HIDROCARBUROS
1.
Introducción2. Hidrocarburos
3. Petróleo
4. Bibliografía
1. Introducción
Problemática
Es posible reparar los daños que causa el petróleo de forma natural? ¿o son irreversibles? ¿necesita el hombre intervenir para solucionar estos daños?
Hipótesis
En menor grado los daños causados por el petróleo pueden ser reparados en forma natural si los niveles son elevados, en este caso se necesitaría la intervención de la mano del hombre. Esto también se debe a la disposición del petróleo en el medio.
Objetivos
Ver los daños que ocasiona el petróleo en los seres vivos y su medio ambiente.
Ver sus posibles soluciones a este problema ambiental.
Este trabajo fue realizado íntegramente por una investigación bibliográfica, basada en Internet y en enciclopedias. Este trabajo fue encarado para ver una problemática desde el punto de vista ambiental en cuanto incluye al petróleo, con su contaminación en los fluidos del mundo, viendo así los problemas que acarrea en el ecosistema que es afectado, también presentamos sus propiedades para entender esta cuestión.
2. Hidrocarburos
Son los compuestos orgánicos más simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las que se derivan todos los demás compuestos orgánicos. Los hidrocarburos se clasifican en dos grupos principales, de cadena abierta y cíclicos. En los compuestos de cadena abierta que contienen más de un átomo de carbono, los átomos de carbono están unidos entre sí formando una cadena lineal que puede tener una o más ramificaciones. En los compuestos cíclicos, los átomos de carbono forman uno o más anillos cerrados. Los dos grupos principales se subdividen según su comportamiento químico en saturados e insaturados.
Alcanos
Los hidrocarburos saturados de cadena abierta forman un grupo homólogo denominado alcanos o parafinas. Los primeros cuatro miembros del grupo son gases a presión y temperatura ambiente; los miembros intermedios son líquidos, y los miembros más pesados son semisólidos o sólidos. El petróleo contiene una gran variedad de hidrocarburos saturados, y los productos del petróleo como la gasolina, el aceite combustible, los aceites lubricantes y la parafina consisten principalmente en mezclas de estos hidrocarburos que varían de los líquidos más ligeros a los sólidos.
Alquenos
El grupo de los alquenos u olefinas está formado por hidrocarburos de cadena abierta en los que existe un doble enlace entre dos átomos de carbono. Al igual que los alcanos, los miembros más bajos son gases, los compuestos intermedios son líquidos y los más altos son sólidos. Los compuestos del grupo de los alquenos son más reactivos químicamente que los compuestos saturados.
Alquinos
Los miembros del grupo de los alquinos contienen un triple enlace entre dos átomos de carbono de la molécula. Son muy activos químicamente y no se presentan libres en la naturaleza.
3. Petróleo
Es un líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. El petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad.
Características
Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye.
Existen categorías de petróleos crudos los de tipo parafínico, los de tipo asfáltico y los de base mixta.
Formación
El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos. Los restos de animales minúsculos que viven en el mar se mezclan con las arenas y limos que caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos, se convierten en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo más espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que van acumulándose depósitos adicionales, la presión sobre los situados más abajo se multiplica por varios miles, y la temperatura aumenta en varios cientos de grados. El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural.
Una vez formado el petróleo, éste fluye hacia arriba a través de la corteza terrestre porque su densidad es menor que la de las salmueras que saturan los intersticios de los esquistos, arenas y rocas de carbonato que constituyen dicha corteza. El petróleo y el gas natural ascienden a través de los poros microscópicos de los sedimentos situados por encima. Con frecuencia acaban encontrando un esquisto impermeable o una capa de roca densa: el petróleo queda atrapado, formando un depósito. Sin embargo, una parte significativa del petróleo no se topa con rocas impermeables sino que brota en la superficie terrestre o en el fondo del océano. Entre los depósitos superficiales también figuran los lagos bituminosos y las filtraciones de gas natural.
Prospección
Para encontrar petróleo 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). Además, 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 características 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 —que estudian de forma cada vez más precisa la reflexión y refracción de las ondas de sonido propagadas a través de la Tierra— 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.
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.
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 superficie 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 el 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 natural 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 petróleo por el gas, menos denso, hace que el petróleo aflore a la superficie.
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 límite económico del pozo, por lo que se abandona su explotación.
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 utiliza 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.
Inyección de agua
En un campo petrolero explotado en su totalidad, los pozos pueden perforarse a una distancia de entre 50 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 bajo 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.
Inyección 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 petróleo 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.
Perforación submarina
Otro método para aumentar la producción de los campos petroleros —y uno de los logros más impresionantes de la ingeniería en las últimas décadas— 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 —en las regiones árticas— los hielos.
Al igual que en los equipos tradicionales, la torre es en 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 necesaria 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.
Refinado
Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los elementos sólidos y se separa el gas natural. A continuación se almacena el petróleo en tanques desde donde se transporta a una refinería en camiones, por tren, en barco o a través de un oleoducto. Todos los campos petroleros importantes están conectados a grandes oleoductos.
Destilación básica
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.
Craqueo 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 —compuesta por este tipo de moléculas— 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.
Alquilación y craqueo catalítico
Existen 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.
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.
La contaminación con plaguicidas, los derrames de petróleo en el mar, los peligros de la radiación nuclear y los incendios forestales amenazan a los ecosistemas de la Tierra. Es esencial para la defensa de la vida en el planeta que se difundan y analicen los errores que han llevado a situaciones de grave daño ecológico.
Los derrames de petróleo
El 13% de los derrames se debe a accidentes que sufren los grandes barcos contenedores de petróleo, que por negligencia de las autoridades y desinterés de las empresas petroleras transportan el combustible en condiciones inadecuadas. En los últimos años, algunos de los más espectaculares accidentes fueron el del buque-tanque Valdés de la Exon, ocurrido frente a las costas de Alaska el 24 de marzo de 1989, y el del petrolero Mar Egeo, el 3 de diciembre de 1992, frente a la entrada del puerto de La Coruña, en España. Otro 32% de los derrames proviene del lavado de los tanques de los grandes buques que transportan este combustible.
Tanto los derrames de petróleo como los incendios forestales afectan gravemente las cadenas tróficas de los ecosistemas.
En los incendios forestales los árboles no son los únicos perjudicados: muchos animales quedan atrapados en el humo, mientras que otros migran.
4. Bibliografía
Energía proveniente de hidrocarburos, el calentamiento global y la energia solar como sustituto viable.
Los hidrocarburos fósiles se presentan en forma de en forma sólida (carbón), líquida (petróleo) o gaseosa (gas natural). Son
conglomerados de seres vivos que existieron millones de años
en el pasado y que sufrieron una transformacion fosilizado formando carbón o
hidrocarburos.
El carbón se formo a partir de bosques de zonas pantanosas, y el petróleo y el gas natural fue formandose por la transformacion de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar.
En el caso del carbon y el petroleo la materia orgánica se descompuso parcialmente por la limitada cantidad de oxígeno y la acción de la temperatura, la presión y la accion de bacterias.
El carbón se formo a partir de bosques de zonas pantanosas, y el petróleo y el gas natural fue formandose por la transformacion de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar.
En el caso del carbon y el petroleo la materia orgánica se descompuso parcialmente por la limitada cantidad de oxígeno y la acción de la temperatura, la presión y la accion de bacterias.
Energía solar
Los colectores solares parabólicos captan la radiación solar incrementando la temperatura en el receptor.
Los paneles fotovoltaicos convierten directamente la energía luminosa en energía eléctrica.
Los colectores solares parabólicos captan la radiación solar incrementando la temperatura en el receptor.
Los paneles fotovoltaicos convierten directamente la energía luminosa en energía eléctrica.
Captando adecuadamente la radiación emitida por el sol,
es posible transformarla en otras formas de energía como energía térmica o
energía eléctrica mediante la utilizacion de celdas solares.
La radiación que llega directamente a la tierra
puede reflejarse y concentrarse para ser utilizada,
Mediante receptores que pueden ser activos o pasivos, donde los activos son mecanismos para orientar el sistema captador hacia el Sol (actuando como un girasol, que sigue al astro durante todo el dia) y asi poder captar mejor la energia.
Mediante receptores que pueden ser activos o pasivos, donde los activos son mecanismos para orientar el sistema captador hacia el Sol (actuando como un girasol, que sigue al astro durante todo el dia) y asi poder captar mejor la energia.
La energia solar tiene la conveniencia de que permite
la generación de energía en el mismo sitio donde se va a consumir mediante
la adecuacion de la arquitectura de las estructuras.
Uno de los mayores inconvenientes de la energia solar es su naturaleza difusa proporcionando energía de una intensidad baja, esparcida sobre grandes superficies de terreno.
Aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
II. LA ENERGÍA
EN PRIMER término hay
que darse cuenta de que los sistemas industriales están ligados a la energía.
En la figura 19 se observa lo que sucede al crecer la población y los productos
en un sistema natural como la Tierra. El crecimiento poblacional crea más
demandas y, para mantener los recursos renovables, no pueden extraerse a una
velocidad mayor que la de su propia generación. Por otra parte, los recursos no
renovables, como el petróleo, no deberán exceder la velocidad a la cual se
renuevan por fuentes que los sustituyan. Claro que esto último no puede
realizarse como se desearía, de ahí que el reciclaje de los desechos, sumado al
ahorro de energía y materiales, es la única manera de reducir la magnitud del
problema.
El concepto
de energía es uno de los más empleados en la ciencia, se asocia con cualquier
tipo de actividad y a través de él se explica la inmensa mayoría de los
fenómenos naturales y artificiales. Durante los siglos XVIII y XIX se hicieron
descubrimientos muy importantes en todas las ramas del saber, lo que hizo
surgir la necesidad de explicarlos. Una manera es definir el significado de
energía. El descubrimiento de la electricidad, la invención de la pila
eléctrica o el hecho de que la corriente eléctrica sea capaz de descomponer las
sustancias o poner un imán en movimiento, hizo que se pensase que todos estos
fenómenos pudieran deberse a una misma causa. Es así como aparece el término de
energía como algo que puede producir los cambios. A través de los
años, el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieren
grandes esfuerzos físicos, para dejar a las máquinas las tareas pesadas y
dedicarse a labores intelectualmente más productivas. Esto ha traído como
consecuencia que el consumo de energía por habitante sea cada vez mayor.
Figura 19. El ecosistema finito global comparado con
el crecimiento de los subsistemas económicos y de población.
Existen
muchos procesos en los que una fuerza mueve un objeto, decimos entonces que se
ha producido un trabajo. La capacidad para realizar un trabajo se llama
energía. La cantidad de energía que se transfiere depende de la intensidad de
la fuerza y del desplazamiento de dicha fuerza, la magnitud que mide esta
transferencia de energía es lo que conocemos por trabajo. Cuando se habla de
las máquinas se menciona la potencia. ¿Qué significa este término? Pues que el
tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina, por eso se
introdujo el concepto de potencia que se define como la rapidez con que se
realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo, medida en vatios. El
término de caballo de fuerza es una invención de J. Watt en 1782. Supuso que un
caballo era capaz de jalar un peso de 180 libras y que sujeto a un malacate,
daba 150 vueltas por hora recorriendo en 2.5 minutos un círculo de 24 pies de
diámetro, lo cual rinde un trabajo que, haciendo las transformaciones de
unidades pertinentes, resulta en 745 vatios. ¿Cuántos caballos de fuerza tiene
su automóvil? Compare ese valor con un pistón de 1712 que poseía un cilindro de
0.5 m de diámetro y 2 m de largo capaz de producir 12 golpes por minuto, si le
aplicamos los cálculos que conocemos actualmente, el "poderoso"
aparato daba alrededor de 5.5 caballos de fuerza.
Cuando
aludimos a las fuentes de energía, nos referimos a su origen. Una fuente de
energía como la que se obtiene del petróleo puede producir energía calorífica,
mecánica, química o eléctrica. Cuando hablamos de fuentes implícitamente
decimos que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser
humano puede utilizar para sus actividades. Existen los siguientes tipos de
fuentes de energía según su origen y aprovechamiento:
1) Energía
del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para
posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando
la energía que proporcionan el petróleo, gas o el carbón se obtiene en grandes
cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales
termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes, la energía se
transforma en cinética o mecánica o bien en energía calorífica cuando se trata
de un calentador o una estufa.
2) Energía
hidráulica. Para
producirla se aprovechan las caídas del agua, por lo tanto se trata de energía
potencial. Los griegos fueron los primeros en usarla, por medio de la rueda
hidráulica para bombear agua que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. La energía hidráulica es
energía mecánica, primero potencial y después cinética.
3) Energía
nuclear. Es la que
une el núcleo de los átomos. Se transforma primero en energía calorífica y
ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica. Los protones y los neutrones
constituyen el llamado núcleo de los átomos y los electrones gravitan a su
alrededor. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, su núcleo se rompe o se
fisiona liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse
puede emitir también neutrones y si éstos son dos o tres, chocarán con otros
átomos produciéndose una reacción en cadena que produce la energía nuclear.
4) Energía
geotérmica. Desde
tiempos remotos, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines.
En México, el temascal se utilizó desde la época precolombina. Existen pozos
geotérmicos, es decir, formaciones rocosas que han atrapado agua y ésta se
calienta por la temperatura de la Tierra pudiendo estar en forma de vapor, de
mezcla vapor-líquido o líquido caliente.
5) Energía
solar. La
constituye la radiación solar y se emplea para producir calor o electricidad.
Una forma de aprovechar la energía del Sol es mediante los llamados colectores,
que convierten la energía solar en calor. En nuestro país existen regiones en
Sonora y Baja California con altísimos promedios de radiación por año donde es
posible construir centrales de energía solar para satisfacer la demanda local.
6) Energía
eólica. Es la que
utiliza la energía cinética de los vientos, puede aprovecharse como tal o
convertirse en electricidad. Uno de sus primeros usos fue hace unos 3 500 años
cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Una aplicación
familiar son los molinos de viento, cuya historia se remonta a la antigua
Persia y que han sido usados para bombear agua y moler granos.
7) Energía
de la biomasa. Resulta de
la materia viva y los desechos orgánicos cuando se les usa como combustible,
por lo tanto se trata de energía química que se puede transformar en cualquier
forma de energía. En el uso de la biomasa como fuente energética se emplean
principalmente árboles, plantas, desechos animales y vegetales. El ejemplo más
conocido de utilización de la biomasa es la madera.
Pudiera uno
pensar que en un principio las carreteras pavimentadas se construyeron
atendiendo al uso del automóvil, pero fueron construidas para atender los
vehículos tirados por caballos, En un trabajo de 1974 escrito por E. Montroll y
W. Badger se llegó a la conclusión que de haberse seguido construyendo
carreteras con este fin se hubiera producido un desastre ecológico, aunque
desde el punto de vista tecnológico el carro era una innovación tecnológica
maravillosa. Veamos los cálculos de estos autores. El que se refiere a
desperdicio sólido se basa en el cálculo de una producción promedio de 16 kg
por día con un recorrido de 40 km diarios, mientras que el cálculo para los
contaminantes líquidos se basa en suponer unos 7.5 kg por día para una travesía
de 40 km diarios. Se consideran los estándares que prevalecían en 1980.
|
contaminante
|
emisiones en gramos por kg
|
|
|
caballos
|
sólidos
|
400
|
|
|
líquidos
|
188
|
|
automóviles
|
hidrocarburos
|
0.16
|
|
|
monóxido
de carbono
|
2.9
|
|
|
óxidos de
nitrógeno
|
0.25
|
En 1950 circulaban en el mundo 53 millones de
automóviles; para 1988 la cantidad total de vehículos excedió los 500 millones
y en 1990 se calculaba que circulaban 675 millones de vehículos, de los cuales
los automóviles representan 65%, los camiones ligeros 15%, las motocicletas 15%
y el resto camiones pesados. Desde 1950 el promedio anual de crecimiento ha
sido de 9.5 millones, es decir 5.9% anual. Para acabar con las estadísticas
diremos que la población de vehículos ha crecido más rápidamente que la humana.
Para el año 2000 se espera que en los países desarrollados dicho crecimiento no
se incremente notablemente, pero este patrón no será el mismo para el resto del
mundo donde se espera mayor crecimiento de la población y mayor urbanización.
Esto lleva a predecir que la flota de vehículos alcanzará 900 millones de
unidades en 2010. Más grave es la cifra que nos expresa el número de kilómetros
recorridos por vehículos de motor anuales: 8 000 000 000 000. ¿A qué se debe
esto?
La respuesta
se relaciona con el incremento de la urbanización. Las ciudades crecen más
horizontal que verticalmente, lo que provoca que las tierras rurales pasen a
ser urbanas. La distancia de los lugares residenciales al centro del comercio
de las ciudades crece, e induce a que el número de kilómetros recorridos
también crezca.
El crudo y
sus derivados se han convertido desde el inicio de su explotación en la fuente
energética primaria de mayor importancia. En 1991 de los 57 232 millones de barriles
de petróleo equivalente, es decir energía expresada como barriles de petróleo,
41% provino del crudo, 22% del gas y el resto de otras formas de energía como
la nuclear, la hidráulica y la geotérmica.
En México
para el mismo año, las proporciones son todavía más dependientes del crudo: de
883 millones de barriles, 61 % proviene del crudo, 29% del gas y 10% de otros
(figura 20).
En el
pasado, la gasolina era considerada un producto secundario de los procesos de
refinación, y su obtención carecía de importancia. Ahora es el producto
principal que mueve al transporte en el mundo. Para México, la figura 21 nos
muestra el consumo nacional de energía destinado al transporte.
En 1994 se
consumieron 502 000 barriles diarios que seguramente llegarán a 586 000 en
2005, como se muestra en la figura 22. En el mundo, en 1994, se consumieron 800
millones de toneladas.
¿Por qué
hacemos tanto hincapié en el consumo de gasolina? La explicación tiene que ver
con el desperdicio que se genera en un coche por la poca eficiencia de la
combustión, que es uno de los grandes motivos de investigación en el mundo, ya
que se trata de elevarla al máximo.
La energía
obtenida del carbón, petróleo, gas, biomasa, energía hidráulica y calor
generado en un reactor nuclear es la energía primaria, que no se utiliza
en forma directa sino trasformada en energía secundaria. La ventaja de
ésta es que tiene una amplia gama de utilización y comodidad de uso:
electricidad, gasolina, gas avión, etc. La energía secundaria se suministra
como energía final y otra parte es rechazada y devuelta a la naturaleza
como "calor residual". Las consideraciones acerca de la eficiencia energética
se centran en la que se deriva de la explotación, transporte y tratamiento de
la energía primaria para su conversión, almacenaje de la secundaria, sistemas
de distribución, redes de transporte y, finalmente, en la transformación útil
para el consumo final, y en los medios de conversión como focos, cocinas o
motores de vehículos.
Figura 20. Comparación del consumo de energía primaria
en México vs otros lugares del mundo. Millones de barriles de petróleo
equivalentes.
Antes de
seguir con los motores, veamos una máquina popular, la bicicleta, muy popular
en todo el mundo. Los científicos la estudian intrigados por lo simple de su
tecnología, su gran eficiencia y su equilibrio. Su pariente más lejano es la
rueda, inventada hace unos 5 000 años. Fue Harry Lawson, en 1879, quien la
diseñó tal como la conocemos: transmisión por cadena, piñones y cuadro. ¿Hay
algo interesante que decir acerca de la bicicleta a más de un siglo de creada?
Parece que no, pero hay un punto de sumo interés: resulta que la bici es uno de
los medios de transporte con más alto rendimiento energético. La energía que
gasta un individuo, animal o vehículo para desplazarse depende de la velocidad
con que lo hace, pero uno puede comparar los diferentes movimientos con la
velocidad habitual promedio. Cuando uno realiza esos cálculos resulta que
comparados entre sí, por kilómetro y gramo transportado, los menos eficientes
son la serpiente, la rata, la mosca, seguidas del conejo, helicóptero, avión,
el hombre, el caballo, el automóvil y el salmón. Un ciclista gasta cinco veces
menos energía (0. 15 calorías por gramo y kilómetro recorrido) que un marchista
(0.75 calorías/km y gramo). ¿Por qué? Para contestar esto debemos pensar en la
potencia que la máquina humana puede dar y cómo se usa.
La
combustión en un auto es muy diferente de las combustiones simples y continuas
que se suceden en otro tipo de aparatos como las turbinas de gas. Es
intermitente y se da bajo condiciones complejas y variables. La eficiencia de
la combustión es muy sensible a la calidad del carburante y éste depende a su
vez en forma estrecha de las condiciones de operación.
Para
destacar la importancia del adelanto técnico, diremos que en el siglo X el enganchar la collera en los
homóplatos de los animales de tiro los salvó de la semiasfixia que les producía
llevarla al cuello. En los vehículos automotores, la energía química contenida
en los combustibles se transforma en movimiento y como subproducto se genera
calor y gases de combustión. Es importante hacer notar que el contenido
energético teórico de la gasolina al ser quemada en presencia del aire, está
relacionado directamente con el contenido de carbono e hidrógeno. La energía es
liberada cuando el hidrógeno y el carbono son oxidados (quemados) para formar
agua y bióxido de carbono. El octano de la gasolina no está relacionado con el
contenido energético y son sólo los hidrocarburos presentes en la mezcla los
que determinan la liberación de energía y que no se produzcan detonaciones
indeseables. Las dos reacciones importantes son:
H2 + 1/2 O2 ® H2O
La masa o
volumen de aire requerido para proveer suficiente oxígeno con el cual se
alcance la combustión completa es un valor preciso. Pueden darse dos
condiciones, la primera que la cantidad de aire sea insuficiente, los
científicos hablan entonces de que la mezcla es "rica"; la segunda,
que se da cuando la masa es excesiva, se dice entonces que la mezcla es
"deficiente". Como regla, un auto funciona con el máximo de potencia
cuando la mezcla es ligeramente "rica" pero la economía de
combustible se alcanza en mezcla "deficiente". El contenido
energético o poder calorífico de la gasolina se mide quemando todo el
combustible dentro de una bomba calorimétrica y midiendo el incremento de
temperatura. Al instrumento se añade una cantidad pesada de la muestra, la cual
se quema en una atmósfera de oxígeno puro empleando una resistencia eléctrica
para calentar. El recipiente está cerrado e inmerso en un baño de agua. Se mide
la elevación de la temperatura que se genera, de la cual se calcula el calor de
combustión. La energía disponible depende de lo que suceda al agua producida
durante la oxidación del hidrógeno. Si permanece en estado gaseoso, no puede
liberar el calor de vaporización, por lo tanto produce el valor calorífico
neto.
C7H16 +11O2 = 7CO2
+ 8H2O
1 volumen de
heptano requiere de 11 de oxígeno o bien de 52.5 volúmenes de aire y en el
proceso se generan 11489.9 Kcal/kg. Si consideramos los datos sobre la base de
masa, lo anterior equivale a una relación aire-carburante de 1.5:1. Una parte
de la gasolina, dado que difiere del heptano en su relación carbonohidrógeno, requiere
aproximadamente 14.5 partes en peso de aire para realizar la combustión
completa, aunque la estequiometría exacta dependerá de la composición del
carburante. Hablando en términos generales podemos decir que para una gasolina
constituida puramente por hidrocarburos, si la relación aire-carburante es
menor, de 7:1, la mezcla será demasiado rica para hacer combustión, y si es más
de 20:1 no podrá hacerlo. Volviendo al calor de combustión, en el caso de los
automóviles el poder calorífico neto es el que debe emplearse dado que el agua
es emitida en forma de vapor. La máquina no puede utilizar la energía adicional
disponible cuando el vapor se condensa nuevamente en agua líquida. El poder
calorífico es entonces la máxima energía que puede obtenerse del combustible
cuando se le quema, pero tomen aliento y asimilen el siguiente dato: en un
automóvil moderno que emplea bujías para la ignición de la gasolina, la
eficiencia mecánica fluctúa entre 20 y 40%, el resto se pierde en forma de
calor.
Los motores
Diesel tienen mayor eficiencia en un amplio rango de condiciones de operación.
En el valle de México, la quema de combustibles en motores de combustión
interna es todavía menos eficiente debido a la baja presión atmosférica y la
deficiencia en la concentración de oxígeno en el aire. Recuérdese que el aire
está compuesto por 78% de nitrógeno, 21 % de oxígeno y 1 % de otros gases. En
sitios elevados el aire contiene menos oxígeno por unidad de volumen que a
nivel del mar por su menor densidad al ser más baja la presión atmosférica.
Cuando la
gasolina se mezcla con el oxígeno se producen reacciones aún antes de que la
mezcla llegue a la cámara de combustión y persisten cuando se ha llevado a cabo
y el frente de la llama avanza. Lógicamente esto determinará que el carburante
se queme "normalmente" o dé pie a combustiones "anormales"
como el cascabeleo o la preignición. La combustión normal ocurre cuando el
frente de la llama se mueve suavemente pero en cierta manera lo hace de forma
irregular al cruzar la cámara de combustión una vez encendida por la chispa.
El
movimiento irregular se debe a la turbulencia y a la falta de mezcla perfecta.
Aun cuando la combustión se lleve a cabo normalmente, todas las máquinas
tienden a mostrar variaciones en la presión máxima que puede alcanzar el
cilindro y la velocidad de aumento de dicha presión de un ciclo a otro,
dispersión que ocurre a pesar de los controles estrictos que se tienen durante
las condiciones de movimiento. Se cree que lo anterior se debe a variaciones en
la turbulencia durante los ciclos que influyen sobre la velocidad de la llama
en la cámara de combustión. Si estas dispersiones se minimizan será posible
aumentar la eficiencia del uso del combustible.
El
cascabeleo o golpeteo es una de las formas más importantes de la combustión
anormal y determina en cierto grado la eficiencia térmica que se puede obtener
de un motor. Entre mayor es la relación de compresión, mejor la eficiencia
térmica, pero aumenta también la tendencia al cascabeleo, razón por la cual se
requiere de un carburante de un octano apropiado. Al retardarse el tiempo de
ignición, la tendencia del cascabeleo es a disminuir ( y viceversa) pero más
allá de cierto límite la potencia del automóvil se afecta notablemente. El cascabeleo
continúa siendo uno de los aspectos más importantes que se toman en cuenta para
el diseño de los autos y poder escoger la gasolina apropiada, pero muchos
fenómenos son aún entendidos parcialmente.
Veamos
algunas de las características que se exige a una gasolina a fin de satisfacer
las necesidades de millones de automóviles de cientos de marcas, modelos y
años.
El índice de
anticascabeleo. Antes de 1929, los carburantes se clasificaban en una máquina
monocilíndrica, en la que el cociente de compresión podía variarse entre 2.7:1
hasta 8:1. Cada carburante se experimentaba empleando diferentes relaciones
aire/combustible y tiempos de ignición variados, buscándose determinar el
máximo de potencia y la relación de compresión más elevada. El valor obtenido
se llamaba algo así como "cociente de compresión útil" que se refería
al valor obtenido con el tolueno.
La gasolina
se clasifica en primera instancia de acuerdo con el índice de anticascabeleo,
que es una medida del octano. El cascabeleo (golpeteo) se origina por la
dirección opuesta de dos frentes de llama: el debido a la explosión anticipada
del combustible por encontrarse a elevada temperatura y el que produce la
bujía. Como resultado de la dirección opuesta de ambos frentes se producen las
vibraciones.
La medida de
habilidad de un combustible para resistir la autoignición bajo un incremento de
presión es el octano. La eficiencia de un automóvil encendido por una chispa se
relaciona con la relación de compresión. Cualquier "detonación"
causada por el carburante destruirá rápidamente los elementos mecánicos del
motor. Desde 1912 los automóviles cuya ignición del combustible se inicia
mediante la chispa de una bujía siempre se han visto limitados por los
"cascabeleos" indeseables, es este sonido una descripción justa
cuando el automóvil emplea gasolina de bajo octano. Thomas Midgley descubrió
que las detonaciones se debían al aumento brusco de la presión una vez que se
llevaba a cabo la ignición. En 1926 Graham Edgar sugirió que dos hidrocarburos
que podían producirse en cantidad suficiente y de alta pureza fueran utilizados
para desarrollar una escala, que en aquel tiempo iba de 0 a 100. Los primeros
resultados se publicaron en 1929 y la industria sigue usando este método y los
mismos patrones para las comparaciones. Dos parafinas de propiedades físicas
similares fueron escogidas, una es el heptano normal, es decir el hidrocarburo
lineal de siete átomos de carbono con sus correspondientes hidrógenos que,
además, provoca muchas detonaciones. El cien de la escala es el llamado
isooctano que químicamente hablando tiene el solemne nombre de 2,4,4,
trimetil-pentano, es decir, un hidrocarburo de ocho carbones ramificado y cuya
fórmula ilustramos a continuación y que resultaba ser una sustancia de muy baja
resistencia al cascabeleo:
El número de octano de un carburante RON o MON, iniciales de Research Octane Number (número
de octano de investigación), y Motor Octane Number (número de octano de
motor), es el porcentaje en volumen de isooctano que está mezclado con el
heptano lineal y que muestra las mismas propiedades antidetonantes que un
carburante de prueba medidas en la máquina bajo las condiciones controladas.
En los años
treinta se observó que no era posible correlacionar los resultados que se
obtenían en el laboratorio con los del automóvil en la carretera o los que
resultaban del manejo en la ciudad en donde las condiciones varían mucho. En
general el RON, grosso
modo, correlaciona la habilidad antidetonante del motor conducido a baja
velocidad en un coche de poco peso debido a la carga que transporta. Si el RON es muy bajo, se darán cascabeleos y
detonaciones al apagar el motor. Mientras que el MON relaciona la capacidad antidetonante del auto cuando
está sujeto a las altas velocidades y en condiciones severas de manejo, como al
subir por caminos empinados o adelantar a un coche en donde se requiere
rápidamente de potencia. Entre los años treinta y sesenta predominó el método RON por ser el más cercano al octano
necesario para el tipo de vehículos y carreteras disponibles. Una de las
propiedades de una gasolina actual se especifica por el "índice de
anticascabeleo" que se extrae de la siguiente fórmula:
El RON es de ocho a diez números mayor que
el MON, así la
gasolina de 87 octanos tiene un MON de 82 y un RON de 92. Cada automóvil está
construido para trabajar a un cierto número de octano, número que se ve
afectado por factores de diseño y condiciones propias del uso, veamos:
|
Algunos
factores de diseño/operación
|
Factores
externos
|
|
Relación
decompresión
|
Presión
barométrica/ altitud
|
|
Tiempo de
ignición
|
Temperatura
|
|
Relación
aire/ carburante
|
Humedad
|
|
Temperatura
de combustión
|
Depósitos
en la cámara de combustión
|
|
Diseño de
la cámara de combustión
|
|
|
Recirculación
de gases de escape
|
|
2) Sensibilidad. El valor resultante de restar el RON del MON se llama sensibilidad. Para dos carburantes del
mismo RON, una
gasolina con mayor sensibilidad tendrá un MON menor. Lo que representa este valor es la capacidad
que tiene la gasolina para soportar cambios en la severidad de las condiciones
de operación de la máquina en términos de su capacidad antidetonante. Esto lo
ilustramos para su mejor comprensión en la figura 23 en donde se muestra el
número de octano en función de la severidad a la que se somete la máquina. Como
se observa, describimos el comportamiento de tres carburantes, el A que tiene
un alto RON y baja
sensibilidad, el B con un RON de 96 pero
alta sensibilidad y el C con bajo RON de 84 pero
muy baja sensibilidad. Se puede observar que si la máquina funciona a la
severidad marcada con X, el carburante B funciona mejor que el A si bien tiene
menores RON y MON. De manera semejante, si el
vehículo opera en la severidad marcada B, el carburante C es mejor que el B si
bien tiene, como en el otro caso, menor RON y MON. Por
supuesto que en los niveles de severidad que ocurren en la mayoría de los
vehículos, el carburante A es mejor que el B y éste mejor que el C.
La
estructura química de los hidrocarburos tiene gran influencia en la calidad del
octano. En la figura 24 podemos apreciar más claramente este efecto. La
introducción de una doble ligadura en un hidrocarburo de cadena lineal, para
generar una olefina, tiene un efecto importante ya que incrementa el RON si bien el MON no lo hace tanto (compárese en dicha figura los
valores del pentano lineal y del 1-penteno). Como sabemos, los procesos de
desintegración catalítica producen muchos compuestos olefínicos, por lo tanto
el proceso genera productos de alta sensibilidad. De manera similar, los
compuestos ramificados tienen mayor calidad de octano respecto a los lineales,
datos que se pueden comparar entre el hexano lineal con el 2 metil pentano y el
2,2 dimetilbutano, todos tienen el mismo número de carbones y de átomos de
hidrógeno, pero tanto el RON como el MON aumentan conforme se incrementa el
grado de ramificación, siendo la sensibilidad de todos ellos muy baja. Como se
ve en la figura, los compuestos cíclicos saturados, los naftenos como el
ciclohexano, pueden tener mayor nivel de octano que el compuesto lineal, en
este caso el hexano, pero la sensibilidad es intermedia. Los compuestos
aromáticos como el benceno tienen elevados valores de octano pero una relativa
alta sensibilidad.
Con estos
valores podemos relacionar los procesos de transformación de hidrocarburos con
las sensibilidades obtenidas de ellos, comenzando por la que proviene
directamente del crudo, veamos:
|
tipo de
corte de gasolina
|
RON + MON/2
|
|
gasolina
atmosférica
|
70
|
|
gasolina
catalítica
|
86.2
|
|
producto
de reformación de naftas
|
89.9
|
|
producto
de alquilación
|
92.5
|
En la refinería
se cuenta con diversas corrientes para hacer las mezclas apropiadas y dar las
especificaciones de octanaje. Los números de octano de mezclado son reales,
ajustados para ganancias adicionales en el mezclado y se pueden ponderar
linealmente. Y he aquí un ejemplo en el que utilizamos los datos anteriores.
Imagine que se desea hacer gasolina de 87 octanos y llegan 5 millones de
barriles por día de gasolina atmosférica, 17 de catalítica, 3 de alquilado y
nos preguntan: ¿cuánto le añadimos de gasolina de reformación? Simple:
La
determinación del número de octano se realiza en una máquina que posee un solo
cilindro y la relación de compresión se puede variar. El pistón se encuentra en
la parte superior introduciéndose en el cilindro. Durante la carrera
descendente se añade el combustible, permaneciendo abierta la válvula de
admisión y cerrada la de escape. La razón de compresión representa al cociente
de los volúmenes máximo y mínimo que ocupa el aire en el cilindro. Para evaluar
un combustible se ajusta la razón de compresión de manera que el número de
golpeteos, señal que es amplificada y medida en una escala de 0 a 100, sea de
un valor aproximado de 50. Se preparan mezclas variables de
n-heptano/isooctano. La válvula de admisión se cierra y al elevarse el pistón
genera la compresión de la mezcla. En el extremo de esta carrera, una chispa
inflama la mezcla. El pistón es empujado hacia abajo al expandirse los gases
resultantes de la combustión. Ésta es la carrera de trabajo que al terminar
abre la válvula de escape. La presión dentro del cilindro disminuye y al
levantarse durante su carrera de escape, obliga a salir a los gases que quedan.
Con los valores obtenidos se realiza la prueba con la muestra en estudio y su
número de octano en función del total de golpeteos se obtiene de una gráfica de
interpolación.
Las
necesidades de octano de una marca y hasta de un modelo de auto en particular
reaccionan en forma diferente a los octanos necesarios para estar exentos de
cascabeleos y detonaciones indeseables. Tanto los refinadores como los
productores de automóviles deben estar en permanente comunicación y
experimentación conjunta para conocer cuáles son las necesidades de octanaje de
los vehículos, tanto en condiciones normales de manejo como las malas. Nada se
gana si se producen autos que requieren un alto octanaje que no está en el
mercado. Un automóvil nuevo debe experimentarse por lo menos con diez muestras
diferentes de gasolina de octano variable. Para estimar las necesidades de
octano de un auto nuevo las pruebas se realizan entre varios países,
empleándose un carburante de referencia al cual se le incrementa el número de RON a partir del valor más bajo
disponible en el mercado, por ejemplo de 80 hasta 100 octanos. Muchos autos
modernos están equipados con un sensor al golpeteo, generalmente colocado en la
cabeza del cilindro y al detectar frecuencias de sonido que están en el rango
del golpeteo, activan un mecanismo por el cual se reduce el requerimento de octano
del vehículo. Se preguntará el lector, ¿cómo se puede reducir esta necesidad de
octanaje? Pues retardando el tiempo de ignición y como el refinamiento de
algunos autos es cada día mayor se podrá obtener mayor rendimiento del octanaje
que se recibe. Una creencia popular dice que con un mayor octanaje obtengo un
coche que funciona mejor: ¡falso! Es necesario añadir que una gasolina de mayor
octanaje no mejora nada. Otra, es que con mayor octanaje se obtiene ganancia en
la economía de combustible (más kilómetros por litro de gasolina): ¡falso!, la
economía la determinan otras variables como la energía que provee el
combustible. Hay que notar que dos gasolinas de idéntico octanaje pueden tener
contenidos energéticos diferentes debido a que su composición es diferente.
Desde el
invento del automóvil, uno de los problemas principales que enfrentaron los
fabricantes fue el cascabeleo. Este problema se centró en buscar aditivos que
pudieran añadirse a la gasolina o la querosina y previnierán la destrucción
mecánica del auto. A principios de siglo las baterías de la investigación se
centraron en resolver el problema de los autos, si bien se necesitaba también
una gasolina de alto octanaje urgentemente una vez que los estadunidenses entraron
en la primera Guerra Mundial. Todo fue evaluado, incluso la mantequilla
derretida. Originalmente, el yodo fue el mejor antidetonante disponible, pero
desde el punto de vista operativo no era práctica su adición y por lo tanto se
dejó en el olvido. En 1919 la anilina mostró mayores propiedades antidetonantes
y ya era componente fundamental en la industria textil. La anilina se extrae
del alquitrán de hulla pero se fabrica haciendo reaccionar el benceno con ácido
nítrico. Thomas Midgley Jr., quien descubrió la causa que producía las
detonaciones en los motores, encabezó un grupo de científicos que en 1922
descubrieron el principal componente para aumentar el octanaje de la gasolina y
evitar el cascabeleo. Midgley encontró que el platino, la plata y el plomo evitaban
las reacciones que generaban el cascabeleo. Entre una serie de compuestos halló
el óptimo: el tetraetilo de plomo (TEL), sustancia
que tiene una parte orgánica, cuatro grupos etilo y una inorgánica, el plomo.
El tetraetilo de plomo al quemarse deja una capa de plomo metálico que es
necesario eliminar, pues de acumularse ocluiría el escape. Se desarrollaron
compuestos orgánicos que en su molécula contenían grupos cloro, como el
dicloro-etileno. Los átomos de cloro reaccionan con el plomo formando un
compuesto volátil que escapa con los gases de escape. El TEL cumplía además con otros requisitos: es soluble en la
gasolina, se vaporiza con ésta y se descompone a las temperaturas de operación
dentro del cilindro produciendo átomos de plomo que se adhieren formando plomo
y oxígeno con lo cual hacen más lentas las reacciones que generan el
cascabeleo. La cantidad que se añade de estos compuestos está en función del
contenido de plomo de la gasolina. El TEL se convirtió rápidamente en el método más efectivo de
elevar el octanaje de la gasolina; sin embargo, desde un principio hubo voces
de eminentes científicos que hicieron campaña contra su uso aduciendo su
toxicidad y la peligrosidad en su manufactura que causó varios accidentes en
las fábricas donde se producía. En 1925 el Servicio de Salud Pública de los
Estados Unidos inició una campaña de investigación para saber si el uso del
aditivo era nocivo. Durante la investigación se suspendió la adición del
tetraetilo pero, al no encontrarse aparentemente nada nocivo, se reinició en
1926 bajo duras protestas de la prensa.
El TEL ha sido uno de los primeros
componentes cuya concentración se ha reducido y en muchos casos se ha eliminado
de la gasolina. El TEL aumentaba
notablemente la eficiencia de las máquinas y disminuía el precio de la
gasolina. Veamos un par de ejemplos de su influencia sobre el octanaje
(expresado en RON), el
primero para una corriente proveniente de la reformación de nafta y el segundo
la que tiene sobre una gasolina extraída con el crudo.
De los datos se puede llegar a la conclusión, primero
de que el mayor beneficio se obtiene con las corrientes de refinería de bajo
índice de octano, pero en segundo término se llega a un punto en el cual la
adición de TEL ya no lo
provoca. Esto es una demostración del concepto de sensibilidad de que hablamos
anteriormente.
También se
puede apreciar que por ejemplo la adición de 0.7g/1 de TEL da un RON de 102.5, es
decir que es mayor al que provee el isooctano puro al que por definición le
hemos dado un valor de 100. Una consideración importante que debemos anotar es
que los automóviles anteriores a 1971, así como ciertos equipos de agricultura
y marinos no tienen los asientos de las válvulas endurecidos. En estos
vehículos el contacto metálico entre la válvula y el asiento se previene
creando una capa protectora de óxido de plomo como ya se mencionó. Los usuarios
de estos vehículos deben buscar aditivos que sustituyan al plomo si no quieren
tener problemas con su máquina.
¿Qué hacer
con la gasolina sin plomo? Es claro que al irse eliminando el plomo de la
gasolina debido a su toxicidad, el refinador requiere de mayor energía para
obtener el mismo volumen de gasolina con la misma calidad de octanaje. Si bien
mantener un alto índice de octanaje permite a los fabricantes de autos emplear
altas relaciones de compresión y por ende obtener mayor eficiencia, lo anterior
no tiene sentido si en la refinería existen pérdidas. El costo de mejorar el
octanaje tiene que ser absorbido por la refinadora o ser pagado por el usuario.
Muchos estudios se han realizado en los países donde todavía se añade TEL para mejorar la economía del
vehículo al incrementar la relación de compresión con la cantidad de petróleo
crudo que se consume para producir un volumen dado de gasolina con diferentes
calidades de octanaje y niveles de plomo. La combinación de estos factores
arrojan que 0.4 gramos por litro de TEL son
suficientes para una gasolina de RON 96, 0.15g/1
para un RON de 95.5 y
por último para una gasolina sin plomo, el óptimo era de 94.5 de RON.
¿Qué otros
aditivos para octano existen? Cuando los científicos llegaron a la conclusión de
que el TEL era dañino
para la salud, se investigaron otros compuestos organometálicos que aumentaran
el octano. El más famoso es el MMT, siglas del
metilciclopentadienil tricarbonil manganeso, desarrollado entre 1953 y 1958;
compuesto que tiene una parte orgánica y otra inorgánica, el manganeso. Ha sido
empleado en varios países del mundo e inicialmente en mezcla con el plomo. Su
uso tiene dos funciones: como antidetonante y para aumentar el octanaje. Sólo
se puede emplear en bajas concentraciones (0.016 gramos de manganeso por litro
de gasolina) debido a que, supuestamente, el carburante presenta problemas de
estabilidad, se dice que crea depósitos en la máquina y su respuesta al
incremento de concentración llega a un límite. Por otra parte, el MMT muestra el efecto de aumentar el
octanaje en presencia de plomo en muchos carburantes, particularmente cuando
son parafínicos. Otros aditivos se fabrican a base de hierro y níquel asociados
con una molécula orgánica, pero su uso ha sido limitado. El de hierro se empleó
por 1930, y más recientemente en concentraciones mucho más bajas, del orden de
30 partes por millón, pero persisten los problemas de daños en los autos aún no
resueltos.
Los aditivos
orgánicos. Muchas de
las características indeseables de los aditivos de octanaje las genera la
tendencia a dejar depósitos en la máquina después de la combustión. Por el
contrario, los aditivos orgánicos no dejan cenizas y siempre se han considerado
de interés para la industria; de hecho los primeros que se emplearon fueron las
aminas aromáticas. Una de las más empleadas es la n-metilanilina, cuya fórmula
mostramos en la página siguiente. El 1 % en volumen de esta molécula orgánica
produce una actividad similar a la de 0.1 gramos de plomo por litro de
gasolina, lo que significa que su relación costo/eficiencia es menor que la del
plomo. A pesar de que muchos de estos compuestos se han descartado, existen
otros que no dejan cenizas y que han probado ser muy valiosos en términos de su
capacidad para disminuir el cascabeleo. Son los compuestos oxigenados, los
alcoholes y éteres, de los que se hablará más adelante.
Si quieres octano, ve al ropero de la abuelita. Durante la
segunda Guerra Mundial se dijo que las bolas de naftalina aumentaban el
octanaje, cuando el naftaleno se usó como ingrediente activo. Éste sí
incrementa el octanaje cuando se añaden a la gasolina cantidades importantes de
él, pero tiene efectos adversos. El primero es su punto de fusión (80°C ) que
hace que cuando el carburante se evapora, el naftaleno se precipita bloqueando
los filtros. Un problema adicional es que las bolitas modernas no se elaboran
de naftaleno sino de una variedad del benceno que contiene cloro, cuya
combustión puede generar productos muy nocivos.
Otras
historias del octanaje. Durante la segunda Guerra Mundial, aumentar la
potencia de los aviones era materia de permanente estudio. Se había medido que
un avión DC-3 al usar una gasolina de octano 100 en lugar de una de 87,
incrementaba 12% su velocidad de crucero, 40% la de elevación, podía volar 20%
más alto y con 40% más de carga. Hemos dicho que entre más ramificada es la
cadena de hidrocarburo, mayor es el octanaje. En 1926 los laboratorios de la
General Motors demostraron que el triptano, tenía un alto índice de octanaje.
En 1943 se construyó una planta química para su producción y el hidrocarburo se
evaluó encontrándose que cuando se le añadía tetraetilo de plomo, la
sensibilidad era muy elevada y la potencia de las máquinas se multiplicaba por
cuatro mientras que había 25% de mejora en la economía de combustible al
compararse al isooctano. ¿Por qué se dejó de producir? Dos razones, su síntesis
era muy cara y pronto aparecieron los aviones a turbina que hubieran requerido
cambios considerables de diseño para que funcionaran.
¿ Y los aviones? Durante la segunda Guerra se creó
una enorme demanda de gasolina para los aviones de combate que necesitaban 100
índices de octano para alcanzar la potencia necesaria. Esto se resolvió
empleando gasolina proveniente del proceso de alquilación y añadiendo altas concentraciones
de TEL. Para esta
gasolina se emplean los mismos métodos analíticos utilizados en los automóviles
salvo que el número de RON obtenido no
corresponde exactamente al de los autos. Los números van de 80 a 115 empleando
tablas de equivalencias. Entre 80 y 100 los valores de número de aviación
son generalmente uno o dos números de octano diferente al de los autos, pero de
100 en adelante si hay cambios importantes en la numeración que refleja ahora
lo que se llama número de actuación que se determina en una versión
especial de máquina en la que se mantiene constante la relación de compresión.
•
Volatilidad de la gasolina. La capacidad de vaporización de la gasolina se llama
volatilidad. Este parámetro es muy importante ya que pueden darse dos tipos de
fenómenos dependiendo si la volatilidad es baja o muy alta. Si la gasolina no
es lo suficientemente volátil (algo común en los años sesenta), el encendido
del motor se dificulta, la temperatura de operación del motor es baja lo que
trae como consecuencia que la distribución del carburante en el cilindro no sea
homogénea y se incrementen los depósitos nocivos por todos lados. Si por el
contrario es muy volátil (típico de los años ochenta) se vaporiza muy
rápidamente y ebulle en las bombas que la transportan al carburador, y dentro
de él las temperaturas son elevadas. Tanto vapor formado trae como consecuencia
que se pierda poder, el coche se "ahogue" y de plano se pare, sin
mencionar que el bolsillo del usuario se ve afectado por las pérdidas debidas a
la evaporación. En los países donde las condiciones atmosféricas difieren mucho
en el curso del año, la gasolina se formula de manera que en el invierno la
velocidad de vaporización sea rápida y lenta en el verano. Existen tres
parámetros para establecer los límites de volatilidad: relación vapor-líquido,
presión de vapor y destilación. La relación vapor-líquido es una prueba que
determina la temperatura requerida para crear una relación vapor-líquido de 20.
Los carburantes más volátiles requieren de menor temperatura para llegar a este
cociente, mientras que los carburantes de componentes más pesados requieren,
obviamente, mayor temperatura. La prueba de presión de vapor se puede llevar a
cabo con varios equipos de laboratorio, uno de los métodos más comunes es el método
Reid. El equipo en el que se mide este parámetro, que dependerá de la
temperatura a la cual se encuentra la gasolina, comprende un recipiente en el
que se coloca la muestra, una cámara de aire de más o menos cuatro veces el
volumen del recipiente, un baño a temperatura constante y un medidor de presión
o manómetro. Se llena la cámara con la muestra y se conecta a la cámara de
aire. El conjunto se agita periódicamente y el manómetro es colocado en la
parte superior de la cámara de aire dando la lectura de una presión que se
estabiliza cuando el equilibrio se alcanza, figura 25.
El valor que
se obtiene es el de la tensión del vapor Reid de la gasolina que se expone en
gramos por centímetro cuadrado o libras por pulgada cuadrada. Así una gasolina
de 10 PVR tiene una
presión de vapor Reid de 10 libras/pulgada cuadrada o sea 703 g/cm². La prueba
de presión de vapor es muy importante ya que de manera indirecta indica el
contenido de productos muy volátiles que condicionan la seguridad en el
transporte, pérdidas en almacenamiento y volatilidad de la gasolina. Veamos un
ejemplo que se lleva a cabo en una refinería. Recordemos el proceso de
alquilación en el cual reaccionan las olefinas con isoparafinas, con lo cual se
hace crecer y ramificar la cadena de hidrocarburos. Generalmente el tipo de
producto que se obtiene está en el rango de las gasolinas y contribuye en forma
importante a su volumen. En la figura 26 se analizan valores de octano
obtenidos mediante el proceso y la presión de vapor Reid generada.
Aunque
muchos refinadores consideran la alquilación como un proceso generador de
octano, es en realidad un proceso que reduce la presión de vapor. Contrario al
octano, la presión de vapor Reid no es una función lineal. Debe usarse un
índice de mezclado para corregir la no linearidad: la presión de vapor de
mezclado (PVM) equivale a
la presión de vapor elevada a la potencia 1.25, dato que proviene de la
experimentación. Hay que tomar en consideración que el control final de la
presión de vapor se logra principalmente al reducir la concentración de butanos
y pentanos que se deja en la gasolina. Para calcular la cantidad de n-butano
que necesita para dar una presión de vapor Reid de 11.5:
La fórmula mágica nos dice que el volumen de la mezcla
multiplicado por el PVM de la misma
es igual al volumen en barriles multiplicado por el PVM
(48.3 + X)
(PVM) = 138.3X + 20.3 (5) + 3.62 (28.3) + 3 (6.74) + 17(3.67) X= 5.9 millones
de barriles diarios.
• La curva
de destilación. La prueba de destilación se emplea para determinar la volatilidad de la
gasolina en todo su rango de ebullición. La gasolina está compuesta de
diferentes ingredientes que se evaporan a diferentes temperaturas. Los más
volátiles se evaporarán a temperaturas menores. Hay que recordar que la
destilación es un proceso muy viejo del cual el hombre sigue sacando provecho.
El uso de ciertos objetos es permanente y, conceptualmente, siguen siendo
semejantes a los que usaban los alquimistas. Especial importancia tenía para
ellos el huevo filosofal, recipiente de vidrio de forma ovalada en el
cual se verificaban las transformaciones más interesantes, el horno que suministraba
el calor necesario y los alambiques. Su forma debía ser esférica y ovoide para
imitar el "cosmos esférico" cuya influencia astral contribuiría al
éxito de la Obra. El horno o atanor (del árabe al-tannur) era uno
especial de calcinación, con tres niveles: el horno propiamente dicho, una
cámara calórica con mirilla, el huevo filosofal iba en un lecho de cenizas
calientes que lo cubría, como un nido. El nivel superior remataba en cúpula
reverberante que concentraba el calor. María la Judía, alquimista alejandrina,
sustituyó la ceniza del atanor por una cazoleta con agua caliente, de ahí
procede calentar al "baño María". El proceso alquímico de cohobación
(destilar, condensar y volver a destilar, reiteradamente ) obligó a modificar
los primitivos alambiques, que se hicieron voluminosos y con formas extrañas.
Conforme la
gasolina se calienta, la temperatura a la cual varias fracciones se evaporan se
calculan pesándolas. Existen especificaciones que definen los porcentajes de
carburante que deben evaporarse. Los límites de destilación incluyen
temperaturas máximas a las cuales se debe evaporar el 10% (50-70°C), 50%
(110-120°C), 90% (185-190°C) y el punto máximo, que no debe exceder de 225
grados centígrados. El 10% de la gasolina evaporada debe ser suficiente para
proveer un arranque rápido del motor; la que se evapora al 50% debe ser lo
suficientemente baja para que no produzca problemas de calentamiento del motor
en climas fríos pero no lo suficiente como para producir el calentamiento de la
máquina. Esta porción de la gasolina afecta la economía en viajes cortos. Las
temperaturas de 90% y final de evaporación deben ser bajas para minimizar los
golpeteos y la formación de depósitos en la cámara de combustión. Nótese que
dos gasolinas con los mismos puntos de evaporación a 10, 50 y 90% pueden variar
en la economía de combustible debido a que existan diferencias de evaporación
en otros puntos de la curva de destilación. En México, la gasolina con plomo
tiene valores de 10, 50 y 90% en grados centígrados 70° 77°-121° y 190° con una
temperatura final de ebullición de 225°C.
El aparato
para realizar el experimento de destilación está compuesto de un balón de
destilación que se calienta y destila a una velocidad determinada. Los vapores
formados son condensados por medio de un tubo de cobre cubierto por una mezcla
de agua y hielo, y son recolectados en una probeta graduada. El operador anota
la temperatura de aparición de la primera gota de condensado a la salida del
tubo y ese es el punto inicial de la destilación. Luego la temperatura se va
elevando a medida que se destila el 5, 10, 20, 90, 95% del producto. Al final
la temperatura llega a un máximo y luego disminuye por la alteración térmica de
las últimas trazas del líquido en el balón. El máximo de la temperatura es el
punto final de la destilación. En la figura 27 se esquematiza el aparato y el
tipo de curva de destilación que se genera, la temperatura está expresada en
grados centígrados y el porcentaje recolectado en peso.
• Contenido
máximo de plomo. Este contenido máximo permisible es variable en cada país, el promedio
que generalmente se ha empleado para la gasolina con plomo es de 0.03 kg/m³. En
los países donde ya no se añade plomo a la gasolina, se observan en la práctica
valores mucho menores a 0.0026 kg/cm³.
• Contenido
máximo de azufre. El contenido excesivo de azufre puede incrementar las emisiones nocivas
así como los depósitos en la máquina; también puede generar compuestos ácidos
que reducen la eficiencia del aceite lubricante y sus aditivos, con lo cual se
disminuye la vida del motor. El azufre afecta gravemente los dispositivos
catalíticos que se incorporan a los vehículos para disminuir las emisiones de
gases parcialmente oxidados. Los compuestos de azufre se emiten como óxidos de
azufre, también sumamente nocivos al medio ambiente. Cuando se deja de
introducir azufre, el convertidor catalítico recupera su eficiencia. En la
gasolina con plomo en México el nivel de porcentaje de azufre en peso máximo es
de 0.15, mientras que en la gasolina sin plomo no debe rebasar 0.05% en peso
para la zona metropolitana del país.
•
Propiedades anticorrosivas. Si la gasolina se pone en contacto con una pequeña
tira de cobre, no debe ennegrecerla. Así se demuestra la inexistencia de
sustancias corrosivas, sobre todo las que se derivan de los compuestos de
azufre. Recuérdese que el azufre al ser quemado genera gases que atacan la
máquina y el medio ambiente.
• Tolerancia
al agua. El valor
está dado por la máxima temperatura que causa una separación de fases de la
gasolina oxigenada. Los límites varían de acuerdo a la localidad y la época del
año. En Alaska cambia de -41°C en diciembre y enero a 9°C en julio, mientras
que en Hawai todo el año alcanza 10 grados.
•
Estabilidad. Debe
tenerse en cuenta que la gasolina puede ser almacenada por mucho tiempo. En
consecuencia no debe formar gomas que se precipiten. Hemos dicho que los
hidrocarburos no saturados tienden a producir gomas y con más rapidez en
presencia de cobre metálico, que actúa como catalizador de la reacción. Por eso
a la gasolina se le añaden antioxidantes y pasivadores de metales que los
desactivan.
•
Ingredientes adicionales en la gasolina. Aunado a que es necesario formular
gasolina de diferentes tipos dependiendo del tipo de automóvil, otros
ingredientes son necesarios para el funcionamiento del carburante de base y,
genéricamente, se les llama aditivos. Los primeros fueron los aditivos
antidetonantes, que permitieron a la industria automovilística de los años
treinta producir máquinas con mayor compresión y ganar en eficiencia. Los
antioxidantes fueron introducidos en los años treinta para combatir la
tendencia de los productos desintegrados en las refinerías a formar gomas y
oxidarse, hecho que tuvo una importancia mayor al introducirse el proceso
catalítico de desintegración que genera olefinas. A la gasolina se le añade un
paquete de aditivos que incluye:
—
Anti-oxidantes: las sustancias que inhiben las reacciones de oxidación de
los hidrocarburos antes de que se quemen con el oxígeno en la cámara de
combustión. En particular hablamos de los hidrocarburos no saturados.
— Estabilizadores
de la gasolina: sustancias que impiden la formación de gomas y mejoran la
estabilidad de la gasolina. Hay que recordar que la gasolina cuenta entre sus
componentes a las olefinas, sustancias muy reactivas que gustan de hacerlo con
sus congéneres a la temperatura ambiente formando polímeros, es decir grandes
cadenas que tienen un aspecto como de goma y que como se comprenderá son
nocivas para el motor.
— Inhibidores
de la corrosión: sustancias que impiden que la gasolina ataque los tanques
de depósito de la gasolina.
— Colorantes:
se añaden en concentraciones muy pequeñas, del orden de 10 partes por millón de
gasolina. Se da a la gasolina coloraciones diferentes a fin de diferenciarla y
evitar que se nos dé gato por liebre.
— Anticongelantes:
en los países de temperaturas frías, estos compuestos impiden la formación de
hielo.
— Aditivos
para impedir la formación de depósitos en válvulas o bujías: los depósitos
a los que nos referimos los forman gomas o productos de la degradación de la
gasolina que se depositan en los sistemas de admisión de combustible y cámara
de combustión de los automotores. Estos depósitos interfieren con el proceso
normal de combustión y el buen funcionamiento del motor; se comprenderá que la
combustión deficiente genera contaminantes. Los aditivos detergentes
dispersantes permiten mantener limpios los sistemas de admisión. Los depósitos
se generan por la presencia de olefinas y de alcoholes y los fabricantes de
gasolina ya los incluyen en forma rutinaria.
— Aditivos
que ayudan a impedir la obstrucción de las válvulas en los autos de mucho uso:
el taponamiento de las válvulas es uno de los problemas mayores en los autos
con mucho kilómetraje recorrido. Generalmente se debe a que el auto se somete a
altas velocidades y a carga excesiva, lo que hace que la válvula no asiente
generando puntos calientes muy elevados y que la máquina sufra daños severos.
El mecanismo se tiene identificado: el primero es la formación de óxido de
hierro procedente de la cámara de combustión que se adhiere a la cara de la
válvula, partículas que actúan como un filoso cuchillo que arranca pedazos del
asiento de la válvula. Pueden o no ser adicionados en la fórmula de la gasolina
al ser vendida por lo que en las gasolinerías suele haber aditivos de este tipo
generalmente a base de compuestos de potasio y sodio.
La pregunta
es si comprar o no los productos en venta para resucitar nuestro viejo
automóvil, dejar de contaminar, gastar menos gasolina y alcanzar en la
autopista velocidades cercanas a la de la luz. Algunos de ellos suelen tener un
principio de operación que suene coherente aunque desafortunadamente la
relación costo-beneficio no es muy ventajosa sobre todo al calcular el efecto
que tendrá el producto a largo plazo. Otros productos son obra de charlatanes.
En el caso de los motores diesel, los aditivos tienden a mejorar la fluidez del
material, sobre todo en épocas frías, ya que los hidrocarburos son más pesados
y tienden a cristalizarse a bajas temperaturas. Además hay aditivos que
aumentan la capacidad del diesel para inflamarse.
Todo aquel
que maneja un automóvil ha soñado ser piloto de autos de carrera. El objetivo
primario de una carrera es obtener el máximo de potencia de un vehículo, que
puede ser incrementada por el diseño de la máquina, pero la potencia alcanzará
su máximo usando un carburante apropiado. Repasemos los factores para escoger
el carburante:
• Poder
calorífico: entre mayor sea el contenido energético del carburante, mayor será
la potencia que rinda el automóvil.
•
Estequiometría: entre menor sea la relación estequiométrica aire/carburante (o
la relación oxígeno/ carburante si es otro oxidante el que se emplea en lugar
del aire), mayor será la cantidad de gasolina que se puede introducir en la
cámara de combustión.
• Cociente
de productos a reactivos: cuanto mayor sea esta relación, mayor será la presión
de combustión en el cilindro y, por tanto, mayor será la potencia liberada por
el auto.
A fin de que
esto quede claro tomemos como ejemplo el nitrometano, compuesto que al quemarse
con el oxígeno o el aire genera la siguiente reacción:
•
Resistencia al cascabeleo: éste lleva a que la máquina se destruya durante la
carrera. Como las condiciones de manejo son severas, el número de octano de
motor (MON) es
generalmente más importante que el RON como guía
general para evitar el cascabeleo y las detonaciones indeseables.
• Los
límites de inflamabilidad deberán ser tales que se pueda usar una cantidad
elevada de aire para llevar la potencia al máximo.
•
Volatilidad: el carburante debe tener un punto de ebullición tal que permita
ser transportado en forma líquida pero que se volatilice rápidamente al entrar
en la máquina.
Por supuesto
no existe un carburante con todas las características deseables y deberá
escogerse las que se consideren importantes. Como las características de un
carburante varían de una a otra marca, las máquinas deberán ser diseñadas para
una gasolina en especial. Un parámetro importante que provee un método de
comparación del calor liberado por diferentes gasolinas en una máquina es la Energía
específica (EE), en inglés
specific energy. El valor teórico de la EE se calcula dividiendo la capacidad calorífica entre la
relación aire/carburante lo que da como resultado la energía del carburante
enviada a la cámara de combustión por unidad de masa de aire introducida.
Veamos algunas propiedades de tres carburantes para carreras empleados
usualmente:
De los datos de la tabla se ve que el nitrometano
tiene una EE 2.3 mayor
que el isooctano y que el metanol es ligeramente mejor que el isooctano ya que,
en ambos casos, la relación estequiométrica aire/carburante es mucho menor que
la del isooctano a pesar del hecho de que este último tenga el poder calorífico
más elevado. También notamos que el metanol es un buen carburante para los
autos de carreras, tiene buenas propiedades antidetonantes por lo que se pueden
emplear relaciones de compresión de 16:1, se vaporiza fácilmente, es barato y
está a la mano. Su principal problema es que su consumo es muy elevado,
particularmente si se requiere una máxima potencia, de ahí que sea necesario
utilizar un tanque de gran volumen.
Siempre
queda el consuelo de emplear gasolina, al fin de cuentas hay siempre disponibilidad
de ella y tiene bajo costo. Su limitación mayor es que relativamente tiene baja
EE y tendencia
a cascabelear el auto cuando las relaciones de compresión son elevadas y
necesarias para obtener el máximo de potencia. En el periodo entre guerras se empleaba
la gasolina de bajo octano mezclada con benceno y otros compuestos aromáticos
pesados. La General Motors patentó una gasolina de aviación llamada
"Hector" que consistía de una mezcla de 80% de ciclohexano y 20% de
benceno, excelente por cierto en cuanto a su calidad de octanaje pero no
aceptable debido a la toxicidad del benceno. Puede emplearse el tetraetilo de
plomo y parafinas muy ramificadas como el isooctano, el triptano de buenas
propiedades antidetonantes. Existen otras moléculas cíclicas como el
ciclohexano que si bien tiene un bajo índice de octano se mezcla bien con otros
componentes presentes y el número de octano resultante es satisfactorio. Para
que haga sus mezclas apropiadas en la siguiente tabla le proporcionamos algunos
valores de octano para hidrocarburos puros:
En resumen, para obtener gasolina para los autos de
carrera es necesario emplear corrientes de refinería consistentes en grandes
cantidades de productos generados en la alquilación, sumados a corrientes
aromáticas provenientes de la reformación catalítica y tratadas con la máxima
cantidad de aditivos antídetonantes posible.
Si los
hidrocarburos de una gasolina por sí solos tienen dificultad en quemarse del
todo y convertirse en bióxido de carbono y agua, queda emplear carburantes con
alto contenido de oxígeno o añadir a la gasolina proporciones importantes de
estos carburantes como aditivos. Dos alcoholes son útiles, el metanol y el
etanol que pueden ser carburantes alternos para el uso en motores que
inicialmente empleaban la gasolina, y presentan dos ventajas generales: que se
pueden fabricar a partir de fuentes distribuidas en muchas partes del planeta,
lo que no sucede con el petróleo, y son materiales renovables, lo que hace
posible emitir menor cantidad de emisiones nocivas a la atmósfera. Su
desventaja principal es que su contenido energético es menor al de la gasolina
o el diesel. Este inconveniente se puede reducir en cierto grado si se mejora
el diseño de los autos. Otro problema es que los alcoholes no son lo
suficientemente volátiles para el encendido en frío de autos que utilizan
bujías a menos de que se emplee un poco de gasolina.
En lo que se
refiere a su empleo en máquinas encendidas por bujías podemos resumir sus
cualidades de la siguiente manera: tanto el metanol como el etanol tienen
excelentes cualidades de octano, se queman muy limpiamente y se emplean como
carburantes en los autos de carreras ya que su octanaje permite operar las
máquinas con altos niveles de compresión y su capacidad para quemarse en
mezclas ricas con aire, aunado a su alto calor de vaporización, les permite
producir más potencia que la que se obtiene con la gasolina.
El metanol
es incoloro, inodoro y casi sin sabor. Además es el más simple de todos los
alcoholes. Probablemente la primera gota la produjo la naturaleza cuando un
rayo cayó sobre un árbol que contenía lignina y que había emergido de la sopa
prebiótica. La pirólisis de la lignina seguramente generó los primeros grupos
metilos que, al combinarse con radicales hidroxilo, generaron el metanol. Se le
emplea como materia prima para muchos procesos químicos, como solvente y como
aditivo y sustituto de la gasolina. Se le empleó como carburante a principios
de siglo hasta que se produjo la gasolina que era más barata. Antes de que
aparecieran los métodos sintéticos de obtención, desarrollados en los años
veinte, se extraía de la madera como un subproducto del carbón, de ahí que se
le conociera como alcohol de madera pero los rendimientos eran muy bajos, una tonelada
de madera daba unos 25 litros del alcohol. En la segunda Guerra Mundial los
alemanes lo producían sintéticamente para emplearlo en sus aviones, pasado el
conflicto volvió a dormir el sueño de los justos hasta que con la crisis
petrolera de los años setenta despertó de nuevo el interés por su
disponibilidad y bajo costo. El interés volvió a decaer cuando surgieron
problemas en el mezclado del metanol y la gasolina. Se informaba que no se
mezclaban homogéneamente y los productos se separaban creando dos fases. En el
futuro, el metanol puede ser una fuente adicional de carburantes, ahora su
fuente será el gas natural. Los precios de obtención actuales son prohibitivos
si se los compara con la gasolina. Otra fuente que puede emplearse es la
biomasa, constituida de residuos forestales, de la industria del maíz y los
componentes celulósicos de los desechos municipales.
El etanol
tiene también una añeja historia. El original modelo T de la Ford había sido
diseñado para trabajar con él en lugar de la gasolina. Luego se le empleó para
aumentar el octano añadiéndolo en concentraciones del orden del 10% en volumen,
con lo que se podía alcanzar de dos a tres números de octano suplementarios. En
algunos países se emplea como sustituto de la gasolina aunque también es
importante materia prima para producir éteres. Algunas de las objeciones que se
hacen al etanol es que no es un producto que se genera en las refinerías, de
ahí que su transporte hasta ellas a fin de mezclarlo con la gasolina aumenta
los costos. Además la mezcla de etanol con los hidrocarburos requiere que los
tanques de las refinerías no contengan agua para que no haya problemas en la
homogeneidad de la mezcla. ¿Cuál es la ventaja adicional del etanol? Una
tendencia mundial a largo plazo será sustituir los hidrocarburos del petróleo
por sustancias que se generen a partir de la fotosíntesis. Esto queda
claramente expresado en la figura 28.
Resumamos
las ventajas de los alcoholes comparadas con la gasolina. Una cosa es evidente:
para aprovechar al máximo las propiedades de los alcoholes, las máquinas deben
diseñarse específicamente con ese fin. Debido a que los alcoholes tienen menor
contenido energético, en el caso del metanol es menos de la mitad que el de la
gasolina, la economía volumétrica del carburante será siempre menor que la
conseguida con la gasolina. Sin embargo se pueden obtener mejoras en la
eficiencia térmica con los alcoholes debido a que presentan las siguientes
diferencias en las características de la combustión, cuando se les compara con
la gasolina:
• Los
alcoholes se queman con una temperatura menor de flama, así, se pierde menos
calor por conducción o radiación hacia el sistema de enfriamiento del auto.
• Los
alcoholes se queman más rápidamente y generan un mayor volumen de productos de
combustión por lo que aumenta la presión en los cilindros.
En la
siguiente tabla se hace un sumario de algunas de las propiedades físicas y
químicas de los alcoholes cuando se les compara con una gasolina.
El motor
Diesel tiene la misma apariencia que el de gasolina. La gran diferencia estriba
en que el de diesel no tiene bujías. En los años posteriores a la explotación
del petróleo mediante la perforación (1859), el queroseno, empleado en el
alumbrado con lámparas, era el producto más valioso que se obtenía. La gasolina
se quemaba por inservible, el residuo pesado iba al basurero y el
"destilado intermedio" se enviaba a la ciudad. Con el invento del
motor diesel, el destilado encontró aplicación. Las necesidades de los primeros
motores que emplearon diesel no eran tan específicas como ahora y ha habido
necesidad de mejorarlo a fin de que los diseños de las máquinas cumplan con una
relación potencia/peso más elevada. Lo primero fue eliminar los carburantes con
alta viscosidad y residuos difíciles de quemar. Lo segundo, mejorar la
combustión. Los carburantes para máquinas que operaban a baja velocidad y pocas
revoluciones por minuto, perdían su utilidad cuando se trataba de construir
aparatos que se desplazaran a altas velocidades, a más de 2 000 revoluciones
por minuto. La calidad de ignición de un diesel inicialmente se expresaba por
el llamado Índice Diesel que era una función de la densidad multiplicada
por el punto de anilina y dividido entre cien. Fácil, pero, ¿qué es el punto de
anilina? Los crudos y sus destilados están constituidos por muchas variedades
de hidrocarburos: parafinas, naftenos y aromáticos. Los aromáticos tienden a
mantenerse líquidos y no formar sólidos cuando la temperatura disminuye. La anilina
es un compuesto químico aromático, y se denomina punto de anilina de un
carburante a la temperatura más baja a la cual cantidades iguales de anilina y
carburante permanecen en solución. Un carburante con alto contenido de
aromáticos tendrá un punto de anilina menor que uno de alto contenido en
parafinas. El Índice Diesel se ha dejado de usar por su falta de
precisión y hoy en día los diesel se caracterizan por el Índice de cetano.
El cetano es un hidrocarburo parafínico de fórmula
. Para
juzgar el índice de cetano se usa el que no está ramificado y se le da un valor
en la escala de 100, la otra molécula de referencia es el 2,2,4,4,6,8,8,
heptametil nonano, que tiene un número de cetano de 15. ¿Asusta al lector la
descripción de este último compuesto y no se lo puede imaginar? Regalado, pinte
nueve carbones seguidos, numérelos del uno al nueve y en el segundo carbono
ponga dos grupos metilo,
, igual en
el carbono cuatro, uno en el seis y dos metilos en el carbono ocho. Decíamos
entonces, antes de desviarnos a la nomenclatura química, que el índice de
cetano calcula el número de cetano de un diesel a partir de una relación
empírica con parámetros de densidad y volatilidad. El número de cetano en sí es
una medida de la calidad de ignición de un diesel y está basado en el tiempo de
encendido de la máquina. Cuanto mayor es el número de cetano, menor es el
tiempo que tarda en encender y por ende mejor la calidad de la ignición.
Hemos dicho
que el mecanismo de funcionamiento depende de que el carburante se inflame, lo
que se trata precisamente de evitar en los motores de gasolina. Contrario al de
gasolina, el aire no se mezcla con el carburante antes de ser inyectado en el
cilindro. Sólo se inyecta aire y, conforme el pistón se mueve hacia el tope del
primer tiempo de compresión, se va calentando y justamente cuando el pistón
llega a su tope el diesel se inyecta al cilindro. Al contacto del aire
sobrecalentado, el carburante se quema y causa el movimiento del pistón. Varias
fases se suceden cuando el carburante se inyecta en el cilindro. Primero, entra
en forma de líquido, se vaporiza al contacto del aire caliente y llega a la
temperatura de ignición. La segunda fase se da cuando la combustión ocurre y
comienza a inflamar al líquido y al vapor que la rodean. El movimiento comienza
a dar fruto y finalmente, conforme el resto del líquido es bombeado al
cilindro, también se inflama, manteniendo o incrementando la presión sobre el
pistón. Ha pasado una centésima de segundo. En la figura 29 presentamos la
demanda esperada de diesel en México como combustible para automotores en miles
de barriles diarios, las cifras muestran la evolución del contenido de azufre:
en 1991 existía diesel con más de 0.5% de azufre, lo que afortunadamente ha ido
disminuyendo con el tiempo y cada vez este carburante contiene cantidades
menores de tan nocivo elemento. Actualmente llega a 0.05% en peso.
Figura
29. Evolución de la demanda de diesel a) diesel de más de 0.5% en peso de
azufre, b) 0.5%, c) 0.05 por ciento.HIDROCARBUROS1. Introducción
2. Hidrocarburos
3. Petróleo
4. Bibliografía
1. Introducción
Problemática
Es posible reparar los daños que causa el petróleo de forma natural? ¿o son irreversibles? ¿necesita el hombre intervenir para solucionar estos daños?
Hipótesis
En menor grado los daños causados por el petróleo pueden ser reparados en forma natural si los niveles son elevados, en este caso se necesitaría la intervención de la mano del hombre. Esto también se debe a la disposición del petróleo en el medio.
Objetivos
Ver los daños que ocasiona el petróleo en los seres vivos y su medio ambiente.
Ver sus posibles soluciones a este problema ambiental.
Este trabajo fue realizado íntegramente por una investigación bibliográfica, basada en Internet y en enciclopedias. Este trabajo fue encarado para ver una problemática desde el punto de vista ambiental en cuanto incluye al petróleo, con su contaminación en los fluidos del mundo, viendo así los problemas que acarrea en el ecosistema que es afectado, también presentamos sus propiedades para entender esta cuestión.
2. Hidrocarburos
Son los compuestos orgánicos más simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las que se derivan todos los demás compuestos orgánicos. Los hidrocarburos se clasifican en dos grupos principales, de cadena abierta y cíclicos. En los compuestos de cadena abierta que contienen más de un átomo de carbono, los átomos de carbono están unidos entre sí formando una cadena lineal que puede tener una o más ramificaciones. En los compuestos cíclicos, los átomos de carbono forman uno o más anillos cerrados. Los dos grupos principales se subdividen según su comportamiento químico en saturados e insaturados.
Alcanos
Los hidrocarburos saturados de cadena abierta forman un grupo homólogo denominado alcanos o parafinas. Los primeros cuatro miembros del grupo son gases a presión y temperatura ambiente; los miembros intermedios son líquidos, y los miembros más pesados son semisólidos o sólidos. El petróleo contiene una gran variedad de hidrocarburos saturados, y los productos del petróleo como la gasolina, el aceite combustible, los aceites lubricantes y la parafina consisten principalmente en mezclas de estos hidrocarburos que varían de los líquidos más ligeros a los sólidos.
Alquenos
El grupo de los alquenos u olefinas está formado por hidrocarburos de cadena abierta en los que existe un doble enlace entre dos átomos de carbono. Al igual que los alcanos, los miembros más bajos son gases, los compuestos intermedios son líquidos y los más altos son sólidos. Los compuestos del grupo de los alquenos son más reactivos químicamente que los compuestos saturados.
Alquinos
Los miembros del grupo de los alquinos contienen un triple enlace entre dos átomos de carbono de la molécula. Son muy activos químicamente y no se presentan libres en la naturaleza.
3. Petróleo
Es un líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. El petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad.
Características
Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye.
Existen categorías de petróleos crudos los de tipo parafínico, los de tipo asfáltico y los de base mixta.
Formación
El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos. Los restos de animales minúsculos que viven en el mar se mezclan con las arenas y limos que caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos, se convierten en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo más espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que van acumulándose depósitos adicionales, la presión sobre los situados más abajo se multiplica por varios miles, y la temperatura aumenta en varios cientos de grados. El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural.
Una vez formado el petróleo, éste fluye hacia arriba a través de la corteza terrestre porque su densidad es menor que la de las salmueras que saturan los intersticios de los esquistos, arenas y rocas de carbonato que constituyen dicha corteza. El petróleo y el gas natural ascienden a través de los poros microscópicos de los sedimentos situados por encima. Con frecuencia acaban encontrando un esquisto impermeable o una capa de roca densa: el petróleo queda atrapado, formando un depósito. Sin embargo, una parte significativa del petróleo no se topa con rocas impermeables sino que brota en la superficie terrestre o en el fondo del océano. Entre los depósitos superficiales también figuran los lagos bituminosos y las filtraciones de gas natural.
Prospección
Para encontrar petróleo 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). Además, 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 características 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 —que estudian de forma cada vez más precisa la reflexión y refracción de las ondas de sonido propagadas a través de la Tierra— 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.
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.
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 superficie 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 el 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 natural 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 petróleo por el gas, menos denso, hace que el petróleo aflore a la superficie.
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 límite económico del pozo, por lo que se abandona su explotación.
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 utiliza 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.
Inyección de agua
En un campo petrolero explotado en su totalidad, los pozos pueden perforarse a una distancia de entre 50 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 bajo 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.
Inyección 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 petróleo 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.
Perforación submarina
Otro método para aumentar la producción de los campos petroleros —y uno de los logros más impresionantes de la ingeniería en las últimas décadas— 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 —en las regiones árticas— los hielos.
Al igual que en los equipos tradicionales, la torre es en 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 necesaria 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.
Refinado
Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los elementos sólidos y se separa el gas natural. A continuación se almacena el petróleo en tanques desde donde se transporta a una refinería en camiones, por tren, en barco o a través de un oleoducto. Todos los campos petroleros importantes están conectados a grandes oleoductos.
Destilación básica
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.
Craqueo 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 —compuesta por este tipo de moléculas— 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.
Alquilación y craqueo catalítico
Existen 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.
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.
La contaminación con plaguicidas, los derrames de petróleo en el mar, los peligros de la radiación nuclear y los incendios forestales amenazan a los ecosistemas de la Tierra. Es esencial para la defensa de la vida en el planeta que se difundan y analicen los errores que han llevado a situaciones de grave daño ecológico.
Los derrames de petróleo
El 13% de los derrames se debe a accidentes que sufren los grandes barcos contenedores de petróleo, que por negligencia de las autoridades y desinterés de las empresas petroleras transportan el combustible en condiciones inadecuadas. En los últimos años, algunos de los más espectaculares accidentes fueron el del buque-tanque Valdés de la Exon, ocurrido frente a las costas de Alaska el 24 de marzo de 1989, y el del petrolero Mar Egeo, el 3 de diciembre de 1992, frente a la entrada del puerto de La Coruña, en España. Otro 32% de los derrames proviene del lavado de los tanques de los grandes buques que transportan este combustible.
Tanto los derrames de petróleo como los incendios forestales afectan gravemente las cadenas tróficas de los ecosistemas.
En los incendios forestales los árboles no son los únicos perjudicados: muchos animales quedan atrapados en el humo, mientras que otros migran.
4. Bibliografía
Aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
Energía proveniente de hidrocarburos, el calentamiento global y la energia solar como sustituto viable.
Los hidrocarburos fósiles se presentan en forma de en forma sólida (carbón), líquida (petróleo) o gaseosa (gas natural). Son
conglomerados de seres vivos que existieron millones de años
en el pasado y que sufrieron una transformacion fosilizado formando carbón o
hidrocarburos.
El carbón se formo a partir de bosques de zonas pantanosas, y el petróleo y el gas natural fue formandose por la transformacion de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar.
En el caso del carbon y el petroleo la materia orgánica se descompuso parcialmente por la limitada cantidad de oxígeno y la acción de la temperatura, la presión y la accion de bacterias.
El carbón se formo a partir de bosques de zonas pantanosas, y el petróleo y el gas natural fue formandose por la transformacion de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar.
En el caso del carbon y el petroleo la materia orgánica se descompuso parcialmente por la limitada cantidad de oxígeno y la acción de la temperatura, la presión y la accion de bacterias.
Energía solar
Los colectores solares parabólicos captan la radiación solar incrementando la temperatura en el receptor.
Los paneles fotovoltaicos convierten directamente la energía luminosa en energía eléctrica.
Los colectores solares parabólicos captan la radiación solar incrementando la temperatura en el receptor.
Los paneles fotovoltaicos convierten directamente la energía luminosa en energía eléctrica.
Captando adecuadamente la radiación emitida por el sol,
es posible transformarla en otras formas de energía como energía térmica o
energía eléctrica mediante la utilizacion de celdas solares.
La radiación que llega directamente a la tierra
puede reflejarse y concentrarse para ser utilizada,
Mediante receptores que pueden ser activos o pasivos, donde los activos son mecanismos para orientar el sistema captador hacia el Sol (actuando como un girasol, que sigue al astro durante todo el dia) y asi poder captar mejor la energia.
Mediante receptores que pueden ser activos o pasivos, donde los activos son mecanismos para orientar el sistema captador hacia el Sol (actuando como un girasol, que sigue al astro durante todo el dia) y asi poder captar mejor la energia.
La energia solar tiene la conveniencia de que permite
la generación de energía en el mismo sitio donde se va a consumir mediante
la adecuacion de la arquitectura de las estructuras.
Uno de los mayores inconvenientes de la energia solar es su naturaleza difusa proporcionando energía de una intensidad baja, esparcida sobre grandes superficies de terreno.
Aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
II. LA ENERGÍA
EN PRIMER término hay
que darse cuenta de que los sistemas industriales están ligados a la energía.
En la figura 19 se observa lo que sucede al crecer la población y los productos
en un sistema natural como la Tierra. El crecimiento poblacional crea más
demandas y, para mantener los recursos renovables, no pueden extraerse a una
velocidad mayor que la de su propia generación. Por otra parte, los recursos no
renovables, como el petróleo, no deberán exceder la velocidad a la cual se
renuevan por fuentes que los sustituyan. Claro que esto último no puede
realizarse como se desearía, de ahí que el reciclaje de los desechos, sumado al
ahorro de energía y materiales, es la única manera de reducir la magnitud del
problema.
El concepto
de energía es uno de los más empleados en la ciencia, se asocia con cualquier
tipo de actividad y a través de él se explica la inmensa mayoría de los
fenómenos naturales y artificiales. Durante los siglos XVIII y XIX se hicieron
descubrimientos muy importantes en todas las ramas del saber, lo que hizo
surgir la necesidad de explicarlos. Una manera es definir el significado de
energía. El descubrimiento de la electricidad, la invención de la pila
eléctrica o el hecho de que la corriente eléctrica sea capaz de descomponer las
sustancias o poner un imán en movimiento, hizo que se pensase que todos estos
fenómenos pudieran deberse a una misma causa. Es así como aparece el término de
energía como algo que puede producir los cambios. A través de los
años, el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieren
grandes esfuerzos físicos, para dejar a las máquinas las tareas pesadas y
dedicarse a labores intelectualmente más productivas. Esto ha traído como
consecuencia que el consumo de energía por habitante sea cada vez mayor.
Figura 19. El ecosistema finito global comparado con
el crecimiento de los subsistemas económicos y de población.
Existen
muchos procesos en los que una fuerza mueve un objeto, decimos entonces que se
ha producido un trabajo. La capacidad para realizar un trabajo se llama
energía. La cantidad de energía que se transfiere depende de la intensidad de
la fuerza y del desplazamiento de dicha fuerza, la magnitud que mide esta
transferencia de energía es lo que conocemos por trabajo. Cuando se habla de
las máquinas se menciona la potencia. ¿Qué significa este término? Pues que el
tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina, por eso se
introdujo el concepto de potencia que se define como la rapidez con que se
realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo, medida en vatios. El
término de caballo de fuerza es una invención de J. Watt en 1782. Supuso que un
caballo era capaz de jalar un peso de 180 libras y que sujeto a un malacate,
daba 150 vueltas por hora recorriendo en 2.5 minutos un círculo de 24 pies de
diámetro, lo cual rinde un trabajo que, haciendo las transformaciones de
unidades pertinentes, resulta en 745 vatios. ¿Cuántos caballos de fuerza tiene
su automóvil? Compare ese valor con un pistón de 1712 que poseía un cilindro de
0.5 m de diámetro y 2 m de largo capaz de producir 12 golpes por minuto, si le
aplicamos los cálculos que conocemos actualmente, el "poderoso"
aparato daba alrededor de 5.5 caballos de fuerza.
Cuando
aludimos a las fuentes de energía, nos referimos a su origen. Una fuente de
energía como la que se obtiene del petróleo puede producir energía calorífica,
mecánica, química o eléctrica. Cuando hablamos de fuentes implícitamente
decimos que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser
humano puede utilizar para sus actividades. Existen los siguientes tipos de
fuentes de energía según su origen y aprovechamiento:
1) Energía
del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para
posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando
la energía que proporcionan el petróleo, gas o el carbón se obtiene en grandes
cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales
termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes, la energía se
transforma en cinética o mecánica o bien en energía calorífica cuando se trata
de un calentador o una estufa.
2) Energía
hidráulica. Para
producirla se aprovechan las caídas del agua, por lo tanto se trata de energía
potencial. Los griegos fueron los primeros en usarla, por medio de la rueda
hidráulica para bombear agua que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. La energía hidráulica es
energía mecánica, primero potencial y después cinética.
3) Energía
nuclear. Es la que
une el núcleo de los átomos. Se transforma primero en energía calorífica y
ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica. Los protones y los neutrones
constituyen el llamado núcleo de los átomos y los electrones gravitan a su
alrededor. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, su núcleo se rompe o se
fisiona liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse
puede emitir también neutrones y si éstos son dos o tres, chocarán con otros
átomos produciéndose una reacción en cadena que produce la energía nuclear.
4) Energía
geotérmica. Desde
tiempos remotos, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines.
En México, el temascal se utilizó desde la época precolombina. Existen pozos
geotérmicos, es decir, formaciones rocosas que han atrapado agua y ésta se
calienta por la temperatura de la Tierra pudiendo estar en forma de vapor, de
mezcla vapor-líquido o líquido caliente.
5) Energía
solar. La
constituye la radiación solar y se emplea para producir calor o electricidad.
Una forma de aprovechar la energía del Sol es mediante los llamados colectores,
que convierten la energía solar en calor. En nuestro país existen regiones en
Sonora y Baja California con altísimos promedios de radiación por año donde es
posible construir centrales de energía solar para satisfacer la demanda local.
6) Energía
eólica. Es la que
utiliza la energía cinética de los vientos, puede aprovecharse como tal o
convertirse en electricidad. Uno de sus primeros usos fue hace unos 3 500 años
cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Una aplicación
familiar son los molinos de viento, cuya historia se remonta a la antigua
Persia y que han sido usados para bombear agua y moler granos.
7) Energía
de la biomasa. Resulta de
la materia viva y los desechos orgánicos cuando se les usa como combustible,
por lo tanto se trata de energía química que se puede transformar en cualquier
forma de energía. En el uso de la biomasa como fuente energética se emplean
principalmente árboles, plantas, desechos animales y vegetales. El ejemplo más
conocido de utilización de la biomasa es la madera.
Pudiera uno
pensar que en un principio las carreteras pavimentadas se construyeron
atendiendo al uso del automóvil, pero fueron construidas para atender los
vehículos tirados por caballos, En un trabajo de 1974 escrito por E. Montroll y
W. Badger se llegó a la conclusión que de haberse seguido construyendo
carreteras con este fin se hubiera producido un desastre ecológico, aunque
desde el punto de vista tecnológico el carro era una innovación tecnológica
maravillosa. Veamos los cálculos de estos autores. El que se refiere a
desperdicio sólido se basa en el cálculo de una producción promedio de 16 kg
por día con un recorrido de 40 km diarios, mientras que el cálculo para los
contaminantes líquidos se basa en suponer unos 7.5 kg por día para una travesía
de 40 km diarios. Se consideran los estándares que prevalecían en 1980.
|
contaminante
|
emisiones en gramos por kg
|
|
|
caballos
|
sólidos
|
400
|
|
|
líquidos
|
188
|
|
automóviles
|
hidrocarburos
|
0.16
|
|
|
monóxido
de carbono
|
2.9
|
|
|
óxidos de
nitrógeno
|
0.25
|
En 1950 circulaban en el mundo 53 millones de
automóviles; para 1988 la cantidad total de vehículos excedió los 500 millones
y en 1990 se calculaba que circulaban 675 millones de vehículos, de los cuales
los automóviles representan 65%, los camiones ligeros 15%, las motocicletas 15%
y el resto camiones pesados. Desde 1950 el promedio anual de crecimiento ha
sido de 9.5 millones, es decir 5.9% anual. Para acabar con las estadísticas
diremos que la población de vehículos ha crecido más rápidamente que la humana.
Para el año 2000 se espera que en los países desarrollados dicho crecimiento no
se incremente notablemente, pero este patrón no será el mismo para el resto del
mundo donde se espera mayor crecimiento de la población y mayor urbanización.
Esto lleva a predecir que la flota de vehículos alcanzará 900 millones de
unidades en 2010. Más grave es la cifra que nos expresa el número de kilómetros
recorridos por vehículos de motor anuales: 8 000 000 000 000. ¿A qué se debe
esto?
La respuesta
se relaciona con el incremento de la urbanización. Las ciudades crecen más
horizontal que verticalmente, lo que provoca que las tierras rurales pasen a
ser urbanas. La distancia de los lugares residenciales al centro del comercio
de las ciudades crece, e induce a que el número de kilómetros recorridos
también crezca.
El crudo y
sus derivados se han convertido desde el inicio de su explotación en la fuente
energética primaria de mayor importancia. En 1991 de los 57 232 millones de barriles
de petróleo equivalente, es decir energía expresada como barriles de petróleo,
41% provino del crudo, 22% del gas y el resto de otras formas de energía como
la nuclear, la hidráulica y la geotérmica.
En México
para el mismo año, las proporciones son todavía más dependientes del crudo: de
883 millones de barriles, 61 % proviene del crudo, 29% del gas y 10% de otros
(figura 20).
En el
pasado, la gasolina era considerada un producto secundario de los procesos de
refinación, y su obtención carecía de importancia. Ahora es el producto
principal que mueve al transporte en el mundo. Para México, la figura 21 nos
muestra el consumo nacional de energía destinado al transporte.
En 1994 se
consumieron 502 000 barriles diarios que seguramente llegarán a 586 000 en
2005, como se muestra en la figura 22. En el mundo, en 1994, se consumieron 800
millones de toneladas.
¿Por qué
hacemos tanto hincapié en el consumo de gasolina? La explicación tiene que ver
con el desperdicio que se genera en un coche por la poca eficiencia de la
combustión, que es uno de los grandes motivos de investigación en el mundo, ya
que se trata de elevarla al máximo.
La energía
obtenida del carbón, petróleo, gas, biomasa, energía hidráulica y calor
generado en un reactor nuclear es la energía primaria, que no se utiliza
en forma directa sino trasformada en energía secundaria. La ventaja de
ésta es que tiene una amplia gama de utilización y comodidad de uso:
electricidad, gasolina, gas avión, etc. La energía secundaria se suministra
como energía final y otra parte es rechazada y devuelta a la naturaleza
como "calor residual". Las consideraciones acerca de la eficiencia energética
se centran en la que se deriva de la explotación, transporte y tratamiento de
la energía primaria para su conversión, almacenaje de la secundaria, sistemas
de distribución, redes de transporte y, finalmente, en la transformación útil
para el consumo final, y en los medios de conversión como focos, cocinas o
motores de vehículos.
Figura 20. Comparación del consumo de energía primaria
en México vs otros lugares del mundo. Millones de barriles de petróleo
equivalentes.
Antes de
seguir con los motores, veamos una máquina popular, la bicicleta, muy popular
en todo el mundo. Los científicos la estudian intrigados por lo simple de su
tecnología, su gran eficiencia y su equilibrio. Su pariente más lejano es la
rueda, inventada hace unos 5 000 años. Fue Harry Lawson, en 1879, quien la
diseñó tal como la conocemos: transmisión por cadena, piñones y cuadro. ¿Hay
algo interesante que decir acerca de la bicicleta a más de un siglo de creada?
Parece que no, pero hay un punto de sumo interés: resulta que la bici es uno de
los medios de transporte con más alto rendimiento energético. La energía que
gasta un individuo, animal o vehículo para desplazarse depende de la velocidad
con que lo hace, pero uno puede comparar los diferentes movimientos con la
velocidad habitual promedio. Cuando uno realiza esos cálculos resulta que
comparados entre sí, por kilómetro y gramo transportado, los menos eficientes
son la serpiente, la rata, la mosca, seguidas del conejo, helicóptero, avión,
el hombre, el caballo, el automóvil y el salmón. Un ciclista gasta cinco veces
menos energía (0. 15 calorías por gramo y kilómetro recorrido) que un marchista
(0.75 calorías/km y gramo). ¿Por qué? Para contestar esto debemos pensar en la
potencia que la máquina humana puede dar y cómo se usa.
La
combustión en un auto es muy diferente de las combustiones simples y continuas
que se suceden en otro tipo de aparatos como las turbinas de gas. Es
intermitente y se da bajo condiciones complejas y variables. La eficiencia de
la combustión es muy sensible a la calidad del carburante y éste depende a su
vez en forma estrecha de las condiciones de operación.
Para
destacar la importancia del adelanto técnico, diremos que en el siglo X el enganchar la collera en los
homóplatos de los animales de tiro los salvó de la semiasfixia que les producía
llevarla al cuello. En los vehículos automotores, la energía química contenida
en los combustibles se transforma en movimiento y como subproducto se genera
calor y gases de combustión. Es importante hacer notar que el contenido
energético teórico de la gasolina al ser quemada en presencia del aire, está
relacionado directamente con el contenido de carbono e hidrógeno. La energía es
liberada cuando el hidrógeno y el carbono son oxidados (quemados) para formar
agua y bióxido de carbono. El octano de la gasolina no está relacionado con el
contenido energético y son sólo los hidrocarburos presentes en la mezcla los
que determinan la liberación de energía y que no se produzcan detonaciones
indeseables. Las dos reacciones importantes son:
H2 + 1/2 O2 ® H2O
La masa o
volumen de aire requerido para proveer suficiente oxígeno con el cual se
alcance la combustión completa es un valor preciso. Pueden darse dos
condiciones, la primera que la cantidad de aire sea insuficiente, los
científicos hablan entonces de que la mezcla es "rica"; la segunda,
que se da cuando la masa es excesiva, se dice entonces que la mezcla es
"deficiente". Como regla, un auto funciona con el máximo de potencia
cuando la mezcla es ligeramente "rica" pero la economía de
combustible se alcanza en mezcla "deficiente". El contenido
energético o poder calorífico de la gasolina se mide quemando todo el
combustible dentro de una bomba calorimétrica y midiendo el incremento de
temperatura. Al instrumento se añade una cantidad pesada de la muestra, la cual
se quema en una atmósfera de oxígeno puro empleando una resistencia eléctrica
para calentar. El recipiente está cerrado e inmerso en un baño de agua. Se mide
la elevación de la temperatura que se genera, de la cual se calcula el calor de
combustión. La energía disponible depende de lo que suceda al agua producida
durante la oxidación del hidrógeno. Si permanece en estado gaseoso, no puede
liberar el calor de vaporización, por lo tanto produce el valor calorífico
neto.
C7H16 +11O2 = 7CO2
+ 8H2O
1 volumen de
heptano requiere de 11 de oxígeno o bien de 52.5 volúmenes de aire y en el
proceso se generan 11489.9 Kcal/kg. Si consideramos los datos sobre la base de
masa, lo anterior equivale a una relación aire-carburante de 1.5:1. Una parte
de la gasolina, dado que difiere del heptano en su relación carbonohidrógeno, requiere
aproximadamente 14.5 partes en peso de aire para realizar la combustión
completa, aunque la estequiometría exacta dependerá de la composición del
carburante. Hablando en términos generales podemos decir que para una gasolina
constituida puramente por hidrocarburos, si la relación aire-carburante es
menor, de 7:1, la mezcla será demasiado rica para hacer combustión, y si es más
de 20:1 no podrá hacerlo. Volviendo al calor de combustión, en el caso de los
automóviles el poder calorífico neto es el que debe emplearse dado que el agua
es emitida en forma de vapor. La máquina no puede utilizar la energía adicional
disponible cuando el vapor se condensa nuevamente en agua líquida. El poder
calorífico es entonces la máxima energía que puede obtenerse del combustible
cuando se le quema, pero tomen aliento y asimilen el siguiente dato: en un
automóvil moderno que emplea bujías para la ignición de la gasolina, la
eficiencia mecánica fluctúa entre 20 y 40%, el resto se pierde en forma de
calor.
Los motores
Diesel tienen mayor eficiencia en un amplio rango de condiciones de operación.
En el valle de México, la quema de combustibles en motores de combustión
interna es todavía menos eficiente debido a la baja presión atmosférica y la
deficiencia en la concentración de oxígeno en el aire. Recuérdese que el aire
está compuesto por 78% de nitrógeno, 21 % de oxígeno y 1 % de otros gases. En
sitios elevados el aire contiene menos oxígeno por unidad de volumen que a
nivel del mar por su menor densidad al ser más baja la presión atmosférica.
Cuando la
gasolina se mezcla con el oxígeno se producen reacciones aún antes de que la
mezcla llegue a la cámara de combustión y persisten cuando se ha llevado a cabo
y el frente de la llama avanza. Lógicamente esto determinará que el carburante
se queme "normalmente" o dé pie a combustiones "anormales"
como el cascabeleo o la preignición. La combustión normal ocurre cuando el
frente de la llama se mueve suavemente pero en cierta manera lo hace de forma
irregular al cruzar la cámara de combustión una vez encendida por la chispa.
El
movimiento irregular se debe a la turbulencia y a la falta de mezcla perfecta.
Aun cuando la combustión se lleve a cabo normalmente, todas las máquinas
tienden a mostrar variaciones en la presión máxima que puede alcanzar el
cilindro y la velocidad de aumento de dicha presión de un ciclo a otro,
dispersión que ocurre a pesar de los controles estrictos que se tienen durante
las condiciones de movimiento. Se cree que lo anterior se debe a variaciones en
la turbulencia durante los ciclos que influyen sobre la velocidad de la llama
en la cámara de combustión. Si estas dispersiones se minimizan será posible
aumentar la eficiencia del uso del combustible.
El
cascabeleo o golpeteo es una de las formas más importantes de la combustión
anormal y determina en cierto grado la eficiencia térmica que se puede obtener
de un motor. Entre mayor es la relación de compresión, mejor la eficiencia
térmica, pero aumenta también la tendencia al cascabeleo, razón por la cual se
requiere de un carburante de un octano apropiado. Al retardarse el tiempo de
ignición, la tendencia del cascabeleo es a disminuir ( y viceversa) pero más
allá de cierto límite la potencia del automóvil se afecta notablemente. El cascabeleo
continúa siendo uno de los aspectos más importantes que se toman en cuenta para
el diseño de los autos y poder escoger la gasolina apropiada, pero muchos
fenómenos son aún entendidos parcialmente.
Veamos
algunas de las características que se exige a una gasolina a fin de satisfacer
las necesidades de millones de automóviles de cientos de marcas, modelos y
años.
El índice de
anticascabeleo. Antes de 1929, los carburantes se clasificaban en una máquina
monocilíndrica, en la que el cociente de compresión podía variarse entre 2.7:1
hasta 8:1. Cada carburante se experimentaba empleando diferentes relaciones
aire/combustible y tiempos de ignición variados, buscándose determinar el
máximo de potencia y la relación de compresión más elevada. El valor obtenido
se llamaba algo así como "cociente de compresión útil" que se refería
al valor obtenido con el tolueno.
La gasolina
se clasifica en primera instancia de acuerdo con el índice de anticascabeleo,
que es una medida del octano. El cascabeleo (golpeteo) se origina por la
dirección opuesta de dos frentes de llama: el debido a la explosión anticipada
del combustible por encontrarse a elevada temperatura y el que produce la
bujía. Como resultado de la dirección opuesta de ambos frentes se producen las
vibraciones.
La medida de
habilidad de un combustible para resistir la autoignición bajo un incremento de
presión es el octano. La eficiencia de un automóvil encendido por una chispa se
relaciona con la relación de compresión. Cualquier "detonación"
causada por el carburante destruirá rápidamente los elementos mecánicos del
motor. Desde 1912 los automóviles cuya ignición del combustible se inicia
mediante la chispa de una bujía siempre se han visto limitados por los
"cascabeleos" indeseables, es este sonido una descripción justa
cuando el automóvil emplea gasolina de bajo octano. Thomas Midgley descubrió
que las detonaciones se debían al aumento brusco de la presión una vez que se
llevaba a cabo la ignición. En 1926 Graham Edgar sugirió que dos hidrocarburos
que podían producirse en cantidad suficiente y de alta pureza fueran utilizados
para desarrollar una escala, que en aquel tiempo iba de 0 a 100. Los primeros
resultados se publicaron en 1929 y la industria sigue usando este método y los
mismos patrones para las comparaciones. Dos parafinas de propiedades físicas
similares fueron escogidas, una es el heptano normal, es decir el hidrocarburo
lineal de siete átomos de carbono con sus correspondientes hidrógenos que,
además, provoca muchas detonaciones. El cien de la escala es el llamado
isooctano que químicamente hablando tiene el solemne nombre de 2,4,4,
trimetil-pentano, es decir, un hidrocarburo de ocho carbones ramificado y cuya
fórmula ilustramos a continuación y que resultaba ser una sustancia de muy baja
resistencia al cascabeleo:
El número de octano de un carburante RON o MON, iniciales de Research Octane Number (número
de octano de investigación), y Motor Octane Number (número de octano de
motor), es el porcentaje en volumen de isooctano que está mezclado con el
heptano lineal y que muestra las mismas propiedades antidetonantes que un
carburante de prueba medidas en la máquina bajo las condiciones controladas.
En los años
treinta se observó que no era posible correlacionar los resultados que se
obtenían en el laboratorio con los del automóvil en la carretera o los que
resultaban del manejo en la ciudad en donde las condiciones varían mucho. En
general el RON, grosso
modo, correlaciona la habilidad antidetonante del motor conducido a baja
velocidad en un coche de poco peso debido a la carga que transporta. Si el RON es muy bajo, se darán cascabeleos y
detonaciones al apagar el motor. Mientras que el MON relaciona la capacidad antidetonante del auto cuando
está sujeto a las altas velocidades y en condiciones severas de manejo, como al
subir por caminos empinados o adelantar a un coche en donde se requiere
rápidamente de potencia. Entre los años treinta y sesenta predominó el método RON por ser el más cercano al octano
necesario para el tipo de vehículos y carreteras disponibles. Una de las
propiedades de una gasolina actual se especifica por el "índice de
anticascabeleo" que se extrae de la siguiente fórmula:
El RON es de ocho a diez números mayor que
el MON, así la
gasolina de 87 octanos tiene un MON de 82 y un RON de 92. Cada automóvil está
construido para trabajar a un cierto número de octano, número que se ve
afectado por factores de diseño y condiciones propias del uso, veamos:
|
Algunos
factores de diseño/operación
|
Factores
externos
|
|
Relación
decompresión
|
Presión
barométrica/ altitud
|
|
Tiempo de
ignición
|
Temperatura
|
|
Relación
aire/ carburante
|
Humedad
|
|
Temperatura
de combustión
|
Depósitos
en la cámara de combustión
|
|
Diseño de
la cámara de combustión
|
|
|
Recirculación
de gases de escape
|
|
2) Sensibilidad. El valor resultante de restar el RON del MON se llama sensibilidad. Para dos carburantes del
mismo RON, una
gasolina con mayor sensibilidad tendrá un MON menor. Lo que representa este valor es la capacidad
que tiene la gasolina para soportar cambios en la severidad de las condiciones
de operación de la máquina en términos de su capacidad antidetonante. Esto lo
ilustramos para su mejor comprensión en la figura 23 en donde se muestra el
número de octano en función de la severidad a la que se somete la máquina. Como
se observa, describimos el comportamiento de tres carburantes, el A que tiene
un alto RON y baja
sensibilidad, el B con un RON de 96 pero
alta sensibilidad y el C con bajo RON de 84 pero
muy baja sensibilidad. Se puede observar que si la máquina funciona a la
severidad marcada con X, el carburante B funciona mejor que el A si bien tiene
menores RON y MON. De manera semejante, si el
vehículo opera en la severidad marcada B, el carburante C es mejor que el B si
bien tiene, como en el otro caso, menor RON y MON. Por
supuesto que en los niveles de severidad que ocurren en la mayoría de los
vehículos, el carburante A es mejor que el B y éste mejor que el C.
La
estructura química de los hidrocarburos tiene gran influencia en la calidad del
octano. En la figura 24 podemos apreciar más claramente este efecto. La
introducción de una doble ligadura en un hidrocarburo de cadena lineal, para
generar una olefina, tiene un efecto importante ya que incrementa el RON si bien el MON no lo hace tanto (compárese en dicha figura los
valores del pentano lineal y del 1-penteno). Como sabemos, los procesos de
desintegración catalítica producen muchos compuestos olefínicos, por lo tanto
el proceso genera productos de alta sensibilidad. De manera similar, los
compuestos ramificados tienen mayor calidad de octano respecto a los lineales,
datos que se pueden comparar entre el hexano lineal con el 2 metil pentano y el
2,2 dimetilbutano, todos tienen el mismo número de carbones y de átomos de
hidrógeno, pero tanto el RON como el MON aumentan conforme se incrementa el
grado de ramificación, siendo la sensibilidad de todos ellos muy baja. Como se
ve en la figura, los compuestos cíclicos saturados, los naftenos como el
ciclohexano, pueden tener mayor nivel de octano que el compuesto lineal, en
este caso el hexano, pero la sensibilidad es intermedia. Los compuestos
aromáticos como el benceno tienen elevados valores de octano pero una relativa
alta sensibilidad.
Con estos
valores podemos relacionar los procesos de transformación de hidrocarburos con
las sensibilidades obtenidas de ellos, comenzando por la que proviene
directamente del crudo, veamos:
|
tipo de
corte de gasolina
|
RON + MON/2
|
|
gasolina
atmosférica
|
70
|
|
gasolina
catalítica
|
86.2
|
|
producto
de reformación de naftas
|
89.9
|
|
producto
de alquilación
|
92.5
|
En la refinería
se cuenta con diversas corrientes para hacer las mezclas apropiadas y dar las
especificaciones de octanaje. Los números de octano de mezclado son reales,
ajustados para ganancias adicionales en el mezclado y se pueden ponderar
linealmente. Y he aquí un ejemplo en el que utilizamos los datos anteriores.
Imagine que se desea hacer gasolina de 87 octanos y llegan 5 millones de
barriles por día de gasolina atmosférica, 17 de catalítica, 3 de alquilado y
nos preguntan: ¿cuánto le añadimos de gasolina de reformación? Simple:
La
determinación del número de octano se realiza en una máquina que posee un solo
cilindro y la relación de compresión se puede variar. El pistón se encuentra en
la parte superior introduciéndose en el cilindro. Durante la carrera
descendente se añade el combustible, permaneciendo abierta la válvula de
admisión y cerrada la de escape. La razón de compresión representa al cociente
de los volúmenes máximo y mínimo que ocupa el aire en el cilindro. Para evaluar
un combustible se ajusta la razón de compresión de manera que el número de
golpeteos, señal que es amplificada y medida en una escala de 0 a 100, sea de
un valor aproximado de 50. Se preparan mezclas variables de
n-heptano/isooctano. La válvula de admisión se cierra y al elevarse el pistón
genera la compresión de la mezcla. En el extremo de esta carrera, una chispa
inflama la mezcla. El pistón es empujado hacia abajo al expandirse los gases
resultantes de la combustión. Ésta es la carrera de trabajo que al terminar
abre la válvula de escape. La presión dentro del cilindro disminuye y al
levantarse durante su carrera de escape, obliga a salir a los gases que quedan.
Con los valores obtenidos se realiza la prueba con la muestra en estudio y su
número de octano en función del total de golpeteos se obtiene de una gráfica de
interpolación.
Las
necesidades de octano de una marca y hasta de un modelo de auto en particular
reaccionan en forma diferente a los octanos necesarios para estar exentos de
cascabeleos y detonaciones indeseables. Tanto los refinadores como los
productores de automóviles deben estar en permanente comunicación y
experimentación conjunta para conocer cuáles son las necesidades de octanaje de
los vehículos, tanto en condiciones normales de manejo como las malas. Nada se
gana si se producen autos que requieren un alto octanaje que no está en el
mercado. Un automóvil nuevo debe experimentarse por lo menos con diez muestras
diferentes de gasolina de octano variable. Para estimar las necesidades de
octano de un auto nuevo las pruebas se realizan entre varios países,
empleándose un carburante de referencia al cual se le incrementa el número de RON a partir del valor más bajo
disponible en el mercado, por ejemplo de 80 hasta 100 octanos. Muchos autos
modernos están equipados con un sensor al golpeteo, generalmente colocado en la
cabeza del cilindro y al detectar frecuencias de sonido que están en el rango
del golpeteo, activan un mecanismo por el cual se reduce el requerimento de octano
del vehículo. Se preguntará el lector, ¿cómo se puede reducir esta necesidad de
octanaje? Pues retardando el tiempo de ignición y como el refinamiento de
algunos autos es cada día mayor se podrá obtener mayor rendimiento del octanaje
que se recibe. Una creencia popular dice que con un mayor octanaje obtengo un
coche que funciona mejor: ¡falso! Es necesario añadir que una gasolina de mayor
octanaje no mejora nada. Otra, es que con mayor octanaje se obtiene ganancia en
la economía de combustible (más kilómetros por litro de gasolina): ¡falso!, la
economía la determinan otras variables como la energía que provee el
combustible. Hay que notar que dos gasolinas de idéntico octanaje pueden tener
contenidos energéticos diferentes debido a que su composición es diferente.
Desde el
invento del automóvil, uno de los problemas principales que enfrentaron los
fabricantes fue el cascabeleo. Este problema se centró en buscar aditivos que
pudieran añadirse a la gasolina o la querosina y previnierán la destrucción
mecánica del auto. A principios de siglo las baterías de la investigación se
centraron en resolver el problema de los autos, si bien se necesitaba también
una gasolina de alto octanaje urgentemente una vez que los estadunidenses entraron
en la primera Guerra Mundial. Todo fue evaluado, incluso la mantequilla
derretida. Originalmente, el yodo fue el mejor antidetonante disponible, pero
desde el punto de vista operativo no era práctica su adición y por lo tanto se
dejó en el olvido. En 1919 la anilina mostró mayores propiedades antidetonantes
y ya era componente fundamental en la industria textil. La anilina se extrae
del alquitrán de hulla pero se fabrica haciendo reaccionar el benceno con ácido
nítrico. Thomas Midgley Jr., quien descubrió la causa que producía las
detonaciones en los motores, encabezó un grupo de científicos que en 1922
descubrieron el principal componente para aumentar el octanaje de la gasolina y
evitar el cascabeleo. Midgley encontró que el platino, la plata y el plomo evitaban
las reacciones que generaban el cascabeleo. Entre una serie de compuestos halló
el óptimo: el tetraetilo de plomo (TEL), sustancia
que tiene una parte orgánica, cuatro grupos etilo y una inorgánica, el plomo.
El tetraetilo de plomo al quemarse deja una capa de plomo metálico que es
necesario eliminar, pues de acumularse ocluiría el escape. Se desarrollaron
compuestos orgánicos que en su molécula contenían grupos cloro, como el
dicloro-etileno. Los átomos de cloro reaccionan con el plomo formando un
compuesto volátil que escapa con los gases de escape. El TEL cumplía además con otros requisitos: es soluble en la
gasolina, se vaporiza con ésta y se descompone a las temperaturas de operación
dentro del cilindro produciendo átomos de plomo que se adhieren formando plomo
y oxígeno con lo cual hacen más lentas las reacciones que generan el
cascabeleo. La cantidad que se añade de estos compuestos está en función del
contenido de plomo de la gasolina. El TEL se convirtió rápidamente en el método más efectivo de
elevar el octanaje de la gasolina; sin embargo, desde un principio hubo voces
de eminentes científicos que hicieron campaña contra su uso aduciendo su
toxicidad y la peligrosidad en su manufactura que causó varios accidentes en
las fábricas donde se producía. En 1925 el Servicio de Salud Pública de los
Estados Unidos inició una campaña de investigación para saber si el uso del
aditivo era nocivo. Durante la investigación se suspendió la adición del
tetraetilo pero, al no encontrarse aparentemente nada nocivo, se reinició en
1926 bajo duras protestas de la prensa.
El TEL ha sido uno de los primeros
componentes cuya concentración se ha reducido y en muchos casos se ha eliminado
de la gasolina. El TEL aumentaba
notablemente la eficiencia de las máquinas y disminuía el precio de la
gasolina. Veamos un par de ejemplos de su influencia sobre el octanaje
(expresado en RON), el
primero para una corriente proveniente de la reformación de nafta y el segundo
la que tiene sobre una gasolina extraída con el crudo.
De los datos se puede llegar a la conclusión, primero
de que el mayor beneficio se obtiene con las corrientes de refinería de bajo
índice de octano, pero en segundo término se llega a un punto en el cual la
adición de TEL ya no lo
provoca. Esto es una demostración del concepto de sensibilidad de que hablamos
anteriormente.
También se
puede apreciar que por ejemplo la adición de 0.7g/1 de TEL da un RON de 102.5, es
decir que es mayor al que provee el isooctano puro al que por definición le
hemos dado un valor de 100. Una consideración importante que debemos anotar es
que los automóviles anteriores a 1971, así como ciertos equipos de agricultura
y marinos no tienen los asientos de las válvulas endurecidos. En estos
vehículos el contacto metálico entre la válvula y el asiento se previene
creando una capa protectora de óxido de plomo como ya se mencionó. Los usuarios
de estos vehículos deben buscar aditivos que sustituyan al plomo si no quieren
tener problemas con su máquina.
¿Qué hacer
con la gasolina sin plomo? Es claro que al irse eliminando el plomo de la
gasolina debido a su toxicidad, el refinador requiere de mayor energía para
obtener el mismo volumen de gasolina con la misma calidad de octanaje. Si bien
mantener un alto índice de octanaje permite a los fabricantes de autos emplear
altas relaciones de compresión y por ende obtener mayor eficiencia, lo anterior
no tiene sentido si en la refinería existen pérdidas. El costo de mejorar el
octanaje tiene que ser absorbido por la refinadora o ser pagado por el usuario.
Muchos estudios se han realizado en los países donde todavía se añade TEL para mejorar la economía del
vehículo al incrementar la relación de compresión con la cantidad de petróleo
crudo que se consume para producir un volumen dado de gasolina con diferentes
calidades de octanaje y niveles de plomo. La combinación de estos factores
arrojan que 0.4 gramos por litro de TEL son
suficientes para una gasolina de RON 96, 0.15g/1
para un RON de 95.5 y
por último para una gasolina sin plomo, el óptimo era de 94.5 de RON.
¿Qué otros
aditivos para octano existen? Cuando los científicos llegaron a la conclusión de
que el TEL era dañino
para la salud, se investigaron otros compuestos organometálicos que aumentaran
el octano. El más famoso es el MMT, siglas del
metilciclopentadienil tricarbonil manganeso, desarrollado entre 1953 y 1958;
compuesto que tiene una parte orgánica y otra inorgánica, el manganeso. Ha sido
empleado en varios países del mundo e inicialmente en mezcla con el plomo. Su
uso tiene dos funciones: como antidetonante y para aumentar el octanaje. Sólo
se puede emplear en bajas concentraciones (0.016 gramos de manganeso por litro
de gasolina) debido a que, supuestamente, el carburante presenta problemas de
estabilidad, se dice que crea depósitos en la máquina y su respuesta al
incremento de concentración llega a un límite. Por otra parte, el MMT muestra el efecto de aumentar el
octanaje en presencia de plomo en muchos carburantes, particularmente cuando
son parafínicos. Otros aditivos se fabrican a base de hierro y níquel asociados
con una molécula orgánica, pero su uso ha sido limitado. El de hierro se empleó
por 1930, y más recientemente en concentraciones mucho más bajas, del orden de
30 partes por millón, pero persisten los problemas de daños en los autos aún no
resueltos.
Los aditivos
orgánicos. Muchas de
las características indeseables de los aditivos de octanaje las genera la
tendencia a dejar depósitos en la máquina después de la combustión. Por el
contrario, los aditivos orgánicos no dejan cenizas y siempre se han considerado
de interés para la industria; de hecho los primeros que se emplearon fueron las
aminas aromáticas. Una de las más empleadas es la n-metilanilina, cuya fórmula
mostramos en la página siguiente. El 1 % en volumen de esta molécula orgánica
produce una actividad similar a la de 0.1 gramos de plomo por litro de
gasolina, lo que significa que su relación costo/eficiencia es menor que la del
plomo. A pesar de que muchos de estos compuestos se han descartado, existen
otros que no dejan cenizas y que han probado ser muy valiosos en términos de su
capacidad para disminuir el cascabeleo. Son los compuestos oxigenados, los
alcoholes y éteres, de los que se hablará más adelante.
Si quieres octano, ve al ropero de la abuelita. Durante la
segunda Guerra Mundial se dijo que las bolas de naftalina aumentaban el
octanaje, cuando el naftaleno se usó como ingrediente activo. Éste sí
incrementa el octanaje cuando se añaden a la gasolina cantidades importantes de
él, pero tiene efectos adversos. El primero es su punto de fusión (80°C ) que
hace que cuando el carburante se evapora, el naftaleno se precipita bloqueando
los filtros. Un problema adicional es que las bolitas modernas no se elaboran
de naftaleno sino de una variedad del benceno que contiene cloro, cuya
combustión puede generar productos muy nocivos.
Otras
historias del octanaje. Durante la segunda Guerra Mundial, aumentar la
potencia de los aviones era materia de permanente estudio. Se había medido que
un avión DC-3 al usar una gasolina de octano 100 en lugar de una de 87,
incrementaba 12% su velocidad de crucero, 40% la de elevación, podía volar 20%
más alto y con 40% más de carga. Hemos dicho que entre más ramificada es la
cadena de hidrocarburo, mayor es el octanaje. En 1926 los laboratorios de la
General Motors demostraron que el triptano, tenía un alto índice de octanaje.
En 1943 se construyó una planta química para su producción y el hidrocarburo se
evaluó encontrándose que cuando se le añadía tetraetilo de plomo, la
sensibilidad era muy elevada y la potencia de las máquinas se multiplicaba por
cuatro mientras que había 25% de mejora en la economía de combustible al
compararse al isooctano. ¿Por qué se dejó de producir? Dos razones, su síntesis
era muy cara y pronto aparecieron los aviones a turbina que hubieran requerido
cambios considerables de diseño para que funcionaran.
¿ Y los aviones? Durante la segunda Guerra se creó
una enorme demanda de gasolina para los aviones de combate que necesitaban 100
índices de octano para alcanzar la potencia necesaria. Esto se resolvió
empleando gasolina proveniente del proceso de alquilación y añadiendo altas concentraciones
de TEL. Para esta
gasolina se emplean los mismos métodos analíticos utilizados en los automóviles
salvo que el número de RON obtenido no
corresponde exactamente al de los autos. Los números van de 80 a 115 empleando
tablas de equivalencias. Entre 80 y 100 los valores de número de aviación
son generalmente uno o dos números de octano diferente al de los autos, pero de
100 en adelante si hay cambios importantes en la numeración que refleja ahora
lo que se llama número de actuación que se determina en una versión
especial de máquina en la que se mantiene constante la relación de compresión.
•
Volatilidad de la gasolina. La capacidad de vaporización de la gasolina se llama
volatilidad. Este parámetro es muy importante ya que pueden darse dos tipos de
fenómenos dependiendo si la volatilidad es baja o muy alta. Si la gasolina no
es lo suficientemente volátil (algo común en los años sesenta), el encendido
del motor se dificulta, la temperatura de operación del motor es baja lo que
trae como consecuencia que la distribución del carburante en el cilindro no sea
homogénea y se incrementen los depósitos nocivos por todos lados. Si por el
contrario es muy volátil (típico de los años ochenta) se vaporiza muy
rápidamente y ebulle en las bombas que la transportan al carburador, y dentro
de él las temperaturas son elevadas. Tanto vapor formado trae como consecuencia
que se pierda poder, el coche se "ahogue" y de plano se pare, sin
mencionar que el bolsillo del usuario se ve afectado por las pérdidas debidas a
la evaporación. En los países donde las condiciones atmosféricas difieren mucho
en el curso del año, la gasolina se formula de manera que en el invierno la
velocidad de vaporización sea rápida y lenta en el verano. Existen tres
parámetros para establecer los límites de volatilidad: relación vapor-líquido,
presión de vapor y destilación. La relación vapor-líquido es una prueba que
determina la temperatura requerida para crear una relación vapor-líquido de 20.
Los carburantes más volátiles requieren de menor temperatura para llegar a este
cociente, mientras que los carburantes de componentes más pesados requieren,
obviamente, mayor temperatura. La prueba de presión de vapor se puede llevar a
cabo con varios equipos de laboratorio, uno de los métodos más comunes es el método
Reid. El equipo en el que se mide este parámetro, que dependerá de la
temperatura a la cual se encuentra la gasolina, comprende un recipiente en el
que se coloca la muestra, una cámara de aire de más o menos cuatro veces el
volumen del recipiente, un baño a temperatura constante y un medidor de presión
o manómetro. Se llena la cámara con la muestra y se conecta a la cámara de
aire. El conjunto se agita periódicamente y el manómetro es colocado en la
parte superior de la cámara de aire dando la lectura de una presión que se
estabiliza cuando el equilibrio se alcanza, figura 25.
El valor que
se obtiene es el de la tensión del vapor Reid de la gasolina que se expone en
gramos por centímetro cuadrado o libras por pulgada cuadrada. Así una gasolina
de 10 PVR tiene una
presión de vapor Reid de 10 libras/pulgada cuadrada o sea 703 g/cm². La prueba
de presión de vapor es muy importante ya que de manera indirecta indica el
contenido de productos muy volátiles que condicionan la seguridad en el
transporte, pérdidas en almacenamiento y volatilidad de la gasolina. Veamos un
ejemplo que se lleva a cabo en una refinería. Recordemos el proceso de
alquilación en el cual reaccionan las olefinas con isoparafinas, con lo cual se
hace crecer y ramificar la cadena de hidrocarburos. Generalmente el tipo de
producto que se obtiene está en el rango de las gasolinas y contribuye en forma
importante a su volumen. En la figura 26 se analizan valores de octano
obtenidos mediante el proceso y la presión de vapor Reid generada.
Aunque
muchos refinadores consideran la alquilación como un proceso generador de
octano, es en realidad un proceso que reduce la presión de vapor. Contrario al
octano, la presión de vapor Reid no es una función lineal. Debe usarse un
índice de mezclado para corregir la no linearidad: la presión de vapor de
mezclado (PVM) equivale a
la presión de vapor elevada a la potencia 1.25, dato que proviene de la
experimentación. Hay que tomar en consideración que el control final de la
presión de vapor se logra principalmente al reducir la concentración de butanos
y pentanos que se deja en la gasolina. Para calcular la cantidad de n-butano
que necesita para dar una presión de vapor Reid de 11.5:
La fórmula mágica nos dice que el volumen de la mezcla
multiplicado por el PVM de la misma
es igual al volumen en barriles multiplicado por el PVM
(48.3 + X)
(PVM) = 138.3X + 20.3 (5) + 3.62 (28.3) + 3 (6.74) + 17(3.67) X= 5.9 millones
de barriles diarios.
• La curva
de destilación. La prueba de destilación se emplea para determinar la volatilidad de la
gasolina en todo su rango de ebullición. La gasolina está compuesta de
diferentes ingredientes que se evaporan a diferentes temperaturas. Los más
volátiles se evaporarán a temperaturas menores. Hay que recordar que la
destilación es un proceso muy viejo del cual el hombre sigue sacando provecho.
El uso de ciertos objetos es permanente y, conceptualmente, siguen siendo
semejantes a los que usaban los alquimistas. Especial importancia tenía para
ellos el huevo filosofal, recipiente de vidrio de forma ovalada en el
cual se verificaban las transformaciones más interesantes, el horno que suministraba
el calor necesario y los alambiques. Su forma debía ser esférica y ovoide para
imitar el "cosmos esférico" cuya influencia astral contribuiría al
éxito de la Obra. El horno o atanor (del árabe al-tannur) era uno
especial de calcinación, con tres niveles: el horno propiamente dicho, una
cámara calórica con mirilla, el huevo filosofal iba en un lecho de cenizas
calientes que lo cubría, como un nido. El nivel superior remataba en cúpula
reverberante que concentraba el calor. María la Judía, alquimista alejandrina,
sustituyó la ceniza del atanor por una cazoleta con agua caliente, de ahí
procede calentar al "baño María". El proceso alquímico de cohobación
(destilar, condensar y volver a destilar, reiteradamente ) obligó a modificar
los primitivos alambiques, que se hicieron voluminosos y con formas extrañas.
Conforme la
gasolina se calienta, la temperatura a la cual varias fracciones se evaporan se
calculan pesándolas. Existen especificaciones que definen los porcentajes de
carburante que deben evaporarse. Los límites de destilación incluyen
temperaturas máximas a las cuales se debe evaporar el 10% (50-70°C), 50%
(110-120°C), 90% (185-190°C) y el punto máximo, que no debe exceder de 225
grados centígrados. El 10% de la gasolina evaporada debe ser suficiente para
proveer un arranque rápido del motor; la que se evapora al 50% debe ser lo
suficientemente baja para que no produzca problemas de calentamiento del motor
en climas fríos pero no lo suficiente como para producir el calentamiento de la
máquina. Esta porción de la gasolina afecta la economía en viajes cortos. Las
temperaturas de 90% y final de evaporación deben ser bajas para minimizar los
golpeteos y la formación de depósitos en la cámara de combustión. Nótese que
dos gasolinas con los mismos puntos de evaporación a 10, 50 y 90% pueden variar
en la economía de combustible debido a que existan diferencias de evaporación
en otros puntos de la curva de destilación. En México, la gasolina con plomo
tiene valores de 10, 50 y 90% en grados centígrados 70° 77°-121° y 190° con una
temperatura final de ebullición de 225°C.
El aparato
para realizar el experimento de destilación está compuesto de un balón de
destilación que se calienta y destila a una velocidad determinada. Los vapores
formados son condensados por medio de un tubo de cobre cubierto por una mezcla
de agua y hielo, y son recolectados en una probeta graduada. El operador anota
la temperatura de aparición de la primera gota de condensado a la salida del
tubo y ese es el punto inicial de la destilación. Luego la temperatura se va
elevando a medida que se destila el 5, 10, 20, 90, 95% del producto. Al final
la temperatura llega a un máximo y luego disminuye por la alteración térmica de
las últimas trazas del líquido en el balón. El máximo de la temperatura es el
punto final de la destilación. En la figura 27 se esquematiza el aparato y el
tipo de curva de destilación que se genera, la temperatura está expresada en
grados centígrados y el porcentaje recolectado en peso.
• Contenido
máximo de plomo. Este contenido máximo permisible es variable en cada país, el promedio
que generalmente se ha empleado para la gasolina con plomo es de 0.03 kg/m³. En
los países donde ya no se añade plomo a la gasolina, se observan en la práctica
valores mucho menores a 0.0026 kg/cm³.
• Contenido
máximo de azufre. El contenido excesivo de azufre puede incrementar las emisiones nocivas
así como los depósitos en la máquina; también puede generar compuestos ácidos
que reducen la eficiencia del aceite lubricante y sus aditivos, con lo cual se
disminuye la vida del motor. El azufre afecta gravemente los dispositivos
catalíticos que se incorporan a los vehículos para disminuir las emisiones de
gases parcialmente oxidados. Los compuestos de azufre se emiten como óxidos de
azufre, también sumamente nocivos al medio ambiente. Cuando se deja de
introducir azufre, el convertidor catalítico recupera su eficiencia. En la
gasolina con plomo en México el nivel de porcentaje de azufre en peso máximo es
de 0.15, mientras que en la gasolina sin plomo no debe rebasar 0.05% en peso
para la zona metropolitana del país.
•
Propiedades anticorrosivas. Si la gasolina se pone en contacto con una pequeña
tira de cobre, no debe ennegrecerla. Así se demuestra la inexistencia de
sustancias corrosivas, sobre todo las que se derivan de los compuestos de
azufre. Recuérdese que el azufre al ser quemado genera gases que atacan la
máquina y el medio ambiente.
• Tolerancia
al agua. El valor
está dado por la máxima temperatura que causa una separación de fases de la
gasolina oxigenada. Los límites varían de acuerdo a la localidad y la época del
año. En Alaska cambia de -41°C en diciembre y enero a 9°C en julio, mientras
que en Hawai todo el año alcanza 10 grados.
•
Estabilidad. Debe
tenerse en cuenta que la gasolina puede ser almacenada por mucho tiempo. En
consecuencia no debe formar gomas que se precipiten. Hemos dicho que los
hidrocarburos no saturados tienden a producir gomas y con más rapidez en
presencia de cobre metálico, que actúa como catalizador de la reacción. Por eso
a la gasolina se le añaden antioxidantes y pasivadores de metales que los
desactivan.
•
Ingredientes adicionales en la gasolina. Aunado a que es necesario formular
gasolina de diferentes tipos dependiendo del tipo de automóvil, otros
ingredientes son necesarios para el funcionamiento del carburante de base y,
genéricamente, se les llama aditivos. Los primeros fueron los aditivos
antidetonantes, que permitieron a la industria automovilística de los años
treinta producir máquinas con mayor compresión y ganar en eficiencia. Los
antioxidantes fueron introducidos en los años treinta para combatir la
tendencia de los productos desintegrados en las refinerías a formar gomas y
oxidarse, hecho que tuvo una importancia mayor al introducirse el proceso
catalítico de desintegración que genera olefinas. A la gasolina se le añade un
paquete de aditivos que incluye:
—
Anti-oxidantes: las sustancias que inhiben las reacciones de oxidación de
los hidrocarburos antes de que se quemen con el oxígeno en la cámara de
combustión. En particular hablamos de los hidrocarburos no saturados.
— Estabilizadores
de la gasolina: sustancias que impiden la formación de gomas y mejoran la
estabilidad de la gasolina. Hay que recordar que la gasolina cuenta entre sus
componentes a las olefinas, sustancias muy reactivas que gustan de hacerlo con
sus congéneres a la temperatura ambiente formando polímeros, es decir grandes
cadenas que tienen un aspecto como de goma y que como se comprenderá son
nocivas para el motor.
— Inhibidores
de la corrosión: sustancias que impiden que la gasolina ataque los tanques
de depósito de la gasolina.
— Colorantes:
se añaden en concentraciones muy pequeñas, del orden de 10 partes por millón de
gasolina. Se da a la gasolina coloraciones diferentes a fin de diferenciarla y
evitar que se nos dé gato por liebre.
— Anticongelantes:
en los países de temperaturas frías, estos compuestos impiden la formación de
hielo.
— Aditivos
para impedir la formación de depósitos en válvulas o bujías: los depósitos
a los que nos referimos los forman gomas o productos de la degradación de la
gasolina que se depositan en los sistemas de admisión de combustible y cámara
de combustión de los automotores. Estos depósitos interfieren con el proceso
normal de combustión y el buen funcionamiento del motor; se comprenderá que la
combustión deficiente genera contaminantes. Los aditivos detergentes
dispersantes permiten mantener limpios los sistemas de admisión. Los depósitos
se generan por la presencia de olefinas y de alcoholes y los fabricantes de
gasolina ya los incluyen en forma rutinaria.
— Aditivos
que ayudan a impedir la obstrucción de las válvulas en los autos de mucho uso:
el taponamiento de las válvulas es uno de los problemas mayores en los autos
con mucho kilómetraje recorrido. Generalmente se debe a que el auto se somete a
altas velocidades y a carga excesiva, lo que hace que la válvula no asiente
generando puntos calientes muy elevados y que la máquina sufra daños severos.
El mecanismo se tiene identificado: el primero es la formación de óxido de
hierro procedente de la cámara de combustión que se adhiere a la cara de la
válvula, partículas que actúan como un filoso cuchillo que arranca pedazos del
asiento de la válvula. Pueden o no ser adicionados en la fórmula de la gasolina
al ser vendida por lo que en las gasolinerías suele haber aditivos de este tipo
generalmente a base de compuestos de potasio y sodio.
La pregunta
es si comprar o no los productos en venta para resucitar nuestro viejo
automóvil, dejar de contaminar, gastar menos gasolina y alcanzar en la
autopista velocidades cercanas a la de la luz. Algunos de ellos suelen tener un
principio de operación que suene coherente aunque desafortunadamente la
relación costo-beneficio no es muy ventajosa sobre todo al calcular el efecto
que tendrá el producto a largo plazo. Otros productos son obra de charlatanes.
En el caso de los motores diesel, los aditivos tienden a mejorar la fluidez del
material, sobre todo en épocas frías, ya que los hidrocarburos son más pesados
y tienden a cristalizarse a bajas temperaturas. Además hay aditivos que
aumentan la capacidad del diesel para inflamarse.
Todo aquel
que maneja un automóvil ha soñado ser piloto de autos de carrera. El objetivo
primario de una carrera es obtener el máximo de potencia de un vehículo, que
puede ser incrementada por el diseño de la máquina, pero la potencia alcanzará
su máximo usando un carburante apropiado. Repasemos los factores para escoger
el carburante:
• Poder
calorífico: entre mayor sea el contenido energético del carburante, mayor será
la potencia que rinda el automóvil.
•
Estequiometría: entre menor sea la relación estequiométrica aire/carburante (o
la relación oxígeno/ carburante si es otro oxidante el que se emplea en lugar
del aire), mayor será la cantidad de gasolina que se puede introducir en la
cámara de combustión.
• Cociente
de productos a reactivos: cuanto mayor sea esta relación, mayor será la presión
de combustión en el cilindro y, por tanto, mayor será la potencia liberada por
el auto.
A fin de que
esto quede claro tomemos como ejemplo el nitrometano, compuesto que al quemarse
con el oxígeno o el aire genera la siguiente reacción:
•
Resistencia al cascabeleo: éste lleva a que la máquina se destruya durante la
carrera. Como las condiciones de manejo son severas, el número de octano de
motor (MON) es
generalmente más importante que el RON como guía
general para evitar el cascabeleo y las detonaciones indeseables.
• Los
límites de inflamabilidad deberán ser tales que se pueda usar una cantidad
elevada de aire para llevar la potencia al máximo.
•
Volatilidad: el carburante debe tener un punto de ebullición tal que permita
ser transportado en forma líquida pero que se volatilice rápidamente al entrar
en la máquina.
Por supuesto
no existe un carburante con todas las características deseables y deberá
escogerse las que se consideren importantes. Como las características de un
carburante varían de una a otra marca, las máquinas deberán ser diseñadas para
una gasolina en especial. Un parámetro importante que provee un método de
comparación del calor liberado por diferentes gasolinas en una máquina es la Energía
específica (EE), en inglés
specific energy. El valor teórico de la EE se calcula dividiendo la capacidad calorífica entre la
relación aire/carburante lo que da como resultado la energía del carburante
enviada a la cámara de combustión por unidad de masa de aire introducida.
Veamos algunas propiedades de tres carburantes para carreras empleados
usualmente:
De los datos de la tabla se ve que el nitrometano
tiene una EE 2.3 mayor
que el isooctano y que el metanol es ligeramente mejor que el isooctano ya que,
en ambos casos, la relación estequiométrica aire/carburante es mucho menor que
la del isooctano a pesar del hecho de que este último tenga el poder calorífico
más elevado. También notamos que el metanol es un buen carburante para los
autos de carreras, tiene buenas propiedades antidetonantes por lo que se pueden
emplear relaciones de compresión de 16:1, se vaporiza fácilmente, es barato y
está a la mano. Su principal problema es que su consumo es muy elevado,
particularmente si se requiere una máxima potencia, de ahí que sea necesario
utilizar un tanque de gran volumen.
Siempre
queda el consuelo de emplear gasolina, al fin de cuentas hay siempre disponibilidad
de ella y tiene bajo costo. Su limitación mayor es que relativamente tiene baja
EE y tendencia
a cascabelear el auto cuando las relaciones de compresión son elevadas y
necesarias para obtener el máximo de potencia. En el periodo entre guerras se empleaba
la gasolina de bajo octano mezclada con benceno y otros compuestos aromáticos
pesados. La General Motors patentó una gasolina de aviación llamada
"Hector" que consistía de una mezcla de 80% de ciclohexano y 20% de
benceno, excelente por cierto en cuanto a su calidad de octanaje pero no
aceptable debido a la toxicidad del benceno. Puede emplearse el tetraetilo de
plomo y parafinas muy ramificadas como el isooctano, el triptano de buenas
propiedades antidetonantes. Existen otras moléculas cíclicas como el
ciclohexano que si bien tiene un bajo índice de octano se mezcla bien con otros
componentes presentes y el número de octano resultante es satisfactorio. Para
que haga sus mezclas apropiadas en la siguiente tabla le proporcionamos algunos
valores de octano para hidrocarburos puros:
En resumen, para obtener gasolina para los autos de
carrera es necesario emplear corrientes de refinería consistentes en grandes
cantidades de productos generados en la alquilación, sumados a corrientes
aromáticas provenientes de la reformación catalítica y tratadas con la máxima
cantidad de aditivos antídetonantes posible.
Si los
hidrocarburos de una gasolina por sí solos tienen dificultad en quemarse del
todo y convertirse en bióxido de carbono y agua, queda emplear carburantes con
alto contenido de oxígeno o añadir a la gasolina proporciones importantes de
estos carburantes como aditivos. Dos alcoholes son útiles, el metanol y el
etanol que pueden ser carburantes alternos para el uso en motores que
inicialmente empleaban la gasolina, y presentan dos ventajas generales: que se
pueden fabricar a partir de fuentes distribuidas en muchas partes del planeta,
lo que no sucede con el petróleo, y son materiales renovables, lo que hace
posible emitir menor cantidad de emisiones nocivas a la atmósfera. Su
desventaja principal es que su contenido energético es menor al de la gasolina
o el diesel. Este inconveniente se puede reducir en cierto grado si se mejora
el diseño de los autos. Otro problema es que los alcoholes no son lo
suficientemente volátiles para el encendido en frío de autos que utilizan
bujías a menos de que se emplee un poco de gasolina.
En lo que se
refiere a su empleo en máquinas encendidas por bujías podemos resumir sus
cualidades de la siguiente manera: tanto el metanol como el etanol tienen
excelentes cualidades de octano, se queman muy limpiamente y se emplean como
carburantes en los autos de carreras ya que su octanaje permite operar las
máquinas con altos niveles de compresión y su capacidad para quemarse en
mezclas ricas con aire, aunado a su alto calor de vaporización, les permite
producir más potencia que la que se obtiene con la gasolina.
El metanol
es incoloro, inodoro y casi sin sabor. Además es el más simple de todos los
alcoholes. Probablemente la primera gota la produjo la naturaleza cuando un
rayo cayó sobre un árbol que contenía lignina y que había emergido de la sopa
prebiótica. La pirólisis de la lignina seguramente generó los primeros grupos
metilos que, al combinarse con radicales hidroxilo, generaron el metanol. Se le
emplea como materia prima para muchos procesos químicos, como solvente y como
aditivo y sustituto de la gasolina. Se le empleó como carburante a principios
de siglo hasta que se produjo la gasolina que era más barata. Antes de que
aparecieran los métodos sintéticos de obtención, desarrollados en los años
veinte, se extraía de la madera como un subproducto del carbón, de ahí que se
le conociera como alcohol de madera pero los rendimientos eran muy bajos, una tonelada
de madera daba unos 25 litros del alcohol. En la segunda Guerra Mundial los
alemanes lo producían sintéticamente para emplearlo en sus aviones, pasado el
conflicto volvió a dormir el sueño de los justos hasta que con la crisis
petrolera de los años setenta despertó de nuevo el interés por su
disponibilidad y bajo costo. El interés volvió a decaer cuando surgieron
problemas en el mezclado del metanol y la gasolina. Se informaba que no se
mezclaban homogéneamente y los productos se separaban creando dos fases. En el
futuro, el metanol puede ser una fuente adicional de carburantes, ahora su
fuente será el gas natural. Los precios de obtención actuales son prohibitivos
si se los compara con la gasolina. Otra fuente que puede emplearse es la
biomasa, constituida de residuos forestales, de la industria del maíz y los
componentes celulósicos de los desechos municipales.
El etanol
tiene también una añeja historia. El original modelo T de la Ford había sido
diseñado para trabajar con él en lugar de la gasolina. Luego se le empleó para
aumentar el octano añadiéndolo en concentraciones del orden del 10% en volumen,
con lo que se podía alcanzar de dos a tres números de octano suplementarios. En
algunos países se emplea como sustituto de la gasolina aunque también es
importante materia prima para producir éteres. Algunas de las objeciones que se
hacen al etanol es que no es un producto que se genera en las refinerías, de
ahí que su transporte hasta ellas a fin de mezclarlo con la gasolina aumenta
los costos. Además la mezcla de etanol con los hidrocarburos requiere que los
tanques de las refinerías no contengan agua para que no haya problemas en la
homogeneidad de la mezcla. ¿Cuál es la ventaja adicional del etanol? Una
tendencia mundial a largo plazo será sustituir los hidrocarburos del petróleo
por sustancias que se generen a partir de la fotosíntesis. Esto queda
claramente expresado en la figura 28.
Resumamos
las ventajas de los alcoholes comparadas con la gasolina. Una cosa es evidente:
para aprovechar al máximo las propiedades de los alcoholes, las máquinas deben
diseñarse específicamente con ese fin. Debido a que los alcoholes tienen menor
contenido energético, en el caso del metanol es menos de la mitad que el de la
gasolina, la economía volumétrica del carburante será siempre menor que la
conseguida con la gasolina. Sin embargo se pueden obtener mejoras en la
eficiencia térmica con los alcoholes debido a que presentan las siguientes
diferencias en las características de la combustión, cuando se les compara con
la gasolina:
• Los
alcoholes se queman con una temperatura menor de flama, así, se pierde menos
calor por conducción o radiación hacia el sistema de enfriamiento del auto.
• Los
alcoholes se queman más rápidamente y generan un mayor volumen de productos de
combustión por lo que aumenta la presión en los cilindros.
En la
siguiente tabla se hace un sumario de algunas de las propiedades físicas y
químicas de los alcoholes cuando se les compara con una gasolina.
El motor
Diesel tiene la misma apariencia que el de gasolina. La gran diferencia estriba
en que el de diesel no tiene bujías. En los años posteriores a la explotación
del petróleo mediante la perforación (1859), el queroseno, empleado en el
alumbrado con lámparas, era el producto más valioso que se obtenía. La gasolina
se quemaba por inservible, el residuo pesado iba al basurero y el
"destilado intermedio" se enviaba a la ciudad. Con el invento del
motor diesel, el destilado encontró aplicación. Las necesidades de los primeros
motores que emplearon diesel no eran tan específicas como ahora y ha habido
necesidad de mejorarlo a fin de que los diseños de las máquinas cumplan con una
relación potencia/peso más elevada. Lo primero fue eliminar los carburantes con
alta viscosidad y residuos difíciles de quemar. Lo segundo, mejorar la
combustión. Los carburantes para máquinas que operaban a baja velocidad y pocas
revoluciones por minuto, perdían su utilidad cuando se trataba de construir
aparatos que se desplazaran a altas velocidades, a más de 2 000 revoluciones
por minuto. La calidad de ignición de un diesel inicialmente se expresaba por
el llamado Índice Diesel que era una función de la densidad multiplicada
por el punto de anilina y dividido entre cien. Fácil, pero, ¿qué es el punto de
anilina? Los crudos y sus destilados están constituidos por muchas variedades
de hidrocarburos: parafinas, naftenos y aromáticos. Los aromáticos tienden a
mantenerse líquidos y no formar sólidos cuando la temperatura disminuye. La anilina
es un compuesto químico aromático, y se denomina punto de anilina de un
carburante a la temperatura más baja a la cual cantidades iguales de anilina y
carburante permanecen en solución. Un carburante con alto contenido de
aromáticos tendrá un punto de anilina menor que uno de alto contenido en
parafinas. El Índice Diesel se ha dejado de usar por su falta de
precisión y hoy en día los diesel se caracterizan por el Índice de cetano.
El cetano es un hidrocarburo parafínico de fórmula
. Para
juzgar el índice de cetano se usa el que no está ramificado y se le da un valor
en la escala de 100, la otra molécula de referencia es el 2,2,4,4,6,8,8,
heptametil nonano, que tiene un número de cetano de 15. ¿Asusta al lector la
descripción de este último compuesto y no se lo puede imaginar? Regalado, pinte
nueve carbones seguidos, numérelos del uno al nueve y en el segundo carbono
ponga dos grupos metilo,
, igual en
el carbono cuatro, uno en el seis y dos metilos en el carbono ocho. Decíamos
entonces, antes de desviarnos a la nomenclatura química, que el índice de
cetano calcula el número de cetano de un diesel a partir de una relación
empírica con parámetros de densidad y volatilidad. El número de cetano en sí es
una medida de la calidad de ignición de un diesel y está basado en el tiempo de
encendido de la máquina. Cuanto mayor es el número de cetano, menor es el
tiempo que tarda en encender y por ende mejor la calidad de la ignición.
Hemos dicho
que el mecanismo de funcionamiento depende de que el carburante se inflame, lo
que se trata precisamente de evitar en los motores de gasolina. Contrario al de
gasolina, el aire no se mezcla con el carburante antes de ser inyectado en el
cilindro. Sólo se inyecta aire y, conforme el pistón se mueve hacia el tope del
primer tiempo de compresión, se va calentando y justamente cuando el pistón
llega a su tope el diesel se inyecta al cilindro. Al contacto del aire
sobrecalentado, el carburante se quema y causa el movimiento del pistón. Varias
fases se suceden cuando el carburante se inyecta en el cilindro. Primero, entra
en forma de líquido, se vaporiza al contacto del aire caliente y llega a la
temperatura de ignición. La segunda fase se da cuando la combustión ocurre y
comienza a inflamar al líquido y al vapor que la rodean. El movimiento comienza
a dar fruto y finalmente, conforme el resto del líquido es bombeado al
cilindro, también se inflama, manteniendo o incrementando la presión sobre el
pistón. Ha pasado una centésima de segundo. En la figura 29 presentamos la
demanda esperada de diesel en México como combustible para automotores en miles
de barriles diarios, las cifras muestran la evolución del contenido de azufre:
en 1991 existía diesel con más de 0.5% de azufre, lo que afortunadamente ha ido
disminuyendo con el tiempo y cada vez este carburante contiene cantidades
menores de tan nocivo elemento. Actualmente llega a 0.05% en peso.
Figura
29. Evolución de la demanda de diesel a) diesel de más de 0.5% en peso de
azufre, b) 0.5%, c) 0.05 por ciento.
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