INFORME: VENTILADOR CENTRFUGO

Esteban E., Osorio A., Pez C.

Esteban E., Osorio A., Pez C.

universidad nacional de colombiaDEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA Y MECATRNICAPLANTAS TRMICAS

PROFESOR: FABIO emiro SIERRA

INFORME: COMBUSTIBLES

DGAR EDUARDO ESTEBAN GELVEZALEXANDRA OSORIO ZULUAGACAMILO PEZ AVELLA

Esteban E., Osorio A., Pez C.

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TABLA DE CONTENIDOTABLA DE CONTENIDO1INTRODUCCIN2OBJETIVOS21.DESARROLLO TERICO21.1 DESTILACIN SIMPLE21.2 DENSIDAD31.3 GRAVEDAD ESPECFICA31.4 CENTRIFUGACIN31.5 PUNTO DE INFLAMACIN Y COMBUSTIN32.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL42.1 DESTILADOR SIMPLE42.2 DENSITMETRO DIGITAL42.3 PRUEBA DE FLUIDEZ52.4 CENTRIFUGACIN62.5 PRUEBA DE PUNTO INFLAMACIN SISTEMA CERRADO72.6 PRUEBA DE PUNTO INFLAMACIN Y COMBUSTIN SISTEMA ABIERTO83.RESULTADOS Y ANLISIS8CONCLUSIONES17BIBLIOGRAFA17

INTRODUCCINCaracterizar un combustible implica la realizacin de diferentes tipos de pruebas que permiten establecer si la sustancia cumple con los estndares del productor, vendedor, gobierno estatal y organismos reguladores. El que un combustible cumpla o no con los requerimientos, afecta directamente el desempeo del dispositivo que lo va emplear, as como la integridad de quin manipula el equipo o incremento en la contaminacin del ambiente al generarse gases y partculas en suspensin que se encuentren fuera de los lmites establecidos por los entes de control. OBJETIVOSGeneralConocer la composicin qumica elemental del combustible (ACPM) utilizado en las calderas del Laboratorio de Ingeniera Qumica y de Ingeniera Mecnica mediante la medicin de sus propiedades fsicas. Especficos Realizar la prueba de destilacin por medio de un destilador simple. Determinar la densidad y gravedad especfica del combustible por medio de un densitmetro digital. Establecer cantidades de agua y sedimento que pueda contener la muestra a travs de una centrfuga de mesa. Conocer el punto de inflamacin y combustin. 1. DESARROLLO TERICO1.1 DESTILACIN SIMPLELa destilacin es el procedimiento de separar, por medio de vaporizacin y condensacin, los distintos componentes lquidos, slidos disueltos en lquidos o gases licuados de una mezcla, sacando provecho de los diferentes puntos de ebullicin de cada uno de los elementos. La destilacin simple, es utilizada cundo la mezcla de productos lquidos a destilar tan solo contiene una sustancia voltil o cundo esta posee ms de una sustancia voltil pero el punto de ebullicin del lquido ms voltil difiere por lo menos en 80C del punto de ebullicin de los componentes restantes. (Universitat de Barcelona, 2013)1.2 DENSIDADLa densidad es una magnitud escalar que relaciona la cantidad de masa en un volumen determinado de una sustancia. (Shackelford, 2005)La relacin de la densidad, se enuncia a continuacin

1.3 GRAVEDAD ESPECFICALa gravedad especfica, tambin denominada densidad relativa, relaciona la densidad de un material con respecto a la densidad de otro elemento o sustancia dada. Generalmente, la gravedad especfica se utiliza para expresar la densidad de un material en relacin con la densidad del agua, de forma que si el cociente est por debajo de 1, el material se hundir y si est por encima, el material flotar. (Unalmed, 2012)1.4 CENTRIFUGACINLa centrifugacin es un medio conveniente para establecer el contenido de agua y sedimentos en petrleo crudo, combustibles, aceites combustibles, destilados medios y biodiesel. En este proceso se aprovechan las fuerzas centrfugas provocadas por la mquina en el tubo de ensayo, al hacerlo girar con respecto a un eje a velocidades elevadas, de forma que el material slido se precipite y los lquidos de diferente densidad se separen. ste tipo de prueba tambin es empleada para determinar el nmero de precipitaciones, demulsibilidad caracterstica y agua y sedimentos insolubles en lubricantes usados. (PTE, 2014)1.5 PUNTO DE INFLAMACIN Y COMBUSTINEl punto de inflamacin corresponde a la temperatura ms baja, corregida a presin baromtrica, en la que los vapores de la muestra se encienden al aplicarse la llama de prueba, tambin puede definirse como punto de destello, es decir, temperatura a la cual se observa un destello o flash, al aplicarse la fuente de ignicin. El punto de combustin, es el conjunto de condiciones fsicas, presin y temperatura, dadas para que una sustancia empiece a arder y su llama se mantenga sin necesidad de agregar fuentes externas de calor. (Ministerio Trabajo Espaa, 1999)2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL2.1 DESTILADOR SIMPLESe miden 100ml de la sustancia en una probeta, posteriormente, se vierte la muestra en el baln, dnde se verifica que no exista presencia de sedimentos, slidos en suspensin, agua o turbiedad. Se tapona el baln y se introduce en el equipo. A una potencia de 95W, se esperan aproximadamente 20 minutos para que la primera gota de destilado surja. Una vez sta aparece, se establece el punto inicial de ebullicin. Cada vez que se recolecten 10ml de destilado, se toman datos de temperatura y volumen.

Figura 1. Destilador simple2.2 DENSITMETRO DIGITALCon el uso del densitmetro digital es posible realizar mediciones de diferentes propiedades de las sustancias, en este caso, se determinaron densidad y gravedad especfica.Para verificar que el equipo funcione correctamente, se realiza la medicin de densidad de una sustancia conocida, si el valor que arroja el dispositivo es el esperado, su funcionamiento es adecuado. El densitmetro funciona a modo de jeringa, almacena cierta cantidad de sustancia en una cavidad que contiene un cuerpo vibrante, que al oscilar a la frecuencia que permite la sustancia, fija la magnitud de lo que se quiere determinar con base en los patrones establecidos del equipo.

Figura 2. Densitmetro digital2.3 PRUEBA DE FLUIDEZCon la prueba de fluidez, es posible establecer la temperatura a la cual un elemento cambia de fase. Durante la prctica, se utiliz crudo pesado de Sudn, el cual se introdujo en un horno hasta que alcanzara 50C, temperatura en la que la sustancia se encuentra en estado lquido. Posteriormente, se situ la muestra en un bao de etanol, se esperaron cinco minutos aproximadamente, al cabo de los cuales, se retir la muestra del dispositivo y se observ el comportamiento de sta al cambiar la posicin del recipiente contenedor. Debido a que no se precisaron las condiciones ni se registraron juiciosamente los datos esta prueba, el anlisis de la misma, no se consigna en el informe.

Figura 3. Prueba de Fluidez2.4 CENTRIFUGACINSe vierten 100 ml de la sustancia a evaluar en el baln, se agita la muestra vigorosamente y luego se sita al interior de la mquina centrifugadora. Se establece la velocidad del equipo en 2000 rpm y se realiza la prueba durante 10 minutos. Al cabo del tiempo establecido se retira el baln para identificar cualitativamente los diferentes tipos de sustancias que contena la muestra y de forma cuantitativa se determina el volumen de las sustancias segn la escala del baln.

Figura 4. Centrfuga de mesaPara el caso particular, se obtuvo que el combustible contena aproximadamente 0,1 mL de agua, lo que equivale a 0,01% de la composicin total, dada la muestra de 100 mL centrifugada en el baln aforado.2.5 PRUEBA DE PUNTO INFLAMACIN SISTEMA CERRADO En la prueba de cavidad cerrada se pretende determinar la temperatura de inflamacin, para ello se colocan 75 mL de combustible en el recipiente con el que cuenta la mquina; este se tapa y se coloca en el dispositivo de prueba el cual se va calentando gradualmente generndose los gases de ignicin del combustible. Una fuente de ignicin se acerca al recipiente de forma peridica a un intervalo de 2 grados de temperatura; los parmetros de intervalo de paso de la llama piloto y de la rata de calentamiento de la muestra estn denotados en la norma ASTM D93. Una vez el proceso termina la maquina arroja el resultado de la temperatura a la cual los gases generados por los combustibles pueden hacer combustin debido a una chispa. Todas las condiciones especficas de la prueba estn consignadas en la norma ASTM D93 (prueba en ambiente cerrado).

Figura 5. Equipo medicin punto de inflamacin (cerrado)2.6 PRUEBA DE PUNTO INFLAMACIN Y COMBUSTIN SISTEMA ABIERTOEl equipo cuenta con un recipiente donde se introducen 75ml de sustancia, ste se calienta lentamente para que la muestra emane vapores sobre los cuales se hace pasar una llama de prueba a intervalos de tiempo constantes. Una vez se observa un destello de llama que dura poco tiempo y se escucha la alarma que emite el dispositivo, es posible establecer la temperatura de inflamacin. Se contina con la prueba hasta el momento en que la muestra arde y su llama se mantiene durante algunos segundos, all se determina la temperatura de combustin. Las temperaturas en cuestin, se muestran en la pantalla digital del equipo una vez la prueba ha finalizado. Las especificaciones de generales de la prueba, estn consignadas en la norma ASTM D92.

Figura 6. Equipo medicin punto de inflamacin y combustin (abierto)3. RESULTADOS Y ANLISISA continuacin se mostrarn los datos experimentales de caracterizacin de las propiedades del combustible Disel analizado en el laboratorio bajo los distintos procedimientos ejecutados.En principio se determin el grado API del combustible, teniendo en cuenta el resultado de la medicin de la gravedad especfica (G) del combustible. La norma especfica que para la realizacin de esta medicin, se debe garantizar una temperatura ambiente de 60F (15,556C). Las condiciones ambientales en el momento de la prueba indicaban una temperatura de 70,520 F (21,4C) y una humedad relativa de 31%.El resultado de la medicin de la gravedad especfica con el densmetro electrnico para el combustible manejado, arroj un valor de 0,844. Cabe resaltar que como metodologa general de la ejecucin de sta prueba, primero se hace una calibracin general, en la cual se mide la gravedad especfica de agua destilada, para as determinar el nivel de desviacin del instrumento. Para la prueba de laboratorio, este valor arroj 0,996. El valor a condiciones estndar para el agua es 1.Dado el valor de gravedad especfica, el ndice API equivale a:Grados API = (141,5/G)-131,5Grados API = (141,5/0,844)-131,5Grados API =36.15Conociendo las propiedades fsicas del disel, brindadas por el proveedor, se establece que el rango para valores de gravedad especfica para este combustible, oscilan entre 0,82 y 0,87. Segn esto se puede definir una tabla de grados API comunes de operacin.

Tabla 1: Rango API caracterstico Disel En segundo lugar, se hace el clculo y el anlisis de la prueba de destilacin del combustible. Los valores tomados de la prueba, deben ser corregidos y ajustados a las condiciones ambientales en las que se desarroll la prueba, para que esta arroje resultados fiables, dadas las condiciones de temperatura y presin baromtrica de Bogot.Debido a que el barmetro de mercurio del laboratorio estaba en fase de acondicionamiento, se opta por asumir la presin baromtrica estndar de Bogot: 560 mmHg, y la temperatura ambiental del instante del ensayo: 21,4C (70,520F).Haciendo uso de la expresin de correccin de temperatura de ebullicin, se tiene la siguiente tabla:CC = 0.00012 (760 - P) (273 + T)

Tabla 2: Temperaturas de destilacin del Disel

Figura 7. Curva de Disel DestiladoSe considera como el punto de ebullicin medio, la temperatura a la cual se recuper el 50% del destilado. Para este caso la temperatura del punto de ebullicin medio equivale a 272,8 C (523,04F)

El factor de caracterizacin (U.O.P) experimental que corresponde al combustible empleado, se calcula tomando en cuenta los valores de temperatura media de ebullicin y el valor para la gravedad especfica hallado en el laboratorio. Dicho coeficiente es igual a:

A partir de este dato se puede identificar mediante las tablas de caracterizacin, el porcentaje de Hidrgeno que compone al combustible en el punto que se indica:

Figura 8. Factores de Caracterizacin de fracciones del Petrleo

Aproximando al margen superior de la escala, se concluye que el combustible manejado, tiene aproximadamente un 12% en peso de .

Por tanto la composicin de Carbonos correspondera entonces a:

En este modelo terico experimental se asume presencia nula de azufres.Con el factor K (U.P.O) definido y las dems caractersticas del combustible determinados, se puede definir tambin mediante tablas caractersticas, un aproximado de la masa molecular del combustible, como se indica en la figura:

Figura 9. Porcentaje en peso de Hidrgeno en fracciones del petrleo

Dadas las condiciones se puede definir un valor de masa molecular de 190, y un correspondiente valor de temperatura crtica del combustible de 800F (426.67C)La relacin atmica para los componentes del combustible viene dada de la siguiente manera:

Por tanto, la frmula del combustible vendra dada por la expresin

Donde n se determina utilizando el valor de masa molecular obtenido previamente mediante el uso de la grfica de caracterizacin, as

Por tanto la frmula final, aproximada del combustible, se puede expresar como:

La frmula qumica del disel comn, corresponde a:

Pero se pueden encontrar variedad de composiciones que tambin se acercan a la hallada experimentalmente, y que responden a las siguientes caractersticas consignadas en la tabla:

Tabla 3: Otras composiciones nominales del DiselSe puede concluir entonces, que la prueba de laboratorio, permiti caracterizar adecuadamente a grandes rasgos, la composicin qumica del disel usado. Podra decirse que la frmula qumica corresponde a un combustible de tipo parafnico.Est composicin resultado, indica que cada molcula de disel, corresponde a una mezcla de hidrocarburos con un promedio de 13,93 carbonos.Como se asume que el combustible tericamente no presenta trazas de azufre, el contenido atmico y molecular de este componente, no se deja referenciado en la frmula caracterizada.

En cuanto a los ensayos de punto de inflamacin y punto de combustin del disel trabajado, el clculo corregido de las dos mediciones realizadas en los dos ensayos que se llevaron a cabo, efectivamente coinciden con los resultados arrojados por los dispositivos de prueba.En la primera prueba, en la cual se evalo el punto de inflamacin de combustible, con atmsfera controlada (ambiente cerrado), el dispositivo emiti el sonido que indicaba la culminacin de la prueba (punto de inflamacin), a los 60,3C. Esta medicin se denomina medida sin corregir. Al aplicar la correccin terica para sta propiedad se tiene: Punto de Inflamacin Corregido= C + 0.033(760 P)Punto de Ignicin Inflamacin= 60,3C + 0.033(760 560)Punto de Inflamacin Corregido=66,9CSe debe recordar, que se asumi la presin baromtrica de Bogot como 560 mmHg. Los resultados que arroj el dispositivo electrnico de ensayos, se visualizan en la siguiente figura

Figura 10. Resultados Temperatura de Inflamacin Prueba 1

Como se puede ver, diferencia neta fue de tan solo 0,1C.En la siguiente prueba, en la cual se quera determinar el punto de combustin del mismo combustible, se cambiaron las condiciones de experimentacin dejando el combustible expuesto a la atmsfera. Dadas esas condiciones, el ensayo tom unos minutos ms respecto al primer test, y se alcanzaron mrgenes de temperatura de inflamacin y de combustin, claramente ms altos.En sta prueba, la temperatura de inflamacin del combustible fue del orden de los 74,1C, y la temperatura de combustin (punto en el que la llama se mantiene por ms de 5 segundos), alcanz los 98,1C.Al hacer las respectivas correcciones tericas se tiene entonces:Punto de Inflamacin Corregido= 74,1C + 0.033(760 560)Punto de Inflamacin Corregido=80,7C

Punto de Combustin Corregido= 98,1C + 0.033(760 560)Punto de Combustin Corregido=104,7CLos resultados que arroj el dispositivo de prueba fueron los siguientes:

Figura 11. Resultados Temperatura de Inflamacin-Combustin Prueba 2La desviacin neta, de la correccin terica realizada respecto a la medida arrojada por el dispositivo en la segunda prueba, es nula. Sobre la medida promedio de la temperatura de inflamacin y combustin en ambas pruebas, no se establece ninguna comparacin. Se establece simplemente como valor de referencia.Es posible tambin, con lo datos obtenidos, obtener el poder calorfico superior del combustible en cuestin. Puntualmente haciendo uso del ndice de densidad API, que para este caso es 36,15.La expresin que relaciona esta propiedad es la siguiente:HHV = 17.687 + 57,9 (oAPI)HHV = 17.687 + 57,9 (36,15)HHV =2110,77 Btu/lb 4909,0 kJ/kgUna mejor relacin de caracterizacin de un combustible, es el poder calorfico neto. Para determinarlo, se requiere tener en cuenta la constante de densidad-anilina propia del disel. Para el caso en particular, este factor no era conocido, razn por la cual no se defini esta propiedad.Si en cambio, pudo definirse el calor especfico del disel, a partir de la siguiente expresin:

Se asume la temperatura T, como la temperatura estndar de pruebas experimentales, citadas en la norma tcnica para combustibles, a condiciones de ambiente controlado.El valor del calor especfico es por tanto:

El calor especifico hallado para el disel, da un valor ligeramente inferior a los establecidos para algunos combustibles como la gasolina corriente (0,5 , pero aun as se puede concluir con alto grado de asertividad, que el valor calculado experimentalmente se encuentra en los rangos definidos para este tipo de combustibles industriales.

Figura 12: Ficha tcnica del combustible analizado

CONCLUSIONES

Es importante conocer el modo de operacin de los instrumentos de medicin, para que, segn sea la aplicacin (ya sea que se requiera un grado mayor o menor de precisin) se tenga claridad de cul es el dispositivo ms indicado. Se hace referencia a esto, dado que en la determinacin del punto de inflamacin del combustible por ejemplo, se logr la determinacin de este punto mediante dos procedimientos distintos, en los que, si bien los resultados fueron cercanos, existen aplicaciones dnde no es trascendental tener un dato muy cercano al valor nominal. Determinar adecuadamente esto, puede disminuir los sobrecostos en tareas de caracterizacin. Es importante conocer cmo se comportan los combustibles puesto que en la prctica estos estn sometidos a mltiples condiciones de tratamiento (transporte, almacenamiento, etc.) y se debe determinar con amplio grado de exactitud cuanta energa interna pueden suministrar ante la variacin en las condiciones de uso. Si no se tiene claro el comportamiento del mismo, se aconseja una caracterizacin experimental, con pruebas como las analizadas en el presente informe. Halladas las propiedades del combustible mediante el anlisis terico experimental realizado en el laboratorio (temperatura media de ebullicin, punto de inflamacin, densidad especfica, grado API), es posible concluir, que aunque las condiciones de prueba no correspondan totalmente a las condiciones experimentales citadas por la norma tcnica de ensayos de esta ndole (temperatura y presin ambiente controladas), los valores hallados tanto en el laboratorio, como de forma analtica, se sitan dentro de los rangos considerados de caracterizacin adecuada para el disel, establecidos por los estndares internacionales de regulacin de combustibles. En el caso de la curva de destilacin se observ un comportamiento inesperado. Fue llamativo ver una disminucin en la temperatura de destilacin en la etapa final del proceso. Es probable que esto se deba a una volatilizacin repentina de algn componente de la mezcla, disminuyndose as el requerimiento trmico y generando un descenso en la temperatura.BIBLIOGRAFAMinisterio Trabajo Espaa. (1999). Productos inflamables: variacin de los parmetros de peligrosidad. Obtenido de Ministerio de trabajo y asuntos sociales de Espaa: http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/301a400/ntp_379.pdfPTE. (2014). Petroleum Total Equipment. Obtenido de Centrfuga de mesa para anlisis de sedimentos y contenido de agua en petrleo crudo y combustibles: http://www.pte.com.co/esp/aplicaciones/derivados-del-petroleo-y-biocombustibles/combustibles/centrifuga-de-mesa-para-analisis-de-sedimentos-y-contenido-de-agua-en-petroleo-crudo-y-combustibles_54Shackelford, J. (2005). Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros. Madrid: Pearson Educacin.Unalmed. (2012). Gravedad especfica de los slidos del suelo. Obtenido de http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-07.pdfUniversitat de Barcelona. (2013). Destilacin. Obtenido de Tipos de Destilacin: http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/destilacio_tipus.htmlUniversitat de Barcelona. (2013). Tipos de destilacin. Obtenido de http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/destilacio_tipus.html

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