ÍNDICE - 148.206.53.231

ii

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

Pág.

Índice I

Agradecimientos VI

Dedicatoria VII

Perspectiva del biodiesel en México VIII

Emisiones de fuentes móviles IX

La calidad del combustible IX

Mediciones de concentración IX

Producción de diesel en México X

Ventajas y desventajas del biodiesel XI

Tipos de aceites XII

Producción y consumo mundial de oleaginosas XIV

CAPÍTULO I CICLO DIESEL DE AIRE ESTÁNDAR

1.1Antecedentes del ciclo diesel 1

1.2. Descripción del ciclo diesel de aire estándar 1

1.3. Análisis termodinámico 2

1.3.1 Ecuación de estado de gas ideal 2

1.3.2. Proceso de compresión 2

1.3.3. Calentamiento de aire a presión constante del ciclo diesel 6

1.3.4. Proceso de expansión 7

1.3.5. Proceso de enfriamiento y trabajo 8

1.4. Ejemplo del ciclo diesel de aire estándar 9

iii

CAPÍTULO II CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DIESEL

2.1. Motores diesel agrícolas 15

2.2. Motores diesel transportables 16

2.3. Motores diesel de ferrocarril 16

2.4. Motores diesel marinos 17

2.5. Motores diesel para la generación eléctrica 18

2.6. Motores diesel para cogeneración 19

2.7. Motores diesel híbridos 19

2.7.1. Motores MCI-eléctrico 20

2.7.2. Motores diesel paralelos 20

CAPÍTULO III CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTIBLE PARA MOTORES DIESEL

3.1. Introducción 23

3.2. Propiedades de los combustibles 23

3.2.1 Densidad 23

3.2.2 Punto de encendido 24

3.2.3. Viscosidad 24

3.2.4. Poder calorífico 24

3.2.5. Impureza flotantes 24

3.2.6. Temperatura de autoencendido 25

3.2.7. Retardo de inflamación 25

3.2.8. Índice de cetano 26

3.2.9. Punto de fluencia 26

iv

3.2.10. Punto nube 26

3.3. Diesel utilizado en México 26

3.3.1. Diesel industrial 27

3.3.2. Diesel marino 27

3.3.3. Diesel (PEMEX diesel) 27

CAPÍTULO IV COMBUSTIÓN

4.1. Definición de combustión 30

4.2. Proceso de combustión 32

4.2.1. Ejemplo de proceso de combustión 32

4.2.2 Ejemplo de combustión con azufre 33

4.2.3. Ejemplo de combustión con biodiesel 34

CAPÍTULO V POTENCIA Y TORQUE

5.1. Potencia al freno 37

5.2. Torque 39

CAPÍTULO VI BIODIESEL

6.1. Definición del biodiesel 41

6.2. Métodos de producción del biodiesel 41

6.2.1. Transeseterificación 41

6.2.2. Transesterificación en dos etapas 42

6.2.3. Métodos para mezclas homogéneas 42

6.2.4. Transesterificación sin catalizador (método supercrítico) 44

6.2.5. Pirolisis 45

v

6.2.6. Tecnologías biomasa a liquido 45

6.3. Comparación teórica del biodiesel y diesel 45

6.4. Ventajas ambientales del biodiesel 47

CAPÍTULO 7 METODOLOGÍA, RESULTADOS Y CONCLUSIONES.

7.1 Metodología 50

7.1.1. Descripción de la metodología 50

7.1.2. Medición de los volúmenes de glicerina y biodiesel 51

7.1.4. Medición de densidad 51

7.1.5. Medición de la viscosidad cinemática 51

7.1.6. Medición del potencial de hidrógeno 51

7.2.7 Montaje del experimento 51

7.3. Resultados y discusiones 54

7.3.1. Producción en masa de biodiesel 54

7.3.2. Conversión de la producción de biodiesel 56

7.3.3. Densidad 57

7.3.4 Potencial de hidrógeno 58

7.3.5. Viscosidad cinemática 59

7.3.6. Punto de nube 61

8. Conclusiones 62

Bibliografía 64

ANEXO

A.I. Cálculos estequiométricos de la reacción 67

A.II Gráficos 70

vi

Nomenclatura 74

AGRADECIMIENTOS.

Al SCyT por su apoyo en el proyecto PICSO1149, Impacto del biodiesel obtenido a partir de aceites

vegetales residuales y mezclas enriquecidas en las emisiones y desempeño de los motores diésel y

equipos de calentamiento para una sustentable Ciudad de México.

A mis asesores el M. I. Q. Alejandro Torres Aldaco y el Dr. Raúl Lugo Leyte por el apoyo moral,

académico y formativo.

A la profesora Angélica Ramírez Cruz directora del Coro de la Universidad Autónoma

metropolitana unidad Iztapalapa por su formación cultural, porque la música también ayuda al

cultivo de las profesiones.

A la Tuna de la Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa porque también la tuna es una

escuela de vida.

vii

DEDICATORIA

A Dios por permitir la existencia de la vida.

A mis padres por su apoyo incondicional en los momentos más difíciles, sobre todo en mi carencia

de salud.

A mi hermana por devolverme la salud y la vida, con la donación de uno de sus riñones.

viii

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

ix

Perspectiva del biodiesel en México.

La SEMARNAT actualmente en México regula los límites de las distintas emisiones, ha dividido a

las emisiones en cuatro rubros: de fuentes fijas, de fuentes móviles, calidad del combustible y

medición de concentraciones.

Las fuentes fijas se dividen en tres tipos:

1.-Puntuales, se refieren a las derivadas de la combustión por medio de la generación de energía

eléctrica y de actividades industriales, los principales contaminantes asociados a la combustión son

las partículas de dióxido de azufre (SO2) óxido de nitrógeno (NOx), dióxido de carbono (CO2) y

monóxido de carbono (CO).

2.-De área. Incluyen la generación de aquellas emisiones inherentes a actividades y procesos, tales

como, el consumo de solventes, limpieza de superficies y equipos, recubrimiento de superficies

arquitectónicas, industriales, lavado en seco, artes gráficas, panaderías, distribución y almacenamiento

de gas LP, principalmente. Esta fuente también incluye las emisiones de actividades como:

tratamiento de aguas residuales, plantas de composteo, rellenos sanitarios, entre otros. En este tipo de

emisión se encuentra un gran número de contaminantes de muy variado nivel de impacto en la salud.

3.-Naturales. Se refieren a la generación de emisiones producidas por volcanes, océanos, plantas,

suspensión de suelos, emisiones por digestión anaerobia y aerobia de sistemas naturales. En particular,

a todo aquello emitido por la vegetación y la actividad microbiana en suelos y océanos, que se les

denomina emisiones biogénicas, cuyo papel es importante en la química de la troposfera al participar

directamente en la formación de ozono. Las emisiones biogénicas incluyen óxido de nitrógeno,

INTRODUCCIÓN

x

hidrocarburos no metanogénicos, metano, dióxido y monóxido de carbono y compuestos nitrogenados

y azufrados.

Emisiones de fuentes Móviles.

La definición de fuente móvil incluye prácticamente a todos los vehículos automotores, la NOM-086

para fuentes móviles se refiere, básicamente, a las emisiones de automóviles y camiones. Los motores

de los vehículos son los responsables de las emisiones de CO, de compuestos orgánicos volátiles, SO2

y NOx, producidos durante la combustión [1].

La calidad del combustible

Una norma que regula la calidad del combustible es la NOM-086-SEMARNAT-SENER-SCFI-2005

(NOM-086), aunque a lo largo del tiempo esta norma ha evolucionado, los combustibles considerados

dentro de la norma son el gas natural, gasolina turbosina, diésel, combustóleo y gas L.P.

La norma para diesel establece que el contenido de azufre de 15 ppm, como máximo, en la Zona

Fronteriza Norte , a partir de enero de 2007; en enero de 2009, en las Zonas Metropolitanas del Valle

de México, Guadalajara y Monterrey y en el resto del país a partir de septiembre de 2009.

Mediciones de concentración

Mientras que el plomo y el CO son contaminantes de origen primario (es decir, emitidos directamente

desde fuentes, tales como, los vehículos), el ozono es un contaminante de tipo secundario, lo cual

significa que se forma en la atmósfera, mediante procesos químicos en los que intervienen compuestos

orgánicos volátiles (COV), NOx y radiación solar. Las concentraciones de ozono pueden ser reducidas

si las emisiones de COV, NOx son controladas. En general, las medidas para reducir COV son menos

costosas que aquellas dirigidas para abatir las emisiones de NOx a lo largo de los años.

INTRODUCCIÓN

xi

Producción de diesel en México

La producción de diesel ha ido en constante aumento, debido a la demanda del mismo, por lo que es

necesario producir cada vez más diesel. Esto ocasiona la instalación de industrias refinadoras por el

aumento de consumo de diesel. La fig. I.1 muestra el crecimiento de la producción de diesel a partir

de 1996 [14].

Fig. I.1. Producción de diesel en la SENER 2006 (miles de barriles diarios de petróleo crudo equivalente) [14].

En México la producción del biodiesel va orientada hacia las experiencias que se han tenido en otros

países, sólo que se han encontrado dificultades, tales como, el tipo de semilla para producir el

biodiesel. Se han seleccionado ciertas semillas en el país, como son: colza, soya, jatropha, girasol así

como grasas animales y aceite residual.

El análisis económico muestra que los precios de producción, del biodiesel son menores o iguales que

el costo de oportunidad del diesel comercializado por PEMEX. En este sentido, la situación en México

no es muy diferente al de otros países, pero es más evidente dado al aumento del diésel PEMEX, el

cual cuenta incluso con subsidios especiales dentro del sector agrícola. Los costos de producción del

biodiesel tienen un rango de entre 5.3 a 12.4 pesos por litro equivalente. Los cultivos más

competitivos son la palma, girasol y soya. La jatropha es promisoria pero debe resolverse el problema

de posibles toxinas en la glicerina y otros subproductos generados en el proceso. Los costos de los

insumos agrícolas representan entre el 59% y 91% de los costos de producción del biodiesel. En

0

50

100

150

200

250

300

350

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

años

mil

es d

e b

arri

les

dia

rio

s d

e

pet

róle

o c

rud

o e

qu

ival

ente

INTRODUCCIÓN

xii

muchos casos, como la soya, los costos dependen en gran medida de la posibilidad de vender los

subproductos agrícolas [4].

Según los estudios hechos en México, tan solo para sustituir un 5% del diesel en México se

necesitarían instalar 10 plantas de biodiesel con una capacidad de 100,000 ton/año o 140 plantas

pequeñas con una capacidad con 5,000 ton/año cada una. Es obvio que para lograr que los costos sean

mínimos se necesitan instalar cerca de donde se encuentre la materia prima o cerca de las refinarías

para que esto pudiese ser rentable [4].

Ventajas y desventajas del biodiesel.

Ventajas

1.-Es un combustible que se obtiene por medio de aceites vegetales, por lo que disminuirá el uso del

petróleo y las reservas tendrán mayor tiempo de vida.

2.- Es un biocombustible que se puede producir con facilidad, ya que la materia prima es aceite

residual, es decir aceite desechado.

3.- Se reducirán las emisiones de CO, CO2, NOx y SOx. [2]

Desventajas

1.-Desgasta las mangueras, empaques, gomas e inyectores del motor diésel.

2.-Se produce una cantidad considerable de glicerina.

Tipos de aceites

Aceite de girasol

INTRODUCCIÓN

xiii

Se obtiene de la semilla Heliathus agnus. La cual es nativa de Norteamérica. Las semillas tienen un

alto contenido de aceite (40-50%). Su composición de ácidos grasos dependen de las condiciones de

desarrollo, aun cuando su síntesis puede ser controlada a nivel genético: de esta forma, los lípidos de

semillas desarrolladas a temperaturas elevadas contienen menos ácidos grasos poli-saturados [8]. La

figI.2 muestra la semilla de girasol.

Fig. I.2 Semilla de girasol.

Aceite de soya.

La soya (glycine max) es una especie originaria de Vietnam, en el este de Asia. Su cultivo era

conocido en China hace 500 años. El contenido de soya varía del 13 al 26 % en base seca.

El 97% de las proteínas de soya en el país se destina para el consumo animal y sólo solo el 3 % para

consumo doméstico. La soya contiene: del 30 al 50 % de proteínas, 20 % de grasa, y 24 % de hidratos

de carbono, lípidos, sales minerales, magnesio, calcio, hierro y fósforo, además de vitaminas del grupo

B. El aceite crudo comúnmente se obtiene por presión o extracción de solventes, mostrando una

coloración ámbar, una vez terminada la refinación se vuelve de color amarillo brillante como el de la

mayoría de los aceites [6]. La figI.3 muestra la semilla de soya.

INTRODUCCIÓN

xiv

La fig.I.3 semilla de soya.

Aceite de colza.

El aceite de colza (Brassica Napus) se extrae a partir de sus semillas y comenzó a emplearse en el

consumo humano, tras la segunda guerra mundial. Se pueden distinguir dos tipos de usos industriales,

tales como; lubricantes industriales y la producción del biodiesel [4]. La figura I.4 muestra la semilla

de soya.

fig. I.4 semilla de colza.

INTRODUCCIÓN

xv

Aceite de canola.

El nombre de canola fue adoptado en 1979 en Canadá y se aplicó en los cultivos de las variedades de

semillas de nabo modificadas genéticamente. El contenido aproximadamente de aceite es del 40 al

45% de aceite, la composición de ácidos grasos en este aceite tiene interés por su alto contenido de

ácido oleico, el cual es similar al de aceite de oliva. En general, el aceite de canola se encuentra en un

nivel intermedio en cuanto al contenido de ácidos grasos poli-insaturados (30-35%), sin embargo este

nivel es menor que el aceite de soya y girasol. La fig. I.5 muestra la semilla de canola [8].

Fig. I.5 Semilla de canola.

Aceite de higuerilla.

Llamado también aceite de resino es extraído de las semillas de higuerilla (Rignus Comunnis). Tiene

como principal componente el ácido ricinoleico cuya concentración de porcentaje en peso es

aproximadamente del 90%. La fig. I.6 muestra la semilla de higuerilla.[2]

INTRODUCCIÓN

xvi

Fig. I.6 semilla de higuerilla.

Producción y consumo de oleaginosas.

La producción mundial de oleaginosas ha ido en aumento, en el periodo del 2005 al 2006 se

produjeron 386.1 millones de toneladas de oleaginosas en comparación con el periodo del 2001-2002

que se produjeron 321.9 millones de toneladas de oleaginosas, la. Y de la misma forma el consumo

de oleaginosas ha ido aumentado, por ejemplo el consumo del periodo del 2005-2006 fue de 378.9

millones de toneladas de oleaginosas y en el periodo del 2001-2002 el consumo fue de 320.5 millones

de toneladas. La producción de oleaginosas ha ido aumentado por arriba del consumo de oleaginosas,

esto se muestra en las figuras I.7 y I.8 [3].

INTRODUCCIÓN

xvii

Fig I.7 Producción mundial de oleaginosas [3].

Fig. I.8 Consumo mundial de oleaginosas [3].

El consumo nacional de semillas oleaginosas para el 2006 fue de 5.5 millones de toneladas, de las

cuales se produjeron en el país sólo 0.5 millones, es decir, se importaron cerca de 5 millones de

toneladas con un valor de más de 14,000 millones de pesos, lo que representa una importante fuga de

divisas para el país. Por esto es importante evaluar la producción de biodiesel a partir de aceite

residual, este no depende directamente de la producción de oleaginosas [3].

Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.

CAPÍTULO I

DESCRIPCIÓN DEL CICLO DIESEL DE AIRE ESTÁNDAR


1

1.1 Antecedentes históricos de Rudolf Diesel.

Uno de los primeros que se interesó por un ciclo termodinámico de autoignición fue Rudolf Diesel

(1858-1913), que actualmente lleva su nombre. Diesel nació en Paris de padres alemanes que

posteriormente fueron a Londres a causa de la Guerra franco-prusiana (1870); educado en Alemania

obtuvo en 1893 una patente sobre el tipo de motor que ahora lleva su nombre. Después de algunas

dificultades para el financiamiento del proyecto, construyó un motor que explotó a la primera

inyección de combustible. Diesel se salvó de la muerte. Cuatro años de experimentos tediosos y

costosos transcurrieron antes de que fabricara su primer motor que tuviera éxito. Desapareció

inexplicablemente en 1913 del barco en que viajaba al cruzar el Canal de la Mancha durante una

tormenta [1].

1.2 Descripción del ciclo diesel

El ciclo diesel se compone de cuatro procesos.

1-2 Compresión isoentrópica.

2-3 Calentamiento isobárico.

3-4 Expansión isoentrópica.

4-1 Enfriamiento isométrico.

Las evoluciones del ciclo diesel se muestra en el diagrama P-v y T-s de las Fig. 1.1 y 1.2

Fig. 1.1 Diagrama T-s del ciclo Diesel de aire estándar.

Fig. 1.2 Diagrama p-v del ciclo Diesel de aire estándar

4

3

1

2

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.5 1 1.5 2 2.5

T (

K)

s (kJ/kgK)

41

32

0

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1000

P (

ba

r)

v (m^3/kg)


2

En este ciclo se encuentra un proceso (1-2) de compresión isoentrópica, tal y como se muestra en la

figura 1.1, en donde se comprime el aire contenido en el pistón, esto a su vez ocasiona una

disminución de volumen y un aumento de presión y temperatura. En el proceso (2-3) se suministra el

calor. En el proceso (3-4) ocurre una expansión, donde el volumen aumenta, la presión y la

temperatura disminuyen. En el proceso (4-1) ocurre el enfriamiento isométrico, la temperatura y la

presión disminuyen [18] [20].

1.3 Análisis termodinámico

1.3.1. Ecuación de estado de gas ideal

En 1662 el inglés Robert Boyle observó durante sus experimentos con una cámara de vacío que la

presión de los gases es inversamente proporcional a su volumen. En 1802, J. Charles y J. Gay-Lussac,

determinaron de modo experimental que a bajas presiones el volumen de un gas es proporcional a su

temperatura.

RTPv

La constante de gas R se determina:

ug

g

RR

M (1.1)

1.3.2. Proceso de compresión

Aplicando la primera ley de la termodinámica en el proceso de compresión

Caso 1 ,PTT

q w du (1.2)

Además de la definición de entalpía

h u Pv (1.3)

Diferenciando y despejando

du dh vdP Pdv (1.4)


3

El valor de la diferencial de w es

w Pdv (1.5)

Por ser un proceso de compresión isoentrópico el valor de:

0q (1.6)

Sustituyendo (1.4), (1.5) y (1.6) en (1.2)

0dh vdP (1.7)

De la ley de gas ideal

RTPv (1.8)

el cambio diferencial de entalpía en un gas ideal se expresa como:

pdh C dT

(1.9)

Sustituyendo (1.8) y (1.9) en (1.7)

0p

dPC dT RT

P (1.10)

Integrando (1.10)

cteP

PLn

C

R

T

TLn

p

1

2

1

2

Aplicando antilogaritmos:

pC

R

P

p

T

T

1

2

1

2 (1.11)

Ahora la relación:

p

g

C

R (1.12)

Se obtendrá en términos de

2 2

1 1

0T P

pT P

dT R dP

T C P


4

De la ecuación de Mayer

g p VR C C (1.13)

Igualando… (1.12) y (1.13)

g p V

p p

R C C

C C

Dividiendo entre VC

V

p

V

p

p

g

C

C

C

C

C

R1

(1.14)

En donde V

p

C

C que es el índice adiabático (1.15)

Sustituyendo (1.15) en (1.14)

1

p

g

C

R

Entonces obtenemos de (1.11)

1

2 2

1 1

T P

T P

(1.16)

Definiendo a 1

2

P

P como la relación de presión que se representara como

1

1

2 )(

T

T (1.17)

Caso 2 ,vTT

Partiendo de la ecuación (1.2)

0vC dT Pdv (1.18)


5

el cambio de energía interna se define como:

vdu C dT (1.19)


0v

dT dvC R

T v (1.20)

Integrando (1.14) se obtiene

2 2

1 1

g

v

RT vLn Ln cte

T C v

Aplicando antilogaritmos se obtiene

Cv

R

v

v

T

T

1

2

1

2 (1.21)

donde

g p v

v v

R C C

C C

(1.22)


1g

v

R

C (1.23)


1

2 1

1 2

T v

T v

(1.24)

Pero la relación de compresión la definimos como:

1

2

c

vr

v (1.25)

de donde sustituyendo (1.25) en (1.24) se obtiene:


6

12

1

c

Tr

T

(1.26)

Caso 3 ,vPP

.11 CtevP

De donde obtenemos

2211 vPvP (1.27)

Colocando términos semejantes tenemos que:

2 1

1 2

P v

P v

(1.28)

Sustituyendo (1.25) en 1.28 se obtiene:

2

1

c

Pr

P

(1.29)

1.3.3. Calentamiento de aire a presión constante del ciclo diesel

Haciendo un balance de energía en la cámara de combustión, el cual se muestra en la figura 1.3

. . . . .

. . . . .

a c c a ca c gc

a a a a a

m m m m mh PCI h h

m m m m m

(1.30)

Pero

.

.

c

a

mrca

m

(1.31)

(1 )a c gch rca PCI rca h rca h (1.32)


7

Fig. 1.3 Balance de energía en la cámara de combustión del ciclo simple diesel [17].

Debido a que es un proceso de calentamiento isobárico tenemos:

2

3

2

3

v

v

T

T (1.33)

arv

v

2

3 (1.34)

Sustituyendo (1.34) en (1.33) se obtiene:

arT

T

2

3 (1.35)

Donde ar es la relación de admisión, despejando 3T y sustituyendo 2T de (1.26) obtenemos:

ac rrTT1

13

(1.36)

1.3.4. Proceso de expansión

Partiendo de que es un expansión isoentrópica

1

4

3

3

4

v

v

T

T (1.37)

Despejando 4T

Aire

Gases de combustión Combustible

CC


8

1

4

3

34

v

vTT (1.38)

Sustituyendo (1.36) en (1.38), considerando que 3 2av r v se obtiene:

1

4 1 aT Tr (1.39)

1.3.5. Proceso de enfriamiento y trabajo

Primero se definirá el calor rechazado aq

4 1bq u u (1.40)

Sustituyendo (1.38) y (1.26) en (1.40) se obtiene

11

aVb rTCq (1.41)

Para obtener el calor suministrado Aq se tiene:

23 hhqA 3 2pc T T (1.42)

Sustituyendo (1.26) y (1.39) en (1.42) se obtiene

11

1

acpA rrTCq

(1.43)

La eficiencia se define como;

A

m

q

w

A

b

q

q1 (1.44)


1

1

1

1

1

v a

p c a

C T r

C T r r

(1.45)

Sustituyendo (1.15) en (1.45) y factorizando

1

111

1

a

a

cr

r

r

(1.46)

El el trabajo de compresión se obtiene:

12 TTCw pc (1.47)

4 1( )vc T T


9

al sustituir (1.26) en (1.47) se obtiene lo siguiente:

1

1 1c p cw C T r T y factorizando da como resultado:

11

1

cpc rTCw (1.48)

Para el trabajo neto bAneto qqw se sustituye (1.41) y (1.43) y factorizando se consigue:

Multiplicando por p

p

C

C se obtiene

1

1

111

1

a

neto p a c

a

rw TC r r

r

(1.49)

1.4 Ejemplo del ciclo diesel de aire estándar

Un ciclo diesel ideal con aire como fluido de trabajo tiene una relación de compresión de 18 y una

relación de admisión de 2. Al principio del proceso de compresión el fluido de trabajo se encuentra a

una temperatura y una presión 1.013 bar y 299 K, respectivamente.

Las propiedades del aire son las siguientes:

1.005p

kJC

kgK 0.718V

kJC

kgK

De la ecuación (1.1) obtenemos la constante particular del aire.

aire

aire

RR

M

sustituyendo valores

0.287aire

kJR

kgK

El valor del índice adiabático es:

1.4


10

Tabla 1.1 Determinación de los estados del ciclo de aire estándar

Estado T (K) P (bar) v (m3/kg)

1 299.66 1.013 84.9

2 952.22 57.94 4.72

3 1904.44 57.94 9.44

4 394.883 2.67 84.9

Estado 1

De la ley de los gases ideales se obtiene le 1v

11

1

aireR Tv

P ,

sustituyendo los valores correspondientes se tiene

3

1 84.9m

vkg

Estado 2

Para obtener el volumen específico al final de la compresión se obtiene con la ecuación (1.25).

Despejando 2v y sustituyendo valores:

2

8.49

18v

3

72.4kg

m

Para calcular la temperatura en el estado 2, con la ecuación (1.26) despejando T 2 y sustituyendo

valores se obtiene lo siguiente

1.4 1

2 299.66 18 952.22

T K

De la ecuación (1.29) se obtiene la presión 2P

4.1

2 18013.1P

barP 94.572


11

Estado 3

Para el proceso de suministro de calor (proceso 2-3) es a presión constante es decir

23 PP

Por lo tanto

barP 94.573

Debido a que al calentamiento es isobárico se utiliza le ecuación (1.35)

Sustituyendo valores:

3 2 952.221 1904.44 T K

De la ecuación (1.34) se obtiene 3v

3

3 9.44m

vkg

Estado 4

El rechazo de calor se hace a volumen constante, se consigue:

14 vv

Por lo tanto

kg

mv

3

4 49.8

Para obtener la temperatura 4T se utiliza la ecuación (1.38) sustituyendo valores

1.4 1

4T 299.226 2 k883.394

La presión 4P se expresa de la siguiente manera:

34 3

4

vP P

v

Sustituyendo los valores correspondientes


12

49.8

1022.394.57

4

4

xP bar67.2

Las variación de entropía los procesos del ciclo diesel

2 2 2 21 2

1 1 1 1

p v

T P T vs C Ln RLn C Ln RLn

T P T v

Sustituyendo valores

1 2 1.129kJ

skgK

Para el caso de

2

3

2

332

P

PRLn

T

TLnCs p

Se obtiene

kgK

kJs 0.6932

Para 43s como es un proceso isoentrópico

043 s

Para 14s se obtiene que

1 14 1

4 4

v

T vs C Ln RLn

T v

Así se obtiene

kgK

kJs 1-

14 1.981x10

Para el trabajo de compresión se utiliza la ecuación (1.48). Aplicando valores da como resultado

cW 655.82kg

kJ

Para el cálculo de calor suministrado Aq se utiliza la ecuación (1.43)

kg

kJ956.98Aq


13

En el caso del calor rechazado bq se calcula por medio de la ecuación (1.41)

kg

kJ352.64bq

La eficiencia térmica se calcula con la ecuación (1.46). Una vez evaluado la eficiencia térmica se

obtiene:

63.0

Para el trabajo neto netow se utiliza le ecuación (1.49). Sustituyendo valores

1.4 0.4 1.4299.66 1.005 18 2 1 1.4 2 1netow K

Se obtiene

kg

kJ604.34netow

En la figura 1.4 y 1.5 se muestran los diagramas T-S y P-v respectivamente del ejemplo del ciclo

diesel de aire estándar. Los resultados de la determinación de todos los estados del ciclo se

encuentran en la tabla 1.1.

Fig 1.4 sistemas T-s del ciclo diesel de aire estándar.

Fig. 1.5 sistema P-v del ciclo diesel de aire estándar.

4

3

1

2

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.5 1 1.5 2 2.5

T (

K)

S (kJ/kgK)

2 3

4

10

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100

v ( m^3/kg)

P

(b

ar)

Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.

14

CAPÍTULO II

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DIESEL

POR SU USO


15

2.1. Motores diesel agrícolas

Actualmente los motores utilizados para la agricultura en su mayoría son diesel, ha facilitado el trabajo

de la agricultura; como en el caso, de los tractores agrícolas, que requieren mayor potencia y mayor

tamaño para aumentar la productividad de la tierra. En la Fig. 2.1 se muestra la imagen de un motor

diésel de un tractor con una potencia de hasta 25CV adicionales[8].

Fig. 2.1 Motor diésel de un tractor John Deere serie 6030 Premium de 64 a 114 kW (85 a 155 CV) [21].

Tabla 2.1 características de un motores diesel agrícolas según su modelo, marca John deere [21].

Motor 6230 6330 6430 6530

Régimen nominal

(96/68CE)

74kW (100 CV) 81 kW(110CV) 92kW(125CV) 92kW(134CV)

Potencia nominal

(97/68 CE)

79 kW(107CV) 87 kW(118CV) 98kW(134CV) 98kW(134CV)

Par máximo, Nm 416 455 518 518

Gama de potencia

constante

600 600 600 600

Reserva de par, % 35 35 35 35


16

2.2. Motores diesel transportables

Los motores diesel transportables son aquellos motores móviles, es decir están colocados sobre

remolques, y su función principal es generar potencia. Este tipo de motores pueden encontrarse en

grúas, explanadoras, excavadoras, niveladoras, palas rascadoras, compresores de aire y perforadoras.

Aunque estos motores son muy lentos. En la Fig. 2.2 se muestra una imagen de un motor diesel para

autobuses [10].

Fig. 2.2. Motor diésel D6 de un volvo FH16 con una potencia de hasta 551kW ( 750CV)

[23]

2.3. Motores diesel de ferrocarril

Existen algunas locomotoras que son equipadas con motores y estas constan de 4 tipos: locomotoras

de línea, tanto para trenes de carga como trenes de pasajeros, locomotoras de maniobra y locomotoras

de doble servicio. Las locomotoras de doble servicio emplean motores diesel de 447 a 894 kW,

mientras que en las de línea se emplean motores de 1,324 kW a 20507 kW [10]. También existen los

motores híbridos para locomotoras, por lo general estos motores son de aproximadamente 12 cilindros

su característica es que son pesados además de poseer características eléctricas, esto es conectado a

un sistema computarizado. Estas locomotoras tienen una velocidad aproximada de 77 km/h y genera

aproximadamente 2388 kW. esta energía es casi de 4,700 amperios de corriente eléctrica y genera

arriba de 560 kW de potencia [1].


17

2.4. Motores diesel marinos

En esta clasificación es utilizado el motor diesel para la propulsión de embarcaciones, desde los botes

hasta los buques de altamar. Por ejemplo, uno de los motores que eran de gran potencia estaban

instalados en los rompehielos de la Guardia Costera norteamericana con características: potencia de

9,707.6 kW; los buques nodriza para los submarinos de la Armada norteamericana con motores de

11,567 kW [10].

Fig. 2.3 Motor diesel marino M 46 DF Caterpillar marine power

[24]

Estos motores son capaces de invertir las hélices que propulsan. Esta inversión se da gracias los

engranajes, a diferencia de los motores de tierra estos son más rápidos en la Fig 2.3 se puede observar

las dimensiones de un motor diesel marino.

Tabla 2.2 Características de un motor marino de acuerdo al número de cilindro

[22]

Modelo 6110/125AC


18

Tipo En línea, refrigeración por agua, cuatro tiempos

Diámetro/Carrera (mm) 110/125

Número de cilindros 6

Desplazamiento total (L) 7.127

Potencia nominal / velocidad (kW/rpmin) 100/2500 77/2200

Sobrecarga de potencia / sobrecarga de velocidad

(kW/rpmin)

110/2575 85/2260

Consumo mínimo de combustible a plena carga (g/kW. h) ≤252

Humo (FSN) ≤4.0

Peso neto (kg) ≤560

2.5. Motores diesel para generación de energía eléctrica

Son motores para generar energía eléctrica de manera continua, unos de los ejemplos más comunes

son las plantas de emergencias y los centrales generadora de energía eléctrica. Una de las

características de estos motores es que deben ser de alto rendimiento debido a que se ocupa por casi

todo el tiempo. En la Fig. 2.4 se puede observar un motor diesel de generación eléctrica

Tabla 2.3Caracteristicas motor diesel modelo C15 ATAAC, I-6, de 4 tiempos enfriado por agua [24]

Calibre 137.2 mm

Carrera 171.4 mm

Cilindrada 15.20 L

Relación de compresión 16, 1:1

Aspiración Posenfriamento aire-aire


19

Fig. 2.4 Motor para generación eléctrica

[24]

2.6. Motores diesel para cogeneración.

En la actualidad, la cogeneración se define como la forma de aprovechamiento de las actuales

tecnologías para conseguir el máximo aprovechamiento energético de un combustible, ya que en un

motor o en una turbina sólo se logra aprovechar del 25% al 40% de la energía de este combustible. En

la fig 2.5 se muestra el diagrama de flujo de un motor diesel en la cogeneración.

Fig. 2.5 Diagrama flujo de un motor diesel para cogeneración en la generación eléctrica [19].

2.7. Motores diesel híbridos

Combinan dos formas de generación de energía y por ende puede proveer energía de propulsión

directa e indirectamente. Actualmente diferentes marcas de vehículos están invirtiendo por este tipo

de tecnologías con el fin de reducir el consumo de combustible y disminuir la contaminación [1].


20

2.7.1 Motores MCI-eléctrico

Son los motores híbridos que combinan un Motor de Combustión Interna (MCI) y un motor eléctrico,

son los únicos sistemas híbridos que han tenido un desarrollo serio. Existen dos tipos básicos de

sistema: en serie y en paralelo:

Híbridos en serie: utiliza un MCI acoplado a un generador, el cual produce electricidad para un motor

eléctrico, el cual proporciona tracción (ver Fig. 2.6) es llamado hibrido en serie, el flujo de energía se

mueve en línea directa. Al estar el MCI desacoplado de la tracción puede continuar funcionando a

velocidad constante con el objetivo de cargar la batería [1].

Fig 2.6 Diagrama del motor híbrido en serie de un motor diesel-eléctrico [1].

2.7.2 Híbridos paralelos

Ocupan los dos motores es decir, el MCI y el eléctrico para accionar la tracción, asignando cada uno

de acuerdo a las condiciones de conducción. Debido a que la energía fluye en líneas paralelas es

llamado paralelo. En este sistema el MCI se puede accionar la tracción al mismo tiempo que carga las

baterías. Estos tipos de vehículos son los más populares y los más investigados en este momento (ver

fig. 2.7).

Diesel Generador

Inversor

Batería

Motor

eléctrico.


21

Fig. 2.7 Diagrama del motor híbrido en paralelo de un motor diesel-eléctrico [1].

Transmisión

Inversor

Batería

Generador

eléctrico Diesel

Capítulo III Características de los combustibles para motores diesel

22

CAPÍTULO III

CARACTERÍSTICAS DEL DIESEL


23

3.1. Introducción.

El diesel es un combustible líquido que se obtiene de la destilación del petróleo entre los 200 y 380°

C. Es un combustible de uso automotriz e industrial, que se emplea principalmente en motores de

combustión interna tipo diesel. En este grupo se incluye el Pemex diesel, el diesel SIN, el diesel

marino y el gasóleo industrial. Este último fue sustituido por el combustible industrial a partir de

1998, y posteriormente dejó de comercializarse en abril del 2001 [14]

Grados estándar del diesel

Grado 1: los combustibles incluyen volátiles algunos como el keroseno y destilados intermedios, estos

combustibles son recomendados para motores de alta velocidad. Las condiciones de funcionamiento

implican frecuentes y amplias variaciones en la carga del motor. Los motores de esta clasificación

requieren que sean usados a temperaturas no muy altas [9].

Grado. 2. Incluye destilados de aceites de baja volatilidad, más baja que la volatilidad que los Grado1.

Esta clasificación es adecuada para motores de altas velocidades, no sujetos a amplias variaciones en

la carga y velocidades.

Grado 3. Incluye destilados más viscosos y mezclas con residuos de “fuel oils”. Esté es más

económico que las otras dos clasificaciones. Esta clasificación es adecuada para motores que operan

a baja y media velocidad bajo carga sostenida y velocidad constante [9].

3.2. Propiedades de los combustibles.

3.2.1Densidad.

El rango de la densidad del diesel se encuentra entre 0.820 y 0.845 3

g

m a 15 ºC norma ISO 12185


24

3.2.2 Punto de ignición o temperatura de ignición.

La temperatura a la cual un combustible líquido produce vapores suficientes como para mantener la

combustión una vez iniciada. El diesel PEMEX tiene una temperatura de ignición de 254 – 285 ºC.

3.2.3La viscosidad.

Indica la capacidad del combustible para circular por el sistema de alimentación y además indica su

capacidad para lubricar la bomba y los inyectores por lo tanto la viscosidad excesiva tendrá como

consecuencia el mal funcionamiento de la bomba de combustible y del inyector, y por consecuencia

afectará la presión sobre la inyección. Una viscosidad insuficiente ocasiona dificultades en los

pistones de la bomba, el combustible se quedaría estancado; este combustible tampoco tendría

propiedades lubricantes para estos componentes [12]. El diesel según las normas ISO 3104 la

viscosidad cinemática esta entre 2.0-2.4 centistoks a 40 ºC.

3.2.4 Poder calorífico.

Es la cantidad de calor que entrega quemarse 1kg de combustible, se mide en kg

kJel poder calorífico

del diesel es 45000 kg

kJ

3.2.5 Las impurezas flotantes.

Deben ser eliminadas por medio de filtros. Para tener un buen funcionamiento y un correcto

almacenamiento del combustible, el depósito debe ser vaciado o purgado periódicamente, para

eliminar las impurezas y el agua acumulada. La cantidad de cenizas y agua debe ser nula.


25

3.2.6 La temperatura de autoencendido.

La temperatura de autoencendido del gasoil es más baja que la temperatura de la gasolina (diesel

280°C; gasolina de índice de octano 80, 410 °C). La inflamación del diesel tiene lugar en varios

estadios o fases. La primera es el retardo y dura todo el tiempo de inyección con encendido; durante

este periodo el combustible debe alcanzar la temperatura del aire ambiente. Luego se produce la

precombustión que comienza en el momento de la inflamación. El periodo de retardo no puede ser

demasiado largo, de lo contrario se acumula combustible durante este tiempo [12].

3.2.7. Retardo de inflamación

Se define como el tiempo que transcurre entre el instante en que el combustible penetra en la cámara

y el instante que comienza a quemarse. El retardo de combustión es la duración del período

comprendido entre el principio de la inflamación y el instante cuando la presión es máxima.

Normalmente estos retardos se miden en milésimas de segundo o milisegundos [12].

3.2.8. Índice de cetano.

Se compara el retardo de la inflamación del combustible a analizar con el retardo de 2.4 milisegundos

de una mezcla determinada de cetano y alfametilneftaleno, quemado en un motor tipo con una misma

relación de compresión. En cierto modo esto es la facilidad con que se puede inflamar un combustible.

Cuando más elevado es el índice de cetano, disminuye más el retardo y por consiguiente disminuye

más el avance de la inyección en igualdad de carga del motor. Los combustibles comerciales tienen

un índice de cetano de la norma ISO 4264 es de 45 min[12].


26

3.2.9. Punto de fluencia

Las bombas que alimentan la cámara de combustión deberán ser capaces de circular el combustible

por los conductos a pesar del frío. El punto de fluencia o también conocido como punto de congelación

es la temperatura más baja a la cual el combustible puede circular en los ductos [12].

.

3.2.10. Punto de nube

Es la temperatura a la cual empiezan a precipitar ciertos compuestos del combustible (como

parafinas). Es un parámetro muy importante que hay que tomar en cuenta cuando se usa el motor en

climas fríos. El valor debe ser definido por el usuario, ya que depende del clima en donde se utilice el

motor. El diesel PEMEX es de -14 ºC

3.3. Diesel utilizado en México.

En México existen cuatro tipos importantes de combustibles (diesel); diesel desulfurado, diesel

industrial de bajo azufre, diesel marino especial y diesel (PEMEX industrial) [14].

Diesel desulfurado: Combustible líquido con olor a petróleo, de color amarillo claro (2.5 máximo,

ASTM D 1500), producido a partir de una mezcla de hidrocarburos parafínicos, olefínicos, nafténicos

y aromáticos, por procesamiento del petróleo crudo. Es insoluble en agua y se usa, fundamentalmente,

como combustible para los motores (tipo diesel) de autotransporte, locomotoras ferroviarias, turbinas

y equipos mecánicos. En la tabla 3.1 se muestran algunas propiedades del diesel desulfurado.

Tabla 3.1 propiedades del diesel desulfurado.[14]

Propiedades Rango

Temperatura de ebullición (a 760 mm de

Hg)

216-371 (° C)

Presión de vapor 20 mm. de Hg a 20 ° C

Temperatura de inflamación 41 °C

Índice de cetano 45 mínimo

Azufre total 0.5 máxima (porcentaje en peso)


27

3.3.1 Diesel industrial

Contiene bajo azufre, combustible exclusivo para quemadores de flama abierta, de color amarillo, olor

a petróleo, insoluble al agua, se obtiene del fraccionamiento de los crudos en el corte correspondiente

al gasóleo ligero, el cual se ha tratado para reducir su contenido de azufre total a 0.05% en peso. Se

utiliza, principalmente, en calderas, generadores de electricidad, generadores de vapor, hornos y

calentadores industriales. Las propiedades del diesel industrial de bajo azufre se muestran en la tabla

3.2 [14].

Tabla 3.2 Propiedades del diesel industrial de bajo azufre.

Propiedades Rango

Temperatura de ebullición (a 760 mm de Hg) 216-371 (° C)

Presión de vapor 30 mm de mercurio 20 ° C

Temperatura de inflamación 52° C

Azufre total 0.005 máximo

3.3.2 Diesel marino

Especial: combustible líquido, teñido con color verde, de olor a petróleo insoluble en agua. Se obtiene

de una mezcla de hidrocarburos parafínicos, olefínicos, nafténicos, derivados del procesamiento el

petróleo. Su índice de cetano es de 40 mín, su temperatura de inflamación es de 60 ° C y el azufre es

de 0.5 % en peso [14].

3.3.3 Diesel (PEMEX Diesel).

Combustible derivado de la destilación atmosférica del petróleo crudo. Se obtiene de una mezcla

compleja de hidrocarburos parafínicos, olefínicos, nafténicos y aromáticos, mediante el

procesamiento del petróleo. Es un líquido insoluble en agua, de olor a petróleo. Se expende con un

color amarillo claro (2.5 máximo ASTM D 1500). Se consume, principalmente, en máquinas de

combustión interna de alto aprovechamiento de energía, con elevado rendimiento y eficiencia


28

mecánica. Se usa, fundamentalmente, como energético en el parque vehicular, equipado con motores

diseñados para combustible diesel, tales como camiones de carga de servicio ligero y pesado,

autobuses de servicio urbano y de transporte foráneo, locomotoras, embarcaciones, maquinaria

agrícola, industrial y de la construcción. Las propiedades del diesel PEMEX se muestran en la tabla

3.3 [14].

Tabla 3.3 Diesel (PEMEX Diesel) [14].

Propiedad Rango

Temperatura de ebullición (a 760 mm de Hg) 216-371 (° C)

Presión de vapor 30 mm. de Hg a 20 ° C

Temperatura de inflamación 45 °C

Índice de cetano 48 mínimo

Azufre total 0.05 máxima (porcentaje en peso)

Capítulo IV Combustión

29

CAPÍTULO IV

COMBUSTIÓN


30

4.1. Definición de combustión

La combustión es un proceso de oxidación que ocurre rápidamente y que oxida a determinado

combustible, liberando gran cantidad de energía. Los combustibles más utilizados son materiales

orgánicos que contienen carbono e hidrógeno también llamados combustibles fósiles.

Cualquier materia que pueda quemarse para liberar energía que se le denomina combustible. Estos a

su vez son considerados como hidrocarburos líquidos, a pesar de ser una mezcla de diferentes

hidrocarburos: la gasolina se trata como un octano C8H18 y el diesel se considera como un dodecano

C12H26[18]. En la tabla 4.1 se muestra la comparación de los combustible alternativos contra los

combustibles tradicionales derivados del petróleo, en base al contenido energético [18].

Tabla 4.1 Comparación de algunos combustibles alternativos contra los combustibles tradicionales basados en petróleo

usados en la industria del transporte.[18]

Combustibles Contenido

Energético,

kJ/L

Equivalencia en gasolina

L/L de gasolina

Gasolina 31,850 1

Diesel ligero 33,170 0.96

Diesel pesado 35,800 0.86

LPG (gas licuado de petróleo principalmente

propano)

23,410 1.36

Etanol (o alcohol etílico) 29,420 1.08

Metanol (o alcohol metílico) 18,210 1.75

CNG (gas natural comprimido, principal

metano, a 200 atm)

8,080 3.094

LNG (gas natural licuado principalmente

metano)

25,0490 1.55

*Cantidad de combustible cuyo contenido energético es igual a la energía contenida en 1 L de gasolina.

En un proceso de combustión las componentes que se encuentran antes de iniciar la reacción reciben

el nombre de reactivos y los que se encuentran después de que ocurrió la reacción se llaman productos.

En la figura 4.1 se puede observar un proceso de combustión.


31

Figura 4.1. Proceso de combustión

Un ejemplo más claro puede ser 1 kmol de carbón y 1 kmol de oxígeno puro, después de reaccionar

se forma dióxido de carbono.

22 COOC (4.1)

Para llevar a cabo una combustión, no basta con tener solo aire, la combustión inicia en el momento

que el combustible se lleva por arriba de la temperatura de ignición (Es la mínima temperatura a la

que una sustancia, sólida o líquida, debe ser calentada a fin de iniciar una combustión). Los productos

de combustión contienen CO2, H2O, O2 y N2.

Un factor importante en la combustión es el aire, éste tiene una composición volumétrica de 20.99%

de Oxígeno, 78.03% de Nitrógeno y poco menos de 1% de Argón y pequeñas cantidades de gases

inertes. [11]

En la ingeniería se ocupa 21% de Oxígeno y 79% nitrógeno, es decir si se ocupan 100 kmol existen

aproximadamente 21 kmoles de O2 y 79 kmoles de N2 de esta forma se dice que por cada mol de

oxígeno que entra a la cámara de combustión estará acompañado de 3.76 mol de nitrógeno

2

2

2

2 76.321.0

79.0

kmolO

kmolN

kmolO

kmolN

.

En el proceso de combustión se aplica también el principio de la conservación de la masa (o balance

de masa) esto indica que una reacción debe tener la misma masa antes y después de la reacción. Como

a continuación se muestra en la ecuación 4.2

Reactivos

Productos


32

OHOH 2222

1

(4.2)

4.2. Procesos de combustión

En la ingeniería un proceso de combustión se lleva a cabo con la influencia del aire, cuando se dice

que la combustión tiene 100% de aire requerido, se denomina combustión estequiométrica, es decir,

una combustión ideal teórica. En este proceso se habla de exceso de aire cuando la combustión tiene

mayor cantidad de aire requerido y tiene deficiencia de aire cuando existe menor cantidad de aire

requerido por ejemplo si existe un 80 % aire requerido se dice que tiene una deficiencia de aire del 20

%.

.

4.2.1 Ejemplo del Proceso de combustión con exceso de aire [20].

Durante un proceso de combustión se quema diesel (C12H26) con 75% de exceso de aire. Suponga

combustión completa y determine las reaccione aire-combustible.

Para la resolución de este problema se debe obtener la ecuación de la reacción estequiométrica

222222612 76.3 dNOcHbCONOaHC (4.3)

bC 12:

daN

cbaO

cH

76.3:

22:

226:

Resolviendo simultáneamente se tiene como resultado

47

13

12

5.18

d

c

b

a

222222612 56.691312)76.3(5.18 NOHCONOHC (4.4)


33

Se parte de esta ecuación para obtener la reacción con exceso de 75% de aire así que se expresa el

porcentaje de aire de un 75%.

2222222612 76.35.1875.1 dOcNObHaCONOHC (4.5)

Para encontrar los productos de esta ecuación se necesita hacer un balance debido a la ley de la

conservación de la materia

2222222612 76.337.32 dOcNObHaCONOHC (4.6)

cN

dbaO

bH

aC

71.121:

2274.64:

226:

12:

2

Resolviendo simultáneamente las ecuaciones anteriores

87.13

71.121

13

12

d

c

b

a

Por lo tanto la ecuación balanceada con un exceso de aire de un 75% es la siguiente:

2222222612 375.923.821312)76.3(37.32 ONOHCONOHC (4.7)

La relación aire combustible con un 75% de exceso de aire se obtiene de la siguiente manera:

2

12 26

75%

32.37 4.76 2926.28

12 12 13

Oa

c C H

kmolmrac

m kmol

4.2.2 Ejemplo combustión con azufre.

Anhídrido sulfuroso un gas muy corrosivo en presencia del agua y es el responsable de la corrosión

que se desarrolla en el interior de los conductos de escape.

Ejemplo Un análisis químico (o final) de un carbón bituminoso en bruto es del 77.5% C, 3.7% H2,

1.5% N2 4.3% O2 0.5% S, 6.5% ceniza y 6.0 H2O

a) convierta el análisis en base seca.


34

b) Determine el análisis según la base en seco y sin ceniza.

c) Si este combustible se quema en bruto (as recived) a razón de 100 toneladas métricas por hora,

y el desecho resulta con un 10% de material combustible (carbono en la ceniza), ¿Cuántos

kilogramos de desecho se tiene que manejar cada hora?

Solución:

a) el análisis en base en seca significa que se debe de tomar en cuenta el porcentaje de los elementos

sin agua

cenizasSONHC %9.6 , %53.0 , %5.4 , %5.1 , %9.3 , %24.82 222 .

Esto se obtiene dividiendo cada número en porcentaje mf entre la masa M correspondiente al

elemento y los números se consideran como moles por 100 kg de combustible seco.

b) para determinar el análisis según la base en seco y sin ceniza ahora no sólo se quita el compuesto

sino también la ceniza SONHC %0.6 , %1.5 , %7.1 , %2.4 , %5.88 222

4.2.3Ejemplo de combustión con biodiesel

Durante un proceso de combustión se quema biodiesel (C19H39O2)3. con 75% de exceso de aire.

Suponga combustión completa y determine las reaccione aire-combustible.

Para la resolución de este problema se debe obtener la ecuación de la reacción estequiométrica

2222223919 76.3 dNOcHbCONOaOHC (4.8)

Haciendo el balance de masa

2

:19

: 39 2

: 2 2

: 3.76

C b

H c

O a b c

N a d


35

Las ecuaciones se resuelven de manera simultánea y se obtienen los valores de las incógnitas

27.75

19

19.5

104.34

a

b

c

d

Entonces, la ecuación de la combustión es

2222223919 34.1045.191976.375.27 NOHCONOOHC

Para 75% de exceso de aire se tiene

22222223919 76.3)75.27)(75.1( dOcNObHCONOOHC (4.9)

Balanceando la ecuación (4.9) por medio del método algebraico se tiene:

:19

: 39 2

: 99.12 2 2

:182.58

C a

H b

O a b d

N c

Resolviendo simultáneamente se obtiene:

19

19.5

182.58

20.81

a

b

c

d

22222223919 81.2058.1825.191976.3)56.48( ONOHCONOOHC

La relación aire combustible con un 75% de exceso de aire se obtiene de la siguiente manera:

2

19 39 2

75%

48.56 4.76 2969.82

19 12 39 16(2)

Oa

c C H O

kmolmrac

m kmol

Capítulo V Potencia al freno y torque

36

CAPÍTULO V

POTENCIA AL FRENO Y TORQUE.


37

5.1. Potencia al freno (o efectiva).

La potencia al freno es la potencia neta que puede generar un motor. Se da el nombre de potencia al

freno porque algunas veces se determina la potencia útil por medio de la potencia en un freno.

El freno de prony se representa en la figura 5.1, este freno se utiliza para obtener la potencia al freno.

La función del freno de prony es absorber la potencia útil del motor con el rozamiento que ejercen el

conjunto de bloques de madera, A, al apretarse sobre el contorno de una rueda presiona al eje del

motor. La correa que rodea a los bloque de madera está unida a un brazo de palanca, L, cuyo extremo

presiona sobre la plataforma de una balanza W [10].

Figura 5.1 Esquema del freno de prony. [10]

Antes de la prueba, los bloques de madera se aflojan por medio de las tuercas de ajuste, B, y enseguida

se pesa el brazo de palanca, L, en la balanza. Sea W0 este peso. A continuación, se pone en

funcionamiento el motor y se aplica la correa de fricción apretando las tuercas, B. El rozamiento entre

la correa y la rueda obliga al brazo de palanca a presionar sobre la plataforma de la balanza ejerciendo

una cierta fuerza, cuyo valor se obtiene equilibrando la balanza al ejercer una cierta fuerza, Wt, cuyo

valor puede variar equilibrando la balanza. Entonces la fuerza neta que ejerce el motor es igual a la

lectura de la balanza con el motor en marcha menos el peso del brazo de palanca, es decir [10]:

ot WWF (5.1)


38

Como la potencia es el producto de la fuerza por la velocidad, entonces se mide la velocidad del

motor, N (rpm), y también la longitud, R, del brazo de palanca, L. La longitud efectiva o radio del

brazo de palanca es la distancia, R, desde el eje de simetría de la rueda hasta el punto en que el brazo

de palanca actúa sobre la balanza. (Para mejorar la presión se utiliza un soporte de cuchilla, E, en este

último punto).

Cuando los tornillos de la cuerda son apretados existe una fuerza que actúa sobre el extremo del brazo

de palanca, donde se encuentra E, formando un circulo de radio R como se muestra en la figura 5.2.

[10] [12].

Fuerza

aplicada

sobre el

extremo

de brazo

de palanca

Figura 5.2 diagrama de la fuerza aplicada por la rueda.

El perímetro de un círculo es entonces, la distancia que recorre la fuerza durante una rpm es:

2 R (5.2)

por consiguiente la velocidad es

2

60

RNu


39

y la potencia efectiva del motor se expresa de la siguiente manera

9.54efect

FRNP Fu (5.3)

como F es igual a mg, entonces la potencia efectiva es

0.0975efect

mRNP (5.4)

5.2. Torque (par motor)

El torque o también conocido como par motor es un esfuerzo giratorio. Par el cálculo del torque del

motor, el cigüeñal está funcionando como una torca y se representa como:

F R . (5.5)

Donde F es la es la fuerza que actúa sobre la muñequilla y el cojinete principal, R es la distancia entre

los centros de la muñequilla y del cojinete principal, a esto se le denomina brazo de palanca, en la

figura 5.1 se muestra una esquema de este funcionamiento. Escribiendo el par motor en función de la

potencia se tiene:

60

2efectP

N

(5.6)

El aumento de las revoluciones por minuto disminuye el torque, pero a mayor potencia efectiva el

torque aumenta, este análisis se puede apreciar porque si N<Pefect entonces el torque aumentara y si

ocurre lo contrario el torque será menor, en la figura 5.3 se muestra el comportamiento del par motor

con respecto a las revoluciones por minuto variando la potencia efectiva efectP .

La potencia de los motores ingleses se indica según el sistema B.H.P (brake horse power-caballos de

fuerza). Es igualmente una potencia real. La potencia de los motores americanos se indica según el

sistema S.A.E: (Society of Automotives Engineers) en “gross horse power” en este sistema la potencia


40

del dinamo se resta a la potencia medida en el indicador. En Italia los ensayos se efectúan bajo las

normas CUNA (Commisione Unificazine-Normalizzazion-Autoveicoli) [12].

Figura 5.3 Par motor en función de las rpm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1000 2000 3000 4000

par

mo

tor[

Nm

]

N[rpm]

Pefect =10

Pefect=15

Pefect=25

Pefect=30

Pefect=35

Pefect=40

Pefect=50

Pefect=55

Pefect=60

Pefect=65

Pefect=70

Pefect=75

Pefect=80

Pefect=85

Capítulo VI Biodiesel

40

CAPÍTULO VI

BIODIESEL


41

6.1. Definición del biodiesel

El biodiesel es una alternativa a los combustibles fósiles, debido a que se considera como un

combustible renovable. Éste se produce a partir de grasas animales y aceites vegetales. En la figura

6.1 se muestra la síntesis de la transesterificación para la formación de biodiesel.

El biodiesel se define como un biocombustible sintético mono-alkyl ester de cadenas largas de ácidos

grasos derivado de aceites vegetales y grasas animales, también se le denomina B100 [13].

Fig. 6.1 Síntesis de la transesterificación para la formación del biodiesel, donde 21, RR y 3R son cadenas largas de

carbono y átomos de hidrógeno

6.2. Métodos de producción de biodiesel

6.2.1. Transesterificación

La transesterificación es la ruta de reacción para la producción de biodiesel, sin embargo, la desventaja

de esta forma de obtención es que requiere de eliminar las impurezas con un pretratamiento de la

materia prima, acidos grasos libres y/o agua.

El biodiesel se produce a partir de aceites comestibles, grasas animales y grasas vegetales, debido a

que estos aceites contienen la acidez y humedad adecuada para la producción del biodiesel; sin

embargo, también existen aceites y grasas vegetales que tienen menor calidad, tales como: los aceites

vegetales crudos, grasas animales y aceites usados, en la tabla 6.1 se muestra la acidez de algunos

+ +

Catalizador


42

aceites. La problemática de estos aceites es el proceso de purificación, como por ejemplo los residuos

de gomas que pueden formar emulsiones en el proceso. Y estos aceites a su vez tienen algunas ventajas

como: los fosfáticos facilitan que el producto no contenga fosfatos y se reduzca el costo, y los ácidos

grasos para facilitar el proceso de transesterificación y posteriormente la purificación de glicerina y

las ceras son para mejorar el desempeño de glicerina. [17]

Tabla 6.1 Acidez de algunas materias primas baratas [4].

Materia prima Rango de acidez

Aceites de cocina usados 7-9%

Grasas animales 5-30%

Grasas de trampas de grasas Cerca de 100%

6.2.2. Transesterificación en dos etapas

La transesterificación en dos etapas consiste en utilizar sólo una parte de la mezcla alcohol-catalizador

en cada etapa y separar el glicerol después de cada etapa. Usualmente, se utiliza el 80% del alcohol y

catalizador, se lleva a cabo una segunda reacción con el 20% de alcohol y catalizador restante, sin

embargo en el balance energético utilizar dos etapas requiere mayor energía, y esto podría ocasionar

que el costo de producción se eleve.

En algunos países se utiliza el etanol como sustituto de metanol, se utiliza el etanol con la finalidad

de tener un compuesto renovable, pero el etanol requiere elevar la temperatura de la reacción y además

el costo del etanol es más caro que el metanol [17].

6.2.3 Métodos de separción para las mezclas de biodiesel homogéneo

En el caso de la transesterificación, al ocurrir la catálisis, las mezclas se hacen homogéneas:

Los aceites vegetales reaccionan con alcohol en presencia de un catalizador. El catalizador utilizado

comúnmente es hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH), que al mezclarse con el

alcohol forman una mezcla homogénea (formando un métoxido de la base utilizada) enseguida se

vierte el aceite y estas sustancias (metoxido y aceite) forman una mezcla homogénea, y por


43

consiguiente se lleva a cabo un proceso de lavado o separación. Para esto se ocupan los métodos

siguientes [17].

o Lavado por medio de burbujas

Este método se realiza después de la catálisis y es para separar el glicerol del biodiesel. Como su

nombre lo dice, es un lavado por medio de burbujas. En este proceso se agrega agua al biodiesel,

debido a que el agua es más pesada que el biodiesel, ésta se asienta en el fondo. Cuando se empiezan

a burbujear aire, las burbujas de aire comienzan a salir del agua y entran al biodiesel, éstas forman

una película de agua, esto permite que, cuando pase por el biodiesel lo pueda limpiar, una vez en la

superficie, las burbujas explotan y esto ocasiona que el agua caiga, permitiendo que el biodiesel sea

lavado. Este procedimiento se hace de tres o cuatro veces durante 8 horas con un periodo de reposo

de un hora entre cada lavada [17].

o Lavado por medio de rociado

En este método se rocía vapor de agua en la superficie, causando que se introduzcan gotas en el

biodiesel sin causar ninguna agitación en la sustancia. Esto limpia lentamente el biodiesel, es más

tedioso y ocasiona que el proceso de limpieza sea más lento. La desventaja que tiene esta forma de

lavado es, que el agua utilizada no puede ser reutilizada [17].

o Lavado con una corriente opuesta

En este método se utiliza una corriente de agua en sentido contrario al biodiesel, esto permite que las

impurezas del biodiesel sean eliminadas. En este procedimiento se utilizan grandes columnas para

limpiar el biodiesel. En la superficie de la columna se introduce el biodiesel y en el fondo el agua

(aproximadamente a una temperatura de 70 ºC). La mezcla se acumula en un recipiente y el proceso

se repite por tres o cuatro veces. En esta forma de lavado el agua si puede ser reutilizada [17].


44

o Agitación

Es el método más efectivo cuando el rendimiento del biodiesel transesterificado es bajo. En este

método el agua y el biodiesel son mezclados por medio de mecanismos de agitación por 5 minutos o

hasta alcanzar una mezcla homogénea. Después de un tiempo de reposo se forma una capa de biodiesel

en la parte superior, lo que permite que se pueda separar fácilmente. Y los excesos de agua se

remueven elevando la temperatura a 48 ºC [17].

6.2.4 transesterificación sin catalizador (metanol supercrítico).

El uso de catalizadores dificulta la purificación del biodiesel, una de las propuestas utilizadas para

superar estas problemática es utilizar el metanol en condiciones supercríticas, las principales ventajas

son las siguientes:

No se requiere catalizador.

No es sensible a la presencia de agua o ácidos grasos libres.

Los ácidos grasos libres son esterificados al mismo tiempo que el resto del aceite.

Este método se lleva a cabo con algunas condiciones de temperatura y presión elevadas que necesitan

suministro de energía mayor, en la tabla 6.2 se presentan las propiedades adecuadas para llevar a cabo

la transesterificación supercrítica del metanol [17].

Tabla 6.2 Condiciones para llevar a cabo la transesterificación supercrítica [17].

Variable Proceso supercrítico Proceso supercrítico con

solvente

Temperatura 320 ºC 280 ºC

Presión 400 bar 128 bar

Razón molar metanol: aceite 42:2 24:1

Co-solvente Ninguno Propano (se recicla)

A estas condiciones se puede obtener la transformación del aceite a biodiesel, este se puede lograr en

poco tiempo (5-10min), sin la necesidad de un catalizador aunque este método presenta altos costos

para alcanzar estas condiciones de operación, presenta algunos beneficios que pudiesen ser costeables:


45

Permite utilizar aceites comestibles de bajo costo sin pretratamiento.

El tiempo de reacción es menor.

El glicerol, subproducto de transesterificación, resultó ser casi puro (96.4%).

El biodiesel sólo requiere destilación del metanol para obtener una alta pureza (99.8%).

6.2.5. Pirolisis

También llamado “craking” térmico, este método consiste en convertir una sustancia en otra por

medio de su calentamiento a altas temperaturas (superiores a 450 ºC) con presencia de oxígeno Este

método se utiliza para generar combustibles, la problemática de éste método, son las altas

temperaturas, así como la presencia de oxígeno, esto llevaría a cabo una combustión, y obteniendo

rendimientos muy bajos del proceso.

6.2.6. Tecnologías biomasa a líquido

Estas tecnologías implican la síntesis de combustibles líquidos a partir de biomasa sólida mediante un

proceso termoquímico. El objetivo principal de este método es producir combustibles similares a la

gasolina y al biodiesel. Son procesos denominados de segunda generación, porque actualmente se

encuentran en investigación.

6.3. Comparación teórica del biodiesel con el diesel

Este apartado se enfoca a las ventajas y desventajas que pueden obtenerse del biodiesel como B100 y

como mezcla con el diesel. En las mezclas de diesel y biodiesel se debe tener cuidado, debido a la

lubricidad del biodiesel, es decir, el biodiesel es más lubricante que el diesel, sin embargo, se ha

encontrado una mezcla adecuada que es a partir de B20, las mezclas mayores a éstas traen como


46

consecuencia el uso de otro aditivo para la lubricación, la tabla 6.3 muestra algunas características de

las mezclas diesel-biodiesel.

Tabla 6.3 Características de las diferentes mezclas de diesel con biodiesel [2]

Análisis B100 B60 B30 B20 B10 Diesel

Agua por destilación,

% por volumen

0.8 0.5 0.1 0.0 0.0 0.0

Cenizas, % por peso <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01

Color Saybolt 2.5 2.5 2.0 2.0 2.0 1.5

Corrosión Lámina Cobre, 1A 1A 1A 1A 1A 1A

Punto inicial de

ebullición,

°C

204.3 191.1 190.1 171.8 174.9 182.0

Punto final de ebullición,

°C

353.6 351.6 362.8 362.8 372.9 380.0

Densidad a 60 °C,

(kg/m3),

926.05 901.85 882.17 871.3 868.63 865.97

Índice de cetano 38.0 45.0 49.0 50.5 51.0 50.0

Poder calorífico, MJ/kg 37.52 40.0 42.95 44.2 45.01 45.43

Punto de inflamación, °C 84.3 64.3 64.3 62.3 62.3 62.3

Punto de fluidez, °C -18.0 -12.0 -13.0 -18.0 -14.0 -14.0

Las normas ASTM indica el rango en donde se deben encontrar las propiedades del biodiesel y sus

mezclas, la tabla 6.4 muestra la comparación de las características obtenidas en la producción de

biodiesel a partir de aceite de higuerilla con las ASTM, estas normas en comparación con las

características del diésel muestran las siguientes características:

Densidad y viscosidad mayor.

Disminución de los residuos de carbono.

Reducción del calor en el proceso de combustión de aproximadamente 12% debido a la

presencia de oxígeno dentro de la molécula.


47

El torque se reduce aproximadamente un 10%, porque el biodiesel tiene un menor PCI, esto

repercute en un mayor consumo de combustible.

Tabla 6.4 Resultados obtenidos mediante una prueba con aceite de higuerilla [2].

Propiedades Unidades Estándar ASTM Resultados Valor Típico

Densidad g/cm3

D-5 0.97 0.96

Agua y sedimentos % Volumen D-96 0.0 -

Corrosión - D-665 1ª -

Contenido de cenizas % en peso D-482 0.015 <0.01

Punto de inflamación °C D-93 279.3 270

Punto de fluidez °C D-97 -2 -10

Viscosidad a 40 ° C cSt (mm2/s) D-445 266.81 297

Índice de acidez Mg KOH/g

aceite

D-1980 2.1 -

6.4. Ventajas ambientales del biodiesel

Diferentes estudios han demostrado que el Biodiesel ha traído como consecuencia ventajas

ambientales, con el Biodiesel se reducen las partículas a menos de 10 micrones (PM10), monóxido de

carbono (CO) y óxido de Azufre SOx se da un ejemplo en la tabla 6.5 de la variación de los gases de

combustión [13].

Los NOx pueden aumentar o disminuir dependiendo de la afinación del motor

La potencia disminuye entre el 2 y 10% con B30 y B100, respectivamente.

Las emisiones de CO del biodiesel disminuyen de un 2 a un 50%.


48

Tabla 6.5 Variación de las emisiones contaminantes del biodiesel a partir de aceite de soya respecto al diesel convencional

[4]

agentes contaminantes de la atmósfera Variaciones de emisiones

Durante la combustión (%) Total (%)

CO -46 -35

4CH 0 -3

HN3 0 -66

Hidrocarburos (sin incluir 4CH ) -37 238

Hidrocarburos (no especificados) 0 -39

Hidrocarburo policíclicos aromáticos -80

Hidrocarburo policíclicos aromáticos nitrogenados -90

Benceno 0 -96

Formaldehído 0 -96

PM10 -68 -45

Partículas no especificadas 0 -25

SOx 9 13

NOx 9 13

HCI 0 14

HF 0 -16

Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.

49

CAPÍTULO 7

PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Y DISCUSIONES


50

7.1Metodología

7.1.1Descripción de la metodología

Para la obtención de biodiesel, se empleó la ruta de la catálisis básica homogénea, con una relación

molar 5.8:1 metanol-aceite y se utilizó para este fin alcohol grado reactivo absoluto, aceite comestible

vegetal residual recolectado de distintas fuentes, como catalizador se empleó hidróxido de potasio

(KOH). El proceso de transesterificación se hizo a dos niveles de temperaturas 44 °C y 50 °C.

Se montó un sistema de reacción experimental que se compone de: reactor de vidrio pyrex de 250 ml,

condensador de vidrio pyrex, un controlador para la temperatura tipo PID acoplado con una

resistencia eléctrica de calentamiento de 575 W, un termopar tipo K para medir la temperatura en el

reactor.

Para el estudio cinético de la reacción de transesterificación a los dos niveles de temperatura

propuestos se realizaron 16 experimentos, para tiempos de 30 minutos hasta cuatro horas, con la

finalidad de obtener la información de la evolución de la reacción a cada uno de los tiempos, la

reacción se detenía súbitamente.

Los productos de la reacción en cada caso fueron caracterizados midiendo su pH, densidad viscosidad,

volumen, masa y el punto de nube.


51

7.1.2Medición de los volúmenes de glicerina y biodiesel

Una vez detenida la reacción, el contenido del reactor se vertió a una probeta, dejándolo reposar hasta

el día siguiente, de esta forma se logra una separación completa de las fases, y hace más fácil la

medición de los productos.

7.1.3Medición de la densidad

Una vez terminadas las pruebas, se midió la densidad ρ de cada una de ellas: midiendo el volumen del

biodiesel mediante una probeta y la masa mediante una balanza de precisión.

7.1.4Medición de la viscosidad cinemática

Para medir la viscosidad se utilizó un viscosímetro de Cannon-Fenske sumergido en un baño térmico

de 25 °C y 45 °C a una temperatura ambiente de 20 °C.

7.1.5 Medición del pH

Para medir esta propiedad se utilizó un pH-metro conductronic modelo pH-130, se tomaron las

mediciones de las muestras a 20 °C, previamente se efectuó una calibración empleando una solución

buffer de pH 10

7.2 Montaje de los experimentos

Para la obtención de biodiesel se montó una parrilla marca cornning modelo PC 320, en donde se

montó el reactor de 3 bocas, en una de las bocas se introdujo un condensador para evitar el escape de


52

vapores, en otra boca se colocó el controlador de temperatura, y en la tercera boca se introdujo un

termómetro para corroborar como se estaba controlando a la temperatura deseada. En la fig 7.1 se

muestra el diagrama experimental.

Contenedorde

hielo

Hidróxido de potasio (s)

Metanol (l)

Aceite residual (L) Tanque agitado

Biodiesel Glicerina

Controladorde

temperatura.

T

Termometro

Mezclador

Mezcla biodieselY glicerina (l) Decantador

Fig 7.1 Sistema experimental para la producción de biodiesel.


53

En un pequeño reactor de tipo tanque agitado se introdujo el metanol anhidro e hidróxido de potasio,

revolviendo la mezcla por medio de un agitador magnético, aproximadamente 200 rpm y a

temperatura ambiente, hasta formar el metóxido de potasio. Una vez formado el metóxido de potasio,

se introdujo el aceite residual y se encendió la parrilla eléctrica hasta alcanzar la temperatura deseada,

según la prueba 44 °C o 50 °C; se inicia el conteo del tiempo hasta que la mezcla dentro del reactor

alcanza la temperatura deseada. Al terminar el tiempo programado, se introduce el reactor en hielo

para detener la reacción totalmente, con la finalidad de obtener la cinética de la reacción al tiempo

establecido. Una vez que la temperatura del reactor ha llegado a la temperatura ambiente, la mezcla

se introduce en un embudo de separación y se deja reposar hasta el día siguiente, para obtener una

mezcla heterogénea. Finalmente, al día siguiente se realiza la separación por medio de la decantación

y se obtiene el biodiesel y la glicerina. En la figura 7.2 se muestra la fotografía del sistema

experimental de la producción de biodiesel.


54

Fig 7.2 Sistema experimental de la producción de biodiesel.

7.3. Resultados y discusiones

7.3.1 Producción en masa del biodiesel

La fig. 1.3 muestra el comportamiento de la producción en masa del biodiesel a 44 °C con respecto

al tiempo de reacción, en este caso, a los 30 minutos se muestra que el biodiesel producido es de 30.07

gr de biodiesel y 18.9 gr de glicerina después de los 30 minutos la producción de biodiesel comienza

a ser más estable y se puede afirmar que la reacción se ha completado, sin embargo la producción de

glicerina tiene un punto máximo de producción, este indica que el biodiesel aun contiene residuos de

aceite los cuales faltan para alcanzar la producción máxima tanto de glicerina como de biodiesel.

Además de que en algunos estudios se ha demostrado que la reacción se ha completado a las 3 horas.


55

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5

biodieselglicerina

Mas

a [g

r]

Tiempo [hr]

Fig.7.3. Producción de biodiesel y glicerina a 44 °C

Para la reacción a 50 °C la máxima producción de biodiesel se obtiene a las 3 horas, con una masa de

34.85 gr y una producción de glicerina 34.02 gr, es decir es la máxima producción de glicerina y

biodiesel, por lo que también se puede decir que la producción de biodiesel se completa también a las

tres horas por que la glicerina ha llegado a su máximo.


56

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5

biodieselglicerina

Mas

a [g

r]

Tiempo [hr]

Fig.7.4 producción de biodiesel y glicerina a 50 °C

7.3.2 Conversión de la producción de biodiesel

La conversión de producción de biodiesel, se definió como los moles de biodiesel entre los moles de

aceite introducidos al reactor, multiplicados por 100. En la figura 7.5 se muestra el comportamiento

de la conversión de biodiesel respecto del tiempo, y además se muestran las tendencias a 44 ºC y a 50

ºC es decir la tendencia de la conversión (conversión calc) y la conversión obtenida experimental es

la conversión experimental (conversión exp). En la figura 7.5 se puede comparar la conversión

experimental a 44 °C y a 50 °C, la mayor conversión se encuentra a las 3 horas, para las muestras de

44 °C es de 83.3% y para las muestras de 50 °C se encuentra en 78.7 %, con un tiempo de reacción

de 3 horas, Para estos casos, se tiene mejores conversiones a 44 °C que a 50 °C, aunque este es el peor

escenario, es decir el aceite no recibió un lavado previo, ni el biodiesel recibió un lavado posterior.

Los resultados de conversión y masa reales pueden variar por el exceso de agua y algunos otros


57

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5

Conversión cal a 50 °CConversión exp a 50 °CConversión calc a 44 °CConversión exp a 44 °C

Conv

ersió

n [%

]

Tiempo [hr]

Fig.7.5. Conversión de la producción de biodiesel

7.3.3Densidad

Para los combustibles existe las normas ASTM y las CEN (normas europeas de estandarización),

éstas marcan que la densidad del biodiesel tiene que encontrarse en 0.86

y 0.9

,. En estos

experimentos, la densidad resultó encontrarse entre 0.85 y 0.87

, pero en el caso de las muestras

de 50 °C a partir de las 3 horas se encuentra ligeramente por arriba de 0.86

y a 44 °C después de

las 3.5 horas se encuentra a también por arriba de 0.86

, entonces se puede deducir que la densidad

se encuentra dentro de las normas, tal y como se muestra en la figura.7.6.


58

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0 1 2 3 4 5

reacción a 50 °C

reacción a 44 °CDe

nsid

ad [g

r/cm

^3]

Tiempo [hr]

Fig. 7.6 Evolución de la densidad del biodiesel en el tiempo a 44° y a 50 °C

7.3.4 Potencial de hidrógeno (pH).

El potencial de hidrógeno (pH) en el biodiesel índica el número de lavados que requiere el aceite

residual para que disminuya el pH. La fig. 7.7 muestra los resultados de la medición del pH en el

biodiesel, lo que indica que probablemente necesita un número considerable de lavados, el orden del

pH se encuentra alrededor de 10 para las muestras de 50 °C y del orden de entre 7 y 10 en las muestras

de 44 °C, lo que probablemente indica que necesite un número considerable de lavados, tanto el

biodiesel como el aceite residual. También se muestra en el pH de la glicerina, porque una parte se va

a la glicerina y la otra se va a biodiesel.


59

9

9.5

10

10.5

11

0 1 2 3 4 5

reacción a 50 °Creacción a 44 °C

Pote

ncia

l de

Hid

róge

no [p

H]

Tiempo [hr]

Fig. 7.7 Comportamiento del pH en la reacción a 50 °C y 44 °C

7.3.5 Viscosidad cinemática

La importancia de la viscosidad en los combustibles, en este caso del biodiesel o diesel se relaciona

con la inyección del combustibles, si éste es muy viscoso podría aumentar la resistencia al flujo de los

combustibles. También, las normas ASTM D445 para la viscosidad, marcan que se debe encontrar

entre 1.4 y 6.0 Centistoks a 45 °C.

El biodiesel producido a 45 °C se encuentra en el rango de las normas ASTM D445, se muestra en la

fig 7.8 que a la hora, la viscosidad rebasa el límite, esto indica que podría contener algunos restos de

glicerina y otro punto que rebasa el límite ligeramente, es a las 3 horas, por lo que se encuentra dentro

del rango. También se realizaron pruebas a 25 °C, las cuales indican el comportamiento de la

viscosidad con respecto a la temperatura. En la figura 7.9, se observa que en la muestra de 1 hr y 1.5hr

tienen una viscosidad alta en este caso podría contener restos de glicerina. También se observa un


60

comportamiento irregular, se asume que contiene algunos restos de glicerina en los puntos de 1. 1.5 y

3 horas por esa razón ocasiona que la viscosidad del biodiesel se eleve demasiado, sin embargo sería

otro punto a analizar, la influencia de la viscosidad con respecto a la glicerina contenida en el

biodiesel. La viscosidad obtenida experimentalmente (viscosidad exp) y la viscosidad calculada es la

aproximación numérica (viscosidad exp) en el caso de la fig. 7.8 la aproximación es mejor para las

muestras de 50 ºC. Para la viscosidad a 44 ºC los puntos que más se dispersas pueden indicar algún

error, por ejemplo en el caso de la muestra de 2.5 hr la muestra pudo contener restos de glicerina por

esa razón, quizás ese punto se desvía. En la figura 7.9 la viscosidad calculada se aproxima más en las

muestras de 50 ºC, por lo que la viscosidad experimental (viscosidad exp) se puede interpretar con la

tendencia de la viscosidad calculada o numérica (viscosidad calc). En el caso de la muestra de 44 ºC

la tendencia es mala pero se asumió que la tendencia era creciente, por lo que solo se tomaron los

puntos crecientes 0.5 hr, 1.5 hr, y 3.5 hr.

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5

viscocidad calc a 44 °Cviscocidad exp a 44 °Cviscocidad calc a 50 °Cviscocidad exp a 50 °C

Visc

ocid

ad c

inem

ática

[cen

tisto

ks]

Tiempo [hr]

Fig. 7.8 Viscosidad del biodiesel en un baño térmico a 25 °C


61

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5

reacción calc a 44°C

reacción exp a 44 °C

reacción calc a 50 °C

reacción exp a 50 °CVi

scoc

idad

cin

emát

ica [c

entis

toks

]

Tiempo[hr]

Fig. 7.9 Viscosidad cinemática del biodiesel en un baño térmico a 45 °C

7.3.6 Punto de nube.

Indica la temperatura a la cual se empiezan a precipitar ciertos compuestos del combustible (como

parafinas). Es una medida muy importante que hay que tener en cuenta cuando se usa el motor en

climas fríos. El valor debe ser definido por el usuario, ya que depende del clima donde se utilice el

motor. La figura 7.10 muestra el comportamiento del punto de nube a diferentes tiempos, se analiza

que a las 3 horas y 3.5 hora se tiene un mejor punto de nube, el punto de nube de referencia fue el de

PEMEX en el diesel el cual es de -14 ºC para este experimento, el mejor punto de nube es de -4

aunque existe un punto que es -4 pero recordemos que antes de las 3 horas la reacción no se ha

completado.


62

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

-1 0 1 2 3 4 5

reaccion a 50 °C

reacción a 44 °C

Tem

pera

tura

[°C]

Tiempo [hr]

Fig. 7.10 Comportamiento del punto de nube del biodiesel respecto al tiempo de la reacción


63

8 Conclusiones

La producción de biodiesel a una temperatura de 44 °C y con un tiempo de 3 hr fue de 34.85 gr con

una conversión de 83.34 %, y para 50 °C, la conversión fue de 76.4 % con una producción en masa

de 31.9 gr, o sea que, la mejor producción es para una temperatura de 44 °C.

La densidad del biodiesel para la prueba de tres horas y a una temperatura de 44 °C es de 0.85 gr/cm3,

y está ligeramente por debajo de la norma; y la densidad para la prueba de tres horas y a una

temperatura de 50 °C es de 0.86 gr/cm3, es decir, está dentro de la norma.

La viscosidad cinemática para la reacción a 44 °C y 3 horas fue de 5.19 centistoks con un baño térmico

a 45 °C y el límite superior es de 7.0 centistoks, por lo que está dentro del rango establecido y la

muestra a 50° C y 3 horas es de 4.61 mm2/s, y por consiguiente también se encuentra dentro de la

norma de la viscosidad cinemática. Otra característica es el punto de nube, a las 3 horas para las dos

pruebas de 44 °C y 50 °C es de -2 °C, en este caso coinciden.

Con las propiedades analizadas, se tienen mejores características del biodiesel a partir de aceite

residual a un tiempo de 3 horas y a una temperatura de 44 °C, a excepción de la densidad, pero como

se mostró, es ligeramente por debajo, no hay que perder de vista que se consideró el peor escenario

para producir biodiesel, ya que el aceite residual no recibió ningún lavado; sin embargo, el biodiesel

se mezclará con diesel, para un mejor rendimiento de los motores.

En cuanto a la glicerina sobrante, se puede utilizar para alimentar a un biodigestor para la producción

de biogás; para esto se recomienda hacer un estudio a fondo, con qué tipo de compuestos se puede

mezclar la glicerina para llevar a cabo el proceso para la producción de biogás.


64

BIBLIOGRAFÍA

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http://www.scielo.org.co/df/dynav%20%2074%20n%201

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65

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[21] http://www.deere.es

[22] http://www.chinadieselengines.es/10-marine-engine.html

[23] http://www.volvotrucks.com

[24] http://marine.cat.com

http://www.deere.es/

http://www.volvotrucks.com/

ANEXO

66

ANEXO

ANEXO

67

A.I CÁLCULOS ESTEQUIMÉTRICOS DE LA REACCIÓN

Para los calculos estequiométricos, se tomó como referencia las fórmulas empíricas de los ácidos

oléicos ( 18 34 2C H O ), ya que algunos de los aceites vegetales mantienen las propiedades de los ácidos

grasos, y en el caso del aceite residual, como ya ha sido utilizado en algún proceso de cocción de

algún alimento o fritura, esto provoca que contenga agua o humedad y a su vez, esto ocasiona que

libere ácidos grasos de cadenas medias y cortas, el aceite residual mantiene la estructura del ácido

oleico. Y para la fórmula empírica del biodiesel se utilizó 19 39 2C H O , porque se introdujeron 18

carbonos con el ácido oleico.

A continuación se presentan los cálculos para las relaciones molares metanol, aceite y KOH:

Se tomó una muestra de 40ml de aceite en donde la densidad ρ fue calculada experimentalmente

ρ= ac

ac

m

V (A.1)

ρ 0.905ac

gr

ml

Despejando “m” de la ecuación (A.1) y sustituyendo obtenemos

Por la ley de Avogadro se tiene la siguiente expresión.

mPM

n (A.2)

Despejando “n” de la ecuación (A.2)

(0.905 )(40 ) 32.26aceite

grm ml gr

ml

ANEXO

68

acac

ac

mn

PM (A.3)

El peso molecular del aceite se tomó como referencia el de los ácidos oleicos 18 34 2C H O , el cual es de

282gr

grmol

Sustituyendo (1.3) se obtiene

Debido a que deseamos una relación molar 5.8-1 metanol y aceite. Se tiene la siguiente expresión para

el cálculo de moles de metanol.

tan 5.8( )me ol aceiten n (A.4)

Sustituyendo valores en la ecuación (A.4) se obtiene

tan 5.8(0.128) 0.75me oln grmol

Una vez obtenida la cantidad de moles de metanol necesaria, se necesita calcular el volumen de

metanol que se va a introducir al reactor, partiendo de la ley de Avogadro que está expresada en la

ecuación (A.2) despejamos la masa.

tan metanol tan( )( )me ol me olm PM n

(A.5)

Donde el peso molecular se obtiene a partir de la formula química 3CH OH y es equivalente a:

metanol 32gr

PMgrmol

Sustituyendo valores de la ecuación (A.5)

36.20.139

282aceite

grn grmol

gr

grmol

ANEXO

69

tan 32*0.75 24me olm gr

Despejando “V” y sustituyendo valores en (A.1), para el metanol:

metanol

2430.38

0.79

grV ml

gr

ml

En donde la densidad del metanol:

0.79metanol

gr

ml

Para obtener la masa del catalizador (KOH) se suman los reactivos y se saca el peso porcentual, en

este caso se realizaran al 1.3%.

metanol1.3%

( )( )(1.3)

100

aceiteKOH

m mm

(A.4)

Sustituyendo valores

1.3%

24 36.2( )(1.3%) 0.78

100%KOH

gr grm gr

ANEXO

70

Gráficos.

En la figura A1.1 y A1.2 se observa la producción de biodiesel y glicerina a 44 ºC y a 50 ºC, pero en

este caso en unidades de volumen. En la figura A1.1 se observa una producción de biodiesel a las 3

horas, de 41ml y una producción de glicerina de 27 ml. En la figura A1.2 se observa que a las 3 horas

la producción de biodiesel es de 38 ml y la producción de glicerina es de 30 ml, al igual que la

conversión la mejor producción de biodiesel se encuentra a los 44 ºC, también se puede observar esto

en la figura A1.3. Además se observa en la figura A1.1 y A1.2 que la producción de biodiesel está por

encima de la producción de glicerina, sin embargo la cantidad de glicerina es considerable con

respecto del biodiesel, es por eso que debe encontrarse un uso para la glicerina en este caso se

mencionó, que la glicerina se puede utilizar en los biodigestores.

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

biodieselglicerina

Volu

men

[ml]

Tiempo [hr]

Fig. A.1.1 Producción del biodiesel a 44 °C

ANEXO

71

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5

biodieselglicerina

Volu

men

[ml]

Tiempo [hr]

Fig. A1.2 Producción de biodiesel a 50 °C

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5


Volu

men

[ml]

Tiempo [hr]

Fig A1.3 Comparación de la producción de biodiesel

ANEXO

72

En la figura A1.4 se muestra la comparación de la producción de biodiesel en moles para las muestras

a 44 ºC y 50 ºC, para este gráfico se muestran los moles experimentales (moles exp) son los moles

obtenidos experimentalmente, y los moles calculados (calc) son los moles obtenidos por una la curva

de aproximación. Como se puede observar la muestra de biodiesel a 50 ºC es mejor, que la producción

a 44 ºC, es mejor con respecto a la producción.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 1 2 3 4 5

moles calc a 44 °C

moles calc a 50 °C

moles exp 44 °C

moles exp 50 °C

Mol

es[g

rmol

]

Tiempo [hr]

Fig A1.4 comparación de la producción de biodiesel

La figura A1.5 muestra el comportamiento del pH en la glicerina, y se observa que la glicerina

producida a 44 ºC es más básica que la producida a 50 ºC, los niveles de pH indican que tan limpio se

encuentra o estimar cuantos lavados habrá que realizar al biodiesel.

ANEXO

73

8

9

10

11

12

13

0 1 2 3 4 5


Pote

ncia

l de

Hidr

oxen

o [p

H]

Tiempo [hr]

Fig. A1.5 Comportamiento del pH de la glicerina de las muestras a 50°C y a 44 °C

74

NOMENCLATURA

h: entalpía por unidad de masa; [kJ/kg],

s: entropía por unida de masa; [kJ/kgK],

v: volumen específico; [m3/kg],

T: temperatura; [°C o K],

C: calor específico; [kJ/kgK],

rac : relación aire-combustible; [kga/kgcom],

P presión; [bar o Pa], ,

rca : relación combustible-aire; [kgcom/kga],

am.

: flujo de aire; [kga/s],

comm.

: flujo de combustible; [kgcom/s],

.

m : flujo; [kg/s],

cr : relación de compresión; [-],

ar : relación de admisión; [-],

cw : trabajo de compresión; [kJ/kg],

w neto : trabajo neto; [kJ/kg]

: eficiencia; [-],

Aq : Calor suministrado; [kJ/kg],

bq : Calor rechazado; [kJ/kg],

: potencia efectiva [W]

Γ: torque,[J],

F: fuerza, [N],

L: longitud, [m],

75

M: masa, [kg],

N : velocidad del motor Revoluciones por minuto, [rpm o 1/min].

Subíndices

v volumen molar,

P presión,

Com combustible,

a aire.

ÍNDICE - 148.206.53.231

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