PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS
Y DE TRANSPORTE PARA MEZCLAS DE
Α-PINENO + QUEROSENO
VOLUMETRIC AND TRANSPORT PROPERTIES FOR
Α-PINENO + KEROSENE MIXTURES
Dorothy Saraí Romero Leyva
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, México
Sarai Alejandro Hernández
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, México
David Guerrero Zárate
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, México
pág. 4287
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i3.11643
Propiedades Volumétricas y de Transporte para Mezclas de Α-Pineno +
Queroseno
Dorothy Saraí Romero Leyva 1
iaras.avyel@gmail.com
https://orcid.org/0009-0001-5006-4825
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco
México
Sarai Alejandro Hernández
sarai.alejandro@ujat.mx
https://orcid.org/0009-0002-2406-7384
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco
México
David Guerrero Zárate
david.guerrero@ujat.mx
https://orcid.org/0000-0002-7762-0246
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco
México
RESUMEN
La búsqueda de alternativas para rediucir las emisiones de gases efecto invernadero debido al uso de
combustibles fósiles ha llevado a probar diversas moléculas de alta densidad energética, como los
terpenos. Una de las sustancias que conforma esta familia es el α-pineno, que ha sido probado como
aditivo en los combustibles tradicionales o materia prima en la síntesis de biocombustibles. Se
prepararon mezclas de α-pineno con queroseno en todo el intervalo de composiciones; se midió la
densidad y la viscosidad cinemática a temperaturas entre 293.15 K y 353.15 K a presión atmosférica,
así como el poder calorífico. Se encontró que la densidad y viscosidad disminuyen cuando la
temperatura se incrementa; se determinó la expansividad volumétrica para la mezcla, encontrando que
es independiente de la composición y la temepratura, con un valor de K-1. Se obtuvieron
modelos semiempíricos que permiten estimar la densidad, la viscosidad y el poder calorífico con un
error cuadrático promedio de 0.001 g∙cm-3, 0.0032 mPa∙s y 0.07 kJ∙g-1, respectivamente.
Palabras clave: propiedades de exceso, biocombustibles, poder calorífico, densidad, viscosidad
1
Autor principal.
Correspondencia: david.guerrero@ujat.mx
pág. 4288
Volumetric and Transport Properties for α-Pineno + Kerosene Mixtures
ABSTRACT
The search for alternatives to reduce greenhouse gas emissions due to using fossil fuels has led to the
testing of various high-energy density molecules, such as terpenes. One of the substances that make up
this family is α-pinene, which has been tested as an additive in traditional fuels or as a raw material in
the synthesis of biofuels. Blends of α-pinene with kerosene were prepared over the entire range of
compositions; density and kinematic viscosity were measured at temperatures between 293.15 K and
353.15 K at atmospheric pressure as well as calorific value. Density and viscosity decreased with
increasing temperature; volumetric expansivity was determined for the mixture, finding that it is
independent of composition and temperature, with a value of K-1. Semiempirical models
were obtained that allow estimating the density, viscosity, and calorific value with a root mean square
error of 0.001 g∙cm-3, 0.0032 mPa∙s and 0.07 kJ∙g-1, respectively.
Keywords: excess properties, biofuel, calorific value, density, viscosity
Artículo recibido 25 abril 2024
Aceptado para publicación: 28 mayo 2024
pág. 4289
INTRODUCCIÓN
El queroseno es es un derivado del petróleo, que puede ser obtenido por destilación (queroseno de
primera destilación) o mediante craqueo (queroseno craqueado). Este petrolífero es una mezcla
compleja de hidrocarburos nafténicos (mínimo 70% v/v), aromáticos (hasta 25% v/v) y olefínocos
(menor al 5% v/v) cuyo putno de ebullición se encuentra entre los 145°C y 300°C (U.S. Environmental
Protection Agency, 2011). Existen dos tipos de queroseno, uno para uso doméstico principalmente
como combustible para estufas, uso en lámparas y como medio de calefacción, comúnmente observado
en paises en vías de desarrollo; por el otro lado, se tiene la aplicación como combustible de aviación,
conocida como turbosina (Lam et al., 2012). En México, la regulación de los indicadores de calidad
para petrolíferos, incluyendo la turbosina, se encuentran establecidos en la NOM-016-CRE-2016
(NOM-016-CRE-2016, Especificaciones de Calidad de Los Petrolíferos, 2016).
La demanda de combustibles a nivel nacional y mundial se ha incrementado después del confinamiento
debido a la pandemia por la COVID-19, lo que se traduce en un aumento en la generación de gases
efecto invernadero. En este sentido, el uso y búsqueda de combustibles de origen renovable se ha vuelto
una necesidad. Por ejemplo, en el trabajo de Srihanun et al. (2020) se estudió la producción de
bioqueroseno, usando como materia prima aceite de palma sometiéndola a un proceso de hidrocraqueo
catalítico; se ha propuesto mezclar los combustibles fósiles con biocombustibles como las mezclas de
diésel o queroseno con biodiésel, encontrando que se reduce la concentración de azufre en las emisiones
(Hamza et al., 2020); se ha investigado el efecto de añadir alcoholes de cadenas largas, como el bio-
butanol a las gasolinas, encontrando que proporciones del 5 a 10% mantiene las propiedades
volumétricas y de transporte en el combustible (Trost et al., 2021). Elsharkawy et al. (2021) encontraron
que las mezclas de queroseno con biodiésel de aceite de castor reduce las emisiones de NOx, pero se
incrementan las emisiones de CO. Por su parte, Donoso et al. (2021) utilizó un proceso de hidrogenación
para la trementina, obteniendo un biocombustible que reduce la formación de hollín en la turbosina.
Además, otros estudios se han centrado en el uso de las propiedades fisicoquímicas como el índice de
refracción, la densidad o la viscosidad de las mezclas combustible/biocombustible para estimar de
forma rápida las composiciones en la mezcla (Khazaai et al., 2023)
Una molécula que ha sido probada como biocombustible es el α-pineno; este compuesto pertenece a la
pág. 4290
familia de los monoterpenos, cuenta con una estructura de doble anillo con diez átomos de carbono y
dieciséis átomos de hidrógeno, véase la Figura 1; esta sustancia puede ser obtenida de la resina de los
pinos, como un subproducto de la industria del papel e incluso sintetizada por la bacateria E. Coli a
partir de la glucosa (Al Zaabi et al., 2022). Se ha estudiado como materia prima en la producción de su
dímero, obteniendo un combustible de alta densidad energética (Yang et al., 2024). En otro trabajo se
reporta la adición de α-pineno al diésel, para estudiar la reducción de la generación de hollín, así como
la disminución de la viscosidad y el peso molecular, un incremento en la densidad y reducción en el
índice de cetano(Al Zaabi et al., 2022)
Por lo anterior, en este trabajo se prepararon mezclas de α-pineno con un queroseno estándar, cuya
composición es 15.9% aromáticos, 52.8% cicloparafinas, 30.8% parafinas y 0.5% alquenos. Se
midieron las densidades, las viscosidades y el poder calorífico a temperaturas entre 293.15 K y 353.15
K y presión atmosférica. A partir de los resultados, se obtuvieron ecuaciones empíricas que permiten
estimar las propiedades medidas dentro de los intervalos de temperatura utilizados.
Figura 1. Estructura molecular del α-pineno, compuesta por 10 átomos de carbono y dieciséis átomos
de hidrógeno.
METODOLOGÍA
Las sustancias, sus purezas y marcas se muestran en la Tabla 1. Las mezclas se prepararon de forma
gravimétrica en todo el intervalo de composiciones masa, utilizando una balanza analítica modelo VE-
204 de la marca VELAB, con una precisión de 0.0001 g.
La densidad a presión atmosférica se midió en un densímetro digital de tubo vibrante modelo DMA
4100M de la marca Anton Paar calibrado con aire seco y agua bidestilada, el equipo cuenta con un
pág. 4291
control automático de temperatura que permite realizar mediciones entre 293.15 K y 363.15 K, la
exactitud del equipo es de 0.0001 g/cm3 y 0.03 K en densidad y temperatura, respectivamente.
Tabla 1. Sustancias utilizadas en este presente trabajo.
Sustancia
Marca
Número CAS
PUREZA
α-Pineno
Sigma Aldrich
80-56-8
98.3%
Queroseno deodorizado
Meyer
8008-20-6
N.A.
La viscosidad dinámica a presión atmosférica se obtuvo en un viscosímetro digital Stabinger modelo
SVM 2001 de Anton Paar calibrado con aceite estándar propio de la marca, con una repetibilidad del
0.1%. Las mediciones se llevaron a cabo a temperaturas entre 293.15 K y 363.15 K, con una
repetibilidad de 0.005 K.
El poder calorífico se obtuvo mediante una bomba calorimétrica de oxígeno modelo A4000 calibrada
con ácido benzoico; la medición se llevó a cabo en una atmósfera con exceso de oxígeno a una presión
de 3 MPa, utilizando un alambre de hierro para iniciar la ignición.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En las Tablas 2 y 3 se muestran los datos con las densidades () y viscosidades dinámicas () obtenidas
para las mezclas de α-pineno con queroseno, respectivasmente. Las mediciones se llevaron a cabo a
temperaturas entre 293.15 y 353.15 K, para diferentes composiciones masa de α-pineno (w); se observó
que la densidad se incrementa y la viscosidad disminuye al aumentar la presencia de α-pineno en la
mezcla; el efecto de la temperatura produce una reducción en la densidad y viscosidad, que es el
comportamiento esperado para este tipo de sistemas.
En la Tabla 4 se muestran los valores determinados para el poder calorífico de las mezclas de α-pineno
+ queroseno. Se observa una disminución en el poder calorífico cuando se incrementa la cantidad de α-
pineno en la mezcla, sin embargo, todos cumplen con el valor mínimo sugerido por la NOM-016-CRE-
2016. La dependencia del poder calorífico de la mezcla con respecto a la composición másica se ajustó
a un polinomio del tipo
(1)
Los valores para los parámetros () pueden encontrarse en la Tabla 5.
pág. 4292
A partir de las densidades medidas experimentalmente, se pueden obtener los valores de las
expansividades volumétricas para las mezclas (), utilizando la definición
(2)
Tabla 2. Densidades medidas (g∙cm-3) para las mezclas de (w) α-pineno + (1-w) queroseno a diferentes
temperaturas y presión atmosférica.
T (K)
0.0000
0.1673
0.3448
0.5479
0.7681
1.0000
293.15
0.7548
0.7702
0.7866
0.8051
0.8319
0.8587
298.15
0.7511
0.7665
0.7827
0.8012
0.8278
0.8546
303.15
0.7474
0.7628
0.7788
0.7973
0.8238
0.8504
308.15
0.7438
0.7590
0.7750
0.7933
0.8197
0.8463
313.15
0.7401
0.7553
0.7711
0.7894
0.8156
0.8422
318.15
0.7364
0.7515
0.7671
0.7855
0.8115
0.8380
323.15
0.7326
0.7477
0.7632
0.7815
0.8074
0.8338
328.15
0.7289
0.7439
0.7593
0.7776
0.8033
0.8296
333.15
0.7252
0.7401
0.7554
0.7736
0.7991
0.8254
338.15
0.7214
0.7363
0.7514
0.7696
0.7950
0.8212
343.15
0.7177
0.7324
0.7474
0.7656
0.7908
0.8170
348.15
0.7139
0.7286
0.7435
0.7616
0.7866
0.8128
353.15
0.7101
0.7247
0.7395
0.7576
0.7824
0.8085
Partiendo de los datos experimentales de la Tabla 2 y aplicando derivadas numéricas centrales, de
acuerdo con la Ec. 3
(3)
Se encontró que la expansividad volumétrica es independiente de la temperatura y la composición
másica de la mezcla, con un valor K-1.
La propiedad obtenida anteriormente, puede utilizarse para desarrollar un modelo que permita estimar
la densidad para la mezcla, integrando la Ec. 1 desde una densidad de referencia determinada a una
temperatura de referencia , hasta una densidad a la temperatura , se obtiene
pág. 4293
(4)
La densidad de referencia () se ajustó a un modelo polinómico, dependiente de la composición másica
de α-pineno, de la forma
(5)
Los valores para los parámetros () se muestran en la Tabla 5.
Tabla 3. Viscosidad dinámica medida (mPa∙s) para las mezclas (w) α-pineno + (1-w) queroseno a
diferentes temperaturas y presión atmosférica.
T (K)
0.0000
0.1673
0.3448
0.5479
0.7681
1.0000
293.15
1.4611
1.4501
1.4394
1.4259
1.4070
1.4175
298.15
1.3343
1.3254
1.3179
1.3152
1.2966
1.3043
303.15
1.2218
1.2148
1.2082
1.2075
1.1984
1.2031
308.15
1.1221
1.1194
1.1179
1.1205
1.1100
1.1142
313.15
1.0353
1.0344
1.0337
1.0370
1.0304
1.0346
318.15
0.9572
0.9573
0.9574
0.9623
0.9588
0.9635
323.15
0.8877
0.8921
0.8959
0.9048
0.8948
0.8993
328.15
0.8252
0.8305
0.8336
0.8395
0.836
0.8408
333.15
0.7699
0.7741
0.7778
0.7844
0.7819
0.7899
338.15
0.7193
0.7238
0.7253
0.7349
0.7336
0.741
343.15
0.6734
0.6781
0.6829
0.6899
0.6886
0.698
348.15
0.6316
0.6368
0.6397
0.649
0.648
0.6593
353.15
0.5952
0.6011
0.6067
0.6114
0.6098
0.6226
Tabla 4. Valores del poder calorífico para las mezclas de α-pineno + queroseno.
0.0000
0.1673
0.3448
0.5479
0.7681
1.0000
50.54
50.13
49.58
49.10
48.64
48.16
En el caso de la viscosidad, los resultados se ajustaron a un modelo exponencial
(6)
donde y son parámetros de ajuste dependientes de la composición masa de α-pineno en la mezcla.
Para obtener una ecuación que permita conocer esta dependencia, se utilizó un modelo de propiedades
pág. 4294
de exceso
(7)
donde puede ser el parámetro o , los subíndices 1 y 2 hacen referencia al α-pineno y al queroseno,
respectivamente y el superíndice indica la propiedad de exceso. Los valores se pueden modelar
mediante la ecuación propuesta por Redlich y Kister
(8)
donde son los parámetros de ajuste, mismos que pueden encontrarse en la Tabla 5.
Tabla 5. Valores de los parámetros de ajuste para calcular la densidad, viscosidad y el poder calorífico
en las mezclas de α-pineno + queroseno a diferentes temperaturas y presión atmosférica.
0
0.7548
50.54
2.4042E-03
-5.6118E+01
-
-
1
0.0835
-2.4683
-
-
1.1202E-02
1.4179E+03
2
0.0205
-
-
-
7.3428E-03
1.5504E+03
Se evaluaron las desviaciones entre los datos medidos experimentalmente y los valores estimados con
las Ecs. 3, 5 y 6 y los parámetros reportados en la Tabla 5, utilizando la Ec. 9
(9)
donde pueden ser la densidad, la viscosidad o el poder calorífico de la mezcla y los superíndices
y hacen referencia a datos medidos de forma experimental o calculados, respectivamente. Los
resultados se muestran en las Figuras 2 a la 4, encontrando que las predicciones de los modelos
utilizados en este trabajo están dentro de la incertidumbre expandida estimada para los ajustes.
pág. 4295
Figura 2. Desviaciones absolutas entre las densidades medidas y las calculadas para la mezcla α-pineno
+ queroseno. Las líneas punteadas representan la incertidumbre de la predicción.
Con la finalidad de validar los modelos matemáticos obtenidos, se compararon las predicciones de las
Ecs. 3, 5 y 6 con datos reportados en la literatura para la densidad y viscosidad del α-pineno, evaluando
la Desviación Promedio Cuadrática (DPC)
(10)
donde N es el número de datos con los que se cuente. Los resultados se muestran en la Tabla 6. Para las
estimaciones del poder calorífico, la DPC es de 0.07 kJ∙g-1.
Figura 3. Desviaciones absolutas entre las viscosidades dinámicas medidas y las calculadas para la
mezcla α-pineno + queroseno. Las líneas punteadas representan la incertidumbre de la predicción.
pág. 4296
Figura 4. Desviaciones absolutas entre el poder calorífico medido y los valores calculados para la
mezcla α-pineno + queroseno. Las líneas punteadas representan la incertidumbre de la predicción.
Tabla 6. Comparación entre las predicciones con los modelos reportados en este trabajo para la
densidad y viscosidad contra los datos reportados ene la literatura.
Intervalo de
temperaturas
(K)
Número de
datos
Desviación Promedio Cuadrática
Referencia
Densidad
(g∙cm-3)
Viscosidad
(mPa∙s)
293.15 – 353.15
78
0.0010
0.0032
Este trabajo
293.15
1
0.0007
-
Xu et al. (2005)
293.15
1
0.0007
-
Wang et al. (2003)
293.15 – 323.15
7
0.0016
-
Ribeiro & Bernardo-Gil
(1990)
298.15 – 318.15
3
0.0009
-
Liao et al. (2007)
298.15
1
0.0005
-
Li & Tamura (2006)
298.15
1
0.0005
0.0061
Francesconi et al. (2001a)
298.15 – 313.15
2
0.0004
-
Francesconi et al. (2001b)
298.15
1
0.0005
-
Francesconi et al. (2000)
293.15 – 353.15
8
0.0005
0.0087
Clará et al. (2009)
293.15 – 313.15
10
0.0007
-
Tavares Sousa & Nieto de
Castro (1992)
298.15
1
0.0005
-
Comelli et al. (2001)
298.15
1
0.0005
0.0091
Comelli et al. (2002)
293.15 – 353.15
6
0.0005
-
Ilić Pajić et al. (2020)
pág. 4297
Para la densidad se comparó con trece trabajos, encontrando que la DPC es menor que la incertidumbre
estimada para las predicciones de los cálculos con la Ec. 3. Aunque el trabajo de Ribeiro & Bernardo-
Gil (1990) se encuentra una DPC de 0.0016, a temperaturas de 293.15 a 298.15 K las desviaciones son
de 0.0004 g∙cm-3 y para temperaturas superiores, la desviación más alta es de 0.0024, lo anterior se debe
a que la técnica utilizada para determinar la densidad fue el picnómetro, y se ha reportado en la literatura
que la precisión de este instrumento depende de las condiciones en las que se opera, reduciendo la
precisión a valores de hasta 0.01 g∙cm-3 (Viana, 2002).
En el caso de la viscosidad, se encontraron tres trabajos en los que se reporta esta propiedad para el α-
pineno, para los datos reportados por Francesconi et al. (2001a) y Comelli et al. (2002) las viscosidades
calculadas con la Ec. 6 se encuentran dentro del error experimental reportado por los autores; en el caso
del trabajo reportado por Clará et al. (2009) se menciona que la incertidumbre es de 0.35%, sin embargo,
este dato corresponde con la reproducibilidad del equipo; se encontró que a temperaturas entre los
325.15 K y 353.15 K el error no supera el 2%.
CONCLUSIONES
En este trabajo se presentan datos experimentales para la densidad y viscosidad en el intervalo de
temperaturas de 293.15 K a 353.15 K y el poder calorífico de las mezclas de α-pineno con queroseno.
Además, se proponen ecuaciones empíricas para calcular las propiedades medidas, dentro de los límites
de temperatura y presión en el que se obtuvieron los datos experimentales. Se encontró que las mezclas
de α-pineno con composiciones masa por encima de 0.17 están conformes con la densidad a 293.15 K
solicitada por la NOM-016-CRE-2016. Si se extrapolan las Ecs. 3 y 6 para estimar la viscosidad
dinámica a 253.15 K, se encuentra que las mezclas están conformes con la norma antes mencionada.
En el caso del poder calorífico, el α-pineno y sus mezclas con el queroseno cumplen con el valor
solicitado por la norma, que es de por lo menos 42.8 MJ∙kg-1.
En este sentido, el α-pineno puede ser una alternativa de aditivo para mezclar con los combustibles de
origen fósil, reduciendo así su consumo; sin embargo, antes de que esto suceda, es necesario evaluar
otras propiedades importantes para la industria de la aviación, como las temperaturas de inflamación y
congelación, estabilidad térmica, punto de humo, entre otras.
pág. 4298
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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