Apunte No. 8. Este apunte es para el próximo martes 26, el jueves 21, se verá la película que apoya al apunte de refinación y se hará el examen correspondiente.

Gasolina

Fabricación de gasolina comercial

A principios del siglo, la obtención de gasolina de calidad era cuestión de suerte.  La naturaleza proporcionaba los ingredientes, casi siempre parafinas (hidrocarburos lineales y  naftas), pero diluidos con otros componentes contenidos en el petróleo crudo.

En la actualidad la gasolina es un producto hecho por el hombre, es decir, sintéticamente, y las razones para producirla así son:

• Los crudos tienen un máximo de 25 a 30% de gasolina natural con índices de octano de 40 a 60, los cuales son demasiado bajos para usarse en los motores modernos de combustión interna.  Esto se debe a la estructura molecular de los hidrocarburos que la constituyen.
• La cantidad de gasolina primaria o natural contenida en los crudos es insuficiente para satisfacer la gran demanda provocada por los cientos de millones de vehículos que circulan diariamente por las carreteras y calles del mundo entero.

Las dos razones mencionadas crearon el reto para los científicos: ¿cómo remodelar las moléculas para producir más y mejores gasolinas?

El reto fue superado, sin embargo, a medida que se hacían mejores gasolinas, simultáneamente los diseñadores de automóviles aumentaban la compresión de los motores, elevando así su potencia, por lo que se necesito un índice de octano mayor en las gasolinas.

Vamos a suponer que de un barril de 159 litros de petróleo crudo se logren separar 50 litros de gasolina cuyos componentes tienen de 5 a 9 átomos de carbono, y que de 109 litros restantes, algunos de los hidrocarburos no sean apropiados para usarlos como gasolina, ya sea porque su composición no cuenta con suficientes átomos de carbono por molécula o porque tienen demasiados (menos de 5 y más de 10 respectivamente).  Otros quizás cumplan con el número requerido de carbonos, pero sus moléculas están en forma lineal en vez de ramificada, lo que baja la calidad de la gasolina.

Entonces ¿cómo hacer más y mejor gasolina del resto de los hidrocarburos que constituyen el barril de crudo?

El sentido común nos dice que si tenemos moléculas con más átomos de carbono de los que necesitamos, hay que romper las cadenas que unen los átomos de carbono para obtener moléculas más chicas, cuyo número de carbono quede dentro del rango óptimo.  Pero si las moléculas tiene menos átomos de carbono de los que buscamos, entonces es necesario unir dos, tres o más de ellas entre sí para agrandarlas hasta conseguir el tamaño deseado.

Para lograr mejores gasolinas se tuvo que hacer una labor muy complicada y costosa, pero hay compañías que recibiendo sus dividendos correspondientes patrocinan las tecnologías para aumentar la producción de éstas; lo que nos permite asimismo, comprender la diferencia entre países desarrollados y en vías de desarrollo, donde los primeros tienen la tecnología propia, mientras que los segundos no teniendo los conocimientos, se ven en la necesidad de comprar a los primeros.

Debido a esto, los países subdesarrollados cuyo consumo de gasolina y de energéticos es elevado, tienen costos de fabricación altos, ya que, aún siendo algunos de ellos productores de petróleo se ven obligados a pagar regalías en todos los procesos de tecnología extranjera usados en las refinerías.

Cuando se tienen hidrocarburos con cadenas de más de 10 carbonos los procesos utilizados para obtener gasolina sintética son dos y se basan en el rompimiento de cadenas o cracking:

1.      Desintegración térmica. Utilizando altas temperaturas y presiones, se rompen las moléculas produciendo hidrocarburos que se caracterizan por tener dobles enlaces en sus moléculas (olefinas) que son muy reactivas.  Cuando tienen de 5 a 9 átomos de carbono y se incorporan a las gasolinas  ayudan a subir el índice de octano. Sin embargo, tienen el inconveniente de ser muy reactivas; al polimerizarse forman gomas que perjudican los motores.  Por lo tanto en las mezclas de gasolinas en donde se usan fracciones con alto contenido de olefinas es necesario agregar aditivos que inhiban la formación de gomas. Las  fracciones del petróleo que sirven de materia prima o carga pueden ser desde gasolinas pesadas hasta gasóleos pesados produciendo principalmente olefinas ligeras (etileno, propileno, butenos, butadienos, pentenos, e isoprenos).

2.      Desintegración catalítica. En este proceso el uso del catalizador tiene como finalidad acelerar la reacción, dirigir el rompimiento de cadena en sitio preferencial y controlar la temperatura y presión de reacción (ambas son altas pero no tanto como en la térmica). La materia prima o carga utilizada en este método son los gasóleos  del destilado intermedio (de 14 a 20 átomos de carbono) y se obtienen gasolinas de alto octano (hidrocarburos altamente ramificados, tanto parafínicos como olefínicos); gas (isobutano); una elevada cantidad de etileno, propileno y butenos; diesel, kerosina y otros productos más pesados.

NOTA: El cracking hace posible que se utilice casi todo el crudo

Cuando los hidrocarburos son pequeños que no alcanzan los cinco átomos de carbono se siguen otros procesos:

1.      Polimerización catalítica (isomerización). Este proceso une las moléculas sencillas para producir cadenas de 5 a 9 átomos de carbono. Este proceso permite que los compuestos lineales se ramifiquen aumentando así el octanaje de la gasolina.

2.      Reformación  catalítica (alquilación). En este proceso también se utiliza un catalizador y usa como materia prima o carga los gases de las desintegradoras para producir gasolinas altamente ramificadas y aromáticas. La reacción química es entre olefinas como etileno, propileno y butenos con el isobutano que es un hidrocarburo parafínico ramificado con cuatro carbonos en su molécula; y a la gasolina obtenida se le llama alquilada.

Las propiedades que se controlan en las gasolinas son: el intervalo de ebullición, la presión de vapor, el octanaje, el contenido de gomas y el contenido de azufre.

El intervalo de ebullición  debe controlarse para que puedan volatilizarse fácilmente las gasolinas, pero no tanto que formen tapones de vapor que bloqueen las líneas de combustible e impidan el bombeo; esto se logra ajustando  mezclas de gasolinas de destilación directa, de cracking, de reformación y otros tipos.

La presión de vapor se regula con adiciones de butano y gasolina natural y se controla en climas fríos con valores más altos, y en climas calientes con valores más bajos.

Para reducir al mínimo la formación de gomas, se añaden antioxidantes (la adición de colorantes sirve como identificación y apariencia estética).

Los anticongelantes sirven para evitar la formación de hielo en el carburador.

En cuanto al octanaje, primero debemos saber qué es, para después remediarlo.

Octanaje de la gasolina

Hace 50 años se llegó a descubrir que de todos los compuestos que forman la gasolina, el heptano normal (hidrocarburo de 7 átomos de Carbono en cadena lineal) producía la peor detonación cuando se iniciaba su ignición, por lo que se le asignó el valor de cero en la escala correspondiente.

                                                          

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃          (índice de octano=0)

                                   Heptano normal

El compuesto que detonaba menos era de 8 átomos de Carbono, formando una cadena ramificada llamada isooctano al que se le dio un valor de 100, y así nacieron los índices de octano y octanajes de la gasolina.

                            CH₃   CH₃

                            │      │ ‌            ‌

                CH₃ –  C  –  C  –  H          isooctano                    (índice de octano =100)

                            │  ‌    │    ‌

                          CH₃   CH₃

Por lo tanto el octanaje de la gasolina se define como “la cantidad de isooctano presente en la mezcla combustible”.

El octanaje mide las propiedades antiknock (anti-golpeteo) de las gasolinas, que  ocurre cuando el combustible se quema demasiado rápido provocando un desperdicio de energía y dañando el motor.  Los hidrocarburos lineales tienen un octanaje muy bajo y producen mucho golpeteo, mientras que los hidrocarburos de cadena ramificada y los aromáticos, tienen un octanaje alto y por consecuencia, buenas propiedades antiknock, reduciendo así el golpeteo y alargando la vida del motor.

Para determinar el octanaje de una gasolina se hace mediante aparatos especiales que miden las detonaciones resultantes de hacer explotar una mezcla de heptano e isooctano. Aquella mezcla que produzca un efecto semejante al de la gasolina, es el octanaje que le corresponde; así por ejemplo, si cierta gasolina tiene características detonantes parecidas a las de una mezcla de 90% de isooctano y 10% de heptano normal, entonces se le asigna un índice de 90.

Para aumentar el octanaje de una gasolina, se consigue mediante la reformación catalítica que consiste en convertir las cadenas lineales a ramificadas.

Por otro lado tenemos que si se quiere evitar el golpeteo o detonación de un  motor de combustión interna como los de automóviles cuando trabajan calientes, o para evitar la pérdida de potencia que de esto se deriva se deben añadir compuestos antidetonantes.

El compuesto antidetonante más conocido es el tetraetilo de plomo, y el dicloruro o dibromuro de etileno que evitan la acumulación de plomo en los motores ya que el óxido de plomo que se forma, se convierte en el halogenuro que es volátil, y se  libera  por el escape.