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IM-2007-I-25
CARACTERIZACION DEL PUNTO DE FLASH, PRESION DE VAPOR, CURVA DE DESTILACION Y CALOR ESPECÍFICO PARA LA GASOLINA Y DIESEL
EN COLOMBIA
SERGIO REYES SOTOMAYOR
Asesor: RAFAEL BELTRÁN M SC.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ
2007
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Índice
Introducción
Objetivos
1. Presión de Vapor
1.1. Introducción 1.2. Diseño y Construcción 1.3. Preparación para la realización de la medición 1.4. medición 1.5. Resultados 1.6. Conceptualizacion
2. Curva de Destilación 2.1. Introducción 2.2. Diseño y Construcción 2.3. Preparación para la realización de la medición 2.4. medición 2.5. Resultados 2.6. Conceptualizacion
3. Calor Especifico
3.1 Introducción 3.2 Procedimiento 3.3 Resultados 3.4 Conceptualizacion
4. Combustibles en Colombia y comparación con el estándar mundial
5. Conclusiones
6. Bibliografía.
7. Apéndice A
8. Apéndice B
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Índice de Figuras Inversiones de Ecopetrol por Actividad…………………………………...Pág. 58 Producción de Ecopetrol en Petróleo Equivalente…………………........Pág. 58 World Oil Prices in Three Cases 1980-2030……………………………. Pág 62 World Liquids Consumption by Sector 2004-2030………………………Pág 63 World Oil Reserves: Ten Largest Gains and Losses, 2000-2007……...Pág 63 Estructura del Consumo Energético Colombiano………………….…….Pág. 65 Red Nacional de Oleoductos………………………………………………Pág. 67 Posibles Complejos Alcoholeros………………………………….……….Pág. 69 Precios Alcohol…………………………………………………….………..Pág. 70 Asian Development Bank………………………………………………….Pág. 76 Índice de Gráficos Presión de Vapor Reid Medición 1……………………………………… Pág. 15 Presión de Vapor Reid Medición 2………………………………….……Pág. 15 Presión de Vapor Reid Medición 3...………………………………..……Pág. 16 Presión de Vapor Reid Medición 4……………………………………….Pág. 16 Presión de Vapor Reid Medición 5………………………………….……Pág. 16 Presión de Vapor Reid Todas Las Medidas……………………….……Pág. 17 Presión de Vapor Promedio………………………………………………Pág. 19 Curva Obtenida Destilación 1…………………………………………….Pág. 34 Curva Obtenida Destilación 2…………………………………………….Pág. 34 Destilación de Diesel………………………………………………………Pág. 38 Calor Específico Gasolina……………………………………………...…Pág. 51 Calor Específico (Btu/lb °F)……………………………………………….Pág. 53
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Índice de Tablas Presión de Vapor Reid Medición 1………………………………………..... Pág. 14 Presión de Vapor Reid Medición 2..……………….……………………..… Pág. 14 Presión de Vapor Reid Medición 3..……………..….…………………….....Pág. 14 Presión de Vapor Reid Medición 4…………………………………………. Pág. 14 Presión de Vapor Reid Medición 5………………….……………………… Pág. 15 Promedio de las lecturas presión de vapor…………………………………Pág. 18 Promedio Total Presión de Vapor………………………………………...….Pág. 18 Temperatura vs. ml. destilados en gasolina………..……………………….Pág. 33 ml. destilados vs. Temperatura en gasolina………………………………...Pág. 33 Resumen datos Destilación de gasolina………………………………....….Pág. 34 Tabla 1 de Datos Ministerio de Minas y Energía…………………….…..…Pág. 35 Tabla 2 de Datos Ministerio de Minas y Energía…………………..…….…Pág. 36 ml. destilados vs. Temperatura en Celsius y Kelvin del Diesel……..…….Pág. 38 Resumen datos Destilación de diesel………………………….…….……...Pág. 39 Datos Destilación combustible Discoramo………………...……….…….…Pág. 40 Clase de Volatilidad vs. DI………………………………………….…….…..Pág. 45 ml destilados vs. Temperatura en Fahrenheit gasolina………….…..…….Pág. 49 Temperatura vs. Calor Específico gasolina……………………….….….….Pág. 50 ml destilados vs. Temperatura en Fahrenheit diesel…………….….……..Pág. 51 Temperatura vs. Calor Específico diesel……………………………..……..Pág. 52 Petrol Standards (Depto. Medio Ambiente Australia)……………….……..Pág. 73 Diesel Standards (Depto. Medio Ambiente Australia)………………..…....Pág. 74
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Resumen El trabajo presentado a continuación pretende mostrar varios puntos importantes. El primero de ellos, es el proceso de diseño, construcción y prueba de equipos para la medición de la presión de vapor de Reid y de la curva de destilación tanto de la gasolina como del diesel. Adicional a ello, se muestra el proceso de medición de otras propiedades importantes como el índice de cetano, o el calor especifico de los combustibles a tratar. Una vez obtenidos estos datos, se realiza entonces un análisis de los resultados, que incluye, entre otras cosas, un marco comparativo basado en entidades de renombre a nivel nacional. Además de este trabajo, se realizó un análisis general de la industria petrolífera en Colombia, teniendo en cuenta para ello, no solo los cambios que están aconteciendo actualmente en el país, sino los proyecto que hacia el futuro, pueden tener un impacto para esta y otras industrias que directa o indirectamente dependen de esta (tal como la industria automotriz). Adicionalmente, se procedió a realizar un análisis de la situación actual de los hidrocarburos en el mundo, y de los posibles escenarios que se pueden presentar hacia el futuro, teniendo en cuenta para ello, los riesgos mas latentes que se están presentando, y las posibles soluciones a los mismos. Finalmente, se realizaron algunas comparaciones entre el desarrollo en materia de calidad de los hidrocarburos en Colombia y el resto del mundo, así como una comparación entre los resultados de las propiedades medidas en este trabajo de grado, y esos mismos datos en distintas partes del mundo para que de esta manera se tuviera una idea aun mas clara sobre los parámetros que actualmente rigen a estas propiedades y a las características que en parte definen la calidad de los combustibles.
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Introducción
El sector de los hidrocarburos, es actualmente, uno de los mas poderosos de la
industria tanto a nivel nacional como internacional. En Colombia, este sector,
no es solo una de las mayores fuentes de riqueza del país, sino también uno de
los grandes fuentes con las que el gobierno controla su déficit, así como
inversión social en amplias zonas del país.
Por ello, no se puede desconocer, que además de gozar de yacimientos
petrolíferos (algo que no muchos países del mundo tienen), Colombia, debe
buscar mantener y mejorar la calidad de los mismos para acercarse cada vez
mas a los estándares internacionales, y con ello poder gozar de los grandes
beneficios económicos que traen el hecho de ser exportador del crudo.
Con todo, es importante anotar, que los estándares mundiales, son cada vez
mas exigentes, no solo debido a los nuevos desarrollos logrados en la industria
automotriz, que demandan cada vez mas, un combustible acorde a sus
necesidades, sino también debido a las nuevas normativas en materia de
protección ambiental, lo que tiene como meta principal, reducir la cantidad de
emisiones nocivas para evitar que fenómenos, como el calentamiento global
vayan a destruir los pocos bosques que nos quedan, y afecten la naturaleza en
modo tal que el hombre no se pueda beneficiar mas de ella.
Al analizar el mercado de combustibles en Colombia, se harán evidentes para
el lector, no solo las ventajas en las que se encuentra el país en materia de
hidrocarburos, principalmente en lo que respecta a la producción del crudo,
sino también se darán a conocer las desventajas, y los puntos donde se
requiere atención inmediata si el país no busca quedarse rezagado en lo que
respecta a la calidad de sus combustibles, afectando consigo el desarrollo del
mercado automotriz colombiano, la exportación del combustibles, la calidad del
ambiente, y todos aquellos problemas que se derivan de tener combustibles de
baja calidad.
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Con este trabajo de investigación, busco mostrar principalmente el proceso de
diseño, construcción y medición de equipos con lo que se busca caracterizar un
poco mas el combustible colombiano, y de esta manera, no solo realizar un
trabajo practico en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad útil
para este trabajo, sino para los demás estudiantes y profesores, que en un
futuro estén interesados en la medición de estas propiedades lo puedan
realizar mediante el uso de dispositivos que como se vera a continuación
cumplen con las especificaciones pertinentes de la norma ASTM, y arrojan
resultados que van acorde con aquellos logrados por entidades importantes
como el Ministerio de Minas y Energía de Colombia, o Ecopetrol entre otros.
Adicionalmente, se busca realizar no solo un análisis sobre el estado del sector
petrolífero colombiano, y sus proyecciones a futuro, sino una comparación
entre el estado de esta industria y sus similares alrededor del mundo. Con ello,
se llevara el lector, una mejor idea sobre las ventajas y desventajas del
combustible colombiano, así como de sus grandes falencias en materia de
calidad, y las oportunidades de mejoramiento que de ello se derivan.
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Objetivos
Los objetivos de el proyecto de grado, se vieron cambiados a lo largo del
semestre debido a que la universidad, contrario a la información que se tenia
en un principio, no contaba con ninguno de los equipos pertinentes para
realizar la medición de las propiedades propuestas, lo que tuvo como
consecuencia, que se tuvieran que primero diseñar, construir, probar, y finalizar
la fabricación de estos equipos (algo con lo que no se contaba), para después
poder realizar las mediciones pertinentes. Todo ello, buscando adherirse a los
lineamientos de la ASTM, y buscando un estándar de calidad alto que arrojara
resultados satisfactorios. Con esto en mente, presento entonces a
continuación, los objetivos del proyecto de grado:
Objetivos Principales
1. Diseñar, construir y probar los equipos necesarios para la medición de la
presión de vapor de reid de la gasolina y la curva de destilación del
diesel y la gasolina. Adicionalmente realizar la medición del calor
especifico en la gasolina y el diesel, y de propiedades como el índice de
cetano en el diesel.
2. Analizar los resultados, para poder ver las bondades que ofrecen estas
características para estos combustibles, teniendo en cuenta la relación
que existe entre ellos.
3. Relacionar un análisis del contexto actual que se vive en Colombia en
materia de desarrollo y economía en el sector de hidrocarburos.
4. Comparar los resultados de las variables medidas para el combustible y
del estado de esta industria en Colombia, con algunos mercados
internacionales, para tener una mejor idea de la situación actual en la
que se encuentra el país con respecto al resto del mundo.
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5. Clasificar y ordenar los equipos utilizados en este proyecto de grado y
que van a hacer parte del laboratorio de conversión de energía
(laboratorio de combustión y combustibles).
Objetivos Específicos
Para el objetivo principal 1.
a. Documentación teórica de los dos combustibles, así como de las
características a ser medidas en cada uno de ellos.
b. Consulta de las normativas pertinentes para la medición de las
propiedades a ser medidas.
c. Diseño y construcción de equipos para la medición de la presión de
vapor de reid y la curva de destilación. medición de estas dos
propiedades así como del calor especifico y el índice de cetano del
diesel.
Para el objetivo principal 2.
a. Realizar un análisis concreto sobre las diferencias que se presentaron
en los resultados obtenidos y buscar identificar las ventajas y
desventajas que cada uno de estos presentan.
Para el objetivo principal 3.
a. Teniendo en cuenta el contexto actual que se vive en Colombia
relacionar el análisis previamente hecho, con los beneficios que
podría traer al país, el mejoramiento de estas características.
b. Realizar un análisis concreto del sector de hidrocarburos en
Colombia, teniendo en cuenta su desarrollo actual, y sus planes de
mejoramiento a futuro.
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Para el objetivo principal 4.
a. Realizar la documentación pertinente en lo que respecta al área de
combustibles tanto en un ámbito nacional como internacional, y
desarrollar una comparación sobre algunas propiedades que definan
la calidad del combustible en Colombia.
Para el objetivo principal 5.
a. Organizar los equipos en el laboratorio de Ingeniería Mecánica de la
universidad, para la posterior creación del laboratorio de combustión
y combustibles.
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1. Presión de Vapor
1.1. Introducción
Para la medición de la presión de vapor, se tuvo en cuenta (al igual que para
otros elementos, como se verá mas adelante), los lineamientos fijados por la
American Society for Testing and Materials ASTM.
Específicamente para el caso de esta variable, la norma a tener en cuenta fue
la D-323, que es la norma especifica de la medición de la presión de vapor,
para productos derivados del petróleo como la gasolina, el “crude oil” volátil, y
otros productos volátiles derivados del petróleo, con la excepción de gas
natural licuado. Cabe notar, que existen otros métodos, y normas para lograr la
medición de la presión de vapor. Así, podemos encontrar en los manuales la
ASTM, normas referentes a la medición de la “presión de vapor real” por
ejemplo, así como diferentes métodos utilizados en los sistemas DIN que son
aplicables en mayor medida en Europa, y en consecuencia utilizan unidades
distintas.
Como se explica en dicha norma, la presión de vapor de Reid, difiere de la
presión de vapor real debido únicamente a una pequeña vaporización de la
muestra, así como en la presencia de vapor de agua y aire en un volumen
determinado1. La razón para haber entonces elegido la medición de esta
variable, con el método de Reid, es fundamentada en 2 argumentos
principalmente. El primero, porque el método de Reid, es el método de
referencia que utiliza el Ministerio de Minas en Colombia, y como se ha visto
ya, parte de los objetivos de esta tesis, consisten en analizar el caso
colombiano. Y el segundo, porque, debido a que el equipo no existe en el
laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad, la fabricación de este
elemento, presenta en principio, problemas y retos que permitirán ampliar los
alcances de la tesis, sin dedicar únicamente este trabajo de investigación a la
medición de esta única variable.
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1.2. Diseño y Construcción
El elemento principal utilizado en este procedimiento, se conoce como la
Bomba de Presión de Vapor de Reid, que consiste en 2 cámaras. Una cámara
superior, que en principio no estaría mas que llena de aire a la misma presión
atmosférica, y una cámara inferior, que debe ser llenada con la muestra del
producto a tratar (en este caso, gasolina corriente, disponible en las estaciones
de servicio del país).
Para la cámara superior, se tuvieron entonces en cuenta, los lineamientos
dictaminados en la norma D-323, que especifica, principalmente las medidas
exteriores (ver planos), así como su geometría con respecto a otros elementos
de la bomba. Además se especifican distintas características, como el que las
paredes internas de las partes superior e inferior del cilindro, tenga cierta
pendiente para que al final de la prueba se logre que el liquido confinado en la
cámara pueda drenarse, evitándose así residuos, que podrían llegar a afectar
posteriores medidas. Se tiene entonces, como se puede ver en el plano, un
cilindro que se encuentra “cerrado”, por dos “tapas” en la parte superior e
inferior. A su vez, estas tapas presentan entonces dos tipos de acoples. El
primero, en la parte superior de la cámara, que corresponde a un “bushing” en
cuya rosca se une un manómetro con rosca de ¼ de pulgada. El segundo
corresponde a un acople de ½ pulgada en la parte inferior del cilindro, y en
cuya rosca se une la cámara inferior, de la cual se hablará mas adelante.
Para la cámara inferior, que en principio para este trabajo de investigación seria
llenado con gasolina, se tiene un cilindro con el mismo diámetro que aquel
utilizado en la cámara superior, pero con un longitud mas corta. De hecho, se
busca una relación de volúmenes entre la cámara superior e inferior de 4:1. La
cámara inferior, debe entonces contener una sola “salida”, que se debe acoplar
con precisión, a la salida de la cámara de gasolina, de manera que ambas
cámaras queden unidas de manera estable y compacta.
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En cuanto al acople se refiere, como se especifican en las normas, se puede
utilizar cualquier método disponible, que asegure, que durante la medición de la
variable no existan escapes, en las uniones entre las cámaras, ni entre la
cámara superior y el manómetro. Esto se logro, no solo mediante uniones,
precisas y robustas entre las dos cámaras, sino mediante el empleo de cinta de
teflón, mas específicamente, cinta de teflón para gas, que logra sellar
perfectamente las uniones, previniendo no solo escapes, sino un eventual
desgaste excesivo de la cinta (en caso de haberse usado de la cinta de teflón
corriente, que tiene un calibre y resistencia menores). A su vez, se busco que
el “macho” de la rosca en el acople de las dos cámaras, quedara, como se nos
pide en la norma ASTM en la cámara de gasolina. De la misma manera, ya
explicada, se busco la unión entre la cámara superior y el manómetro (del cual
se hablará mas adelante).
La unión entre las tapas y los cilindros, se realizo por medio de soldadura MIG
en el laboratorio de Ingeniería Mecánica, y para garantizar la estanqueidad por
completo, se utilizo también, masilla epoxica, que no solo “tapona” cualquier
escape, sino que debido a la dureza que esta logra tras unas horas de
aplicación, logra una gran resistencia a las presiones. Además, la
especificación de la masilla utilizada, soporta no solo altas temperaturas, sino
también presiones, y ataques corrosivos fuertes, aunque ninguna de estas tres
variables se esperaba para la prueba que tuvieran un valor critico, si se
esperaba, tener un factor de seguridad en la prueba para garantizar de esta
manera, buenos resultados.
A su vez, las uniones roscadas de las tapas, se acoplaron de manera sólida, y
buscando estanqueidad. Así, el “bushing” utilizado en la parte superior de la
cámara de aire, el cual se acopla al manómetro, se encuentra solidamente
roscado a la tapa, una vez utilizado un macho en la misma, para buscar un
ajuste preciso. Adicionalmente se dio el uso de cinta de teflón para gas. El
“bushing” de la parte superior de la cámara de gasolina, fue soldado a lo largo
de la totalidad de su perímetro, y sellado mediante el uso de masilla epoxica.
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Y el acople de ½ pulgada utilizado en la parte inferior de la cámara de aire, fue
también soldado en la totalidad de su perímetro, así como sellado mediante el
uso de masilla epoxica. Gracias a estas uniones, fue en parte que se lograron
garantizar la calidad de los resultados obtenidos durante la prueba. .
Como método de comprobación de estanqueidad en las uniones, y dado que
esta prueba no se caracteriza por ser a grandes presiones, se comprobó la
ausencia de escapes llenando ambas cámaras con agua caliente, y realizando
una inspección de escapes. Así como introduciendo la bomba vacía en un
balde, y realizando una inspección de burbujas en las uniones. Una vez
realizado esto varias veces, y una vez comprobado que los acoples estaban
funcionando de manera satisfactoria, se pudo proseguir con otros elementos a
usarse durante la prueba.
El manómetro, es un manómetro de glicerina (mas preciso que uno “al vació”),
que cumple con la norma ISO 9001, con una rosca de ¼ NPT y una escala en
psi de 0 a 15, así como una escala equivalente en bares de 0-1 bar. de presión.
La resolución mínima del manómetro es de 0.2 psi y de 0.02 bar., la cual se
ajusta perfectamente a la presión a la que se espera mas o menos llegar, dado
el orden de magnitud previamente investigado.
El material utilizado para ambas cámaras, consistió en acero inoxidable, tanto
para la ambos cilindros como para las tapas que los recubrían, de esta manera,
evitando una posible corrosión excesiva, dado que los elementos a utilizar
(gasolina, aire), podrían llegar a haber afectado drásticamente el material y con
ello la medida en caso de haberse usado otros materiales.
El baño de enfriamiento para las muestras, se logro con la compra de un platón
grande, en el que se introdujeron las muestras a medir, y cuya temperatura
sugerida por la norma (de entre 0 y 4.5°C), fue logrado, gracias a que la
totalidad del platón fue llenado de hielo.
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La principal restricción para este baño de enfriamiento consiste en que las
muestras pudieran caber de forma satisfactoria, para lograr así la meta de
temperatura. A su vez, el uso de dióxido de carbono solido, para el enfriamiento
de las muestras es prohibido, puesto que el uso de este, ha llevado a
resultados erróneos, como se nos explica en la norma ASTM.
Para el baño de agua, se busca principalmente, que las dimensiones del mismo
puedan soportar la introducción completa de la bomba, permitiendo que el nivel
de agua se encuentre incluso una pulgada por encima del punto superior de la
cámara de aire, con esta completamente sumergida. también, se pide que el
agua utilizada para este baño, se encuentre a una temperatura aproximada de
38°C, y que para esto se utilice cualquier método, y que como método de
verificación de esta temperatura, se utilice un termómetro que mide alrededor
de esta temperatura durante la elaboración de esta prueba. En el caso de esta
medición, se utilizo entonces, una termocupla, por dos razones fundamentales,
la primera por la fácil lectura que de esta se puede obtener en cualquier
momento, ya que es mas visible que el nivel de mercurio de los termómetros
convencionales, y la segunda, porque debido a que es digital y maneja una
resolución muy precisa de 0.1 grados centígrados, se logran medidas mas
precisas (con el consecuente efecto en el resultado final) de la temperatura del
agua.
Por ultimo, para evitar cualquier entrada de cualquier objeto extraño a la
cámara de gasolina o de aire en los momentos en los que la bomba no se
encontraba en uso, se utilizo un tapón metálico, que iba acoplado a las uniones
en todo momento con cinta de teflón, para garantizar que ningún objeto extraño
se fuera a entrar en algunas de las cámaras, y afectara así la medición de la
prueba.
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En resumen, se puede ver entonces, que debido a los materiales de alta
calidad utilizados, los acoples sólidos que se utilizaron, la calidad de la
soldadura aplicada, y los elementos utilizados para reforzar aun mas la
estanqueidad, tales como la cinta de teflón de mejor calibre y mas resistente, y
la masilla epoxica, se logra una bomba de Reid, que no solo garantizó la buena
calidad de los resultados, sino que también, resistirá el uso de estas y muchas
mas pruebas a utilizarse en un futuro.
1.3. Preparación para la realización de la medición
Antes de iniciar con la medición de la prueba, fue preciso asegurarse cumplir
con algunos puntos, para evitar así no solo imprecisiones en los resultados,
sino también peligros dada la naturaleza de la prueba y los elementos en ella
utilizados. Así, se cumplió el requisito de que el “container” con la muestra del
combustible no fuera a estar llena en mas de un 70 u 80%. La muestras deben
estar protegidas en todo momento a temperaturas altamente extremas, y los
tarros en los que las muestras se encuentran, se deben encontrar en buen
estado, y sin fugas. (para garantizar este punto se introdujeron las muestras en
tarros completamente nuevos y sellados, no solo por tapa roscada, sino por
tapón plástico).
Adicionalmente, previo a la iniciación de la prueba, las muestras fueron
enfriadas en un “baño” de hielo, en el que los container, fueron completamente
cubiertos. Una vez que las muestras se encontraran allí el tiempo suficiente
para bajar su temperatura, se destaparon momentáneamente, y se volvieron a
tapar por un tiempo no menor a dos minutos, tal y como lo especifica la norma
ASTM. Este procedimiento se realizo, cumpliendo con la norma, al menos dos
veces mas.
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Posteriormente, se procedió a sumergir la cámara de gasolina, en un posición
vertical, en el baño helado por un tiempo no menor a diez minutos, para que de
esta manera, tanto esta como la muestra estuvieran a una temperatura
adecuada. En cuanto a la cámara de aire, se procedió a conectar esta con el
manómetro, y a sumergir este conjunto en el baño de agua caliente, mantenido
a aprox. 38°C, a una profundidad tal que la parte superior de el conjunto
quedara al menos una pulgada por debajo del nivel de agua, todo esto por un
tiempo no menor a diez minutos. Así, mientras esto sucedía, la cámara de
gasolina, fue llenada con la muestra, y la prueba da entonces comienzo.
1.4. Medición
Una vez cumplidos todos los pasos anteriores, se procedió entonces a llenar la
cámara de gasolina en su totalidad, hasta que esta rebosara, tal y como se
especifica en la norma. Seguidamente, pero sin pausas, se procedió, a realizar
el ensamble entre la cámara superior (recién separada del baño de agua) y la
cámara inferior, teniendo en cuenta que no se tomaran mas de diez segundos
para esta operación. Para todo esto cabe notar, que puesto que la cámara de
aire se encontraba sumergida en su totalidad en al agua, al remover esta
cámara, se sugiere entonces, sacudir levemente la cámara, para eliminar algo
de agua de los que pueda quedar, pero sin buscar un secado perfecto o una
sacudida muy fuerte, pues esto cambiaria la temperatura interna del aire en el
interior de la cámara.
Una vez que el acople entre ambas cámaras estaba realizado, se procedió a
girar media vuelta (180°) todo el aparato (cámaras superior, inferior, y
manómetro), permitiendo así, que la muestra que se encontraba en la cámara
de gasolina, fluyera hacia la cámara de aire, que se encontraba a una
temperatura aproximada de 38°C. Una vez hecho esto, se sacude el aparato
ocho veces en dirección paralela a la longitud del mismo, y se sumerge en el
baño mantenido a una temperatura de 38°C aproximadamente en dos
“estaciones”.
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La primera tan solo un poco, examinando que no existieran fugas de ningún
tipo, tras comprobar esto, se sumergió por completo hasta un profundidad tal
que la parte superior del aparato estuviera una pulgada por debajo del nivel de
agua.
Allí, se mantiene el aparato por al menos cinco minutos (en mi caso, me fui por
cinco minutos treinta segundos a seis minutos), y se saca un poco el aparato,
para observar con precisión la medida del manómetro, tras lo cual el aparato se
extrae por completo del baño, y se sacude en la manera ya explicada. Este
procedimiento se ha de repetir al menos 5 veces, o hasta que, como lo explica
la norma, las ultimas dos medidas leídas tengan un valor constante, indicando
así, que se llego al equilibrio.
En el caso de la toma de datos para el experimento, se sugiere entonces en la
norma, que para el tipo de manómetro que yo utilicé, (con una resolución de
0.2 psi), redondee los valores 0.1psi, y anote estos valores. Debido a que no se
asume que el manómetro es nuevo ni calibrado, se sugiere en la norma, que se
anote este valor como el valor “uncorrected”, y que se desacople el manómetro
de la cámara de aire, y se compare con un medidor de presión, para sumar o
restar la diferencia entre ambos valores, si es que, en algún caso, se llega a
presentar alguna. Estos valores medidos son entonces conocidos como la
presión de vapor de Reid, y como se nos explica en la norma, no son
relacionados a ninguna temperatura en particular.
Una vez terminada la prueba, debe prepararse el aparato para el próximo test,
o al menos limpiarlo, para que la precisión de las siguientes pruebas no se
vean afectadas. Para ello, se separan ambas cámaras, y se elimina la muestra
del combustible, se llena la cámara de aire con agua caliente (en este caso, la
misma agua usada para llenar el baño de agua ), y se drena la cámara,
repitiendo este procedimiento para tratar de eliminar los residuos que puedan
quedar.
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Para ayudar a limpiar mejor la cámara de aire, me valí también de la línea de
aire presurizado dispuestas en el laboratorio de Ingeniería Mecánica, que
ayudan a remover los residuos que quedan en las paredes internas del cilindro.
1.5. Resultados
A continuación, muestro entonces los resultados de las mediciones. En total se
realizaron 5 mediciones, cada una de ellas compuestas de 6 lecturas en el
manómetro (en algunos casos de 7 medidas, ya que no se alcanzaron las 2
ultimas lecturas constantes al termino de 6 observaciones en el manómetro), a
medida que se daba la prueba, y cuyo valor final, conocido como la presión de
vapor de Reid, se identifica como el ultimo dato obtenido.
Medición 1 Lecturas Presión psi (Kpa)
1 6,6 (45.5 Kpa)
2 7 (48,26 Kpa)
3 7,4 (51,02 Kpa)
4 7,6 (52,40 Kpa) 5 7,8 (53,77 Kpa)
6 7,8 (53,77 Kpa)
Medición 2
Lecturas Presión psi (Kpa) 1 6,4 (44,12 Kpa)
2 7 (48,26 Kpa)
3 7,2 (49,64 Kpa)
4 7,4 (51,02 Kpa)
5 7,6 (52,40 Kpa)
6 7,6 (52,40 Kpa)
Medición 3
Lecturas Presión psi (Kpa)
1 7 (48,26 Kpa)
2 7,2 (49,64 Kpa)
3 7,2 (49,64 Kpa)
4 7,2 (49,64 Kpa)
5 7,4 (51,02 Kpa)
6 7,4 (51,02 Kpa)
7 7,4 (51,02 Kpa)
Medición 4
Lecturas Presión psi (Kpa)
1 6,6 (45.5 Kpa)
2 7,4 (51,02 Kpa)
3 7,8 (53,77 Kpa)
4 7,8 (53,77 Kpa)
5 8 (55,15 Kpa)
6 8 (55,15 Kpa)
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Presion de vapor Reid Medicion # 1
4042444648505254565860
1 2 3 4 5 6
Lecturas
Pres
ion
en K
Pa
A continuación se muestran los gráficos correspondientes, a las tablas
anteriormente expuestas.
Presion de vapor Reid Medicion # 2
4042444648505254565860
1 2 3 4 5 6
Lecturas
Pres
ion
en K
Pa
Medición 5
Lecturas Presión psi (Kpa)
1 7 (48,26 Kpa)
2 7,4 (51,02 Kpa)
3 7,4 (51,02 Kpa)
4 7,6 (52,40 Kpa)
5 7,8 (53,77 Kpa)
6 7,8 (53,77 Kpa)
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Presion de vapor Reid Medicion #4
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Presion de Vapor Reid Medicion #5
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Presion de vapor Reid Medicion #3
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Presion de vapor Reid Todas las medidas
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KPa
M1 M2 M3 M4 M5
Como se puede ver en las graficas, el menor valor de la escala en el eje Y es
de 40 KPa, ya que fue esta, la menor medida tomada durante la prueba, y el
mayor valor de la escala en el eje Y es de 60 KPa, ya que ninguna de las
medidas sobrepaso este valor.
A su vez, se puede ver que se muestran las barras de error en las graficas.
Estas barras de error, las he tomado por un valor de 0.7KPa, que equivale
aproximadamente a 0.1Psi, ya que, como ya se comentó, la resolución mínima
de el manómetro utilizado en la prueba es de 0.2 psi. En las graficas, se
pueden ver dos comportamientos que vale la pena notar. El primero es que los
últimos dos valores de todas las graficas es el mismo, puesto que como ya se
explico, es un requisito para la validez de la prueba que las ultimas dos
medidas sean las mismas, para de esta manera asumir que se llego a un
“valor de equilibrio” y con ello la presión de vapor Reid. Lo segundo es, que
para el caso de la medición #3, como se puede evidenciar en la grafica, se
requirieron de 7 medidas para llegar al valor constante observado.
Finalmente en la ultima grafica, se pueden ver las cinco mediciones
superpuestas una con otra, para de esta manera observar mas claramente que
los valores finales no difieren mucho, pero con todo, tienden a diferir mas, que
los valores iniciales.
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Ya que es al final donde solo dos mediciones coincidieron, mientras que, al
principio, fueron dos parejas (cada una con su valor respectivo), las que
coincidieron. En cuanto a los valores de la presión de vapor, se puede ver
como estos varían entre un valor máximo de 8 psi (55.15Kpa), y un mínimo de
7.4 psi (51.02 KPa).
La razón para estas diferencias, se puede deber a varios factores a tener en
cuenta.
1. Temperatura inicial de la cámara de aire, y la cámara de combustible.
2. Cantidad de humedad dentro de cada una de las cámaras.
3. Temperatura lograda para cada una de las muestras.
4. Lecturas tomadas no exactamente en los mismos intervalos de tiempo
para cada una de las seis o siete observaciones del manómetro para las
5 presiones halladas.
5. Temperatura del baño de agua que pudo diferir para cada una de las
pruebas.
6. Diferencias en la temperatura ambiente durante la prueba.
En general, se tiene para la anterior medición, los siguientes datos importantes.
Promedio de las lecturas
Lecturas Presión (Kpa)
1 46,33
2 49,64
3 51,57
4 53,22
5 54,60
6 54,87
Promedio Total Presión de vapor Reid 53,22
Desviación Est. 1,57
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Presion de vapor Promedio
46,0047,0048,0049,0050,0051,0052,0053,0054,0055,0056,00
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Como se puede ver, es al principio entre las medidas 1 y 2, donde es mas
notable la pendiente, posiblemente a lo ya explicado anteriormente. A su vez, la
pendiente entre las medidas 2 y 5, es básicamente la misma, indicando que los
aumentos en la presión para estas lecturas, “avanzo”, en general igual para
estas observaciones, y finalmente, para las observaciones 5 y 6, se puede ver,
al contrario del comportamiento presentado entre la lectura 1 y 2, la menor
pendiente, lo cual es claramente justificable, debido a que como ya se explico,
no solo se esperaba que las dos ultimas observaciones fueran constantes para
cada una de las mediciones, (y así poder anotar ese valor como el valor de
presión de Reid), sino que como ya se comentó, se puede ver que el valor
promedio final es relativamente constante para cada una de las medidas.
Del ultimo recuadro, se puede apreciar, un valor promedio de 53.22 KPa con
una desviación estándar de 1.57 KPa, lo cual corresponde a un 2.95%
(1.57/53.22).
Una vez realizadas estas mediciones, se procedió entonces a comparar los
valores obtenidos en la investigación con valores de una fuente confiable, y que
aplicaran para el caso colombiano.
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Para este caso, fue de gran utilidad el documento del Ministerio de Minas,
escrito por Jaime Torres, Daniel Molina, Carlos Pinto, y Fernando Rueda (Ver
Bibliografía), del cual se obtuvieron los siguientes valores para la presión de
vapor Reid (Norma D-323) 1 .
Gasolina Reg. (con 10% Etanol) (Kpa) 54,38
1. TORRES Jaime, MOLINA Daniel, PINTO Carlos y RUEDA Fernando. Estudio de la mezcla de gasolina con 10% de
etanol anhidro. Evaluación de propiedades Fisicoquímicas;Dic.2002. Consultado 25 mayo de 2007. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/2a84e89f4d73f130052567be0052c75a/8d566806de23cd5805257
05f00432e6d/$FILE/Mezcla%20Gasolina.pdf>
Al comparar este resultado, obtenido del documento del Ministerio de Minas,
con el valor obtenido en esta investigación, podemos ver que el resultado
promedio se encuentra 1160 pascales por debajo, lo que equivale a una
desviación de 2.13% (54.38/53.22)*100. Valor que sustenta no solo el hecho de
que las mediciones fueron hechas con precisión, sino que la fabricación de la
bomba de Reid, fue concluida de manera adecuada.
1.6. Conceptualización
La enciclopedia Encarta, define la presión de vapor como “presión que ejerce
el vapor en equilibrio con el líquido o el sólido que lo origina a determinada
temperatura”2. La presión de vapor además, aumenta con la temperatura, y
caracteriza de alguna manera la composición del liquido que se este
analizando.
A su vez, se puede también entender la presión de vapor del combustible,
como la presión en la cual, los vapores que emana el combustible, se
encuentran en equilibrio con las demás fases no gaseosas. Así se busca en el
gas, aquella presión que tenga como resultado un equilibrio con su estado
liquido. A mayor presión de vapor, mayor la tasa a la cual el liquido emana
vapores.
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La presión de vapor, se relaciona positivamente con la volatilidad de la
sustancia, y por lo dicho, se puede concluir que a mayor presión de vapor,
menor punto de ebullición. Pues como ya se sabe, el punto de ebullición, no es
mas que la temperatura a la cual la presión de vapor, es la misma que la
presión atmosférica ambiente, lográndose formar, en consecuencia, burbujas
La presión de vapor, aumenta además, como ya se ha mostrado con la
temperatura, y lo hace de manera no lineal, de acuerdo con la relación de
Clausius-Capeyron.
Donde L es el calor latente, T es la temperatura, y ∆V es el cambio de volumen
en el cambio de fase. ∆P/∆T es la pendiente de la curva. 5
En general, se puede notar que combustibles, como por ejemplo, la gasolina,
emiten vapores debido a su estructura y a sus características físicas y
químicas. Esto se puede notar fácilmente, cuando por accidente se riega una
pequeña cantidad de gasolina en el suelo, pues tras unos minutos, podemos
evidenciar que la cantidad de liquido sobre el suelo ha disminuido
drásticamente, y el olor de la gasolina, empieza a dispersarse alrededor. En un
espacio lo bastante amplio, no habría ninguna limitante para que este proceso
se diera sin grandes cambios, pero en la bomba de Reid, el combustible que se
encuentra en la cámara inferior empieza a evaporarse, y en vez de encontrar
un espacio “ilimitadamente grande” arriba, lo que encuentra es una columna de
aire, a mayor temperatura, y en un espacio confinado. Es por ello, entonces,
que empieza a crearse una presión interna que se puede medir en el
manómetro.
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Así, entre mayor sea esa presión de vapor medida por el manómetro, mayor
será la cantidad de vapores emanados por la gasolina.
Surge entonces la pregunta, acerca de cual será el valor ideal de la presión de
vapor para un combustible. En realidad, no se busca ni que el valor sea lo
menor ni lo mayor posible. Pues ambos extremos presentan tanto ventajas
como desventajas. Así, puesto que uno de los elementos en los que el
combustible es mas comúnmente usado es el automóvil, podemos anotar que
se busca una baja presión de vapor, para evitar la vaporización en exceso del
combustible dentro de las tuberías (múltiple de admisión) y el deposito, pues
esto, podría incluso llegar a obstaculizar un adecuado paso del combustible
hacia el cilindro, y generar averías en el motor. Pero a su vez, se busca
también una presión de vapor no muy baja, para que de esta manera, el
arranque del motor en frío se realice de manera optima, vaporizándose el
combustible y haciendo ignición con relativa facilidad.
En general, la presión de vapor de un combustible variara para dependiendo de
las características no solo del crudo extraído en el yacimiento, sino de los
procesos a los que estos se vea sometido. Así, la presión de vapor variara con
los combustibles de cada país, e incluso con los de cada estación de servicio,
pues dependiendo del estado de los estanques donde se almacene el
combustible, se tendrá un mayor o menor grado de humedad y suciedad de
este.
Existen entonces dos procesos que se pueden utilizar, para llevar al
combustible a una presión de vapor deseada, que se encuentre en un rango tal
que sea útil para los motores de combustión interna, y a su vez seguro en su
transporte. Encontramos entonces, en estos procesos, la alquilacion, cuyo
efecto sobre el combustible, es reducir la presión de vapor, y consiste como se
explica en el libro “motores de combustión interna” en “hacer reaccionar gases
ligeros de oleofinas con gases de parafina, para producir parafinas de cadena
ramificada, con un numero octano alto”.3
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Por otro lado, la presión de vapor de la gasolina, aumenta (en la mayoría de los
casos) cuando el etanol es mezclado con esta, esto se puede evidenciar en
documentos como el del Ministerio de Minas 1 donde la gasolina extra aumento
su presión de vapor Reid de 55.14KPa a 56.24KPa con la adición de 10% de
etanol.
Como se puede ver, es importante controlar este proceso para obtener un
funcionamiento adecuado del vehiculo, y en caso tal que por razones
económicas, sociales o políticas, se tenga un combustible muy enriquecido con
etanol (tal es el caso de Brasil donde el combustible es E85 o incluso E100
(85% y 100% de etanol) y por tanto los motores deben ser rediseñados en lo
que se conoce como motores “FlexFuel”.
Pero, como se nombro anteriormente, no solo se busca una presión de vapor
adecuada para el buen funcionamiento del combustible en motores como los
usados por los automóviles. también ha de buscarse, una presión de vapor,
que no vuelva al combustible muy peligroso de transportar y manipular. A
mayor presión de vapor, mayor cantidad de vapores, y estos en el caso de los
combustibles, son altamente peligrosos e inflamables.
En general, como ya se ha explicado, la gasolina, tendrá distintas presiones de
vapor dependiendo, entre otras cosas, de la calidad con que se trate y se
almacene. De la misma manera, la presión de vapor dependerá con el tipo de
combustible. Es el caso del gasoil por ejemplo, que tiene una presión de vapor
mucho menor que el de la gasolina, así mientras que, en general, la gasolina
presenta una presión de vapor de aproximadamente 7.9psi a una temperatura
de mas o menos 38°C, el gasoil presenta una presión de vapor de tan solo
0.05psi a 50°C.4 Es por ello que al momento de caracterizar el gasoil, la presión
de vapor, no es una variable a tener en cuenta.
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En el caso colombiano, debido no solo a la creciente escasez del crudo, sino a
los altos precios por los que el combustible esta atravesando, se ha ido
pensando en aumentar a futuro cada vez mas la adición de etanol en los
combustibles, lo que como veremos mas adelante, requerirá no solo de un gran
esfuerzo económico para inversiones de alta tecnología, sino un cambio de
mentalidad respecto a las ventajas adicionales que se pueden obtener de la
agricultura.
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2. Curva de Destilación
2.1 Introducción
Para la medición de esta variable, al igual que en el caso de la presión de
vapor, se utilizaron los lineamientos dados por las normas ASTM, y para este
caso en particular, se tuvieron en cuenta 2 normas, ya que una especifica
algunos parámetros para el diseño del equipo de destilación a utilizarse,
mientras que la segunda norma, indica la manera en la que se busca utilizar
este equipo y así obtener resultados satisfactorios.
Para el caso de la norma que especifica el equipo a fabricarse, se uso
entonces la norma E133, que lleva como titulo “Especificación Estándar para
Equipo de Destilación”. Aquí, se nos muestra entonces que el equipo a
fabricarse, es el que debe usarse para la medición de la curva de destilación,
que se encuentra en la norma D86.
Al igual que en el caso de la medición de la presión de vapor, existen no solo
diferentes elementos sino métodos alternativos que podrían llegar a ser de
utilidad para la medición de la curva de destilación. La razón para haber
entonces elegido estas dos normas en particular se fundamenta en dos
argumentos principalmente. El primero es que la norma E133 especifica el
equipo de destilación a usarse específicamente para productos derivados del
petróleo, y la segunda, es que la norma utilizada tanto por el Ministerio de
Minas en Colombia, como por entidades por fuera del país (detalles de esto
mas adelante), es exactamente esta, la norma D86. De esta manera, la
comparación que se pueda hacer sobre los valores obtenidos de esta variable,
es no solo mas objetiva sino mejor fundamentada.
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2.2 Diseño y Construcción
Para el diseño y construcción de esta variable es necesario remitirse primero a
la norma E133 donde se nos especifican, no solo los elementos a utilizarse,
sino algunos aspectos importantes de diseño para la fabricación de los mismos.
El equipo de destilación consiste entonces de los siguientes elementos, que
debieron diseñarse y fabricarse:
• Una armadura (“shield”) dentro de la cual va ubicada la fuente de calor, el
asbesto, y el balón de desprendimiento lateral.
• Un baño de enfriamiento.
• Un intercambiador de calor.
• Dos soportes, tanto para el baño de enfriamiento como para la armadura,
con las especificaciones de altura dadas, y que garantizaran que la prueba
se realizara sobre soportes sin inclinación.
• métodos para sellar el “circuito”, a través del cual, el combustible circulaba,
y del cual se esperaban la menor cantidad de perdidas posibles.
Para los elementos anteriormente nombrados, se tuvieron entonces en cuenta,
métodos de fabricación que estuvieran en concordancia con la calidad del
equipo que se esperaba fabricar.
La armadura fabricada, esta compuesta, por dos platinas de acero de 1/16” de
espesor, con longitudes de 450 mm x 210mm, acogiéndose de esta manera a
los lineamientos dictados por la norma. A su vez, también se tuvo en cuenta,
que ni en la parte superior, ni en la parte inferior de la misma, debería ésta, de
estar sellada. De hecho, fue también necesario, la fabricación de un soporte
(que se detallara mas adelante), sobre el que la armadura se asentaría,
garantizando así, un espacio de aproximadamente 5 cm. del piso, tal y como
estaba indicado en la norma. Para la fabricación de la armadura, fue entonces
necesario, mandar a soldar las distintas platinas, de manera que formaran una
especie de “cajón destapado” en ambos lados.
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Y para ello, se mandaron a soldar en un sitio especializado en soldadura, para
que de esta manera se garantizara que la unión (hecha por un cordón de
soldadura), quedara de la mejor calidad posible, evitando de esta manera
afectar dos funciones de gran importancia de la armadura. La primera, era
evitar que las corrientes de aire, hicieran fluctuar la temperatura de manera
drástica, debido a por ejemplo, corrientes de aire. Y la segunda, era la de
buscar cierto aislamiento térmico, con respecto al baño de enfriamiento que
como se observa en el montaje realizado, se encontraba justo al lado de la
misma.
Posteriormente a esto, fue necesario entonces, taladrar esta armadura con dos
hoyos de ¼” de diámetro, para poder pasar dos tornillos sinfín, a través de
esta, y de esta manera, que se tuviera un soporte tanto para la fuente de calor,
como para el balón de desprendimiento lateral. Una vez taladrada esta
armadura, los tornillos podían entonces atravesar la armadura, y mediante
tuercas “mariposa”, fijarlos a ambos lados.
Adicionalmente fue necesario también, taladrar la armadura con un hoyo de 1”
de diámetro, para que, de esta manera, el intercambiador de calor, sobre el que
se hablara mas adelante, tuviera una entrada dentro de la armadura, y así, se
pudiera acoplar al brazo lateral del balón en donde se encontraba el
combustible.
Finalmente, se realizo un hoyo con geometría rectangular en la parte “trasera”
de la armadura (ver montaje), para que así, la estufa eléctrica, pudiera
asentarse de mejor manera, y evitar en la mejor manera posible una inclinación
del balón, lo que podría ser no solo inexacto para medición de la variable, sino
peligroso, dada la naturaleza de la medición.
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Para el caso, del diseño y fabricación del baño de enfriamiento, fue necesario
tener en cuenta, no solo las especificación sobre el volumen que este debía
tener, sino también que estuviera en concordancia con las dimensiones del
intercambiador de calor (sobre el que se hablara mas adelante). La capacidad
del baño de enfriamiento fue la primera limitante a tener en cuenta, ya que
según la norma la capacidad mínima de este, debía ser de 340in3, así, se
fabricó un baño con capacidad máxima de 768.89 pulgadas cúbicas, lo cual
representaba, un volumen bastante mayor al mínimo especificado. Las
razones, principales, para haber fabricado un baño mas del doble de grande de
lo mínimo especificado en la norma, fue que, para el diseño de este se tuvo en
cuenta, como ya se dijo, no solo los parámetros buscados en este, sino
aquellos dados para el intercambiador de calor con su consiguientes
limitaciones, y buscando también mayor facilidad de acople entre las partes.
Se utilizaron así, dos placas cuadradas de 200mm en las zona laterales del
baño, y 4 placas de 200mm x 315mm para crear el “cajón” que se buscaba
utilizar, teniendo en cuenta, que una de las placas rectangulares, no iría
soldada al resto del cajón, sino que serviría de “tapa”. Las laminas aquí
utilizadas, fueron de un calibre mayor (3/32”) que el de aquellas utilizadas en la
armadura, ya que el baño de enfriamiento, debía soportar el peso, no solo del
intercambiador de calor, sino el hielo con el que este se pensaba rellenar.
De la misma manera que para la fabricación de la armadura, el baño de
enfriamiento, se mando soldar en un sitio especializado, para garantizar no solo
que el cordón quedara con buena calidad sino que presentara una buena
estanqueidad. Estanqueidad que fue reforzada, además, mediante el uso de
masilla epoxica, en todos los bordes internos del cajón, para si evitar el escape
de agua dentro del mismo.
Como se ve en el montaje realizado, tanto el baño de enfriamiento, como la
armadura, estaban unidos uno al otro, mediante el acople del intercambiador
de calor con el desprendimiento lateral.
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Por ello, en el baño de enfriamiento, se taladraron dos huecos, tanto en la
pared conjunta a la armadura como en la pared opuesta a esta (ver montaje).
De esta manera, el montaje del intercambiador de calor dentro de la armadura,
tenia tanto una entrada, a través de la cual el combustible pasaba a altas
temperaturas, y una salida, en la parte inferior, a través de la cual, el
combustible saldría hacia la probeta.
Otras de las limitaciones que presentaba el baño de enfriamiento, era que el
centro del tubo a utilizarse como intercambiador de calor, no fuera a quedar a
una distancia menor de 318 mm por debajo del limite superior del baño, y a una
distancia no menor de 191mm de la parte inferior del baño.
De la misma manera, se tenían limitaciones, sobre la distancia mínima, a la que
el tubo debería estar de las paredes del intercambiador. así, con excepción de
los puntos de entrada y salida del tubo, el despeje mínimo entre el tubo y el
intercambiador de calor debería ser de 127mm.
Fue debido a estas limitaciones, que se buscó en la fabricación del baño de
enfriamiento, una capacidad muy por encima de la mínima especificada (340
pulgadas cúbicas), para que de esta manera, se pudieran ahorrar costos al
momento de diseñar el intercambiador de calor, y se dispusiera a su vez de un
espacio cómodo dentro del cual se pudieran realizar los acoples.
Finalmente, cabe notar, que para la fabricación tanto de la armadura, como del
baño de enfriamiento, fue necesario después de la soldadura, lijar y limpiar las
superficies, para poder aplicar anticorrosivo sobre toda la superficie, tanto
interna como externa, para así evitar posibles daños a futuro del equipo.
Para el caso del intercambiador de calor, se tuvieron entonces en cuenta
también, las especificaciones mostradas en la norma. así, se utilizo cobre para
la tubería, con diámetro externo de 5/8” y espesor de pared de 1mm.
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Adicionalmente, debido al diseño del baño de enfriamiento, se busco que el
tuvo tuviera una gran superficie de contacto con el medio de enfriamiento (en
este caso, hielo), para que de esta manera, el intercambio de calor, se diera de
manera eficiente. La norma, además, muestra que aproximadamente 5cm del
tubo en la parte superior del baño, estuvieran por fuera del baño de
enfriamiento, y cerca de 11cm del mismo, se encontraran por fuera en la parte
inferior. En cuanto a la geometría utilizada y a las uniones, se busco que el tuvo
no fuera a retener en grandes cantidades el combustible, sino que permitiera
en lo posible el flujo libre de este. así, en este caso, se utilizo un tubo de cobre
unido por codos. Y sellado mediante dos elementos para garantizar
estanqueidad. así, se uso una especie de soldadura liquida, especial no solo
para unir tuberías, sino para soportar en el rango de trabajo, las temperaturas
dadas. A su vez, cada una de las uniones, fue recubierta con soldadura de
teflón para gas, que a diferencia de la regular, tiene un calibre mayor por lo que
la temperatura de trabajo es superior.
Como ya se ha dicho, fue necesario, también el diseño de dos soportes, tanto
para el baño de enfriamiento como para la armadura. El del caso de la
armadura, debía proveer un despeje al suelo de aproximadamente 5cm,
mientras que el soporte para el baño debía proveer un despeje de
aproximadamente 30cm. Los soportes fueron fabricados buscando
principalmente economía, ya que no tenían ninguna especificación de
exigencia, y salvo la altura, el diseño se encontraba libre de restricciones.
Como se vera en los soportes, se utilizaron tornillos en cada una de sus
esquinas, esto para que al girarlos, se garantizara que la mesa se encontrara
estable y no se ladeara hacia ninguno de los lados.
Adicionalmente a esto, fue necesario el uso de distintas fuentes de calor. En
este caso, se utilizaron tanto una estufa eléctrica como un mechero de gas.
Ambas fuentes de calor, proveían de calor al balón de desprendimiento lateral,
a través de una lamina de asbesto de 1/8”.
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En el caso del calentador eléctrico, el asbesto tenia, como se decía en la
norma, un hueco interno a través del cual el calor fluiría.
El balón de desprendimiento lateral, es de capacidad de 125ml, como lo
requiere la norma D86, y que como se comprobó al momento de la compra,
estaba desarrollado para cumplir con las exigencias a las que seria sometido. (
Esto, debido a que el balón, con su correspondiente catalogo, especificaban
que estaba diseñado para la norma ASTM D86). De igual manera se utilizo una
probeta de 100ml.
2.3. Preparación para la realización de la medición
Antes de empezar la prueba, fue necesario realizar el montaje del equipo
fabricado. Para ello, se vertió dentro del balón de desprendimiento lateral,
100ml, y posteriormente se coloco una termocupla dentro de este, de tal
manera que la punta de la misma, quedara en donde empezaba el
desprendimiento lateral. A su vez, fue colocado un tapón de caucho, para evitar
las fugas del combustible a ser calentado, y se reforzó esta unión, mediante el
uso de cinta de teflón para gas. además, para la unión entre la tubería de
cobre, y el desprendimiento lateral del balón, se utilizo masilla epoxica, para
disminuir la diferencia de áreas que presentaban ambos elementos, y se sello
nuevamente con cinta de teflón. Las mesas se gradúan para que queden a
alturas iguales y se sellan cada una de las uniones de la tubería. Se llena de
hielo el baño de enfriamiento, y dependiendo del combustible se escoge la
fuente de calor. Para el caso de la gasolina, basto con el uso de un reverbero,
soportado sobre los tornillos pasantes. Mientras que para el caso del diesel, fue
necesario, una estufa eléctrica de mayor capacidad, y finalmente la repetición
completa de la medición utilizando un mechero de gas.
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2.4. Medición.
Una vez que el montaje ya estaba realizado, se conectan o se encienden las
fuentes de calor, teniendo en cuenta para el caso de la gasolina, que el tiempo
para el punto de ebullición no fuera superior a los 10min. Una vez que la
primera gota empieza a caer en la probeta, se empezaron a tomar las medidas
que se consideraron pertinentes. En el caso del Ministerio de Minas y Energía,
se nos muestran simplemente las temperaturas a las que se logro la destilación
del 10%, 50% y 90% de combustible, así como, los porcentajes que se
lograron destilar a 70°C, 100°C y 190°C, todo esto para el caso de la gasolina.
Para el caso del diesel, la situación es totalmente, distinta, ya que los
documentos buscados, no muestran una medición completa de la curva de
destilación.
A diferencia del caso de la presión de vapor, el procedimiento para la obtención
de resultados en este caso no es tan complejo, sino que consta básicamente
de tomar la relación del porcentaje de combustible destilado y relacionarlo con
la temperatura observada en la termocupla, todo esto manteniendo especial
cuidado del estado del montaje, y sobre todo del balón con combustible, ya que
si este no se encuentra limpio en su parte exterior, y presentase fugaz de
combustible, podría llegar a darse una ignición del mismo, con graves
consecuencias.
2.5 Resultados
A continuación muestro entonces los resultados obtenidos para el caso de la
destilación de gasolina.
Punto inicial de ebullición
312,65 K (39,5°C)
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Temp.
(°C)
Temp.
(K) ml destilados
50 323,15 14
60 333,15 38
70 343,15 42
80 353,15 46
90 363,15 52
100 373,15 56
110 383,15 62
120 393,15 68
130 403,15 74
140 413,15 78
150 423,15 82
160 433,15 84
170 443,15 86
180 453,15 88
190 463,15 92
ml destilados Temp. (°C)
Temp. (K)
10 47,9 321,05
20 53,2 326,35
30 57 330,15
40 68,3 341,45
50 89,6 362,75
60 104,9 378,05
70 124,3 397,45
80 147,4 420,55
90 185,1 458,25
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curva obtenida
0102030405060708090
100
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Temp (°C)
ml D
estil
ados
Curva obtenida
020406080
100120140160180200
10 20 30 40 50 60 70 80 90
ml Destilados
Tem
p (°C
)
% Destilado Temp. (°C) Temp. (K)
10% 47,9 321,05
50% 89,6 362,75
90% 185,1 458,25
Temp. (°C) Temp. (K) % Destilado
70 343,15 42
100 373,15 56
190 463,15 92
Temperatura Máxima
468,35 K (195,2°C)
A continuación, presento las graficas obtenidas de los datos anteriores:
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Como se puede ver de los datos, la medición de los valores de temperatura, así
como de mililitros destilados, no se hizo únicamente en los valores mostrados
por el Ministerio de Minas sino que se buscaron tomar la mayor cantidad de
datos posibles, para obtener curvas bien detalladas.
En el caso de las tablas, se midió, además del punto inicial de ebullición, una
relación directa entre la temperatura observada en la termocupla y el
porcentaje de combustible destilado, partiendo de datos fijos de temperatura (a
partir de 50°C, de 10 en 10°C, hasta alcanzar una temperatura máxima de
190°C). Adicionalmente, se tomaron datos teniendo en cuenta porcentajes fijos
de destilación ( a partir de 10ml destilados, de 10 en 10ml hasta 90ml) y
observando las distintas temperaturas en la termocupla.
Finalmente a modo de presentación, y con fines comparativos con los
obtenidos por el Ministerio de Minas, se presentan los datos con 10%,50% y
90% de combustible destilado, y su correspondiente temperatura a grados
centígrados y a grados kelvin. De igual forma se muestran los datos a 70°C,
100°C y 190°C con la correspondiente cantidad en mililitros de combustible
destilado. En la tercera tabla, se muestra la temperatura máxima que se
alcanzó, punto en el cual, no existía prácticamente nada de combustible en
estado liquido dentro del balón.
Surge entonces la pregunta, sobre la exactitud de los datos, y para ello se toma
en comparación la entidad encargada de este tema en nuestro país. así, los
datos obtenidos por el Ministerio de Minas es 1:
Punto inicial de Ebullición 317.6 K
Datos Minminas
10% 330 K
50% 371,2 K
90% 432,2 K
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Datos Minminas
70°C 39,1ml
100°C 51,1ml
190°C 96,5ml
Perdidas de 1 ml
Residuo de 1 ml
Como se puede ver entonces al realizar la comparación de los resultados, con
respecto a aquellos obtenidos por el Ministerio de Minas, la diferencia de
temperaturas para 10%, 50% y 90% fue de 8.95K, 8.45K y 26.05K, lo que
representa una desviación de 2.7%, 2.2% y 6% respectivamente. Comparando
ahora la diferencia de ml destilados a temperaturas de 70°C, 100°C y 190°C
tenemos diferencias de 2.9ml, 4.9ml y 4.5ml, lo que representa una desviación
de 7.4%, 9.5% y 4.6%. Para el caso de la temperatura inicial de ebullición
medida, le diferencia fue de 4.95 K.
Estas comparaciones, demuestran entonces, no solo que la fabricación del
equipo para realizar la curva de destilación se realizo de manera satisfactoria
sino que la toma de datos durante la prueba se realizo de una manera precisa.
En cuanto a los datos obtenidos de residuos y perdidas, obtuve cuatro mililitros
de residuo (que se representan como combustible que queda dentro del balón
y que no alcanza a pasar por el intercambiador de calor), y cuatro mililitros de
perdidas, que se pudieron haber dado, en cualquiera de las juntas del
intercambiador de calor, entre este y el balón, o en el balón mismo, en el área
donde se tenia el tapón de caucho.
Las razones, para que se hayan presentado esta diferencia de resultados, se
pueden ver en varios factores.
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Aunque la fabricación de la armadura se dio de manera satisfactoria, pudieron
haber existido mayores corrientes de aire que afectaron las medidas de
temperatura y su relación con el combustible destilado.
Si bien, cada una de las uniones, se buscó estanqueizar de la mejor manera
posible, es posible que se hayan presentado mayores fugas, debido a que, a
pesar que la cinta de teflón tuviera mayor calibre, las temperaturas de trabajo
eran bastante altas, además, el tapón del balón, fue acoplado de la mejor
manera posible, pero dadas las condiciones de presión y temperaturas dentro
del balón, se pudieron haber dado la mayor cantidad de fugas por esta vía.
Condiciones de temperatura ambiente y humedad distintas a las que se tenían
por el Ministerio de Minas.
Aunque los combustibles son ambos gasolina corriente con 10% de etanol,
bien es sabido que este porcentaje varia en algo, dependiendo de los procesos
de transporte y almacenamiento, así como la calidad de los depósitos de
combustible de las bombas, que pueden albergar un mayor o menor grado de
humedad.
Posteriormente a la realización de la medición de la curva de destilación de la
gasolina, se dispuso entonces a proceder con la medición de esta variable para
el diesel colombiano. Esta medición, presento mas problemas que para el caso
de la gasolina, y ello debido a que el diesel, debido a sus características
fisicoquímicas, requiere de mayores temperaturas para su destilación. así, se
intento en principio la destilación con la misma fuente de calor utilizada para la
gasolina, un reverbero, pero se pudo observar que aunque este llegaba a
calentarse bastante, no era suficiente para que el diesel se destilara por
completo. Se procedió entonces, a la instalación de una estufa de mayor
capacidad, y esta vez se obtuvo una gran diferencia visible, pero con todo, la
mayor cantidad de combustible destilado no superaba los 60ml, por lo que la
prueba no quedaba completa.
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Finalmente, se realizo la prueba con un mechero de gas butano ubicado en el
laboratorio de química de la universidad, y con el cual se llego finalmente a una
toma de datos completa. A continuación presento entonces, los datos
obtenidos con la tercera medición, es decir la que utilizo un mechero como
fuente de calor.
Temperatura inicial de ebullición
170°C
ml destilados Temp. (°C)
Temp. (K)
5 194,4 467,55
10 209 482,15
15 218 491,15
20 225 498,15
25 230 503,15
30 234 507,15
35 236 509,15
40 241 514,15
45 254 527,15
50 260 533,15
55 265 538,15
60 270 543,15
65 290 563,15
70 298 571,15
75 307 580,15
80 310 583,15
85 318 591,15
89 323 596,15
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Destilacion de diesel
170190210230250270290310330350370
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90ml destilados
Tem
pera
tura
(°C
)
Temperatura Máxima 350°C
Como se puede evidenciar de los resultados obtenidos, las temperaturas a las
cuales empieza la destilación del diesel, son mucho mayores que las
requeridas para el caso de la gasolina, esto claro esta debido a las propiedades
fisicoquímicas de este combustible, tema en el que se profundizará mas
adelante.
Ahora, para la comparación de resultados, como ya se dijo anteriormente, no
se tienen, como en el caso de la gasolina, datos específicos y detallados por el
Ministerio de Minas y Energía disponibles para acceso al publico en Internet
(como en el caso de la gasolina), así que se tomo como referencia un
documento expedido por Ecopetrol, donde los datos disponibles se limitan a
señalar que 6:
ml Destilados Rango de temp. (°C)
90% 282-338
Punto final de ebullición 360°C
ml Destilados Temperatura (°C)
10% 209
50% 260
90% 323
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Debido a esto, se ha tomado como referencia adicional, un documento
expedido por la empresa Discoramo, encargada de comerciar y distribuir diesel
en Costa Rica. Vale la pena notar, que así como pueden existir diferencias del
diesel dentro de las estaciones de servicio en Colombia, el diesel varia también
dependiendo del país, por lo que los datos a continuación mostrados, sirven
mas de guía sobre los valores que se deben esperar para la curva de
destilación de este combustible, adicionalmente es importante ver aquí, que no
se especifica, como en el caso de Ecopetrol, una temperatura de destilación de
diesel, sino que se da un rango dentro del que se espera que se destilen los
volúmenes esperados 7:
% destilado Temp. min. Temp. Máx. Promedio
10% 201 252 220
50% 241 291 274
90% 243 345 331
Punto Final 310 378 361
Como se puede ver al comparar los datos para el 10%, 50% y 90%, las
temperaturas alcanzadas durante la medición, no solo se encuentran dentro de
los rangos sino que para este caso, se acercan a la media, lo cual demuestra la
buena fabricación del equipo, así como la toma precisa de los datos. El punto
final es la variable en la cual se presenta mayor variación, ya que el promedio
logrado en las mediciones de Discoramo, y el valor obtenido por Ecopetrol
fueron de 360°C, mientras que para este caso la temperatura máxima
alcanzada fue de 353°C, punto a partir del cual se retiro el mechero de la parte
inferior del balón, pues la cantidad que quedaba dentro del balón era
relativamente poca (las mediciones después de enfriado el balón dieron 4ml), y
los soportes a los que estaba sujetado el balón (que para el caso especifico del
diesel se uso un soporte universal cuyos soportes eran de material plástico),
estaban ya derretidos. Por estas razones, se decidió dejar como temperatura
máxima los 353°C.
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Para el caso especifico de la destilación del diesel, no se puede entonces,
realizar una comparación puntual sobre las temperaturas obtenidas con el
equipo fabricado, y Ecopetrol o Discoramo. Esto debido a que los resultados se
muestran en un rango de temperatura. así es importante notar que todos los
datos medidos durante mi trabajo de investigación se encuentran dentro del
rango dado por ambas entidades.
En cuanto a la variación de los datos que aquí se puedan presentar con
respecto a los datos de otras entidades, cabe notar, que se pudieron dar
pequeñas fugas por las uniones de la tubería, lo que muestra porque se
alcanzaron 89ml en la probeta, y 4ml dentro del balón, lo que supone una
cantidad total de 93ml, dato que, al compararlo con el de la gasolina supone
una diferencia de 3ml donde se obtuvieron 96ml, es decir que para este caso
se dieron siete mililitros de perdidas, esto debido muy posiblemente a las
temperaturas mucho mas altas que se manejaron, y conjunto con ello, una
mayor presión en el balón de desprendimiento lateral. En cuanto a la toma de
datos, esta se vio afectada principalmente debido, a que el mechero no se
encontraba encerrado en la armadura, lo que hizo que la temperatura fluctuara
durante la medición.
2.6 Conceptualización
La curva de destilación de un combustible, se realiza, para determinar la
volatilidad del mismo durante su rango de ebullición. Esto se debe a que los
combustibles están compuestos de diferentes elementos e ingredientes, no
solo por las propiedades de este en si, sino por los procesos químicos y físicos
a los que es sometido durante su obtención. así, estos diferentes ingredientes,
son evaporados a distintas temperaturas, siendo los mas volátiles los que se
evaporan primero y a menores temperaturas, algo que acá se puede observar
claramente, ya que el diesel siendo menos volátil que la gasolina, requiere de
temperaturas mucho mas altas.
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Es en este punto entonces, donde surge la pregunta sobre la aplicabilidad de la
curva de destilación en los combustibles. Como se ha visto anteriormente, los
datos se han presentado con respecto al % destilado, y esto es debido a que
los primeros 10% destilados (correspondiente a los vapores mas volátiles),
deben ser suficientes para proveer un arranque rápido del motor, pues si bien
se recuerda, al momento de arrancar un motor, este no se encuentra aun a su
temperatura de servicio. En cuanto a la siguiente proporción que corresponde
al 50% destilado, se busca que la temperatura no sea ni muy baja ni muy alta,
sino que se encuentre dentro de los rangos ya anteriormente mostrados
durante las mediciones y las de Minminas. La razón, por la cual se tiene un
rango aceptable, es porque, si se tiene una temperatura muy baja, se podría
calentar el motor mas allá de lo que se busca, y si se tiene una temperatura
muy alta, se pueden producir problemas del calentamiento de motor en climas
fríos. Es de hecho esta proporción de combustible destilado, la que, junto con
otras variables, como el estilo de conducción y el estado de las llantas entre
otros, afecta la economía de combustible. Finalmente la proporción del 90% y
la temperatura máxima debe estar en un rango aceptable, para evitar el
fenómeno de “golpeteo” o “knocking” tan perjudicial en la cámara de
combustión, así como la formación de depósitos dentro del cilindro.
Como se puede ver entonces, la curva de destilación esta íntimamente ligada
con la volatilidad del combustible. Incluso, si se analiza el proceso de
producción del diesel o la gasolina, se puede ver que desde el principio, estos
combustibles líquidos, representan una fracción de la destilación de todo el
crudo que se obtiene del suelo, de las demás fracciones, saldrán productos
diversos como betunes, pinturas y kerosene entre otras. Analizando el proceso
desde el punto de vista químico, podemos notar que aquellas cadenas con una
mayor cantidad de carbonos se evaporaran mas lentamente, o dicho de otra
manera, a mayor temperatura que las cadenas mas ligeras.
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Además de todo lo nombrado anteriormente, se debe anotar que una buena
vaporización a temperaturas relativamente bajas, evitara el desgaste prematuro
de los diferentes elementos del motor, y al vaporizarse mas rápidamente
proveerá un rendimiento aceptable cuando el motor aun no se encuentra en su
temperatura de servicio.
Otro problema que se hace mas evidente en los automóviles viejos que aun
funcionan con carburador, es que si la temperatura de destilación del
combustible es demasiado baja, se puede presentar una alta tendencia a
formar burbujas de vapor en las tuberías que llegan al carburador, por lo que se
puede llegar a mermar e incluso obstruir el paso del combustible al cilindro.
En el caso del diesel, por ejemplo, es mas evidente como sus distintos
ingredientes se van evaporando a mayores temperaturas (esto debido al mayor
tiempo que se toma el proceso de medición de curva de destilación). así,
mientras que los primeros vapores, mas ligeros, se van destilando, el punto de
ebullición de aquellos mas pesados aumenta.
Para el tema de las emisiones, cabe notar también, que son los combustibles
mas volátiles, aquellos que tienen a emitir mas, contaminantes como HC. Por
otro lado, los combustibles con una menor temperatura final de destilación (por
ejemplo gasolina con un punto final de 190°C vs. diesel con una temperatura
final de 350°C aproximadamente), tienden a presentar menores emisiones de
particular nocivas, tales como aromáticos y poliaromaticos, siendo los
aromáticos, los componentes que contienen estructuras de anillo como de
benceno. así combustibles mas volátiles como la gasolina presentan estas
estructuras, que se diferencian bastante de las parafinas o los naftenos que se
encuentran en mayor medida en el diesel.
Los hidrocarburos aromáticos, que se encuentran en los combustibles tienen
características pobres de autoignicion, por lo que el numero de cetanos
disminuye.
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Otros de los problemas que se pueden presentar cuando un combustible no
tiene una volatilidad adecuada, es que si se tienen exceso de ingredientes o
fracciones poco volátiles (es decir que se requiere una mayor temperatura para
llegar a vaporizarlas), se puede dar un fenómeno de dilución del aceite en el
carter del motor, debido a que los hidrocarburos que no se alcanzan a
vaporizar adecuadamente, empiezan a escurrirse a través de los anillos del
pistón, dentro del cilindro y pueden llegar eventualmente al deposito de aceite.
También de importancia, aunque no aplicable en Colombia es que, la gasolina
debe tener en cuenta para países con estaciones, el periodo del año en el que
se esta realizando la distribución, pues en periodos muy fríos como el invierno,
el motor no se calentara tan rápidamente como en verano, por lo que resulta
mas difícil la vaporización de la gasolina, y cuesta mas trabajo arrancar el
motor. Por otro lado, en los veranos, donde las temperaturas son mucho mas
altas, no se busca que el combustible sea tan volátil, puesto que se vaporizaría
dentro de la cámara de combustión con demasiada facilidad, y esto podría
incluso llegar a afectar las bombas de gasolina que podrían presentar un
funcionamiento no del todo correcto. así en términos generales, a medida que
se acerca el invierno, se debe buscar una mayor cantidad de ingredientes
volátiles, y a medida que el verano se acerca, se debe buscar una menor
proporción. En países con estaciones, las compañías petrolíferas cambian la
proporción de la mezcla 4 veces por año para resolver este problema.
Buscando entonces, encontrar un equilibrio entre un rendimiento optimo en el
motor, y un combustible amigable con el medio ambiente, se ha llegado a usar
en algunos casos una ecuación conocida como ID (Índice de manejabilidad),
buscando con ello, un comportamiento del combustible en los distintos rangos
de temperatura.
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Así, el índice de manejabilidad esta definido por la ecuación 15:
DI = (1.5 * T10) + (3.0 * T50) + T90
Donde T10, T50 y T90 son las temperaturas en grados Fahrenheit, para el 10%,
50% y 90% de combustible destilado respectivamente.
Para el caso de este trabajo de investigación, y buscando realizar este análisis
para el caso colombiano, tenemos que las temperaturas en grados Fahrenheit
son de
10% 47.9°C = 118.22°F
50% 89.6°C = 193.28°F
90% 185.1°C = 365.18°F
Lo que quiere decir que la ecuación da:
DI = (1.5 * 118.22) + (3.0*193.28) + 365.18 = 1122.35
Ahora deberá tenerse en cuenta el recuadro de la ASTM, donde se relaciona el
valor máximo de DI para cada clase de volatilidad 15:
Clase de volatilidad vs. DI
AA 1250
A 1250
B 1240
C 1230
D 1220
E 1200
Así, el numero de manejabilidad hallado es un valor máximo.
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Es decir que las categorías de D y E, que se encuentran por debajo del valor
hallado de 1122.35 son aceptables, mientras que una cantidad superior, como
aquellas mostradas en la categoría AA, A, B y C, podría llevar a rendimientos
pobres para el encendido en frió. así, el combustible debe cambiar su DI
dependiendo de la estación en la que se encuentre. En invierno, por ejemplo, el
DI disminuye para proveer mejores arranques en frió. Todo ello teniendo en
cuenta, que ni el T50 ni el T90 deben bajar mucho, por las desventajas ya
explicadas a lo largo de este capitulo.
En términos generales, se puede ver entonces, una tendencia hacia los
combustibles menos volátiles, que reducen a su vez las emisiones que pueden
ser dañinas, pero que no deben tampoco, llegar al punto al que, el arranque en
frió del motor se haga con demasiada dificultad.
Finalmente, vale la pena notar dos puntos de importancia. El primero, es que,
como se ha visto, la curva de destilación y la presión de vapor, están de cierta
manera ligados, ya que ambas propiedades dan, entre otras cosas, una noción
de la volatilidad de los combustibles. El segundo punto pero no menos
importante, es que, además de un combustible de buena calidad y que
presente características satisfactorias para el rendimiento del motor, es
necesario tener un combustible que sea seguro de transportar y almacenar.
así, es de gran importancia, que se conozcan estos valores, para poder así,
adecuar tanto los medios de transporte, como los depósitos de
almacenamiento evitando al máximo los accidentes.
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3. Capacidad calorífica
3.1 Introducción
El calor especifico de un combustible, es una variable muy importante a tener
en cuenta, al momento de caracterizarlo, ya que como se sabe, el calor es una
forma de energía, y entre mayor energía se pueda extraer de una misma
cantidad de combustible, mayor aprovechamiento se puede hacer de este en
motores de combustión interna, y otros sistemas que requieran del combustible
para su funcionamiento.
Para poder obtener entonces, el calor especifico de los dos combustibles con
los que experimenté, hice uso de la norma D1298 y de la norma D2890 de la
ASTM. En el caso de la primera norma, se nos muestra en esta, como obtener
variables como densidad, densidad relativa (gravedad especifica), y gravedad
API para productos derivados del petróleo. En cuanto a lo que se refiere a la
segunda norma, que lleva como titulo “Calculation of Liquid Heat Capacity of
Petroleum Distillate Fuels” ésta establece, una vez teniendo la gravedad
especifica, relaciones graficas y ecuaciones para llegar a el calor especifico de
liquido del combustible. En realidad, el valor de la capacidad calorífica por
unidad de masa, es lo que se conoce como calor especifico, así puesto que lo
que mostraremos a continuación se da en base a una libra ( o en el caso de
unidades SI un Kg.) de combustible, lo que veremos será el calor especifico de
los combustibles, dados a distintas temperaturas.
3.2. Procedimiento
Para el caso de la medición de esta variable, a diferencia de las otras dos
características ya medidas (presión de vapor y curva de destilación) donde fue
necesario el diseño y construcción de equipos, se requirió únicamente de una
breve prueba con un picnómetro, y puesto que ya se tenían los datos de la
curva de destilación, bastaba remitirse a la norma D2890 para obtener el calor
especifico.
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Para el calculo de la gravedad especifica o densidad relativa, baste con saber
que esta variable consiste en la razón de masa de un liquido a un volumen
determinado, con respecto a la razón de masa del agua a ese mismo volumen.
Una vez halladas estas variables para el caso tanto del diesel, como para el
caso de la gasolina tenemos entonces una relación para definir la gravedad API
definida como:
Gravedad API = (141.5/gravedad especifica) – 131.5
Esta relación mostrada en la norma ASTM D1298, nos indica entonces como a
partir de la gravedad especifica se puede obtener la gravedad API.
Ya teniendo este dato de gravedad API, podemos entonces remitirnos a la
norma D2890 donde se nos indica el procedimiento para obtener el calor
especifico del combustible. Así el procedimiento a seguir consiste en 16:
1. Calcular la pendiente de la curva de destilación, medida en °F/volumen
destilado entre los valores del 10% y el 90%, es decir entre el primer y el ultimo
valor medido. Teniendo en cuenta que se busca redondear a la unidad 0.1 mas
cercana.
2. Como paso a seguir se debe calcular el VABP (Volumétrica Average Boiling
Point) que se define como la suma de las temperaturas divididas por 5, a las
que se destilaron el 10%, 30%, 50%, 70% y 90% del volumen de combustible,
esto buscando redondear las temperaturas en grados Fahrenheit al 1°F mas
cercano.
3. Obtener una “corrección” en la temperatura al 1°F mas cercano utilizando la
figura 1 mostrada en la norma ASTM D2890, y una vez realizado esto calcular
el meABP (mean Average Boiling Point) como el valor VABP calculado
anteriormente mas la corrección obtenida de la figura.
4. Redondear a la unidad 0.1 mas cercana el factor de caracterización de
Watson, K, que se obtiene de la grafica 2, mostrada en la norma D2890,
usando la gravedad API determinada y la meABP calculada.
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5. Obtener el calor especifico para cada una de las temperaturas especificadas,
fuese ya por un método grafico, para el cual se utiliza la figura 3 mostrada en la
norma D2890, o mediante la resolución de la ecuación definida como:
Cp = (0.6811-0.308G + (0.000815 – 0.000306G)T) ( 0.055K+0.35)
Donde:
Cp = capacidad calorífica, BTU/lb °F
G = gravedad especifica
T = temperatura, °F
K = factor de caracterización de Watson
El calor especifico, se reporta entonces al decimal 0.01 mas cercano en BTU/lb
°F. Si en cualquier caso, se necesitase el calor especifico en notación SI
(Sistema Internacional de unidades) es decir en kJ/Kg.*K se puede multiplicar
el resultado obtenido por 4.186800.
3.3 Resultados
Una vez explicado el procedimiento, podemos entonces empezar a mostrar los
resultados obtenidos en los distintos procedimientos, tanto para la gasolina
como para el diesel. Para el caso de la gasolina tenemos entonces que:
ml destilados Temp. (°F)
10 118,22
20 127,76
30 134,6
40 154,94
50 193,28
60 220,82
70 255,74
80 297,32
90 365,18
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Teniendo entonces estos datos, ya presentados en grados Fahrenheit, se
puede calcular lo siguiente:
Pendiente de la curva = 365.18 - 239 / 80 = 1.57
VABP = 118.22 + 134.6 + 193.28 + 255.74 + 365.18 / 5 = 213.404 °F
Factor de corrección = - 8°F
meABP = 213.404 – 8 = 205.404°F
Gravedad Especifica = 0.78
Gravedad API = (141.5 / 0.78 ) -131.5 = 49.9
Factor de caracterización de Watson. K = 11,1
Con estos datos se puede entonces calcular el calor especifico para diferentes
temperaturas.
Temperatura (°F)
Calor especifico (Btu/lb °F)
Calor especifico (kJ/kg K)
120 0,490 2,050999
130 0,495 2,074175
140 0,501 2,097351
150 0,506 2,120528
160 0,512 2,143704
170 0,518 2,16688
180 0,523 2,190056
190 0,529 2,213233
200 0,534 2,236409
210 0,540 2,259585
220 0,545 2,282761
230 0,551 2,305938
240 0,556 2,329114
250 0,562 2,35229
260 0,567 2,375466
270 0,573 2,398643
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Calor Especifico Gasolina
0,460,48
0,50,520,540,560,58
0,60,62
120 140 160 180 200 220 240 260
Temperaturas (°F)
Cap
acid
ad C
alor
ifica
(Btu
/lb°F
)
Como se puede ver de los anteriores datos, el calor especifico se calculo para
una temperatura máxima de 270°F, esto es porque, como la norma lo
especifica, el calor especifico solo es valida para temperaturas de hasta 60°F
por encima del VABP, que en este caso tiene una valor de 213.404°F, por lo
que la máxima temperatura a la que se reportan los datos es 270°F.
Para el caso del diesel, se obtuvieron entonces, los siguientes resultados
ml destilados Temp. (°F)
10 408,2
20 437,0
30 453,2
40 465,8
50 500,0
60 518,0
70 568,4
80 590,0
90 613,4
Con estos datos, se empiezan entonces a calcular los mismos datos que se
calcularon para el caso de la gasolina, pero en este caso para el diesel. Se
tienen los siguientes resultados:
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Pendiente de la curva = 613.4-408.2 / 80 = 2.56
VABP = 408.2 + 453.2 + 500 + 568.4 + 613.4 / 5 = 508.64 °F
Factor de corrección = -14 °F
meABP = 508.64 -14 = 494.64°F
Gravedad Especifica = 0.88
Gravedad API = (141.5 / 0.88 ) -131.5 = 29,29
Factor de caracterización de Watson. K = 11,2
El calor especifico del diesel para diferentes temperaturas es entonces:
temperatura (°F)
Calor especifico (Btu/lb °F)
Calor Especifico (kJ /kg K)
400 0,607 2,541321315
410 0,612 2,563392681
420 0,618 2,585464047
430 0,623 2,607535413
440 0,628 2,629606779
450 0,633 2,651678145
460 0,639 2,673749511
470 0,644 2,695820877
480 0,649 2,717892243
490 0,654 2,739963609
500 0,660 2,762034974
510 0,665 2,78410634
520 0,670 2,806177706
530 0,676 2,828249072
540 0,681 2,850320438
550 0,686 2,872391804
560 0,691 2,89446317
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Calor Especifico (Btu/lb °F)
0,560
0,580
0,600
0,620
0,640
0,660
0,680
0,700
400 420
440
460 480
500
520 540
560
Temperatura (°F)
Cap
acid
ad C
alor
ifica
(Btu
/lb °F
)
Al igual que para el caso de la gasolina, los datos para el calor especifico, solo
serán validos para una temperatura de hasta 60°F por encima de la VABP.
Puesto que en el caso del diesel esta temperatura corresponde a 508.64°F, la
temperatura máxima a la que se debe calcular el calor especifico por este
medio es de 568.64°F.
3.4. Conceptualizacion
Como ya se nombro antes, la capacidad calorífica al obtenerse por unidad de
masa da como resultado el calor especifico. así estos dos términos se relación
por la ecuación:
c = C /m = Q / m ∆T
donde c es el calor especifico del cuerpo, m es la unidad de masa utilizada, sea
esta kg o lb, C es la capacidad calorífica, Q es el calor aportado, y ∆T el
cambio de la temperatura, teniendo en cuenta las unidades en las que se
quiere presentar los datos.
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La importancia del calor especifico, resalta en el hecho que, tiene en cuenta no
solo la capacidad calorífica del liquido a tratarse, sino que, además tiene esto
en cuenta, en base al mismo peso de combustibles distintos, lo que nos da una
mejor idea de la densidad de energía del combustible por peso del mismo.
Una vez vistos estos resultados, surge la pregunta sobre el significado de los
mismos. Para entender entonces un poco mejor este resultado, vale la pena
empezar explicando el significado practico de un Btu. El Btu, mide la cantidad
de energía en “British Termal Units”, en un galón del combustible. así, entre
mayor sea la cantidad de Btu’s de un combustible, la mayor cantidad de
potencia que de este se podrá extraer en un motor de combustión interna por
ejemplo.
La enciclopedia Wikipedia defina el calor especifico como
“La capacidad calorífica o calor específico de una sustancia es la cantidad de
energía necesaria para aumentar 1 ºC su temperatura. Indica la mayor o menor
dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de
temperatura bajo el suministro de calor”16. Así, junto con esta definición y lo
visto anteriormente, podemos ver que el calor especifico, expresada en Btu/lb
°F o kJ/Kg. K, nos mostrara, la cantidad de energía en forma de calor, por
kilogramo o libra de combustible para una temperatura dada.
De los resultados anteriormente mostrados, vale la pena notar, entre otras
cosas, dos características importantes. La primera es que tanto para el diesel
como para la gasolina el calor especifico aumenta de manera lineal con la
temperatura, así, a mayor temperatura se tengan los combustibles, mayor
capacidad energética tendrán.
Lo segundo es que, el diesel tiene una mayor densidad de energía que la
gasolina, y esto se puede evidenciar tanto de las tablas de los resultados como
de las graficas.
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Esto claro, debido a que el diesel debe ser llevado a temperaturas muy altas
para que haga ignición, algo que tiene distintas implicaciones para un motor de
combustión interna, pues para el caso de motores diesel, la compresión debe
ser mucho mayor que para el caso de motores que funcionan con gasolina, de
lo contrario, no habría ignición alguna debido a que el diesel no alcanzaría una
temperatura adecuada, y como bien es sabido, a mayor compresión mayor la
temperatura que alcanza un combustible.
Así, un motor diesel tendrá en general una carrera (definida como la diferencia
entre el punto muerto superior pms y el punto muerto inferior pmi) mayor que
en el caso de la de un motor de gasolina, y puesto que ello tiene distintas
implicaciones en el diseño (como una biela mas larga), el torque en los
automóviles diesel es casi siempre, mayor que en el caso de su equivalente en
gasolina. Adicionalmente a ello, es importante tener en cuenta, que en el
momento de encendido de un motor diesel, el combustible se encuentra muy
frió para que se de un arranque no solo eficiente sino que no cause daños en el
motor, por ello, contrario a lo que mucha gente puede llegar a pensar, un motor
diesel si tiene, en algunos casos, bujías. Lo que sucede es que aquí, estos
elementos trabajan de manera un poco distinta a su forma de trabajo en un
motor de gasolina, pues estas bujías buscan “precalentar” el diesel, para que
en el momento en el que entren al cilindro donde el aire se encuentra caliente y
a altas temperaturas, pueda hacer ignición logrando un rendimiento optimo
para el automóvil.
Es por esto, que ha surgido lo que se conoce como el índice de cetano (CCI),
que no es mas que una aproximación del numero de cetano, y que parte de la
norma ASTM D976. Se tiene entonces la siguiente relación para combustibles
diesel 17:
CCI = -420.34 + 0.016G2 + 0.192 G log T50 + 65.01 (log T50)2 – 0.0001809T502
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Donde G = gravedad API, definida por la norma ASTM D1298, T50 se conoce
como el punto medio de la temperatura de ebullición.
De los resultados obtenidos en lass mediciones tenemos entonces que el CCI
= 39.64
Esta ecuación representa grandes ventajas, ya que como se sabe, la calidad
de ignición del diesel, se ve representado por el numero de cetano. Entre
mayor sea este numero o índice, mas fácil será la ignición del combustible (en
este caso el diesel). Se busca entonces un índice de cetano para el diesel que
se encuentre entre 40-55. Es decir que el diesel colombiano, no alcanza
realmente a cumplir, con los requerimientos para un funcionamiento optimo en
un motor de combustión interna, encontrándose su numero de cetano (aunque
en principio el CCI no es lo mismo que el CN, si es una buena aproximación),
apenas en el limite inferior de este rango. Como veremos mas adelante, la
calidad de los combustibles en Colombia, es un gran problema, hecho que por
ahora se ve en la falencia aquí mostrada, en lo que respecta al numero de
cetano. Pero, y ¿por qué no averiguar el CN directamente?. Lo que sucede es
que, averiguar el numero de cetano (CN) del diesel, puede resultar costoso, por
ello se utiliza el CCI como un índice que de cierta manera se aproxima al CN.
Si comparamos entonces, las densidades energéticas de la gasolina con
respecto al del diesel, podemos ver que en promedio, un galón de diesel
contiene 147.000Btu aproximadamente, mientras que un galón de gasolina
contiene tan solo 125.000Btu. Por ello, gracias a que actualmente el diesel ha
llegado a ser mucho mas limpio que antes (al menos en Europa y Estados
Unidos), cada vez mas marcas de automóviles han buscado el desarrollo y
producción en masa de motores que funcionen con este combustible.
Otra variable que también es de importancia, sobretodo en el área de
transferencia de calor es la de capacidad térmica volumétrica, que mide la
capacidad de un liquido o solido para guarda energía térmica, y el valor de esta
se obtiene como el producto de la densidad y el calor especifico.
Con todo, esta no es una propiedad a tener en cuenta al momento de
caracterizar combustibles.
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4. Combustibles en Colombia y comparación con el estándar mundial
El petróleo es sin duda, una de las industrias mas importantes de los últimos
años en Colombia, ya que ha sido en gran parte el motor de la economía en el
país. El petróleo representa el 27% del total de las exportaciones del país (casi
uno de cada tres pesos que se venden de Colombia al mundo son petróleo o
sus derivados). Adicionalmente, conjunto que impulsar las exportaciones, esta
industria le ha dado la posibilidad a muchas regiones del país de recibir
regalías por cerca de 10.23billones de pesos en los últimos 4 años.21
Desde hace ya algunos años, se ha buscado en el país, darle una mayor
atención a esta industria, dada la clara importancia, económica, social y política
que representa en nuestro país. Así se ha creado la Agencia Nacional de
Hidrocarburos, y se ha buscado fortalecer a Ecopetrol S.A., no solo para buscar
un mejor desarrollo de si misma, sino para atraer la tan apreciada inversión
extranjera.
Además de todo lo anterior, se ha venido dando desde Julio del año pasado, un
proceso importante en Ecopetrol S.A., pues se ha buscado la capitalización de
hasta el 20% de la empresa , buscando así que la empresa se maneje con
autonomía presupuestal, y que a partir de la nueva captación de fondos de
inversión se logren suplir los requerimientos de capital que ascienden a
US$2500 millones por año entre muchos otros factores. Con todo, será el
gobierno quien quede con el control de la empresa, pues mantendrá el 80% o
mas de las acciones con derecho a voto. De hecho como se puede ver de la
grafica presentada a continuación, las inversiones de Ecopetrol en los próximos
4 años, se verán aumentadas en total de un valor de US$ 664 millones/año, a
un valor de US$ 2500 millones/año, lo que significa, un aumento de cerca de 4
veces mas, y en donde actividades como la producción, y la exploración
experimentaran los mayores cambios pasando de 406 a 1209 millones de
dólares, y de 76 a 738 millones de dólares respectivamente.
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Adicionalmente como se puede ver en la segunda grafica que lleva como titulo
“Producción de Ecopetrol en petróleo equivalente”, se espera que con la ayuda
de la capitalización, se llegue a una producción de 500 mil barriles de petróleo
equivalente por día para el año 2015, aunque se espera llegar a esa cifra a
partir del año 2009.
21. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/pagesweb.nsf?opendatabase>
21. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/pagesweb.nsf?opendatabase>
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Como se puede ver entonces, la capitalización de Ecopetrol traería de aquí al
año 2015 grandes beneficios, pues se busca que los dividendos que se
generen por la operación de la empresa se incrementen, beneficiando así a
todos aquellos quienes busquen ser parte de Ecopetrol mediante la compra de
acciones.
Surge entonces la pregunta, sobre el porque de la capitalización de Ecopetrol,
en vez que, como hasta ahora, sea el gobierno una de sus mayores fuentes de
financiamiento. Y la respuesta es que como se ha visto en las ultimas dos
graficas, Ecopetrol tiene un gran plan de expansión, expansión que requiere
recursos por 12.500 millones de dólares en total para los próximos cinco años,
y que ni el gobierno ni la empresa están en capacidad de obtener. Por otro
lado, bien es sabido que las empresas publicas en Colombia, no se han
logrado caracterizar por llevar la mejor gestión ni la mas eficiente, algo que
también se espera mejorar cuando entren “algunas manos privadas” a tener
hasta el 20% del control, hecho que tiene como consecuencia, además, una
mayor liquidez de las acciones en circulación.
Es importante notar también, que aunque Ecopetrol se encuentra en este
momento generando grandes utilidades, las reservas de hidrocarburos del país
se han venido agotando, por lo que es necesario invertir en lo que se cree
serán nuevos pozos de petróleo, para tratar de evitar que Colombia, pase a ser
dependiente del petróleo importado, hecho que muy posiblemente encarecería
los precios de la gasolina.
No se debe olvidar que lo que se busca en Ecopetrol no es la privatización sino
la capitalización, pues existe una gran diferencia al respecto. Si se tratara de un
proceso de privatización, se vendería efectivamente el 20% de la empresa, y
los recursos irían directamente al Tesoro Nacional. Capitalizar por el contrario,
consiste en una emisión de acciones, de manera que el gobierno que
actualmente tiene el 100% de la empresa, “perderá” algo de participación a
costa de ganar en el largo plazo con los nuevos recursos captados en la
exploración.
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Además, el hecho de buscar los recursos por parte de los colombianos en
general, será mejor que obtener los recursos por parte del FAEP (Fondo de
Ahorro y Estabilización Petrolera), pues este es un fondo creado entre otras
cosas, para evitar los efectos de la inflación, o de una reevaluación debida a
una entrada masiva de dólares al país (crisis que actualmente esta afectando a
los exportadores, pues el dólar se encuentra casi sobre los 2000 pesos). Con
todo existen diferentes posibilidades para obtener estos recursos, pues se
podría como primera medida reinvertir las utilidades que genera Ecopetrol S.A.
(algo que la nación no puede hacer, ya que necesita de estos dividendos para
no ampliar el déficit del Gobierno Nacional Central, pues de lo contrario se
podría dar un aumento en los impuestos), e incluso si esto se hiciera, las
inversiones por 12500 millones de dólares no alcanzarían a ser cubiertas en su
totalidad por este método. Otra posibilidad, seria utilizar los recursos del Fondo
Nacional de regalías, pero estos recursos por ley, pertenecen a entidades
territoriales que no reciben regalías directas. Finalmente, se podría llegar a
plantear incluso el uso de reservas internacionales, pero esto afectaría la
liquidez del país, además, estas reservas, son las que se utilizan para
respaldar las operaciones de comercio exterior cuando por ejemplo, una
moneda como el dólar se revalúa (hecho que se esta presentando actualmente,
y que esta afectando gravemente a exportadores, como la industria floricultora,
que bien es conocido que maneja márgenes de ganancia bastante bajos,
adicionalmente estas reservas se utilizan para la deuda externa.
Pero a todo lo anterior, existen algunos factores que se nos olvidan, factores
que podrían tener consecuencias, excelentes o devastadores para el futuro de
Ecopetrol en el país. Uno de esos factores que se debe tener en cuenta es que
si bien se esperan hacer grandes inversiones en exploración, el petróleo en
Colombia se esta acabando. Nadie puede decir cuanto nos queda
exactamente, pero existen estimativos que a menos que se encuentren
grandes pozos, para el año 2011, Colombia podría empezar a depender
fuertemente de los combustibles importados.
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Así que, incluso en un escenario donde el 20% de Ecopetrol se capitalizara con
éxito, y los recursos se pudieran captar, existe incertidumbre sobre la
producción de nuevos yacimientos petrolíferos, pues no se sabe a ciencia
cierta, cuantos nos quedan, si es que aun nos quedan.
Otro factor, que se debe tener en cuenta, es el de los precios del petróleo. Y
este factor, al igual que en el caso de los yacimientos en Colombia, no se
puede predecir con exactitud. Nadie nunca pensó que para los años 2005-
2006, el precio del barril del petróleo estuviera por encima de 60 dólares el
barril, pero lo estuvo, y esto tuvo grandes consecuencia, pues para los países
que no dependían en su totalidad del petróleo, pudieron exportar el crudo,
beneficiándose de los altos precios, pero para los países que son importadores
netos de petróleo (que coinciden con ser Estados Unidos, Japón y Europa
entre otros, siendo estos una de las tres economías mas importantes del
mundo), tuvieron que empezar a pagar un precio muy alto por el oro negro, lo
que a su vez tuvo consecuencias en industrias como la automotriz, pues el
precio del galón llego a ser de hasta 3 dólares para gasolina corriente, y países
como Estados Unidos cuyo parque automotor siempre se ha caracterizado por
sus grandes motores V8 con grandes desplazamientos, se vio afectado, pues
cada vez había (e incluso hoy ) hay menos consumidores dispuestos a comprar
un SUV (Sport Utility Vehicle), (lo que en Colombia conocemos como
camioneta), debido a que el mantenimiento de los mismos se volvió muy caro.
Pero por el otro lado, tuvo consecuencias agradables, para aquellas industrias
que buscan el desarrollo de energía limpia con fuentes como energía eolica,
geotermica, mareomotriz, solar etc. Pues debido a la gran presión económica y
política que esto generó, muchos gobiernos se vieron forzados a buscar
recursos para investigación en fuentes de energía distintas al petróleo. No en
vano, países como Estados Unidos, están realizando al día de hoy, junto con
ambiciosos planes en el futuro, grandes inversiones en el desarrollo de
Biocombustibles y alcohol carburante.
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Países como Brasil, se han visto grandemente beneficiados ya que llevan
trabajando con gasolina E100 desde hace varios años, lo que a su vez ha
impulsado el desarrollo de motores conocidos como “FlexFuel”. Así, tal y como
está el panorama mundial con los precios del petróleo aun altos, Colombia se
puede ver beneficiado en el corto plazo, pues su barril de petróleo se esta
pagando a un buen precio, pero si no se encuentran grandes yacimientos
pronto, Colombia, podría empezar a pagar esos altos precios, lo que afectaría
claramente el déficit de la nación. Como ya lo he dicho anteriormente, nadie
sabe a ciencia cierta, si el precio del petróleo tendera a subir o a bajar, existen
entonces tres proyecciones hechas por la “Energy Information Administration”,
que se presentan a continuación :
ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION. Consultado 22 de Mayo de 2007. Disponible en
<http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/pdf/ieopol.pdf>
Los sectores, que se verían mas afectados, por el futuro de los hidrocarburos,
son en general, como se nos muestra en la siguiente grafica, el sector de
transporte, y el sector industrial, sectores, que analizados en el caso
colombiano, son los principales motores de la economía.
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ENERGY INFORMATION
ADMINISTRATION. Consultado 22 de Mayo de 2007. Disponible en <http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/pdf/ieopol.pdf>
22. ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION. Consultado 22 de Mayo de 2007. Disponible en
<http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/pdf/ieopol.pdf>
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Ya se ha dicho que nadie sabe exactamente, cuantos años de petróleo le
quedan al mundo, solo existen predicciones en base a estimativos hechos por
distintos entes. Teniendo esto en mente, se puede ver entonces, un pronostico
que nos muestra la Energy Information Administration, donde se realiza un
pronostico de las reservas del crudo donde se discrimina por los 10 países del
mundo mas beneficiados, y los 10 países del mundo mas afectados.
Desafortunadamente, como se puede ver del caso colombiano, nos
encontramos como el séptimo país del mundo con mayores perdidas
pronosticadas de sus reservas, de ahí la gran urgencia de obtener recursos
para realizar nuevas exploraciones de petróleo, y con suerte encontrar un
yacimiento que de la posibilidad a Colombia se seguir gozando de ser
exportador de petróleo.
Otra estadística que es importante tener en cuenta es la producción del
petróleo, independientemente de cuanto iría a reservas, cuanto se utilizaría
nacionalmente y cuando se pensaría exportar. Así, se puede obtener de la
Energy Information Agency, un estimado sobre el comportamiento de la
producción colombiana hasta el año 2030. Donde según proyecciones, se
espera que el país, aumente en promedio en 1.7% su producción desde el año
2004 hasta el 2030 22. Así, aunque el futuro de los hidrocarburos en Colombia
es incierto (así como en cualquier parte del mundo), es de cierta manera algo
optimista, considerando que:
1. Los precios del barril del petróleo, aunque no han subido mucho mas
allá de los 60 dólares por barril, se han mantenido alrededor de esta
cifra, que comparado con el precio de hace tan solo 3 años es bastante
bajo.
2. Una capitalización exitosa de Ecopetrol, tendría como beneficios una
mejor gestión en el largo plazo, y con un poco de suerte, y una inversión
bien manejada, el descubrimiento de uno o mas yacimientos petrolíferos.
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Volviendo ahora, al caso específicamente colombiano, y dejando de lado un
poco el contexto internacional, podemos ver que en nuestro caso el petróleo
sigue siendo el mayor protagonista cuando de consumo energético se trata,
pues domina el mercado con el 39.8%, mientras que el segundo “jugador” del
sector, la electricidad lo hace con tan solo el 13.4%. Aun así vale la pena notar
que estos datos son para el año 2003, y que el gas natural así como la
electricidad, han tenido crecimientos de importancia, pero que con toda
seguridad, no opacan el protagonismo del sector de petróleo y sus derivados.
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Paginas 25, 36,38. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/870e3d03e406864905256def0072494c/f6685a395a926e9005257
06900567805/Body/13.1E4A?OpenElement&FieldElemFormat=gif>. .
Cabe ahora la pregunta, sobre el desarrollo de la industria petrolífera del país,
para lo que se tienen algunos datos de interés como una red de oleoductos de
4876 Km, que esta compuesta de 41 ductos que se encargan del transporte del
crudo para los distintos fines (exportaciones, refinerías, tratamientos etc.). De
esta red de oleoductos, Ecopetrol es dueña de 1400 Km (el 28.71%), el sector
privado es dueño de 785 Km (el 16%), y el restante 55.1% son oleoductos
cuyos dueños son las asociaciones de Ecopetrol con terceros.
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De estos oleoductos, los mas importantes para la nación, dada su capacidad,
es el “Oleoducto Central La Belleza-Vasconia-Coveñas” con capacidad para
615.000 barriles de capacidad y 790 Km de longitud, y que se encarga del
transporte de Cusiana-Cupiagua hasta Coveñas, y cuyo propietario es
OCENSA.
El “Oleoducto Caño Limon-Rio Zulia-Coveñas” con capacidad de 215.000
barriles y 770 Km de longitud, que transporta el crudo desde Caño Limon
(Arauca) y pertenecen a Ecopetrol, y el “Oleoducto del Alto Magdalena” con
212.000 barriles de capacidad y 481 Km de longitud, que transporta los
excedentes de petróleo del sur y del oriente del país, y cuyo fin único es la
exportación 23.
En cuanto a lo que se refiere como el proceso de refinación del combustible, la
capacidad nacional es de 333.000 Barriles por día, de los cuales el 71.4% se
refina en la Refinería de Barrancabermeja, el 22.8% en Cartagena, el 0.8% en
Orito, y el 0.75% en Apiay, todas estas refinerías operadas por Ecopetrol. De
toda esta capacidad, el sector privado, es dueño del 4.2% equivalente a una
capacidad de 14000 Barriles de petróleo diario 23.
Estos procesos de refinamiento, para la obtención de distintos combustibles,
también se encuentran discriminados por refinería. Así, la refinería de
Barrancabermeja, producen el 75% de la gasolina, el combustóleo y el ACPM
entre otros. Adicionalmente la refinería produce gasolinas, bencina, diesel,
keroseno, JPA, avigas, GLP, ceras parafinitas, bases lubricantes, polietileno de
baja densidad, aromáticos, asfaltos, alquilbenceno, ciclohexano y disolventes
alifáticos 23.
La refinería de Cartagena, se encarga de la producción del 40.6% de GLP y
gasolinas, así como del 31.4% de productos entre los que se encuentran el
ACPM, Jet A y kerosene, así como el 28% lo convierte a gasoleo.
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MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Paginas 25, 36,38. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/870e3d03e406864905256def0072494c/f6685a395a926e9005257
06900567805/Body/13.1E4A?OpenElement&FieldElemFormat=gif>. .
Pero a lo largo de todos los datos mostrados, hemos obviado, el papel que
desempeña el etanol carburante, olvidando no solo que el 10% de la gasolina
actual contiene etanol, sino que existen ya para el largo plazo, planes para la
implantación de gasolina que contenga cada vez mas proporción de este
carburante en si, todo ello, para amortiguar un poco, la caída en las reservas
nacionales de petróleo, y buscar que el país se mantenga aun como un
territorio no dependiente de los derivados internacionales.
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Los orígenes del etanol parten desde finales del siglo XIX en Europa, pues en
ese momento la industria petroquímica no se encontraba tan desarrollada, por
lo se buscaban desarrollar motores que pudieran manejar este carburante.
Posteriormente, durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania, quien se
encontraba escaso de petróleo, empezó a desarrollar la tecnología de
producción del etanol, el metanol y la industria petroquímica, lo que bajo los
precios de la gasolina 6 veces. (si se mira en los hechos actuales, con el
desarrollo del etanol se buscaría tener unos efectos algo parecidos). Pero
desafortunadamente, para este nuevo desarrollo, el etanol presentaba el
problema de depender de la producción agrícola, hecho que en países como
Alemania, con estaciones no es constante, y por otro lado, debido a los
desarrollos dados en la industria petrolera, el mercado de gasolina, y diesel se
estabilizo rápidamente. Por ello, para la década del 50 el etanol desapareció en
Europa. Pero décadas mas tarde, el hombre fue haciéndose cada vez mas
conciente, de las graves consecuencias que la quema de hidrocarburos tenia
para el ambiente, adicionalmente, tras la crisis de los años 80, donde el precio
de la gasolina se encontraba a precios sumamente altos, la estabilidad del
mercado estaba cada vez mas afectada. Así, países como Brasil, Estados
Unidos y Europa, buscaron volver a impulsar esta industria (en Colombia, este
desarrollo se dio un poco tarde, pues fue la Ley 693 de 2003, donde se
reglamente el uso de alcoholes carburantes, buscando estimular su desarrollo y
consumo). Así para el caso nuestro, a partir de septiembre del año 2005 se
normalizo el uso de 10% de etanol en la gasolina, para los centros urbanos de
mas de 500.000 habitantes.
El alcohol, a nivel nacional, se obtiene actualmente de cultivos de yuca, papa,
maíz, remolacha y caña de azúcar entre otros. Así, para cumplir con los
requerimientos de la ley, se estima que para el año 2010 la demanda se debe
encontrar cercana a los 700 millones de litros de alcohol, lo que equivaldría a
cultivos de caña en un área de 150.000 hectáreas, en departamentos de
Cundinamarca, Antioquia, la Costa Norte, los Llanos Orientales, el Valle del
Cauca, el Eje Cafetero, el Huila y Nariño entro otros 23.
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A continuación, se muestra entonces, una tabla donde se muestran las
principales fuentes del etanol en Colombia, con su capacidad en litros por día,
así como sus principales materias primas:
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Paginas 25, 36,38. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/870e3d03e406864905256def0072494c/f6685a395a926e9005257
06900567805/Body/13.1E4A?OpenElement&FieldElemFormat=gif>.
Pero la producción del etanol para las estaciones de servicio, no para ahí. Una
vez producido el alcohol, se le debe añadir a este, un desnaturalizante, (que
para nuestro caso es gasolina casi en la totalidad de los casos), para que de
esta manera, se aseguro que el uso que se hará del alcohol, no será distinto al
de suplir las necesidades del parque automotor colombiano.
Una vez realizado este proceso, se transportan estos ingredientes, a las
plantas de almacenamiento donde se realiza el mezclado. Teniendo en cuenta
que se debe garantizar la ausencia de agua. Por último, esta mezcla es llevada
a las estaciones de servicio, donde dependerá de los estanques del minorista
donde se guarda el combustible la calidad ultima que se le dará al usuario.
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Finalmente, siguiendo en el área de combustibles alternativos, no se puede
olvidar el biodiesel, que si bien no es objeto de mi investigación, vale la pena
notar que es un combustible obtenido a partir de aceites vegetales, en el que
se ven involucrados procesos de transesterificacion y que se mezcla, en el
ACPM en diferentes proporciones, cuya ventaja además de la obvia protección
ambiental, consiste en que el diseño de los motores no requiere de cambios ni
adaptaciones. Las fuentes principales para este combustible son
principalmente para el caso colombiano, la palma africana, la soya, el girasol, el
coco y el algodón entre otros.
Para el caso del alcohol carburante en el caso colombiano se tiene que los
precios, como se puede observar en la grafica, han presentado una leve
tendencia al alza, parando de 4000 pesos por galón, a poco menos de 5000
pesos.
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Paginas 25, 36,38. Disponible en
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007. Paginas 25, 36,38. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/870e3d03e406864905256def0072494c/f6685a395a926e9005257
06900567805/Body/13.1E4A?OpenElement&FieldElemFormat=gif>.
Pero ya una vez analizados todos los factores nombrados anteriormente,
entramos en un tema que en Colombia, es bastante delicado, ya que tiene que
ver con la calidad de sus combustibles. En general, se tiene la idea que el
combustible colombiano es malo.
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Eso, desafortunamente no se aleja de la realidad. A continuación, se
presentaran entonces algunas cifras, para que el lector se lleve una buena idea
del estado de los combustibles en Colombia, en comparación con otros países.
Para empezar, tomemos como base de comparación, el combustible vendido
en Estados Unidos, por la firma Exxon. Esta, vende distintos tipos de diesel,
dado que, como ya se dijo anteriormente, en los países con estaciones, la
calidad del combustible varia un poco, para ajustarse a las distintas
condiciones de temperatura, humedad etc.
Se ofrece por esta petrolera los siguientes tipos de diesel:
Low Sulfur Diesel Fuel N°1 que se vende para condiciones de temperaturas
bastante bajas (como es el caso de Alaska por ejemplo). Este diesel, tiene una
menor viscosidad, y en general un numero de cetano alto (lo que implica una
mayor facilidad de ignición del combustible), buscando con ello un mejor
rendimiento a bajas temperaturas.
Low Sulfur Diesel Fuel N°2 Este diesel, esta hecho, básicamente para cualquier
automóvil, y comparado con el anterior, ofrece una mejor economía de
combustible, así como una mejor viscosidad, y lubricación para el vehiculo.
Diesel Extra Este es un tipo de diesel de aun mejor calidad, con cualidades
mejoradas de detergencia, 30% mejor lubricación, e incluso hasta 2.5% mas
economía de combustible.
El numero de cetano, se encuentra por encima del valor mínimo de 40.
Adicionalmente, el combustible, provee protección contra corrosión, y desgaste
en la bomba de combustible y los inyectores.
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Ya visto este caso particular, empezaremos entonces, con el caso general del
diesel en Estados Unidos. Así la ASTM en la norma D975-04a reconoce 7
grados distintos de diesel conocidos como
No 1-D S15, No 1-D S500, No 1-D S5000 : Para bajas temperaturas y con un
contenido máximo de azufre de 15ppm, 500ppm y 5000ppm. Especial para
motores de velocidades y carga altamente cambiantes.
No 2-D S15, No 2-D S500, No 2-D S5000 : Para uso general, y de motores con
velocidades relativamente constantes. Para motores diesel que no requieren
combustibles de mayor volatilidad, o con cualidades especiales. Estas con un
contenido máximo de azufre de 15ppm, 500ppm y 5000ppm.
No 4-D : Combustible pesado, que llega incluso a componerse de aceite
residual, para motores diesel de baja y media velocidad, que trabajan a
temperatura y carga constante.
Desde la década de los 90’s, la EPA ha empezado cada vez mas a regular la
calidad del combustible. Con la cantidad de azufre como la cualidad mas
importante. En general se han tenido las siguientes regulaciones:
500ppm de azufre: cifra máxima para octubre de 1993. Se conoce como low
sulfur diesel. Se implanto esta regulación para cumplir con los estándares de
emisión de 1994 para motores tipo “heavy-duty”.
15ppm de azufre: A partir de junio de 2006 se empezara a distribuir diesel con
esta cantidad de azufre. Se conoce como Ultra Low Sulfur Diesel (ULSD). Se
normalizo por la EPA, para permitir el uso de filtro de particulados y NOx, que
serán necesarios para cumplir con la regulación sobre emisiones en el año
2007-2010.
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Esta reducción de partículas de azufre, disminuye las emisiones nocivas,
derivadas de este elemento hasta en un 90% o mas.
Adicionalmente a los niveles de azufre, la cantidad de carbono tanto en el
diesel como en la gasolina, es otro de los factores a tenerse en cuenta, pues de
este componente, es que debido a la combustión, se derivan emisiones de
dióxido y monóxido de carbono, altamente nocivas para el ser humano.
Además, este valor se necesita para el calculo de la economía del combustible.
Así se tiene para la gasolina un contenido de 2421 gramos por galón, y para el
diesel un contenido de 2778 gramos por galón.
Para tener otro punto de referencia, distinto al de Estados Unidos, mostrare a
continuación los estándares de calidad para la gasolina y el diesel, de acuerdo
con el Departamento del Medio Ambiente de Australia:
Petrol Standards
Parameter National standard Grade Date of
effect
Test
Method
500 ppm (max) ULP/LRP 1-Jan-02
150 ppm (max) PULP
150 ppm (max) All grades 1-Jan-05 Sulfur
50 ppm (max) PULP 1-Jan-08
ASTM
D5453
91.0 RON (min) ULP
95.0 RON (min) PULP Research octane
number (RON) 96.0 RON (min) LRP
1-Jan-02 ASTM
D2699
Distillation Final boiling point
210°C (max) All grades 1-Jan-05
Not
specified
Benzene 1% max by vol All grades 1-Jan-06 ASTM
D5580
Lead 0.005g/L (max) All grades 1-Jan-02 ASTM
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D3237
2.7% m/m (max)
All grades
(no
ethanol)
1-Jan-02
Oxygen
3.5% m/m (max)
All grades
(with
ethanol)
1-Jul-03
ASTM
D4815
Ethanol 10% v/v (max) All grades 1-Jul-03 ASTM
D4815
85.0 (min) PULP 16-Oct-
02
81.0 (min) ULP 16-Oct-
02
Motor Octane Number
(MON)
82.0 (min) LRP 16-Oct-
02
ASTM
D2700
Copper corrosión
(3 hrs @ 50ºC) Class 1 (max) All grades
16-Oct-
02
ASTM
D130
Existent Gum
(washed) 50 mg/L (max) All grades
16-Oct-
02
ASTM
D381
AUSTRALIAN GOVERNMENT. DEPARTMENT OF THE ENVIRONMENT AND WATER RESOURCES. Consultado 22
de Mayo de 2007. Disponible en <http://www.environment.gov.au/atmosphere/fuelquality/standards/petrol/index.html>
En lo que respecta a la gasolina, (que en este caso, debería ser la misma
gasolina que se vende en el país, pues tiene un 10% de etanol), podemos ver
que la cantidad máxima de sulfuro para el 2005 es de 150ppm, y para el año
2008 es de 50ppm.
En lo que se refiere a la curva de destilación, se tiene que la temperatura
máxima de destilación no debe sobrepasar los 210°C, lo que para el caso de la
gasolina nuestra si cumple, pues se tiene una temperatura máxima medida de
195.2°C.
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Diesel Standards
Parameter National standard Date of
effect
Test
Method
500 ppm (max) 31-Dec-
02
50 ppm (max) 1-Jan-06 Sulfur
10ppm (max) 1-Jan-09
ASTM
D5453
Cetane Index 46 (min) index 1-Jan-02 ASTM
D4737
820 (min) to 860 (max) kg/m3 1-Jan-02 Density
820 (min) to 850 (max) kg/m3 1-Jan-06
ASTM
D4052
370°C (max) 1-Jan-02 Distillation T95
360°C (max) 1-Jan-06
ASTM
D86
Viscosity 2.0 to 4.5 cSt @ 40°C 1-Jan-02 ASTM
D445
Carbon Residue (10%
distillation residue) 0.2 mass % max
16-Oct-
02
ASTM
D4530
Water and sediment 0.05 vol % max 16-Oct-
02
ASTM
D2709
Copper corrosión (3 hrs
@ 50°C) Class 1 max
16-Oct-
02
ASTM
D130
Lubricity
0.460 mm (max) (all diesel
containing less than 500ppm
sulfur)
16-Oct-
02 IP 450
AUSTRALIAN GOVERNMENT. DEPARTMENT OF THE ENVIRONMENT AND WATER RESOURCES. Consultado 22
de Mayo de 2007. Disponible en <http://www.environment.gov.au/atmosphere/fuelquality/standards/petrol/index.html
Como se puede ver de los datos anteriores, variables como la curva de
destilación, representada acá, por la temperatura a la que se logran el 95% de
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la destilación, si coincide con las medidas hechas en este trabajo de
investigación para el caso del diesel colombiano.
El índice de cetano, que para el caso acá mostrado se obtuvo mediante el CCI
que es una muy buena aproximación, se encuentra para el diesel colombiano,
muy por debajo del estándar, pues como se puede ver de la tabla del diesel, el
estándar se encuentra en un valor de 46 como mínimo.
La densidad que debería tener un valor máximo de 850 kg/m3 se encuentra
para el caso colombiano, fuera de este parámetro, pues la densidad medida
arrojo 890kg/m3. En lo que respecta a la cantidad de azufre, a partir del 2006
se tiene disponible diesel con 50ppm, y a partir del 2009 10ppm, cifra muy
alejada de las que, como se mostraran a continuación dispone Colombia.
El contenido de azufre, es importante puesto que es este componente, el que
tiene un gran efecto sobre emisiones de CO, HC y NOx. Para el caso del NOx
por ejemplo, se sabe que este se reduciría en cerca del 3% por cada 100ppm
menos en el combustible. En lo que se refiere a la presión de vapor, se espera
en el caso de Asia, que se utilice el combustible con la menor presión de vapor
posible para cada una de las estaciones. Así, se debe buscar en general, una
presión máxima de 60 kPa, hecho que se cumple para el caso colombiano,
pues la presión de vapor medida arrojo como resultado máximo, 55.15kPa.
A continuación, muestro, los estándares de calidad para la gasolina en países
Asiáticos:
ASIAN DEVELOPMENT BANK. Consultado 21 de mayo de 2007. Disponible en
<http://www.adb.org/documents/guidelines/Vehicle_Emissions/cf_ch03.pdf>
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Como se puede ver, la cantidad de azufre del combustible colombiano, se
encuentra tan solo a la par de la India y Sri Lanka. La gasolina nacional es
mejor tan solo en el caso de Indonesia, Malasia y Vietnam. Y nos encontramos,
muy por encima del estándar de la unión europea por la normativa EURO4
efectiva a partir del 2005, cuyo contenido máximo de azufre esta en 50ppm. En
lo que se refiere a la presión de vapor reid, como se puede ver, nos
encontramos dentro de un rango aceptable, ya que no superamos el valor
máximo de 60kPa.
Comparemos ahora, estos datos con el caso colombiano, para llevarnos una
mejor idea de la calidad de nuestro combustible.
Actualmente en Colombia, para lugares distintos a Bogotá, la cantidad de
azufre del ACPM se encuentra alrededor de 4500ppm, aunque se espera que
para julio de este año esta cifra se vea reducida a 4000ppm. Así se busca que
para el mismo mes del 2008 se venda el combustible a 3000ppm y finalmente
para principios del 2011 se tengan 500ppm.
Para el ACPM de Bogota, se prevén cifras de 1000ppm, 1000ppm y 500ppm
para julio de 2007, julio de 2008 y principios de 2011 (la cantidad actual esta
alrededor de 1200ppm).
En lo que se refiere a la gasolina, la cantidad actual es de 1000ppm, y no se
espera bajarlas sino hasta principios de 2011 a una cifra objetivo de 300ppm.
Actualmente, como medida de corto plazo, el país esta importante diesel de
alta calidad, para mezclarlo con el nuestro, buscando así un mejoramiento del
diesel “nacional”. Estas importaciones, ascienden a 6000 barriles por día en
2007, lo que representa 200 millones de dólares de inversión.
En el caso del transporte publico, la ley 1083 de 2006, obliga al uso de
combustibles limpios a partir de enero de 2010, lo que implica la reducción a
50ppm de azufre en el diesel.
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Adicionalmente a estas medidas se busca que para el 2008 el diesel se mezcle
con 5% de biodiesel, para lo que se construirá una planta en Barrancabermeja
con capacidad de 100.000 toneladas al año, con una inversión de hasta 23
millones de dólares.
En total, se tiene entonces un plan donde se buscan inversiones por cerca de
1500 millones de dólares hasta el 2010 para cinco proyectos que comprenden
no solo unidades de hidrotratamiento en las refinerías, para reducir el contenido
de azufre (especialmente el diesel), para la producción de biodiesel a partir del
2008, la conversión de vehículos a gas natural, y el mejoramiento general de la
calidad del combustible.
Adicionalmente, debido a la alianza con Glencore Internacional, para la
refinería de Cartagena, se busca una ampliación y mejoramiento de este
centro, buscando no solo ampliar la capacidad sino buscando adherirse a los
estándares mundiales de combustibles.
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5. Conclusiones:
Las conclusiones de este proyecto de grado van mas allá, de la simple
medición de las propiedades, o del trabajo de investigación realizado para el
combustible colombiano.
1. Se pudo comprobar, que mediante la fabricación de buena calidad de los
equipos de presión de vapor de Reid y Curva de destilación, se
obtuvieron resultados comparables y satisfactorios con respecto al
Ministerio de Minas y energía de Colombia y a entidades de renombre
como Ecopetrol. Resultados que se espera, sean útiles, no solo para
este trabajo de investigación, sino para trabajos posteriores que requiera
el departamento de Ingeniería Mecánica en sus estudios.
2. Se pudo también comprobar, que un proceso adecuado de medición, tal
y como se usaron en el caso de la presión de vapor, la curva de
destilación y el calor especifico del combustible, arrojaron resultados que
llevaron a comparaciones útiles para determinar el estado de los
combustibles en Colombia, con sus ventajas y desventajas.
3. Se pudo ver la importancia de la presión de vapor de Reid, como
parámetro para la definición del combustible, no solo por las bondades
que puede traer, tener un combustible en un rango aceptable, sino por
los grandes riesgos que se pueden tener, en almacenamiento,
transporte y en el funcionamiento de un motor de combustión interna si
este valor no es seguro. Adicionalmente, al comparar los valores
obtenidos (que estuvieron por debajo de 60kPa en todos los casos), con
respecto a los mercados asiaticos, y al estándar estadounidense y
europeo, se comprobo, que en lo que se refiere a la presión de vapor (y
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su intima relación con la volatilidad de los combustibles), la gasolina en
Colombia, cumple satisfactoriamente este parámetro.
4. Fue evidente la curva de destilación, como una variable de gran
importancia, no solo para la definición de un combustible con sus
bondades y aspectos a mejorar, sino porque es por medio de este
método, que se puede ver mas claramente, y entender de manera
practica, las distintas fracciones en las que se divide un combustible, y
analizar con ello, el comportamiento que de este se podría esperar en la
combustión, el transporte y el almacenamiento. Adicionalmente, permite
palpar las diferencias que a simple vista no se pueden apreciar tan
fácilmente, al momento de comparar a la gasolina con el diesel. Al
relacionar los valores obtenidos de esta investigación con los valores
que muestran las distintas entidades nacionales e internacionales al
respecto, se pudo comprobar, al igual que para la presión de vapor, que
los requisitos son cumplidos en Colombia, logrando asi, que las distintas
fracciones de los combustibles, con sus respectivas temperaturas,
generen un comportamiento adecuado en el motor de combustión
interna.
5. Del trabajo de calor especifico, se pudo entender mejor, el
comportamiento energético del combustible a distintas temperaturas.
Buscando así un mejor entendimiento de las variables termodinámicas
que aquí entran en juego, y de la importancia de la eficiencia que se
puede obtener de un combustible.
6. Se pudo evidenciar, del trabajo de investigación, la importancia del
desarrollo de los hidrocarburos en Colombia, no solo por el peso
económico que representan para el país, sino porque es de esta
industria, que sectores como el parque automotor dependen para su
adecuado funcionamiento.
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7. Con el hecho particular de la capitalización de Ecopetrol S.A., y el
análisis que aquí se hizo, se logro dar una mejor idea sobre el futuro de
los hidrocarburos en Colombia, teniendo en cuenta las ventajas y
desventajas que representan para el país.
8. En lo que se refiere a la demanda energética mundial, se entiende
porqué es tan importante el desarrollo de la industria petrolífera en
Colombia, pero también a su vez, la búsqueda de fuentes alternativas
para subsanar el inevitable hecho que el petróleo es limitado, y que para
el caso colombiano, si bien no se tiene una fecha exacta donde se
espera que se acabe, si se tienen aproximaciones que llevan a pensar
sobre la independencia de hidrocarburos del país en el futuro.
9. Se recalca además, la importancia de la exploración de nuevos pozos de
petróleo, dada la situación actual del país, y se ve la importancia de
buscar la adecuada fuente de inversión par cubrir estos gastos. Todo
ello, para que sectores como el del transporte o el industrial, que son los
mas dependientes de los hidrocarburos no se vean tan afectados.
10. En lo que se refiere a la calidad del combustible, se pudo observar, al
comparar el combustible colombiano, con el mercado asiatico, europeo y
estadounidense, que a pesar de cumplir con ciertas características
(como la presión de vapor, o los valores de destilación del combustible),
nos encontramos bastante lejos en lo que respecta a la cantidad de
azufre, lo que tiene como consecuencia una mayor cantidad de
emisiones nocivas tanto para la atmosfera como para el propio ser
humano. Con todo, gracias al análisis hecho del documento del
Ministerio de Minas y Energía, se mostro un panorama mas claro, en lo
que se refiere al mejoramiento de la calidad del combustible a nivel
nacional, lo que evitara no solo que quedemos resagados, respecto a
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otros países, sino que industrias como la automotriz no se vean tan
afectadas por esta causa.
Bibliografía
1. TORRES Jaime, MOLINA Daniel. Estudio de la mezcla de gasolina con 10%
de etanol anhidro. Evaluación de propiedades Fisicoquímicas; Dic.2002.
Consultado 25 mayo de 2007. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/2a84e89f4d73f130052567
be0052c75a/8d566806de23cd580525705f00432e6d/$FILE/Mezcla%20Gasolin
a.pdf>
2. Microsoft ® Encarta ® 2007. © 1993-2006 Microsoft Corporation.
Reservados todos los derechos
3. OBERT Eduard, Motores de combustión interna; Editorial CECSA, reimpr.
1999.
4. http://www.ciquime.org.ar/CIQUIME/CUR/QCA/LECCION%209.pdf
5. WIKIPEDIA, Consultado 18 Mayo de 2007. Disponible en
<http://en.wikipedia.org/wiki/Vapor_pressure>
6. ECOPETROL, Consultado 20 Mayo de 2007. Disponible en
<http://www.ecopetrol.com.co/contenido.aspx?catID=216&conID=37369>
7. DISCORAMO, Consultado el 19 Mayo de 2007. Disponible en
<http://discoramo.com/docs/hojastecnicas/HOJA%20TECNICA%20DIESEL.pdf
8.http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/159/htm/sec_6
.htm
9. http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/liquidos
IM-2007-I-25
Página 83 de 84
10. http://www.escharlamotor.org/info/combustibles/
11. CLEAR AIR INITIATIVE, Consultado Mayo 23 de 2007. Disponible en
<http://www.cleanairnet.org/infopool_es/1525/article-55074.html>
12. http://campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/gasolina/gasolina.htm
13. http://tq.educ.ar/tq03028/html/naftas.htm
14. http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid/RC-2.html
15. RENEWABLE FUEL ASSOCIATION. Consultado 16 de Mayo de 2007.
Disponible en <http://www.ethanolrfa.org/objects/pdf/spanishsupplement.pdf>
16. WIKIPEDIA, Consultado 18 Mayo de 2007. Disponible en
http://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_calor%C3%ADfica
17. FERGUSON, KIRKPATRICK ; Internal Combustión Engines, Second
Edition Capitulo 10, seccion 10.5
18. MARSHALL BRAIN. "How Diesel Engines Work". April 01, 2000 .
Consultado 25 de Mayo de 2007. Disponible en
<http://auto.howstuffworks.com/diesel.htm>
19. INCROPERA, DEWITT; Fundamentos de Transferencia de Calor, Cuarta
edicion. Capitulo 2 seccion 2.2.
20. SONNTAG, BORGNAKKE, VAN WYLEN; Fundamentals of
Thermodynamics, Sexta edicion.
IM-2007-I-25
Página 84 de 84
21. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007.
Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/pagesweb.nsf?opendatabase>
22. ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION. Consultado 22 de Mayo de
2007. Disponible en <http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/pdf/ieopol.pdf>
23. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007.
Paginas 25, 36,38. Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/870e3d03e406864905256
def0072494c/f6685a395a926e900525706900567805/Body/13.1E4A?OpenEle
ment&FieldElemFormat=gif>. .
24. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA. Consultado 24 de mayo de 2007.
Disponible en
<http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/870e3d03e406864905256
def0072494c/f6685a395a926e900525706900567805/Body/6.3C18?OpenElem
ent&FieldElemFormat=gif>
25. EXXON MOBIL. Consultado 20 de mayo de 2007. Disponible en
<http://www.exxon.com/USA_English/GFM/Products_Services/Fuels/Diesel_Fu
els_BenefitsRecs.asp>
26. http://www.dieselnet.com/standards/us/fuel.html
27. ASIAN DEVELOPMENT BANK. Consultado 21 de mayo de 2007.
Disponible en
<http://www.adb.org/documents/guidelines/Vehicle_Emissions/cf_ch03.pdf>
28. AUSTRALIAN GOVERNMENT. DEPARTMENT OF THE ENVIRONMENT
AND WATER RESOURCES. Consultado 22 de Mayo de 2007. Disponible en
IM-2007-I-25
Página 85 de 84
<http://www.environment.gov.au/atmosphere/fuelquality/standards/petrol/index.
html>
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Apéndice A. A continuación presento los planos utilizados para el diseño y construcción de la Bomba de Reid.
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Apéndice B. A continuación presento los planos utilizados para el diseño y construcción del equipo para la curva de destilación