i
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
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)
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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)
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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)
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
5
el cambio de energía interna se define como:
vdu C dT (1.19)
Sustituyendo (1.8) y (1.19) en (1.18)
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)
Sustituyendo (1.14) en (1.16)
1g
v
R
C (1.23)
Sustituyendo (1.17) en (1.15)
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:
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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)
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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)
Sustituyendo (1.41) y (1.43) en (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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
Capítulo I. Descripción del ciclo diesel de aire estándar.
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
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
Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.
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].
Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.
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
Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.
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
Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.
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].
Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.
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.
Capítulo II Clasificación de los motores diesel por su uso.
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
Capítulo III Características de los combustibles para motores 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
Capítulo III Características de los combustibles para motores diesel
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.
Capítulo III Características de los combustibles para motores diesel
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].
Capítulo III Características de los combustibles para motores diesel
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)
Capítulo III Características de los combustibles para motores diesel
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
Capítulo III Características de los combustibles para motores diesel
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
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.
Capítulo IV 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
Capítulo IV Combustión
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)
Capítulo IV Combustión
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.
Capítulo IV Combustión
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
Capítulo IV Combustión
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.
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)
Capítulo V Potencia al freno y torque
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
Capítulo V Potencia al freno y torque
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
Capítulo V Potencia al freno y torque
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
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
Capítulo VI Biodiesel
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
Capítulo VI Biodiesel
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].
Capítulo VI Biodiesel
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:
Capítulo VI Biodiesel
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
Capítulo VI Biodiesel
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.
Capítulo VI Biodiesel
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%.
Capítulo VI Biodiesel
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
Capítulo VII 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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
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.
Capítulo VII Producción de biodiesel y discusiones.
64
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65
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Páginas de internet.
[21] http://www.deere.es
[22] http://www.chinadieselengines.es/10-marine-engine.html
[23] http://www.volvotrucks.com
[24] http://marine.cat.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
reacción a 44 °Creacción a 50 °C
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
reacción a 50 °Creacción a 44 °C
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.