3. Laboratorio de Combustibles

Universidad Nacional de Colombia. PLANTAS TERMICAS

Laboratorio de CombustiblesBARRERA VEGA Edgar Andrés, BOLÍVAR ACOSTA Camilo Andrés,

ESPINDOLA Juan Camilo y GOMEZ Oscar Efrén.{eabarrerav, cabolivara, jcespindolac, oegomezg}@unal.edu.co

Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia

Abstract: Every day we use fuels directly, they can be liquids, such as gasoline or oil or may be in a gaseous state as natural gas. As well as power plants where it is used to work the boiler cycle. Therefore it is important to know them and characterize them.

Key words: Temperature, pressure, instrument, measurements, Patron.

Resumen: A diario hacemos uso de combustibles de forma directa, estos pueden ser líquidos, como la gasolina o el aceite o pueden estar en estado gaseoso como el gas natural. Así como en centrales termoeléctricas donde se usa para trabajar las calderas del ciclo. Por esto es de suma importancia poder conocerlos y caracterizarlos.

I. MARCO TEÓRICO

Un combustible se define como un material que es capaz de oxidarse para producir energía. Los principales elementos activos de un combustible son C, H, S donde el azufre suele ser poco deseado debido a problemas de corrosión y contaminación.

Para un buen proceso de combustión es necesario tener control sobre los diversos parámetros en el combustible como su punto de ebullición, punto de llama, densidad, viscosidad, humedad, poder calorífico entre otros.

Par la caracterización de combustibles se deben primero clasificar entre sólidos líquidos y gases, en este laboratorio se abordarán únicamente los combustibles líquidos.

Los combustibles líquidos suelen ser derivados del petróleo, unas mezclas de hidrocarburos como metales, nitrógeno y principalmente hidrógeno y carbono.

Sus principales ventajas son:

● poseen un alto poder calorífico por unidad de masa en comparación a los combustibles sólidos

● Pueden ser transportados por tuberías

● Se pueden almacenar sin perder propiedades (material volátil), bajo ciertas condiciones

● Los equipos de quemado en la caldera suelen ser más pequeños que para combustibles sólidos

● No dejan residuos después de combustión como polvo o ceniza

● Requieren menor exceso de aire para la combustión

● Por otro lado presentan las siguientes desventajas frente a otros combustibles:

● Mayor costo que los combustibles sólidos

● Malos olores

● El almacenaje debe ser en tanques especiales para que no se oxide

● La combustión requiere más control que para los combustibles sólidos

● Debe atomizarse el flujo para permitir una buena combustión

En general pueden clasificarse según su proveniencia, ya sea del petróleo bruto del alquitrán de hulla:

Los que son de alquitrán de hulla son muy viscosos en general y presentan un color negro o marrón. Y deben ser calentados para lograr que sea un fluido que se puede trabajar.

Del petróleo se pueden sacar una variedad de combustibles en general todos poseen compuestos de diferentes naturalezas

Parafinica: (CnH2n+2)

Naftaliínica u olfetinas :(CnH2n)

Aromáticos: Se componen de anillos aromáticos

A partir del crudo de petróleo podemos obtener un gran número de combustibles líquidos. El petróleo resulta ser la fuente por antonomasia de combustibles líquidos. Los principales combustibles líquidos son:

● Gasolinas: Abarcan compuestos hidrocarbonados que van desde C4 a C10.

● Kerosenos: C10 a C14: cadenas hidrocarbonadas de 10 a 14 átomos de C

● Turborreactores: C10 - C18/C14

● Gasóleos: C15-C18

● Fuel-oíl: Van a ser lo que tengan un punto de destilación más altos; es decir, los de mayor número de átomos de carbono y los más pesados.

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mailto:[email protected]




A. Diésel extra B2 (B2E):

El diésel extra B2 es una mezcla de combustible conformada por 98% de hidrocarburos que contienen entre 10 y 28 átomos de carbono y un 2% de biodiesel. El biodiesel añadido se obtiene por transesterificación del aceite de palma con etanol. A diferencia del corriente posee una viscosidad menor y un número de cetano mayor. Se usa en motores diésel de transporte urbano de baja y media exigencia que operan bajo tecnología limpias, también es usado como combustible en los quemadores de calderas hornos y secadores para la generación de energía eléctrica y mecánica .En Colombia es producido es la refinería de Barrancabermeja y suele ser importado .Algunas propiedades manejadas por Ecopetrol para este combustible son mostradas en la siguiente tabla:

PROPIEDAD/CARACTERÍSTICAS.

UNIDADES ESPECIFICACIÓN

Agua y sedimento mL/100 mL 0,05 max.

Azufre mg/Kg 50

Cenizas g/100 g 0,01

Índice de Cetano N/A 45

Punto de fluidez C 3

Punto de inflamación C 52

Estabilidad térmica % reactancia 70% a 90 minutos

Viscosidad Cinemática a 40 C

mm2/s 1,9 - 4,1

Lubricidad a 40 C micrómetros 450

Tabla 1. Propiedades físico químicas del combustible diésel B2E.

Propiedades físicas y químicas: Las principales características y las que se estudiaran en este laboratorio son poder calorífico, viscosidad, densidad específica, porcentaje de agua, punto de fluidez y punto de ignición. Otra importante propiedad de los combustibles pero que no será estudiada en este laboratorio es la composición del combustible.

Poder calorífico: Se entiende por la cantidad de energía que desprende el combustible durante su combustión, referida a una medida de peso de combustible (kg, kmol).

Según la cantidad de agua se pueden clasificar en dos poderes caloríficos:

Poder calorífico superior (PCS): Es la energía total desprendida en combustión completa suponiendo que todos los componentes se encuentran a 0ºC después de la combustión (estado muerto)

Poder calorífico inferior (PCI): Se define como la energía desprendida en la combustión completa pero suponiendo que el vapor de agua contenido en la mezcla no condensa por lo que no aporta energía a la combustión

Punto de fluidez: Los combustibles deben estar bajo cierta condición de temperatura para poder fluir. La temperatura de

fluidez es muy importante en los combustibles basados en alquitrán de hulla

Densidad: Puede expresarse en dos escalas. La "Gravedad Específica" denominada por la letra G, definida como la relación entre el peso de un volumen dado de combustible a 60°F, y el peso de un volumen igual de agua a la misma temperatura. En la industria del petróleo la densidad API (American Petroleum Institute) es más utilizada. Es una escala arbitraria, calibrada en grados y que relaciona la gravedad específica.

Viscosidad: Es la medida de la resistencia interna de un líquido a fluir. Para evaluar numéricamente la viscosidad de combustibles, se utilizan el viscosímetro cinemático tipo capilar cuya unidad de medición es el centistoke (cSt) y el viscosímetro Saybolt cuyas unidades de medición son el Segundo Saybolt Universal (SSU) y el Segundo Saybolt Furol (SSF). Existen otros métodos como el Redwood y el Engler utilizados principalmente en Europa.

Punto de Inflamación: Es la mínima temperatura a la cual existen suficientes vapores del líquido para crear una mezcla de aire y combustible que arda por algunos segundos en presencia de una llama Se utiliza el método Cliveland de cápsula abierta para combustibles cuyo punto de inflamación esté por encima de 79°C y el método Pensky-Martens de cápsula cerrada para combustibles de bajo punto de inflamación. Los combustibles para calderas generalmente se prueban por el método de cápsula abierta.

Destilación: Esta prueba se basa en la destilación de un volumen de 100 c.c, de combustible y determinación sucesiva del porcentaje recuperado y la temperatura correspondiente. En general. Esta prueba determina el intervalo de temperatura dentro del cual embullé dicho combustible. El 50% de esta destilación puede tomarse como el punto de ebullición medio.

Punto de Anilina: Esta prueba mide la temperatura a la cual un volumen de anilina recién destilada es completamente soluble en un volumen igual de un combustible ligero. Se utiliza para calcular el poder calorífico de combustibles tales como la gasolina, el kerosene y el ACPM.

II. METODOLOGÍA DE LOS EQUIPOS USADOS:

A. Medidor de viscosidad:

El equipo mostrado en la figura, se usa para determinar la viscosidad de los combustibles según la norma ASTM 445, que establece que se debe tomar un volumen de 50 ml, y llenar de combustible, por medio de una jeringa desde el inicio hasta que el líquido pase la segunda línea de arriba hacia abajo mostrada en la figura, seguidamente se sumerge en el equipo mostrado en la imagen 3, que tiene agua fluyendo a 40ºC. Este se debe dejar reposar 30 min. Luego de esto, se debe subir el combustible hasta 5mm después de la primera línea usando una jeringa y se debe contabilizar el tiempo que demora en pasar desde la línea superior hasta la línea inferior.

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Figura 1.

Figura 2 equipo medidor de viscosidad

B. Destilación:

En este ensayo se determina el rango de temperaturas en el cual e bulle el combustible. Para esto se mide un volumen de 100 mL del combustible (Figura 3). Luego este se deposita en un matraz de destilación con un termómetro acoplado (Figura 2). El equipo funciona genera 90 W para el calentamiento. Los gases generados son pasados por un enfriador y recolectado en el mismo recipiente en que se midió el volumen inicial. Se mide la temperatura del combustible cuando pasa a fase gas con el termómetro acoplado al matraz cada 10 mL de volumen recuperado. Las mediciones inician cuando cae la primera gota de combustible recuperado, a la temperatura en este punto se le conoce como punto de ebullición inicial. El punto en el que se mide la temperatura cuando se recupera el 50% del volumen inicial, se le conoce como punto medio de ebullición. La prueba termina cuando se han recuperado 90 mL de combustible.

Figura 3 Frasco

Figura 4: Matraz con termómetro acoplado. (A indica el nivel al que el termómetro debe ser posicionado)

C. Determinación de la Densidad:

Para la determinación de la densidad se siguieron los pasos estipulados en las normas ASTM D7777 y ASTM D287, los cuales el primero suministra las instrucciones para las mediciones de densidad por medio de un densímetro digital con software integrado y el segundo permite una guía para el correcto uso del Hydrometer para calcular la densidad relativa del combustible en estudio.

Siguiendo la norma ASTM D287, la cual se basa en el principio de que el volumen desplazado al sumergir un cuerpo está directamente correlacionado con la densidad de la sustancia, se procede a realizar el montaje para la prueba (Ver Figura 5), en donde se puede observar el frasco con el

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combustible de estudio en su interior y el Hydrometer suspendido, para que sea una prueba válida, el frasco debe tener un diámetro de al menos 25 mm mayor al diámetro del bulbo del Hydrometer.

Figura 5. Montaje para densidad por medio del método de Hydrormeter

El Hydrometer usado se encuentra calibrado y referenciado según la Norma ASTM E100, asignándole el tipo de Plain Hydrometer (Ver Figura 6), cuyas escala representada en las marcaciones horizontales en el tallo indican la densidad relativa del combustible en referencia del agua a 60°F (15°C – 999.016 Kg/m3).

Figura 6. Hydrometer tipo Plain usado en la prueba.

Para una correcta prueba de densidad, no se deben presentar burbujas en el combustible, ya que esto puede afectar el nivel de inmersión del Hydrometer.

Después de determinar la densidad relativa del combustible por el método de uso de Hydrometer, se procede a realizar la medición de la densidad por medio del Densímetro Digital (Ver Figura 7) bajo la Norma ASTM D7777.

Figura 7. Densímetro Digital

Según la norma anteriormente mencionada, el previo preparamiento del densímetro digital incluye un lavado con solvente del tubo tipo-U para que al momento de introducir el combustible, no se arrojen resultados equivocados derivados de una mala interpretación de la pureza de la sustancia. Otra de las condiciones a tener en cuenta para la realización de la prueba es la temperatura del combustible, la cual debe ser 15°C ± 1°C.

D. Punto de inflamación:

En este ensayo se determina la temperatura mínima en la cual el combustible tiene suficientes vapores para hacer una buena mezcla con aire que arda en presencia de una llama. Para esto se usó el método Pensky-Martens de cápsula cerrada, en el cual se hace pasar una llama a la salida de un compartimiento en el cual el combustible es calentado. La temperatura es registrada hasta que un sensor registra el momento en el que hay ignición de la mezcla.

E. Prueba de Humedad:

Para este tipo de prueba, se consulta las Norma ASTM D2709 D1709, las cuales suministran los parámetros estándares para la correcta realización del ensayo por el método de centrifugado.

En resumen de especificaciones, las normas coinciden en que el volumen de la muestra debe ser 100 mL, la velocidad de giro a la cual debe rotar la centrifuga es de 800 rpm por un tiempo mínimo de prueba de 10 minutos a una temperatura de 15°C ± 1°C.

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En la siguiente imagen se muestra las medidas y formas reglamentadas del tubo centrífugo en donde será depositado el combustible para la realización de la prueba.

Figura 8. Tubo Centrífugo

III. RESULTADOS

A. Viscosidad:

Después de transcurrido un tiempo de 30 minutos para que la temperatura del diésel B2 se estabilice a 40 C aproximadamente, son tomados 3 tiempos de fluidez de la muestra entre dos niveles de referencia, ubicados en la parte superior del viscosímetro, para ello se succiona el combustible hasta que llegue al nivel de referencia superior y cuando esta allí se empieza a tomar el tiempo que tarda descender hasta el nivel inferior. Los tiempos registrados para las tres pruebas fueron:

Medición tiempo (seg)

1 195

2 193

3 190

Promedio 192,67

Tabla 2. Tiempos de fluidez medidos para un Diésel B2.

Con el tiempo de fluidez promedio determinado, se determina la viscosidad cinemática del combustible. Con la hoja de datos del viscosímetro a una temperatura de 40 C, la constante del viscosímetro es: 0,01537 mm2/s2 . Calculando la viscosidad obtenemos:

v=tiempo prom.de fluidez xconst . del viscosímetrov=192,67 s (0,01537 mm2 /s2)=2,9612mm2/s

v=2,9612 cSt .

B. Destilación:

Además de las medidas de temperatura, también se tomaron medidas de tiempo.

V(mL) T(°C) t(s)

0 170 0

10 208 134

20 220 79

30 234 87

40 248 85

50 262 88

60 276 93

70 292 103

80 308 110

90 326 154

100

Tabla 3. Resultados prueba de destilación

Figura 9. Curva de destilación

C. Densidad por el método de Hydrometer:

Lectura tomada directamente del Hydrometer: G=0.84Con la lectura tomada del Hydrometer, se procede a calcular

el grado API del combustible mediante la siguiente formula:

° API=141.5G

−131.5

Dando como resultado un grado API de: 36.93 °API.

Y finalmente usando la relación de densidad relativa, se calcula la densidad del combustible:

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ρcombustible=G∗999.016=839.173kg

m3

D. Densidad usando el Densímetro Digital:

En este caso, solo basta con la lectura de la pantalla del Densímetro Digital, también se midió la densidad del agua para confirmar los datos tomados con el Hydrometer:

Densidad del Agua: 998.7kg

m3 a 18.8 °C

Densidad del Agua: 843.3kg

m3a 21.1 °C

E. Humedad:

Para la determinación de la humedad, se toman los valores marcados en los tubos centrífugos en donde el agua se encuentra en la parte más baja debido a su mayor peso o densidad con respecto al combustible (Ver Imagen 10).

Figura 10. Tubo Centrífugo con separación del agua del combustible

Lectura tomada directamente del Tubo: 1.2 mL.

Dando como resultado un porcentaje de 1.2% de Humedad Absoluto o 1.23% de Humedad Relativa.

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS

A. Medición de viscosidad:

Durante la medición de los tiempos fue introducido aire al gas, debido al equivocado uso de la jeringa durante la succión y la ubicación del combustible en el nivel superior del viscosímetro. Por esta razón se cree que los datos obtenidos pueden variar ligeramente, sin embargo, la viscosidad hallada está dentro del rango común de este combustible.

B. Medición de densidad:

Usando el método del Hydrometer se obtienen valores muy similares a los determinados por en Densímetro Digital, con una variación del solo 0.5%, lo cual en términos ingenieriles es aceptable para la prueba. Esta variación puede estar relacionada con una variación de temperaturas ya que las mediciones no se realizaron simultáneamente.

C. Destilación:

En nuestro ensayo se obtuvo una temperatura de 326 °C con 90% de volumen recuperado, valor que se encuentra dentro del rango que se encuentra en la tabla de especificaciones del combustible de ECOPETROL entre 282 y 360 °C.

D. Humedad:

Esto resultada ser un porcentaje de humedad relativamente alto, ya que se trata de un combustible, el cual, su tasa de producción esta medida en toneladas, y una humedad como la resultante en el ensayo, significa perdida de dinero y calidad para el comprador de este producto.

V. CONCLUSIONES

Al determinar la viscosidad y compararla con las propiedades para el diésel B2E [1] , de acuerdo a las propiedad físicas y químicas de este combustible , la viscosidad hallada está dentro del rango dado por Ecopetrol para el combustible producido a una temperatura de 40 C.

Los errores obtenidos en comparación al valor real o esperado son pequeños debido a una buena calibración y practica en el laboratorio

VI. BIBLIOGRAFÍA

[1] Diésel extra B2E/B4E, Ecopetrol. http://aescolombia.com.co/images/Normatividad/Normatividad%20del%20sector/Hidrocarburos/Fichas%20tecnicas%20combustibles/Ecopetrol%20Diesel%20extra%20B2-B4%20VSM-01.pdf

[2] http://www.textoscientificos.com/quimica/combustion/ combustibles

[3] ASTM D7777 - Standard Test Method for Density, Relative Density, or API Gravity of Liquid Petroleum by Portable Digital Density Meter

[4] ASTM D287 - Standard Test Method for API Gravity of Crude Petroleum and Petroleum Products (Hydrometer Method)

[5] ASTM D287 - Standard Test Method for API Gravity of Crude Petroleum and Petroleum Products (Hydrometer Method)

[6] ASTM D1796 -Standard Test Method for Water and Sediment in Fuel Oils by the Centrifuge Method (Laboratory Procedure)

[7] ASTM D2709 - Standard Test Method for Water and Sediment in Middle Distillate Fuels by Centrifuge

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http://www.textoscientificos.com/quimica/combustion/combustibles

http://www.textoscientificos.com/quimica/combustion/combustibles


[8] ASTM E100 - Standard Specification for ASTM Hydrometers

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