Propiedades antisolidificantes del tolueno y kerosene para el biodiesel de aceite de palma africana

36 Pages·2008·0.61 MB·Spanish

by  Acevedo Ochoa Alejandra

Propiedades antisolidificantes del tolueno,
kerosene y Wintron XC30 para el biodiesel de
aceite de palma africana (Elaeis guineensis)

Alejandra Acevedo Ochoa

Zamorano, Honduras

Diciembre, 2008
i

Portadilla

ZAMORANO
CARRERA DE AGROINDUSTRIA ALIMENTARIA

Propiedades antisolidificantes del tolueno,
kerosene y Wintron XC30 para el biodiesel de
aceite de palma africana (Elaeis guineensis)

Proyecto especial presentado como requisito parcial para optar
al título de Ingeniera en Agroindustria Alimentaria en el Grado
Académico de Licenciatura.

Presentado por

Alejandra Acevedo Ochoa

Zamorano, Honduras

Diciembre, 2008
ii

Pagina de firmas

Propiedades antisolidificantes del tolueno,
kerosene y Wintron XC30 para el biodiesel de
aceite de palma africana (Elaeis guineensis)

Presentado por:

Alejandra Acevedo Ochoa

Aprobado:

________________________ __________________________

Francisco Javier Bueso, Ph.D. Luis Fernando Osorio, Ph.D.

Asesor Principal Director
Carrera Agroindustria Alimentaria

________________________ __________________________
Luis Fernando Osorio, Ph.D. Raúl Espinal, Ph.D.
Asesor Decano Académico

__________________________
Kenneth L. Hoadley, D.B.A.
Rector
iii

RESUMEN

Resumen 
Acevedo, A. 2008. Propiedades antisolidificantes del tolueno, kerosene y Wintron XC30
para el biodiesel de aceite de palma (Elaeis guineensis). Proyecto de graduación del
programa de Ingeniería en Agroindustria Alimentaria, Escuela Agrícola Panamericana,
Zamorano. Honduras. 30p.

El aceite de palma es 50% saturado. Esto conlleva a que su punto de solidificación sea 10
°C. El objetivo general del estudio fue determinar las proporciones óptimas de tolueno,
kerosene y Wintron XC30 como aditivo para evitar la solidificación en el biodiesel de
aceite de palma a temperaturas de invierno entre 0 y 20 °C. Se utilizó un diseño
experimental BCA con 7 tratamientos y 3 repeticiones para un total de 21 unidades
experimentales. Se evaluó 0.5% de kerosene, una mezcla de 0.5% de kerosene y 0.5% de
tolueno, 0.5% de tolueno, 0.5% de Wintron XC30, 1% de Wintron XC30, teniendo como
controles el diesel fósil y biodiesel de palma sin aditivos. Se monitoreó la viscosidad del
biodiesel en un rango de temperatura de 0 a 20 °C para determinar el punto de
enturbiamiento, además de la energía bruta en cal/g. Se comparó la temperatura de Punto
de Obturación de Filtro Frío (Cold Filter Plugging Point) visual y el Punto de Obturación
de Filtro Frío en la gráfica y se determinó que el Wintron XC30 a una concentración de
0.5-1% disminuyó la temperatura de obturación del filtro frío pero no fue suficiente como
para usar este biodiesel en temperaturas de invierno menores a 8 °C. El uso de 0.5%
tolueno en el biodiesel aumentó el poder calorífico del biodiesel en un 20.36%. El costo
variable de elaborar biodiesel sin aditivos a nivel de laboratorio fue de L. 94.56/Litro y el
costo de comprar Diesel fósil fue L. 21.38/Litro.

Palabras clave: ASTM D6751, viscosidad cinemática, punto de obturación de filtro frío,
energía bruta, temperaturas de invierno.
iv

CONTENIDO

Portadilla.................................................................................................. i
Página de firmas...................................................................................... ii
Resumen.................................................................................................. iii
Contenido................................................................................................ iv
Índice de Cuadros, Figuras y Anexos…………..................................... v

1. INTRODUCCIÓN................................................................................. 1

2. REVISIÓN DE LITERATURA........................................................... 2

3. MATERIALES Y MÉTODOS............................................................. 6

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN........................................................... 12

5. CONCLUSIONES……………………………...………...................... 19

6. RECOMENDACIONES........................................................................ 20

7. BIBLIOGRAFÍA................................................................................... 21

8. ANEXOS................................................................................................ 23
v

ÍNDICE DE CUADROS, FIGURAS Y ANEXOS

Cuadro Página

1. Diseño experimental del estudio………………. ……………………… 7
2. Descripción de tratamientos...….....……………………………………. 8
3. Análisis de Punto de Obturación de Filtro Frío del biodiesel con
aditivos antisolidificantes …………………………………………...... 15
4. Análisis del efecto de los antisolidificantes en la energía bruta del
biodiesel……………………………………………………..…………. 16
5. Análisis de costos variables de biodiesel por ruta metílica...…...……… 17
6. Costos variables por tratamiento ………………………………………. 18

Figura Página

1. Una representación simple de la producción de biodiesel……………… 2
2. Estructura química del tolueno..…………….......................................... 4
3. Elaboración del biodiesel.………………………..…………………….. 9
4. Comportamiento de la viscosidad en biodiesel con kerosene
y tolueno…………….…………………………………...……………… 13
5. Comportamiento de la viscosidad en biodiesel con Wintron XC30....... 13
6. Comportamiento de la viscosidad en biodiesel y diesel fósil………….. 14

Anexo Página

1. Formato de evaluación de la viscosidad del biodiesel…………………. 24
2. Cuadros del SAS para viscosidad ……..………………………………. 30
3. Cuadros del SAS para calorimetría …………………….……………… 30
1

1. INTRODUCCIÓN

La alternativa de utilizar el biodiesel llamó la atención de varias industrias a nivel
mundial. La mayoría de la atención se debía a que era una alternativa de energía
renovable, barata, confiable y rentable para las empresas; además porque puede ser usado
puro o en mezclas con combustible fósil como el diesel (B5, B20 y B100 siendo los más
usados), reduciendo así algunos de los gases contaminantes del ambiente. Sin embargo
hoy en día es cada vez un problema más grande producir estos biocombustibles por la
gran crisis de alimentos a nivel mundial. Efectivamente, la producción de biocombustibles
se hace en detrimento de los cultivos de plantas comestibles utilizando las reservas de
agua, desviando tierras y capitales, lo que originó un aumento de precios de los productos
alimenticios.

A pesar de la crisis de alimentos en el mundo, existe un incremento en la demanda
energética de combustibles fósiles y la disminución de las reservas de petróleo a nivel
mundial, lo cual genera oportunidades para la implementación de nuevos combustibles
alternativos, siendo el biodiesel un producto agrícola que actualmente se usa como
sustituto. A nivel mundial, la producción de biodiesel a partir del aceite de palma africana
(Elaeis guineensis) es líder, lo cual hace tan atractivo este mercado. Malasia, Indonesia,
Alemania y algunos países Suramericanos están liderando la producción de biodiesel de
aceite de palma africana.

Sin embargo, uno de los mayores problemas que conlleva la producción de biodiesel de
aceite de palma, es que al ser más saturado tiende a solidificarse a 10 °C y es más difícil
de disminuir su Punto de Obturación de Filtro Frío (POFF) que otros aceites. Debido a
este problema, se encuentra la necesidad de crear un aditivo con propiedades
antisolidificantes que contrarreste la solidificación del biodiesel a temperaturas de
invierno sin afectar sus propiedades de combustión.

El objetivo de este estudio fue determinar las propiedades antisolidificantes del tolueno,
kerosene y Wintron XC30 en diferentes concentraciones como aditivo para evitar la
solidificación en el biodiesel de aceite de palma a temperaturas de invierno entre 0 °C y
20 °C. También se evaluó el efecto de estos aditivos en la energía bruta del biodiesel de
palma.

Los antecedentes de este estudio fueron desarrollados por Quezada (2007), quien evaluó
la energía de combustión y otros parámetros físico-químicos del biodiesel obtenido a
partir de cinco aceites vegetales y Orellana (2007), quien evaluó la calidad del biodiesel
elaborado de palma africana (Elaeis guineensis) y etanol. Estos fueron estudios realizados
en la Escuela Agrícola Panamericana el Zamorano.
2

2. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1. BIODIESEL

La ASTM (American Society for Testing and Materials) define el Biodiesel como “el
éster monoalquílico de cadena larga de ácidos grasos derivados de recursos renovables,
como por ejemplo aceites vegetales o grasas animales, para utilizarlos en motores Diesel”.
La transesterificación básicamente consiste en el mezclado del aceite vegetal o grasas con
un alcohol (generalmente Metanol) y un álcali (soda cáustica) como se observa en la
Figura 1. Al cabo de un tiempo de reposo, se separa por decantación el biodiesel de su
subproducto Glicerol (NextFuel, 2006).

Figura 1. Una representación simple de la producción de biodiesel.
Fuente: NBB, 2002.

Las desastrosas consecuencias sociales de esta política son fácilmente previsibles cuando
se sabe que la inseguridad alimentaria ya afecta a 854 millones de personas (Caty, 2008).

Desde los años noventa, el cultivo de palma africana en la costa norte de Honduras ha
aumentado más del doble hasta llegar a más de 90,000 hectáreas. Sin embargo, debido a
que el precio de aceite de palma para el consumo humano es más alto que el del biodiesel,
su producción a futuro es incierta. Una empresa ha casi finalizado la construcción de unas
instalaciones nuevas que serán capaces de producir más de 30,000 G de biodiesel (B100)
por día. Esta planta estará lista hasta el momento en que la compañía determine que es
3

más rentable producir biodiesel que aceite de palma para el consumo humano (Embajada
de Estados Unidos en Honduras, 2008).

Según el informe emitido por la Embajada de Estados Unidos en Honduras (2008), un
estudio reciente sugiere que Honduras cuenta con 540,000 hectáreas aptas para el cultivo
de palma. Si la tierra se utilizara para la producción de biodiesel en lugar de aceite de
palma, 300,000 hectáreas serían suficientes para satisfacer el total de la demanda actual de
diesel (B100) de Honduras. Solamente se requerirían 60,000 hectáreas para producir una
mezcla de 20% de biodiesel y 80% de petrodiesel (B20).

2.2. KEROSENE

El kerosene es un líquido transparente o ligeramente amarillo, obtenido por destilación del
petróleo. Tiene una masa molar promedio de 170g/mol y un punto de congelación de -51
°C. De densidad intermedia entre la gasolina y el gasóleo, se utiliza para motores que
trabajan en elevadas altitudes y temperaturas por debajo de 0 °C. Es un soluto no volátil
(que no se evapora fácilmente) el cual reduce el Punto de Obturación de Filtro Frío del
solvente. Una solución que contiene un soluto no volátil se congela a una temperatura más
baja que el disolvente puro. Esto se debe a la disminución en la presión de vapor causada por
el soluto. Las partículas del soluto estarán en medio de las partículas del solvente,
interrumpiendo las interacciones entre las fuerzas de las partículas del solvente, haciendo
difícil la unión de ellas (Pontificia Universidad de Puerto Rico Departamento de química,
2003).

Una de sus ventajas es que tiene un elevado índice de cetano. Es decir, excelente ignición,
lo que produce un mejor arranque en frío y una eficiente combustión, además de una
elevada estabilidad y cualidad dispersante; reduce la formación de sedimentos y
obstrucción de filtros (Wikipedia, 2007).

Muchas personas en EUU utilizan el Kerosene como un antisolidificante durante los
meses de invierno. Pero el uso de altas concentraciones de kerosene dará como resultado
la disminución del poder calorífico y lubricidad del combustible. En un estudio realizado
en el 2004, se comprobó que la adición de kerosene en 0.1% al biodiesel de aceite de soya
no tenía efecto significativo (Wei- Chiu et al, 2004).

Para este estudio, se utilizó biodiesel de aceite de palma africana que es más saturado que
el biodiesel de aceite de soya y por este motivo se decidió evaluar una concentración de
0.5% kerosene.

2.3. TOLUENO

Según CITUC (2006), el tolueno es un hidrocarburo derivado del petróleo. Se absorbe por
la respiración, por vía digestiva e incluso se absorbe por la piel. Por tratarse de un
hidrocarburo aromático (Figura 2) se considera Tóxico Sistémico.
4

El tolueno es una sustancia que predominantemente se utiliza como aditivo en
combustibles ya que tiene un punto de ebullición de 111 °C y un punto de fusión de -95
°C respectivamente (Ministerio de Medio Ambiente, 2007). Por consecuencia, ayuda a
disminuir el punto de solidificación del biodiesel de aceite de palma.

Figura 2. Estructura química del tolueno.
Fuente: Cía. Química y Agroquímica Argentina S.A, 2008.

2.4. WINTRON XC30

En Estados Unidos un producto llamado Wintron XC30 es agregado al biodiesel a una
temperatura cálida, por lo general, 5 °C encima del punto de enturbiamiento (cloud point).
Es recomendado usar entre 0.2 - 2% del volumen dependiendo de la longitud de cadena
del aceite usado. No se recomienda usar altas concentraciones del aditivo, ya que
disminuyen el poder calorífico del biodiesel. El efecto de este antisolidificante sobre el
biocombustible, es reducir la temperatura a la cual los cristales se tornan lo
suficientemente grandes como para tapar los poros del filtro de combustible (CFPP–Cold
Filter Plugging Point o Punto de Obturación de Filtro Frío) y reducir el Punto de
enturbiamiento (CP) del biocombustible (Biofuel Systems, 2008).

2.5. PUNTO DE OBTURACIÓN DE FILTRO FRÍO (CFPP por sus siglas en ingles)

Según ASTM (2008), Punto de Obturación de Filtro Frío o Cold Filter plugging Point
(CFPP) es la máxima temperatura, expresada en múltiplos de 1 °C, en la que un
determinado volumen de combustible, en este caso biodiesel, no pasa a través de un
dispositivo de filtración estandarizado en un plazo determinado cuando se enfría bajo
ciertas condiciones. Según Ahmad y Rupilius (2007), uno de los dos parámetros más
importantes para el desempeño del biodiesel es el CFPP. El biodiesel de aceite de palma
tiene un CFPP de 10 °C. La cadena corta de carbonos y/o un alto grado de insaturación
genera un CFPP bajo. A través de aditivos y/o modificaciones del nivel de insaturación
del biodiesel, el CFPP se puede adaptar a las necesidades climáticas de la mayoría de las
regiones. Al eliminar una parte de la alta saturación de fusión (C-16 esteres metílicos) y
con aditivos, se puede obtener un biodiesel de aceite de palma para climas fríos.

Una prueba de CFPP proporcionaría una estimación de la temperatura más baja a la que
un combustible daría problemas para circular libremente en determinado sistema de