Influence of castor oil mix composition on the production of biofuel

Arnoldo Emilio Delgado^1,2, Willian Aperador Chaparro^1,2*, Jorge Réne Silva Gonzalez³

¹Ingeniería Mecatrónica, Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 N.° 101-80, Bogotá, Colombia

²Ingeniería Mecánica, Escuela Colombiana de Ingeniería, Julio Garavito, AK. 45 N.° 205-59. A.A. 14520, Bogotá, Colombia

³Ingeniería Mecánica,Universidad Libre, Calle 8a N.° 5-80, Bogotá, Colombia

Resumen

Palabras clave: aceite de higuerilla, biodiesel, densidad, viscosidad, gases de combustión.

Abstract

Castor oil trans esterification has been evaluated as a source of alternative biodiesel. Three mixtures of biofuel (B5% B10% and B20%) were tested in a diesel engine. Power, fuel consumption, temperature and exhaust emissions were measured. Also, densities, viscosities, refractive indexes and combustion heats of the mixtures were determined. The use of biodiesel mixtures produces an increase of viscosity and fuel consumption, decreasing the heating and engine power, reducing the combustion gases like CO, CO₂, sulfur oxides, hydrocarbons, and lowering the opacity of exhaust emissions. Additionally, a balance in the observed diesel engine performance was evidenced by the engine temperatures.

Keywords: castor oil, biofuel, densities, viscosity, combustion, gases.

Introducción

El aumento del parque automotor año tras año en Colombia, ha generado una relación directa con la contaminación del medio ambiente por las constantes emisiones de gases; adicionalmente la variabilidad del precio del petróleo ha mostrado una clara necesidad de nuevas posibilidades de generación de combustibles a base de recursos renovables. La implementación del biodiesel se está dando en el país actualmente con pequeñas plantas productoras del mismo, cuyo origen se centra en las propiedades aceite de palma, el cual se reglamento para una mezcla de biodiesel del 5% con el diesel de origen fósil. Este escenario ha motivado a una búsqueda incesante de soluciones al problema energético en el país. Las respuestas apuntan a una posible sustitución de combustibles derivados del petróleo por combustibles más limpios; como lo son los biocombustibles de origen vegetal o animal [1-4].

El biodiesel tiene ciertos atributos que lo resaltan en ventaja frente al diesel de origen fósil, algunos de estos son: un combustible libre de azufre, aromático, no tóxico, biodegradable. Su utilización reduce notoriamente los gases de escape, además se comporta como un aditivo para combustible. El buen desempeño de un motor diesel ante la utilización de este tipo de combustible dependerá de sus propiedades intrínsecas y de la calidad del producto [5-7].
]]> El aceite de higuerilla es una alternativa renovable y energética de la cual se pueden obtener materias primas como sustituto de combustibles fósiles (petróleo), esta planta también puede emplearse como base para resinas, lubricantes de motores de alta rotación, entre otros. El aceite de esta semilla es una buena opción de comercialización para la industria de hidrocarburos, así como un producto para la cadena agroindustrial; productos oleo químicos, biocombustibles y la obtención de otras sustancias son algunos de los usos que se pueden lograr a partir de sus hojas [8-11]. En la actualidad, ésteres de ácidos grasos alquilo, se obtienen por reacción de los triglicéridos con alcoholes bajos, como el metanol o etanol, en presencia de una base utilizada como catalizador. La reacción produce glicerina como un subproducto. Los triglicéridos que se utilizan en la reacción pueden venir de una variedad de aceites, incluida la higuerilla (Ricinus communis) [12, 13]. Los aceites utilizados en reacciones de transesterificación alcalina no debe contener más de un 1% de ácidos grasos libres. Si el nivel de ácidos grasos libres supera este umbral y dificulta la separación de los ésteres de la glicerina y reduce el rendimiento y la tasa de formación de ácidos grasos libres [14].

El objetivo de este artículo consiste en estudiar el efecto del porcentaje de mezcla del aceite de higuerilla en la obtención de un combustible alternativo para motores diesel. El desarrollo del trabajo se realizo en dos fases: en la primera se obtuvo el biodiesel de aceite de higuerilla mediante el proceso químico de transesterificación y en la segunda se realizaron ensayos con un motor diesel para evaluar el comportamiento del biocombustible al 5%, 10% y 20% en las mezclas con ACPM.

Desarrollo experimental

La investigación se desarrolló en dos etapas las cuales se describen a continuación:

La primera fase de la investigación parte del aceite de higuerrila (adquirido a la compañía Higueroil de Colombia). Para la obtención del biodiesel a partir de este aceite, se realiza un proceso de transesterificación, que consiste en mezclar el hidróxido de sodio con el metanol, para dar origen al metóxido de sodio, en una concentración de 250 ml de metanol en 3 g de hidróxido de sodio para un litro de aceite. El aceite se calienta hasta alcanzar una temperatura de 45°C para que la reacción sea más completa; se le agrega el metóxido de sodio el cual rompe los enlaces de los ácidos grasos para dar origen al biodiesel y obtener como subproducto la glicerina.

Con el fin de lograr la calidad deseada del biodiesel obtenido del proceso de transesterificación,se realizó un preámbulo inicial de lavado donde se agrego agua destilada al biodiesel con el propósito de eliminar impurezas, de igual forma se efectuó un mecanismo de secado que consistió en agregar un secante para eliminar el agua residual que se absorbió del proceso anterior.Para la verificación de esta metodología experimental la muestra se analizó por espectrometría infrarroja. También se determinaron algunas propiedades como la densidad (ASTM D-1298) [15], viscosidad a una temperatura 40 °C (ASTM D-445) [16] e índice de refracción del biodiesel puro y el mezclado con diesel común al B5%, B10% y B20%. Las mezclas se realizaron en porcentaje a volumen, es decir que para el B5% se utilizó 95% de ACPM y 5% de biodiesel, para el B10% el 90% de ACPM y 10% de biodiesel y para el B20% con 80% de ACPM y 20% de biodiesel. También se determinó el calor de combustión del ACPM, el biodiesel puro y las mezclas para observar y comparar su comportamiento.
]]> En el desarrollo de la segunda fase se utilizó un motor Mercedes Benz, con 4 cilindros en línea, refrigerado con agua, de inyección directa, con potencia de trabajo de 110HP, un torque de 150 lb ft, la relación de compresión es 15:1, el arranque de 12 V, y una caja de 5 velocidades. Las pruebas realizadas son las siguientes: temperatura del motor, gases de combustión, consumo de combustible y la potencia del motor con combustible ACPM y las mezclas al B5%, B10% y B20%. Para realizar las medidas de temperatura se utilizó una termocupla tipo K instalada en el motor; esta arroja una lectura de la temperatura del agua del motor en grados Celsius. En cuanto al consumo de combustible para cada mezcla se rotuló el beaker en intervalos de 250 mL con una probeta del laboratorio. Durante cada prueba se registró el tiempo con un cronómetro a varios intervalos y se obtuvo un promedio general. Los gases de combustión fueron analizados mediante un equipo de marca testo y referencia 350 X/L, este equipo registra los gases de CO, CO₂, SO₂ y los hidrocarburos no quemados (Cx Hy), el control en el valor de la potencia se realizó con un generador marca Siemens con una capacidad de corriente de 0 a 800 Amperios, a una potencia máxima de 130kW y empleando un tacómetro digital para medir el régimen de giro en el generador.

Resultados

En lo correspondiente a la verificación del proceso químico de transesterificación se realizó un análisis de infrarrojo del aceite de higuerilla y biodiesel. Comparando los dos espectros (figura 1a y b) se logra observar por medio de las bandas de transmisión características de los esteres, que entre longitudes de onda de 1220 cm^-1 y 1125 cm^-1 aparecen bandas típicas de éster. Los resultados analíticos de los infrarrojos del aceite con el biodiesel y aceite de higuerilla con éste patrón demuestran de manera acertada que el proceso de transesterificación del aceite de higuerilla ocurrió correctamente, permitiendo que este mecanismo experimental se lleve a cabo para la obtención final del biodiesel. Después de este procedimiento se obtuvieron 6 litros de biodiesel, además de NaOH, metanol y glicerina (Tabla 1).

La densidad del biodiesel y las mezclas (ACPM con el biodiesel de aceite de higuerilla), presentan un incremento debido a que la densidad del biodiesel es mayor y al ser mezclado con el ACPM aumenta gradualmente según la mezcla (Figura 2). El incremento en la mezcla B5% aumentó en 1.44%, B10% en un 2.04%, B20% en 2.88% y B100% en un 11.04% con respecto al ACPM.

La viscosidad determinada se ve afectada por la densidad de las mezclas, y en consecuencia, se manifiesta un incremento similar al de la densidad; la viscosidad del biodiesel puro excede la viscosidad del ACPM en casi dos veces más (Figura 3). La mezcla B5% aumenta en 19%, B10% en un 22.29%, B20% en 42.6% y B100% en un 172% con respecto al ACPM. El aumento de la viscosidad genera una mejor lubricación en las partes mecánicas del motor, garantizando de esta forma la integridad del mismo. Sin embargo, los resultados de esta propiedad pueden llegar a ocasionar un problema porque los valores son tan elevados que pueden llevar a complicaciones en la atomización de inyectores del motor diesel, por esta razón no es recomendable considerar mezclas superiores a 20%.

El índice de refracción presenta una disminución en las mezclas. La mezcla B100% y B10% disminuyo en 0.55%, B20% en un 0.68%, y B5% en un 0.48% con respecto al ACPM. Esta disminución indica que la propagación de la luz en la muestra es característica de cada medio, además debido a su viscosidad en cada una de las mezclas la propagación de la luz en el refractómetro es menor. ]]>
El calor de combustión de las mezclas se determinó con una bomba calorimétrica, estos valores se compararon con el ACPM, generando una disminución, la mezcla B5% redujo en un 2.23%, B10% en 6.89%, B20% en 11.37% y B100% en un 18% (Figura 4).La síntesis de la capacidad calorífica es debida al poder calorífico de los aceites vegetales el cual es menor que el ACPM, y al realizarse la mezcla esta propiedad se mantiene. Por otra parte, el valor mostrado en la mezcla B5%, genera el mejor comportamiento con respecto a la potencia del motor contrario a la mezcla 100%, debido a la caída del poder calorífico.

Debido a los valores de densidad, viscosidad y el calor de combustión generado para la mezcla de biocombustible del 100%, se determinó realizar las pruebas de la segunda fase solamente con las mezclas de 5%, 10% y 20%. La temperatura en el motor con biodiesel y las mezclas se mantienen estables (Figura 5), con una temperatura constante del agua en el motor se mantiene estable y no afecta la integridad del motor. Por otra parte el consumo de combustible se ve afectado por la disminución del calor de combustión (Figura 5), por lo tanto el consumo de combustible de la mezcla B5% aumento en 0.65%, mostrando un comportamiento similar al hallado con el ACPM, la mezcla B10% incrementa su consumo en 12.33% y para B20% se incremento el consumo en 43.75%. Por lo tanto el porcentaje B20% es inviable por el sobrecosto que implica emplear mayor combustible para generar la misma potencia.

Las emisiones se muestran en las figura 6 y 7, se dividieron en monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido de azufre e hidrocarburos. Para el monóxido de carbono se encontró una reducción en porcentaje, el monóxido de carbono en la mezcla B5% se redujo en 11.47%, en la mezcla B10% la reducción fue de 15.20% y la de B20%, fue hasta de 19.19%, estos resultados indican que el porcentaje de reducción está relacionado con la cantidad de la mezcla de biodiesel utilizada en el ACPM. Para el CO₂ comparado con el diesel y con las mezclas se observan respuestas similares a la obtenida en el monóxido de carbono. Este resultado del CO y el CO₂ es favorable ya que indica quelas mezclas de combustible son más limpias que el diesel puro (100%).

El óxido de azufre SO₂ (generado por la combustión) presentó una disminución con respecto al ACPM, debido a que el biodiesel no presenta compuestos de azufre en su composición química. Asi mismo la cantidad de hidrocarburos (que no reaccionaron) disminuyeron notoriamente al ser comparados con el ACPM y se presenta cuando las mezclas aumentan la concentración de biodiesel suponiendo una mejor combustion debido al menor contenido de azufre a medida que se aumenta la mezcla. Los hidrocarburos CxHy disminuyeron notoriamente comparados con el ACPM, esta deducción se encuentra relacionada directamente con el aumento de la mezcla, y se debe a que el biodiesel está libre de cadena de aromático, éstos,al ser mezclados con el ACPM, generan una gran cantidad de hidrocarburos no quemados presentes en los gases de escape del motor, proceso por el cual disminuye en cada una de las mezclas y tras el análisis presenta una reducción máxima del 35.29% para la mezcla B20%.
]]> En la figura 8 se observa la potencia entregada al generador por el motor diesel, obtiene una disminución del 0.14% para la mezcla B5%, 0,36% para la B10% y 2,39% para B20%, en comparación con el ACPM. El rendimiento en el motor diesel no se ve alterado a nivel funcional cuando se utiliza el biodiesel de aceite de higuerilla, el motor presentó un arranque en frio igual que con el ACPM, la temperatura del agua se mantiene y su aceleración es similar al diesel.

Conclusiones

Uno de los parámetros que determina si afectan al motor diesel en su rendimiento es la potencia entregada por el motor. Para esta prueba también se tuvieron en cuenta la aceleración y el encendido del motor; los resultados arrojados en estos parámetros fueron adecuados ya que se comportaron de manera similar como cuando el motor trabajaba con ACPM. La potencia entregada del motor diesel al generador disminuye con cada una de las mezclas aplicadas, pero en un porcentaje muy bajo, el cual se estima que no afecta el funcionamiento del motor.

Después de las dos fases del estudio se concluyó que el biodiesel de aceite de higuerilla es una alternativa como sustituto parcial del diesel hasta una mezcla de biodiesel del B10% donde los resultados estadísticos obtenidos en las mezclas al B5% y B10% se comportan similarmente en potencia y consumo comparadas con el ACPM. Además de tener una importante contribución a la disminución en la contaminación al medio ambiente producida por los gases de combustión del motor diesel.

Agradecimientos

Los autores del presente trabajo expresan su agradecimiento a la dirección de investigaciones de la Escuela Colombiana de Ingeniería - Julio Garavito.

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(Recibido el 4 de marzo de 2010. Aceptado el 27 de agosto de 2010)

^*Autor de correspondencia: teléfono: + 57 +1 + 668 36 22, fax: + 57 +1 + 668 36 14, correo electrónico: william.aperador@escuelaing.edu.co (W. Aperador)