“predicciÓn de propiedades de mezclas gasolina-etanol

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL MEDIANTE ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO” TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO PETROLERO P R E S E N T AN SERGIO MARES FLORES DANIEL PÉREZ CASTILLO A S E S O R DR. JOSÉ FELIPE SANCHEZ MINERO MAYO 2013

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA

“PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS

GASOLINA-ETANOL MEDIANTE

ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO QUÍMICO PETROLERO

P R E S E N T AN

SERGIO MARES FLORES

DANIEL PÉREZ CASTILLO

A S E S O R

DR. JOSÉ FELIPE SANCHEZ MINERO

MAYO 2013

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4

AGRADECIMIENTOS

Brindamos nuestro más sincero agradecimiento al Proyecto SIP-IPN-20121386 “Análisis

Físico, Químico y Ambiental de la Incorporación de ETBE a Gasolina Comercial” así

como a todas las personas que hicieron posible la realización y culminación de este trabajo.

Al Dr. Felipe Sánchez Minero por su participación en la dirección del presente trabajo de

tesis, por su tiempo, paciencia, consejos y ayuda para poder sacar adelante este trabajo.

A Dios por darnos salud y vida para poder concluir una etapa más de nuestras vidas y por

bendecirnos con una maravillosa familia, por todo esto y más le estamos muy agradecidos

sabiendo que se encuentra siempre a nuestro lado.

Daniel Pérez Castillo

El siguiente trabajo esta dedicado con mucho cariño a mi Mamá y a mi Papá así como a

mis hermanos, como un pequeño gesto de agradecimiento por enseñarme siempre a seguir

adelante y nunca darme por vencido sin importar las dificultades que enfrente en mi camino

pero sobre todo por darme la Vida, Amor y un buen Ejemplo a seguir.

Sergio Mares Flores

A mi mamá por darme la vida, por los consejos que me dio, por la motivación, por las

dificultades y sacrificios que pasaste para que mi hermano y yo saliéramos adelante, por el

amor y paciencia que me tiene a pesar de que a veces no lo merezco. Solo quiero que sepas

que siempre te estaré agradecido GRACIAS MAMÁ TE QUIERO.

A mi papá por haberme infundado una disciplina y un carácter que me han servido a lo

largo de mi vida, por sus consejos, por su apoyo, por esas enseñanzas y por ese sacrificio

que al igual que mi mamá pasaste para que pudiera terminar con una etapa más en mi vida

gracias papá.

A mi hermano Erick por apoyarme a pesar que a veces no lo demuestra, por ser un ejemplo

para mí.

A mi tía María Guadalupe y a mi abuela Agustina que al igual que mis padres me

apoyaron a lo largo de esta etapa, pasando incluso dificultades de todo tipo. Las quiero

como si fueran mis madres también.

Hoy y siempre estaré agradecido con a mi familia ya que sin su cariño y comprensión no

hubiera podido salir adelante ya que nunca me dejaron caer, guiándome siempre a seguir

adelante y lograr nuevos objetivos. Por todo esto y más los quiero mucho.

Page 5: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

5

Por ultimo agradecemos a nuestros compañeros de la carrera que a lo largo de ese tiempo

fuimos como una familia, viviendo momentos y experiencias que se me quedaran

grabadas en nuestra memoria, esperando poder contar con ellos en las siguientes etapas de

nuestra vida (Areli Arcos,Daniel Muñoz Medrano, Fernando Navarro León, Daniel

Fernando Hernández Calderón, Malinalli Pérez Vigueras, Juan José Domínguez Grajales,

Omar Salmerón, Gabino Rangel Galicia, Erick Quiroga Guayoso, Roque Cruz, Yamily

Reyes, Nadya Haydee y Liliana Hernández)

GRACIAS POR SU AMISTAD.

Page 6: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

6

INDICE

Pág.

Resumen 11

Introducción 13

Capitulo I. Antecedentes

1.1 Gasolina 16

1.1.1 Definición 16

1.1.2 Propiedades Físicas y Químicas 17

1.1.3 Análisis Internacional 19

1.1.4 Análisis Nacional 20

1.2 Etanol 22

1.2.1 Definición 22

1.2.2 Análisis Internacional 23

1.2.3 Análisis Nacional 24

1.3 Espectroscopia de Infrarrojo 25

1.3.1 Definición 25

1.3.2 Descripción de la Prueba 25

1.3.3 Interpretación del Espectro de Infrarrojo 27

1.4 Predicción de Propiedades 28

1.4.1 Predicción de Propiedades de Gasolina 28

1.4.2 Predicción de Propiedades de Mezclas Gasolina-Etanol 29

Page 7: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

7

Capitulo II. Caracterización

2.1 Preparación de Muestras 30

2.1.1 Preparación de Gasolina de Pool 30

2.1.2 Preparación de Mezcla Gasolina-Etanol 30

2.2 Caracterización de Muestras 31

2.2.1 Espectroscopia de Infrarrojo 31

2.2.2 Numero de Octano, Presión de Vapor y Poder Calorífico 32

Capitulo III. Análisis de Resultados

3.1 Análisis Cualitativo de IR 35

3.2 Análisis Cuantitativo de IR 37

Capitulo IV. Predicción de Propiedades de Mezclas Gasolina-Etanol

4.1 Factor de mezcla FCO 41

4.2 Estimación de Parámetros 43

Conclusiones 45

Bibliografía 46

Anexos 49

Page 8: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

8

INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.1 Demanda de productos petrolíferos en Mbpd durante el periodo

1999-2009.

19

Figura 1.2 Producción de gasolina Magna y Premium durante el periodo

1999-2009 en Mbpd.

21

Figura 1.3 Producción de gasolina en el sistema nacional de refinación

durante el periodo 1999-2009 en Mbpd.

22

Figura 1.4 Producción de etanol a nivel internacional durante el periodo

1999-2009 en Mtpe.

24

Figura 1.5 Esquema de los componentes que presenta un equipo de IR. 26

Figura 2.1 Espectrofotómetro de infrarrojo Spectrum GX de Perkin Elmer. 31

Figura 2.2 Número de Octano de mezclas gasolina-etanol 32

Figura 2.3 PVR de mezclas gasolina-etanol 33

Figura 2.4 Poder calorífico de mezclas gasolina-etanol 34

Figura 3.1 Espectros de IR de mezclas gasolina-etanol en la región de

4000 a 2500 cm-1

.

35

Figura 3.2 Espectros de IR de mezclas gasolina-etanol en la región de 1650

a 850 cm-1

.

36

Figura 3.3 Contribución de áreas de espectros IR de mezclas gasolina-

etanol.

38

Figura 3.4 área bajo la curva a 1050 cm-1

de cada una de las mezclas

gasolina-etanol.

39

Page 9: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

9

Figura 4.1Propiedades fisicas y quimicas de mezclas gasolina-etanol en

funcion del factor FCO.

42

Figura 4.2Grafica de paridad (experimental vs calculado) de propiedades

fisicas y quimicas de mezclas gasolina-etanol.

44

Page 10: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

10

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1.1 Demanda de productos del petróleo por región para el año 1999 y

2009 en Mbpd.

20

Tabla 1.2 Propiedades físicas y químicas de gasolinas comercializadas en

México.

21

Tabla 1. 3 Propiedades físicas y químicas del etanol. 23

Tabla 1.4 Vibración de grupos funcionales en el IR medio (4000 a 650 cm-1

). 27

Tabla 2.1 Composición volumétrica de la gasolina de pool. 30

Tabla 3.1 Área bajo la curva a 1050 cm-1

y área bajo la curva total de cada

espectro IR de mezclas gasolina-etanol.

40

Tabla 4.1 Valores de FCO de cada una de las muestras gasolina- etanol en la

región 1050 cm-1

41

Page 11: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

11

RESUMEN

La producción de gasolina en nuestro país está por debajo de la demanda requerida por lo

vehículos de transporte. Por lo tanto, es necesario importar una cantidad considerable de

este producto. Esto representa un grave problema en las finanzas internas debido a que el

precio de venta internacional de la gasolina está por encima del precio nacional, siendo

necesario subsidiar el valor restante o en su caso incrementar de manera constante el precio

de gasolina hasta que sea similar al valor internacional.

Una de las alternativas para solucionar el problema de importación es la utilización de

biocombustibles, ya sea como aditivos o en una mayor concentración en mezcla con

gasolina. En este sentido, el etanol aparece como el producto más viable, ya que cumple

con los requerimientos de combustible y se puede obtener en grandes cantidades del

territorio nacional.

De usarse una mezcla gasolina-etanol, es necesario conocer las propiedades físicas y

químicas de la misma. Esto permitirá hacer los ajustes necesarios durante el transporte,

venta y consumo de esta mezcla combustible. Consecuentemente, se requiere de una

caracterización completa de las mezclas gasolina-etanol e incluso proponer modelos

matemáticos de predicción de propiedades a partir de valores experimentales obtenidos con

técnicas que presentan bajo costo y un tiempo corto de prueba.

Así, en este trabajo se obtuvieron modelos para la predicción de numero de octano, presión

de vapor y poder calorífico de mezclas gasolina-etanol a partir de datos experimentales de

infrarrojo (IR). Los resultados muestran un aumento constante en la intensidad y área bajo

la curva de la banda a 1050 cm-1

conforme se adiciona etanol a la mezcla. Esta banda es

característica de la vibración del grupo OH de alcoholes. Por lo tanto, este valor fue

utilizado para obtener un factor FCO y posteriormente dicho factor es utilizado para

proponer los modelos de predicción.

Page 12: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

12

Los modelos de predicción de numero de octano, presión de vapor y poder calorífico,

alcanzaron un alto grado de correlación (R2>0.98). Esto se confirma en las gráficas de

paridad, las cuales comparan el valor experimental con el valor calculado, el cual es

obtenido con el modelo matemático propuesto.

Page 13: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

13

INTRODUCCIÓN

La gasolina es uno de los principales productos derivados del petróleo. Su producción

presenta un valor ascendente a través del tiempo debido al constante incremento de

vehículos de transporte. Este combustible está compuesto de hidrocarburos parafinicos, iso-

parafinicos, olefínicos, nafténicos y aromáticos. Además, presenta compuestos de azufre,

los cuales son considerados contaminantes. Antes de ser comercializada, la gasolina se

mezcla con oxigenantes, anti-oxidantes y dispersantes, los cuales mejoran sus propiedades

físicas y químicas, cumpliendo así con la legislación ambiental existente (NOM-086-

SEMARNAT-SENER-SCFI-2005).

Los oxigenantes utilizados actualmente son el metil-terbutil-eter (MTBE) y el teramil-

metil-éter (TAME). Sin embargo, estudios recientes revelan la presencia de MTBE en

mantos freáticos [1,2]. Por lo tanto, la utilización de estos éteres puede provocar problemas

de salud. Una de las alternativas para sustituir los éteres es la utilización de

biocombustibles como el etanol, el cual es obtenido a partir de materia prima renovable,

además de que no presenta compuestos de azufre.

En la actualidad ya se implementa la utilización de etanol como combustible, ya sea a bajas

concentraciones (aditivo de gasolina) o a altas concentraciones (mezclas gasolina-etanol).

Por consiguiente, es necesario caracterizar estas mezclas para establecer el efecto del etanol

en la reformulación de la gasolina. Una de las técnicas más utilizadas para caracterizar los

combustibles es la espectroscopia de infrarrojo (IR) debido a su bajo costo y corto tiempo

de prueba [3].

En la literatura se muestran estudios relacionados con la presencia de compuestos

oxigenados como el etanol en gasolina mediante IR y análisis de modelos para la

predicción de propiedades de gasolina a partir de datos experimentales de IR [4, 5,6].

Page 14: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

14

Tomando en cuenta lo anterior, en este trabajo se propone la obtención de modelos

matemáticos para la predicción de propiedades físicas y químicas de mezclas gasolina-

etanol a partir de datos experimentales de IR.

Para cumplir este cometido se establecen los siguientes objetivos particulares:

Preparar una gasolina de pool a partir de gasolinas provenientes de diferentes plantas de

refinación (reformación, alquilación, isomerización y desintegración catalítica).

Preparar mezclas gasolina-etanol con diferente concentración de alcohol (0, 20, 40, 60,

80 y 100% volumen de etanol).

Caracterizar las mezclas gasolina-etanol mediante las técnicas de IR-medio (4000 a 850

cm-1

), numero de octano, presión de vapor y poder calorífico.

Obtener los modelos matemáticos para la predicción de propiedades de mezclas

gasolina-etanol a partir de datos experimentales de IR.

Para cubrir los objetivos anteriores se desarrollaron los siguientes capítulos:

En el Capítulo 1 se presentan los aspectos fundamentales de los combustibles: gasolina y

etanol. Una breve descripción de sus propiedades físico-químicas más importantes, la

demanda en el mercado nacional e internacional, y la descripción de la teoría de infrarrojo y

su enfoque hacia el análisis de mezclas gasolina-etanol.

En el Capítulo 2 se describe la metodología experimental para la formulación de una

gasolina base a partir de gasolinas provenientes de diferentes plantas de refinación. La

preparación de mezclas gasolina-etanol con diferente concentración de etanol y las técnicas

de caracterización utilizadas para el análisis de estas mezclas, particularmente la

espectroscopia de infrarrojo.

Page 15: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

15

En el Capítulo 3 se realiza un análisis cualitativo y cuantitativo de los espectros de IR que

presentan las diferentes mezclas gasolina-etanol. En particular, se establece la banda que

caracteriza la presencia de etanol en la mezcla con gasolina (1050 cm-1

).

En el Capítulo 4 se establece un análisis para la obtención de modelos de predicción de

propiedades físicas y químicas de mezclas gasolina-etanol. A partir de los datos

experimentales de IR se obtiene un factor característico de la presencia de etanol en la

mezcla (FCO). En seguida, este factor es utilizado para la obtención de los modelos de

predicción.

Page 16: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

16

1. ANTECEDENTES

1.1 Gasolina

1.1.1 Definición

La gasolina es el principal derivado del petróleo crudo debido a su alto consumo en

sistemas de combustión interna. Está compuesta de carbono, hidrogeno, oxigeno, azufre,

nitrógeno y trazas de metales. Presenta cadenas de carbonos que van desde pentanos hasta

dodecanos, divididos en compuestos parafinicos, iso-parafinicos, olefínicos, naftenícos y

aromáticos.

La gasolina comercial es una mezcla de varias gasolinas obtenidas en diferentes plantas de

refinación (isomerización, reformación, alquilación y desintegración catalítica). Además de

que contiene aditivos oxigenantes (MTBE, TAME), los cuales mejoran sus propiedades

físicas y químicas. A continuación se presenta un resumen de las diferentes gasolinas

obtenidas en los centros de refinación:

Gasolina de Reformación: Proceso que mejora la calidad antidetonante (octanaje) de las

gasolinas, ya que en esta planta se obtiene una mezcla con alta concentración de

hidrocarburos cíclicos insaturados (benceno, tolueno y xilenos). Esta unidad fue diseñada

para elevar el octanaje de las naftas pesadas.

Gasolina de Alquilación: El proceso de alquilación comprende la combinación de una

olefina con un hidrocarburo parafínico o aromático, en presencia de un catalizador (ácido

fluorhídrico o sulfúrico). Como producto se obtienen iso-parafinas, las cuales presentan un

mayor octanaje que las parafinas lineales.

Gasolina de Isomerización: Proceso mediante el cual se altera la estructura de una molécula

sin adicionar o sustraer algún átomo de la misma. Como productos se obtienen iso-

Page 17: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

17

parafinas con alto número de octano. Así, los hidrocarburos lineales de la gasolina se

ramifican para formar isómeros.

Gasolina de Desintegración Catalítica: Proceso que consiste en descomponer moléculas

grandes de hidrocarburos en moléculas más simples de mayor valor agregado. Para ello, se

utilizan catalizadores ácidos. De esta planta se obtienen gases, gasolina y diesel a partir de

gasóleos.

1.1.2 Propiedades Físicas y Químicas

Las propiedades físicas y químicas de la gasolina son muy importantes ya que permiten la

toma de decisiones en cuanto al almacenamiento, transporte y consumo de este producto. A

continuación se presentan algunas de las propiedades más relevantes:

Curva de Destilación: La gasolina es una mezcla de varios hidrocarburos los cuales

presenta un intervalo de ebullición (normalmente de 40 a 230ºC). Por tanto, es necesario

obtener la curva de destilación de este producto para establecer sus componentes. En la

industria petrolera se utilizan diversas curvas de destilación, las más comunes son la ASTM

(de acuerdo con la normatividad existente) y la TBP (punto de ebullición verdadero).

La curva de destilación puede arrojar varios resultados. Por ejemplo, al 10% de destilado la

temperatura de ebullición debe ser inferior a 70ºC para asegurarse que existen suficientes

componentes volátiles para un arranque en frío. A un 50% de destilado, la temperatura de

ebullición debe ser inferior a 140ºC para asegurar una volatilidad correcta y una máxima

potencia durante la aceleración del motor. Finalmente, a un 90% de destilado, la

temperatura de ebullición debe ser inferior a 190ºC para evitar depósitos en el motor como

dilución del aceite.

Densidad: Es una propiedad intensiva de la materia definida como la relación de la de un

objeto dividida por su volumen, por lo tanto, cuanto mayor sea la densidad de un

compuesto, más pesado será. La gasolina presenta un intervalo de densidad absoluta de 0.7

Page 18: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

18

a 0.8 g/ml a condiciones normales de temperatura y presión (20ºC y 1 atmosfera). Si la

gasolina contiene muchos volátiles su densidad será menor, mientras que si presenta una

alta concentración de naftas pesadas su densidad será mayor.

Presión de Vapor: Es la presión de la fase gas o vapor de un sólido o un líquido a una

temperatura determinada en la que la fase líquida y el vapor se encuentra en equilibrio

dinámico. Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras

existan ambas. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las

fuerzas de atracción intermoleculares debido a que cuanto mayor sea el módulo de las

mismas mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra

manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado. La gasolina normalmente

presenta valores de presión de vapor en el rango de 6 a 9 psi a 100ºF.

Relación Hidrogeno/Carbono (H/C):Esta relación es muy importante debido a que informa

la concentración de compuestos saturados o insaturados que puede presentar un

combustible como la gasolina. Así, cuando la relación H/C se eleva, se espera la presencia

de una mayor concentración de hidrocarburos saturados, mientras que cuando la relación

H/C desciende, la concentración de saturados decrece.

Por otro lado, se espera que si la relación H/C desciende, la cantidad de dióxido de carbono

(CO2) generado será menor, lo cual representa un beneficio ambiental en el entendido que

los hidrocarburos son la principal fuente generadora de este gas de efecto invernadero.

Número de Octano: Es la principal propiedad de la gasolina debida a que está directamente

relacionada con el rendimiento del motor del vehículo. Es la medida de su calidad

antidetonante, es decir, la resistencia que ofrece a la detonación mientras el pistón llega

hasta su máxima compresión (punto de quemado de combustible). Las gasolinas actuales

presentan valores de número de octano entre 90 y 100, dependiendo de la concentración de

oxigenantes presentes en la misma.

Page 19: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

19

Poder Calorífico: Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo de combustible al

oxidarse en forma completa. El poder calorífico expresa la energía máxima que puede

liberar la unión química entre un combustible y el comburente (O2). En la industria se

presentan dos magnitudes de poder calorífico: el superior (PCS) y el inferior (PCI).

Concentración de Azufre: La presencia de azufre en la gasolina es un parámetro importante

a caracterizar debido a que está directamente relacionado con la calidad del combustible, y

por consiguiente, con su costo en el mercado. En la actualidad, la legislación ambiental

marca la utilización de gasolina con ultra bajo contenido de azufre (< 50 ppm de azufre).

1.1.3 Análisis Internacional

La demanda de petróleo alcanzó 84,077 millones de barriles por día (Mbpd)durante 2009,

lo cual representa un aumento constante a través del tiempo. En la Figura 1.1 se muestra la

cantidad de destilados obtenidos durante el periodo 1999-2009. Se observa que los

destilados ligeros presentan un incremento de 23,948 Mbpd durante 1999 a 27,173 Mbpd

durante 2009, lo cual representa un 13.4%.

Figura 1.1 Demanda de productos petrolíferos en Mbpd durante el periodo 1999-2009. [7]

Page 20: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

20

Por otro lado, en la Tabla 1.1 se muestra la producción de combustibles por región en el

año 1999 y 2009, respectivamente. Para los destilados ligeros se observa que el mayor

incremento en la demanda le corresponde a Asia Pacifico, lo cual se debe a que en esta

región están integrados países como China con un alto crecimiento económico. En

contraste, Europa muestra una disminución en la demanda de ligeros debido a que se han

empezado a utilizar combustibles alternos.

Norte América Centro y

Sudamérica

Europa Rusia Medio Oriente África Asia Pacifico

1999 2009 1999 2009 1999 2009 1999 2009 1999 2009 1999 2009 1999 2009

Destilados

Ligeros

9,998 10,803 1,65 1,812 4,386 3,328 880 1,112 899 1,583 582 719 5,553 7,817

Destilados

Intermedios

6,628 6,332 1,625 2,011 6,69 7,642 1,022 1,222 1,513 2,257 1,006 1,356 7,613 9,326

Combustóleo 1,415 814 715 791 2,093 1,491 936 421 1,3 1,776 501 420 3,694 3,083

Otros 5,245 4,877 915 1,04 2,877 2,947 877 1,21 978 1,53 401 586 3,657 5,771

Tabla 1.1Demanda de productos del petróleo por región para el año 1999 y 2009 en Mbpd. [8]

A partir de lo anterior, se espera que en los próximos años aumente la demanda de

destilados ligeros (gasolina) hasta llegar a un máximo, el cual puede ser a corto plazo

debido al fuerte incremento en el uso de biocombustibles, así como a la utilización de autos

con energía eléctrica.

1.1.4 Análisis Nacional

En la Tabla 1.2 se presentan algunas propiedades físicas y químicas de las gasolinas

comerciales de nuestro país (Magna y Premium). La principal diferencia entre estas

gasolinas en su número de octano, mientras la Premium tiene 92 octanos, la Magna tiene 87

octanos.

Lo anterior está directamente relacionado con la concentración de oxigenantes que presenta

cada gasolina. Así, la Premium muestra una mayor concentración de metil-terbutil-eter

(MTBE) que la Magna.

Page 21: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

21

Gasolina Premium Magna

Numero de Octano 92 87

Gravedad específica @ 20/4 °C 0.70 – 0.80 0.70 – 0.80

Presión de vapor @ 37.8 °C (psi) 6.5 – 7.8 lb/pulg2 9.0 – 11.5 lb/pulg

2

Tabla 1.2 Propiedades físicas y químicas de gasolinas comercializadas en México. [9]

En cuanto al consumo de gasolina, en la Figura 1.2 se muestra la producción interna de

gasolina Magna y Premium en el periodo 1999-2009. Así, la gasolina Magna se produce en

mayor cantidad que la gasolina Premium (en promedio, 20 veces más). Esto puede deberse

a que la gasolina Magna presenta las características necesarias para una buena combustión

y menor costo que la Premium.

Figura 1.2 Producción de gasolina Magna y Premium durante el periodo 1999-2009 en Mbpd. [10]

En particular, se observa que mientras la gasolina Magna presenta un ligero incremento en

su producción en los últimos años, la gasolina Premium muestra una producción casi

constante.

En la Figura 1.3 se muestra la producción de gasolina en el sistema nacional de refinación

durante el periodo 1999-2009. En general, se observa que la producción de gasolina ha

permanecido casi constante durante los últimos diez años, lo cual puede ser negativo para

Page 22: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

22

las finanzas de Petróleos Mexicanos. La refinería de Tula es la que contribuye con un

mayor volumen de gasolina, sin embargo, Cadereyta presenta un incremento considerable

en la producción de este combustible debido a la reconfiguración realizada en los últimos

años. Este tipo de cambios se prevén para otros centros de refinación como Madero y

Minatitlán.

Figura 1.3 Producción de gasolina en el sistema nacional de refinación durante el periodo 1999-2009 en

Mbpd. [10]

De acuerdo con lo anterior, es necesario importar una cantidad casi similar a la producida

en territorio nacional para abastecer la demanda actual de este combustible. Así, hoy en día

se importan alrededor de 450 Mbpd. Esto indudablemente afecta el precio de la gasolina, el

cual se ha incrementado en los últimos años.

1.2 Etanol

1.2.1 Definición

Se conoce también como alcohol etílico, líquido incoloro e inflamable con un punto de

ebullición de 78 °C, masa molecular de 46 kg/kgmol, de naturaleza polar (soluble en agua)

y ampliamente utilizado como bebida alcohólica. Sin embargo, en los últimos años su

Page 23: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

23

producción presenta un fuerte incremento debido a que puede ser utilizado como

combustible, ya sea como aditivo o a altas concentraciones en mezcla con gasolina.

En la Tabla 1.3 se presentan algunas de las propiedades físicas y químicas más importantes

del etanol. En comparación con la gasolina, este compuesto muestra una mayor densidad y

numero de octano, sin embargo, su poder calorífico es menor debido a la concentración de

oxigeno que presenta, esto lo hace un combustible de rápido consumo comparado con la

gasolina.

Parámetro Etanol

Poder calorífico inferior (KJ/Kg) 28,225

Densidad (Kg/L) 0.792

RON 102-130

MON 89-96

Presión de vapor (KPa) 15-17

Tabla 1. 3 Propiedades físicas y químicas del etanol. [11]

También su presión de vapor es inferior a la que presenta la gasolina, por lo tanto, si se

utiliza puro es necesario reconfigurar el sistema de combustión para asegurar un quemado

parejo en el cilindro del motor.

1.2.2 Análisis Internacional

La producción de biocombustibles como el etanol a partir de cultivos sustentables que

utilicen tierras no destinadas a la producción de alimentos y a su vez no utilicen agua que

pueda ser destinada al consumo humano, aparece como una alternativa creciente a nivel

internacional, principalmente en países como Estados Unidos y Brasil (Figura 1.4).

Page 24: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

24

Figura 1.4 Producción de etanol a nivel internacional durante el periodo 1999-2009 en Mtpe. [12]

Así, la producción de alcohol se ha incrementado de 9,269 millones de toneladas de

petróleo crudo equivalente (Mtpe) en 1999 a 38,418 Mtpe en 2009 (4 veces). En particular,

Estados unidos es el que presenta un mayor incremento en la producción de etanol,

ubicándose como el principal productor a nivel mundial.

1.2.2 Análisis Nacional

En México, desde hace varios años se produce etanol a partir de la caña de azúcar en los

diferentes ingenios del país, sin embargo, su uso está directamente relacionado con la

industria de bebidas.

No obstante de contar con capacidad instalada para producir mayor cantidad, los ingenios

no la utilizan debido a que la demanda es limitada y el insumo es cíclico. En promedio, la

capacidad utilizada es de 44% respecto a la capacidad instalada.

Otro detalle muy importante es que de acuerdo con los registros estadísticos, la producción

de etanol ha disminuido en los últimos años. Así, en 1988 se produjeron 70 millones de

litros, mientras que en 2004 se obtuvieron solo 35 millones de litros.

Page 25: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

25

A principios de 2008 el Congreso de la Unión aprobó la Ley de Promoción y Desarrollo de

Bioenergéticos. Las líneas actuales de desarrollo de biocombustibles en México parten de

dos materias primas con niveles altos de producción en el país, la caña de azúcar y el grano

de maíz. Por lo tanto, se propone la utilización del trigo, sorgo, yuca y remolacha azucarera

o betabel, además de algas verdes, todos para la producción de biocombustibles como el

etanol.

1.3 Espectroscopia de Infrarrojo

1.3.1 Definición

La espectrofotometría infrarroja (IR) es una herramienta para la elucidación de propiedades

moleculares de los compuestos químicos. La técnica se basa en la vibración de los enlaces

que presenta una estructura química debido al paso de un haz de luz a través de la muestra a

estudiar.

Así, se ha encontrado que ciertas agrupaciones atómicas dan lugar a bandas de absorción de

energía en un determinado intervalo de frecuencias, independientemente de la naturaleza

del resto de la molécula. La existencia de estas bandas características de grupos funcionales

permite una amplia utilización de la espectroscopia IR en la determinación estructuras

químicas.

1.3.2 Descripción de la Prueba

Los equipos de IR se clasifican de acuerdo con la técnica de medición utilizada. Los

equipos de IR dispersivos fueron los primeros en desarrollarse y funcionan sobre la base de

la irradiación secuencial de la muestra con radiaciones de IR a diferentes frecuencias. Los

equipos de IR con transformada de Fourier (FT-IR) se basan en determinaciones

interferometricas, en donde la muestra se somete a la irradiación simultánea proveniente de

la fuente IR policromática. Los equipos FT-IR que suministran la información en forma

digitalizada se han impuesto frente a los de tipo dispersivo en las últimas décadas por la

Page 26: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

26

rapidez, sensibilidad y resolución. En la Figura 1.5 se muestran los principales

componentes del equipo de IR.

Figura 1.5 Esquema de los componentes que presenta un equipo de IR. [13]

El espectrofotómetro de infrarrojo está equipado con una fuente de emisión de radiación

infrarroja, la cual normalmente es una barra de material cerámico. La radiación emitida por

esta fuente se divide en dos haz al atravesar una serie de espejos. Un haz pasa por una celda

que contiene una disolución del compuesto orgánico (haz de la muestra) que se desea

estudiar, mientras que el otro haz atraviesa una celda que solo contiene el disolvente

empleado (haz de referencia). Los dos haces de luz se dirigen hacia un dispositivo que

permite el paso alternado de ellos (interruptor rotatorio).

La acción del interruptor permite alternar la llegada al detector del haz de la muestra con la

llegada del haz de referencia, pudiéndose comparar estas señales mediante una serie de

circuitos electrónicos. Como la absorción por el disolvente es la misma en ambas celdas, el

efecto de este se puede restar y el registrador recibe solo las señales debidas a la absorción

de la muestra.

Page 27: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

27

Estas radiaciones, separadas por su valor de longitud de onda, pasan a través de una ranura

y llegan a un detector. El detector es una bobina de alambre cuya resistencia depende de la

intensidad de la radiación, generándose así el espectro de IR de la muestra.

1.3.3 Interpretación del Espectro de Infrarrojo

La espectrometría de infrarrojo es sumamente útil para determinaciones cualitativas de

compuestos orgánicos mediante la deducción de estructuras moleculares a partir de las

vibraciones que presentan sus enlaces o grupos funcionales. La región del infrarrojo se

divide en tres regiones: IR cercano (<650 cm-1

), IR medio (4000 a 650 cm-1

) e IR lejano

(15000 a 4000 cm-1

).

En la mayoría de los casos, la región de mayor importancia o fundamental es la de IR

medio, ya que la mayoría de los equipos de IR cubren ésta región. En la Tabla 1.4 se

muestra el número de onda al cual vibran los diferentes grupos funcionales.

Familia Grupo funcional Banda (cm-1) Asignación

Alcanos

CH3

2880-2975 v C-H CH2

CH

CH3 1435 – 1470 δ C-H asim

1370 – 1385 δ C-H sim

C=C no conjugada 1650 v C=C

C=C conjugada 1600 v C=C

Aromáticos

3030-3080 ν C-H

1600 (1580) y 1500

(1450) ν C=C

Alcoholes y Fenoles ROH y Fenoles 1200 - 1400 δ O-H

Tabla 1.4 Vibración de algunos grupos funcionales en el infrarrojo medio (4000 a 650 cm-1

). [14]

Page 28: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

28

Las absorciones de los enlaces hidrógeno-X (X=O, N, C) dominan la región de número de

onda elevado. Los compuestos orgánicos presentan una gran cantidad de enlaces C-H, los

cuales presentan vibraciones en la región de 3000-2800 y 1500-1350 cm-1

, dependiendo del

tipo de grupo (metil o metileno).

La vibración del grupo O-H permite dilucidad la presencia de alcoholes. Las bandas

características de este grupo funcional aparecen alrededor de los 3350 cm-1

y en la región

de 1250 a 1000 cm-1

.

Los grupos aromáticos (C=C) presentan bandas características por arriba de 3000 cm-1

y

alrededor de 1600 cm-1. Además, en la zona de 1000 a 800 cm-1

aparecen una serie de

bandas relacionadas con vibraciones C-H de anillos aromáticos.

Finalmente, la región de 1200 a 700 cm-1

se conoce como huella digital debido a que en

esta zona cada compuesto presenta un conjunto de bandas de absorción característico, el

cual no se repite para dos o más compuestos.

1.4 Predicción de Propiedades

1.4.1 Predicción de Propiedades de Gasolina

En la literatura se presentan diversos trabajos relacionados con la caracterización de

gasolina mediante espectroscopia de infrarrojo. Algunos de ellos solo muestran un análisis

cualitativo, mientras que otros presentan un análisis cualitativo, el cual puede ser útil para

la predicción de propiedades físicas y químicas de la gasolina.

Uno de estos trabajos consultados, está relacionado con la predicción del número de octano

en gasolinas mediante espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR)

[15]. En particular, se clasificaron cinco regiones de absorción, las cuales corresponden a

bandas de compuestos alifáticos y aromáticos. La intensidad de estas bandas fue utilizada

Page 29: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

29

para obtener modelos de predicción de numero de octano de investigación (RON) con un

coeficiente de correlación (R2) superior a 0.95.

Por su parte, otro investigador desarrollo un procedimiento experimental y computacional

para predecir simultáneamente varias propiedades de la gasolina (número de octano de

investigación, numero de octano de motor, concentración de aromáticos, concentraciones

de olefinas, concentración de parafinas, concentración de oxigenados) a partir de un

espectro de infrarrojo (IR) [16]. Los modelos propuestos alcanzaron un coeficiente de

correlación (R2) con valores de 0.94 a 0.99.

Estudios más recientes demuestran que la calidad de una gasolina se puede estudiar

mediante cromatografía de gases y espectroscopia de infrarrojo (IR)[17]. Para ello se

estudiaron alrededor de 45 gasolinas con diferente número de octano y composición

química. Un trabajo similar predice propiedades de gasolinas a partir de datos

experimentales de IR y un análisis matemático (regresión lineal múltiple) [18,19].

1.4.2 Predicción de Propiedades de Mezclas Gasolina-Etanol

En cuanto a la predicción de propiedades de mezclas gasolina-etanol a partir de datos

experimentales de IR, en la literatura no se observan trabajos. Solo se presentan algunos

estudios relacionados con el análisis cualitativo de muestras gasolina-oxigenante mediante

IR. En este sentido, se ha desarrollo un método de determinación directa y simultanea de

algunos oxigenantes (benceno, tolueno y MTBE) mediante IR [20], mientras que en otros

casos se establece un mecanismo para la determinación de alcoholes (C1 a C4) y MTBE en

gasolina a partir de IR. [16]

Page 30: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

30

II. CARACTERIZACION

2.1 Preparación de Muestras

2.1.1 Preparación de Gasolina Pool

Para la realización de este trabajo se preparó una gasolina base a partir de gasolinas que

provienen de diferentes plantas de refinación (reformación, isomerización, alquilación y

desintegración catalítica).

Gasolina % Volumen

Catalítica 35

Reformación 35

Alquilación 10

Isomerización 10

Base 10

Tabla 2.1 Composición de la gasolina de pool en porcentaje volumen.

2.1.2 Preparación de Mezcla Gasolina-Etanol

La gasolina base se mezcló con etanol a diferentes concentraciones (0, 20, 40, 60, 80 y 100

% volumen de alcohol). El etanol empleado en este estudio fue proveído por Sigma-Aldrich

con una concentración de 99.5 % peso. Las mezclas gasolina-etanol fueron etiquetadas

como EX, en donde X representa el % volumen de etanol en la mezcla.

Page 31: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

31

2.2 Caracterización de Muestras

2.2.1 Espectroscopia de Infrarrojo

Las muestras fueron caracterizadas con un espectrofotómetro Spectrum GX de Perkin

Elmer (Figura 2.1). Los espectros fueron obtenidos en el modo de Transmitancia utilizando

4 escaneos en la región de IR medio (4000 a 850 cm-1

).

Figura 2.1 Espectrofotómetro de infrarrojo Spectrum GX de Perkin Elmer.

A continuación se presenta el procedimiento de prueba utilizado para caracterizar las

diferentes mezclas gasolina-etanol mediante IR:

1) Se abrió el programa “Spectrum” y se encendió el láser del espectrofotómetro de

infrarrojo.

2) Se alineó el ATR universal y se utilizó alcohol isopropílico para limpiar la zona en

donde se coloca la muestra.

3) Se monitoreó la energía del equipo, la cual debe ser del orden del 5 al 15% de la energía

total (cuando se utiliza ATR).

4) Se definieron las condiciones de prueba (región de análisis: 4000 a 650 cm-1

, número de

escaneos: 4, salida: transmitancia).

5) Se generó el espectro del medio ambiente (background).

6) Se generó el espectro de línea base (single bean).

Page 32: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

32

7) Se colocó 1 ml de muestra en el anillo porta-muestra, el cual fue previamente colocado

en el equipo para que el haz de luz pase a través de la muestra.

8) Se generó el espectro de la muestra (sample).

9) El espectro en el modo Transmitancia fue convertido al modo Absorbancia para su

análisis cualitativo y cuantitativo.

2.2.2 Numero de Octano, Presión de Vapor y Poder Calorífico

En un trabajo previo se determinó el número de octano, la presión de vapor y el poder

calorífico de las mezclas gasolina-etanol. Estos datos fueron utilizados en este trabajo para

la obtención de modelos matemáticos que predicen estas propiedades a partir de datos

experimentales de IR.

En la Figura 2.2 se presenta el número de octano de mezcla gasolina-etanol en función del

volumen de alcohol en la mezcla. En general, se observa que al incorporarse el etanol a la

mezcla se incrementa el número de octano de la misma (~3.5 octanos por cada 20%

volumen de etanol).

Figura 2.2 Numero de Octano de mezcla gasolina-etanol en función de la concentración de etanol en la

mezcla.[21]

75

80

85

90

95

100

105

0 20 40 60 80 100

Nu

me

ro d

e o

ctan

o,

RO

N+M

ON

/2

Etanol, % Volumen

Page 33: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

33

En la Figura 2.3 se muestra la presión de vapor (PVR) de mezcla gasolina-etanol en función

del volumen de alcohol en la mezcla. Los resultados muestran un ligero aumento en la

presión de vapor de la mezcla a bajas concentraciones de etanol, mientras que a

concentraciones mayores al 20 % volumen de alcohol, se observa una disminución en la

presión de vapor de la mezcla hasta llegar a un valor cercano a 2.0 psi cuando se utiliza

etanol puro.

Figura 2.3 Presión de vapor de Reid de mezcla gasolina-etanol en función de la concentración de etanol en la

mezcla.[21]

Finalmente, en la Figura 2.4 se presenta el poder calorífico de la mezcla gasolina-etanol en

función del volumen de alcohol en la mezcla. Se observa que al adicionar etanol a la

mezcla disminuye el poder calorífico de la misma (~600 kcal/kg de combustible por cada

20% volumen de etanol).

Lo anterior se debe a que el etanol contiene en su estructura un átomo de oxígeno, el cual

no se oxida (este solo favorece la combustión), disminuyendo así la energía producida por

la quema del combustible.

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100

PV

R a

10

0°F

, psi

Etanol, % Volumen

Page 34: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

34

Figura 2.4 Poder Calorífico de mezcla gasolina-etanol en función de la concentración de etanol en la

mezcla. [21]

6000

7000

8000

9000

10000

11000

0 20 40 60 80 100

Po

de

r C

alo

rifi

co, K

cal/

Kg

Etanol, % Volumen

Page 35: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

35

III. ANALISIS DE RESULTADOS

3.1 Análisis Cualitativo de IR

La Figura 3.1 presenta los espectros de IR de mezclas gasolina-etanol en la región de 4000

a 2500 cm-1

. Los resultados muestran cinco bandas asociadas a estas mezclas (3650, 3320,

2970, 2920 y 2870 cm–1

).

En general, se observa que la intensidad de dichas bandas se incrementa cuando el etanol es

incorporado a la mezcla. La banda a 3650 cm-1

es relatada al estiramiento libre del enlace

O-H[22], mientras que la banda a 3320 cm-1

es asociada a la vibración inter-molecular O-

H[23].Por lo tanto, el aumento en la intensidad de estas bandas está en función del

contenido de etanol en la mezcla.

Figura 3.1 Espectros de IR de mezclas gasolina-etanol en la región de 4000 a 2500 cm-1

.

Por otro lado, las bandas a 2970 y 2870 cm-1

son asociadas al estiramiento asimétrico y

simétrico del grupo metilo (CH3-), respectivamente [24]. Los resultados muestran que

cuando el etanol es incorporado a la mezcla la intensidad de ambas bandas aumenta. Esto se

Page 36: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

36

debe a que el etanol presenta una mayor concentración de grupos metilo que la gasolina

base, ya que su relación metil/metileno (CH3–/–CH2–) es superior a la que exhibe una

gasolina. Consecuentemente, al incrementarse la concentración de alcohol en la mezcla hay

una mayor cantidad de grupos metilo, mientras que los grupos metileno disminuyen (2920

cm-1

, estiramiento asimétrico de grupos metileno).

La Figura 3.2 presenta los espectros de IR de mezclas gasolina-etanol en la región de 1650

a 850 cm-1

. De manera similar al análisis anterior, los resultados muestran un aumento en la

intensidad de las bandas asociadas a los grupos metilo (1465 y 1380 cm-1

) cuando el etanol

es incorporado a la mezcla.

Figura 3.2 Espectros de IR de mezclas gasolina-etanol en la región de 1650 a 850 cm-1

.

Además, se observa un incremento en la intensidad de la bandas a 1250, 1090 y1050 cm-1

.

Previamente, se ha reportado en la literatura que estas bandas están asociadas con la

presencia de alcoholes, principalmente la banda a 1050 cm-1

(estiramiento del enlace C-O),

la cual es característica de alcoholes primarios como el etanol. [25]

Page 37: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

37

Finalmente, las bandas a 980 y 880 cm-1

presentan un aumento en su intensidad conforme

se incorpora el etanol a la mezcla, esto es debido a que corresponden a vibraciones C-O y

O-H, respectivamente.[25]

3.2 Análisis Cuantitativo de IR

Los datos experimentales fueron utilizados para determinar el área bajo la curva que

presenta cada una de las bandas del espectro de IR. Para ello, se utilizó un método de

deconvolución de áreas localizado en el programa Omnic. En el Anexo A se describe

ampliamente el procedimiento realizado para el cálculo del área bajo la curva.

En la Figura 3.3 se muestra la contribución de áreas del espectro IR de cada una de las

mezclas gasolina-etanol (E-0, E-20, E-40, E-60, E-80 y E-100). En general, se observa un

incremento de bandas cuando se incorpora el etanol a la mezcla, principalmente aquellas

que son altamente características de este compuesto (3320, 1250, 1090 y 1050 cm-1

). En

cuanto a las bandas características de la gasolina, estas siguen presentes aun cuando se

incorpora el etanol. Sin embargo, su verdadera contribución se puede apreciar cuando se

normalizan las áreas totales del espectro, en donde el incremento constante de las bandas de

etanol contribuye fuertemente al área total del espectro.

Page 38: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

38

Figura 3.3 Contribución de áreas de espectros IR de mezclas gasolina-etanol.

Page 39: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

39

Por otro lado, en la Figura 3.4 se muestra el espectro parcial del área bajo la curva a 1050

cm-1

para cada una de las mezclas gasolina-etanol. Se observa claramente que al adicionar

etanol a la mezcla se presenta un incremento en la intensidad y área bajo la curva de esta

banda.

Como se ha mencionado antes, esta banda es característica de la vibración C-O de

alcoholes. Por lo tanto, el área bajo la curva de esta banda puede ser utilizada como un

parámetro para establecer el efecto del etanol en mezcla con gasolina.

Figura 3.4Área bajo la curva a 1050 cm-1

de cada una de las mezclas gasolina-etanol.

Finalmente, en la Tabla 3.1 se presenta el valor de área bajo la curva a 1050 cm-1

y el área

total de cada uno de los espectros de mezclas gasolina-etanol. Los resultados muestran un

aumento en el área bajo la curva a 1050 cm-1

conforme se va incorporando etanol a la

mezcla. De manera similar, se observa un incremento en el área total conforme va

aumentando el contenido de etanol en la muestra. Este valor fue determinado para

normalizar los espectros obtenidos y encontrar así la verdadera contribución del alcohol en

la mezcla gasolina-etanol.

Page 40: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

40

Muestra A1050 cm-1

AT cm-1

E-0 0.3824 50.9380

E-20 4.6770 107.1560

E-40 8.3180 124.0260

E-60 16.1950 164.0910

E-80 19.2150 165.9260

E-100 23.6290 170.3530

Tabla 3.1Área bajo la curva a 1050 cm-1

y área bajo la curva total de cada espectro IR de mezcla

gasolina-etanol.

Page 41: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

41

IV. PREDICCION DE PROPIEDADES DE MEZCLAS

GASOLINA-ETANOL

4.1 Factor de Mezcla FCO

A partir de los valores del área bajo la curva a 1050 cm-1

(A1050) y el área bajo la curva total

(AT), se determinó un factor (FCO) para cada una de las muestras gasolina-etanol, el cual

representa el efecto del etanol en la mezcla (Tabla 4.1).

Muestra FCO= A1050/AT

E-0 0.0075

E-20 0.0436

E-40 0.0671

E-60 0.0987

E-80 0.1158

E-100 0.1387

Tabla 4.1 Valores de FCO para cada una de las muestras gasolina-etanol.

En seguida, las propiedades de mezclas gasolina-etanol (número de octano, presión de

vapor y poder calorífico) fueron graficadas en función del factor FCO para obtener un

modelo matemático de ajuste, el cual sea capaz de predecir estas propiedades a partir del

valor de FCO (Figura 4.1).

A continuación se presentan los modelos para la predicción de propiedades de mezclas

gasolina-etanol en su forma general:

b F a NO CO

c F b F a - PVR CO

2

CO

c F b F a - H CO

2

COM

Page 42: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

42

Figura 4.1 Propiedades fisicas y quimicas de mezclas gasolina-etanol en función del factor FCO.

80

85

90

95

100

105

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15

mer

o d

e O

ctan

o

(R+

M/2

)

FCO

0

2

4

6

8

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15

PV

R,

psi

a 1

00ºF

FCO

6000

7000

8000

9000

10000

11000

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15

Pod

er C

alo

rífi

co, K

cal/

Kg

FCO

Page 43: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

43

4.2 Estimación de Parámetros

Los parámetros de los modelos matemáticos propuestos para la predicción de propiedades

de mezclas gasolina-etanol fueron obtenidos mediante el método de minimización de

Powell, el cual se localiza en el programa Scientist de MicroMath (Anexo B).

Los datos de entrada al programa fueron los valores experimentales de dichas propiedades

y los valores de FCO, así como los modelos propuestos. Los datos de salida fueron los

valores calculados de estas propiedades y el valor de los parámetros presentes en los

modelos.

La función objetivo del análisis fue el factor de correlación (R2), el cual presento un valor

superior a 0.98 para todos los modelos evaluados. A continuación se presentan las modelos

de predicción de propiedades de mezclas gasolina-etanol:

80.6 F 30.71 NO CO

6.3 F 54.4 F 602.5- PVR CO

2

CO

10200 F 17340 F 64330 H CO

2

COM

En la Figura 4.2 se presentan las gráficas de paridad (experimental vs calculado) de las

propiedades de mezclas gasolina-etanol (número de octano, presión de vapor y poder

calorífico). En general, se alcanza un alto grado de ajuste entre los valores experimentales

y calculados (punto de intercepción a 45°). Consecuentemente, estos modelos se pueden

considerar para estimar las propiedades de mezclas gasolina-etanol.

Page 44: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

44

Figura 4.2 Grafica de paridad de propiedades de mezclas gasolina-etanol.

Page 45: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

45

CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos en este estudio, se pueden establecer las siguientes

conclusiones:

El etanol presenta varias bandas de absorción de IR, la banda a 1050 cm-1

es la que

representa mejor el efecto de este alcohol en mezcla con una gasolina. Lo anterior

debido a que la intensidad y área bajo la curva de esta banda muestra un incremento

constante conforme se adiciona etanol a la mezcla.

El factor de mezcla FCO obtenido a partir del análisis de IR es útil para la obtención de

modelos matemáticos que predicen propiedades físicas y químicas de mezclas gasolina-

etanol. Esto debido a que al graficar las propiedades de estas mezclas en función del

factor FCO se obtienen curvas con una tendencia definida, a partir de la cual se proponen

el modelo matemático de predicción.

Los modelos matemáticos propuestos presentan un alto grado de ajuste para la

estimación de propiedades de mezclas gasolina-anterior. Lo anterior debido a que

durante la estimación de los parámetros presentes en los modelos se alcanzó un factor

de correlación (R2) superior a 0.98.

Page 46: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

46

BIBLIOGRAFIA

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[11] Hoja de seguridad del etanol Consultada el 19 de Septiembre de 2012.

http://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/12etanol.pdf

[12] Luis Armando Becerra Pérez (2009); La Industria del Etanol en México, Revistas

UNAM,Vol. 6, No 016

Page 47: “PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DE MEZCLAS GASOLINA-ETANOL

47

[13] Diagrama de un espectrofotómetro infrarrojo. Consultada el 1 de Octubre de 2012.

http://www.sinorg.uji.es/Docencia/FUNDQO/TEMA9FQO.pdf

[14]Douglas A. Skoog,Stanley R. Crouch,F. James Holler , Principios de Análisis

Instrumental / Principles of Instrumental Analysis , Sexta edición, Editorial: Cengage

Learning, Pág. 461

[15] Asfaha lob, Mohammed A. Ali, Bassam S. Tawabini, Jamal A. Anabtawi, Syed A. Ali

and Abdulghani Al-Farayedhi (1993); Prediction of reformate research octane number by

FT-i.r. spectroscopy, ELSEVIER, 74,227–231

[16] Fodor, G.E.; Kohl, K.B.; Mason, R.L (1996); Analysis of Gasolines by FT-IR

Spectroscopy, Analytical Chemistry, 68, 23-30.

[17] K. Brudzewski, A. Kesik, K. Kolodziejczyk, U. Borowska, J. Ulaczyk (2006);

Gasoline Quality Prediction using Gas Chromatography and Ftir Spectroscopy,

ELSEVIER, 85,553–558

[18] Fernanda Araújo Honorato, Benício de Barros Neto, Maria Fernanda Pimentel, Luis

Stragevitch, Roberto Kawakami Harrop Galvao (2008); Using Principal Component

Analysis to Find the Best Calibration Settings for Simultaneous Spectroscopic

Determination of Several Gasoline Properties, ELSEVIER, 87,3706–3709

[19] Andreas A. Kardamakis, Nikos Pasadakis (2010); Autoregressive Modelig Near-Ir

Spectra and MLR to Predict RON Values of Gasolines, ELSEVIER, 89, 158–161

[20] Emilio Lopez-Anreus, Salvador Garrigues, Miguel de la Guardia; Vapour Generation-

Fourier Transform Infrared Spectrometric Determination of Benzene, Toluene and Methyl

Tert. -Butyl Ether in Gasolines

[21] Daniel Hernández Pacheco, Maurilio Tobón Gómez; Caracterización de Mezclas

Gasolina-Oxigenante. Tesis para optar al título de Ingeniero Químico Petrolero. Instituto

Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas,

2012.

[22] Fernandez, H.; Raymundo, I.; Pasquin, C.; Rohwedder, J. (2008); Simultaneous

determination of methanol and ethanol in gasoline using NIR spectroscopy: effect of

gasoline composition. Talanta: 75, 804-810.

[23] M. R. Riazi (2005),Characterization and Properties of Petroleum Fractions, ASTM

International.

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[24] Castro, L. V.; Vazquez, F. (2009); Fractionation and characterization of mexican crude

oils. Energy and Fuels: 23, 1603-1609.

[25] Garrigues, J. M.; Perez-Ponce, A.; Garrigues, S.; de la Guardia, M. (1997); Direct

determination of ethanol and methanol in liquids samples by means of vapor phase-Fourier

transform infrared spectroscopy. Vib. Spectroscopy: 15, 219-228.

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49

ANEXOS

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Anexo A.

Procedimiento para determinar el área bajo la curva de los espectros de IR por el método de

deconvolución de áreas.

1.- Abrir archivo en el programa Omnic.

2.- Dar click en el menú “Procesar” y en seguida se selecciona la herramienta “Corrección

Línea Base Automática”.

3.- Dar click en el menú “Procesar” y en seguida se selecciona la herramienta “Suavizado”,

se selecciona el valor de 48.212 cm-1

.

4.- Dar click en el menú “Mostrar” y en seguida se selecciona la herramienta “Visualizar

Limite”, se selecciona el valor de 4000 a 850 cm-1

.

5.- Dar click en el menú “Analizar” y en seguida se selecciona la herramienta “Peak

Resolve”.

6.- Una vez seleccionada la herramienta de localización de picos, se establecen los

siguientes parámetros:

Find Peaks → Lorentzian

Sensitivity → Low

FWHH → 40,000

Noise Target → 10.00

Baseline → Linear

7.- Después de establecer los parámetros anteriores se selecciona la herramienta “Find

Peaks”.

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8.- A partir de los picos generados se selecciona la herramienta “Peaks”, se dan de alta los

picos característicos de la mezcla (aquellos obtenidos en el análisis cualitativo) y se dan de

baja aquellos no considerados en dicho análisis.

9.- Dar click sobre cada uno de los datos y anclar el pico mediante la selección del número

de onda al cual aparece.

10.- Se selecciona la herramienta “FitPeaks”, esto genera una serie de espectros, los cuales

si se suman dan por resultado el espectro original.

11.- Dar click en “Anadir” y seleccionar en otra ventana, esto mandara los datos a una

nueva ventana, en donde se puede seleccionarse y guardarse cada uno de los espectros.

12.- Los espectros se guardan con la extensión CSV Text, para posteriormente poder

utilizarse en el programa OriginLab.

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Anexo B.

Procedimiento para determinar los coeficientes que presentan los modelos de predicción de

propiedades de mezclas gasolina-etanol.

1. Editar el archivo ejecutable, el cual está estructurado por variables dependientes,

variables independientes, modelos matemáticos y valores iniciales.

2. Editar el archivo de datos, el cual requiere de los valores experimentales.

3. Editar el archivo de parámetros, el cual define los parámetros de los modelos

matemáticos, además de que es necesario establecer un límite (valor mínimo y valor

máximo).

4. Definir la función objetivo, la cual para este trabajo es el factor de correlación R2, y se

programó para que aceptara resultados siempre y cuando su valor fuera superior a 0.98.

5. Compilar los archivos anteriores.

6. Seleccionar el método de ajuste de parámetros. Para este estudio se seleccionó el

método de minimización de Powell.

7. Analizar los resultados (factor de correlación, valores de parámetros y valores

calculados).