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Química

Menos fricción

Un polímero mezclado en el etanol hace que el biocombustible avance más rápido por los alcoholductos

EDVALDO SABADINI/UNICAMPLas imágenes de turbulencias y remolinos son asociadas a problemas en viajes en avión, a mares agitados y a tornados y ciclones. Pero también ocasionan perjuicios cuando se trata del flujo de combustibles por tuberías. Para transportar petróleo, gasolina y etanol, o incluso agua de un lado a otro a través de tubos, es necesario enfrentar un ambiente turbulento y repleto de remolinos que disminuyen el caudal, y para ello hay que contar con equipos potentes para empujarlos. Este fenómeno intrínseco a cualquier tipo de líquido se estudia desde hace muchos años, y la solución para facilitar el bombeo de petróleo a través de largas distancias consistió en  disolver pequeñas cuantidades de ciertos polímeros en el combustible. Los polímeros funcionan como agentes reductores del rozamiento hidrodinámico: es un procedimiento que se emplea en el estado norteamericano de Alaska en un oleoducto con una extensión de 1.287 kilómetros, por ejemplo.

Pero faltaba una solución para el etanol, el alcohol combustible, que cobra mayor importancia en el mercado brasileño y también para su exportación, con lo cual demanda cada vez más el transporte vía alcoholductos. “La adopción de un reductor de fricción puede aumentar el caudal del etanol en las tuberías hasta un 20% ó más, lo que redunda en un ahorro proporcional de la energía eléctrica destinada a hacer funcionar las bombas que impulsan el líquido”, dice el profesor Edvaldo Sabadini, del Instituto de Química de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). Sabaini estudió el fenómeno y encontró un polímero eficaz para el transporte de etanol, e incluso depositó una patente en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) a través de la Agencia de Innovación (Inova) de la universidad.

“El reductor de rozamiento atenúa la turbulencia y elimina los vórtices muy pequeños que se forman cuando el líquido adquiere velocidad”, dice Sabadini. Los vórtices son movimientos muy rápidos que parecen torcerse sobre ellos mismos, tienen una dirección y una formación caótica y caracterizan así el régimen de turbulencia. “Esos remolinos microscópicos hacen que el líquido se frene en todas las direcciones. Los polímeros que se le agregan al etanol interactúan con esos vórtices, absorbiendo sus energías y evitando sus propagaciones”. El óxido de etileno fue el polímero empleado en el experimento, pero los investigadores estudian otros más baratos y comerciales, porque éste se usa fundamentalmente en laboratorios. “Se necesita una cantidad muy pequeña de polímero, del orden de 30 partes por millón (ppm), lo que equivale a agregar 30 gramos del polímero en una tonelada de etanol. Una cantidad mayor no aporta beneficios adicionales. El polímero debe estar formado por supermacromoléculas de altísima masa molecular y tener como características la flexibilidad y una gran solubilidad en el líquido en que se pretende emplearlo”, dice Sabadini.

Los investigadores entienden que la atenuación de los vórtices ocurre debido al movimiento de estirarse y encogerse de las moléculas del polímero. Al menos ésa es la explicación hasta ahora aceptada, pues los estudios sobre la naturaleza de la turbulencia aún no son conclusivos. “Sigue siendo uno de los grandes retos de la física”, dice Sabadini. Para ejemplificar esta cuestión, recuerda al físico alemán Werner Heisenberg, Premio Nobel de Física en 1932, quien habría dicho (no está escrito) que, si se encontrase con Dios, le haría dos preguntas: ¿por qué la relatividad es tan extraña? Y ¿cómo se explica la turbulencia? Heisenberg habría concluido que Dios sabría la primera respuesta, pero no la segunda.

El efecto gota
Para estudiar e intentar avanzar en el conocimiento de la interacción del polímero en medio de la turbulencia, y seleccionar una sustancia que actúe como reductor de rozamiento hidrodinámico para el etanol, los investigadores se valieron de un experimento que emplea el efecto de gotas que caen sobre un líquido. Luego del impacto, se produce la formación del splash, que dura alrededor de 0,1 segundo. Primero se forma una especie de corona y enseguida después un chorro es impelido en sentido perpendicular hacia la superficie del líquido. El grupo observó que el splash posee estructuras diferentes si el agua es pura o si se le ha agregado el polímero. Con el aditivo, el agua forma un chorro mucho mayor. “El impacto de la gota genera turbulencia y el reductor de fricción permite que el líquido se deslice con mayor facilidad y con menor disipación de energía, impeliendo el chorro a alturas mayores”. Este experimento se  realizó con una cámara filmadora ultrarrápida, capaz de capturar más de 18 mil fotos por segundo, adquirida en el marco de un proyecto de ayuda regular de la FAPESP. “Medimos los milisegundos de cada imagen”. El experimento se hace con agua porque el etanol tiene baja tensión superficial, lo que dificulta la observación del splash.

El efecto del polímero en el etanol fue comprobado por los investigadores mediante el empleo de un reómetro, un aparato constituido por una especie de vaso cilíndrico que contiene el líquido que se estudiará, y también de un cilindro de un diámetro menor en su interior para que ruede a distintas velocidades. El líquido ocupa el espacio existente entre ambos cilindros. En el caso del etanol, se midió el esfuerzo con el cilindro girando a 1.200 rotaciones por minuto. Y luego se midió en la misma rotación el esfuerzo del alcohol con el óxido de etileno disuelto, que implicó en un 15% de disminución del rozamiento. De cierta forma, el aparato simula la turbulencia generada en los alcoholductos. Así, según Sabadini, el bombeo de grandes cantidades de etanol con aditivo en tuberías puede redundar en un importante ahorro. Sabadini también estudia en colaboración con el Centro de Estudios de Petróleo de la Unicamp el uso de reductores de fricción para gasoil y petróleo, que en Brasil son muy poco usados.

La historia de los reductores de rozamiento en líquidos empezó en 1948, con el químico B. A. Toms, de la Universidad de Birmingham, Inglaterra. Toms demostró que una solución diluida de metil metacrilato mezclada con monoclorobenceno ofrece menor resistencia al flujo que el solvente puro. Una de las imágenes más llamativas de estos reductores es una fotografía de finales de las década de 1960 que registra una demostración de los bomberos de Nueva York, Estados Unidos. Éstos emplearon una misma bomba para impulsar agua hacia una de las mangueras y agua con una pequeña cantidad de óxido de etileno hacia la otra. El chorro con el aditivo fue lanzado a una distancia un 80% mayor. Ahora es el turno del etanol.

El Proyecto
Reducción de rozamiento hidrodinámico a partir de imágenes de impacto de gotas (nº 05/00873-8); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Edvaldo Sabadini/Unicamp; Inversiones R$ 36.677,24 y US$ 60.372,00 (FAPESP)

Artículos científicos
ROCHA, N. O. et al. New experimental technique to measure the efficiency of drag reducer additives for oil samples. Energy & Fuels. v. 23, p. 4.529-32. 2009.
SABADINI, E.; ALKSCHBIRS M.I.; Drag reduction in aqueous poly (ethylene oxide) solutions based on drop impact images. Journal of Physical Chemistry B. v. 108, p. 1.183-88. 2004.

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