Estado de Agregación:
S ólidos: Se encuentran en tal estado en la naturaleza o una vez transformados. Por ejemplo, la madera, el carbón.. uidos: Cualquier líquido que pueda ser usado como Líq uido combustible y que pueda ser vertido y bombeado. Gaseosos: Se encuentran en estado gaseoso. Se incluye el gas natural y todas sus variedades. También el gas de carbón, de petróleo, de altos hornos, gas ciudad y diversas mezclas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES: Combustible
se caracteriza por su poder calorífico, es el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa de combustible. combustible. E ste calor o poder calorífico, también llamado capacidad calorífica, se mide en julio, caloría o BTU, dependiendo del sistema de unidades.
Combustible
MJ/kg kcal/kg
Gas natural
53,6
12 800
Acetileno
48,55
11
Propano Gasolina Butano
46,0
11 000
Gasoil
42,7
10
Fueloil
40,2
9 600
34,7
8 300
32,6
7 800
Gas de alumbrado 29,3
7 000
Alcohol de 95º
2,2 8
6 740
Lignito
20,0
4 800
Turba
19,7
4 700
Antracita Coque
600
200
Estado de Agregación:
S ólidos: Se encuentran en tal estado en la naturaleza o una vez transformados. Por ejemplo, la madera, el carbón.. uidos: Cualquier líquido que pueda ser usado como Líq uido combustible y que pueda ser vertido y bombeado. Gaseosos: Se encuentran en estado gaseoso. Se incluye el gas natural y todas sus variedades. También el gas de carbón, de petróleo, de altos hornos, gas ciudad y diversas mezclas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES: Combustible
se caracteriza por su poder calorífico, es el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa de combustible. combustible. E ste calor o poder calorífico, también llamado capacidad calorífica, se mide en julio, caloría o BTU, dependiendo del sistema de unidades.
Combustible
MJ/kg kcal/kg
Gas natural
53,6
12 800
Acetileno
48,55
11
Propano Gasolina Butano
46,0
11 000
Gasoil
42,7
10
Fueloil
40,2
9 600
34,7
8 300
32,6
7 800
Gas de alumbrado 29,3
7 000
Alcohol de 95º
2,2 8
6 740
Lignito
20,0
4 800
Turba
19,7
4 700
Antracita Coque
600
200
abla T abla
Hulla
16,7
4 000
Hulla
17,7
4 000
de poderes caloríficos de sustancias combustibles
Grafica Consumo mundial de energ í ía por el tipo de combu stible
COMBUSTIBLES FOSILES: La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles. Los combustibles fósiles son recursos no renovables. Los combustibles fósiles son tres: 1.
Petróleo, 2. Carbón 3. Gas natural.
uido oleoso compuesto de carbono e hidr ógeno EL P ETRÓLE ETRÓLE O es un l íq íq uido en di stintas proporciones . Es una sustancia oleosa de color muy oscuro compuesta de hidrógeno y carbono, y se lo llama hidrocarburo. Puede hallarse en estado líquido o en estado gaseoso. En estado líquido es llamado aceite aceite "crudo", y en estado gaseoso, gas natural. Su origen es de tipo orgánico y sedimentario. Se formó como resultado de un complejo proceso físico-químico en el interior de la tierra, que, debido a la presión y las altas temperaturas, se van descomponiendo las materias orgánicas que estaban formadas especialmente por fitoplancton y el zooplancton marinos, así como como por materia vegetal y animal, que se fueron depositando en el pasado en lechos de los grandes lagos, mares y océanos. A esto se unieron rocas y mantos mantos de sedimentos. A través del tiempo se transformó esta sedimentación en petróleo y gas natural. En 1852, el físico y geólogo canadiense Abraham Gessner logró una patente patente para conseguir conseguir del petróleo petróleo crudo un combustible para lámparas, el queroseno. En 1955, el químico estadounidense Benjamín Silliman hizo una
publicación sobre los derivados útiles que se podían obten er de la destilación del petróleo. La industria petrolera comienza en 1859, cuando Edwin L. Drake perforó el primer pozo para extraer petróleo, con la finalidad de obtener abundante kerosene para la iluminación. En Rusia Rusia se perforaron los primeros pozos e ntre 1806 y 1819. En Canadá y en Alemania comenzaron las perforaciones en 1857. Se lo comercializó por primera vez en 1850, cuando Samuel Kier, un boticario de Pittsburg, Pennsylvania (EE.UU.), lo vendía con el nombre de "aceite de roca" o "petróleo". Más adelante comenzó a explotarse la industria del petróleo, que fue avanzando cada vez más hasta convertirse en elemento esencial para el desarrollo industrial y económico actual. El de mejor calidad es el llamado "liviano". Los principales productores son el Reino Unido, Noruega, México, Rusia y Estados Unidos, que es el mayor consumidor. Los países árabes tienen una gran reserva petrolífera, que está en la mira de los países "desarrollados". El petróleo constituye una de los más importantes materias primas que se negocian, con precios regulados internacionalmente. Se encuentra en el subsuelo de ciertas zonas de la tierra, a diferentes profundidades. La perforación se realiza con equipos integrados por: Torre de perforación o taladro Tubería o "sarta" de perforación Brocas que perforan el subsuelo Malacate Sistema de lodos que bombea, inyecta y saca a la superficie el material sólido de la perforación. Sistema de cementación. Fuerza motriz para perforar El petróleo posee una gran variedad de compuestos, que hacen que se realicen más de 2.000 productos. El petróleo se puede clasificar en parafínico, nafténico, asfáltico o mixto y aromático. Los derivados son combustibles y petroquímicos, como polietilen o. Se citan, entre otros: Gasolina Kerosene Gas Oil Gas propano
Bencina Fuel Oil Disolventes Asfalto Polietileno Alquitrán Ceras Parafinas Naftas Gas natural Benceno Estos combustibles causan contaminación por la producción, por el transporte y por el uso, y se ha alertado sobre los peligros de la lluvia ácida, el efecto invernadero y los vertidos en los mares u océanos.
Origen: El petróleo se origina de una materia prima formada principalmente por detritos de organismos vivos acuáticos, vegetales y animales, que vivían en los mares, las lagunas o las desembocaduras de los ríos, o en las cercanías del mar. Se encuentra únicamente en los medios de origen sedimentario. La materia orgánica se deposita y se va cubriendo por sedimentos; al quedar cada vez a mayor profundidad, se transforma en hidrocarburos, proceso que, según las recientes teorías, es una degradación producida por bacterias aerobias primero y anaerobias después. Estas reacciones desprenden oxígeno, nitrógeno y azufre , que forman parte de los compuestos volátiles de los hidrocarburos. A medida que los sedimentos se hacen compactos por efectos de la presión, se forma la "roca madre". Posteriormente, por fenómenos de "migración", el petróleo pasa a impregnar arenas o rocas más porosas y más permeables (areniscas, calizas fisuradas, dolomías), llamadas "rocas almacén", y en las cuales el petróleo se concentra y permanece en ellas si encuentra alguna trampa que impida la migración hasta la superficie donde se oxida y volatiliza, perdiendo todo interés como fuente de energía.
PRODUCCIÓN DEL PETRÓLEO. El petróleo se encuentra por debajo de la superficie de la tierra, y se ubica mediante la Exploración, incluyendo la perforación de pozos exploratorios que confirman si hay o no hay petróleo en un lugar. Luego, el pozo exploratorio sirve de p rimer pozo
de producción, luego de hacerle varios arreglos para que pueda producir petróleo durante muchos años, sin contaminar el agua y subsuelo, y de acuerdo con las autorizaciones que correspondan. En algunos casos, hay suficiente presión interna como para que el petróleo salga solo del yacimiento. En otros casos, hay que utilizar una bomba para sacarlo.
La Extracción del Petroleo:
Proceso de extracción del petróleo. Una vez elegida el área con mayor posibilidad, se realiza la perforación en el yacimiento hasta llegar al mismo, a veces se llega a considerables profundidades como 6 000m. Se comienza por construir altas torres metálicas de sección cuadrada , con refuerzos transversales, de 40 m a 50 m de altura , para facilitar el manejo de los pesados equipos de perforación y el subsuelo se taladra con un trépano que cumple un doble movimiento: avance y rotación. Si la presión de los fluidos es suficiente , forzará la salida natural del petróleo a través del pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su tratamiento primario, donde se deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos
más volátiles. Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen por destilación mediante un proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes productos, entre otros: propano, butano, gasolina, keroseno, gasóleo, aceites lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc. está compuesto por más de 1 000 hidrocarburos , no se intenta la separación de cada uno de ellos. Es suficiente obtener fracciones, de composición y propiedades aproximadamente constantes, destilando entre dos temperaturas prefijadas, la operación requiere varias etapas. Como
El proceso de craqueo térmico, o pirólisis a presión , se desarrolló en un esfuerzo para aumentar el rendimiento de la destilación, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide las moléculas
grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de gasolina. En la alquilación, las moléculas pequeñas producidas por craqueo térmico se recombinan en presencia de un catalizador, esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores propiedades. La fabricación de estos productos ha dado origen a la gigantesca industria petroquímica , que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes y materias primas para fabricar medicinas, nylon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditi vos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes.
EL CICLO DEL PETRÓLEO.
A. Ex ploraci ón y pros pecci ón.
Esta tarea debe iniciarse por la búsqueda de una roca cuya formación se haya realizado en medio propicio, dicha roca debe ser lo suficientemente porosa para almacenar una cantidad rentable de líquido, el tercer requisito es la localización de las trampas que hayan permitido la concentración de petróleo en puntos determinados de ella. Los procedimiento de investigación se inician con el estudio de bibliografía y cartografía del sector, seguido luego por sondeos geológicos.
Entonces, para encontrar petróle o bajo tierra, los geólogos deben buscar una cuenca sedimentaria con esquistos ricos en materia orgánica que lleven enterrados el suficiente tiempo para que se haya formado petróleo (desde unas decenas de millones de años hasta
100
millones de años). Ademá s, el petróleo tiene que haber
ascendido hasta depósitos porosos capaces de contener grandes cantidades de líquido. La existencia de petróleo crudo en la corteza terrestre se ve limitada por estas condiciones, que deben cumplirse. Sin embargo, los geólogos y geofísicos especializados en petróleo disponen de numerosos medios para identificar zonas propicias para la perforación. Por ejemplo, la confección de mapas de superficie de los afloramientos de lechos sedimentarios permite interpretar las característic as geológicas del subsuelo, y esta información puede verse complementada por datos
obtenidos perforando la corteza y extrayendo testigos o muestras de las capas rocosas. Por otra parte, las técnicas de prospección sísmica ²que estudian de forma cada vez más precisa la reflexión y refracción de las ondas de sonido propagadas a través de la Tierra² revelan detalles de la estructura e interrelación de las distintas capas subterráneas. Pero, en último término, la única forma de demostrar la existencia de petróleo en el subsuelo es perforando un pozo. De hecho, casi todas las zonas petroleras del mundo fueron identificadas en un principio por la presencia de filtraciones superficiales, y la mayoría de los yacimientos fueron descubiertos por prospectores particulares que se basaban más en la intuición que en la ciencia.
Cami ón Vibrosei s Para determinar la estructura de las capas de roca subterráneas, este camión Vibroseis golpea el suelo con una gran plancha montada entre las ruedas. Los golpes producen vibraciones sísmicas de frecuencia determinada llamadas ondas de corte. Una red de medidores sísmicos denominados geófonos mide el tiempo de llegada de las ondas.
Un campo petrolero puede incluir más de un yacimiento, es decir, más de una única acumulación continua y delimitada de petróleo. De hecho, puede haber varios depósitos apilados uno encima de otro, aislados por capas intermedias de esquistos y rocas impermeables. El tamaño de esos depósitos varía desde unas
pocas decenas de hectáreas hasta decenas de kilómetros cuadrados, y su espesor va desde unos pocos metros hasta varios cientos o incluso más. La mayoría del petróleo descubierto y explotado en el mundo se encuentra en unos pocos yacimientos grandes.
B. Perforaci ón. Los pozos petrolíferos son perforados por rotación de una herramienta llamada "trépano" que se asemeja a una gran broca, este método ha reemplazado casi completamente al de percusión. En las explotaciones submarinas el método de perforación es el mismo pero éste se instala en grandes barcazas o en plataformas si los fondos no son muy profundos. En cualquier caso aunque es un proceso muy costoso, éste se ve enormemente encarecido cuando la explotación es en el mar. Una vez la cabeza de perforación ha llegado al yacimien-to, ésta se sustituye por una serie de tuberías cuyo conjunto se denomina "árbol de navidad";
dicho sistema está provisto de com -
Planta de Ex tracci ón
del Petr óleo puertas y válvulas que regulan el caudal de extracción. Una vez arriba se separa el petróleo del gas -el cual es quemado casi siempre, pues no suele alcanzar grandes cantidades-. Si la presión del yacimiento es suficiente no hay ningún problema para hacerlo llegar a la superficie, en caso contrario se recurre al uso de proyectiles o ácidos y en los caso más difíciles a las bombas aspirantes; en estos casos no es rentable la recuperación de más de la mitad del yacimiento por lo que queda sin aprovechar en los yacimiento abandonados.
B.1. Perforación en la Producción primaria . La mayoría de los pozos petroleros se perforan con el método rotatorio. En este tipo de perforación rotatoria, una torre sostiene la cadena de perforación, formada por una serie de tubos acoplados. La cadena se hace girar uniéndola al banco giratorio situado en el suelo de la torre. La broca de perforación situada al
final de la cadena suele estar formada por tres ruedas cónicas con dientes de acero endurecido. La roca se lleva a la superfic ie por un sistema continuo de fluido circulante impulsado por una bomba. El crudo atrapado en un yacimiento se encuentra bajo presión; si no estuviera atrapado por rocas impermeables habría seguido ascendiendo debido a su flotabilidad hasta brotar en la superficie terrestre. Por ello, cuando se perfora un pozo que llega hasta una acumulación de petróleo a presión, el petróleo se expande hacia la zona de baja presión creada por el pozo en comunicación con la superficie terrestre. Sin embargo, a medida que e l pozo se llena de líquido aparece una presión contraria sobre el depósito, y pronto se detendría el flujo de líquido adicional hacia el pozo si no se dieran otras circunstancias. La mayoría de los petróleos contienen una cantidad significativa de gas natu ral en solución, que se mantiene disuelto debido a las altas presiones del depósito.
Cuando
el petróleo pasa a la
zona de baja presión del pozo, el gas deja de estar disuelto y empieza a expandirse. Esta expansión, junto con la dilución de la columna de pe tróleo por el gas, menos denso, hace que el petróleo aflore a la superficie.
T orre de perforaci ón de petr óleo La torre de perforación rotatoria emplea una serie de tuberías giratorias, la llamada cadena de perforación, para acceder a un yacimiento de petróleo. La cadena está sostenida por una torre, y el banco giratorio de la base la hace girar. Un fluido semejante al fango, impulsado por una bomba, retira los detritos de perforación a medida que el taladro penetra en la roca. Los yacimientos de petróleo se forman como resultado de una presión intensa sobre capas de organismos acuáticos y terrestres muertos, mezcla dos con arena o limo. El yacimiento mostrado está atrapado entre una capa de roca no porosa y un domo salinífero.
Como
no tienen espacio para expandirse, el gas y el petróleo crudo
están bajo una gran presión, y tienden a brotar de forma violenta por el ag ujero perforado.
A medida que se continúa retirando líquido del yacimiento, la presión del mismo va disminuyendo poco a poco, así como la cantidad de gas disuelto. Esto hace que la velocidad de flujo de líquido hacia el pozo se haga menor y se libere menos gas.
Cuando
el petróleo ya no llega a la superficie se hace necesario instalar
una bomba en el pozo para continuar extrayendo el crudo. Finalmente, la velocidad de flujo del petróleo se hace tan pequeña, y el coste de elevarlo hacia la superficie aumenta tanto, que el coste de funcionamiento del pozo es mayor que los ingresos que pueden obtenerse por la venta del crudo (una vez descontados los gastos de explotación, impuestos, seguros y rendimientos del capital). Esto significa que se ha alcanzado el l ímite económico del pozo, por lo que se abandona su explotación.
B.2. Recuperación mejorada de petróleo. En el apartado anterior se ha descrito el ciclo de producción primaria por expansión del gas disuelto, sin añadir ninguna energía al yacimiento salvo la requerida para elevar el líquido en los pozos de producción. Sin embargo, cuando la producción primaria se acerca a su límite económico es posible que sólo se haya
extraído un pequeño porcentaje del crudo almacenado, que en ningún caso supera el 25%. Por ello, la industria petrolera ha desarrollado sistemas para complementar esta producción primaria que uti liza fundamentalmente la energía natural del yacimiento. Los sistemas complementarios, conocidos como tecnología de recuperación mejorada de petróleo, pueden aumentar la recuperación de crudo, pero sólo con el coste adicional de suministrar energía externa al depósito.
Con
estos métodos se ha aumentado la recuperación de crudo hasta alcanzar una media global del
33%
del petróleo presente. En la actualidad se emplean dos
sistemas complementarios: la inyección de agua y la inyección de vapor. I nyecci ón de agua
En un campo petrolero explotado en su totalidad, los pozos pueden perforarse a una distancia de entre 5 0 y 500 metros, según la naturaleza del yacimiento. Si se bombea agua en uno de cada dos pozos, puede mantenerse o incluso incrementarse la presión del yacimiento en su conjunto.
Con
ello también
puede aumentarse el ritmo de producción de crudo; además, el agua desplaza físicamente al petróleo, por lo que aumenta la eficiencia de recuperación. En algunos depósitos con un alto grado de uniformidad y un b ajo contenido en arcilla o barro, la inundación con agua puede aumentar la eficiencia de recuperación hasta alcanzar el 60% o más del petróleo existente. La inyección de agua se introdujo por primera vez en los campos petroleros de Pensilvania a finales del siglo XIX, de forma más o menos accidental y desde entonces se ha extendido por todo el mundo. I nyecci ón de
vapor
La inyección de vapor se emplea en depósitos que contienen petróleos muy viscosos. El vapor no sólo desplaza el petróleo, sino que también reduce mucho la viscosidad (al aumentar la temperatura del yacimiento), con lo que el crudo fluye más deprisa a una presión dada. Este sistema se ha utilizado mucho en
California,
Estados Unidos, y Zulia, Venezuela, donde existen grandes depósitos de petró leo viscoso. También se están realizando experimentos para intentar demostrar la utilidad de esta tecnología para recuperar las grandes acumulaciones de petróleo
viscoso (bitumen) que existen a lo largo del río Athabasca, en la zona centro septentrional de Alberta, en
Canadá,
y del río Orinoco, en el este de Venezuela. Si
estas pruebas tienen éxito, la era del predominio del petróleo podría extenderse varias décadas.
B.3. Perforación Submarina.
Torre de perforación marina Esta plataforma petrolera semisumergida descansa sobre flotadores y está anclada al fondo. Los pozos marinos producen alrededor del 25% del petróleo extraído en todo el mundo.
Otro método para aumentar la producción de los campos petroleros ²y uno de los logros más impresionantes de la ingeniería en las últimas décadas ² es la construcción y empleo de equipos de perforación sobre el mar. Estos equipos de perforación se instalan, manejan y mantienen en una plataforma situada lejos de la costa, en aguas de una profundidad de hasta varios cientos de metros. La plataforma puede ser flotante o descansar sobre pilotes anclados en el fondo marino, y resiste a las olas, el viento y ²en las regiones árticas² los hielos. Al igual que en los equipos tradicionales, la torre es e n esencia un elemento para suspender y hacer girar el tubo de perforación, en cuyo extremo va situada la broca; a medida que ésta va penetrando en la corteza terrestre se van añadiendo tramos adicionales de tubo a la cadena de perforación. La fuerza necesa ria para penetrar en el suelo procede del propio peso del tubo de perforación. Para facilitar la eliminación de la roca perforada se hace circular constantemente lodo a través del tubo de perforación, que sale por toberas situadas en la broca y sube a la superficie a través del espacio situado entre el tubo y el pozo (el diámetro de la
broca es algo mayor que el del tubo).
Con
este método se han perforado con éxito
pozos con una profundidad de más de 6,4 km desde la superficie del mar. La perforación submarina ha llevado a la explotación de una importante reserva adicional de petróleo.
C. T rans porte. Normalmente los campos petrolíferos se encuentran en zonas muy alejadas de los lugares o centros de consumo, de modo que la conducción del petróleo hasta las refinerías exige inversiones considerables, tanto si se trata de oleoductos (pipe -lines), que van del pozo al puerto de destino más próximo, como de buques cisterna, cuyas dimensiones son cada vez mayores: actualmente se construyen superpetroleros de hasta un millón de toneladas de arqueo bruto. Los stocks necesarios para compensar las irregularidades de la navegación están constituidos por depósitos en los puertos de destino.
D. R efinaci ón.
Para obtener productos de características precisas y utilizar de la manera más rentable posible las diversas fracciones presentes en el petróleo necesario efectuar una serie de operaciones de tratamiento y transformación que, en conjunto, constituyen el proceso de refino o refinación de petróleos crudos.
Primeramente se realiza un análisis en laboratorio del petróleo a refinar -puesto que no todos los petróleos son iguales, ni de todos pueden extraerse las mismas sustancias-, a continuación se realizan una serie de refinaciones "piloto" donde se realizan a pequeña escala todas las operaciones de refino. Después de estudiar convenientemente los pasos a realizar, se inicia el proceso.
La
aci
f
amental es la estilaci n f acci nada continua, en la ue el
et leo es calentado a 3 01C e int oducido en unas columnas de latillos, donde se separan los productos li eros
los residuos. Esta operaci n sólo suministra productos
en ruto, ue deberán ser me jorados para su comerciali ación.
Ref i er ía etról eo
e
Las refiner ías de petróleo f uncionan oras al día para conver tir crudo en der ivados tiles. El petróleo se separa en var ias f racciones empleadas para dif erentes fines. Al unas f racciones tienen ue someterse a tratamientos t rmicos uímicos para conver tir las en productos finales como asolina o rasas.
Refinado del petróleo La primera etapa en el refinado del petróleo crudo consiste en separarlo en partes, o fracciones, según la masa molecular. El crudo se calienta en una caldera y se hace pasar a la columna de fraccionamiento, en la que la temperatura disminuye con la altura . Las fracciones con mayor masa molecular (empleadas para producir por ejemplo aceites lubricantes y ceras) sólo pueden existir como vapor en la parte inferior de la columna, donde se extraen. Las fracciones más ligeras (que darán lugar por ejemplo a combu stible para aviones y gasolina) suben más arriba y son extraídas allí. Todas las fracciones se someten a complejos tratamientos posteriores para convertirlas en los productos finales deseados.
D.1. Proceso de la R efinaci ón
A. Destilaci ón Bá sica La herramienta básica de refinado es la unidad de destilación. El petróleo crudo empieza a vaporizarse a una temperatura algo menor que la necesaria para hervir el agua. Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno. En las antiguas destilerías, el residuo que quedaba en la caldera se trataba con ácido sulfúrico y a continuación se destilaba con vapor de agua. Las zonas superiores del aparato de destilación proporcionaban lubricantes y aceites pesados, mientras que las zonas inferiores suministraban ceras y asfalto. A finales del siglo XIX, las fracciones de gasolina y nafta se consideraban un estorbo porque no existía una gran necesidad de las mismas; la demanda de queroseno también comenzó a disminuir al crecer la producción de electricidad y el empleo de lu z eléctrica. Sin embargo, la introducción del automóvil hizo que se disparara la demanda de gasolina, con el consiguiente aumento de la necesidad de crudo.
B. Craq ueo térmico
El proceso de craqueo térmico, o pirólisis a presión, se desarrolló en un esfuerzo para aumentar el rendimiento de la destilación. En este proceso, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide (craquea) las moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de gasolina ²compuesta por este tipo de moléculas² producida a partir de un barril de crudo. No obstante, la eficiencia del proceso era limitada, porque debido a las elevadas temperaturas y presiones se depositaba una gran cantidad de coque (combustible sólido y poroso) en los reactores. Esto, a su vez, exigía emplear temperaturas y presiones aún más altas para craquear el crudo. Más tarde se inventó un proceso de coquefacción en el que se recirculaban los fluidos; el proceso funcionaba durante
un tiempo mucho mayor con una
acumulación de coque bastante menor. Muchos refinadores adoptaron este proceso de pirólisis a presión.
C. Al q uilaci ón y craq ueo catal í tico.
En la década de
1930
se introdujeron otros dos procesos básicos, la
alquilación y el craqueo catalítico, que aumentaron adicionalmente la gasolina producida a partir de un barril de crudo. En la alquilación, las moléculas pequeñas producidas por craqueo térmico se recombinan en presencia de un catalizador. Esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores propiedades (por ejemplo, mayores índices de octano) como combustible de motores de alta potencia, como los empleados en los aviones comerciales actuales. En el proceso de craqueo catalítico, el crudo se divide (craquea) en presencia de un catalizador finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante alquilación, isomerización o reformación catalítica para fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados. La fabricación de estos productos ha dado origen a la gigantesca industria petroquímica, que produce
alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes y materias primas para fabricar medicinas, nylon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes.
D.2.Porcentajes de los di stintos productos . En 1920, un barril de crudo, que contiene
159
litros, producía 41,5 litros de
gasolina, 20 litros de queroseno, 77 litros de gasoil y destilados y 2 0 litros de destilados más pesados. 11,5
Hoy,
un barril de crudo produce 79,5 litros de gasolina,
litros de combustible para reactores, 34 litros de gasoil y destilados, 15 litros de
lubricantes y 11,5 litros de residuos más pesados.
E. Di stribuci ón y comercio. Los productos derivados del petróleo alimentan no sólo a otras industrias, sino, sobre todo a los consumidores industriales o privados (butano, fuel -oil para calefacciones, aceites para motores, gasolina y gasóleo, etc.). Las operaciones de almacenamiento, venta y reparto requieren, pues, una potente organización técnica y comercial. Al principio resultaba más económico situar las refinerías junto a las explotaciones petrolíferas, mientras que ahora, los progresos realizados en la técnica de los oleoductos han dado lugar a una evolución que conduce a instalar las refinerías cerca de los grandes centros de consumo.
Composición del petróleo La composición elemental del petróleo normalmente está comprendida dentro de los siguientes intervalos: Elemento
Peso(%)
Carbono
84
- 87
Hidrógeno
11
- 14
Azufre Nitrógeno
0
-2
0.2
Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamientocomo combustibles, lubricantes, ceras o solventes. Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno, constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman las olefinas; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos
presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos.
Además hay hidrocarburos con presencia de azufre,nitrógenoyoxígeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los
asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes por otras cada vez menores para constituir un todo semicontínuo.
Componentes del petróleo, deno minación química y productos (comprende sólo hidrocarburos simples a presión atmosférica )
Denominación
química Estado Normal
Punto aproximado ebullición
Metano
CH4
Gaseoso
-161ºC (-258ºF)
Gas natural combustible/
Etano
C2H6
Gaseoso
-88ºC (-127ºC)
Productos petroquímicos
Propano
C3H8
Gaseoso
-42º C (-51ºF)
GLP/Productos
Butano
C4H10
Gaseoso
0ºC (31ºF)
Petroquímicos
Pentano
C5H12
Líquido
36ºC
Naftas de
Hexano
C6H14
Líquido
69ºC (156ºF)
Alto grado
Heptano
C7H16
Líquido
98ºC (209ºF)
Gasolina natural
Octano
C8H18
Líquido
125ºC
(sustancia base para combustibles
Nonano
C9H20
Líquido
150ºC (303ºF)
Para de
Decano
C10H22
Líquido
174ºC (345ºF)
Combustión
(97ºF)
(258ºF)
Productos de empleo primario
motores
interna, Undecano-N, Hendecano
CnH2n
Líquido
195ºC (383ºF)
turbinas)
Dodecano-N, Diexilo
CnH2n
Líquido
215ºC (419ºF)
Kerosene
Tetradecano-N
CnH2n
Líquido
252ºC (487ºF)
Aceites
lubr icantes Eicosano-N
CnH2n
Sólido
Parafinas
Para la clasificación de los idrocarburos, en base a su composición, abitualmente es utili ado el diagrama tr iangular de issot Welte 1 8 .
ig. -
iagrama tr iangular de issot
Ti
Welte
l
Son miles los compuestos uímicos ue constituyen el petróleo, y, entre muchas otras propiedades, estos compuestos se dif erencian por su volatilidad dependiendo de la temperatura de ebullición). Al calentarse el petróleo, se evaporan pref erentemente los compuestos ligeros de estructura uímica sencilla y ba jo peso molecular), de tal manera ue conf orme aumenta la temperatura, los componentes más pesados van incorporándose al vapor . Las curvas de destilación TBP del ingl s"trueboilingpoint", temperatura de ebullición real) distinguen a los dif erentes tipos de petróleo y definen los rendimientos ue se pueden obtener de los productos por separación directa. La industr iamundial de hidrocarburos lí uidos clasifica el petróleo de acuerdo a su densidad API parámetro internacional del Instituto Amer icano del Petróleo, ue dif erencia las calidades del crudo).
i E trapesado
i ( / m ) >1.0
i PI 10.0
Pesado
ediano
1.0 - 0. 2
10.0 - 22.3
0. 2 - 0.8
22.3 - 31.1
Ligero
0.8 - 0.83 31.1 - 3
Super ligero
< 0.83
T IP
>3
S DE T RAN S P R TE DE P E TR ÓLEO
El petróleo crudo se transpor ta por oleoducto o buque tanque a la refiner ía, para transf ormar lo en productos que, a su vez, pasan a los centros de distr ibución o a los consumidores finales. En tierra o para cor tas distancias en el mar se utilizan los oleoductos. Estos demandan enormes inversiones de capital para su construcción; pero los costos de mano de obra y mantenimiento son relativamente ba jos. La inversión de capital en un buque petrolero es inf er ior ; sin embargo, los costos de explotación mano de obra, combustible y mantenimiento) son altos. Los buques tanque son indispensables para el transpor te mar ítimo a grandes distancias y los petroleros modernos están diseñados para que operen con flexibilidad y eficiencia, de acuerdo con las más altas normas t cnicas y de segur idad. BUQUES TANQUES
En los albores de la industr ia, el petróleo crudo generalmente se refinaba cerca del lugar de producción. A medida que aumentaba la demanda de una var iedad de
productos, sin embargo, se hizo más conveniente transportar el petróleo crudo a refinerías situadas en los países consumidores. Al principio el hidrocarburo era transportado en barriles de madera en buques cargueros (de aquí que la unid ad de medida sea el "barril", que equivale a 35 galones imperiales o 159 litros). Después Marcos Samuel, el fundador de Shell Transport and Trading, adoptó la idea de construir buques que eran, en realidad, tanques flotantes. Así nacieron los buques petroleros. La principal característica del diseño de un buque petrolero es la división del espacio de transporte de la mercancía en cisternas separadas, con lo cual pueden segregarse diferentes tipos de petróleo o sus productos y se evita el excesivo movimiento de la carga durante las travesías. Las máquinas, los camarotes y el puente de mando generalmente se encuentran en la popa. De esta manera las máquinas y el alojamiento de la tripulación quedan alejados de la carga inflamable. Los petroleros modernos son eficientes y adaptables, pueden transportar diversas clases de petróleo crudo o productos, tales como el fuel oil, gasoil, combustibles para turbinas o aceites lubricantes. El petróleo crudo a menudo viaja a lugares distantes en grandes buques tanque - los mayores pueden llevar 4 00.000 toneladas de hidrocarburos. Los productos, por otra parte, tienen generalmente un destino más cercano y van en embarcaciones de menor tamaño de alrededor de 30.000 tpm. Estos buques tienen muchos tanques y un sistema más complejo de bombas y tuberías, a fin de mantener separados los distintos tipos de carga. Algunos buques tanque pueden transportar productos "negros" y "blancos". En este caso, tienden a ser más grandes; por ejemplo, para la exportación de productos de las nuev as refinerías del Medio Oriente se utilizan petroleros de 80.000 tpm. Hace 10
años, un buque tanque mediano de 25 0.000 tpm consumía 190 toneladas de combustible por día, marchando a toda máquina. Actualmente, los nuevos petroleros necesitan menos de un tercio de esa cantidad y el consumo de combustible puede reducirse aun más operando a menor velocidad. Como el combustible representa un tercio de los costos de operación, tales ahorros son importantes. Los gastos del personal también se controlan estrictamente y la tripulación consiste, término medio, en 2 0 personas; sin embargo se tiene cuidado de no poner en peligro las norma s técnicas y de seguridad.
Los Oleoductos La manera más práctica de transportar petróleo por tierra es bombeándolo por oleoductos. Los oleoductos para el crudo generalmente son de gran diámetro (a veces de más de un metro); a lo largo de su recorrido y a intervalos regulares hay estaciones de bombeo que hacen que el petróleo avance continuamente a unos cinco kilómetros por hora. La construcción de un oleoducto que puede tener que cruzar montañas, ríos o desiertos, constituye una gran tarea de ingeniería, que por lo general es realizada conjuntamente por varias empresas que contribuyen a la enorme inversión de capital necesaria. A medida que aumenta la producción de petróleo en el mar se van construyendo más oleoductos submarinos. Estos se tienden con barcazas tiende tubos especiales, en las cuales se sueldan los tramos de tubo de acero antes de colocarlos en el lecho marino. Si el oleoducto es de pequeño diámetro el tubo puede desenrollarse desde un gigantesco carrete para tenderlo directamente en el lecho marino, evitándose así la necesidad de soldar en el mar. Cuando se transporta crudo pesado, puede ser necesario poner aislamiento térmico en el oleoducto, para que el petróleo fluya con facilidad. Las tuberías de menor diámetro generalmente se tienden en una trinchera para protegerlas del equipo usado por los buques pesqueros.
G ASOLINAS
Y SUS OCTANAJES
¿QU E S O N L AS G AS O LI N A S? Las gasolinas son derivados del petróleo y son conocidas como hidrocarbonos alifáticos. En otras palabras, las gasolinas están compuestas por moléculas que agrupan átomos de carbono e hidrógeno ordenados en forma de cadenas. Las cadenas de la gasolina tienen de siete a once átomos de carbono en cada cadena. Las más conocidas configuraciones son Heptano (siete átomos de carbono y 16 de hidrógeno), Octano (8 y 18), Nonano (9 y 2 0) y Decano (10 y 22). Cuando
se quema gasolina en condiciones normales, con suficiente cantidad de oxigeno, se obtiene -como subproducto de la combustión- dióxido de carbono (combinación de dos átomos de oxigeno y uno de carbono), agua (hidrógeno y oxigeno) y cantidades enormes de energía en forma de calor. Un galón de gasolina contiene alrededor de 132 por 10 elevado a la sexta potencia de Joules de energía, lo cual equivale a 125.000 BTU o 36.659 vatios / hora. A modo de ejemplo podemos decir que: Si UD toma un calentador eléctrico con una potencia de 1.500 vatios y lo deja encendido por 24 horas, disipa la misma energía equivalente a un galón de gasolina.
¿DE DO ND E V IE S? NEN L AS G AS O LI N A Las gasolinas son destilados del petróleo. Este líquido está compuesto por cadenas hidrocarbonadas y los átomos de carbono se agrupan en cadenas de diferentes longitudes. Sucede que las diferentes cadenas de carbono de diferentes longitudes se comportan de diferentes formas y exhiben diferentes comportamientos y características. Por Ej.: la cadena formada por un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno ( CH4) es conocida con el nombre de Metano, este gas es tan liviano como el Helio. A medida que las cadenas se alargan se vuelven más pesadas. Las primeras cuatro cadenas: Metano ( CH4), Etano (C2H6), Propano (C3H8) y Butano (C4H10) son gases y hierven a - 107, -67, -43, y -18 grados centígrados respectivamente. Las cadenas hasta C18H32 son líquidos a temperatura ambiente y las cadenas por encima de C19 son sólidas también a temperatura ambiente. Las diferentes cadenas tienen progresivamente mayores puntos de ebullición, de manera que pueden ser fácilmente separadas por destilación. Esto es lo que hace una refinería, calientan el petróleo a diferentes temperaturas y las cadenas son
extraídas de acuerdo a su temperatura de vaporización en una torre de destilación. Otro procedimiento más complejo es el denominado "cracking catalítico" en el cual, y utilizando catalizadores, se transforman las moléculas en otras menos complejas que resultan en nuevos productos. Las cadenas de cinco átomos de carbono ( C5), las C6 y C7 son muy ligeras y fácilmente vaporizables, son líquidos claros llamados Naftas, son utilizados como solventes para lavado al seco, para pinturas y como vehículos para productos de secado rápido. Las cadenas desde C7H16 hasta C11H24 son mezcladas y utilizadas para las gasolinas. Todas ellas tienen temperaturas de vaporización inferiores a las del agua. Por eso es que al verter gasolina se evapora tan rápidamente. La siguiente cadena es el Kerosén (de ahí se deriva el Jet Fuel) en el rango de C1 2 a C15, seguido por el diesel y los aceites más pesados como el utilizado para las estufas de calentamiento de hogares. Luego siguen los aceites lubricantes. Estos aceites no se vaporizan a temperatura ambiente. Por ejemplo, el aceite lubricante de un mot or puede trabajar todo el día a temperaturas de 121 grados centígrados sin presentar ningún tipo de vaporización. Los aceites van de rangos muy livianos (como el aceite 3 en 1 o SAE 10) pasando por diferentes viscosidades de aceite de motor hasta los aceit es pesados hipoidales para lubricación de cajas de engranajes y diferenciales y grasas semi -sólidas. Como
observación podemos decir que las cadenas por encima de C20 toman características de sólidos, como ejemplos podemos citar las ceras parafinadas y los bitúmenes asfálticos utilizados en las carreteras. Todo esto proviene del petróleo y por eso son llamados combustibles fósiles y aceites minerales. La diferencia radica en las longitudes de las cadenas hidrocarbonadas.
¿QUÉ S I G NI F EL OC T A N AJ E EN L AS G AS O LI N A S? I C A Cuando
se analiza el ciclo de funcionamiento de un motor de explosión interna o motor recíproco (ciclo Otto), uno de los tiempos del ciclo es denominado ciclo de explosión, en este ciclo el pistón comprime la mezcla de aire y combustible a un volumen muchísimo menor hasta que la mezcla es encendido por la bujía. La cantidad de compresión se llama régimen de compresión del motor y típicamente es de 8 a 1. El octanaje de la gasolina le dice cuanto la mezcla puede ser comprimida antes de que explote o se encienda espontáneamente por efecto de la misma compresión, (recuerde la leyes de Boyle-Mariotte y como los gases se calientan al ser comprimidos, recuerde también que los motores diesel no utilizan bujías pues la mezcla se enciende espontáneamente p or el incremento de temperatura resultante de la compresión). Cuando
la mezcla se enciende por el efecto de la compresión en un motor de gasolina antes de que la bujía suministre la chispa, ocurre la detonación o pistoneo, que no es más que una explosión a destiempo mientras el pistón aun no completa su ciclo y es uno de los efectos más destructivos para un motor. El ruido que se escucha no es más que el resultado de las violentas sacudidas del pistón dentro del cilindro.
El régimen de compresión de su motor determina el grado de octanaje requerido de la gasolina requerida por el motor de su avión o vehículo. Una de las formas de incrementar la potencia de un motor de combustión interna es incrementar el régimen de compresión. De manera que los motores de alta cilindrada requieren gasolinas de alto octanaje.
Los índices de octano en motores de combustión El octanaje indica la presión y temperatura a que puede ser sometido un combustible carburado (mezclado con aire) antes de autodetonarse al alcanzar su temperatura de autoignición debido a la ley de los gases ideales. Si el combustible no posee el índice de octano suficiente en motores con elevadas relaciones de compresión (oscilan entre 8'5 y 10'5), se producirá el "autoencendido" de la mezcla, es decir, la combustión es demasiado rápida y dará lugar a u na detonación prematura en la fase de compresión, que hará que el pistón sufra un golpe brusco y reducirá drásticamente el rendimiento del motor, llegando incluso a provocar graves averías. A este fenómeno también se le conoce entre los mecánicos como picado de bielas o cascabeleo. Dicho índice de octano se obtiene por comparación del poder detonante de la gasolina en cuestión con el de una mezcla de heptano e isoctano. Al isoctano se le asigna un poder antidetonante de 100 y al heptano de 0, de modo que, por ejemplo, una gasolina de 95 octanos se correspondería en su capacidad antidetonante a una mezcla con el 95% de isoctano y el 5% de heptano. Hay
tres clases de octanajes:
y y y
Research Octane Number (RON) - Octanaje medido en el laboratorio. Motor Octane Number (MON) - Octanaje probado en un motor estátic o. Road ON - Octanaje probado en la carretera.
RON El valor del RON se determina comparando el golpeteo que produce la gasolina con respecto al producido por una sustancia patrón, la cual es una mezcla de isoctano (2,2,4-Trimetilpentano) y n-heptano. De esta forma, se determina el número de octanos del combustible con respecto al porcentaje de isoctano en la mezcla estándar. Así, y por ejemplo, una gasolina que produce el mismo ruido que la mezcla de 87 (87% isoctano y 13% n -heptano) se dice que tien e un octanaje de 87 octanos. Para comparar, el gas licuado del petróleo (GLP) tiene un RON de, aproximadamente, 110. En los motores a gasolina de baja ef iciencia se recomienda usar gasolinas con bajo nivel de octanaje, debido a la baja relación de compresión con la que operan en sus cilindros. Donde se nota mucho esta relación es en automóviles nuevos a los que, al suministrarles gasolina con bajo octanaje, se nota un cascabeleo generado por la explosión prematura del combustible en la cámara de combustión. A mayor compresión se requiere mayor octanaje para que sea eficiente el uso del combustible.
MON Existe otro tipo de octanaje llamado MON que indica de manera más exacta cómo se comporta el combustible cuando se carga. Esta definición también se basa en la mezcla de isoctano y n-heptano. La diferencia con el R ON es que se sobrecarga más el motor en el ensayo: se utiliza una mezcla precalentada, el motor más revolucionado y tiempos de ignición variables. Típicamente, y dependiendo de la composición del combustible, el MON de una gasolina moderna puede estar unos 10 puntos por debajo del RON. Unas especificaciones adecuadas de un determinado combustible requieren de un RON y MON.
OCTANO El nombre Octano proviene del siguiente hecho: Cuando se toma petróleo y lo destila termina obteniendo cadenas hidrocarbonadas de diferentes longitudes. Estas cadenas pueden ser separadas unas de otras y mezcladas para formar diferentes combustibles. Por ejemplo, el Metano, Propano y Butano son diferentes hidrocarbonos y toman forma de gases. El Metano tiene un solo átomo de carbono. El Propano tiene tres átomos de carbono y así sucesivamente hasta llegar al Heptano con siete átomos y al Octano con ocho átomos que ya toman formas líquidas y son denominados gasolinas. Se emplean cuatro métodos de laboratorio para determinar el número de octano. Los dos primeros se aplican especialmente a las gasolinas de automóvil; los dos últimos, a las de aviación: 1. El método Research (llamado también CFR o F-1) 2. El método Motor (llamado también ASTM, CFR-M o F-2) 3. El método Aviación o F-3 (mezcla pobre) 4. El método Supercarga o F-4 (mezcla rica) CFR: "Cooperative Fuel Research" 1.
El método Research: Utiliza una máquina de un cilindro unido a un motor de inducción que se emplea para hacerla partir, suministrando a la vez la carga para mantener el motor andando a la velocidad con stante de 6 00 rpm. El golpeteo se detecta por medio de una aguja unida a un diafragma de acero expuesto a la presión de la cámara de combustión. El brusco incremento de presión resultante del golpeteo hace saltar la aguja que cierra un contacto eléctrico en un lapso mayor cuanto más haya saltado aquella. Dicho contacto eléctrico, sirve para medir el golpeteo.
2. El método Motor: Se emplea la misma máquina, cambiando sólo las condiciones en que se efectúa el ensayo, cuya diferencia fundamental con el F-1 es la velocidad que aquí es de 9 00 rpm. Método Research Motor Mezcla Mezcla pobre rica Velocidad del motor rpm Temp. entrada del aire °C Temperatura de la mezcla ° C
600 ambiente no
900
1200
1800
38
52 104
107
149
Avance del encendido Temp. del refrigerante ° C
controlada l3° l00
variable 100
35°
l90
45° l90
HEPTANO
El Heptano maneja la compresión de una manera muy pobre. Solamente un poco de compresión y se enciende o explota espontáneamente. El Octano se comporta muy bien ante la compresión pues no se enciende fácilmente, aun ante grandes regímenes de compresión. La gasolina de 87 Octanos contiene 87 % de Octano y 13 % de Heptano (o algunas otras combinaciones de combustibles que tienen las mismas características). Esta mezcla sólo se enciende espontáneamente a un régimen de compresión establecido y puede ser usado solo en motores que no excedan ese régimen de compresión. (Observen que en estas gasolinas no se utilizan derivados del plomo como antidetonante y son más costosas de procesar). Las gasolinas para motores de aviación general típicamente están formuladas para octanajes de 100 hasta 130 octanos. Técnicamente existen tres diferentes "números de octano" asociados con cada gasolina. El RON (ResearchOctaneNumber) que es medido bajo condiciones de prueba. El MON (Motor Octane Number) medido en condiciones de mayor temperatura y velocidad. El valor que relaciona a ambos para dar un panorama más cercano a las condiciones de manejo es el promedio de los dos valores: Road Octane Number = (RON + MON)/2
COMPOSICION DEL OCTANAJE Hidrocarburo
alifático saturado. Se obtiene de la gasolina, y se toma como unidad para expresar el poder antidetonante de la gasolina o de otros carburantes, en relación con cierta mezcla de hidrocarburos que se toma como base.
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE USO SOBRE EL OCTANAJE El número de octano disminuye con la altura sobre el nivel del mar, lo que como se comprende ha sido bien estudiado por la importancia que esto reviste para las gasolinas de aviación. La disminución no es pareja y crece rápidamente con la altura. Cuando éstas no son muy grandes (menos de 1000 m), el número de octano disminuye en una unidad por cada 100 metros de elevación; ésta disminución llega a ser de 2,5 unidades por cada 100m a los 4000 m de altura. Sin embargo y contra lo que pueda esperarse, esta disminución del octanaje corre a parejas con la menor potencia necesaria en el motor, de modo que en definitiva el efecto no es esencial para la máquina.
¿QUÉ S I G NI F EL OC T A N AJ E EN L AS G AS O LI N A S? I C A Cuando
se analiza el ciclo de funcionamiento de un motor de explosión interna o motor recíproco (ciclo Otto), uno de los tiempos del ciclo es denominado ciclo de explosión, en este ciclo el pistón comprime la mezcla de aire y combustible a un volumen muchísimo menor hasta que la mezcla es encendido por la bujía. La cantidad de compresión se llama régimen de compresión del motor y típicamente es de 8 a 1.
El octanaje de la gasolina le dice cuanto la mezcla puede ser comprimida antes de que explote o se encienda espontáneamente por efecto de la misma compresión, (recuerde la leyes de Boyle-Mariotte y como los gases se calientan al ser comprimidos, recuerde también que los motores diesel no utilizan bujías pues la mezcla se enciende espontáneamente por el incremento de temperatura resultante de la compresión). Cuando
la mezcla se enciende por el efecto de la compresión en un motor de gasolina antes de que la bujía suministre la chispa, ocurre la detonación o pistoneo, que no es más que una explosión a destiempo mientras el pistón aun no completa su ciclo y es uno de los efectos más destructivos para un motor. El ruido que se escucha no es más que el resultado de las violentas sacudidas del pistón dentro del cilindro. El régimen de compresión de su motor determina el grado de octanaje requerido de la gasolina requerida por el motor de su avión o vehículo. Una de las formas de incrementar la potencia de un motor de combustión interna es incrementar el régimen de compresión. De manera que los motores de alta cilindrada requieren gasolinas de alto octanaje .
COMBUSTION DE LA G ASOLINA La combustión de la gasolina ocurre cuando sus moléculas se mezclan con moléculas de oxigeno y se proporciona suficiente calor para que se combinen. Esta reacción química producirá calor, luz y nuevas moléculas. Las nuevas moléculas que se producirán dependerán de qué clase de moléculas había al inicio y qué cantidad de cada clase se encontraba presente. Para que la combustión ocurra en el interior del motor, deben darse v arias condiciones especia 1es: A. Deben estar presentes las moléculas individuales de la gasolina. Esto quiere. decir, que la gasolina debe estar en forma de vapor (gas) para que sus moléculas puedan mezclarse con moléculas de oxígeno. B. Debe haber moléculas de oxígeno. Las moléculas de oxígeno son parte del gas que llamamos aire. Por cada 100 moléculas que hay en el aire, 2 1 son de oxígeno. Casi todo el resto son moléculas de nitrógeno. También hay otras moléculas en pequeña cantidad, como dióxido de carbono, va por de agua y argón. C. Para que la combustión ocurra, debe haber una proporción correcta o mezcla de moléculas de oxígeno y de gasolina. Si hay poca o demasiada cantidad de una de las dos clases de moléculas, la combustión no se inicia o no es completa. D. Las moléculas de oxígeno y de gasolina deben estar en contacto estrecho. El tener las proporciones correctas de cada molécula no es suficiente, si no se mezclan completamente. Tener todas las moléculas de gasolina en un área pequeña de la cámara de combustión sin mezclarse con las moléculas de oxígeno, evita que ocurra la combustión. E. Debe haber energía calorífica para que las moléculas de oxígeno y de gasolina en su rápido movimiento choquen, una contra otra, y que sus núcleos se separen y combinen con las nuevas moléculas. Ese calor puede proporcionarse en forma de chispa de la bujía. Algunos de los átomos en un núcleo, se unen con algunos átomos de otros núcleos. Entonces se forma una nueva molécula. En el proceso se desprende calor.
F. Debe haber suficientes moléculas de cada tipo necesariamente cercanas para que se realice la primera reacción química, y que el calor producido en ella se utilice para continuar la reacción química. Cuando
todas estas condiciones se cumplen se da la combustión. Pero con esto se ve que hacer funcionar un motor no es un trabajo simple. El aire contiene principalmente nitrógeno y oxígeno. Los símbolos químicos de éstos y otros elementos que intervienen en la combustión de la gasolina son: O Oxígeno N Nitrógeno H Hidrógeno C Carbono S Azufre Los átomos listados arriba son los más comunes que intervienen en el proceso de combustión en un motor a gasolina de combustión interna. Las reacciones químicas se indican a continuación: 02 + N2 + C3H8 ---------- CO2 + N2 + H20 + calor Esto representa una forma muy sencilla de la reacción química en la combustión del propano con el aire. El O y el N se encuentran en el aire. El C 3H8, son el hidrocarburo llamado propano. Las sustancias químicas que aparecen al lado izquierdo de la flecha están anotadas tal como se encuentran antes de que se dé la combustión, la reacción química. Las que están al lado derecho de la flecha son las que resultan después de la combustión. La fórmula dice que si se. quema propano en el aire, se obtendrá dióxido de carbono y agua. En este caso particular no le sucede nada al nitrógeno que hay en el aire. El agua que se produce está en forma de vapor. Durante la reacción química también se genera calor. La gasolina es una mezcla de muchas moléculas de hidrocarburos. Se incluyen en su mayoría moléculas de heptano (C 7H16) y de isooctano (C8H18). También benceno y tolueno.
La mezcla gasolina / aire que se quema Si usted entendió la química que acaba de leer, conoce esa materia más que muchas otras personas; pero hay que saber también que no cualquier mezcla de gasolina y aire puede quemarse. Para usar todo el oxígeno y toda la gasolina que se pone en una cámara de combustión, la cantidad de cada uno debe ser la correcta. La mezcla perfecta de gasolina y aire (que contiene aproximadamente 2 1% de oxígeno) tiene una relación de 14.7 a 1 en peso. Se necesitan 14.7 libras de aire para quemar completamente una libra de gasolina. Decimos entonces que la relación correcta de aire/combustible es 14.7 : 1. El término especial para designar esta mezcla química exacta es estequiométrica. Quiere decir que se cuenta con la cantidad exacta de cada sustancia para obtener una reacción perfecta que se representa así: 02 + N2 + C8H18 --------* CO2 + N2 + H2 + calor Cuando junto con las otras condiciones, al mismo tiempo se da la mezcla estequiométrica de aire y gasolina durante la combustión, el dióxido de carbono y el vapor de agua son los productos de combustión. No queda gasolina sin quemar o semiquemada. Después de la combustión no queda oxígeno en el aire. Esta es la razón por la cual la mezcla, relación aire / combustible, es tan importante.
Mezclas ricas y pobres en la combustión de gasolina La expresión mezcla rica indica que hay más gasolina en la cámara de combustión de la que se necesita. Cuando se quema una mezcla rica, algunas de las moléculas
del hidrocarburo no cambian. Debido a que no hay suficiente oxígeno en el proceso de combustión, algunas de las moléculas del hidrocarburo reaccion an con menos oxígeno y producen monóxido de carbono ( CO). Esa combustión se representa así: O2 + N2 + C8H18 ---------- 1CO2 + H2O + CO + C8H18 + N2 + calor Puede verse que se producen, igual que antes, dióxido de carbono y agua. Pero algunos hidrocarburos (gasolina) no reaccionan. Además, se produce monóxido de carbono. Una mezcla más rica generalmente producirá más potencia en una máquina que una mezcla pobre, y permite un arranque más fácil y la marcha en vacío, lo que puede presentarse fácilmente en motores equipad os con carburador, durante la desaceleración. Se tiene unamezcla _pobre cuando hay menos gasolina de la que se necesita para consumir en su totalidad el oxígeno y la gasolina durante la combustión. Las mezclas pobres mejoran el kilometraje y pueden presen tarse durante los viajes turísticos o de "crucero". Debe buscarse que la mezcla pobre ocurra durante la marcha sin motor o en desaceleración. Arranq ue. Cuando
el motor arranca y está frío, la gasolina no cambia con facilidad del estado líquido al de vapor . Pero sólo se quema si está vaporizada. Para asegurar que haya suficiente vapor de gasolina en la cámara de combustión, se entrega una mezcla extra-rica. Esto se hace con la inyección de combustible, manteniendo los inyectores abiertos por más tiempo. En un motor carburado, el ahogador se cierra. Si hay más gasolina, sale más vapor de cada gota de gasolina liquida. De ese modo, se vaporiza suficiente gasolina para que se produzca la combustión. El inconveniente es que una mezcla más rica permite la expulsi ón de mucho combustible por el tubo de escape del motor, como hidrocarburos no quemados.
Marcha en vac ío s. Cuando el motor trabaja muy despacio, en vacío, produce sólo la suficiente potencia para seguir funcionando. La placa del obturador en el carburador, o el cuerpo del obturador, está casi cerrado. Entra muy poco aire a la máquina. La presión de compresión es más baja y las moléculas del aire en el interior de la cámara de combustión se mueven lentamente y están separadas. Se necesitan más moléculas de combustible para asegurar que el frente de la llama se propague o extienda completamente por toda la cámara. Durante la marcha en vacío se necesita una mezcla más rica con más moléculas de combustible. Desaceleraci ón. Cuando
el motor es detenido por la potencia de las ruedas del vehículo, durante la desaceleración, el vacío en el múltiple se eleva mucho. Los pistones son vigorosamente jalados hacia abajo cuando el momento del vehículo se transmite al tren de transmisión. Debido a que el conductor quiere ma rchar por inercia o disminuir la velocidad, el obturador se cierra. Eso crea un alto vacío en el múltiple. Cualquier combustible que esté cubriendo el interior del múltiple de admisión se evapora rápidamente a baja presión y entra al motor. El carburador entrega combustible a la corriente de aire que entra, porque tiene una diferencia de presión. El alto vacío en el múltiple, durante la desaceleración, crea una gran diferencia de presión en el carburador. Esa diferencia de presión en el circuito de marcha mínima, hace que en la compuerta de descarga en vacío se agregue combustible extra al pequeño flujo de aire que existe con la mariposa casi cerrada. La mezcla se enriquece.
Con
un sistema de inyección de combustible, los inyectores pueden cerrarse completamente durante la desaceleración y sólo entra aire a la cámara para evitar que ocurra la combustión. Cuando la velocidad de la máquina baja, casi a marcha en vacío, los inyectores se activan de nuevo con el computador y la proporción aire / combustible vuelve a ser normal. Los ingenieros que diseñan los sistemas de inyección de combustible pueden decidir que simplemente se empobrezca la mezcla durante la desaceleración. En ese caso los inyectores de combustible se abren por muy corto tiempo.
Potencia y aceleraci ón. El conductor da la señal al motor para que produzca más potencia, abriendo la mariposa. El modo como un motor desarrolla más potencia es combinando más combustible y aire en la reacción química que produce calor. Debe ocurrir una combustión con más aire y combustible para producir más calor. Ese calor produce, en el interior del cilindro, la presión que impulsa el pistón hacia abajo en la carrera de potencia. Cuanto de más aire se disponga en el cilindro durante la compresión, más posibilidad habrá de producir calor en la combustión. Para estar seguro de que se usa todo el aire para producir potencia, se añade combustible extra en el sistema de entrega durante la aceleración o alta demanda de potencia. Las moléculas de combustible extra aseguran que todas las moléculas de oxígeno encuentren moléculas de combustible para combinarse químicamente y producir la máxima energía calorífica.
Crucero. Esta expresión significa que se viaja a la velocidad más eficiente. El conductor quiere desplazarse a una velocidad en que el kilometraje sea bueno. El buen kilometraje requiere funcionar con una mezcla estequiométrica o muy ligeramente pobre: con menos combustible del que se requiere para una combustión perfecta. La velocidad crucero no requiere que la máquina produzca mucha potencia. La mayor parte de los autos actuales requieren de 8 a 14 caballos de fuerza para mantener una velocidad de 55 millas por h ora, en un camino nivelado, sin viento. En esta situación, la mariposa no se abre mucho. El sistema para adicionar combustible mide la entrada del flujo de aire y agrega precisamente lo suficiente, o ligeramente menos, del combustible que se necesita para que combine perfectamente con todo el oxígeno en la cámara de combustión. La mezcla que se agrega es estequiométrica o ligeramente pobre.
EMISIONES DE ESCAPE Y SUS CAUSAS Emisión de escape es la expresión que describe los gases de la combustión y las partículas que deja escapar el tubo de cola del automóvil. Algunos de estos gases son aceptables a nuestro medio ambiente. Otros gases y partículas causan daño, tanto a las personas como al ambiente. Cuando las personas que trabajan en la industria automotriz hablan de emisiones, se refieren a los gases y partículas de la combustión indeseables. Las razones más importantes por las que algunos de los productos de la combustión se consideran indeseables, son porque causan daño a las personas, causan smog o lluvia ácida. Hidrocarcarburos
que no se queman
La gasolina es un hidrocarburo. Cuando la mezcla aire / combustible que está en el interior del motor se comprime, enciende y ocurre la combustión, una parte de la
gasolina no reacciona en el proceso de combustión. Esas moléculas de hidrocarburos salen por el tubo de escape con el resto de los productos de la combustión. Son hidrocarburos que no se queman: O2 + N2 + C8H18 -------- CO2 + H2O + CO + CHiS-+ N2 + calor Los hidrocarburos que no se queman causan problemas de respiración a la gente si se respiran concentrados o en cantidades más pequeñas, en forma continua y por largos períodos. Los hidrocarburos que no se queman también se combinan, en ciertas condiciones, con las moléculas que hay el aire, y produce el smog fotoquímico. Las emisiones de hidrocarburos provenientes de un motor que no se queman, pueden disminuir si no se permite que entren mezclas ricas a la máquina, por largo tiempo. El rápido calentamiento del motor ayuda también a que la gasolina se evapore y se queme completamente. El convertidor catalítico del automóvil puede oxidar las moléculas del hidrocarburo produciendo agua y dióxido de carbono.
Monóxido de carbono El monóxido de carbono es otro subproducto no deseado de la combustión de hidrocarburos. Es un gas mortal que la gente absorbe por el torrente sanguíneo y que evita que la sangre, a su vez, absorba el oxígeno. Si se aspira suficiente monóxido de carbono, la sangre lo absorbe y e l individuo muere. Permanecer unos cuantos minutos en el interior de un edificio carente de ventilación con el motor de un automóvil funcionando, puede causar la muerte. El primer síntoma es el aturdimiento. Las concentraciones bajas de monóxido de carbono en el torrente sanguíneo pueden causar dolor de cabeza. El monóxido de carbono se forma durante la combustión de hidrocarburos cuando no hay suficiente oxígeno para formar el dióxido de carbono: O2 + N2 + C8H18 ------- CO2 + H2O + CO + C8H18 + N2 + calor Un modo de evitar o disminuir la emisión de monóxido de carbono de un automóvil es proporcionar más aire para la combustión. Si hay mucho oxígeno durante la combustión, las moléculas de carbono se combinan con dos moléculas de oxígeno y no producen monóxido de carbono. El convertidor catalítico también puede ocasionar que un poco del CO producido se oxide más y forme el CO 2. Es muy importante que se tenga la relación correcta de aire / combustible para disminuir las cantidades de emisiones no deseadas.
Óxidos de nitrógeno Bajo ciertas condiciones de combustión, parte del nitrógeno que hay en el aire se combina químicamente con una parte del oxígeno del aire. Esto da por resultado la producción de varios óxidos de nitrógeno. Mejor que hacer una lista de cada óxido de nitrógeno que se produce, la industria automotriz los agrupan bajo el símbolo NOX. La x sustituye a las diferentes combinaciones de oxígeno con nitrógeno que puedan ocurrir. O2 + N2 + C8H18 ------- CO2 + H2O + CO + C8H18 +NOX + calor Los óxidos de nitrógeno se combinan con el agua y forman ácido en el aire. Cuando llueve a través de este aire, la lluvia tiene un contenido ácido en vez de ser neutro. La lluvia ácida daña las plantas y mata los peces y lo que éstos pueden comer en lagos, ríos y corrientes. El nitrógeno no es un elemento químico activo. Necesita mucha energía para combinarse con otras moléculas. Cuando la temperatura de la combustión en el motor del automóvil es muy elevada, pueden formarse compuestos de óxido de
nitrógeno. Las altas temperaturas de la combustión son el problema que crea los óxidos de nitrógeno. Las temperatura de combustión se bajan, en los motores más recientes diluyendo la mezcla de aire / combustible con el gas de escape de la combustión anterior. Esto se llama recirculación del gas de escape. Debido a que hay menos aire y combustible en la mezcla comprimida al momento de la combustión, se logran temperaturas más bajas de combustión y se forman menos óxídos de nítrógeno. Los automóviles más recientes también usan convertidores catalíticos de tres salidas. La primera parte de estos convertidores se usa para reducir los óxidos de nitrógeno transformándolos en nitrógeno y oxígeno. Se disminuyen así las emisiones nocivas.
Otros subproductos de la combustión Usted ya sabe que la combustión de los hidrocarburos produce dióxido de carbono. Cuando inhalamos aire hay una forma lenta de oxidación en nuestros cuerpos. También nosotros producimos dióxido de carbono cuando exhalamos. El dióxido de carbono lo usan las plantas para absorber el carbono del aire. Las plantas devuelven el oxígeno al aire y retienen el carbono. El dióxido de carbono es útil en nuestro sistema ecológico; sin embargo, demasiado dióxido de carbono en la atmósfera puede ocasionar el efecto invernadero. Otros productos de la combusti6ri de hidrocarburos se estudian menos. El mundo científico no está seguro de todos los beneficios o problemas que pueden ocurrir con los otros productos de la combustión. Sin embargo conocen muchos de los productos que resultan de la combustión del automóvil. Incluyen: 1. Amoniaco. 2. Sulfuro de hidrógeno. 3. Aminas orgánicas. 4. Aldehidos. 5. Acetonas. Actualmente se llevan a cabo varios estudios más sobre las emisiones.
DIESEL:
IGNICION POR COMPRESION Ciclo de 4 tiempos El aire se comprime a una presión comprendida entre 31 y 47 kg/cm 2; la temperatura es de 500 a 600°C. 2. Para los motores Diesel de alta velocidad (2000 r.p.m.) se inyecta el combustible cerca del extremo superior de la embolada de compresión, 15° antes del punto muerto superior. El combustible atomizado se inflama espontáneamente, y la presión aumenta como consecuencia de la combustión hasta, 7 0 -72 kg/cm2. La inyección de combustible termina a 5° después del PMS. La combustión comienza a 8° antes del PMS (punto muerto superior). 1.
3.
El combustible utilizado debe inflamarse espontáneamente por lo menos 30°C por debajo de la temperatura del aire comprimido. 4. La ignición tiene lugar a través de minúsculas gotitas del combustible en una corriente de aire a alta velocidad. Hay un período de retardo durante el cual las gotitas se vaporizan y calientan a la temperatura de la ignición espontánea; este periodo viene seguido por una rápida combustión en el cilindro, con aumento constante de la presión. 5. La mayor parte del combustible inyectado residual se quema uniformemente en el inyector de combustible. 6. La presión comienza a descender poco después, del final del período de inyección, por ejemplo, a 10° después del PMS. 7. Después puede producirse una combustión retardada del combus tible pulverizado sobre las paredes de los cilindros y pistones.
CAUSAS DE LA DETONACION DIESEL En los motores Diesel de alta velocidad, el período entre el comienzo de la ignición y la combustión inicial (tiempo de retardo) puede ser de 0,6 ms, y el período de inyección 1,7 ms. 1. Con un buen combustible Diesel, el tiempo de retardo es breve. Cuando se emplean combustibles de tiempos de retardo prolongado (altas temperaturas de ignición espontánea), una gran parte de la carga se inyecta al cilindro antes de que se inicie la ignición, produciendo una combustión violenta, un repentino aumento de la presión y una marcha brusca e irregular. Este conjunto de fenómenos se conoce como "Detonación Diesel".
TEMPERATURAS DE IGNICION ESPONTANEA DE LOS COMBUSTIBLES Valore s caracter í sticos n-pentano (C5H12) 218°C 235°C Cetano (C16H34) Tolueno 550°C Benceno 580°C Es evidente que los hidrocarburos parafínicos de cadena recta entran en ignición más fácilmente que los aromáticos y son por lo tanto c ombustibles Diesel más adecuados. De hecho, todos los tipos de fuel-oilsligeros con números de octano bajos son combustibles Diesel de alta velocidad satisfactorios. Los fuel-oilsde alto número de octanos no son combustibles Diesel satisfactorios. En otras palabras, los buenos combustibles para encendido por chispa son malos combustibles para ignición por compresión, y viceversa.
NUMEROS DE CETANO Estos se utilizan para indicar la calidad de un combustible líquido para motores de ignición por compresión. El número de cetano se emplea para medir las propiedades de los carburantes utilizados en los motores Diesel en forma semejante al número de octano. Se hacen mezclas de Cetano (n- hexadecano ) que es un hidrocarburo parafínico de fácil ignición con un hidr ocarburo aromático (a- metil-naftaleno ) que es de combustión muy lenta . La mezcla que iguala en comportamiento al combustible en cuestión en ensayos hechos con un motor estandarizado da el número de cetano del combustible, en forma análoga al número de o ctano ya estudiada.
1.
El hidrocarburo de cadena recta cetano C 16H34 es quizá el mejor combustible Diesel para alta velocidad que se conoce, y tiene asignado un valor de 100. 2. Los hidrocarburos aromáticos son combustibles Diesel de baja calidad, y se asigna un valor de 0 (cero) al hidrocarburo aromático a -metíl-naftaleno. El número de cetano de un aceite Diesel es el porcentaje en volumen de 3. cetano de una mezcla de cetano / a-metíl-naftaleno que se comporta igual en un motor normal de ignición por compresión que el combustible.
Método de determinación del "número de cetano" en el motor de ensayo 1.
Debido al elevado precio del cetano y del a -metíl-naftaleno puros, se dispone de cierto número de combustibles de referencia normalizados con una serie de números de cetano. 2. Existen dos métodos de ensayo, que indistintamente pueden realizarse con cualquier motor de ignición por compresión:
A Ensayo de retardo de ignición IP 41 A El ensayo se realiza a velocidad y carga constantes. Se mide el tiempo de retardo del combustible de ensayo con un medidor de retardo electrónico y se compara con combustibles de referencia normalizados que tienen períodos de retardo cortos y más largos que el del combustible muestra. El número de cetano se obtiene por interpolación.
B Ensayo de estrangulamiento IP 41 B El motor se hace funcionar a la mínima carga que permite condiciones constantes. En el orificio de admisión del motor se coloca un dispositivo de cámara de compensación y estrangulación. Este dispositivo reduce la presi ón en la cámara de compensación y aumenta el período de retardo hasta que se produce un fallo de encendido, lo cual viene indicado por una. emisión de humo blanco. La presión del aire en este momento se relaciona con el período de retardo y es función del número de cetano. Comparando la presión del fallo de encendido del combustible muestra con la de los combustibles de referencia de calidad superior e inferior, puede calcularse el número de cetano.
Nú meros de cetano de combu stibles Diesel adecuados Motores Diesel de alta velocidad: No menor de 50 Motores Diesel de velocidad media: No menor de 35 Motores Diesel de velocidad baja: No importante, pero preferiblemente mayor de
15
INDICE DIESEL Otro procedimiento para expresar la calidad de los combustibles D iesel es por medio del empleo del «Indice Diesel», que no precisa la utilización de un motor de ensayo.
"Indice Diesel" = punto de Anilina en °F x densidad API /100
Este sólo puede emplearse como una orientación aproximada de los números de cetano y no es aplicable a combustibles que contengan aditivos mejoradores de la calidad de ignición. Esto da un resultado más alto para los aceites parafínicos que para los aromáticos, de aquí su empleo en la fórmula del "Indice Diesel".
PUNTO DE ANILINA
El punto de anilina de un líquido, es la temperatura necesaria para producir una solución homogénea cuando se calientan partes iguales del líquido y de anilina. La anilina es un líquido orgánico derivado simple del Benceno; incoloro si está fresco, se enrojece con el tiempo y el aire , adquiriendo finalmente un color café rojizo. Su fórmula es C 6H5NH2, resultante de la reacción del benceno y el amoniaco. El procedimiento experimental es extremadamente simple y por ello el ensayo es relativamente popular en la industria. Se calientan volúmenes iguales del destilado y anilina, se agitan hasta obtener una solución bien homogénea, que entonces se enfría lentamente hasta que aparezca un enturbiamiento. La temperatura a la que esto sucede es el "Punto de Anilina" del liquido que se obtiene siempre con gran exactitud. El punto de anilina es, por supuesto un índice arbitrario, pero tiene valor considerable para la caracterización de los productos del petróleo. Para los destilados de un crudo dado aumenta con el peso molecular, en tanto que para destilados de diversas procedencias e igual rango de destilación, el punto de anilina aumenta con el contenido de hidrocarburos parafinicos. Tiene actualmente importancia en relación con las características de combustión del Kerosene de Aviación, se emplea para calcular el poder calorífico de éste, considerando además su valor de API y contenido de Azufre.
TIPOS DE COMBUSTIBLES DIESEL Los motores diesel pueden ser desde pequeños y alta velocidad, como los que se emplean en los camiones de carga y de pasajeros, hasta motores estacionarios de gran tamaño y baja velocidad para plantas generadores de electricidad, por lo cual son necesarios varios grados de combustible diesel. Los grados ASTM para los combustibles adecuados a las diferentes clases de servicio son: Grado 1-D: combustible destilado volátil para motores en servicio que requiera cambios frecuentes de velocidad y de carga. Grado 2-D: combustible destilado de volatilidad más baja para motores en servicio industrial y móvil de tipo pesado. Grado
4-D: combustible para motores de velocidad baja y media.
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http://usuarios.lycos.es/coropetrox/refineria.htm Read more: http://www.lenntech.es/efecto-invernadero/combustiblesfosiles.htm#ixzz 0RxMTGOKs
ANEXOS: G ASOLINAS
DE AVIACION Motores de encendido por chispa POTENCIA MÁXIMA Esta se consigue aumentando la relación de compresión y el caudal de aire y combustible a través del motor, por medio de la sobrealimentación (o sobrecompresión). El aumento permisible de sobrealimentación se determina por la relación aire/ combustible. El combustible suplementario de una mezcla rica actúa como un refrigerante interno, suprimiendo la detonación y permitiendo así la obtención de mayores potencias del motor. Por esto para gasolinas de aviación exigen dos valores antidetonantes, conocid os como el método de aviación con mezcla pobre (F3) y el de aviación con mezcla rica (F4).
VOLATILIDAD Y ZONA DE EBULLICIÓN La volatilidad debe controlarse estrechamente, ya que: El combustible debe quemarse en el motor en la fase vapor, pero se introduce en estado líquido. Si la volatilidad es demasiado baja, se producen dificultades en el arranque y se diluye el aceite lubricante, con el perjuicio consiguiente. Las dificultades debidas a la baja volatilidad se acentúan por el empleo de dibromuro de etileno en el plomo tetraetilo. Si la volatilidad es demasiada alta, se producen vapores en depósitos y tuberías, ocasionando dificultades de bombeo y de dosificación y peligro de explosión. Es satisfactorio un intervalo de ebullición de 30°C a 150°C. Algunas g asolinas requieren combustibles de arranque especiales de alta volatilidad, por ejemplo, de campo de ebullición 30°C a 75°C.
PUNTO DE CONGELACIÓN Este no debe ser superior a - 60°C, a fin de evitar los inconvenientes debidos a la formación de cristales en las tuberías de alimentación y filtros. El benceno queda excluido por estos motivos, pero la mayoría de los restantes componentes posibles de la gasolina de aviación tienen puntos de congelación inferiores a - 6 0°C.
PUNTO DE INFLAMACIÓN Y LÍMITES DE INFLAMABILIDAD El punto de inflamación no se incluye en las especificaciones para gasolinas de aviación, debido a que los componentes volátiles proporcionan siempre suficientes vapores para formar una mezcla inflamable a la temperatura ambiente. El peligro debido a explosiones de vapores de hidrocarburos en el aire se determina por sus límites de inflamabilidad. Existe una estrecha relación entre presión de vapor, presión atmosférica y concentración de vapores en el aire para una gasolina dada. Estos factores se expresan como "bandas de explosividad", las cuales definen los límites de altitud-temperatura-inflamabilidad para los combustibles de aviación.
SOLUBILIDAD EN AG UA Las gasolinas de aviación son esencialmente insolubles en el agua. Un requisito importante una clara superficie de separación entre el agua y la esencia. (La espuma produce averías en el filtro.)
ESTABILIDAD AL ALMACENAMIENTO
Es esencial una estabilidad durante largos períodos de almacenamiento. Dos efectos de los combustibles inestables son inaceptables, a saber: 1. Formación de gomas. Pérdida de propiedades antidetonantes debido a la precipitación de plomo del plomo tetraetilo. Las gomas pueden ser "reales" o "posibles". Las últimas se determinan por un ensayo de oxidación acelerada. Las gasolinas reformadas que contienen plomo tetraetilo, necesitan el empleo de antioxidantes para conseguir los valores dados en la especificación y para aumentar la estabilidad del plomo tetraetilo. Estos antioxidantes son generalmente fenoles o aminas complejos. El cinc cataliza la descomposición del plomo tetraetilo, por lo cual no pueden emplearse bidones galvanizados para el almacenaje.
ESPECIFICACIONES CARACTERISTICAS DE LAS G ASOLINAS DE AVIACIÓN Grados 91 / 96
Aplicación
Grados 115/145
Para aviones de Para transportes de potencia media gran alcance y aviones militares de gran potencia
Color Contenido
Azul de Plomo Tetraetilo 1.21
ml/l Valor antidetonante, método F2 Valor antidetonante, método F3 Poder calorífico inferior, kcal/kg Punto de congelación Gomas reales Gomas posibles Azufre total Corrosión a lámina de cobre
COMBUSTIBLES DE TURBINAS DE AVIACION
Púrpura 1.21
90 NO. 91 NO. 115 NO. 10400 10500 -60°C -60°C 3 máx 3 máx 6 máx 6 máx 0.05 0.05 sólo ligero barniz sólo ligero barniz G AS,
QUEROSENO PARA TURBINAS DE
La turbina de gas de cielo abierto está formada por un compresor de aire y una rueda de turbina montados sobre un eje común. El fluido de trabajo es el aire. Su temperatura y presión se elevan en el compresor, y el combustible se inyecta, se enciende, y se quema en el aire comprimido caliente. La relación aire/combustible es limitada, y se admite suficiente aire frío secundario para asegurar que la temperatura de los productos de la combustión no perjudique a los álabes de la turbina, es decir, se mantenga inferior a 9 10°C (1670°F). Para empleo en aviación deben considerarse otros factores, tales como la altitud, volatilidad del combustible y seguridad.
De acuerdo con esto, los querosenos, o aceites próximamente relacionados con éstos, son los combustibles más adecuados para turbinas de aviación y solamente éstos se consideran a continuación. Los requisitos fundamentales para querosenos de turbina de aviación son: a) Buena atomización en un amplio campo de caudales de combustible. Las parafinas e isoparafinas son los más adecuados. Son estables y de combustión limpia. Los aromáticos son disolventes de los plásticos y producen humo y depósitos de carbono. Las olefinas son inadecuadas debido a su elevada actividad química y a las tendencias a la formación de gomas. El contenido de azufre se limita a un máximo de 0,4 % debido las posibilidades de corrosión. Los mercaptanos se limitan específicamente por su olor y actividad disolvente. En algunos casos se obtiene una buena a tomización precalentando el combustible antes de su entrada en la zona de combustión primaria. Solamente pueden emplearse combustibles de bajo punto de congelación, por ejemplo, querosenos; de punto de congelación inferior a -4 0°C. Solamente se permiten combustibles destilados a fin de impedir la formación de depósitos de cenizas. Se limitan las variaciones de densidad para permitir una dosificación y un control del consumo de combustibles satisfactorios. La viscosidad se limita para reducir las pérdidas de presión en la tubería de alimentación y para asegurar que las boquillas de inyección actúen a los niveles proyectados. b) Volatilidad. Los querosenos tienen baja volatilidad y bajo campo de ebullición (150 a 250°C). Una elevada volatilidad inicial es útil pa ra el arranque, pero aumenta las pérdidas de vapor por los orificios de purga de los depósitos y puede producir bolsas de vapor en las tuberías.
ESPECIFICACIONES PARA EL QUEROSENO DE AVIACION Densidad relativa a 15,6°C Poder calorífico, kcal/kg Aromáticos, vol. % Olefinas, vol. % Punto de humo, mín Gomas existentes mg/100 ml Gomas posibles, mg/100 ml Azufre total, % en peso Azufre de mercaptanos, % en peso Punto de congelación º C Viscosidad, cS Corrosión, lámina de cobre Punto de inflamación, º C
0,775
a 0,845 10.170 a 10.220, min. 2 0 a 25, máx. 5 máx. 18 a 20 7 máx. 14 máx. 0,4 máx. 0,003 máx. - 40 máx. 16,5 a ± 34ºC máx. 1-2 h a 100ºC máx. 43,5 a 66 min.
COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Bio-alcohol Consiste
en producir alcohol, el cual será utilizado con el fin de ser usado como combustible, a partir de materias y restos orgánicos, por fermentación alcohólica.
Existe tecnología para producir alcohol a partir de caña de azúcar, yuca, madera o restos celulósicos. Una de las más fáciles formas de hacer alcohol es fermentando mosto de caña, granos de maíz, papa o remolacha.
Biocarburante Es una mezcla de hidrocarburos que se utiliza como combustible en los motores de combustión interna y que deriva de la biomasa. Los combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Los biocarburantes más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiésel.
Bio-combustible M4 El M4 es un innovador combustible ecológico alternativo desarrollado en Panamá por el ingeniero panameño Porfirio Ellis, compuesto por 87% de etanol y 13% de una fórmula secreta, fue patentado internacionalmente a principios de 2 006. Lo innovador del M4 es que puede ser utilizado en cualquier vehículo que funcione con motor a gasolina, sin necesidad alguna de modificar el automóvil o su motor. El M4 obtuvo excelentes resultados en rigurosas pruebas realizadas en el Centro Experimental de Ingeniería de la Universida d Tecnológica de Panamá y el laboratorio inglés Intertek Caleb Brett, según parámetros establecidos por las Normas ASTM-5798.
Bio-diésel El biodiésel es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo.
Etanol El etanol es un compuesto químico que puede utilizarse como combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo. El combustible resultante de la mezcla de e tanol y gasolina se conoce como gasohol o alconafta. Dos mezclas comunes son E 10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente. El etanol también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la gasolina estándar, reemplazando al éter metiltert-butílico (MTBE). Este último es responsable de una considerable contaminación del suelo y del agua subterránea. También puede utilizarse como combustible en las celdas de combustible. Para la producción de etanol en el mundo se utiliza mayorment e como fuente biomasa. Este etanol es denominado, por su origen, bioetanol. Gasógeno
El gasógeno es un combustible que se obtiene a partir de la Gasificación, que es un sistema que permite obtener combustible gaseoso a partir de combustibles sólidos como el carbón, la leña o casi cualquier residuo combustible.
Al quemar la leña o el carbón de forma parcial se genera, entre otros gases, monóxido de carbono, que tiene algo de poder calorífico. Si se le añade agua también se puede generar hidrógeno.
Metanol El metanol es utilizado como combustible, principalmente al juntarlo con la gasolina. Sin embargo, ha recibido menos atención que el etanol (combustible) porque tiene algunos inconvenientes. Su principal ventaja es que puede ser fabricado fácilmente a partir del metano (el principal componente del gas natural) así como por la pirólisis de muchos materiales orgánicos. El problema de la pirólisis es que solamente es económicamente factible a escala industrial, así que no es recomendable producir el metanol a partir de recursos renovables como la madera a pequeña escala (uso personal). En cualquier caso, el proceso alcanza temperaturas muy elevadas, con cierto riesgo de incendio; además, el metanol es altamente tóxico, así que se debe tener siempre especial cuidado de no ingerirlo, derramarlo sobre piel desnuda o inhalar los humos. Hidrógeno
El hidrógeno es un elemento químico que está formado por un electrón y un protón. Cuando se introduce este átomo en una celda electroquímica se fragmenta el hidrógeno y se libera por un lado el electrón y por otro el protón. El electrón liberado corre por un circuito y genera una corriente eléctrica. Esta electricidad es la que hace funcionar el motor del automóvil. Por otro lado, el protón se combina con el oxígeno del aire para producir vapor de agua. Así, un vehículo que contiene esta celda electroquímica (conocida como fuel cell) emite solamente vapor de agua. Esta nueva tecnología no contamina, puesto que la única emisión es el vapor de agua, y es muy eficiente. Sin embargo, el hidrógeno es difícil de obtener. El hidrógeno constituye un gas muy peligroso, ya que es inflamable, así que a pesar de que al coche se le puede suministrar hidrógeno líquido como combustible, se prefiere utilizar combustibles ricos en hidrógeno, co mo el etanol o el metanol. Estos alcoholes deben ser degradados dentro del motor para poder usar el hidrógeno. Gas
natural comprimido
Está formado principalmente por metano, constituido por un átomo de carbono con cuatro hidrógenos. Esta estructura hace q ue sea más ligero que el aire, por lo que si hay una fuga inmediatamente se escapa haciendo más difícil su explosión. El metano o gas natural puede utilizarse de dos formas, comprimido o licuado (líquido); las únicas diferencias son su estado físico y la manera de cómo fueron «empacados». El metano no libera grandes emisiones a la atmósfera, por lo que constituye el combustible alternativo menos contaminante. Pero a la vez, su pequeño tamaño molecular implica que no contiene tanta energía, así que necesitam os más gas natural que gasolina para recorrer la misma distancia. Existen vehículos que solamente tienen motor para gas natural; sin embargo, también hay motores capaces de utilizar dos combustibles: gasolina y gas natural. Así que cuando el conductor no tiene acceso a gas natural presiona un botón y su motor se alista para recibir gasolina.
G ASOLINA
PARA VE HICULOS
Se entiende por gasolina al producto más condensable (en condiciones ordinarias de temperatura y presión) de todos los que resultan de los procesos de refinación; desde este punto de vista se conocen gasolinas de destilación directa, gasolina de craking y el reformato. Las cualidades como carburante de una gasolina dependen en su mayor parte de su volatilidad bajo las condiciones de uso.
REQUISITOS POR CHISPA
GENERALES
DE LA
G ASOLINA
PARA MOTORES DE I GNICION
Requisito Residuo de destilación % máx.
Gasolina con plomo 2
Gasolina sin plomo 2
Plomo, g/L, máximo
0.6
0.013
Goma existente mg/100ml, máx
5
5
0.15
0.10
N° 1
N° 1
Estabilidad a la oxidación, minutos mín. 240
240
Benceno, % (v/v)
5.0
5.0
Fósforo
-
Informar
70 (158)
70 (158)
50% T máx., °C (°F)
121
121
90% T máx., °C (°F)
190 (374)
190 (374)
punto final, T máx., ° C (°F)
225 (437)
225 (437)
Azufre, % m/m máx. Corrosión
a la lámina de cobre, máx.
Destilación: Temperatura T, según % evaporado 10%
T máx., °C (°F)
(250)
(250)
MCIA
Nicolás Esteban Valle Ramos
Trabajo-1
2010-10-27 PROPIEDADES DE LAS GASOLINAS: G.
Potencia máxima:
El rendimiento y la economía son más importantes en los motores de automóviles que la necesidad de potencia máxima en el despegue de los aviones. E = 1 - (1/r) Y-1 Muestra que el rendimiento aumenta con la relación de compresión. H.
Relaciones aire / combustible:
El aire teórico requerido para la combustión completa de un combustible dado puede calcularse cuando se conoce la composición química o análisis. Un kilogramo de heptano, requiere 15 kg de aire para su combustión completa. Los límites de inflamabilidad, referidos a peso, son 7 kg de aire (mezcla de máxima riqueza) a 2 0 kg de aire (mezcla de riqueza mínima) por kilogramo de heptano. La potencia máxima se obtiene con una relación aire / combustible de 12,5 : 1. La mezcla más económica para una velocidad normal de crucero es 17 : 1.
3. Puesta a punto del encendido: El desarrollo de potencia máxima depende de la relación de compresión y de la puesta a punto del encendido.
4. Número de octano y relación de compresión: El número de octano debe elevarse cada vez que se aumenta la relación de compresión para impedir la detonación. El tipo de motor afecta a esta relación. Para un mismo motor, el número de octano debe elevarse desde aproximadamente 80 hasta 105 cuando se aumenta la relación de compresión de 7 : 1 a 11 : 1.
5. Volatilidad y campo de temperaturas de ebullición: La volatilidad se determina por el campo de destilación y por el ensayo de presión de vapor Reid. Estos afectan el comportamiento del motor del automóvil prácticamente del mismo modo que al de los motores de aviación, excepto que éstos no se encuentran a altitudes elevadas. La temperatura a la cual se destila el primer 10% es una medida de la facilidad de arranque. El campo de temperaturas de ebullición es aproximadamente de 30°C a 200°C.
6. Presión de vapor: La presión de vapor Reid de los componentes de la gasolina de automóvil varían desde aproximadamente 0.6 lb/pulg2 a 100°F (37.8°C) para el octano hasta más de 14.5 lb/pulg2para los componentes más volátiles.
