestos, H-H, etc). Este rubro solo se puede evaluar a medida que se lleve a cabo el programa de filtración.
· La diálisis implica el desecho de 110.000 galones de aceite menos al ambiente.