Estudio del efecto de nanoaditivos sobre la eficiencia de combustión del diésel y la eficiencia neta de una fuente de combustión fija

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA. ESTUDIO DEL EFECTO DE NANOADITIVOS SOBRE LA EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN DEL DIÉSEL Y LA EFICIENCIA NETA DE UNA FUENTE FIJA DE COMBUSTIÓN. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO. DAVID ENRIQUE BENAVIDES GUAYARA [email protected]. DIRECTOR: Ing. MARCELO SALVADOR QUIÑONES M.Sc. [email protected]. Quito, julio 2017.

(2) © Escuela Politécnica Nacional (2017) Reservados todos los derechos de reproducción.

(3) DECLARACIÓN Yo, David Enrique Benavides Guayara, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. La. Escuela. Politécnica. Nacional. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. ___________________________ David Enrique Benavides Guayara.

(4) CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por David Enrique Benavides Guayara bajo mi supervisión.. __________________________ Ing. Marcelo Salvador Quiñones Msc. DIRECTOR DE PROYECTO.

(5) AUSPICIO La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto PII-DIQ-05-2016, “Estudio del efecto de nanoaditivos sobre la eficiencia de combustión del diésel y la eficiencia neta de una fuente fija de combustión” de la Escuela Politécnica Nacional, que se ejecuta en el Departamento de Ingeniería Química.

(6) AGRADECIMIENTO A mis amados padres, Jorge Benavides y Dolly Guayara por su apoyo incondicional, por el gran amor con el que me han llenado toda mi vida, por siempre haber estado para mi sobre todo en los momentos más difíciles y enseñarme los valores y principios que sustentan mi vida y mi camino; jamás lo habría logrado sin ustedes, los amo.. A mis hermanas, Carolina y Kusy, cada una a su manera ha sabido apoyarme, estar ahí para mí, y sobre todo me han llenado de alegrías y risas la vida; no tiene idea de cuánto me han servidos sus locuras sus tontería incluso sus enojos, no las cambiaría por nada ni por nadie y saben que estaré para ustedes siempre.. A Daniela Martínez, quien en estos últimos meses se convirtió en una persona muy importante en mi vida que nunca olvidare, que me apoyo en cada momento sin dudarlo una sola vez, a quien gracias a sus constantes palabras de ánimo y su sonrisa no podía decepcionar, te agradezco con el corazón todos los grandes momentos vividos y la felicidad que a tu lado alcance.. Al Ing. Marcelo Salvador, quien no solo fue mi director a lo largo de este proyecto, sino que también mi amigo, con quien a pesar de los obstáculos que se presentaron siempre pude contar para darme ánimo y continuar en pie de lucha.. A la Ing. Lucia Montenegro, por el tiempo que dedico para colaborarme con este proyecto, sus correcciones, observaciones y aportes que permitieron que este proyecto se desarrollara de la mejor manera posible.. A la Ing. Liliana Guzmán, por depositar su confianza en mí para el desarrollo de este proyecto de investigación, así como, el aporte de material sin el cual habría sido imposible la ejecución del mismo.. A mis amigos de “La Delantera” Luis Gálvez (Rashu), Javier Sanchez (Javiercito), Gustavo Ortiz (Gus), David Meza (Mezita), Jonatan Guayasamin (Gallo), David.

(7) Quiroga (Gato), Sebastián Vizcaíno (Calamaro) y Sebastián Gámez (Hatchi) con los cuales tuve la suerte de compartir esta travesía desde el inicio y compartir grandes momentos dentro y fuera de las aulas, sobre todo fuera de ellas.. A Vale Arias, “Rubia” de verdad gracias, la situación en que afianzamos esta amistad fue quizás de los peores momentos de mi vida y poder conocer a alguien tan genial y que me brindara su amistad incondicional en tan poco tiempo no es fácil de conseguir; compartí contigo momentos amargos que poco a poco fueron quedando atrás y hoy eres una gran amiga con la cual todo es alegría, joda y por supuesto el bullying, gracias por todo.. A María Cristina Nevares, “Macris” mi amiga, las locuras compartidas a tu lado dentro y fuera de clases han sido únicas, tus consejos, tu apoyo incluso tus habladas me sirvieron mucho.. A la “Peque”, por haber sido mi mayor fuerza y motivación en gran parte de este camino.. Y finalmente a todos aquellos a quienes conocí a lo largo de esta gran historia y que quizás en este momento quedan fuera de mi alcance nombrarlos a todos.. ¡¡¡A TODOS MUCHAS GRACIAS!!!.

(8) DEDICATORIA. A Jorge y Dolly, mis padres éste logro es tanto mío como de ellos sin ellos nunca habría llegado hasta aquí los amo, y gracias a ustedes hoy soy quien soy todo esto y más por y para ustedes.

(9) i. ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA. RESUMEN INTRODUCCIÓN 1.. XXI XXIII. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.1. Nanotecnología aplicada a los hidrocarburos 1.1.1. Recuperación de hidrocarburos 1.1.2. Nanosensores 1.1.3. Nanofluidos 1.1.4. Nanocapas 1.1.5. Nanoremediación 1.1.6. Nanoaditivos. 1 2 2 4 4 5 6 7. 1.2. Función y desempeño de nanoaditivos presentes en combustibles 1.2.1. Mezcla combustible-nanoaditivo 1.2.2. Función del nanoaditivo 1.2.3. Desempeño de un nanoaditivo. 7 8 8 10. 1.3. Nanoaditivos empleados en fuentes fijas de combustión 1.3.1. Nanopartículas empleadas para nanoaditivos 1.3.1.1. Óxidos metálicos 1.3.1.2. Nanopartículas orgánicas 1.3.1.3. Nanopartículas inorgánicas 1.3.2. Influencia de algunos nanoaditivos sobre la eficiencia de las fuentes fijas que usan diésel como combustible 1.3.2.1. Nanoaditivos metálicos 1.3.2.2. Nanoaditivos en base a óxidos metálicos 1.3.2.3. Nanoaditivos magnéticos 1.3.2.4. Nanoaditivos orgánicos (con nanopartículas orgánicas) 1.3.2.5. Nanoaditivos en base a nanotubos de carbono (CNT) 1.3.2.6. Mezcla de diferentes nanoaditivos 1.3.3. Influencia de algunos nanoaditivos sobre las emisiones gaseosas de las fuentes fijas a diésel 1.3.3.1. Nanoaditivos metálicos 1.3.3.2. Nanoaditivos en base a óxidos metálicos 1.3.3.3. Nanoaditivos magnéticos 1.3.3.4. Nanoaditivos orgánicos (con nanopartículas orgánicas) 1.3.3.5. Nanoaditivos en base a nanotubos de carbono (CNT) 1.3.3.6. Mezcla de diferentes nanoaditivos. 11 11 12 12 13 14 14 16 18 18 19 20 22 23 25 26 26 27 28.

(10) ii. 2.. PARTE EXPERIMENTAL. 30. 2.1.. Caracterización del diésel mediante análisis físico-químicos. 32. 2.2.. Análisis de las emisiones gaseosas y la eficiencia de combustion de la fuente. 34. 2.2.1. 2.2.2.. Emisiones gaseosas en base seca y eficiencia de combustión Material particulado. 36 38. 2.3.. Determinación de la eficiencia neta de la fuente de combustión. 43. 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 47. 3.1.. Caracterización del diésel mediante análisis fisíco-químicos. 47. 3.2. Análisis de las emisiones gaseosas y la eficiencia de combustión de la fuente 3.2.1. Monóxido de carbono (CO) 3.2.2. Dióxido de carbono (co2) 3.2.3. Dióxido de azufre (SO2) 3.2.4. Monóxido de nitrógeno (NO) 3.2.5. Óxidos de nitrógeno (NOx) 3.2.6. Material particulado (MP) 3.2.7. Eficiencia de combustión (EC). 48 49 53 56 58 62 64 70. 3.3. Determinación de la eficiencia neta de la fuente de combustión 3.3.1. Pérdidas por radiación 3.3.2. Pérdidas por convección 3.3.3. Pérdidas por purgas 3.3.4. Eficiencia neta de la fuente (EN). 72 73 75 78 80. 4.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 85. 4.1.. Conclusiones. 85. 4.2.. Recomendaciones. 87. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 88. ANEXOS. 99.

(11) iii. ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 1.1.. Aplicaciones de la nanotecnología en la industria. 1. Tabla 2.1.. Características del caldero pirotubular vertical. 30. Tabla 2.2.. Composición de las líneas de trabajo del proyecto. 33. Tabla 3.1.. Resultados obtenidos para la caracterización físicoquímica del diésel y requerimientos normalizados para el diésel. 47. Tabla 3.2.. Localización de los puntos de muestreo. 48. Tabla 3.3.. Análisis estadístico para la concentración de monóxido de carbono en las emisiones del caldero. 50. Análisis estadístico para la concentración de dióxido de carbono en las emisiones del caldero. 54. Análisis estadístico para la concentración de dióxido de azufre en las emisiones del caldero. 57. Análisis estadístico para la concentración de monóxido de nitrógeno en las emisiones del caldero. 60. Análisis estadístico para la concentración de los óxidos de nitrógeno en las emisiones del caldero. 63. Análisis estadístico para la concentración de material particulado medido en las emisiones gaseosas de la fuente. 66. Tabla 3.9.. Consumo de combustible por línea de trabajo. 68. Tabla 3.10.. Análisis estadístico para la variación de la eficiencia de combustión. 71. Temperatura promedio de la chimenea para cada línea de Trabajo. 73. Análisis estadístico para las pérdidas por radiación del caldero. 74. Análisis estadístico para las pérdidas por convección del caldero. 74. Tabla 3.4.. Tabla 3.5.. Tabla 3.6.. Tabla 3.7.. Tabla 3.8.. Tabla 3.11.. Tabla 3.12.. Tabla 3.13..

(12) iv. Análisis estadístico para las pérdidas por purgas del caldero. 79. Análisis estadístico para la variación de la eficiencia neta del caldero. 81. Factor de corrección. 202. Tabla AVIII.1. Propiedades del aire a Tfilm =330,5 K. 209. Tabla AVIII.2. Propiedades del aire a Tfilm = 305,5 K. 211. Tabla AVIII.3. Propiedades del aire a Tfilm = 337,6 K. 213. Tabla AVIII.4. Propiedades del combustible y del agua. 215. Tabla 3.14.. Tabla 3.15.. Tabla AVI.1.. Emisiones corregidas de monóxido de carbono, para cada una de las líneas de trabajo. 220. Porcentaje de dióxido de carbono, para cada una de las líneas de trabajo. 221. Emisiones corregidas de dióxido de azufre, para cada una de las líneas de trabajo. 222. Emisiones corregidas de monóxido de nitrógeno, para cada una de las líneas de trabajo. 223. Emisiones corregidas de los óxidos de nitrógeno, para cada una de las líneas de trabajo. 224. Material particulado medido (mg/Nm3) para cada línea de trabajo. 225. Tabla AX.7.. Eficiencia de combustión para cada línea de trabajo. 226. Tabla AX.8.. Pérdidas por radiación, para cada línea de trabajo. 227. Tabla AX.9.. Pérdidas por convección, para cada línea de trabajo. 228. Tabla AX.10.. Pérdidas por purgas, para cada línea de trabajo. 229. Tabla AX.11.. Eficiencia neta del caldero, para cada línea de trabajo. 230. Tabla AX.1.. Tabla AX.2.. TablaAX.3.. Tabla AX.4.. Tabla AX.5.. TablaAX.6..

(13) v. ÍNDICE DE FIGURAS PÁGINA Figura 1.1.. Emulsión agua-petróleo. 3. Figura 1.2.. Poro obstruido (a), poro liberado (b). 4. Figura 1.3.. Esquema de una infiltración reductora con nanoparticulas de hierro, para nanoremediación. 7. Producción de sedimentos sin nanoaditivo (a), producción de sedimentos con nanoaditivo (b). 9. Figura 1.5.. Nanopartículas de alúmina por microscopía electrónica. 10. Figura 1.6.. Nanotubos de carbono individuales (a), dobles (b) y triples (c). 13. Nanopartículas de óxido de silicio por MEB (a), bosquejo de nanopartículas de silicio recubiertas con alúmina (b). 14. Figura 1.8.. Eficiencia vs carga de combustible.. 15. Figura 1.9.. Consumo de combustible vs presión especifica (a), eficiencia vs presión especifica (b).. 16. Figura 1.10.. Mecanismo catalítico del óxido de cobalto. 17. Figura 1.11.. Eficiencia vs presión específica. 17. Figura 1.12.. Eficiencia el motor vs potencia del motor. 19. Figura 1.13.. Eficiencia vs presión de operación. 20. Figura 1.14.. Retraso del encendido vs presión del motor. 21. Figura 1.15.. Consumo de combustible vs presión del motor (a), Eficiencia vs presión del motor (b). 21. Consumo de combustible vs presión de operación (a), Eficiencia vs presión de operación (b). 22. Porcentaje de CO en volumen vs carga de combustible (a), partes por millón de NOx vs carga de combustible (b). 24. Porcentaje de reducción de los NOx vs presión de operación (a), porcentaje de reducción del CO vs presión de operación (b). 25. Figura 1.4.. Figura 1.7.. Figura 1.16.. Figura 1.17.. Figura 1.18..

(14) vi. Emisiones de los NOx vs el porcentaje de carga de combustible. 26. Figura 1.20.. Emisiones de los NOx vs potencia del motor. 27. Figura 1.21.. NOx en ppm vs presión de operación. 28. Figura 1.22.. a) NOx en ppm vs presión del motor y b) porcentaje de CO en volumen vs presión del motor. 28. NO en ppm vs presión de operación (a), porcentaje de CO vs presión de operación (b). 29. Esquema de la metodología empleada para el desarrollo del proyecto. 32. Número de puntos de medición de emisiones al aire desde fuentes fijas. 35. Ubicación de los puntos de medición en chimeneas de sección circular. 35. Figura 2.4.. Esquema de un tren isocinético. 39. Figura 3.1.. Concentración de monóxido de carbono (mg/m3) por monitoreo realizado. 49. Porcentaje de dióxido de carbono en las emisiones por monitoreo realizado. 53. Concentración de dióxido de azufre (mg/m3) por monitoreo realizado. 56. Concentración de monóxido de nitrógeno (mg/m3) por monitoreo realizado. 59. Concentración de los óxidos de nitrógeno (mg/m3) por monitoreo realizado. 62. Material particulado medido (mg/Nm3) por realizado. 65. Figura 1.19.. Figura 1.23.. Figura 2.1.. Figura 2.2.. Figura 2.3.. Figura 3.2.. Figura 3.3.. Figura 3.4.. Figura 3.5.. Figura 3.6.. monitoreo. Figura 3.7.. Eficiencia de combustión por monitoreo realizado. 70. Figura 3.8.. Pérdidas por radiación por monitoreo realizado. 73. Figura 3.9.. Pérdidas por convección por monitoreo realizado. 76. Figura 3.10.. Pérdidas por purgas (%) por cada monitoreo realizado. 78.

(15) vii. Figura 3.11.. Eficiencia neta del caldero por cada monitoreo realizado. 80. Figura AI.1.. Hoja de seguridad nanoaditivo “A”. 100. Figura AII.1.. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 1. 106. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 1. 106. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 2. 107. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 2. 107. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 3. 108. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 3. 108. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 4. 109. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 4. 109. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 5. 110. Figura AII.10. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 5. 110. Figura AII.11. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 6. 111. Figura AII.12. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 6. 111. Figura AII.13. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 7. 112. Figura AII.14. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 7. 112. Figura AII.15. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 8. 113. Figura AII.2.. Figura AII.3.. Figura AII.4.. Figura AII.5.. Figura AII.6.. Figura AII.7.. Figura AII.8.. Figura AII.9..

(16) viii. Figura AII.16. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 8. 113. Figura AII.17. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 9. 114. Figura AII.18. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 9. 114. Figura AII.19. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 10. 115. Figura AII.20. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 10. 115. Figura AII.21. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 11. 116. Figura AII.22. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 11. 116. Figura AII.23. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 12. 117. Figura AII.24. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 12. 117. Figura AII.25. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 13. 118. Figura AII.26. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 13. 118. Figura AII.27. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 14. 119. Figura AII.28. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 14. 119. Figura AII.29. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica #15. 120. Figura AII.30. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 15. 120. Figura AII.31. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 16. 121.

(17) ix. Figura AII.32. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 16. 121. Figura AII.33. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 17. 122. Figura AII.34. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 17. 122. Figura AII.35. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 18. 123. Figura AII.36. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 18. 123. Figura AII.37. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 19. 124. Figura AII.38. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 19. 124. Figura AII.39. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 20. 125. Figura AII.40. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 20. 125. Figura AII.41. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 21. 126. Figura AII.42. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 21. 126. Figura AII.43. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 22. 127. Figura AII.44. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 22. 127. Figura AII.45. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 23. 128. Figura AII.46. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 23. 128. Figura AII.47. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica #24. 129.

(18) x. Figura AII.48. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 24. 129. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 25. 130. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 25. 130. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 26. 131. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 26. 131. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 27. 132. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 27. 132. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 28. 133. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 28. 133. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 29. 134. Figura AIII.10. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 29. 134. Figura AIII.11. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 30. 135. Figura AIII.12. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 30. 135. Figura AIII.13. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 31. 136. Figura AIII.14. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 31. 136. Figura AIII.15. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 32. 137. Figura AIII.1.. Figura AIII.2.. Figura AII.3.. Figura AIII.4.. Figura AIII.5.. Figura AIII.6.. Figura AIII.7.. Figura AIII.8.. Figura AIII.9..

(19) xi. Figura AIII.16. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 32. 137. Figura AIII.17. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 33. 138. Figura AIII.18. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 33. 138. Figura AIII.19. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 34. 139. Figura AIII.20. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 34. 139. Figura AIII.21. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 35. 140. Figura AIII.22. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 35. 140. Figura AIII.23. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 36. 141. Figura AIII.24. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 36. 141. Figura AIII.25. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 37. 142. Figura AIII.26. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 37. 142. Figura AIII.27. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 38. 143. Figura AIII.28. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 38. 143. Figura AIII.29. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 39. 144. Figura AIII.30. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 39. 144. Figura AIII.31. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 40. 145.

(20) xii. Figura AIII.32. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 40. 145. Figura AIII.33. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 41. 146. Figura AIII.34. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 41. 146. Figura AIII.35. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 42. 147. Figura AIII.36. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 42. 147. Figura AIII.37. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 43. 148. Figura AIII.38. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 43. 148. Figura AIII.39. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 44. 149. Figura AIII.40. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 44. 149. Figura AIII.41. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 45. 150. Figura AIII.42. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 45. 150. Figura AIII.43. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 46. 151. Figura AIII.44. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 46. 151. Figura AIII.45. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 47. 152. Figura AIII.46. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 47. 152. Figura AIII.47. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 48. 153.

(21) xiii. Figura AIII.48. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 48. 153. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 49. 154. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 49. 154. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 50. 155. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 50. 155. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 51. 156. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 51. 156. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 52. 157. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 52. 157. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 53. 158. Figura AIV.10. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 53. 158. Figura AIV.11. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 54. 159. Figura AIV.12. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 54. 159. Figura AIV.13. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 55. 160. Figura AIV.14. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 55. 160. Figura AIV.15. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 56. 161. Figura AIV.1.. Figura AIV.2.. Figura AIV.3.. Figura AIV.4.. Figura AIV.5.. Figura AIV.6.. Figura AIV.7.. Figura AIV.8.. Figura AIV.9..

(22) xiv. Figura AIV.16. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 56. 161. Figura AIV.17. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 57. 162. Figura AIV.18. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 57. 162. Figura AIV.19. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 58. 163. Figura AIV.20. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 58. 163. Figura AIV.21. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 59. 164. Figura AIV.22. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 59. 164. Figura AIV.23. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 60. 165. Figura AIV.24. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 60. 165. Figura AIV.25. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 61. 166. Figura AIV.26. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 61. 166. Figura AIV.27. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 62. 167. Figura AIV.28. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 62. 167. Figura AIV.29. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 63. 168. Figura AIV.30. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica #63. 168. Figura AIV.31. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 64. 169.

(23) xv. Figura AIV.32. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 64. 169. Figura AIV.33. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 65. 170. Figura AIV.34. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 65. 170. Figura AIV.35. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 66. 171. Figura AIV.36. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 66. 171. Figura AIV.37. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 67. 172. Figura AIV.38. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 67. 172. Figura AIV.39. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 68. 173. Figura AIV.40. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 68. 173. Figura AIV.41. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 69. 174. Figura AIV.42. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 69. 174. Figura AIV.43. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 70. 175. Figura AIV.44. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 70. 175. Figura AIV.45. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 71. 176. Figura AIV.46. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 71. 176. Figura AIV.47. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 72. 177.

(24) xvi. Figura AIV.48. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 72. 177. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 73. 178. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 73. 178. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 74. 179. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 74. 179. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 75. 180. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 75. 180. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 76. 181. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 76. 181. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 77. 182. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 77. 182. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 78. 183. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 78. 183. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 79. 184. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 79. 184. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 80. 185. Figura AV.1.. Figura AV.2.. Figura AV.3.. Figura AV.4.. Figura AV.5.. Figura AV.6.. Figura AV.7.. Figura AV.8.. Figura AV.9.. Figura AV.10.. Figura AV.11.. Figura AV.12.. Figura AV.13.. Figura AV.14.. Figura AV.15..

(25) xvii. Figura AV.16.. Figura AV.17.. Figura AV.18.. Figura AV.19.. Figura AV.20.. Figura AV.21.. Figura AV.22.. Figura AV.23.. Figura AV.24.. Figura AV.25.. Figura AV.26.. Figura AV.27.. Figura AV.28.. Figura AV.29.. Figura AV.30.. Figura AV.31.. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 80. 185. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 81. 186. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 81. 186. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 82. 187. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 82. 187. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 83. 188. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 83. 188. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 84. 189. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 84. 189. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 85. 190. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 85. 190. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 86. 191. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 86. 191. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 87. 192. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica #87. 192. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 88. 193.

(26) xviii. Figura AV.32.. Figura AV.33.. Figura AV.34.. Figura AV.35.. Figura AV.36.. Figura AV.37.. Figura AV.38.. Figura AV.39.. Figura AV.40.. Figura AV.41.. Figura AV.42.. Figura AV.43.. Figura AV.44.. Figura AV.45.. Figura AV.46.. Figura AV.47.. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 88. 193. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 89. 194. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 89. 194. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 90. 195. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 90. 195. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 91. 196. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 91. 196. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 92. 197. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 92. 197. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 93. 198. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 93. 198. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 94. 199. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 94. 199. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 95. 200. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 95. 200. Datos experimentales para las emisiones gaseosas y material particulado de la fuente de la ficha técnica # 96. 201.

(27) xix. Figura AV.48.. Figura AIX.1.. Datos experimentales para la evaluación de las pérdidas en la fuente de la ficha técnica # 96. 201. Caracterización del diésel. 219.

(28) xx. ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Hoja de seguridad del nanoaditivo. 100. ANEXO II Fichas técnicas de la línea “Base”. 106. ANEXO III Fichas técnicas de la línea “A”. 130. ANEXO IV Fichas técnicas de la línea “Convencional”. 154. ANEXO IV Fichas técnicas de la línea “Convencional” ANEXO V Fichas técnicas de la línea “B”. 178. ANEXO VI Corrección de las emisiones gaseosas experimentales y estandarización de unidades bajo norma. 202. ANEXO VII Determinación del material particulado recolectado (MP). 203. ANEXO VIII Determinación de la eficiencia neta (EN) de la fuente. 209. ANEXO IX Informe del Laboratorio de Petróleos: Caracterización del diésel. 219. ANEXO X Datos completos de las mediciones realizadas para los parametros analizados. 220.

(29) xxi. RESUMEN En el presente proyecto se estudió el efecto de nanoaditivos empleados como agentes modificadores de la composición del combustible de una fuente fija de combustión para establecer la influencia que un nanoaditivo puede ejercer sobre la eficiencia de combustión del hidrocarburo, el impacto sobre las emisiones gaseosas en base seca como resultado de la combustión y la eficiencia neta de la fuente.. El combustible empleado fue caracterizado para comprobar que sus propiedades físico-químicas cumplieran los requerimientos normados para el mismo. El estudio contó con cuatro líneas de trabajo distintas, dos de éstas, “A” y “B”, contaron con una concentración de 250 ppm de nanoaditivo, para comparar su desempeño con una línea “base” de combustible puro y una línea “convencional” con una concentración de 250 ppm de un aditivo comercial, para cada línea .. La investigación se inició con el proceso de mezclado del combustible con el aditivo o el nanoaditivo según lo mencionado anteriormente, después para cada una de estas líneas de trabajo se realizó la medición de las emisiones gaseosas experimentales y la eficiencia de combustión mediante el uso de un analizador electroquímico de gases, también se midió el material particulado con un tren isocinético y posteriormente se calculó la eficiencia neta de la fuente de acuerdo a las pérdidas de energía en forma de calor debido a su funcionamiento.. El estudio estableció que una concentración de 250 ppm de nanoaditivo en el combustible influyó directamente sobre la reacción de combustión, favoreciendo una combustión completa mediante la oxidación del monóxido de carbono, lo que generó la reducción de las emisiones gaseosas y la concentración de material particulado hasta en un 20,3 %, también se logró alcanzar eficiencias de combustión de hasta el 91,6 %.. Los nanoaditivos también influyeron sobre la combustión de manera que la temperatura de las superficies del caldero disminuyó, razón por la que, las.

(30) xxii. pérdidas de energía por radiación y convección disminuyeron durante el funcionamiento de la fuente, permitiendo que la eficiencia neta se incremente hasta en un 18,7 % comparado con el funcionamiento del combustible puro.. Se observó que la presencia de los nanoaditivos en los combustibles generó la disminución en la concentración de las emisiones gaseosas de la fuente y del material particulado medido, lo que representa un beneficio dentro del factor ambiental.. Los nanoaditivos tuvieron un efecto sobre. la eficiencia de combustión y la. eficiencia neta del caldero que se incrementaron y el consumo de combustible disminuyó, lo cual establece un beneficio económico dentro del proyecto..

(31) xxiii. INTRODUCCIÓN La quema de combustibles fósiles como búnker o diésel genera emisiones gaseosas altamente contaminantes y material particulado nocivo para los seres vivos y el medio ambiente (World Health Organization, 2016, p. 1).. Según el informe de la Secretaria del Ambiente (2016a) la ciudad de Quito tiene una calidad de aire “deseable”, la concentración de material particulado excede en un 1,3 % los límites establecidos por la Ordenanza Metropolitana 138, además los registros de las estaciones de monitoreo de Guajalo, Quitumbe, Carapungo, Cotocollao, Belisario, el Camal, los Chillos y Cumbaya, detallaron una concentración mensual promedio de 62 ug/m3 para el material particulado 12 ug/m3 sobre el límite máximo permitido de acuerdo a la Norma Ecuatoriana de Calidad del Aire (NECA) Los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre presentan valores 1,7 ug/m3 y 1,3 ug/m3 promedio sobre los límites máximos establecidos en la NECA para la calidad del. aire de la ciudad de Quito, en las estaciones de monitoreo de. Cumbaya, Belisario, Carapungo y Cotocollao (Secretaria del Ambiente, 2016a, pp. 8-15).. Los registros de los monitoreo de las estaciones antes mencionadas sumados al incremento anual del parque automotor y al sector industrial de la ciudad proyectan un incremento anual en la contaminación atmosférica del 3,7 % (Secretaria del Ambiente, 2016a, pp. 8-15), esto presenta un riesgo a la calidad del aire actual de la ciudad con lo cual queda claro la necesidad de implementar medidas que permitan prevenir el incremento de la contaminación dentro de la ciudad e incluso reducir los niveles existentes.. La presencia de nanopartículas de alúmina o cerio en los combustibles influyen sobre la reacción de combustión en el momento de la quema del combustible (ENVIROX, 2008, p. 11) de igual manera se ha evidenciado una reducción en las emisiones contaminantes debido a la influencia de estas nanopartículas..

(32) xxiv. Estudios como los realizados por Selvan, Anand, y Udayakumar (2009) o Yang, An Chou et al (2012), concluyen que la presencia de nanoparticulas de cerio ha permitido alcanzar reducciones en las emisiones contaminantes de una fuente de combustión, así como, una considerable mejora en la eficiencia de las fuentes o motores que han sido accionado mediante el uso de estos combustibles modificados.. Basha y Anand (2011) en su estudio corroboraron la tendencia de los nanoaditivos a reducir las emisiones contaminantes y beneficiar el rendimiento y eficiencia de las fuentes de combustión, Ganesh y Gowrishankar (2011) en su estudio determinaron un incremento del 21,4 % en la eficiencia neta de la fuente al emplear nanoaditivos de óxidos metálicos.. La importancia del presente proyecto es lograr la implementación de una nueva alternativa para reducir la contaminación atmosférica producto de la quema de combustibles fósiles y lograr la maximización de la eficiencia de los combustibles empleado para su funcionamiento y la eficiencia neta de la fuente al operar (AAEnergía, 2011, p.6). Este estudio tiene como objetivo describir los beneficios de los nanoaditivos en cuanto a remediación y prevención ambiental de la contaminación atmosférica, además, incursionar e incentivar en Ecuador el desarrollo de nanoaditivos propios que aporten un valor agregado a una nueva era de combustibles modificados, con el fin de entregar el máximo beneficio durante su funcionamiento..

(33) 1. 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a escala nanométrica (1E-09 m) (Confederación de Consumidores y Usuarios, 2011, pp. 1-2).. Cuando se manipula la materia a escala tan pequeña, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas que los científicos aprovechan para el desarrollo de productos como materiales, compuestos modificados o sistemas funcionales que tendrían un gran impacto en la industria (ITENE, 2012, p. 1).. Según la Universidad de Oviedo (2010) en su proyecto NANO-SME, la nanotecnología tiene un desarrollo tecnológico que puede influir en varios sectores de investigación para alcanzar avances que brinden beneficios o soluciones a problemas que hasta el momento no se han podido resolver, algunos ejemplos de su aplicación en la industria se detallan en la Tabla 1.1 (pp. 3-9).. Tabla 1.1. Aplicaciones de la nanotecnología en la industria Industria. Información y telecomunicaciones. Automotriz. Biotecnología. Médica y farmacéutica. (Universidad de Oviedo, 2010, pp. 3-9).. Aplicación Laser de punto cuántico Nano electrónica basada en nanotubos de carbono Superlentes Monitores LCD basados en nanotubos de carbono Recubrimientos transparentes anticondensación basados en nanotubos de carbono Nanocompuestos y nanoaditivos Detección de bacterias mediante nanopartículas bioconjugadas Fotosistemas para conversión de energía solar Membranas nanoporosas de alúmina Nanodiagnósticos Terapia mediante nanopartículas Medicina regenerativa y sustitutos óseos Polímeros electroactivos para su uso como músculos artificiales.

(34) 2. Tabla 1.2. Aplicaciones de la nanotecnología en la industria (continuación…) Industria Aeroespacial. Energía. Aplicación Pásticos conductores eléctricos Recubrimientos para componentes a altas temperaturas de operación Baterías de ión-litio con ánodo de titanato de litio Pilas de combustible. (Universidad de Oviedo, 2010, pp. 3-9).. 1.1. NANOTECNOLOGÍA APLICADA A LOS HIDROCARBUROS La influencia de la nanotecnología sobre los hidrocarburos se puede ver reflejada de dos formas distintas, como nanotecnología seca o nanotecnología húmeda. La nanotecnología seca es aquella que engloba el diseño de dispositivos convencionales de carácter mecánico/eléctrico con cierta carga atómica, especialmente estructuras de base orgánica o metálica, la nanotecnología húmeda por su parte tiene su medio de desarrollo en sistemas biológicos generalmente medios acuosos u organismos vivientes (Wolf, 2013, pp. 30-33).. Debido al aumento en la demanda mundial de energía, estimado en un crecimiento del 30,0% sobre la demanda actual para el año 2025 (Pasquevich, 2012, p. 3), la industria de los hidrocarburos se ha visto en la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías que permitan incrementar su productividad de forma más eficiente, la nanotecnología ha logrado aportar beneficios con grandes aplicaciones potenciales para la optimización de los procesos de producción de esta industria (Monfared, 2009, pp. 1-2).. 1.1.1.. RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS. La nanotecnología mejora la recuperación del petróleo aportando a la conservación del medio ambiente generando un proceso económicamente rentable..

(35) 3. Según Chegenizadeh, Saeedi y Quan (2016) las nanopartículas poseen propiedades significativamente diferentes en comparación con las de las moléculas finas o en masa, ocasionado por una concentración mucho mayor de átomos en toda el área de su superficie gracias a su tamaño, una de las propiedades más útiles que poseen es crear una fuerza motriz de difusión masiva gracias a su amplia superficie sobre todo a temperaturas elevadas, demostrando que las nanopartículas logran mejorar la recuperación del petróleo al desplazar la humectabilidad del depósito hacia una zona con mayor humedad.. Dependiendo de las condiciones a las que se realice el proceso de recuperación, algunas nanopartículas muestran mejor desempeño que otras generando diferentes niveles de recuperación, algunas de las nanopartículas más populares son. los. óxidos. metálicos,. partículas. orgánicas. y. partículas. inorgánica. (Chegenizadeh et al, 2016, pp. 2-3). Dexter y Middelberg (2005) en sus estudios desarrollaron un método para la extracción de petróleo del subsuelo añadiendo nanopartículas minerales a las emulsiones que se emplean en los procesos de extracción, este proceso ha permitido formar o separar emulsiones agua-petróleo como la que se observa en la Figura 1.1 de manera reversible, la influencia de las nanopartículas sobre la viscosidad del hidrocarburo genera un incremento en el volumen extraído bajo condiciones controladas y sustentable en el tiempo (p. 5).. Figura 1.1. Emulsión agua-petróleo (Laurencio y Delgado, 2007, p. 2). Como se observa en la Figura 1.2, las nanoparticulas tienden a acumularse y cerrar los poros en los canales del subsuelo produciendo que la presión.

(36) 4. incremente y el petróleo sea desplazado, el petróleo fluye generando una caída de presión que rompe el taponamiento y las partículas fluyen por los canales permitiendo la recuperación de petróleo que se encuentra confinado (Jacobo, 2014, pp. 32-37).. Figura 1.2. Poro obstruido (a), poro liberado (b) (Jacobo, 2014, p. 36). 1.1.2.. NANOSENSORES. Una aplicación de la nanotecnología son los nanosensores para sustituir los sensores estándar en la industria de los hidrocarburos, esto se debe a que su funcionamiento no se ve alterado por la existencia de campos electromagnéticos y ofrecen resistencia a las altas temperaturas y presiones de operación, permitiendo a estos proporcionar en tiempo real las características físicas del yacimiento, el flujo de los fluidos existentes y el estado del subsuelo (Kong y Ohadi, 2010, p. 6). Remplazar los nanosensores al culminar su vida útil es sencillo y rápido, además su tamaño permite que pasen con facilidad por la estructura geológica del subsuelo logrando un reconocimiento de toda el área periférica de los yacimientos hidrocarburíficos (Kong et al, 2010, pp. 2-6). 1.1.3.. NANOFLUIDOS. Los nanofluidos o fluidos inteligentes (“smart fluids”) son los fluidos que intervienen en la perforación, simulación y exploración de los pozos petroleros, la.

(37) 5. naturaleza de los nanofluidos es incluir en su composición un aditivo para optimizar el proceso de perforación, gracias a que los aditivos reducen el contenido de sólidos no deseados en los lodos favoreciendo de esta manera la producción ya que evita interacciones roca-fluido, además de, desintegrar y dispersar la materia mineral en un periodo de tiempo reducido para beneficio de la producción (Swaminathan, Nagarajan y Sangwai, 2013, pp.2-4). Huang, Crews y Agrawal (2010) describen el desarrollo de una nanopartícula pseudofluida micelar, un fluido con nanoparticulas de óxido de zinc que provee un buen control en la pérdida de fluido, la ventaja de usar nanopartículas en el fluido es que forman una torta de barro integra, reducen el espesor de la misma, favoreciendo considerablemente el proceso de extracción.. Amanullah y Al-Tahini (2009) en su estudio concluyen que los nanofluidos también pueden tratar los efectos ambientales producidos por el dióxido de carbono (CO2) y el ácido sulfhídrico (H2S), generando una reducción de la contaminación ambiental in situ, previniendo los problemas de salud y seguridad ocupacional en las instalaciones, debido a que nanofluidos diseñados con presencia de gas ácido neutralizan grupos funcionales como el hidroxilo y compuestos a base de erradicadores de azufre, lo cual reduce el problema mediante la producción de azufre metálico insoluble.. 1.1.4.. NANOCAPAS. La perforación para la recuperación de hidrocarburos en alta mar puede complicarse al presentar condiciones de bajas temperaturas y altas presiones, además de los problemas causados por la corrosión en tuberías y tanques por el contacto con el agua salada (Guzmán, 2012, pp. 28-35).. Los problemas antes mencionados generaron la necesidad de una nueva tecnología resistente a las condiciones de operación offshore, las nanocapas producidas a base de nanopartículas de carburo de tungsteno o nitruro de boro.

(38) 6. entregan a la superficie aislamiento térmico, protección contra la corrosión y previenen la formación de solidos e impurezas sobre la superficie (Hamdy y Tiginyanu, 2011, pp. 2-20).. Dentro de las nanocapas existe un grupo específico denominado nanomembranas las cuales presentan espesores de entre 1 000 a 10 000 nm usualmente empleadas como filtro para separar la impurezas presentes en aceites y lubricantes, incluso de gases extraídos (Monfared, 2009, p. 5).. 1.1.5.. NANOREMEDIACIÓN. La necesidad de mantener el medio ambiente a salvo de agentes contaminantes, ha generado que la nanotecnología se enfoque en prevenir y remediar afectaciones al medio ambiente por parte de la industria, siendo la industria petrolera una de las principales contaminantes del mundo ha promovido la investigación con nanopartículas de distinta naturaleza para actuar sobre desastres ambientales que son una perturbación grave en el medio ambiente debido a la actividad humana (DGF, 2012, pp. 2-3).. La remediación ambiental mediante nanotecnología se la realiza con un sistema de infiltración reductora, consiste en inyectar a través de tubos un nanofluido con nanopartículas generalmente de hierro de propiedades catalíticas al interior de la zona contaminada generando una reacción entre los compuestos causantes de la contaminación y el nanofluido, de esta manera se puede alterar la estructura molecular de la sustancia tóxica para convertirla en una sustancia inocua o degradarla totalmente (DGF, 2012, pp. 4-5).. Un ejemplo del proceso de infiltración reductora es inyectar cepas bacterianas que degraden los compuestos del petróleo en caso de un derrame de esta sustancia en el mar (DGF, 2012, pp. 4-5)..

(39) 7. La técnica de infiltración reductora de los nanofluidos es ejecutada como se puede observar en la Figura 1.3, previa a la determinación del tipo de nanofluido a emplear según la naturaleza del derrame o la contaminación que se desea controlar y/o eliminar totalmente sobre el área contaminada, la nanoremediación entrega una alternativa de mejoramiento ambiental pionera en el mundo a aplicarse en desastres ambientales de gran escala (DGF, 2012, p. 5).. Figura 1.3. Esquema de una infiltración reductora con nanoparticulas de hierro, para nanoremediación (DGF, 2012, p. 4). 1.1.6.. NANOADITIVOS. Los nanoaditivos son aditivos desarrollados como un fluido con partículas a nivel nanométrico de distintos elementos metálicos, orgánicos o de otra naturaleza. (Biosafe, 2014, p.1), la influencia que pueden tener sobre los combustibles se profundizará en el desarrollo de la Sección 1.2.. 1.2. FUNCIÓN Y DESEMPEÑO DE NANOADITIVOS PRESENTES EN COMBUSTIBLES La adición de un nanoaditivo al combustible empleado para el funcionamiento de fuentes de combustión, se desarrolló para conseguir una reducción en las.

(40) 8. emisiones gaseosas propias de la quema del hidrocarburo además se implementó para lograr una disminución del consumo de combustible, esto se logra a medida que el nanoaditivo ejerza su influencia y promueva una reacción de combustión completa (Biosafe, 2014, p.1).. 1.2.1.. MEZCLA COMBUSTIBLE-NANOADITIVO. La utilización de nanoaditivos para modificar los combustibles tiene como objetivo el desarrollo de nuevos combustibles sin embargo el problema está en el proceso de mezclado combustible-nanoaditivo, la presencia de agua en el combustible dificulta la dispersión del nanoaditivo en el combustible reduciendo influencia del mismo sobre el combustible. La solución al problema son las propiedades termodinámicas de las nanopartículas que permiten constituir una membrana interfacial entre el agua y el combustible que al ser tensoactiva permita la dispersión del nanoaditivo en cualquier combustible ordinario como la gasolina o el diésel sin importar la cantidad de agua en el mismo (XSnano, 2010, pp. 13-15).. 1.2.2.. FUNCIÓN DEL NANOADITIVO. El mecanismo de funcionamiento de los nanoaditivos es distinto al de los demás tipos de aditivos, el nanoaditivo actúa directamente sobre la reacción de combustión activando totalmente la combustión del hidrocarburo provocando un proceso de combustión limpio con la mínima producción de sedimentos por combustión durante la quema del combustible (XSnano, 2010, pp. 16-17).. La adición de nanoaditivos genera una reducción de hasta el 18,0 % del consumo de combustible y una eficiencia de combustión de al menos el 90,0 %, su influencia incluso mejora en el rendimiento del motor lo que genera una reducción en las emisiones gaseosas de la fuente de combustión (XSnano, 2010, pp. 16-17)..

(41) 9. Los nanoaditivos al no tener en su composición sustancias nocivas para el medio ambiente no presentan ningún efecto adverso, son fáciles de añadir al tanque de combustible de la fuente y se puede facilitar su dispersión mediante agitación manual o mecánica (XSnano, 2010, pp. 18-19).. La utilización de nanoaditivos reduce el riesgo de corrosión y la generación sedimentos, en la Figura 1.4 se puede observar la cantidad de sedimentos generados por el motor de cuatros tiempos funcionando por 24 horas de trabajo con y sin nanoaditivo en el combustible.. Figura 1.4. Producción de sedimentos sin nanoaditivo (a), producción de sedimentos con nanoaditivo (b) (ENVIROX, 2008, p. 11). La implementación de nanoaditivos en el combustible de una fuente de combustión no modifica el comportamiento mecánico del motor y no representa ningún impacto negativo sobre el mismo (Ganbari, Najafi, Ghobadian, Mammat, Noor y Moosavian, 2015, pp. 4-5).. Los nanoaditivos se han clasificado como sustancias no peligrosas por que no presentan especificaciones de prevención ante su manipulación, por el contrario la adición de nanoaditivos a los combustibles ha conllevado únicamente a beneficios como menor consumo de combustible o mayor eficiencia del motor o fuente de combustión que lo utiliza (Ganbari et al, 2015, pp. 4-5)..

(42) 10. 1.2.3.. DESEMPEÑO DE UN NANOADITIVO. El desempeño de un nanoaditivo se ve reflejado en 2 parámetros fundamentales: ·. Disminución en el consumo de combustible, factor económico.. ·. Reducción de las emisiones contaminantes al aire, factor ambiental (ENVIROX, 2008, pp. 14-15).. También se considera el incremento del rendimiento del motor de la fuente por la presencia del nanoaditivo en el combustible (ENVIROX, 2008, pp. 14-15). Al ser la nanotecnología un campo de investigación y aplicación relativamente joven, aún existe mucho por investigar especialmente en el campo de los nanoaditivos para fomentar los combustibles modificados (ENVIROX, 2008, pp. 14-15).. Se puede destacar el estudio realizado por Basha y Anand (2011) donde la presencia de nanopartículas de alúmina (óxido de aluminio) como las que se puede observar en la Figura 1.5, en el combustible para el funcionamiento de un motor generó que el rendimiento del mismo alcanzará hasta el 86,3 % superior al 77,9 % alcanzado sin la presencia de nanoaditivos, así como la disminución de las emisiones contaminantes del motor a la atmósfera en 8,0 %.. Figura 1.5. Nanopartículas de alúmina por microscopía electrónica (Basha et al, 2011, p. 8).

(43) 11. Otro estudio realizado por Syed Aalam, Saravanan y Kannan (2015) sobre un sistema de inyección directa de riel común asistido por un motor a diésel aditivado con nanopartículas de óxido de aluminio o el también desarrollado por Shaafi y Velraj (2015) donde nanopartículas de alúmina en conjunto con etanol e isopropanol conforman el nanoaditivo para el combustible de un motor a diésel, concluyeron que la presencia de las nanopartículas añadidas al combustible favorecieron una reducción promedio de las emisiones contaminantes a la atmósfera del 10,7 %, incluido en ambos estudios el material particulado, además se obtuvieron registros de la mejora en el desempeño del motor. El óxido de cerio en nanopartículas adicionado al combustible de un motor generó un rendimiento del 87,9% para el mismo, gracias a esto se logró hasta un 6,3 % de disminución en el consumo de combustible para su operación y una reducción de hasta un 10,0 % las emisiones gaseosas del combustible fósil a la atmósfera según los resultados obtenidos por Venkatesan y Kadiresh (2014) en su estudio.. Se comparó el uso de biocombustibles y combustibles con nanoaditivos, con la finalidad de observar cuál de los dos métodos ofrece mejores ventajas y beneficios, el estudio de Pushparaj, Ramabalan y Selvan (2015) donde se hace referencia a motores que trabajan con distintas mezclas de combustibles incluidos biocombustibles y combustibles con nanoaditivos, estos estudios analizaron que si bien los biocombustibles representan una mejora en comparación a los combustibles tradicionales, están muy lejos de alcanzar los rendimientos de los combustibles modificados con nanopartículas.. 1.3. NANOADITIVOS EMPLEADOS EN FUENTES FIJAS DE COMBUSTIÓN 1.3.1.. NANOPARTÍCULAS EMPLEADAS PARA NANOADITIVOS. La naturaleza de las nanopartículas que se utilicen como base para el nanoaditivo, establecen diferentes tipos de nanoaditivos que se pueden emplear para modificar el combustible de una fuente de combustión, para diferenciar estas.

(44) 12. nanopartículas se toma en cuenta tres grandes grupos: óxidos metálicos, partículas orgánicas y partículas inorgánicas (Shaafi et al, 2015, p.1).. 1.3.1.1.. Óxidos metálicos. Considerando que los metales representan el 75 % del total de elementos de la tabla periódica, sus propiedades como, baja energía de ionización, baja electronegatividad, alto punto de fusión y alta densidad, hace de los metales elementos altamente reactivos, permitiendo que reaccionen fácilmente con el oxígeno (Clugston y Flemming, 2000, pp. 280-281). Estas cualidades los hace idóneos para. formar óxidos metálicos que en nanopartículas son excelentes. nanoaditivos para las fuentes fijas de combustión, los óxidos más empleados son (Chegenizadeh et al, 2016, pp. 3-7):. ·. Óxido de Aluminio “Alúmina” (Al2O3). ·. Óxido Cuproso (CuO). ·. Óxido de Magnesio (MgO). ·. Óxido de Titanio (TiO2). ·. Óxido de Zinc (ZnO). ·. Óxido de Circonio (ZrO). 1.3.1.2.. Nanopartículas orgánicas. Son nanopartículas que tienen como característica una composición en base a sustancias orgánicas es decir, aquellas cuya estructura está basada en carbono, entre las que cabe destacar por su aplicación en nanoaditivos están el carbón (1,0-0,1 nm) y los nanotubos de carbono (Chegenizadeh et al, 2016, pp. 9-10).. En la Figura 1.6 se puede observar los nanotubos de carbono (CNT), que se pueden emplear como nanoaditivo, pueden ser nanotubos de carbono individuales, dobles e incluso triple, su estructura también juega un papel.

(45) 13. importante dentro de sus funciones como nanopartículas en el. combustible. (Chegenizadeh et al, 2016, pp. 9-10):. Figura 1.6. Nanotubos de carbono individuales (a), dobles (b) y triples (c) (Chegenizadeh et al., 2016, p. 10). 1.3.1.3.. Nanopartículas inorgánicas. Las nanopartículas inorgánicas se definen como los compuestos que carecen de carbono en su estructura, considerando de forma especial las nanopartículas con presencia o no de silicio (Chegenizadeh et al, 2016, pp. 10-17).. ·. Con presencia de silicio. o Óxido de Silicio (SiO2) o Silicio recubierto con alúmina o Óxido de Silicio hidrófobo o Polisilicio naturalmente húmedo. ·. Sin presencia de Silicio. o Zeolitas nanoestructuradas o Nanogeles de dispersión coloidal o Nanoesferas de gel de poliacrilamida.

(46) 14. En la Figura 1.7 se puede ver las nanopartículas de óxido de silicio observadas mediante una microscopía electrónica de barrido y el esquema de la alúmina como recubrimiento.. Figura 1.7. Nanopartículas de óxido de silicio por MEB (a), bosquejo de nanopartículas de silicio recubiertas con alúmina (b) (Chegenizadeh et al., 2016, pp. 11-12). 1.3.2.. INFLUENCIA. DE. ALGUNOS. NANOADITIVOS. SOBRE. LA. EFICIENCIA DE LAS FUENTES FIJAS QUE USAN DIÉSEL COMO COMBUSTIBLE Las fuentes que emplean diésel como combustible tienen una muy buena reputación por: su bajo consumo de combustible, buen desempeño y resistencia con el pasar del tiempo gracias a su eficiencia térmica, sin embargo, aumentar esta eficiencia está constantemente bajo investigación por los beneficios que puede aportar a la fuente, como el factor económico debido al ahorro de combustible, por esto se ha desarrollado varios nanoaditivos que generen una mejora en la eficiencia de combustión del diésel, se obtiene resultados distintos de acuerdo a la naturaleza del nanoaditivo (Chegenizadeh et al, 2016, pp. 8).. 1.3.2.1.. Nanoaditivos metálicos. Los aditivos formulados con base en los metales como el aluminio, el hierro entre otros, cumplen normalmente una función directa sobre la reacción de combustión.

(47) 15. que promueve el máximo desempeño hacia la combustión completa y con ésto lograr una reducción del consumo de combustible durante la operación del motor o de la fuente de combustión en que se emplee el combustible modificado (Shaafi et al, 2015, p.2).. De acuerdo con Kao, Ting, Lin y Tsung (2008) nanopartículas de aluminio sumergidas en agua empleadas como nanoaditivo para el diésel, concluyó en su estudio que la combustión dentro del motor en presencia de este nanoaditivo se dio de forma más activa, favoreciendo el rendimiento de la combustión y determinando una reducción en el consumo de combustible. El estudio propuesto por Mehta, Chakraborty y Parikh (2014) donde se evaluó la eficiencia, empleando nanopartículas de aluminio (A1), hierro (F1) y boro (B1) como nanoaditivos para el diésel utilizado como combustible de una fuente de combustión, concluyó que los combustibles modificados con los nanoaditivos metálicos en comparación con el combustible puro, alcanzaron una mayor eficiencia, como se puede observar en la Figura 1.8.. Figura 1.8. Eficiencia vs carga de combustible. (Mehta et al, 2014, p. 5). El incremento de la eficiencia durante este estudio, generó en una reducción promedio estimada hasta un 7,0 % del consumo de combustible (Metha et al, 2014, pp. 6-7)..

(48) 16. 1.3.2.2.. Nanoaditivos en base a óxidos metálicos. El óxido de cerio, la alúmina (óxido de aluminio), el óxido de titanio, el óxido de zinc o el óxido manganoso, son algunos de los óxidos metálicos más empleados para la elaboración de nanoaditivos para combustibles. La interacción metaloxígeno favorece la combustión dentro de las fuentes gracias a la presencia del oxígeno en la estructura del óxido. Durante la combustión los elementos del óxido se separan y el oxígeno favorece la reacción en busca de una combustión completa (Shaafi et al, 2015, p.3).. Según Selvan, Anand y Udayakumar (2009a) la implementación de un nanoaditivo de óxido de cerio en el combustible para el funcionamiento de un motor de combustión interna (IC), concluyó que al comparar la operación del mismo con diésel puro, una mezcla de diésel-etanol y el diésel con nanoaditivo, se logró una reducción en los tiempos de ignición y una pequeña mejora en la eficiencia térmica detallada en la Figura 1.9. Con el combustible nanoaditivado con óxido de cerio, los puntos a destacar dentro de este estudio concluyen que la presencia del nanoaditivo permite un mayor rendimiento y una combustión más limpia.. Figura 1.9. Consumo de combustible vs presión especifica (a), eficiencia vs presión especifica (b). (Selvan et al, 2009, p. 3).