3. COMBUSTIBLES. Petróleos parafínicos P. nafténicos P. aromáticos.

Transcripción

1 3. COMBUSTIBLES 1. CARACTERÍSTICAS DEL PETRÓLEO El crudo de petróleo está compuesto por una amplia gama, compleja y heterogénea, de HIDROCARBUROS, diferentes entre sí debido al número de carbonos o debido a su distinta estructura molecular. La composición y propiedades de los crudos difiere según su origen, hablándose por ello de crudos venezolanos, rusos, rumanos, mejicanos, de Oriente Medio, etc., pudiéndose clasificar en tres grandes grupos: Petróleos parafínicos P. nafténicos P. aromáticos. Los petróleos parafínicos o nafténicos se distinguen por su estructura molecular y tienen una buena estabilidad a la oxidación, por lo que son los más apropiados para la obtención de aceites lubricantes, mientras que los aromáticos son poco estables a la oxidación y más apropiados para obtener gasolinas o gasóleos. Producto obtenido Temperatura % Medio 1 GASOLINAS ÉTER DE PETROLEO 45-70º 45 ESENCIA DE º PETROLEO 2 KEROSENO º GAS-OIL º ACEITES º 3 LUBRICANTES (BASES) 5 - FUEL-OIL >380º PARAFINA- VASELINA 7 ALQUITRANES 8 - COK DE PETROLEOS Y OTROS RESIDUOS 12 Tabla 1.1. Porcentajes medios de fracciones obtenidas en la destilación fraccionada e intervalos de temperatura.

2 Cada hidrocarburo se volatiliza a una temperatura diferente, en base a lo cual de un petróleo se pueden obtener distintas proporciones de cada uno, calentando el crudo y separando las distintas fracciones obtenidas a medida que se va aumentando su temperatura. Esta posibilidad se hace efectiva con el empleo de las COLUMNAS DE DESTILACIÓN FRACCIONADA, en las que se obtienen a distintos niveles fracciones distintas compuestas por hidrocarburos de parecida volatilidad. A partir de cada petróleo se obtienen porcentajes distintos de cada fracción según las características del crudo, y por otra parte, cada fracción es a su vez distinta, incluyéndose medias aproximadas de estas fracciones en la Tabla 1.1. Se puede forzar la formación de mayor cantidad de combustibles sometiendo las moléculas de los hidrocarburos más pesados a una presión determinada al calentar, para romper estas moléculas (proceso llamado CRACKING o si se utiliza un catalizador a base de polvo de sílice y aluminio, sin presión ni calor, CRACKING CATALÍTICO) 2. PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO. Los productos derivados del petróleo empleados en agricultura son: COMBUSTIBLES: - gasolina (motor de explosión o de encendido por chispa) - gasóleo (motor diesel o de encendido por compresión) - gasolina + aceite (motores de dos tiempos) LUBRICANTES - aceites para incorporar a la gasolina - aceites para engrase del motor - lubricantes para cajas de cambio y transmisiones en general. GRASAS PRODUCTOS VARIOS - anticongelantes - detergentes - líquidos de frenos 3. PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES La combustión es una reacción química en la que el carbono y el hidrógeno reaccionan con el oxigeno, en presencia del nitrógeno, según las siguientes ecuaciones C+ O + N = CO + N 1 H + O + N = H O+ N

3 No obstante lo anterior, pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx) en proporciones variadas en función de diversos factores (temperatura, compresión,...). Las siguientes propiedades definen las características y calidad de los combustibles: VOLATILIDAD: Para su análisis se obtienen las curvas de destilación, que representan la ley según la cual varía el porcentaje de combustible que se evapora al aumentar la temperatura (Fig. 3.1) siguiendo la norma marcada por la ASTM (American Society for Testing Materials). De la volatilidad depende el comportamiento de los motores en el arranque y en la aceleración. En el caso del arranque interesa que el combustible libere con facilidad moléculas a baja temperatura. Tabla 3.1. Curvas de destilación. CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN. El descenso de la temperatura que se produce en el combustible al evaporarse, si es importante, disminuye la volatilidad y por tanto la efectividad del arranque en frío, favoreciendo la marcha en caliente. DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO. Sirve para distinguir distintos tipos de combustibles y permite calcular los datos de volumen y de masa y por tanto la energía interna que poseen. PODER CALORÍFICO. Es el contenido de energía que posee un combustible. Calor producido por un kilogramo de combustible en presencia de aire suficiente.

4 CANTIDAD DE AIRE NECESARIA PARA LA COMBUSTIÓN. Se llama razón estequiométrica a la relación entre las masas de aire y de combustible que representa la dosis ideal para que se produzca la combustión completa. Si hay exceso de aire la mezcla es pobre, y cuando hay déficit es rica. En motores de gasolina la relación que proporcionan los combustibles oscila entre 11 y 20; en los diesel es superior a 25. Si la mezcla es rica, es decir, si la cantidad de aire disponible es baja, se reduce la formación de CO2 favoreciéndose la de CO, gas tóxico por su afinidad con la hemoglobina de la sangre que impide la asimilación de oxigeno y produce la asfixia interna. Los motores diesel tienen una menor tendencia a producir CO en sus gases de escape, aunque puede ser mayor el de NOx y el de anhídrido sulfuroso (consecuencia de la mayor presencia de azufre en el combustible). CONTENIDO EN AZUFRE Y ACIDEZ. Tienden a formar compuestos corrosivos que pueden dañar algunas partes del motor y por ello se limitan los contenidos de los mismos. CONTENIDO DE GOMAS que tienden a formar depósitos en los conductos de aspiración y en los segmentos y pistones. FILTRABILIDAD. Se determina midiendo el tiempo de flujo de un determinado volumen de combustible a través de una superficie filtrante. PUNTO DE INFLAMACIÓN. Si es demasiado elevado dificulta el encendido o la explosión, mientras que si es demasiado bajo puede dar problemas de almacenaje. PUNTO DE CONGELACIÓN. De gran importancia especialmente en gasóleos, si es bajo puede favorecer la formación de cristales de los hidrocarburos que más bajo tengan su temperatura de congelación COLOR. Puede tratarse del natural o del artificial, siendo ambos propios de cada combustible. 4. GASOLINAS Mezclas de hidrocarburos con un máximo de 9 a 10 átomos de carbono. Su poder calorífero oscila en torno a kcal/kg. y su peso específico en torno a 750 kg./m 3. Necesita alrededor de litros de aire por litro para quemarse (unos l/kg.). La gasolina debe ser volátil para favorecer la formación de gases en el cilindro, e incluso en la carburación, mejorándose así la homogeneidad de la mezcla. Puede mejorarse añadiendo por ejemplo butano.

5 Es importante vigilar el calor de evaporación que siendo grande, enfría considerablemente la superficie de la gasolina disminuyendo así su volatilidad. También debe vigilarse su contenido en azufre por lo ya dicho anteriormente. Una propiedad muy característica de las gasolinas es su poder antidetonante (ÍNDICE DE OCTANO IO -), que mide la resistencia de la gasolina a la detonación por efecto de la compresión. Se mide experimentalmente comparando la gasolina con mezclas de ISOOCTANO, hidrocarburo al que se le asigna un poder antidetonante 100 y de HEPTANO al que se le considera un poder antidetonante nulo. Las dos pruebas se desarrollan sobre motores especiales monocilíndricos en los que se estudia el comportamiento de la explosión con dichas mezclas y con la gasolina. El índice de octano es el porcentaje de isooctano de la mezcla con la que el motor ofrece el mismo comportamiento que con la gasolina. El poder antidetonante de las gasolinas puede mejorarse añadiendo aditivos. El más empleado ha sido el TETRAETILO DE PLOMO (gasolinas plomo) que presenta inconvenientes derivados de la contaminación atmosférica que produce el metal plomo. Su presencia en las gasolinas siempre ha estado limitada por la legislación que ha fijado la concentración máxima permitida, concentración que fue reduciéndose paulatinamente hasta llegar a la situación actual, en la que, como puede verse en la tabla de especificaciones de la gasolina sin plomo (Tabla 4.1), ha quedado reducida a niveles prácticamente nulos. Por Real Decreto 785/2001 las gasolinas plomo fueron prohibidas para su comercialización a partir del 1 de agosto de 2001, para ser sustituidas por las llamadas gasolinas de sustitución, y sus especificaciones, desde el 1 de enero de 2005 deben ser como las de la tabla 4.1., salvo el índice de octano Research que será igual o mayor que 97 y el color que será amarillo. En la actualidad se comercializan gasolinas sin plomo o gasolinas verdes o ecológicas que responden a las especificaciones de la tabla GASOLEOS El gasóleo es una mezcla de hidrocarburos con un número de carbonos en general superior a 9 ó 10. Es un aceite ligero que debe ser refinado al vacío para eliminar el azufre y el vanadio que acompañan a los hidrocarburos constituyentes. Tiene un poder calorífico de en torno a kcal/kg. y un peso especifico de alrededor de 840 kg./m 3 (840 g/l), necesitando alrededor de l/ l de aire para quemarse.

6 TABLA 4.1: Especificaciones de gasolinas (RD 1728/1999 de 12 de noviembre).

7 TABLA 5.1: Especificaciones del gasoleo de automoción clase A a partir del 1 de enero de 2005 (RD 1728/1999 de 12 de noviembre).

8 La viscosidad es una propiedad de gran importancia en estos combustibles ya que deben circular bien por los equipos de inyección y lubricar sus mecanismos, pero además tienen que permitir una buena pulverización. El punto de congelación es especialmente importante porque puede dar problemas en tiempo frío. Tiene mucha relación con el contenido de PARAFINAS del gasóleo debido a que estas tienen un punto de congelación bastante bajo y pueden formar cristales de hielo provocando deterioros en el sistema de inyección El filtrado debe ser perfecto por exigencias de los circuitos de alimentación. El contenido en azufre está limitado a 0,05 % desde Octubre de 1996 (anteriormente este límite estaba en 0,20 %, lo que da idea de la trascendencia que tiene la presencia de azufre). El poder de encendido rápido y progresivo, necesario para el buen funcionamiento de los motores, se mide por el ÍNDICE DE CETANO, que se obtiene como el IO experimentalmente comparando el gasóleo con mezclas de EXADECANO (Índice 100) y el ALFAMETILNAFTALENO (Índice 0), siendo el porcentaje del primero en la mezcla que se comporta como el gasóleo el que da el Índice de Cetano. En la Tabla 5.1 se incluyen las especificaciones de los gasóleos en España. 6. BIOCOMBUSTIBLES Los combustibles derivados del petróleo (combustibles fósiles) tienen el inconveniente de que movilizan un dióxido de carbono que si no se produjese la combustión no sería vertido a la atmósfera, permaneciendo en el petróleo. Este dióxido aumenta el contenido del mismo en la atmósfera, lo que provoca el llamado efecto invernadero. En oposición a los combustibles fósiles, se expande el empleo de los biocombustibles (también llamados ecocarburantes), combustibles obtenidos a partir de la biomasa. Los biocombustibles pueden ser clasificados en dos grupos, según su uso en motores de encendido por chispa o en motores de encendido por compresión. Entre los primeros se sitúan el etanol, el más usado, o el metanol, obtenidos principalmente a partir de cereales (en España, cebada,

9 principalmente, trigo, centeno), remolacha, maíz, patata, sorgo,. El etanol puede utilizarse como combustible único o como aditivo (10% en la Unión Europea), lo que ha dado lugar a las gasolinas sin plomo o ecológicas. Cultivos y biocombustibles Cultivos alcoholígenos a partir de los cuales puede obtenerse bioalcohol Cultivos oleaginosos a partir de los cuales puede obtenerse biodiesel Cultivos lignocelulósicos a partir de los cuales puede obtenerse: electricidad y calor por combustión o gasificación bioalcohol por hidrólisis ácida, sacarificación y fermentación Para emplear en motores de compresión se utilizan aceites vegetales obtenidos principalmente a partir de girasol y de colza o bien derivados de estos obtenidos mediante procesos que generan metilesteres (aceites combinados con etanol), gracias a los que resulta el denominado biodiesel al que acompañan subproductos de interés como la glicerina. BIBLIOGRAFÍA AGÜERA SORIANO, J.Termodinámica lógica y motores térmicos. Edit. Ciencia Tres. IACOSA, D.Motores endotérmicos. Edit. Omega. Webs: