II. LA ENERG�A
EN PRIMER t�rmino hay que darse cuenta de que los sistemas industriales est�n ligados a la energ�a. En la figura 19 se observa lo que sucede al crecer la poblaci�n y los productos en un sistema natural como la Tierra. El crecimiento poblacional crea m�s demandas y, para mantener los recursos renovables, no pueden extraerse a una velocidad mayor que la de su propia generaci�n. Por otra parte, los recursos no renovables, como el petr�leo, no deber�n exceder la velocidad a la cual se renuevan por fuentes que los sustituyan. Claro que esto �ltimo no puede realizarse como se desear�a, de ah� que el reciclaje de los desechos, sumado al ahorro de energ�a y materiales, es la �nica manera de reducir la magnitud del problema.
El concepto de energ�a es uno de los m�s empleados en la ciencia, se asocia con cualquier tipo de actividad y a trav�s de �l se explica la inmensa mayor�a de los fen�menos 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 energ�a. El descubrimiento de la electricidad, la invenci�n de la pila el�ctrica o el hecho de que la corriente el�ctrica sea capaz de descomponer las sustancias o poner un im�n en movimiento, hizo que se pensase que todos estos fen�menos pudieran deberse a una misma causa. Es as� como aparece el t�rmino de energ�a como algo que puede producir los cambios. A trav�s de los a�os, el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieren grandes esfuerzos f�sicos, para dejar a las m�quinas las tareas pesadas y dedicarse a labores intelectualmente m�s productivas. Esto ha tra�do como consecuencia que el consumo de energ�a por habitante sea cada vez mayor.
Figura 19. El ecosistema finito global comparado con el crecimiento de los subsistemas econ�micos y de poblaci�n.
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 energ�a. La cantidad de energ�a que se transfiere depende de la intensidad de la fuerza y del desplazamiento de dicha fuerza, la magnitud que mide esta transferencia de energ�a es lo que conocemos por trabajo. Cuando se habla de las m�quinas se menciona la potencia. �Qu� significa este t�rmino? Pues que el tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una m�quina, por eso se introdujo el concepto de potencia que se define como la rapidez con que se realiza un trabajo o como la energ�a por unidad de tiempo, medida en vatios. El t�rmino de caballo de fuerza es una invenci�n 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 c�rculo de 24 pies de di�metro, lo cual rinde un trabajo que, haciendo las transformaciones de unidades pertinentes, resulta en 745 vatios. �Cu�ntos caballos de fuerza tiene su autom�vil? Compare ese valor con un pist�n de 1712 que pose�a un cilindro de 0.5 m de di�metro y 2 m de largo capaz de producir 12 golpes por minuto, si le aplicamos los c�lculos que conocemos actualmente, el "poderoso" aparato daba alrededor de 5.5 caballos de fuerza.
Cuando aludimos a las fuentes de energ�a, nos referimos a su origen. Una fuente de energ�a como la que se obtiene del petr�leo puede producir energ�a calor�fica, mec�nica, qu�mica o el�ctrica. Cuando hablamos de fuentes impl�citamente decimos que se trata de energ�a aprovechable, es decir, energ�a que el ser humano puede utilizar para sus actividades. Existen los siguientes tipos de fuentes de energ�a seg�n su origen y aprovechamiento:
1) Energ�a del petr�leo, gas y carb�n. La energ�a qu�mica se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energ�a. Cuando la energ�a que proporcionan el petr�leo, gas o el carb�n se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energ�a el�ctrica a trav�s de las centrales termoel�ctricas o carboel�ctricas. En el caso de los transportes, la energ�a se transforma en cin�tica o mec�nica o bien en energ�a calor�fica cuando se trata de un calentador o una estufa.
2) Energ�a hidr�ulica. Para producirla se aprovechan las ca�das del
agua, por lo tanto se trata de energ�a potencial. Los griegos fueron los primeros
en usarla, por medio de la rueda hidr�ulica para bombear agua que invent� Fil�n
de Bizancio en el siglo III a.C. La energ�a hidr�ulica es energ�a
mec�nica, primero potencial y despu�s cin�tica.
3) Energ�a nuclear. Es la que une el n�cleo de los �tomos. Se transforma primero en energ�a calor�fica y �sta, a su vez, en mec�nica y el�ctrica. Los protones y los neutrones constituyen el llamado n�cleo de los �tomos y los electrones gravitan a su alrededor. Al bombardear un �tomo pesado con neutrones, su n�cleo se rompe o se fisiona liberando en el proceso una enorme cantidad de energ�a. Al fisionarse puede emitir tambi�n neutrones y si �stos son dos o tres, chocar�n con otros �tomos produci�ndose una reacci�n en cadena que produce la energ�a nuclear.
4) Energ�a geot�rmica. Desde tiempos remotos, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines. En M�xico, el temascal se utiliz� desde la �poca precolombina. Existen pozos geot�rmicos, es decir, formaciones rocosas que han atrapado agua y �sta se calienta por la temperatura de la Tierra pudiendo estar en forma de vapor, de mezcla vapor-l�quido o l�quido caliente.
5) Energ�a solar. La constituye la radiaci�n solar y se emplea para producir calor o electricidad. Una forma de aprovechar la energ�a del Sol es mediante los llamados colectores, que convierten la energ�a solar en calor. En nuestro pa�s existen regiones en Sonora y Baja California con alt�simos promedios de radiaci�n por a�o donde es posible construir centrales de energ�a solar para satisfacer la demanda local.
6) Energ�a e�lica. Es la que utiliza la energ�a cin�tica de los vientos, puede aprovecharse como tal o convertirse en electricidad. Uno de sus primeros usos fue hace unos 3 500 a�os cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Una aplicaci�n 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) Energ�a de la biomasa. Resulta de la materia viva y los desechos org�nicos cuando se les usa como combustible, por lo tanto se trata de energ�a qu�mica que se puede transformar en cualquier forma de energ�a. En el uso de la biomasa como fuente energ�tica se emplean principalmente �rboles, plantas, desechos animales y vegetales. El ejemplo m�s conocido de utilizaci�n de la biomasa es la madera.
Pudiera uno pensar que en un principio las carreteras pavimentadas se construyeron atendiendo al uso del autom�vil, pero fueron construidas para atender los veh�culos tirados por caballos, En un trabajo de 1974 escrito por E. Montroll y W. Badger se lleg� a la conclusi�n que de haberse seguido construyendo carreteras con este fin se hubiera producido un desastre ecol�gico, aunque desde el punto de vista tecnol�gico el carro era una innovaci�n tecnol�gica maravillosa. Veamos los c�lculos de estos autores. El que se refiere a desperdicio s�lido se basa en el c�lculo de una producci�n promedio de 16 kg por d�a con un recorrido de 40 km diarios, mientras que el c�lculo para los contaminantes l�quidos se basa en suponer unos 7.5 kg por d�a para una traves�a de 40 km diarios. Se consideran los est�ndares que prevalec�an en 1980.
| medio de transporte | contaminante | emisiones en gramos por kg |
| caballos | s�lidos | 400 |
| l�quidos | 188 | |
| autom�viles | hidrocarburos | 0.16 |
| mon�xido de carbono | 2.9 | |
| �xidos de nitr�geno | 0.25 |
En 1950 circulaban en el mundo 53 millones de autom�viles; para 1988 la cantidad total de veh�culos excedi� los 500 millones y en 1990 se calculaba que circulaban 675 millones de veh�culos, de los cuales los autom�viles 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 estad�sticas diremos que la poblaci�n de veh�culos ha crecido m�s r�pidamente que la humana. Para el a�o 2000 se espera que en los pa�ses desarrollados dicho crecimiento no se incremente notablemente, pero este patr�n no ser� el mismo para el resto del mundo donde se espera mayor crecimiento de la poblaci�n y mayor urbanizaci�n. Esto lleva a predecir que la flota de veh�culos alcanzar� 900 millones de unidades en 2010. M�s grave es la cifra que nos expresa el n�mero de kil�metros recorridos por veh�culos de motor anuales: 8 000 000 000 000. �A qu� se debe esto?
La respuesta se relaciona con el incremento de la urbanizaci�n. Las ciudades crecen m�s 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 n�mero de kil�metros recorridos tambi�n crezca.
PREDICCIONES SOBRE EL CONSUMO DE CARBURANTE
El crudo y sus derivados se han convertido desde el inicio de su explotaci�n en la fuente energ�tica primaria de mayor importancia. En 1991 de los 57 232 millones de barriles de petr�leo equivalente, es decir energ�a expresada como barriles de petr�leo, 41% provino del crudo, 22% del gas y el resto de otras formas de energ�a como la nuclear, la hidr�ulica y la geot�rmica.
En M�xico para el mismo a�o, las proporciones son todav�a m�s 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 refinaci�n, y su obtenci�n carec�a de importancia. Ahora es el producto principal que mueve al transporte en el mundo. Para M�xico, la figura 21 nos muestra el consumo nacional de energ�a destinado al transporte.
En 1994 se consumieron 502 000 barriles diarios que seguramente llegar�n a 586 000 en 2005, como se muestra en la figura 22. En el mundo, en 1994, se consumieron 800 millones de toneladas.
�Por qu� hacemos tanto hincapi� en el consumo de gasolina? La explicaci�n tiene que ver con el desperdicio que se genera en un coche por la poca eficiencia de la combusti�n, que es uno de los grandes motivos de investigaci�n en el mundo, ya que se trata de elevarla al m�ximo.
La energ�a obtenida del carb�n, petr�leo, gas, biomasa, energ�a hidr�ulica y calor generado en un reactor nuclear es la energ�a primaria, que no se utiliza en forma directa sino trasformada en energ�a secundaria. La ventaja de �sta es que tiene una amplia gama de utilizaci�n y comodidad de uso: electricidad, gasolina, gas avi�n, etc. La energ�a secundaria se suministra como energ�a final y otra parte es rechazada y devuelta a la naturaleza como "calor residual". Las consideraciones acerca de la eficiencia energ�tica se centran en la que se deriva de la explotaci�n, transporte y tratamiento de la energ�a primaria para su conversi�n, almacenaje de la secundaria, sistemas de distribuci�n, redes de transporte y, finalmente, en la transformaci�n �til para el consumo final, y en los medios de conversi�n como focos, cocinas o motores de veh�culos.
Figura 20. Comparaci�n del consumo de energ�a primaria en M�xico vs otros lugares del mundo. Millones de barriles de petr�leo equivalentes.
SECTOR TRANSPORTE 367 PETACALORIAS
Figura 21. Consumo en M�xico de energ�a en el sector transporte, 1994.
GASOLINAS
MILES DE BARRILES DIARIOS
Figura 22. Evoluci�n de la demanda de gasolina en M�xico, a) con plomo, b) sin plomo.
EL RENDIMIENTO DE ALGUNAS M�QUINAS
Antes de seguir con los motores, veamos una m�quina popular, la bicicleta, muy popular en todo el mundo. Los cient�ficos la estudian intrigados por lo simple de su tecnolog�a, su gran eficiencia y su equilibrio. Su pariente m�s lejano es la rueda, inventada hace unos 5 000 a�os. Fue Harry Lawson, en 1879, quien la dise�� tal como la conocemos: transmisi�n por cadena, pi�ones y cuadro. �Hay algo interesante que decir acerca de la bicicleta a m�s de un siglo de creada? Parece que no, pero hay un punto de sumo inter�s: resulta que la bici es uno de los medios de transporte con m�s alto rendimiento energ�tico. La energ�a que gasta un individuo, animal o veh�culo 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 c�lculos resulta que comparados entre s�, por kil�metro y gramo transportado, los menos eficientes son la serpiente, la rata, la mosca, seguidas del conejo, helic�ptero, avi�n, el hombre, el caballo, el autom�vil y el salm�n. Un ciclista gasta cinco veces menos energ�a (0. 15 calor�as por gramo y kil�metro recorrido) que un marchista (0.75 calor�as/km y gramo). �Por qu�? Para contestar esto debemos pensar en la potencia que la m�quina humana puede dar y c�mo se usa.
La combusti�n 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 combusti�n es muy sensible a la calidad del carburante y �ste depende a su vez en forma estrecha de las condiciones de operaci�n.
Para destacar la importancia del adelanto t�cnico, diremos que en el siglo X el enganchar la collera en los hom�platos de los animales de tiro los salv� de la semiasfixia que les produc�a llevarla al cuello. En los veh�culos automotores, la energ�a qu�mica contenida en los combustibles se transforma en movimiento y como subproducto se genera calor y gases de combusti�n. Es importante hacer notar que el contenido energ�tico te�rico de la gasolina al ser quemada en presencia del aire, est� relacionado directamente con el contenido de carbono e hidr�geno. La energ�a es liberada cuando el hidr�geno y el carbono son oxidados (quemados) para formar agua y bi�xido de carbono. El octano de la gasolina no est� relacionado con el contenido energ�tico y son s�lo los hidrocarburos presentes en la mezcla los que determinan la liberaci�n de energ�a y que no se produzcan detonaciones indeseables. Las dos reacciones importantes son:
La masa o volumen de aire requerido para proveer suficiente ox�geno con el cual se alcance la combusti�n completa es un valor preciso. Pueden darse dos condiciones, la primera que la cantidad de aire sea insuficiente, los cient�ficos 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 m�ximo de potencia cuando la mezcla es ligeramente "rica" pero la econom�a de combustible se alcanza en mezcla "deficiente". El contenido energ�tico o poder calor�fico de la gasolina se mide quemando todo el combustible dentro de una bomba calorim�trica y midiendo el incremento de temperatura. Al instrumento se a�ade una cantidad pesada de la muestra, la cual se quema en una atm�sfera de ox�geno puro empleando una resistencia el�ctrica para calentar. El recipiente est� cerrado e inmerso en un ba�o de agua. Se mide la elevaci�n de la temperatura que se genera, de la cual se calcula el calor de combusti�n. La energ�a disponible depende de lo que suceda al agua producida durante la oxidaci�n del hidr�geno. Si permanece en estado gaseoso, no puede liberar el calor de vaporizaci�n, por lo tanto produce el valor calor�fico neto.
Por ejemplo, para quemar heptano se da la siguiente reacci�n:
1 volumen de heptano requiere de 11 de ox�geno o bien de 52.5 vol�menes 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 relaci�n aire-carburante de 1.5:1. Una parte de la gasolina, dado que difiere del heptano en su relaci�n carbonohidr�geno, requiere aproximadamente 14.5 partes en peso de aire para realizar la combusti�n completa, aunque la estequiometr�a exacta depender� de la composici�n del carburante. Hablando en t�rminos generales podemos decir que para una gasolina constituida puramente por hidrocarburos, si la relaci�n aire-carburante es menor, de 7:1, la mezcla ser� demasiado rica para hacer combusti�n, y si es m�s de 20:1 no podr� hacerlo. Volviendo al calor de combusti�n, en el caso de los autom�viles el poder calor�fico neto es el que debe emplearse dado que el agua es emitida en forma de vapor. La m�quina no puede utilizar la energ�a adicional disponible cuando el vapor se condensa nuevamente en agua l�quida. El poder calor�fico es entonces la m�xima energ�a que puede obtenerse del combustible cuando se le quema, pero tomen aliento y asimilen el siguiente dato: en un autom�vil moderno que emplea buj�as para la ignici�n de la gasolina, la eficiencia mec�nica fluct�a 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 operaci�n. En el valle de M�xico, la quema de combustibles en motores de combusti�n interna es todav�a menos eficiente debido a la baja presi�n atmosf�rica y la deficiencia en la concentraci�n de ox�geno en el aire. Recu�rdese que el aire est� compuesto por 78% de nitr�geno, 21 % de ox�geno y 1 % de otros gases. En sitios elevados el aire contiene menos ox�geno por unidad de volumen que a nivel del mar por su menor densidad al ser m�s baja la presi�n atmosf�rica.
Cuando la gasolina se mezcla con el ox�geno se producen reacciones a�n antes de que la mezcla llegue a la c�mara de combusti�n y persisten cuando se ha llevado a cabo y el frente de la llama avanza. L�gicamente esto determinar� que el carburante se queme "normalmente" o d� pie a combustiones "anormales" como el cascabeleo o la preignici�n. La combusti�n normal ocurre cuando el frente de la llama se mueve suavemente pero en cierta manera lo hace de forma irregular al cruzar la c�mara de combusti�n una vez encendida por la chispa.
El movimiento irregular se debe a la turbulencia y a la falta de mezcla perfecta. Aun cuando la combusti�n se lleve a cabo normalmente, todas las m�quinas tienden a mostrar variaciones en la presi�n m�xima que puede alcanzar el cilindro y la velocidad de aumento de dicha presi�n de un ciclo a otro, dispersi�n 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 c�mara de combusti�n. Si estas dispersiones se minimizan ser� posible aumentar la eficiencia del uso del combustible.
El cascabeleo o golpeteo es una de las formas m�s importantes de la combusti�n anormal y determina en cierto grado la eficiencia t�rmica que se puede obtener de un motor. Entre mayor es la relaci�n de compresi�n, mejor la eficiencia t�rmica, pero aumenta tambi�n la tendencia al cascabeleo, raz�n por la cual se requiere de un carburante de un octano apropiado. Al retardarse el tiempo de ignici�n, la tendencia del cascabeleo es a disminuir ( y viceversa) pero m�s all� de cierto l�mite la potencia del autom�vil se afecta notablemente. El cascabeleo contin�a siendo uno de los aspectos m�s importantes que se toman en cuenta para el dise�o de los autos y poder escoger la gasolina apropiada, pero muchos fen�menos son a�n entendidos parcialmente.
LAS CARACTER�STICAS GENERALES DE UNA GASOLINA
Veamos algunas de las caracter�sticas que se exige a una gasolina a fin de satisfacer las necesidades de millones de autom�viles de cientos de marcas, modelos y a�os.
El �ndice de anticascabeleo. Antes de 1929, los carburantes se clasificaban en una m�quina monocil�ndrica, en la que el cociente de compresi�n pod�a variarse entre 2.7:1 hasta 8:1. Cada carburante se experimentaba empleando diferentes relaciones aire/combustible y tiempos de ignici�n variados, busc�ndose determinar el m�ximo de potencia y la relaci�n de compresi�n m�s elevada. El valor obtenido se llamaba algo as� como "cociente de compresi�n �til" que se refer�a al valor obtenido con el tolueno.
La gasolina se clasifica en primera instancia de acuerdo con el �ndice de anticascabeleo, que es una medida del octano. El cascabeleo (golpeteo) se origina por la direcci�n opuesta de dos frentes de llama: el debido a la explosi�n anticipada del combustible por encontrarse a elevada temperatura y el que produce la buj�a. Como resultado de la direcci�n opuesta de ambos frentes se producen las vibraciones.
La medida de habilidad de un combustible para resistir la autoignici�n bajo un incremento de presi�n es el octano. La eficiencia de un autom�vil encendido por una chispa se relaciona con la relaci�n de compresi�n. Cualquier "detonaci�n" causada por el carburante destruir� r�pidamente los elementos mec�nicos del motor. Desde 1912 los autom�viles cuya ignici�n del combustible se inicia mediante la chispa de una buj�a siempre se han visto limitados por los "cascabeleos" indeseables, es este sonido una descripci�n justa cuando el autom�vil emplea gasolina de bajo octano. Thomas Midgley descubri� que las detonaciones se deb�an al aumento brusco de la presi�n una vez que se llevaba a cabo la ignici�n. En 1926 Graham Edgar sugiri� que dos hidrocarburos que pod�an 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 m�todo y los mismos patrones para las comparaciones. Dos parafinas de propiedades f�sicas similares fueron escogidas, una es el heptano normal, es decir el hidrocarburo lineal de siete �tomos de carbono con sus correspondientes hidr�genos que, adem�s, provoca muchas detonaciones. El cien de la escala es el llamado isooctano que qu�micamente hablando tiene el solemne nombre de 2,4,4, trimetil-pentano, es decir, un hidrocarburo de ocho carbones ramificado y cuya f�rmula ilustramos a continuaci�n y que resultaba ser una sustancia de muy baja resistencia al cascabeleo:
El n�mero de octano de un carburante RON o MON, iniciales de Research Octane Number (n�mero de octano de investigaci�n), y Motor Octane Number (n�mero de octano de motor), es el porcentaje en volumen de isooctano que est� mezclado con el heptano lineal y que muestra las mismas propiedades antidetonantes que un carburante de prueba medidas en la m�quina bajo las condiciones controladas.
En los a�os treinta se observ� que no era posible correlacionar los resultados que se obten�an en el laboratorio con los del autom�vil en la carretera o los que resultaban del manejo en la ciudad en donde las condiciones var�an 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 dar�n cascabeleos y detonaciones al apagar el motor. Mientras que el MON relaciona la capacidad antidetonante del auto cuando est� 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 r�pidamente de potencia. Entre los a�os treinta y sesenta predomin� el m�todo RON por ser el m�s cercano al octano necesario para el tipo de veh�culos y carreteras disponibles. Una de las propiedades de una gasolina actual se especifica por el "�ndice de anticascabeleo" que se extrae de la siguiente f�rmula:
�ndice anticascabeleo=1/2 (RON+MON)
El RON es de ocho a diez n�meros mayor que el MON,
as� la gasolina de 87 octanos tiene un MON de 82 y un RON
de 92. Cada autom�vil est� construido para trabajar a un cierto n�mero de octano,
n�mero que se ve afectado por factores de dise�o y condiciones propias del uso,
veamos:
| Algunos factores de dise�o/operaci�n | Factores externos |
| Relaci�n decompresi�n | Presi�n barom�trica/ altitud |
| Tiempo de ignici�n | Temperatura |
| Relaci�n aire/ carburante | Humedad |
| Temperatura de combusti�n | Dep�sitos en la c�mara de combusti�n |
| Dise�o de la c�mara de combusti�n | |
| Recirculaci�n 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 tendr� 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 operaci�n de la m�quina
en t�rminos de su capacidad antidetonante. Esto lo ilustramos para su mejor
comprensi�n en la figura 23 en donde se muestra el n�mero de octano en funci�n
de la severidad a la que se somete la m�quina. 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 m�quina 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 veh�culo 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 mayor�a de los veh�culos, el carburante A es mejor que el B y �ste mejor
que el C.
La estructura qu�mica de los hidrocarburos tiene gran influencia en la calidad
del octano. En la figura 24 podemos apreciar m�s claramente este efecto. La
introducci�n 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 (comp�rese en dicha figura los
valores del pentano lineal y del 1-penteno). Como sabemos, los procesos de desintegraci�n
catal�tica producen muchos compuestos olef�nicos, 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 n�mero de carbones y de �tomos de hidr�geno, pero tanto
el RON como el MON aumentan conforme se incrementa
el grado de ramificaci�n, siendo la sensibilidad de todos ellos muy baja. Como
se ve en la figura, los compuestos c�clicos 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 arom�ticos
como el benceno tienen elevados valores de octano pero una relativa alta sensibilidad.
Figura 23. Calidad de octano en funci�n de la severidad de la m�quina.
Con estos valores podemos relacionar los procesos de transformaci�n 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 atmosf�rica | 70 |
| gasolina catal�tica | 86.2 |
| producto de reformaci�n de naftas | 89.9 |
| producto de alquilaci�n | 92.5 |
En la refiner�a se cuenta con diversas corrientes para hacer las mezclas apropiadas y dar las especificaciones de octanaje. Los n�meros de octano de mezclado son reales, ajustados para ganancias adicionales en el mezclado y se pueden ponderar linealmente. Y he aqu� 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 d�a de gasolina atmosf�rica, 17 de catal�tica, 3 de alquilado y nos preguntan: �cu�nto le a�adimos de gasolina de reformaci�n? Simple:
gasolina total de 87 octanos = 5(70) + 17(86.2) + X(89.9) + 3(92.5)
Si resolvemos la ecuaci�n veremos que necesitaremos 28.3 millones de barriles por d�a.
Figura 24. La estructura qu�mica influencia la calidad del octano.
Y a fin de cuentas, �c�mo se miden los octanos?
La determinaci�n del n�mero de octano se realiza en una m�quina que posee un solo cilindro y la relaci�n de compresi�n se puede variar. El pist�n se encuentra en la parte superior introduci�ndose en el cilindro. Durante la carrera descendente se a�ade el combustible, permaneciendo abierta la v�lvula de admisi�n y cerrada la de escape. La raz�n de compresi�n representa al cociente de los vol�menes m�ximo y m�nimo que ocupa el aire en el cilindro. Para evaluar un combustible se ajusta la raz�n de compresi�n de manera que el n�mero de golpeteos, se�al 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 v�lvula de admisi�n se cierra y al elevarse el pist�n genera la compresi�n de la mezcla. En el extremo de esta carrera, una chispa inflama la mezcla. El pist�n es empujado hacia abajo al expandirse los gases resultantes de la combusti�n. �sta es la carrera de trabajo que al terminar abre la v�lvula de escape. La presi�n 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 n�mero de octano en funci�n del total de golpeteos se obtiene de una gr�fica de interpolaci�n.
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 autom�viles deben estar en permanente comunicaci�n y experimentaci�n conjunta para conocer cu�les son las necesidades de octanaje de los veh�culos, tanto en condiciones normales de manejo como las malas. Nada se gana si se producen autos que requieren un alto octanaje que no est� en el mercado. Un autom�vil 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 pa�ses, emple�ndose un carburante de referencia al cual se le incrementa el n�mero de RON a partir del valor m�s bajo disponible en el mercado, por ejemplo de 80 hasta 100 octanos. Muchos autos modernos est�n equipados con un sensor al golpeteo, generalmente colocado en la cabeza del cilindro y al detectar frecuencias de sonido que est�n en el rango del golpeteo, activan un mecanismo por el cual se reduce el requerimento de octano del veh�culo. Se preguntar� el lector, �c�mo se puede reducir esta necesidad de octanaje? Pues retardando el tiempo de ignici�n y como el refinamiento de algunos autos es cada d�a mayor se podr� 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 a�adir que una gasolina de mayor octanaje no mejora nada. Otra, es que con mayor octanaje se obtiene ganancia en la econom�a de combustible (m�s kil�metros por litro de gasolina): �falso!, la econom�a la determinan otras variables como la energ�a que provee el combustible. Hay que notar que dos gasolinas de id�ntico octanaje pueden tener contenidos energ�ticos diferentes debido a que su composici�n es diferente.
Desde el invento del autom�vil, uno de los problemas principales que enfrentaron los fabricantes fue el cascabeleo. Este problema se centr� en buscar aditivos que pudieran a�adirse a la gasolina o la querosina y previnier�n la destrucci�n mec�nica del auto. A principios de siglo las bater�as de la investigaci�n se centraron en resolver el problema de los autos, si bien se necesitaba tambi�n 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 pr�ctica su adici�n y por lo tanto se dej� en el olvido. En 1919 la anilina mostr� mayores propiedades antidetonantes y ya era componente fundamental en la industria textil. La anilina se extrae del alquitr�n de hulla pero se fabrica haciendo reaccionar el benceno con �cido n�trico. Thomas Midgley Jr., quien descubri� la causa que produc�a las detonaciones en los motores, encabez� un grupo de cient�ficos que en 1922 descubrieron el principal componente para aumentar el octanaje de la gasolina y evitar el cascabeleo. Midgley encontr� que el platino, la plata y el plomo evitaban las reacciones que generaban el cascabeleo. Entre una serie de compuestos hall� el �ptimo: el tetraetilo de plomo (TEL), sustancia que tiene una parte org�nica, cuatro grupos etilo y una inorg�nica, el plomo. El tetraetilo de plomo al quemarse deja una capa de plomo met�lico que es necesario eliminar, pues de acumularse ocluir�a el escape. Se desarrollaron compuestos org�nicos que en su mol�cula conten�an grupos cloro, como el dicloro-etileno. Los �tomos de cloro reaccionan con el plomo formando un compuesto vol�til que escapa con los gases de escape. El TEL cumpl�a adem�s con otros requisitos: es soluble en la gasolina, se vaporiza con �sta y se descompone a las temperaturas de operaci�n dentro del cilindro produciendo �tomos de plomo que se adhieren formando plomo y ox�geno con lo cual hacen m�s lentas las reacciones que generan el cascabeleo. La cantidad que se a�ade de estos compuestos est� en funci�n del contenido de plomo de la gasolina. El TEL se convirti� r�pidamente en el m�todo m�s efectivo de elevar el octanaje de la gasolina; sin embargo, desde un principio hubo voces de eminentes cient�ficos que hicieron campa�a contra su uso aduciendo su toxicidad y la peligrosidad en su manufactura que caus� varios accidentes en las f�bricas donde se produc�a. En 1925 el Servicio de Salud P�blica de los Estados Unidos inici� una campa�a de investigaci�n para saber si el uso del aditivo era nocivo. Durante la investigaci�n se suspendi� la adici�n del tetraetilo pero, al no encontrarse aparentemente nada nocivo, se reinici� en 1926 bajo duras protestas de la prensa.
El TEL ha sido uno de los primeros componentes cuya concentraci�n se ha reducido y en muchos casos se ha eliminado de la gasolina. El TEL aumentaba notablemente la eficiencia de las m�quinas y disminu�a 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 reformaci�n de nafta y el segundo la que tiene sobre una gasolina extra�da con el crudo.
Cantidad de TEL en productos de la gasolina natural
De los datos se puede llegar a la conclusi�n, primero de que el mayor beneficio se obtiene con las corrientes de refiner�a de bajo �ndice de octano, pero en segundo t�rmino se llega a un punto en el cual la adici�n de TEL ya no lo provoca. Esto es una demostraci�n del concepto de sensibilidad de que hablamos anteriormente.
Tambi�n se puede apreciar que por ejemplo la adici�n 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 definici�n le hemos dado un valor de 100. Una consideraci�n importante que debemos anotar es que los autom�viles anteriores a 1971, as� como ciertos equipos de agricultura y marinos no tienen los asientos de las v�lvulas endurecidos. En estos veh�culos el contacto met�lico entre la v�lvula y el asiento se previene creando una capa protectora de �xido de plomo como ya se mencion�. Los usuarios de estos veh�culos deben buscar aditivos que sustituyan al plomo si no quieren tener problemas con su m�quina.
�Qu� 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
energ�a para obtener el mismo volumen de gasolina con la misma calidad de octanaje.
Si bien mantener un alto �ndice de octanaje permite a los fabricantes de autos
emplear altas relaciones de compresi�n y por ende obtener mayor eficiencia,
lo anterior no tiene sentido si en la refiner�a existen p�rdidas. 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 pa�ses donde todav�a se
a�ade TEL para mejorar la econom�a del veh�culo al incrementar
la relaci�n de compresi�n con la cantidad de petr�leo crudo que se consume para
producir un volumen dado de gasolina con diferentes calidades de octanaje y
niveles de plomo. La combinaci�n 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 �ltimo para una gasolina
sin plomo, el �ptimo era de 94.5 de RON.
�Qu� otros aditivos para octano existen? Cuando los cient�ficos llegaron
a la conclusi�n de que el TEL era da�ino para la salud, se investigaron
otros compuestos organomet�licos que aumentaran el octano. El m�s famoso es
el MMT, siglas del metilciclopentadienil tricarbonil manganeso,
desarrollado entre 1953 y 1958; compuesto que tiene una parte org�nica y otra
inorg�nica, el manganeso. Ha sido empleado en varios pa�ses del mundo e inicialmente
en mezcla con el plomo. Su uso tiene dos funciones: como antidetonante y para
aumentar el octanaje. S�lo 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 dep�sitos en la m�quina
y su respuesta al incremento de concentraci�n llega a un l�mite. Por otra parte,
el MMT muestra el efecto de aumentar el octanaje en presencia de
plomo en muchos carburantes, particularmente cuando son paraf�nicos. Otros aditivos
se fabrican a base de hierro y n�quel asociados con una mol�cula org�nica, pero
su uso ha sido limitado. El de hierro se emple� por 1930, y m�s recientemente
en concentraciones mucho m�s bajas, del orden de 30 partes por mill�n, pero
persisten los problemas de da�os en los autos a�n no resueltos.
Los aditivos org�nicos. Muchas de las caracter�sticas indeseables de los aditivos de octanaje las genera la tendencia a dejar dep�sitos en la m�quina despu�s de la combusti�n. Por el contrario, los aditivos org�nicos no dejan cenizas y siempre se han considerado de inter�s para la industria; de hecho los primeros que se emplearon fueron las aminas arom�ticas. Una de las m�s empleadas es la n-metilanilina, cuya f�rmula mostramos en la p�gina siguiente. El 1 % en volumen de esta mol�cula org�nica produce una actividad similar a la de 0.1 gramos de plomo por litro de gasolina, lo que significa que su relaci�n 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 t�rminos de su capacidad para disminuir el cascabeleo. Son los compuestos oxigenados, los alcoholes y �teres, de los que se hablar� m�s adelante.
F�rmula de la n-metilanilina
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 us� como ingrediente activo. �ste s� incrementa el octanaje cuando se a�aden a la gasolina cantidades importantes de �l, pero tiene efectos adversos. El primero es su punto de fusi�n (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 combusti�n 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 hab�a medido que un avi�n DC-3 al usar una gasolina de octano 100 en lugar de una de 87, incrementaba 12% su velocidad de crucero, 40% la de elevaci�n, pod�a volar 20% m�s alto y con 40% m�s de carga. Hemos dicho que entre m�s ramificada es la cadena de hidrocarburo, mayor es el octanaje. En 1926 los laboratorios de la General Motors demostraron que el triptano, ten�a un alto �ndice de octanaje. En 1943 se construy� una planta qu�mica para su producci�n y el hidrocarburo se evalu� encontr�ndose que cuando se le a�ad�a tetraetilo de plomo, la sensibilidad era muy elevada y la potencia de las m�quinas se multiplicaba por cuatro mientras que hab�a 25% de mejora en la econom�a de combustible al compararse al isooctano. �Por qu� se dej� de producir? Dos razones, su s�ntesis era muy cara y pronto aparecieron los aviones a turbina que hubieran requerido cambios considerables de dise�o para que funcionaran.
TRIPTANO
F�rmula del triptano
� Y los aviones? Durante la segunda Guerra se cre� una enorme demanda de gasolina para los aviones de combate que necesitaban 100 �ndices de octano para alcanzar la potencia necesaria. Esto se resolvi� empleando gasolina proveniente del proceso de alquilaci�n y a�adiendo altas concentraciones de TEL. Para esta gasolina se emplean los mismos m�todos anal�ticos utilizados en los autom�viles salvo que el n�mero de RON obtenido no corresponde exactamente al de los autos. Los n�meros van de 80 a 115 empleando tablas de equivalencias. Entre 80 y 100 los valores de n�mero de aviaci�n son generalmente uno o dos n�meros de octano diferente al de los autos, pero de 100 en adelante si hay cambios importantes en la numeraci�n que refleja ahora lo que se llama n�mero de actuaci�n que se determina en una versi�n especial de m�quina en la que se mantiene constante la relaci�n de compresi�n.
• Volatilidad de la gasolina. La capacidad de vaporizaci�n de la gasolina se llama volatilidad. Este par�metro es muy importante ya que pueden darse dos tipos de fen�menos dependiendo si la volatilidad es baja o muy alta. Si la gasolina no es lo suficientemente vol�til (algo com�n en los a�os sesenta), el encendido del motor se dificulta, la temperatura de operaci�n del motor es baja lo que trae como consecuencia que la distribuci�n del carburante en el cilindro no sea homog�nea y se incrementen los dep�sitos nocivos por todos lados. Si por el contrario es muy vol�til (t�pico de los a�os ochenta) se vaporiza muy r�pidamente y ebulle en las bombas que la transportan al carburador, y dentro de �l 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 p�rdidas debidas a la evaporaci�n. En los pa�ses donde las condiciones atmosf�ricas difieren mucho en el curso del a�o, la gasolina se formula de manera que en el invierno la velocidad de vaporizaci�n sea r�pida y lenta en el verano. Existen tres par�metros para establecer los l�mites de volatilidad: relaci�n vapor-l�quido, presi�n de vapor y destilaci�n. La relaci�n vapor-l�quido es una prueba que determina la temperatura requerida para crear una relaci�n vapor-l�quido de 20. Los carburantes m�s vol�tiles requieren de menor temperatura para llegar a este cociente, mientras que los carburantes de componentes m�s pesados requieren, obviamente, mayor temperatura. La prueba de presi�n de vapor se puede llevar a cabo con varios equipos de laboratorio, uno de los m�todos m�s comunes es el m�todo Reid. El equipo en el que se mide este par�metro, que depender� de la temperatura a la cual se encuentra la gasolina, comprende un recipiente en el que se coloca la muestra, una c�mara de aire de m�s o menos cuatro veces el volumen del recipiente, un ba�o a temperatura constante y un medidor de presi�n o man�metro. Se llena la c�mara con la muestra y se conecta a la c�mara de aire. El conjunto se agita peri�dicamente y el man�metro es colocado en la parte superior de la c�mara de aire dando la lectura de una presi�n que se estabiliza cuando el equilibrio se alcanza, figura 25.
El valor que se obtiene es el de la tensi�n del vapor Reid de la gasolina que se expone en gramos por cent�metro cuadrado o libras por pulgada cuadrada. As� una gasolina de 10 PVR tiene una presi�n de vapor Reid de 10 libras/pulgada cuadrada o sea 703 g/cm². La prueba de presi�n de vapor es muy importante ya que de manera indirecta indica el contenido de productos muy vol�tiles que condicionan la seguridad en el transporte, p�rdidas en almacenamiento y volatilidad de la gasolina. Veamos un ejemplo que se lleva a cabo en una refiner�a. Recordemos el proceso de alquilaci�n 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 est� 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 presi�n de vapor Reid generada.
Figura 25. Aparato para medir la presi�n de vapor.
Aunque muchos refinadores consideran la alquilaci�n como un proceso generador de octano, es en realidad un proceso que reduce la presi�n de vapor. Contrario al octano, la presi�n de vapor Reid no es una funci�n lineal. Debe usarse un �ndice de mezclado para corregir la no linearidad: la presi�n de vapor de mezclado (PVM) equivale a la presi�n de vapor elevada a la potencia 1.25, dato que proviene de la experimentaci�n. Hay que tomar en consideraci�n que el control final de la presi�n de vapor se logra principalmente al reducir la concentraci�n de butanos y pentanos que se deja en la gasolina. Para calcular la cantidad de n-butano que necesita para dar una presi�n de vapor Reid de 11.5:
EL OCTANAJE Y LA PRESI�N DEL VAPOR
Figura 26. Objetivo del proceso de alquilaci�n.
La f�rmula m�gica 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 destilaci�n. La prueba de destilaci�n se emplea para determinar la volatilidad de la gasolina en todo su rango de ebullici�n. La gasolina est� compuesta de diferentes ingredientes que se evaporan a diferentes temperaturas. Los m�s vol�tiles se evaporar�n a temperaturas menores. Hay que recordar que la destilaci�n 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 ten�a para ellos el huevo filosofal, recipiente de vidrio de forma ovalada en el cual se verificaban las transformaciones m�s interesantes, el horno que suministraba el calor necesario y los alambiques. Su forma deb�a ser esf�rica y ovoide para imitar el "cosmos esf�rico" cuya influencia astral contribuir�a al �xito de la Obra. El horno o atanor (del �rabe al-tannur) era uno especial de calcinaci�n, con tres niveles: el horno propiamente dicho, una c�mara cal�rica con mirilla, el huevo filosofal iba en un lecho de cenizas calientes que lo cubr�a, como un nido. El nivel superior remataba en c�pula reverberante que concentraba el calor. Mar�a la Jud�a, alquimista alejandrina, sustituy� la ceniza del atanor por una cazoleta con agua caliente, de ah� procede calentar al "ba�o Mar�a". El proceso alqu�mico de cohobaci�n (destilar, condensar y volver a destilar, reiteradamente ) oblig� a modificar los primitivos alambiques, que se hicieron voluminosos y con formas extra�as.
Conforme la gasolina se calienta, la temperatura a la cual varias fracciones se evaporan se calculan pes�ndolas. Existen especificaciones que definen los porcentajes de carburante que deben evaporarse. Los l�mites de destilaci�n incluyen temperaturas m�ximas a las cuales se debe evaporar el 10% (50-70�C), 50% (110-120�C), 90% (185-190�C) y el punto m�ximo, que no debe exceder de 225 grados cent�grados. El 10% de la gasolina evaporada debe ser suficiente para proveer un arranque r�pido del motor; la que se evapora al 50% debe ser lo suficientemente baja para que no produzca problemas de calentamiento del motor en climas fr�os pero no lo suficiente como para producir el calentamiento de la m�quina. Esta porci�n de la gasolina afecta la econom�a en viajes cortos. Las temperaturas de 90% y final de evaporaci�n deben ser bajas para minimizar los golpeteos y la formaci�n de dep�sitos en la c�mara de combusti�n. N�tese que dos gasolinas con los mismos puntos de evaporaci�n a 10, 50 y 90% pueden variar en la econom�a de combustible debido a que existan diferencias de evaporaci�n en otros puntos de la curva de destilaci�n. En M�xico, la gasolina con plomo tiene valores de 10, 50 y 90% en grados cent�grados 70° 77°-121° y 190° con una temperatura final de ebullici�n de 225°C.
El aparato para realizar el experimento de destilaci�n est� compuesto de un bal�n de destilaci�n 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 aparici�n de la primera gota de condensado a la salida del tubo y ese es el punto inicial de la destilaci�n. 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 m�ximo y luego disminuye por la alteraci�n t�rmica de las �ltimas trazas del l�quido en el bal�n. El m�ximo de la temperatura es el punto final de la destilaci�n. En la figura 27 se esquematiza el aparato y el tipo de curva de destilaci�n que se genera, la temperatura est� expresada en grados cent�grados y el porcentaje recolectado en peso.
Figura 27. Aparato para realizar la destilaci�n del petr�leo y curva generada.
• Contenido m�ximo de plomo. Este contenido m�ximo permisible es variable en cada pa�s, el promedio que generalmente se ha empleado para la gasolina con plomo es de 0.03 kg/m�. En los pa�ses donde ya no se a�ade plomo a la gasolina, se observan en la pr�ctica valores mucho menores a 0.0026 kg/cm�.
• Contenido m�ximo de azufre. El contenido excesivo de azufre puede incrementar las emisiones nocivas as� como los dep�sitos en la m�quina; tambi�n puede generar compuestos �cidos 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 catal�ticos que se incorporan a los veh�culos para disminuir las emisiones de gases parcialmente oxidados. Los compuestos de azufre se emiten como �xidos de azufre, tambi�n sumamente nocivos al medio ambiente. Cuando se deja de introducir azufre, el convertidor catal�tico recupera su eficiencia. En la gasolina con plomo en M�xico el nivel de porcentaje de azufre en peso m�ximo es de 0.15, mientras que en la gasolina sin plomo no debe rebasar 0.05% en peso para la zona metropolitana del pa�s.
• Propiedades anticorrosivas. Si la gasolina se pone en contacto con una peque�a tira de cobre, no debe ennegrecerla. As� se demuestra la inexistencia de sustancias corrosivas, sobre todo las que se derivan de los compuestos de azufre. Recu�rdese que el azufre al ser quemado genera gases que atacan la m�quina y el medio ambiente.
• Tolerancia al agua. El valor est� dado por la m�xima temperatura que causa una separaci�n de fases de la gasolina oxigenada. Los l�mites var�an de acuerdo a la localidad y la �poca del a�o. En Alaska cambia de -41�C en diciembre y enero a 9�C en julio, mientras que en Hawai todo el a�o 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 m�s rapidez en presencia de cobre met�lico, que act�a como catalizador de la reacci�n. Por eso a la gasolina se le a�aden 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 autom�vil, otros ingredientes son necesarios para el funcionamiento del carburante de base y, gen�ricamente, se les llama aditivos. Los primeros fueron los aditivos antidetonantes, que permitieron a la industria automovil�stica de los a�os treinta producir m�quinas con mayor compresi�n y ganar en eficiencia. Los antioxidantes fueron introducidos en los a�os treinta para combatir la tendencia de los productos desintegrados en las refiner�as a formar gomas y oxidarse, hecho que tuvo una importancia mayor al introducirse el proceso catal�tico de desintegraci�n que genera olefinas. A la gasolina se le a�ade un paquete de aditivos que incluye:
— Anti-oxidantes: las sustancias que inhiben las reacciones de oxidaci�n de los hidrocarburos antes de que se quemen con el ox�geno en la c�mara de combusti�n. En particular hablamos de los hidrocarburos no saturados.
— Estabilizadores de la gasolina: sustancias que impiden la formaci�n 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 cong�neres a la temperatura ambiente formando pol�meros, es decir grandes cadenas que tienen un aspecto como de goma y que como se comprender� son nocivas para el motor.
— Inhibidores de la corrosi�n: sustancias que impiden que la gasolina ataque los tanques de dep�sito de la gasolina.
— Colorantes: se a�aden en concentraciones muy peque�as, del orden de 10 partes por mill�n de gasolina. Se da a la gasolina coloraciones diferentes a fin de diferenciarla y evitar que se nos d� gato por liebre.
— Anticongelantes: en los pa�ses de temperaturas fr�as, estos compuestos impiden la formaci�n de hielo.
— Aditivos para impedir la formaci�n de dep�sitos en v�lvulas o buj�as: los dep�sitos a los que nos referimos los forman gomas o productos de la degradaci�n de la gasolina que se depositan en los sistemas de admisi�n de combustible y c�mara de combusti�n de los automotores. Estos dep�sitos interfieren con el proceso normal de combusti�n y el buen funcionamiento del motor; se comprender� que la combusti�n deficiente genera contaminantes. Los aditivos detergentes dispersantes permiten mantener limpios los sistemas de admisi�n. Los dep�sitos 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 obstrucci�n de las v�lvulas en los autos de mucho uso: el taponamiento de las v�lvulas es uno de los problemas mayores en los autos con mucho kil�metraje recorrido. Generalmente se debe a que el auto se somete a altas velocidades y a carga excesiva, lo que hace que la v�lvula no asiente generando puntos calientes muy elevados y que la m�quina sufra da�os severos. El mecanismo se tiene identificado: el primero es la formaci�n de �xido de hierro procedente de la c�mara de combusti�n que se adhiere a la cara de la v�lvula, part�culas que act�an como un filoso cuchillo que arranca pedazos del asiento de la v�lvula. Pueden o no ser adicionados en la f�rmula de la gasolina al ser vendida por lo que en las gasoliner�as 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 autom�vil, 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 operaci�n que suene coherente aunque desafortunadamente la relaci�n costo-beneficio no es muy ventajosa sobre todo al calcular el efecto que tendr� 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 �pocas fr�as, ya que los hidrocarburos son m�s pesados y tienden a cristalizarse a bajas temperaturas. Adem�s hay aditivos que aumentan la capacidad del diesel para inflamarse.
Los carburantes para autos de carreras
Todo aquel que maneja un autom�vil ha so�ado ser piloto de autos de carrera. El objetivo primario de una carrera es obtener el m�ximo de potencia de un veh�culo, que puede ser incrementada por el dise�o de la m�quina, pero la potencia alcanzar� su m�ximo usando un carburante apropiado. Repasemos los factores para escoger el carburante:
• Poder calor�fico: entre mayor sea el contenido energ�tico del carburante, mayor ser� la potencia que rinda el autom�vil.
• Estequiometr�a: entre menor sea la relaci�n estequiom�trica aire/carburante (o la relaci�n ox�geno/ carburante si es otro oxidante el que se emplea en lugar del aire), mayor ser� la cantidad de gasolina que se puede introducir en la c�mara de combusti�n.
• Cociente de productos a reactivos: cuanto mayor sea esta relaci�n, mayor ser� la presi�n de combusti�n en el cilindro y, por tanto, mayor ser� la potencia liberada por el auto.
A fin de que esto quede claro tomemos como ejemplo el nitrometano, compuesto que al quemarse con el ox�geno o el aire genera la siguiente reacci�n:
Como se puede observar, siete moles de reactivos generan 12 moles de productos.
• Resistencia al cascabeleo: �ste lleva a que la m�quina se destruya durante la carrera. Como las condiciones de manejo son severas, el n�mero de octano de motor (MON) es generalmente m�s importante que el RON como gu�a general para evitar el cascabeleo y las detonaciones indeseables.
• Los l�mites de inflamabilidad deber�n ser tales que se pueda usar una cantidad elevada de aire para llevar la potencia al m�ximo.
• Volatilidad: el carburante debe tener un punto de ebullici�n tal que permita ser transportado en forma l�quida pero que se volatilice r�pidamente al entrar en la m�quina.
Por supuesto no existe un carburante con todas las caracter�sticas deseables y deber� escogerse las que se consideren importantes. Como las caracter�sticas de un carburante var�an de una a otra marca, las m�quinas deber�n ser dise�adas para una gasolina en especial. Un par�metro importante que provee un m�todo de comparaci�n del calor liberado por diferentes gasolinas en una m�quina es la Energ�a espec�fica (EE), en ingl�s specific energy. El valor te�rico de la EE se calcula dividiendo la capacidad calor�fica entre la relaci�n aire/carburante lo que da como resultado la energ�a del carburante enviada a la c�mara de combusti�n 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 relaci�n estequiom�trica aire/carburante es mucho menor que la del isooctano a pesar del hecho de que este �ltimo tenga el poder calor�fico m�s elevado. Tambi�n 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 compresi�n de 16:1, se vaporiza f�cilmente, es barato y est� a la mano. Su principal problema es que su consumo es muy elevado, particularmente si se requiere una m�xima potencia, de ah� que sea necesario utilizar un tanque de gran volumen.
�Y SI NO CONSEGUIMOS CARBURANTES PUROS?
Siempre queda el consuelo de emplear gasolina, al fin de cuentas hay siempre disponibilidad de ella y tiene bajo costo. Su limitaci�n mayor es que relativamente tiene baja EE y tendencia a cascabelear el auto cuando las relaciones de compresi�n son elevadas y necesarias para obtener el m�ximo de potencia. En el periodo entre guerras se empleaba la gasolina de bajo octano mezclada con benceno y otros compuestos arom�ticos pesados. La General Motors patent� una gasolina de aviaci�n llamada "Hector" que consist�a 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 mol�culas c�clicas como el ciclohexano que si bien tiene un bajo �ndice de octano se mezcla bien con otros componentes presentes y el n�mero 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 refiner�a consistentes en grandes cantidades de productos generados en la alquilaci�n, sumados a corrientes arom�ticas provenientes de la reformaci�n catal�tica y tratadas con la m�xima cantidad de aditivos ant�detonantes posible.
Si los hidrocarburos de una gasolina por s� solos tienen dificultad en quemarse del todo y convertirse en bi�xido de carbono y agua, queda emplear carburantes con alto contenido de ox�geno o a�adir a la gasolina proporciones importantes de estos carburantes como aditivos. Dos alcoholes son �tiles, 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 petr�leo, y son materiales renovables, lo que hace posible emitir menor cantidad de emisiones nocivas a la atm�sfera. Su desventaja principal es que su contenido energ�tico es menor al de la gasolina o el diesel. Este inconveniente se puede reducir en cierto grado si se mejora el dise�o de los autos. Otro problema es que los alcoholes no son lo suficientemente vol�tiles para el encendido en fr�o de autos que utilizan buj�as a menos de que se emplee un poco de gasolina.
En lo que se refiere a su empleo en m�quinas encendidas por buj�as 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 m�quinas con altos niveles de compresi�n y su capacidad para quemarse en mezclas ricas con aire, aunado a su alto calor de vaporizaci�n, les permite producir m�s potencia que la que se obtiene con la gasolina.
El metanol es incoloro, inodoro y casi sin sabor. Adem�s es el m�s simple de todos los alcoholes. Probablemente la primera gota la produjo la naturaleza cuando un rayo cay� sobre un �rbol que conten�a lignina y que hab�a emergido de la sopa prebi�tica. La pir�lisis de la lignina seguramente gener� los primeros grupos metilos que, al combinarse con radicales hidroxilo, generaron el metanol. Se le emplea como materia prima para muchos procesos qu�micos, como solvente y como aditivo y sustituto de la gasolina. Se le emple� como carburante a principios de siglo hasta que se produjo la gasolina que era m�s barata. Antes de que aparecieran los m�todos sint�ticos de obtenci�n, desarrollados en los a�os veinte, se extra�a de la madera como un subproducto del carb�n, de ah� 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 produc�an sint�ticamente para emplearlo en sus aviones, pasado el conflicto volvi� a dormir el sue�o de los justos hasta que con la crisis petrolera de los a�os setenta despert� de nuevo el inter�s por su disponibilidad y bajo costo. El inter�s volvi� a decaer cuando surgieron problemas en el mezclado del metanol y la gasolina. Se informaba que no se mezclaban homog�neamente y los productos se separaban creando dos fases. En el futuro, el metanol puede ser una fuente adicional de carburantes, ahora su fuente ser� el gas natural. Los precios de obtenci�n 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 ma�z y los componentes celul�sicos de los desechos municipales.
El etanol tiene tambi�n una a�eja historia. El original modelo T de la Ford hab�a sido dise�ado para trabajar con �l en lugar de la gasolina. Luego se le emple� para aumentar el octano a�adi�ndolo en concentraciones del orden del 10% en volumen, con lo que se pod�a alcanzar de dos a tres n�meros de octano suplementarios. En algunos pa�ses se emplea como sustituto de la gasolina aunque tambi�n es importante materia prima para producir �teres. Algunas de las objeciones que se hacen al etanol es que no es un producto que se genera en las refiner�as, de ah� que su transporte hasta ellas a fin de mezclarlo con la gasolina aumenta los costos. Adem�s la mezcla de etanol con los hidrocarburos requiere que los tanques de las refiner�as no contengan agua para que no haya problemas en la homogeneidad de la mezcla. �Cu�l es la ventaja adicional del etanol? Una tendencia mundial a largo plazo ser� sustituir los hidrocarburos del petr�leo por sustancias que se generen a partir de la fotos�ntesis. 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 m�ximo las propiedades de los alcoholes, las m�quinas deben dise�arse espec�ficamente con ese fin. Debido a que los alcoholes tienen menor contenido energ�tico, en el caso del metanol es menos de la mitad que el de la gasolina, la econom�a volum�trica del carburante ser� siempre menor que la conseguida con la gasolina. Sin embargo se pueden obtener mejoras en la eficiencia t�rmica con los alcoholes debido a que presentan las siguientes diferencias en las caracter�sticas de la combusti�n, cuando se les compara con la gasolina:
• Los alcoholes se queman con una temperatura menor de flama, as�, se pierde menos calor por conducci�n o radiaci�n hacia el sistema de enfriamiento del auto.
• Los alcoholes se queman m�s r�pidamente y generan un mayor volumen de productos de combusti�n por lo que aumenta la presi�n en los cilindros.
Figura 28. Ciclo del carbono y del etanol.
En la siguiente tabla se hace un sumario de algunas de las propiedades f�sicas y qu�micas de los alcoholes cuando se les compara con una gasolina.
EL DIESEL, LA HISTORIA DE UN CENT�SIMO DE SEGUNDO
El motor Diesel tiene la misma apariencia que el de gasolina. La gran diferencia
estriba en que el de diesel no tiene buj�as. En los a�os posteriores a la explotaci�n
del petr�leo mediante la perforaci�n (1859), el queroseno, empleado en el alumbrado
con l�mparas, era el producto m�s valioso que se obten�a. 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 encontr�
aplicaci�n. Las necesidades de los primeros motores que emplearon diesel no
eran tan espec�ficas como ahora y ha habido necesidad de mejorarlo a fin de
que los dise�os de las m�quinas cumplan con una relaci�n potencia/peso m�s elevada.
Lo primero fue eliminar los carburantes con alta viscosidad y residuos dif�ciles
de quemar. Lo segundo, mejorar la combusti�n. Los carburantes para m�quinas
que operaban a baja velocidad y pocas revoluciones por minuto, perd�an su utilidad
cuando se trataba de construir aparatos que se desplazaran a altas velocidades,
a m�s de 2 000 revoluciones por minuto. La calidad de ignici�n de un diesel
inicialmente se expresaba por el llamado �ndice Diesel que era una funci�n
de la densidad multiplicada por el punto de anilina y dividido entre cien. F�cil,
pero, �qu� es el punto de anilina? Los crudos y sus destilados est�n constituidos
por muchas variedades de hidrocarburos: parafinas, naftenos y arom�ticos. Los
arom�ticos tienden a mantenerse l�quidos y no formar s�lidos cuando la temperatura
disminuye. La anilina es un compuesto qu�mico arom�tico, y se denomina punto
de anilina de un carburante a la temperatura m�s baja a la cual cantidades iguales
de anilina y carburante permanecen en soluci�n. Un carburante con alto contenido
de arom�ticos tendr� un punto de anilina menor que uno de alto contenido en
parafinas. El �ndice Diesel se ha dejado de usar por su falta de precisi�n
y hoy en d�a los diesel se caracterizan por el �ndice de cetano. El cetano
es un hidrocarburo paraf�nico de f�rmula 
. Para juzgar el �ndice de cetano se usa el que no est� ramificado y se le da
un valor en la escala de 100, la otra mol�cula de referencia es el 2,2,4,4,6,8,8,
heptametil nonano, que tiene un n�mero de cetano de 15. �Asusta al lector la
descripci�n de este �ltimo compuesto y no se lo puede imaginar? Regalado, pinte
nueve carbones seguidos, num�relos 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.
Dec�amos entonces, antes de desviarnos a la nomenclatura qu�mica, que el �ndice
de cetano calcula el n�mero de cetano de un diesel a partir de una relaci�n
emp�rica con par�metros de densidad y volatilidad. El n�mero de cetano en s�
es una medida de la calidad de ignici�n de un diesel y est� basado en el tiempo
de encendido de la m�quina. Cuanto mayor es el n�mero de cetano, menor es el
tiempo que tarda en encender y por ende mejor la calidad de la ignici�n.
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. S�lo se inyecta aire y, conforme el pist�n se mueve hacia el tope del primer tiempo de compresi�n, se va calentando y justamente cuando el pist�n llega a su tope el diesel se inyecta al cilindro. Al contacto del aire sobrecalentado, el carburante se quema y causa el movimiento del pist�n. Varias fases se suceden cuando el carburante se inyecta en el cilindro. Primero, entra en forma de l�quido, se vaporiza al contacto del aire caliente y llega a la temperatura de ignici�n. La segunda fase se da cuando la combusti�n ocurre y comienza a inflamar al l�quido y al vapor que la rodean. El movimiento comienza a dar fruto y finalmente, conforme el resto del l�quido es bombeado al cilindro, tambi�n se inflama, manteniendo o incrementando la presi�n sobre el pist�n. Ha pasado una cent�sima de segundo. En la figura 29 presentamos la demanda esperada de diesel en M�xico como combustible para automotores en miles de barriles diarios, las cifras muestran la evoluci�n del contenido de azufre: en 1991 exist�a diesel con m�s 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. Evoluci�n de la demanda de diesel a) diesel de m�s de 0.5% en
peso de azufre, b) 0.5%, c) 0.05 por ciento.
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