“Cosa c’è nel diesel?”è una domanda con due risposte, una molto breve e l’altra molto lunga. La risposta breve è idrocarburi. Gli idrocarburi, come suggerisce il nome, sono molecole fatte di legami atomici di idrogeno e carbonio. Gli idrocarburi sono i componenti di ogni combustibile fossile – e biocarburante – che li rendono preziosi. Gli idrocarburi sono le molecole dei combustibili fossili e dei biocarburanti che accendono, bruciano, bruciano, esplodono, ecc.
A livello molecolare, i combustibili fossili sono semplicemente idrocarburi e contaminanti. I biocarburanti sono idrocarburi anche a livello elementare. Quindi, il diesel è semplicemente una combinazione di diversi idrocarburi. È il mix di idrocarburi – il rapporto tra i diversi idrocarburi-che rende il diesel un combustibile fossile unico.
Più importante che chiedere cosa c’è nel diesel è chiedere quali sono gli idrocarburi nel diesel e in quale combinazione.
Le classi di idrocarburi determinano i tipi di combustibili fossili e biocarburanti
Così come esistono diversi tipi di combustibili fossili e biocarburanti, esistono diverse categorie, classi e tipi di idrocarburi. Le categorie, le classi e i tipi di idrocarburi determinano il tipo di carburante: diesel, benzina, gas naturale, cherosene, ecc. — così come i diversi tipi di biocarburanti.
Esistono due categorie di idrocarburi fossili: saturi e insaturi. E ci sono quattro tipi di classi di idrocarburi, due nella categoria satura e due nella categoria insatura. Chevron.com il documento tecnico Diesel Fuels Technical Review delinea quattro classi: “Ci sono quattro classi principali di idrocarburi: paraffine, nafteni, olefine e aromatici. Ogni classe è una famiglia di singole molecole di idrocarburi che condividono una caratteristica strutturale comune ma differiscono per dimensioni (numero di atomi di carbonio) o geometria. Le classi differiscono anche nel rapporto tra idrogeno e atomi di carbonio e nel modo in cui gli atomi di carbonio sono legati l’uno all’altro.”
Le olefine-note anche come alcheni-e gli aromatici sono idrocarburi insaturi. Gli alcani sono gli unici idrocarburi saturi che si trovano naturalmente nel petrolio greggio.
Caratteristiche delle classi di idrocarburi
Le grandi molecole di idrocarburi e le catene di molecole di idrocarburi lunghe e complesse equivalgono a una maggiore densità di combustibile. Densità del carburante è la quantità di energia in ogni volume di carburante, la quantità di energia in un gallone o litro di diesel, per esempio. Combustibili leggeri come benzina e gas-combustibili statali-gas naturale (metano), propano, ecc. – sono costituiti da piccole molecole di idrocarburi e catene molecolari corte. Di conseguenza, i combustibili leggeri hanno basse densità di energia.
Grandi idrocarburi e lunghe catene di molecole di idrocarburi comprendono la maggior parte degli idrocarburi in combustibili pesanti come diesel, gasolio e combustibile bunker (olio residuo). Questo perché le grandi molecole di idrocarburi e le catene molecolari hanno un’alta densità di energia. Oltre alle dimensioni e alla lunghezza delle molecole di idrocarburi, i rapporti carbonio-idrogeno giocano un ruolo nella densità. Il numero di atomi di carbonio in relazione agli atomi di idrogeno determina il peso e la densità di un combustibile. Maggiore è il numero di atomi di carbonio — o meno atomi di idrogeno — nel rapporto carbonio-idrogeno di una molecola, maggiore è l’energia densa del carburante.
Gli idrocarburi con rapporti idrogeno / carbonio elevati sono più leggeri degli idrocarburi con rapporti carbonio / idrogeno più elevati. Il motivo è che l’idrogeno è l’elemento più leggero sulla Terra. Ne consegue la ragione, quindi, che i combustibili fossili dello stato del gas come il propano e il gas naturale (metano) — che hanno alti conteggi idrogeno-carbonio-sono estremamente leggeri. All’estremità opposta dello spettro, i combustibili fossili spessi e pesanti come il diesel e l’olio combustibile sono ad alto contenuto di carbonio.
Maggiore è il rapporto carbonio-idrogeno, maggiore è la densità di un combustibile.
Idrocarburi e densità del carburante
La densità di energia influisce su tutto, dal chilometraggio del gas e dalle emissioni alla vita del motore. Il chilometraggio del gas, le emissioni — inquinamento — e l’usura di un motore sono prodotti della dimensione della molecola di idrocarburi e della lunghezza della catena della molecola di idrocarburi.
Più alto è il rapporto carbonio-idrogeno, maggiore è l’energia in un combustibile e più pulito il combustibile brucia. Ad esempio, la densità di energia di un gallone di benzina è notevolmente inferiore alla densità di energia di un gallone di diesel. “Diesel e benzina hanno all’incirca la stessa energia per unità di massa (valore di riscaldamento inferiore, circa 41 MJ/kg). La densità del diesel è di circa 833 kg / m3 rispetto a 740 kg / m3 per la benzina. Questo dà diesel circa 13% maggiore densità di energia per volume, ” secondo StackExchange.com.
Di conseguenza, almeno in parte, i motori diesel sono tra il 25 e il 35% più efficienti rispetto ai loro omologhi motori a benzina e durano da due a tre volte più a lungo.
Quattro classi di idrocarburi
Ancora una volta, ci sono solo quattro classi di idrocarburi: paraffine, nafteni, olefine e aromatici. Poiché ci sono solo quattro classi di idrocarburi, necessariamente, ciò significa che gli idrocarburi nei combustibili fossili rientrano in una delle quattro classi. Tuttavia, ci sono centinaia di diversi tipi di idrocarburi nel diesel e in ogni altro tipo di combustibile fossile.
Il solo Diesel contiene più di 500 diversi tipi di idrocarburi. E molti degli idrocarburi nel diesel esistono anche nella benzina e in altri combustibili fossili. Mentre i combustibili fossili hanno idrocarburi in comune, è il rapporto tra grandi e piccole molecole di idrocarburi che separano i combustibili fossili. C’è una formula per la miscela di idrocarburi in ogni combustibile fossile.
Allo stesso modo, esiste una formula di idrocarburi per il diesel.
Categorie e classi di idrocarburi nel gasolio
Le quattro classi di idrocarburi rientrano in una delle due categorie. Indipendentemente da quale delle quattro classi rientra un idrocarburo, un idrocarburo è un idrocarburo saturo o un idrocarburo insaturo. Il rapporto tra idrocarburi saturi e idrocarburi insaturi varia in diesel.
Ma il rapporto è tipicamente di circa quattro idrocarburi saturi per ogni idrocarburo insaturo.
Per quanto riguarda le classi di idrocarburi, gli idrocarburi nel gasolio rientrano in una delle tre categorie: paraffine, aromatici e nafteni. Le olefine sono molto rare nel gasolio perché non sono comuni nel petrolio greggio. “Le olefine si trovano raramente nel petrolio greggio; sono formate da alcuni processi di raffineria.”Come spiega il Dipartimento Advanced Motor Fuels della Energy Technology Network,” Il gasolio è costituito principalmente da paraffine, aromatici e nafteni. Il gasolio contiene idrocarburi con circa 12-20 atomi di carbonio e l’intervallo di ebollizione è compreso tra 170 e 360 °C.”
Cosa sono gli idrocarburi saturi — alcani
Gli idrocarburi saturi costituiscono la maggior parte degli idrocarburi nel gasolio. Circa il 75% degli idrocarburi nel diesel sono idrocarburi saturi. Come ci sono diversi tipi di idrocarburi, ci sono diversi tipi di idrocarburi saturi o alcani.
Diversi tipi di alcani — idrocarburi saturi — hanno un numero diverso di atomi di idrogeno e atomi di carbonio. E, diversi alcani hanno diversi rapporti idrogeno-carbonio. Ci sono due tipi di alcani nel gasolio: paraffine e nafteni. “Paraffine e nafteni sono classificati come idrocarburi saturi perché non è possibile aggiungere più idrogeno senza rompere la spina dorsale del carbonio.”
Idrocarburi paraffinici
Le paraffine normali sono molecole a catena singola. C’è una spina dorsale di atomi di carbonio. Attaccato agli atomi di carbonio sono tra uno e tre atomi di idrogeno. “Le paraffine normali hanno atomi di carbonio legati per formare molecole simili a catene, con ogni carbonio-tranne quelli alle estremità – legato ad altri due, uno su entrambi i lati.”Ma, simile al fatto che ci sono diversi combustibili fossili perché ci sono diversi tipi di idrocarburi — saturi e insaturi — ci sono diversi tipi di paraffine. Oltre alle normali paraffine, ci sono anche isoparaffine.
Idrocarburi isoparaffinici
Le isoparaffine hanno la stessa spina dorsale di carbonio delle paraffine normali. Tuttavia, oltre alla spina dorsale degli atomi di carbonio, le isoparaffine hanno rami di carbonio. L’implicazione è che un diverso idrocarburo di paraffina può avere lo stesso numero di atomi di carbonio e idrogeno in una catena, ma una struttura diversa.
“Le isoparaffine hanno una spina dorsale di carbonio simile, ma hanno anche uno o più carboni che si ramificano dalla spina dorsale. Il decano normale e il 2,4-dimetilottano hanno la stessa formula chimica, C10H22, ma diverse proprietà chimiche e fisiche. Composti come questo, con la stessa formula chimica ma una diversa disposizione degli atomi, sono chiamati isomeri strutturali.”
Idrocarburi cicloalcani (nafteni)
Oltre alle molecole a catena singola e alle molecole a catena con rami, gli idrocarburi paraffinici si sviluppano anche in catene in cui le due estremità si legano per formare un anello. Idrocarburi paraffinici che loop sono cicloalcani o nafteni.
E, ogni tipo di alcano può avere un gran numero di tipi diversi.
“In condizioni standard di temperatura e pressione (STP), il primo dei quattro membri dell’alcano serie (metano, etano, propano e butano) sono in forma gassosa, e composti a partire da C5H12 (pentano) a n-heptadecane (C17H36) sono liquidi (che costituiscono grandi frazioni di idrocarburi trovato nei combustibili liquidi (ad esempio, benzina, kerosene e gasolio), mentre n-octadecane (C18H38) pesanti e composti esistere come cera-come solidi di STP. Queste paraffine più pesanti sono solubili in paraffine più leggere o altri idrocarburi e possono essere trovate in gasolio e oli combustibili. Le paraffine da C1 a C40 di solito compaiono nel petrolio greggio (alcani più pesanti in soluzione liquida, non come particelle solide) e rappresentano fino al 20% del greggio in volume.”
I restanti componenti del gasolio sono aromatici, idrocarburi insaturi.
Cosa sono gli idrocarburi insaturi — aromatici — nel diesel
Gli aromatici sono idrocarburi insaturi. Gli aromatici costituiscono i non alcani nel gasolio. “I combustibili diesel hanno contenuti aromatici nell’intervallo dal 15 al 37% del volume.”Ci sono tre tipi di aromatici: mono-aromatici, di-aromatici e tri-aromatici. Mentre ci sono centinaia di tipi specifici di aromatici nel diesel, c’è solo una mezza dozzina che costituisce una parte importante del diesel contemporaneo.
I più comuni composti aromatici nel diesel sono:
- Benzene
- Toluene o methylbenzene
- m-xilene o 1,3-dimetilbenzene
- Etilbenzene
- Propil benzene
- Isopropylbenzene
Vantaggi e Svantaggi, Aromatici,
Aromatici giocare un ruolo cruciale in due importanti qualità di diesel. Innanzitutto, maggiore è il numero di aromatici, maggiore è la viscosità. Quindi, più aromatici nel diesel, più fluido è. Inoltre, gli aromatici sono idrocarburi volatili che significano che gli aromatici aiutano con il freddo del motore diesel. E, più aromatici, maggiore è la valutazione del cetano di un gasolio. Ma, ci sono anche svantaggi di aromatici, in particolare per quanto riguarda l’ambiente.
Gli aromatici, quando bruciati, producono emissioni più sporche di quelle generate dagli alcani. “Gli aromatici possono portare a composti cancerogeni nei gas di scarico, come benzene e composti poliaromatici. Le olefine nella benzina possono portare ad un aumento della concentrazione di olefine reattive nei gas di scarico, alcune delle quali sono cancerogene, tossiche o possono aumentare il potenziale di formazione di ozono.”
Idrocarburi buoni contro cattivi nel diesel
Il gasolio non è un combustibile “pulito” secondo l’ambientalista tradizionale. Il motivo è, il particolato e lo smog associati alla combustione del gasolio. Tuttavia, il fumo nero prodotto dai motori diesel non è affatto diverso dal fumo dei camini, dei vulcani e degli incendi boschivi. Mentre brutto, il fumo nero che i motori diesel del passato producevano era semplicemente idrocarburi incombusti.
Probabilmente le emissioni più pericolose dei motori a combustione sono i gas invisibili presenti nelle emissioni. Il monossido di carbonio, ad esempio, viene prodotto in quantità estremamente basse dai motori diesel. D’altra parte, i motori a benzina producono quantità significative.
C’è una ragione — la prevalenza di un idrocarburo su un altro — che separa il diesel dagli altri combustibili fossili: i nafteni. “I nafteni sono una classe di idrocarburi alifatici ciclici o semplicemente cicloalcani.”Semplicemente, nafteni sono alcani che loop. Ciò significa che i nafteni sono ricchi di energia ed estremamente densi. Ancora più importante, le emissioni di nafteni non sono tossiche.
Mentre tutti i combustibili fossili hanno un gran numero di paraffine (alcani) e aromatici, non tutti i combustibili fossili hanno grandi quantità di nafteni. Invece di nafteni, il terzo componente in combustibili leggeri come benzina e combustibili fossili di gas-stato sono alcheni. Gli alcheni sono tossici. Quindi, a un livello fondamentale, il diesel è diverso dalla benzina e da altri combustibili leggeri a gas perché ha nafteni, emissioni preziose e non tossiche che producono idrocarburi.
Idrocarburi Diesel Rispetto a quelli di Altri combustibili fossili
Fortunatamente gli idrocarburi “puliti” sono gli stessi idrocarburi ad alta densità energetica. Allo stesso modo, quegli idrocarburi che sono tossici per le persone e danneggiano l’atmosfera e l’ambiente sono anche quelli che non sono densi di energia. Mentre il diesel ha problemi per quanto riguarda l’inquinamento delle emissioni, questi problemi non sono legati agli idrocarburi. Mentre lo zolfo nel diesel normale è tossico, il diesel a basso tenore di zolfo è considerevolmente meno inquinante della benzina.
Il diesel ha un contenuto di alcano superiore a quello della benzina e un contenuto di aromatici inferiore. Inoltre, la benzina ha un alto contenuto di alcheni. Gli alcheni producono emissioni tossiche. Invece di alcheni, diesel contiene nafteni, una forma di alcani. Gli alcani sono la classe di idrocarburi più pulita rispetto alle emissioni. E i nafteni hanno la più alta densità di energia di tutti gli idrocarburi.
Per quanto riguarda le emissioni di idrocarburi, il diesel è il combustibile fossile più pulito.