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Diseño y simulación de un planta productora de biodiesel a partir de jatropha de curcas

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

DISEÑO DE PROCESOS EN INGENIERÍA QUÍMICA 1

DR. EDGAR AYALA HERRERA

DISEÑO Y SIMULACIÓN

FABIOLA DEL CARMEN ROBLES MEZA

14 DE JULIO DE 2013

Diseño de Procesos Químicos BUAP

Frente a la amenaza de cambio climático derivado por las elevadas emisiones de CO2 (y el efecto invernadero que provocan) ha llevado a la humanidad a investigar y desarrollar las energías limpias. El 13% del CO2 total, causante del aumento de la temperatura atmosférica, es generado por los motores de los automóviles (aunque en USA esta cifra se eleva al27%), y si se mide en áreas de alta concentración urbana, aumenta

significativamente.No hay que olvidar que las reservas petroleras se agotarán en un futuro mediato (hay quienes creen que ocurrirá en un plazo de 25 – 30 años).El biodiesel puede producirse a partir de una gran variedad de oleaginosas, de grasas animales y grasas recicladas. Al igual que el diesel del petróleo, el biodiesel funciona en los motores de combustión interna.

Un programa nacional de biodiesel debería basarse en un esquema diverso e integrado regionalmente tanto en aspectos de la demanda y procesamiento, utilizando plantas de distintos alcances tanto en composición como en costos como en la oferta de cultivos. En todos los casos el énfasis de un programa de biodiesel es la creación de valor agregado y empleo en México. Para esto se recomienda que la producción y procesamiento de este combustible se haga con tecnología diseñada y construida localmente.

Este proyecto contiene un estudio sobre las posibilidades del biodiesel como combustibles para el transporte en Puebla.Aunque existen aspectos comunes a estos combustibles, la problemática y las opciones tecnológicas y de política son muy específicasLa producción de biodiesel a escala comercial puede ser factible en Puebla en el mediano plazo de realizar acciones

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INTRODUCCIÓN


integrales que deben incluir aspectos técnicos, económicos y medioambientales, de común acuerdo con el sector agrario y agroindustrial así como un esfuerzo importante en investigación y desarrollo tecnológico.

En este proyecto se estudio como materia prima para este combustible a la semilla de jatrophacurcas (piñón). El biodiesel producido a partir de piñones técnicamente viable aunque no se tiene tanta experiencia a nivel internacional.El análisis económico muestra que en todos los casos los precios de producción del biodiesel son mayores que el costo de oportunidad del diesel comercializado por PEMEX. En este sentido, la situación en México no es muy diferente de la de otros países, pero es más evidente dado el bajo costo del diesel de petróleo, el cual cuenta incluso con subsidios especiales dentro del sector agrícola. Los costos de producción del biodiesel tienen un rango de entre $5.3 a $12.4 pesos por litro equivalente. Los cultivos más competitivos son la palma, girasol y soya. Pero en el “piñón” debe resolverse el problema de posibles toxinas en la glicerina y otros subproductos generados en el proceso. En muchos casos, como la soya, estos costos dependen en gran medida de la posibilidad de vender los subproductos agrícolas.Al igual que en el caso del etanol, se sugiere una estrategia gradual de introducción del biodiesel en México. De manera inmediata, la introducción del biodiesel podría basarse sobre todo en el uso de materias primas de bajo costo como aceites y grasas recicladas. Se necesitara aumentar de manera muy significativa el área de cultivos oleaginosos, puesto que nuestro país no cubre actualmente ni siquiera la demanda de aceites comestibles.

Para optimizar el suministro de los cultivos agrícolas, y reducir el costo de distribución de biodiesel y sus subproductos, las plantas de producción deben instalarse en las cercanías de refinerías o de las plantas productores de aceites vegetales.Las ventajas del biodiesel serían muy importantes. Desde el punto de vista ambiental, la sustitución de diesel de petróleo

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por biodieselpermitiría ahorrar alrededor de 1.7 millones de toneladas de CO2/año hacia el año 2013 y 7.5 millones de toneladas de CO2/año hacia el 2017.Dentro del sector rural, un programa de introducción de biodiesel podría presentar un balance ecológico positivo y ayudar al desarrollo de las economías regionales y locales. Para lograr estos objetivos es muy importante que no se pretenda desequilibrar el proceso ecológico en las regiones con cultivos que vallan en contra de los adecuados a la región (en cuanto a la temperatura, msnm, suelo).

Ante el grave problema de la contaminación ambiental, el hecho de que las reservas de combustibles fósiles se agotarán en un futuro y el incremento del precio internacional del crudo muchos países han decidido impulsar el desarrollo y uso de fuentes de energías alternativas, que ofrecen grandes ventajas sobre las fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. En este año, México ha considerado el uso de energías alternativas como el biodiesel, el bioetanol, la energía solar y eólica entre otras. De acuerdo al último estudio de la Secretaría de Energía (SENER, 2006), la producción de biodiesel a escala comercial puede ser factible en el mediano plazo de realizar acciones integrales que deben incluir aspectos técnicos, económicos y medioambientales, de concertación con el sector agrario y agroindustrial, así como un esfuerzo importante en investigación y desarrollo tecnológico.Existen otras fuentes vegetales silvestres en México con alto contenido de aceite, como la Jatropha curcas L. (piñón, piñoncillo o pistache mexicano) que no forma parte de los cultivos básicos y que por sus ventajas agronómicas es interesante y que puede dar un impulso a la agricultura en la República Mexicana.

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La utilización de biocombustibles en la actualidad es de gran importancia ya que es una gran herramienta para evitar el deterioro ambiental ya que su uso permite la disminución de gases que provocan el efecto invernadero.El análisis de las ventajas económicas del proceso de Biodiesel por medio experimental y el análisis de materias primas y costos es de alto costo económico así que por el momento será

atraves de resultados no experimentales y más bien de simulación.Al usar el simulador (CHEMCAD) nos permitirá realizar estudios a nivel industrial y poder comparar acerca de los rendimientos para nuestra materia prima.

La posibilidad de un diseño técnico propuesto para la instalación de nuestra planta productora de biodiesel a partir de la simulación de un solo diagrama de procesos a partir de nuestra materia prima utilizada.

El objetivo principal de este proyecto es presentar la importancia de utilizar biodiesel como una fuente complementaria de energía a partir de aceites con bajo costo de cultivo, no alimenticia (preferentemente) y de buena adaptación a la región poblana.

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JUSTIFICACIÓN

HIPÓTESIS

Objetivo

general


Realizar un proceso de producción de biodiesel a partir de una reacción de transesterificacionde elacido graso del aceite de la jatropha de curcas (piñón) apoyándonos en el simulador CHEMCAD.

El uso por primera vez de aceites vegetales como combustibles, se remonta al año de 1900, siendo Rudolph Diesel, quien utilizara por primera vez en su motor de ignición compresión y quien predijera el uso de biocombustibles.Durante la segunda guerra mundial, y ante la escasez de combustibles fósiles, se destaco la investigación realizada por otto y Vivacqua en Brasil, sobre diesel de origen vegetal, pero fue hasta el él año 1970, que el biodiesel se desarrollo de forma significativa a raíz de la crisis energética que sucedía en el momento, y al elevado costo del petróleo.Las primeras pruebas técnicas con biodiesel se llevaron a acabo en 1982 en Austria y Alemania, pero solo hasta el año 1985 en Silberberg (Austria), se construyo la primera planta piloto productora.Hoy en día países como Alemania, Austria, Canadá, EUA, Francia, Italia, Malasia, Suecia; así como Brasil como país represéntate de aquellos países Latinoamericanos, son

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OBJETIVOS

PARTICULAR

ANTECEDENTES


pioneros en la producción, ensayo y uso de biodiesel en automóviles.

Antes de destacar el potencial del piñón mexicano, es conveniente explicar qué es el biodiesel, cómo se obtiene y cuáles son algunas de sus ventajas.

BIOCOMBUSTIBLES Los biocombustibles son

carburantes producidos a partir de biomasa (materia prima renovable), se pueden presentar en forma sólida como residuos vegetales, líquida como bio-alcoholes, biodiesel y gaseosa como biogás. Actualmente apuntan hacia un gran desarrollo dos tipos de biocombustibles: el biodiesel, obtenido a partir de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero; y el bioetanol, obtenido de materias primas ricas en azúcares mediante fermentación.

El biodiesel es un biocarburante líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, sus propiedades son similares a las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y número de cetano; además, presenta un punto de inflamación superior. El biodiesel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores e

incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente.

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MARCO TEORICO

BIODIESEL.


La definición de biodiesel por la ASTM (American SocietyforTesting and Material Standard) lo describe como mezcla de esteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, que se emplean en motores de ignición de compresión. Los ésteres más utilizados son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo costo y sus ventajas químicas y físicas.

Virtualmente, cualquier persona puede fabricar biodiesel debido a que se trata de un proceso simple a menudo comparado con la elaboración de la cerveza. Esto hace que el auto abastecimiento de

combustible sea posible para cualquiera. Además, todos los días se inventan nuevas máquinas y métodos para la elaboración de biocombustibles.

El Biodiesel se produce gracias a una reacción química denominada transesterificación, lo que significa que el glicerol contenido en los aceites es

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PRODUCCION DE

BIODIESEL¿Cómo se fabrica el biodiesel?


sustituido por un alcohol ante la presencia de un catalizador. En nuestro caso utilizaremos Metanol y NaOH (soda cáustica). Este es sólo un método posible para la elaboración de biodiesel.Los 3 Ingredientes NecesariosAceiteEl primer ingrediente es el aceite o la grasa. Uno puede, por supuesto, plantar girasol o soja y luego de cosecharlo, prensarlo para extraer el aceite, como sucede en muchos lugares del mundo donde se produce el biodiesel.Muchos productores rurales están convirtiéndose actualmente en económicamente independientes con respecto a la energía. Utilizan biodiesel en tractores y otras maquinarias agrícolas y muchas veces se utilizan los excedentes de biodiesel para generar electricidad.AlcoholEl segundo ingrediente es el alcohol. El Metanol se usa generalmente para la elaboración con aceites vegetales reciclados. Cuando se utilizan aceites nuevos, es posible la mezcla con etanol. Hay que aclarar que tanto el metanol como el etanol son materiales muy peligrosos.CatalizadorEl último ingrediente es el catalizador. Se pueden utilizar tanto el KOH (hidróxido de potasio) como el NaOH (hidróxido de sodio o soda caustica). La ventaja del KOH es que la glicerina que queda del proceso es mucho menos tóxica que cuando se utiliza NaOH. En este caso, es posible procesar la glicerina para producir un fertilizante artificial. El KOH tiene también la ventaja de que se disuelve mucho mejor en metanol. Sin embargo, la ventaja del NaOH es que es muy

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simple y barato de conseguir porque se lo utiliza normalmente como destapador de cañerías y a su vez es fácil de manipular.Asegúrese de utilizar NaOH con una pureza de por lo menos el 96%. El KOH de esa pureza es bastante difícil de encontrar, pero uno de entre el 92% y el 85% puede funcionar bien. Ambos, el NaOH y el KOH son químicos muy peligrosos. Hay que tomar precauciones cuando se utilizan estos químicos.

Actualmente todas las energías renovables juntas proveen alrededor del 19% de la energía mundial. De ellas, la mayor parte está representada la biomasa tradicional (principalmente leña: alrededor de 500 millones de familias en los países subdesarrollados

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PRODUCCION

MUNDIAL


la emplean para cocinar y calentarse) y sólo el 0.6% de la energía total proviene de los biocombustibles.

Producción de biodiesel en los Estados Unidos

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REACCIONES DE TRANSESTERIFICACIÓN DE TRIGLICÉRIDOS

Aunque la esterificación es un proceso posible, sin embargo el método utilizado comercialmente para la obtención de biodiesel es la transesterificación (también llamada alcohólisis).Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir ésteres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmética, alimentación, farmacia, etc.).

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Mecanismo de transesterificacion de catálisis ácida

Mecanismo de transesterificacion con catálisis básica

La reacción de transesterificación, que se presenta en la figura1, se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la metanólisis 1 mol de triglicérido con 3 moles de alcohol (aunque se añade una

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tipos


cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o la grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible con los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%.

Figura 1. Reacción de transesterificación.En figura 2 se presentan las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificación, la cual consiste químicamente en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado.

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Figura 2. Reacciones implicadas en la transesterificación.

En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, ya que sin él no sería posible esta reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, RSO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Cándida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. En el caso de la reacción de transesterificación, cuando se utiliza un catalizador ácido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos, por ello es frecuente la utilización de derivados de ácidos más activos.Sin embargo, la utilización de álcalis, que como se ha comentado es la opción más utilizada a escala industrial, implica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (<0,06 % v/v) para evitar que se produzca la saponificación. Además, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones.De esta manera las reacciones secundarias que se pueden dar son las siguientes:

Reacción de saponificación Reacción de neutralización de Ácidos grasos libres

El triglicérido reacciona con el catalizador básico, consumiendo éste, en presencia de agua dando lugar a la

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formación de jabones (reacción de saponificación), tal y como se puede ver en la figura 3.

Figura 3. Reacción de saponificación.La saponificación está favorecida cuando se utiliza el hidróxido potásico o sódico, ya que sus moléculas contienen los grupos OH responsables de esta reacción. Así, cuando se utilizan estos catalizadores, se debe tener especial precaución con las condiciones de reacción, especialmente la temperatura y la cantidad de catalizador básico, para reducir al máximo la saponificación. Sin embargo, los metóxidos sólo contienen el grupo OH como impureza, por lo que su utilización no produce prácticamente jabones por saponificación.En cualquier caso, se deben utilizar aceites y alcoholes esencialmente anhidros, ya que el agua favorece la formación de jabones por saponificación. Por este motivo, se debe eliminar el agua, mediante evaporación, en los aceites con altos contenidos en humedad antes de llevar a cabo la transesterificación.Por otra parte, hay dos maneras de eliminar los ácidos grasos libres presentes en el aceite. Así, se puede proceder a su neutralización, ya que los ácidos grasos presentes en el aceite vegetal pueden reaccionar con el catalizador básico (fundamentalmente NaOH) en presencia de agua, ocurriendo asimismo una reacción indeseable, produciendo como en el caso anterior jabón, tal y como se puede ver en figura 4.

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Otra manera de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción de esterificación con un catalizador ácido con lo que se formaría el éster metílico.

Figura 4. Reacción de neutralización de ácidos grasos libres.

REACCIONES DE ESTERIFICACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS

El proceso que se utiliza para la producción de biodiesel es la transesterificación, sin embargo la esterificación se viene aplicando combinándolo con la transesterificación de cara a aprovechar el subproducto de ácidos grasos y producir asimismo biodiesel.Dada la importancia de los ésteres se han desarrollado numerosos procesos para obtenerlos. El más común es el calentamiento de una mezcla del alcohol y del ácido correspondiente con ácido sulfúrico, utilizando el reactivo más económico en exceso para aumentar el rendimiento y desplazar el equilibrio hacia la derecha (esterificación de Fischer). El ácido sulfúrico sirve en este caso tanto de catalizador como de sustancia higroscópica que absorbe el agua formada en la reacción. A veces es sustituido por ácido fosfórico concentrado.En la práctica este procedimiento tiene varios inconvenientes. El alcohol puede sufrir reacciones de eliminación formando olefinas, esterificación con el propio ácido sulfúrico o de formación del éter, y el ácido orgánico puede sufrir

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decarboxilación. La reacción de esterificación aparece desarrollada en la figura 5.

Figura 5. Reacción de esterificación.Los catalizadores que se utilizan en este tipo de reacción, al contrario que en el proceso de transesterificación que habitualmente son hidróxidos, son ácidos o enzimáticos. En el caso de la esterificación, al contrario que en la reacción de transesterificación, al utilizar catalizadores ácidos no es necesario recurrir a trabajar con temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos.

El piñón (Jatropha Curcas) es un arbusto de crecimiento rápido, que en condiciones naturales puede llegar a alcanzar los cuatro metros de altura, generar su primera cosecha a los ciento veinte días de la siembra y, en condiciones adecuadas, una cosecha cada seis meses, durante unos

cincuenta años.Su fruto es una cápsula con tres semillas, en la cual se encuentran las almendras ricas en aceite. Esta cultura se produce de forma espontánea en áreas con suelos poco fértiles y clima desfavorable para la mayoría de los demás culturas, lo que facilita el cultivo en pequeñas propiedades rurales, siendo considerada una de las más promisorias

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RAZONES PARA LA ELECCIÓN DE

LA MATERIA PRIMA: PIÑON

(JATROPHA CURCAS)


oleaginosas para el Mercosur. Es una especie con alta resistencia a la sequía y produce en promedio de dos a cinco toneladas de biodiesel por hectárea. Es fácil de cultivar, resistentes a largos períodos de sequía, en suelos poco aprovechables y en zonas no viables para el manejo con máquinas. Puede ser desarrollada con mano de obra familiar, siendo así una fuente de ingresos para las propiedades rurales necesitadas. Puede ser utilizada para la conservación del suelo, ya que evita la erosión y la pérdida de agua por evaporación, y es un fertilizante natural. Al extraer el aceite, el bagazo que sobra se puede utilizar como abono orgánico y fertilizantes, la corteza en la fabricación de papel o carbón vegetal, para producir energía. Las semillas no son comestibles, ni son llevadas por aves o animales, debido a que son altamente tóxicas, por lo que no perjudican a otros cultivos o áreas. Curiosamente, sus hojas y tallos expelen un líquido tóxico que la deja inmune de plagas e insectos conocidos. PROPIEDADES DEL ACEITE:

CARACTERISTICAS.- Se pueden disponer hasta 400 árboles por hectárea y se obtienen los siguientes resultados

DENSIDAD DE PLANTACION

300-400 ÁRBOLES/ HECTAREA

PRODUCCION DE FRUTOS 33 Toneladas/ HECTAREA 18


(aprox.)PRODUCCION DE SEMILLA 5 Toneladas/

HECTAREA(aprox.)PRODUCCION DE ACEITE 2.5 Toneladas/

HECTAREA(aprox.)

PROCESO DE REFINAMIENTO DEL ACEITE

Neutralización:

Se neutraliza los ácidos grasos libres (hasta llevarlos a una concentración menor al 3%) con una solución básica de NaOHó KOH produciéndose jabón el cual es insoluble con el aceite y es fácilmente separado por lavados con agua; además se remueven fenoles, compuestos grasos oxidados y metales pesados

Blanqueo. :

La remoción de colorantes se hace por medio de materiales adsorbentes tales como: tierras diatomeas, sílica gel y carbón

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activado; con el fin de mejorar la capacidad de almacenamiento del biodiesel.

Deshidratación:

Se realiza por destilación a baja presión o por absorción con nitrógeno.

La densidad de árboles se puede incrementar notablemente en suelos de mejor calidad.USOS.-La Jatropha Curcas o Piñón, se emplea como laxante fuerte, La madera y los frutos se pueden aprovechar en diversas aplicaciones incluyendo su aceite. Las semillas de la Jatropha contienen hasta un 50% de aceite de alta viscosidad, que se puede utilizar en la fabricación de velas y jabones, en la industria cosmética, como combustible para iluminación y cocimiento, asimismo es factible su empleo como energía renovable.Estas características como su versatilidad hacen que el cultivo de esta planta sea una alternativa interesante para zonas erosionadas y no aptas para otros cultivos.Su follaje no es apto para consumo animal, ya que son toxicas, pero la torta de aceite sometida a un tratamiento, si puede emplearse en forraje o como fertilizante.APROVECHAMIENTO:La alternativa de dar una posibilidad de ingresos a los campesinos de zonas semiáridas o erosionadas y de baja precipitación pluvial.

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Si consideramos que el precio del aceite puede ser de $1300MX por tonelada, se ve que es factible un ingreso de $325MX por tonelada/hectárea, siendo los costos relativamente bajos y los cuales se pueden compensar con la producción de abono o Bio-masa, adicionalmente se puede cultivar conjuntamente otros productos según el suelo y clima (yuca, maíz, sorgo etc.).

VENTAJAS DEL USO EL PIÑON

Tiene una buena adaptación en condiciones áridas y semiáridasCuidados agronómicos fácilesExiste un contenido alto de componentes tóxicos en las semillas lo que la hace inservibles tanto para el consumo humano como animal.Las semillas tienen un alto contenido de aceite: de un 55%Alta producción, aproximadamente de 1600 litros por hectárea

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GENERALIDADES DEL ACEITE DE PIÑON50% de aceite de alta viscosidad$1300 MX por toneladaProducción de aceite 2.5 toneladas/ hectárea (aprox.)La semilla su desarrollo se completa en 2 a 3 años

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Un aspecto importante para diseñar es tener claro los objetivos de diseño, que encontramos los siguientes

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Ser fiable

Ser seguro

Ser rentable

AHORA

VAMOS CON

EL DISEñ

O


Para esto utilizamos como herramienta a la descomposición jerárquica de Douglas:Para procesos petroquímicos, o procesos donde predominen los sistemas liquido-liquido o líquido-vapor, la jerarquía de decisiones puede sintetizarse en los pasos de toma de decisiones secuenciales siguientes: 1. Decidir entre procesos batch versus procesos

continuos. En nuestro caso preferimos utilizar un CSTR, es decir un reactor continuo de tanque agitado para un proceso continuo.

2. Adoptar la estructura de entrada-salida del proceso. Nuestra reacción contiene pocas entradas (comparada con otras producciones) pero si la reacción tiene muchos productos que no son benéficos así que procuraremos tratar esos productos, por lo tanto tenemos:

3 entradas (NaOH (catalizador), MeOH(alcohol), ACEITE(triglicérido))

5 salidas (2 de glicerol, 1 de FAME, 1 de ácido sulfúrico, 1 triglicérido)

3. Adoptar la estructura de reciclos del proceso (corrientes de reciclo). En este caso, vale la pena únicamente recircular el metanol, así que contamos con un único reciclo.

4. Adoptar la estructura general del sistema de separación. Una operación clave de la producción de biodiesel es la separación del glicerol y los esteres de ácidos

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grasos libres provenientes de la mezcla de reacción por decantación. Estudios termodinámicos en este tema han despertado el interés industrial la tabla siguiente presenta datos para el sistema metano-glicerol – esteres que podrán verse como representativos, se puede observar que en la solubilidad reciproca del glicerol y esteres a 60° es muy baja, el Ester es prácticamente insoluble en glicerol. Los mismos resultados son válidos a altas temperaturas. Los datos de la tabla siguiente pueden servir para identificar los parámetros de interacción binarios del modelo termodinámico conveniente.

En nuestro caso, al realizarse múltiples productos en nuestra reacción tenemos un amplio proceso de separación (liq- liq) y basándonos en las heurísticas, 1,3,9 (ver anexo) y a la falta de datos acerca de nuestro diseño, elegimos un “shortcut”

5. Diseñar la estructura que permita la integración energética a los efectos de minimizar el consumo. La estructura se basa en hacer la producción en un solo bloque de diseño para nuestro simulador, es decir, tenemos un proceso simplificado.

6. En el caso que se trate de procesos batch o procesos en los que debe manejarse sólidos, es necesario introducir otras secuencias de decisiones (ver Douglas,1988).No para este caso

25COST

OS


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PROCESO

INTEGRA

COSTOS


27

BALANCE

GENERA

PROCESO

INTEGRA


.

El aceite de piñón ingresa al proceso por la corriente “aceite” hacia un tanque de mezclado ,

donde es llevado hacia el reactor de transesterificación (REACTOR); paralelamente en un tanque de mezclado (MIXER1) se prepara el metóxido con el metanol y el hidróxido de sodio que ingresan por las corrientes MEOH y NAOH, respectivamente; a continuación este metóxido es llevado al MIXER2 donde es mezclado con una corriente de reciclo de metanol MEOH1.

En el REACTOR se da la producción de biodiesel y glicerina; por consiguiente la corriente de salida compuesta de: biodiesel, glicerina, aceite, metanol no reaccionado, catalizador (NaOH) y pequeñas fracciones de jabón; es llevada a una columna de destilación (shortcut) y luego a un

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1 triglicérido ++ 3metanol1 glicerol+---->BALANCE

GENERA

Descripción del proceso


separador de componentes para extraer el metanol no reaccionado y reciclarlo a través de la corriente recirculadora; dando como producto la corriente ESTERES (acido) con baja concentración de metanol, la misma que necesita disminuir su temperatura en un intercambiador de calor (enfriador) con el objeto de lavar o quitar las fracciones de y además separar la glicerina del biodiesel. Luego de este equipo se tiene una corriente compuesta principalmente de biodiesel y aceite, la cual se lleva a una columna de destilación para separar el biodiesel (FAME) del aceite

El equipo de separador de componentes da como producto la corriente compuesta de: sulfato de sodio, agua, jabón y glicerina. finalmente la glicerina (corriente glicerol) es purificada en una columna de destilación con eliminación de agua y jabón

Catalizador. Se seleccionó al hidróxido de sodio en una concentración del 0,6% como el catalizador (Benjumea, 2004), además por ser el más económico y más utilizado a nivel industrial.

Relación molar entre el alcohol y el aceite. El alcohol que se utilizó en nuestro proceso es el metanol debido a su polaridad y a su estructura, lo que brinda ventajas en rendimiento y velocidad de reacción (Torossi, 2006).

Si bien la estequiometria para la reacción de transesterificación requiere tres moles de alcohol por mol de aceite (3:1), en la práctica se incrementa a relaciones mayores para desplazar el equilibrio hacia una mayor formación de ésteres metílicos, con el cuidado de que una proporción mayor de alcohol dificultaría la posterior separación del glicerol debido a un aumento de su solubilidad.

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Es por ello que se trabajó con una relación molar de 9:1, para garantizar altas conversiones del reactivo limitante (aceite).[Heurística 2, ver anexo]Intercambiador de calor. (Enfriador)Las especificaciones de operación del enfriador son: 50 ºC y 1 atm; se enfrió la corriente glicerol a 50 ºC debido a que en la columna de extracción líquida se necesitó disminuir el arrastre de agua y glicerina en el refinado con especial precaución de que la temperatura de enfriamiento debe estar por encima del punto de solidificación de la glicerina 38ºC [Nagar 2006]. [Heurísticas de los intercambiadores de calor]

5. Pressure drops are 1.5psi for boiling and 3-9 psi for other services.6.

Minimumtemperatureapproachis20°Fwithnormalcoolants,10°Forlesswith refrigerants.

7. Water inlettemperature is 90°F,maximum outlet120°F.

Determinación de las especificaciones de las columnas de destilación.

Para la operación de las columnas de destilación se estimó: número de platos, plato de la alimentación, relación de reflujo, salida de fondos y tasa de destilado mediante el uso de “shortcut”, que son bloques de cálculo dentro del simulador orientados específicamente al diseño de torres de destilación simples cuando los datos con los que se cuenta son limitados.

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La necesidad de nuevos productos, así como, una nueva cultura del cuidado del medio ambiente, del ahorro y optimización de energía, el uso racionalizado de combustibles, etcétera hace necesario que la ingeniería química busque alternativas económicas y factibles para la solución de estos nuevos retos. La simulación de procesos son una herramienta eficaz y efectiva para el análisis, la síntesis y la optimización de proceso, lo que ayuda proponer las diferentes alternativas para resolver estos retos modernos.

En este podemos estudiar y calcular cargas de calores, requerimientos de energía, equilibrios químicos también hacer balances de materia y energía facilitando mucho más el

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SIMULACIÓN

CHEMCAD


trabajo ya que estos se pueden realizar de forma más detallada.De forma general este software, como una herramienta de productividad tiene ventajas para un ingeniero agroindustrial ya podemos tener detallado al tener un problema con una maquinaria ya que podemos resolver los problemas que tengan con sus operaciones.Otra ventaja es que podemos diseñar nosotros mismos es nuestros propios procesos y escoger los equipos que mejor funcionamiento tengan en el proceso que llevaremos a cabo.

FLUJOS:NaOH: 13.5 KG/HRMeOH: 300KG/HRACEITE: 2700KG/HR [RELACIÓN 9:1 ANTES MENCIONADA]

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Agregando NaOH: Por cada litro de aceite que tenga, debe agregar 5 gramos de NaOH a su metanol. Por ejemplo, si tuviera 20L de aceite, usted agregaría 100g de NaOH. Este número se calcula para el NaOH 100% puro. Si está utilizandoNaOH impuro, necesitará ajustar su número base del NaOH. Esto se hace convirtiendo el porcentaje de pureza en un decimal, y después dividiendo su número base por este decimal. Éste será el número base modificado. Una vez que tenga su número base calculado, agregue 1 gramo de NaOH por litro por cada mililitro de líquido de titulación que utilizó. Consulte la sección de las titulaciones para más información.[Biodiesel guide (español) anexo]MODELO: PENG-ROBINSONLa entrada de flujo es a temperatura ambiente (25°C) y a 1 atm de presión.ENTRADA AL REACTOR:60°C a 1 atmINTERCAMBIADOR: (Enfriamiento de la corriente a 50°C)1 ATM

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RESULTAD

O:1479.

92 Kg/h de

biodie


Por medio de este trabajo se demuestra que es posible llevar a cabo la producción de biodiesel por medio de la transesterificación de ácidos grasos contenidos en el aceite de jatropha curcas y que viable desde el punto de vista energético, ya que la cantidad de energía producida en el proceso es mayor a la consumida durante el mismo. Gracias a la vetantaja de la viscosidad del aceite.La instalación de una planta productora de biodiesel podría ser factible gracias a los bajos requerimientos de la reacción con el aceite de jatropha.

www.biodisol.com/biodiesel-que-es-el-biodiesel-definicion-de-biodiesel-materias-primas-mas-comunes/la-produccion-de-biodiesel-materias-primas-procesos-calidad/#sthash.zvxrwr2B.dpufhttp://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/panorama-internacional/los-biocombustibles-en-el-mundo.html

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CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

1479.92

Kg/h de

biodie

http://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/panorama-internacional/los-biocombustibles-en-el-mundo.html

http://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/panorama-internacional/los-biocombustibles-en-el-mundo.html

http://www.biodisol.com/biodiesel-que-es-el-biodiesel-definicion-de-biodiesel-materias-primas-mas-comunes/la-produccion-de-biodiesel-materias-primas-procesos-calidad/#sthash.zvxrwr2B.dpuf




http://www.biodiesel.org/what-is-biodiesel/biodiesel-basicshttp://www.biodisol.com/http://www.oleaginosas.org/index.shtmlhttp://www.eia.gov/renewable/data.cfmLos documentos consultados vienen anexos en el trabajo, o en su defecto están contenidos en:http://ingquimrobles.wordpress.com/

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http://ingquimrobles.wordpress.com/

http://www.eia.gov/renewable/data.cfm

http://www.oleaginosas.org/index.shtml

http://www.biodisol.com/

http://www.biodiesel.org/what-is-biodiesel/biodiesel-basics

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