Producción, caracterización y desempeño del biodiesel en un motor diésel con mezclas B5, B10 y B20 Public Deposited
En este proyecto de investigación se caracterizó el aceite residual de cocina y el diésel PEMEX; se produjo y caracterizó biodiesel a partir del aceite residual de cocina, además se caracterizaron las mezclas de biodieseldiésel PEMEX B5, B10, B20. Asimismo, se evaluó el desempeño del motor diésel con las mezclas de biodiesel diésel –Pemex, B5, B10 y B20, y también se midieron las emisiones del motor diésel. En el capítulo uno se realizó la caracterización del aceite residual de cocina y la producción de biodiesel a partir de aceite de cocina usado, por medio de una reacción de transesterificación y catálisis básica homogénea. Con la finalidad de encontrar las condiciones óptimas de la reacción, se evaluaron tres diferentes catalizadores, el primero fue hidróxido de sodio (NaOH); el segundo, hidróxido de potasio (KOH); y el tercero, hidróxido de calcio (Ca(OH)2), usando 1% en peso de catalizador; se exploraron tres diferentes temperaturas de reacción 40 °C, 45 °C y 50 °C, con un tiempo de reacción 180 minutos, con una relación molar metanol aceite 6:1. Asimismo, se experimentó con los mismos catalizadores pero ahora sólo con una temperatura de 50 °C y a diferentes tiempos de reacción a partir de 15 minutos hasta 120 minutos en intervalos de 15 minutos, con la misma relación molar metanol aceite 6:1. Las condiciones óptimas de la reacción fueron: una relación molar metanol aceite de 6:1, con el catalizador básico NaOH, y se obtuvo un rendimiento del 82.7 % a una temperatura de 50 °C y con un tiempo de reacción de 75 min. Posteriormente, se analizó el hidróxido de sodio (NaOH) a cuatro temperaturas de reacción 40 °C, 45 °C, 50 °C y 55 °C, tomando una muestra cada 15 minutos hasta llegar a dos horas es decir, se toma una muestra a los 15, 30,45...120 minutos. Las muestras tomadas fueron diluidas en una solución de ciclohexano (4:1), para elaborar un análisis cromatográfico. Con una relación molar metanol aceite 6:1 y con el catalizador básico NaOH, se obtuvo un rendimiento del 85.5 % a una temperatura de 50 °C y con un tiempo de 75 min. Esto se realizó con la finalidad de obtener la cinética de la reacción de transesterificación, obteniendo una energía de activación de 73,474 kJ/kg. En el capítulo dos se presenta la caracterización del biodiesel y de las mezclas de biodiesel-diésel PEMEX, B5, B10 y B20, los parámetros medidos fueron: índice de yodo, índice de saponificación, índice de esteres, índice de acidez. Los parámetros que determinaron la calidad del biodiesel fueron: el porcentaje de humedad, índice de peróxido, el punto de nube, la densidad, la viscosidad, el poder calorífico superior. Se utilizó la espectrometría infrarroja para determinar los picos característicos del biodiesel y las mezclas B5, B10 y B20. Para determinar el índice de yodo se utilizó la norma NMX-F-152-SCFI-2011; para el índice saponificación se utilizó la Norma mexicana NMX-F-174-SCFI-2006; para el número de acidez, se utilizó la norma NMXK-418-1976; para el poder calorífico inferior se utilizó el equipo IKA C2000, se utilizó el método dinámico a 25ºC que cumple con las normas ASTM D1989, D240, D5865, D4809, D5468 y E711. El aceite presenta un índice de saponificación de 261.63 miliequivalentes de KOH /100g de muestra, con un índice de acidez de 0.81 y el biodiesel tiene una acidez de 0.65. El porcentaje de humedad del biodiesel fue 0.65g y la viscosidad y densidad se encuentran dentro de las normas ASTM con 0.94 g/ml y 0.86 centistoks, respetivamente. La espectrometría infrarroja muestra picos característicos que representan los grupos funcionales de los aceites y el biodiesel. El ACU y el aceite virgen presentan vibraciones similares, lo que indica que la estructura de la materia prima es similar. La mezcla B10 tiene un poder calorífico de 45956 kJ/kg. En el capítulo tres se evalúo el desempeño del motor diésel y sus emisiones. Las emisiones se midieron con el analizador de gases BOSH modelo BEA 350. Las emisiones medidas fueron CO, CO2, inquemados y opacidad. Las emisiones se de gases nocivos como CO se reducen en promedio 13.6 % al igual que la opacidad en 6.2 %, sin embargo, la emisión de CO2 y HC aumenta 4.7 % y 10.3% respectivamente Para el desempeño del motor diésel se utilizó un módulo experimental del motor diésel modelo TQ-Plint “Merlín 2”, se midió, la potencia, el torque, la eficiencia térmica y el consumo específico de combustible, utilizando como combustible al diésel-Pemex y las mezclas de biodiesel-diésel Pemex, B5, B10 y B20. El mejor desempeño del motor diésel se obtuvo con la mezcla B10 obteniendo un aumento en el torque del 22 %, un aumento en la potencia del 21 % y un aumento en la eficiencia térmica de alrededor del 33 %, y disminuyendo el consumo de combustible en un 27%. La investigación realizada en este trabajo muestra que el biodiesel a partir de ACU funciona como un aditivo del diésel para su quema en el motor diésel, además no se realizaron cambios o ajustes en el motor. También la calidad del biodiesel producido depende directamente de la materia prima, sin embargo, una materia prima como el ACU para la producción de biodiesel arrojó resultados que se encuentran en rangos aceptables para su producción.En los seis anexos se muestran los procedimientos de la utilización de las normas mexicanas utilizadas en este proyecto de investigación para la producción de biodiesel.
In this research project was characterized the waste cooking oil and disel PEMEX, biodiesel produced and characterized from waste cooking oil, besides different blends B5, B10, B20 of biodiesel and diésel PEMEX was characterized. Furthermore, performance was evaluated in a diésel engine with the different blends and emissions were measured. In chapter one characterization of waste cooking oil, and the production of biodiesel from waste cooking oil through a transesterification reaction homogeneous base catalysis was performed. In order to find optimal reaction conditions, three different catalysts were tested, the first being sodium hydroxide (NaOH); Then, potassium hydroxide (KOH); and third, calcium hydroxide (Ca (OH) 2), using 1% by weight of catalyst; three different reaction temperatures 40 ° C, 45 ° C and 50 ° C were explored, with a reaction time of 180 minutes with methanol and oil in a molar ratio of 6: 1. Optimal reaction conditions were: oil molar ratio with methanol in a 6: 1, the basic catalyst NaOH, and a yield of 82.7% at a temperature of 50 ° C and a reaction time of 75 min was obtained. Subsequently, sodium hydroxide (NaOH) was analysed, four reaction temperatures at 40 ° C, 45 ° C, 50 ° C and 55 ° C, taking a sample every 15 minutes for to two hours, a sample is taken at 15, 30,45 ... 120 minutes. The samples were diluted in a solution of cyclohexane (4: 1), to develop a chromatographic analysis. With a molar ratio methanol and oil in a 6: 1 and the basic catalyst NaOH, a yield of 85.5% at a temperature of 50 ° C with a time of 75 min it was obtained. This was done in order to obtain the kinetics of the transesterification reaction, obtaining an activation energy of 73.474 kJ /kg. In chapter two the characterization of biodiesel and biodiesel-diesel blends PEMEX, B5, B10 and B20, presents the parameters measured were: iodine index, saponification index, esters and acid index. The parameters that determined the quality of biodiesel were: the percentage of moisture, peroxide, cloud point, density, viscosity, calorific value. Infrared spectrometry was used to determine the characteristic peaks of biodiesel and the B5, B10 and B20 blends. To determine the iodine NMX-F-152-SCFI-2011 standard was used; saponification index for the Mexican Standard NMX-F-174-SCFI-2006 was used; for acid number, NMX-K-418-1976 standard used; and for the lower heating IKA C2000 equipment used, the dynamic method at 25 ° C and the ASTM D1989, D240, D5865, D4809, D5468 and E711 standards are used. The oil has a saponification value of 261.63 meq KOH / 100g sample, with an acid number of 0.81 and biodiesel has an acidity of 0.65. The moisture content of biodiesel was 0.65g, the viscosity and density are similar to ASTM standards with 0.94 g / ml and 0.86 centistoks. Infrared spectroscopy shows characteristic peaks representing the functional groups of oils and biodiesel. The waste cooking oil and virgin oil have similar vibrations, indicating that the structure of the raw material is similar. B10 blend has a calorific value of 45956 kJ / kg. In chapter three diesel engine performance and emissions were evaluated. Emissions were measured with gas analyser BEA BOSH model 350. The measured emissions were CO, CO2, unburned and opacity. It also show improved CO emission to reduce them by 29.3 %. And opacity is reduced by 11.5% compared to using B10 obtained by using diesel PEMEX. To perform an experimental diesel engine module model TQ-Plint “Merlin 2”, was measured the power, torque, thermal efficiency and specific fuel consumption was used, using as fuel and Diesel-Pemex mixtures of biodiesel-diesel Pemex, B5, B10 and B20. The improved performance of the diesel engine was obtained with B10 blend, an increase in torque of 22%, increase in power of 21%, increase in thermal efficiency of about 33%, and decreasing the fuel consumption in 27%. Research in this work shows that biodiesel from waste cooking oil functions as an additive to diesel in the diesel engine, burning also no changes or adjustments are made to the engine. Also the quality of biodiesel produced depends directly on the raw material, however, as a raw material for producing waste cooking oil biodiesel returned results are in acceptable ranges for their production. In the six annexes procedures using Mexican standards used are shown in this research project for the production of biodiesel.
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