ECOCHEMICAL 2000 C.A. UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD EXPERIMENTAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE QUIMICA BARBULA- CARABOBO Evaluación de los métodos analíticos para la determinación del porcentaje de humedad en aceites de una compañía ecológica. Pasante: Oscar González Tutor Académico: José Jiménez Tutor Empresarial: Heilyn Morquez
MAYO, 2014 Introducción Ecochemical 2000 C.A. Es una industria ecológica que se encarga de la recolección a nivel nacional de aceites usados del tipo mineral y vegetal, con el propósito de conservar el ambiente y darle un buen uso a tan contaminantes sustancias. El aceite automotriz usado es la principal materia prima que se maneja en la compañía, dado a su abundancia al ser un país petrolero, asi como también de su uso continuo debido al aumento progresivo de vehículos en el país. Por otro lado también se maneja la recepción de aceites industriales y vegetales. Dado a que cada aceite presenta características físicas y químicas diferentes debido a su constitución química estos presentan un tratamiento específico para cada uno, es por ello que se desea optimizar las técnicas analíticas en la determinación del porcentaje de agua en los diferentes tipos de aceites. Misión Ecochemical 2000 C.A. al ser una compañía ecológica tiene como objetivo la recolección, transporte, almacenamiento y disposición final de aceites usados de origen mineral (industrial y automotriz) e incursionando en la recolección de aceite vegetal (comestible). Visión Debido a que en la actualidad se desecha el aceite por las tuberías, la empresa Ecochemical 2000 C.A. nace como una opción eficiente para el reciclaje de los aceites evitando la contaminación con lo cual esta propuesta se debe sea expandir a través de todo el territorio. Ademas ser pioneros en la obtención de Biodisel a partir de aceites usados, con el fin de establecer una alternativa útil y viable para el reciclaje del aceite. Justificación La fuente principal de energía proviene del vapor de agua de alta presión generado en las calderas, las cuales generan una cantidad apreciable de calor por medio de la combustión, suficiente para producir un cambio de fase del agua líquida a gaseosa dentro de los tubos y el armazón de la caldera. Por lo general uno de los combustibles más usado es el gas natural, sin embargo, en la actualidad se ha optado por el uso de aceites que producen gran cantidad de energía al ser quemados. El aceite automotriz usado es uno de los tipos de aceites que posee alto contenido calórico, que lo hace ideal para el calentamiento de las calderas. Sin embargo, este aceite
posee también un elevado porcentaje de humedad. El cual es un parámetro estándar de vital importancia para la salida de producción de los aceites reciclados. Debido a que alto contenido de humedad ocasiona corrosión y baja transferencia calórica. Por otro lado el para el aceite industrial se deben controlar otros parámetros importante tales como cantidad de sólidos, metales y características físicas, dado a que este tipo de aceite se emplea como base para aceite lubricantes. Mientras que para el aceite de tipo vegetal se controla la cantidad de grasa, sólidos y humedad. Con lo cual resulta de gran importancia para poder controlar el porcentaje de humedad de forma analítica y bajo la supervisión de las normas establecidas, con fin de garantizar valores reales y fehacientes del contenido de agua presente en cada uno de los aceites reciclados por la compañía Ecochemical 2000 C.A. Objetivo General Optimizar los métodos de análisis del laboratorio de control de calidad para la determinación del porcentaje de agua presente en aceite reciclado, por lo norma ASTM D- 95 y la crepitación. ACTIVIDADES Cronograma Semana Actividad a ejecutar: Semanas 1-2 Realizar un recorrido de la planta por los diferentes departamentos de producción y recepción de aceites. Introducción al proceso de des humidificación y extracción de solidos para los aceites vegetales, industriales y automotrices. Semanas 3-4 Realizar un diagnóstico general de los procedimientos y/o instrucciones de análisis que contemplen los reactivos, instrumentos, el tratamiento de los resultados, medidas de seguridad y bases teóricas. Introducción a los análisis de rutina para los aceites procesados y no procesados Semanas 5-6 Analisis de rutina en el área de control de calidad. Introducción al muestreo de aceites en tambores,totes y cisternas para la recepción de aceites.
Investigación de las bases teóricas de la norma ASTM D-95 Semanas 7-8 Aplicación y optimización de la norma ASTM D-95 en análisis de soluciones patrones de aceite y agua. Propagación de los errores y desviaciones a partir de una curva de calibración con soluciones patrones de aceite. Semanas 9-10 Analisis de humedad de aceite automotriz reciclado bajo la norma ASTM D-95 Experimentación de la técnica de crepitación en aceite automotriz para soluciones patrones. Semanas 11-12 Realizar el protocolo de la aplicación de la norma ASTM D-95 y factor de corrección. Realizar el protocolo de la técnica de crepitación para aceite automotriz. La empresa ecochemical 2000 C.A. cuenta con dos departamentos importantes en la planta, el de recepción y el producción. Con los cuales se permite garantizar el reciclaje de los aceites residuales para su posterior uso en el área de energía, y como base de aceites lubricantes. La planta en general cuento con mas de 25 tanques, 3 Mezcladores y 2 reactores. Los cuales se encuentran distribuidos entre los dos departamentos, y empleados para el almacenamiento y tratamiento de diferentes tipos de aceites. RECEPCION y ALMACENAMIENTO: En la recepción se dispone de 19 tanques, 15 de aceite automotriz y 4 de aceite vegetal, todos empleados para almacenamiento del aceite que ingresa a la planta, asi como también para el almacenamiento del aceite reciclado y ya tratado. Adicionalmente en el área de recepción a la planta se dispone de un espacio específico para realizar el muestreo del aceite que ingresa y poder clasificarlo, según los estándares de calidad que se manejan en la empresa. PRODUCCION:
En el área de producción se dispone de 6 tanques, 2 reactores y 3 mezcladores, que hacen posible el tratamiento del aceite industrial, asi como también el almacenamiento y tratamiento del aceite automotor. Por otro parte los mezcladores permiten almacenar el aceite recuperado de tipo industrial y automotor, para su análisis y seguimiento de los porcentajes de humedad y solidos presentes en los aceites. PROCESOS En la empresa se manejan dos tipos de procesos para el reciclaje de aceites automotrices, vegetales e industriales, tales como: La decantación y la evaporación. La decantación: permite la separación de dos sustancias diferentes, por diferencia de densidades, generándose dos fases una acuosa y una orgánica dependiendo de una constantes de partición; en este caso no es más que la separación del agua y del aceite en las dos fases una acuosa (de alta densidad) y una oleosa ( de baja densidad). Debido a que el agua es más densa que el agua esta tiende a alojarse en la parte inferior de los tanques, permitiendo de esta manera su fácil separación. La evaporación: La evaporación consiste en la separación del agua de otra sustancia, por medio de la aplicación de calor, hasta alcanzar la temperatura de ebullición del agua, y de esta manera separar los vapores generados, en esta técnica de separación es importante no llegar a elevadas temperaturas que se encuentren alrededor del punto de inflamación de los aceites (por lo general se llegn a temperaturas no mayores a 120 C). ANALISIS PARA LA DETERMINACION DE HUMEDAD PRESENTE EN ACEITES En la compañía se realizan diferentes métodos para la determinación del contenido agua presente en aceites derivados del petróleo. Adicionalmente cada método se aplica dependiendo del tipo de aceite que se quiera analizar, es por ello que se decidio separar por tipo de aceite los métodos que se aplican. ACEITES VEGETALES Para los aceites vegetales debido a que se conoce que su porcentaje de humedad es bastante bajo se emplea un solo método para la determiación, el cual es la centrifugación.
CENTRIFUGACION (A) REACTIVOS Y MATERIALES En este caso solo se necesita una muestra representativa del aceite que se quiere analizar, y dos tubos de centrifuga calibrados a 40 ml. (B) METODOLOGIA AUTOMOTRIZ En principio se necesita una muestra representativa del aceite a analizar. Se debe homogenizar la muestra Se debe enrasar los dos tubos de centrifuga. Se centrifugan durante 20 min. Por medio de la relación de volúmenes se determina el porcentaje de agua presente en el aceite. Para el caso del aceite automotriz este presenta diferentes métodos de determinación del contenido de agua. Los métodos que se aplican son: la crepitación, la centrifugación y mas recientemente la destilación con arrastre de xileno. CENTRIFUGACION (A) REACTIVOS Y MATERIALES Se necesita una muestra representativa del aceite que se quiere analizar, agua destilada y dos tubos de centrifuga calibrados a 44 ml. (B) METODOLOGIA CREPITACION En principio se necesita una muestra representativa del aceite a analizar. Se debe homogenizar la muestra Se deben transvasar 40 ml a cada tubos de centrifuga. Se enrasa hasta 44 ml con agua. Se centrifugan durante 30 min. Por medio de la relación de volúmenes se determina el porcentaje de agua presente en el aceite. La crepitación consiste en someter una gota de muestra representativa al calor, por encima del punto de ebullición del agua con fin, de que el agua contenida en la gota se
libere instantáneamente al contacto con el calor, generando burbujas y sonido que se conocen como crepitado. (A) REACTIVOS Y MATERIALES Se necesita una muestra representativa del aceite que se quiere analizar, y una varilla de metal gruesa. (B) METODOLOGIA En principio se necesita una muestra representativa del aceite a analizar. Se debe homogenizar la muestra Se enciende y se ajusta una plancha de calentamiento. Se deja caer sutilmente una gota de aceite sobre la plancha. Se observa y se reporta las características físicas observadas DESTILACIÓN CON ARRASTRE DE XILENO La determinación del porcentaje agua a partir de la técnica de destilación con arrastre de xileno es un método propuesto por las normas internacionales ASTM D-95. Donde una vez que se calienta la muestra diluida con xileno, hasta el punto de ebullición del mismo (133 C), este arrastra el vapor de agua hacia el extremo calibrado del equipo (ver Fig. 1), y se cuantifica el volumen de agua. (A) REACTIVOS Y MATERIALES Se necesita una muestra representativa del aceite que se quiere analizar, xileno puro y el equipo de montaje según la norma ASTM D-95. Figura 1. Esquema general del montaje de la destilación con arrastre de xileno
(B) METODOLOGIA En principio se necesita una muestra representativa del aceite a analizar. Se debe homogenizar la muestra Se toman 25mL de la muestra y se transfieren al balón El cilindro donde es medio el aceite es lavado con 2 porciones de xileno puro para un volumen de 75 ml y se transfieren al balón. Se agregan perlas de ebullición para evitar sobrecalentamiento Se conecta el balón al equipo y se enciende el calentamiento La temperatura se ajusta hasta haber 2 gotas de reflujo por segundo. Para la terminación de la destilación el volumen de agua recolectado debe permanecer constante al menos durante 15 minutos. Por medio de la relación de volumen se determina el porcentaje agua. OPTIMIZACION DE LA TECNICA DE CREPITACION Para la optimización de la técnica se realizó el análisis cualitativo de patrones de aceites con concentración de agua conocida: Patrones % H2O 1 0,0 2 0,1 3 0,2 4 0,5 5 5 Para cada uno de ellos se evaluó la crepitación tal como se describe en el método, los análisis se realizaron por quintuplicado, y se obtuvieron los siguientes resultados: Patrones %H2O Observaciones 1 No se presentó ningún cambio audible o 0,0 visible para cada una de las muestras 2 0,1 No se presentó ningún cambio audible, sin embargo, se observa la aparición de una pequeña burbuja que salía del centro de la gota, que denota la
3 4 5 0,2 0,5 5,0 presencia de agua No se presentó ningún cambio audible, sin embargo, se observa la aparición de burbujas de mayor tamaño congregadas en el centro de la gota que desaparecen medianamente rápida. Se presentaron sonidos espontáneos, y se observa la aparición de grandes cantidades de burbujas por toda la gota, que denota la presencia de agua Se presentaron sonidos espontáneos, y se observa la aparición de grandes cantidades de burbujas por toda la gota, que denota la presencia de agua, básicamente no hubo diferencia con respecto al patrón con concentración de 0,5%. Con los resultados obtenidos se puede concluir que el análisis de crepitación permite conocer de manera cualitativa los porcentajes de agua emulsionados o libres, presentes en aceites no mayores al 0,2%, dado a que por encima de esta concentración se mantiene un comportamiento similar entre los aceites. Por lo que se recomienda que la técnica se use como método para constatar que el aceite posee una concentración baja, o muy cercana de humedad. OPTIMIZACION DE LA TECNICA DE DESTILCIÓN (ASTM D-95) La norma ASTM D-95 permite estimar de manera práctica y eficiente el porcentaje de humedad emulsionado y libre presente en aceites, por medio del arrastre de vapor de agua con xileno. Sin embargo si el aceite se encuentra fuertemente emulsionado con el agua o no se mantiene las condiciones ideales de la técnica pueden obtenerse valores erráticos del porcentaje de agua. Básicamente se busca optimizar la técnica englobando todos los posibles errores por medio de un factor de corrección a través de una curva de calibración. Es por ello, que se construyó la curva de calibración con los patrones de porcentaje de agua conocida: Patrones a % H2O Volumen de agua agregado (V±0,5mL) 1 0,0 0,0 2 2,0 0,5 3 4,0 1,0
4 6,0 1,5 5 8,0 2,0 6 10,0 2,5 7 15,0 3,8 8 20,0 5,0 9 25,0 6,3 10 30,0 7,5 a Los patrones fueron preparados para un volumen final de muestra de 25 ml Cada uno de los análisis de los patrones se realizó por triplicado por medio de la técnica establecida en la norma ASTD-95, donde se mantuvo la temperatura de calentamiento constante a la ebullición del xileno, para evitar el sobre calentamiento y la formación de algún tipo de interacción del agua con xileno, donde se obtuvieron los siguientes resultados: Patrones % H2O Volumen de agua recolectado (V±0,005mL) 1 0,0 0,03 0,03 0,03 2 2,0 0,5 0,5 0,6 3 4,0 1,0 1,1 1,1 4 6,0 1,6 1,6 1,5 5 8,0 2,0 1,9 2,0 6 10,0 2,4 2,2 2,2 7 15,0 3,5 3,5 3,5 8 20,0 4,5 4,5 4,6 9 25,0 6,0
Volumen de agua recolectado (ml) 6,0 6,0 10 30,0 7,0 7,0 7,0 A partir de los datos recopilados se estableció la regresión lineal con los promedios de cada solución patrón y se obtuvo la siguiente curva: 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 y = 0,2309x + 0,0755 Porcentaje de H2O R² = 0,9983 Por consiguiente se determina como el factor corrección, la siguiente ecuación: Siendo Vr = volumen de agua recolectado en la destilación. Resulta importante hacer un análisis a los datos obtenidos en la destilación de cada patrón, dado que al observar los volúmenes de agua recolectados en la tabla 2, se puede apreciar un descenso considerable del volumen recolectado a medida que aumenta el porcentaje, este efecto puede deberse a diversos factores, sin embargo, se cree que puede deberse a formación de emulsiones de xileno-agua, perdiendo de esta manera volumen de agua presente en la muestra; con lo cual puede concluirse que las muestras con un porcentaje de agua mayor al 8%, mayor cantidad de agua se emulsifica con respecto las muestras con porcentajes de agua menores al 8%. Adicionalmente se cree que el contenido de agua presente en el patrón nro. 1 se debe a que se puede encontrar
un remanente de agua en las muestras de aceites o quedan residuos de agua por todo el sistema, las cuales deben ser removidas al momento de cada determinación. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se logró optimizar el método de determinación del porcentaje de agua de manera cualitativa por crepitación. Se logró optimizar el método de determinación del porcentaje de agua por destilación, corrigiendo los errores a partir de un factor de corrección. Se recomienda no realizar el análisis de crepitación con muestras con alto contenido de solventes orgánicos, ya que estos presentan comportamiento similar al agua emulsionada y libre en el aceite. Se recomienda incluir los errores sistemáticos de cada analista al factor de corrección con el fin de englobar todos y cada uno de los errores presentes en el laboratorio. REFERENCIAS [1] Norma COVENIN 2706-90; Crudos y combustibles residuales: Determinación de agua y sedimentos; Método de centrifugación. [2] Norma COVENIN 2684-1999; Productos destilados; Determinación de agua y sedimentos por centrifugación. [3] Norma ASTM D-95; Determinación del porcentaje de humedad para derivados del petróleo.