Combustibles líquidos I. Generalidades

Clases de combustibles líquidos

Los combustibles líquidos, desde el punto de vista industrial, son aquellos productos que provienen del petróleo bruto o del alquitrán de hulla. Los clasificacamos según su viscosidad o según du fluidez si es que proceden del alquitrán de hulla.

(*) La composición de éstos serán las sustancias menos volátiles que obtendremos en la rectificación primaria de la hulla

El crudo de petróleo contiene un gran número de compuestos hidrocarbonados, pero que a su vez, dentro de las clases que pueden presentarse, estos abarcan un amplio espectro de compuestos hidrocarbonados.

A partir del crudo de petróleo podemos obtener un gran número de combustibles líquidos. El petróleo resulta ser la fuente por antonomasia de combustibles líquidos. Los principales combustibles líquidos son:

• Gasolinas: Abarcan compuestos hidrocarbonados que van desde C₄ a C₁₀.
• Kerosenos: C₁₀ a C₁₄: cadenas hidrocarbonadas de 10 a 14 átomos de C
• Turboreactores: C₁₀ - C₁₈/C₁₄
• Gasóleos: C₁₅-C₁₈
• Fuel-oil: Van a ser lo que tengan un punto de destilación más altos; es decir, los de mayor número de átomos de carbono y los más pesados.

Características más importantes de los combustibles líquidos

Como derivados que son del petróleo crudo, los combustibles líquidos están formados básicamente por compuestos hidrocarbonados. Pueden contener, además, O₂, S, N,..

Las principales características que caracterizan a un combustible líquido serán: poder calorífico, densidad específica, viscosidad, volatilidad, punto de inflamación, punto de enturbamiento y congelación, contenido de azufre, punto de anilina y presión vapor Reid.

1)   Poder Calorífico: Es el calor de combustión : energía liberada cuando se somete el combustible a un proceso de oxidación rápido, de manera que el combustible se oxida totalmente y que desprende una gran cantidad de calor que es aprovechable a nivel industrial.

Se tratará de evaluar el rendimiento del combustible en una instalación industrial.

Hay que recordar la diferencia entre PCS y PCI: En uno consideramos la formación de agua en estado líquido y en otro en estado vapor. Así, la diferencia entre ambos será el calor de vaporización del H₂O (540 kca/kg)

2)   Densidad específica o relativa: Fue la primera que se utilizó para catalogar los combustibles líquidos. Los combustibles se comercializan en volumen, por ello es importante saber la densidad que tienen a temperatura ambiente.

Se define la densidad específica como:

Densidad específica o relativa =

La escala más comunmente utiliza es la escala en grados API (a 15ºC)

API definió sus densímetros perfectamente, estableciendo sus características y dimensiones en las especificaciones.

Las densidad específicas o relativas de los combustibles líquidos varían, pero los más ligeros serán los que tengan menor contenido en átomos de carbono. De este modo, las gasolinas serán las que tengan menor densidad específica, mientras que los fuel-óleos serán los que mayor densidad específica tengan. Esto se comprueba con los siguientes datos:

• Gasolinas: 0,60/0,70
• Gasóleos: 0,825/ 0,860
• Fuelóleos: 0,92/1

Es importante conocer la densidad específica y la temperatura a la que se midió, porque los combustibles líquidos, como ya dijimos, se comercializan midiendo su volumen, el cual va a variar con la temperatura.

Hay ecuaciones que correlacionan la variación de densidad con la variación de la temperatura (tablas ASTM)

3)   Viscosidad: Mide la resistencia interna que presenta un fluido al desplazamiento de sus moléculas. Esta resistencia viene del rozamiento de unas moléculas con otras. Puede ser absoluta o dinámica, o bien relativa o cinemática.

La fluidez es la inversa de la viscosidad. Por ello la medida de la viscosidad es importante porque nos va a dar una idea de la fluidez del combustible; permite apreciar la posibilidad del bombeo de un producto en una canalización y de este modo nos permite saber si podemos tener un suministro regular. La viscosidad es muy importante en el caso de los fuel-oils, ya que éstos se clasifican siguiendo criterios de viscosidad a una determinada temperaturas.

 

La unidad de la viscosidad es el Poise: g.cm^-1.s^-1

La viscosidad cinemática se define como:

Viscosidad cinemática=

La viscosidad relativa se define como:

Viscosidad relativa =

Para medir la viscosidad en combustibles líquidos se emplean viscosímetro de vidrio. Es muy importante decir la temperatura a la cual se ha evaluado la densidad. Existen diversas escalas para expresar la viscosidad de un producto petrolífero y existen también ecuaciones de correlación entre ellas. El hecho de que un combustible (o un líquido en general) tenga la viscosidad muy alta quiere decir que es poco fluido.

4)   Volatilidad. Curva de destilación: La volatilidad se determina con la curva de destilación. Un combustible líquido es una fracción de la destilación del crudo de petróleo. Tendremos una u otra cosa dependiendo de donde cortemos en la destilación, es decir, de las temperaturas donde recojamos en el intervalo de destilación. No tendremos una temperatura única, sino que a medida que el volumen recogido va aumentando va variando la temperatura.

La temperatura va a ascendiendo porque tenemos otros compuestos con más átomos de C en la cadena que se van evaporando poco a poco. Despues de condensan al ponerse en contacto con las paredes frías y se recogen. Así, cuanto mayor sea la temperatura, se evaporarán los más pesados, los de mayor número de átomos de carbono en la cadena

Parámetros de la destilación

Dependerán del combustible a destilar. Son:

• Punto inicial de destilación: IBP: Temperatura a la que cae la primera gota de destilado
• Punto final de destilación: EBP
• Volumen de pérdida (P)
• Volumen de residuos ( r )
• Volumen de recogido ( R )

Si ponemos inicialmente 100 ml, las pérdidas serán 100-(R+r)

Los residuos son los que no son capaces de pasar a fase vapor

Todo lo dicho es referido a una presión de 760 mm Hg. Como la presión del ensayo no va a ser esa, se mide la presión del ensayo y después se hacen las correcciones para que las temperaturas medidas estén referidas a 760 mm Hg.

Este ensayo de volatilidad se aplica a gasolinas, naftas y querosenos, combustibles de turborreactores y gasóleos. El ensayo para los combustibles más pesados habria que hacerlo a presión reducida, no a la atmosférica, y es por ello que no se hace a los fuel-oils.

5)   Punto de Inflamación: Se define como la mínima temperatura a la cual los vapores originados en el calentamiento a una cierta velocidad de una muestra de combustible se inflaman cuando se ponen en contacto con una llama piloto de una forma determinada. Esto en lo que se refiere a un combustible líquido. El punto de inflamación nos da una idea de la cantidad de compuestos volátiles o muy volátiles que puede tener un combustible. Teniendo en cuenta el punto de inflamación podremos estimar cuales van a ser las condiciones de almacenamiento de ese combustible. Según como vayan a ser las condiciones de almacenamiento, el punto de inflamación se determinirá en vaso abierto Cleveland o en vaso cerrado Perski-Maters

6)   Punto de enturbiamiento y congelación: Todas las características que se han mencionado se refieren al número de átomos de carbono en las cadenas. El punto de enturbiamiento sólo se aplica a los gasóleos, y es la temperatura mínima a la que sometiendo el combustible a un enfriamiento controlado se forman en el seno del mismo los primeros cristales de parafina (de cadenas carbonadas lineales, alcanos. Son los de mayor punto de congelación y los más pesados.

Los componentes más pesados son los que cristalizan y solidifican antes, son los de más alto punto de congelación (lo hacen con “más calor”). Esto va a dificultar el fluir del combustible. Esta característica se suele sustituir hoy en día por el punto de obstrucción del punto en frío (PDF), y que consiste en una prueba análoga a la anterior (se observa la formación de los primeros cristales de parafina), pero que se realiza de un modo distinto

Punto de congelación: La diferencia con el punto de enturbiamiento está en el termómetro utilizado. Se aplica a gasóleos y a fuel-oils. En el punto de enturbiamiento el termómetro toca el fondo del tubo de ensayo; en la prueba del punto de congelación, no se toca el fondo del tubo de ensayo, ya que aquí se mide la temperatura a la cual se ha solidificado toda la muestra.

En el de enturbiamiento vemos cuando solidifican los primeros cristales (es decir, los de punto de congelación más alto). En el de congelación ya ha solidificado toda la muestra. Si ponemos el tubo horizontal, la muestra no debe moverse en 3 segundos

Prueba de enturbiamiento: Vemos cristales de compuestos parafínicos, que son los los que tienen el punto de congelación más alto

Punto de congelación

Hay un mayor número de compuestos hidrocarbonados solidificados. A esta temperatura el producto no puede fluir por la canalización en la que se encuentra. Hay que tener que no se alcance este punto en la operación del combustible porque podría acarrear graves problemas.

7)   Contenido en azufre: El azufre que se encuentra en un combustible líquido deriva del crudo de petróleo del que procede el combustible y a veces puede derivar de algún proceso al que ha sido sometido en el fraccionamiento. Nos interesará que el contenido en azufre sea el menor posible, ya que la legislación marca unos límites.

Los problemas que nos pueden provocar el azufre contenido en un combustible líquido son:

1. Corrosiones en los equipos en los que se quema el combustible, en equipos auxiliares (chimeneas), precalentadores de aire,...
2. Contaminación ambiental, que se debe evitar
3. Influye sobre el poder calorífico del combustible, pudiendo hacer que sea menor. Puede variarlo bastante
4. Si estamos utilizando el combustible en una planta donde se van a utilizar los gases de combustión, puede traer problemas al entrar en contacto directo con lo que se está produciendo en la planta.

8)   Punto de anilina: El punto de anilina es la temperatura mínima a la cual una mezcla de anilina y muestra al 50% en volumen son miscibles (la anilina es una fenil-amina) dibujo. Se trata pues de la temperatura de solubilidad de la anilina y la muestra. Este punto caracteriza muy bien a los productos petrolíferos, pues tanto éstos como la anilina son compuestos aromáticos, y como lo semejante disuelve a lo semejante, resulta que si el punto de anilina es bajo, el contenido de aromáticos es mayor, y si es alto, el contenido de parafinas será entonces mayor. De este modo podemos determinar si un petróleo tiene un carácter más parafínico o más aromático.

El ensayo para determinar el punto de la anilina consiste en meter la muestra en un baño de calentamiento. A temperatura ambiente son miscibles. Se aumenta la temperatura hasta que se mezclan, que será cuando la mezcla se vuelve transparente (aquí es cuando se ve el filamento de la bombilla, que está situada detrás del tubo, sujeta a la placa metálica que sostiene el tubo)

9)   Presión de vapor de Reid: Aunque esta no sea una medida exacta de la volatilidad, nos mide la tendencia que presenta el combustible a pasar a fase vapor. Para determinarla se mide la presiónn de vapor formado en el calentamiento de una muestra de un combustible líquido a 37.8ºC (ASTM-D323)

Esta puebla se emplea para saber qué ocurrirá en el almacenamiento de los productos en la refinería. Este ensayo no es una medida de la presión de vapor real, porque el aire que contiene la cámara va a estar en contacto con los vapores que se producen en el ensayo. Los sí es una medida indirecta de elementos ligeros o muy volátiles que contiene el combustible a ensayar. De esto deduciremos las conclusiones necesarias de cara al almacenamiento y transporte del combustible.

Para hacer esta ensayo hay que tener cuidado de no perder materia volátil de la muestra en su manipulación. Se leerá la presión en el manómetro, siendo ésta una medida indirecta de las materias volátiles que contiene.