ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS

ANALISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS
DE PETROLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODON
Y GIRASOL EN COCINAS NO CONVENCIONALES
ANALISIS OF THE PROCESS OF COMBUSTION OF THE MIXTURES OF PETROLEO DIESEL 2
WITH BIODIESEL OF SOY, ALGODON AND SUNFLOWER IN NOT CONVENTIONAL KITCHENS
Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas & Andrés Valderrama
________________________________________________________________________________________
RESUMEN
En el presente estudio se muestran las ecuaciones del proceso de combustión de las mezclas de petróleo diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón, el análisis del proceso de combustión se realizará considerando los parámetros
de diámetro del pulverizador, relación C/H/O de cada participante en la mezcla, color de la llama, forma de la
llama, formación de dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos libres en forma de vapor (CH). Se trabajaron con
mezclas en volumen de diesel 2 con 10%, 20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón. Los resultados
preliminares del análisis cualitativo y cuantitativo del proceso de combustión de las mezclas, tomando en cuenta la
relación estequiométrica (alfa=1), para mezclas enriquecidas (alfa<1) y para mezclas empobrecidas (alfa>1); este
cálculo se ejecutara para cada mezcla de biodiesel con petróleo diesel 2, lo que permite establecer que es posible
reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 por biodiesel, alcanzando condiciones de desprendimiento y
aprovechamiento de calor, y se demuestra que los niveles de producción de CO2 , N2 y vapor de agua son menores
que el producido por el diesel 2; se calculara la temperatura de la flama adiabática para el diesel 2 y para las
mezclas y finalmente se construye el ábaco de los colores de la llama durante el proceso de combustión, para cada
mezcla.
ABSTRACT
In this study it is shown the equations of combustion process of mixtures of petroleum diesel 2 and biodiesel of
soybean, sunflower and cotton, the analysis of combustion process is made considering the parameters of the
diameter of the sprayer, the relation C/H/O of each component en the mixture, de color of the flame, the shape of the
flame, carbon dioxide (CO2) formation, free hydrocarbons like steam (CH).
It was made mixtures of 10%, 20%, 30% y 50% of biodiesel of soybean, sunflower and cotton in volume of mixture.
The preliminary results of quality and quantity analysis of the combustion process of the mixtures, taking in account
the stoichiometric relation (alfa=1), for enriched mixtures (alfa<1) and for impoverished mixtures (alfa>1); this
evaluation will be made for each mixture of biodiesel and petroleum diesel 2, which allow to establish that it is
possible to replace the petroleum diesel 2 bye biodiesel partially, in this way it is reached detachment conditions and
advantages of heat, and it is demonstrate that the production levels of CO2, N2 and water steam are minor than those
produced by petroleum diesel 2. It will be calculated the temperature of the adiabatic flame for petroleum diesel 2
and the mixtures.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, el mundo está viviendo los efectos
del impacto ambiental, producido en mayor medida
por la quema de combustibles denominados fósiles o
tradicionales. Con el objetivo de mejorar la calidad
del medio ambiente, se busca el empleo de nuevas
fuentes de energía, cuyo proceso de combustión
permitan reducir los gases contaminantes, como CO,
NOx, CH, SOx y
CO2, que son causantes del calentamiento global,
efecto invernadero, lluvia ácida, y otros.
En el presente trabajo se busca establecer que la
emisión de los gases contaminantes de la combustión
de la mezcla de biodiesel y petróleo diesel 2 son
menores en comparación de los gases contaminantes
emitidos en la combustión del petróleo diesel 2 puro.
La combustión es un proceso que se realiza para
utilizar la energía química liberada tanto por la
reacción del H2 hacia el H2O, como por la reacción
del C hacia CO2. El H2 por su gran afinidad con el O2
reacciona totalmente hacia H2O; en cambio, el C
reacciona hacia CO2 y CO. Cuando un kmol de C
reacciona totalmente hacia CO2, libera 3.5 veces mas
energía que cuando el kmol de C reacciona
totalmente hacia CO. Esto justifica la tendencia a
reducir al mínimo la formación de CO para lograr la
combustión completa. En este contexto, el análisis
refiere a las reacciones de combustión de la mezcla
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TIPOS DE COMBUSTIÓN
biodiesel y petróleo diesel 2.
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
El estudio se realiza en las siguientes etapas:
Primera etapa,, determinación de la composición
C/H/0 de los biodiesel de soya, girasol y algodón
Segunda etapa,, cálculo de las reacciones de
combustión de la mezcla del petróleo diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón.
Tercera etapa,, cálculo de los parámetros de la
combustión: poder calorífico, relación H/C, número
de Wobbe, porcentaje de CO2, eficiencia
iencia del proceso
de combustión
DELINEACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Análisis del proceso de combustión de las mezclas de
diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Análisis de la relación C/H/O, H/C, número de
Woobbe, color de la llama, forma de la llama,
formación de dióxido de carbono (CO2) para cada
mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya girasol y
algodón
DESARROLLO DE TRABAJO
Poder calorífico de un combustible: es la cantidad
de calor producida por la combustión completa de un
kilogramo de dicha sustancia. Tal unidad se la mide
en KJ / kg .
Índice de Wobbe: Cociente entre el poder calorífico
y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas, bajo
las mismas condiciones
ndiciones de temperatura y presión. El
índice de Wobbe es una medida de la cantidad de
energía disponible en un sistema de combustión a
través de un orificio inyector. La cantidad de energía
disponible está en función lineal del índice de
Wobbe.
Relación H/C: es la relación de densidad energética
de un combustible; se establece que un combustible
deberá tener un valor mayor igual a 0.12.
1. Combustión estequiométrica o teórica
Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad
mínima de aire para que no existan sustancias
combustibles en los gases de reacción. En este tipo de
combustión no hay presencia de oxigeno en los
humos, debido a que este se ha empleado
íntegramente en la reacción.
Para la combustión de un hidrocarburo de la forma
C x H y, la ecuación de la reacción es de la forma:
2 .Combustión
Combustión real con exceso de aire
Es la reacción que se produce con una cantidad de
aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza
un exceso de aire, la combustión tiende a no producir
sustancias combustibles en los gases de reacción. En
este tipo de combustión es típica la presencia de
oxigeno en los gases de combustión.
La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso
de aire es hacer reaccionar completamente el
combustible disponible en el proceso.
Mezcla rica.. Es la que contiene una cantidad de aire
menor que la estequiometria
ia (aire en defecto)..
Mezcla pobre.. Es la que contiene una cantidad de
aire mayor que la estequiometria (aire en exceso
exceso).
Loss coeficientes i, e, f, y g deben ser para la
combustión real a partir de la información que
obtiene, por alguno de los método
métodos existentes para el
análisis de los promedios.
METODOLOGÍA
Se muestra un ejemplo con exceso de aire de 25%
(125% de aire teórico) presente en la combustión de la
mezcla de 30% de biodiesel de soya con diesel 2
Composición gravimétrica del diesel 2 y de los
biodiesel de soya, girasol y algodón
Diesel 2: C/H/O/S = 0,87/0,126/0,003/0,001
Biodiesel de soya: C/H/O = 0,77/0,12/0,11
Biodiesel de girasol: C/H/O = 0,628/0,202/0,17
Biodiesel de algodón: C/H/O = 621/0,204/0,174
Tabla Nº1 Combustión de la mezcla Die
Diesel 2 y
Biodiesel de Soya al 30%
C
H
O
BIODISEL DE SOYA 0.77 0.12 0.11
DIESEL 2
0.87 0.126 0.004
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Composición molar de los reactantes
Para el Diesel 2
77
= 6 . 417
12
12
=6
H2 =
2
11
O2 =
= 0 . 3443
32
C =
Masa de aire teórica
( L a / c )t =
B ( 32 + 3 . 76 * 28 ) …...(1)
100
9.9931(32 + 3.76 * 28)
= 13.719
100
Masa de aire real
( La / c )t =
Para el biodiesel de soya
87
= 7.25
12
12.6
H2 =
= 6.3
2
0.4
O2 =
= 0.0125
32
C=
Considerando un proceso de mezcla optima y un
proceso de combustión completa:
( La / c )r =
(L
a /c
)r =
1 .5 B ( 32 + 3 . 76 * 28 ) …(2)
100
1.25 * 9.9931.(32 + 3.76 * 28)
= 17.148
100
Análisis gravimétrico de los gases de combustión
Peso de CO2 = 7 mol* (12+32) gr/mol = 308 g r
Peso de N2 = 46.9677 mol * (28) gr/mol =1315.09 gr
1. Ecuación de la Combustión
mbustión Completa con
exceso de aire
Peso de H2O = 6.21 mol * (2+16) gr/mol = 111.78 gr
Peso de O2 = 2.4983 mol*(32) gr/mol = 79.9450 gr
Total
70% Diesel 2 + 30% Biod. Soya + aire
Productos de la combustión
0.7(7.25C + 6.3H2 + 0.0125O2) + 0.3(6.417C + 6.417H2 + 0.344O2)
+1.25B(O2 + 3.76N2) →dCO2 + eH2O + fN2 + gO2
Ordenando la reacción
7C+6.21H2 +0.119O2 +1.25B(O2 +3.76N2) →dCO2 +eH2O+fN2 +gO2
Balanceando la ecuación
Porcentaje de CO2:
% CO 2 = 308/1814.8203 = 0.1697
Peso de C = 7* (12) = 84 gr
Peso de H2 = 6.21 * (2+16) = 12.42 gr
Peso de O2 = 0.119* (32) = 3.58 gr
Peso de aire = 14.98*(32+3.76*28)= 2027.78 gr
Total = 2157.7843 gr
d ( CO 2) = 7 mol
e (H2O) = 6.21 mol
=1814.8203 gr
Relación H / C:
H / C = 12.42 / 84 = 0.147
2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B
f (N2) = 46.9677 mol
ANALISIS DE RESULTADOS
Ecuación Estequiometria
7C + 6.21H2 + 0.119O2 + B(O2 + 3.76N2) →dCO2 + eH2O + fN2
d´ (CO 2) = 7
e´ (H2O) = 6.21
B (aire) = 9.9931
1- Se construyen los gráficos con la variación de los
parámetros proceso de combustión de un combustible
líquido como son las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón, que se muestran
continuación:
Entonces g (O2) = 2.5 mol
Ecuación Estequiométrica Balanceada
Ecuación con exceso de aire Balanceada
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ENERGIA DISPO NIBLE EN LA
C O MBUSTIO N (Nº WO BBE)
1578.50
1558.00
1537.50
1517.00
1496.50
1476.00
1455.50
1435.00
B10
B20
SOYA
B30
B40
B50
% M E Z C LA
GIRASOL
ALGODÓN
Gráfico Nº1 Variación del poder calorífico de las
mezcla Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol,
algodón.
GráficoNº3 Variación del Nº de Wobbe (energía
disponible en la combustión) para Diesel las mezclas
de Diesel 2 y Biodiesel de soya, algodón, girasol.
EXCESO DE AIRE 50%
D E N S ID A D E N E R G ÉT IC A D E UN
C O M B US T IB LE H / C
17,5
17
0.23
% CO2
16,5
0.21
SOYA
16
15,5
GIRASOL
15
ALGODÓN
14,5
14
H /C
13,5
0.19
0.17
B20
B30
B40
B50
17,1337
16,9714
16,8063
16,6445
GIRASOL
16,9895
16,5218
16,053
15,5832
15,1124
ALGODÓN
16,9761
16,495
16,0128
15,5294
15,0449
% MEZCLA
0.15
0.13
B10
B20
SOY A
B30
B40
B50
Gráfico Nº 4 Variación de la concentración del
dióxido de carbono (CO2) en las mezclas de Diesel 2
y Biodiesel de soya, girasol, algodón.
% M E Z C LA
GI RA SOL
1.
A LGODÓN
Gráfico.N2. Variación de la relación de H/C
(densidad energética de un combustible) para las
mezclas de Diesel 2 y Biodiesel de soya, girasol, y
algodón considerando que:
Hu mezcla …(3)
N º Woobe =
ρ mezcla
El número de Wobbe es la cantidad de energía
disponible en la combustión a través del inyector
(pulverizador). Entonces la mezcla que muestre un
mayor Nº de Wobbe tendrá una mayor energía
disponible en la combustión de la mezcla.
Entiéndase que
ρ mezcla = ρ D 2 (% D 2 ) + ρ biodiesel (% biodiesel ) … (4)
( La 7 c ) t =
B10
17,2953
SOYA
Combustión de la mezcla Diesel 2 y Biodiesel
de girasol, algodón y soya
Tabla Nº2 Porcentaje de CO2 producto de la
combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con
el pulverizador 1 y 2
PULVERIZADOR 1 Y 2
% AIRE
TEORIC %CO2
%CO2
O
B30
B20
SOYA
GIRASOL
1.25
16.9714
16.2859
1.35
15.7786
15.1401
1.45
14.7425
14.145
1.55
13.8341
13.2726
1.65
13.0312
12.5016
%CO2
B30
ALGODÓN
15.7739
14.6642
13.7004
12.85555
12.1087
B (32 + 3 . 76 * 28 ) ….. (5)
100
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3. CALOR APROVECHADO Y CALOR
PERDIDO
Se calcula a partir de las fórmulas siguientes:
3.1. Calor aprovechado durante el proceso de
combustión
Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las
mezclas de Diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y
algodón, se deberá considerar la relación siguiente:
Qaprovechad
o = Qconv1 + Qconv2 + Qrad1 .. (6)
GráficoNº5.. Porcentaje de CO2 producido en la
combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya,
girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor
aprovechamiento del calor desprendido, trabajando
con el pulverizador del 1 y 2
Tabla Nº3 Porcentaje de CO2 producto de la
combustión del Diesel 2 y biodiesel trabajando con el
pulverizador 3 y 4
PULVERIZADOR 3 Y 4
%
AIRE
TEORI
CO
1.25
1.35
1.45
1.55
1.65
%CO2
%CO2
%CO2
B20
SOYA
17.1734
15.9665
14.918
13.999
13.187
B30
GIRASOL
15.8062
14.6942
13.7284
12.8817
12.1334
B50
ALGODÓN
14.7864
13.7461
12.8426
12.0506
11.3506
En dónde:
Q aprovechado: calor aprovechado durante la combustión
Q convección 1: calor aprovechado por convección a
través de la proyección del frente de flama sobre la
base de la tetera
Q convección 2: calor aprovechado
ovechado por convección a
través del área de anillo sobre la base de la tetera.
Q radiación 1: energía irradiada de la flama hacia la base
de la tetera
3.2 Calor Perdido
Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la
combustión por las mezclas de Dies
Diesel 2 con biodiesel
de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la
relación siguiente
Q perdido = Qradiación 2 + Qradiación 3 .. (7)
En dónde:
Q perdido:
calor perdido durante la combustión
Q radiación 3: calor perdido por radiación de la superficie
lateral del frente de flama al aire
Q radiación 2: calor perdido por radiación del anillo de
flama sobre la base de la tetera al aire.
CALOR APROVECHADO Y CALOR PERDIDO
F L U J O D E C A L O R (K W )
7.5
6
CALOR
PERDIDO
4.5
CALOR
APROVECHADO
3
1.5
0
SOYA B20 GIRASOL B20 ALGODÓN B20 SOYA B30 GIRASOL B30 ALGODÓN B30 SOYA B50 GIRASOL B50 ALGODÓN B50
CALOR PERDIDO
1.178
2.237
1.0012
0.9941
1.5296
0.956
0.8182
2.1813
1.1955
CALOR APROVECHADO
2.1342
3.9358
1.9094
1.975
2.675
1.7945
1.4343
3.0318
2.3417
% MEZCLA
GráficoNº7 Calor perdido y calor aprovechado
GraficoNº6 Porcentaje de CO2 producido en la
combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de soya,
girasol y algodón para los que se ha obtenido mayor
aprovechamiento del calor desprendido, trabajando
con el pulverizador del 3 y 4
3.3 Eficiencia de la combustión
La eficiencia en la Combustión de la mezcla de
Diesel 2 con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón,
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se determina empleando la fórmula siguiente:
η=
Calor
%L(a/r)t
Calor aprovechad o
× 100 ... (8)
aprovechad o + calor perdido
14.30
14.07
14.10
EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN
Eficiencia (%)
14.20
14.20
13.99
14.00
68
13.90
66
13.80
64
13.70
13.72
13.60
62
SOYA
13.50
GIRASOL
60
ALGODÓN
13.40
58
Diesel 2
56
B20
B30 B30 soya
Girasol algodón
54
52
B20
B30
B50
% MEZCLA
Gráfico Nº8 .Eficiencia de la combustión eficiencia
vs mezcla
Gráfico Nº 11 Porcentaje de masa teórica de aire en
la combustión de las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente,
trabajados en Pulverizadores 3 y 4
Gráfico Nº 9 Porcentaje de masa teórica de aire en la
combustión de Diesel 2, biodiesel de soya, girasol y
algodón
CONCLUSIONES
1.
Gráfico Nº 10 Porcentaje de masa teórica de aire en
la combustión de las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol, algodón respectivamente,
resp
trabajados en Pulverizadores 1 y 2
2.
3.
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Se demuestra que las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón tienen
similar comportamiento de un combustible
diesel convencional proveniente de un
hidrocarburo.
La cantidad de energía disponible en la
combustión a través del inyector (pu
(pulverizador),
determinado con el número Wobbe, disminuye
con el incremento del porcentaje de biodiesel en
la mezcla
La densidad energética de un combustible,
determinada a través de la Variación de la
relación de H/C, para las mezclas de Diesel 2 y
Página 24
4.
5.
6.
biodiesel de soya, girasol, y algodón se
incrementa conforme se incrementa el
porcentaje de biodiesel n la mezcla
La eficiencia máxima se alcanza con el 30% de
las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya y
algodón.
La eficiencia máxima se alcanza con el 50% de
las mezclas de diesel 2 con biodiesel de girasol.
La concentración del dióxido de carbono en los
gases de la combustión disminuye drásticamente
en comparación al diese 2 solo, logrando
disminuir el impacto ambiental.
BIBLIOGRAFIA
1.
Postigo, J; Cruz, J; “Termodinámica Aplicada”;
editorial UNI, Lima1985.
2.
Morán, M; Shapiro, H; “Fundamentos de
Termodinámica”; editorial LIMUSA, México
1992.
3.
Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia
deCalor”; editorial Prentice Hall, USA 1998
4.
Marks, “Manual del Ingeniero Mecánico”,
editorial Limusa, Mexico 1992
AGRADECIMENTO, los autores comprometen su
agradecimiento al Programa de Iniciación Científica
(PIC) que dirige el Vice Rectorado Académico de la
UNMSM.
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