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 Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 19 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 Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 20 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 Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 21 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 Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 22 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, Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 23 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. Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT 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. Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 25