En 1859 Edwin Drake y E. B. Bowditch de la Compañía Petrolera Seneca perforó el primer pozo de petróleo comercial en los Estados Unidos en Titusville, Pensilvania. El pozo producía unos 400 galones de petróleo crudo, menos de diez barriles al día. Pronto, pozos similares en todo el oeste de Pensilvania proporcionaban petróleo crudo para la producción de queroseno que se necesitaba para alimentar las farolas y las lámparas de las casas de la nación. El componente de ebullición más ligero, la gasolina, se descartó, ya que no tenía mercado. Hay informes históricos de que la gasolina de «desecho», que se había vertido en los ríos, a veces se incendiaba. En 1892 se desarrollaron los primeros motores a gasolina, tanto para automóviles como para tractores: esto pronto proporcionó un mercado para la sustancia que una vez fue inútil, la gasolina.
Hoy en día la gasolina es el producto más importante de una refinería de petróleo típica: Todo el proceso de refinería está diseñado para maximizar su producción. La gasolina es una mezcla compleja de moléculas con un rango de ebullición de 40-200°C (104-392°F). Para producir varios grados, hay una mezcla de muchos componentes de refinería, cada uno de los cuales promueve cualidades de combustible específicas, como la clasificación de octanaje deseada, la volatilidad y la minimización de los depósitos del motor.
Calidad de octano
El parámetro de calidad más importante para la gasolina es la calidad de octano. El número de octanaje es una medida de las propiedades antibloqueo del combustible. Golpear en un motor de gasolina es un ruido metálico (ping), que indica una intensidad excesiva en las reacciones previas al fuego. Golpes severos pueden dañar el motor.
Las reacciones previas al encendido se producen en los cilindros del motor cuando partes del combustible se inician automáticamente en la combustión antes de que la llama avance desde la bujía. Esta combustión adicional causa una tasa excesiva de liberación de energía, que es golpe. La tendencia de un combustible a participar en reacciones de preflame depende de la estructura de sus moléculas componentes (ver Figura 1);
la tendencia para reacciones preflame es alta para hidrocarburos de cadena recta, media para hidrocarburos ramificados y baja para aromáticos.
El número de octanaje de una gasolina de prueba representa el porcentaje en volumen de isooctano (2,2,4-trimetilpentano) en un combustible de referencia que consiste en la mezcla de isooctano y heptano que sería necesaria para adaptarse a la tendencia de golpeteo del combustible de prueba. El isooctano arde con un golpeteo mínimo y se le da una clasificación de octanaje de 100. Esto contrasta con el heptano, que arde con mucho golpeteo y se le da una clasificación de octano de 0. Por lo tanto, una gasolina que arde con la misma cantidad de golpes que una mezcla de 92 por ciento de isooctano y 8 por ciento de heptano se clasifica como una gasolina de 92 octanos.
Las clasificaciones de octanaje de la gasolina se pueden aumentar mediante la adición de pequeñas cantidades de agentes antidetonante. El primer agente anticongelante comercialmente exitoso, tetraethyllead (TEL), se desarrolló en la década de 1920.TEL se utilizó para promover el desarrollo de motores de mayor eficiencia y compresión. Sin embargo, el TEL es altamente tóxico y envenena a los convertidores catalíticos. Desde 1974, todos los motores de automóviles nuevos de los Estados Unidos han utilizado convertidores catalíticos para reducir las emisiones de escape.
El éter metil-t-butil (MTBE) ha sido el agente anticongelante de elección para la gasolina sin plomo. El MTBE proporciona una calidad de alto octanaje junto con una baja volatilidad y es fácilmente soluble en gasolina. Sin embargo, las fugas de gasolina de los tanques de almacenamiento subterráneos han dado lugar a la detección de MTBE en el agua potable de varias zonas urbanas. Esto llevó al estado de California a ordenar la eliminación del MTBE de la gasolina de California para el año 2003.
Los alcoholes también se han utilizado como potenciadores del octanaje. En concentraciones más altas, los alcoholes se pueden usar como extensores de gasolina, disminuyendo así nuestra dependencia del petróleo crudo importado. Una parte significativa de todos los Estados Unidos se cree que la gasolina comercializada contiene etanol.
Aditivos para gasolina
Trazas de olefinas y diolefinas que se encuentran en la gasolina son propensas a reaccionar con el oxígeno disuelto en la gasolina. Este proceso se conoce como autoxidación e implica una reacción en cadena radical que puede incorporar oxígeno
en la olefina y también puede promover un aumento del tamaño molecular a través de reacciones de polimerización. El resultado final de este complejo proceso es la formación de depósitos y gomas que pueden bloquear los filtros de combustible e interferir con la medición de combustible y aire en el carburador. Esto puede resultar en un rendimiento adverso del motor. Con frecuencia se agregan aditivos a la gasolina para abordar la estabilidad oxidativa y otros problemas; incluyen antioxidantes, desactivadores de metales y detergentes.
Los antioxidantes son aditivos que minimizan las reacciones de autoxidación. Funcionan como donantes de átomos de hidrógeno que detienen el proceso de oxidación en cadena de las olefinas. Los dos tipos diferentes de antioxidantes utilizados en la gasolina son las fenilendiaminas (PDA) y los fenoles impedidos (como el BHT).
Los niveles de trazas de compuestos metálicos solubles, en particular el cobre, catalizan la degradación oxidativa de la gasolina al promover la formación de gomas y depósitos. Los desactivadores de metales resuelven este problema quelatando el metal y dejándolo inactivo. El desactivador de metales más utilizado es la N, N’-disaliciliden-1,2-propanodiamina, cuyo complejo de cobre se muestra en la Figura 3.
Los detergentes minimizan los depósitos del sistema de combustible a bajas concentraciones, y a altas concentraciones pueden eliminar los depósitos que ya se han formado. Los detergentes son moléculas que tienen un grupo extremo altamente polar y una cola de hidrocarburo no polar. En la Figura 4 se muestra un detergente convencional tipo amino-amida.
Presumiblemente, los grupos polares en el detergente se adhieren a superficies metálicas y a depósitos polares en estas superficies. Las colas no polares de estas moléculas «sobresalen» en el combustible de tal manera que se forma una película monomolecular en la superficie metálica, evitando la deposición y la agregación de partículas. También se cree que este proceso solubiliza cualquier depósito que ya esté en la superficie metálica. También se cree que la monocapa de detergente evita la acumulación de hielo en las superficies del carburador durante el invierno. Por lo tanto, los detergentes también pueden funcionar como aditivos antihielo.
Producción de gasolina
La producción de gasolina comienza con la desalación del crudo viscoso. Las sales y los metales en el petróleo crudo promueven la corrosión y los catalizadores de procesamiento de veneno. Por lo tanto, el petróleo crudo se calienta (para disminuir la viscosidad) y se extrae con agua para eliminar las sales y los metales. Con frecuencia, este proceso da lugar a la formación de una mezcla de aceite/agua denominada emulsión (suspensión). Esta emulsión se rompe típicamente por la adición de un surfactante químico (demulsificante) que promueve la separación de capas discretas de aceite y agua. Después de la separación de la capa acuosa, el aceite se calienta a aproximadamente 400 ° C (752 ° F): Esto convierte el aceite en productos gaseosos y aumenta la fluidez del líquido restante. En esta forma, la mezcla gaseosa entra en la columna de fraccionamiento, donde el proceso de destilación fraccionada atmosférica separa el petróleo crudo en diferentes componentes basados en el punto de ebullición.
Las fracciones de ebullición más ligeras son moléculas que son gases en condiciones ambientales: metano, etano, propano, butano y olefinas derivados de estos compuestos. Los usos de esta corriente de destilado incluyen la quema como combustible en la refinería; como alimento petroquímico; o el procesamiento en gas licuado de petróleo (GLP). Hay otras tres corrientes principales de destilados recogidas durante la destilación atmosférica: la fracción de nafta, que tiene un rango de ebullición de 30 a 180°C (86-356°F); la fracción de queroseno, que destila entre 180 y 240°C (356-464°F); y la fracción de gasóleo, que destila entre 240 y 355°C (464-671°F).
Con el fin de cumplir con las regulaciones ambientales actuales para el contenido de azufre en los productos combustibles, las corrientes de tres destilados se someten al proceso de hidrodesulfuración. En presencia de un catalizador , los destilados se calientan en presencia de hidrógeno para reducir varios compuestos organosulfurados a compuestos orgánicos simples y H 2 S. El hidrógeno necesario para este proceso es un subproducto del proceso de reformado catalítico. El producto H 2 S se puede quitar fácilmente. En este proceso, el refinador puede controlar el número de octanaje de la mezcla de gasolina. Calentando la fracción de nafta en presencia de un catalizador de platino especialmente diseñado, se ciclan los hidrocarburos de cadena recta y los hidrocarburos cíclicos saturados se convierten en compuestos aromáticos. Además, este proceso convierte los hidrocarburos de cadena recta en hidrocarburos ramificados. El reformado catalítico facilita la producción de existencias de mezcla de gasolina con índices de octanaje de 90 a 100+.
Redestilar el residuo atmosférico a una temperatura inferior a 400°C (752°F) bajo vacío produce un gasóleo al vacío. Por lo general, el gasóleo al vacío se somete a craqueo catalítico fluido (FCC) para producir líquidos de menor ebullición que se pueden mezclar para producir gasolina. Esto se logra rompiendo grandes moléculas de gasóleo al vacío en moléculas más pequeñas y de menor ebullición. Un componente importante de mezcla de gasolina que se puede producir de esta manera es el alquilato. Es una mezcla de hidrocarburos altamente ramificados producidos por la reacción catalizada por ácido de isobuteno e hidrocarburos olefínicos ligeros. El alquilato es un componente de mezcla valioso debido a su alta calidad de octanaje y la ausencia de aromáticos u olefinas, lo que puede provocar problemas de estabilidad ambiental y oxidativa.
La Ley de Aire Limpio de 1990 requirió que la Agencia de Protección Ambiental (EPA) emitiera regulaciones que requerían que la gasolina se «reformulara», lo que resultó en reducciones significativas en las emisiones de contaminantes atmosféricos tóxicos y formadores de ozono de los vehículos. Esta gasolina más limpia se llama gasolina reformulada (RFG). La RFG se requiere en las nueve áreas metropolitanas principales de los Estados Unidos que tienen los peores problemas de ozono. Además, varias otras zonas con niveles de ozono superiores a la norma de salud pública han optado voluntariamente por utilizar la RFG.
El uso de RFG disminuye las cantidades de compuestos orgánicos volátiles (CoV ) y óxidos de nitrógeno (NO x) en la atmósfera que reaccionan en presencia de la luz solar para producir ozono, un componente importante del smog. Los vehículos también liberan emisiones tóxicas, una de las cuales (benceno) es un carcinógeno conocido.
RFG contiene un 2% en peso de aditivos de oxígeno (oxigenados), como MTBE o etanol. Los oxigenados aumentan la eficiencia de combustión de la gasolina, reduciendo las emisiones de monóxido de carbono de los vehículos, una grave amenaza para la salud pública. La aparición de MTBE en algunos suministros de agua urbanos ha dado lugar a una legislación pendiente en el Congreso de los Estados Unidos para eliminar gradualmente el uso de MTBE en RFG. El etanol probablemente se convertiría en el oxigenado primario para la RFG futura.
La gasolina es el producto más importante de la refinería de petróleo. El parámetro de calidad más importante para la gasolina es su número de octanaje. Las características de calidad adicionales de la gasolina se controlan mediante el uso de aditivos, por ejemplo, antioxidantes, desactivadores de metales y detergentes. Al mezclar varias corrientes de refinería y aditivos, se puede lograr una formulación de gasolina que minimice la degradación ambiental. Tal combustible se llama gasolina reformulada.