Etanol vs otros oxigenantes en la producción de gasolinas

Una nueva formulación de las gasolinas con etanol requeriría una mayor cantidad de alquilados, lo cual podría incrementar su costo.

ROCÍO SARMIENTO TORRES *

En México, Pemex Refinación es el organismo que se encarga de procesar el crudo para la obtención de los diferentes combustibles, lubricantes, parafinas, grasas, asfaltos, así como otras materias primas para la industria petroquímica básica.

Las gasolinas de aviación y automotrices, las gasolinas naturales (producto del procesamiento de petróleo y gas natural) y las naftas son combustibles líquidos livianos, con un rango de ebullición entre 30 y 200 °C y que se obtienen de la destilación del petróleo.

La refinación se constituye por una serie de procesos físicos (destilación, separación, cristalización, etc.) y químicos (desintegración térmica o catalítica, reformación, alquilación, hidrotratamiento, etc.) para transformar el petróleo crudo (sucio o con características que impiden una combustión eficiente), en productos refinados, con características diferentes que le dan cualidades combustibles mejores.

Figura 1: Desintegración catalítica en las refinerías del petróleo

En el proceso de reformación catalítica, se convierte la nafta pesada de bajo octano (menor de 60) a gasolina de alto octanaje y, como alternativa, en la desintegración catalítica (FCC) se convierte el gasóleo o combustóleo (residual de la destilación atmosférica) de la destilación al vacío a gasolina (50-60% volumen de rendimiento). Ambas gasolinas se mezclan posteriormente para producir las gasolinas finales.

De aquí, la corriente de olefinas ligeras se lleva a plantas de alquilación, a las de Metil Terbutil Éter (MTBE) y Teramil Metil Éter (10-20 % volumen: TAME), así como a plantas de gas en las mismas refinerías y para producción de otros químicos.

Octanaje

El octanaje es una propiedad de los hidrocarburos para resistir la compresión en los motores de combustión interna sin que ocurra autoignición.

– Al Iso-octano se le asigna un octanaje de 100 y al n-heptano de 0.

– Al resto de los hidrocarburos se les asigna un octanaje en forma proporcional.

– Se utilizan motores de prueba especiales para determinar los índices MON (Motor Octanage Number) y RON (Research Octanage Number): MON: alta velocidad y carga alta; RON: Punto muerto y carga baja.

El incremento en la flota vehicular en las grandes ciudades ha provocado que se eleven los niveles de contaminación atmosférica a concentraciones tales, que rebasan algunas normas de calidad de aire establecidas para tener un ambiente en condiciones seguras para la población; principalmente con relación a ozono, que es un contaminante secundario, derivado de reacciones fotoquímicas de los óxidos de nitrógeno e hidrocarburos, procedentes en su mayor proporción por la quema de combustibles en los vehículos de transporte de todo tipo.

Esto ha llevado a que se tenga que ir restringiendo cada vez más la normatividad ambiental, con relación a los límites máximos permisibles de emisión de contaminantes de las fuentes móviles; lo que ha conducido a buscar mecanismos para lograr una combustión más eficiente y mejorar la calidad de los combustibles.

En cuanto a las gasolinas, éstas se han tenido que reformular con cierta frecuencia en muchos países desarrollados y aún en vías de desarrollo, para obtener una composición óptima.

Bajo este esquema y por contarse con evidencias claras de los efectos dañinos a la salud debidos a la combustión de gasolinas con tetraetilo de plomo (antidetonante), que mantenía concentraciones de plomo en la atmósfera por arriba de lo máximo permitido a nivel internacional; en México a mediados de los ochentas se comenzó a disminuir la cantidad de este componente en las gasolinas en forma gradual hasta enero de 1998 cuando se elimina por completo, sustituyéndose por los oxigenantes MTBE y TAME para la Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM). Con esta medida, también se dio paso al uso de convertidores catalíticos en los automóviles nuevos, permitiendo una mayor disminución en la generación de contaminantes derivados de los vehículos, con relación a hidrocarburos, monóxido de carbono, partículas y óxidos de nitrógeno; y por consiguiente con una menor formación de ozono en la atmósfera. También se realizan esfuerzos para seguir disminuyendo los contenidos de aromáticos y azufre.

En la actualidad, se comercializan en México dos tipos de gasolinas para ser utilizadas en los vehículos automotores: Pemex Magna Sin y Pemex Premium, en una proporción de 83 % y 17 % respectivamente. En la tabla se muestra la distribución de las ventas de gasolinas en la República Mexicana, por zonas clasificadas como: Ciudades metropolitanas y Resto del país.

Figura 2. Ventas de gasolinas en México; 2005 (barriles/día)

Para obtener la composición final para su venta al público, es necesario cumplir con la Norma Oficial Mexicana NOM-086-SEMARNAT-SENER-SCFI-2005, que establece parámetros que obligan a las diferentes zonas metropolitanas (Valle de México, Guadalajara y Monterrey) a la reducción del contenido de azufre y aromáticos y, además, a la adición de oxigenantes que proporcionen una concentración de oxígeno máxima de 2.7 % peso, que en México se constituyen por el MTBE ó TAME e inclusive por una mezcla de ambos.

Figura 3: Formulación de gasolinas

La composición de 2.7% (peso) de oxígeno en las gasolinas se obtiene con una proporción aproximada del 11 % volumen de cualquiera de estos oxigenantes; que, en el caso de que se decidiera sustituirlos por etanol, correspondería a una proporción de 7.7% volumen; por lo que se tendría que hacer una sustitución de 3.3 % con los demás componentes de las gasolinas para tener un 100 %.

Aditivos oxigenantes:
Los gasóleos derivados de la destilación al vacío y como alternativa combustóleo, se pasan a desintegración catalítica (FCC- Fluid Catalytic Cracking); de donde una corriente de olefinas C4 y ligeros, se pasan a alquilación, MTBE/TAME y químicos; la corriente de butano no saturado pasa a la planta de MTBE, en donde se utiliza metanol como insumo.

El éter metil terbutílico (MTBE) es un oxigenante que se utiliza como aditivo para incrementar el octanaje en la gasolina, y su utilización depende de la legislación ambiental con relación a la composición y calidad de las gasolinas. Se comenzó a producir en la refinería de Salamanca en 1995, en una planta con capacidad nominal de 45,000 tons/año, aunque para 1997 se comenzó a importar. También se produce en petroquímicas a partir del metanol, correspondiendo su producción al 24 % del consumo mundial de metanol.

El metanol se obtiene a partir del gas de síntesis (mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno), que se produce generalmente mediante la reformación del gas natural por medio de vapor.

El balance en cuanto a consumo de oxigenantes en las gasolinas, conforme a los requisitos de la norma NOM086-SEMARNAT-SENER, se observa en la Figura 4 :

Figura 4. Oxigenantes (MTBE; TAME)

De ahí se puede deducir que para sustituir completamente los oxigenantes, se requeriría de un volumen aproximado de 1,232 millones de litros/año de etanol y si tan sólo se sustituyera la cantidad de importación, la cantidad de etanol necesaria sería de aproximadamente 467 millones de litros de etanol/año.

El etanol que se podría elaborar con la caña que constituye los excedentes de azúcar (442 millones de litros/año), equivale al 36 % del etanol requerido para sustituir la totalidad de los oxigenantes y al 94 % de los oxigenantes de importación.

En las diferentes normatividades internacionales y asimismo en México, también se da importancia a la regulación de la presión de vapor en las gasolinas, tanto por razones de combustión adecuada, como por las pérdidas que se pueden tener por su evaporación desde los tanques de los vehículos, operaciones de transvase y almacenamiento; que también implican emisiones de contaminantes (compuestos orgánicos volátiles) a la atmósfera, precursores de la formación de ozono. En este sentido, en México se debe tener una presión de vapor Reid del orden de 6.5?10.5 psi, de acuerdo con las diferentes regiones de distribución de las gasolinas en el país.

La presión de vapor se regula en las mezclas de las gasolinas con la adición de los compuestos denominados como alquilados; que tienen un costo elevado, por lo que se procura mediante todos los componentes, llegar a una cantidad óptima en su adición, utilizando modelos de programación lineal para la optimización de cada uno de los componentes.

Alquilación:

En la alquilación se alimentan: isobutano, butilenos y propilenos para la obtención de productos alquilados que se mezclan con la gasolina, para disminuir la presión de vapor.

Aunque en algunas partes se considera a la alquilación como un proceso generador de octanaje, es en realidad un proceso que reduce la presión de vapor; combina olefinas ligeras (C3, C4) con isobutano, para producir una cadena ramificada de parafinas.

Alquilado como producto:

– No. de octano alto

– Sin aromáticos, muy bueno para gasolinas reformuladas.

Baja presión de vapor, menor contaminación por vapores orgánicos en el manejo de la gasolina.

En la Figura 5, se muestra un diagrama que explica la formación de alquilados en las refinerías del petróleo y la variación de octanaje, así como de presión de vapor de los componentes antes del proceso a que se someten, con relación a los valores obtenidos en los productos alquilados; observándose que el octanaje promedio de las mezclas de entrada es muy semejante al del producto; sin embargo, la presión de vapor Reid se reduce significantemente.

Figura 5. Alquilación en las refinerías del petróleo

Al haberse introducido la adición de MTBE en la formulación de las gasolinas, se obtuvieron varios beneficios, pero en la actualidad se han realizado diversos estudios que demuestran la contaminación (por fugas) de aguas subterráneas con este oxigenante, catalogándose como “probable carcinogénico”; por lo que en varios lugares se ha comenzado a optar por sustituirlos por etanol para cumplir con los requerimientos del contenido de oxígeno y reducir los riesgos en la salud.

En Brasil, los vehículos flexibles, que se comenzaron a introducir en 2003, son aptos para funcionar con cualquier mezcla de etanol hidratado y con mezclas de gasolina-etanol anhidro (no se vende gasolina pura y en la actualidad la mezcla es de 25 % de etanol anhidro).

Sin embargo, el etanol eleva la presión de vapor Reid de la mezcla resultante en aproximadamente 1 psi, haciendo más difícil que la mezcla con etanol cumpla con las normas de compuestos orgánicos volátiles que con otros oxigenantes. Por lo tanto, en caso de usar etanol, debe establecerse una nueva formulación para cumplir con la normatividad relativa a la presión de vapor Reid, con una mayor cantidad de alquilados, que incrementaría el costo de las gasolinas. Debido a que el cambio a etanol implica una nueva formulación de las gasolinas para lograr una composición óptima, la mezcla tiene que efectuarse en las refinerías.

*Es ingeniera química del Instituto Politécnico Nacional con maestría en Control de Contaminación Ambiental de la Universidad de Leeds, Inglaterra. Es investigadora del Programa de Energía de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México (sarmientomr@yahoo.com.mx )