ES2877599T3 - Aceite aislante biogénico de baja viscosidad - Google Patents

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Abstract

Un método para producir un aceite aislante eléctrico no derivado del petróleo que tiene una viscosidad cinemática a 40 °C en el intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s, preferiblemente en el intervalo de 3,6 mm2/s a 3,9 mm2/s, más preferiblemente de 3,8 mm2/s, comprendiendo el método: - realizar la destilación/extracción de una mezcla primaria que comprende hidrocarburos isomerizados de cadena lineal; - recoger un aceite base parafínico como producto intermedio destilado/extraído; y - mezclar el aceite base con un aditivo antioxidante, caracterizado por que: la mezcla primaria comprende hidrocarburos saturados isomerizados en el intervalo C10-C20, el método comprende además controlar la recogida del aceite base parafínico de tal manera que el punto de ebullición inicial del corte de destilación se elija de modo que el punto de inflamación sea superior a 135 °C y el punto de ebullición final del corte de destilación se elija de modo que la viscosidad del aceite base parafínico caiga dentro del intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s a 40 °C.

Description

DESCRIPCIÓN
Aceite aislante biogénico de baja viscosidad
Campo técnico
La presente descripción se refiere al campo del aceite aislante eléctrico. El aceite aislante de la presente descripción es un aceite aislante eléctrico no basado en petróleo que comprende un aceite base parafínico y uno o más aditivos.
Antecedentes
Un aceite aislante eléctrico, también conocido como aceite de transformador, es un aceite que forma parte del aislamiento eléctrico en un transformador eléctrico y que además sirve para hacer circular el refrigerante en la refrigeración del mismo aparato.
Un transformador eléctrico convierte la corriente alterna de un voltaje en otro voltaje. La razón principal para el uso de transformadores en una red de CA es que la generación y distribución es más eficaz, es decir, conduce a menores pérdidas de energía, a voltajes más altos y, en general, a corrientes más bajas. Sin embargo, la energía de alto voltaje es poco práctica y peligrosa en el lugar de consumo de energía en los hogares y la industria. Por lo tanto, especialmente en ubicaciones centrales de una red, donde se transforma una gran cantidad de energía, la eficacia de la transformación es primordial. Este es también el caso de los transformadores de distribución más pequeños ubicados más localmente, particularmente considerando el hecho de que hay muchos más transformadores de distribución tan pequeños en comparación con el número de transformadores de potencia más grandes. La suma de las pérdidas absolutas en este tipo de equipos es, por lo tanto, de considerable importancia.
Las pérdidas en los transformadores generalmente se pueden dividir en pérdidas sin carga y con carga. Las pérdidas sin carga son causadas por el núcleo magnético del transformador y no dependen de la carga, es decir, dichas pérdidas sin carga son constantes para un transformador energizado. Las pérdidas con carga se deben principalmente a la pérdida de calor que es proporcional a la resistencia eléctrica de los devanados. La resistencia eléctrica de un material aumenta con la temperatura y, por lo tanto, las pérdidas con carga dependen de la carga. El aumento de la salida de cualquier transformador dado conduce a una transformación de energía menos eficaz y mayores pérdidas de calor. Por tanto, es necesario refrigerar un transformador. Para transformadores en unidades de distribución más pequeñas, esto se puede lograr con aletas de refrigeración o bridas en el exterior de la carcasa. Algunos de estos transformadores están llenos de resina epoxídica, otros están sumergidos en aceite. Para transformadores de alta potencia, un diseño tan simple no es aceptable ya que las dimensiones crecerían demasiado, y es solo con un diseño de refrigerante líquido en circulación que las dimensiones llegan a ser razonables. El material de aislamiento sólido más común en los transformadores es la celulosa, un material que se degrada cada vez más rápidamente a temperaturas superiores a 100 °C. La vida útil general de un transformador depende en gran medida de su temperatura operativa, un hecho que contribuye aún más a la necesidad de una refrigeración eficaz.
El líquido usado dentro de un transformador debe ser eléctricamente aislante; de ahí que se use aceite. Dichos aceites aislantes comerciales generalmente cumplen con la norma IEC 60296 o ASTM D3487 y casi siempre se elaboran mediante la refinación de petróleo bruto, es decir, son de origen fósil. En IEC 60296-2012 y ASTM D3487-2016, una viscosidad cinemática máxima a 40 °C se establece en 12 mm2/s (o centistoke, cSt), para permitir a los fabricantes de transformadores garantizar que su sistema de refrigeración funcionará con cualquier aceite que cumpla con la norma. Un aceite de viscosidad superior al límite establecido no circularía ni se enfriaría con la suficiente eficacia y no se podría alcanzar la salida máxima del transformador indicada en la placa de identificación sin sobrecalentar el equipo. Tales aceites aislantes están disponibles comercialmente dentro de un intervalo de viscosidades a 40 °C de aproximadamente 7,4 mm2/s a 12 mm2/s, y se componen de aceites base (de primera destilación o mezclas de aceites de diferentes fuentes y procedimientos) y varios aditivos. También existen normas para los aceites de éster natural (aceites vegetales con aditivos), como IEC 62770 y ASTM D6871, donde se deben permitir viscosidades mucho mayores debido a las propiedades inherentes de los aceites vegetales. Hasta cierto punto, las propiedades físicas y químicas de estos aceites compensan la mayor viscosidad, pero los fabricantes de transformadores generalmente solo permiten (por garantía) el uso de estos aceites en unidades transformadoras especialmente diseñadas para ese propósito. Aunque se necesitan mayores dimensiones y un mayor uso de material en estos transformadores especialmente diseñados, una mayor capacidad de sobrecarga, una mayor seguridad contra incendios y el hecho de que los líquidos son biodegradables, a veces induce al cliente de un transformador a elegir tal unidad. Aunque la biodegradabilidad de estos líquidos es un hecho innegable, adolecen de muy mala estabilidad a la oxidación y, por tanto, es necesario añadir al producto formulado grandes cantidades de antioxidantes relativamente tóxicos. Cabe mencionar que otros líquidos aislantes sintéticos se usan en aplicaciones especiales, como el aceite de silicona y los ésteres sintéticos y que también existen estándares industriales para estos líquidos.
En el documento EP2770512 se describe un fluido eléctricamente aislante que comprende isoparafinas derivadas de una fuente de carbono renovable y que tiene un punto de inflamación excepcionalmente alto de al menos 210 °C. El fluido tiene una alta biodegradabilidad y es más ecológico que los fluidos derivados del petróleo.
En el documento CN101230304 se describe otro aceite ecológico derivado de aceite vegetal (es decir, de triglicéridos) que comprende un antioxidante y un depresor del punto de fluidez.
En ninguna de las solicitudes de patente mencionadas anteriormente se describen aceites aislantes que cumplan con los estrictos requisitos de la norma IEC 60296 o ASTM D3487.
Resumen
En la presente memoria se describen técnicas y realizaciones con el objeto de proporcionar un aceite aislante eléctrico que tenga propiedades que aborden los problemas y necesidades mencionados anteriormente. Un objeto es proporcionar un aceite aislante eléctrico que tenga una viscosidad baja. Otro objeto es proporcionar un aceite aislante eléctrico que muestre una alta estabilidad a la oxidación. Otro objeto más es proporcionar un aceite aislante eléctrico que sea ecológico. Otro objeto más es proporcionar un aceite aislante eléctrico que cumpla con las normas que permitan el uso del aceite aislante mencionado en la refrigeración de transformadores eléctricos, electrónicos y similares. Otro objeto más es proporcionar un método para preparar un aceite aislante eléctrico de la presente descripción.
El aceite aislante eléctrico de la presente descripción es un aceite aislante no derivado del petróleo que comprende un aceite de base parafínica y un aditivo antioxidante. Las realizaciones del aceite aislante tienen una viscosidad a 40 °C en el intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s. La viscosidad cinemática a 40 °C puede estar preferiblemente en el intervalo de 3,6 mm2/ s a 3,9 mm2/ s, más preferiblemente aproximadamente 3,8 mm2/s.
En una realización, el aditivo antioxidante está en una cantidad de hasta el 0,4 % en peso, preferiblemente hasta el 0,3 % en peso, más preferiblemente hasta aproximadamente el 0,24 % en peso. El uso de aditivos antioxidantes en baja cantidad genera un aceite aislante de alta pureza y más ecológico. El aditivo antioxidante empleado puede ser preferiblemente BHT (hidroxitolueno butilado, también conocido como DBPC (dibutil-para-cresol)).
En otra realización, el aceite aislante de la presente descripción tiene propiedades de acuerdo con la norma de aceite aislante IEC 60296-2012. Como los aceites aislantes que cumplen con la norma antes mencionada, son casi siempre de origen fósil, es de gran importancia ecológica producir nuevos aceites aislantes de origen biogénico para las mismas aplicaciones.
En otra realización más, el aceite aislante comprende además un aditivo reductor de la tendencia a la formación de gases, tal como tetralina, mono- o dibenciltolueno o compuestos aromáticos similares. Esta es una ventaja en los casos en los que el desprendimiento de gas hidrógeno bajo una descarga eléctrica parcial es una preocupación.
Este tipo de aceite aislante puede tener preferiblemente propiedades de acuerdo con la norma de aceite aislante ASTM D3487-2016. También en este caso, existe una gran importancia ecológica en el desarrollo de aceites aislantes de origen biogénico.
En otra realización más, el aceite base parafínico se produce a partir de una mezcla primaria que comprende hidrocarburos de cadena lineal isomerizados, preferiblemente de origen ácido graso, dando al aceite un punto de fluidez bajo sin la necesidad de añadir depresores del punto de fluidez y su carácter renovable.
El aceite base parafínico se puede producir mediante destilación o extracción de la mezcla primaria para fijar el punto de inflamación por encima de 135 °C (copa cerrada) mientras se mantiene una viscosidad lo más baja posible.
En otra realización más, el aceite aislante se usa en un transformador eléctrico, en reactores de derivación eléctricos o en un mecanismo de conmutación eléctrico. El uso de un aceite aislante de acuerdo con las realizaciones descritas en la presente memoria también se puede aplicar en la refrigeración de componentes electrónicos, tales como circuitos electrónicos, procesadores, componentes electrónicos.
En otra realización más, se describe un método para producir un aceite aislante eléctrico no derivado del petróleo. El método comprende los pasos siguientes:
• realizar la destilación/extracción de una mezcla primaria que comprende hidrocarburos de cadena lineal isomerizados;
• controlar el punto de inflamación de diferentes fracciones destiladas/extraídas;
• recoger un aceite base parafínico como un producto destilado/extraído intermedio en el punto de inflamación deseado;
• mezclar el aceite base con un aditivo antioxidante.
El aceite aislante obtenido tiene una viscosidad cinemática a 40 °C en el intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s, preferiblemente en el intervalo de 3,6 mm2/s a 3,9 mm2/ s, más preferiblemente de aproximadamente 3,8 mm2/s.
Descripción detallada
Las realizaciones descritas en la presente memoria deben considerarse solo como ejemplos y de ninguna manera limitan el alcance de la protección proporcionada por las reivindicaciones de la patente.
El aceite aislante eléctrico comprende un aceite base parafínico y preferiblemente uno o más aditivos. El aceite base se prepara preferiblemente a partir de una materia prima biogénica que no es de petróleo.
Los isoalcanos de la materia prima pueden proceder preferiblemente de ácidos grasos, tales como ácidos producidos mediante hidrotratamiento/isomerización de grasa vegetal o animal, es decir, el procedimiento de fabricación de HVO, aceite vegetal hidrotratado (por sus siglas en inglés), o de biogás (mediante el procedimiento de Fischer-Tropsch seguido de isomerización). Otras posibles materias primas originales son los bioaceites del tratamiento hidrotermal de la biomasa, la lignina despolimerizada o los hidrocarburos bioquímicamente disponibles como el farnesilo. En los últimos casos, se necesitan transformaciones de hidrocarburos más elaboradas, como oligomerización, hidrotratamiento e hidrocraqueo.
El aceite base parafínico de la presente descripción, cuando se produce a partir de grasas animales o vegetales, es el resultado del hidrotratamiento, que conduce a la rotura de todos los enlaces carbono-oxígeno y la saturación de todos los dobles enlaces carbono-carbono, seguido de hidroisomerización. La eficacia de la isomerización debe ser lo suficientemente alta para satisfacer las demandas sobre el punto de fluidez del producto final y puede realizarse mediante métodos patentados o abiertos.
El aceite base en el aceite aislante eléctrico de la presente descripción se aisló mediante un procedimiento de destilación/extracción, posiblemente fraccionada, de una materia prima como se describió anteriormente. El punto de ebullición inicial del corte de destilación se eligió de modo que el requisito de punto de inflamación del aceite resultante cumpliera con los requisitos de IEC 60296-2012 (copa cerrada, >135 °C, Pensky-Marten) y/o ASTM D3487-2016 (copa abierta de Cleveland, 145 °C ). El punto de ebullición final del corte de destilación se eligió de modo que la viscosidad del aceite resultante cayera dentro del intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s a 40 °C, o de 1,310-6 m2/s a 1,610-6 m2/s (1,3 cSt a 1,6 cSt) a 100 °C.
Ejemplo de materia prima: mezcla de hidrocarburos saturados isomerizados (C10-C20) que tiene un intervalo de puntos de ebullición dentro de 180 °C a 310 °C, una viscosidad cinemática a 40 °C de aproximadamente 2,5-10-6 m2/s a 3,2-10-6 m2/s (2,5 cSt a 3,2 cSt), un punto de inflamación en el intervalo de 100 °C a 120 °C (copa cerrada) y un punto de fluidez en el intervalo de -60 °C a -40 °C.
El punto de ebullición inicial medido estuvo en el intervalo de 280 °C a 290 °C, y el punto de ebullición final en el intervalo de 305 °C a 315 °C. El posible procedimiento de destilación fraccionada se controla mediante el ajuste de la temperatura y la longitud efectiva de la columna de destilación mediante la medición periódica del punto de inflamación de la fracción recogida. Esto da una mezcla que comprende isoalcanos y alcanos en el intervalo C14-C20.
El aceite aislante eléctrico de la presente descripción comprende el aceite base parafínico aislado como anteriormente, preferiblemente comprendiendo también un aditivo antioxidante. Se observó una capacidad de respuesta sorprendentemente alta al antioxidante BHT, lo que permite el uso de bajas cantidades de aditivo al tiempo que se alcanza una excelente estabilidad a la oxidación del producto final. Mientras que las normas IEC 60296 y ASTM D3487 permiten un 0,4 % y un 0,3 %, en peso, de antioxidante, respectivamente, el aceite aislante de la presente descripción muestra una excelente estabilidad a la oxidación con tan solo un 0,24 % en peso de BHT. Las propiedades físicas de dicho aceite aislante eléctrico se enumeran en la siguiente tabla.
El aceite aislante eléctrico de la presente descripción muestra un contenido de isoalcanos mayor que el 70 % en masa y un contenido de carbono biogénico mayor que el 99,60 % según lo medido por ASTM D6866.
El aceite aislante eléctrico de la presente descripción puede comprender opcionalmente incluso un aditivo reductor de la tendencia a la formación de gases, que da una tendencia a la formación de gases o propiedades de absorción de gases limitadas. Esto puede ser una ventaja en los casos en los que el desprendimiento de gas hidrógeno bajo una descarga eléctrica parcial es una preocupación.
El aceite aislante eléctrico de la presente descripción muestra una viscosidad sorprendentemente baja. De hecho, tiene una viscosidad mucho más baja que la de los aceites aislantes previamente disponibles comercialmente que cumplen con IEC 60296-2012 o ASTM D3487-2016. Esto significa que cualquier transformador diseñado para el uso de un aceite que cumpla con cualquiera de las dos normas funcionará según la placa de identificación del fabricante en circunstancias normales cuando se llene con aceite de acuerdo con las realizaciones de la presente descripción. Además, la baja viscosidad dará posibilidades de manejar sobrecargas y/o dar la posibilidad de extender la vida útil del transformador debido a una mejor refrigeración. El aceite de acuerdo con la presente descripción da la posibilidad de diseñar un transformador de tal manera que el flujo turbulento, que es más eficaz para la transferencia de calor que el flujo laminar, se produzca tanto a través del devanado como a través del sistema de refrigeración. Lo primero no suele ser posible en la parte de devanado porque la velocidad de flujo total no puede superar un cierto valor, por ejemplo, habitualmente 0,5 m/s, para evitar fenómenos de electrificación estática. Este es el caso tanto de la convección natural (Oil Natural, ON) como cuando se usa una bomba externa para forzar el flujo de aceite a través del sistema (Oil Forced, OF). En el último caso, la menor viscosidad de las realizaciones del aceite dará lugar a un menor consumo de energía de la bomba, o permitirá una bomba más pequeña y más eficaz energéticamente en el diseño. Otra posibilidad de diseño de transformadores es la contracción dimensional general, o la posibilidad de construir una unidad capaz de mayor rendimiento para la misma huella en el terreno. Esto último es de importancia ya que el transporte de unidades transformadoras desde el lugar de producción hasta el punto final de uso es un obstáculo formidable debido al tamaño de los grandes transformadores de potencia. Además, el aceite aislante eléctrico de acuerdo con las realizaciones en la presente memoria impregnará el aislamiento sólido de un transformador más rápidamente en la producción del transformador.
Aplicabilidad industrial
Como se ilustra en los ejemplos anteriores, pero sin limitarse únicamente a estas aplicaciones, el aceite aislante eléctrico de la presente descripción es adecuado para una gran variedad de aplicaciones industriales.
Ejemplos de propiedades del aceite aislante eléctrico de la presente descripción
Figure imgf000005_0001
1DDF (factor de disipación dieléctrica), 2DBDS (disulfuro de dibencilo), 3PCA (compuestos aromáticos policíclicos), 4PCB (bifenilos policlorados), 5TA (acidez total), (todos por sus siglas en inglés).

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un método para producir un aceite aislante eléctrico no derivado del petróleo que tiene una viscosidad cinemática a 40 °C en el intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s, preferiblemente en el intervalo de 3,6 mm2/s a 3,9 mm2/s, más preferiblemente de 3,8 mm2/s, comprendiendo el método:
- realizar la destilación/extracción de una mezcla primaria que comprende hidrocarburos isomerizados de cadena lineal;
- recoger un aceite base parafínico como producto intermedio destilado/extraído; y
- mezclar el aceite base con un aditivo antioxidante,
caracterizado por que:
la mezcla primaria comprende hidrocarburos saturados isomerizados en el intervalo C10-C20,
el método comprende además controlar la recogida del aceite base parafínico de tal manera que el punto de ebullición inicial del corte de destilación se elija de modo que el punto de inflamación sea superior a 135 °C y el punto de ebullición final del corte de destilación se elija de modo que la viscosidad del aceite base parafínico caiga dentro del intervalo de 3,4 mm2/s a 4,5 mm2/s a 40 °C.
2. El método de la reivindicación 1, en donde el aditivo antioxidante está en una cantidad de hasta el 0,4 % en peso, preferiblemente hasta el 0,3 % en peso, más preferiblemente hasta el 0,24 % en peso.
3. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde el aditivo antioxidante es BHT.
4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el aceite aislante tiene además propiedades de acuerdo con la norma de aceite aislante IEC 60296-2012.
5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además mezclar el aceite base parafínico con un aditivo reductor de la tendencia a la formación de gases.
6. El método de la reivindicación 5, en donde el aceite aislante cumple además la norma de aceite aislante ASTM D3487-2016.
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