Producción y usos de anticongelante

antifreeze

El anticongelante es una sustancia que se utiliza para reducir el punto de congelación del agua o líquidos a base de agua. Se usa más comúnmente para proteger los motores de combustión interna del congelamiento, pero también tiene otras aplicaciones en refrigeración, sistemas de transferencia de calor, calentadores de agua y más.

El tipo más común de anticongelante es el etilenglicol, que es un líquido incoloro e inodoro. El etilenglicol se produce en Estados Unidos y Europa y se utiliza como anticongelante para automóviles, camiones y otros vehículos.

Tabla de contenido

1. Materias primas anticongelantes

Los primeros motores de combustión interna utilizaban agua como refrigerante porque era barata, abundante y buena para transferir calor. Sin embargo, el agua tenía varios inconvenientes:

  1. Puede corroer las piezas metálicas del sistema de refrigeración.
  2. Tiene un alto punto de congelación.
  3. Cuando se congela, se expande entre un 9 y un 10%. Esto puede dañar el bloque del motor, la bomba de agua y el radiador.

Se agregaron agentes anticongelantes e inhibidores de corrosión para abordar estos problemas. El agua tiene un punto de ebullición relativamente bajo (100 °C), por lo que se utilizan tapones de presión para elevar el punto de ebullición del refrigerante.

Sin embargo, la presión máxima está limitada por los materiales utilizados para fabricar el sistema de refrigeración, especialmente el radiador y las juntas de soldadura. Agregar etilenglicol al refrigerante aumenta su punto de ebullición, por lo que se pueden usar presiones más bajas para lograr temperaturas de refrigerante más altas.

En la década de 1920, cuando el número de automóviles en Estados Unidos creció de 7,5 millones a 26,5 millones, la demanda de anticongelante también aumentó. El etanol desnaturalizado se hizo popular porque era barato, abundante y bueno para reducir el punto de congelación del agua.

A veces también se utilizaba glicerol como anticongelante, pero no siempre estaba disponible. En algunas partes de Estados Unidos se probaron cloruro de calcio y otras soluciones salinas como refrigerantes de motores, pero eran demasiado corrosivos.

También se probaron miel, soluciones de azúcar e incluso queroseno y otros aceites de hidrocarburos, pero ninguno de ellos llegó a utilizarse ampliamente. El etanodiol surgió como un buen agente anticongelante en la década de 1920, pero al principio no se utilizó ampliamente porque no siempre estuvo disponible.

Antes de la Segunda Guerra Mundial (1940), los principales agentes anticongelantes disponibles eran el etanol, el metanol sintético y el etilenglicol. Estos tres agentes representaron el 90% del consumo de anticongelante en Estados Unidos.

El otro 10% estaba compuesto por metanol, glicerol y 2-propanol, subproductos de la madera. La elección del agente anticongelante se basó en la disponibilidad más que en el costo o el rendimiento.

Después de la Segunda Guerra Mundial (1945), el número de automóviles en Estados Unidos y Europa Occidental aumentó, al igual que la demanda de anticongelante. Los refrigerantes a base de metanol y etanodiol dominaron el mercado durante este tiempo.

Los refrigerantes a base de metanol alcanzaron su consumo máximo a principios de los años cincuenta. Los fabricantes de automóviles comenzaron a poner etanodiol en los autos nuevos y, a principios de la década de 1970, era el único agente anticongelante utilizado en los autos nuevos. Todo el mercado de refrigerantes de repuesto para motores de automóviles también pasó al etilenglicol.

En 1960, el etanodiol había captado más del 80% de la cuota de mercado. Los refrigerantes a base de metanol todavía se usaban en algunos motores estacionarios y vehículos más antiguos, pero se estaban volviendo menos populares.

La razón principal por la que los refrigerantes a base de metanol fueron reemplazados por etanodiol en los automóviles fue que el etanodiol permitía temperaturas de funcionamiento del refrigerante más altas. Esto fue importante para una calefacción eficiente en el interior de los vehículos durante el clima frío y también resultó en mejoras menores en la eficiencia del combustible de los vehículos.

El 1,2-propanodiol, comúnmente conocido como propilenglicol, se utiliza como fluido de transferencia de calor en sistemas donde la toxicidad del anticongelante es motivo de preocupación. Los ejemplos incluyen algunos colectores activos de energía solar, sistemas de enfriamiento para motores que utilizan fuentes de agua potable y sistemas de congelación y refrigeración para alimentos y productos lácteos.

El 1,2-propanodiol también se utiliza como anticongelante para automóviles en algunos países europeos (por ejemplo, Suiza) porque es menos dañino para los seres humanos, especialmente los niños, si se ingiere accidentalmente.

El 1-metoxi-2-propanol también se ha utilizado como agente anticongelante, principalmente en sistemas de refrigeración ebullición y motores diésel de servicio pesado. El 1-metoxi-2-propanol y el agua forman un azeótropo que proporciona protección contra la congelación en la fase de vapor en aplicaciones de enfriamiento ebullente.

Los materiales anticongelantes a base de 1-metoxi-2-propanol se utilizan en motores diésel de servicio pesado y otros motores industriales donde las fugas de refrigerante hacia el cárter son un problema.

Debido a que el etanodiol tiene una baja volatilidad, tiende a permanecer en el cárter, lo que puede provocar la formación de lodos y barnices y un desgaste acelerado de los cojinetes. Por el contrario, el 1-metoxi-2-propanol es más volátil y se expulsa fácilmente, junto con el vapor de agua, a través del sistema de ventilación del cárter.

El 1-metoxi-2-propanol también mantiene temperaturas del metal más bajas en comparación con los refrigerantes a base de glicol, lo que resultaba ventajoso en los motores rotativos. Sin embargo, con el declive de los motores rotativos, esta ventaja se ha vuelto menos significativa en el mercado.

2. Propiedades físicas del anticongelante

Las mezclas de anticongelante y agua se congelan y hierven de manera diferente que el agua pura o el anticongelante puro. Cuando estas mezclas se congelan, el agua cristaliza primero, lo que hace que el líquido restante esté más concentrado en anticongelante y baje su punto de congelación. Esto da como resultado una mezcla fangosa que puede soportar temperaturas más frías que el agua pura o el anticongelante puro.

Tabla 1: Propiedades físicas del agua y varios compuestos anticongelantes

Propiedades físicas del agua y varios compuestos anticongelantes
Propiedad Agua Metanol 1,2-Etanodiol 1,2-Propanodiol 1-Metoxi-2-propanol
Masa molar (g/mol) 18.02 32.04 62,07 76,09 90.1
Densidad (g/cm3) 0,998 0,792 1.113 1.036 0,923
Punto de ebullición (0,1013 MPa), °C 100.0 64,7 197,5 187,4 120.1
Punto de congelación, °C 0 -97,6 -12,6 -43,5 -96
Calor específico (20 °C), J g-1 K-1 4.17 2.495 2.357 2.481 2.426
Punto de inflamación (copa abierta), °C - 12 117 102 38
Viscosidad (20 °C), mPa·s 1.0 0,57 20.1 56,2 1,81

Es fácil calcular la depresión del punto de congelación de mezclas de agua y anticongelante que no están muy concentradas, pero es más difícil calcular la depresión del punto de congelación de mezclas de agua y anticongelante que sí lo están.

Para estimar el punto de congelación de una mezcla concentrada de anticongelante y agua, puede utilizar datos de mezclas de agua y anticongelante que no tengan inhibidores de corrosión. Sin embargo, para obtener el punto de congelación más preciso, conviene realizar una medición práctica. El método de prueba estándar ASTM D 1177 proporciona un método conveniente para hacer esto.

Los materiales anticongelantes también afectan el punto de ebullición del agua. Todos los materiales anticongelantes, excepto el metanol, elevan el punto de ebullición de la mezcla por encima del punto de ebullición de 100 °C del agua pura.

La Tabla 2 muestra los puntos de ebullición de varias mezclas de anticongelante y agua que no tienen inhibidores de corrosión.

Tabla 2. Puntos de ebullición, °C, de mezclas de agua y diversos anticongelantes no inhibidos (a 101,3 kPa)

Tabla 2: Puntos de ebullición, °C, de mezclas de agua y varios anticongelantes no inhibidos (a 101,3 kPa)

Anticongelante 10% 20% 30% 40% 50% 60%
Metanol 91,7 86 82 79 76,5 74
Etanodiol 101 102 103 104,5 107 110
1,2-Propanodiol 101 101,5 102 102,5 104,5 107
1-Metoxi-2-propanol 100 100,5 101 102 102,5 103

El metanol es el único anticongelante de la tabla que reduce el punto de ebullición de la mezcla por debajo del del agua. Debido a que los inhibidores de corrosión también aumentan el punto de ebullición del agua, se debe utilizar el método de prueba estándar ASTM D 1120 para determinar el punto de ebullición preciso de una mezcla específica.

3. Inhibidores de corrosión en anticongelantes

El anticongelante es esencial para proteger los componentes del motor y los sistemas de refrigeración y calefacción de la corrosión. Sin embargo, las soluciones de agua anticongelante pueden ser más corrosivas que el agua sola. Por lo tanto, se agregan inhibidores de corrosión a las formulaciones anticongelantes. Estos inhibidores previenen la corrosión y la oxidación del etilenglicol en derivados corrosivos.

La corrosividad de las soluciones de agua anticongelante está influenciada por el tipo de base anticongelante, los metales utilizados en el sistema, la naturaleza de las superficies de rechazo de calor, las temperaturas de funcionamiento del sistema de enfriamiento y la calidad del agua utilizada. Los aniones de ácidos fuertes, como el cloruro o el sulfato, pueden aumentar la corrosividad de la solución.

En los Estados Unidos, las formulaciones de inhibidores de refrigerantes generalmente se desarrollan sin tener en cuenta específicamente la calidad del agua. Esto permite el uso de una amplia gama de materiales inorgánicos, como el ortofosfato, que de otro modo no se podrían utilizar.

Las formulaciones de baja corrosividad se logran combinando etanodiol con inhibidores de varios grupos, incluidos fosfatos, benzoatos, sebacatos, boratos, nitratos, nitritos, silicatos, molibdatos y compuestos orgánicos como aminas, benzotiazoles, benzotriazoles o imidazoles.

Las cantidades específicas de estos inhibidores se determinan en función de la experiencia del formulador para garantizar el nivel deseado de protección contra la corrosión.

Por ejemplo, la especificación GM 6038-M de General Motors (en la Tabla 3) contiene los inhibidores típicos que se encuentran comúnmente en la mayoría de los anticongelantes producidos en los Estados Unidos.

Tabla 3: Especificaciones de composición de anticongelante, General Motors

Tabla 3: Especificaciones de composición de anticongelante, General Motors
Composición GM 6038-M (piezas por peso) GM 6043-M (%) en peso
Etilenglicol 1115.5 95,5
NaNO3 2.5 0,1
Na2B4O7 · 5 H2O 11.5 0,4
Na2SiO3 · 5 H2O 1.9
Silicato de sodio líquido 0,3
Na2MoO4 · 2 H2O 0,2
Na3PO4 · 12 H2O 5.0
H3PO4 (solución al 85 % en peso) 0,15
NaOH 2.25 0,235
2-mercaptobenzotiazol sódico (solución al 50 % en peso) 6.5 0,5
Toliltriazol sódico (solución al 50 % en peso) 0,2
Antiespumante 0,5 0,05
Teñido 0,05 0,005
Agua 2.3
Antigel de silicato 0,06

Tanto en Europa como en Estados Unidos, algunos fabricantes de automóviles restringen el uso de materiales que podrían reaccionar para formar compuestos cancerígenos, como combinaciones de aminas o nitritos.

En Europa, la compatibilidad del refrigerante con el agua dura local es una consideración importante. Es posible que algunos materiales, como el ortofosfato y, en algunas áreas, el silicato, no cumplan con este criterio.

Como alternativa al ortofosfato, a veces se utiliza el benzoato. Las sales de amina solo se utilizan en aplicaciones específicas donde las especificaciones no se han actualizado para incorporar formulaciones mejoradas.

En Japón, los anticongelantes inhibidos son similares a los que se usan en los Estados Unidos, utilizándose frecuentemente trietanolamina (tris(2-hidroxietil)amina) como base neutralizante.

4. Producción de anticongelante

El anticongelante es una mezcla de fluidos que reduce el punto de congelación del agua. El ingrediente principal del anticongelante es el etilenglicol, que constituye más del 94% del producto en peso. Otros ingredientes incluyen antioxidantes, agua y pequeñas cantidades de aditivos para evitar la formación de espuma y dar color.

El anticongelante se elabora en un proceso por lotes utilizando un tanque con agitador. Algunos tanques también tienen serpentines calefactores para ayudar a disolver los aditivos. El tanque suele estar hecho de acero dulce o resina reforzada con fibra de vidrio, ya que los tanques revestidos de caucho no son compatibles con el etanodiol.

Los fabricantes de anticongelante pueden tener o no sus propias instalaciones de mezcla. En muchos casos, las instalaciones regionales ofrecen servicios de mezcla y envasado bajo contrato, lo que resulta más rentable para la distribución.

5. Usos del anticongelante

El anticongelante se utiliza principalmente para proteger los sistemas de refrigeración de los vehículos contra la congelación y la corrosión. También se utiliza en los sistemas de refrigeración de motores estacionarios utilizados en ductos de petróleo y gas natural, así como en otros sistemas industriales que necesitan protección contra la congelación y la corrosión en sus sistemas de refrigeración y calefacción.

Se utiliza anticongelante porque reduce el punto de congelación del agua y aumenta su punto de ebullición. Esto ayuda a evitar que los equipos calentados o refrigerados por líquido se dañen cuando funcionan en entornos fríos o calientes.

Al elegir un anticongelante, es importante considerar los siguientes factores:

  1. Capacidad de transporte de calor del fluido.
  2. Viscosidad del fluido
  3. Materiales utilizados en la metalurgia del sistema.
  4. Componentes no metálicos dentro del sistema.
  5. Características de inflamabilidad del fluido.
  6. Perfil de toxicidad del fluido.
  7. Otras consideraciones operativas únicas

A continuación se muestran algunos ejemplos específicos de sistemas industriales que utilizan anticongelante:

  • Equipos de procesamiento de alimentos
  • Equipos de fabricación farmacéutica.
  • Equipos de procesamiento químico
  • Equipos de generación de energía.
  • Sistemas de refrigeración y aire acondicionado.
  • Sistemas de calefacción
  • Sistemas de energía solar
  • Turbinas de viento
  • Aeronave
  • Buques

6. Toxicidad del anticongelante

La toxicidad del anticongelante es motivo de preocupación porque se utiliza ampliamente en muchas aplicaciones diferentes. La toxicidad del anticongelante depende de su composición base y de los aditivos que se hayan agregado. Por ejemplo, los compuestos de arsénico alguna vez se usaron como anticorrosivos en anticongelantes, lo que los hacía muy tóxicos.

El anticongelante a base de etilenglicol es el tipo más común de anticongelante. Es relativamente no tóxico cuando se manipula externamente, pero puede ser muy tóxico si se ingiere. La dosis letal de etilenglicol para adultos es de unos 100 ml.

La inhalación de vapores de etilenglicol también puede ser peligrosa, pero esto no es una preocupación importante a temperaturas ambiente normales.

El anticongelante a base de propilenglicol es mucho menos tóxico que el anticongelante a base de etilenglicol. La dosis letal de propilenglicol para adultos es superior a 1 litro. El propilenglicol tampoco irrita la piel ni los ojos, y la inhalación de sus vapores no parece tener ningún efecto tóxico.

A continuación se ofrecen algunos consejos para manipular el anticongelante de forma segura:

  • Use guantes de goma cuando manipule anticongelante o soluciones anticongelantes.
  • Use gafas de seguridad, protectores faciales, ropa protectora y equipo respiratorio de uso general cuando trabaje con anticongelante.
  • Evite ingerir anticongelante. Si ingiere accidentalmente anticongelante, busque atención médica de inmediato.
  • Evite inhalar nieblas o vapores de etilenglicol caliente.

Referencia