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El diesel

Miguel A. Leiva y Nuncio
Nicolás Rodríguez Martínez

En una refinería, el petróleo es convertido a una variedad de productos mediante proceso físicos y químicos.

wpe53.jpg (23198 bytes)El primer proceso al que se somete el petróleo en la refinería, es la destilación para separarlo en diferentes fracciones (Figura 1). La sección de destilación es la unidad más flexible en la refinería, ya que las condiciones de operación pueden ajustarse para poder procesar un amplio intervalo de alimentaciones, desde crudos ligeros hasta pesados. Dentro de las torres de destilación, los líquidos y los vapores se separan en fracciones de acuerdo a su peso molecular y temperatura de ebullición. Las fracciones más ligeras, incluyendo gasolinas y gas LP, vaporizan y suben hasta la parte superior de la torre donde se condensan. Los líquidos medianamente pesados, como la querosina y la fracción diesel, se quedan en la parte media. Los líquidos más pesados y los gasóleos ligeros primarios, se separan más abajo, mientras que los más pesados en el fondo. Las gasolinas contienen fracciones que ebullen por debajo de los 200¡C mientras que en el caso del diesel sus fracciones tiene un límite de 350¡C. Esta última contiene moléculas de entre 10 y 20 carbones, mientras que los componentes de la gasolina se ubican en el orden de 12 carbones o menos.

El combustible diesel, también se manufactura, en muchos casos a partir de mezclas de gasóleos con querosinas, y aceite cíclico ligero, el cual es producto del proceso de desintegración catalítica fluida.

En un tiempo, la manufactura de diesel involucró utilizar lo que quedaba después de remover productos valiosos del petróleo. Hoy en día el proceso de fabricación del diesel es muy complejo ya que comprende escoger y mezclar diferentes fracciones de petróleo para cumplir con especificaciones precisas. La producción de diesel estable y homogéneo requiere de experiencia, respaldada por un estricto control de laboratorio.

FIGURA 1
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PROPIEDADES DEL DIESEL

Indice de cetano

Así como el octano mide la calidad de ignición de la gasolina, el índice de cetano mide la calidad de ignición de un diesel. Es una medida de la tendencia del diesel a cascabelear en el motor.

La escala se basa en las características de ignición de dos hidrocarburos,

CH3 . (CH2)14 . CH3
             Cetano
             (n-hexadecano) y

CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
|             |         |       |         |        |          |
CH
3.CH. CH . CH . CH . CH . CH . CH . CH3
              Heptametilnonano

El n-hexadecano tiene un periodo corto de retardo durante la ignición y se le asigna un cetano de 100; el heptametilnonano tiene un periodo largo de retardo y se le ha asignado un cetano de 15. El índice de cetano es un medio para determinar la calidad de la ignición del diesel y es equivalente al porcentaje por volumen del cetano en la mezcla con heptametilnonano, la cual se compara con la calidad de ignición del combustible prueba (ASTM D-613). La propiedad deseable de la gasolina para prevenir el cascabeleo es la habilidad para resistir la autoignición, pero para el diesel la propiedad deseable es la autoignición.

Típicamente los motores se diseñan para utilizar índices de cetano de entre 40 y 55, debajo de 38 se incrementa rápidamente el retardo de la ignición.

En las gasolinas, el número de octano de las parafinas disminuye a medida 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 la cadena. En general, los aromáticos y los alcoholes tiene un índice de cetano bajo. Por ello el porcentaje de gasóleos desintegrados, en el diesel, se ve limitado por su contenido de aromáticos.

Muchos otros factores también afectan el índice de cetano, así por ejemplo la adición de alrededor de un 0.5 por ciento de aditivos mejoradores de cetano incrementan el cetano en 10 unidades. Estos aditivos pueden estar formulados con base a alquilnitratos, amil nitratos primarios, nitritos o peróxidos. La mayoría de ellos contienen nitrógeno y tienden, por lo tanto, a aumentar las emisiones de NOx.

El índice de cetano es una propiedad muy importante, sin embargo existen otras relevantes que caracterizan la calidad del combustible.

Azufre

El azufre ocurre naturalmente en el petróleo. Si éste no es eliminado durante los procesos de refinación, contaminará al combustible.

El azufre del diesel contribuye significativamente a las emisiones de partículas (PMÕs).

La reducción del límite de azufre en el diesel a 0.05 por ciento es una tendencia mundial. La correlación del contenido de azufre en el diesel con las emisiones de partículas y el S02 está claramente establecida. En la Tabla I se presenta las fechas en que los principales países han adoptado el 0.05 por ciento como máximo en el límite de azufre en el diesel.

Para poder cumplir con los requerimientos de niveles bajos de azufre, es necesario construir capacidades adicionales de desulfuración. Así como las unidades de desintegración catalítica (FCC), son primordiales para la producción de gasolina, la hidrodesintegración es fundamental para la producción de diesel. En ambos procesos la cuestión se enfoca en la selección de la materia prima alimentada.

Mejorar la calidad del combustible no resolverá el problema de la contaminación a menos que se imponga un riguroso programa de inspección y mantenimiento para los vehículos viejos con motores a diesel. Los super emisores del mundo del diesel son los motores viejos que han recibido un mantenimiento pobre.

Densidad y Viscosidad

La inyección de diesel en el motor, está controlada por volumen o por tiempo de la válvula de solenoide. Las variaciones en la densidad y viscosidad del combustible resultan en variaciones en la potencia del motor y, consecuentemente, en las emisiones y el consumo. Se ha encontrado, además, que la densidad influye en el tiempo de inyección de los equipos de inyección controlados mecánicamente.

Aromáticos

Los aromáticos son moléculas del combustible que contienen al menos un anillo de benceno. El contenido de aromáticos afecta la combustión y la formación de PMÕs y de las emisiones de hidrocarburos poliaromáticos.

El contenido de aromáticos influye en la temperatura de la flama y, por lo tanto, en las emisiones de NOx durante la combustión. La influencia del contenido de poliaromáticos en el combustible afecta la formación de PMÕs y las emisiones de este tipo de hidrocarburos en el tubo de escape.

Lubricidad

Las bombas de diesel, a falta de un sistema de lubricación externa, dependen de las propiedades lubricantes del diesel para asegurar una operación apropiada. Se piensa que los componentes lubricantes del diesel son los hidrocarburos más pesados y las substancias polares.

Los procesos de refinación para remover el azufre del diesel tienden a reducir los componentes del combustible que proveen de lubricidad natural. A medida que se reducen los niveles de azufre, el riesgo de una lubricidad inadecuada aumenta.

EL DIESEL MEXICANO

El diesel producido en las refinerías de Pemex, cumple con estándares de calidad nacionales e internacionales y con lo exigido por los motores del parque vehicular de las compañías automotrices que operan en nuestro país y el de los vehículos de procedencia y fabricación extranjera. El mercado nacional demanda actualmente cerca de 250 mbpd de diesel.

Desde 1986, el diesel que se vende en México ha venido reduciendo gradualmente los niveles de azufre, hasta llegar a un contenido máximo de 0.5 por ciento para el diesel desulfurado y para pasar a 0.05 por ciento en el Pemex Diesel, éste último con un contenido de aromáticos del 30 por ciento y con un índice de cetano desde 52 hasta 55, superando las especificaciones de este combustible producido en otros países. (Tabla II).

La tabla II ofrece una comparación de los combustibles diesel en varios países. Es notorio el bajo valor del índice de cetano del diesel americano, tal vez debido al bajo porcentaje de diesel virgen que se utiliza.

Como se puede apreciar las características del diesel mexicano, Pemex Diesel, lo sitúan como uno de los mejores del mundo.

TABLA I
ADOPCION DE LA ESPECIFICACION DE DIESEL DE BAJO AZUFRE
PAIS FECHA DE IMPLANTACIÓN
Suecia Enero de 1991
Dinamarca Julio de 1992
Finlandia Julio de 1993
EUA (Inc. California) Octubre de 1993
Suiza Enero de 1994
Noruega Enero de 1994
Canadá Octubre de 1994
México (ZMVM) Octubre 1993
Austria Octubre de 1995
Taiwán Enero de 1997
Japón Mayo de 1997
Corea del Sur Enero de 1998
Tailandia Enero de 2000

 

TABLA II

ESPECIFICACIONES RESULTADOS PROMEDIO

  Pemex Diesel EUA  Prom. EUA  Carb. Canadá Alemania Japón3
Azufre,% P Max. 0.021 0.03 0.02 0.027 0.03 0.03
1. de Cetano. min. 53 46 48.2 44 50.6 53
Viscosidad Cinemática @40¡C CST   3.0 2.5   2.0 2.58 3.0
Densidad      0.83   0.820-0.860  
Aromáticos  22 37 23      
DIESEL FUEL OILS, 1998, OCT.98, NIPER-207 PPS 98/5
WORLDWIDE 1998, WINTER DIESEL FUEL QUALITY SURVEY, PARAMINS
1-INVIERNO