«¿Qué hay en el diesel?»es una pregunta con dos respuestas, una muy corta y la otra muy larga. La respuesta corta son los hidrocarburos. Los hidrocarburos, como su nombre lo indica, son moléculas hechas de enlaces de átomos de hidrógeno y carbono. Los hidrocarburos son los componentes de todos los combustibles fósiles – y biocombustibles-que los hacen valiosos. Los hidrocarburos son las moléculas de los combustibles fósiles y biocombustibles que se encienden, queman, queman, explotan, etc.
A nivel molecular, los combustibles fósiles son simplemente hidrocarburos y contaminantes. Los biocombustibles también son hidrocarburos a nivel elemental. Por lo tanto, el diesel es simplemente una combinación de diferentes hidrocarburos. Es la mezcla de hidrocarburos – la proporción de los diferentes hidrocarburos-lo que hace del diesel un combustible fósil único.
Más importante que preguntar qué hay en el diesel es preguntar qué hidrocarburos hay en el diesel y en qué combinación.
Las clases de hidrocarburos Determinan los tipos de combustibles fósiles y Biocombustibles
Así como hay diferentes tipos de combustibles fósiles y biocombustibles, hay diferentes categorías, clases y tipos de hidrocarburos. Las categorías, clases y tipos de hidrocarburos determinan el tipo de combustible: diesel, gasolina,gas natural, queroseno, etc. — así como los diferentes tipos de biocombustibles.
Hay dos categorías de hidrocarburos de combustibles fósiles: saturados e insaturados. Y hay cuatro tipos de clases de hidrocarburos, dos en la categoría saturada y dos en la categoría insaturada. Chevron.com El documento técnico Diesel Fuels Technical Review describe cuatro clases, » Hay cuatro clases principales de hidrocarburos: parafinas, naftenos, olefinas y aromáticos. Cada clase es una familia de moléculas de hidrocarburos individuales que comparten una característica estructural común, pero difieren en tamaño (número de átomos de carbono) o geometría. Las clases también difieren en la relación entre átomos de hidrógeno y carbono y en la forma en que los átomos de carbono se unen entre sí.»
Las olefinas, también conocidas como alquenos, y los aromáticos son hidrocarburos insaturados. Los alcanos son los únicos hidrocarburos saturados que se producen naturalmente en el petróleo crudo.
Las características de las clases de hidrocarburos
Las moléculas de hidrocarburos grandes y las cadenas moleculares de hidrocarburos largas y complejas equivalen a una mayor densidad de combustible. La densidad de combustible es la cantidad de energía en cada volumen de combustible, la cantidad de energía en un galón o litro de diesel, por ejemplo. Combustibles ligeros como la gasolina y los combustibles de estado gaseoso: gas natural (metano), propano, etc. – consisten en pequeñas moléculas de hidrocarburos y cadenas moleculares cortas. Como resultado, los combustibles ligeros tienen bajas densidades de energía.
Los hidrocarburos grandes y las cadenas moleculares de hidrocarburos largos comprenden la mayoría de los hidrocarburos en combustibles pesados como el diesel, el combustible diesel y el combustible para combustible de depósito (aceite residual). Esto se debe a que las grandes moléculas de hidrocarburos y las cadenas moleculares tienen una alta densidad de energía. Además del tamaño y la longitud de las moléculas de hidrocarburos, las relaciones carbono-hidrógeno juegan un papel en la densidad. El número de átomos de carbono en relación con los átomos de hidrógeno determina el peso y la densidad de un combustible. Cuanto mayor sea el número de átomos de carbono — o menos átomos de hidrógeno — en la relación carbono-hidrógeno de una molécula, más denso será el combustible.
Los hidrocarburos con relaciones hidrógeno / carbono elevadas son más ligeros que los hidrocarburos con relaciones carbono / hidrógeno superiores. La razón es que el hidrógeno es el elemento más ligero de la Tierra. De ahí la razón, entonces, de que los combustibles fósiles en estado gaseoso como el propano y el gas natural (metano), que tienen altos recuentos de hidrógeno a carbono, son extremadamente ligeros. En el extremo opuesto del espectro, los combustibles fósiles gruesos y pesados como el diesel y el fuel oil tienen un alto contenido de carbono.
Cuanto mayor sea la relación carbono-hidrógeno, mayor será la densidad de un combustible.
Densidad de hidrocarburos y combustible
La densidad de energía afecta a todo, desde el kilometraje de gas y las emisiones hasta la vida útil del motor. El consumo de gas, las emisiones-contaminación-y el desgaste de un motor son productos del tamaño de la molécula de hidrocarburo y la longitud de la cadena de la molécula de hidrocarburo.
Cuanto mayor sea la relación carbono-hidrógeno, más energía hay en un combustible y más limpio se quema el combustible. Por ejemplo, la densidad de energía de un galón de gasolina es considerablemente menor que la densidad de energía de un litro de gasoil. «El diesel y la gasolina tienen aproximadamente la misma energía por unidad de masa (menor valor calorífico, aproximadamente 41 MJ/kg). La densidad del diesel es de aproximadamente 833 kg / m3 en comparación con los 740 kg/m3 de la gasolina. Esto le da al diesel aproximadamente un 13% más de densidad de energía por volumen», según StackExchange.com.
Como resultado, al menos en parte, los motores diesel son entre un 25 y un 35 por ciento más eficientes que sus homólogos de gasolina y duran de dos a tres veces más.
Cuatro clases de Hidrocarburos
Una vez más, solo hay cuatro clases de hidrocarburos: parafinas, naftenos, olefinas y compuestos aromáticos. Debido a que solo hay cuatro clases de hidrocarburos, necesariamente, eso significa que los hidrocarburos en los combustibles fósiles caen dentro de una de las cuatro clases. Sin embargo, hay cientos de tipos de hidrocarburos diferentes en el diesel, así como en cualquier otro tipo de combustible fósil.
El gasóleo solo contiene más de 500 tipos diferentes de hidrocarburos. Y, muchos de los hidrocarburos en el diesel también existen en la gasolina y otros combustibles fósiles. Si bien los combustibles fósiles tienen hidrocarburos en común, es la proporción de moléculas de hidrocarburos grandes a pequeñas las que separan los combustibles fósiles. Hay una fórmula para la mezcla de hidrocarburos en cada combustible fósil.
Del mismo modo, hay fórmula de hidrocarburos para diesel.
Categorías y Clases de Hidrocarburos en Diesel
Las cuatro clases de hidrocarburos caen en una de dos categorías. Independientemente de a cuál de las cuatro clases pertenezca un hidrocarburo, un hidrocarburo es un hidrocarburo saturado o un hidrocarburo insaturado. La relación entre hidrocarburos saturados e hidrocarburos insaturados varía en el diésel.
Pero, la proporción es típicamente de alrededor de cuatro hidrocarburos saturados por cada hidrocarburo insaturado.
Con respecto a las clases de hidrocarburos, los hidrocarburos del gasóleo pertenecen a una de tres categorías: parafinas, aromáticos y naftenos. Las olefinas son muy poco comunes en el combustible diesel porque son poco comunes en el petróleo crudo. «Las olefinas rara vez se encuentran en el petróleo crudo; se forman mediante ciertos procesos de refinería.»Como explica el Departamento de Combustibles de Motor Avanzados de la Red de Tecnología Energética,» El combustible diesel consiste principalmente en parafinas, aromáticos y naftenos. El combustible diésel contiene hidrocarburos con aproximadamente 12-20 átomos de carbono y el intervalo de ebullición oscila entre 170 y 360 °C.»
Qué son los hidrocarburos saturados-Alcanos –
Los hidrocarburos saturados constituyen la mayoría de los hidrocarburos del combustible diésel. Alrededor del 75 por ciento de los hidrocarburos en el diesel son hidrocarburos saturados. Al igual que hay diferentes tipos de hidrocarburos, hay diferentes tipos de hidrocarburos saturados o alcanos.
Diferentes tipos de alcanos — hidrocarburos saturados — tienen diferentes números de átomos de hidrógeno y átomos de carbono. Y, diferentes alcanos tienen diferentes relaciones hidrógeno-carbono. Hay dos tipos de alcanos en el combustible diesel: parafinas y naftenos. «Las parafinas y los naftenos se clasifican como hidrocarburos saturados porque no se les puede agregar más hidrógeno sin romper la columna vertebral de carbono.»
Hidrocarburos de parafina
Las parafinas normales son moléculas de cadena única. Hay una columna vertebral de átomos de carbono. Adjunto a los átomos de carbono están entre uno y tres átomos de hidrógeno. «Las parafinas normales tienen átomos de carbono unidos para formar moléculas en forma de cadena, con cada carbono, excepto los de los extremos, unido a otros dos, uno a cada lado.»Pero, al igual que el hecho de que hay diferentes combustibles fósiles porque hay diferentes tipos de hidrocarburos, saturados e insaturados, hay diferentes tipos de parafinas. Además de las parafinas normales, también hay isoparafinas.
Hidrocarburos de isoparafina
Las isoparafinas tienen la misma columna vertebral de carbono que las parafinas normales. Sin embargo, además de la columna vertebral de los átomos de carbono, las isoparafinas tienen ramas de carbono. La implicación es que un hidrocarburo de parafina diferente puede tener el mismo número de átomos de carbono e hidrógeno en una cadena, pero una estructura diferente.
«Las isoparafinas tienen una columna vertebral de carbono similar, pero también tienen uno o más carbonos que se ramifican desde la columna vertebral. El decano normal y el 2,4-dimetiloctano tienen la misma fórmula química, C10H22, pero diferentes propiedades químicas y físicas. Compuestos como este, con la misma fórmula química pero una disposición diferente de átomos, se llaman isómeros estructurales.»
Hidrocarburos cicloalcanos (naftenos)
Además de moléculas de cadena única y moléculas de cadena con ramas, los hidrocarburos de parafina también se convierten en cadenas en las que los dos extremos se unen para formar un bucle. Los hidrocarburos de parafina en bucle son cicloalcanos o naftenos.
Y, cada tipo de alcano puede tener un gran número de tipos diferentes.
«En condiciones estándar de temperatura y presión (STP), los primeros cuatro miembros de la serie de alcanos (metano, etano, propano y butano) están en forma gaseosa, y los compuestos que comienzan desde C5H12 (pentano) hasta n-heptadecano (C17H36) son líquidos (que constituyen grandes fracciones de hidrocarburos que se encuentran en combustibles líquidos (por ejemplo, gasolina, combustible para aviones y combustible diesel), mientras que el n-octadecano (C18H38) o compuestos más pesados existen aisladamente como sólidos similares a cera en STP. Estas parafinas más pesadas son solubles en parafinas más ligeras u otros hidrocarburos y se pueden encontrar en el combustible diesel y los aceites combustibles. Las parafinas de C1 a C40 suelen aparecer en el petróleo crudo (alcanos más pesados en solución líquida, no como partículas sólidas) y representan hasta el 20% del volumen del crudo.»
Los componentes restantes del combustible diésel son compuestos aromáticos, hidrocarburos insaturados.
Qué son los hidrocarburos insaturados-Aromáticos-en el diésel
Los aromáticos son hidrocarburos insaturados. Los compuestos aromáticos constituyen los no alcanos del combustible diésel. «Los combustibles diesel tienen un contenido de aromáticos del 15 al 37% en volumen.»Hay tres tipos de aromáticos: mono-aromáticos, di-aromáticos y tri-aromáticos. Si bien hay cientos de tipos específicos de aromáticos en el diesel, solo hay media docena que constituye una parte importante del diesel contemporáneo.
Los compuestos aromáticos más comunes en el diesel son:
- Benceno
- Tolueno o metilbenceno
- m-xileno o 1,3-dimetilbenceno
- Etilbenceno
- Propilbenceno
- Isopropilbenceno
Beneficios y desventajas de los Aromáticos
Los aromáticos desempeñan un papel crucial en dos cualidades importantes del diesel. En primer lugar, cuanto mayor sea el número de aromáticos, mayor será la viscosidad. Por lo tanto, cuantos más aromáticos contiene el diesel, más fluido es. Además, los aromáticos son hidrocarburos volátiles, lo que significa que los aromáticos ayudan con los arranques en climas fríos del motor diesel. Y, cuanto más aromáticos, mayor es el índice de cetano de un combustible diesel. Pero, también hay inconvenientes de los aromáticos, particularmente con respecto al medio ambiente.
Los aromáticos, cuando se queman, producen emisiones más sucias que las que generan los alcanos. «Los compuestos aromáticos pueden dar lugar a compuestos cancerígenos en los gases de escape, como el benceno y los compuestos poliaromáticos. Las olefinas de la gasolina pueden provocar un aumento de la concentración de olefinas reactivas en los gases de escape, algunos de los cuales son cancerígenos, tóxicos o pueden aumentar el potencial de formación de ozono.»
Hidrocarburos buenos Vs malos en Diesel
El combustible diesel no es un combustible «limpio» según los ecologistas tradicionales. La razón es la materia particulada y el smog asociados con la quema de diesel. Sin embargo, el humo negro producido por los motores diesel no es muy diferente al humo de las chimeneas, volcanes e incendios forestales. Aunque feo, el humo negro que producían los motores diesel del pasado era simplemente hidrocarburos sin quemar.
Podría decirse que las emisiones más peligrosas de los motores de combustión son los gases invisibles que se encuentran en las emisiones. Por ejemplo, los motores diésel producen monóxido de carbono en cantidades extremadamente bajas. Por otro lado, los motores de gasolina producen cantidades significativas.
Hay una razón-la prevalencia de un hidrocarburo sobre otro-que separa el diesel de otros combustibles fósiles: los naftenos. «Los naftenos son una clase de hidrocarburos alifáticos cíclicos o simplemente cicloalcanos.»Simplemente, los naftenos son alcanos que se enlazan. Eso significa que los naftenos son ricos en energía y extremadamente densos. Lo que es más importante, las emisiones de naftenos no son tóxicas.
Mientras que todos los combustibles fósiles tienen grandes cantidades de parafinas (alcanos) y compuestos aromáticos, no todos los combustibles fósiles tienen grandes cantidades de naftenos. En lugar de naftenos, el tercer componente de los combustibles ligeros como la gasolina y los combustibles fósiles en estado gaseoso son los alquenos. Los alquenos son tóxicos. Por lo tanto, a un nivel fundamental, el diesel es diferente de la gasolina y otros combustibles de gas ligero porque tiene naftenos, emisiones valiosas y no tóxicas que producen hidrocarburos.
Hidrocarburos diésel En comparación con los de Otros Combustibles fósiles
Afortunadamente, los hidrocarburos que son «limpios» son los mismos hidrocarburos que tienen una alta densidad de energía. Del mismo modo, aquellos hidrocarburos que son tóxicos para las personas y dañan la atmósfera y el medio ambiente también son aquellos que no son densos en energía. Si bien el diesel tiene problemas con respecto a la contaminación por emisiones, esos problemas no están relacionados con los hidrocarburos. Mientras que el azufre en el diesel regular es tóxico, el diesel con bajo contenido de azufre es considerablemente menos contaminante que la gasolina.
El diesel tiene un contenido de alcanos más alto que la gasolina y un contenido de aromáticos más bajo. Además, la gasolina tiene un alto contenido de alquenos. Los alquenos producen emisiones tóxicas. En lugar de alquenos, el diesel contiene naftenos, una forma de alcanos. Los alcanos son la clase de hidrocarburos más limpia con respecto a las emisiones. Y los naftenos tienen la densidad de energía más alta de todos los hidrocarburos.
Con respecto a las emisiones de hidrocarburos, el diesel es el combustible fósil más limpio.