TESIS-B15-VAüZQUEZ-VAüZQUEZ-ADRIAüN

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y 
TECNOLOGÍA AVANZADA, 
 UNIDAD ALTAMIRA 
 
 
 
 
 
“DESHIDRATACIÓN Y DESALADO DE CRUDO 
IMPLEMENTANDO MICROONDAS: APLICACIÓN 
EN PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN 
CAMPOS TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES, 
ALTAMIRA TAMAULIPAS” 
 
 
TESIS 
 
 
Que para obtener el grado de: 
 
DOCTOR EN TECNOLOGIA AVANZADA 
 
 
Presenta: 
 
M.C. Adrián Vázquez Vázquez 
 
 
 
Director de Tesis: 
 
Dr. Arturo López Marure 
 
 
 
Altamira, Tamaulipas Mayo 2015 
 
 
 
 
2 
 
 
 
 
3 
 
 
 
4 
 
 
 
5 
 
 
 
 
 
6 
 
EN MEMORIA DE: 
 
Dr. Hilario Vázquez Escobar 
Dr. Emmanuel Del Ángel Cervantes. 
 
 
 
7 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
“Y a Aquel que es poderoso para hacer todas las cosas mucho más 
abundantemente de lo que pedimos o entendemos, según el poder que actúa en 
nosotros, a él sea gloria en la iglesia en Cristo Jesús por todas las edades, por 
los siglos de los siglos. Amén.” 
Efesios 3:20,21 
 
 
 
A Dios quien es mi sustento, mi guía y mi salvador. 
 
A mis Padres: Hilario Vázquez Escobar y Helen Vázquez Ramírez, quienes me 
instruyeron en el camino de Dios y me animaron aun en medio de las dificultades 
a continuar con este trabajo. 
 
A mis hermanos: Jorge Alberto Vázquez Vázquez e Hilario Vázquez Vázquez 
quienes son mi ejemplo de perseverancia. 
 
A mi asesor el Dr. Arturo López Marure quien confió en mí y me tuvo mucha 
paciencia. 
 
A mis revisores de Tesis: Dr. Jorge Aurelio Lois Correa, Dr. Marco Julio Ulloa 
Torres, Dr. Eugenio Rodríguez González, Dr. Rogelio Ortega Izaguirre y Dr. 
David Alberto Rivas Camargo, por sus acertados consejos para mejorar este 
documento. 
 
Al Dr. Ismael Herrera Revilla por enseñarme el mundo de la Modelación 
Matemática Computacional. 
 
A mis compañeros Luis Javier Andrade Cruz y Ariana Vázquez Almaguer de 
CICATA Altamira por su aportación a este proyecto. 
 
A mis compañeros del Grupo de Modelación Matemática Computacional del 
Instituto de Geofísica de la UNAM. 
 
Al CICATA-IPN Unidad Altamira y CONACYT por brindarme la oportunidad de 
estudiar y desarrollar este proyecto. 
 
Y sobre todo a Magaly Berenice Del Ángel Pérez por inyectar a mi vida cariño y 
amor, para continuar y terminar este proyecto. 
 
 
 
8 
 
Contenido 
TABLAS 15 
RESUMEN 16 
ABSTRACT 18 
INTRODUCCIÓN 20 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21 
OBJETIVOS 22 
Objetivo General 22 
Objetivos Específicos 22 
JUSTIFICACIÓN 22 
HIPÓTESIS 23 
1.- MARCO TEÓRICO 24 
1.1.- ANTECEDENTES 24 
1.2.- APLICACIONES INDUSTRIALES 24 
1.2.1 Principio de Operación. 24 
1.2.2 Calentamiento de Alimentos. 26 
1.2.3 Calentamiento de Productos Industriales. 26 
1.3.- DESHIDRATACIÓN DE CRUDOS 28 
1.4.- MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA LA DESHIDRATACIÓN 30 
1.6.- DESALACIÓN DEL PETRÓLEO 31 
1.7.- DESHIDRATADO POR MICROONDAS 32 
1.7.1 Implementación de microondas en emulsiones de aceite en agua. 32 
1.8.- MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DEL DESHIDRATADO POR 
MICROONDAS 36 
1.8.1 Implementación de modelos matemáticos en emulsiones de agua-aceite 
aplicando microondas. 36 
2.- MATERIALES Y DISPOSITIVOS 39 
2.1.- MUESTRAS DE CRUDO MAYA 39 
2.2.- MEDIDOR DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS 39 
2.2.1 Equipo. 39 
2.3.- EQUIPO DE IRRADIACIÓN DE MICROONDAS 40 
2.3.1 Equipo. 40 
2.4.- EQUIPO DE SIMULACIÓN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 41 
3.- METODOLOGÍA DE EXPERIMENTACIÓN 43 
 
 
9 
 
3.1.- MEDICIÓN DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS DE MUESTRAS DE 
CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO 
TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES. 43 
3.2.- MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN EL EQUIPO DE LABORATORIO 
EXPERIMENTAL PARA IRRADIAR CON MICROONDAS MUESTRAS DE 
CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO 
TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES. 43 
3.3.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO DE 
LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE 
DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS. 43 
3.4.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 UN APLICADOR DE 
MICROONDAS EN PLANTA PILOTO PARA EL PROCESO DE DESHIDRATADO 
Y DESALADO DE CRUDO. 44 
4.- RESULTADOS 45 
4.1.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO Y MEDICIÓN DE CONSTANTES 
DIELÉCTRICAS 45 
4.1.1 Construcción del Equipo de Medición de Constantes Dieléctricas. 45 
4.1.2 Medición de Constantes Dieléctricas 53 
4.1.2.1 Muestra de Agua Destilada. 54 
4.1.2.2 Muestra de Emulsión de Petróleo. 55 
4.2.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO DE LABORATORIO Y MEDICIÓN DE LA 
TEMPERATURA EN EL PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE 
CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS. 58 
4.2.1 Modulo de Temperatura. 58 
4.2.1.1 Medición de Temperatura Infrarroja. 59 
4.2.1.2 Distancia y Tamaño del Puntero. 59 
4.2.1.3 Temperatura Ambiente 60 
4.2.1.4 Cualidad Atmosférica 60 
4.2.1.5 Interferencia Eléctrica 61 
4.2.1.6 Modelo Smart 61 
4.2.1.7 Protocolo HART. 61 
4.2.1.8 Adaptador HART RS232. 62 
4.2.1.9 Configuración del sensor Raytek Thermalert TX 63 
4.2.1.10 Desarrollo de la interfaz gráfica en Labview para adquisición de 
temperatura. 64 
4.2.1.11 Seguridad del sistema 66 
4.2.1.12 Señal de control al magnetrón 67 
4.2.1.13 Reporte con datos 69 
 
 
10 
 
4.2.2 Modulo de control de disparo y potencia del magnetrón. 70 
4.2.2.1 Lógica programada. 71 
4.2.2.2 Etapa de optoacoplado y manejo de potencia 72 
4.2.2.3 Circuito general en conjunto. 75 
4.2.3 Medición de la Temperatura. 77 
4.2.3.1 Muestras de Agua Destilada. 79 
4.2.3.2 Muestras de Agua de Inyección. 80 
4.2.3.3 Muestra de Agua-Crudo (50-50). 83 
4.2.3.4 Muestra de Crudo. 85 
4.3 SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO DE 
LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE 
DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO MICROONDAS. 87 
4.3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO Y GEOMETRÍA DEL 
EQUIPO. 87 
4.3.2 Desarrollo de la Simulación. 91 
4.3.2.1 Geometría. 92 
4.3.2.2 Definiciones Particulares: 94 
4.3.2.3 Materiales. 95 
4.3.2.4 Tipo de Malla. 96 
4.3.2.5 Microondas. 97 
4.3.2.6 Resolvedores. 98 
4.3.3 Simulación del equipo de laboratorio. 100 
4.3.3.1 Simulación de Agua Destilada irradiada durante 30 segundos. 101 
4.3.3.2 Simulación de Agua Destilada irradiada durante 60 segundos. 105 
4.3.3.3 Simulación de agua de inyección irradiada durante 60 segundos. 105 
4.3.3.4 Simulación de agua-crudo (50-50) irradiada durante 60 segundos. 106 
4.3.3.5 Simulación de Crudo irradiado durante 60 segundos. 107 
4.4 SIMULACIÓN DE UN APLICADOR DE MICROONDAS EN PLANTA PILOTO 
EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4. 109 
4.4.1. Agua Destilada. 110 
4.4.1.1.- Geometría Cubica. 110 
4.4.1.2.- Geometría Cilíndrica. 110 
4.4.1.3.- Geometría Esférica. 111 
4.4.2. Crudo. 113 
4.4.2.1.- Geometría Cubica. 113 
 
 
11 
 
4.4.2.2.- Geometría Cilíndrica. 113 
4.4.1.3.- Geometría Esférica. 114 
4.4.3. Agua-Crudo. 116 
4.4.3.1.- Geometría Cubica. 116 
4.4.3.2.- Geometría Cilíndrica. 116 
4.4.3.3.- Geometría Esférica. 117 
5.- CONCLUSIONES 119 
PRODUCTOS DE LA TESIS 121 
BIBLIOGRAFÍA 124 
 
 
 
 
12 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1.- Microfotografía de una emulsión agua en petróleo crudo. [23] ........... 29 
Figura 2.- Equipo medidor de constantes dieléctricas. Laboratorio CICATA 
Altamira. .............................................................................................................. 40 
Figura 3.- Equipo de Irradiación de Microondas, reconfigurado. Laboratorio 
CICATA Altamira. ................................................................................................ 41 
Figura 4.- Diagrama para simular una Fuente de Corriente Continua aplicada a 
un capacitor de prueba. ...................................................................................... 46 
Figura 5.- Simulación de un capacitor de 1 F. ..................................................... 46 
Figura 6.- Simulación de un capacitorde 2 F. ..................................................... 47 
Figura 7.- Fuente de Corriente Constante de 195 mA. ....................................... 47 
Figura 8.- Foto y Diagrama del Medidor de Constantes Dieléctricas. ................. 49 
Figura 9.- Comparador de Precisión a 1.95 V. .................................................... 51 
Figura 10.- Relevador de Descarga. ................................................................... 52 
Figura 11.- Alambrado del Medidor de Constantes Dieléctricas.......................... 53 
Figura 12.- Muestra de agua destilada en el tiempo inicial a una temperatura 
inicial de 27 °C. ................................................................................................... 54 
Figura 13.- Muestra de agua destilada en el tiempo final a una temperatura final 
de 76.4 °C. .......................................................................................................... 55 
Figura 14.- Muestra de emulsión de petróleo agua en el tiempo Inicial a una 
temperatura Inicial de 27°C. ............................................................................... 56 
Figura 15.- Muestra de emulsión de petróleo-agua en el tiempo final a una 
temperatura final de 83.5 °C. .............................................................................. 57 
Figura 16.- Módulo de Medición de Temperatura. .............................................. 59 
Figura 17.- Emplazamiento Óptico del Sensor. ................................................... 60 
Figura 18.- Adaptador HART RS232. .................................................................. 62 
Figura 19.- Instalación típica del modelo SMART usando resistencia externa. . 63 
Figura 20.- Instalación típica del modelo SMART usando resistor interno. ......... 63 
Figura 21.- Conexión del sensor Raytek. ............................................................ 64 
Figura 22.- Conexión y pruebas con el sensor Raytek. ...................................... 64 
Figura 23.- Configuración del puerto serie en Labview. ...................................... 65 
Figura 24.- a)Variables del sensor mostradas en panel frontal y b) conexión a la 
gráfica. ................................................................................................................ 66 
Figura 25.- Controles del panel frontal. ............................................................... 67 
Figura 26.- Tarjeta de desarrollo Arduino UNO. .................................................. 68 
Figura 27.- Esquema de la pantalla de labview que representa un envío de un 
dato por un COM de la PC. ................................................................................. 68 
Figura 28.- Ejemplo de reporte HTML con Labview. ........................................... 69 
Figura 29.- Módulo de Medición de Temperatura. .............................................. 70 
Figura 30.- Secuencia de instrucciones en la lógica programada del control 
digital .................................................................................................................. 72 
Figura 31.- Comparativa de la salida del control digital contra la señal de 
sincronización ..................................................................................................... 73 
Figura 32.- Encapsulado y diagrama esquemático del transistor NPN BC547 .. 74 
Figura 33.- Encapsulado y diagrama esquemático del optoacoplador MOC8050
 ............................................................................................................................ 74 
 
 
13 
 
Figura 34.- Encapsulado y terminales del triac MAC12 ...................................... 74 
Figura 35.- Diagrama general de la etapa de optoacoplado y manejo de potencia
 ............................................................................................................................ 75 
Figura 36.- Visualización del circuito final para el control de potencia del 
magnetrón utilizando la herramienta POV-RAY®................................................ 76 
Figura 37.- Montaje final de la tarjeta de control de potencia del magnetrón ...... 77 
Figura 38.- Magnetrón de 950 W. ....................................................................... 77 
Figura 39.- Muestra de 50 mL en el porta-muestras y cavidad de irradiación..... 78 
Figura 40.- Muestras de agua destilada. ............................................................. 79 
Figura 41.- Muestra de agua destilada irradiada durante 30 segundos. ............. 79 
Figura 42.- Muestra de agua destilada irradiada durante 60 segundos. ............. 80 
Figura 43.- Muestras de agua de inyección. ....................................................... 80 
Figura 44.- Muestra de agua de inyección irradiada durante 30 segundos. ....... 81 
Figura 45.- Muestra de agua de inyección irradiada durante 60 segundos. ....... 82 
Figura 46.- Muestras de Agua-Crudo (50-50). .................................................... 83 
Figura 47.- Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 30 segundos. ................. 83 
Figura 48.- Muestra de agua-crudo irradiada durante 60 segundos. .................. 84 
Figura 49.- Muestras de crudo. ........................................................................... 85 
Figura 50.- Muestra de crudo irradiada durante 30 segundos. ........................... 85 
Figura 51.- Muestra de crudo irradiada durante 60 segundos. ........................... 86 
Figura 52.- Diagrama de bloques del simulador COMSOL. ................................ 91 
Figura 53.- Definiciones globales. ....................................................................... 92 
Figura 54.- Geometría del equipo. ...................................................................... 93 
Figura 55.- Definición del dominio agua. ............................................................. 94 
Figura 56.- Contenido del material agua. ............................................................ 95 
Figura 57.- Asignación de malla fina en el dominio agua .................................... 96 
Figura 58.-Módulo de calentamiento por microondas ......................................... 97 
Figura 59.-Resolvedor GMRES y MUMS. ........................................................... 98 
Figura 60.- Visualización 3D. .............................................................................. 99 
Figura 61.- Visualización en 3D del equipo de irradiación de microondas. ....... 100 
Figura 62.- Equipo de irradiación de microondas. ............................................. 101 
Figura 63.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 
del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada 
(vista diagonal). ................................................................................................. 102 
Figura 64.- Grafica de Temperatura de la simulación en COMSOL Multiphysics 
4.4 del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua 
destilada. .......................................................................................................... 102 
Figura 65.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 
del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada 
(Plano X,Y)........................................................................................................ 103 
Figura 66.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 
del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada 
(Plano Y,Z). ....................................................................................................... 104 
Figura 67.- Visualización en 3D de la simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 
del calentamiento por medio de microondas de una muestra de agua destilada 
(Plano Z,X). ....................................................................................................... 104 
 
 
14 
 
Figura 68.- Visualización en 3D de la irradiación de aguadestilada durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 105 
Figura 69.- Visualización en 3D de la irradiación de agua de inyección durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 106 
Figura 70.- Visualización en 3D de la irradiación de agua-crudo (50-50) durante 
60 segundos. .................................................................................................... 107 
Figura 71.- Visualización en 3D de la irradiación de crudo durante 60 segundos.
 .......................................................................................................................... 108 
Figura 72.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica 
que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos.
 .......................................................................................................................... 110 
Figura 73.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría 
cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua destilada durante 
60 segundos. .................................................................................................... 111 
Figura 74.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría 
esférica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 112 
Figura 75.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica 
que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 segundos. .... 113 
Figura 76.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría 
cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 114 
Figura 77.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría 
esférica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de crudo durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 115 
Figura 78.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría cubica 
que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 segundos.
 .......................................................................................................................... 116 
Figura 79.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría 
cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 117 
Figura 80.- Visualización en 3D de una cavidad resonante con geometría 
cilíndrica que irradia 4000,000 mm3 de una muestra de agua-crudo durante 60 
segundos. ......................................................................................................... 118 
 
 
 
15 
 
TABLAS 
 
Tabla 1.- Crudo Tamaulipas-Constituciones. Datos del Laboratorio Arenque…..35 
 
 
 
 
 
16 
 
RESUMEN 
 
 Existen dos tipos de emulsiones, las del tipo agua en aceite y aceite en 
agua, su composición es de una mezcla de aceite, agua, lodo y otros 
componentes. Estas emulsiones son comúnmente encontradas en la industria 
petrolera, plantas procesadoras de aceite de consumo, industrias farmacéuticas, 
industrias de alimentos, etc [1]. En la industria petrolera mexicana este tipo de 
emulsiones se encuentran en los campos Tamaulipas-Constituciones se cuenta 
con 18 baterías las cuales producen 12,102 BPD (Barriles de petróleo diarios), 
de los cuales 3,841 son petróleo y 8,260 es agua con una pérdida económica de 
380,161.07 dólares diarios, al no poder separar correctamente el agua del 
petróleo. 
 
 Las emulsiones de petróleo generan una gran variedad de problemas en 
su transporte y refinación tales como: agua en la recuperación del crudo, costos 
de productos químicos, tráfico de agua en instalaciones, corrosión y fallas en los 
equipos del sistema, perdida de crudo en desagües, contratación en el 
tratamiento de aguas congénitas, tiempo de desestabilización, contratación del 
tratamiento químico de emulsiones y tiempo de separación de emulsiones de 
crudo. Entre los métodos tradicionales para separar las emulsiones se 
encuentran la aplicación de calentamiento convencional, centrifugación y adición 
de químicos. Los calentamientos convencionales tienen problemas por la lenta 
transferencia de calor. Los desemulsificantes químicos están sujetos a 
regulaciones de descarga en aguas públicas. El calentamiento por Microondas 
es una alternativa altamente viable para el tratamiento de emulsiones con 
calentamiento rápido y libre de químicos. 
 
 En el caso particular del deshidratado y desalado de emulsiones de 
petróleo, el calentamiento de la emulsión a una frecuencia de microondas 
depende de la naturaleza química de la emulsión, de la frecuencia de la onda 
electromagnética y de las propiedades dieléctricas de la emulsión, así como de 
 
 
17 
 
la acumulación de energía interna que va ligada a la profundidad de penetración 
del campo dentro del material. 
 
 De este modo, el conocimiento preciso tanto del comportamiento de la 
naturaleza química de la emulsión como de la propagación de las ondas 
electromagnéticas en el interior de las emulsiones es fundamental para hacer un 
buen estudio del deshidratado y desalado de crudo [1]. 
 
 Para ello se construyó un equipo de laboratorio para irradiar muestras de 
petróleo obtenidas de los Campos Tamaulipas-Constituciones y en conjunto con 
una interfaz gráfica se visualiza en tiempo real, el comportamiento de la 
temperatura durante el proceso de calentamiento al ser expuestas a un campo 
electromagnético. Mediante una técnica innovadora de medición de capacitancia 
fue posible construcción un equipo de medición de constantes dieléctricas de 
muestras de petróleo que posteriormente serían irradiadas con microondas. 
Mediante la implementación del simulador Comsol Multiphysics 4.4 y sus 
módulos: De convección y conducción de calor, y Radio Frecuencia se simulo el 
equipo de laboratorio con diferentes muestras de petróleo para validar el modelo 
matemático que emplea y posteriormente simular distintas geometrías a escala 
planta piloto y de esta forma encontrar que la geometría cilíndrica es la más 
viable a construir. 
 
Palabras Claves: Microondas, Petróleo, Deshidratación, Desalado, Simulación. 
 
 
 
18 
 
ABSTRACT 
 
 Two types of emulsions of water in oil and oil in water type, the 
composition is a mixture of oil, water, mud and other components. In industrial 
processes as they are commonly found in the oil industry, oil processing plants 
consumer, pharmaceutical industries, food industries, etc..In the case of the 
Mexican oil industry in the fields of extraction Tamaulipas-Constituciones has 18 
batteries which produce 12,102 BPD (Barrels per day) which is 3841 and 8260 
Oil is water with an economic loss of $ 380,161.07 per day, unable to properly 
separate water from oil. 
 
 Oil emulsions generate a variety of problems in transportation and refining. 
Among the traditional methods to separate the emulsion is the application of 
conventional heating, centrifugation and addition of chemicals. Conventional 
heaters have problems because of slow heat transfer. The chemical demulsifiers 
regulations are subject to discharge into public waters. Microwave heating is a 
highly viable alternative for the treatment of emulsions with rapid heating and 
chemical free. 
 
 In the particular case of dehydration and desalting of emulsions of oil, 
heating the emulsion at a microwave frequency depends on the chemical nature 
of the emulsion, the electromagnetic wave, the dielectric properties,energy 
storage and the depth of penetration of electromagnetic field inside the material. 
 
 Thus, precise knowledge of the behavior of the chemical nature of the 
emulsion and the propagation of electromagnetic waves inside the emulsion is 
essential for a good study of dehydration and desalting of crude oil. 
 
 The reason why this project will provide the necessary knowledge for a 
dehydrated and desalted crude optimal from an energy and economic terms, by 
building a laboratory using microwave. Of particular importance is that from the 
 
 
19 
 
results of equipment designed to simulate the process in the laboratory for further 
validation of simulation results on an industrial scale for dehydration and 
desalting of crude oil in the Campos Tamaulipas-Constituciones. 
 
Keywords: Dehydratation, Desaliring, Microwave. 
 
 
 
20 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 En la extracción de petróleo y refinación se forman emulsiones de agua 
en aceite o aceite en agua en las diferentes etapas del proceso. Se puede 
mencionar procesos en los cuales se producen también emulsiones estables, 
por ejemplo, en la industria de alimentos, en la industria química, industria 
farmacéutica, industria de cosméticos, pesticidas y herbicidas empleados en el 
sector agrícola, entre otros [1]. 
 
 Durante su extracción, el petróleo crudo, está mezclado con agua, cuya 
presencia genera una gran variedad de problemas en su transporte y refinación 
en las plantas procesadoras. El agua que acompaña al petróleo crudo viene 
generalmente de dos maneras: Una parte es agua sin mezclar que puede 
descartarse rápidamente, y la otra parte se mezcla con el crudo y se producen 
emulsiones [1]. 
 
 Estas emulsiones presentan altas viscosidades y son difíciles de separar 
por lo que deben ser tratadas para quitar el agua dispersa en el aceite crudo, 
para así satisfacer las especificaciones necesarias de transportación del crudo 
por tuberías y posteriormente obtener mayores eficiencias en su refinación en 
planta. Además, se debe disminuir la corrosión en los equipos por causa de la 
presencia del agua expuesta [2,3]. 
 
 En general, entre los métodos tradicionales para separar las emulsiones 
se encuentran la aplicación de calentamiento convencional, centrifugación, 
electroquímicos y adición de químicos [4, 5]. Los calentamientos convencionales 
tienen problemas por la lenta transferencia de calor. Los desemulsificantes 
químicos están sujetos a regulaciones de descarga en aguas públicas y además 
no logra altos niveles de separación. Por tal razón, es necesario buscar 
alternativas de tratamiento de emulsiones [1]. Un aspecto a resaltar es el hecho 
de que el calentamiento por microondas presenta una alternativa de separación 
 
 
21 
 
más eficiente con tecnología más limpia sin el uso de químicos y/o calentamiento 
convencional con respecto a los métodos tradicionales. 
 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
 
 En la industria del petróleo el crudo se encuentra en pozos que contienen 
tanto agua como aceite y generalmente el agua contiene sales disueltas 
formando salmueras. Si esta mezcla de aceite y agua pasa a través de una 
válvula parcialmente abierta o choca, pueden formarse emulsiones estables, 
generalmente del tipo agua en aceite [6-8]. Las emulsiones más comunes en la 
industria del petróleo son del tipo agua en aceite, con un porcentaje de agua 
entre un 5% y 30%. Las emulsiones del tipo aceite en agua son menos 
frecuentes y comúnmente son conocidas como emulsiones inversas [6,8,9]. En 
muchos otros casos se producen emulsiones en forma espontánea y no pueden 
ser evitadas, y es necesario separar las fases para cumplir con las 
reglamentaciones medioambientales antes de depositarlas en los sistemas de 
alcantarillado y/o incorporarlas nuevamente en las diferentes etapas de los 
procesos industriales [1]. 
 
 Los métodos tradicionales para separar emulsiones O/W (Agua/Aceite), o 
W/O (Aceite/Agua) incluyen la aplicación de calentamiento, ruptura microbiana, 
centrifugación y adición química, muchos de los cuales no recuperan parte del 
producto comercial, sino solo proveen de separaciones parciales dejando 
grandes cantidades de producto sin aprovechar [9,10, 11]. Con base en lo 
anterior, resulta atractivo el empleo de microondas para efectuar el deshidratado 
y desalado de petróleo con el menor tiempo y mínimo consumo energético. 
 
 
 
 
 
22 
 
OBJETIVOS 
 
Objetivo General 
 
 Construir un equipo de laboratorio para irradiar con microondas muestras 
de hidrocarburo tomadas de los campos Tamaulipas – Constituciones, y 
mediante una simulación en COMSOL Multiphysics 4.4 validar los resultados del 
equipo de laboratorio, para proponer una alternativa de diseño de un aplicador 
de microondas en planta piloto del deshidratado y desalado de petróleo. 
 
Objetivos Específicos 
 
 
 Concepción, diseño y construcción de un equipo para medir la constante 
dieléctrica de muestras de petróleo. 
 
 Concepción, diseño y construcción de un equipo de laboratorio, para 
implementar la deshidratación y el desalado de crudo utilizando microondas. 
 
 Simular en COMSOL Multiphysics 4.4 el proceso de laboratorio para 
validar los resultados obtenidos en el equipo. 
 
 Simular COMSOL Multiphysics 4.4 un aplicador de microondas en planta 
piloto para la deshidratación y desalado de crudo en los Campos Tamaulipas-
Constituciones. 
 
 
JUSTIFICACIÓN 
 
 El empleo de las microondas es una de las tecnologías que se proponen 
en el procesamiento de emulsiones puesto que resulta una alternativa de 
separación efectiva, con tecnología limpia, a bajo costo energético y libre de 
químicos. 
 
 
23 
 
 
 
HIPÓTESIS 
 
 Usando la tecnología de microondas para la deshidratación y desalado de 
crudo se puede obtener una mejor recuperación de crudo en los campos 
Tamaulipas-Constituciones. 
 
 Mediante la simulación del proceso, se establecerán las condiciones 
ideales para simular un equipo de laboratorio y así sugerir una alternativa de 
construcción de una planta piloto. 
 
 
 
 
24 
 
1.- MARCO TEÓRICO 
 
1.1.- ANTECEDENTES 
 
 El descubrimiento de que la radiación de alta frecuencia podía calentar 
alimentos se atribuye a Percy l,. Spencer, un ingeniero de la compañía Raytheon 
[11]. Entre 1949 y 1950, General Electric y Raytheon patentaron distintos 
sistemas para calentar materiales que absorben energía electromagnética 
provocando calor en su interior con radiación electromagnética de alta 
frecuencia. General Electric se concentró en los sistemas de calentamiento 
industrial y Raytheon prestó más atención al entorno doméstico [12]. Fue la 
patente de Spencer de 1949 la primera en proponer el uso de las microondas 
para el calentamiento de alimentos. De hecho, Raytheon fue la compañía que 
comenzó a fabricar los primeros hornos de microondas, los cuales eran costosos 
y de grandes dimensiones. En 1967, Amana, una compañía subsidiaria de 
Raytheon, fue la primera en comercializar estos hornos para el entorno 
doméstico. 
 
1.2.- APLICACIONES INDUSTRIALES 
 
1.2.1 Principio de Operación. 
 
 Un horno de microondas está formado esencialmente por un generador 
de alta potencia y una cavidad de paredes metálicas. Los hornos de microondas 
tienen un rendimiento del orden de un 50%, bastante superior al que presenta un 
horno clásico de convección. A diferencia de los hornos convencionales, en un 
horno de microondas el calentamiento actúa directamente sobre el interior de los 
alimentos. Este calentamiento se produce esencialmente por las elevadas 
pérdidas dieléctricas que presentan prácticamente todos los tejidos orgánicos a 
frecuencias de microondas. Por otra parte, las pérdidas dieléctricas de estos 
tejidos disminuyen al aumentar la temperatura y por tanto el calentamiento por 
 
 
25 
 
microondas es parcialmente autoregulable. El agua experimenta una reducciónde la parte imaginaria de la permitividad dieléctrica relativa de 20 a 5 cuando se 
calienta de 5°C a 60°C. Asimismo, se ha verificado experimentalmente que 
muchos alimentos también experimentan reducciones significativas de sus 
pérdidas dieléctricas al calentarse, fundamentalmente como consecuencia de la 
pérdida en el contenido del agua [13,14]. 
 
 Todos los dieléctricos tienen frecuencias características denominadas 
frecuencia de relajación. A esta frecuencia, los átomos y moléculas constitutivas 
del material se hacen especialmente eficaces en la absorción de radiación, 
presentando un máximo en la parte imaginaria de la permitividad dieléctrica. 
Existen distintos mecanismos de relajación dieléctrica. Para las frecuencias de 
microondas, el mecanismo más importante es la relajación dipolar, la cual 
aparece en todos aquellos materiales constituidos por moléculas que tienen un 
momento dipolar neto. Este mecanismo está presente en el agua, cuyas 
moléculas tienen dos enlaces polares que forman un ángulo de unos 105°. De 
hecho, el agua libre presenta pérdidas máximas a 10 GHz como consecuencia 
de la relajación dipolar. 
 
 El agua está presente en los tejidos orgánicos en forma de agua ligada 
cuando sus moléculas están unidas a otras moléculas orgánicas. En estas 
circunstancias, tanto el mecanismo de máximas pérdidas como las frecuencias 
de relajación pueden cambiar significativamente. El agua de cristalización y el 
hielo, presentan máximas pérdidas dieléctricas en frecuencias del orden de 1 a 
100 kHz, mientras que en el agua ligada las pérdidas son máximas a frecuencias 
intermedias, en torno a unas decenas de MHz. Se podría pensar en optimizar el 
proceso de calentamiento utilizando alguna de las frecuencias de relajación más 
habituales en los materiales orgánicos, pero en la práctica también es 
conveniente tener en cuenta que una absorción excesiva puede dar lugar a un 
calentamiento muy superficial: si el cuerpo a calentar es excesivamente 
voluminoso la radiación apenas llega a las partes más internas del mismo. 
 
 
26 
 
 
1.2.2 Calentamiento de Alimentos. 
 
 La banda de 2.4-2.4853 GHZ es particularmente útil en el calentamiento 
por microondas en entornos domésticos, pues a estas frecuencias se consigue 
un buen compromiso entre la eficiencia del calentamiento y la homogeneidad del 
mismo. En algunas aplicaciones industriales es común utilizar hornos que emiten 
frecuencias más bajas, generalmente de 915 MHz. A estas frecuencias es 
posible calentar de forma más homogénea productos de grandes dimensiones 
y/o con muy elevadas pérdidas dieléctricas. 
 
1.2.3 Calentamiento de Productos Industriales. 
 
 Algunas de las aplicaciones más interesantes de la radiación de alta 
frecuencia como medio de transmisión de energía se encuentran en las técnicas 
de calentamiento a nivel industrial. La industria de productos de alimentación no 
es la única que se ha beneficiado del desarrollo de la tecnología de microondas. 
De hecho, un estudio detallado de las primeras patentes relacionadas con el 
calentamiento de dieléctricos mediante microondas revela que los primeros 
sistemas industriales de secado son contemporáneos a los primeros hornos de 
microondas empleados para el calentamiento de alimentos. 
 
 La difusión de la tecnología de microondas en tantas y tan diversas 
industrias se debe en gran medida a la capacidad de los sistemas de 
calentamiento de microondas para calentar todo tipo de productos con un 
consumo de energía muy bajo. Asimismo, estos sistemas permiten catalizar 
numerosas reacciones químicas de interés para muchas industrias [15]. 
 
 El secado de materiales es un proceso largo y costoso en numerosas 
industrias, como por ejemplo, en la industria de alimentos. Los secadores 
convencionales de pasta alimenticia tienen que calentar el producto durante un 
 
 
27 
 
tiempo elevado (unas 10 horas), con la desventaja añadida de que ocupan un 
gran volumen y por tanto es difícil realizar en ellos un control bacteriológico 
exhaustivo sin un elevado incremento en el coste de producción. El secado por 
radiación de microondas no sólo se puede hacer en menor tiempo y espacio, 
sino que también permite realizar el proceso a temperaturas muy superiores sin 
correr el riesgo de agrietar la superficie de la pasta. El secado a temperaturas 
altas tiene la ventaja de que genera microporos en la pasta durante la 
evaporación del agua, los cuales permiten al consumidor realizar posteriormente 
la cocción en menor tiempo [16]. El secado de papel es otra importante 
aplicación de la radiación por microondas [17]. En promedio, para fabricar 1 kg 
de papel debe evaporarse alrededor de 1.5 litro de agua. Esta operación 
consume una gran cantidad de energía y por tanto encarece notablemente el 
producto. Asimismo, el proceso de secado determina muchas de las propiedades 
finales del papel, tales como la calidad de la superficie y su permeabilidad al 
aire. El uso de microondas permite conseguir un considerable ahorro de tiempo y 
un menor consumo de energía (hasta un 50%) en el proceso de fabricación. 
 
 El tratamiento del caucho es también una de las numerosas aplicaciones 
que se benefician del uso de la tecnología de microondas. Los primeros 
productos industriales de caucho presentaron inicialmente numerosos problemas 
como consecuencia de la rapidez con la que estos productos perdían la forma y 
sus propiedades mecánicas. En 1839, Charles Goodyear realizó un 
descubrimiento que permitiría posicionar definitivamente la industria de los 
productos basados en caucho. Goodyear observó que cuando se trataba el 
caucho con azufre y se sometía a temperaturas superiores a su punto de fusión, 
se obtenía una considerable mejora de sus propiedades térmicas y mecánicas. 
De esta manera, se pudieron fabricar productos de caucho con formas estables. 
Este proceso de calentamiento recibe el nombre de vulcanización. La 
vulcanización crea enlaces intermoleculares que permiten fijar la estructura del 
caucho. A nivel industrial, este proceso se realiza habitualmente con hornos de 
microondas. 
 
 
28 
 
 
 Las técnicas de calentamiento por microondas también se han utilizado 
en la fabricación de leche deshidratada, procesado del carbón, fijado de tintes, 
fabricación de tabaco y secado de tejidos textiles [18,19,20,21,22]. En todas 
estas aplicaciones se utilizan habitualmente generadores de 2.45 GHz con 
potencias de salida que varían de 500 W a 3 kW. 
 
 
1.3.- DESHIDRATACIÓN DE CRUDOS 
 
 La deshidratación de crudos es el proceso mediante el cual se separa el 
agua asociada con el crudo, ya sea en forma emulsionada o libre, hasta lograr 
reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado. Generalmente 
este porcentaje es igual o inferior al 1 % de agua. 
 
 Una parte del agua producida por el pozo petrolero, llamada agua libre, se 
separa fácilmente del crudo por acción de la gravedad tan pronto como la 
velocidad de los fluidos es suficientemente baja. La otra parte del agua está 
íntimamente combinada con el crudo en forma de una emulsión de gotas de 
agua dispersadas en el aceite, la cual se llama emulsión agua/aceite (W/O), 
como se muestra en la Figura 1. 
 
 
29 
 
 
Figura 1.- Microfotografía de una emulsión agua en petróleo crudo. [23] 
 
 La cantidad de agua remanente emulsionada varía ampliamente desde 1 
a 60 % en volumen. En los crudos medianos y livianos (>20 °API (American 
Petroleum Institute)) las emulsiones contienen típicamente de 5 a 20 % volumen 
de agua, mientras que en los crudos pesados y extrapesados (<20 °API) tienen 
a menudo de 10 a 35 % de agua. La cantidad de agua libre depende de la 
relación agua/aceite y varía significativamente de un pozo a otro. Al referirse a la 
palabra “agua” significa agua producida misma que se genera con el agua 
inyectada y el agua contenida en el pozo, y es una salmueraconteniendo cloruro 
de sodio y otras sales. Cabe resaltar el hecho de que la inyección de vapor y la 
inyección de agua a yacimientos son factores que promueven la formación de 
emulsiones [23]. 
 
 
 
 
 
30 
 
1.4.- MÉTODOS DE TRATAMIENTO PARA LA DESHIDRATACIÓN 
 
 Dependiendo del tipo de aceite y de la disponibilidad de recursos se 
combinan cualquiera de los siguientes métodos típicos de deshidratación de 
crudo: Químico, térmico, mecánico y eléctrico. En general se usa una 
combinación de los métodos térmicos y químicos con uno mecánico o eléctrico 
para lograr la deshidratación efectiva de la emulsión W/O. 
 
 El tratamiento químico consiste en aplicar un producto desemulsificante 
sintético denominado en las áreas operacionales de la industria petrolera como 
“química deshidratante”, el cual debe ser inyectado tan temprano como sea 
posible a nivel de superficie o en el fondo del pozo. Esto permite más tiempo de 
contacto y puede prevenir la formación de emulsión corriente abajo. La inyección 
del desemulsificante antes de una bomba, asegura un adecuado contacto con el 
crudo y minimiza la formación de emulsión por la acción de la bomba. 
 
 El tratamiento por calentamiento consiste en el calentamiento del crudo 
mediante equipos de intercambio de calor, tales como calentadores de crudo y 
hornos. 
 
 El tratamiento mecánico se caracteriza por utilizar equipos de separación 
dinámica que permiten la dispersión de las fases de la emulsión y aceleran el 
proceso de separación gravitacional. Entre ellos se encuentran los tanques de 
sedimentación llamados comúnmente tanques de lavado. 
 
 Para el tratamiento eléctrico se utilizan equipos denominados 
deshidratadores electrostáticos, y consiste en aplicar un campo eléctrico para 
acelerar el proceso de acercamiento de las gotas de fase dispersa [23]. 
 
 
 
 
31 
 
1.6.- DESALACIÓN DEL PETRÓLEO 
 
 El proceso de desalación consiste en la remoción de las pequeñas 
cantidades de sales inorgánicas, que generalmente quedan disueltas en el agua 
remanente, mediante la adición de una corriente de agua fresca (con bajo 
contenido de sales) a la corriente de crudo deshidratado. Posteriormente, se 
efectúa la separación de las fases agua y crudo, hasta alcanzar las 
especificaciones requeridas de contenido de agua y sales en el crudo. 
 
 Las sales minerales están presentes en el crudo en diversas formas: 
como cristales solubilizados en el agua emulsionada, productos de corrosión o 
incrustación insolubles en agua y compuestos organometálicos como las 
porfirinas. 
 
 Después de la deshidratación o del rompimiento de la emulsión, el 
petróleo crudo todavía contiene un pequeño porcentaje de agua remanente. Los 
tratamientos típicos anteriormente mencionados (adición de desemulsificante, 
calentamiento, sedimentación y tratamiento electrostático) pueden reducir el 
porcentaje de agua del crudo a rangos de 0,2-1 % volumen. 
 
 La salinidad de la fase acuosa varía desde 100 ppm hasta la saturación, 
que es de 300.000 ppm (30 % peso); sin embargo lo usual es encontrar 
salmueras en el rango de 20.000-150.000 ppm (2 a 15 % peso). Por 
comparación, el agua de mar contiene de 30.000-43.000 ppm (3 a 4,3 % peso) 
de sales disueltas. El contenido de sal en el crudo normalmente es medido en 
libras de cloruro, expresado como cloruro de sodio equivalente por 1.000 barriles 
de crudo limpio (Libras por Mil Barriles, LMB o en inglés Pounds per Thousand 
Barrels, PTB) [23]. 
 
 Cuando el crudo es procesado en las refinerías, la sal puede causar 
numerosos problemas operativos, tales como disminución de flujo, 
 
 
32 
 
taponamiento, reducción de la transferencia de calor en los intercambiadores, 
taponamiento de los platos de las fraccionadoras. La salmuera es también muy 
corrosiva y representa una fuente de compuestos metálicos que puede 
envenenar los costosos catalizadores. Por lo tanto, las refinerías usualmente 
desalan el crudo de entrada entre 15 y 20 PTB para el caso de refinerías 
sencillas, en aquellas de conversión profunda las especificaciones pueden ser 
más exigentes, alcanzando valores de 1 PTB [24]. 
 
 El desalado en campo reduce la corrosión corriente aguas abajo 
(bombeo, ductos, tanques de almacenamiento). Adicionalmente la salmuera 
producida puede ser adecuadamente tratada para que no cause los daños 
mencionados en los equipos y sea inyectada al yacimiento, resolviendo un 
problema ambiental [23]. 
 
1.7.- DESHIDRATADO POR MICROONDAS 
 
1.7.1 Implementación de microondas en emulsiones de aceite en agua. 
 
 De las primeras investigaciones realizadas acerca de la aplicación de las 
microondas en la separación de emulsiones, se pueden mencionar las patentes 
de Klaila US.4067683 [25], “Métodos y Aparatos para controlar el flujo de fluidos 
de hidrocarburos de alta viscosidad” y “Uso de Microondas en la Separación de 
Emulsiones y Dispersiones de Hidrocarburos y Agua”, realizada por Wolf 
US.4582629 [26]. En particular, se estudia el mejoramiento en la separación de 
emulsiones y dispersiones de aceite en agua, mediante la aplicación de 
radiación de microondas, ya sea sola o en conjunto, con los tratamientos 
convencionales de separación. 
 
 En otras patentes de aplicación como la de Nilsen US WO 0112289[27] de 
“Método para separar emulsiones por el uso de microondas” se propone un 
sistema de separación de emulsiones W/O (agua en líquido orgánico) basado en 
 
 
33 
 
el calentamiento por microondas, usando frecuencias en un rango de 300MHz a 
100GHz ; y la de Owens US 5911885 [28] con “Aplicación de microondas y 
centrifugación para la separación de emulsiones y dispersiones” quien desarrolló 
un método y un dispositivo para aplicar microondas a materiales fluidos dentro 
de un equipo de centrifugación, lo que le permitió separar rápidamente 
componentes inmiscibles de emulsiones y dispersiones. 
 
 Fang et al [29], realizaron pruebas de laboratorio y de campo con 
emulsiones de aceite en agua (O/W) y agua en aceite (W/O) en presencia de 
sólidos. Su trabajo con emulsiones mostró que, en general, las muestras 
tratadas con microondas se calentaron más rápidamente que por calentamiento 
convencional. Adicionalmente, las emulsiones que fueron calentadas con 
microondas demulsificaron más que las calentadas con hornos convencionales. 
Estos investigadores llegaron a la conclusión de que el cambio de calentamiento 
es un factor importante en la demulsificación y que las rotaciones moleculares 
producidas por las microondas pueden reducir el potencial de la superficie y las 
fuerzas de repulsión entre las moléculas (potencial zeta), lo cual separa las 
gotas de agua y las partículas sólidas en la emulsión. 
 
 Fang et al. [30] publicaron otro artículo, basado en sus trabajos anteriores 
con varias modificaciones. Primero, analizaron una emulsión con aceite vegetal, 
agua y tierra diatomácea para comparar los resultados del calentamiento con 
microondas y el calentamiento convencional, encontrando que si calentaban las 
dos emulsiones llegando a la misma temperatura, una con cada método, la 
emulsión que calentaron con microondas registraba mejor recuperación de 
aceite. Paralelamente, analizaron más detalladamente la reducción del potencial 
zeta que resulta de la exposición a las microondas; sin embargo, este 
decrecimiento no seguía un modelo que se pudiera reproducir aunque las 
reducciones del potencial zeta estaban entre el 5 y 20%. 
 
 
 
34 
 
 Pal y Masliyah [31] investigaron la importancia de variar las propiedades 
de las emulsiones al aplicar las microondas como sistema de demulsificación y 
mostraron que el factor más importante es la temperatura de la emulsión; 
además, notaron que una concentración mayor (2%) de sal (NaCl) en la fase 
acuosa, incrementa la variación de temperatura en la emulsión y disminuye por 
ende el tiempo de exposición a microondas; igualmenteinvestigaron los efectos 
de la concentración del surfactante descubriendo que, al subir la concentración 
del tensoactivo no iónico, disminuye la recuperación del aceite. Además 
concluyeron que la recuperación de la fase dispersa en una emulsión es un 
factor importante para evaluar la efectividad de una técnica de demulsificación. 
En particular cuando compararon la demulsificación con microondas y la 
demulsificación con calor convencional, el tratamiento con microondas siempre 
reportó una mayor recuperación. 
 
 Fang y Lai [32] realizaron experimentos en laboratorio y campo con 
emulsiones W/O empleando aceite mineral y como estabilizante hidróxido de 
sodio (NaOH). Su trabajo con las emulsiones mostró que el calentamiento por 
microondas provee una opción de separación de emulsiones viscosas y estables 
que son difíciles de bombear y mezclar con demulsificantes químicos. 
Adicionalmente, calcularon propiedades dieléctricas de las emulsiones 
considerando la emulsión agua en aceite como una mezcla heterogénea. Los 
valores calculados usando los datos disponibles en la literatura, fueron 
aproximadamente un 30% menores que los experimentales. 
 
 Chieh et al. [33] publicaron sus resultados de demulsificación con 
membranas de emulsión líquida, exponiendo la emulsión a un campo de 
microondas donde se produce rotación molecular y conducción iónica, siendo las 
ondas electromagnéticas responsables del calentamiento interno. En este 
trabajo, fueron estudiados sistemáticamente los efectos de las condiciones de la 
emulsión y las condiciones de operación de las microondas en la demulsificación 
y la eficiencia de la separación de la emulsión W/O. Los resultados mostraron 
 
 
35 
 
que tanto la razón de demulsificación, así como la eficiencia de demulsificación 
aumentaban con el diámetro de las partículas, sin embargo decrecían con el 
aumento de la concentración del surfactante. 
 
 Evdokimov y Novikov [34] investigaron el efecto de las propiedades 
térmicas y estructurales de emulsiones del tipo agua en aceite crudo al aplicar 
las microondas como método de demulsificación. Ellos concluyeron que la mayor 
tasa de calentamiento y eficiencia de separación en las emulsiones se logra en 
aquellas que tengan un 20% y 60% de porcentaje de agua. Si se mantiene el 
porcentaje de agua cerca de estos valores se puede minimizar el tiempo de 
exposición a microondas y acelerar el proceso de demulsificación. 
 
 En otros trabajos de investigación, Perl et al. [35-37] estudiaron las 
propiedades dieléctricas de las emulsiones W/O y O/W empleando cavidades 
resonantes a diferentes frecuencias: 8.193 GHz, 11.003 GHz, 23.5 GHz, lejos de 
la frecuencia de calentamiento estándar. Adicionalmente, obtuvieron un método 
para la determinación en forma simultánea del tipo de emulsión y contenido de 
agua por medio de una relación con las propiedades dieléctricas. 
 
 Por otro lado, Chrisanthus et al. [38] realizaron estudios sobre las 
propiedades dieléctricas de macroemulsiones empleando modelos de potencial 
de interacción y teorías efectivas, concluyendo que los valores del módulo 
dieléctrico de la emulsión calculado por los modelos teóricos concuerdan con los 
datos experimentales reportados anteriormente [35-37], y son invariantes en un 
rango de frecuencias de microondas. 
 
 De lo anterior se infiere que es de interés general realizar aplicaciones de 
ondas electromagnéticas a emulsiones del tipo agua en aceite ó aceite agua 
como técnica alternativa a los procesos convencionales, con el fin de monitorear, 
caracterizar y/o separar según sea el tipo de industria o etapa del proceso donde 
se formen [1]. 
 
 
36 
 
1.8.- MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DEL DESHIDRATADO POR 
MICROONDAS 
 
1.8.1 Implementación de modelos matemáticos en emulsiones de agua-aceite 
aplicando microondas. 
 
 El calentamiento de líquidos por microondas se ha utilizado en una amplia 
gama de procesos industriales [39]. El calentamiento por microondas ofrece 
numerosas ventajas a saber: 1) corto tiempo de preparación, 2) calentamiento 
rápido, 3) eficiencia de energía, 4) control preciso de procesos, y 5) alimentos de 
mejor calidad nutricional [40]. 
 
 Es necesario el conocimiento de varios parámetros para explicar con 
precisión todos los fenómenos que se producen en un líquido al calentarlo por 
microondas. Esto incluye una descripción del campo electromagnético y las 
distribuciones de la potencia, junto con una predicción de la temperatura local 
del líquido y su velocidad. Por esta razón, las ecuaciones de Maxwell, Navier-
Stokes y de energía, deben ser resueltas al mismo tiempo. Debido a la cantidad 
y complejidad de las ecuaciones involucradas, la modelación numérica es el 
único enfoque viable para la realización de las simulaciones realistas del 
proceso. 
 
 En el pasado, se tenía una comprensión incompleta de la distribución de 
potencia de microondas dentro de un recipiente, de los perfiles de temperatura y 
del comportamiento de flujo dentro de un líquido; por tal motivo, se impedía el 
avance de esta tecnología. Recientemente, diversos estudios [41-45] han puesto 
de relieve la importancia de la creación de modelos matemáticos en la 
comprensión física durante el calentamiento por microondas de muestras 
sólidas. Jia, et al. [41] desarrollaron un modelo de tres dimensiones para 
predecir el campo de microondas y la distribución de energía en una cavidad de 
microondas que se basa en un enfoque de modelo de elemento finito. La 
desventaja de este método era que se requerían largos tiempos de cómputo. 
 
 
37 
 
 
 Un estudio complementario efectuado por Liu, et al. [43] emplea un 
algoritmo con el Método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD) 
para tres dimensiones e investiga el calentamiento en una cavidad de 
microondas. Este trabajo demostró efectos significativos de la colocación del 
material dieléctrico en diversos lugares dentro de la cavidad. 
 
 Clemens y Saltiel [44] hicieron una contribución significativa con un 
modelo numérico bidimensional de calentamiento por microondas en una 
muestra sólida, que representa la temperatura y las propiedades dieléctricas 
dependientes. El método FDTD parece ser el método más simple para predecir 
las distribuciones de campos electromagnéticos y la disipación de potencia de 
microondas. 
 
 Aunque la literatura que emplea energía de microondas está repleta de 
simulaciones numéricas de calentamiento por microondas en muestras sólidas, 
sólo hay unos pocos artículos de simulación numérica de calentamiento con 
microondas en líquidos. Parte de la razón puede ser que el análisis de 
calentamiento por microondas en los líquidos es mucho más complejo debido a 
la presencia de movimiento del fluido, dando lugar a las complejas interacciones 
de los campos de flujo, las distribuciones de la temperatura local, y los campos 
de microondas dentro del líquido. 
 
 Otro trabajo de investigación fue efectuado por Prosetya y Datta [40] 
quienes estudiaron la convección natural en un recipiente cilíndrico expuesto a 
una fuente de calentamiento por microondas. Observaron que los perfiles de 
temperatura fueron casi lineales, y la temperatura axial era casi uniforme. Sus 
resultados numéricos fueron acordes con los datos experimentales. Ayappa et 
al.[46] estudiaron numéricamente la convección natural en dos dimensiones de 
líquido en una cavidad rectangular expuesta a microondas con una frecuencia de 
2,45 GHz. Encontraron que la ubicación, intensidad y número de picos de 
 
 
38 
 
potencia tienen una gran influencia en la uniformidad de la temperatura en el 
líquido. También emplearon un enfoque de elementos finitos para predecir los 
campos electromagnéticos. Como se mencionó anteriormente, este método 
requería largos tiempos de cómputo. Esto sería particularmente problemático en 
situaciones en las que los campos electromagnéticostienen que ser calculados 
en repetidas ocasiones durante los procesos de calentamiento debido a la 
dependencia de la temperatura de las propiedades dieléctricas. 
 
 
 
 
 
39 
 
2.- MATERIALES Y DISPOSITIVOS 
 
2.1.- MUESTRAS DE CRUDO MAYA 
 
 Las muestras de petróleo crudo se obtuvieron del área Altamira de 
PEMEX Exploración y Producción campos Tamaulipas-Constituciones y 
Cacalilao, ubicado en las cercanías del centro de investigación CICATA-IPN 
unidad Altamira. Una de las ventajas geológicas de la región es la variedad de 
tipos de petróleo crudo existentes. 
 
 Se usó una muestra de crudo para este estudio, que fueron adquiridos por 
PEMEX Exploración y Producción las muestras fueron recolectadas de los pozos 
de los campos, Tamaulipas-Constituciones (Tabla 1). 
 
 
Tabla 1.- Crudo Tamaulipas-Constituciones. Datos del Laboratorio Arenque 
 
NO. CARACTERÍSTICAS MÍNIMA NORMAL MÁXIMA 
1 º API 15.0 16.54 17.0 
2 % DE AGUA, 35 68 98 
3 SAL, LBS/1000 BBL 1,150 1,230 1,480 
4 VISCOSIDAD @ CST100 ºF 123 110 90 
5 % AZUFRE 4.9 5.0 5.3 
 
 
2.2.- MEDIDOR DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS 
 
 Las variables a considerar son la capacitancia que está en función de la 
constante dieléctrica. 
 
2.2.1 Equipo. 
 
 El equipo fue concebido, diseñado y construido para aplicar una corriente 
constante sobre un dieléctrico y medir el tiempo carga eléctrica (Figura 2). 
 
 
40 
 
 
 
Figura 2.- Equipo medidor de constantes dieléctricas. Laboratorio CICATA Altamira. 
 
 
 
2.3.- EQUIPO DE IRRADIACIÓN DE MICROONDAS 
 
 Las variables a considerar son la temperatura de la emulsión y el tiempo 
de irradiación durante la irradiación de microondas. 
 
2.3.1 Equipo. 
 
 El equipo fue concebido, diseñado y construido para irradiar emulsiones y 
medir la temperatura en un tiempo predeterminado. Los módulos de control 
fueron diseñados para medir la temperatura y controlar el magnetrón (Figura 3). 
Diseñado con un magnetrón LG-2M213 que trabaja a una frecuencia de 2460 
MHz y potencia de salida de 950 W. Para medir la temperatura de las muestras 
se utilizó un sensor infrarrojo (Raytek modelo RAYTXSLTCF1), junto con el 
programa DataTemp Multidrop. El cual permite medir en tiempo real la 
temperatura durante la irradiación. 
 
 
 
41 
 
 
 
Figura 3.- Equipo de Irradiación de Microondas, reconfigurado. Laboratorio CICATA Altamira. 
 
 
 
2.4.- EQUIPO DE SIMULACIÓN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 
 
 
 Es una herramienta de modelación y análisis para hacer prototipos 
virtuales de fenómenos físicos, puede modelar virtualmente cualquier fenómeno 
físico que pueda describirse con ecuaciones diferenciales parciales (EDPs), 
incluyendo transferencia de calor, movimiento de fluidos, electromagnetismo y 
mecánica. 
 
 Para desarrollar la simulación se utilizó una computadora con las 
siguientes características: 
 
Marca: HP 
Sistema Operativo: Windows 7 Profesional 
Procesador: Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E7500 @ 2.93Ghz 
Memoria: 1.00 GB 
 
 
 
42 
 
Se usó un Programa de simulación de las siguientes características: 
 
Programa: Comsol Multiphysics 4.4 
Módulos: Convección y Conducción, RF y Materiales. 
 
 
 
 
43 
 
3.- METODOLOGÍA DE EXPERIMENTACIÓN 
 
3.1.- MEDICIÓN DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS DE 
MUESTRAS DE CRUDO DEL PROCESO DE DESHIDRATADO Y 
DESALADO DEL CAMPO TAMAULIPAS-CONSTITUCIONES. 
 
Se recolectan muestras del campo de extracción Tamaulipas-
Constituciones, posteriormente son llevadas al laboratorio y con la ayuda del 
equipo de medición de constantes dieléctricas se introducen a la celda de 
muestro haciéndoles pasa una corriente eléctrica para conocer el valor de su 
capacitancia y por consecuencia la constante dieléctrica de la muestra. 
 
 
3.2.- MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN EL EQUIPO DE 
LABORATORIO EXPERIMENTAL PARA IRRADIAR CON 
MICROONDAS MUESTRAS DE CRUDO DEL PROCESO DE 
DESHIDRATADO Y DESALADO DEL CAMPO TAMAULIPAS-
CONSTITUCIONES. 
 
Se preparan 50 mL de muestras obtenidas del campo Tamaulipas-
Constituciones para posteriormente introducirlas al equipo de laboratorio 
experimental donde serán irradiadas durante 30 y 60, registrando durante todo 
ese tiempo la temperatura del experimento. 
 
3.3.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 DEL EQUIPO 
DE LABORATORIO PARA MEDIR LA TEMPERATURA EN EL 
PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO 
UTILIZANDO MICROONDAS. 
 
Mediante el programa de simulación COMSOL Multiphysics 4.4 se 
construye el equipo de laboratorio experimental para irradiar con microondas 
 
 
44 
 
muestras de crudo, dándole las condiciones reales tanto del equipo como de las 
muestras introducidas en la cavidad resonante. 
 
3.4.- SIMULACIÓN EN COMSOL MULTIPHYSICS 4.4 UN 
APLICADOR DE MICROONDAS EN PLANTA PILOTO PARA EL 
PROCESO DE DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO. 
 
 
Mediante el programa de simulación COMSOL Multiphysics 4.4 se 
construyen diferentes geometrías para el diseño de un aplicador de microondas 
en planta piloto para el proceso de deshidratado, simulando la irradiación de 
muestras de crudo de los campos Tamaulipas-Constituciones. 
 
 
 
 
45 
 
4.- RESULTADOS 
 
4.1.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO Y MEDICIÓN DE 
CONSTANTES DIELÉCTRICAS 
 
4.1.1 Construcción del Equipo de Medición de Constantes Dieléctricas. 
 
 La concepción, el diseño y la construcción del medidor de constantes 
dieléctricas se desarrolló completamente en CICATA Altamira y se basa en las 
características físicas de un condensador. La capacitancia de un condensador 
depende de la separación entre las placas o electrodos de su superficie y de la 
constante dieléctrica del material entre las placas. En el caso de un condensador 
plano, la capacidad se expresa por la siguiente ecuación: 
 
 
d
A
=C r 0
, (1) 
donde: 
 
C = Capacitancia (F, Faradios) 
 
0 = Constante dieléctrica del vacío (F/m) 
 
r = Constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre 
las placas 
 
A = El área efectiva de las placas (m2) 
 
d = Distancia entre las placas o espesor del dieléctrico (m) 
 
 
 
 
46 
 
 Efectuando la simulación mediante el circuito que se muestra en la figura 
4 para un capacitor de 1 Faradio tardaría 1s en alcanzar 1V, como se muestra en 
la figura 5, la línea indica el voltaje en aumento en el capacitor bajo prueba. 
 
Figura 4.- Diagrama para simular una Fuente de Corriente Continua aplicada a un capacitor de 
prueba. 
 
 
 
 
Figura 5.- Simulación de un capacitor de 1 F. 
 
 
 Efectuando la simulación para un capacitor de 2F, tardara 1s (Figura 6) en 
alcanzar 0.5V, la línea indica el voltaje en aumento en el capacitor bajo prueba. 
La capacitancia está en función del tiempo t que tarda el capacitor en alcanzar 
determinado voltaje, por ejemplo en esta simulación, 1V. 
 
 
V
o
l
t
a
j
e 
Tiempo 
 
 
47 
 
 
 
Figura 6.- Simulación de un capacitor de 2 F. 
 
 
 Mediante la implementación de un microcontrolador es posible realizar la 
medición del tiempo t y, por consiguiente, la medida de la capacitancia que está 
en función de las propiedades dieléctricas. También es importante recalcar que 
esta técnica permite hacer mediciones de capacitancias mayores de 1F. 
 
 
Figura 7.- Fuente de Corriente Constante de 195 mA. 
 
 La fuente de corriente está compuesta por un transistor PNP (Figura 7) 
configurado en emisor común, al cual se le aplica un voltaje constante de 5V a 
la base lo que polariza la unión base-emisor, y la corriente de salida es igual a la 
Tiempo 
V
o
l
t
a
j
e 
 
 
48 
 
corriente de colector que, a su vez, si se desprecia la corriente de base, es igual 
a la corriente de emisor. De esta forma )( 1 ebee RVVI  , donde e
I es 
la corriente en el emisor del transistor, 
1V es el voltaje de entrada, beV es el 
voltaje base-emisor y eR es la resistencia en el emisor del transistor. Como 
VV 51  , VVbe 7.0y  22eR son constantes, entonces mAIe 195 
también es constante. La corriente de colector pasará por la carga conectada de 
éste a la fuente de 12 V. Si un capacitor es conectado entre colector y la fuente 
de 12V entonces su voltaje Vcap aumentará linealmente: 
 
mAIc 19522)7.05(  (2) 
 
 El módulo de medición de constante dieléctricas (Figura 8) funciona de la 
siguiente manera, un micro-controlador ATmega8535 (1) acciona un primer 
relevador (2), el cual conecta el dieléctrico a prueba (3) una fuente de corriente 
constante (4), todo esto al mismo tiempo en que un contador interno de 16 bits 
comienza una cuenta ascendente, cronometrando el tiempo (t), mientras el 
voltaje en el capacitor sube linealmente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
49 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8.- Foto y Diagrama del Medidor de Constantes Dieléctricas. 
1) 
2) 
3) 
4) 
Dieléctrico 
Medidor de Constantes 
Dieléctricas 
Osciloscopio Digital 
Dieléctrico 
Microcontrolador 
Relevador 
A 
Relevador 
B 
Fuente de 
Corriente 
Constante 
Pantalla Resistencia 
 
 
50 
 
 
Debido a que la corriente del capacitor es igual a Ic 
 
 
 
 , 
 
 
 
 , 
 
 
 
 . (3) 
 
 
 Seleccionando un Vcap =1.95V, la medición en tiempo es directa y no 
requiere más tiempo de cómputo del micro-controlador. Al implementar la 
ecuación 1 y despejando en función de la constante dieléctrica se obtiene la 
ecuación 4: 
 
 
0

C
A
d
=r (4) 
 
dttI
C
V
t
cCAP  0 )(
1
 
t
CAP mA
C
V
0
195
1

capV
tmA
C
*195

 
 
51 
 
 
Figura 9.- Comparador de Precisión a 1.95 V. 
 Un comparador de precisión (Figura 9) detecta el momento en que Vcap 
alcanza un nivel preestablecido (1.95V), en este momento envía una señal de 
comando que detiene el contador del micro-controlador que registra el tiempo 
que tardó en alcanzar el voltaje. El relevador dos se conecta en paralelo con el 
capacitor y con una resistencia que permite que se descargue el capacitor y 
quede listo para la siguiente medición (Figura 10). 
 
 
 
 
 
 
52 
 
 
 
Figura 10.- Relevador de Descarga. 
 
 
 
 
 
 
53 
 
 
 
Figura 11.- Alambrado del Medidor de Constantes Dieléctricas. 
 
 
 Tradicionalmente se usan fuentes de voltaje que aplican una señal 
escalón a un circuito RC de primer orden, y se mide el tiempo en alcanzar la 
primer constante de tiempo es decir el 63% del voltaje aplicado, este circuito 
tiene la desventaja de que su respuesta no es lineal, lo que provoca que no 
tenga la suficiente precisión para arrojar un resultado confiable. Con una 
fuente de corriente en lugar de una de voltaje se obtiene una respuesta lineal lo 
que aumenta el grado de confiabilidad. Este circuito (Figura 11) puede medir 
teóricamente hasta 65 F lo que tardaría 65 segundos. 
 
4.1.2 Medición de Constantes Dieléctricas 
 
 Se analizaron dos muestras de líquidos, la primera es agua destilada y la 
segunda es agua emulsionada tomada de los Campos de Extracción de Petróleo 
 
 
54 
 
Tamaulipas-Constitución. Cada muestra contiene 80 mL y fue irradiada durante 
30 segundos. Se tomó su temperatura y capacitancia al inicio y al final, para 
posteriormente simularlo en COMSOL y analizar los datos. 
 
4.1.2.1 Muestra de Agua Destilada. 
 
En la figura 12 se visualizan dos señales del osciloscopio digital de la marca 
Tektronix modelo TDS1001B. Con la ayuda del módulo de medición de 
constante dieléctrica descrito anteriormente, donde la señal 1 muestra el tiempo 
inicial (to), cuando la fuente de corriente constante es conectada en serie con la 
muestra de agua destilada y cuando se llega al voltaje predeterminado se 
detiene el reloj interno del micro-controlador. En la señal 2 se muestra el tiempo 
final (tf). El tiempo que tarda en llegar al voltaje predeterminado es de 6 ms lo 
que nos da una carga de 1.17 mC y una capacitancia de 600 μF. 
 
 
Figura 12.- Muestra de agua destilada en el tiempo inicial a una temperatura inicial de 27 °C. 
T0= 27 °C 
Q= Ixt = (195 mA)(6ms)= 1.17 mC 
C= Q/V = (1.17mC)/(1.95 V)= 600 μF 
 
 
 
 
 
 
55 
 
 
En la Figura 13 se observa la misma muestra de agua destilada después de ser 
irradiada durante 30 segundos, donde la temperatura final es de 76.4 °C, con 
una carga de 1.17 mC y una capacitancia de 600 μF. 
 
 
Figura 13.- Muestra de agua destilada en el tiempo final a una temperatura final de 76.4 °C. 
 
 De los resultados obtenidos en la muestra de agua destilada al ser 
irradiada durante 30 segundos, se puede apreciar que no hay modificación en la 
capacitancia, y por consiguiente no se modifica su constante dieléctrica. 
4.1.2.2 Muestra de Emulsión de Petróleo. 
En la figura 14, se observa una muestra de emulsión de petróleo antes de 
ser irradiada con microondas, la temperatura inicial es de 27°C con una carga de 
3.37 mC y una capacitancia de 1.73 μF. 
Tf= 76.4 °C 
Q= Ixt = (195 mA)(6ms)= 1.17 mC 
C= Q/V = (1.17mC)/(1.95 V)= 600 μF 
 
 
 
 
 
56 
 
 
 
Figura 14.- Muestra de emulsión de petróleo agua en el tiempo Inicial a una temperatura Inicial 
de 27°C. 
 
 En la Figura 15 se observa la misma muestra de emulsión de petróleo 
después de ser irradiada durante 30 segundos, donde la temperatura final es de 
83.5 °C, con una carga de 8.28 mC y una capacitancia de 4.25 mF. 
 
T0= 27 °C 
Q= Ixt = (195 mA)(17.3 ms)= 3.37 mC 
C= Q/V = (3.37mC)/(1.95 V)= 1.73 mF 
 
 
 
 
 
 
57 
 
 
Figura 15.- Muestra de emulsión de petróleo-agua en el tiempo final a una temperatura final de 
83.5 °C. 
 Se puede observar en la figura 4.15, los resultados obtenidos en la 
muestra de emulsión de petróleo al ser irradiada durante 30 segundos donde 
hay una modificación de la capacitancia y un incremento de la temperatura 
mayor que el agua destilada, esto es debido a la modificación de la constante 
dieléctrica al ser irradiada con microondas y a una mayor absorción de energía 
electromagnética. 
 
Tf= 83.5 °C 
Q= Ixt = (195 mA)(42.5 ms)= 8.28 mC 
C= Q/V = (8.28mC)/(1.95 V)= 4.25 mF 
 
 
 
 
 
58 
 
4.2.- CONSTRUCCIÓN DE EQUIPO DE LABORATORIO Y 
MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE 
DESHIDRATADO Y DESALADO DE CRUDO UTILIZANDO 
MICROONDAS. 
 
 
 Mediante los módulos de medición de temperatura y control de disparo y 
potencia del magnetrón se diseñó el equipo de laboratorio necesario para 
introducir muestras de petróleo y medir la temperatura en el proceso de 
deshidratar y desalar. 
 
4.2.1 Modulo de Temperatura. 
 La temperatura del material es uno de los parámetros más difíciles de 
determinar en una cavidad multimodal, donde se encuentra activo un campo 
electromagnético. Cuando no hay exactitud en su determinación o se presenta 
perturbación del campo electromagnético debido a la presencia misma de los 
sensores, pueden ocurrir mediciones erróneas de la temperatura de 
procesamiento y por consiguiente llegarse a conclusiones equivocadas sobre la 
verdadera eficiencia energética de un proceso. Las técnicas de determinación 
óptica e infrarroja de la temperatura de un material sometido a tratamiento 
térmico son tal vez las más utilizadas en el procesamiento con microondas. 
 
 Las microondas calientan la muestra desde su interior y no desde sus 
alrededores, por consiguiente, los sensores deben mantener un buen contacto 
térmico con la muestra. La medición de temperatura, en un procesamiento con 
microondas, no es un problema trivial y requiere de un estudio minucioso, 
máxime cuando su precisión y exactitud son de gran importancia. El equipo está 
basado en un medidor de temperatura por infrarrojo que se comunica a la 
interfaz gráfica por medio del protocolo Hart, como se muestra en la figura 16. 
 
 
59 
 
 
Figura 16.- Módulo de Medición de Temperatura.4.2.1.1 Medición de Temperatura Infrarroja. 
 Todo emite una cantidad de radiación infrarroja de acuerdo a su 
temperatura superficial. La intensidad de los cambios de radiación infrarroja es 
de acuerdo con la temperatura del objeto. Dependiendo de las propiedades del 
material y de la superficie, la radiación emitida se encuentra en un intervalo de 
longitud de onda de aproximadamente 1 a 20 µm. La intensidad de la radiación 
infrarroja ("radiación de calor") es dependiente del material. Para muchas 
sustancias es conocida esta constante dependiente del material. 
 Los termómetros infrarrojos son sensores óptico‐eléctricos. Estos 
sensores son capaces de detectar “radiación de calor”. Los termómetros 
infrarrojos se componen de una lente, un filtro espectral, un sensor y una unidad 
de procesamiento de señal electrónica. La función del filtro espectral es 
seleccionar el espectro de longitud de onda de interés. El sensor convierte la 
radiación infrarroja en un parámetro eléctrico. Como la intensidad de la radiación 
infrarroja depende del material, la emisividad requerida puede ser seleccionada 
por el sensor. La mayor ventaja de los termómetros infrarrojos es la habilidad de 
poder medir sin contacto. En consecuencia, las temperaturas de superficie de 
objetos en movimiento o difíciles de alcanzar fácilmente se pueden medir. 
 
4.2.1.2 Distancia y Tamaño del Puntero. 
 El tamaño del puntero deseado sobre el objetivo determinará el máximo 
de distancia medida y la longitud de foco necesaria del módulo óptico. Para 
Medidor de 
Temperatura 
por Infrarrojo 
Protocolo 
Hart 
Computadora 
 
 
60 
 
evitar lecturas erróneas el tamaño del puntero debe ser menor al objeto (Figura 
17). 
 
 
 
 
Figura 17.- Emplazamiento Óptico del Sensor. 
 
4.2.1.3 Temperatura Ambiente 
 La cámara infrarroja está diseñada para mediciones en temperatura 
ambiente entre 0 y 70ºC (32 a 160ºF). En condiciones ambientes superiores a 
70ºC (160ºF) está disponible una carcasa refrigerada por aire/agua que permite 
trabajar en condiciones de hasta 120ºC (250ºF) con refrigeración por aire y hasta 
175ºC (350ºF) con refrigeración por agua. Cuando se usa la carcasa refrigerada 
por agua se recomienda usar el collar de purga de aire para evitar la 
condensación de las lentes. En condiciones superiores a 315ºC (600ºF) se debe 
usar la carcasa de la chaqueta térmica debería ser usada. 
4.2.1.4 Cualidad Atmosférica 
 Con el objetivo de prevenir el daño de las lentes y las lecturas erróneas, 
las lentes deben ser siempre protegidas del polvo, humos y otros contaminantes. 
No usar derivados del aceite para la limpieza del instrumento de aire. 
 
 
61 
 
4.2.1.5 Interferencia Eléctrica 
 Existen tres recomendaciones para minimizar la interferencia eléctrica y 
electromagnética: 
• Montar el sensor lo más lejano posible de fuentes de interferencia como 
pueden ser equipos motorizados. 
• Asegurar una instalación aislada del sensor 
• Evitar de que la protección del cable del sensor este fijada a un punto de 
tierra en una localización. 
4.2.1.6 Modelo Smart 
 El modelo Smart tiene una terminal de 3 pernos para la conexión al bucle 
de corriente de 4 a 20 mA y a la salida de Alarma. 
4.2.1.7 Protocolo HART. 
 Originalmente, la transmisión de información era sólo en una dirección, 
desde el sensor hasta el controlador del proceso. Los parámetros para 
monitorear la producción de un producto no cambiaban. Para poder usar el 
mismo equipo tecnológico para manufacturar múltiples productos diferentes, 
debe ser posible alterar rápidamente muchos parámetros del proceso. Esto tiene 
un efecto sobre los sensores. Para medir intervalo, precisión y valores de alarma 
éstos deben ser redefinidos, lo anterior, porque sería extremadamente 
inconveniente si fuera necesario reprogramar cada vez el sensor. 
 El protocolo HART permite la aplicación de sensores inteligentes, estos 
sensores pueden ser programados desde el cuarto de control. Esto significa que 
la información es transmitida en dos direcciones. El sensor mide valores 
analógicos y señales digitales desde el cuarto de control de forma bidireccional. 
 
 
62 
 
La superposición de señales digitales y analógicas es descrita por el protocolo 
HART. 
 Los sensores que son programados de este modo son llamados Smart. 
Aparte del modelo Smart un adaptador HART (RS232) está disponible. Este 
adaptador permite programar sensores infrarrojos usando una computadora con 
un interfaz RS232. 
 4.2.1.8 Adaptador HART RS232. 
 El Adaptador HART (Figura 18) permite ambos ajustes remotos y procesar 
la señal de uno o más sensores en un bucle de corriente de 4 a 20 mA. Con un 
software especializado se puede instalar en una computadora con un sistema 
operativo comercial. El adaptador tiene un conector terminal de 25 pines para 
conectarlo a un interfaz RS232, los tornillos para la conexión a un bucle de 
corriente 4 a 20 mA y la terminal 4 (S2) y terminal 5 (S1) se suministran. 
 
Figura 18.- Adaptador HART RS232. 
 
 
 
 
63 
 
Instalación del modelo SMART (Figura 19 y 20). 
 
 
 
Figura 19.- Instalación típica del modelo SMART usando resistencia externa. 
 
 
Figura 20.- Instalación típica del modelo SMART usando resistor interno. 
 
 
4.2.1.9 Configuración del sensor Raytek Thermalert TX 
 Debido a los datos encontrados en el manual del sensor Thermalert TX de 
la marca Raytek, se procedió a realizar la configuración y prueba del equipo, con 
ayuda de un programa del fabricante del sensor, esto fue para poder comprobar 
el funcionamiento. La configuración más adecuada para esta aplicación (ya que 
no se contara con controladores o displays HART), es la configuración tipo 
SMART usando resistor interno (Figura 21 y 22). 
 
 
 
64 
 
 
 
Figura 21.- Conexión del sensor Raytek. 
 
 
 
Figura 22.- Conexión y pruebas con el sensor Raytek. 
 
 
4.2.1.10 Desarrollo de la interfaz gráfica en Labview para adquisición de 
temperatura. 
 Con los datos del sensor de temperatura que se utilizará, se procede a 
realizar la conexión con la PC, por medio del puerto serie con el protocolo RS-
232 en el programa Labview de National Instruments. La configuración del 
puerto quedó de acuerdo a las especificaciones del adaptador HART a RS-232 
del sensor de temperatura (Figura 23). 
 
 
 
65 
 
 
 
Figura 23.- Configuración del puerto serie en Labview. 
 
 
 Para poder comunicarse con el instrumento y con el protocolo HART, se 
usan diferentes comandos de los cuales solo se ocupara el #3 Leer Variables 
Dinámicas y Valor Principal de Corriente (read dynamic variables and PV 
current). Esto da como respuesta el valor de corriente de 4-20 mA, temperatura 
del sensor, temperatura del objeto y temperatura promedio del objeto. 
 
 Sólo se ocupará la variable principal, que indica la temperatura del objeto 
después de las funciones de procesamiento de señales del sensor. Cuando se 
recibe la señal en el programa de Labview los datos se envían a una gráfica la 
cual mostrará el comportamiento de la temperatura del objeto que esté 
irradiándose con las microondas (Figura 24). 
 
 
 
 
66 
 
a) 
 
b) 
 
Figura 24.- a)Variables del sensor mostradas en panel frontal y b) conexión a la gráfica. 
 
 
4.2.1.11 Seguridad del sistema 
 Para mantener la seguridad de los operarios del sistema y del equipo, se 
usarán unas protecciones en el software (Figura 25), para complementar las que 
tiene el hardware. Si se considera necesario se añadirán protecciones o se 
corregirán las que se están sugiriendo, de acuerdo al éxito o fracaso en las 
pruebas del equipo. 
 
 
 
67 
 
Paro de emergencia. El panel frontal posee un pulsador de emergencia 
activado por el operador cuando se presente alguna anomalía en el proceso o 
simplemente para terminar el proceso antes del tiempo programado. 
 
Temperatura máxima. Es un valor que el usuario