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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECUTRA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE GASOLINA Y DIESEL MEXICANOS CON ETANOL AL
10% Y 15% EN VOLUMEN.
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS ESPECIALIDAD EN SISTEMAS AMBIENTALES
POR: PATRICIA CASTILLO HERNÁNDEZ
MONTERREY, N. L. OCTUBRE 2008
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Los miembros del comité de tesis recomendamos que la presente tesis presentada por la
Ing. Patricia Castillo Hernández sea aceptada como requisito parcial para obtener el
grado académico de Maestro en Ciencias con especialidad en: Sistemas Ambientales.
Comité de tesis:
Alberto Mendoza Domínguez, Ph.D.
Asesor
Porfirio Caballero Mata, Ph.D. Armando Llamas Terrés, Ph.D
Sinodal Asesor
APROBADO
Dr. Joaquín Acevedo Mascarúa, Ph.D.
Director del Programa de Graduados en Ingeniería y Arquitectura
MONTERREY, N. L. OCTUBRE 2008
Dedico esta tesis a mi esposo, mis padres y mis asesores.
Ellos me ayudaron con su apoyo, tanto moral como profesional, a la realización de este
proyecto y a estar más cerca de mis metas profesionales.
Quiero expresar mi agradecimiento:
Al Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Monterrey, por
la confianza otorgada en mi persona, al haberme brindado una beca de excelencia para
cursar la maestría.
Al Director del Departamento de Ingeniería Química del ITESM, Dr. Alberto Mendoza
Domínguez, por sus consejos y enseñanzas que fueron una guía indispensable durante
mis estudios de posgrado. Agradezco también su confianza y apoyo al haberme dado la
oportunidad de acceder a la beca de docencia y por el apoyo económico que ello conllevó.
A mis asesores, el Dr. Alberto Mendoza Domínguez y Dr. Porfirio Caballero Mata, por
su generosidad al brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia,
fundamentales en el desarrollo y culminación de este proyecto.
A la Sra. Mary Covarrubias por su afectuoso apoyo en la realización de todos los trámites
implicados en el proyecto.
A los asistentes de docencia del departamento de Ingeniería Química por su continuo y
afectuoso aliento.
A mi esposo por su constante estimulo y comprensión.
RESUMEN
La problemática ambiental, los altos precios de los energéticos y las
importaciones de combustibles continuamente a la alza, han ocasionado que algunos
países redirijan sus esfuerzos al desarrollo de biocombustibles con la finalidad de sustituir
a los combustibles fósiles. El bioetanol es uno de los biocombustibles más comúnmente
usados; Estados Unidos, Brasil y Australia comercializan gasolina con bioetanol a una
concentración de hasta 85% en volumen. Algunos estudios han demostrado que el uso de
gasolina con Etanol al 10% reduce las emisiones de gases de efecto invernadero entre un
1% y 5%.
El presente trabajo muestra los resultados de la evaluación de mezclas de
Gasolina Magna, Premium y Diesel con 10% y 15% de Etanol anhidro. Las principales
pruebas que se realizaron son: Número de Octano de Investigación, Número de Octano
del Motor, Presión de Vapor, Curva de Destilación y Poder calorífico.
Las mezclas realizadas con gasolina se mostraron estables a diferencia de las
mezclas con diesel, las cuales mostraron una separación de fases evidente incluso a
temperatura ambiente. Por lo tanto en el caso de diesel se utilizo biodiesel como aditivo
para mantener estable la mezcla.
La gasolina presenta mejoras en algunas de sus propiedades al ser reformulada
con Etanol, presenta un aumento en su Número de Octano y un buen Índice de
destilación. En el caso del diesel el Número Cetano disminuye considerablemente y el
Poder Calorífico, en ambos casos, se ve afectado negativamente con la adición de Etanol.
Sin embargo, las emisiones teóricas de CO2 disminuyen hasta en un 11.77% en la
gasolina reformulada con Etanol al 15% y en el caso del diesel decrecen en un 9%.
Las ventajas de la reformulación de la gasolina mexicana se hacen evidentes con
este estudio. Además el uso de gasolina con Etanol, en una concentración de 15% o
menor, no requiere cambios en el motor de los vehículos. Este estudio marca la pauta
para la realización de otros estudios relacionados con el uso del Etanol en gasolinas
mexicanas.
i
Índice
Capítulo I. Introducción
I.1 Antecedentes ·········································································································· 2
I.2 Objetivos Generales ···························································································6
I.3 Objetivos Específicos··························································································7
I.4 Justificación ········································································································8
I.5 Alcance ················································································································10
I.6 Distribución de la Tesis ·····················································································11
Capítulo II. Antecedentes Técnicos
II.1 Introducción·········································································································· 12
II.2 Reformulación de combustibles·······································································12
II.2.1 Estudios realizados en la ZMVM·····································································14
II.3 Gasolina ·············································································································19
II.3.1 Índice de octano ·······························································································19
II.3.2 Presión de vapor Reid ······················································································20
II.3.3 Estabilidad a la oxidación (Periodo de Inducción)···········································21
II.3.4 Relación Vapor- Líquido··················································································21
II.3.5 Uso de oxigenados en gasolina ········································································21
II.3.6 Beneficios ambientales derivados de la oxigenación de gasolinas ··················22
II.4 Gasohol ··············································································································23
II.4.1 Propiedades de las mezclas de Gasolina-Etanol ··············································23
ii
II.4.2 Miscibilidad del Etanol en gasolina ·································································25
II.5 Diesel ··················································································································25
II.5.1 Índice cetano ····································································································26
II.5.2 Flash point y presión de vapor·········································································26
II.6 E-Diesel ··············································································································26
II.6.1 Propiedades de las mezclas Diesel-Etanol ·······················································26
II.6.2 Miscibilidad del Etanol en Diesel ····································································27
II.7 Aditivos para estabilizar las mezclas Etanol-Hidrocarburos ·······················28
Capítulo III. Metodología
III.1 Evaluación de la estabilidad de las mezclas ··················································· 29
III.1.1 Preparación del aditivo ···················································································29
III.1.2 Preparación de las mezclas de hidrocarburos con Etanol ·······························29
III.2 Evaluación de las propiedades fisicoquímicas del combustible reformulado
····································································································································32
III.2.1 Preparación del combustible reformulado ······················································33
III.2.2 Número de octano de investigación (RON)····················································33
III.2.3 Número de octano del motor (MON)······························································34
III.2.4 Estabilidad a la oxidación (Método del periodo de inducción) ······················34
III.2.5 Presión de vapor Reid ·····················································································35
III.2.6 Número cetano ································································································35
III.2.7 Punto de Inflamabilidad··················································································36
III.2.8 Curva de destilación························································································36
III.2.9 Densidad ·········································································································37
iii
Capítulo IV. Resultados y discusiones
IV.1 Mezclas Gasolina-Etanol ··················································································· 39
IV.1.1 Contenido de oxigenados················································································39
IV.1.2 Número de octano de investigación y Número de octano del motor (RON/MON)
····································································································································40
IV.1.3 Presión de vapor Reid·····················································································45
IV.1.4 Curva de destilación ·······················································································47
IV.1.5 Poder calorífico·······························································································54
IV.1.6 Peso específico································································································56
IV.1.7 Estabilidad a la oxidación o periodo de inducción ·········································58
IV.2 Mezclas Diesel-Etanol ·····················································································59
IV.2.1 Número cetano································································································59
IV.2.2 Punto de inflamabilidad··················································································61
IV.2.3 Curva de destilación ·······················································································62
IV.2.4 Poder calorífico·······························································································63
IV.2.5 Peso específico································································································64
Capítulo V. Conclusiones y recomendaciones.
V.1 Conclusiones ······································································································66
V.1.1 Mezclas Gasolina-Etanol ·················································································66
V.1.2 Mezclas Diesel-Etanol ·····················································································67
V.2 Recomendaciones ······························································································67
Referencias·················································································································69
iv
Apéndices
Apéndice 1·················································································································75
Apéndice 2·················································································································76
Apéndice 3·················································································································77
Apéndice 4·················································································································79
Apéndice 5·················································································································80
Apéndice 6·················································································································82
v
Índice de tablas
Tabla 1: Propiedades fisicoquímicas relevantes de las gasolinas ····································15
Tabla 2: Porcentaje en volumen de las corrientes de refinado utilizadas en la formulación
de los combustibles ··········································································································18
Tabla 3: Efecto del Etanol en las características de la gasolina·······································24
Tabla 4: Poder calorífico inferior del Etanol, Diesel, y mezclas Diesel-Etanol ··············27
Tabla 5: Características de los grupos de gasolina para efectuar la destilación ··············36
Tabla 6: Condiciones durante el procedimiento de destilación ·······································37
Tabla 7: Contenido de Oxigenados en las muestras de Magna-Etanol····························39
Tabla 8: Contenido de Oxigenados en las muestras de Premium-Etanol ························40
Tabla 9: Valores de octanaje de las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol ·············41
Tabla 10: Número de octano reportado de las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol
··········································································································································44
Tabla 11: Presión de vapor de las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol (Obtenida
por el método ASTM D-5191)·························································································46
Tabla 12: Valores de las curvas de destilación de mezclas Magna-Etanol y Premium-
Etanol ·······························································································································50
Tabla 13: Diferencia porcentual entre el índice cetano calculado y el número cetano
obtenido en laboratorio ····································································································61
Tabla 14: Valores de las curvas de destilación de mezclas Diesel-Etanol ······················62
vi
Índice de figuras
Figura 1: Síntesis de los resultados obtenidos por diversos estudios para el Balance de
Energía Neto del Bioetanol····································································································3
Figura 2: Demanda Energética Acumulada. Valores reportados por diferentes
investigadores durante el periodo 1989-2005 ········································································5
Figura 3: Efecto de la concentración de Etanol y las tecnologías de control de emisiones
de los vehículos en las emisiones de CO ···············································································16
Figura 4: Variación de las emisiones tóxicas en función de la tecnología de control de
emisiones del vehículo y la concentración de Etanol ····························································17
Figura 5: Composición de las mezclas de Etanol-Gasolina-Aditivo evaluadas. (El
porcentaje de aditivo es en base al volumen de combustible sin Etanol) ······························30
Figura 6: Composición de las mezclas de Etanol-Diesel-Aditivo evaluadas. (El porcentaje
de aditivo es en base al volumen de combustible sin Etanol)················································31
Figura 7: Estructura del motor para determinar el Número de Octano de Investigación ······34
Figura 8: Intervalo de confianza para la media del Número de Octano de Investigación
(Nivel de confianza del 95%) Mezclas Magna-Etanol ··························································41
Figura 9: Porcentaje en peso del contenido de Etanol contra NOI, líneas de tendencia de
las ecuaciones obtenidas mediante regresión lineal·······························································42
Figura 10: Porcentaje en peso del contenido de Etanol contra NOM, líneas de tendencia
de las ecuaciones obtenidas mediante regresión lineal ··························································43
vii
Figura 11: Intervalo de confianza para la media del Número de Octano del Motor (Nivel
de confianza del 95%)············································································································44
Figura 12: Número de octano reportado para las mezclas Magna-Etanol y Premium-
Etanol ·····································································································································45
Figura 13: Intervalos de confianza para la media de la Presión de Vapor de mezclas de
gasolina Magna y Premium con Etanol (Nivel de confianza del 95%) ·································46
Figura 14: Intervalo de confianza para la media de las Curvas de Destilación de mezclas
Magna-Etanol (Nivel de confianza del 95%)·········································································48
Figura 15: Intervalo de confianza para la media de las Curvas de Destilación de mezclas
Premium-Etanol (Nivel de confianza del 95%) ·····································································51
Figura 16: Número de Octano reportado en función de la Temperatura Inicial de
Ebullición (TIE, °F) y la Temperatura de recuperación del 90% del volumen (T90%, °F) ··52
Figura 17: Intervalo de confianza para la media del Índice de Destilación del combustible
reformulado y la gasolina base (Nivel de confianza del 95%) ··············································53
Figura 18: Intervalo de confianza para la media del Poder Calorífico de las mezclas de
gasolina Premium y Magna con Etanol (Nivel de confianza del 95%) ·································54
Figura 19: Concentración de Etanol (% volumen) contra poder calorífico de las mezclas
de Etanol con gasolina Magna y Premium, líneas de tendencia de la regresión lineal·········55
Figura 20: Intervalo de confianza para la media del Peso Específico de las mezclas de
gasolina Premium y Magna con Etanol (Nivel de confianza del 95%) ·································57
Figura 21: Número de Octano calculado a partir de la T90% (°F), TFE (°F) y Pe=0.71 ········58
Figura 22-a: Contenido de Etanol (%vol.) contra Número cetano y línea de tendencia de
la regresión lineal ···················································································································59
viii
Figura 22-b: Intervalo de confianza para la media del Numero Cetano de las mezclas
Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%)·········································································60
Figura 23: Intervalo de confianza para la media del punto de inflamabilidad de las
mezclas Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%)···························································61
Figura 24-a: Contenido de Etanol (%vol.) contra poder calorífico y línea de tendencia de
la regresión lineal obtenida ····································································································63
Figura 24-b: Intervalo de confianza para la media del Poder Calorífico de las mezclas
Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%)·········································································64
Figura 25: Intervalo de confianza para la media del Peso específico de las mezclas
Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%)·········································································65
Capítulo I.
Introducción
1
I.1. Antecedentes
El consumo global de energía y las emisiones mundiales de gases de efecto
invernadero, principalmente Bióxido de Carbono (CO2), han registrado una tendencia
ascendente desde 1971 [1]. Los combustibles fósiles son la fuente dominante de energía.
Su uso intensivo representa el agotamiento de un recurso natural no renovable, además de
alterar negativamente la calidad del aire con las emisiones provenientes de su
combustión. En México, las emisiones de gases de efecto invernadero por consumo de
combustibles fósiles en el 2002, ascendieron a 350,414 Gg, equivalentes al 50% de las
emisiones totales del país [2].
La problemática anterior, aunada a los altos precios de los energéticos y a las
importaciones de combustibles continuamente a la alza, han traído como consecuencia
que parte de la investigación, principalmente en países con reservas de petróleo
insuficientes, se dirija hacia el reemplazo total o parcial de los combustibles derivados del
petróleo por nuevos combustibles derivados de fuentes renovables. Estos reciben el
nombre de biocombustibles, ya que pueden ser producidos a partir de biomasa
incluyendo residuos agrícolas (principalmente de maíz), granos de maíz, paja, legumbres
y semillas oleaginosas.
Para ser considerado como una alternativa viable, el biocombustible propuesto
debe cumplir los siguientes requisitos: proporcionar una ganancia de energía neta, ofrecer
beneficios ambientales, ser económicamente competitivo y su producción a gran escala
no debe comprometer el abasto de alimentos del país [3].
En la actualidad, el bioetanol y el biodiesel se han convertido en los principales
biocombustibles. El biodiesel se obtiene principalmente del aceite extraído de la soya y
el bioetanol de los azúcares de granos de maíz (Estados Unidos) o del jugo claro de la
caña de azúcar (Brasil).
El bioetanol es un oxigenado que se usa para enriquecer las gasolinas basándose
en el argumento de que al introducir mayor cantidad de oxígeno a la mezcla combustible,
la eficiencia de la combustión mejora [4]. Las gasolinas se pueden enriquecer con
bioetanol en diferentes porcentajes: 10%, 15% y 85% (E-10, E-15 y E-85),
2
principalmente. Niveles bajos de bioetanol presentan la ventaja de no necesitar cambios
en el motor del automóvil durante su uso; arriba del 15% en volumen se requieren
aditivos para evitar la formación de lodos por combustión incompleta y por encima de
este nivel es recomendable usar vehículos de combustible flexible (Flex-fuel vehicles).
Estos vehículos están diseñados para operar utilizando como combustible un rango muy
amplio de mezclas Gasolina-Etanol, incluso por encima de 85% Etanol [5].
En México, las gasolinas tanto Premium como Magna se oxigenan con Metil-
Terbutil-Éter (MTBE) y Ter-Amil-Éter (TAME), en una proporción que oscila entre 4%-
5% en volumen total de oxigenados. El uso de MTBE en la reformulación de gasolinas
implica riesgo de infiltración y contaminación de los mantos freáticos. En Estados
Unidos se prohibió el uso de este oxigenado en la reformulación de las gasolinas, debido
a que pruebas en animales de laboratorio confirmaron que es cancerígeno [6].
El bioetanol se ha convertido en uno de los principales componentes para
reformular los combustibles del futuro y así poder cumplir con las regulaciones
ambientales cada vez más exigentes. Los partidarios por el reformulamiento de
combustibles con bioetanol en Australia, Norteamérica y Europa fundamentan su
posición principalmente en los siguientes argumentos ambientales: una aparente
reducción de emisiones de contaminantes al aire durante la combustión, una aparente
reducción en emisiones de gases de efecto invernadero y de la dependencia de
combustibles fósiles y la “sustentabilidad” de la producción de bioetanol [4].
Por otra parte, existe un aspecto del bioetanol que regularmente se pasa por alto:
el impacto potencial de las mezclas de gasolina enriquecida con bioetanol al subsuelo y
aguas subterráneas en caso de lixiviación. También existe controversia con respecto a la
eficiencia energética del bioetanol, tomando en cuenta la energía requerida en su proceso
de producción [4]. Otro argumento que exponen los detractores es con respecto al
abastecimiento de alimentos. Afirman que es poco ético utilizar granos comestibles para
producir combustibles mientras millones de personas sufren de hambre; además, aseveran
que el uso de biocombustibles a gran escala, pondría en peligro el abastecimiento
mundial de alimentos.
3
El rendimiento energético o balance energético neto (NEB por sus siglas en
inglés) de un biocombustible es la energía producida por el combustible menos la energía
utilizada en su proceso de producción. Con respecto al NEB del Etanol podemos decir
que existe gran controversia, desde 1970 se han realizado muchos estudios que han
publicado resultados muy variados, algunos incluso han reportado rendimientos
energéticos negativos. La figura 1 muestra resultados de algunos de estos estudios con
respecto al tiempo, los estudios fueron realizados en Estados Unidos y toman como base
el Etanol producido a partir de granos de maíz [4].
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
197
9
198
0
198
3
198
9
199
0
199
0
199
1
199
1
199
1
199
1
199
2
199
2
199
4
199
5
199
5
199
9
200
1
200
2
Año en que se realizo el estudio
Bala
nce
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ergia
Net
o (
NE
B)
Figura 1. Síntesis de los resultados obtenidos por diversos estudios para el Balance de Energía Neto del Bioetanol [4].
La figura 1 indica una tendencia ascendente del balance de energía neto con el
tiempo. Esto se debe principalmente a la optimización de los procesos de producción de
Etanol y a cambios en las suposiciones hechas por los modeladores que realizaron los
estudios.
Un estudio reciente (2006) realizado por Jason Hill et al. afirma que el bioetanol
obtenido de granos de maíz proporciona 25% más energía de la invertida en su
4
producción mientras que el biodiesel obtenido de soya tiene un balance de energía neto
de 93% [3]. El bajo rendimiento energético del Etanol se debe a la gran cantidad de
energía requerida para producir maíz y después convertirlo a Etanol. Sin embargo, esta
comprobado que el uso de celulosa como materia prima implica una disminución del
consumo energético durante el proceso de producción, lo cual mejora considerablemente
el balance energético neto [7]. Aunque este último proceso no se encuentra a escala
comercial aún, se esta desarrollando y evaluando a nivel piloto y se espera que pronto sea
posible comercializarlo [8].
Otra forma de cuantificar el rendimiento energético de un combustible es
mediante su razón energética, esta se define como la relación del poder calorífico del
combustible (en MJ/Kg) y la energía primaria no renovable utilizada para producir un Kg
del combustible. La razón energética también es conocida como Demanda Energética
Acumulada (CED por sus siglas en inglés). En la figura 2 se muestran resultados de
estudios realizados de 1989 al 2005 [9].
En la figura 2 se observa claramente que la demanda energética acumulada del
bioetanol depende de los insumos utilizados en el proceso. La mayor parte de los estudios
indican una razón energética mayor a uno, esto quiere decir que el Etanol provee más
energía de la que demanda en su proceso de producción. También se puede notar que en
promedio, el Etanol obtenido de celulosa provee 56% más energía que el obtenido con
granos de maíz. La principal desventaja del proceso de obtención de Etanol a partir de
celulosa es su costo, el cual asciende a casi $1.5 DLLS mientras que si se usa maíz este es
de menos de $0.90 DLLS [10].
Con respecto a los beneficios ambientales, el reemplazo de combustibles fósiles
por biocombustibles tiene el potencial de reducir significativamente las emisiones de
gases de efecto invernadero, debido a que el carbono contenido en los biocombustibles es
biogénico y evita emisiones de carbono por quema de combustibles fósiles [8]. El uso de
biocombustibles se caracteriza principalmente por una reducción de emisiones de bióxido
de carbono y esto hace posible que jueguen un papel importante en el mercado de los
bonos de carbono, más adelante se incluye un estimado de los beneficios económicos que
esto representaría para México.
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Figura 2. Demanda Energética Acumulada. Valores reportados por diferentes investigadores durante el periodo 1989-2005 [9].
El uso de bioetanol como combustible automotor se encuentra ampliamente
arraigado en Brasil, Estados Unidos y Australia, el primero de ellos comercializa mezclas
con un contenido de hasta 85% en volumen de bioetanol en sus gasolinas (E-85). De las
experiencias de estos países sabemos que las principales barreras técnicas que presentan
las mezclas diesel-bioetanol para comercializarse son: punto de flasheo bajo y los
manufacturadores de equipo original (OEM por sus siglas en inglés) aun no aceptan dar
garantía de sus equipos si estos utilizan e-diesel como combustible [11].
En el caso de la gasolina, actualmente todos los automóviles de transporte ligero
(LDV’s por sus siglas en inglés) pueden usar mezclas gasolina-bioetanol que contengan
menos del 10% de bioetanol en volumen y existen vehículos capaces de utilizar mezclas
Caña de azúcar
Biomasa lignocelulosica
Cereales Maíz
Valor promedio reportado
6
con mas de 85% bioetanol [8]. Sin embargo, una de las principales preocupaciones que
conlleva la reformulación de la gasolina con Etanol es: el efecto del alcohol en la
volatilidad de la gasolina. La volatilidad de la gasolina se cuantifica con la Presión de
Vapor Reid (PVR), un valor de PVR alto significa que el combustible es mas volátil, en
otras palabras, entre más grande sea el valor de PVR mayor cantidad de combustible se
evaporará a una temperatura dada. La gasolina reformulada con Etanol tiene una PVR
mayor a la de la gasolina sin reformular. Es bien sabido que la adición de Etanol a
gasolina, manteniendo una concentración baja de Etanol, provoca un incremento en la
PVR de aproximadamente 1 psi [12]. Lo anterior indica que las emisiones evaporativas
podrían aumentar al reformular el combustible con Etanol.
Por otra parte el Etanol es inmiscible en hidrocarburos a cualquier proporción, por
lo tanto es necesario utilizar aditivos para estabilizar las mezclas Diesel-Etanol y Etanol-
Gasolina. El objetivo de utilizar este aditivo es mantener las mezclas homogéneas incluso
a temperaturas bajas y por un periodo de tiempo considerable.
En resumen, el rendimiento energético del bioetanol, el desarrollo de nuevos
procesos más eficientes de producción del mismo, los beneficios ambientales de su uso y
las experiencias de países como Brasil (pionero en la utilización de bioetanol como
combustible) hacen posible que países como México se planteen y evalúen la posibilidad
de reformular sus combustibles automotores con bioetanol.
I.2. Objetivos generales
• Evaluar las características fisicoquímicas de mezclas de gasolina Premium y
Magna con Etanol al 10% y 15% en volumen.
• Evaluar las características fisicoquímicas de mezclas de Diesel con Etanol al 10%
y 15% en volumen.
• Evaluar la factibilidad del uso de bioetanol para la reformulación de gasolina.
Tomando como punto de referencia las características fisicoquímicas del
combustible sin reformular y las del combustible reformulado.
7
• Evaluar la factibilidad del uso de bioetanol para la reformulación del diesel.
Tomando como punto de referencia las características fisicoquímicas del
combustible sin reformular y las del combustible reformulado.
I.3. Objetivos específicos
• Obtener mezclas estables de gasolina con un contenido de bioetanol de 10% y
15% en volumen. Es necesario determinar la cantidad óptima de aditivo para
mantener la estabilidad de las formulaciones.
• Obtener mezclas estables de diesel con un contenido de bioetanol de 10% y 15%
en volumen. Así como, determinar la cantidad óptima de aditivo (biodiesel o
mezcla de alcoholes) necesaria para mantener estables las muestras
• Evaluación de las propiedades fisicoquímicas de mezclas de gasolina PREMIUM
y MAGNA con un 10% y 15% (volumen) de bioetanol anhidro. Las propiedades
que se evaluaran son:
a. Número de octano de investigación y Número de octano del motor
(NOI/NOM)
b. Contenido de oxigenados
c. Presión de vapor Reid (PVR)
d. Destilación
e. Poder calorífico
f. Estabilidad a la oxidación (Periodo de inducción)
g. Peso específico
• Evaluación de las propiedades fisicoquímicas del diesel reformulado con un 10%
y 15% (volumen) de bioetanol anhidro, usando biodiesel como aditivo. Las
propiedades que se evaluarán son:
a. Número cetano
b. Punto de inflamabilidad
8
c. Poder calorífico superior y poder calorífico inferior (HHV y LHV por sus
siglas en inglés)
d. Curva de destilación
e. Densidad
• Evaluación de las propiedades fisicoquímicas mencionadas en el apartado
anterior, para el caso de las mezclas de diesel y Etanol al 10% y 15% en volumen,
usando como aditivo una mezcla de alcohol butílico, acetona, alcohol bencílico y
fenol [13].
• Estimar las emisiones teóricas de Bióxido de Carbono producidas por la
combustión de estas mezclas y evaluar su eficiencia ambiental en base a las
emisiones del combustible original y evaluar el impacto que se tendría en las
importaciones nacionales de gasolina y diesel en el supuesto de que se
enriquecieran estos combustibles con bioetanol al 10% y 15%.
I.4. Justificación
El sector transporte destaca dentro de los principales consumidores de
combustibles fósiles. Tan solo en la República Mexicana, en el año 2005, su consumo
energético ascendió a 1,863.686 PJ, equivalentes a casi el 50% del consumo energético
nacional total [14]. Dentro de este sector destaca el subsector autotransporte que en el
mismo año consumió 1,690.028 PJ. Más del 95% de esta energía se obtuvo a partir de
gasolina y diesel. La producción nacional de estos dos productos es rebasada por la
demanda, por tanto se hace necesario importarlos. En el 2005 el 23.28% del consumo
total energético derivado de estos dos combustibles fue cubierto con producto de
importación [14].
Lo anterior aunado a la disminución de las reservas petroleras en México [15],
justifica el desarrollo y uso de combustibles alternos en el país, tales como el biodiesel y
el bioetanol. El gobierno mexicano conciente de ello, el 8 de febrero del 2006 aprobó la
Ley para el Desarrollo y Promoción de los Bioenergéticos. Dicho ordenamiento pretende
impulsar la agroindustria para la producción de bioetanol y otros biocombustibles como
9
elementos clave para contribuir a lograr la autosuficiencia energética del país a través del
uso de energías renovables.
La promulgación de esta ley hace posible promover como una alternativa la
reformulación de la gasolina mexicana con Etanol. Esto con la finalidad de disminuir las
importaciones de combustibles fósiles, reemplazándolos por combustibles provenientes
de fuentes renovables, mejorar la calidad del aire y obtener beneficios económicos ante la
posibilidad de entrar al mercado de los bonos de carbono. A continuación se exponen con
detalle los beneficios que implicaría para México el reformular los combustibles
nacionales con Etanol.
Retomando los datos del Balance Nacional de Energía, reportados por la SENER
para el año 2005, el consumo energético de gasolina por el sector autotransporte ascendió
a 1,195.013 PJ y el de diesel a 490.373 PJ [14]. Este consumo energético equivale
aproximadamente a 242.91 millones de barriles de gasolina y 82.78 millones de barriles
de diesel respectivamente (considerando un poder calorífico igual a 44.2 MJ/Kg para la
gasolina [16] y para el diesel 35.31 x 106 BTU/m3 [17]). El mismo año se importaron 69
millones de barriles de gasolina y 7.19 millones de barriles de diesel, equivalentes
aproximadamente al 28.39% y 8.63% del consumo total, respectivamente. Por lo tanto, si
el combustible mexicano se reformulara con bioetanol al 10% en volumen, las
importaciones de gasolina disminuirían significativamente y el diesel de producción
nacional seria suficiente para satisfacer la demanda del país.
Por otra parte, entre los beneficios ambientales de usar mezclas de gasolina con
bioetanol a bajos porcentajes, encontramos una disminución durante la combustión en las
emisiones de Monóxido de Carbono (CO), Compuestos Orgánicos Volátiles y materia
particulada con diámetro aerodinámico ≤10 µm (PM10) [3,4]. Tomando como base un
análisis de ciclo de vida, el uso de bioetanol (obtenido a partir de celulosa) en vehículos
de transporte ligero reduciría considerablemente las emisiones de gases de efecto
invernadero. En comparación con la gasolina, se estima una reducción de entre el 45% al
85% [8].
En México, durante el año 2002 el sector transporte contribuyó con un 18% del
total de las emisiones de gases de efecto invernadero. De los 114,385 Gg de Bióxido de
10
Carbono equivalente emitidos por el sector transporte, 104,090.35 Gg fueron emitidos
por los escapes de automóviles y camiones, es decir, por el sector autotransporte [2]. El
uso de gasolina E-10 (10% Etanol en volumen) en comparación con gasolina E-0 (0%
Etanol en volumen), implica una disminución de las emisiones de gases de efecto
invernadero entre 1-5% [4]. Por lo tanto, si en México se comercializara gasolina E-10 se
dejarían de emitir 5.205 millones de toneladas anuales de bióxido de carbono equivalente,
lo que implicaría una ganancia de 15.87 MMUSD en bonos de carbono1.
Otro aspecto importante que se debe mencionar a favor de la alternativa de
reformular la gasolina con Etanol es que el uso de gasolina E-10 no implica
modificaciones a la infraestructura del vehiculo en el que se utilizara [4]. Por lo tanto
mezclas de gasolina con hasta 10% en volumen de bioetanol pueden ser comercializadas
en México sin que esto implique la adquisición de nueva tecnología por parte del
consumidor final.
I.5. Alcance
El presente trabajo consiste en un estudio de la factibilidad de reformular los
combustibles mexicanos: Gasolina Magna y Premium con bioetanol al 10% y 15% en
volumen, usando como aditivo una mezcla compuesta por: alcohol bencílico, alcohol
butílico, acetona y fenol [13]. Este estudio también propone la reformulación del diesel
con etanol al 10% y 15% (volumen), evaluando el desempeño del biodiesel como aditivo
para mantener estables las mezclas en comparación con el aditivo mencionado
anteriormente [13].
La evaluación de la factibilidad de reformular el diesel y la gasolina, se hará en
base a las propiedades fisicoquímicas del combustible reformulado en comparación con
las del combustible sin reformular. También tomara en cuenta la estabilidad de las
mezclas de combustible reformulado obtenidas.
1 $3.05dls/TON CO2. Valor tomado del mercado de bonos de carbono: Chicago climate Exchange (27 agosto del 2007).
11
I.6. Distribución de la tesis
En el siguiente capítulo se documentara ampliamente el estado de la ciencia y de
la industria en cuanto a producción de bioetanol y comercialización de mezclas de
gasolina-bioetanol. Asimismo se expondrán las barreras tecnológicas y legislativas que
limitan la comercialización del e-diesel y e-gasolina en México.
En el capítulo 3 se explicara la metodología a seguir en la preparación de las
mezclas y en la evaluación de su estabilidad, para posteriormente presentar los resultados
en el capítulo 4 y en base a ellos exponer las conclusiones y recomendaciones
correspondientes.
Capítulo II.
Antecedentes Técnicos.
12
II.1. Introducción.
En México el sector transporte es el responsable de la emisión del 18% del total
de las emisiones nacionales de gases de efecto invernadero [2]. Estas emisiones
provienen de la quema de combustibles fósiles. Teniendo en consideración que el
petróleo es un recurso finito, surge la necesidad imperante de buscar un bien sustituto que
provenga de una fuente renovable y que reduzca las externalidades negativas,
principalmente relacionadas con la contaminación atmosférica, provenientes del uso de
combustibles fósiles.
Los biocombustibles provienen de fuentes naturales renovables. Los principales
biocombustibles son el bioetanol y el biodiesel. La ventaja ambiental que tiene el uso de
biocombustibles es una reducción en las emisiones de bióxido de carbono, debido a que
su quema simplemente devuelve a la atmósfera el bióxido de carbono que las plantas
absorbieron mientras estaban creciendo en el campo.
En el presente estudio, enfocaremos la atención al uso de Etanol como un
sustituto parcial de los combustibles fósiles en México. La reformulación de la gasolina y
del diesel con Etanol representa una opción técnica atractiva, por los beneficios
ambientales, sociales y económicos que conlleva. A continuación, se exponen los
resultados de algunos estudios que se han realizado, en Estados Unidos principalmente,
sobre las propiedades del diesel oxigenado con Etanol (que de aquí en adelante
llamaremos E-diesel) y la gasolina oxigenada con Etanol (Gasohol). Además se
presentaran los principales problemas asociados al uso y producción de estos
combustibles reformulados.
II.2. Reformulación de combustibles.
El término gasolina reformulada tiene su origen en los Estados Unidos. Aún
cuando no existe una definición única, se puede decir que es cualquier gasolina que ha
sido desarrollada para reducir emisiones tanto evaporativas como del escape del
automotor de compuestos reactivos y tóxicos, o bien para mejorar el desempeño de la
misma [18].
13
En la reformulación de gasolinas se reducen los constituyentes del combustible
que tienen un impacto adverso en el medio ambiente o se adicionan componentes para
mejorar algunas características, por ejemplo el octanaje. Los estudios han mostrado que
existe una correlación manifiesta entre la composición química del combustible y los
hidrocarburos evaporados, por lo que se reconoce que la reformulación de la gasolina es
una estrategia efectiva para mejorar la calidad del aire [16].
En esencia, la reformulación implica la reducción de componentes que estén
presentes en la gasolina y que provoquen un impacto adverso en el medio ambiente, ya
sea por su evaporación o por los gases resultantes de su combustión. Entre estos
componentes se encuentra el butano, que provoca que se incremente la volatilidad de la
gasolina, lo que a su vez incide en la pérdida de hidrocarburos del tanque o el carburador;
los aromáticos (en especial el benceno por su toxicidad y los xilenos, por su potencialidad
para formar ozono) y las olefinas [19-21]. Reducir las olefinas resulta muy efectivo para
aminorar la formación potencial de smog producto de las reacciones fotoquímicas de las
emisiones evaporativas [21]. Para mantener el octano, estos componentes deben ser
reemplazados por otros con cualidades equivalentes o mejores para combustión. Los
alquilados y los oxigenados pueden servir para este propósito.
El diesel también se reformula. Los principales cambios que ha sufrido el diesel
en México son con respecto a su contenido de azufre. En enero del presente año se
introdujo al mercado el diesel ultra bajo en azufre con un contenido de 15 ppm de azufre,
lo cual equivale a una reducción del 97% con respecto al diesel que se comercializaba
antes de esa fecha. Lo anterior se hizo con la finalidad de minimizar el impacto ambiental
provocado por la combustión del diesel y para cumplir con la nueva normatividad
mexicana.
Por lo tanto, se deduce que la estrategia a seguir en el mejoramiento de la calidad
de los combustibles por la industria de refinación, deberá atender los siguientes aspectos
de manera paralela:
1.-Normatividad.
2.- Esquemas de refinación y tecnologías.
14
3.- Blending o procedimiento para la formación del mezclado final de gasolinas.
4.- Impacto ambiental.
La conjunción de estos aspectos tendrá un importante efecto en el mejoramiento
de la calidad del aire.
II.2.1. Estudios realizados en la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM).
Los contaminantes atmosféricos más importantes en la ciudad de México son el
ozono (O3), bióxidos de azufre (SO2), precursores del ozono como óxidos de nitrógeno
(NOx) y partículas.
El benceno (Bz), 1-3 butadieno (Bd), formaldehído (Fd) y acetaldehído (Ac) se
incluyen en una lista publicada por la EPA (Environmental Protection Agency), que
incluye 21 contaminantes del aire con mayor riesgo a la salud y al bienestar público. El
benceno esta muy relacionado con el riesgo de contraer cáncer por exposición a los gases
tóxicos emitidos por motores de vehículos [22]. El formaldehído es el aldehído más
común en las emisiones del escape de vehículos automotores, su fotólisis es una fuente
significativa de radicales libres en la troposféra, que eventualmente son precursores en la
formación de peroxiacil nitrato (PAN), que a su vez influirá en la conversión de óxido de
nitrógeno (NO) a dióxido de nitrógeno (NO2) y por tanto en la formación de ozono (O3)
[21, 23]. El acetaldehído produce radicales orgánicos que contribuyen a la formación de
PAN y formaldehído en la atmósfera [23]. Los niveles de PAN en la atmósfera de la
ZMVM han sido medidos y se ha encontrado una concentración muy elevada. En 1977
se reportó que el valor más alto para una zona urbana en Norteamérica correspondía al
medido en la ciudad de México.
A continuación se muestran los resultados de dos estudios realizados en la
ZMVM. En estos estudios se avaluaron las emisiones provenientes de los escapes de
automóviles usando diferentes formulaciones de combustibles. El primer estudio fue
publicado en el 2001, se comparan las emisiones de combustibles oxigenados con MTBE
(5% vol.) y Etanol a diferentes porcentajes (3%, 6% y 10%) [24]. En el 2005 Schifter et
al. publicó un estudio similar, pero con diferentes formulaciones de combustibles: MTBE
al 5.5 % y 11% en volumen, y Etanol al 6% en volumen, entre otros[23].
15
En la tabla 1 se resumen las principales características de los combustibles
evaluados en el estudio publicado en el 2001.
Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas relevantes de las gasolinas [24].
Etanol (% vol) Propiedad
MTBE
(% vol) 5 3 6 10
Densidad, 20/4 C 0.7444 0.7436 0.7475 0.7478
Presión de vapor Reid,
(lb/in2) 7.27 7.58 7.69 8.03
Destilación ASTM, D-86
(C)
10% 64.8 62.7 58.1 57.1
50% 108.5 110.0 108.7 105.3
90% 172.0 171.1 168.5 169.3
Temperatura final de
ebullición 212.2 213.3 210 209.7
Azufre (ppm) 690 640 640 580
Aromáticos (% vol) 25 25 24.8 27.1
Olefinas (% vol) 10.2 11.8 10.9 11.7
Benceno (% vol) 1.1 1.2 1.1 1.1
(RON+MON)/2 87.5 87.8 87.2 88.3
Oxígeno (% vol) 1 1 2 3.7
16
Catalizador 3 viasCatalizador 2 viasSin catalizador0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
CO
(g/K
m)
5% MTBE
3% Etanol
6% Etanol
10% Etanol
Figura 3. Efecto de la concentración de Etanol y las tecnologías de control de emisiones de los vehículos en las emisiones de CO [24].
En la figura 3 se observa que de acuerdo a este estudio, si se usa un catalizador de
3 vías las emisiones de CO se mantienen casi constantes sin importar la formulación del
combustible. Sin embargo, se estima que aproximadamente el 60% de la flota vehicular
en la ZMVM no esta equipada con convertidores catalíticos de tres vías (esta tecnología
de control de emisiones se introdujo en modelos posteriores a 1991) [23]. Tomando en
cuenta ese escenario, la reformulación de la gasolina se convierte en una opción viable
para solucionar o atenuar el problema de la contaminación atmosférica. Con respecto a
las emisiones de óxidos de nitrógeno, las variaciones debidas a la formulación del
combustible no son muy marcadas, sin embargo si hay variación si se toma en cuenta el
tipo de control de emisiones del automóvil.
Las emisiones de benceno (Bz), 1-3 butadieno (Bd), formaldehído (Fd) y
acetaldehído (Ac), son de importancia, por el carácter toxico de algunas de estas
sustancias y por su alta reactividad. La reactividad de un contaminante se mide en base a
su capacidad para formar ozono al reaccionar con otros contaminantes presentes en la
17
troposféra [21]. En la figura 4 se muestran las emisiones reportadas por Schifter et al. en
el 2001.
0
10
20
30
40
50
60
Bz Bd Fd Ac Bz Bd Fd Ac Bz Bd Fd Ac
SIN CATALIZADOR CATALIZADOR OXIDATIVO CATALIZADOR DE TRESVIAS
mg/
Km
5% MTBE
3% EtOH
6% EtOH
10% EtOH
Figura 4. Variación de las emisiones tóxicas en función de la tecnología de control de emisiones del vehículo y la concentración de Etanol [24].
En el 2005 Schifter et al. realizó un segundo estudio similar al publicado en el
2001. La diferencia radica en la amplia gama de formulaciones que evaluó. Las mezclas
de combustibles se prepararon a partir de diferentes corrientes de refinado: gasolina
catalítica, gasolina reformada, alquilado ligero, isómeros de pentano y hexano, MTBE,
Etanol, gasolina hidrotratada, TAME rafinado y Premium (Ver tabla 2). Las pruebas se
llevaron a cabo en tres grupos de vehículos diferentes: GT-1 que comprendía modelos de
1989-1992; el grupo GT-2 con modelos de 1993-1998 y el GT-3 con modelos 1999-2001.
18
Tabla 2. Porcentaje en volumen de las corrientes de refinado utilizadas en la formulación de los
combustibles [23].
Nombre asignado al combustible Corrientes de
refinado
(%Volumen) L-MTBE H-
MTBE EtOH
H-
AROM H-OLEF L-SULF M-SULF H-SULF METRO
Gasolina
catalítica 16 16 13 16 12 1 5.5 16 12.5
Gasolina
reformada 24 21 14 57.5 31.54 8 26 24 37
Alquilado
ligero 38 37 43 8 5 32 43 38 19.5
MTBE 5.5 11 0 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 7
Isómero (iC5-
C6) 9.5 8 2 9 22 0 4 9.5 8
Etanol 0 0 6 0 0 0 0 0 0
Gasolina
hidrotratada 4 7 8 3 0 9 6 4 5
TAME
Rafinado 3 0 0 1 24 8 10 3 11
Tolueno 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Premium 0 0 0 0 0 36.5 0 0 0
Este estudio coincide con el anterior, los modelos más recientes de automóviles
presentan emisiones de CO y NOx considerablemente menores a aquellos de modelo
anterior a 1991. En cuanto a las formulaciones, es notorio que una gasolina con alto
19
contenido de aromáticos y de olefinas presenta un incremento en las emisiones de CO
provenientes del escape. Las gasolinas H-MTBE y EtOH presentan emisiones de CO
muy cercanas, en comparación con las otras formulaciones. Las emisiones de CO
evaluadas para estas dos mezclas son menores [23].
Estos dos estudios demuestran que la reformulación de los combustibles es una
estrategia efectiva en el control de la contaminación atmosférica. La composición de los
combustibles esta relacionada directamente con las emisiones provenientes de los escapes
de los vehículos.
Otros estudios han demostrado que la reformulación de gasolina con oxigenados
mejora el octanaje de la misma y reduce las emisiones de contaminantes. Para el caso del
monóxido de carbono (CO), la eficiencia de los aditivos, en cuanto a la reducción de
dicho contaminante, esta en el orden: alcoholes mayor que éteres; mientras que para los
hidrocarburos: éteres mayor que alcoholes y en el caso de los óxidos de nitrógeno (NOx)
éteres menor que alcoholes. En cuanto al comportamiento del motor, otros estudios han
demostrado que el uso de gasolina reformulada, incrementa la potencia de frenado, la
eficiencia térmica, la eficiencia volumétrica y el consumo de combustible en 8.3%, 9.0%,
7% y 5.7% en promedio, respectivamente [25-27].
II.3. Gasolina
Existen varias propiedades importantes de la gasolina, sin embargo son tres las
que tienen efectos muy marcados en el desempeño del motor de combustión interna y
son: Presión de vapor Reid, el punto de ebullición y el índice octano.
II.3.1. Índice de octano.
El octanaje o índice de octano es una característica importante de las gasolinas. Es
una medida de la capacidad antidetonante de un combustible al someterse a ignición, en
una mezcla con aire en el cilindro de un motor de combustión interna [28]. Existen varios
tipos de octanaje, los más comunes son dos y son determinados por pruebas de
laboratorio: i) el octanaje probado en un motor estático o “Motor Octane Number”
(MON, por sus siglas en inglés), y ii) el medido en el laboratorio o “Research Octane
20
Number” (RON, por sus siglas en inglés). Ambos métodos usan el mismo tipo de motor
de prueba básico, pero operan bajo diferentes condiciones [19].
El NOI (Número de Octano de Investigación determinado por el método ASTM
D-2699) es una representación del rendimiento que tendría el motor usando esa gasolina
en la ciudad, cuando la aceleración es relativamente frecuente. El valor del NOI se
determina comparando el golpeteo que produce la gasolina con respecto al golpeteo que
produce una sustancia patrón. Como patrón se utiliza una mezcla de isooctano (2,2,4-
Trimetilpentano) y n-heptano [29]. De esta forma se determina el número de octanos del
combustible, con respecto al porcentaje de isooctano en la mezcla estándar. El MON
(Número de Octano del Motor determinado por el método ASTM D-2700) es una guía
del rendimiento del motor en una autopista o bajo condiciones de carga severas [19]. El
número de octano reportado es el promedio aritmético de los dos números anteriores.
Por lo tanto, los aditivos llamados potenciadores de octanaje tienen la función de
aumentar el número de octano de la gasolina, mejorando así el desempeño del motor
tanto en la ciudad como en la carretera. El tetraetilo de plomo y tetrametilo de plomo se
usaron en un principio como potenciadores de octanaje en las mezclas de gasolina. Sin
embargo, se dejaron de usar por los problemas de contaminación atmosférica y de salud
implicados. Fue entonces cuando las gasolinas incluyeron en su formulación compuestos
oxigenados, con la finalidad de incrementar el octanaje y reducir los problemas de
contaminación del aire originados por el uso de las gasolinas con plomo [30].
II.3.2. Presión de vapor Reid
Una presión de vapor Reid indica la tendencia de un hidrocarburo líquido a
volatizarse. Su determinación se basa en los métodos establecidos en las normas ASTM
D 323 o D 5191. La presión de vapor Reid junto con el rango de ebullición de la gasolina
están relacionados con: el encendido fácil del motor, la velocidad de aceleración, el
sobrecalentamiento del motor y las pérdidas de combustible por evaporación [19].
21
II.3.3. Estabilidad a la oxidación (Periodo de inducción).
El período de inducción puede ser usado como una predicción de la tendencia de
la gasolina motor a formar gomas durante su almacenamiento. Es reconocido, sin
embargo, que su correlación con la formación de gomas en almacenamiento puede variar
dependiendo de las condiciones de almacenamiento y el tipo de gasolina [31].
II.3.4. Relación Vapor-Líquido.
La tendencia de un combustible a vaporizar en un motor automotriz es indicada
mediante la relación vapor-líquido del combustible.
Es importante definir el significado de T (V/L=20), como la temperatura de
equilibrio a la cual la presión parcial de una muestra bajo condiciones de prueba es igual
a 101.3 KPa y la relación vapor líquido es igual a 20. Las especificaciones para
combustibles automotrices generalmente incluyen limites de T (V/L=20) para asegurar
productos con una volatilidad apropiada. Para temperaturas ambientales altas, un
combustible con un valor alto de es generalmente especificado, por ser un combustible
con baja tendencia a la evaporación. Por el contrario, para temperaturas ambientales bajas
se especifica un valor bajo de T (V/L=20) [32].
II.3.5. Uso de oxigenados en gasolina.
Dos tipos de oxigenados son comúnmente añadidos a la gasolina: los éteres y los
alcoholes. Los éteres más comúnmente usados para oxigenar la gasolina son: Metil
Terbutil Éter (MTBE), Teramil Éter (TAME), Teramil Etil Éter (TAAE) y Diisopropil
Éter (DIPE). Entre los alcoholes usados con el mismo propósito encontramos: Alcohol
Metílico, Alcohol Etílico y Alcohol terbutílico [33].
El Etanol es usado en las mezclas de gasolina en proporciones que oscilan entre el
5%-85%. Sin embargo su uso no esta tan difundido como el del MTBE. El MTBE es el
oxigenado más comúnmente usado debido a su alto número de octano (110
aproximadamente), su disponibilidad y sus características fisicoquímicas y térmicas que
son compatibles con las de la gasolina, especialmente en el rango de evaporación donde
las gasolinas típicamente muestran características antidetonantes bajas [30].
22
A pesar de las óptimas características del MTBE como aditivo, el 20 de marzo del
2000 la EPA anunció el comienzo de una acción regulatoria con la finalidad de reducir o
eliminar el uso del MTBE en las gasolinas. El motivo de esta decisión fue el impacto
potencial de contaminación de los mantos freáticos con MTBE. La solubilidad del MTBE
es de 25-300 veces mayor que la de los hidrocarburos, tienen una tendencia mínima a
adsorberse en el suelo o volatilizarse y son resistentes a la biodegradación [33]. Lo más
crítico del uso del MTBE son los impactos en la salud de los seres humanos, ya que
existe la probabilidad de que la exposición a MTBE provoque cáncer [6].
Por otra parte, el Etanol es usualmente mezclado con gasolina para crear el
gasohol. Comparado con la gasolina y tomando en consideración la relación
aire/combustible típica de la misma (14.2-15.1), su poder calorífico inferior (18,900
BTU/lb), y su calor de vaporización (150 BTU/lb), el Etanol requiere el 60% del aire para
su combustión, produce el 65% de la energía y requiere 2.6 veces mas calor para
vaporización [30, 34].
En cuanto a octanaje, el MTBE mezclado al 10% en volumen con una gasolina
que tenga un NOI=94.3 y NOM=84.3, alcanza un número de octano reportado de 110,
mientras que el Etanol en las mismas condiciones alcanza un número de octano reportado
de 109.5 [30].
II.3.6. Beneficios ambientales derivados de la oxigenación de gasolinas.
Además de incrementar el número de octano, la adición de oxigenados en la
gasolina reformulada reduce las emisiones de Monóxido de Carbono e Hidrocarburos. Un
porcentaje de oxigenados en la mezcla de gasolina mejora la volatilidad del combustible,
favorece la combustión completa, disminuye las emisiones de monóxido de carbono
debido al oxigeno disponible y minimiza las emisiones exhaustivas de hidrocarburos de
un motor de combustión interna. La reducción de formación de hidrocarburo en el
cilindro y la mejor oxidación del hidrocarburo en la post-flama, se consideran factores
que contribuyen a la reducción de las emisiones de hidrocarburos en motores de
combustión interna que operan con combustibles oxigenados [16].
23
Un estudio demostró que las emisiones másicas de hidrocarburos, provenientes
del escape del automotor, pueden reducirse en un 5.45% y las de monóxido de carbono
en un 12.5 %, al adicionar 4.8% de oxigenados a la gasolina [34].
II.4. Gasohol.
La gasolina oxigenada con Etanol recibe el nombre de gasohol. También es
conocida como E-5, E-10, E-15 o E-85, dependiendo del porcentaje de Etanol en
volumen que contenga, por ejemplo: la gasolina E-5 contiene 5% de Etanol en volumen y
95% de gasolina. Estas mezclas actualmente se comercializan en países como: Estados
Unidos, Brasil y otros de la unión europea.
La gasolina E-5 (5% Etanol) es la mezcla máxima autorizada en la actualidad por
la regulación europea. Sin embargo, es previsible una modificación de la normativa
europea que aumentará este limite al 10% (E10) ya que diferentes estudios constatan que
los vehículos actuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10% de bioetanol y los
beneficios para el medioambiente son significativos.
En Estados Unidos la gasolina E-10 es la más utilizada, ya que hasta esta
proporción de mezcla los motores de los vehículos no requieren ninguna modificación y
produce la elevación del octano en la gasolina mejorando su desempeño y obteniendo una
notable reducción en la emisión de gases contaminantes.
Las mezclas con altos porcentajes de alcohol como la E-85 y E-95, solo pueden
ser usadas en Vehículos de Combustibles Flexibles (Flexible Fuel Vehicles) con motores
adaptados que permiten una variedad de mezclas. Estas mezclas se comercializan en
menor escala en Estados Unidos y Brasil.
II.4.1. Propiedades de las mezclas de Gasolina-Etanol.
El Etanol es un alcohol típicamente producido a partir de la fermentación de los
azúcares contenidos en el maíz, caña de azúcar, sorgo dulce y otros. El Etanol tiene cerca
de 35% en peso de oxígeno y como se mencionó anteriormente es un potenciador de
octanaje. En una concentración del 10% en volumen, esta demostrado que incrementa el
24
número de octano en 2.5-3 puntos. El Etanol facilita el arranque de los motores en
invierno, reduce los depósitos en el sistema de inducción y en la cámara de combustión,
mejora la combustión. Además reduce las emisiones de monóxido de carbono e
hidrocarburos provenientes del escape del automotor [30].
En la tabla 3 se muestran los cambios en las propiedades fisicoquímicas de la
gasolina al añadirle 10% en volumen de Etanol. Se observa que el número de octano se
incrementa siendo esta una característica favorable de la mezcla. Sin embargo, la presión
de vapor Reid también aumenta, lo que implica que las emisiones evaporativas podrían
aumentar también si no se tiene un control apropiado.
Tabla 3. Efecto del Etanol en las características de la gasolina [30].
Propiedad Gasolina sin Etanol Gasolina con 10%
Etanol
PVR (psia) 10.3 10.4
Parafinas (vol%) 62 -
Olefinas (vol%) 3 -
Aromáticos (vol%) 35 -
NOI 96 99
NOM 85 86.6
Gravedad Especifica 0.757 0.760
Retomando el asunto de la volatilidad de las mezclas Gasolina-Etanol, existen
numerosos estudios al respecto que muestran un aumento significativo de la PVR incluso
con la adición de Etanol a baja proporción. Lo anterior se debe a desviaciones positivas
de la Ley de Raoult, es decir, los vapores de alcohol existen a concentraciones
desproporcionadas a la concentración de alcohol en la mezcla. Estas observaciones son
contrarias a lo esperado, porque la PVR del alcohol es menor que la de la gasolina. Por lo
tanto, la PVR de la mezcla debería ser menor a la de la gasolina, sin embargo ocurre lo
25
contrario. Esto puede explicarse de la siguiente manera: debido a que las moléculas de
alcohol son más polares que las moléculas de gasolina, el contenido de alcohol del vapor
encima de la mezcla Gasolina-Etanol excede la concentración de Etanol en la mezcla
[30].
II.4.2. Miscibilidad del Etanol en gasolina
Las mezclas de Gasolina-Etanol son muy inestables, debido a diferencias de
polaridad y a la alta afinidad del Etanol con el agua. Las mezclas de hasta 10% de Etanol
en gasolina son estables a temperatura ambiente, sin embargo cantidades muy pequeñas
de agua pueden hacer que las mezclas se separen. Esto se debe a que el Etanol atrae el
agua y tiende a separarse de la gasolina formando dos fases o una emulsión muy
inestable. A bajas temperaturas, la capacidad de la mezcla para tolerar la humedad
disminuye considerablemente y la separación de fases ocurre irremediablemente. La
separación de la mezcla en dos fases (Etanol-agua y gasolina) es indeseable ya que causa
problemas de corrosión de los componentes mecánicos y una combustión errática [34].
La miscibilidad del bioetanol en mezclas de gasolina es limitada principalmente
por diferencias de polaridad. La polaridad de una sustancia esta en función de su
composición molecular y de sus propiedades electroquímicas. La composición molecular
de la gasolina depende del tipo de corrientes de destilado que contenga, el proceso de
refinación y en mayor grado del tipo de crudo del cual se obtuvo. Los componentes del
hidrocarburo con mayor constante dieléctrica (por ej. Aromáticos) pueden tener
fácilmente interacciones dipolo-dipolo, con el bioetanol que es polar. Esto resulta en una
mejor solubilización del bioetanol con el hidrocarburo. Por lo tanto, un hidrocarburo con
alto contenido de aromáticos puede solubilizar una mayor cantidad de bioetanol [35].
II.5. Diesel.
Volatilidad, calidad de ignición (expresada como numero cetano o índice cetano),
viscosidad, contenido de azufre, contenido de aromáticos, y cloud point son las
propiedades mas importantes del diesel.
26
II.5.1. Índice cetano.
Las propiedades de ignición del diesel son expresadas en términos del índice
cetano. Este es muy similar al número de octano y expresa el porcentaje en volumen de
cetano (C16H34, alta calidad de ignición) en una mezcla con α-metil-naftaleno (C11H10,
baja calidad de ignición). Como el índice cetano es un indicador de la relación
Hidrogeno-Carbono, es también un indicador indirecto del contenido de aromáticos en el
combustible. Por lo tanto, frecuentemente una especificación de índice cetano mínimo es
usada como una alternativa para el contenido máximo de aromáticos. Una baja
concentración de azufre y de aromáticos equivale a una reducción de las emisiones de
partículas durante la combustión [19].
II.5.2. Flash point y presión de vapor.
El flash point o punto de inflamabilidad (así lo llamaremos de aquí en adelante) es
la temperatura mas baja a la cual la presión de vapor de un líquido es suficiente para
producir una mezcla flamable en el aire sobre la superficie liquida del tanque. La presión
de vapor es una propiedad relacionada, que se define como la presión ejercida por el
vapor sobre un líquido en un contenedor a una temperatura dada [19].
II.6. E-Diesel.
El E-diesel es una mezcla Diesel-Etanol con un contenido de 15% en volumen de
Etanol. Su uso no esta tan difundido con el del gasohol, sin embargo se comercializa en
Estados Unidos y Brasil.
II.6.1. Propiedades de las mezclas Diesel-Etanol.
El número cetano de la mezcla de Etanol es 8 y el valor fijado por el estándar
ASTM D975 es como mínimo 40. Hay evidencia de que números cetano por debajo de
40 causan una operación pobre por parte del motor y en tanto mas se incremente el
numero cetano la operación mejora y se reducen las emisiones. Por lo tanto, es necesario
adicionar un aditivo para mejorar el índice cetano. Sin embargo estos aditivos son caros,
entonces para minimizar costos se sugiere que se adicione solo el cantidad necesaria para
27
tener un índice cetano mínimo, es decir, 40. Pero aquí surge otro problema. Si se usa un
índice cetano mínimo, las emisiones de óxidos de nitrógeno aumentan. Entonces se debe
determinar un índice cetano óptimo que no comprometa las ganancias tomando en cuenta
la normatividad y el compromiso ambiental [11].
Otra característica importante del combustible es el poder calorífico. El poder
calorífico en base volumétrica del Etanol es 42% menor que el del diesel. El bajo
contenido energético del combustible se traduce directamente en unos cuantos kilómetros
menos por galón de combustible. En la tabla 4 se muestra el déficit energético de algunas
mezclas de Diesel-Etanol.
II.6.2. Miscibilidad del Etanol en diesel.
Al igual que con la gasolina, las mezclas Diesel-Etanol son muy inestables debido
a diferencias en la polaridad. La presencia de agua hace aun mas inestable la mezcla y a
bajas temperaturas el diesel y el Etanol son prácticamente inmiscibles en cualquier
proporción [16,36].
Tabla 4. Poder calorífico inferior del Etanol, diesel, y mezclas Diesel-Etanol [11].
Combustible LHV*, BTU/Gal (MJ/L) % Decremento con respecto
al diesel.
Diesel típico 132,000 (36.6) ------
5% Etanol/Diesel 129,222 (35.8) 2.1
10% Etanol/Diesel 126,443 (35.1) 4.2
15% Etanol/Diesel 123,665 (34.3) 6.3
Etanol 76,431 (21.3) 42
*LHV: Lower Heating Value (Poder calorífico neto)
28
II.7. Aditivos para estabilizar las mezclas de Etanol-hidrocarburos.
La capacidad global de un hidrocarburo para solubilizar bioetanol puede ser
manipulada con la ayuda de aditivos externos llamados “couplers”. Estos se cree que
pueden actuar en dos formas diferentes. Primeramente, estos puede que actúen como un
surfactante para atraer a las moléculas de agua y bioetanol (polares) en la fase
conformada por el hidrocarburo (no polar). Estos “couplers” están diseñados de tal
manera que tienen una terminación moderadamente polar y otro extremo no polar, así que
actúan como un puente que une los componentes polares con los no polares. La cabeza
polar se disuelve en el agua o bioetanol mediante puentes de hidrogeno y la no polar se
solubiliza en la fase conformada por el hidrocarburo. Los alcoholes etoxilados, polímeros
funcionales y alcoholes de cadena larga son útiles y fueron los primeros en utilizarse.
El otro método para solubilizar bioetanol en hidrocarburo es mediante el uso de
co-solventes orgánicos. Estos son compuestos químicos que tienen una polaridad
intermedia entre la baja polaridad del hidrocarburo y la alta polaridad del bioetanol. Estos
son usados para incrementar la polaridad global del hidrocarburo y así este podrá
solubilizar una mayor cantidad de bioetanol. Tales co-solventes pueden ser: alcoholes de
4 a 8 carbonos, esteres de 10 a 20 carbonos, etc [35].
Capítulo III.
Metodología
29
III.1. Evaluación de la estabilidad de las mezclas.
Como se mencionó en el capítulo anterior, las mezclas de Etanol con
hidrocarburos son miscibles solo con muy pequeñas proporciones de Etanol y su
estabilidad se ve influenciada por la temperatura. En general temperaturas bajas propician
la separación de fases, por lo tanto para mantener estables las mezclas a bajas
temperaturas, es necesario utilizar aditivos.
En esta sección, se describen los procedimientos que se siguieron para la
preparación del aditivo, la preparación de las mezclas y la evaluación de la estabilidad de
las mismas.
III.1.1. Preparación del aditivo.
Para las mezclas de Gasolina-Etanol y Diesel-Etanol, se preparó un aditivo en
común, con la siguiente composición:
Alcohol bencílico 20 % vol.
Acetona 35 % vol.
Alcohol Butílico 40 % vol.
Fenol 5 % vol.
Se mezclaron los reactivos en las proporciones ya mencionadas, y se almacenó la
solución resultante en un frasco reactivo color ámbar. La formulación de este aditivo fue
consultada en la patente francesa con número 81-04112 [13].
En el caso de las mezclas de Diesel-Etanol, también se utilizo biodiesel como
aditivo para estabilizar las mezclas. El biodiesel que se utilizó, provenía de la planta de
biodiesel del ITESM.
30
III.1.2. Preparación de las mezclas de hidrocarburos con Etanol.
Para determinar la cantidad aproximada de aditivo necesaria para mantener
estable la mezcla a temperatura ambiente, se realizó un pequeño experimento. Se fijó un
volumen de combustible, y se varió la relación de aditivo-combustible, a las mezclas así
obtenidas se les añadió Etanol gradualmente con una bureta, sin dejar de agitar. La
aparición de turbidez o una separación de fases, era evidencia clara de que se había
llegado al límite, en cuanto a solubilidad de Etanol en el combustible. De esta manera, se
evaluó la cantidad mínima de aditivo necesaria para mantener estables las mezclas a
temperatura ambiente y el volumen máximo de Etanol anhidro que es soluble en gasolina
y diesel a temperatura ambiente.
Se prepararon mezclas de Gasolina-Etanol-aditivo y de Diesel-Etanol-aditivo. En
las figuras 5 y 6 se especifican las composiciones de las mezclas de gasolina y diesel que
se evaluaron.
Figura 5. Composición de las mezclas de Etanol-Gasolina-aditivo evaluadas. (El porcentaje de
aditivo es en base al volumen de combustible sin Etanol).
31
Figura 6. Composición de las mezclas de Etanol-Diesel-aditivo evaluadas. (El porcentaje de
aditivo es en base al volumen de combustible sin Etanol).
Para la preparación de las mezclas, se utilizó un volumen total de Etanol-
combustible de 40 mL. El porcentaje de aditivo es en base al volumen de combustible
utilizado, sin Etanol. Por ejemplo: para una mezcla con 15% de Etanol y 5% de aditivo,
los volúmenes de Etanol y aditivo correspondientes son 6 mL de Etanol y 1.7 mL de
aditivo, respectivamente.
Conjuntamente a las mezclas ya mencionadas, se prepararon los blancos
muestrales correspondientes, cuya composición guardaba la misma relación Etanol-
combustible, pero sin aditivo.
El procedimiento de preparación es el siguiente: a un volumen determinado de
combustible (gasolina o diesel) se le añade el volumen exacto de aditivo, posteriormente
se adiciona un volumen definido de Etanol anhidro con una bureta, se cubre
inmediatamente el recipiente que contiene la mezcla y posteriormente se agita por 5
32
minutos a temperatura ambiente. Es importante que el material que se utilice se encuentre
completamente seco, con la finalidad de no contaminar la mezcla con agua.
Las mezclas así obtenidas fueron almacenadas durante 6 semanas, a diferentes
temperaturas. El rango de temperatura al cual fueron almacenadas las mezclas fue de
20°C a -5°C, y la temperatura se fue variando en 5°C por semana. Lo anterior, con la
finalidad de evaluar la cantidad de aditivo necesaria para mantener estables las mezclas a
bajas temperaturas y en el caso de las mezclas de Diesel-Etanol, para comparar la
eficiencia del aditivo FR8104112 y el biodiesel.
Para evaluar la estabilidad de las mezclas, estuvieron bajo observación durante las
6 semanas que estuvieron almacenadas, con la finalidad de buscar indicios de una
separación de fases tal como la aparición de turbidez, la formación de pequeñas gotitas
inmiscibles o la formación de dos fases inmiscibles entre si.
III.2. Evaluación de las propiedades fisicoquímicas del combustible
reformulado.
En el caso de las mezclas Gasolina-Etanol, las propiedades fisicoquímicas que se
evaluaron son:
• Contenido de oxigenados
• Número de octano de investigación y Número de octano del motor
(NOI/NOM).
• Presión de vapor Reid (PVR).
• Estabilidad a la oxidación (Periodo de inducción).
• Densidad
• Curva de Destilación
Para las mezclas Diesel-Etanol, se evaluaron las propiedades fisicoquímicas que
se enlistan a continuación:
• Número cetano.
33
• Punto de Inflamabilidad
• Densidad
• Curva de Destilación
Los procedimientos para la realización de las pruebas fisicoquímicas se basan en
las normas ASTM correspondientes y se realizaran tres repeticiones por muestra. Los
análisis mencionados anteriormente, a excepción de la determinación de la densidad de
los combustibles, serán realizados en el Southwest Research Institute.
Además de las pruebas anteriores se determinará el poder calorífico de los
combustibles, esta prueba será realizada en el Centro de Calidad Ambiental del ITESM.
III.2.1. Preparación del combustible reformulado.
Una vez determinada la proporción de aditivo necesaria para mantener estables
las mezclas en un rango amplio de temperatura, se procedió a preparar de manera
continua el combustible reformulado para determinar sus características fisicoquímicas.
El equipo en el que se preparó el combustible reformulado se mantuvo hermético,
con la finalidad de mantener los componentes libres de humedad.
III.2.2. Numero octano de investigación (NOI).
El número octano de investigación de un combustible para motor de combustión
interna, es determinado usando un motor estándar de prueba y operando a condiciones
propicias para comparar las características detonantes de dicho combustible con las del
combustible de referencia primario (PRF por sus siglas en inglés) de índice de octano
conocido. La relación de compresión (CR por sus siglas en inglés) y la relación aire-
combustible son ajustadas para producir una intensidad detonante estándar (KI por sus
siglas en inglés) para el combustible muestra, esta característica es medida con un
sistema electrónico especifico. Una tabla de KI estándar sirve de guía para relacionar la
CR con el nivel de número de octano para este método específico. La relación aire-
combustible, para el combustible muestra y las mezclas combustibles de referencia
primarias, es ajustada para maximizar el KI de cada combustible.
34
La relación aire-combustible para un KI máximo puede ser obtenida i) haciendo
cambios escalón incrementales en la estabilidad de la mezcla, observando el valor KI de
equilibrio para cada escalón, y por último se selecciona la condición que maximiza la
lectura o ii) seleccionando el valor KI máximo correspondiente, obtenido al ir variando la
estabilidad de la mezcla de rica-pobre o pobre-rica a una velocidad constante [29].
Figura 7. Estructura del motor para
determinar el número de octano de
investigación [26].
A. Tubo humidificador del aire.
B. Entrada del calentador del aire.
C. Condensador enfriador.
D. Cuatro carburadores
E. Regulador de CR del motor.
F. Cárter
G. Filtro de aceite
H. Medidor de la ignición-detonación.
J. Medidor de detonaciones
K. Display del CR
El motor debe operarse a 600 +/-6 RPM, cuando el motor esta encendido, con una
variación máxima de 6 RPM durante el periodo de prueba.
III.2.3. Número octano de motor (NOM).
El método de prueba para determinar el NOM, es similar al descrito en la sección
anterior. La diferencia radica en las condiciones de operación del motor, en este caso el
motor se opera a una velocidad de giro de 900 +/- 9 RPM, cuando el motor esta
encendido. La máxima variación permitida durante el período de prueba es de 9 RPM.
III.2.4. Estabilidad a la oxidación (Método del período de inducción).
La muestra es oxidada en un recipiente a presión, inicialmente se llena a 15-25 °C
manteniendo una presión de oxígeno de 690-705 KPa, posteriormente la muestra es
35
calentada a una temperatura entre 98-102 °C. La presión es grabada continuamente o
leída a intervalos establecidos hasta alcanzar el punto de quiebre. El tiempo requerido
para que la muestra alcance este punto es el periodo de inducción observado a la
temperatura de prueba, a partir de este se puede calcular el periodo de inducción a 100 °C
[31].
III.2.5. Presión de vapor Reid (PVR).
La cámara de líquidos del aparato de presión de vapor es llenada con la muestra
fría y se conecta a la cámara de vapor que ha sido calentada a 37.8 °C en un baño de
temperatura constante. El aparato ya ensamblado es sumergido en el baño a la
temperatura ya mencionada, hasta que se observa una presión constante. La lectura,
corregida apropiadamente, es reportada con la presión de vapor Reid [37].
III.2.6. Número cetano.
El número cetano de un combustible diesel es determinado mediante la
comparación de sus características de combustión en un motor de prueba con las de
mezclas de combustibles de referencia con número cetano conocido bajo condiciones de
operación estándar. Esto se obtiene variando la relación de compresión para la muestra y
los combustibles de referencia.
El motor consiste en un cilindro con inyección de diesel indirecta. El motor opera
a una velocidad de 900 RPM y mientras el motor esta succionando, la temperatura del
aire admitido alcanza los 65.5 °C. La prueba se basa en un cuidadoso ajuste de la relación
aire-combustible y la relación de compresión para producir un retardo en la ignición
estándar (el periodo entre el inicio de la inyección de combustible y el inicio de la
combustión) [38].
III.2.7. Punto de inflamabilidad
Un recipiente metálico de dimensiones específicas, es llenado hasta la marca
correspondiente con la muestra y posteriormente se coloca una tapa, la muestra es
calentada y agitada a velocidades especificadas en la norma, dependiendo del
36
procedimiento (A o B). El contenido del recipiente se expone a una fuente de ignición a
intervalos regulares con una interrupción simultánea de la agitación, esto se realiza hasta
detectar que la muestra flasheo. Se reporta la temperatura corregida a la cual flasheó la
muestra (a una presión de 101.3 KPa) [39].
III.2.8. Curva de destilación.
Basado en su composición, presión de vapor, punto inicial de ebullición (IBP, por
sus siglas en inglés) esperado o punto final de ebullición esperado (EP, por sus siglas en
inglés), o una combinación de ambos, la muestra es agrupada en uno de los cuatro grupos
que se muestran en la tabla 5. El arreglo del aparato, la temperatura del condensador, y
otras variables de operación están definidos de acuerdo al grupo al cual pertenezca la
muestra [40, 41].
Tabla 5. Características de los grupos de gasolina para efectuar la destilación [41].
Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4
Características de la muestra
Tipo de Destilación
Presión de Vapor a
37.8 °C, KPa ≥65.5 <65.5 <65.5 <65.5
100 °F, Psi ≥9.5 <9.5 <9.5 <9.5
Destilación, IBP °C ≤100 >100
°F ≤212 >212
EP °C ≤250 ≤250 >250 >250
°F ≤482 ≤482 >482 >482
Un volumen de muestra igual a 100 mL es destilado bajo las condiciones
prescritas en la tabla 6, de acuerdo al grupo al que pertenezca. La destilación se lleva a
cabo en una unidad de destilación batch a presión atmosférica y a condiciones propicias
para aproximarse a un plato teórico. Se realizan observaciones sistemáticas de la
temperatura y los volúmenes de condensado, dependiendo de los datos que se quieran
recopilar. El volumen de residuo y las pérdidas también son registrados.
37
Al terminar la destilación, las temperaturas del vapor observado deben ser
corregidas a la presión barométrica. La prueba se debe repetir si las condiciones
especificadas no se obtienen.
Los resultados de la prueba usualmente se reportan como el porcentaje evaporado
o recolectado contra la temperatura correspondiente, ya sea en una tabla o en una grafica,
la grafica correspondiente será la curva de destilación.
Tabla 6. Condiciones durante el procedimiento de destilación [41].
Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4
°C 0-1 0-5 0-5 0-60 Temperatura del baño de
enfriamiento °F 32-34 32-40 32-40 32-140
°C 13-18 13-18 13-18 ±3 Temperatura del baño alrededor
del cilindro recolector de
condensado °F 55-65 55-65 55-65 ±5
Tiempo desde la primera aplicación de
calor al punto inicial de ebullición, min. 5-10 5-10 5-10 5-15
Tiempo desde el punto inicial de
ebullición
al 5% de recuperación , s 60-100 60-100
al 10% de recuperación, min
Velocidad promedio de condensación
de 5% de recuperación a 5 mL en
el matraz, mL/min 4-5 4-5 4-5 4-5
Tiempo registrado de 5 mL a punto
final de ebullición, min. 5 máx. 5 máx. 5 máx. 5 máx.
III.2.9. Densidad.
La muestra se ambienta a una temperatura tal que la lleve a un estado
suficientemente fluido, pero esta no debe ser tan alta para evitar la pérdida de los
componentes ligeros de la misma. Una porción de la muestra se transfiere a un
hidrómetro cilíndrico que se encuentra a una temperatura similar. Una vez que se ha
llegado a la temperatura de equilibrio, se lee la escala del hidrómetro, y la temperatura de
38
la muestra. La lectura del densímetro se relaciona con su temperatura de referencia
mediante una correlación incluida en el código ASTM correspondiente [42].
Capítulo IV
Resultados y Discusiones
39
IV.1. Mezclas Gasolina-Etanol.
IV.1.1. Contenido de Oxigenados.
Se analizaron tres muestras con diferentes concentraciones de Etanol. Cabe
considerar que la gasolina utilizada contenía previamente otros agentes oxigenantes. Por
tanto, los análisis presentados de contenido de oxígeno incluyen los oxigenados presentes
en la gasolina empleada mas la contribución del Etanol. En la tablas 7 y 8 se muestran los
resultados de la prueba de oxigenados para las mezclas de gasolinas Magna y Premium,
respectivamente. En las tablas se muestran los valores de oxígeno total y el contenido de
los agentes oxigenantes de manera individual. Por los valores obtenidos, se observa que
las muestras fueron preparadas correctamente.
Tabla 7. Contenido de Oxigenados en las muestras de Magna-Etanol.
% peso Tipo de oxigenado
0% EtOH 10%vol. EtOH 15% vol. EtOH
ETBE1 <0.10 <0.10 <0.10
EtOH <0.10 9.80 15.10
MTBE 10.50 9.70 9.60
tBa2 <0.10 <0.10 <0.10
Oxígeno total 1.90 5.20 7.00 1 Étil ter-butil éter, 2 Ter-butil-alcohol
El Metil Terbutil Éter (MTBE) es un oxigenado que PEMEX Refinación añade a
las mezclas de gasolina Premium y Magna con la finalidad de mejorar el octanaje de las
mismas y reducir la concentración de Monóxido de Carbono en los gases de combustión.
Como se observa en las tablas 7 y 8, el contenido de MTBE en las mezclas Magna y
Premium, sin adición de Etanol, es de 10.5% y 17.9% en masa, respectivamente. Así
mismo, se puede observar que el contenido de MTBE disminuye al incrementar el
contenido de Etanol en las mezclas debido al efecto de dilución. Por otra parte, el
contenido total de oxígeno aumenta considerablemente con la adición de Etanol, debido a
que el contenido de oxígeno en peso del Etanol es 34.8% mientras que el del MTBE
40
asciende a 18.2%. Es decir, una molécula de Etanol contiene casi el doble de oxígeno en
peso comparada con una de MTBE. Obteniendo el oxígeno total de la muestra por
balance de materia se observa que los valores coinciden con los reportados por el
laboratorio.
Tabla 8. Contenido de Oxigenados en las muestras de Premium-Etanol.
% peso Tipo de oxigenado
0% EtOH 10%vol. EtOH 15% vol. EtOH
ETBE1 0.20 0.20 <0.10
EtOH <0.10 11.30 16.10
MTBE 17.90 16.00 15.20
tBa2 <0.10 <0.10 <0.10
Total O 3.27 6.84 8.37 1 Étil ter-butil éter, 2 Ter-butil-alcohol
IV.1.2. Número de Octano de Investigación y Número de Octano del Motor
(NOI/NOM).
El Número de Octano de una gasolina es una de sus especificaciones primarias.
Este valor es el promedio aritmético del valor obtenido por el NOI (Número de Octano de
Investigación) y el NOM (Número de Octano del Motor), es adimensional y depende
primordialmente de la composición de la gasolina.
El NOI es un indicador del desempeño del motor alimentado con la gasolina a
evaluar, bajo condiciones afables. Por otra parte el NOM proporciona indicios del
desempeño del motor bajo condiciones de operación severas. El Etanol tiene un NOM
reportado de 92 y un NOI de 111 [26] y es utilizado, al igual que el MTBE, como un
potenciador del octanaje. Por tanto, se espera que el octanaje de la gasolina reformulada
con Etanol sea mayor.
41
En la tabla 9 se reportan los resultados de las pruebas realizadas a las diferentes
muestras. Como se había predicho, tanto el NOI como el NOM aumentaron en el caso de
las gasolinas reformuladas con Etanol.
Tabla 9. Valores de octanaje de las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol.
MAGNA PREMIUM EtOH
NOI NOM Número de
Octano NOI NOM
Número de Octano
0% 91.53 84.30 87.92 98.00 87.13 92.57 10% 95.57 86.07 90.82 101.00 88.17 94.59 15% 97.43 86.73 92.08 102.00 88.43 95.22
La escala del Número de Octano abarca valores entre 0 y 120. Por lo general, las
gasolinas comerciales tienen un valor de NOI entre 88 y 101. En la figura 8 se muestran
los intervalos de confianza para la media del NOI obtenidos a partir de las tres
repeticiones por muestra de mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol que se realizaron.
Figura 8. Intervalo de confianza para la media del Número de Octano de Investigación (Nivel de
confianza del 95%) Mezclas Magna-Etanol.
NO
I
PR
EM
IUM
-15%
EtO
H
MA
GN
A-1
5%E
tOH
PR
EM
IUM
-10%
EtO
H
MA
GN
A-1
0%E
tOH
PR
EM
IUM
MA
GN
A
102
100
98
96
94
92
9091.1539
91.9128
95.4232
95.710197.2899
97.5768
91.5333
98
95.5667
101
97.4333
102
42
Se observa que el aumento del NOI con la adición de Etanol puede tener una
tendencia lineal. Con base a lo anterior se realizo una regresión lineal con los datos y se
obtuvo una ecuación para determinar el NOI con relación al contenido de Etanol
expresado como porcentaje másico. La ecuación para las mezclas con gasolina Magna es:
( )Etanol de peso %NOIMAGNA
*39.060.91 += . El coeficiente de determinación de la
ecuación anterior es R2=0.998, lo cual indica que el ajuste de los datos a la ecuación es
aceptable (Ver Apéndice 1). Para el caso de la gasolina Premium, los datos también
mostraron un comportamiento lineal descrito por la ecuación:
( )Etanol %pesoNOIPREMIUM
*25.000.98 += , con un coeficiente de determinación de
0.997 (Ver Apéndice 2).
En la figura 9 se incluyen las líneas de tendencia de las ecuaciones antes
mencionadas. En ambos casos el coeficiente de determinación es alto y en la figura se
observa que el ajuste de las ecuaciones es bueno. Sin embargo, hay que mencionar que
solo se utilizaron el mínimo de datos necesarios para realizar estas regresiones.
y = 0.25x + 98.00R2 = 0.9973
y = 0.39x + 91.60R2 = 0.9984
91
93
95
97
99
101
103
0 2 4 6 8 10 12 14 16
% peso EtOH
NO
I
Magna Premium
Línea de tendencia-Premium- Línea de tendencia-Magna-
Figura 9. Porcentaje en peso del contenido de Etanol contra NOI: líneas de tendencia de las
ecuaciones obtenidas mediante regresión lineal.
En cuanto al NOM, los valores de las gasolinas comerciales oscilan entre 80 y 90.
En el caso de la gasolina Magna, el NOM presento un aumento máximo de 2.85% con la
43
adición de Etanol al 15% en volumen, mientras que en las mezclas con gasolina Premium
aumentó en 1.49%. Se corroboró que el contenido de Etanol en masa se relaciona
linealmente con el NOM; mediante una regresión lineal se obtuvieron las ecuaciones
correspondientes (Ver Figura 10). Asimismo, se calculó el intervalo de confianza para la
media del NOM de las tres diferentes muestras. Los resultados se incluyen en la Figura
11.
Tanto el NOM como el NOI de una gasolina no dependen exclusivamente del
contenido de Etanol en ella. Más bien depende de la composición total de la misma, por
lo que posteriormente se incluye una ecuación que predice con mayor exactitud el
número de octano de una muestra de gasolina.
y = 0.25x + 98.00R2 = 0.9973
y = 0.39x + 91.60R2 = 0.9984
84
85
86
87
88
89
0 2 4 6 8 10 12 14 16
% peso EtOH
NO
M
Magna Premium
Línea de tendencia-Premium- Línea de tendencia-Magna-
Figura 10. Porcentaje en peso del contenido de Etanol contra NOM, líneas de tendencia de las
ecuaciones obtenidas mediante regresión lineal.
44
Figura 11. Intervalo de confianza para la media del Número de Octano del Motor (Nivel de
confianza del 95%).
Como se menciono anteriormente, el Número de Octano reportado es el promedio
aritmético del NOI y MON. Este valor en las gasolinas comerciales se encuentra entre 90
y 95 aproximadamente y es el valor final que se da a conocer al público.
En la tabla 10 se reportan los valores de número de octano calculado para las
mezclas y en la figura 12 se comparan los datos de octanaje de las mezclas de Magna y
Premium.
Tabla 10. Número de octano reportado de las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol.
Magna Premium EtOH
(R+M)/2 (R+M)/2
0% 87.92 92.57
10% 90.82 94.58
15% 92.08 95.22
NO
M
PR
EM
IUM
-15%
EtO
H
MA
GN
A-1
5%E
tOH
PR
EM
IUM
-10%
EtO
H
MA
GN
A-1
0%E
tOH
PR
EM
IUM
MA
GN
A
89
88
87
86
85
8484.0516
84.5484
86.9899
87.2768
85.9232
86.2101
88.0232
88.3101
86.5899
86.8768
88.0539
88.8128
84.3
87.1333
86.0667
88.1667
86.7333
88.4333
45
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
0 2 4 6 8 10 12 14 16
% peso EtOH
Nú
mer
o d
e oc
tan
o
Magna Premium
Figura 12. Número de octano reportado para las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol.
A simple vista se puede observar que las pendientes son positivas, es decir el
octano aumenta con la adición de Etanol, y ligeramente diferentes. La pendiente de las
mezclas con Magna es mayor a las que contienen Premium, lo cual indica que el octanaje
de la gasolina con Magna es mas sensible a la adición de Etanol que el de la Premium. Lo
anterior se debe a que la Premium previamente se encuentra oxigenada con MTBE a
mayor grado que la Magna, y por lo tanto se encuentra más cerca a su saturación, es decir
al punto en el que por mas potenciadores de octanaje que se le agreguen el índice de
octano no aumentará más.
IV.1.3. Presión de Vapor
La presión de vapor es una propiedad importante de los líquidos volátiles. En
algunas áreas se fijan límites máximos para la presión de vapor como una medida de
control de la contaminación atmosférica [36]. En la tabla 11 se muestran los valores de la
presión de vapor seco equivalente reportados para las muestras analizadas. Al igual que
en las secciones anteriores, se calculó el intervalo para la media de la presión de vapor y
los valores obtenidos se encuentran en la figura 13.
46
Tabla 11. Presión de vapor de las mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol (Obtenida por el
método ASTM D-5191).
EtOH (%vol) PVSE1 (KPa)
0% 44.66
10% 70.35
15% 55.34 1Presion de Vapor Seco Equivalente
Figura 13. Intervalos de confianza para la media de la Presión de Vapor de mezclas de gasolina
Magna y Premium con Etanol (Nivel de confianza del 95%)
Un estudio realizado en Colombia reporta un aumento de alrededor de 7.58 KPa
en la presión de vapor con la adición de Etanol a la gasolina [43]. Otro estudio efectuado
en el 2006 por la Universidad Gazy en Turquía publicó un aumento en la presión de
vapor de la gasolina al agregarle un 10% en volumen de Etanol seguido de una
PV
SE
(KP
a)
PREMIUM-15%EtOHPREMIUM-10%EtOHPREMIUM
75
70
65
60
55
50
45
40 40.643
48.6703
67.9172
72.7761
43.1338
67.5529
44.6567
70.3467
55.3433
47
disminución al aumentar al 20% la concentración de Etanol [26]. Por otra parte estudios
realizados por Furey y Perry en 1987, revelan que al variar la concentración de Etanol en
el rango de 0%-10% se produce un mayor incremento en la presión de vapor y al
incrementar la concentración en el rango de 10%-50% esta disminuye lentamente
mientras que en el rango de 50%-100% decrece rápidamente [43].
El comportamiento anterior esta relacionado con los puentes de hidrógeno
formados entre moléculas de Etanol, la fuerza de estos enlaces mantiene una presión de
vapor relativamente baja. Al mezclar la gasolina, que es un compuesto no polar, con el
Etanol, los puentes de hidrógeno pierden fuerza y el Etanol se comporta como una
molécula de bajo peso molecular, más volátil, aumentando así la presión de vapor [43].
En la presente investigación, al agregarle Etanol al 10% se obtuvo un incremento
de mas del 50% en la presión de vapor (con respecto al combustible sin Etanol) seguido
de una disminución en 21% para la muestra con 15% Etanol.
IV.1.4. Curva de Destilación.
La gasolina es una mezcla de compuestos orgánicos derivados de la refinación del
petróleo. Por ser una mezcla no tiene un punto de ebullición, mas bien tiene un rango de
ebullición. Dicho rango de ebullición se determina mediante una destilación batch. Al
graficar el punto inicial de ebullición, el 10%, 50% y 90% del volumen total de la
muestra y el punto final de ebullición contra las temperaturas respectivas se obtiene la
curva de destilación. Esta curva brinda información acerca de la composición, las
propiedades y el comportamiento del combustible durante su almacenamiento y uso: la
T10 representa la capacidad del combustible para evaporarse rápidamente a bajas
temperaturas, T50 y T90 representan la habilidad de los componentes pesados presentes en
el combustible para evaporarse conforme el motor se calienta y para ser quemados
durante la combustión [41].
Al añadir Etanol a las mezclas de gasolina Premium y Magna se modifica su
composición y por lo tanto su curva de destilación. En la figura 14 se reportan los
resultados del intervalo de confianza para la media de las curvas de destilación. Las
48
líneas graficadas son líneas de ajuste y ayudan a visualizar los cambios en la curva de
destilación de la gasolina al ser reformulada con Etanol.
Se observa que las curvas de destilación en los primeros puntos casi se traslapan.
Sin embargo, a partir del 50% del volumen recuperado las curvas se van separando. El
punto de ebullición del Etanol es 172.4° F, es decir se encuentra entre el 50% y 90%
aproximadamente, y es precisamente en estos puntos en los cuales las curvas de las
muestras con Etanol se separan de la curva correspondiente a la gasolina base. La T50 de
las muestras con Etanol disminuye en un 18% con respecto a la gasolina base, siendo esta
la diferencia más notable entre las curvas de las 3 gasolinas estudiadas.
Figura 14. Intervalo de confianza para la media de las Curvas de Destilación de mezclas Magna-
Etanol (Nivel de confianza del 95%).
En el caso de las muestras con gasolina Premium la tendencia de las curvas fue
ligeramente diferente en las temperaturas a las cuales se recuperaron los volúmenes, sin
MAGNA
Tem
pera
tura
(°F)
PF
E
90%
Eva
p
50%
Eva
p
10%
Eva
p
PIE
PF
E
90%
Eva
p
50%
Eva
p
10%
Eva
p
PIE
PF
E
90%
Eva
p
50%
Eva
p
10%
Eva
p
PIE
400
350
300
250
200
150
100
81.965
89.1016117.262
127.604
82.9558
95.0442 117.678
124.722154.243
155.557
284.628
289.505
354.654
374.546
187.925
191.675
291.142
292.392
363.308
387.558
85.2065
90.3935 115.314
121.886149.765
161.702
286.569
289.564
361.385
377.348
85.5333
122.433
89
121.2
154.9
287.067
364.6
189.8
291.767
375.433
87.8
118.6
155.733
288.067
369.367
MAGNA-10%EtOH MAGNA-15%EtOH
49
embargo las curvas presentan una separación mas evidente al 50% del volumen
recuperado al igual que las mezclas con Magna. La T50 disminuye en un 11% con
respecto a la gasolina base (Ver figura 15).
En la tabla 12 se comparan los valores de las curvas de destilación de Magna,
Premium y el combustible reformulado.
50
Tabla 12. Valores de las curvas de destilación de mezclas Magna-Etanol y Premium-Etanol.
Magna Premium
0% vol. EtOH
10% vol EtOH
15% vol EtOH
0% vol. EtOH
10% vol EtOH
15% vol EtOH
TIE (Temperatura
Inicial de Ebullición), °°°°F
85.53 87.80 89.00 86.87 88.63 89.17
10% Evap, °F 122.43 118.60 121.20 118.03 115.90 118.37
50% Evap, °F 189.80 155.73 154.90 171.77 149.57 152.27
90% Evap, °F 291.77 288.07 287.07 282.97 277.73 277.80
TFE (Temperatura
Final de Ebullición), °F
375.43 369.37 364.60 359.27 349.13 356.97
Recuperado, %
97.87 97.50 97.60 98.17 97.77 97.47
Residuo, % 0.87 1.00 1.00 0.67 0.93 0.97
Pérdida, % 1.27 1.50 1.40 1.17 1.30 1.57
51
Figura 15. Intervalo de confianza para la media de las Curvas de Destilación de mezclas
Premium-Etanol (Nivel de confianza del 95%).
Es importante mencionar que el punto inicial de ebullición de las muestras de
gasolina Magna y Premium sin Etanol es aproximadamente 86° F. Esta temperatura es
muy fácil de alcanzar durante el verano en muchas regiones de México lo cual origina
emisiones evaporativas. Se observa también que la adición de Etanol a ambas mezclas de
gasolina aumenta el punto inicial de ebullición de las mezclas hasta en 3° F. Por lo tanto
el agregar Etanol a la gasolina disminuiría las emisiones evaporativas, contribuyendo al
control de la contaminación atmosférica.
Como se menciono anteriormente, la curva de destilación sirve para caracterizar
una mezcla de gasolina con base a su composición. Tomando en consideración esto, se
realizó una regresión lineal con los datos obtenidos de las curvas de destilación y el
número de octano de la gasolina. La regresión obtenida tuvo un coeficiente de
PREMIUM
Tem
pera
tura
(°F)
TF
E
90%
Eva
p
50%
Eva
p
10%
Eva
p
TIE
TF
E
90%
Eva
p
50%
Eva
p
10%
Eva
p
TIE
TF
E
90%
Eva
p
50%
Eva
p
10%
Eva
p
TIE
400
350
300
250
200
150
100
82.1906
91.5427 115.448
120.619
87.9413
90.3921117.987
118.746
151.263
153.271
275.113
280.487
353.33
360.603
170.492
173.041
280.713
285.221
354.174
364.36
86.1327
91.134115.039
116.761
147.543
151.59
273.343
282.124
334.353
363.914
86.8667
118.033
89.1667
118.367
152.267
277.8
356.967
171.767
282.967
359.267
88.6333
115.9
149.567
277.733
349.133
PREMIUM-10%EtOH PREMIUM-15%EtOH
52
determinación de 97.4%. Este valor es aceptable sin embargo al hacer una regresión
lineal múltiple este coeficiente puede estar artificialmente elevado, por lo cual en estos
casos es recomendable utilizar el coeficiente de determinación ajustado. Para esta
regresión este coeficiente tiene un valor de 95.7% el cual también es aceptable (Ver
Apéndice 3). Con base a esta regresión se obtuvo la gráfica de la figura 16, útil para
predecir el Número de Octano reportado a partir de la IBP (Temperatura inicial de
ebullición) y la T90% (Temperatura de ebullición del 90%).
Figura 16. Número de Octano reportado en función de la Temperatura Inicial de Ebullición (TIE,
°F) y la Temperatura de recuperación del 90% del volumen (T90%, °F).
La curva de destilación también es útil para determinar el índice de destilación.
Este es una medida de la volatilidad de la gasolina, primordialmente de su tendencia a
vaporizarse en el motor durante el arranque inicial y calentamiento del mismo. En 1999
en los Estados Unidos, los fabricantes nacionales y extranjeros solicitaron a la Agencia de
Protección al Medio Ambiente limitar el Índice de Destilación de toda la gasolina a
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
93
95
97
99
101
83 84 85 86 87 88 89 90 91 92
TIE (oF)
Núm
ero
de O
ctan
o
276278280
282284
286288
290292
T90%
(oF)
53
1200°F con la finalidad de reducir las emisiones asegurando un comportamiento óptimo
del motor durante las etapas de encendido y calentamiento. Posteriormente se realizó un
estudio que expuso que el fijar este límite al índice de destilación conllevaría a una
disminución del 16% y 15% en emisiones de hidrocarburos y Monóxido de Carbono
respectivamente, para el 2020 [44].
Actualmente el límite para el índice de destilación en Estados Unidos no debe
exceder los 1250° F. En el estándar ASTM D-4814 se encuentra la ecuación para
calcularlo: ( )Etanol vol.TTTID905010
%*4.2*1*3*5.1 +++= [45]. En la figura 17 se
reportan los intervalos de confianza para la media de los índices de destilación de las
mezclas de combustible estudiadas.
Figura 17. Intervalo de confianza para la media del Índice de Destilación del combustible
reformulado y la gasolina base (Nivel de confianza del 95%).
En la figura 17 se observa que las curvas del índice de destilación son cóncavas
hacia abajo, con un valor mínimo en las mezclas que contienen Etanol al 10% en
volumen. Con respecto a la gasolina base, el índice de destilación disminuye poco mas
Índi
ce d
e D
esti
laci
ón (°
F)
PR
EM
IUM
-15%
EtO
H
MA
GN
A-1
5%E
tOH
PR
EM
IUM
-10%
EtO
H
MA
GN
A-1
0%E
tOH
PR
EM
IUM
MA
GN
A
1060
1040
1020
1000
980
960
940
920
1034.38
1055.26
972.92
977.713
933.906
980.428
921.989
926.578
964.451
974.682
943.027
953.273
1044.82
975.317
957.167
924.283
969.567
948.15
54
del 8% y 5% para gasolina Magna y Premium con Etanol al 10% en volumen,
respectivamente.
Se ha notado que conforme el índice de destilación aumenta, la presión de vapor
disminuye [46]. Lo anterior concuerda con los resultados de presión de vapor obtenidos
para gasolina Premium (ver figura 13). Contrario a la curva del índice de destilación, la
curva de la presión de vapor presenta un máximo en la mezcla con Etanol al 10% en
volumen.
IV.1.5. Poder Calorífico.
Una de las principales características de un combustible es su poder calorífico,
que es el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa del
material. El poder calorífico reportado para la gasolina es de alrededor de 44 MJ/Kg,
mientras que el del Etanol es de aproximadamente 27 MJ/Kg [25, 47]. Por consiguiente,
se espera que al agregar Etanol a la mezcla de gasolina, el poder calorífico de la misma
disminuya.
Figura 18. Intervalo de confianza para la media del Poder Calorífico de las mezclas de gasolina
Premium y Magna con Etanol (Nivel de confianza del 95%).
Pod
er c
alor
ífic
o (M
J/K
g)
PR
EM
IUM
-15%
EtO
H
MA
GN
A-1
5%E
tOH
PR
EM
IUM
-10%
EtO
H
MA
GN
A-1
0%E
tOH
PR
EM
IUM
MA
GN
A
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
43.1586
43.5348
43.3832
45.5501
40.1198
42.7135
40.7157
42.6376
37.782
40.2247
40.3535
42.4598
43.3467
44.4667
41.416741.6767
39.0033
41.4067
55
El promedio del poder calorífico de las tres repeticiones realizadas a las muestras
de gasolina Premium es de 44.5 MJ/kg, mientras que el de Magna corresponde a un valor
de 43.4 KJ/kg. Tomando estos valores como referencia, podemos corroborar que al
agregar Etanol el poder calorífico del combustible disminuye. Aunque no lo hace de
manera lineal, tal como se observa en la figura 19. En ambos casos el menor valor para el
poder calorífico corresponde al enriquecido con 15% de Etanol, en el caso de la Magna
disminuye un 10% mientras que en la Premium disminuye casi un 7%.
y = -27.614x + 43.558R2 = 0.9363
y = -21.529x + 44.311R2 = 0.9384
39
40
41
42
43
44
45
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14%
% vol. EtOH
Pod
er c
alor
ífic
o (M
J/K
g)
Magna PremiumLínea de tendencia-Magna- Línea de tendencia-Premium-
Figura 19. Concentración de Etanol (% volumen) contra poder calorífico de las mezclas de
Etanol con gasolina Magna y Premium, líneas de tendencia de la regresión lineal.
La principal desventaja que representa el uso de Etanol como combustible es su
poder calorífico. Como ya se menciono, al analizar los resultados obtenidos se observa
que el poder calorífico de las mezclas disminuye con la adición de Etanol. Lo anterior
significa que si las gasolinas mexicanas se llegan a oxigenar con Etanol al 15% en
volumen, el rendimiento del combustible (expresado como km recorridos/L) de las
mismas disminuiría en un 8% y 5% para Magna y Premium, respectivamente.
De acuerdo al balance energético anual publicado por la Secretaría de Energía
para el 2005 [13], hubo un consumo energético de 1,194.050 PJ por parte del sector
autotransporte. Este consumo energético equivale a unos 27.2 Tg de gasolina que después
56
de su combustión liberan a la atmósfera 84.13 Tg de Bióxido de Carbono. Al reformular
el combustible con Etanol el poder calorífico del mismo disminuye, por lo que el
consumo de combustible expresado en unidades de masa aumenta dependiendo de la
cantidad de Etanol utilizada en la reformulación. En el caso de gasolina con 10% Etanol,
se necesitan 28.74 Tg de combustible para liberar los mismos 1,194.050 PJ consumidos
durante el 2005; mientras que si se reformula el mismo combustible con Etanol al 15%,
28.84 Tg de combustible son los necesarios para obtener la misma cantidad de energía.
En cuanto a emisiones teóricas de Bióxido de Carbono: añadir Etanol al 10%
equivale a la emisión de 84.19 Tg de CO2, de los cuales el 6.89% proviene del Etanol,
por tanto las emisiones provenientes de fuentes fósiles ascienden a 78.39 Tg. En el caso
de la gasolina reformulada con Etanol al 15%, las emisiones ascienden a 82.84 Tg de
CO2 de los cuales el 10.39% proviene de una fuente renovable. En resumen, al reformular
la gasolina con Etanol al 10% las emisiones de CO2 disminuyen casi un 7% y con Etanol
al 15% presentan un decremento de 11.77% con respecto a las emisiones de la gasolina
sin Etanol. Esto sin tomar en consideración el CO2 liberado por el Etanol, debido a que
por provenir de un insumo agrícola, el CO2 liberado se compensa con el absorbido por la
planta durante su crecimiento.
IV.1.6. Peso específico.
El peso específico de una mezcla depende de su composición. Por lo que en la
realización de este estudio, también se determinó la densidad de las mezclas de
combustible reformulado.
El peso específico de los combustibles reformulados guarda una tendencia lineal,
para el caso de la gasolina Magna esta relación esta dada por la ecuación:
( )Etanol pesoPe %*0937.0720.0 += , con un coeficiente de determinación del 99.5%
(Ver Apéndice 4). La regresión para las mezclas con gasolina Premium, alcanzó un
coeficiente de determinación de 99.6%, y la ecuación correspondiente es:
( )Etanol pesoPe %*0856.0706.0 += (Ver Apéndice 4).
57
Figura 20. Intervalo de confianza para la media del Peso Específico de las mezclas de gasolina
Premium y Magna con Etanol (Nivel de confianza del 95%).
Se utilizó la herramienta stepwise regression del software Minitab®, con la
finalidad de determinar las propiedades que predijeran mejor el número de octano. Las
propiedades que resultaron predecir mejor este factor fueron: el peso específico, la
Temperatura de Ebullición del 90% y la Temperatura Final de Ebullición. Se observó que
las variables tenían un p-valor menor al valor de α utilizado en la regresión (α=0.05), lo
cual indica que si existe relación estadísticamente significativa entre las variables
predictoras y la respuesta (Ver Apéndice 5).
La ecuación obtenida es la siguiente:
( ) ( )PeTPeTFEOctano de Número90%
ln1546ln2.56*1685*0849.01581 2−++−−= . Es
difícil obtener una grafica a partir de la ecuación anterior debido a que relaciona cuatro
variables, sin embargo en la figura 21 se muestran los valores del número de octano para
una gasolina con un peso específico de 0.71.
Pes
o es
pecí
fico
PR
EM
IUM
-15%
EtO
H
MA
GN
A-1
5%E
tOH
PR
EM
IUM
-10%
EtO
H
MA
GN
A-1
0%E
tOH
PR
EM
IUM
MA
GN
A
0.74
0.73
0.72
0.71
0.70
0.704232
0.707101
0.731465
0.737202
0.72
0.705667
0.73
0.715
0.734333
0.72
58
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
340 350 360 370 380 390 400 410 420
TFE (oF)
Núm
ero
de O
ctan
o
276
278
280
282
284
286
288
290
292
T90%
(oF)
Figura 21. Numero de Octano calculado a partir de la T90% (°F), TFE (°F) y Pe=0.71.
IV.1.7. Estabilidad a la oxidación o periodo de inducción.
El periodo de inducción puede ser usado como un indicador de la tendencia de la
gasolina a formar gomas durante el periodo de almacenamiento. Esta prueba se incluyó
en el presente estudio con la finalidad de analizar el efecto del Etanol añadido a la
gasolina con respecto a la formación de gomas. La formación de gomas es una
característica indeseable en las gasolinas, ya que un nivel elevado de las mismas en el
combustible llega a dañar seriamente el motor de un vehículo.
Para todas las muestras se obtuvo el mismo resultado: el periodo de inducción
reportado fue mayor a 1440 minutos. Lo anterior indica que la adición de Etanol a la
gasolina no es un factor de importancia en la formación de gomas durante el periodo de
almacenamiento del combustible.
59
IV.2. Mezclas Diesel-Etanol
Las pruebas que se realizaron a las mezclas de Diesel con Etanol fueron número
cetano, flash point, curva de destilación y peso específico. A continuación se presentan
los resultados de dichas pruebas.
IV.2.1. Número cetano.
El número cetano proporciona una medida de las características de ignición del
diesel al ser usado en un motor de ignición por compresión; es análogo al número de
octano para la gasolina. Esta escala comprende valores que van desde cero hasta 100.
Típicamente el número cetano de un combustible diesel se encuentra entre 35 y 60.
El diesel que se utilizó como base para hacer las mezclas con Etanol tiene un
número cetano de 52 aproximadamente. Al adicionar Etanol este valor disminuye, sin
embargo no lo hace de manera lineal tal como se aprecia en la figura 22-a. El valor más
bajo corresponde a la mezcla con 10% Etanol. Un valor bajo en el número cetano indica
que el diesel no posee buenas características de ignición, es decir al ser usado en un
motor de ignición por compresión este tendrá tendencia a cascabelear. Por lo tanto, añadir
Etanol al diesel no representa una ventaja en cuanto a características de ignición se
refiere.
Se calculó el intervalo de confianza para la media del número cetano de las
muestras, los resultados se encuentran en la figura 22-b.
y = -49.048x + 52.11R2 = 0.8796
44
46
48
50
52
54
0% 5% 10% 15% 20%
% vol. EtOH
Núm
ero
ceta
no
Número cetanoLínea de tendencia-Diesel-
Figura 22-a. Contenido de Etanol (%vol.) contra Número cetano y línea de tendencia de la
regresión lineal.
60
Figura 22-b. Intervalo de confianza para la media del Numero Cetano de las mezclas Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%).
El índice cetano es una herramienta útil para estimar el numero cetano en caso de
que no se tengan los recursos o el tiempo necesario para realizar la prueba. El estándar
ASTM D-976-06 brinda las herramientas necesarias para determinarlo a partir del punto
de ebullición del 50% y el peso especifico del diesel. Se calculó este índice para las
muestras estudiadas. En el caso del diesel sin Etanol la aproximación es bastante buena:
el índice cetano calculado tiene un valor de 51.7. Sin embargo, para la muestra que
contiene 10% Etanol se calcula un valor aproximado de 51.7 y la muestra con 15%
Etanol tiene un índice cetano de 53.9. En la tabla 13 se hace un comparativo entre el
índice cetano calculado y el número cetano, observándose que las muestras con Etanol
son las que presentan una mayor variación. Por lo tanto, el índice cetano calculado
mediante el ASTM D-976-06 no aplica a muestras de diesel que contengan Etanol.
Núm
ero
Cet
ano
Diesel-15%EtOHDiesel-10%EtOHDiesel
54
52
50
48
46
44
42
40
51.383
53.8837
43.1952
48.0715
41.2805
50.3195
52.6333
45.6333 45.8
61
Tabla 13. Diferencia porcentual entre el índice cetano calculado y el número cetano obtenido en
laboratorio.
Contenido de Etanol (%vol)
Peso específico
(API) T50%(°F)
Índice cetano calculado1
Número cetano
Diferencia porcentual
0% 37.56 513.47 51.70 52.63 1.77 10% 38.98 493.70 51.67 45.63 13.24 15% 40.02 496.77 53.92 45.80 17.74
1Calculado utilizando el ASTM D-976-06
IV.2.2. Punto de inflamabilidad.
El punto de inflamabilidad es la temperatura a la cual existe una tendencia a
formar una mezcla combustible con el aire. Es una propiedad de importancia en el diesel
y es deseable que este no sea muy bajo por razones de seguridad. En la figura 23 se
reportan los valores del punto de inflamabilidad obtenidos de las mezclas estudiadas.
Al agregar Etanol, el punto de inflamabilidad de la muestra tiende a disminuir y la
mezcla combustible con 10% de Etanol es la que forma una mezcla flamable a menor
temperatura.
20
30
40
50
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16%
% vol. EtOH
Pu
nto
de
Infl
amab
ilid
ad (
o C)
Figura 23. Contenido de Etanol (% vol.) contra Punto de Inflamabilidad de las mezclas Diesel-Etanol.
62
IV.2.3. Curva de destilación
El diesel, al igual que la gasolina, no posee un punto de ebullición ya que también
es una mezcla de hidrocarburos. El intervalo de ebullición de la mezcla esta dado por la
curva de destilación de la misma.
La tabla 14 muestra los resultados de las curvas de destilación de las tres
muestras. El punto inicial de ebullición disminuye considerablemente con la adición de
Etanol, y en ambos casos no se alcanza a recuperar el 90% de la mezcla. Al observar los
datos se puede notar que la adición de Etanol modifica considerablemente las
propiedades del diesel utilizado como base para la preparación de las mezclas.
Tabla 14. Valores de las curvas de destilación de mezclas Diesel-Etanol.
0% vol. EtOH 10% vol. EtOH 15% vol EtOH
IBP (Initial Boiling
Point), °F 348.47 150.20 172.40
10% Evap, °F 392.13 234.70 175.03
50% Evap, °F 513.47 493.70 496.77
90% Evap, °F 637.40 --- ---
FBP (Final Boiling
Point), °F 675.53 669.30 660.97
Recuperado, % 98.17 89.40 86.37
Residuo, % 0.80 10.50 13.53
Perdida, % 1.03 0.10 0.10
63
IV.2.4. Poder Calorífico
Para el caso del poder calorífico del Diesel-Etanol ocurre lo mismo que con la
gasolina: éste disminuye con la adición de Etanol. En la figura 24-b se reportan los
intervalos de confianza para la media del poder calorífico de las mezclas, al igual que en
el caso de la gasolina no es lineal como se observa en la figura 24-a. La mayor reducción
del poder calorífico es con 15% en volumen de Etanol añadido.
y = -16.3x + 44.935R2 = 0.9684
42
42.5
43
43.5
44
44.5
45
45.5
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16%
EtOH (% vol.)
Pod
er c
alor
ífic
o (M
J/kg
)
Series1
Línea de tendencia-Diesel-
Figura 24-a. Contenido de Etanol (%vol.) contra poder calorífico y línea de tendencia de la regresión lineal obtenida.
De acuerdo a la Secretaría de Energía, durante el año 2005, el consumo energético
nacional aportado por el diesel ascendió a 437.80 PJ. Las emisiones teóricas de Bióxido
de Carbono derivadas de este consumo energético ascienden a 30.20 Tg.
Si se reformulará el diesel con Etanol al 10% en volumen para satisfacer la misma
demanda energética antes mencionada, se necesitarían 10.18 Tg de combustible y las
emisiones teóricas ascenderían a 30.70 Tg de CO2, sin embargo 1.902 Tg de ese CO2 no
provendría del petróleo, por tanto las emisiones con respecto al diesel sin reformular
disminuirían en casi un 5%. Por otro lado, si el contenido de Etanol se incrementa a 15%
en volumen, las emisiones ascienden a 30.37 Tg, de los cuales el 9.5% no proviene de
combustible fósil y por tanto con respecto al diesel sin reformular, las emisiones
disminuyen en un 9%.
64
Figura 24-b. Intervalo de confianza para la media del Poder Calorífico de las mezclas Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%).
IV.2.5. Peso específico.
El peso específico del diesel se determinó de acuerdo al estándar ASTM D-1298.
Esta propiedad es útil para la conversión de un volumen medido a su equivalente en
masa. Además, es una prueba que se acostumbra reportar como especificación.
El peso específico para el caso del diesel oxigenado con Etanol sigue una
tendencia lineal, disminuye con la adición de Etanol de acuerdo a la relación dada por la
siguiente ecuación: ( ) 8372.0%*0786.0 +−= EtOH vol.Pe . Esta ecuación tiene un
coeficiente de determinación del 99.12%.
En la figura 25 se reportan los intervalos de confianza para la media del peso
específico de las muestras de diesel estudiadas.
Pod
er c
alor
ífic
o (M
J/K
g)
Diesel-15%EtOHDiesel-10%EtOHDiesel
45.5
45.0
44.5
44.0
43.5
43.0
42.5
42.0
44.8562
45.1878
41.8856
44.2224
41.8032
43.5235
45.022
43.054
42.6633
65
Figura 25. Intervalo de confianza para la media del Peso específico de las mezclas Diesel-Etanol (Nivel de Confianza del 95%).
Pes
o es
pecí
fico
Diesel-15%EtOHDiesel-10%EtOHDiesel
0.845
0.840
0.835
0.830
0.825
0.829496
0.843838
0.836667
0.83
0.825
Capítulo V
Conclusiones y
Recomendaciones
66
V.1. Conclusiones
V.1.1. Mezclas gasolina-Etanol.
Con la realización de este trabajo respecto a la reformulación de gasolina con
etanol, se concluye lo siguiente:
• En el caso de la gasolina Magna, el NOI aumenta en casi 5% al agregar 10%
de Etanol, con Etanol al 15% presenta un incremento de 6.4% con respecto a
la gasolina sin reformular. Para Premium, al 10% de Etanol el NOI aumenta
en 3% y con Etanol al 15% presenta un aumento de 4%.
• En el caso de la gasolina Magna, el NOM aumenta en 2.1% al agregar 10% de
Etanol, con Etanol al 15% presenta un incremento de casi 3% con respecto a
la gasolina sin reformular. Para Premium, al 10% de Etanol el NOM aumenta
en 1.2% y con Etanol al 15% presenta un aumento de 1.5%.
• El comportamiento de la Presión de Vapor es variable: en el caso de la
gasolina Magna disminuyó mientras que en la Premium aumento con la
adición de Etanol. Por lo tanto, a este respecto se recomienda monitorear esta
propiedad que es de gran importancia en el control las emisiones evaporativas.
• El poder calorífico es la principal desventaja del Etanol. Sin embargo el poder
calorífico de la gasolina oxigenada con 10% de Etanol no es
considerablemente menor al de la gasolina base. Por lo tanto el rendimiento
del combustible no presentaría una gran variación. En cuanto a las emisiones
teóricas de Bióxido de Carbono: al reformular la gasolina con Etanol al 10%
disminuyen casi un 7% y con Etanol al 15% presentan un decremento de
11.77% con respecto a las de la gasolina sin Etanol. Lo anterior sin tomar en
consideración el Bióxido de Carbono liberado por la combustión del Etanol,
ya que este se encuentra dentro del ciclo del carbono por provenir de una
fuente agrícola.
• En cuanto al periodo de inducción, las especificaciones mexicanas indican un
valor mínimo de 300 minutos. En este caso el valor es mucho mayor al
67
especificado y como se menciono anteriormente, esta propiedad no se ve
afectada por la adición de etanol a la gasolina.
En resumen, el uso de Etanol como aditivo para oxigenar las gasolinas mexicanas
representa una alternativa viable. La principal ventaja es su capacidad de mejorar el
índice antidetonante de las mismas y, al ser usado hasta en un 15% en volumen, se
observa que el poder calorífico no presenta una gran disminución. En cuanto a las
emisiones de Bióxido de Carbono: con el uso de gasolina reformulada con Etanol al 15%
puede haber una reducción de casi 12%, equivalentes a 5.7 Tg. Además, si se reformula
el combustible con Etanol en las concentraciones antes mencionadas no hay problemas de
solubilidad, ya que a estos porcentajes las mezclas son totalmente miscibles.
V.1.2. Mezclas Diesel-Etanol.
• El número cetano del Diesel, disminuye considerablemente con la adición de
etanol. Por tanto un motor que opere con un combustible formulado a base de
Diesel y Etanol seguramente funcionara de una manera errática.
• Las mezclas de Diesel-Etanol, deberán manipularse con mayor precaución que
las que no contienen Etanol, debido a su punto de inflamabilidad. Este valor
disminuye de 43°C a 23°C con la adición de tan solo el 10% de etanol en
volumen.
• El poder calorífico del diesel disminuye en 3 MJ/Kg si este es oxigenado con
15% de Etanol. Al igual que con la gasolina, esta es una desventaja del uso del
etanol como combustible automotor. En cuanto a las emisiones teóricas de
Bióxido de Carbono, con Etanol al 10% estas disminuyen en un 5% y con
Etanol al 15% presentan un decremento del 9%.
En el caso del diesel el panorama es diferente al de la gasolina. Considerando sólo
las propiedades que se analizaron en este estudio, el uso del etanol en la reformulación
del diesel presenta ventajas ambientales pero no se puede decir lo mismo con respecto a
la eficiencia del motor de ignición por compresión en el que sea usado.
68
V.2. Recomendaciones
Para la realización de futuros estudios relacionados con el presente trabajo se
sugiere lo siguiente:
• Es recomendable utilizar como gasolina base para preparar las muestras, una
gasolina libre de otros agentes oxigenantes. En este estudio la gasolina base
contenía MTBE, ya que era gasolina comercial.
• Si se utiliza gasolina comercial es necesario considerar que las
especificaciones de la gasolina varían con la temporada de año. La
composición de la gasolina en verano es diferente a la de invierno, con la
finalidad de ajustar las propiedades de la misma a la temperatura ambiente.
Por tanto, se sugiere utilizar el mismo lote de combustible para elaborar las
mezclas de combustible-Etanol y realizar los análisis correspondientes.
• Para obtener ecuaciones que predigan mejor el comportamiento del
combustible al ser reformulado con etanol a diferentes porcentajes, se
recomienda aumentar el número de muestras con diferente composición de
Etanol. Lo anterior considerando la solubilidad del Etanol en el combustible
ya que las muestras a analizar siempre deben ser homogéneas.
69
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75
Apéndice 1
“Análisis de regresión: RON vs Etanol para las mezclas con gasolina
Magna”
Regression Analysis: RON versus EtOH The regression equation is
RON = 91.6 + 0.393 EtOH
Predictor Coef SE Coef T P
Constant 91.5779 0.1628 562.64 0.001
EtOH 0.39342 0.01566 25.12 0.025
S = 0.169674 R-Sq = 99.8% R-Sq(adj) = 99.7%
Analysis of Variance
Source DF SS MS F P
Regression 1 18.168 18.168 631.08 0.025
Residual Error 1 0.029 0.029
Total 2 18.197
Obs EtOH RON Fit SE Fit Residual St Resid
1 0.0 91.5300 91.5779 0.1628 -0.0479 -1.00
2 9.8 95.5700 95.4335 0.1007 0.1365 1.00
3 15.1 97.4300 97.5186 0.1447 -0.0886 -1.00
Residual
Po
rcen
taje
0.300.150.00-0.15-0.30
99
90
50
10
1
Valor ajus tado
Res
idu
al
98969492
0.1
0.0
-0.1
Residual
Fre
cuen
cia
0.150.100.050.00-0.05-0.10
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
O rd en d e la o bservacion
Res
idu
al
321
0.1
0.0
-0.1
Grafi ca de probabi l idad n orm al de l os re s idu ale s Re s idu ale s con tra l os valore s aju stados
Histograma de los residuales Re sidu ale s con tra e l orde n de l os datos
Grafica de los re s iduale s para e l RON M agna
76
Apéndice 2
“Análisis de regresión: RON vs Etanol para las mezclas con gasolina
Premium”
Regression Analysis: RON PREMIUM versus EtOH The regression equation is
RON PREMIUM = 98.0 + 0.251 EtOH
Predictor Coef SE Coef T P
Constant 98.0397 0.1605 610.98 0.001
EtOH 0.25122 0.01413 17.78 0.036
S = 0.165307 R-Sq = 99.7% R-Sq(adj) = 99.4%
Analysis of Variance
Source DF SS MS F P
Regression 1 8.6393 8.6393 316.15 0.036
Residual Error 1 0.0273 0.0273
Total 2 8.6667
Obs EtOH RON PREMIUM Fit SE Fit Residual St Resid
1 0.0 98.000 98.040 0.160 -0.040 -1.00
2 11.3 101.000 100.868 0.100 0.132 1.00
3 16.1 102.000 102.092 0.137 -0.092 -1.00
Residual
Po
rcen
taje
0.300.150.00-0.15-0.30
99
90
50
10
1
Valor ajustado
Res
idu
al
1021011009998
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
Residual
Fre
cuen
cia
0.150.100.050.00-0.05-0.10
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
Orden de la observacion
Res
idu
al
321
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
Grafica de probabilidad normal para los residuales Residuales contra los valores ajustados
Histograma de los residuales Residuales contra el orden de los datos
Grafica de Residuales para RON Premium
77
Apéndice 3
“Análisis de regresión: RON vs IBP y T90% para las mezclas con
gasolina”
Regression Analysis: OCTANO versus IBP (Initial boiling point, 90% Evap, °F) The regression equation is
OCTANO = - 296 + 2.26 IBP (Initial boiling point), °F + 0.653 90% Evap, °F
Predictor Coef SE Coef T P
Constant -296.07 36.93 -8.02 0.004
IBP (Initial boiling point), °F 2.2599 0.2566 8.81 0.003
90% Evap, °F 0.65285 0.06324 10.32 0.002
S = 0.611396 R-Sq = 97.4% R-Sq(adj) = 95.7%
Analysis of Variance
Source DF SS MS F P
Regression 2 42.511 21.255 56.86 0.004
Residual Error 3 1.121 0.374
Total 5 43.632
Source DF Seq SS
IBP (Initial boiling point), °F 1 2.678
90% Evap, °F 1 39.832
IBP
(Initial
boiling
point),
Obs °F OCTANO Fit SE Fit Residual St Resid
1 85.5 87.920 87.701 0.518 0.219 0.67
2 87.8 90.820 90.415 0.344 0.405 0.80
3 89.0 92.080 92.474 0.505 -0.394 -1.14
4 86.9 84.300 84.984 0.395 -0.684 -1.46
5 88.6 86.070 85.540 0.403 0.530 1.15
6 89.2 86.730 86.806 0.402 -0.076 -0.17
78
Residual
Po
rcen
taje
1.00.50.0-0.5-1.0
99
90
50
10
1
Valores ajustados
Res
idu
al
9290888684
0.6
0.3
0.0
-0.3
-0.6
Residual
Fre
cuen
cia
0.500.250.00-0.25-0.50-0.75
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Orden de la observación
Res
idu
al
654321
0.6
0.3
0.0
-0.3
-0.6
Gráfica de probabilidad normal para los residuales Residuales contra los valores ajustados
Histograma de los residuales Residuales contra el orden de los datos
79
Apéndice 4
“Análisis de regresión: Densidad vs Contenido de Etanol (%peso) para
las mezclas con gasolina”
Regression Analysis: Magna-Densidad versus %wt. EtOH The regression equation is
Magna-Densidad = 0.720 + 0.0937 %wt. EtOH
Predictor Coef SE Coef T P
Constant 0.720205 0.000698 1031.86 0.001
%wt. EtOH 0.093690 0.006700 13.98 0.045
S = 0.000727458 R-Sq = 99.5% R-Sq(adj) = 99.0%
Analysis of Variance
Source DF SS MS F P
Regression 1 0.00010347 0.00010347 195.52 0.045
Residual Error 1 0.00000053 0.00000053
Total 2 0.00010400
Regression Analysis: Premium-Densidad versus %wt. EtOH The regression equation is
Premium-Densidad = 0.706 + 0.0856 %wt. EtOH
Predictor Coef SE Coef T P
Constant 0.705852 0.000597 1181.73 0.001
%wt. EtOH 0.085592 0.005259 16.27 0.039
S = 0.000615338 R-Sq = 99.6% R-Sq(adj) = 99.2%
Analysis of Variance
Source DF SS MS F P
Regression 1 0.00010029 0.00010029 264.86 0.039
Residual Error 1 0.00000038 0.00000038
Total 2 0.00010067
80
Apéndice 5
“Análisis de regresión: RON vs FBP, Peso especifico y T90% para las
mezclas gasolina-Etanol”
The regression equation is
OCTANO = - 1581 - 0.0849 FBP (Final boiling point), °F + 1685 Pe^2
+ 56.2 ln(90% Evap) - 1546 ln(Pe)
Predictor Coef SE Coef T P
Constant -1580.71 4.85 -325.62 0.002
FBP (Final boiling point), °F -0.0849465 0.0003678 -230.95 0.003
Pe^2 1684.89 6.13 274.65 0.002
ln(90% Evap) 56.2150 0.1735 323.94 0.002
ln(Pe) -1546.42 6.36 -243.29 0.003
S = 0.00199215 R-Sq = 100.0% R-Sq(adj) = 100.0%
Analysis of Variance
Source DF SS MS F P
Regression 4 43.632 10.908 2748520.68 0.000
Residual Error 1 0.000 0.000
Total 5 43.632
Source DF Seq SS
FBP (Final boiling point), °F 1 11.717
Pe^2 1 30.498
ln(90% Evap) 1 1.183
ln(Densidad) 1 0.235
FBP
(Final
boiling
point),
Obs °F OCTANO Fit SE Fit Residual St Resid
1 375 87.9200 87.9205 0.0019 -0.0005 -1.00
2 369 90.8200 90.8185 0.0013 0.0015 1.00
3 365 92.0800 92.0810 0.0017 -0.0010 -1.00
4 359 84.3000 84.3000 0.0020 0.0000 1.00 X
5 349 86.0700 86.0697 0.0020 0.0003 1.00
6 357 86.7300 86.7304 0.0019 -0.0004 -1.00
X denotes an observation whose X value gives it large influence.
81
Residual
Po
rcen
taje
0.0020.0010.000-0.001-0.002
99
90
50
10
1
Valores ajustados
Res
idu
al
9290888684
0.001
0.000
-0.001
Residual
Frecuencia
0.00150.00100.00050.0000-0.0005-0.0010
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Orden de la observacion
Res
idu
al
654321
0.001
0.000
-0.001
Grafica de probabilidad normal de los residuales Residuales contra los valores ajustados
Histograma de los residuales Residuales contra el orden de los datos
Residual Plots for OCTANO
82
Apéndice 6
“Resultados de los Análisis realizados por el Southwest
Research Institute”
ORRLCEF8 Monterrey.doc Page 1 of 10
May 6, 2008 Ing. Patricia Castillo Hernandez Tesista, Departamento de Ingeniería Química Instituto Tecnológico y Estudios Superiores de Monterrey Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur Col. Tecnológico C.P. 64849 Monterrey, Nuevo León Mexico Phone: +52 (81) 83 58 20 00 x 5437 e-mail: [email protected] Subject: SwRI Project 08.11831.01.001 WO# 42225 Dear Ms. Castillo: Analytical testing has been performed on the samples received March 17, 2008. The samples were received in good condition in various sized amber bottles. Testing tool place between April 14 and May 1, 2008. Sample identification and results are shown on the listed test summary tables. Sample aliquots were taken in accordance with the test procedure. Precision should be consistent with that stated in the test procedure. The analyses pertain only to the sample received by Southwest Research Institute and represent only a sampling of this batch. This report shall not be reproduced except in full without written permission of Southwest Research Institute. If there are any questions concerning these analyses or if you have further instructions, please contact me at (210) 522-2071. Sincerely, Robert Legg Laboratory Manager Fuels and Lubricants Laboratory Petroleum Products Research Department Office of Automotive Engineering
ORRLCEF8 Monterrey.doc Page 2 of 10
S o u t h w e s t R e s e a r c h I n s t i t u t e
Test Summary Report for
Tesista, Departamento de Ingeniería Química May 6, 2008
SwRI WO# 42225 Sample Set M-00
Sample Identification M-00-1 M-00-2 M-00-3 SwRI Sample ID 69176 69177 69178
ASTM D 5191 Reid Vapor Pressure Ptot, psi 11.03 11.25 11.16 DVPE, psi 10.10 10.31 10.22
ASTM D 2699 Research Octane Number RON 91.4 91.5 91.7
ASTM D 2700 Motor Octane Number MON 84.2 84.4 84.3
ASTM D 525 Oxidation Stability Run Time, min >1440 >1440 >1440 Break No Break No Break No Break
ASTM D 5599 Oxygenate Content ETBE, wt% <0.1 <0.1 <0.1 EtOH, wt% <0.1 <0.1 <0.1 MTBE, wt% 10.54 10.55 10.39 tBa,, wt% <0.1 <0.1 <0.1 Total O, wt% 1.93 1.93 1.90
ASTM D 86 Distillation IBP, °F 86.6 83.9 86.1 10% Evap, °F 123.1 120.1 124.1 50% Evap, °F 189.1 189.7 190.6 90% Evap, °F 291.8 292.0 291.5 FBP, °F 378.4 369.8 378.1 Recovery, % 97.8 97.6 98.2 Residue, % 1.0 1.0 0.6 Loss, % 1.2 1.4 1.2
ORRLCEF8 Monterrey.doc Page 3 of 10
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Test Summary Report
for Tesista, Departamento de Ingeniería Química
May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set M-10/90
Sample Identification M-10/90-1 M-10/90-2 M-10/90-3 SwRI Sample ID 69179 69180 69181
ASTM D 5191 Reid Vapor Pressure Ptot, psi 10.69 10.43 11.00 DVPE, psi 9.77 9.52 10.07
ASTM D 2699 Research Octane Number RON 95.5 95.6 95.6
ASTM D 2700 Motor Octane Number MON 86.0 86.1 86.1
ASTM D 525 Oxidation Stability Run Time, min >1440 >1440 >1440 Break No Break No Break No Break
ASTM D 5599 Oxygenate Content ETBE, wt% <0.1 <0.1 <0.1 EtOH, wt% 9.65 10.01 9.84 MTBE, wt% 9.72 9.60 9.63 tBa,, wt% <0.1 <0.1 <0.1 Total O, wt% 5.13 5.23 5.18
ASTM D 86 Distillation IBP, °F 87.1 89.0 87.3 10% Evap, °F 119.1 117.1 119.6 50% Evap, °F 155.6 153.4 158.2 90% Evap, °F 288.7 287.5 288.0 FBP, °F 368.2 373.0 366.9 Recovery, % 98.0 97.3 97.2 Residue, % 1.0 1.0 1.0 Loss, % 1.0 1.7 1.8
ORRLCEF8 Monterrey.doc Page 4 of 10
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Test Summary Report
for Tesista, Departamento de Ingeniería Química
May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set M-15/85
Sample Identification M-15/85-1 M-15/85-2 M-15/85-3 SwRI Sample ID 69182 69183 69184
ASTM D 5191 Reid Vapor Pressure Ptot, psi 10.72 10.65 10.61 DVPE, psi 9.80 9.73 9.69
ASTM D 2699 Research Octane Number RON 97.4 97.4 97.5
ASTM D 2700 Motor Octane Number MON 86.8 86.7 86.7
ASTM D 525 Oxidation Stability Run Time, min >1440 >1440 >1440 Break No Break No Break No Break
ASTM D 5599 Oxygenate Content ETBE, wt% <0.1 <0.1 <0.1 EtOH, wt% 14.84 14.31 16.23 MTBE, wt% 9.20 9.18 10.55 tBa,, wt% <0.1 <0.1 0.11 Total O, wt% 6.84 6.65 7.57
ASTM D 86 Distillation IBP, °F 86.2 90.2 90.6 10% Evap, °F 119.6 121.7 122.3 50% Evap, °F 155.1 154.6 155.0 90% Evap, °F 286.5 288.2 286.5 FBP, °F 362.7 361.9 369.2 Recovery, % 97.0 98.0 97.8 Residue, % 1.0 1.0 1.0 Loss, % 2.0 1.0 1.2
ORRLCEF8 Monterrey.doc Page 5 of 10
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Test Summary Report
for Tesista, Departamento de Ingeniería Química
May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set P-00
Sample Identification P-00-1 P-00-2 P-00-3 SwRI Sample ID 69185 69186 69187
ASTM D 5191 Reid Vapor Pressure Ptot, psi 7.55 7.09 7.20 DVPE, psi 6.74 6.29 6.40
ASTM D 2699 Research Octane Number RON 98.0 98.0 98.0
ASTM D 2700 Motor Octane Number MON 87.2 87.1 87.1
ASTM D 525 Oxidation Stability Run Time, min >1440 >1440 >1440 Break No Break No Break No Break
ASTM D 5599 Oxygenate Content ETBE, wt% 0.19 0.19 0.19 EtOH, wt% <0.1 <0.1 <0.1 MTBE, wt% 17.83 17.88 17.84 tBa,, wt% <0.1 <0.1 <0.1 Total O, wt% 3.26 3.27 3.27
ASTM D 86 Distillation IBP, °F 84.7 88.1 87.8 10% Evap, °F 117.2 117.7 119.2 50% Evap, °F 172.2 171.9 171.2 90% Evap, °F 284.0 282.3 282.6 FBP, °F 360.5 360.4 356.9 Recovery, % 97.8 98.3 98.4 Residue, % 1.0 0.5 0.5 Loss, % 1.2 1.2 1.1
ORRLCEF8 Monterrey.doc Page 6 of 10
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Test Summary Report
for Tesista, Departamento de Ingeniería Química
May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set P-10/90
Sample Identification P-10/90-1 P-10/90-2 P-10/90-3 SwRI Sample ID 69188 69189 69190
ASTM D 5191 Reid Vapor Pressure Ptot, psi 11.17 10.98 11.27 DVPE, psi 10.23 10.05 10.33
ASTM D 2699 Research Octane Number RON 101 101 101
ASTM D 2700 Motor Octane Number MON 88.2 88.2 88.1
ASTM D 525 Oxidation Stability Run Time, min >1440 >1440 >1440 Break No Break No Break No Break
ASTM D 5599 Oxygenate Content ETBE, wt% 0.18 0.18 0.18 EtOH, wt% 11.36 11.33 11.10 MTBE, wt% 16.08 16.00 16.00 tBa,, wt% <0.1 <0.1 <0.1 Total O, wt% 6.89 6.86 6.78
ASTM D 86 Distillation IBP, °F 88.5 89.7 87.7 10% Evap, °F 116.1 116.1 115.5 50% Evap, °F 149.0 150.5 149.2 90% Evap, °F 278.6 275.7 278.9 FBP, °F 344.1 347.6 355.7 Recovery, % 97.8 97.8 97.7 Residue, % 1.0 0.9 0.9 Loss, % 1.2 1.3 1.4
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May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set P-15/85
Sample Identification P-15/85-1 P-15/85-2 P-15/85-3 SwRI Sample ID 69191 69192 69193
ASTM D 5191 Reid Vapor Pressure Ptot, psi 9.01 9.55 8.09 DVPE, psi 8.15 8.67 7.26
ASTM D 2699 Research Octane Number RON 102 102 102
ASTM D 2700 Motor Octane Number MON 88.4 88.6 88.3
ASTM D 525 Oxidation Stability Run Time, min >1440 >1440 >1440 Break No Break No Break No Break
ASTM D 5599 Oxygenate Content ETBE, wt% <0.1 <0.1 0.16 EtOH, wt% 16.18 15.82 16.39 MTBE, wt% 15.19 15.33 15.20 tBa,, wt% <0.1 <0.1 <0.1 Total O, wt% 8.38 8.27 8.47
ASTM D 86 Distillation IBP, °F 89.5 88.6 89.4 10% Evap, °F 118.2 118.4 118.5 50% Evap, °F 152.2 151.9 152.7 90% Evap, °F 278.7 276.6 278.1 FBP, °F 355.4 357.2 358.3 Recovery, % 97.9 97.3 97.2 Residue, % 0.9 1.0 1.0 Loss, % 1.2 1.7 1.8
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May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set D-00
Sample Identification D-00-1 D-00-2 D-00-3 SwRI Sample ID 69194 69195 69196
ASTM D 613 Cetane Number Cetane 52.7 52.1 53.1
ASTM D 93 Flash Point Flash Point,°C 23.3 55.0 52.8 Rerun, °C 24.4 --- ---
Barometric Pressure, mmHg 738 738 738 ASTM D 86 Distillation
IBP, °F 351.7 346.4 347.3 10% Recov, °F 394.7 389.7 392.0 50% Recov, °F 514.0 513.6 512.8 90% Recov, °F 639.1 638.2 634.9 FBP, °F 676.3 680.5 669.8 Recovery, % 97.8 98.4 98.3 Residue, % 1.3 0.6 0.5 Loss, % 0.9 1.0 1.2
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May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set D-10/90
Sample Identification D-10/90-1 D-10/90-2 D-10/90-3 SwRI Sample ID 69197 69198 69199
ASTM D 613 Cetane Number Cetane 46.2 44.5 46.2
ASTM D 93 Flash Point Flash Point,°C 23.3 21.7 25.0 Rerun, °C 26.1 23.3 28.3
Barometric Pressure, mmHg 738 738 738 ASTM D 86 Distillation
IBP, °F 106.6 172.5 171.5 10% Recov, °F 182.1 346.4 175.6 50% Recov, °F 490.2 498.4 492.5 90% Recov, °F --- --- --- FBP, °F 654.9 676.1 676.9 Recovery, % 94.0 86.0 88.2 Residue, % 5.9 13.9 11.7 Loss, % 0.1 0.1 0.1
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May 6, 2008 SwRI WO# 42225 Sample Set D-15/85
Sample Identification D-15/85- D-15/85- D-15/85- SwRI Sample ID 69200 69201 69202
ASTM D 613 Cetane Number Cetane 46.9 46.8 43.7
ASTM D 93 Flash Point Flash Point,°C 27.2 25.6 27.8 Rerun, °C 25.0 27.2 25.0
Barometric Pressure, mmHg 738 738 738 ASTM D 86 Distillation
IBP, °F 172.7 172.2 172.3 10% Recov, °F 175.9 175.4 173.8 50% Recov, °F 498.7 496.1 495.5 90% Recov, °F --- --- --- FBP, °F 635.5 673.6 673.8 Recovery, % 87.2 85.4 86.5 Residue, % 12.7 14.5 13.4 Loss, % 0.1 0.1 0.1
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