Apuntes de Catedra del tema Combustibles

Apuntes de Cátedra
Química Orgánica
FI-UNJU
Tema : Combustibles
Combustión
La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se libera controladamente parte de la
energía interna del combustible. Una parte de esa energía se va a a manifestar en forma de calor y es la que a
nosotros nos interesa.
La combustión es una reacción de oxidación, donde el agente oxidante es el oxigeno, en esta reacción
normalmente libera una gran cantidad de calor.
Combustible + comburente (oxigeno)
gases de combustión + calor
Combustible: Toda sustancia capaz de combustionarse
Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible sufra oxidación
Los combustibles tienen en su composición elementos principales, combustibles (C, H, S) y otros no
combustibles, como el, Na, Si., V, Ni
El comburente más habitual usado en la combustión es el aire (21% O, 73% N2 (inerte)).
El calor de combustión; es el calor que se libera cuando el combustible arde en una llama o cuando los
componentes principales reaccionan con el oxígeno.
Para que un combustible sufra la combustión, es necesario que alcance su temperatura de ignición. Se define
el punto de ignición de un combustible como la temperatura a la cual, una vez iniciada la llama, ésta ya no se
extingue. Ésta temperatura varia 20 a 60ºC, dependiendo del combustible, y es más alta que la temperatura
de inflamación.
Los combustibles industriales suelen estar constituidos por mezclas de pocos elementos, ya que esto simplifica
en gran medida el proceso. Los componentes de un combustible, en general son: Combustibles propiamente
dichos; inertes (estos hay que eliminarlos y por lo tanto resultan perjudiciales)
Fases de la reacción de combustión
Se pueden distinguir tres fases en la reacción de combustión:
Fase de prerreacción (formación de radicales): Los compuestos hidrocarbonados se descomponen dando
lugar a la formación de radicales libres, que son unos compuestos intermedios inestables y muy reactivos, para
que de este modo el carbono y el hidrógeno puedan reaccionar con el oxígeno.
Fase de Oxidación: En esta fase se produce la combinación entre los elementos y el oxígeno. Es una fase
muy exotérmica y es cuando tiene lugar la propagación de la llama.
Fase de Terminación: Aquí es cuando se forman los compuestos estables. El conjunto de estos compuestos
es lo que llamamos gases de combustión.
Es necesario que se produzca una gran coordinación entre la 1ª y la 2ª fase, ya que si no podría llegar a
producirse una explosión, por acumulación de radicales. La explosión es la onda que se produce y transmite
por la masa reaccionante a una velocidad de 1500-2500 m/s.
Las reacciones de combustión pueden clasificarse según el modo en el cual transcurran:
• Combustión NEUTRA o estequiométrica: Es aquélla que se produce cuando el aire empleado aporta la
cantidad justa de oxígeno para que todos los reactivos se transformen en productos. Para que la
estequiometría se cumpla, hay que considerar TODOS los elementos que sufren la reacción de
combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar totalmente, entonces no habrá H, O, S y
C, que se transformen en productos correspondientes que irán en los gases de combustión. Como
inertes aparecerá, por lo menos, el nitrógeno.
• Combustión INCOMPLETA o imperfecta: Es aquélla en la que por defecto en el suministro de aire no hay
oxígeno necesario para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir que no todo el
carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto de combustión el CO, entre otros.
Aparecen entonces los inquemados. Los inquemados también se pueden producir por defecto en el
aparato quemador. Los inquemados se definen como la materia combustible que ha quedado sin quemar
o parcialmente quemada. Pueden ser sólidos (carbono-hollín- provocan un ennegrecimiento de los
humos de combustión ) o gaseosos: CO, H2
Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el combustible, por lo que la
combustión que se está realizando es mala.
• Combustión COMPLETA: Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un
exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad estequiométricamente
necesaria para que todos los productos combustibles sufran la oxidación (tanto el C como el O ó el H).
En este caso no se van a producir inquemados. En la práctica se hace difícil conseguir la combustión
completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se define como la cantidad
de aire por encima del teórico que hay que aportar para que se realice la combustión completa del
combustible
Productos resultantes de la reacción de combustión
En general, los productos de combustión se llaman humos. Se definen éstos como la masa de compuestos que
resultan de un proceso de combustión. Mayoritariamente están formados por óxidos de los elementos
combustibles de un combustible, además de por los elementos del combustible que no sufren reacción, donde
hay que incluir el N2 del aire que no va a reaccionar con el oxígeno. Otros elementos que pueden aparecer en
los humos pueden ser pequeñas proporciones de elementos en suspensión, como carbón u hollín (que se
define como una sustancia alquitranosa de coquización).
Poder calorífico
Se entiende por poder calorífico: la cantidad de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de
sustancia. Tal unidad se la mide en cal/kg, kcal/kg de combustible.
La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la
expresión poder calorífico superior (abreviadamente, PCS) y poder calorífico inferior (abreviadamente, PCI).
Si la temperatura de los productos finales de combustión es tal que el vapor de agua que se ha formado
continué en ese estado, tendremos el poder calorífico inferior del combustible.
En cambio, si la temperatura de los productos finales es suficientemente baja como para que aquella se
condense, tendremos el poder calorífico superior del combustible. La diferencia entre ellos será igual el
calor desprendido por la condensación del agua.
Por ello, se usó la denominación poder calorífico superior para el calor verdaderamente producido en la
reacción de combustión y poder calorífico inferior para el calor realmente aprovechable.
Combustibles sólidos
Maderas: utilizados como combustibles en bosques o en estufas hogareñas (poder calorífico hasta 4500 cal /
kg. secos).
Carbonizando la madera y otros residuos vegetales calentando en un horno a temperaturas superiores a los
500 º C y en ausencia de aire se obiene carbón vegetal o sea que la carbonización es la eliminación de los
volátiles de la materia orgánica por calentamiento en ausencia de aire. Con ello se elimina la mayor parte
del agua y se consigue elevar el poder calorífico de la madera (de 15.000 a 20.000 kJ/kg) hasta
aproximadamente 30.000 kJ/kg el del carbón. El carbón vegetal es un producto sólido, frágil y poroso con un
alto contenido en carbono (del orden del 80%).Para obtener carbón vegetal a partir de la madera lo que se
hace es crear una barrera física que aísla la madera del exterior, para evitar que al calentarla el oxígeno del
aire la incendie. De este modo se logra la carbonización. Las diferentes tecnologías que se utilizan se basan en
las distintas formas de crear esta barrera física que puede ser de tierra, ladrillos, cemento armado y metal. El
carbón vegetal es quizá el primer material de carbón utilizado por el hombre y su uso data probablemente
desde el mismo momento en que se comienza a utilizar el fuego; dado que los trozos de madera carbonizada
que quedarían en algunas hogueras pueden considerarse un carbón vegetal rudimentario.
Carbones fósiles: El carbón es el producto final de la degradación de la vegetación de los pantanos (la
acumulación de limos y otros sedimentos, junto con movimientos en la corteza terrestre enterraron estos
pantanos y turberas, en algunos casos a una gran profundidad) en condiciones anaeróbicas (con un suministro
de oxigeno muy bajo). El oxigeno y el hidrogeno se pierden gradualmente a través del proceso de
carbonificación. A medida que la carbonificación avanza, se libera el hidrógeno y las estructuras aromáticas
se incrementan o sea que es un proceso deshidrogenación incompleta, con una cinética muchísimo más
lenta que la de la carbonización. Cuantos más antiguos son los restos orgánicos y mayores presiones
soportan, mayor es la cantidad del carbón.
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Representación esquemática de una parte de la estructura del carbón.
A medida que este proceso fue ocurriendo, una serie de cambios químicos y físicos provocan que el carbón se
vuelva más duro y maduro, punto en el cual se le clasifica como bituminoso o carbón duro. Bajo las
condiciones adecuadas, el incremento progresivo en la madurez orgánica continua, para finalmente formar
for
la
antracita.
El grado de "metamorfismo” a la que fue sometido el carbón, desde su forma de turba a antracita, tiene una
importante relación con sus propiedades físicas y químicas y es lo que se conoce como el "rango" del carbón.
Los carbones de bajo rango, tales como el lignito y los sub bituminosos, son típicamente más blandos,
fácilmente desmenuzables, opacos y con apariencia de tierra; se caracterizan por tener altos niveles de
humedad y bajo contenido de carbono, y por consiguiente, poca energía.
energía Los
os carbones de alto rango son
típicamente más duros y resistentes.
Inicialmente la turba, precursora del carbón, fue convertida en lignito ó carbón pardo, que son tipos de carbón
con "madurez" orgánica baja. Luego de muchos millones de años, la continuidad de los efectos de la
temperatura y presión produjeron cambios adicionales
adicionales en el lignito, incrementando progresivamente su
madurez y transformándolo al rango conocido como carbones sub bituminosos
El incremento en el rango está acompañado por un aumento en los contenidos de carbono y de energía
del carbón, así como de una
a disminución en el nivel de humedad.
humedad. La antracita está en el tope del rango y
por tanto, tiene los más altos contenidos de carbono y energía, y los menores niveles de humedad.
Resumiendo:
Reservas
mundiales
Tipo de carbón --uso industrial
Antracita: son los más antiguos. Tienen gran contenido de C y pocos volátiles y O.. (PCS
(
= 7800- 8600 kcal /kg).
Hulla: son los más utilizados en la industria, de color negro o gris oscuro,, se distinguen tres clases:
clases
Hulla seca: hornos de arrabio y en la producción
prod
de coque metalúrgico. ( PCS
S = 7500 kcal / kg.)
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Hulla grasa: en la producción de gas alumbrado y coque. ( PCS = 8300 a 8600 kcal / kg.)
Hulla magra: desprende pocas materias volátiles. ( PCS = 7900 a 8370 kcal / kg.).
Lignito: Proceden de la carbonización natural de la madera. Al quemarse desprende el azufre provocando
mal olor y daños en metales y estructuras. Hay dos tipos distintos:
Lignitos perfectos: más antiguos (poder calorífico = 6000 kcal / Kg. )
Lignitos leñosos: más jóvenes. (poder calorífico = 5000 a 5700 kcal /Kg.)
Turba: son carbones de menor calidad. Con un PCS de 3200 a 4000 kcal / Kg.
Carbón vegetal o de leña: provienen de la carbonización de la madera PCS≈ 6500 kcal/Kg., sin azufre.
Residuos orgánicos: son restos muy grasos comprendidos entre los carbones y el petróleo.
En la comercialización del carbón, según el tipo de carbón que se explote, existen parámetros de control:
Dmmf: seco y libre de materia mineral , mmf: libre de material mineral
Con el fin de dar valor agregado al carbón menudo que queda como residuo en los procesos de producción del
carbón,William Easby (1848) patentó un método de conversión de carbón menudo en terrones sólidos. En
una breve descripción del proceso, menciona “La utilidad y la ventaja del descubrimiento es que, a través de
ese proceso, un artículo de pequeño valor, casi despreciable, puede convertirse en un valioso material
combustible para navíos a vapor, fraguas, culinaria y otras finalidades, ahorrando así lo que hasta ahora se
pierde”. Easby, había patentado toda la industria de briqueteado de carbón.
El proceso de briqueteado de carbón, consistía primero en secar el carbón, enseguida triturarlo y tamizarlo;
mezclar el carbón seco con aproximadamente 6% de aglutinante asfáltico derretido, briquetear esa mezcla en
máquinas de briquetas. Más de 6 millones de toneladas de briquetas de carbón eran producidas anualmente
en los Estados Unidos antes de que se sustituyera por el petróleo y por el gas, productos más baratos, luego
de la Segunda Guerra Mundial.
Muchos materiales se briquetean con aglutinantes. Mineral de hierro y cromita son briqueteados con un
aglutinante hecho de cal + melaza. Aglutinantes del tipo matriz (Ca(OH)2 + Melaza, Silicato de Na + CO2 ) son
los más usado para la fabricación de las briquetas. Aunque el material pueda ser briqueteado solamente con
presión, pueden utilizarse presiones menores y briquetas con una estructura más porosa pueden ser
fabricados de esta manera.
Combustibles líquidos
El petróleo y sus derivados.
El petróleo es esencialmente una mezcla de hidrocarburos que resultan de la descomposición de materias
orgánicas de origen animal y vegetal; se encuentra localizado en yacimientos que se formaron durante los
diferentes periodos geológicos.
El petróleo crudo es un líquido aceitoso, de color oscuro y de composición variable según los diferentes
yacimientos; contiene principalmente hidrocarburos saturados, pero a veces también hidrocarburos no
saturados, en particular aromáticos. Sus principales componentes son hidrocarburos saturados (alcanos y
cicloalcanos) en estado gaseoso y líquido. El petróleo también contiene cantidades variables de compuestos
de azufre, nitrógeno y oxígeno, además de otros elementos. La mezcla de compuestos que contiene el
petróleo es muy compleja y se estima que son por lo menos 500.
Para obtener mayor provecho del petróleo, se requiere de una destilación fraccionada denominada refinación.
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En la refinación se separan las diferentes fracciones que se
caracterizan por un intervalo definido de punto de ebullición.
Se obtienen así los gases, las gasolinas, los querosenos, los
gasóleos, los aceites lubricantes y los residuos sólidos como
parafinas y asfaltos.
Destilación Petrolera (Refinación)
El petróleo crudo, tal como se extrae de los yacimientos
naturales, es un material que debe ser sometido a diversos
procesos que son los que permiten convertirlo en una gran
diversidad de productos, algunos de los cuales se utilizan
como combustible de motores, mientras que otros sirven
como materias primas en una gran variedad de procesos
que constituyen en su conjunto la industria petroquímica.
Para evaluar un petróleo es necesario efectuar un gran
número de análisis de laboratorio, entre otros: gravedad
(densidad), destilación, contenido de azufre, etc.
La densidad de un crudo es una inspección muy significativa,
ya que generalmente se puede relacionar con la
composición del petróleo.
La mayoría de los crudos tienen densidades menores de 1
g/cm3. En la industria petrolera es muy común expresar
la densidad relativa de un crudo o su gravedad
específica en grados API o °API, unidad creada por el
"American Petroleum Institute". En esta escala, cuanto
más ligero es un petróleo, mayor es su gravedad API y cuanto más pesado es el crudo, menor será su
gravedad API. El agua tiene una gravedad específica de 10 ° API.
Así vemos, que valores altos para la °API. indican un rendimiento alto en nafta cuando el crudo se somete a
destilación. Mientras que valores intermedios y bajos de la °API. significan una disminución progresiva de ese
rendimiento.
Debemos tener presente que la nafta es una mezcla en la que predominan hidrocarburos que contiene pocos
átomos de carbono en su molécula. La °API . es usada, entre otros fines, como un indicador del valor de un
petróleo. Esta circunstancia se puede explicar si se acepta que, de manera general, los derivados livianos
(nafta, kerosene) tienen por lo común precios más altos que los destilados (gasoil, diesel, etc.) y los residuos
(aceites, asfaltos). Mientras mayor es el valor de la °API. de un crudo al ser procesado se obtiene un
rendimiento más alto de nafta, producto de precio elevado. Una clasificación de la industria mundial de
hidrocarburos líquidos es:
♦ Extrapesado. Densidad ( g/ cm³) = >1.0; Densidad grados API = 10.0
♦ Pesado, Densidad: 1.0 - 0.92; Densidad grados API = 10.0 - 22.3
♦ Mediano. Densidad: 0.92 - 0.87; Densidad grados API = 22.3 - 31.1
♦ Ligero. Densidad: 0.87 - 0.83; Densidad grados API = 31.1 - 39
♦ Superligero. Densidad: <0.83; Densidad grados API = >39
Pese a la variedad de tipos de petróleo, los más utilizados en las transacciones y los más representativos en el
mercado son los siguientes:
Brent: Es el tipo de petróleo de referencia en los mercados europeos y para un 65% de las diferentes
variedades de crudo mundial, que lo toman como referente. El Brent es un petróleo de alta calidad,
caracterizado por ser ligero (petróleo crudo con una gravedad baja especifica y alta gravedad API debido a la
presencia de una alta proporción de fracciones de hidrocarburos ligeros y compuestos bajos metálicos) y dulce
(petróleo crudo que contiene una pequeña cantidad de compuestos de azufre y tiene un buen olor
contrariamente al petróleo agrio o ácido en donde tiene un alto contenido de sulfuro y olor desagradable).
El Brent cotiza en el Internacional Petroleum Exchange (IPE) de Londres. Su unidad monetaria de cotización
es el dólar.
West Texas Intermediate (WTI): Es un petróleo de mayor calidad que el Brent, es ligero (39,6 grados API) y
dulce, con un bajo contenido en azufre. Es el tipo de crudo de referencia en el mercado Estadounidense y
cotiza en la New York Mercantile Exchange (Nymex).
Dubai: Es el petróleo de referencia en Asia. Es un tipo de crudo pesado (petróleo crudo con alta gravedad
especifica y una baja gravedad API debido a la presencia de una alta proporción de hidrocarburos duros y
contenidos metálicos) y azufroso (2,04% más que el brent).
Algunos Procesos que ocurren en una Refinería
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Separación
(cambios físicos)
Conversión
(cambios químicos)
Purificación
(cambios físicos
químicos)
Destilación atmosférica
Reducción de
viscosidad
Extracción con
y solventes
Destilación al vacío
Reformación
Oxidación de
Polimerización
catalítica
asfaltos
Alquilación
Hidroformación
Desulfuración
Lavado con NaOH. Tratamiento “Doctor”
Para separar estos hidrocarburos que tienen distintos puntos de ebullición, se recurre a la destilación, mediante
la cual se obtienen distintas fracciones con puntos de ebullición parecidos; así se separan los hidrocarburos
gaseosos (metano, etano, propano y butano) que tienen los puntos de ebullición más bajos; las gasolinas y el
kerosén, con puntos de ebullición más altos, el gas oil con un punto de ebullición mayor aún, quedando al final
un residuo de hidrocarburos muy pesados que ya no se separan por destilación.
La destilación a presión atmosférica es un proceso que se practica en una columna de fraccionamiento, que es
un recipiente cilíndrico muy alto, al que se suministra calor por la parte inferior y que contiene en su interior a
intervalos regulares bandejas separadoras o platos; dichos platos poseen los bordes altos, de modo que
puedan contener suficiente cantidad del líquido que se va condensando.
El principio del funcionamiento de una columna de destilación es muy sencillo; los vapores de petróleo crudo
ascienden por la columna y al ir pasando por zonas menos calientes se van enfriando y condensando en los
platos. De la región intermedia de la columna se extrae gas oil (gasóleo), que es un combustible de mucha
demanda industrial; el líquido que se extrae inmediatamente después es llevado a otras columnas (en inglés
strippers) las que aumentan la producción de gas oil. Por la parte superior de la columna se extraen el kerosén
y la gasolina, con puntos de ebullición más altos. La gasolina, por su parte, es llevada a otra columna de
fraccionamiento más pequeña donde se le separan los hidrocarburos gaseosos que pudiese llevar disueltos.
La destilación al vacío es una operación que tiene por finalidad obtener mayor cantidad de gasolinas a partir
del gas oil. Además de gasolina, que es el producto principal, se obtiene otros subproductos, tales como el fuel
oil, que es combustible pesado y los aceites lubricantes. Al final del proceso queda como residuo una especie
de asfalto, que también tiene uso industrial.
El queroseno fue la primera sustancia que se logró separar del petróleo, y sustituyó al aceite de ballena como
combustible en las lámparas. Y en 1895, con la aparición de los primeros vehículos, se separó la gasolina.
Los principales productos de la destilación del petróleo, son:
Gas natural, compuesto por metano, etano, propano y butano, con puntos de ebullición que van desde –162ºC
hasta 0ºC. el metano es el gas más difícil de licuar y por este motivo su transporte es dificultoso, en cambio el
propano y el butano son más manejables, porque se licúan con más facilidad.
El gas natural tiene usos muy diversos: en el sector petrolero se le reinyecta a los pozos para mantenerles la
presión suficiente para el bombeo; también para obtener hidrógeno, que es imprescindible en el proceso de
desulfuración del petróleo. En el sector petroquímico se le usa ampliamente para fabricar etileno y propileno,
que constituyen la materia prima para la fabricación de plásticos. En la industria se le usa como combustible en
la generación de electricidad, reducción de mineral de hierro, fabricación de cementos y materiales de
construcción, en las fábricas de celulosa, papel, textiles, vidrios, etc. Para uso doméstico se vende la fracción
formada por propano y butano, que llega al usuario en bombonas bajo presión o por tuberías (gas directo).
Gasolina, formada por hidrocarburos de cuatro a doce átomos de carbono, especialmente los isómeros
ramificados. El punto de ebullición de la gasolina varía entre 30ºC y 150ºC.
Kerosene, compuesto por hidrocarburos cuyas cadenas varían entre 10 y 16 átomos de carbono. Su punto de
ebullición está comprendido entre 140ºC y 320ºC. Sus principales usos son: doméstico y como combustible de
aviación. El kerosene doméstico tiene un amplio uso en zonas de poco desarrollo para iluminación,
funcionamiento de cocinas, calefacción y refrigeración. El turbokerosene es el combustible para aviones que
funcionan con turbina; existen dos tipos: turbo-kero, usado en aviones comerciales y la turbo-nafta, utilizada en
aviones militares.
Gas oil, compuesto por hidrocarburos con más de dieciséis carbonos. Su punto de ebullición está por encima
de los 320ºC. Tiene dos usos fundamentales: como combustible para la industria y como materia prima para
producir gasolina.
Así como el octano mide la calidad de ignición de la gasolina, el índice de cetano/número de cetano mide
la calidad de ignición de un gasoil o diesel. Es una medida de la tendencia del gasoil a cascabelear en el
motor. La escala se basa en las características de ignición de dos hidrocarburos. El n-hexadecano (C16H35
;cetano) tiene un periodo corto de retardo durante la ignición y se le asigna un cetano de 100; el 2,2,4,4,6,8,8
heptametilnonano tiene un periodo largo de retardo y se le ha asignado un cetano de 15. El índice de cetano
es un medio para determinar la calidad de la ignición del diesel y es equivalente al porcentaje por volumen
del cetano en la mezcla con heptametilnonano, la cual se compara con la calidad de ignición del combustible
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(ASTM D-613). La propiedad deseable de la gasolina para prevenir el cascabeleo es la habilidad para resistir
la autoignición, pero para el diesel la propiedad deseable es la autoignición.
Típicamente los motores se diseñan para utilizar índices de cetano de entre 40 y 55, debajo de 38 se
incrementa rápidamente el retardo de la ignición.
En las gasolinas, el número de octano de las parafinas disminuye a medida que se incrementa la longitud de
la cadena, mientras que en el diesel, el índice de cetano se incrementa a medida que aumenta la longitud de
la cadena. En general, los aromáticos y los alcoholes tiene un índice de cetano bajo. Por ello el porcentaje de
gasóleos desintegrados, en el diesel, se ve limitado por su contenido de aromáticos.
Muchos otros factores también afectan el índice de cetano, así por ejemplo la adición de alrededor de un 0.5
por ciento de aditivos mejoradores de cetano incrementan el cetano en 10 unidades. Estos aditivos pueden
estar formulados con base a alquilnitratos, amil nitratos primarios, nitritos o peróxidos. La mayoría de ellos
contienen nitrógeno y tienden, por lo tanto, a aumentar las emisiones de NOx.
Azufre: El azufre se encuentra naturalmente en el petróleo. Si éste no es eliminado durante los procesos de
refinación, contaminará al combustible.El azufre del gasoil contribuye significativamente a las emisiones de
partículas.La reducción del límite de azufre en el dgasoil a 0.05 por ciento es una tendencia mundial.
Para poder cumplir con los requerimientos de niveles bajos de azufre, es necesario construir capacidades
adicionales de desulfuración.
El gasoil contiene azufre en proporción que depende de la calidad del petróleo utilizado o de los
componentes utilizados para el craqueo. Como en la combustión el azufre se transforma en dióxido sulfúrico
(SO2), sustancia contaminante, está limitado el contenido de azufre en el gasoil a un 0.05% en peso.
Así como en la gasolina, la calidad del gasoil es sensible a los aditivos agregados. Por ejemplo, los aditivos
son agregados para evitar la separación de cristales de parafina a temperaturas bajo 0ºC, lo que inhibe a la
corrosión del combustible y evita la oxidación de partes del motor. También se agregan detergentes –para
evitar la obstrucción de los inyectores- o agentes que reducen la viscosidad –para facilitar el traslado del
gasoil desde el tanque a la bomba o simplemente del surtidor al tanque-.
Fuel oil, formado por hidrocarburos de treinta y más átomos de carbono. Su punto de ebullición está muy por
encima de los 350ºC Se le emplea como materia prima en la destilación al vacío para obtener gas oil y aceites
lubricantes.
Asfalto, producto muy viscoso que se forma por la destilación al vacío de las fracciones residuales. Tiene
amplio uso en: pavimentación de calles, carreteras y autopistas; impermeabilización de techos, diques y
paredes; materia prima para fabricación de productos industriales; lodos de perforación de pozos petrolíferos;
protectores de corrosión para cables, tuberías, estructuras, vehículos y tanques.
Coque, producto sólido del cracking térmico. Se conocen dos tipos: coque bruto y coque calcinado. El coque
bruto se usa como combustible para calderas y hornos y el coque calcinado para manufactura de ánodos
(industria del aluminio), fabricación de barras de grafito y fuente de carbono para manufactura de aceros.
Gasolina
La gasolina es una mezcla compleja de hidrocarburos que van desde C5H12 hasta C12H26 así como de
hidrocarburos de otros tipos, incluso algunos compuestos que contienen Azufre y Nitrógeno. La fracción de
gasolina del petróleo, tal como sale de la columna de destilación no se quema muy bien en los motores de
automóviles modernos de alta compresión. El encendido de la gasolina antes de que el pistón esté en la
posición correcta produce detonaciones en el motor. Se puede correlacionar el buen desempeño de una
gasolina con una estructura de cadena ramificada en las moléculas de los hidrocarburos. En 1927 se
estableció un estándar de desempeño arbitrario llamado “número de octano”. Se asignó al isooctano un
número de 100. Se asignó al heptano un número de octano de 0. Una gasolina con un octanaje de 90 tiene un
comportamiento similar al de una mezcla de 90% de isooctano y 10% de heptano.
En la década de 1930 se descubrió que el índice de octano de la gasolina puede mejorarse calentando la
gasolina en presencia de un catalizador como el H2SO4 o AlCl3. Este incremento en el índice de octano se
atribuía a una conversión (Isomerización) de una parte de las estructuras no ramificadas en moléculas
altamente ramificadas.
También se pueden combinar moléculas de hidrocarburos pequeños (por debajo del intervalo de las gasolinas)
para formar otras más grandes y más apropiadas para usarse como combustible (Alquilación).
Las moléculas producidas están dentro del intervalo de dimensiones que corresponden a la gasolina y también
están muy ramificadas, así que tienen un índice de octano alto.
Existen otras sustancias, que al añadirse en pequeñas cantidades a la gasolina, mejoran considerablemente
sus cualidades antidetonantes, como el tetraetilo de plomo que, añadido en cantidades de 1 mL por litro de
gasolina (1 parte por mil) incrementa el índice de octano en 10 veces o más. Sin embargo, el plomo es tóxico y
además arruina los convertidores catalíticos que se emplean en los automóviles modernos. El plomo es
especialmente tóxico para el cerebro, cantidades pequeñas causan incapacidad para el aprendizaje en los
niños.
Se han ideado varias formas de obtener números de octanos altos en combustibles sin plomo. Por ejemplo, las
refinerías de petróleo utilizan la “reformación catalítica” para convertir los alcanos de bajo índice de octano en
compuestos aromáticos de alto índice de octano. Por ejemplo:
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CH3 (CH2)4 CH3
25 octanos
Catalizador
Benceno + 4 H2
106 octanos
Se han desarrollado elevadores del índice de octano para sustituir al tetraetil plomo: metil ter-butíl eter,
metanol, etanol y alcohol ter-butílico. Ninguno de estos compuestos se acerca a la efectividad del plomo en
cuanto a la elevación del índice de octano, y plantean además, problemas de solubilidad. Estos alcoholes
cuando están en exceso del 10% tienden a separarse de la gasolina, sobre todo si entra agua al tanque de la
gasolina. Además se debe señalar el efecto cancerígeno del benceno. La gasolina de aviación es el
combustible para aviones de motor a pistón, principalmente avionetas, helicópteros y aviones de carga; su
octanaje es hasta de 130 octanos, lo que se consigue mediante procesos especiales de enriquecimiento de la
gasolina.
Cracking
El cracking es una operación que consiste en romper las moléculas grandes de los hidrocarburos presentes en
los derivados pesados del petróleo, transformándolas en moléculas más pequeñas, como las que se
encuentran en la gasolina. Por ejemplo, mediante el cracking se rompe una molécula de veinte carbonos en
dos moléculas más cortas de diez carbonos cada una, las que ya tienen las características requeridas de la
gasolina.
La materia prima que se emplea en el cracking es generalmente el fuel oil. En el cracking térmico el
combustible pesado es calentado a una temperatura entre 500ºC y 600ºC, en una cámara especial de reacción
en la que se rompen las cadenas de los hidrocarburos haciéndose pasar el producto, rico en gasolina, por una
columna de fraccionamiento donde se separan los gases y se condensa la gasolina. Actualmente tiene mayor
aplicación el cracking catalítico, por producir gasolina de mayor calidad.
La gasolina que se obtiene directamente por destilación del petróleo tiene un octanaje muy bajo (alrededor de
70 octanos) y es preciso mejorarlo para que la gasolina sea de mayor calidad.
Hidrocarburos aromáticos, como el benceno, también mejoran el poder antidetonante de la gasolina, de allí que
con su adición se logren octanajes hasta de 130, como el utilizado por los aviones. De igual manera mejora el
octanaje de la gasolina al agregársele sustancias como el tetraetilo de plomo [Pb- (C2H5)4], aunque el uso de
esta sustancia está siendo prohibido en muchos lugares debido a su efecto contaminante sobre la atmósfera.
En la industria se practica la reformación térmica de la gasolina, calentándola a 550ºC y a una elevada presión.
En este proceso se forman moléculas más pequeñas y también alquenos, que contribuyen al mejoramiento de
la calidad de la gasolina. El producto obtenido se lleva a una columna de fraccionamiento a fin de efectuar las
separaciones por fracciones.
Reforming
La hidroformación consiste en introducir la gasolina caliente en una cámara de reacción que se mantiene a
unos 500ºC, conjuntamente con Hidrógeno y un catalizador (óxidos de aluminio y molibdeno). En el proceso,
principalmente los cicloalcanos se convierten en hidrocarburos aromáticos que, como se ha mencionado,
mejoran la calidad de la gasolina.
El hidrógeno que se va produciendo se reinyecta en el proceso. También el hidrógeno tiene otra utilidad, como
lo es la eliminación del azufre que contamina al petróleo; el hidrógeno se combina con el azufre produciendo
sulfuro de hidrógeno, gas que se expulsa a la atmósfera.
Polimerización, Alquilación e Isomerización
La “polimerización” (aquí la polimerización avanza solo unos pasos) consiste en la combinación de dos o más
moléculas pequeñas para formar otra de mayor peso molecular. Así, dos moléculas de 2-metilpropeno
(isobutileno) se combinan para dar origen al 2,2,4,trimetil, 1-penteno. Compuesto que mejora la calidad de la
gasolina y de allí la importancia de este proceso para la industria petrolera.
La alquilación es la reacción de un alcano con un alqueno y generalmente tiene por finalidad producir
isooctano. Este proceso de la alquilación mejora mucho el octanaje de la gasolina y por tal razón se le emplea
intensivamente en la industria petrolera.
La isomerización consiste en transformar alcanos de cadena recta en ramificados, que aunque posean el
mismo número de carbonos, tienen propiedades físicas y químicas diferentes. Por ejemplo, del butano normal,
de cadena recta, se produce por isomerización el 2-metilpropano (isobutano):
Se ha comprobado que la presencia de hidrocarburos ramificados mejora la calidad de la gasolina y por tal
motivo este proceso tiene mucha importancia en la industria petrolera.
Los complejos petroleros donde se practican las operaciones descritas de destilación (a presión atmosférica y
al vacío), cracking, hidroformación, polimerización, alquilación e isomerización, reciben el nombre de
refinerías.
Combustibles gaseosos
Productos derivados del gas natural
El gas natural es una mezcla de hidrocarburos compuesta principalmente por gas metano y en menores
cantidades por otros hidrocarburos como etano, propano, butano, pentanos, etc.. También contiene impurezas:
vapor de agua, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono y nitrógeno, entre otras.
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En las plantas de tratamiento se eliminan las impurezas al gas natural; luego es sometido a un proceso
criogénico en las plantas de extracción, donde se separan, por una parte, el gas metano que se envía a través
de gasoductos hacia los grandes centros para su consumo o utilización y, por la otra, los líquidos del gas
natural (LGN), los cuales son enviados mediante poliductos a las plantas de fraccionamiento para obtener
diferentes productos: etano, propano, butano, pentanos y hexanos, que serán utilizados posteriormente.
Usos del gas metano
En el sector petrolero, el gas metano se utiliza en programas de inyección en los pozos (levantamiento artificial
por gas), con el propósito de suministrarle energía al petróleo que está en el pozo y llevarlo a la superficie.
Asimismo, se inyecta en los yacimientos como método de recuperación suplementaria, a fin de reponer la
energía perdida del yacimiento y poder así extraer cantidades adicionales de hidrocarburos. También se
inyecta en los yacimientos con el fin de conservarlo para usos futuros. Además, es utilizado como combustible
para la generación de vapor y electricidad, y en otras operaciones de producción y refinación del petróleo.
En el sector no petrolero, el gas metano es utilizado como materia prima en la industria siderúrgica para
obtener el hidrógeno requerido en la reducción del mineral de hierro. Asimismo, en la industria petroquímica se
utiliza como materia prima para la obtención de amoníaco, ácido nítrico, fertilizantes, etc.
El gas metano es uno de los hidrocarburos que al quemarse produce menos emisiones de gases
contaminantes al aire, por lo que afecta en menor medida la capa de ozono del planeta; por ello se le ha
llamado “el combustible ecológico”. Se emplea como combustible en el sector doméstico y comercial (gas
directo); de igual manera se utiliza como combustible para la generación de electricidad en la fabricación de
aluminio, productos siderúrgicos, cementos y materiales de construcción, papel, cartón, textiles y vidrios.
También se usa en los sistemas de refrigeración (aire acondicionado) de industrias, oficinas y complejos
turísticos.
El GNC (gas natural combustible) está formado por una mezcla gaseosa, con una proporción de metano mayor
o igual al 80%. Se usa como combustible alterno a la gasolina para el transporte colectivo y de carga liviana,
con ventajas económicas, de seguridad y confiabilidad en el suministro y ecológicas por cuanto es menos
contaminante.
Usos de los líquidos del gas natural
Los líquidos del gas natural (LGN) se separan por condensación en sus componentes: etano, propano,
butanos, pentanos, hexanos, heptanos, etc. El etano, propano y butano son utilizados como materia prima en
la industria petroquímica para la producción de plásticos y resinas que son a su vez empleados en la
fabricación de innumerables artículos de usos múltiples.
El GLP, gas licuado del petróleo, es una mezcla líquida en proporción variable de propano y butano, que se
emplea como combustible de uso doméstico, comercial e industrial. Se distribuye y comercializa en camiones
cisternas especiales.
La gasolina natural, una mezcla de pentanos y hexanos, es utilizada para la producción de gasolinas para
motores y con fines industriales (solventes, limpiadores o combustibles para lámparas de excursión).
Combustibles alternativos, no tradicionales
Etanol e hidrógeno
El hidrógeno se está analizando como combustible alternativo, creando la economía del hidrógeno. Dado a que
el hidrógeno en su estado gaseoso ocupa un volumen muy grande comparado a otros combustibles, la
logística se convierte en un difícil problema. Una posible solución es utilizar el etanol para transportar el
hidrógeno (en la molécula de etanol), para después liberar el hidrógeno del carbono asociado en un reformador
de hidrógeno y así alimentar una celda de combustible con el hidrógeno liberado. Alternativamente, algunas
celdas de combustible (Direct Etanol Fuel Cell DEFC) se pueden alimentar directamente con etanol o metanol.
A fecha de 2005, las células de combustible pueden procesar el metanol más eficientemente que el etanol.
A principios de 2004, los investigadores de la universidad de Minnesota anunciaron la invención de un reactor
simple de etanol, con el que se alimentaría, y a través de un apilado de catalizadores, emitiría en la salida
hidrógeno que podría ser utilizado en las celdas de combustible. El dispositivo utiliza un catalizador de RodioCerio para la reacción inicial, lo cual ocurre a una temperatura cercana a los 700 ºC. Esta reacción inicial
mezcla el etanol, vapor de agua y el oxígeno y, se producen considerables cantidades de hidrógeno.
Desafortunadamente, también da lugar a la formación de monóxido de carbono, una sustancia que obstruye la
mayoría de las celdas de combustible y se debe pasar a través de otro catalizador en el que se convertirá en
dióxido de carbono (el monóxido de carbono inodoro, incoloro e insípido también presenta un peligro tóxico
significativo si se escapa a través de la celda de combustible en el extractor o si se escapa en los conductos
entre las secciones catalíticas). Los últimos productos del dispositivos son gas de hidrógeno, casi en un 50%,
nitrógeno 30% y dióxido de carbono 20%. El nitrógeno y el dióxido de carbono son bastante inertes cuando la
mezcla se bombea en una célula de combustible apropiada. El dióxido de carbono se lanza nuevamente dentro
de la atmósfera, donde puede ser reabsorbido por la planta de la que se extrae el etanol, cerrando así el ciclo.
No se lanza nada de dióxido de carbono neto, aunque se podría discutir que mientras está en la atmósfera,
actúa como gas invernadero.
Biocombustibles
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...” Concepto y cualidades de la energía de la biomasa: Según la FAO (1980), la biomasa se define como el
conjunto de plantas terrestres y acuáticas, junto con sus derivados, subproductos y residuos producidos en su
tansformación. Según Jiménenz Gómez (1991) el “término biomasa comprende, pues, a las materias
hidrocarbonadas, no fósiles, en las que mediante procesos básicos de la fotosíntesis, se ha producido la
reducción y la fijación de CO2”. La energía de la biomasa es una energía que cumple las siguientes
características.
1º. Es una energía autóctona, lo cual conlleva su no dependencia de otros países, por lo menos en su fase de
obtención.
2º Es una energía renovable.
Concepto de biocombustible:
Se entiende por biocombustible aquel combustible de origen biológico que no se ha fosilizado. Si no se añade
“no se ha fosilizado”, el petróleo, los carbones minerales(hulla, lignitos, turba y antracitas) y el gas natural
serían considerados biocombustibles, ya que su origen también es biológico, pero han sido fosilizados hace
cientos de miles de años. Marcos (2001).
Clasificación de los biocombustibles
Los biocombustibles se pueden clasificar atendiendo a varios criterios. La clasificación en función del origen de
los mismos aparece en la Tabla I. Su clasificación según su apariencia física, en la Tabla II.
Tabla I : Clasificación de los biocombustibles en función de su origen
Origen del biocombustibles
Especie o Procedencia
Cultivos energéticos
Agrícolas
Cardo, sorgo, miscanto, girasol, soja, maíz,
trigo, cebada, remolacha, especie C4
agrícolas....
Forestales
Chopos, sauces, eucaliptos, robinias, acacias,
especies C4 forestales...
Restos de cultivos
Cultivos Herbáceos
Paja, restos de cereales y otras especies
agrícolas
herbáceas...
Cultivos Leñosos
Olivo, vid. Frutales de hueso, frutales de
pepita y otras especies leñosas
Restos de
Podas, claras, clareos,
Especies forestales de los montes
tratamientos silvícolas restos de cortas finales
Restos de Industrias
Industrias de primera
Especies de madera española o importada
forestales
transformación de la madera utilizadas para estas industrias.
Industrias de segunda
Especies de madera española o importada
transformación de la madera utilizadas para estas industrias
Restos de industrias Agro- Alimentarias.
Especies vegetales usadas en la industria de
la alimentación
Restos d explotaciones ganaderas
Animales de granja, domésticos...
Restos de actividades humanas
Todo tipo de biomasa sólida urbana.
Tabla II: Clasificación de los biocombustibles según su aspecto físico
Aspecto Físico
Biocombustible
Sólidos
Leñas y astillas; Paja de cereales y biomasa de cardo, miscanthus...
Biocombustibles sólidos densificados (pelets y briquetas); Carbón vegetal
Líquidos
Líquido piroleñoso; Líquido de hidrólisis; Bioetanol y bioalcoholes
Aditivos oxigenados; Aceite vegetal; Metiléster
Gases
Biogás de origen muy diverso
Ref. bibliog. 1
El etanol como combustible
El etanol puede utilizarse como combustible para automóviles en forma pura y también puede mezclarse con
gasolina en cantidades variables para reducir el consumo de derivados del petróleo. El combustible resultante
se conoce como “alconafta”. Dos mezclas comunes son E10 y E85, que contienen el etanol al 10% y al 85%,
respectivamente.
El etanol también se utiliza cada vez más como añadido para oxigenar la gasolina estándar, como reemplazo
para el metil tert-butil éter. Este último es responsable de una considerable contaminación del suelo y del agua
subterránea. El etanol también puede utilizarse como combustible en las celdas de combustible.
El etanol que proviene de los campos de cosechas (bioetanol) se perfila como un recurso energético
potencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en
contraposición a los combustibles fósiles. Se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz
y caña de azúcar, por ejemplo. Sin embargo, los actuales métodos de producción de bio-etanol utilizan una
cantidad significativa de energía comparada al valor de la energía del combustible producido.
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Contrariamente a lo que suele creerse, la combustión el etanol produce más gases de efecto invernadero que
la gasolina. Por cada Gigajulio (GJ) obtenido del etanol puro al arder, produce 71,35 kg de dióxido de carbono.
Si se considera la gasolina como octano puro, la producción sería de 67,05 kg por cada GJ: a igualdad de
energía producida en la combustión, el etanol produce un 6% más de dióxido de carbono que la gasolina, lo
cual puede poner en duda la idea de que es más ecológico.
A largo plazo, no se debe despreciar el hecho de que sea un combustible renovable, y por lo tanto inagotable,
al contrario que el petróleo.
El etanol se puede producir a partir de varios otros tipos de cultivos, como remolachas, zahína, mijo perenne,
cebada, cáñamo, patatas, mandioca, girasol. También pueden extraerse de múltiples tipos de celulosa “no útil”.
Esta producción a gran escala del alcohol agrícola para utilizarlo como combustible requiere importantes
cantidades de tierra cultivable con agua y suelos fértiles.
Mezclas combustibles con etanol
Generalmente, cuanto mayor es el contenido de etanol en una mezcla de gasohol, más baja es su
conveniencia para los motores corrientes de automóvil. El etanol puro reacciona o se disuelve con ciertos
materiales de goma y plásticos y no debe utilizarse en motores sin modificar. Además, el etanol puro tiene un
octanaje mucho más alto (129 ON) que la gasolina común (91/92 RON), requiriendo por tanto cambiar el
cociente de compresión o la sincronización de la chispa para obtener el rendimiento máximo. Cambiar un
automóvil que utilice gasolina pura como combustible a un automóvil que utilice etanol puro como combustible,
necesita carburadores y cabales más grandes (un aumento cerca del 30-40%). (El metanol requiere un
aumento uniforme más grande de área, aproximadamente 50% más grande) Los motores de Etanol también
necesitan un sistema de arranque frío para asegurar la suficiente vaporización con temperaturas por debajo de
13ºC (55ºF) para maximizar la combustión y reducir al mínimo la no combustión de etanol no vaporizado. Sin
embargo, una mezcla de gasolina con un 10% a un 30% de etanol, no necesita, en general, ninguna
modificación del motor. La mayoría de los automóviles modernos pueden funcionar con estas mezclas sin
ningún tipo de problema.
La rentabilidad del biodiesel
Actualmente, ya hay muchos que reúnen aceite frito desechado de fábricas, restaurantes y sitios de comida
rápida o fritangas callejeras, y lo filtran, eliminándole los residuos quemados ( los mismos que hacen tanto
daño a las arterias cuando se comen frituras). Obtienen así un aceite limpio y listo para quemarse en un motor,
después de añadirle algo de metanol y unos aditivos. Sin embargo, los expertos advierten que no es una tarea
fácil y es hasta peligroso hacerlo sin experiencia o en sitios cerrados, ya que hay sustancias inflamables y se
liberan vapores tóxicos.
Se espera que en Europa se sustituya un 6% del combustible convencional por biocombustible y un 20% de
todos los biocombustibles para 2020, meta de la Union euoropea.
Así, todo indica que estamos en la era del etanol y del biodiesel, combustibles renovables y visiblemente
menos contaminantes que los fósiles, aunque los dos terminan produciendo CO2 , el principal responsable del
calentamiento global a través del efecto invernadero. Sin embargo producen menos CO y óxidos de azufre y
nitrógeno, bastante más nocivos que el CO2 para la vida. Y en el caso del biodiesel, menos hollin, que es lo
que caracteriza a los motores diesel por los humos que salen por el tubo de escape de estos vehículos.
Pero quizás la mayor contribución de ambos a la reducción de gases de efecto invernadero reside en que hay
que sembrar y cultivar grandes extensiones de plantas para producir los biocombustibles, sean éstas de caña
de azúcar, remolacha, maíz, soya o rábano, que- siendo vegetales verdes- ayudan a absorber el CO2 emitido
por los mismos motores a raíz de la fotosíntesis. Así tendremos un ciclo “virtuoso “ de producción y absorción
de CO2, que podría balancearse en el futuro, a medida que disminuyen los combustibles fósiles y se hacen
más populares las sustancias energéticas renovables, como el etanol y el biodiesel, con potencial para sustituir
gradualmente la gasolina y el diesel, que conforman las tres cuartas partes del consumo petrolero.
Sin embargo una sustitución total está muy lejos de ser factible, con el obvio conflicto de la utilización industrial
de una producción agrícola destinada a la alimentación humana y animal. A la larga, es más saludable reducir
el consumo de combustibles mediante una mayor eficiencia de los motores y un uso más racional de los
vehículos.
BIBLIOGRAFÍA
1. Camps- Marcos. Los Biocombustibles. 2002- Editorial Multiprensa.
2. Francis, W. Los combustibles y su tecnología. 1969. Ediciones Urma. Bilbao. España.
3. El Pozo Ilustrado I, II,III,IV. Ediciones PDVSA. Caracas-Venezuela
4. Hill John y Kolb Doris. Química Para el Nuevo Milenio. Octava Edición 1999
5. http://www.catamutun.com/produc/carbon/clasi.html
6. http://www.slideshare.net/shoyas/combustibles-1253528
7. Kotz John C., Treichel Paul M., Weaver Gabriela C.. Química y reactividad química.
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