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Indices de octano y cetano

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  • 1. Combustión e Índices de Octano y Cetano La reacción de combustión de alcanos es la de mayor importancia paraeste tipo de sustancias debido a la considerable cantidad de energía caloríficaque desarrolla. Las posibilidades de hacer uso de esta disipación energéticabuscando satisfacer necesidades humanas básicas (como calentar o cocinaralimentos) o para transformarla en otros tipos de energía han dado pie a quese quemen alcanos de manera comercial (e indiscriminadamente) desde losestructuralmente más sencillos como el metano (CH4) hasta los que poseenalrededor de 20 carbonos en su molécula (incluso, se llega a incinerar aunpetróleo crudo, una fuente rica en este tipo de hidrocarburos). La emisión de energía que se genera al incendiarse estas sustancias esconsecuencia de que como productos de esta reacción se forman dossustancias que gozan de una estabilidad termodinámica especialmentenotable: el CO2 y el H2O. Cuando por ejemplo se quema propano, que es unode los gases que se suministra a estufas y calentadores domésticos: CH3CH2CH3 + 5 O2 → 4 H2O + 3 CO2se desprenden 2220 kilojoules por mol de esta sustancia, valor energético alque se conoce como entalpía de combustión. Una pequeña reflexión sobre estacifra nos permite darnos cuenta de que tras esta conversión química seesconde una disipación de energía portentosa: esta energía está asociada aúnicamente 44 gramos de esta sustancia (el peso de 1 mol de propano). Siconsideramos que uno de los cilindros de gas de uso doméstico de 20 kgcontiene aproximadamente 455 moles de esta sustancia, la equivalenciaenergética que uno de estos pequeños recipientes posee es de un poco más de1 gigajoule, 1 x 109 joules. Considera que si toda esta energía pudiese
  • 2. Índices de octano y cetano 2transferirse íntegra e instantáneamente a un automóvil Chevy, con un pesode aproximadamente 900 kg, alcanzaría una rapidez teórica de casi los 5400km/h. Lo anterior es imposible debido a que, justamente debido a sucontenido energético elevado, el combustible se le administra al motor delvehículo “gota a gota”. México depende -desafortunadamente- de la quema de hidrocarburospara ser energéticamente competente en sectores estratégicos como eleléctrico. En el año de 2009 la Comisión Federal de Electricidad quemó en susplantas termoeléctricas 10,250 millones de metros cúbicos de gas natural (enbuena medida compuesto por metano), 9,671 millones de metros cúbicos decombustóleo y 406 millones de metros cúbicos de diesel; la combinación de lasenergías emitidas por estas tres fuentes desarrolló 249,825 gigawatts-hora,pero como consecuencia de que en el proceso de conversión a energía eléctrica,se sufren pérdidas de alrededor de un 75 % o más, al final lo que se obtuvo entérminos de energía eléctrica fueron solamente 104,632 gigawatts-hora(equivalentes a 3.77 x 1017 joules) (Fig. 1). La energía obtenida por medio dela quema de carbón, del reactor de uranio de Laguna Verde (ubicada en lacosta veracruzana, entre las ciudades de José Cardel y Vega de Alatorre) y defuentes renovables (obtenidas en plantas hidroeléctricas,geotérmicas y eólicas) proporcionaron apenas 72,175 gigawatts-hora, lo que quiere decir que casi el 60 % de la energía quedispensa Comisión Federal de Electricidad proviene de laquema de combustibles fósiles. Fig.1. Balance energético obtenido a partir de la quema de hidrocarburos obtenido por la CFE en el año de 2009.
  • 3. Índices de octano y cetano 3 Ante tales perspectivas, el uso eficiente de los hidrocarburos comocombustibles se convierte en una prioridad estratégica para cualquier nación.Además de su empleo en plantas termoeléctricas, los alcanos sirven tambiéncomo combustibles para alimentar a los motores de los vehículosautomotores. Las mezclas más importantes que para tales fines se usan sonla gasolina y el gasóleo o diesel. Pemex define a las gasolinas como lasfracciones del petróleo que entran en ebullición por debajo de los 200 ºC(hidrocarburos de menos de 12 carbonos), mientras que en el caso del dieselsus fracciones tienen un límite de 350 ºC (entre 10 y 20 carbonos). Amboscombustibles consisten en mezclas de alcanos que requieren cumplir conciertos estándares de calidad para transformar óptimamente la energíacalorífica en mecánica para que los motores desarrollen su trabajo con lamáxima eficiencia posible. La definición de eficiencia varía con respecto alcombustible que se vaya a emplear, y para definir dichos estándares se hanestablecido dos escalas: la del índice de octano para las gasolinas y la delíndice de cetano para diesel. Un motor de combustión interna que funciona congasolina desarrolla una eficiencia notable cuando se le alimentacon 2,2,4-trimetilpentano o isoctano, mientras que para losmotores diesel de encendido por compresión el mejor desempeñose logra administrando hexadecano o cetano. Lo que por eficiencia de un combustible entendemos en términos deestas escalas es que tanto gasolinas o como diesel deben cumplir con unacierta capacidad para incendiarse dentro de sus respectivos motores(capacidad definida como calidad de la ignición o poder antidetonante), ydependiendo de ello, a una cierta mezcla se le asignará un número o índice.
  • 4. Índices de octano y cetano 4Dado que las perspectivas con rspeto a gasolina y diesel son opuestas, nosconviene conocer un poco más en detalle lo que sucede con cada uno de estoscombustibles dentro del motor al que son suministrados para poder entenderbien a bien cómo se define la eficiencia en cada caso. Los motores que consumen gasolina poseen una serie de cilindroshuecos dentro de los cuales una mezcla de combustible y aire entra enignición. La mezcla entra a ellos por medio de una válvula queinmediatamente después de su admisión se cierra succionada por un pistónque en ese momento se aleja; en el siguiente tiempo la mezcla gasolina-aireserá comprimida por medio del pistón que ahora asciende, y cuando la mezclaalcanza su compresión máxima, la mezcla se incendia o explota con la ayudade una chispa desarrollada por un dispositivo eléctrico llamado bujía. Estoobliga al pistón a bajar y alejarse, y cuando éste vuelva de regreso unasegunda válvula se abre para expulsar los gases de combustión generados,cerrándose inmediatamente después y dejando la cámara interna del cilindrolista para reiniciar un nuevo ciclo (Fig. 2).Figura 2. Motor de gasolina de cuatro tiempos: admisión-compresión-explosión-expulsión.
  • 5. Índices de octano y cetano 5 La gasolina no debe incendiarse ni antes ni después de la etapa deexplosión, porque ello podría originar un esfuerzo no sincrónico sobre elpistón en movimiento: por ejemplo, si explota antes, cuando el pistónasciende, se desarrollará un esfuerzo hacia abajo sobre este último que seríacontrario al movimiento ascendente, lo cual podría dañar las bielas delarreglo mecánico al que se encuentra sujeto el pistón: el cigüeñal (Fig. 3).Todo esto da lugar a un golpeteo o cascabeleo que el motor resiente,desperdiciándose de esta manera la energía que se disipa durante lacombustión y dañándolo mecánicamente. Una gasolina no debe, por tanto,tender a la autoignición.Figura 3. Izquierda: diagrama de un cigüeñal (eje con codos que transforma unmovimiento rectilíneo en circular) con un sistema de cuatro cilindros. Derecha,fotografía de este sistema. Todo este sistema en un motor real se halla oculto. Para retardar la combustión hasta la etapa deseable se adicionan a lagasolina antidetonantes (en inglés antiknock agent). A lo largo de la historiase han empleado muchas sustancias para este fin, y entre ellas podemos citaral plomo tetraetilo -Pb(CH2CH3)4, hoy descontinuado debido a las emisionesfuertemente tóxicas que con él se desarrollan y a la aparición de los
  • 6. Índices de octano y cetano 6convertidores catalíticos, al metilciclopentadieniltricarbonilmanganeso(I) oMMT, al ferroceno, al pentacarbonilhierro(0) -Fe(CO5)-, éteres, alcoholes(metanol, etanol) e hidrocarburos aromáticos como el tolueno -C6H5CH3-. En contraste, en un motor diesel o de encendido por compresión lo quese busca es que el alcano se queme de una manera rápida (esto es, que tiendaa la autoignición). Sus primeros antecedentes se remontan a la Gran Bretañaen 1890, cuando Herbert Aykroyd Stuart lo presentó por vez primera; dosaños más tarde fue perfeccionado por Rudolf Diesel en Alemania, alcanzandotal generalidad que hoy en día se le conoce simplemente como motor diesel.En el motor de encendido por compresión el combustible no se inflama porefecto de una chispa, sino por contacto con aire dentro de un cilindro que haalcanzado una temperatura elevada gracias a una muy elevada compresión.Pueden identificarse, como en el motor de gasolina -al cual se le asemeja ensu diseño- cuatro tiempos también: en el primero se abre una válvula paradejar entrar aire a un cilindro; a continuación la válvula se cierra y el aire escomprimido por el pistón hasta alcanzar una muy elevada presión, con lo queel aire se calienta. En ese momento es inyectada una gota de diesel y, porefecto de la temperatura, se inflama e impulsa al pistón hacia abajo;finalmente una segunda válvula deja salir los gases de la combustión paraque un nuevo ciclo se inicie (Fig. 4). Lo que se busca en el diesel es que encuanto entre en contacto con el aire se inflame inmediatamente. El motor inventado por Diesel tiene varias ventajas sobre los degasolina: no necesita bujías ni sistema de encendido eléctrico, el combustiblediesel o gasóleo que usa es un componente del petróleo crudo que, si bien esmás pesado que la gasolina, es más barato que ésta. Debido a las mayorespresiones que maneja, un motor diesel es más robusto y pesado, por lo que sele usa para mover vehículos de grandes proporciones, como camiones, barcos,locomotoras y en sus primeras etapas, submarinos. Este motor sin embargo,resulta inapropiado por su volumen para vehículos ligeros, como losautomóviles.
  • 7. Índices de octano y cetano 7Figura 4. Funcionamiento de un motor Diesel. Ahora que hemos analizado cómo opera cada motor, estamos listospara definir los índices de octano y cetano. El índice de octano en unagasolina mide su capacidad antidetonante (esto es, que sólo explote en laetapa en la que debe hacerlo y no antes); si tal hace una gasolina seráeficiente, y si no dará lugar a vibraciones indeseables de cascabeleo en elvehículo y será ineficiente. Un hidrocarburo que ofrece un desempeñoóptimoen un motor de gasolina es el 2,2,4-trimetilpentano, isooctano o simplementeisoctano: su índice de octano u octanaje es de 100, mientras que a un alcanoparticularmente deficiente en el sentido que hemos definido, el heptano, se lecalifica con 0 octanos. De esta manera, empleando diversas mezclas deisoctano y heptano es que se han podido establecer los diferentes índices deoctano -entre 0 y 100- contra los cuales se compara a la eficiencia de unamezcla de hidrocarburos determinada a ser empleada como gasolina. Porejemplo, en las gasolineras del país puede verse actualmente que la gasolinavendida como Premium de Pemex se anuncia como de 92 octanos, lo que estoquiere decir es que su desempeño es igual al de una mezcla 92:8 volumen avolumen de isoctano-heptano. Los fabricantes de vehículos especifican elíndice de octano mínimo del combustible que se le administrará a un
  • 8. Índices de octano y cetano 8vehículo; si en última instancia no se cuenta con este dato, debe procurarserecargar el tanque con la gasolina de más alto octanaje disponible, evitando atoda costa administrar aquéllas que ofrezcan un índice de octano menor alque el fabricante especifique. Si no se cumple con esto, los esfuerzos dañinospueden romper las bielas con las que los pistones transfieren su esfuerzomecánico al cigüeñal, y uno de los daños más serios que puede sufrir unmotor es precisamente cuando se le desbiela. Hay dos escalas en las que se mide el índice de octano, la RON (deResearch Octane Number, octanaje medido en el laboratorio de investigación)y la MON (Motor Octane Number, medida en un motor estático). Las escalasno varían demasiado, pero en ocasiones el índice de octano se expresa enfunción de ambas. De esta manera, la gasolina Magna de Pemex por ejemplotiene un índice de 87 R+M/2 octanos, lo que indica que el 87 es el promedio delos índices de octano obtenidos para tal gasolina en la escala RON y en laMON. En los motores diesel se ha visto que hexadecano o cetano ofreceexcelentes rendimientos al tener un periodo corto de retardo a la ignicióndurante la ignición (esto es, se inflama rápido); él define precisamente alnúmero 100 del índice de cetano al ser particularmente eficiente en losmotores diesel. Su contraparte, el 2,3,4,5,6,7,8-heptametilnonano, tiene unperiodo largo de retardo y, debido a su deficiente desempeño, a él se le haasignado el mínimo de esta escala: un 15. De manera análoga a lo que ocurrecon las mezclas isoctano-heptano en las gasolinas, el índice de cetano que seasigne a un gasóleo será el mismo que el de la correspondiente mezcla decetano-heptametilnonano que presente un desempeño idéntico. Los motoresdiesel típicamente se diseñan para utilizar índices de cetano de entre 40 y 55,ya que debajo de 38 se incrementa rápidamente el retardo de la ignición. En las gasolinas, el índice de octano de las parafinas disminuye a
  • 9. Índices de octano y cetano 9medida que se incrementa la longitud de la cadena, mientras que en el diesel,el índice de cetano se incrementa a medida que aumenta la longitud de lacadena. En la Fig. 5 se representan las estructuras de los alcanos que sirvenpara definir los mejores y los peores desempeños en los motores decombustión interna. 2,3,4,5,6,7,8- isoctano heptano cetano heptametilnonanoFig. 5. Hidrocarburos empleados para definir los índices de octano y cetano. Varios hechos anecdóticos pueden citarse de todo esto: por ejemplo, encontraste con las gasolinas Premium y Magna, de 92 y 87 octanosrespectivamente, cuando Petróleos Mexicanos se constituyó 1938 el paísconsumía un solo grado de combustible con el nombre degasolina, la cual apenas alcanzaba los 57 octanos (noobstante, este índice satisfacía los requerimientos deaquéllos motores. Por otro lado, durante años se hizo famosoel apodo de “Charrito Pemex” a las personas de piernascascorvas debido al logotipo de Pemex en tiempos pasados.Finalmente, podemos citar una historia con ciertos nombres y lugaresconocidos: el año de 1899 llegó a México el ingeniero inglés Wietman D.Pearson. Su objetivo era diseñar el gran canal del desagüe, pero acabóinteresándose por la explotación del petróleo. Con la venia del general Díaz,se hizo de tierras e inició la explotación de pozos petroleros. Algunos leresultaron muy abundantes, como el Potrero del Llano No. 4, en la región
  • 10. Índices de octano y cetano 10huasteca, que arrojó millones de barriles. Los pozos fueron los principalesabastecedores de petróleo del imperio británico en la Primera GuerraMundial y en 1942, durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania torpedeóy hundió al buque Potrero del Llano -nombrado así en honor a esta localidad-,lo que motivó el ingreso de México al conflicto armado. En 1908, Pearson creóla Mexican Eagle Co., empresa que más tarde se conocería como la CompañíaMexicana de Petróleo "El Águila"; algunos trabajadores de la empresa en elpuerto de Veracruz conformaron un equipo de beisbol cuyos uniformes fueronrojos; así nacería a principios del siglo XX el club que hasta el día de hoy sellama Rojos del Águila de Veracruz de la Liga Mexicana de Beisbol. Uno delos baluartes de la compañía se construyó cerca del pueblo de Atzcapotzalco,al noroeste de la ciudad de México, y así en 1933 se inauguraron lasflamantes instalaciones de su refinería. La propiedad sólo le duró a lacompañía 5 años y, tras la expropiación y luego de concluir los trabajos parala ampliación de su capacidad de refinación, se inauguró en 1946 la refinería"18 de Marzo", la cual sería cerrada por Salinas de Gortari en 1991, dejandoal país con solamente 6: Cadereyta -Héctor R. Lara Sosa-, Salamanca -Antonio M. Amor-, Tula -Miguel Hidalgo-, Salina Cruz -Antonio DovalíJaime-, Minatitlán -Lázaro Cárdenas del Río- y Ciudad Madero -Francisco I.Madero- (Estados Unidos, con una población tres veces superior, cuenta con149 refinerías).