SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO DE LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Y GLICERINA CRUDA DE LA EMPRESA BIOCOMBUSTIBLES

SOSTENIBLES DEL CARIBE S.A. MEDIANTE EL SOFTWARE ESPECIALIZADO UNISIM R390®

CARLOS CERA FERNANDEZ EMMANUEL IGLESIAS PALLARES

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA DEPARTAMENTO DE POSGRADO

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PROCESOS DE REFINACIÓN DE PETRÓLEOS Y PETROQUÍMICA BÁSICA

2014

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO DE LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Y GLICERINA CRUDA DE LA EMPRESA BIOCOMBUSTIBLES

SOSTENIBLES DEL CARIBE S.A. MEDIANTE EL SOFTWARE ESPECIALIZADO UNISIM R390®

CARLOS CERA FERNANDEZ EMMANUEL IGLESIAS PALLARES

Anteproyecto de grado presentado como requisito para optar el título de Especialista en Ingeniería de Procesos de Refinación de Petróleos y Petroquímica

Básica

Asesor: Ing. Qco. CARLOS ALBERTO VÁSQUEZ

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA DEPARTAMENTO DE POSGRADO

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PROCESOS DE REFINACIÓN DE PETRÓLEOS Y PETROQUÍMICA BÁSICA

CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C. 2014

CONTENIDO

pág 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 7 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 7 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 8 1.3 JUSTIFICACIÓN 8 1.4 OBJETIVOS 8 1.4.1 Objetivo general 8 1.4.2 Objetivos específicos 9 2. MARCO DE REFERENCIA 10 2.1 ANTECEDENTES 10 2.1.1 Antecedentes históricos 10 2.1.2 Antecedentes investigativos 12 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 16 2.2.1 Biodiesel 16 2.2.2 Materias primas para la producción del Biodiesel 18 2.2.3 Proceso de producción de Biodiesel en la planta de BioSC S.A. 22 2.2.4 Simulación de procesos 23 2.3 MARCO LEGAL 26 2.4 MARCO CONCEPTUAL 28 3. DISEÑO METODOLÓGICO 31 3.1 TIPO Y ENFOQUE DE INVESTIGACIÓN 31 3.2 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN 31 3.3 HIPÓTESIS DE TRABAJO 32 3.4 VARIABLES 32 3.4.1 Variables independientes 32 3.4.2 Variables moderadoras 32 3.4.3 Variables de control 32 3.4.4 Variables dependientes 32 3.5 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES 33 3.6 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN 33 4. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 34

5. BIBLIOGRAFÍA 35

LISTA DE FIGURAS

Pág Figura 1. Reacción general de transesterificación 17 Figura 2. Esquema de la reacción de transesterificación. 17 Figura 3. Esquema proceso de extracción y refinación del aceite

crudo de palma. 19 Figura 4. Cromatograma del Aceite RBD de palma. 20 Figura 5. Informe de porcentaje de área según cromatograma

de Aceite RBD de palma. 20 Figura 6. Ecuación de producción del metiléster utilizando metanol. 21 Figura 7. Esquema de proceso productivo en la planta BioSC S.A. 23 Figura 8. Primer paso para la selección de métodos de cálculo

de propiedades físicas. 25 Figura 9. Selección para compuestos polares no electrolitos. 25 Figura 10. Opciones para los cálculos de la fase vapor con

modelos de coeficiente de actividad. 26

LISTA DE CUADROS

Pág

Cuadro 1. Plantas productoras de Biodiesel en Colombia. 11 Cuadro 2. Marco normativo del Biodiesel en Colombia. 27 Cuadro 3. Requisitos del biodiesel para mezcla con combustibles

Diesel 28 Cuadro 4. Operacionalización de las variables. 33

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SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO DE LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Y GLICERINA CRUDA DE LA EMPRESA

BIOCOMBUSTIBLES SOSTENIBLES DEL CARIBE S.A.

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Biocombustibles Sostenibles del Caribe S.A. (BioSC S.A), es una industria del sector de Biocombustibles ubicada en la ciudad de Santa Marta, que tiene por objeto la producción y comercialización de Biodiesel y Glicerina Cruda, a partir del procesamiento de aceite refinado de palma. La planta fue adquirida bajo la modalidad “turnkey contract” a la firma Belga-Italiana DeSmet Ballestra, quienes entregaron por definición contractual, planos, diseños estructurales, mecánicos, eléctricos y de instrumentación, balances de masa y energía, consumos esperados de insumos, reactivos, y las capacidades nominales de producción bajo las especificaciones de calidad establecidas por la legislación aplicable vigente en su momento. Cabe resaltar que el paquete de entrega no incluyó memorias de diseño o cálculos de simulación. Esto constituye una limitante en el cumplimiento de la función del Departamento de Operaciones de BioSC. S.A., que tiene entre sus tareas garantizar la mejora continua de los procesos, teniendo en cuenta principalmente los siguientes factores: la tendencia regulatoria nacional que ha incrementado la exigencia en las especificaciones de calidad del Biodiesel; el aumento de la demanda de biodiesel a medida que aumenta el porcentaje de mezcla en combustible diesel, regulado por el Ministerio de Minas y Energía; la operabilidad en condiciones estables de las unidades de proceso y equipos accesorios; el desafío de preservar las condiciones de seguridad y el cuidado del medio ambiente. Todos estos aspectos, enmarcados en la necesidad de ser eficientes y productivos. Para el óptimo desarrollo de esta función, se ha diagnosticado la necesidad de contar con una herramienta virtual que permita establecer las condiciones de operación ideales en base a la capacidad instalada y/o proyectada, por lo que actualmente existen restricciones para hacer modificaciones en cualquier variable de proceso o cambios de líneas y equipos pues se desconocería en primera instancia el impacto de la modificación. Además de esto, la compañía no cuenta con materiales y equipos que puedan simular las unidades de proceso a escala de laboratorio, lo cual sería una opción viable pero costosa y a mayor plazo en la búsqueda del objetivo descrito. En este orden de ideas, se pretende el diseño de una simulación en estado estacionario de cada unidad de proceso como herramienta de solución a la problemática planteada.

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1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿La simulación en estado estacionario de las unidades productivas de la planta de producción de Biodiesel y Glicerina Cruda de la empresa BioSC S.A., mediante el software UNISIM R390®, constituye una herramienta útil en la predicción de condiciones de operación y permite la mejora del proceso?

1.3 JUSTIFICACIÓN En el marco de un plan de mejora continua, y sentando las bases para un proyecto de ampliación de la capacidad de planta de producción de BioSC S.A., la simulación producto de este proyecto juega un papel fundamental, primero para conocer el comportamiento de algunas variables operativas e incluso propiedades intrínsecas del producto en cada etapa del proceso y segundo, para predecir el efecto de modificaciones en flujos, composición de corrientes, cambios de presión o temperatura, entre otras. La importancia de ejecutar este proyecto radica en la oportunidad de ofrecer al Departamento de Operaciones de BioSC S.A. una base teórica de lo que sucede en cada unidad y sección del sistema, permitiendo al equipo de ingenieros tomar las medidas necesarias en la búsqueda de las mejores condiciones operativas de la planta, comenzando por encontrar la relación de insumos más eficientes pro-rendimiento de la reacción, para luego predecir los mejores valores en cada variable de proceso en las secciones de purificación de biodiesel y glicerina. Cabe señalar que el proyecto es pertinente porque se corresponde con la función sustantiva de la Universidad San Buenaventura en relación al desarrollo del saber, mediante el concepto de la investigación aplicada1 con base en sus lineamientos de análisis y expresión científica, siendo este un componente en el proceso académico que “orienta, la capacidad de aprender a investigar, plantear y resolver problemas”.2 La ejecución y desarrollo de los objetivos del proyecto no carecen de viabilidad dada la experticia y el conocimiento técnico de los investigadores, así como el apoyo y soporte del grupo de ingenieros de la empresa BioSC S.A.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo general

Simular en estado estacionario las etapas operativas de la planta de producción de Biodiesel y Glicerina Cruda de la empresa BioSC S.A. mediante la herramienta UNISIM R390®.

1 UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA. Proyecto Educativo Bonaventuriano PEB:2007, p.62.

2 Ibíd. p. 68.

9

1.4.2 Objetivos específicos Generar un registro base del proceso real en cada unidad y sección de la planta de producción de BioSC S.A. Crear una interfaz bajo el ambiente de simulación UNISIM R390®, que permita al usuario analizar y hacer seguimiento a las variables de proceso, condiciones operativas de la planta y comportamiento de los productos involucrados. Identificar mediante un análisis termodinámico de los productos y reacciones involucradas, el paquete de fluidos más apropiado para el desarrollo de la simulación. Establecer condiciones óptimas de operación, de acuerdo a los parámetros de flujo, composiciones, presiones y temperaturas de operación actual, las sugeridas por diseño y los escenarios de simulación. Validar los resultados obtenidos en el escenario de simulación mediante comparación con los indicadores en planta, con el objeto de determinar la certidumbre de la herramienta y su rango de aplicación.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 ANTECEDENTES

2.1.1 Antecedentes históricos El biodiesel, combustible apto para el consumo en motores de ciclo diesel, es una alternativa renovable no fósil, generada a partir de aceites vegetales o grasas animales. Utilizando terminología técnica, el biodiesel puede describirse como “ésteres mono alquílicos de ácidos grasos de cadena larga, los cuales son el resultado de reacciones de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas animales con alcoholes”3.

Según los archivos4, se otorgó la patente #422877 el 31 de agosto de 1937 a G. Chavanne de la universidad de Bruselas, Bélgica, como el primer registro de lo que se conoce hoy con el nombre de Biodiesel, al usar etil ésteres de aceite de palma como combustible diesel. Un año después, J. Walton5 sentó las bases de un desarrollo sostenible en el tema de Biocombustibles, pero no fue sino hasta la década de los 70’s impulsado con la primera crisis del petróleo, que el mundo comenzó a apuntar hacia fuentes de energía renovables, con el ánimo de minimizar la dependencia de las fuentes productoras que como en 1973 cuadruplicaron en consenso el precio del petróleo como protesta a una acción política de los Estados Unidos y algunos aliados europeos6. Además del factor de diversificación de fuentes energéticas, el uso de Biodiesel en motores de ignición por compresión, tiene un gran impacto ambiental. Para destacar el hecho de que sea un combustible renovable y biodegradable, el cual produce emisiones menos dañinas al medio ambiente que aquellas producidas por combustibles fósiles7. En el caso específico del Biodiesel de palma se ha encontrado que disminuye las emisiones de material particulado, CO2 y óxidos de azufre (SOx)8 con relación al diesel fósil utilizado en Colombia. En este orden de ideas, en diversas regiones del mundo se ha comenzado a trabajar con biodiesel de diversas fuentes vegetales tales como los aceites de soya, palma, ricino, de girasol, palmiste, coco, almendras, algodón, maíz,

3 CERÓN SÁNCHEZ, Annie. Evaluación experimental de la producción de biodiesel por destilación

reactiva. Manizales, 2010, 130h. Tesis maestría (Maestría en Ingeniería Química). Universidad Nacional

sede Manizales. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. p.12. 4 KNOTHE, Gerhard, et al. The Biodiesel Handbook. Illinois: AOCS Press, 2005. p.10.

5 WALTON, J. The Fuel Possibilities of Vegetable Oils. En: Gas Oil Power. V.33, (1938); p.167-168.

6 SIMANZHENKOV, Vasily. Crude Oil Chemistry. New York: Marcel Dekker Inc., 2003. ISBN:0-

8247-4098-X 7 SCHRODER, O., et al. Environmental and health effects caused by the use of biodiesel. SAE

Technical Paper 1999-1901-3561, 1999. 8 PEHNELT, Gernot. Recalculating GHG emissions saving of palm oil biodiesel. Environment,

Development & Sustainability, Vol 15, Issue 2. p429-479, Abril 2013. ISSN 1387-585X.

11

canola o aguacate, incluso algas, y algunas grasas animales como el sebo vacuno, la manteca de cerdo o el aceite de pescado9. La selección de la biomasa a utilizar depende generalmente de factores económicos, geográficos y técnicos. En Colombia, sin embargo, la historia del biodiesel es relativamente corta. En el 2004 se aprobó el marco legal para la utilización de mezclas de biodiesel con diesel refinado y 4 años más tarde comenzó la aplicación de la normativa10. Generado el escenario adecuado, en marzo de 2009 inicia la operación productiva de BioSC S.A., instalada en las afueras de Santa Marta, con capacidad de producir 100000TM anuales de Biodiesel a partir de aceite refinado de palma. (Ver Cuadro 1).

Cuadro 1. Plantas productoras de Biodiesel en Colombia.

Fuente: FEDERACIÓN NACIONAL DE BIOCOMBUSTIBLES. Disponible en: <http://www.fedebiocombustibles.com/files/REVISTA%20MITOS%20Y%20REALIDADES(1).pdf

La tecnología y diseños para el montaje de la planta BioSC S.A. fueron suministrados por la firma Belga-Italiana Desmet Ballestra, quienes acompañaron todo el proceso de arranque y pruebas hasta la estabilización de todas las condiciones de operación y parámetros de calidad del producto. Datos de operación, balances de masa y energía y especificaciones de insumos, materias primas y productos fueron entregados para el funcionamiento a los niveles de capacidad de diseño. Modificaciones posteriores a las capacidades o cualidades del diseño original se han ejecutado

9 TEJADA TOVAR, Candelaria. Obtención de Biodiesel a partir de diferentes tipos de grasa residual de

origen animal. Revista Luna Azul, número 36. Manizales, 2013. ISSN 1909-2474. 10

Carrizo, S. C., Ramousse, D. y Velut, S. (2009) Biocombustibles en Argentina, Brasil y Colombia :

Avances y limitaciones [En línea]. Disponible en:

http://www.fuentesmemoria.fahce.unlp.edu.ar/art_revistas/pr.4443/pr.4443.pdf [Citado en 24 de enero

de 2014].

Región Empresa Capacidad

(T/Año) Área

sembrada (ha) Empleos directos

Empleos indirectos

Fecha entrada en operación

Norte, Oleoflores 70.000 15.555 2.222 4.444 Ene-08

Codazzi

Norte, Odín Energy 36.000 8.000 1.142 2.284 Jun-08

Santa Marta

Norte, Biocombustibles

Sostenibles 100.000 22.222 3.174 6.348 Mar-09

Santa Marta del Caribe

Oriental, Facatativá

Bio D 100.000 22.222 3.174 6.384 Feb-09

Central, Ecodiesel de Colombia

100.000 22.222 3.174 6.384 Jun-10 B/bermeja

Oriental, Aceites

Manuelita 100.000 22.222 3.174 6.348 Jul-09 San Carlos de

Guaroa, Meta

TOTAL 506.000 112.443 16.060 32.120

12

bajo la base de conceptos técnicos y ensayos sin el fundamento de ingeniería aplicada que podría otorgar la simulación del proceso.

2.1.2 Antecedentes investigativos Pueden encontrarse en medios digitales e impresos algunos trabajos en relación a la simulación de plantas de producción de Biodiesel, sin embargo, en el mercado de las plantas de biodiesel existen locaciones diseñadas para diversos tipos de aceites, variedad de reactivos, distintas condiciones de operación o diferentes etapas o unidades de producción. Las adaptaciones e innovaciones hacen que cada planta sea prácticamente única, por lo que las referencias señaladas a continuación componen solo un marco teórico que aporta alguna información útil en cuanto al manejo del ambiente de simulación, la elección del paquete de fluidos termodinámico adecuado y la caracterización de los componentes. En este sentido, comenzamos por citar algunas de las fuentes que han realizado simulaciones de plantas productoras de Biodiesel a partir de otros reactivos, por ejemplo:

Reinier Feyt y Gretel Villanueva, miembros del Departamento de Química de la Facultad de Química y Farmacia de la Universidad Central de Las Villas en Villa Clara, Cuba11, simularon mediante HYSYS 3.2., la producción de biodiesel a partir del aceite presente en un residuo de la industria azucarera: la cachaza. La reacción la completaron con etanol extrafino e hidróxido de sodio como catalizador. El proyecto tuvo por objetivo evaluar la posibilidad del diseño de una planta demostrativa para la producción de biodiesel, utilizando como entrada los resultados obtenidos en el laboratorio. Finalmente se obtuvo un biodiesel de 73% de pureza y se determinó el escenario operativo de menor costo para una producción de 2Tons/día.

Facundo Adala, Ana Pagano y María Gely, estudiantes de la Facultad de Ingeniería de la Universidad UNCPBA de Buenos Aires, Argentina12, simularon mediante HYSYS la producción de biodiesel a partir de aceite de canola en reacción con metanol y utilizando hidróxido de sodio como catalizador. El objeto del proyecto fue determinar la viabilidad técnica del montaje de una planta con las características que se definieron teóricamente, para lo cual se modelaron reactores de conversión para la

11

FEYT, Reinier, et al. Obtención de biodiesel a partir de un residuo de la industria azucarera. [En

línea]. Disponible en:<http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar30/HTML/articulo03.htm>

[Citado en 14 de febrero de 2014]. 12 ADALA, Facundo, et al. Simulación de procesos mediante Hysys: una herramienta educativa para el

estudio de casos. [En línea]. Disponible en: < http://es.scribd.com/doc/169046378/8-95 > [Citado en 24

de enero de 2014].

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transesterificación, un separador bifásico para dividir las corrientes de metanol y la de éster resultantes, equipos de intercambio de calor y equipos auxiliares. Al analizar los efectos de modificaciones en corrientes de entrada sobre la producción de metiléster, se encontró un escenario de producción de biodiesel y glicerina al 99%.

En 2007, Carlos García Santander presentó su proyecto de grado: “Simulación de una planta de producción y purificación de B100 utilizando el simulador HYSYS Plant 3.213” usando etanol como reactivo en exceso. El proyecto incluye la caracterización de los compuestos químicos, un estudio termodinámico completo y la conclusión positiva de factibilidad para la construcción de una planta piloto en la Universidad Nacional de Campinas, Brasil.

Jamshidbeigi Ehsan y un grupo de ingenieros publicaron en 2012 el artículo “Simulation of Biodiesel Production Unit”14, en el cual compararon el rendimiento de dos procesos diferenciados por el uso de un catalizador ácido, H2SO4, y por otro lado, un catalizador básico NaOH. El aceite utilizado fue añadido con su fórmula molecular C57H104O6. El resultado de la simulación derivó en un mayor rendimiento para la reacción impulsada por el catalizador ácido.

Citamos además otros trabajos fundamentados en modelos de reacción diferentes al aplicado en BioSC S.A., por ejemplo:

Annie Cerón Sánchez de la facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad Nacional sede Manizales, publicó en el 2010 su trabajo de maestría “Evaluación experimental de la producción de biodiesel por destilación reactiva”15 donde simula mediante el software ASPEN PLUS una torre de destilación con un medio reactivo con una zona superior de rectificación y una inferior de agotamiento. La alimentación utilizada fue aceite de palma, etanol como reactivo y etóxido sódico como catalizador. El porcentaje de conversión obtenido superó el 99%, sin embargo hubo un incremento en el consumo energético del 80% con relación al modelo tradicional de reactores agitados.

Katty Cantero, Ingeniera Mecánica de la Universidad Autónoma del Caribe y Jhon Archila, profesor investigador de la Universidad Industrial de Santander presentaron el trabajo “Simulación de un proceso de

13

GARCÍA SANTANDER, Carlos. Simulación de una planta de producción y purificación de biodiesel

a partir de aceite de palma y etanol usando el simulador comercial Hysys Plant 3.2. Bucaramanga, 2007,

71h. Tesis pregrado (Ingeniería Química). Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenierías

Fisicoquímicas. 14

JAMSHIDBEIGI Ehsan, et al. Simulation of Biodiesel Production Unit/ Canadian Journal of

Chemical Engineering & Technology. Vol. 3, No.1. Teherán, 2012. p.22-29. Mensual. ISSN 1923-1652. 15

CERÓN SÁNCHEZ, Op. Cit.

14

producción de biodiesel por lotes a través de medios químicos”16 donde desarrollan la simulación en HYSYS de una reacción por baches entre el aceite de palma y el metanol, utilizando KOH como catalizador. El artículo tiene por objeto únicamente analizar la convergencia de los datos en el ambiente de simulación.

La revista especializada Ingeniería e Investigación, publicó en 2010 un artículo17 en el que se detallaba el efecto sobre las variables de operación que tendría un proceso de transesterificación de aceites vegetales, utilizando catálisis enzimática. Del estudio se concluyen los requerimientos de variables operacionales y condiciones del aceite y el biocatalizador con los que se alcanzaría una conversión de FAME’s superior al 90%.

De la base de datos elsevier Biofuel se obtuvo un artículo llamado: “Assessment of four biodiesel production processes using HYSYS.Plant”18 presentado por miembros del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad British Columbia en Canadá, quienes diseñaron y simularon en HYSYS cuatro procesos continuos de producción de biodiesel. Los 2 primeros emplearon catalizadores homogéneos básico y ácido respectivamente. El tercero y cuarto usaron catalizadores heterogéneos y método supercrítico respectivamente para convertir aceite vegetal de desecho en biodiesel. Al final, los cuatro procesos registraron un biodiesel de alta pureza. Los modelos con catalizador heterogéneo resultaron de menor complejidad y número de unidades pero solo el modelo heterogéneo con catalizador ácido arrojó ganancias finales.

Otros trabajos, de los cuales se han sacado valiosos aportes, han evaluado la producción de biodiesel a partir de aceite de palma con análisis en diversos sentidos:

En un artículo de la revista Dyna, editada por la Universidad Nacional de Colombia, se publicó el trabajo “Producción de biodiesel a partir de aceite crudo de palma: Diseño y simulación de dos procesos continuos”19 en el cual se diseñaron y simularon dos procesos continuos

16

CANTERO VERGARA, Kelly, et al. Simulación de un proceso de producción de biodiesel por lotes a

través de medios químicos. En: Prospectiva. [En línea]. Vol.8, No.1 (Ene-Jun,2010). Disponible en:

<http://www.uac.edu.co/images/stories/publicaciones/revistas_cientificas/prospectiva/volumen-8-no-

1/articulo5-v8n1.pdf> [Citado en 19 de Febrero de 2014]. 17

ROJAS GONZÁLEZ Andrés, et al. Variables de operación en el proceso de transesterificación de

aceites vegetales: una revisión- catálisis enzimática/ Revista Ingeniería e Investigación. Vol. 30, número

1. Bogotá, 2010. p.197-218. Semestral. ISSN 0123-2126. 18

WEST, Alex, et al. Assessment of four biodiesel production processes using HYSYS Plant. En:

Elsevier Biofuel. [Base de datos en línea]. Bioresource Technology 109 (2008); 6587-6601. Disponible

bajo suscripción en www.sciencedirect.com. [Citado en 17 de febrero de 2014]. 19

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Producción de biodiesel a partir de aceite crudo de

palma: Diseño y simulación de dos procesos continuos/ Revista Dyna. Vol. 74, número 151. Medellín,

15

de transesterificación alcalina de aceite crudo de palma, empleando el simulador de procesos HYSYS. El primero incluía un pretratamiento de neutralización de los ácidos grasos libres y el segundo, un proceso de esterificación ácida. El objetivo era realizar una evaluación tecnológica para establecer un análisis comparativo entre ambos procesos, concluyendo un mayor gasto en el proceso con preneutralización de los ácidos y un mayor rendimiento en el segundo proceso, con esterificación previa.

Kulchanat Kapilakarn y Ampol Peugtong, miembros del departamento de Ingeniería Química de la Universidad Prince of Songkla en Tailandia, publicaron un artículo denominado: “A Comparison of Costs of Biodiesel Production from Transesterication”20. Este estudio ofrece un análisis comparativo de costos de producción del Biodiesel en relación al diesel producto de la refinación de petróleos y determina un punto óptimo de operación alimentando aceite de palma, con metanol en relación molar 1:6, a 70ºC por 20 minutos, catalizado con NaOH. El software de simulación para el desarrollo del estudio fue también HYSYS V.3.2.

La base de datos elsevier Biofuel registra un trabajo denominado “Prediction of normalized biodiesel properties by simulation of multiple feedstock blends” realizado por miembros del Aragón Institute of engineering research21, quienes simularon un proceso de producción continuo en Aspen HYSYS V7.0, utilizando materias primas con baja acidez en un esquema de transesterificación alcalina y subetapas de purificación. El objetivo fue comparar datos de propiedades normalizadas encontradas en la literatura con los arrojados por la simulación y comparar además los resultados utilizando diferentes paquetes termodinámicos. El resultado fue la selección del modelo de actividad NRTL el cual permitió la predicción de 13 de 25 parámetros incluidos en el standard EN-14214:2003, otorgándole al simulador un gran valor como herramienta predictiva y de optimización.

Adrian Ávila Gómez, presentó en 2006 una monografía en la que desarrolló específicamente la cinética química de la reacción de transesterificación de la Oleína de Palma22, utilizando Etanol Anhidro como reactivo e Hidróxido de Potasio como catalizador. Aquí se planteó

2007. p.71-82. Cuatrimestral. ISSN 0012-7353. 20

KAPILAKARN K, et al. A Comparison of Costs of Biodiesel Production from Transesterication.

International Energy Journal 8 (2007) 1-6. Disponible en:

http://www.rericjournal.ait.ac.th/index.php/reric/article/viewFile/170/132. [Citado en 31 de enero de

2014] 21

GARCÍA, Manuel, et al. Prediction of normalized biodiesel properties by simulation of multiple

feedstock blends. En: Elsevier Biofuel. [Base de datos en línea]. Bioresource Technology 101 (2010);

4431-4439. Disponible bajo suscripción en www.sciencedirect.com. [Citado en 18 de febrero de 2014]. 22

ÁVILA GÓMEZ, Adrian. Desarrollo de la cinética química de la reacción de transesterificación de la

oleína de palma. Barranquilla, 2006, 103h. Monografía (MSc Ingeniería Mecánica). Universidad del

Norte, División de Ingenierías.

16

un mecanismo de reacción reversible por etapas y de segundo orden, el cual fue resuelto con la herramienta Simulink de MATLAB.

En trabajo de aula, estudiantes del programa de Ingeniería Química de la Universidad de San Buenaventura seccional Cartagena, desarrollaron un análisis termoquímico del proceso de producción de biodiesel a partir de aceite crudo de palma23. Se analizaron mediante el simulador Unisim Design R390, diferentes escenarios de producción variando temperaturas de reacción, alcohol reactivo y catalizador.

Sí en lo sucesivo se plantea la creación de una simulación dinámica, puede ser de utilidad referirse al trabajo realizado por Akhagbeme Emmanuel Joe24, quien desarrolló un modelo dinámico para controlar las variables de flujo, presión y temperatura, para un reactor de transesterificación de aceite de canola, que alimenta metanol e hidróxido de sodio como reactivo y catalizador respectivamente. El controlador utilizado fue del tipo PID (Proporcional Integral Derivativo). Todos estos trabajos aportan al desarrollo confiable del ambiente de simulación del presente proyecto. Parámetros como: composición del aceite de palma, que debe integrarse como un componente hipotético, modelos y parámetros cinéticos, condiciones físicas de las vasijas y equipos e incluso propiedades cualitativas del Biodiesel y la Glicerina producidas, son de gran utilidad como referencia informativa.

2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.1 Biodiesel

Las grasas animales o vegetales están compuestas principalmente por triglicéridos. Estos son en términos químicos, ésteres de ácidos grasos con glicerol (1,2,3- propanetriol, también conocido como glicerina)25. Los Triglicéridos se componen de varios diferentes ácidos grasos, y estos se encuentran adheridos a una ramificación de glicerol. Los ácidos grasos contenidos en los triglicéridos componen el “perfil de ácidos grasos”,

23

BENEDETTI MARQUEZ, Elissa, et al.Análisis termoquímico del proceso de producción de biodiesel

a partir de aceite crudo de palma/ Ingeniator. Vol. 2, número 3. Cartagena, 2011. p.170-180. Semestral.

ISSN 2027-9396. 24

AKHAGBEME EMMANUEL, Joe. Dynamic Simulation of a Biodiesel reactor using Aspen Hysys

Process Simulator. Minna (Nigeria), 2010, 90h. Tesis pregrado (Ingeniería Química). Universidad

Federal de Tecnología. Departamento de Ingeniería Química. 25

KNOTHE, Op. Cit. pág. 9.

17

característica típica de identificación de las grasas o aceites animales y vegetales, responsable además de definir las propiedades de estas26. La obtención de biodiesel se logra cuando el aceite vegetal o la grasa animal es sometida a una reacción denominada transesterificación. En dicha reacción, el aceite es mezclado con un alcohol en presencia de un catalizador, para la formación del correspondiente alquil éster27. (Ver figura 1). El esquema de la reacción se observa en la figura 2. El biodiesel puede producirse de una gran variedad de materias primas, más comúnmente aceites vegetales tipo aceite de soya, algodón, palma, maní, canola o girasol. La selección de la materia prima dependerá principalmente de condiciones geográficas, y de esta, algunas condiciones en el proceso productivo. Figura 1.Reacción general de transesterificación

Fuente: KNOTHE, G. The Biodiesel Handbook (2005). p.39. Figura 2. Esquema de la reacción de transesterificación.

Fuente: LOAIZA ROMERO, F. Cinética de la reacción de transesterificación del aceite de Higuerilla en la obtención de biodiesel (2003). p.15.

Aunque las reacciones son reversibles, el equilibrio de desplaza con mucha más facilidad hacia la producción de ésteres de ácidos grasos y glicerina, principalmente debido a que la glicerina no es miscible con el producto28.

26

KNOTHE, Op. Cit. pág. 9. 27

CERVERÓ José María, et al. Producción de biodiesel a partir de aceites vegetales/Grasas y Aceites

Vol. 59, No.1. España, 2008. p.76-83. Trimestral. ISSN 0017-3495. 28

KNOTHE, Op. Cit. Pág 38.

18

El metiléster o biodiesel producto de la reacción de transesterificación y que cumple sus etapas de purificación y secado, es miscible con petrodiesel en cualquier proporción. Una mezcla 10% en Biodiesel, por ejemplo, se denomina B10. En este sentido, el biodiesel puro producido en la planta se denomina B100.

2.2.2 Materias primas para la producción del Biodiesel 2.2.2.1 Aceite refinado de palma. La principal materia prima para la producción de Biodiesel en Colombia es el aceite de palma, el cual se obtiene del mesocarpio de la fruta de la palma de aceite, Elaeis guineensis Jacq. y sus variedades, mediante procesos de extracción mecánica o por solventes. El aceite crudo de palma se utiliza en su forma natural como materia prima en la industria agroalimentaria (más de 50%), la industria química, cosmética, alimentación animal y más recientemente para uso en agrocombustibles.29 Colombia es el quinto productor de aceite de palma en el mundo y el primero en América Latina y su producción corresponde a un poco más del 85% del total de aceites y grasas vegetales producidos en nuestro país. Se cuenta en la actualidad cuenta con más de 450.000 hectáreas sembradas en palma de aceite.30 El aceite alimentado a la reacción de transesterificación ha pasado por un proceso de refinación física o química que le elimina el contenido de ácidos grasos, color y humedad e impurezas. Este producto en su fase final se denomina aceite RBD (Refinado, Blanqueado, Desodorizado). (Ver Figura 3).

29 C.I. ACEPALMA S.A. Aceite Crudo de Palma. [En línea]. Disponible en:

<http://www.acepalma.com/Productos.php> [citado en 19 de febrero de 2014]. 30

FEDERACIÓN NACIONAL DE BIOCOMBUSTIBLES DE COLOMBIA. Cifras informativas del

sector Biocombustibles. [En línea]. Disponible en: <

http://www.fedebiocombustibles.com/files/Cifras%20Informativas%20del%20Sector%20Biocombustib

les%20-%20BIODIESEL(54).pdf > [citado en 19 de febrero de 2014].

19

Figura 3. Esquema proceso de extracción y refinación del aceite crudo de palma.

Una caracterización del aceite refinado alimentado, según análisis cromatográfico resulta de la siguiente forma (Ver figuras 4 y 5):

20

Figura 4. Cromatograma del Aceite RBD de palma.

Fuente: Reporte Cromatografía Aceite RBD suministrado por el laboratorio del Proveedor C.I. Tequendama. (2014). Figura 5. Informe de porcentaje de área según cromatograma de Aceite RBD de palma

Fuente: Reporte Cromatografía Aceite RBD suministrado por el laboratorio del Proveedor C.I. Tequendama. (2014).

21

Los porcentajes de área indican la composición porcentual de ácidos grasos en el aceite RBD utilizado como materia prima en la reacción de transesterificación. El resultado muestra un porcentaje másico de 52,3% de ácido palmítico y 32,4% de ácido oleico como los ácidos grasos predominantes en esta materia prima. 2.2.2.2 Metanol. Los alcoholes utilizados en la fabricación del Biodiesel son siempre de cadena corta (C1-C4), siendo el metanol o alcohol metílico es el más utilizado en la producción de biodiesel dado que es mucho más reactivo, económico y permite un biodiesel con mejores propiedades combustibles31. El producto de la reacción con los triglicéridos del aceite, forma metiléster (Ver figura 6), por lo que en la industria es común denominar al biodiesel como metil éster de ácidos grasos (FAME’s). Figura 6. Ecuación de producción del metiléster utilizando metanol.

2.2.2.3 Metilato sódico (30% en metanol m/m). El metilato sódico o metóxido de sodio es un compuesto orgánico de fórmula CH3ONa. Opera como catalizador de la reacción química para producir biodiesel, reduciendo la energía de activación. Es ampliamente utilizado en solución al 30% en metanol con la ventaja de ser una solución de prácticamente cero humedad. Esto resulta en mayor rendimiento, menores costos de purificación y biodiesel de calidad más consistente32. A pesar de que existen catalizadores básicos que cumplen la misma función, por ejemplo, hidróxido de sodio o hidróxido de potasio, se ha descubierto que el metilato sódico impulsa a un mayor grado de conversión33. Teniendo en cuenta que el costo del aceite es generalmente alrededor del 90-95% del Biodiesel producido, un punto porcentual de aumento en el rendimiento de la reacción genera consigo ahorros sustanciales, que compensan incluso el mayor costo del catalizador.

31 CANTERO VERGARA, Op. Cit. Pág. 27.

32 JACKSON, Susan. Standard-For Good Reason. En: Biodiesel Magazine [En línea]. (Febrero 1 de

2006). Disponible en: <http://www.biodieselmagazine.com/articles/715/standard-for-good-reason>

[Citado en 2 de febrero de 2014]. 33

Ibíd.

22

2.2.3 Proceso de producción de Biodiesel en la planta de BioSC S.A.

La planta de producción de BioSC S.A. fue diseñada para la producción de Ésteres Metílicos derivados de la reacción de transesterificación previamente explicada. La glicerina se obtiene como subproducto, siendo inmiscible en la fase de metiléster. Para aumentar al máximo la conversión de la reacción, el metanol se alimenta con un exceso molar que va de 6:1 con respecto a la cantidad estequiometria. El metanol que no reacciona se reparte entre el metiléster y la glicerina. Con la reacción principal, ocurren también algunas reacciones dentro del sistema, que reducen el rendimiento y aumentan el consumo del catalizador, a saber: - La saponificación de ácidos grasos libres que contiene el aceite. - La hidrólisis de éster del metilo y la saponificación subsecuente. Es muy importante que la reacción se produzca con un aceite tan seco como sea posible para evitar reacciones paralelas no deseadas. El metanol en exceso (separado y recuperado al final de la reacción de transesterificación) se somete a una etapa de rectificación antes de reciclarse al proceso. La corriente de metiléster que sale de la unidad de transesterificación está sujeta a un proceso de purificación para retirar el exceso de metanol, humedad e impurezas. La purificación de metiléster consiste en: - Separación por decantación. La fase ligera en este caso es el metiléster y la

pesada comprende una fracción mayoritaria de glicerina y jabones. - Lavado con solución de ácido cítrico y centrifugación. Los jabones

remanentes en la fase ligera del separador son reaccionados con ácido cítrico y arrastrados en una unidad de centrifugación utilizando agua caliente (55-60°C)

- Secado. El agua adicionada y el metanol remanente en la corriente de metiléster se evaporan en una columna de secado que opera a alta temperatura (150-160°C) y presión de vacío (300mBar).

El flujo de glicerina separada del éster metílico, también se somete a un proceso análogo de purificación, que consiste primero en recuperar el metanol disuelto y luego en la eliminación de impurezas (principalmente jabones) incorporados durante la reacción de transesterificación. Estas etapas son: - Flasheo del metanol a temperaturas entre 100-110°C y presión de vacío

(300-400mBar). - Acidificación para romper los jabones y separar las oleínas (fracción de

metiléster húmedo y con acidez cercana al 5%p/p de ácido graso oleico). Se dosifica y recircula en una vasija ácido clorhídrico para este fin.

23

- Decantación glicerina/oleína, para separación de fases. La fase ligera (oleína) rebosa en la vasija de decantación y la fase pesada (glicerina) se extrae por el fondo para continuar la purificación.

- Neutralización de glicerina. Se lleva la corriente a un pH neutro para cuidar la integridad de las tuberías e internos de la columna de destilación de glicerina.

- Concentración de glicerina para eliminar las últimas trazas de metanol y humedad. La destilación se lleva a cabo en una columna de alta temperatura (150-160°C) y presión de vacío (alrededor de 400mBar).

El exceso de metanol usado en la unidad de transesterificación y extraído en las unidades de purificación y destilación se recupera en una columna de rectificación que opera a 100°C en promedio y vacío cercano a los 100mBar. El esquema de la figura No.7 muestra la dinámica del proceso descrito. Figura 7. Esquema de proceso productivo en la planta BioSC S.A.

2.2.4 Simulación de Procesos La simulación de un proceso consiste en el diseño de un modelo operacional para un sistema, que permita entender su comportamiento o evaluar estrategias alternativas para el desarrollo de la operación del mismo. La simulación debe ser capaz de reproducir aspectos determinados en el comportamiento del sistema modelado con aceptable precisión34, por lo tanto el

34 DIMIAN, Alexandre. Integrated design and simulation of chemical processes. [En línea]. Disponible

en: <http://books.google.com.co/> [Citado en 20 de Febrero de 2014].

24

resultado de la simulación será tan preciso y útil como lo sean las ecuaciones en entrada, la capacidad del software de simulación y la certeza de los datos almacenados. 2.2.4.1 Herramienta de simulación. El software Honeywell’s Unisim® Design Suite, con el que desarrollará este proyecto, ofrece un entorno de simulación modular y bidireccional ya que el flujo de información va en doble sentido de forma tal que las condiciones de una corriente de entrada pueden ser calculadas a partir de la información de las corrientes de salida, sin necesidad de cálculos iterativos. Además para cada unidad, plantea su propio set de ecuaciones con métodos robustos de convergencia. Además, presenta una interfaz gráfica de fácil uso, y bases de datos para modelos termodinámicos, paquetes de propiedades especiales por componentes, equipos de operaciones unitarias, y aplicaciones comunes de ingeniería.

2.2.4.2 Simulación en estado estacionario. Un modelo de simulación en estado estacionario es una representación de sistema en un instante de tiempo particular, mientras que un modelo de simulación dinámico representa un sistema que evoluciona con el tiempo35. 2.2.4.3 Definición de propiedades fisicoquímicas y termodinámicas. Con el fin de representar procesos químicos, modificaciones de estos, equipos o nuevos diseños, se requiere seleccionar un modelo termodinámico que represente con precisión las propiedades físicoquímicas de las sustancias que hacen parte del sistema. En la teoría, se han sintetizado algunas pistas que facilitan la elección de los paquetes termodinámicos adecuados para la simulación. Mostraremos gráficamente la heurística desarrollada por el funcionario de Aspen Technology, Eric Carlson36 :

35 URQUÍA M, Alfonso. Simulación Texto Base de Teoría. Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Informática. Madrid, España. p. 7. [En Línea]. Disponible en: <http://www.uned.es/543072/Files/teoria_Simulacion.pdf> [citado en 20 de febrero de 2014]. 36

CARLSON, Eric C. Don’t gamble with physical properties for simulations.

Chemical Engineering Progress, 2006. [En línea]. Disponible en:

<http://www.engineering.uiowa.edu/~cbe_103/Misc/Don%20t%20Gamble%20Article.pdf> [Citado en

20 de Febrero de 2014].

25

Figura 8. Primer paso para la selección de métodos de cálculo de propiedades físicas.

Fuente: CARLSON, Eric C. Don’t gamble with physical properties for simulations, 2006. p.36.

Figura 9. Selección para compuestos polares no electrolitos.

Fuente: CARLSON, Eric C. Op. Cit. p.38.

26

Figura 10. Opciones para los cálculos de la fase vapor con modelos de coeficiente de actividad.

Fuente: CARLSON, Eric C. Op. Cit. p.38.

2.3 MARCO LEGAL El desarrollo de la industria del Biodiesel en Colombia se circunscribe en el siguiente marco jurídico: Cuadro 2. Marco normativo del Biodiesel en Colombia.

TIPO NÚMERO AÑO CONTENIDO

Decreto 4892 2011 (Dic. 23)

Por el cual se dictan disposiciones aplicables al uso de alcoholes carburantes y biocombustibles para vehículos automotores.

Decreto 181556 2010 (Ago. 31)

Por la cual se modifica la Resolución 8 2439 del 23 de diciembre de 1998 y se establecen disposiciones relacionadas con la estructura de precios del ACPM y de la mezcla del mismo con el biocombustible para uso en motores diesel.

27

Cuadro 2 (Continuación). Marco normativo del Biodiesel en Colombia.

Decreto 180462 2009 (Mar. 27)

Por la cual se modifica la Resolución 8 2439 del 23 de diciembre de 1998 y se establecen disposiciones relacionadas con la estructura de precios del ACPM y de la mezcla del mismo con el biocombustible para uso en motores diesel.

Conpes 3510 2008 (Mar.31) Lineamientos de política para promover la producción sostenible de biocombustibles en Colombia.

Resolución 182142 2007 (Dic.27)

Por el cual se expiden normas para el registro de productores y/o importadores de biocombustibles para uso en motores diesel y se establecen otras disposiciones en relación con su mezcla con el ACPM del origen fósil

Resolución 182087 2007 (Dic.17)

Por la cual se modifican los criterios de calidad de los biocombustibles para su uso en motores diesel como componente de la mezcla con el combustible diesel de origen fósil en procesos de combustión.

Ley 939 2004 (Dic.31)

Por medio de la cual se subsanan los vicios de procedimiento en que incurrió en el trámite de la Ley 818 de 2003 y se estimula la producción y comercialización de biocombustibles de origen vegetal o animal para uso en Motores diesel y se dictan otras disposiciones.

Fuente: FEDERACIÓN NACIONAL DE BIOCOMBUSTIBLES DE COLOMBIA. <http://www.fedebiocombustibles.com/v2/main-pagina-id-2.htm>

Además, es importante resaltar que según lo establecido en el anexo de la resolución 182142 de 2007, el Biodiesel utilizado en mezclas con diesel petroquímico debe cumplir las siguientes características: Cuadro 3. Requisitos del biodiesel para mezcla con combustibles diesel

PARÁMETRO UNIDAD ESPECIFICACIÓN

MÉTODOS DE ENSAYO NTC 5444

Densidad a 15 °C Kg/m3 860-900 ASTM D 4052

ISO 3675

Contenido de agua mg/kg 500 máximo ASTM E 203

ISO 12937

Número de ácido mg de KOH/g

0.5 máximo ASTM D664

EN 1404

Punto de fluidez ºC Reportar (4) ASTM D 97

Glicerina libre y total Porcentaje en masa

0.02/0.25

ASTM D 6584

ISO 14105

ISO 14106

28

Cuadro 3 (Continuación). Requisitos del biodiesel para mezcla con combustibles diesel.

Contenido de metanol o etanol

Porcentaje en masa

0.2 máximo ISO 14110

Contenido de éster Porcentaje en masa

96.5 mínimo EN 14103

Viscosidad (cinemática a 40° C)

mm2 /s 1.9 – 6.0 ASTM D 445

ISO 3104

Destilación (PFE) ºC Máx. 360 ASTM D 86

ISO 3405

Contaminación total mg/kg 24 máximo EN 12662

Índice de yodo gr de

yodo/100gr 120 máximo EN 14111

Fuente: FEDERACIÓN NACIONAL DE BIOCOMBUSTIBLES DE COLOMBIA.

<www.fedebiocombustibles.com/files/182142.pdf >

2.4 MARCO CONCEPTUAL

Aceite crudo de palma: Se obtiene del mesocarpio de la fruta de la palma de aceite, Elaeis guineensis Jacq. y sus variedades, por proceso de extracción mecánica o por solventes. se utiliza en su forma natural como materia prima en la industria de aceites y grasas comestibles (aceites líquidos y margarinas), concentrados para animales, jabones, biodiésel, entre otros.37 Aceite RBD: Aceite crudo de palma que ha pasado por un proceso de refinación física, tal como se describe en la figura 3. Ácidos Grasos: Son ácidos orgánicos presentes en la gran mayoría de lípidos, definiendo su comportamiento y propiedades. Son generalmente de cadena lineal y tienen un número par de átomos de carbono38. Biocombustibles: Combustibles líquidos o gaseosos para automoción producidos a partir de biomasa, entendiéndose como tal, la materia orgánica biodegradable procedente de cultivos energéticos y residuos agrícolas, forestales, industriales y urbanos39.

37 C.I. ACEPALMA S.A. Productos y Servicios. [En línea]. Disponible en:

<http://www.acepalma.com/Productos.php#Aceite01>. [Citado en 20 de Febrero de 2014]. 38

CALVO, Miguel. Bioquímica de los alimentos. [En línea]. Disponible en:

<http://milksci.unizar.es/bioquimica/temas/lipidos/acidosgrasos.html>. [Citado en 20 de Febrero de

2014]. 39

ASOCIACIÓN DE PRODUCTORES DE ENERGÍAS RENOVABLES. ¿Qué son los

biocarburantes? [En línea]. <http://www.appa.es/03biocarburantes/03que_son.php>. [Citado en 7 de

Febrero de 2014].

29

Biodiesel: Combustible derivado de biomasa renovable para uso en motores de combustión interna con ignición por compresión o para la generación de otro tipo de energía que pueda sustituir total o parcialmente combustibles de origen fósil40. Glicerina: El propanotriol, glicerol o glicerina (C3H8O3) es un alcohol con tres grupos hidroxilos (–OH). En la producción de biodiesel por transesterificación, la glicerina es un subproducto obtenido en una proporción con respecto a la masa de triglicéridos de entre el 10 y 15% en peso. El resultado no es glicerol puro, sino con concentraciones entre 80 y 85% de acuerdo a la tecnología utilizada41. Refinación: Consiste en el proceso de purificación de una sustancias por medios físicos o químicos. La refinación de aceites particularmente, sigue el modelo descrito en la figura 4. Separación por centrifugación: La fuerza centrífuga se produce por rotación alrededor de un eje. La fueza generada a través de la rotación actúa en dirección de dentro hacia afuera. La separación por centrifugación utiliza esta propiedad para separar dos fases miscibles por diferencia de densidad42. Separación por decantación: La decantación es un proceso de separación de dos líquidos inmiscibles que tienen diferentes densidades. Cuando estos líquidos decantan, se forma dos capas distintas, la más pesada en la parte inferior y la más ligera en la parte superior43. Separación por destilación: Técnica de purificación de líquidos que utiliza la diferencia de puntos de ebullición para vaporizar el compuesto más volátil de la mezcla. Normalmente las columnas de destilación utilizan lechos empacados, platos o bandejas para lograr un mayor contacto entre las fases44. Separación por evaporación flash: Consiste en la vaporización parcial que ocurre cuando una corriente de líquido saturado ingresa a presión reducida a una vasija. Al ingresar a la vasija, la expansión generada facilita la separación de las fases vapor y líquido45.

40 BIOCOMBUSTIBLES SOSTENIBLES DEL CARIBE S.A. ¿Qué es el Biodiesel?. [En línea].

Disponible en: <http://www.biosc.com.co/>. [Citado en 20 de Febrero de 2014]. 41

BENJUMEA, Pedro Nel, et al. Biodiesel: Producción, calidad y caracterización. Colección Ciencia y

Tecnología. Universidad de Antioquia, 2009. [En línea]. Disponible en: <http://books.google.com.co>.

[Citado en 20 de Febrero de 2014] 42

GEA WESTFALIA SEPARATOR GROUP. Fundamentals of centrifugal separation technology. [En

línea]. Disponible en < http://www.westfalia-separator.com/products/separation-technology-how-it-

works.html> [Citado en 27 de Febrero de 2014]. 43

GARBOROGLASS. Decantor Vessels. [En línea] Disponible en:

<http://www.gargboroglass.com/PDF1/decantorsvessels.pdf> [Citado en 27 de Febrero de 2014]. 44

PERRY, Robert H. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. Editorial Mc Graw Hill, 1999. p.13-1. 45

PRICE, Randel M. Flash Distillation. [En línea]. Disponible en:

<http://www.cbu.edu/~rprice/lectures/flash.html>. [Citado en 27 de Febrero de 2014].

30

Transesterificación: Reacción donde un éster se transforma en otro a través del intercambio del radical alcoxy. Cuando el éster original reacciona con un alcohol, el proceso se denomina alcohólisis46. Para la producción de biodiesel, el alcohol se alimenta en exceso y el equilibrio de la reacción se ayuda mediante el uso de un catalizador (base o ácido fuerte). La ecuación general se describió en la figura 1.

46 OTERA, J. Transesterification. American Chemical Society. Chem Rev 1993. p. 1449-1470.

31

3. DISEÑO METODOLÓGICO

3.1 TIPO Y ENFOQUE DE INVESTIGACIÓN

La presente investigación tiene por objetivo la simulación y análisis de un proceso de obtención de biodiesel y glicerina. Su enfoque es de naturaleza experimental, debido a que se manipulan deliberadamente con fines comparativos y demostrativos, variables independientes en el proceso. Esta caracterización concuerda con lo descrito por el Dr. Roberto Hernández Sampieri y otros: “un estudio de investigación en el que se manipulan deliberadamente una o más variables independientes (supuestas causas) para analizar las consecuencias de esa manipulación sobre una o más variables dependientes (supuestos efectos), dentro de una situación de control para el investigador”47. Corresponde el trabajo al tipo de investigación descriptiva-analítica, donde se analiza la estructura o comportamiento de una población, para el caso, un grupo de variables, y con enfoque cuantitativo, que según describe R. Hernández: “utiliza la recolección y el análisis de datos para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis establecidas previamente y confía en la medición numérica, el conteo y frecuentemente en el uso de la estadística para establecer con exactitud patrones de comportamiento de una población”48.

Según este autor: “Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno que sea sometido a análisis. Miden o evalúan diversos aspectos, dimensiones o componentes del fenómeno o fenómenos a investigar.”49, en tanto que los analíticos “permiten a través del manejo de matrices de análisis, conocer el fenómeno o variable de forma exhaustiva y la interrelación de los elementos constitutivos”50.

3.2 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN

La recolección se realizó fundamentalmente mediante las siguientes fuentes primarias:

Datos obtenidos en cada unidad de proceso, registrados por los instrumentos indicadores y trasmisores ubicados en planta.

47 HERNANDEZ, Roberto, et. al. Metodología de la Investigación. 5 p. [En línea].Disponible en:

<http://www.upsin.edu.mx/mec/digital/metod_invest.pdf>. [Citado en 18 de junio de 2012]. 48

Ibíd. 49

Ibíd. 50

BAQUERO N, Manuel , et. al. Orientaciones para el Diseño, Desarrollo y Presentación de Trabajos

de Investigación. Edición Departamento de Relaciones Públicas y Comunicaciones. Universidad de San

Buenaventura 2007.pp. 27

32

Balances de materia y energía entregados por el proveedor de la tecnología o desarrollados por el departamento de operaciones.

Diagramas de flujo de proceso.

Análisis de composiciones según resultados de laboratorio.

Especificaciones y diseño de equipos. Como fuentes secundarias, se analizará información bibliográfica aplicada específicamente al desarrollo de simulaciones de procesos de producción de biodiesel a partir de aceite crudo de palma. De igual forma, se indagará por desarrollos similares en las otras plantas análogas, construidas y operativas del país.

3.3 HIPOTESIS DE TRABAJO

La simulación en estado estacionario de las etapas productivas de la planta de Biodiesel y Glicerina Cruda operada por la empresa BioSC S.A. mediante la herramienta UNISIM R390®, permite hacer seguimiento a las variables de proceso reales y proyectadas.

3.4 VARIABLES Se analizan en el desarrollo del proyecto únicamente variables cuantitativas, de acuerdo a la siguiente clasificación:

3.4.1 Variables independientes Se asumen como variables independientes, la composición de los reactivos (aceite RBD, metanol, metilato sódico) y el flujo de alimentación del aceite RBD al proceso.

3.4.2 Variables Moderadoras Tenemos como variables moderadoras la presión y temperatura de reacción, el flujo de alimentación de reactivo (metanol) y el flujo de alimentación del catalizador (metilato sódico).

3.4.3 Variables de control Como variables de control se definen los niveles seteados para las vasijas en el ambiente de simulación estacionario y las condiciones de presión y temperatura de las columnas de destilación de biodiesel y glicerina.

3.4.4 Variables dependientes Son referidos en esta categoría, las composiciones y flujos de los productos (Biodiesel y Glicerina cruda).

33

3.5 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES Cuadro 4. Operacionalización de las variables.

VARIABLE DEFINICIÓN DIMENSIONES INDICADOR

Composición Proporción de sustancias presentes en cada reactivo o producto

Concentración % p/p o ppm

Flujo de proceso

Caudal de movimiento de reactivos, intermedios o productos

Flujo másico (M/T) Kg/h

Temperatura Medida de energía térmica de una sustancia

Calor (θ) ºC

Presión Relación entre la fuerza y el área en la que se aplica.

Fuerza/área (M/LT2)

bar.

Nivel Altura de líquido en una vasija

% de nivel llenado %

3.6 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Una vez se han definido las variables dependientes y de control, se buscará con la manipulación de estas, la generación de escenarios operativos simulados que proyecten su efecto en las variables dependientes. Inicialmente se realizará una validación de los datos arrojados por el simulador al ingresar las variables actuales de proceso, mediante comparación con los indicadores actuales en planta y luego, habiendo configurado completamente la herramienta, nuestra intención será identificar para cada régimen de flujo, el mejor escenario en cuanto a rendimiento de la reacción (Composiciones del Biodiesel y la Glicerina).

34

4. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Mes Abr May Jun Jul Ago Sep

Semana 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Recopilación de la información

Configuración de la herramienta de

simulación

Simulación estacionaria del

estado actual de la planta BioSC y

validación de datos

Desarrollo y estudio de los escenarios de

simulación

Análisis de resultados

Elaboración del documento final

35

5. BIBLIOGRAFÍA

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