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Combustibles
Captulo #$$$: Combustibles
Objetivos:
Conocer los
distintos tipos de combustibles.
Saber que
combustibles sólidos son utilizados.
Aprender
sobre naftas.
Reconocer
diferentes combustibles gaseosos y sus caractersticas. caractersticas.
!ue otras
fuentes alternativas alternativas "ay.
I.- COMBUSTIBLES
Este auto funciona con celdas de combustible tipo PEM, usando metanol. 74
7;
Combustibles
combustibles son sustancias que reaccionan químicamente con otra para producir Los combustibles son calor, o que producen calor por procesos nucleares. Entre las reacciones químicas capaces de producir energía energía más utilizadas se encuentran las las reacciones de combustión. Combustión: proceso químico que convierte una
sustancia de origen orgánico en agua y dióxido de carbono !" #$. $. Este Este proceso normalmente está acompa%ado por la emisión de luz y la liberación de calor son reacciones exot&rmicas$. La energía producida durante la combustió combustiónn por una cantidad cantidad de sustanci sustanciaa dada se denomina denomina calor de combustión tienen unidades de '( ) g o '( ) mol$ , mol$ , y y puede aprovec*arse como traba+o til. La cantidad de energía producida puede puede medirse mediante mediante un instrumento llamado llamado calormetro. Los combustibles se utilizan para calentar, para producir vapor con el -in de obtener traba+o mecánico y energía, como -uente directa de energía en motores de combustión interna y en aviones y co*etes a propulsión. La energía liberada cuando se produce la combustión completa de gramo de material se conoce como el valor energ%tico o poder calorfico del combustible. combustible.
La energía que se produce o consume$ en una reacción química, proviene de la ruptura de uniones químicas y -ormación de otras. El proceso de romper enlaces u uniones químicas requiere de energía mientras que en el de -ormarlas se gana energía. La cantidad de energía media requerida para romper un mol de enlaces en una mol&c mol&cula ula produc producien iendo do átomo átomoss o radica radicales les libres libres se den denomi omina na energa de enlace . /sí, la energía del enlace !01 es la cuarta parte de la necesaria para disociar mol de metano !1 4$ en carbono gaseoso y átomos de 1. Es probable que se necesiten energías di-erentes para extraer los cuatro átomos de *idrógeno sucesivamente de una mol&cula de metano y por eso las energías de unión generalmente dadas son valores medios 2or esta razón las mismas pueden variar de un compuesto compuesto a otro. Los valores de dic*as dic*as energías, como como los que se dan en la tabla son promedios deducidos de calores de reacción conocidos que comprenden muc*os compuestos. 3istintas uniones químicas tienen energía de enlace di-erentes, tal como se muestra en la abla 5666.. ote que los enlaces simples son más d&biles que los dobles o triples. Tabla XIII.18 energías de enlace para distintos enlaces.
enlace energía de enlace [kJ!"l#
H—H O=O O—H C—H C=O C-C C=C C C
49#
4:4
4;:
4
7:: 994 <=< >#<
Los combustibles de mayor uso en el *ogar, la industria y el transporte, se queman en presencia de aire, razón por la cuál el t&rmino combustible se combustible se suele utilizar para nombrar a aquellas sustancias que arden -ácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de energía.!onsecuentemente, la mayor parte de nuestros e+emplos se limitarán a las reacciones de combustión.
7;
7<
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!ómo podemos, a partir del concepto de enlace químico, calcular la entalpía de combustión ∆1ocomb$ y el valor energ&tico de una dada sustancia? omemos como e+emplo al *idrocarburo más simple, el metano.3ebes escribir la reacción de combustión completa y balancearla8 !14g$ @ # "#g$ → !"#g$ @ # 1#"g$ 3ibu+a las estructuras de LeAis de los reactivos y productos y -í+ate que tipo de uniones involucran. El metano tiene 4 uniones !01 por mol&cula 4 moles de uniones !01 por mol de metano$. El oxígeno molecular tiene doble enlace "B" por mol&cula mol de uniones "B" por mol de " #, o en este caso # moles de uniones "B" por # moles de " #$. CDu& sucede con el !" # y el 1#"? !onsideremos las energías de los enlaces involucrados, que podemos encontrar siempre en tablas. La ruptura de enlaces requiere de energía @$. i sumamos las energías de todos los enlaces que se rompen, obtenemos la energía @$ requerida8 4 ×!01 @ #×"B"$ B 4×4@#×4:4$ '( B #<9# '(. La -ormación de nuevos enlaces libera energía 0$. i sumamos las energías de los enlaces que se -orman, obtenemos la energía 0$ liberada8 0# ×!B" @ 4×"01$ B 0#×7:: @ 4×4;:$ '( B 09494 '(. La energía de combustión será la suma de estos dos nmeros8 #<9# '( 0 9494 '( B 0>=# '(. El cálculo realizado nos indica que se liberan >=# '( ) mol de metano consumido. " bien que se liberan >=# '( cada < g de metano, lo que equivale a decir que se producen ;= '( ) g de metano. 2odemos expresar el resultado como ∆1ocomb!14$ B F >=# '( ) mol o F ;=. '( ) g. Gecuerda8 !uando una reacción libera energía, su ∆1 es negativo ya que se trata de una reacción exot&rmica. En estas reacciones los reactivos almacenan mayor energía que los productos. 3e la misma -orma podemos calcular el calor de combustión del *idrógeno8 La reacción balanceada es8 # 1 # g$ @ "# g$
→
# 1#"g$
La respuesta es8 se liberan #9: '( ) mol de *idrógeno ó #= '( ) g de *igrógeno. 2odemos expresar el calor de combustión de varias -ormas8 por mol o gramo de combustible es lo que *icimos antes$, por mol de oxígeno consumido o por mol de !" # emitido. !omparemos los ∆1 de reacción para la combustión del 1 # y del metano segn las distintas -ormas, tal como se muestra en la abla 5666.#8 abla 5666.#8 ∆1 de combustión expresado segn los distintos reactivos y productos que participan en la reacción. combustible ∆1 en '( ) mol "# ∆1 en '( ) mol de ∆1 en '( ) g de ∆1 en '( ) mol !"# combustible combustible emitido
1# !14
047> 04=
0#9: 0>=#
0#= 0;.<
= 0.# 7<
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i calculamos la energía sobre la base de moles de " #, la combustión del 1 # libera más energía que la del !1 4. in embargo, si calculamos sobre la base de mol de combustible, la combustión del !1 4 libera muc*a más energía que el 1 #. 2ara evaluar la utilidad de una sustancia como combustible interesa conocer la cantidad de energía producida por gramo de materia y entonces podemos decir que la combustión del *idrógeno produce mayor energía que la del !1 4. Es por esta razón que se utiliza 1 # líquido en los co*etes espaciales. El alco*ol metílico o metanol, se usa con -recuencia como combustible alternativo a la na-ta en autos de competición. !alculemos su valor energ&tico. La reacción de combustión balanceada es8 # !1 9"1l$ @ 9 "#g$ BH # !"#g$ @ 4 1#"l$ ambi&n podríamos aplicar la ley de 1ess para calcular el I1 r de la reacción a partir de las entalpías de -ormación de reactivos y productos, que puedes obtener de tablas. I1r B Jn×I1- oprod$ 0 Jm×I1- oreact$ 3ónde n y m son los coe-icientes estequeom&tricos de los productos y reactivos, respectivamente, que intervienen en la reacción I1- o son los calores de -ormación de cada uno de las sustancias participantes en la reacción. I1r B #×I1- o!"#g$$ @ 4×I1- o 1#"l$$ 0 #×I1- o!19"1l$$ 0 9×I1- o "#g$$ I1r B #×09:4 '($ @ 4 ×0#>< '($ 0 #×0#9: '($ 0 9×=$ B 04;4 '() # moles !1 9"1 Respuesta8 e producen F##.7 '( ) g de metanol. 1as notado, que *a pesar de tener el mismo nmero de átomos de carbono e *idrógeno, el valor energ&tico del metanol F##.7 '( ) g$ es menor que el del metano F;.< '( ) g$? La razón es que el átomo de oxígeno en el metanol no contribuye a la reacción de combustión, todo lo que *ace es agregar peso. Cuanto mayor sea el contenido en átomos de hidrógeno y de carbono de un combustible mayor será su valor energético. La reacción de un combustible para producir energía debe ser termodinámicamente espontánea, sin embargo, no siempre se inicia por sí misma. /lgunas reacciones necesitan Kayuda para poder iniciarse, ya que tienen cin&ticas muy lentas. 2iensa en este e+emplo8 la madera es un buen combustible, sin embargo nadie espera que los árboles en el bosque est&n en Kllamas. Esta Kayuda que se necesita para comenzar la combustión de la madera podría ser una c*ispa. e necesita tambi&n una c*ispa, como la que se produce en los autos, para iniciar la combustión de la na-ta. Los combustibles capaces de iniciar su combustión sin Kayuda al ponerlos en contacto con el oxidante, se denominan combustibles hipergólicos más adelante daremos mayor detalle sobre estas mezclas$. Los combustibles de mayor utilidad tienen una cin&tica de combustión razonable, es decir ni muy lentas ni excesivamente rápidas. Las velocidades de reacción pueden alterarse de 77
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muc*as -ormas8 el aumento en el área super-icial y en la temperatura del combustible produce un aumento en la velocidad de combustión. Los catalizadores tambi&n aumentan la velocidad de reacción. Las na-tas contienen *eptano y #,#,40trimetilpentano isooctano$ Migura 5666.$, que presentan calores de combustión por gramo de compuesto muy similares. in embargo, el *eptano produce una combustión rápida, por lo que en muc*as máquinas *ay una pre0ignición el combustible se quema prematuramente$ resultando en la p&rdida de e-iciencia de la máquina. o sucede esto con el isooctano, con el cuál la máquina -unciona e-icientemente. CH3 CH3C
CH3
CH2CHCH3
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3
CH3
#,#,40trimetilpentano $%g&ra XIII.18 Nol&culas de
*eptano #,#,40trimetilpentano y *eptano
I.- 1.- T%'"( de c"!b&()%ble(
1ay muc*as -ormas de combustibles, los más usados provienen de la descomposición de materiales de origen animal y vegetal, especí-icamente8 carbón, petróleo y gas natural. La quema de grandes cantidades de combustibles -ósiles produce un aumento importante en la concentración de !" # en la atmós-era, con el consecuente aumento del Kcalentamiento global e-ecto invernadero$. /lgunos combustibles como el 1 # ni siquiera producen !" #. "tros como el carbón, contienen tantas impurezas y suciedad que producen un gran nmero de productos secundarios de combustión, tales como la -ormación de óxidos de azu-re " #$ y de nitrógeno "#$, que provocan -enómenos de contaminación ambiental como la lluvia ácida. Los combustibles se clasi-ican segn sea su estado -ísico en combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Los más antiguos8 carbón, petróleo y gas natural . ardaron millones de a%os en generarse a partir de la vegetación existente sometidas a altas temperaturas y presión. Estos combustibles no son renovables y sus -uentes son limitadas. I.- 1.- 1.- C"!b&()%ble( (*l%d"(
3entro de los combustibles sólidos destacan el carbón y el coque. I.- 1.- 1.- a.- Carb*n
El carbón con sus variantes, la le%a, los residuos sólidos, etc, son representantes típicos de los combustibles sólidos. 3eriva de la materia orgánica terrestre. u composición química consiste mayoritariamente de carbono e *idrógeno, menores cantidades de oxígeno y muy poco nitrógeno y azu-re. !omo comparación, la madera contiene mayor proporción de oxígeno. La combustión del carbón produce aproximadamente 9= '()g de energía, mientras que la madera sólo de = a 4 '()g. El carbón contiene tambi&n trazas de minerales como !u, /l, On y 2b. 1ay grandes reservas de carbón esparcidas a lo largo del mundo, pero es di-ícil su transporte. 2roduce emisiones importantes de " x, "x y !"#.
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El carbón tuvo y tiene un papel primordial entre todos los combustibles. 1oy en día se desplazó el uso del carbón por el de otros combustibles líquidos y gaseosos. in embargo, como las reservas de carbón siguen siendo las más importantes con excepción de los nucleares$, se *an desarrollado nuevas tecnologías de *idrogenación y gasi-icación que permiten obtener combustibles líquidos y gaseosos a partir de esta -orma sólida. &asificación y transformación del carbón: La
trans-ormación del carbón permite la síntesis de *idrocarburos combustibles líquidos más limpios. En una primera etapa se convierte el carbón en gas sint&tico singas$ mediante la reacción ! @ 1 #" → !" @ 1# para lo cuál se inyecta vapor de agua desplazando la reacción *acia la -ormación de productos. En una segunda etapa se *ace reaccionar al singas con gas *idrógeno en distintas proporciones y en presencia de catalizadores de níquel para producir metano !" @ 91 # PBH !14 @ 1#"$ y)o metanol !" @ #1 # #!19"1$. Este procedimiento se utilizó en udá-rica durante el embargo de petróleo y se usa actualmente en ueva Oelandia. 3ebido a que todos los pasos involucrados requieren de energía, es un proceso de ba+a e-iciencia. Los carbones se clasi-ican con el -in de identi-icar su uso -inal y tambi&n para proporcionar datos tiles que ayuden a especi-icar y seleccionar el equipo para quemado y mane+o de carbón. Qna -orma de clasi-icar el carbón es por rango, de acuerdo con su grado de alteración progresiva con la edad del carbón con el tiempo el material orgánico -ósil va desarrollando un proceso gradual de aumento en el contenido de carbono con el consecuente descenso del contenido de oxígeno$. Los principales tipos de carbón en orden de desarrollo son8 lignita, *ulla sub0bituminosa, *ulla bituminosa y antracita. La turba no suele considerarse un carbón, a pesar que esta corresponde a las primeras -ases de desarrollo del proceso de -ormación de carbón. Existen varias pruebas para obtener in-ormación sobre los carbones. Las pruebas de Kanálisis inmediato determinan la "umedad porcentual' materia vol(til' carbono fijo y ceniza. Estos parámetros se utilizan para obtener una indicación de las propiedades de combustión y clasi-icación por rango del carbón. La humedad porcentual , se determina midiendo la p&rdida de peso en una muestra cuando se calienta entre =4 y = R!. La materia volátil porcentual , se determina estableciendo la p&rdida de peso de una muestra, que resulta de calentarla a :;= R!. Esta p&rdida de peso se corrige por la *umedad porcentual. El porcentae de ceni!a, se determina pesando el residuo que queda despu&s de la combustión del carbón en una muestra. Seneralmente las cenizas están compuestas por óxidos de *ierro, aluminio calcio y magnesio, arcillas, arenas, yeso y cal. El carbono fio es un parámetro que indica con cuánto carbono cuenta el combustible para la combustión. 2or lo general, +unto con un análisis inmediato se *acen determinaciones del calor de combustión del carbón y se determina el contenido de a!ufre. !uando el porcenta+e de azu-re supera los #.;T en peso, resulta per+udicial porque8 la combustión libera óxidos de azu-re que
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>=
contaminan la atmós-era, el azu-re ataca los metales y se combina con el vapor de agua -ormando sustancias corrosivas. El tama%o y la dureza del carbón son determinaciones importantes que tambi&n suelen usarse para su clasi-icación. i es de tama%o grande se tritura y si es menudo se pulveriza, ya que si el carbón tiene un tama%o regular -orma un lec*o uni-orme que permite el paso del aire y por lo tanto la combustión es completa. 3ebe tener buenas condiciones de dureza con el -in de soportar el transporte. I.- 1.- 1.- b.- C"+&e
e obtiene a partir del tratamiento del carbón coquización$ con el -in de me+orar las propiedades de este. La coquización es un proceso de calentamiento del carbón en una cámara cerrada en ausencia de aire en el cuál se -orma el coque y se desprenden gases. !uando se coquiza un carbón, se in-luye en8 el tama%o del carbón, el porcenta+e de cenizas, el porcenta+e de *umedad y la velocidad de combustión. El coque es un producto sólido, constituido principalmente por un alto porcenta+e de carbono lo que le con-iere mayor energía de combustión respecto de otros carbones$, además de otros componentes como *idrógeno, nitrógeno, azu-re y oxígeno.
)adera, La
madera o corteza con un contenido de *umedad del ;=T se quema bastante bien. in embargo, si el contenido de *umedad es mayor la combustión se vuelve más di-ícil. !on un contenido de *umedad mayor al <;T, una gran parte del calor producido por la combustión de la madera se utiliza en evaporar la *umedad, lo que de+a muy poca energía para su aprovec*amiento.
*esperdicios vegetales"
La industria alimenticia y otras industrias relacionadas producen numerosos desperdicios vegetales que pueden emplearse como combustibles. Entre estos se encuentran materiales como el #aga!o que consiste en -ibras entrelazadas y partículas -inas de celulosa proveniente del desperdicio de los ingenios azucareros.
I.- 1.- .- C"!b&()%ble( lí+&%d"(
1ay dos clases -undamentales de combustibles líquidos segn su -uente de origen8 Los provenientes del petróleo o sus derivados y los provenientes de la destilación del carbón como los aceites de alquitrán. I.- 1.- .- a.- e)r*le"
El petróleo líquido es -ácil de obtener y de transportar y produce mayor energía por gramo que el carbón. Es una mezcla de *idrocarburos mayoritariamente saturados lineales para-inas$, rami-icados isopara-inas$ y cíclicos na-tenos$ con menor proporción de aromáticos. /lgunas de las mol&culas contienen azu-re =T$, oxígeno P ;T$ y nitrógeno P T$. La composición del petróleo varía de una región a otra, no sólo en lo que al porcenta+e de impurezas se re-iere, sino al tipo de *idrocarburos que lo con-orman. 2uedes encontrar mayor in-ormación sobre el petróleo en el apunte ad+unto. Nuy poco petróleo es utilizado en estado natural. Es necesario re-inarlo para obtener productos comerciales, lo que involucra la separación por destilación de -racciones con >=
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di-erentes puntos de ebullición ver destilación en el apunte ad+unto sobre petróleo$. El proceso de destilación se realiza *asta temperaturas entre 9<= y 4== o! y durante el tiempo que dura dic*o proceso se obtienen las di-erentes -racciones que se detallan a continuación8 Sases combustibles natural y propano líquido$ a 7= o!. o necesitan tratamiento posterior. Sasolina o na-tas de ;= a ;= o!. Ueros&n de ;= a #;= o!. /ceites livianos de #;= a 9;= o!. /ceites medios a más de 9;= o!. /ceites pesados. Gesiduos. Este proceso permite remover el azu-re y las trazas de metales8 V, i, Me, /l, a, !a, !u y Q. La gasolina, el 'eros&n y los aceites livianos se someten a un tratamiento químico con el -in de puri-icarlos y agregarles algunas sustancias químicas que me+oran la calidad de los productos. Los aceites medios y pesados y los residuos se someten a una sub0destilación que permite separar otros productos de demanda comercial. 2or e+emplo, de los aceites medios se extraen el -uel0oil industrial con *idrocarburos de ; a > átomos de carbono$, de los aceites pesados se extraen los aceites lubricantes, grasas y para-inas, y de los residuos se extrae el as-alto. 3entro de las principales desventa+as del uso del petróleo pueden nombrarse8 la desigualdad en la distribución del mismo, los derrames que se producen accidentalmente, su lenta degradación por bacterias, las altas emisiones de !" #, !" y " # que resultan de su uso. 3e los productos que se obtienen del petróleo, las na-tas son las de mayor demanda comercial. !on el -in de aumentar la producción y calidad de las mismas, se convierten las -racciones de mayor punto de ebullición *idrocarburos de cadena larga$ en mol&culas más peque%as mediante un proceso conocido como cra$ueo a altas temperaturas. ambi&n suele emplearse la polimeri!ación, que consiste en la trans-ormación de los *idrocarburos más livianos en *idrocarburos de cadena más larga. e produce tambi&n la al$uilación de *idrocarburos con cadena lineal con el -in de obtener *idrocarburos de cadena rami-icada. La reformulación catal%tica se realiza con el -in de convertir a los alcanos lineales en alcanos cíclicos. Los procesos de alquilación y re-ormulación se realizan con el -in de aumentar la e-iciencia de las na-tas relacionado con el nmero de octano, ver mas adelante$. ambi&n suele adicionarse oxigenadores para lograr la combustión completa de los combustibles a !" #. 3ada la importancia de las gasolinas o na-tas como combustibles, las describiremos con mayor detalle. I.- 1.- .- b.- T%'"( de /a0)a( !( &(ad"( ♦ &as oil "
destilado líquido del petróleo de mayor punto de ebullición que la na-taW el punto de ebullición inicial es de aproximadamente #=4X!. El gas oil se clasi-ica en YpesadoY o YlivianoY dependiendo del punto de ebullición -inal. e lo usa como materia prima para las operaciones de craqueo en las re-inerías de petróleo ver apunte petróleo$.
♦ +afta para autos" mezcla
de *idrocarburos livianos. La na-ta para automóviles o motores se obtiene de la destilación primaria del crudo del petróleoW la gasolina
>
>#
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natural, se obtiene de la condensación del gas naturalW las na-tas re-ormuladas y alquiladas se obtienen a partir de la re-inación de las distintas -racciones de la destilación primaria del crudo ver apunte de petróleo$. Las na-tas de alta calidad deben cumplir con las siguientes propiedades que se describirán más adelante8 $ volatilidad adecuada que asegure el encendido -ácil del motor y el rápido calentamientoW #$ quemado limpio que minimice la -ormación indeseable de depósitos sólidos en la cámara de combustiónW 9$ prevención, mediante el agregado de aditivos, de la -ormación de *errumbre, oxidación y -ormación de depósitos en el carburador y válvulas de inyección de na-taW 4$ altos nmero de octano para prevenir la detonación de la máquina. ♦ +afta para aviación ,avgas-: a-ta
de alta calidad producida para satis-acer controles estrictos, alto rendimiento y requerimientos de seguridad de motores a pistón. En general esta na-ta contiene ba+a presión de vapor y rangos de destilación más peque%os que la na-ta de uso automotriz. e -ormulan de -orma de resistir la degradación química y prevenir la corrosión del sistema.
♦ +afta sin lomo para motor " Es
una mezcla de destilados del petróleo y otras -racciones de procesos de re-inerías, libre de agua, sedimento y material sólido en suspensión, destinada a ser utilizada como combustible para motores de ignición por c*ispa equipados con convertidores catalíticos. En la tabla 666 se muestran los requisitos que debe cumplir una na-ta sin plomo para Notores de !ombustión 6nterna. 2odrás comprender el signi-icado de muc*os de los parámetros indicados cuando termines de leer el apunte.
Tabla XIII.28 Gequisitos para la na-ta sin
plomo
r"'%edad
!ontenido de /zu-re, T p !orrosión 9 * a ;= R!$, !lasi-icación emperatura de destilación, R! 2unto inicial =T Volumen evaporado ;=T Volumen evaporado :=T Volumen evaporado 2unto -inal Gesiduo de destilación, T v 2orcenta+e de evaporación a 7= R! Estabilidad a la oxidación, min Soma existente antes de agregar aditivos mg)== ml 2resión de Vapor, '2a psi$ !ontenido de plomo, g 2b)L Zndice de [loqueo por Vapor 6[V$ mero de octanos
3e+&%(%)"(
Nín 000 000 9= 000 77 000 000 000
Náx =,=< 000 7= # :; ##; #
6ndicar #4= 000 000 ;,= 000 <;,; :,;$ 000 =,=9 000 4,; 6/3 mín. :,= N" mín. >7,=
>#
>9
Combustibles La ley sobre el /ire Limpio ex*orta a la /gencia Mederal para la 2rotección /mbiental E2/$W a implementar regulaciones concernientes a la re-ormulación de las na-tas, a e-ectos de alcanzar una reducción signi-icativa en las emisiones de contaminantes del aire y -ormadores de ozono producidas durante la combustión, / estas na-tas se las denomina Kgasolina re-ormuladaGMS$.
♦ +aftas reformuladas / R0& .
Las di-erencia más signi-icativa entre la GMS y las na-tas convencionales se basa en que la primera contiene menor proporción de los componentes responsables de la contaminación del aire por e+emplo benceno$ y en que no evaporan -ácilmente. 2or otra parte, las GMS contienen Koxígeno químico son na-tas con oxigenadores$ y por lo tanto necesitan una menor relación aire ) combustible /)M$. I.- 1.- .- c.- C"!'"(%c%*n de la( na0)a(
Las gasolinas están compuestas por cerca de ;== *idrocarburos que pueden contener entre 9 y # átomos de carbono. La cantidad de energía que es capaz de entregar una na-ta dependerá de la combinación de *idrocarburos. 3ebido a los diversos *idrocarburos que la componen, el punto de ebullición normal de una na-ta puede variar desde los 9= *asta los ##= o !. e -ormulan distintas combinaciones de acuerdo a la aplicación del combustible. 3ebido a problemas ambientales, actualmente se -ormulan gasolinas con puntos de ebullición estrec*os. 2ueden de-inirse tres -racciones8 -racción liviana F vaporizan desde 9= a ;4 o!, -racción media F vaporizan desde ;; a #= o!, y -racción pesada F vaporizan desde # a #== o!. Los *idrocarburos se clasi-ican de acuerdo a los distintos grupos químicos8
&idrocarburos saturados" /lcanos de -órmula general ! n1#n@#. e queman en el aire con llama limpia. on los componentes principales de las na-as. Los *idrocarburos de cadena no rami-icada normal, como n0*eptano$ poseen nmeros de octano ba+os, disminuyendo con la longitud de cadena. En cambio los de cadena rami-icada como el isooctano$ y los cíclicos de -órmula general ! n1#n, e+emplo ciclo*exano vide infra$ poseen nmeros de octano altos, aumentando con la rami-icación. H
2
C H2C H2C
>9
CH2 C H2
!iclo*exano !<1#$
CH2
&idrocarburos insaturados8 on los componentes minoritarios de las na-tas. e queman en el aire con una llama que desprende *umo. 3entro de estos compuestos se encuentran los al$uenos, que son muy reactivos y tóxicos pero que tienen nmero de octano altos como e+emplo se cita al #0metil0#0buteno, ! ;1= vide infra$$, los al$uinos por e+emplo el ecetileno, ! #1#$ que son más reactivos que los alquenos pero se encuentran en trazas en na-tas mal re-ormuladas, y los arenos o aromáticos. Estos ltimos se encuentran en el orden del ;=T o menores su proporción tiende a disminuir$, son muy tóxicos pero tienen nmeros de octano altos por lo que se los utiliza para aumentar el octana+e y el contenido energ&tico, se citan como e+emplo benceno, !<1<, y tolueno, ! 71:$. 3entro de los aromáticos tambi&n pueden citarse los aromáticos polinucleares, conocidos como 2/s o 2/1s, que son compuestos de alto
>4
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punto de ebullición, y se encuentran en muy ba+a proporción en las na-tas. Es más simple y menos tóxico de estos compuestos es el na-taleno, ! =1>.
CH3 H3C C C CH3 H
HC
HC HC
#0metil0#0buteno
CH
acetileno
H C C H
CH3
CH
HC
CH
HC
CH
HC
CH
HC
benceno
C H
tolueno
H C
H C
C H
C H
na-taleno
'(igenadores8 on sustancias químicas que se agregan al combustible para aportar oxígeno adicional en el proceso de combustión. El oxígeno adicional no aporta energía, pero la estructura de estos compuestos provee valores antidetonantes razonables y por lo tanto son buenos sustitutos de los aromáticos. La adición de oxigenados a la na-ta tiene además la característica de disminuir las emisiones tóxicas de los gases de salida. Los dos tipos de compuestos más utilizados que se agregan a la na-ta en niveles superiores al #T son los éteres y alcoholes conteniendo de a < átomos de carbono en su estructura. Estos compuestos tienen propiedades -isicoquímicas muy di-erentes de la de los *idrocarburos.
Los &teres generalmente son8 /NE 0 metil teramil eter, N[E F metil terbutil eter !;1#"$ , E[E F etil terbutil eter CH3 H3C
O
CH3
metil terbutil eter N[E$
CH3
Los alco*oles más usados son8 metanol, etanol, isopropanol y ter0butanol. El nitrometano, nitropropano, óxido propileno, ácido pirico, se utilizan por su aporte en energía. Estos compuestos varían en su contenido de oxígeno desde un ;=T para el metanol *asta un ;T para el /NE. /lgunos son me+ores que otros en agregar potencia y se los utiliza como extensiones de la na-ta. En la tabla 5666.4 se listan algunos de los *idrocarburos más comunes que componen las na-tas y algunas de sus propiedades a tener en cuenta en la calidad de las na-tas
>4
CH CH
>;
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Tabla XIII.48 erminología asociada a las na-tas y
a los combustibles líquidos en general G" N" 2E /6 δ n0butano 9 4 =.; gas 97= n0 pentano <# << 9; =.<#< #<= n0*exano : ## <: =.<;: ##; a a ;T n0 n0*eptano = = :> =.<>4 ##; para-inas n0octano 0> 0< #< =.7=9 ##= a n0decano 04 09> 74 =.79= #= a n0dodecano 0>> 0:= #< =.7;= #=4 a n0tetradecano 0:= 0:: #;9 =.7<9 #== #0metilpropano ## #= 0# gas 4<= #0metilbutano == =4 #> =.<#= 4#= #0metilpentano ># 7> <# =.<;9 9=< 9=T iso0 90metilpentano >< >= <4 =.<<4 0 para-inas #0metil*exano 4= 4# := =.<7: 90metil*exano ;< ;7 : =.<>7 #,#0dimetilpentano >: :9 7: =.<74 #,#,90trimetilbutano # # > =.<:= 4#= a a #,#,40trimetilpentano == == :> =.<:# 4; ciclopentano 4 4 ;= =.7; 9>= #T metilciclopentano =7 :: 7# =.74: ciclopara ciclo*exano = :7 > =.77: #4; -inas metilciclo*exano =4 >4 = =.77= #;= benzeno :> : >= =.>74 ;<= tolueno #4 # =.><7 4>= ettl benceno #4 =7 9< =.><7 49= m0xileno <# #4 9> =.><> 4<9 9;T p0xileno ;; #< 9> =.><< ;9= aromátic o 0xileno #< =# 44 =.>7= ;9= os 90etiltolueno <# 9> ;> =.><; ,9,;0trimetilbenceno 7= 9< <9 =.><4 ,#,40trimetilbenceno 4> #4 <> =.>>: #0penteno ;4 9> 97 =.<4: #0metil #buteno 7< 4= 9< =.<<# #0metil # penteno ;: 4> <7 =.<:= c >T cyclopenteno 7 #< 44 =.774 ole-inas 0metilciclopenteno b >4 4< 7; =.7>= b ,9 ciclopentadieno #> 4: 4# =.>=; b diciclopentadieno ##: <7 7= .=7 metanol 99 =; <; =.7:< 9>; alco*oles etanol #: =# 7> =.7:4 9<; isopropílico > :> ># =.7:= 9:: metil terbutil &ter < =9 ;; =.74; &teres etil terbutil &ter > =# 7# =.74; metil teramil &ter :> >< =.77< 1idrocarburos que se encuentran en las na-tas y sus respectivos nmeros de octano G" y N" vide infra$, el punto de ebullición 2E$ en o!, la densidad δ$ a ; o! en g)ml y la temperatura de autoignición mínima /6$ en o!. Estas de-iniciones se explican más aba+o en el texto.
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Los *idrocarburos se%alados con el supraíndice a indican que estos *idrocarburos no son deseables en la na-ta, por lo que nunca se mezcla al 'erosene con na-ta. El supríndice b indica que se trata de *idrocarburos que no se encuentran presentes en las na-tas comunes, pero tienen los valores más altos de nmero de octano.
/ continuación se dan algunas propiedades importantes para la clasi-icación de las na-tas. e reconoce a la Y/merican ociety -or esting and NaterialsY, /N, como la mayor autoridad para la especi-icación de los productos del petróleo.
)ditivos8 on sustancias químicas que se agregan a los combustibles para me+orar algunas de sus propiedades. /lgunos de ellos son8 desactivadores de metales, aditivos para el control de depósitos, anticoagulantes, in*ibidores de la corrosión, oxigenadores, etc.
Composición8 La na-ta y los combustibles líquidos en general, se identi-ican por la relación p)p de *idrógeno y carbono o por la relación en átomos. Están compuestas -undamentalmente de *idrógeno y carbono. El contenido de agua es ba+o menor al T$, el porcenta+e de cenizas es del =.T y el de azu-re oscila entre el =.= y el T. Convertidor Catal%tico" 3ispositivo que trans-orma químicamente las emisiones de escape producidas por el motor de combustión 6nterna. 6nvolucra un proceso de reducción de las emisiones de " y " # denominados " x$ a #, la oxidación de !" a !" # y quema cualquier exceso de *idrocarburos en los gases de salida. El proceso de reducción involucra un catalizador de G* que utiliza el gas *idrógeno generado a partir de la reacción del vapor de agua y *idrocarburos no quemados. El proceso de oxidación involucra un catalizador de 2t ) 2d. *ensidad" La 3ensidad especí-ica es una medida relativa de la densidad del combustible respecto de la densidad del agua, la que se toma como .=. La densidad )P+ es la escala de densidad especi-ica utilizada por la industria petrolera para mezclas de *idrocarburos. Los grados /26 varían inversamente con la densidad, o sea, los combustibles livianos tienen mayor grados /26 que un combustible pesado. Relación aire combustible -)/" es la relación de gramos de aire a gramos de combustible, necesaria para la combustión en un motor. Esta relación va de #8 para el nitrometano a <8 para la na-ta. El valor 4.78 se considera el valor estequeom&trico o químicamente correcto ba+o condiciones per-ectas para una na-ta normal no oxigenada$. Los valores /)M para na-tas con mayor potencia están en el intervalo 9.#;8 0 9.7;8. *etonación" El aumento incontrolado de la presión y del calor liberado por el combustible en la celda de combustión. Está asociado al sonido que se escuc*a en un motor cuando se producen c*oques entre los mltiples -rentes de llama en la celda de combustión. rente de llama" 3urante la operación normal de combustión *ay un nico -rente de llama que avanza desde la conexión de c*ispa *acia la celda de combustión. En una combustión anormal se generan varios -rentes de llama que provocan la detonación. 0elocidad de llama" o tiempo de $uemado es el tiempo en mili segundos en que se quema desde el = al := T del combustible. La velocidad de llama es una -unción de la
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composición del combustible y del dise%o del motor. La composición del combustible in-luye en el tiempo de quemado, dependiendo de si es un combustible con alto octana+e. La velocidad de llama se a+usta de acuerdo a la aplicación especí-ica del combustible. +gnición superficial" El encendido de la mezcla combustible por una -uente a+ena a la c*ispa de encendido, anterior o posterior al encendido normal. Es provocada por zonas calientes dentro de la cámara de combustión, como por e+emplo, depósitos de carbón. Pre1ignición8 !omienzo de la ignición provocada por -uentes a+enas a la c*ispa de encendido. 2emperatura de )uto +gnición 3 emperatura a la cual una mezcla combustible reacciona espontáneamente. e lo conoce tambi&n como el punto de ignición espontáneo. Esta temperatura está íntimamente relacionada con la detonación. 45mero de 'ctano" Las gasolinas o na-tas están compuestas por mezclas de *idrocarburos de 7 y > átomos de carbono, es decir por *eptanos y octanos o isooctanos. !uando se utiliza na-ta en los motores de combustión, los compuestos que la -orman tienden a quemarse de di-erente manera. /sí mientras los octanos se queman lenta y suavemente, los *eptanos se queman rápida y violentamente produci&ndose una detonación que se detecta por los golpes y ruidos que se escuc*an cuando opera el motor. La detonación disipa la energía que aporta el combustible y da%a al motor. Este -enómeno depende de varias causas tales como8 el tipo de máquina, la relación aire 0 combustible, la temperatura del combustible, la relación de compresión, etc. El n5mero de octano es una figura de mérito $ue representa la resistencia de una dada nafta a detonar prematuramente cuando se la e(pone a la temperatura y presión de un motor de combustión interna. 2ara determinar las características antidetonantes de una gasolina se estableció una escala en -unción del elemento antidetonante, o sea, los octanos. 2or de-inición, se -i+ó el valor cero de nmero de octanos para una gasolina compuesta solamente por *eptano y el valor == para una gasolina compuesta solamente por isooctano. El nmero de octanos se determina mediante dos m&todos8 mero de octano medido por el m&todo Gesearc* Gesearc* "ctane umber, G"$ y el nmero de octano medido por el m&todo Notor Notor "ctane umber, N"$ que se determinan de acuerdo a /N 3 #<:: y 3 #7==, respectivamente. /mbas pruebas, G" y N", se determinan con el mismo motor de prueba, pero el G" se determina ba+o condiciones poco severas de operación ba+a temperatura en la mezcla de entrada y relativamente ba+as revoluciones del motor$ y resulta num&ricamente más alto que el N" para el mismo combustible. El promedio aritm&tico de ambos valores \ G" @ N"$)# denominado K6indice antidetonante -+)*/\ se utiliza -recuentemente como el indicador de las características antidetonantes del combustible en la ruta. El combustible se prueba en un motor de un cilindro cuya compresión puede variarse cuanto mayor es la compresión, mayor es el requerimiento de octano$. e mide la intensidad de detonación del combustible prueba y se compara con la correspondiente a diversas mezclas conteniendo isooctano y n0*eptano medidas ba+o las mismas condiciones de operación. El nmero de octano del combustible prueba se toma como el porcenta+e en volumen de la mezcla de re-erencia que tiene igual valor medido de intensidad de detonación. 2or e+emplo, las na-tas de cuatro estrellas tienen un nmero de octano de :7 y producen una intensidad de detonación igual que la de una mezcla que contiene :7T de isooctano y 9T de n0*eptano. /parte de las determinaciones de laboratorio de G" y N", existe un tercer m&todo que es
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el Goad "ctane umber, que se realiza con un auto especialmente equipado y con individuos entrenados para escuc*ar niveles muy ba+os de detonación del motor. 7e denomina 7ensibilidad del combustible a la diferencia entre el R'4 y M'4 . Qn combustible de alta sensibilidad tiene un N" considerablemente menor que su G". Es una medida de la sensibilidad del combustible a los cambios en las condiciones de operación de una máquina. Qn combustible con una sensibilidad de = y un índice antidetonante de :# tiene un G" de :7 y un N" de >7. 3urante los a%os :#= y *asta :>=, se agregaba tetraetilo de plomo a las na-tas con el -in de disminuir las detonaciones prematuras y obtener un me+or rendimiento de la na-ta valores de octana+e mayores que == se encuentran cuando se agrega tetraetilo de plomo al isooctano puro$. in embargo, debido a que el tetraetilo de plomo es muy tóxico, se discontinuó su adición encontrándose nuevas -ormas de me+orar la e-iciencia de los motores. 2uedes decir cuáles son estas nuevas -ormas? 0olatilidad" endencia de un combustible a evaporar aun a ba+as temperaturas como la ambiental. !uanto más volátil es el combustible, menor es su punto de ebullición y mayor su in-lamabilidad. Es una de las cualidades de mayor importancia de los combustibles en máquinas carburantes, ya que tiene in-luencia en la proporción de aire necesaria al momento de la ignición. En una máquina convencional prácticamente todo el combustible debe estar en -orma gaseosa al momento de la ignición, por lo que para una dada temperatura del aire en el motor, *ay una volatilidad mínima requerida para un -uncionamiento apropiado. La volatilidad de un producto del petróleo se determina mediante pruebas de velocidad de evaporación, de presión de vapor, relación vapor ) líquido y curvas de destilación. Presión de vapor Reid -R0P/ FEs la presión absoluta a 97,> R!, expresada en 'ilopascal '2a B ')m #$ que se utiliza como indicador estándar de la volatilidad de la gasolina. Las compa%ías petroleras varían el GV2 estacionalmente para que se corresponda con la temperatura de la estación. Las na-tas poseen un GV2 en el orden del ; al ;. Los valores más altos se usan en zonas de clima -río, de -orma de lograr que se evaporen con mayor -acilidad y resulte más -ácil producir la ignición. Las na-tas con altos valores GV2 pueden -ácilmente Kbloquear por vapor en climas cálidos, o en condiciones propias de las carreras automovilísticas. La mayoría de los combustibles utilizados para carreras automovilísticas poseen valores ba+os en la GV2, comnmente entre ;.; y >.=. /lgunos combustibles con usos particulares alcanzan valores de GV2 cercanos a .;. #lo$ueo por vapor" Mormación rápida de vapor en las líneas de combustible o carburador provocando una restricción en el -lu+o de combustible. La -ormación de vapor en las líneas de combustible tiene lugar cuando el combustible alcanza una temperatura a la que su presión de vapor es igual a la presión del sistema. El %ndice de blo$ue por vapor -+#0/ es la suma de la presión de vapor Geid más el producto de =,9 por el porcenta+e de evaporación a 7= R!8 6[V B GV2 @ =,9 TEvp. a 7=R!$
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Punto de inflamación o ignición . e de-ine como la mínima temperatura a la cual un combustible líquido se vaporiza lo su-iciente como para que los vapores desprendidos -ormen con el aire una mezcla capaz de in-lamarse por las llamas o en ocasiones espontáneamente. Esta temperatura debe tenerse en cuenta para el transporte y almacenamiento del combustible líquido. El punto de ignición o encendido es la temperatura a la cual un combustible líquido desprende la su-iciente cantidad de vapores como para que pueda quemarse en -orma continua. Relación 0apor 1 8%$uido -08/8 Volumen de vapor -ormado a presión atmos-&rica respecto del volumen de na-ta líquida. Es un parámetro que mide la volatilidad de los componentes que se evaporan primero. La razón V)L aumenta con la temperatura para una dada na-ta. La temperatura a la cuál se obtiene el máximo V)L depende de la temperatura del aire y la altitud. Curva de 0olatilidad F ambi&n conocida como Kcurva de destilación. La curva de destilación /N, que se muestra en la Migura 5666.#, designa la máxima temperatura a la cuál el =T, ;=T, :=T y el ==T del combustible se evaporará. La temperatura a la cual se evapora todo el combustible se conoce tambi&n como el Kpunto -inal. !ada uno de estos puntos a-ecta di-erentes áreas del -uncionamiento del ve*ículo, como el arranque, el precalentamiento, la aceleración y la obturación por vapor. La importancia de cualquier punto de la curva de volatilidad /N en el -uncionamiento de un motor depende del intervalo de temperatura de traba+o. La temperatura del =T de evaporación debe ser lo su-icientemente ba+a como para permitir el encendido -ácil del motor en -río, pero lo su-icientemente alta a -in de minimizar el posible bloqueo por vapor y evitar p&rdidas por evaporación. La temperatura del ;=T de evaporación debe ser lo su-icientemente ba+a para proveer un buen calentamiento y permitir la aceleración suave pero los su-icientemente alta para evitar el bloqueo por vapor. Esta parte tambi&n a-ecta la economía de na-ta. La temperatura del := T de evaporación y la temperatura del punto -inal deben ser lo su-icientemente ba+as para evitar depósitos en las distintas partes del motor. $%g&raXII., !urva de volatilidad "ormación de depósitos
Calentamiento pobre Aceleración brusca Economía pobre para tramos cortos
Economía pobre para tramos laros
Encendido en frío pobre
Aumento de la formación de !ielo
Encendido en caliente pobre Bloqueo por vapor Pérdidas por evaporación importantes
Qn combustible cuya volatilidad en el intervalo inicial *asta el 9=T de evaporación se
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encuentra por deba+o de la Kcurva de volatilidad que se muestra en la -igura , se evaporará a más ba+as temperaturas y puede provocar un encendido pobre y problemas de bloqueo por vapor. En cambio, si la volatilidad está por encima de la curva de la Migura , se tienen problemas por encendido pobre en -río. Los e-ectos de variar la volatilidad en las zonas de mayor T de evaporación se muestran claramente en la -igura. Las na-tas poco volátiles causarán problemas de encendido en -río, poco calentamiento y distribución despare+a en los cilindros de los ve*ículos a carburación y -ormación de depósitos. Las na-tas que son muy volátiles se evaporarán muy -ácilmente y pueden *ervir en la bomba de na-ta, líneas y carburadores cuando operan a altas temperaturas así como tambi&n originar problemas de bloqueo por vapor. Las compa%ías petroleras varían el punto de destilación alrededor del = T en las distintas estaciones climáticas de -orma que la curva de destilación se corresponda con el clima8 En verano se producen na-tas menos volátiles que en invierno. Punto nube" emperatura a la cual se -orma una nube o aparecen cristales en el -ondo de una muestra de aceite lubricante cuando se en-ría ba+o condiciones del la prueba /N 3 #;==. Este punto es una indicación de la tendencia de un aceite a tapar y ocluir -iltros y peque%os ori-icios cuando se la usa a ba+as temperaturas. 9oma en las naftas" contaminante oleoso y viscoso que se -orma por oxidación durante el almacenamiento. La -ormación de esta goma puede causar serios problemas en el motor. e determina evaporando un volumen conocido de combustible mediante soplado de aire o vapor a temperatura controlada, tal como se describe en el m&todo /N 3 9>. Meorador del %ndice de viscosidad -0.+./8 aditivo lubricante, generalmente un polímero de alto peso molecular, que reduce la tendencia de un aceite a cambiar su viscosidad con la temperatura. /ceites lubricantes e-ectivos en un amplio intervalo de temperatura contienen me+oradores V.6. I.- 1.- 2.- C"!b&()%ble( ga(e"("(
3entro del t&rmino combustibles gaseosos se consideran aquellas mezclas gaseosas que se emplean como combustible para proporcionar energía en cualquier uso. Los combustibles gaseosos tienen varias venta+as sobre los combustibles sólidos y líquidos en muc*as aplicaciones8 $ pueden ser -ácilmente llevados *asta el quemador por simples conductos ya que casi siempre se almacenan a presiones superiores a la atmos-&rica, #$ generalmente están libres de cenizas y otros elementos extra%os por lo cual se queman completamente, 9$ su -ácil mezclado con el aire -acilita el control de las llamas logrando combustiones completas con porcenta+es de exceso de aire muy ba+os y 4$ casi siempre son más baratos en relación a los otros combustibles. La nica desventa+a se re-iere a las condiciones de almacenamiento. Los combustibles -ósiles gaseosos son gas natural principalmente metano y etano$ y gases licuados de petróleo L2S, principalmente propano y butano$. Los combustibles gaseosos arti-iciales provienen, en su mayor parte, de combustibles sólidos o líquidos.
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9as natural" es el gas que se desprende de los pozos petrolí-eros, se almacena y se conduce directamente al sitio de consumo. e clasi-ican en dulces y agrios, dependiendo del contenido en azu-re, que depende del lugar de origen puede contener sul-uro de *idrógeno y vapor de agua$. La mayor parte de los compuestos contaminantes se eliminan antes de la distribución del gas. Es el combustible que menor nmero de emisiones tóxicas " x, !" y !" #$ produce y no requiere de re-inación antes de su uso. !on el -in de poder detectar posibles -ugas, se le agregan compuestos de azu-re odorí-eros en muy peque%as cantidades de -orma que no a-ecte el -uncionamiento de equipos y dispositivos ni contribuya a la contaminación.
e lo utiliza -undamentalmente en el *ogar, para cocinar y en la cale-acción. /ctualmente se lo utiliza tambi&n para generar electricidad y como combustible de ve*ículos. u principal desventa+a consiste en que es más e-ectivo en provocar el calentamiento global que el !"# y que es persistente en la atmós-era.
9as de refiner%as o 9ases licuados de petróleo son subproductos de la extracción del gas natural y ) o gases que se desprenden en los procesos de destilación del petróleo. !onsisten principalmente en propano y algo de butano, propileno y butileno. Los altos porcenta+es en propano y butano pueden provocar riesgos de explosión. El consumo de estos gases es muc*o menor que el gas natural o aceites combustibles y su uso se imita a instalaciones peque%as inaccesibles para las tuberías, en el transporte y como sustituto en procesos industriales en los que la combustión de aceites es di-ícil o imposible.
9ases desprendidos del carbón" 9ases de alto horno8 2roducido por la interacción de caliza, mineral de *ierro y carbono en los altos *ornos. e componen -undamentalmente de monóxido de carbono, aproximadamente <=T de # y !" # y peque%as cantidades de 1 #. ienen un ba+o valor calorí-ico. e los usa generalmente para la producción de vapor, en la industria metalrgica y en motores a gas.
9as del generador" e produce al introducir una mezcla de aire y vapor de agua a trav&s de un lec*o de carbón o coque incandescente. Esta compuesto generalmente de !", #, !"#, !14 e 1#. Geci&n obtenido contiene algunas impurezas tales como alquitrán en -orma de niebla, azu-re y polvos por lo que debe puri-icarse antes de su utilización.
9as de destilación del carbón8 Sases combustibles que se desprenden de procesos de destilación del carbón que se realizan con el -in de extraer componentes como benceno, alquitranes, etc. La composición de estos gases es muy variable y se compone de altos porcenta+es de !1 4 y menores cantidades de 1#.
9as de agua" e obtiene mediante la acción del vapor de agua sobre el carbón a temperaturas elevadas. Esta -ormado -undamentalmente por !" e 1 # y peque%as cantidades de !" # y #. Este gas se emplea en la industria química para la producción de 1 #.
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Los combustibles gaseosos pueden clasi-icarse segn las siguientes propiedades8 *ensidad de gas, es la razón entre la densidad real del gas y la densidad del aire seco a temperaturas y presión estándar. o se debe con-undir con la densidad especí-ica, que es la densidad real con respecto a la del agua. La densidad de gas de los gases naturales varía típicamente entre =.;> y =.<4. e emplea para determinar el consumo y caídas de presión en tubería, ori-icios, quemadores y reguladores. Poder Calor%fico o valor energético" 3ebido a la gran variación en su composición no se pueden establecer -ormulas directas para el calculo de este valor. La -orma de calcularlo se basa en el conocimiento de la composición en volumen del combustible y en la aplicación de los calores de reacción química obtenidos de tablas para cada uno de los componentes. !uando comparamos los combustibles -ósiles es til notar en t&rminos de contenido en energía que millón de toneladas de petróleo B .; millón de toneladas de carbón B . billón de m9 de gas natural B # x = : ']* electricidad. En general, los combustibles gaseosos son de mayor valor energ&tico que los combustibles líquidos y sólidos, demu&strelo asumiendo que la densidad de gas es de aprox. =.<= y que el peso molecular medio del aire es aprox. #>.>. &umedad 8 Los gases combustibles generalmente contienen un porcenta+e de *umedad que debería considerarse en el caso de *acer balances exactos. eniendo en cuenta que este contenido es generalmente ba+o se puede despreciar sin cometer errores considerables. :ndice de ;obbe -;/8 El índice o nmero de ]obbe es la relación entre el valor energ&tico y la raíz cuadrada de la densidad de gas de un dado combustible. irve como indicador de la entrada de calor en un sistema para mane+o de gas considerando la resistencia de -lu+o del gas. En períodos de escasez de gas natural suelen emplearse mezclas de propano F aire con el mismo índice de ]obbe que el gas previamente usado, de -orma de mantener la misma entrada bruta de calor al sistema de quemador existente. 2emperatura m%nima de ignición8 En las mezclas de compuestos gaseosos, como el gas natural, la temperatura mínima de ignición de la mezcla corresponde a la del componente de menor temperatura de ignición. e relaciona con la seguridad en el mane+o del gas, la -acilidad de encendido y la -acilidad de ignición auto sostenida continua sin piloto o encendedor$. 8%mites de inflamabilidad" e re-iere al con+unto de mezclas con distintas proporciones aire 0 combustible capaces de arder en combustión auto0sostenida continua. Existen dos límites de in-lamabilidad, el mínimo y el máximo, que corresponden a las mezclas del con+unto anterior con menor y mayor porcenta+e de gas, respectivamente. Los límites se dan en unidades de porcenta+e de gas en la mezcla. Es un dato importante para establecer prácticas seguras de mane+o de combustibles gaseosos.
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I.- 1.- 4.- C"!b&()%ble( (%n)5)%c"( 6 al)erna)%7"(
/lternativas a los combustibles -ósiles son los combustibles sintéticos syn-uels$ entre los que se encuentran aquellos que involucran la conversión del carbón en otros combustibles. Los combustibles alternativos son aquellos que pueden renovarse, es decir se pueden generar a la misma velocidad con que se consumen, lo que obviamente tiene lugar en una escala de a%os y no de millones de a%os como ocurre con los combustibles -ósiles. 3entro de los combustibles alternativos se encuentran8 el etanol, metanol, gasol mezcla de na-ta y etanol$, metano y biodiesel. Los organismos obtienen energía y átomos de carbono, ya sea de -orma directa o indirecta, a partir de la conversión de energía solar -otosint&tica. Estos organismos *an desarrollado maquinarias metabólicas para la reducción de !" # a materia orgánica y para la subsecuente utilización de esta materia orgánica para la biosíntesis y liberación controlada de energía. /lgunas de estas rutas metabólicas pueden aprovec*arse para obtener combustibles tales como8 etanol , isopropanol y metanol por -ermentación a partir del azcar$, metano se obtiene por acción de bacterias anaeróbicas sobre desec*os sólidos orgánicos$ y biodiesel metilester o etilester que se obtiene a partir del nabo silvestre$. La venta+a de estos combustibles respecto de los combustibles -ósiles radica en que8 $ no se -orman residuos sólidos en los gases de emisión, #$ producen menores concentraciones de !" y de *idrocarburos si no se logra obtener una combustión completa, 9$ los niveles de azu-re son ín-imos por lo que no liberan " # gaseoso al quemarse y 4$ son biodegradables por lo que se eliminan -ácilmente en caso que se produzcan derrames accidentales. El gas hidrógeno es quizá el combustible del -uturo. u uso tiene muc*as venta+as y desventa+as. Entre las venta+as podemos citar que el *idrógeno es el elemento más abundante del universo, su valor energ&tico es el más alto de todos los combustibles y su combustión solo produce agua 1 # @ )#"# 00H 1#"$ por lo que no tiene e-ectos ambientales negativos. La mayor de sus desventa+as es su in-lamabilidad explosiva, por lo que deben desarrollarse -ormas seguras de almacenamiento. 2or otra parte, el gas *idrógeno 1 #$ no es una -uente de energía primaria, ya que *ay muy poco en la naturaleza, por lo que debe sintetizarse. 3os posibles m&todos de síntesis son8 a partir de la *ulla tratada con vapor de agua a altas temperaturas ver gas de agua$ o por descomposición de metano !1 4g$ @ 1#"g$ → 1#g$ @ !"g$$. Los automóviles con celdas de combustible operados a base de gas *idrógeno serán 9 veces más e-icientes en energía que los operados con gasoil. •
Celdas de combustibles8 Estas celdas convierten la energía almacenada por el combustible directamente en traba+o el&ctrico sin combustión, por lo que el desarrollo de estas celdas es una -orma e-iciente de superar la peligrosidad de la combustión del gas *idrógeno. La combustión no es la nica -orma de extraer energía de un combustible, otra -orma de llevar a cabo esta reacción es en una celda electroquímica dónde las reacciones en los electrodos de carbono poroso con partículas de 2t$ permite aprovec*ar la energía liberada por la reacción como traba+o el&ctrico y no como calor. ^nodo8 1# → #1@ @ #e !átodo8 #e @ )# "# → 1#"
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I.- 1.- 8.- O)r"( c"!b&()%ble( al)erna)%7"(
)mon%aco8 e exploró la posibilidad de utilizar amoníaco como combustible ya que al no contener carbono, su combustión no produce !"#. in embargo, su utilización como combustible produce grandes cantidades de óxidos de nitrógeno, " #, cuya presencia en la atmós-era es an más per+udicial que la del !" #. O
H C C CH '(ipropano, 8 Es un combustible que se *a H utilizado para autos de carrera. iene las propiedades deseables de volatilidad, in-lamabilidad, temperatura de autoignición y nmero de octano. Es una sustancia carcinógena por lo que debe tratarse con cuidado.
4itrometano, !19 "#8 u combustión en condiciones estequeom&tricas tal como se muestra en la reacción de aba+o, libera #.9 veces la cantidad de energía que la combustión del isooctano para la misma masa de oxígeno consumido. !alcula a partir de estos datos, la relación de energía liberada por mol de combustible del nitrometano y del isooctano. e lo utiliza con una mezcla de metanol para me+orar sus propiedades.
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Combustible -o pares/ hipergólicos8 Los Kpares *ipergólicos son combinaciones de sustancias que al mezclarse reaccionan con violencia. e denomina reacción *ipergólica cuando al mezclar un combustible y un oxidante estos reaccionan espontáneamente a temperatura ambiente, es decir, la combustión no necesita ayuda de externa. 2or e+emplo, la *idracina y el ácido nítrico concentrado reaccionan con un retardo de =.=#7 segundos al ponerlos en contacto.
En general, cuando dos sustancias reaccionan espontáneamente y exot&rmicamente al ponerlas en contacto, la reacción tambi&n suele proceder a altas velocidades, llegando al límite de explotar. Nezclas de metales alcalinos ) agua o ácido nítrico concentrado ) combustibles, explotan al ponerlos en contacto debido a la alta velocidad de reacción y el calor liberado durante el curso de la reacción. /lgunos de los pares *ipergólicos son8 /cido ítrico 0 /nilina /cido ítrico 0 3imetilanilina /cido ítrico F #0*idroximetil -urano ! 419"!1#"1$. /cido ítrico 0 3imetil*idracina !1 9$# #1#$ /cido ítrico 0 1idracina #14$ 2eróxido de *idrógeno 0 1idracina #14$ :4
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2eróxido de *idrógeno 0 Dueroseno "xígeno F rieti 0 /luminio /l!#1;$9$ "xígeno F 3ietil 0 !inc On! #1;$9$ etróxido de dinitrógeno gaseoso #"4$ F 1idracina líquido$ 2eróxido de sodio a #"#$ y etilenglicol Los pares *ipergólicos se usan en grandes cantidades como combustibles en co*etes espaciales, ya que algunos de ellos pueden ser almacenados en un co*ete o misil durante tiempo inde-inido. in embargo, el gran inconveniente que presentan estos combustibles es su alta toxicidad.
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Combustibles hipergólicos Pyrophor" son aquellos combustibles *ipergólicos que se queman espontáneamente en presencia de concentraciones de oxígeno como las encontradas en la atmós-era, tal como ocurre con el -ós-oro blanco
