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MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013, PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE NIEBLA Y ESCURRIMIENTO ENMEZCLAS BIOCOMBUSTIBLE-DIESEL Y BIOCOMBUSTIBLE-JET FUEL

1Simón Martínez-Martínez,1Miguel García Yera, Max Salvador Hernández, Andrés Patiño Bazaldúa y YohnatanLoredo Sáenz

UANL-FIME, LIITE-Laboratorios de Investigación e Innovación en Tecnología EnergéticaPedro de Alba s/n, Apdo. Postal 076 Suc. F, CP 66450, San Nicolás de los Garza, N.L., MéxicoTel.: +52 (81) 83294020 Ext.: 1636, Fax: +52 (81) 83320904

Email de contacto: [email protected]

2José M. Riesco Ávila y2Francisco Elizalde BlancasDepartamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Campus Irapuato-Salamanca.

División de IngenieríasValle de Santiago, Km.3.5+1.8 Km. Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Guanajuato, México

Tel.: +52 (464) 647 9940 Fax: +52 (464) 647 2400

RESUMENEn este trabajo se determinan los puntos de nieblay escurrimiento para mezclas de biocombustiblesy un jet fuel, parámetros de referencia de las propiedades termofísicas de los combustibles.Este trabajo reporta específicamente la dilución deun diésel con un biodiesel de muy bajo punto deescurrimiento y un jet fuel, logrando demostrarque el punto de escurrimiento de la mezcla tieneun comportamiento casi lineal en relación a las

características originales del combustible.Utilizando un modelo termodinámico previamente propuesto (UNIQUAC), y con las mezclasensayadas, se hace una descripción completa delos puntos de niebla y escurrimiento delcomportamiento de los combustibles propuestos.

Palabras claves: Punto de niebla, punto deescurrimiento, UNIQUAC, Mezclas,Biocombustibles, JF.

ABSTRACTIn this work are determined the cloud point andthe pour point to blends of biofuels and a jet fuel, parameter of the thermo-physical properties offuels. This paper specifically reports the dilutionof a diesel with a biodiesel of very low pour pointand a jet fuel, shows to prove that the pour pointof the blend has an almost-linear behavior inrelation to the original characteristics of the fuel.

Using a thermodynamic model previously proposed (UNIQUAC), and tested blends, ourresearch can made a complete description of thecloud point and pour point behavior of the fuels proposed

keywords: Cloud point, pour point, UNIQUAC,Blends, Biofuels, JF.

INTRODUCCIÓN

Los combustibles, en su mayoría, al estarexpuestos a bajas temperaturas experimentancambios importantes en su consistencia, estodebido a que las parafinas contenidas en loscombustibles forman pequeños cristales queocasionan la restricción del uso de ellos. A pocosgrados por debajo de la temperatura de apariciónde los primeros cristales donde se forma unarreglo conocido como punto de niebla (cloud

point ) aparece el punto de escurrimiento ( pour point ), este fenómeno ocasiona que los sistemasde filtrado de combustible tiendan a presentar

obstrucciones al flujo de combustible y, porconsiguiente, ocasione daños severos al sistema deinyección, principalmente en los elementosmóviles [1-3]. Lo anterior, ha llevado a tener enconsideración una serie de especificaciones [4]como lo son el punto de niebla [5] y el punto deescurrimiento [6]. En este trabajo se determinanexperimentalmente el punto de niebla y el punto

ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1242 Derechos Reservados © 2013, SOMIM

mailto:[email protected]







de escurrimiento de mezclas de un biodiesel desoja con un diésel comercial y un Jet Fuel,comparando los resultados obtenidos con losestándares ASTM 2500 y D97 y el modeloUNIQUAC (Universal Quasi-Chemical ActivityCoefficients ), modelo que resulta de utilidad porcorrelacionar datos experimentales de cambio defases, este modelo trata la energía libre de Gibbscomo constituida de dos partes aditivas, untérmico combinatorio que explica el tamañomolecular y las diferencias de forma, y un térmicoresidual que estima las interacciones moleculares,asimismo la identificación de especies.

TRABAJO EXPERIMENTAL Preparación de mezclasPara la preparación de las mezclas se utilizaron un

diésel comercial que cumple la normativa EN590,un biodiesel de soja y un jet fuel, las mezclasvolumétricas ensayadas son las que se muestranen la tabla 1.

Tabla 1. Mezclas de combustibles

Mezclas [% volumen]Biodiesel [BD] Diésel [D] Jet fuel [JF]

20 80 8040 60 60

60 40 4080 20 20100 0 0

Densidad @ 15°C [kg/m3]878 848 810

Instalación experimental Medidas del punto de niebla y punto deescurrimientoEl punto de niebla (ver figura 2) se define como latemperatura a la cual aparecen los primeroscristales que se forman en la parafina de loscombustibles en estado líquido, este proceso selleva a cabo mediante el enfriamiento controladodel combustible a través de un métodoestandarizado [5]. El punto de escurrimiento (verfigura 3) se define como la temperatura a la cual elcombustible ya no fluye debido a la formación degel de las propias parafinas del combustible [6]. El

punto de niebla y escurrimiento fueron analizadosutilizando los estándares de la ASTM D-2500 parael punto de niebla [5] y ASTM D-97 para el puntode escurrimiento [6]. La instalación experimentalutilizada durante los ensayos consta de un equipode la firma KOEHLER K46100 Cloud Point &

Pour Point , el cual se muestra en el diagramaesquemático de la figura 1. El procedimiento deensayo ha sido el siguiente: la jarra de cristal unavez que contiene el combustible hasta el nivelindicado, se colocada en el interior de una jarra decobre, la cual va inmersa en un baño conrefrigerante Polycool HC-50 (rango detemperaturas de -50 °C a 100 °C). La jarra decristal va sellada con un corcho en la parte posterior y con ring entre jarras y asiladatérmicamente con medio ambiente exterior.

Figura 1. Equipo KOEHLER K46100

Figura 2. Formación del punto de niebla





Figura 3. Formación del punto de escurrimiento

Modelado de la formación de cristales en elcombustible

El inicio de la formación de cristales en elcombustible, como previamente se le ha llamado, punto de niebla, es tratado como el equilibriosolido-líquido de las parafinas entre una solucióny la fase sólida. La ecuación general de equilibrio para sólido-líquido que relaciona ambas fases se presenta a continuación:

(1)

DondeS es la fracción molar del componentei enla fase sólida y x en la fase líquida.T m y T tr son lastemperaturas de escurrimiento y transición sólido-sólido, respectivamente,hm y htr los calores detransición de la fase.Las correlaciones de las propiedades termofísicasutilizadas en este trabajo están basadas en eltrabajo previo de Broadhurst [7]

La fase líquida de la materia en condiciones noideales

(2)

Con:

∑

DondeV i es la fracción molar volumétrica yV wi la

fracción volumétrica de Van der Waals delcomponentei.

La fase sólida de la materia no condensada encondiciones no ideales-predictiva UNIQUACLa fase sólida de la materia no condensada noidealizada será presentada por el modelo de predicción UNIQUAC.

∑ ∑ (

)-

∑ [∑

] (3)

con:

∑ ∑ (4)

Utilizando la definición del modelo UNIQUAC para los parámetros estructuralesr y q se permiterealizar una estimación de la interacción deenergías ( ). La interacción de energías entredos moléculas idénticas es estimada a partir decalor de sublimación de un cristal de uncomponente puro y, se representa mediante lasiguiente ecuación:

(5)

Donde Z=6 y, los calores de sublimación soncalculados a parir de la temperatura de fusión delcomponente puro ). Elcalor de vaporización es calculado mediante lacorrelación presentada por Morgan [8]. Las

interacciones de energía entre dos moléculas estándadas por la ecuación siguiente:

(6)

Donde j es el n-alcano de la cadena más corta delas moléculasij. El modelo de equilibrio sólido-líquido es escíticamente predictivo y utiliza el





cálculo del comportamiento de las fases, y es particular de los componentes puros.

Caracterización del combustiblePara la caracterización de los combustibles no esnecesario conocer por completo las propiedadestermofísicas del combustible. El modelo utilizadoen este trabajo solamente requiere de parámetrosque pueden ser obtenidos mediante lacaracterización del comportamiento de la fase delfluido a bajas temperaturas.

RESULTADOSEl modelo descrito anteriormente, junto con loscombustibles propuestos, permite predecir elcomportamiento del combustible a bajastemperaturas. Esto es solamente una predicción

del comportamiento a bajas temperaturas, ya quela información de la composición de loscombustibles y los compuestos puros permite almodelo simular el comportamiento del punto deniebla y de escurrimiento en sus diferentes seudo-composiciones. Los compuestos no alcalinosfueron agrupados en uno y dos compuestos paracon ello encontrar los valores medidos delcombustible. En el gráfico de la figura 4, semuestra la predicción del modelo UNIQUAC parala determinación del punto de niebla y punto deescurrimiento y, se compara con los valoresobtenidos en el análisis experimental de diferentesmezclas (biodiesel-diésel y biodiesel-jet fuel). Losresultados muestran que el punto de niebla para lamezcla Biodiesel-diésel y Biodiesel-Jet Fueltienen una clara tendencia a ser predominantes a baja temperatura, principalmente cuando éstacontiene la mayor concentración de combustiblediésel y Jet fuel, respectivamente, presentando uncomportamiento lineal, según se muestra en elgráfico de la figura 5. Las dos mezclas ensayadas,en la concentración (40 % en vol. de combustible)las diferencias de temperatura entre el modelo y elmétodo ASTM 2500, para la mezcla BD y JF hansido de 1.5 °C y 2 °C, siendo éstas una diferenciadespreciable según lo establece el método ASTM.En los gráficos de la figura 4 se plasman losresultados obtenidos del punto de escurrimiento para la mezcla Biodiesel-diésel y Biodiesel-JetFuel, el punto de escurrimiento representa mayorresistencia a la formación de cristales de las

parafinas del combustibles para la mezcla de JFrespecto al BD, destacando que tiene un tendencia

muy similar a la obtenida mediante el métodoASTM D97.

Figura 4. Resultados experimentales y del modeloen la determinación del punto de niebla y

escurrimiento de las mezclas de combustibles

La diferencia que se tiene respeto al punto dereferencia (0 °C) entre el modelo y el método esdel orden de 1 °C para el BD y de 1.5 °C para elJF. De acuerdo a la figura 5. El BD muestra unatendencia lineal mientras que el JF una de tipo polinomio, éste último debido a la alta capacidadque tiene el JF a la formación de cristales atemperaturas extremas y, lo que ocasiona que su punto de escurrimiento sea a temperaturas muy bajas (temperaturas inferiores a los -30 °C).

En ambas mezclas, los resultados han sidocomparados, principalmente con el modeloUNIQUAC y los métodos ASTM, siendo éste

último la referencia para análisis de combustiblesa temperaturas bajas. Fuera de esta base detemperaturas, las características de interés que puede presentar un combustible, como porejemplo el punto de obstrucción en frío, ya no sonde interés para aplicaciones en medios detransporte, salvo que se esté analizando un aditivoen especial.

0 20 40 60 80 1005 10 15 25 3 0 35 45 5 0 55 65 70 7 5 85 90 9 5

% Volumen BD

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0

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-10

-5

5

T e m p e r a

t u r a

[ ° C ]

Cloud point BDPour point BD

Cloud point JFPour point JFModelo UNIQUACCloud point ASTM 2500Pour point ASTM D97

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0

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5





Figura 5. Resultados experimentales, del modelo y tendencias obtenidas en la determinación del punto de niebla y escurrimiento de las mezclas de

combustibles

CONCLUSIONESEl presente trabajo muestra la metodologíautilizada para obtener experimentalmente los puntos de niebla y escurrimiento de mezclas de biocombustibles y un JF, comparando losresultados contra estándares ASTM y el modeloUNIQUAC.

Las mezclas analizadas han sido una referenciamuy importantes para la utilización de estoscombustibles, tanto en la automoción como en laaviación. Los resultados obtenidos muestranclaramente que las mezclas de BD y JF se apegan perfectamente al modelo y a los métodos ASTM, presentando un comportamiento lineal, lo que permite predecir que se tiene buena capacidad deaplicación a temperaturas moderadas, por lo queno se tiene peligro de que pueda ocurrirobstrucción en frío en el punto de referencia. Porotro lado, el punto de escurrimiento obtenido, estádentro de parámetros establecidos, tanto para elmodelo como para los estándares ASTM, en estecaso el BD tuvo un comportamiento lineal,mientras que el JF no lo fue, sin embargo esteresultado es coherente con el estándar y se explica por la capacidad del combustibles a tener mayorresistencia a la formación de cristales en segundafase.

AGRADECIMIENTOSLos autores agradecen la financiación alCONACYT y PAICYT a través de los proyectos103334 e IT 647-11, respectivamente.Se agradece a Víctor E. Sánchez Leal por su granapoyo en la preparación de las mezclas y larealización del trabajo experimental. Asimismo alequipo de servicios generales de la FIME por sutenacidad para lograr que el LIITE estuvieradisponible en tiempo y se alcanzara a realizar lafase experimental en sus instalaciones.

REFERENCIAS[1] Armas, O., Martínez-Martínez, S., Mata, C.(2011). Effect of an ethanol – biodiesel – diesel blend on a common rail injection system. Fuel

Processing Technology.[2] Armas, O., Mata, C., Martínez-Martínez, S.(2012). Effect of an ethanol – diesel blend on acommon-rail injection system. Institution ofMechanical Engineers. International Journal ofEngine Research.[3] Luján, J.M., Tormos, B., Salvador, F.J.,Gargar, K. (2009). Comparative analysis of a DIdiesel engine fuelled with biodiesel blends duringthe European MVEG-A cycle: Preliminary studyBiomass and bioenergy.[4] ASTM D 97-95. Annual book of ASTMStandards (1998).[5] ASTM D 2500. Annual book of ASTMStandards (1998).[6] ASTM D 97. Annual book of ASTMStandards (1998).[7] Coutinho JAP and Andresen SI, Stenby EH.(1995). Fliud Phase Equilibria.[8] Morgan DL. and Kobayashi R. (1994). FliudPhase Equilibria.

0 20 40 60 80 1005 10 15 25 30 35 45 50 5 5 65 70 75 85 90 95

% Volumen BD

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T e m p e r a

t u r a

[ ° C ]

Cloud point BDPour point BDCloud point JFPour point JFModelo UNIQUACCloud point BD (R 2 = 0.984)Pour point BD (R 2 = 0.986)Pour point JF (R 2 = 0.985)Cloud point JF (R 2 = 0.987)

-60

-40

-20

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-50

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-35

-30

-25

-15

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-5

5

= 0.31 * C - 30

= -70.6 + 1.18 * C - 0.005 * pow(C,2)

= 0.235 * C - 25.1 = 0.16 * C - 14.6


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