روغن کمپرسورهای گاز

کمپرسورهای گاز برای فشرده‌سازی انواع مختلفی از گازها و مخلوط‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این گازها از گازهای بی‌اثر مانند هیدروژن، نیتروژن یا هلیوم گرفته تا گازهای واکنش‌پذیر مانند آمونیاک، کلر یا سولفید هیدروژن را شامل می‌شوند. در میان پرکاربردترین آنها می‌توان به هوا و گازهای هیدروکربنی مانند متان یا پروپان اشاره کرد. مخلوط‌های گازی ممکن است حاوی رطوبت یا ترکیبات اسیدی مانند کلرید هیدروژن یا هپتان باشند. انتخاب ویسکوزیته مناسب برای روانکار، مهم‌ترین ویژگی روغن کمپرسور محسوب می‌شود (زیرا ویسکوزیته روغن پایه، رژیم روانکاری در یاتاقان‌ها و سطوح لغزشی را تعیین می‌کند)، اما میزان حلالیت گازهای فرآیندی در روغن نیز می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر ویسکوزیته روغن داشته باشد.

اگر فیزیک و شیمی تعامل گاز و روانکار به‌درستی کنترل نشود، نتایجی همچون آسیب یاتاقان‌ها یا روتورها، کاهش عمر روانکار، تشکیل وارنیش و رسوبات، ایجاد کف، آسیب به کاتالیست‌های پایین‌دست و افزایش مصرف روغن می‌تواند رخ دهد. این موارد اغلب باعث توقف طولانی و پرهزینه کمپرسور و در ادامه، از کار افتادن کل واحد یا کارخانه می‌شود.

مهم‌ترین اثرات تعامل گاز و روغن کمپرسور شامل موارد زیر است:

• تغییرات قابل توجه ویسکوزیته هنگام حل شدن گاز در روغن

• واکنش‌های شیمیایی بین روانکار و گازهای واکنش‌پذیر که منجر به تجزیه می‌شود

• مصرف روغن در اثر حمل شدن آن در جریان فرآیندی

تغییرات ویسکوزیته

زمانی که گازها در مایعات حل می‌شوند، می‌توانند ویسکوزیته کلی سیال را به‌طور چشمگیری تغییر دهند. این موضوع با مقایسه ویسکوزیته‌ها قابل درک است:

• ویسکوزیته مطلق متان در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد: 0.0116 cP

• ویسکوزیته مطلق روغن معدنی ISO 460 در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد: 396 cP

اختلاف بزرگ بین این دو مقدار نشان می‌دهد که هر مخلوطی از آنها، ویسکوزیته‌ای به‌مراتب کمتر از روغن خالص خواهد داشت؛ این موضوع با داده‌های میدانی نیز تأیید شده است، به‌طوری که کاهش ویسکوزیته تا حدود ۵۰ درصد مشاهده شده است.

پیش‌بینی میزان حلالیت گاز در روانکار امری دشوار است و معمولاً نیازمند داده‌های آزمایشگاهی از سوی سازنده روانکار برای روغن مورد استفاده است. با این حال برخی اصول کلی وجود دارد. همان‌طور که «حل شدن مشابه در مشابه» برای مایعات قطبی و غیرقطبی صدق می‌کند، گازهای قطبی نیز در مایعات قطبی و گازهای غیرقطبی در مایعات غیرقطبی حل می‌شوند.

برای مثال، متان یک مولکول هیدروکربنی غیرقطبی است و در سایر مولکول‌های هیدروکربنی غیرقطبی حل می‌شود. به همین دلیل معمولاً از روغن‌های معدنی در کمپرسورهای گاز طبیعی استفاده نمی‌شود، زیرا رقیق شدن روغن توسط گاز بسیار زیاد است. متان می‌تواند در دماهای بالا و در روغن‌های با ویسکوزیته بالا برای مدت طولانی حل شود. به همین علت کمپرسورهای رفت و برگشتی بزرگ معمولاً با روغن‌های پلی‌آلکیلن‌گلایکول (PAG) روانکاری می‌شوند. چون PAG ها قطبی‌اند و متان در آن‌ها به میزان بسیار کمتری حل می‌شود.

با این حال، متان ممکن است در چرخه تراکم وارد روغن شود، اما معمولاً به‌صورت حباب‌های جدا باقی می‌ماند تا در نهایت از سیستم خارج شود.

اگرچه کاربران PAG از هزینه‌های نگهداری و قیمت بالاتر این روغن‌ها رضایت کامل ندارند، اما این روانکارها برای کاربردهای فشرده‌سازی گاز بسیار پایدار هستند.

در مقابل، آمونیاک که یک گاز قطبی است، به‌راحتی در آب (مایعی قطبی) حل می‌شود. بنابراین PAG انتخاب بدی برای کمپرسور آمونیاک است زیرا گاز به‌سرعت در روغن حل شده و ویسکوزیته را کاهش می‌دهد. به همین دلیل روغن‌های سینتتیک PAO گزینه‌ای رایج در کمپرسورهای آمونیاک هستند.

عامل دیگری که PAG را برای آمونیاک نامناسب می‌کند، ویژگی‌های تجزیه شیمیایی آن است.

واکنش‌های تجزیه‌ای

کمپرسورها یک کاربرد منحصربه‌فرد در روانکاری هستند زیرا در معرض جریان انواع گازها قرار می‌گیرند. معمول‌ترین گاز، هوا، نسبتاً بی‌اثر است. اما گازهای واکنش‌پذیرتر مانند اکسیژن خالص یا کلر می‌توانند با مولکول‌های روانکار واکنش دهند که گاهی پیامدهای بسیار نامطلوبی به همراه دارد.

در چنین شرایطی:

• استرها دیگر گزینه مناسبی نیستند.

• PAGها نیز با بازهای قوی و مواد بسیار واکنش‌پذیر دچار هیدرولیز می‌شوند.

• نفتالن‌های آلکیله ممکن است واکنش جانشینی آروماتیک داشته باشند.

• روغن‌های معدنی به دلیل داشتن اُلفین‌ها (پیوندهای دوگانه) با گونه‌های واکنش‌پذیر اکسید می‌شوند.

حتی اگر از روغن‌های معدنی هیدروکراک/هیدروتریت‌شده استفاده شود، این روغن‌ها در سرویس می‌توانند اُلفین تولید کنند که منجر به واکنش‌های اتصال مولکولی و افزایش وزن مولکولی و ویسکوزیته می‌شود.

واکنش‌های نامطلوب محدود به گازهای بسیار واکنش‌پذیر نیستند. به‌عنوان مثال، آمونیاک اگرچه شبیه کلر واکنش‌پذیر نیست، اما یک باز لوییس است و می‌تواند در دماهای بالا با اسیدهای کربوکسیلیک واکنش داده و آمید تشکیل دهد. همچنین با افزودنی‌های اسیدی روغن واکنش‌های خنثی‌سازی انجام می‌دهد یا در حضور اکسیژن و دماهای بالا NOx تولید می‌کند که موجب تسریع اکسیداسیون روغن می‌شود.

این دقیقاً چالش اصلی در فناوری روانکاری است: جایی که شیمی، مهندسی مکانیک و دینامیک سیالات به یکدیگر می‌رسند.

مصرف روغن

جالب است که خود روغن می‌تواند عامل افزایش مصرف روغن باشد. در بسیاری از کمپرسورها، روغن علاوه بر روانکاری، وظیفه دفع حرارت حاصل از فشرده‌سازی را بر عهده دارد. دماهای بالاتر از ۹۰°C در بسیاری از کاربردها رایج است و این دما از نقطه جوش بسیاری از اجزای سبک موجود در فرمولاسیون روغن بالاتر است.

بخارهای تشکیل‌شده همراه جریان گاز به پایین‌دست منتقل می‌شوند. برخلاف قطرات روغن، فاز بخار توسط سپراتورها جدا نمی‌شود و بنابراین به سیستم روانکاری بازنمی‌گردد. از این رو در دماهای بالا یا نرخ فشرده‌سازی زیاد، فرّاریت روغن عامل مهمی در میزان مصرف روغن است.

همچنین، همان اصول حلالیت که باعث کاهش ویسکوزیته می‌شوند، در جذب روغن به فاز گاز نیز نقش دارند. اگر گاز فشرده حاوی مولکول‌های روغن شود، این ترکیبات می‌توانند به کاتالیست‌های پایین‌دست آسیب بزنند. روغن‌ها می‌توانند باعث «مسمومیت کاتالیستی» شوند که اثربخشی کاتالیست را کاهش داده یا از بین می‌برد. تعویض کاتالیست اقدامی بسیار پرهزینه و زمان‌بر است و هر کاهش در عمر کاتالیست، تأثیر مستقیمی بر شاخص‌های سودآوری کارخانه دارد.

نتیجه گیری

• تعامل میان گاز فشرده و روانکار همیشه قابل پیش‌بینی نیست و ممکن است نیازمند دانش تخصصی شیمی و داده‌های تجربی سازنده روغن باشد.

• انتخاب روغن کمپرسور مناسب برای هر کاربرد باید با دقت فراوان انجام شود.

• در صورت تردید، حتماً از متخصصان این حوزه مشاوره بگیرید.

اطلاعات این مقاله برگرفته از این منبع می‌باشد.