Reciprocating compressor lubrication

2.4.1 - Gas Solubility in Lubricants 
The topic of gas solubility in liquids was of great interest to early chemists in the 1800s. As 
such, many measurements were taken with various instruments to determine the amount of gas 
dissolved in certain solvents but the range of measurement techniques unfortunately ended in 
many different systems for denoting the solubility as discussed in (Markham & Kobe, 1941) , 
(Battino & Clever, 1966), and (Battino R. , 1984). ASTM standard D2779 addresses these 
issues by providing conversions between the many different types of solubility definitions 
including H
enry’s Law
constants, Ostwald Coefficients, and Bunsen Coefficients. ASTM 
standard D2779 also provides estimates of the solubility of gases in petroleum liquids with a 
density around 0.85g/mL and ASTM standard D3827 provides solubility estimates of gases in 
petroleum. Both standards 
note that “
gas solubility is of extreme importance in the lubrication of 
gas compressors
”
(ASTM International, 2020). These standards do not cover all gases that may 
be found in natural gas but do include methane, hydrogen sulfide, carbon dioxide, nitrogen, and 
hydrogen. These calculations allow for predictions of gas solubility in lubricants at the elevated 
temperatures and pressures seen in natural gas compressors. However, one must be wary of 
the assumptions used in these calculations 
–
namely the use of Henry’s Law at elevated 
pressures where the gas solubility may not be linearly dependent on the partial pressure of the 
gas. An additional limitation is that both standards focus on hydrocarbon-based lubricants and 
thus may not provide accurate solubility estimates for polyolester (POE), polyalphaolefin (PAO), 
or polyalkylene glycol (PAG) lubricants.
Given the potential for errors in extrapolating these calculations to higher pressures or different 
gas-lubricant combinations, a literature review of experimental solubility data was conducted for 

---

45 
systems of natural gas components in lubricant solvents. The previous research can be broadly 
categorized into two groups: oilfield and refrigeration. Beginning with oilfield applications, the 
determination of the solubility of gases in liquids is important for processes such as enhanced 
oil recovery 
(EOR), drilling rig “gas kick”, and 
developing equations of state (EOS) to describe 
crude mixtures. Articles focusing on EOR were not evaluated in this paper as they typically 
focus more on carbon dioxide and nitrogen solubility in crude and these gases are minority mole 
components in natural gas. Table 6 documents studies from the oilfield that provide data 
relevant to this thesis.
Looking at the sources listed in Table 6, it is evident that extensive research on the solubility of 
gases in a range of hydrocarbon liquids was conducted in the 1930s. Though many of these 
sources give a great starting point for examining solubility values, they often use archaic 
solvents including “gas oil”, “crystal oil”, and “spray oils”. Additionally, the compositions of these 
solvents are not stated and, in one case, even the composition of the “dry natural gas” was not 
stated (Lacey, Sage, & Kircher, Jr., 1934). The last four studies listed in Table 6 are more 
recent investigations that provide the compositions of both the gases and lubricants used in 
their experiments. 
 

---

46 
Table 6: Table of relevant studies on the solubility of gases in lubricants from the oil and gas industry