Cavitación hidrodinámica en petróleo, combustibles y biogás

Tres usos, una pregunta

En petróleo, combustibles y biogás, los estudios usaron la cavitación para tres tareas: fluidificar o craquear parcialmente el crudo pesado, mezclar aceite y alcohol en la producción de biodiésel, y romper el sustrato del digestor para que los microorganismos puedan alcanzarlo. Casi todo el trabajo se hizo a escala de laboratorio o piloto. En cada caso, la pregunta práctica es la misma: ¿supera la ganancia a la energía gastada en bombear el líquido a través del dispositivo de cavitación? Cómo se forma la cavitación y qué produce su colapso se explica en Qué es la cavitación hidrodinámica y en Qué le hace la cavitación al agua.

Crudo pesado y residuos

La cavitación redujo la viscosidad del crudo pesado solo de forma moderada, y sobre todo cuando se añadió un donante de hidrógeno. Los revisores explican que los donantes de hidrógeno convierten las moléculas pesadas en otras más ligeras Cako et al., 2022; en un estudio, el donante aportó hidrógeno que cerró los radicales de hidrocarburo formados por la cavitación Wan et al., 2019.

• Un equipo de 300 L. Un crudo pesado con una viscosidad de 355 mPa·s a 50 °C se hizo pasar repetidamente por un chorro cavitante, con una bomba que entregaba unos 75 L/min. Sin donante, la viscosidad bajó como máximo un 5,35 %. Con un 3 % y un 6 % de tetralina (tetrahidronaftaleno), bajó un 11,03 % y un 15,7 % tras 10 pasadas, medido respecto del crudo ya diluido por el donante. La viscosidad no se había recuperado una semana o más después Wan et al., 2019.
• Estudios revisados. En un estudio con diodo de vórtice, la viscosidad primero subió durante la cavitación y luego bajó; con gasolina como donante, bajó casi un 19 % en 15 minutos. Un orificio redujo un 17,9 % en 60 minutos la viscosidad de un residuo de vacío mezclado con queroseno Cako et al., 2022.
• Un resultado marginal. En otro estudio, la cavitación elevó entre un 3 % y un 7 % las fracciones ligeras e intermedias de un crudo, pero modificó su densidad y su viscosidad solo marginalmente Ansari et al., 2015.

La revisión calificó de insuficientes los datos sobre boquillas de cavitación y generadores térmicos de vórtice aplicados al crudo pesado Cako et al., 2022. La cavitación del crudo pesado, junto con las nanoburbujas en la recuperación de petróleo, se trata en Recuperación mejorada de petróleo (EOR).

Desulfuración de combustibles

La cavitación se ha combinado con oxidantes para retirar azufre de los combustibles. En la desulfuración oxidativa de diésel en laboratorio, con peróxido de hidrógeno como oxidante y ácido fórmico como catalizador, la cavitación alcanzó un 95 % de desulfuración con una caída de presión de 4,2 bar en 29 minutos Baradaran & Sadeghi, 2019. La revisión de 2022 encontró que los diodos de vórtice y los orificios simples lograron más del 95 % de desulfuración Cako et al., 2022. Como en el tratamiento de agua, la cavitación intensificó la química en lugar de sustituirla.

Biodiésel: mezclar dos líquidos que apenas se mezclan

El biodiésel se produce haciendo reaccionar aceite vegetal o grasa con un alcohol, como el metanol, y ambos apenas se mezclan. En los reactores asistidos por cavitación, las burbujas finas y los chorros rápidos de alcohol actúan en la interfaz aceite–alcohol Cako et al., 2022.

• Reactores revisados. Los reactores de orificio múltiple alcanzaron un rendimiento de biodiésel del 99 % en 5 minutos, con un costo estimado de 4,80 USD/m³, frente al 95 % en 90 minutos y 6,7 USD/m³ de un baño ultrasónico Cako et al., 2022. La reacción y estas comparaciones se tratan con más detalle en Agua de producción y combustibles.
• Un reactor continuo. Un reactor de rotor de laboratorio, operado en continuo a 60–105 mL/min, dio rendimientos de ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) superiores al 96,5 %, conforme a la norma EN 14103, a partir de aceite de soya y aceites de cocina usados. Consumió menos energía y alcanzó una temperatura máxima menor que la transesterificación convencional Vera-Rozo et al., 2025.

Qué muestran los modelos de costo

Dos simulaciones de proceso analizaron si la cavitación cambia la economía de una planta de biodiésel. Ninguna es un registro de una planta en operación.

• Energía frente a costo. Sustituir el reactor convencional por un reactor de cavitación redujo en torno a un 40 % la energía del proceso. Los costos totales apenas se movieron: 820 €/t con cavitación frente a 830 €/t sin ella, con aceite virgen. La materia prima pesó mucho más: a partir de aceite de cocina usado, los costos bajaron a unos 290–300 €/t Innocenzi & Prisciandaro, 2021.
• Costo de capital y de producto. Para una planta modelada que produce 100 t de biodiésel al día a partir de aceite de girasol, la cavitación tuvo una inversión de capital alrededor de un 65 % menor y un costo de producto un 10 % menor que la agitación mecánica. El valor actual neto dependió sobre todo del precio del aceite de girasol, y los autores señalaron que pocas plantas industriales de biodiésel usan cavitación Gholami et al., 2021.

Biogás: pretratamiento del sustrato

Desde el punto de vista energético, el pretratamiento compensa solo si el metano adicional supera la energía que consume. El mecanismo, en el que la cavitación rompe flóculos y células para que la hidrólisis avance más rápido, se trata en Biogás e hidrólisis de lodos, y los sustratos agrícolas en Cavitación hidrodinámica en agricultura y alimentos.

En una planta de biogás agrícola a escala real, la cavitación con 470 kJ/kg de sólidos totales elevó en torno a un 10 % la producción específica de metano durante casi seis meses de operación Garuti et al., 2018.

Un trabajo de laboratorio con lodo granular aerobio muestra cómo cambia el balance con el tiempo de tratamiento. La cavitación solubilizó el 37 % de la demanda química de oxígeno y el 42 % del carbono orgánico total, y el rendimiento de metano llegó a 496 mL por gramo de sólidos volátiles, un 19,6 % más que el lodo sin tratar, sin cambios en el contenido de metano del biogás. La mejor energía neta, 2.890 kWh por megagramo de sólidos totales, se obtuvo tras 15 minutos de tratamiento, no tras el más largo Zieliński et al., 2024.

También importa qué se contabiliza. Un estudio con un dispositivo de cavitación de vórtice advirtió que los cálculos de energía neta suelen omitir la energía usada para moler el sustrato. Su bagazo molido y cavitado igualó la energía neta del bagazo sin moler solo si la molienda consumía como máximo 700 kWh por tonelada Nagarajan & Ranade, 2022. Los resultados de desintegración de lodos se encuentran en Cavitación hidrodinámica en el tratamiento de aguas.

Contabilizar la energía

La revisión de 2022 sobre cavitación en combustibles pidió estudios a escala piloto para obtener costos energéticos fiables, una descripción completa de la geometría del dispositivo en cada artículo y la inspección de las cámaras de cavitación tras el tratamiento para detectar daños, porque la cavitación erosiona los equipos Cako et al., 2022. Un sitio que evalúe la cavitación contabilizaría la energía de bombeo, cualquier molienda o calentamiento y el desgaste del dispositivo, y los compararía con la ganancia en viscosidad, rendimiento o metano.