Gasolina sintética a partir del gasoleo pesado en el ahorro de energía

RESUMEN

La gasolina sintética, se obtiene de la destilación primaria del petróleo en esta investigación se estudia la desintegración térmica o catalítica del gasóleo, obtenido en la destilación primaria de crudos de base parafínica, nafténica, base mixta y de base asfáltica o pesado, esta fracción es sometida a un proceso de fragmentación térmica, o desintegración catalítica, como alternativa para la reducción de benceno peligrosos para la salud humana, y objeto de severas regulaciones en el ámbito mundial debido a su alta toxicidad, la cual se ha demostrado, llega a producir cáncer, el gasóleo es una mezcla compleja de hidrocarburos de alcanos y alquenos, la posibilidad de llevar a cabo la desintegración térmica o fragmentación, ocurre a 500 oC, en un desintegrador térmico de gasóleo (DTG), y obtener gasolinas de Aproximadamente 70 octanos, la carga del (DTG), se pasa por isomerización catalítica, ocurre el arreglo molecular de isómeros elevándose el índice de octanaje, o por fragmentación catalítica directa elevándose a 90 octanos. Este proceso es para los países pobres o subdesarrollados, que cuentan, con muy poco en recursos naturales, sobre todo en crudos ligeros, por ejemplo en la isla de Trinidad y Tobago, el objetivo es evitar la compra de gasolinas, y obtenerla en forma sintética, en refinadoras de petróleo de base asfáltica.

INTRODUCCION

La gasolina es una fracción liquida derivado de la refinación del petróleo que se emplea como combustible en los motores de combustión interna. Esta compuesto de hidrocarburos líquidos ligeros con un alto poder calorífico, entre 11000 y 11600 kcal/kg.

El índice de octano, se define como el porcentaje en volumen de isooctano que debe mezclarse con el heptano normal para igualar la intensidad de detonación del combustible de ensayo.

Una buena gasolina es aquella que cumple con las especificaciones oficiales y normas de la ASTM, (sociedad norteamericana para el ensaye y los materiales) y el API (instituto norteamericano del petróleo), asociadas con las propiedades físicas y químicas.

El petróleo crudo tiene un máximo de 25-30 % de gasolina natural con índices de octano de 40 a 60, los cuales son demasiados bajos para usarse en los motores modernos de combustión interna. Esto se debe a la estructura molecular de los hidrocarburos que la constituye. Por esta razón, la cantidad de gasolina natural contenida en los crudos es insuficiente para satisfacer la gran demanda provocada por millones de vehículos que circulan diariamente por las carreteras y calles del mundo entero.

Lo anterior motivó la producción de más y mejoras gasolinas. Sin embargo, casi al mismo tiempo los diseñadores de automóviles aumentaron la compresión de los motores elevando su potencia. Los cuales requieren de gasolinas de mayor índice de octano.

TECNOLOGIA
Historia y progreso del cracking térmico

El proceso del cracking no es tampoco un adelanto moderno, ya que, si bien es verdad que las grandes plantas y la elaboración en gran escala de los productos de descomposición son recientes, con diferente tecnologías de diseño en equipos y plantas industriales de refinación, la descomposición térmica o fragmentación fue practicada en la destilación del carbón de hulla y esquistos bituminosos, antes de la iniciación de la industria de la refinación del petróleo. Según los datos que se poseen, el cracking fue descubierto accidentalmente en 1861, practicada en equipos pequeños con suficiente calentamiento, para causar la descomposición del aceite pesado, en productos de más bajo punto de ebullición.

Los procesos de cracking en fase liquida, fueron los primeros que se aplicaron comercialmente, y el proceso Burton fue el primero utilizado en gran escala en 1910, en 1912 se concedió una patente. Otros procedimientos en fase liquida fueron los de Fleming y Emerson.

Los adelantos actuales en el cracking térmico o fragmentación fueron la rotura de la viscosidad (viscosity breaking) y la deformación (reforming) En el primero tiene lugar solamente una descomposición moderada. El propósito es descomponer el gasoil lo suficiente para disminuir la viscosidad y el punto de fluidez. En las unidades de reformación tratan la gasolina de bajo octanaje en gasolina altamente antidetonante, que se requiere para los modernos automotores.

Gasolina sintética

Las gasolinas que se comercializan son sintéticas por el hecho que son producidas por el hombre y obtenidos de recursos energéticos naturales, los cuales con las conversiones que sufren, pueden encontrar más facilidad de manejo y de utilización, en el caso de la gasolina sintética, así como de control de la atmósfera. Los combustibles sintéticos, no constituyen fuentes naturales de energía, sino que son producto de una transformación de alguna forma potencial de la energía natural. Es evidente que con este cambio en su naturaleza el producto experimenta una degradación energética, en este caso el gasóleo que destila entre 280 y 320 oC se transforma a gasolina sintética, por el proceso de la fragmentación o cracking térmico, que se emplea para transformar los aceites densos de alto peso molecular y punto de ebullición elevados, en gasolinas de bajo punto de ebullición, mediante la aplicación de elevada temperaturas y presiones durante un tiempo determinado.

Las gasolinas de cracking térmico tienen mayor graduación octánica que las gasolinas obtenidas de la destilación primaria, que puede tener de 40-65 y 69 octanos. El número de octanos de las gasolinas de cracking puede exceder de los 80 octanos, y cuando se realiza el cracking o fragmentación térmica en fase vapor de temperaturas de 570 oC a 680 oC puede exceder de 100 octanos, de acuerdo con la densidad y factor de caracterización1.

Los procesos de cracking térmico1, pueden clasificarse generalmente de la siguiente manera: rotura de viscosidad, cracking en fase mixta, selectivo, combinado y en fase vapor.

Actualmente se utilizan plantas de cracking combinado, para procesar gasóleo de procedencia pesada, es decir con distintas operaciones, como son: Topping, polimerización y cracking selectivo, estabilización, absorción y separación; con el fin de obtener condiciones óptimas de funcionamiento, rotura de viscosidad, y rendimiento.

Proceso para hacer mas gasolina

El sentido común nos dice que si tenemos moléculas con mas átomos de carbono de los que necesitamos, hay que romper las cadenas que unen los átomos de carbono para obtener moléculas cuyo numero de carbono sea de cinco a nueve. Pero si las moléculas tiene menos de seis átomos de carbono, entonces es necesario unirlas. Para logar esto los científicos e ingenieros tuvieron que trabajar conjuntamente para desarrollar las tecnologías requeridas.

El desarrollo de esta tecnología, es largo, laborioso y costoso, pero las compañías que patrocinan la labor obtienen enormes dividendos, ya que quien desee usar sus tecnologías tendrá que pagar mucho dinero por concepto de regalías.

Lo anterior nos permite comprender la diferencia entre países desarrollados y subdesarrollados. Los primeros desarrollan tecnologías propias, mientras que los segundos carecen de ellas y se ven obligados a comprar tecnologías a un alto costo, dando a cambio sus recursos naturales no procesados, por los cuales les pagan precios irrisorios.

Por eso los países subdesarrollados tienen costos de fabricación altos, ya que aunque sean productores de petróleo, se ven obligados a pagar regalías en todos los procesos de tecnología extranjera usados en sus refinerías.

Pero ¿cuáles son los procesos usados en las refinerías para hacer más y mejores gasolinas?

Existen dos grupos principales, los procesos de desintegración térmica y los de desintegración catalítica. La primera utiliza básicamente temperatura y presión alta para romper las moléculas. Los hidrocarburos que produce se caracterizan por tener dobles ligaduras en sus moléculas, a las cuales se les llama olefinas y son muy reactivas. Cuando tienen de cinco a nueve átomos de carbono y se incorporan a las gasolinas ayudan a subir el índice de octano.

Sin embargo, tienen el inconveniente de ser muy reactivas; al polimerizarse, forman gomas (resinas) que perjudican los motores. Por lo tanto en las mezclas de gasolinas en donde se usan fracciones con alto contenido de olefinas es necesario agregar aditivos que inhiban la formación de gomas.

Los procesos de desintegración térmica se usan principalmente para hacer olefinas ligeras, o sea de dos carbonos (etileno), tres (propileno), cuatro (butenos cuando tienen una sola doble ligadura en la molécula y butadieno cuando tienen dos dobles ligaduras), y cinco (pentenos cuando tienen una sola doble ligadura e isopreno cuando tienen dos dobles ligaduras)

La materia prima puede ser desde gasolinas pesadas hasta gasóleos pesados. En estos casos siempre se obtienen también las llamadas gasolinas de desintegración. Los procesos de desintegración catalítica también usan temperaturas y presión para romper las moléculas, pero son menores que en el caso anterior, gracias a ciertos compuestos químicos llamados catalizadores, materiales que tienen la capacidad de acelerar o disminuir la velocidad de una reacción química.

El gasóleo obtenido como subproducto principal de la destilación primaria y del alto vació, destila entre 280 y 320 oC pueden ser aprovechados, como carga a la fragmentación térmica2, debido a su alto contenido en alcanos y alquenos, esto dependerá de la naturaleza o del tipo de crudo, este gasóleo rico en octadecano se desintegra, las moléculas se calientan hasta 500 oC, obteniéndose, 1-Deceno, y Octano, esta mezcla de productos se llega a tener de 70 octanos, aproximadamente, como gasolina de bajo octanaje, los alcanos normales tienden a fragmentarse en hidrocarburos normales, esta carga se envía a la planta de isomerización para el arreglo molecular en isómeros y elevar el octanaje, con el objetivo de obtener hidrocarburos arborescentes.

Otra alternativa sin reformación catalítica adicional, se calienta el gasoleo a 500 oC, utilizando catalizadores de alumina – oxido de silicio, se obtiene gasolinas sintéticas, de alto octanaje, 90 octanos es decir, el octadecano se fragmenta en 2-Metil-2-Noneno y 2,2,4-Trimetilpentano (Isooctano), esta reacción fue descubierta en 1877 por el Químico Francés, Charles Friedel (1832-1899) y James Mason Crafts (1839-1917) Químico Americano3.

El proceso de cracking transforma grandes moléculas en pequeñas, el reformado remueve hidrogeno de los carbonos y cambia los hidrocarburos no ramificados a ramificados o arborescentes, elevando el octanaje de las gasolinas.

Las olefinas gaseosas antes mencionadas forman la materia prima para hacer gasolina de alta calidad. Como entres dos y cuatro átomos de carbono, es necesario unirlas.

Hay dos tipos de procesos para llevar a cabo este tipo de reacciones. Uno es la polimerización. Este proceso también usa catalizadores para la obtención de gasolina. Al combustible que resulta se le llama gasolina polimerizada.

El otro proceso de síntesis que usa gases de dos a cuatro carbonos es el llamado proceso de alquilación. Es una reacción química de una olefina con una parafina ramificada, en presencia de un catalizador. Al producto obtenido se le llama gasolina alquilada. Su alto índice de octano se debe principalmente a las múltiples ramificaciones de los hidrocarburos que lo forman. Por lo general esta gasolina se usa para hacer gas avión, que es el combustible que emplean las avionetas que tiene motores de pistón.

Los catalizadores no sólo permiten que el proceso se realice a temperaturas y presiones inferiores sino que además aumenta la velocidad de la reacción. De ahí que las reacciones se lleven a cabo en forma rápida y segura.

Los catalizadores actúan como “directores” haciendo que las moléculas se rompan de una manera específica; los pedazos al unirse forman preferentemente un determinado tipo de hidrocarburos.

Así, por ejemplo, una molécula con 16 átomos de carbono, hexadecano, puede romperse para formar un par de moléculas con 8 átomos de carbono cada una o sea octano + octano.

Los procesos de desintegración catalítica para obtener preferentemente gasolinas de alto octano usan como materia prime los gasóleos, o sea la fracción de petróleo crudo que contiene de 14 a 20 átomos de carbono en sus moléculas. Las gasolinas obtenidas por desintegración catalítica, y en particular las fracciones ligeras, contienen hidrocarburos altamente ramificados. Estas ramificaciones en las moléculas contenidas en la fracción de la gasolina le imparten un alto índice de octano.

CONCLUSIONES

La refinación del petróleo es, por supuesto, un problema económico sobre todo de los países subdesarrollados en el que se deben de tener en cuenta los siguientes factores: (1) valor y accesibilidad de la materia prima; (2) valor de los productos terminados y sus posibilidades en el mercado mundial, (3) rendimientos, (4) coste de elaboración.1

El cracking catalítico desarrollado desde 1938, que consiste en someter el petróleo o los productos pesados de la destilación fraccionada a una elevada presión y alta temperatura, en presencia de un catalizador, lo que produce la rotura de las grandes moléculas y transformándolas en moléculas de menor número de átomos de carbono que son más ligeras2, resulta más costoso, por el desarrollo tecnológico de los catalizadores, se utiliza principalmente para gasoleo ligero, entre los procesos puede citarse: proceso Houdry, proceso catalítico thermofor (T.C.C.) y el de reformación catalítica, utilizándose reactores catalíticos.

El cracking térmico es la solución para los países pobres, sobre todo los que tienen reservas de petróleo de base asfáltica o pesada. para el ahorro máximo de energía, solo con alta tecnología en procesos de refinación, se reducen los costos.

Creemos que con una acertada administración de nuestra riqueza petrolera, pueda contribuir en mucho a sacar a México del subdesarrollo, aplicando presupuestos convenientes a la formación y preparación de profesionales calificados, a la ciencia y tecnología, procesos de investigación y desarrollo de patentes.

La tendencia a mejorar las condiciones de la industria no solo implica evitar el despilfarro del petróleo y sus derivados, sino buscar el uso racional para aprovechar el máximo su procesamiento industrial del gasóleo, fue así como se creó este estudio de divulgación que representa la búsqueda en mejorar los procesos de refinación de los crudos pesados de base asfáltica.

BIBLIOGRAFIA

1. Nelson, W.L. Refinación de petróleos, Editorial Reverte, Barcelona España, 1974
2. Polo Encinas, M. Energéticos y desarrollo tecnológico, Editorial Limusa, México, 1979
3. Holum, J.R., Química Orgánica. Editorial Limusa, México, 1996

Anexo

José A. Luna Encinas es Ingeniero químico y maestro en ingeniería de proyectos por la UdeG. Actualmente es profesor de la Escuela Politécnica, SEMS de la misma institución, en el 2004 obtiene la presea al mérito académico en la docencia, y su línea de investigación versa sobre ingeniería ambiental, energéticos, química y ciencias experimentales.

Por: *Mtro. José Ángel Luna Encinas
**Dr. Fernando Bautista Rico
*Escuela Politécnica del Sistema de Educación Media Superior
**Centro Universitario de Ciencias Exactas e ingenierías
Universidad de Guadalajara
Avenida Revolución No 1500., C.P. 44620, Tel. 6199614
[email protected], [email protected]

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