ESTUDIO Y CARACTERIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL ACEITE DE GIRASOL COMO BIOCOMBUSTIBLE BAJO LA NORMA NTC DE 100/04.
DANIEL ARIAS PÉREZ CESAR TEUTA RAMIREZ
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA
AREA DE INVESTIGACION SANTA FE DE BOGOTA, D.C.
2011
ESTUDIO Y CARACTERIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL ACEITE DE GIRASOL COMO BIOCOMBUSTIBLE BAJO LA NORMA NTC DE 100/04.
PROYECTO DE INVESTIGACION No. 734-865
DANIEL ARIAS PÉREZ CESAR TEUTA RAMIREZ
PROYECTO DE GRADO PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO Ingeniero Mecánico
DIRECTOR JAIME PARRA PLAZAS
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA
AREA DE INVESTIGACION SANTA FE DE BOGOTA, D.C.
2011
Nota de aceptación __________________________________________
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JURADO___________________________________
JURADO___________________________________
BOGOTA D.C._________________________________
DEDICATORIA
A mi madre Aura Pérez por su dedicación y paciencia, a mi abuela Aura Rosa Pérez y mi tía Carmen Pérez;
quienes hicieron posible mi formación.
Daniel
A mis padres Salvador Teuta y Maria Ramírez por el esfuerzo, dedicación y paciencia.
Cesar Augusto
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a:
Jaime Alberto Parra Plazas, director del proyecto y quien nos orientó durante todo el desarrollo del proyecto.
Jorge René Silva, Decano de la facultad de ingeniería quien nos colaboró en la gestión de recursos necesarios para el desarrollo del proyecto.
Luisa Fernanda Navarrete, Docente de la facultad de ingeniería quien nos aportó vitales conocimientos en química y laboratorio.
A las personas de los laboratorios de química y de ingeniería mecánica que nos facilitaron su tiempo y conocimientos para el uso de equipos.
TABLA DE CONTENIDO
Pag.
GLOSARIO INTRODUCCION
1. Problema………. 1
1.1. Descripción del problema………. 1
1.2. Formulación del problema……… 2
2. Justificación……… 3
3. Objetivos………. 5
3.1. Objetivo general………. 5
3.2. Objetivos específicos……….. 5
4. Antecedentes………. 6
5. Metodología de trabajo……….. 8
5.1. Tipo de investigación………. 8
5.2. Variables………. 11
6. Marco normativo……… 12
6.1. Norma Técnica Nacional DE 100/04 Biodiesel para uso en motores diesel……….. 12
6.2. Referencias normativas……….. 13
7. Marco legal………. 14
7.1. Leyes………. 14
7.2. Proyectos de ley………. 14
7.3. Decretos……….. 14
8. Marco Teórico………. 15
8.1. El girasol………. 15
8.1.1 Suelo……….. 15
8.1.2 Temperatura………. 15
8.1.3 Siembra………. 15
8.1.4 Riego……….. 15
8.2. Semilla de girasol………. 15
8.2.1 Certificación de la semilla……… 16
8.2.2 Proceso de la semilla……….. 16
8.3. Aceite de girasol……… 17
8.3.1 Composición del aceite………. 17
8.3.2 Importación de aceite……… 18
8.4. Obtención del biodiesel de girasol………. 19
8.4.1 Transesterificación del aceite………. 19
8.5. Poder calorífico del biodiesel………. 21
8.5.1 Determinación del poder calorífico………. 21
8.5.2 Correcciones termoquímicas……….. 23
8.6. Densidad……… 23
8.7. Viscosidad………. 23
8.7.1 Viscosidad dinámica……… 24
8.7.2 Viscosidad cinemática……… 24
8.7.3 Viscosímetro de Ostwald……… 24
8.8. Medición de pH……… 25
8.9. Corrosión en lámina de cobre……… 25
8.10. Pruebas de calidad para biodiesel de girasol……….. 27
8.10.1 Pruebas de proceso de producción de biodiesel……….. .27
8.10.2 Pruebas de pureza de biodiesel………. 27
8.10.3 Pruebas de desempeño del biodiesel………. 28
9. Caracterización fisicoquímica……… 29
9.1. Medición del poder calorífico………. 29
9.1.1 Bomba calorimétrica……….. 29
9.1.2 Calculo del calor de la combustión……….. 30
9.1.3 Incremento de temperatura………. 31
9.1.4 Correcciones termoquímicas……….. 31
9.1.5 Factor de energía equivalente………. 32
9.1.6 Calor bruto de la combustión……….. 32
9.2. Medición de densidad………. 33
9.3. Cálculo de la viscosidad……….. 34
9.4. Medición de pH……… 35
9.5. Valoración de corrosión en lámina de cobre……… 37
10. Medición de gases de combustión………. 39
10.1. Equipo de medición de gases de combustión……….. 40
10.2. Mezclas de biodiesel de girasol para medición de emisiones……… 41
10.3. Procedimiento de medición……….. 42
10.4. Cálculo estadístico……….. 42
11. Análisis de resultados……….. 44
11.1. Análisis de la formulación para Transesterificación de aceite de girasol……… 45
11.2. Análisis de propiedades fisicoquímicas………. 45
11.3. Análisis de emisiones de gases del biocombustible……….. 45
11.4. Biodiesel de girasol como biocombustible……….. 48
12. Conclusiones……….. 50
13. Recomendaciones……….. 51
BIBLIOGRAFÍA………. 52
ANEXOS……….. 53 Anexo 1. Reporte Calorimetría
Anexo 2. Reporte viscosidad Anexo 3. Reporte corrosión Anexo 4. Reporte emisiones
Anexo 5. Reporte resultados laboratorio ANTEK S.A.
Anexo 6. Modificación objetivos del proyecto
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura 1 Diagrama Metodología de trabajo. 10
Figura 2 Semilla de girasol. 16
Figura 3 Diagrama del proceso de extracción de aceite de girasol. 17
Figura 4 Moléculas de triglicérido y 3 metanol. 19
Figura 5 Transesterificación de triglicérido a glicerol. 20 Figura 6 Transesterificación de metanol a éster metílico. 20
Figura 7 Separación de fases por decantación. 20
Figura 8 Lavado con agua caustica. 21
Figura 9 Montaje viscosímetro de Ostwald. 24
Figura 10 Estándar ASTM de corrosión para cobre expuesto. 27
Figura 11 Medición de densidad. 33
Figura 12 Medición de pH. 35
Figura 13 Alambres Cu de control y muestra sometida a prueba. 38
Figura 14 Motor utilizado en pruebas de emisiones 39
Figura 15 Analizador de gases de combustión Testo 350 XL 40
Figura 16 Elaboración de mezclas de combustible. 42
Figura 17 Verificación de rpm 42
Figura 18 Registro de O2 en emisiones. 46
Figura 19 Registro de CO2 en emisiones. 46
Figura 20 Registro de CO en emisiones. 47
Figura 21 Registro de SOx en emisiones. 47
Figura 22 Registro de hidrocarburos en emisiones. 48
LISTA DE CUADROS
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Cuadro 1. Fases de desarrollo de la investigación. 9
Cuadro 2. Relación de variables. 11
Cuadro 3. Requisitos del biodiesel para mezcla con combustibles diesel 12
Cuadro 4. Composición química. 18
Cuadro 5. Balanza comercial del aceite de girasol en Colombia. 18
Cuadro 6. Clasificación de corrosión al cobre. 26
Cuadro 7. Bomba calorimétrica y accesorios. 29
Cuadro 8. Datos obtenidos de la prueba en bomba calorimétrica. 30 Cuadro 9. Incremento de temperatura corregido para cada prueba. 31
Cuadro 10. Valores para cada corrección termoquímica. 32
Cuadro 11. Energía equivalente calculada para el calorímetro 1341. 32
Cuadro 12. Calor bruto para cada prueba. 33
Cuadro 13. Numero del análisis y su densidad. 33
Cuadro 14. Datos procedentes del equipo de ensayo de viscosidad. 34 Cuadro 15. Valores de viscosidad medidos para agua y biodiesel de girasol. 35
Cuadro 16. Datos técnicos del Ph-metro CG 840. 36
Cuadro 17. Datos procedentes del equipo de medición de pH. 37
Cuadro 18. Resultado de prueba de corrosión al cobre. 38
Cuadro 19. Características técnicas del motor empleado 39 Cuadro 20. Características del equipo de medición de gases 41 Cuadro 21. Mezclas estándar de biodiesel y diesel convencional. 41
Cuadro 22. Comparación de datos 44
GLOSARIO
Biodiesel: biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación.
Bomba calorimétrica: Equipo que utiliza un procedimiento que determina el calor de la combustión o valor calorífico de los materiales que se queman.
Densidad: masa por unidad de volumen a una temperatura especifica
Densidad relativa: relación entre densidad de un material a una temperatura específica y la densidad del agua a una temperatura específica.
Éster: son el producto de la reacción entre los ácidos grasos y los alcoholes.
Glicerina: propanotriol, o glicerol (C3H8O3) es un alcohol con tres grupos hidroxilos (–OH).
Está presente en todos los aceites y grasas animales y vegetales de la forma combinada, es decir, vinculadas a los ácidos grasos para formar una molécula de triglicéridos. Se presenta en forma de líquido a una temperatura ambiental de 25 ° C y es higroscópico e inodoro.
Metilo: hidrófobo alqueno que deriva del metano.
Mezclas biodiesel - diesel, BXX: son mezclas de biodiesel con diesel en diferentes proporciones. La letra B representa el biodiesel y XX representa el porcentaje en volumen (% vol.) del biodiesel en la mezcla.
PH-metro: Es un equipo que se utiliza para determinar la acidez o la alcalinidad que posee cada sustancia. El pH es una característica propia de cada producto, la sigla significa
Potencial Hidrógeno. La escala de medición va desde cero (0) a catorce (14), conteniendo la escala de cero (0) a siete (7) todas las sustancias identificadas como ácidos y la escala que va del siete (7) a catorce (14), las sustancias alcalinas o básicas; Siete (7) es el valor neutro.
Viscosidad: Propiedad de los fluidos que caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus moléculas.
Triglicérido: triacilglicéridos o triacilgliceroles son acilgliceroles, un tipo de lípidos, formados por una molécula de glicerol, que tiene esterificados sus tres grupos hidroxilo por tres ácidos grasos, saturados o insaturados.
1
1. PROBLEMA
1.1. DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Dada la coyuntura actual del sector de hidrocarburos en Colombia, caracterizada por una inminente pérdida del autoabastecimiento de petróleo en corto plazo y por un creciente consumo del combustible diesel convencional o ACPM, existe un gran interés en el gobierno actual por incentivar la producción de biodiesel, la cual además es altamente solidaria con el medio ambiente1.
Es evidente que una de las mayores problemáticas que existen en Bogotá es la producción diaria de monóxido y dióxido de carbono, dióxido de sulfuro, compuestos de cianuro, acetaldehído, benceno, formaldehído, plomo inorgánico, compuestos de manganeso, metanol, fenol, arsénico y compuestos de mercurio, entre otros, producidos por la quema del diesel convencional; lo que conlleva, a que las emisiones de éste sean una mezcla de más de 400 partículas finas diferentes, vapores y materiales orgánicos de los cuales hay más de 40 sustancias químicas consideradas como contaminantes tóxicos (TAC)2.
En el estado de California, según algunos estudios realizados por asociaciones que están al cuidado del medio ambiente, encontraron que los motores diesel emitieron 100 veces más partículas de hollín que los motores de gasolina con la misma carga y con las mismas condiciones de motor.
Aproximadamente el 25% de toda la contaminación aérea con partículas dañinas, producidas al quemar combustible, provienen de motores diesel. Varios estudios ven una relación entre las enfermedades respiratorias, neumonía, asma y enfermedades del corazón, debido a que están dadas por las partículas tóxicas suspendidas en el aire provocado por dichas emisiones.
1Federación Nacional de Cultivadores de Palma de Aceite (2006), Mercadeo y promoción de mercados -Biodiesel-, 2006, En: http://www.fedepalma.org/biodiesel.htm
2Corredor A. G. (2009) “Tablero de comando” para la promoción de Biocombustibles en Colombia.
Publicación de las Naciones Unidas, Santiago de Chile.
2 1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA
Debido a la necesidad de desarrollar combustibles ecológicos, que reduzcan su impacto negativo en el medio ambiente y sean la alternativa definitiva a la reducción de las reservas de petróleo, consideramos que es preciso realizar un estudio respecto a la viabilidad de la generación de biodiesel.
Esto nos lleva a plantear el desarrollo de un biocombustible a partir del aceite de Girasol; sin embargo, es necesario, caracterizar los parámetros físicos y químicos del aceite de Girasol para conocer su capacidad como biocombustible. Para ello es necesario regirse por la norma NTC DE100/04, donde se indican los métodos de ensayo que deben realizarse y las especificaciones del aceite de girasol para uso como combustible o como componente de mezclas con combustibles diesel.
3
2. JUSTIFICACION
En la actualidad el Gobierno Colombiano ha motivado el desarrollo de proyectos de energías alternativas que sean más amigables con el medio ambiente debido a la disminución de las reservas de hidrocarburos. En el año de 2007 se expide el Decreto 2629 del 10 de julio de 2007 Normas motores para uso de biodiesel en mezclas superiores al 5% con el fin de prepara el parque automotor, y aunque ECOPETROL S.A. ha seguido sumando esfuerzos por producir combustibles cada vez más limpios aun quedan puntos por superar como:
Aumento del porcentaje de Biodiesel mezclado en el ACPM.
Adecuación de los motores para operar con Biodiesel B100
Debido a que la demanda de ACPM se ha incrementado considerablemente al punto de estar desplazando a la gasolina y gas en el transporte de pasajeros y de carga, se hace necesario encontrar una alternativa eficiente, siendo el biodiesel la mas adoptada por ser un combustible ambientalmente amigable que se obtiene a partir de aceites vegetales mediante un proceso de transesterificación con alcoholes. Se emplea en mezclas con ACPM, en diferentes proporciones, para la operación en motores diesel sin requerir cambios o adaptaciones de los mismos.
Las restrictivas normas anticontaminantes vigentes en la actualidad, exigen buscar nuevos métodos para reducir las emisiones que genera el uso de un tipo de combustible como el Diesel.
Hay formas de mitigarlas en su origen, durante la combustión en el interior del cilindro, pero esto no es suficiente e implica importantes sacrificios en cuanto a potencia y prestaciones se refiere.
Por ello, se hace necesario implementar un tipo de combustible que ayude a reducir aquellas emisiones que atentan contra la salud humana y el medio ambiente.
El uso del aceite de girasol como biocombustible se plantea como una opción viable, puesto que se trata de un combustible 100% vegetal y 100% biodegradable, es una energía sostenible, no genera residuos tóxicos ni peligrosos; este también cumple con el protocolo de Kyoto, ya que reduce en un alto porcentaje la contaminación atmosférica.
Las emisiones de CO2 serian entre un 25% y 80% menos que las producidas por los combustibles derivados del petróleo tanto en el ciclo biológico, en su producción, como en el uso. Así mismo, se reducen las emisiones del alto contenido de azufre del diesel producido en Colombia, el cual supera ampliamente los niveles establecidos internacionalmente; el dióxido de azufre, subproducto de la combustión, se reduce en casi 100%. Por otra parte, la combustión de Biodiesel disminuye en 30% la cantidad de hidrocarburos totales no quemados, y entre 15-30% en los hidrocarburos aromáticos. En este caso el aceite de girasol no contiene benceno, ni otras sustancias aromáticas cancerígenas (Hidrocarburos aromáticos policíclicos). El Biodiesel, como combustible vegetal no contiene ninguna sustancia nociva, ni perjudicial para la salud, a diferencia de los hidrocarburos y disminuye el riesgo de enfermedades respiratorias y alergias.
La caracterización de las materias primas para la fabricación de biocombustibles es una de las tareas primordiales para el desarrollo de etapas de pruebas en los motores de combustión, que sean confiables bajo un desarrollo técnico y que permita la implementación de una norma técnica para este objetivo.
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La Universidad Libre en la línea de investigación ha estimulado el desarrollo de proyectos encaminados al estudio de energías alternativas, tales como la caracterización de aceites de higuerilla, palma, soya y aceites vegetales usados, como biocombustible. Por esto consideramos viable y pertinente estudiar la posibilidad de generar combustible a partir de un aceite de Girasol, iniciando por la caracterización de los parámetros físicos y químicos, determinando su capacidad como combustible. Para ello es necesario regirse por la norma NTC DE100/04, donde se indican los métodos de ensayo que deben realizarse y las especificaciones que Biodiesel de girasol debe cumplir para uso como combustible o como componente de mezclas con combustibles diesel.
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3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Estudiar y caracterizar los parámetros físicos y químicos del aceite de girasol como biocombustible bajo la norma NTC DE 100/04.
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar el poder calorífico del aceite de girasol por medio de la bomba calorimétrica.
Determinar propiedades fisicoquímicas del aceite de girasol, que son la viscosidad, densidad y punto de inflamación.
Comparar las propiedades del aceite de girasol con las del diesel convencional o ACPM producido en Colombia, a través del diseño experimental de acuerdo con la norma NTC DE100/04.
Establecer un protocolo para normalizar las pruebas de caracterización del biodiesel de aceite de girasol, según los estándares internacionales.
Desarrollar mezclas de biodiesel de aceite de girasol según la norma NTC 5444.
Desarrollar pruebas en los motores diesel en vacio según la norma NTC 5444.
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4. ANTECEDENTES
A finales de 1979, a raíz de la preocupación que desencadenó la primera crisis del petróleo, se comercializó en EUA la mezcla de gasolina y etanol. Los combustibles alternativos se convirtieron en la solución al posible problema que representaba el agotamiento de los recursos no renovables.
Así, la American Oil Company y otras empresas abanderadas en el sector, comenzaron a comercializar la mezcla de etanol para diluir la gasolina y aumentar el octanaje.
En Brasil, la crisis del petróleo también tuvo una fuerte repercusión, en este país, en el año 1975 se encauzó el proyecto Proalcool, cuyo objetivo era la sustitución total de los combustibles de origen fósil. La alternativa propuesta era el bioetanol proveniente de la melaza de la caña de azúcar. Esta nueva industria permitió la creación de casi un millón de lugares de trabajo, repartidos en más de 700 destilerías, en instalaciones complementarias, en redes de transporte y fabricación de motores específicos para estos combustibles, etc.
La aparición de una segunda crisis del petróleo relacionada con el principio de la guerra Irano- Iraquí a principios de la década de los ochenta provocó una nueva caída en el consumo de petróleo. La extracción de este combustible experimentó una importante baja antes de recuperarse a finales de la década gracias al abaratamiento del precio del crudo. Esto comportó el abandono de las estrategias de cambio energético encauzadas hacía ya unos años. La década de los noventa comenzó con una nueva crisis. Esta vez derivada de la invasión de Kuwait por Irak.
Nuevamente, el precio del petróleo se volvió inestable y costoso y los biocombustibles volvieron a la escena energética de la mayoría de los países.
Algunas de las medidas tomadas en su momento fueron por ejemplo las que en el año 1985 planteaban la introducción de los biocombustibles en Europa. El objetivo era sustituir el 25 % del combustible fósil por bioetanol. Su aplicación no se aprobó por cuestiones de rentabilidad y costo.
Sin embargo, se dedicaron sustanciosos fondos para la investigación y desarrollo de estas tecnologías. Una interesante medida fue la propuesta a través de la directiva Scrivener, que consistía en la desgravación del bioetanol en valores cercanos a los que gravan los combustibles fósiles y así facilitar su competitividad. Esta medida ha tenido aplicaciones parciales especialmente en Italia, Francia, Alemania y Austria, donde se han desarrollado experiencias pioneras en el sector.
Actualmente existen planes de fomento tanto para el biodiesel como para el bioetanol con el objetivo a nivel de Europa de que los biocombustibles lleguen a significar un 15% del consumo de combustible.
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En Cataluña, lo que incentivó a la construcción de plantas elaboradoras de biodiesel fue la necesidad de reciclar el aceite vegetal usado3.
Durante la década de los 90, se abrieron muchas plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa, Alemania y Suecia. Francia ha lanzado la producción local de biodiesel (conocido localmente como diéster) obtenido de la transesterificación del aceite de colza. Va mezclado en un 5% en el combustible diesel convencional, y en un 30 % en el caso de algunas flotas de transporte público. Renault, Peugeot y otros productores han certificado sus motores para la utilización parcial con biodiesel, mientras se trabaja para implantar un biodiesel del 50%. Durante el año 1998 se identificaban 21 países de la unión europea con proyectos comerciales de biodiesel.
En septiembre del año 2005, Minnesota fue el primer estado estadounidense que obligaba un uso de, al menos, un 2% de biodiesel4.
En 2008, la ASTM (American Society for Testing and Materials) publicó los estándares y especificaciones de mezcla de biodiesel.
3 http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobbies9.html
4 http://es.wikipedia.org/wiki/Biodiesel
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5. METODOLOGIA DE TRABAJO
5.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
La determinación de algunas de las propiedades físico-químicas requiere de una investigación cuantitativa ya que se establecerán mediciones de distintas propiedades del aceite de girasol, desde un punto de vista analítico se evaluarán las muestras obtenidas en las diferentes pruebas de laboratorio.
Se plantean cuatro fases para el desarrollo del mismo: Investigación de antecedentes y documentación técnica; formulación, preparación y ejecución de las pruebas; análisis de resultados y conclusiones del proyecto. El siguiente cuadro describe las actividades de cada fase.
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Cuadro 1. Fases de desarrollo de la investigación FASE 1 INVESTIGACIÓN DE ANTECEDENTES Y DOCUMENTACIÓN TÉCNICA.
1. Conocer diversos estudios en el campo de Biocombustibles y específicamente biodiesel a partir de aceite de girasol.
2. Estudio de las características del aceite de girasol.
3. Estudio y documentación sobre el proceso de obtención del Biodiesel.
4. Documentación técnica y normativa de las pruebas para la caracterización de biodiesel.
FASE 2 FORMULACIÓN, PREPARACIÓN Y EJECUCIÓN DE PRUEBAS
1. Formular procedimientos preliminares a la realización de las pruebas con base en estándares y normas internacionales.
2. Conocer el modo de operación de los equipos e instrumentos necesarios para la transesterificación y realizar pruebas preliminares.
3. Formular el procedimiento de transesterificación para aceite de girasol y realizar dicho procedimiento revisando valores de pH y densidad.
4. Producir una muestra suficiente de biodiesel de girasol por método de transesterificación para la realización de pruebas.
5. Determinar el poder calorífico del Diesel comercial y el Biodiesel de girasol.
6. Determinar las propiedades fisicoquímicas del biodiesel de girasol en los laboratorios de la Universidad Libre contenidas en la Norma NTC DE 100/04.
7. Verificar los procedimientos de las pruebas a realizarse en el laboratorio particular (ANTEK S.A.), y validar los procedimientos de dicho laboratorio.
8. Realizar mediciones de emisiones del diesel comercial, diesel con 5% de biodiesel de girasol mezclado y diesel con 10% de biodiesel de girasol mezclado.
FASE 3 ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. Comparar las propiedades fisicoquímicas del biodiesel de girasol con los estándares requeridos en la Norma NTC DE100/04.
2. Realizar verificaciones necesarias de características fisicoquímicas.
3. Realizar pruebas complementarias de aquellas características que lo requieran.
4. Comparar el poder calorífico del biodiesel de girasol con otros biodiesel y con el diesel comercial.
5. Analizar las diferencias entre las emisiones del diesel comercial, diesel con 5% de biodiesel de girasol mezclado y diesel con 10% de biodiesel de girasol mezclado.
6. Encontrar diferencias respecto a contaminación entre biodiesel de girasol y diesel comercial.
7. Revisar ventajas y desventajas respecto al diesel comercial.
FASE 4 CONCLUSIONES DE LA INVESTIGACIÓN.
1. Reportar las propiedades fisicoquímicas y la viabilidad del biodiesel de girasol como biocombustible.
2. A partir de la comparación diesel comercial y Biodiesel de girasol, exponer sus diferencias.
3. Formalizar los protocolos de caracterización de las propiedades físicas y químicas del aceite de girasol, con los equipos disponibles en la Universidad Libre.
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Figura 1. Diagrama Metodología de trabajo
11 5.2. VARIABLES
Cuadro 2. Relación de variables5
VARIABLE INDEPENDIENTE VARIABLE DEPENDIENTE VARIABLE INTERVINIENTE Equipos Calibrados y
certificados.
Determinación del poder calorífico.
Normas ASTM.
Aceite de Girasol Comercial.
Determinación de propiedades físico- químicas.
Normas vigentes de biocombustibles.
Recolección de información.
Medición de emisiones de combustión.
Pruebas en laboratorios.
Manipulación de las muestras.
Manejo de equipos, instrumentos.
Insumos de laboratorio.
5Variable independiente (aquella que se manipula), variable dependiente (aquella que cambiara cuando se manipula la variable independiente), variable interviniente (aquella que vincula o condiciona las variables independiente y dependiente).
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6. MARCO NORMATIVO
6.1. Norma Técnica Nacional DE 100/04 Biodiesel para uso en motores diesel.
Esta norma cubre las especificaciones para los alquil esteres de ácidos grasos para uso como combustible o como componente de mezclas con combustibles diesel.
Como primer requisito general el biodiesel debe aparecer visualmente libre de sedimentos, partículas suspendidas y agua separada. Específicamente el biodiesel debe cumplir los requisitos establecidos en el cuadro 3:
Cuadro 3: Requisitos del biodiesel para mezcla con combustibles diesel
Propiedad Unidad Requisito Método de ensayo
Densidad Kg/m3 860-900 ASTM D4052
Viscosidad a 40°C mm2/s 1,9-6,0 ASTM D445
Corrosión en lamina de cobre Unidad Clase 1 ASTM D130
Poder Calorífico Btu/lb Reportar ASTM D240
Potencial de hidrogeno - Reportar Calibrado y Certificado
Índice de cetano Cetano 47 mínimo ASTM D613
Contenido de agua % volumen 0,05 máx. ASTM E203
Punto de inflamación °C 120 mínimo ASTM D93
Metanol residual % en masa 0,2 máximo ISO 14110
Cenizas sulfatadas % en masa 0,02 máx. ASTM D874
Punto de niebla °C Reportar (1) ASTM D2500
Punto de fluidez °C Reportar (1) ASTM D97
Carbón residual % en masa 0,3 máximo ASTM D4530
Contenido de éster % en masa 96,5 mínimo EN 14103
Glicerina Libre % en masa 0,02 máx. ASTM D6584
Glicerina Total % en masa 0,25 máx. ASTM D6584
Sodio mg/lt Na + K
5 máximo
ASTM D5863
Potasio mg/lt
1) Los valores para estos parámetros deberán establecerse en las normas técnicas específicas que se definan para cualquier mezcla biodiesel - diesel en cualquier proporción. Los valores definidos deberán ser sustentados en estudios realizados en laboratorios acreditados y avalados por autoridad competente.
2) El carbón residual debe ser determinado sobre el 100 % de la muestra.
13 6.2. Referencias Normativas
Aquí se mencionan las normas que rigen el proceso para el resultado de las pruebas de laboratorio que se realizaran en el proyecto. Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables en la aplicación de este proyecto en los laboratorios de la Universidad Libre.
ASTM D 4052, ASTM D 1298, ASTM D 287, ISO 3675 ISO 12185; Método de prueba estándar para la densidad y la densidad relativa de líquidos por medidor de densidad digital.
ASTM D 445, ISO3104; Método de ensayos para la Viscosidad Cinemática de los Líquidos transparentes y opacos (y el Cálculo de la Viscosidad Dinámica).
ASTM D 240; Método de prueba estándar para el calor de la combustión de combustibles fósiles líquidos por bomba calorimétrica.
ASTM D 613, ISO 5165; Método de prueba estándar para el número de cetano de combustible diesel de petróleo.
ASTM E 203, ASTM D 95, ASTM 4377, ISO 12937; Método de prueba estándar para agua utilizando titulación volumétrica de Karl Fischer.
ASTM D 93; ISO 2719; Punto de inflamación en vaso cerrado.
ASTM D 4815, ISO 14110; Determinación del contenido de metanol. Grasa y aceite derivados. Ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME).
ASTM D 874, ISO 3987; Método de prueba estándar para cenizas sulfatadas de los aceites lubricantes y aditivos.
ASTM D 97, ASTM D 5949; Método de prueba estándar para punto de fluidez de los productos petrolíferos.
ASTM D 2500, ISO 3015: Método de prueba estándar para punto de nube de los productos petrolíferos.
ASTM D 4530 (referencia ASTM D 189 y D 524), ISO 10370; Método de prueba estándar para la determinación de residuos de carbono (Método Micro).
EN 14103; Determinación de éster y ácido linolénico contenido de ésteres metílicos.
ASTM D 6584, ISO 14105; Determinación de la cantidad de glicerina libre y total.
ASTM D130; Prueba de corrosión en lamina de cobre expuesto.
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7. MARCO LEGAL
7.1. LEYES
Ley 1083 de 2006 (julio 31): por medio de la cual se establecen algunas normas sobre planeación urbana sostenible y se dictan otras disposiciones
Ley 1028 Código Penal (junio 12): “Del apoderamiento de los hidrocarburos, sus derivados, biocombustibles o mezclas que los contengan y otras disposiciones”
Ley 939 de 2004 (diciembre 31): Incentivo para la producción de biocombustibles.
7.2. PROYECTOS DE LEY
Proyecto de ley 100 – de 2006 (NOVIEMBRE 14 DE 2007) Por medio del cual se mejora la calidad de vida urbana a través de la calidad del diesel y se dictan otras disposiciones.
Proyecto de ley 09 - Septiembre de 2007 Por medio de la cual se autoriza la importación de metanol por el puerto de Santa Marta.
7.3. DECRETOS
Decreto 2328 de 2008 (JUNIO 25): Por el cual se crea la Comisión Intersectorial para el Manejo de Biocombustibles.
Decreto 3492 de 2007 (SEPTIEMBRE 9): Establece que para efectos fiscales las mezclas de diesel de origen fósil (ACPM) con los biocombustibles de origen vegetal o animal, para uso en motores diesel de que trata la Ley 939 de 2004, no se considerará como proceso industrial o de producción.
Decreto 2594 de 2007 (Julio 6): Por medio del mismo se reglamentó el artículo 10 de la ley 1133/07 y establece un fondo de capital de riesgo cuyos recursos no formarán parte de FINAGRO y cuyo objeto será apoyar iniciativas productivas, entre ellas los proyectos de biocombustibles.
Decreto 2629 de 2007 (JULIO 10): Por medio del cual se dictan disposiciones para promover el uso de biocombustibles en el país, así como medidas aplicables a los vehículos y demás artefactos a motor que utilicen combustibles para su funcionamiento.
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8. MARCO TEORICO
8.1. GIRASOL
Es una planta que se cultiva como ornamental y oleaginosa. Su flor de color amarillo vibrante, gira a lo largo del día para mirar hacia el sol. Las inflorescencias crecen al cabo de un tallo que puede alcanzar varios metros de altura y que tiene pocas hojas. Científicamente está clasificada con el nombre (Helianthus annuus), es una planta herbácea de la familia de las asteráceas.
8.1.1 Suelo
Es un cultivo poco exigente en el tipo de suelo, aunque prefiere los arcillo-arenosos y ricos en materia orgánica, pero es esencial que el suelo tenga un buen drenaje y la capa freática se encuentre a poca profundidad.
No es muy exigente en cuanto al abonado. Las dosis de abono se ajustarán en función de los elementos nutritivos del suelo y del régimen de precipitaciones y de riegos. La absorción de nutrientes se concentra en los primeros estadios de desarrollo de la planta.
8.1.2 Temperatura
La temperatura es un factor muy importante, adaptándose a un amplio margen de temperaturas que van desde 13 a 25 °C. La temperatura óptima del suelo para la siembra varía entre 8 y 10°C.
8.1.3 Siembra
Los sistemas de siembra de primavera y de invierno se caracterizan por aprovechar las posibilidades termohídricas que desarrolla el cultivo del girasol. La principal ventaja de la siembra invernal es el incremento de la producción, tanto de aquenios como de grasa; pero el riesgo de heladas y la competencia de las malas hierbas se incrementan. La profundidad de siembra se realiza en función de la temperatura, humedad y tipo de suelo; siendo a mayor temperatura mayor profundidad.
8.1.4 Riego.
Se trata de una planta que aprovecha el agua de forma mucho más eficiente en condiciones de escasez. Su sistema radicular extrae el agua del suelo a una profundidad a la que otras especies no pueden acceder. Aunque las necesidades hídricas aumentan considerablemente y se mantienen hasta unos 25-30 días después de la floración aportando un segundo riego de 60-80 litros por metro cuadrado en plena floración6.
8.2. SEMILLA DE GIRASOL
Cuando la inflorescencia del Girasol es totalmente fecundada, es decir cuando está llena de semillas y los pétalos empiezan a caer, puede cortarse de la planta y ponerse para secar en un lugar protegido, con las semillas giradas hacia arriba para evitar cualquier fermentación.
6 http://www.infoagro.com/herbaceos/oleaginosas/girasol.htm
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Cuando las inflorescencias empiezan a secarse, podemos quitar las semillas frotando o tamizando con una malla metálica.
8.2.1 Certificación de semillas de girasol en Colombia
La producción de semilla de cualquier cultivo requiere del establecimiento de ciertas normas y parámetros7. El ICA es la encargado de establecer los delineamientos generales mediante el Servicio de Certificación de Semillas establece la supervisión en el campo, plantas de acondicionamiento y laboratorios para el control de calidad. El objetivo es un insumo de alta calidad. Se informa sobre los requisitos establecidos en la Resolución 1226 de 1976. Estos son requisitos previos, equipo mínimo, instalaciones, etc.
Figura 2. Semilla de girasol 8.2.2 Proceso de la semilla de Girasol
En general el proceso de la semilla de girasol para extracción de aceite comienza con la recepción y análisis de semilla, se pesa y se muestrea el cargamento para análisis de humedad e impurezas y determinar el almacenamiento en el silo adecuado, de acuerdo al porcentaje de humedad e impurezas. Las semillas se someten a secadora de granos si la humedad es mayor al 13 por ciento.
El almacenamiento en silos controla ciertas condiciones (aireación, control de plagas, control de temperatura).
Para la extracción de aceite de girasol, la semilla se prepara con limpieza previa y final; se pasa por molinos quebrantadores de semilla que parten el grano en varias partes y además hace desprender la cascarilla. Limpia de cascarilla, se pasa por un acondicionador de humedad (Cooker) para que pueda ser convertida en láminas en forma de hojuelas o escamas. La extracción se lleva a cabo por medio de un solvente (hexano). La miscela (hexano más aceite) por evaporación y luego por destilación separa el aceite de girasol del hexano.
El aceite es sometido a hidratación y por centrifugación, blanqueo y secado, se le hacen los procesos de refinación, desodorización y envase.
7 http://intranet.corpoica.org.co
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Figura 3. Diagrama del proceso de extracción de aceite de girasol
8.3. ACEITE DE GIRASOL
Técnicamente se trata de un conjunto de grasas insaturadas, cardiosaludables (posee cantidades similares de ácido oleico comparado con el aceite de oliva), y fuente abundante de vitamina E, se considera también un potente antioxidante8.
El girasol contiene hasta un 58% de aceite en su fruto o aquenio. El aceite de girasol se utiliza para cocinar, posee características cardiosaludables como el aceite de oliva, también se utiliza para producir biodiésel y las cáscaras y demás restos que quedan una vez que se han procesadas las semillas para el aceite, se utilizan como alimento para la ganadería.
8.3.1 Composición del aceite de girasol
El siguiente cuadro describe en porcentaje la composición de ácidos grasos comúnmente encontrados en el aceite de girasol virgen.
8 http://es.wikipedia.org/wiki/Aceite_de_girasol
Aceite de cocina Refinación
Aceite crudo
Extracción por solvente Prensado Laminado en hojuelas
Descascarado y partido de la semilla
Acondicionamiento de la humedad Limpieza, secado y
almacenamiento Recepción de la semilla
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Cuadro 4. Composición química9. Perfil de ácidos grasos del aceite de girasol
Ácido graso Composición (%)
Saturados
C16 (ácido palmítico) 5 – 6 C18 (ácido esteárico) 3 – 5 C20 (ácido araquídico) < 1 C22 (acido behénico) < 0.5 Insaturados
18:1 n-9 (ácido oleico) 20 – 26 Poliinsaturado
18:2 n-6 (ácido linoléico) 62 – 68 18:3 n-3 (ácido linolénico) 0.1 – 0.5 Monoinsaturado
22:1 (acido erúcico) < 1
8.3.2 Importaciones de aceite de girasol
En Colombia, la producción de aceite de girasol esta 100% basada en la importación de dicha semilla.
Cuadro 5. Balanza comercial del aceite de girasol en Colombia10. 2000 2001 2002 2003 2004
Importación (Tm) 153 216 175 426 888
Exportación (Tm) 0 0 0 0 0
Balanza (Tm) -153 -216 -175 -426 -888
Comercial (miles Us$) -69 -136 -96 -255 -384
9 http://milksci.unizar.es/bioquimica/temas/lipidos/vegcomunes.html
10 www.agrocadenas.gov.co/oleaginosas/reportes/fao_03_0267_comercio.pdf
19 8.4. OBTENCIÓN DEL BIODIESEL DE GIRASOL
Para obtener el biocombustible a partir de aceite es necesario someterlo a una reacción química de transesterificación que se traduce en un intercambio a nivel molecular.
El proceso de Transesterificación consiste en intercambio molecular de subgrupos funcionales entre el triglicérido, mayor componente en cualquier aceite vegetal, y un alcohol de baja densidad, obteniendo cadenas de éster alquílico muy similar a la molécula del petróleo que puede ser utilizado como biocombustible. Adicionalmente, se obtiene glicerina como subproducto.
8.4.1 Transesterificación del aceite
Existen varias formulaciones para la transesterificación del aceite, en este caso se utilizó una mezcla de 110 ml de Metanol mezclado con 2,6 gr Hidróxido de Sodio como catalizador; luego se agregaron al aceite de girasol, precalentado a 40°C, revolviendo continuamente durante 50 minutos a temperatura constante, mientras sucede la reacción. Cabe mencionar que cada molécula de triglicérido requiere 3 moléculas de metanol para una reacción química completa, ilustradas en la figura 4.
Figura 4: Moléculas de triglicérido y 3 metanol.
Las moléculas de metanol rompen el enlace del triglicérido separando el acido del grupo carboxílico y efectuando la transesterificación. El triglicérido es reducido primeramente a diglicérido, luego monoglicérido y finalmente a la molécula del Glicerol o glicerina. La reacción se ilustra en la figura 5.
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Figura 5. Transesterificación de triglicérido a glicerol
Por otro lado, cada molécula de metanol que adquiere las moléculas del acido separadas del triglicérido y producen moléculas conocidas como Ester metílico, aptas para la combustión. El resultado se ilustra en la figura 6.
Figura 6. Transesterificación de metanol a éster metílico
Posteriormente la mezcla se deposita en un embudo de decantación y se dejar reposar por 24 horas, tiempo en el que la mezcla se separa en 2 fases correspondientes al glicerol (glicerina) en la parte inferior del embudo, el éster metílico (biocombustible) en la parte superior apreciándose más claro; la figura 7 muestra la apariencia luego de la decantación.
Figura 7. Separación de fases por decantación
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El porcentaje de glicerina es un indicio del rendimiento del aceite como fuente para producir biodiesel. Así mismo, la glicerina obtenida en el proceso tiene gran cantidad de usos industriales.
La caracterización permite conocer los valores de componentes, impurezas y residuos; que son debidas a la transesterificación. Algunos procesos como filtrado, centrifugado, postcalentamiento y lavado caustico permiten obtener un biodiesel más limpio; la figura 8 muestra un proceso de lavado.
Figura 8. Lavado con agua caustica.
Luego de tener definida la formulación de la transesterificación, es posible producir una cantidad de biodiesel de girasol con características fisicoquímicas presumiblemente iguales. Esto es indispensable para proseguir con la fase 2 de la investigación, correspondiente a la determinación del poder calorífico y las pruebas fisicoquímicas.
8.5. PODER CALORIFICO DEL BIODIESEL
El poder calorífico es la cantidad de energía que la materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.
El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente. Es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos las energías utilizadas en la formación de nuevas moléculas en las materias formadas en la combustión (generalmente gases).
8.5.1 Determinación del poder calorífico
Este puede ser calculado por método matemático o por prueba de laboratorio. Para este último, es necesario un equipo estandarizado conocido como Bomba Calorimétrica, que se usa para determinar el calor generado por un combustible cuando se quema en un sistema adiabático.
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La bomba calorimétrica se rodea de una camisa de agua que absorberá el calor liberado por el combustible durante la combustión. Todo esto se realiza dentro de una camisa adiabática para evitar fuga de calor que afecte el proceso.
Sin embargo, el calor que absorbe el agua no es el calor neto liberado por el combustible, debido a diversos factores, entre los cuales pueden nombrarse: absorción de calor por la propia bomba, liberación de calor del alambre que provoca el encendido del combustible y liberación de calor por la formación de ácido nítrico y sulfúrico.
Por esto, el proceso de medición permite utilizar la Primera Ley de la Termodinámica para la siguiente formulación:
MC
e e e T
Hg W 1 2 3
Ecuación 1 Extraída del manual 204M para
l k e3 1
Ecuación 2 Extraída del manual 204M Donde
W es la energía equivalente del calorímetro obtenida por prueba de estandarización del calorímetro en calorías por °C;
ΔT es el cambio de temperatura neta corregida en °C;
Hg es el calor bruto de la combustión en calorías por gramo;
e1 es la corrección por el calor que libera la formación de ácidos de nitrógeno en calorías;
e2 es la corrección por el calor que libera la formación de ácidos de azufre (en los biocombustibles es cero “0”) en calorías;
e3 es la corrección por el calor generado por la combustión del filamento de ignición en calorías;
k1 es el poder calorífico del filamento por unidad de longitud;
l es la longitud del filamento de ignición;
MC es la masa de combustible en gramos.
Debido a que los gases producidos durante la combustión se encuentran a temperaturas bastante bajas ya que el ensayo se lleva a cabo a alta presión, la mayor parte del agua presente en los productos se condensa, por lo cual el poder calorífico que se estará determinando en esta prueba es el superior.
23 8.5.2 Correcciones termoquímicas
La formación de ácidos y el alambre de ignición, son fuentes que alteran el resultado de poder calorífico final, por lo que se deben calcular las correspondientes correcciones termoquímicas para cada prueba. Se debe tener especial cuidado en la titulación para la medición de acido nítrico:
1. Corrección en calorías para el calor de la formación del ácido nítrico (HNO3). Si para la titulación fue utilizado el álcali 0.0709N.
e1 = c1
Ecuación 3 Extraída del manual 204M 2. Corrección en calorías para el calor de la formación del ácido sulfúrico (H2SO4).
e2 = (13.7) (c2) (m)
Ecuación 4 Extraída del manual 204M Donde c2 es la cantidad de sulfato de bario (BaSO4) obtenido por titulación.
3. Corrección en calorías para el calor de la combustión del alambre del fusible al usar el alambre del fusible de cromo del níquel Parr 45C10.
e3 = (2.3) (c3)
Ecuación 5 Extraída del manual 204M O al usar el alambre del fusible de hierro de calibre No. 34 B. & S.
e3 = (2.7) (c3)
Ecuación 6 Extraída del manual 204M
8.6. DENSIDAD
La densidad suele ser mayor en los biocombustibles respecto del diesel comercial, sin embargo esto no representa ninguna dificultad para los diferentes componentes de la máquina. Se busca que el biodiesel tenga una densidad similar al diesel comercial.
8.7. VISCOSIDAD
La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de
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viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo, la superficie permanece plana. Los valores de viscosidad para los biocombustibles suelen ser altos comparados con el diesel comercial.
8.7.1 Viscosidad Dinámica
La viscosidad dinámica η es la medida de resistencia de un líquido a fluir o a deformarse. En el SI la viscosidad dinámica se da en poise, las unidades son [Kg/m.s]. Así la viscosidad dinámica es la relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la cantidad de esfuerzo cortante en un líquido. Este es a menudo llamado el coeficiente de viscosidad dinámica, o simplemente viscosidad.
8.7.2 Viscosidad Cinemática
La viscosidad cinemática v es la resistencia de un fluido a fluir bajo acción de la gravedad; entonces para fluir bajo acción de la gravedad dado un cabezal hidrostático, el cabezal de presión de un liquido es proporcional a su densidad, ρ. En el SI la viscosidad cinemática se mide en Stoke, las unidades son [m2/s].
La ecuación que relaciona la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática es:
v = η / ρ
Ecuación 7 Existen métodos simples para calcular la Viscosidad Cinemática empleando viscosímetros capilares, también es comúnmente requerida en estándares internacionales.
8.7.3 Viscosímetro capilar tipo Ostwald
Es el más antiguo de los viscosímetros capilares de vidrio. Se han realizado numerosas modificaciones pero como ocurre en general en este tipo de viscosímetros la fuerza impulsora es la gravedad. El viscosímetro de Ostwald está formado por un capilar unido por su parte inferior a una ampolla de depósito y por su parte superior a otra ampolla para la medición, que a su vez esta unido al tubo capilar.
Figura 9. Montaje viscosímetro de Ostwald.
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Es necesario conocer la viscosidad del agua como referencia para el cálculo de la viscosidad de otros fluidos. El valor estándar para la viscosidad dinámica del agua es 6,53x10-4 kg/m*s a una temperatura de 40 °C, a partir de este se construye la escala de viscosidad correspondiente.
El cálculo de viscosidad cinemática se obtiene por comparación de tiempos y con una viscosidad conocida, en este caso el agua. La viscosidad es calculada por la siguiente ecuación:
H O H O
O H flu flu
flu t
v v t
2 2
2
Ecuación 8 Donde
ρflu es la densidad del biodiesel
tflu es el tiempo promedio medido del biodiesel
vH2O es la viscosidad dinámica del agua
ρH2O es la densidad del agua
tH2O es el tiempo promedio medido del agua durante la prueba.
8.8. MEDICIÓN DE POTENCIAL DE HIDROGENO (pH)
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias. El valor de pH se puede medir de forma aproximada empleando indicadores, ácidos o bases débiles que presentan diferente color según el pH. Generalmente se emplea papel indicador, que se trata de papel impregnado de una mezcla de indicadores cualitativos para la determinación del pH. El papel de litmus o papel tornasol es el indicador mejor conocido. Otros indicadores usuales son la fenolftaleína y el naranja de metilo.
También se puede medir de forma precisa mediante un potenciómetro, también conocido como pH-metro, un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ión de hidrógeno.
Para los combustibles es recomendable buscar valores cercanos al neutro, preferiblemente menores, debido a que en este valor es cuando menos reacciona con los diferentes componentes del sistema de inyección, deposito y elementos del motor diesel.
8.9. CORROSION EN LÁMINA DE COBRE
Una de las desventajas de los biocombustibles es la propensión a la corrosión y deterioro de los diferentes componentes de los motores tipo diesel, esto es debido a la misma producción de biodiesel que por el método de transesterificación dificulta la obtención de un pH cercano a neutro. Así mismo, la presencia de ácidos grasos, del componente metilo y también la formación de compuestos por almacenamiento prolongado, son puntos de preocupación.
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La comprobación e interpretación del desgaste de alambres de cobre con pulido a “brillo espejo”, expuestos al biodiesel a una temperatura de 100°C durante 3 horas, puede demostrar si existe en el combustible compuestos corrosivos y/o presencia de ácidos que pueden atacar el cobre o sus aleaciones, que están en contacto con el combustible. Esto podría anticipar posibles dificultades con las partes de los sistemas de inyección de combustibles fabricadas en cobre, latón o bronce;
también muestra la estabilidad del biocombustible luego de estar almacenado por un largo periodo de tiempo.
La interpretación y reporte de los resultados de la prueba de corrosión se realiza de acuerdo a la clasificación contenida en el cuadro 6, utilizando como ayuda el estándar de colores de la figura 10 (estándar ASTM de corrosión en cobre expuesto):
Cuadro 6. Clasificación de corrosión al cobre.
Clasificación Designación Descripción (A)
Alambre recién pulido … (B)
1 Empañado leve a. Naranja Claro, casi el mismo que el del alambre recién pulido.
b. Naranja Oscuro
2 Empañado
moderado a. Rojo Vino tinto b. Lavanda
c. Multicolor con azul lavanda o plateado, o ambos, sobrepuesto con rojo vino tinto
d. Plateado e. Metálico u oro
3 Empañado oscuro a. Magenta nublado metalizado
b. Multicolor con rojo y verde metalizado, pero no gris 4 Corrosión a. Negro translucido, gris oscuro o café con verde
metalizado
b. Grafito o negro sin brillo c. Negro brillante
A. La Franja de corrosión de cobre ASTM Standard es una reproducción de color de los alambres característicos de estas descripciones.
B. El alambre recién pulido está incluido solamente como indicación de la aparición de una franja adecuadamente pulida antes de la prueba, no es posible duplicar este aspecto después de una prueba, incluso con una muestra totalmente libre de corrosivos.
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Figura 10. Estándar ASTM de corrosión para cobre expuesto
8.10. PRUEBAS DE CALIDAD PARA EL BIODIESEL DE GIRASOL
La norma NTC DE 100/04 especifica varias pruebas que permiten conocer la calidad del biodiesel obtenido, así como encontrar falencias en el método de producción empleado. Estas pruebas exigen equipos e instrumentos debidamente calibrados y certificados que garanticen los resultados obtenidos; por esto se recurre a un laboratorio particular.
8.10.1 Pruebas de proceso de producción del biodiesel
El proceso de producción puede ser mejorado al conocer valores de:
Metanol residual: Indica si la cantidad de alcohol utilizado es adecuada.
Punto de inflamación: Comprueba la estabilidad y seguridad del biodiesel en caso de tener gran cantidad de metanol libre.
Contenido de éster: muestra el porcentaje de moléculas que reaccionaron durante la transesterificación.
8.10.2 Pruebas de pureza del biodiesel
Las pruebas que muestran la pureza del biodiesel obtenido inician con el contenido de agua, glicerina total, sodio y potasio; para medir elementos y compuestos indeseables durante la combustión, debido a que forman depósitos, propician la corrosión y afectan el sistema de inyección. Mientras las pruebas de cenizas sulfatadas y carbón residual, que son específicas para cualquier combustible, indican la cantidad de estos compuestos que provocan desgaste en los elementos móviles del motor.
28 8.10.3 Pruebas de desempeño del biodiesel
Así mismo, las pruebas que permiten conocer el desempeño como combustible del biodiesel de girasol obtenido, comienzan por:
Índice de cetano: Indica la calidad de combustión.
Punto de niebla: Revela a que temperatura el biodiesel empieza a formar cristales y si puede almacenarse en climas fríos.
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9. CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS
Para el análisis de las características físicas y químicas del Biodiesel de girasol, se hace uso de la estadística para hallar variaciones y errores, así como buscar exactitud y confiabilidad en los datos obtenidos de las diferentes pruebas realizadas al biocombustible generado.
9.1. MEDICION DEL PODER CALORIFICO
Cada combustible tiene un Poder Calorífico característico. En la literatura relacionada puede ubicarse información referente al Poder Calorífico de diversos combustibles; sin embargo, estos valores pueden cambiar dependiendo de diversos factores, como el proceso de producción del combustible, la materia prima usada para obtenerlos, entre otros. Así, es posible que el carbón extraído de una mina no tenga el mismo Poder Calorífico que el extraído en otra. Debido a esto son muy importantes las mediciones del Poder Calorífico de los combustibles.
9.1.1 Bomba Calorimétrica
La bomba calorimétrica está constituida de forma que las variables independientes en el proceso de combustión sean plenamente controladas o sus efectos en el resultado sean mínimos y despreciables.
El combustible de peso conocido, cuyo Poder Calorífico se desea determinar, se coloca en un crisol para combustible (si el combustible es sólido, deberá colocarse en forma de pastilla) dentro de la bomba calorimétrica. Adicionalmente se agrega el oxígeno necesario para la combustión, la bomba se introduce en la camisa adiabática, se agrega agua y se completa el montaje.
En el cuadro 7 se muestran los componentes de la bomba calorimétrica utilizada para calcular el poder calorífico del biocombustible de girasol.
Cuadro 7. Bomba calorimétrica y accesorios.
1. Cilindro de oxigeno
2. Camisa adiabática 3. Tapa de la bomba 4. Cuerpo de la bomba
5. Tapa adiabática con agitador
6. Control de ignición 7. Recipiente Agua 8. Termómetro 1
2
3
4
5
6 7
8
30 9.1.2 Cálculo del calor de la combustión
Antes de iniciar la prueba en la bomba calorimétrica se debe tener registro de la cantidad de alambre de ignición utilizado y el peso preciso de la muestra de combustible. Al finalizar la prueba en la bomba calorimétrica, los datos siguientes deben estar disponibles:
a = tiempo de encendido
b = tiempo (más cercano a 0,1 min) cuando la temperatura alcanza 60 por ciento de la subida total
c = tiempo al principio del período (después de la subida de la temperatura) en el cual el índice del cambio de temperatura ha llegado a ser constante
Ta = temperatura en el tiempo de encendido, corregida para el error de la escala del termómetro
Tc = temperatura en el tiempo c, corregida para el error de la escala del termómetro
r1 = frecuencia (unidades de la temperatura por minuto) en la cual la temperatura aumentaba durante el periodo de 5 minutos antes de encender
r2 = frecuencia (unidades de la temperatura por minuto) en la cual la temperatura aumentaba durante el período de 5 minutos después del tiempo c. Si la temperatura bajaba en vez de aumentar después del tiempo c, r es negativo.
c1 = milímetros de la solución alcalina estándar usada en la titulación ácida
c2 = porcentaje del sulfuro en la muestra
c3 = centímetros de alambre del fusible consumidos en el encendido
W= energía equivalente del calorímetro, determinada bajo estandarización
m = masa de la muestra en gramos.
Para el biodiesel de girasol se realizaron dos mediciones en la bomba calorimétrica y una para el diesel comercial. El cuadro 8 muestra los datos para las pruebas realizadas
Cuadro 8. Datos obtenidos de la prueba en bomba calorimétrica
Registro
Prueba 1 (biodiesel)
Prueba 2 (biodiesel)
Prueba 3 (diesel)
a [min] 5 5 5
b [min] 2,25 2,364 1,25
c [min] 5 5 5
Ta [°C] 21,8 22,42 24,09
Tc [°C] 25,56 26,36 28,4
r1 [°C/min] 0,002 0,004 0,04
r2 [°C/min] 0 0,004 0
c1 [ml] 7,25 7,05 11,6
c2 [%] 0 0 1,02
c3 [cm] 9,87 9,8 9,8
W [Cal/gr] 2425 2425 2425
m gr 0,9998 1,0002 1
31 9.1.3 Incremento de temperatura
Como ya se mencionó, el incremento de temperatura debe ser corregida. El resultado calculado de le conoce como incremento neto de temperatura T y se calcula substituyendo en la siguiente ecuación:
) ( 2 ) (
1b a r c b
r Ta Tc
T
Ecuación 9 Extraída del manual 204M Donde
a es el tiempo de encendido;
b es el tiempo (más cercano a 0,1 min) donde la temperatura alcanza el 60% de la subida total;
c es el tiempo al principio del período (después de la subida de la temperatura) en el cual el índice del cambio de temperatura ha llegado a ser constante;
Ta es la temperatura en el tiempo de encendido, corregida para el error de la escala del termómetro;
Tc es la temperatura en el tiempo c, corregida para el error de la escala del termómetro;
r1 es la frecuencia (unidades de la temperatura por minuto) en la cual la temperatura aumentaba durante el periodo de 5 minutos antes de encender
r2 es la frecuencia (unidades de la temperatura por minuto) en la cual la temperatura aumentaba durante el período de 5 minutos después del tiempo c. Si la temperatura bajaba en vez de aumentar después del tiempo c.
El cuadro 9 muestra los datos obtenidos en cada prueba realizada
Cuadro 9. Incremento de temperatura corregido para cada prueba
Registro Temperatura °C
Prueba 1 3,7655
Prueba 2 3,94
Prueba 3 (diesel) 4,46
9.1.4 Correcciones termoquímicas
Luego de realizar la titulación de los vapores de combustión, se utilizan las ecuaciones 3, 4 y 5; El Cuadro 10 muestra los datos obtenidos en cada prueba realizada.
