MARCO CONCEPTUAL

1. EMULSIFICACION 1.1. Definiciones básicas

Una emulsión es una mezcla de dos líquidos inmiscibles de forma que uno queda disperso en el otro de forma más o menos homogénea. Cuando dos líquidos inmiscibles se agitan unidos, uno de los dos forma minúsculas gotitas dispersas dentro del otro, pero sólo temporalmente, pues en cuanto los dejemos reposar las pequeñas gotitas tenderán a unirse y ambos líquidos se separarán nuevamente formando dos capas perfectamente definidas. Es lo que sucede cuando agitamos una mezcla de aceite y agua. Al líquido que forma las pequeñas gotitas dispersas lo llamamos fase dispersa o interna, y al líquido que las envuelve lo llamaremos fase continua o externa. Si el tamaño de las gotitas está por encima de 30micras se obtienen emulsiones groseras y poco estables, y si está por debajo de 0,1, se obtienen microemulsiones, mucho más finas y estables. Por lo tanto la técnica de elaboración de emulsiones requiere de:

• Un método para dispersar la fase interna lo más posible y con el mínimo esfuerzo (emulsificación), lo cual hacemos mediante el uso de emulgentes y agitación. • Conseguir que las partículas se mantengan en ese estado de dispersión todo el tiempo que se pueda (estabilización), lo cual hacemos mediante el añadido de agentes espesantes (gomas, arcillas...)

1.2. Componentes: Fase acuosa y fase oleosa Una fase acuosa, en la que pueden estar disueltas sustancias polares o

hidrosolubles Una fase, oleosa, en la que pueden estar disueltas sustancias lipófilas o apolares.

1.3. Tipos de emulsión

1.3.1. EMULSIONES DIRECTAS son aquellas en las que la fase dispersa es una substancia lipofílica (grasa o aceite) y la fase continua es hidrofílica (normalmente agua). Estas emulsiones suelen denominarse L/H o O/W. Ejemplos son además de las emulsiones bituminosas, la leche, la mayonesa, algunos tipos de pinturas, y muchos productos alimentarios y fitosanitarios.

1.3.2. EMULSIONES INVERSAS por el contrario son las que la fase dispersa es una substancia hidrofílica y la fase continua es lipofílica. Estas emulsiones suelen denominarse con la abreviatura H/L o W/O. (Como ejemplos pueden citarse las margarinas, fluidos hidráulicos y la mayoría de las cremas cosméticas)

1.3.3. EMULSIONES MÚLTIPLES son las que como fase dispersa contiene una emulsión inversa y la fase continua es un líquido acuoso. Estas emulsiones se conocen como H/L/H o W/O/W. (Este tipo de emulsiones es utilizado básicamente en farmacia, al permitir obtener una liberación retardada de los medicamentos).

1.4. Métodos de preparación

Los métodos más usados para la preparación de emulsiones.1.4.1. Método de micronización

El camino más simple para la obtención de emulsión es proporcionar energía mecánica al sistema. Este propósito puede ser fácilmente alcanzado usando agitadores mecánicos, homogenizadores o por efectos de la cavitación por ultrasonidos. La dispersión mecánica puede llegar a ser difícil cuando los fluidos a emulsionar tienen muy diferentes viscosidades. Se ha observado que no es posible dispersar un líquido A e un líquido B cuando la viscosidad de la A es casi cuatro veces la viscosidad de B así ocurre, por ejemplo, en sustancias resinosas e agua. En ese caso una metodología alternativa es una producción alternativa es la producción de una emulsión B/A seguida de una inversión de fases, obteniendo la emulsión A/B (Abismai, 1999;Canselier,2001)

1.4.2. Método de inversión de faseEn esta estrategia, una emulsión O/W se prepara a partir de una emulsión W/O y una inversión de fase obtenida usando un mecanismo similar al que conduce las microemulsiones bicontinuas (Solans y col., 2003). Con un bajo contenido en agua en función de cada tensioactivo, la emulsión W/O no es conductora y el sistema está constituido por gotas de agua en aceite. Valorando esta emulsión con agua, se aprecia que la conductividad aumenta, alcanza un máximo y finalmente decrece. La adición de agua crea un medio continuo que desarrolla la formación de una dispersión de gotas de aceite en agua.

1.4.3. Método de la temperatura de inversión de fase.Se puedo obtener pequeñas gotas al emulsionar dos fluidos a una temperatura unos grados por debajo del punto PIT del tensioactivo. El punto PIT, la tensión interfasial decrece muchísimo haciendo posible la formación de gotas muy pequeñas. Realizando un rápido enfriamiento de 25-30°C de emulsiones preparadas a la temperatura a la temperatura se disminuye poco. Las emulsiones así preparadas son realmente muy estables, en muchos casos son nanoemulsiones que no se ven

afectadas por la coalescencia o la floculación (Solans y col., 2005; Shinoda&Saito, 1968).

1.4.4. Rotura de emulsiones.Algunas veces es necesario separar fluidos emulsionados, la ruptura de a emulsión es espontanea cuando existe gotas mayores de 1mm. El cremado puede tener lugar en sistemas concentrados. Sin embargo, el proceso de ruptura requiere que se produzca coalescencia no tiene lugar, es necesaria una mayor cantidad de energía para superar a barrera de energía potencial que evita la agresión de gotas. Esta energía como en el proceso reverso, es decir la emulsificación, puede ser proporcionada de varias maneras en función del sistema y las condiciones de trabajo

1.5. Principales variables que afectan una emulsión Las principales variables se pueden agrupar de la siguiente manera (Tabla 1):

Distribución de Tamaños de Gotas Inicialmente determinada por: Equipo de emulsificación Concentración de emulsificante Tipo de emulsificanteRelación aceite/ agua Otros factores (temperatura, pH, viscosidad) Naturaleza de la capa interfacial adsorbida Determinada por: Concentración y tipo de emulsificante Interacción de las especies adsorbidas Competición entre las especies adsorbidas Naturaleza de la fase acuosa continua Reología, calidad del solvente, ambiente iónico, polímeros no adsorbidos y anfifílicosNaturaleza de la fase dispersaContenido sólido/ liquido Solubilidad en la fase continua

Tabla 1: Principales variables que afectan la emulsión.

2. COMBUSTION

El proceso de combustión es el más importante en ingeniería porque todavía hoy, aunque tiende a disminuir (96% en 1975, 90% en 1985 y 40% en 1995), la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo, carbón y gas natural. Y no solo es importante el estudio de la combustión controlada de los recursos primarios usados en la producción de trabajo y calor, sino que también es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos. Además, cada vez va siendo más importante analizar la combustión controlada de materiales de desecho (incineración), con el fin de minimizar la contaminación ambiental. La combustión (quemar algo) es un proceso tan fácil de realizar porque genera mucha entropía y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energía ordenada en los

enlaces químicos pasa bruscamente a energía térmica (desordenada) de las partículas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea está integrado por mezclas reactivas (p.e. el mobiliario o la vestimenta y el oxígeno del aire ambiente) en equilibrio meta-estable, y a veces basta con forzar localmente la reacción (chispa) para que se auto-propague, normalmente formando un frente luminoso (llama).

2.1. Variables significativas que influyen en el proceso de combustión:

La composición (relación combustible / comburente y relaci6n gas inerte / comburente), La temperatura La presión El campo de velocidades La presencia de catalizadores (sustancias que aunque no parecen reaccionar, porque no se

consumen, controlan el progreso de la reacción)

2.2. Diagnóstico energético en la combustión:

Para determinar la energía se toma el estado de referencia con presión de 101,325 kPa, temperatura de 298,15 K, y la composición del ambiente presentada por A. Agudelo.

En los motores diesel se admite únicamente aire. El combustible sólo comienza a aportar a la energía de la mezcla durante el proceso de inyección-combustión. El balance de energía para el volumen de control mostrado en la figura por la línea discontinua será:

Los términos de esta ecuación, de izquierda a derecha son: energía asociada a la transferencia de calor (ΔEQ), de trabajo (ΔEW), de masa por fugas (dEf), energía del combustible (dEc) y energía destruida (ΔEd).

2.3. Combustión de las emulsiones en motores:

En cuanto a las prestaciones de un motor usando emulsiones, existen reportes de aumento del torque con el incremento del contenido de agua con respecto a todo el rango de velocidades del motor y una disminución del consumo especifico de combustible (ge) con el aumento de la velocidad del motor hasta alrededor de 2100 rpm después que el ge decrece cuando el contenido de agua se incrementa en el rango de velocidades investigadas [11]. Selim [17] probó emulsiones de agua en diesel hasta un 8% de agua, observando que la adición de agua reduce las temperaturas del metal y los flujos de calor que cruzan la pared y la cabeza del cilindro. Alahmer reportó que con el aumento de la cantidad de agua, el torque y potencia de salida disminuyen, mientras que el ge se incrementa. Los incrementos en

ge reportado está en concordancia con otros reportes. Emulsiones con un 13 % de agua y 2 % de surfactante en un motor diesel de 4 cilindros, inyección directa de hasta 260 Nmy2.400 rpm fueron probados por Ghoje. Una elevada eficiencia térmica y ge en comparación con el combustible diesel fueron observadas.

El uso de un motor diesel Petter mono-cilíndrico de inyección directa usando emulsiones de agua en diesel es reportado. Para estabilizar las emulsiones un 2% por volumen de mezcla surfactante que consta de Span 80 y Tween 80 fue usada con el fin de estabilizar agua entre 0-20%. Como el porcentaje de agua en la emulsión aumenta hasta un 20%, el torque, la potencia de salida y la eficiencia térmica se incrementó. Aumentos importantes en el retardo de la ignición en comparación con el combustible diesel son reportados cuando se utiliza la emulsión. Las diferencias reportadas se encuentran entre 4-7 grados ángulos de giro dependiendo de la potencia al freno motor. Sin embargo, una disminución en el retardo de la ignición es también reportada.

2.4. Combustión en quemadores:

Se emplean para reducir los efectos contaminantes de los combustibles pesados.Consisten en producir una emulsión del combustible líquido con el agua, al comenzar la combustión una gota de emulsión, se produce la rápida evaporación de la fracción de agua contenida en ella, provocando el fraccionamiento de la gota en infinidad de partículas.

El interés de este tipo de quemador es:

Trabaja con exceso de aire reducido. Reduce las emisiones de óxidos de nitrógeno. Reducción del SO3 en SO2. Reduce los no quemados sólidos. El principal inconveniente es el consumo suplementario de calor.

Quemador de emulsión a baja presión

1. Alimentación de combustible. 2. Filtro de combustible. 3. Bomba de combustible. 4. Retorno de combustible. 5. Válvula de regulación de presión 6. Bomba dosificadora. 7. Filtro de aire.8. Compresor de aire primario donde se realiza la pre-mezcla aire-combustible.9. Ventilador de aire secundario.10. Transformador de encendido.11. Conducto de alimentación de la pre-mezcla incorporada a la bomba. aire-combustible. 12. Electrodos de encendido.13. Boquilla pulverizadora.

2.5. Efectos de la combustión de emulsiones:

La alta viscosidad de esta clase de combustibles complica su quemado y la combustión se realiza generalmente con grandes excesos de aire. Bajo estas condiciones de combustión, se incrementa la formación de compuestos de bajo punto de fusión y se acelera el inicio de la corrosión de las aleaciones. Por otra parte, la combustión de estos combustibles con altos contenidos de asfáltenos resulta en grandes llamas y grandes partículas carbonáceas.

El vanadio ocasiona serios problemas en corrosión debido a la formación del pentóxido de vanadio, el cual tiene un bajo punto de fusión. El problema se incrementa cuando hay presencia de sodio, ya que algunos óxidos mezclados de V-Na tienen puntos de fusión más bajos, y los depósitos líquidos que se forman, cubren las capas protectoras de óxido de las aleaciones estructurales, haciéndolas más vulnerables a una rápida corrosión

3. TECNOLOGÍA DEL PROCESO DE AGITACIÓN - MEZCLADO

3.1. Definiciones básicas

Agitación: Es la operación por la cual se crean movimientos violentos e irregulares en el seno de una materia fluida, o que se comporte como tal, situando las partículas o moléculas de una o más fases de tal modo que se obtenga el fin pretendido en el mínimo de tiempo y con un mínimo de energía. En el caso de que no sea una única sustancia la que reciba este movimiento, sino dos o más sustancias, miscibles o no, se llamará mezcla. En ella se pretende realizar una distribución al azar de dichas sustancias o fases.

Mezclado: El término mezclado se refiere, en el contexto de la agitación, a conseguir la máxima interposición entre materiales, que pueden ser miscibles o no miscibles, para obtener un grado determinado de uniformidad entre los mismos.

Las aplicaciones más utilizadas en las industrias de procesos que requieren agitación y mezclado se pueden clasificar en ciertas operaciones unitarias básicas (Edward L., 2004):

Homogeneización de un fluido: mezcla de fluidos solubles, en donde se busca equilibro del gradiente de temperatura y concentración.

Suspensión de un sólido en un líquido: distribuir un sólido disperso en un fluido manteniendo los sólidos en suspensión, para conseguir una distribución homogénea y en algunos casos disolver los sólidos.

Emulsión de dos fluidos insolubles: dispersar un fluido insoluble en otro para poder aumentar la superficie específica de uno de los fluidos.

Dispersión de un gas en un líquido: dispersar un gas en un fluido. Intercambio de calor: favorecer e incrementar la trasferencia de calor entre fluido y las

superficies de los fluidos que se encuentran a distintas temperaturas.

Tanques agitados Un tanque agitador convencional consiste en un recipiente cerrado o abierto que generalmente es un tanque cilíndrico vertical equipado con un impulsor giratorio. Existen algunos tanques horizontales, de sección cuadrada o rectangular, que a veces se utilizan pero no son convencionales. El mezclador

giratorio o agitador tiene varios componentes: un rodete o impulsor, eje, sello del eje, caja reductora, y un motor de accionamiento. En los tanques altos, el impulsor puede ser instalado desde la parte inferior para reducir la longitud del eje y proporcionar estabilidad mecánica. Existen tipos de impulsores que tienen entrada lateral o entrada a un ángulo de inclinación para almacenamiento grande de productos, en estos casos no se requiere deflectores (Edward L., 2004). Además, para evitar zonas muertas, es decir de bajas velocidades, se suele eliminar las esquinas de la base empleando formas elípticas, cónicas, esféricas o toriesféricos decimales (Koppler), aunque en ocasiones se pueden encontrar bases planas (López, 2006).

3.2 Sistema de agitación y mezclado

Los métodos de formación de emulsiones se pueden clasificar en métodos de alta y baja energía. Los métodos de alta energía o de dispersión, se basan en la aportación de energía externa al sistema, generalmente mecánica, y el tamaño de gota resultante depende de la magnitud de dicha aportación. Por ejemplo, utilizando equipos como agitadores, mezcladores, turbinas, homogenizadores, etc. Por otro lado los métodos de baja energía o de condensación, son métodos en los que la energía proviene de la energía interna de los propios componentes de las emulsiones, y el tamaño de gota resultante no depende de la energía aportada al sistema.

Tipos de agitador para emulsiones agua-aceite

La determinación del impulsor más eficaz debe basarse en la comprensión de los requisitos del proceso y el conocimiento de las propiedades físicas.

Impulsores de alta cizalla (highshear)

Son operados a alta velocidad y se utiliza para la adición de una segunda fase (por ejemplo, gas, líquido, polvo sólido) en la molienda, la dispersión de pigmentos, y fabricación de emulsiones. Estos impulsores dispersantes tienen bajo bombeo y por lo tanto a menudo se utilizan junto con impulsores de flujo axial para proporcionar tanto la distribución homogénea y alta cizalla. Estos agitadores son del tipo turbina y tienen la más amplia utilización en líquidos de viscosidad baja y media. (Edward L., 2004)

Figura 3.1. Patrones de flujos dado por diferentes impulsores

Agitación con turbinas. La inclusión de pantallas fijas en la pared del tanque o adyacentes a las hélices, como un rotor y estator de turbina, aumenta considerablemente la eficiencia de la agitación. El agitador de turbina es el preferible de los dos métodos, pues las pantallas de desviación en un tanque, con frecuencia, ocasionan áreas de poca o ninguna agitación, aunque el efecto general es el de aumentar la eficiencia de agitación.

3.3 Influencia de la velocidad de agitación en la emulsión

Cuando las gotas de agua se encuentra cerca de las aspas de un impulsor es sometidaa un proceso de cizallamiento que depende de lascaracterísticas del impulsor, pero que en la gota puedengenerar un estiramiento mayor o menor, dependiendo de latensión interfacial dada por la adsorción del surfactante,viscosidad y presencia de otras gotas en las cercanías. Laintensidad del efecto puede producir la ruptura en una omás gotas. Cuando éstas se alejan de las aspas entoncesviajan a través de la fase continua encontrándose con otrasgotas donde es posible la coalescencia (Briceño et al. 2002;Salageret al. 1997).

La agregación, es el agrupamiento de dos o más gotas. Se debe al crecimiento de las gotas acosta de las más pequeñas desapareciéndolas totalmente.Este proceso sucede a la velocidad que es función de la solubilidad de la fase dispersa en la fase continua y se debe a que la presión interna de las gotas es mayor en las gotas más pequeñas. (Misael Maldonado, 2011)

3.4 Curvas de potencia y reología

La reología del sistema está muy relacionada con el flujo y la energía requerida para la agitación, dichos parámetros implican el uso del número de Ryenolds y el de Potencia, ambos se relacionan mediante las curvas de potencia.

A continuación se muestran las curvas de potencia de agitación de fluidos no newtonianos, cuyos Reynolds se determinaron por el método de Metzner y Otto.

.

Cuando un sistema que contiene surfactante, agua y diesel se somete a agitación, la fases liquida queda dispersada en forma de gotas (diámetro 1-100 µm), produciéndose una emulsión (BECHER 1977).

Las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables porque su energía de formación (ΔGf) es mayor que cero y por lo tanto, la tendencia espontanea es la separación de las fases. Esta inestabilidad en la energía está asociada con la gran área interfacial de las gotas en el interior.

Los sistemas SOW (surfactant-oil-water) se utilizan en numerosas aplicaciones petroleras, la formulación de estos sistemas comprende dos tipos de variables:

Variables de composición: las cuales define las fracciones o porcentajes (en peso, mol, volumen) de cada uno de los componentes del sistema.

Variables de formulación: corresponden a la naturaleza fisicoquímica de los componentes y al efecto de las variables externas.

En tercer tipo de variable generalmente se toma en cuenta en la formulación, son los factores fluido-mecánicos, que comprenden técnicas usadas en la preparación de emulsiones, como la agitación , introducción de un líquido en otro por medio de orificios , tipo de cizallamiento y aparatos usados, también incluye propiedad de los fluidos como la viscosidad, entre otras.

Ivanov et al. (1999) analizan la importancia relativa de la deformación de las gotas, la trasferencia de surfactantes y la reología interfacial sobre la estabilidad de emulsiones. Las propiedades reológicas y dinámicas de las mono capas de surfactantes adsorbidos (Elasticidad de Gibbs, difusividad, viscosidad superficial y la adsorción cinética de surfactantes) son los factores con mayor influencia en la estabilidad de emulsiones bajo condiciones dinámicas. La solubilidad del surfactante es una de las dos fases de emulsión es determinante en el tipo de emulsión formada.

3.5 Número de Reynolds

El número de Reynolds representa una medida de la magnitud relativa de los esfuerzos inerciales con respecto a los esfuerzos viscosos. Si los esfuerzos inerciales dominan respecto los esfuerzos viscosos se dice que el flujo no puede ser laminar. La pérdida de laminaridad se la denomina simplemente turbulencia.

3.6 Número de Potencia

El número de potencia es un número adimensional que da una idea de la cantidad total de potencia necesaria para el funcionamiento del agitador. La presión característica en un sistema de agitación es la concentración de energía cinética que proporciona el impulsor, definida como:

La relación entre la caída de presión alrededor de un aspa o paleta y la presión característica, define el Número de Potencia, importante en la caracterización de la agitación y la determinación de los requerimientos de potencia, el cual representa la relación entre la fuerza suministrada al sistema y la fuerza de inercia.

N p=(p−po)p '

= PρN3D5

3.7 Número de Caudal

El número de caudal o capacidad de bombeo es un número adimensional que da una idea del caudal (Q) que atraviesa el plano del agitador. La capacidad de bombeo de un impulsor se puede expresar de forma adimensional relacionándola con el flujo volumétrico característico del tanque de agitación

q '=N D 3

Dando como resultado el número de bombeo o número de flujo:

Nq=Q

N D3

4. AGUA

4.1. Definiciones básicas

El agua es una sustancia que químicamente se formula como H2O, es decir, que una molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno enlazados covalentemente a un átomo de oxígeno.

El agua es uno de los elementos esenciales utilizados para formular los combustibles emulsionados. La presencia del agua en el sistema reduce el valor calórico del combustible, disminuyendo su energía total por unidad de masa de combustible. A pesar de esto, diversos estudios demuestran que el uso de los combustibles emulsionados permite obtener mejoras en las prestaciones del motor. (Canfield C., 1999)

La fuerza de interacción de la tensión superficial del agua es la fuerza de van Der Waals entre moléculas de agua. La aparente elasticidad causada por la tensión superficial explica la formación de ondas capilares. A presión constante, el índice de tensión superficial del agua disminuye al aumentar su temperatura.

Tipo de agua

El agua que se va a utilizar para formular una emulsión o micro-emulsión debe ser seleccionada de acuerdo con a la aplicación que se le vaya a dar a dichos sistemas coloidales. En el caso de las emulsiones/micro-emulsiones que se utilizan como combustible en los motores, se debe tener especial atención con las características del agua empleada, específicamente con el contenido de sales. Estas sales disueltas en determinadas concentraciones pueden provocar una pérdida en la estabilidad de las emulsiones, debido a fenómenos como la adsorción.

Investigadores como FayyadS.(2010) y BadranOea[ (2011) en este sentido recomiendan el uso de agua desmineralizada, puesto que el agua del grifo, según sus estudios, afecta de forma negativa la función del surfactante y el tiempo de estabilidad de la emulsión.

4.2. Influencia de la concentración de agua en las propiedades de la emulsión

El agua en los combustibles emulsionados no debe ser utilizada con el objetivo de sustituir una cantidad específica de combustible y así ahorrar dicha cantidad. La presencia del agua tiene como objetivo lograr un mejor aprovechamiento de la masa de combustible inyectada, mejorando el proceso de gasificación en el interior del cilindro antes de que ocurra el proceso de combustión, con el objetivo de mejorar dicho proceso haciendo un mejor uso de la energía contenida en el combustible.

Para las emulsiones que contienen aproximadamente de28 a 30% de agua, se han logrado obtener estabilidadeshasta de nueve meses, y para las emulsiones que contienen de 24 a 25% de agua, se llegó alrededor de tres meses (Vita Peralta, M. Alejandro, 2001).

4.3. Importancia del tamaño de gota en la emulsión

Las emulsiones de agua en diesel se pueden clasificar según el tamaño de las gotas en la emulsión, las mismas que están en el intervalo de 1-10 micras (Ochoterena, R. et al., 2010) , mientras que en una micro-emulsión son mucho más pequeñas, aproximadamente de 5 a 20 nm (Ochoterena, R. et

al.2010), se cree que la combustión eficiente se puede lograr con un tamaño medio de las partículas generalmente menos de 1,5 micras, preferiblemente entre 0,05 y 1 micras (Babu, R. et al., 2011)

El tamaño de gota promedio y su correspondientedistribución depende de la cantidad de energía suministrada en el proceso de agitación, hasta cierto límite donde la adición de energía ya no trae el efecto deseado (Jaffer, Nienow, 2013).

Una de las propiedades más importantes para caracterizarlas emulsiones es el área interfacial de las gotas o el diámetropromedio de ellas, que puede ser representado con eldiámetro de Sauter, d32. El diámetro de Sauter es uno de losvalores medios, el cual se corresponde con el diámetro degota que tiene el área promedio de la emulsión, es decir elárea total dividida por el número de gotas.

La presencia de surfactantes en una emulsión puedecontribuir a la disminución del diámetro de las gotas, debidoa los gradientes de tensión superficial que se generan desdela zona de alta concentración hacia la zona de bajaconcentración de surfactante, fenómeno conocido comoefecto Gibbs-Marangoni (Koshyet al. 1988).

4.4. Principales problemas

Los posibles efectos negativos producidos por la presencia del agua en los sistemas del motor representan uno de los principales motivos por el cual se debe prestar una atención especial a la estabilidad de los combustibles emulsionados. Es por este motivo que algunos investigadores como Canfield C. (1999) utilizan un inhibidor de corrosión con el objetivo de compensar los efectos corrosivos potenciales del agua en el combustible durante el almacenamiento. Además, investigadores como Muñoz J. (2007) destacan que debe prestarse atención al efecto de la cristalización en las emulsiones sometidas a bajas temperaturas, sobre todo teniendo en cuenta la expansión de volumen que representa, reflejada en un claro descenso de densidad.

5. DIESEL

5.1. Definición de diesel: El combustible diesel es una mezcla de diferentes moléculas de hidrocarburos que comprenden desde el C7 a C35, con un rango de ebullición que va de 177°C a 343°C, cabe señalar que la composición del combustible diesel y los lubricantes tiene efecto directo en el desempeño del motor, mantenimiento y emisiones de escape. Por ejemplo una reducción en el contenido de aromáticos, azufre y volatilidad tiene efecto directo en la reducción de las emisiones de escape (Ullman, 1989).

5.2. Propiedades del diesel

En la siguiente tabla se comparan las propiedades físicas y químicas promedio del biodiesel y del diesel del petróleo; indicándose las normas ASTM establecidas para obtener una calidad uniforme de los combustibles. (Sarmiento, 2008).

5.3. Número de Cetano

El número de cetano es un indicador de la habilidad de los combustibles para autoencenderse, después de que han sido inyectados al motor diesel. El diesel que se utiliza en las carreteras, requiere tener un número de cetano de 40 o mayor; pero debido a que un número de cetano mayor se traduce también en costos mayores del combustible; normalmente se mantiene entre 40 y 45.En investigaciones recientes se ha demostrado que el ligeramente mayor número de cetano del biodiesel (generalmente entre 46 y 60, dependiendo de la materia prima utilizada) puede reducir el retraso a la ignición. Este factor junto con la menor volatilidad del biodiesel, contribuyen a mejorar las características de la combustión (comienzo más gradual de la combustión), con relación al diesel del petróleo. (Sarmiento, 2008).

6. SURFACTANTES:

6.1. Definiciones básicas

Los surfactantes, son conocidos también por el nombre de agente emulsionante, tensoactivos o emulsificadores. Esta palabra no tiene una traducción exacta en español, lengua en la cual se usa el término genérico de “tensoactivo”, que se refiere a una actividad o a una acción sobre la tensión superficial o interfacial, es decir sobre la energía libre de Gibbs (Pérez, 2009).Los surfactantes están compuestos por moléculas orgánicas que cuando son disueltas en un solvente en baja concentración tienen la habilidad de adsorber (o establecer) en la interfase, cambiando significativamente de ese modo las propiedades físicas de esas interfases (Eastoe, 2005) . Los surfactantes son en general una mezcla de sustancias con grupos hidrofílicos y lipofílicos variables (Pérez, 2009).Los surfactantes (agentes tensoactivos) son todas aquellas sustancias que causen variaciones sobre la tensión interfacial o la tensión superficial (Zayas,2001).

En 1949 Griffin propuso la primera expresión numérica del concepto de formulación de los sistemas SOW, denominada HLB (en inglés HydrophilicLipophilic Balance, Balance Hidrofilico- Lipofilico) como medida de la afinidad relativa del surfactante para las fases agua aceite. El HLB mide en escala del 0 al 20 la importancia relativa del grupo hidrofilico, (HLB>10) y del grupo lipofilico (HLB<10) del surfactante.

6.2. Tipos de Surfactantes más empleados

Entre los surfactantes más usados en la actualidad se encuentra los basados en nonil fenol, el mismo es ampliamente utilizado en muchas aplicaciones dadas sus ventajas. Surfactantes relacionados con nonil fenol, pero con grupos adicionales de átomos llamados unidades de óxido de etileno se llaman nonil fenol etoxilados (Cox, 1996).

- Di-nonil fenol. El peso molecular (PM) = 347 - Nonil fenol +5 MOE. Este surfactantes presenta 5 unidades de óxido de etileno (+5 EO) y un

peso molecular (PM) = 440. Además está constituido por una mezcla de 55,55% de nonil fenol y 44,45% de óxido de etileno.

- Nonil fenol +5 MOE. Este surfactantes presenta 5 unidades de óxido de etileno (+5 EO) y un peso molecular (PM) = 440. Además está constituido por una mezcla de 55,55% de nonil fenol y 44,45% de óxido de etileno.

6.3. Efecto del surfactante en las emulsiones

Entre los factores que afectan la estabilidad se encuentran: las proporciones de las fases, tipo y concentración de los surfactantes, condiciones de proceso y protocolo de elaboración, por ello es importante explorar y definir las condiciones específicas para obtener un sistema estable. (Villa, 2010).

Como información adicional se puede agregar que a 250°C, en presencia de oxígeno, el surfactante se descompone, lo que resulta en un acortamiento de la cadena etoxilada, generando productos volátiles de descomposición junto al alcohol residual al inicio de surfactante (nonil fenol). A temperaturas superiores a 300°C, cantidades significativas de surfactante pueden ser evaporadas como surfactante puro, es por ello que para las condiciones de temperatura y presión establecidas en la cámara de combustión se produce la descomposición prolongada (Ahmed, 2013).

Para cualquier sistema de emulsión, la elección de un emulsionante adecuado es de importancia crucial. Las emulsiones se formulan habitualmente para obtener la estable. Generalmente, un único tensoactivo no puede producir la estabilidad deseada [15]. Mezclas de diferentes tipos de tensioactivos a menudo exhiben sinergismo en sus efectos sobre las propiedades de un sistema para varias aplicaciones. (M. R. Noor el Dim, 2013)

Varios autores encontraron que mezclas de tensioactivos podrían proporcionar emulsiones más estables con el tamaño mínimo de un único tensioactivo [34], [35] y [36]. Además, la adición de un segundo tensioactivo a la fase dispersa disminuyó la tasa de maduración Ostwald tasa en emulsiones w / o. (M. R. Noor el Dim, 2013)

7. CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO Y PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS

7.1. Propiedades físico-químicas de un combustible:

Los combustibles que se utilicen en el MEC (motores de encendido por compresión) deben poseer ciertas propiedades básicas, impuestas por las características de la combustión diesel, de tal modo que se garantice el desempeño satisfactorio y la operación confiable y segura de este tipo de motores. En este sentido, las propiedades más relevantes de estos combustibles son la tendencia a la auto inflamación, viscosidad, lubricidad (poder lubricante), densidad y volatilidad (LIf y Holmberg, 2006; Armas et al., 2005).

Para asegurar la correcta operación y confiabilidad del sistema de inyección se requiere que sea el mismo combustible el que lubrique los componentes móviles. La utilización de combustibles con baja capacidad lubricante o lubricidad puede acelerar el desgaste en las bombas y los inyectores, ocasionando en casos extremos fallas catastróficas (LIf y Holmberg, 2006; Armas et al., 2005).

7.2. Influencia de la viscosidad en la combustión de emulsiones agua-diesel:

Por otro lado la viscosidad del combustible tiene influencia en el diseño y la operación de los componentes del sistema de inyección y en la eficiencia de proceso de atomización. A mayor viscosidad, mayor será el tamaño de las gotas y más profunda la penetración del chorro. Un excesivo tamaño de gota afecta un excesivo tamaño de gota afecta negativamente los subsecuentes procesos de evaporación y mezclado con el aire, ocasionando que el combustible no se queme constantemente. Por otro lado si la viscosidad del combustible es baja, se puede pueden presentar perdidas en el motor, como consecuencia de posibles fugas atravez de la bomba y los inyectores (LIf y Holmberg, 2006; Armas et al., 2005).

7.3. Influencia de la densidad en la combustión de emulsiones agua-diesel:

La densidad está estrechamente relacionada con el gasto del combustible y, por tanto, con la cantidad de energía liberada en la combustión (poder calorífico). Los sistemas de inyección se optimizan en un rango maso menos estrecho de densidad, para mantener la dosificación del combustible. Una densidad demasiado baja eleva el consumo volumétrico del combustible, perjudicando la economía del usuario final. Densidades muy altas promueven la formación excesiva del hollín a plena carga, debido al incremento del dosado relativo medio en la cámara de combustión (LIf y Holmberg, 2006; Armas et al., 2005).

Los combustibles diesel deben mantener su fluidez aún bajo condiciones severas de baja temperatura, pues si se solidifican parcial o totalmente, no podrán ser conducidos hasta los cilindros atraves del sistema de alimentación de combustible (LIf y Holmberg, 2006; Armas et al., 2005).

La idea de agregar agua al combustible diesel se ha contemplado desde los mismos inicios de la tecnología de los MEC en la década del noventa del siglo pasado. Existen diferentes patentes relacionadas con las emulsiones agua-diesel, las cuales se diferencian básicamente en los métodos de preparación o en los agentes emulsionantes utilizados. (Benjumea, Agudelo, Ríos; 2009)

Con este tipo de emulsiones se reportan disminuciones en las emisiones de óxidos de nitrógeno y de material particulado, así como incrementos en los de hidrocarburos totales y monóxido de carbono. También se reportan, mejoras en la eficiencia de la combustión, como consecuencia de las

microexplosiones experimentales por las moléculas de agua, las cuales facilitan la atomización del combustible (LIf y Holmberg, 2006; Armas et al., 2005).

7.4. Influencia e importancia de la tensión superficial en las características de la emulsión:

La tensión superficial es el principal factor determinante del grado de dispersión (número y tamaño de gotas) y por lo tanto, de la eficiencia de la combustión (Sirignano; 1999). Cuanto menor sea la tensión superficial, mayor será la superficie de combustible expuesta al aire (gotas más pequeñas, es decir, habrá mayor superficie específica en contacto con el aire previamente comprimido) y mayor el rendimiento, eficiencia de combustible y menor la emisión de contaminantes. Un parámetro que evidencia la relación de la tensión superficial con la densidad, velocidad relativa y longitud característica en un proceso de inyección de un líquido en un medio gaseoso es el número de Weber, que da una idea del tamaño de gota (Schenkel; 2004).

Según las investigaciones realizadas en cuanto a la influencia de la temperatura en la viscosidad, al incrementar la temperatura de la emulsión disminuye la viscosidad aparente y por ende el índice de consistencia; obteniendo como resultado el modelo matemático que relaciona la viscosidad con la temperatura, para el intervalo de 15 a 35 °C (Laurencio y Delgado; 2008):

Donde:

µa = viscosidad aparente

t = Temperatura

Por otra parte en cuanto a la relación de la concentración del surfactante con la viscosidad en las emulsiones o/w, generalmente, la adición de polímeros hidrosoluble provoca un aumento de la viscosidad de la fase continua y por lo tanto disminuye la movilidad de las gotas, descendiendo así, la probabilidad de que dos gotas de encuentren y se agreguen. En cambio, si la concentración de polímero es muy pequeña, el efecto es el inverso debido a la floculación por depleción (Aranberri, Binks, Clint, Fletcher; 2006).