Optimization of the process of obtaining biodiesel from a production
company, through simulation
Cristian
Freire Ordóñez
Magíster en Gestión Ambiental - Universidad Internacional SEK -
Email:chrstnfreire@gmail.com
Johanna
Medrano Barboza
Magíster en Ingeniería Química - Universidad Internacional SEK - Email: johanna.medrano@uisek.edu.ec
RESUMEN
Ecuador ha sido catalogado como uno de los países con
potencial para incursionar en la producción de biodiesel en América Latina,
utilizando aproximadamente 200 hectáreas para la generación de aceite de
Jatropha curcas; sin embargo, la producción de este aceite no es suficiente
para satisfacer la demanda del mercado ecuatoriano. En este trabajo se presenta
la optimización del proceso productivo de biodiesel a partir de Jatropha curcas
en una planta piloto ecuatoriana mediante la evaluación de mejoras aplicadas
mediante simulación. Para ello, se hizo el levantamiento de información de los
datos operacionales, se realizaron los balances de masa y energía y se
optimizaron las variables principales de operación como: temperatura, tiempo de
reacción, concentración molar alcohol: aceite vegetal, uso de catalizadores
homogéneos y heterogéneos, y su concentración, la intensidad del mezclado y el
control de la humedad en el paquete
comercial SuperPro Designer v.9.5 para la validación de la información. El
resultado fue un aumento de la eficiencia del proceso de obtención de biodiesel
de la empresa de 85 % a 91 % en volumen, mismos que fueron escalados tomando en
cuenta la producción local de la especie y los resultados obtenidos demostraron
que se puede cumplir con 25% del objetivo propuesto por el gobierno actual al
obtener 10 MM (millones) de litros de biodiesel de la planta escalada.
Palabras
Clave: Biocombustible,
Producción biodiesel, Jatropha curcas, Simulación, SuperPro Designer
ABSTRACT
Ecuador has been cataloged as one of the countries
with the potential to venture into biodiesel production in Latin America, using
approximately 200 hectares for the generation of Jatropha curcas oil; however,
the amount of the produced oil it is not enough to satisfy the demand of the
Ecuadorian market. This paper presents the optimization of the biodiesel
production process from Jatropha curcas in an Ecuadorian pilot plant through
the evaluation of improvements applied by simulation. For this, the information
was collected from the operational data, mass and energy balances were made and
the main variables such as: temperature, reaction time, alcohol: vegetable oil
molar ratio, use of homogeneous and heterogeneous, catalysts and their
concentration, mixing intensity and humidity control, were optimized in the
commercial package SuperPro Designer v.9.5 to validate the information. The
result was an increase in the efficiency of the process of obtaining biodiesel
from the company from 85% to 91% in volume, which were scaled taking into
account the local production of the specie and the results obtained showed that
it can be fulfill with 25% of the objective proposed by the current government
to obtain 10 (millions) MM liters of biodiesel from the large scale plant.
Keywords: Biofuel,
Biodiesel Production, Jatropha curcas, Simulation, SuperPro Designer
Introducción
El crecimiento de la población mundial en los últimos
años, ha llevado a la búsqueda de alternativas que permitan cubrir la creciente
demanda del consumo de energía. Los combustibles fósiles han sido los
proveedores de energía en la mayoría de los procesos diarios hasta el día de
hoy, mismos que han sido responsables de la generación de daños ambientales por
ejemplo el cambio climático (Benito,
2016); por lo cual, estudios recientes se han focalizado ya
no en la adaptación a las circunstancias; sino, en estrategias que permitan
mitigar los problemas ambientales a los que se enfrenta la sociedad mediante
convenios internacionales como la Conferencia de las Naciones Unidas sobre
Cambio Climático (Naciones
Unidas, 2015). La energía que se obtiene a partir de combustibles
fósiles es de alrededor de 77 %, el otro 23 % lo ocupan energías obtenidas de
diversas fuentes, como puede apreciarse en la Fig. 1 (Cabello,
Rincón, & Zepeda, 2016).
El biodiesel se presenta como una alternativa a los
combustibles fósiles, catalogados como una gran fuente de energía debido a
que pueden provenir de recursos
agrícolas, madereros o cualquier fuente de residuos de desperdicios urbanos (ProEcuador,
2013). Mediante un proceso de transesterificación, aceites
animales, vegetales o grasas recicladas
pueden convertirse en biodiesel, el cual presenta características ambientales
positivas en comparación con el diésel
derivado del petróleo (Castellar
Ortega, Angulo Mercado, & Cardozo Arrieta, 2014).
El 83% de la producción de biodiesel se obtiene a
partir de aceites vegetales, se espera que la misma disminuya con la
utilización de diversas materias primas como los son: piñón, biomasa, aceite de
cocina usado y sebo animal (ProEcuador,
2013). Si se toman en cuenta criterios de sustentabilidad,
el reemplazo de combustibles fósiles a biodiesel debería ser llevado a corto
plazo; sin embargo, no se ha alcanzado un desarrollo tecnológico apropiado y su
avance depende de las diferentes resoluciones de inversionistas y del gasto que
se destine a investigaciones para cumplir con las metas de las diferentes
regiones (Cunningham,
2006).
El precio del mercado de biodiesel hoy en día no puede
competir con los precios del petróleo crudo, pero se prevé que el precio de los
derivados del petróleo; en especial los combustibles, aumenten en un 7 % desde la fecha de
referencia (2013) hasta el año 2022; con lo cual, la demanda de biodiesel aumentará
en un 50 % para el consumo automotor, lo cual representaría oportunidades de
trabajo y un crecimiento de la economía local (ProEcuador,
2013).
Ecuador es uno de los países que ha incursionado en el
tema del biodiesel en América Latina con su propuesta Ecopaís, la cual tiene en
su composición 5 % de bioetanol; hoy en día se pueden encontrar más de 40
estaciones de servicio en la ciudad de Guayaquil que ofrecen esta mezcla de
combustible.
El biodiesel estimula la actividad agrícola; asimismo,
genera beneficios ambientales tales como la reducción de gases de efecto
invernadero como CO, CO2, NOx y debido a que prácticamente no contiene azufre
no se generará SO2, si es que el combustible es netamente biodiesel; sin
embargo, utilizando combustibles con una composición de 95 % diesel
convencional y un 5% de biodiesel se puede apreciar una disminución en los
gases de efecto invernadero (Retana,
2008).
‘El proceso de obtención de biodiesel se puede
realizar mediante la reacción de transesterificación de aceites o grasas (que
es una reacción entre sus triglicéridos) y metanol, produciéndose glicerina y
ésteres metílicos (Ramos,
Fernández, Casas, Rodríguez, & Pérez, 2009). La transesterificación es la reacción en la cual los
triglicéridos que se encuentran en el aceite de Jatropha curcas se ponen en
contacto con un alcohol de bajo peso molecular (metanol, etanol, etc.) en presencia
de un catalizador, para formar glicerina y una mezcla de ésteres grasos. Los
factores primordiales a tomarse en cuenta en la reacción de transesterificación
son el desempeño del catalizador y el control de las condiciones óptimas de
reacción (Ismaiel,
Hamid, & Wagialla, 2017).
La reacción que se presenta en la Fig. 2, es una
reacción reversible puesta en contacto con un catalizador representado por ROH.
R', R'' y R''' representan las cadenas
de ácidos grasos asociados con el aceite o la grasa usados en la reacción, que
en este caso, son usualmente, ácido palmítico, esteárico, oléico y linoléico (Ismaiel
et al., 2017).
Fig. 2. Reacción de transesterificación de ácidos
grasos- Simulation of Jatropha Biodiesel using SuperPro Designer (Ismaiel et al., 2017).
Las características fisicoquímicas del biodiesel son
determinadas por los ésteres metílicos de ácidos grasos con respecto a su
proporción, longitud de cadena de carbonos, y grado de instauración. Algunas de
las características fisicoquímicas consideradas para determinar la calidad de
biodiesel son: viscosidad cinemática, densidad, número de cetano, índice de
yodo, índice de acidez y entalpía de combustión, mismas que se encuentran en
normas como la ASTM D6751 en Estados Unidos y la EN 14214 en Europa (Hoekman,
Broch, Robbins, Ceniceros, & Natarajan, 2012).
El biodiesel que proviene de aceites ricos en ácidos
grasos insaturados como el oléico y linoléico, proporcionan características
aptas para el correcto desempeño en los
motores de combustión interna, ya que su densidad y viscosidad son similares a
las del diésel (Shahid
& Jamal, 2011). Se ha descubierto que la presencia de ésteres
metílicos de ácidos grasos monoinsaturados beneficia la calidad de ignición del
biodiesel y su flujo en el motor (Shahid
& Jamal, 2011) .
El género Jatropha integra la familia Euphorbiaceae y
Latinoamérica es un centro de diversificación y endemismo, contando con
aproximadamente 21 % de sus especies (Fresnedo-Ramírez
& Orozco-Ramírez, 2013). La especie Jatropha curcas posee variedades tóxicas
y no tóxicas y es conocida como piñón o piñoncillo. Varias investigaciones la
caracterizan como una especie con gran capacidad para la producción de
biodiesel debido a su contenido de aceite de 30% a 40% y a la composición
química de éste, que se aproxima a 21% de ácidos grasos saturados y a 77% de
ácidos grasos insaturados (Balat, 2011)(Armando, Alvear, & Álvarez, 2010) (Falasca & Ulberich, 2008).
2. Materiales y
métodos
Las
Fig. 3 y 4, representan el proceso actual de obtención de biodiesel de la
planta piloto objeto de estudio, a partir del aceite de Jatropha curcas. La
planta cuenta con una capacidad de producción del 85% y su producción es de 4
L/d.
La
planta piloto y la simulación realizada
constan de cuatro procesos: un reactor R-101, dos centrifugas DC-101 y
DC-102, y un mezclador M-101, los mismos que conforman el proceso de obtención
de biodiesel que se encuentran en la Fig. 4, y que se explican brevemente a
continuación: la corriente de la catálisis la cual contiene una solución 75% de
metanol con 25% de hidróxido de sodio, creándose el compuesto metóxido de sodio
(NaOCH3), se pone en contacto con la corriente de metanol, formando la
corriente C-101, la cual alimenta al reactor R-101 por el tope, mientras que el
aceite de Jatropha curcas alimenta por la parte media a dicho reactor. Acorde a
la reacción de transesterificación mencionada en la Fig. 2, el metanol
reacciona con el aceite de Jatropha curcas produciendo la corriente C-102 la
cual contiene biodiesel, glicerol y trazas de los reactantes.
El
tiempo de residencia en el reactor es de 1 hora, obteniéndose una conversión
aproximada del 82 al 85%. La corriente C-102 ingresa al centrifugador DC-101,
en el cual se separan grasas y aceites con el fin de retirar en su mayoría, el
biodiesel crudo (C-103) del glicerol (C-104). En los procesos de centrifugación
se adoptaron las propiedades propuestas por el software SuperPro Designer V9.5
para este tipo de equipos como el tipo de solvente y tamaño de partícula del
separador, cambiando simplemente los porcentajes en el balance de materia con
la finalidad de obtener una separación de biodiesel del glicerol.
La
corriente C-103 que contiene biodiesel crudo, se lava con agua acidificada
(C-105) con un pH de 4.5 en el mezclador M-101, utilizando HCl en una relación
del 1% p/p con respecto al aceite, para neutralizar la catálisis y evitar la
formación de jabón. El producto resultante del mezclador (C-106) se envía al
segundo centrifugador (DC-102) para separar la fase acuosa, obteniendo
biodiesel y restos de glicerol.
Las
variables que se identificaron y que su variación puede afectar al proceso de
transesterificación son: temperatura, tiempo de reacción, relación molar
alcohol: aceite vegetal, tipo de alcohol, humedad y concentración de
catalizador (Sharma,
Singh, & Upadhyay, 2008).
El producto de la corriente de biodiesel no debe contener más de un 0.05% p/p
de agua. Un alto contenido de agua puede reducir la velocidad de reacción,
debido a que la misma reacciona con los catalizadores formando jabones (Garc,
2006) (Ismaiel
et al., 2017).
Como
se observa en la Fig. 2, en la reacción de transesterificación la relación
estequiométrica es de 3:1 alcohol: aceite, pero se suele optar por un exceso de
metanol de hasta una relación 6:1 para obtener una mayor conversión; sin
embargo, una relación de alcohol superior a la de 6:1 puede afectar a la
separación de glicerina por el aumento solubilidad, cuando esta se encuentra en
la solución provoca que la reacción se revierta hacia la izquierda, reduciendo
el rendimiento de los ésteres (Gil,
2017).
3.
Resultados
Las
diferentes propiedades físicas de los compuestos utilizados en esta simulación
se encuentran en la base de datos del software SuperPro Designer v.9.5. Las
condiciones de operación recomendadas en plantas piloto de obtención de
biodiesel son: un reactor de agitación continua con temperatura de reacción
de 60° C y 1 atm de presión, con tiempo de residencia de 60 min (Sastry,
2011).
En
el proceso de la Fig. 3, se aprecia la etapa de transesterificación sin una etapa de pre-tratamiento del
aceite, debido a que el aceite de
Jatropha curcas del Ecuador posee tan solo el 1,26% de ácidos grasos libres, y
por lo tanto no requiere de un pretratamiento previo (Elizalde
& Rodriguez, 2009).
El
catalizador utilizado fue el NaOH debido a sus ventajas económicas y de
velocidad de reacción (Torossi,
2006), la concentración del
catalizador es de 1 % y cuenta con una relación molar alcohol: aceite de 3:1; (Gupta
& Sastry, 2016).
Los
resultados obtenidos en la planta piloto de biodiesel de la empresa ecuatoriana
estudiada, previa a la realización de la simulación eran del 85%, basándose
solamente en el volumen del producto al final del proceso, que representa
aproximadamente 2,4543 kg/día de biodiesel.
Al
analizar las diferentes variables de operación mencionadas en la metodología y
con el objetivo de asegurar máximas conversiones se utilizó un tiempo de
residencia de 90 minutos en el reactor CSTR, tiempo con el que se trabaja en algunas
plantas de obtención de biodiesel en la India (Sastry
& Ramachandramurthy, 2011),
obteniendo resultados de 3,8508 kg de biodiesel, correspondiente a un 91% de
conversión con respecto al proceso previo en la simulación base, el cual era de
un 85%, como se observa en la Tabla 1.
|
Tabla 1. Detalles de flujos de
corrientes de la planta piloto empleados para la simulación base. |
||
|
Detalle corrientes |
||
|
Reactor 1/ R-101 |
||
|
Corriente |
Componentes |
Flujo (kg/día) |
|
C-101 |
Metanol- Catálisis |
0,43 |
|
Aceite de Jatropha curcas |
Aceite Jatropha curcas |
4,00 |
|
Centrifugador 2/ DC-102 |
||
|
C-102 |
Biodiesel |
3,8000 |
|
Glicerol |
0,4038 |
|
|
Aceite Jatropha curcas |
0,1171 |
|
|
Metóxido de sodio |
0,0125 |
|
|
Agua |
0,0160 |
|
|
C-103 |
Biodiesel |
3,8100 |
|
Aceite Jatropha curcas |
0,1116 |
|
|
Metóxido de sodio |
0,0125 |
|
|
Agua |
0,0160 |
|
|
C-104 |
Glicerol |
0,4038 |
|
Mezclador / R-103 |
||
|
C-105 |
HCl- Agua |
0,1570 |
|
C-106 |
Biodiesel |
3,8306 |
|
Glicerol |
0,0403 |
|
|
HCl |
0,0152 |
|
|
Aceite Jatropha curcas |
0,1171 |
|
|
Metanol |
0,0055 |
|
|
Metóxido de sodio |
0,0031 |
|
|
Cloruro de sodio |
0,0101 |
|
|
Agua |
0,0160 |
|
|
Centrifugador 2/ DC-104 |
||
|
Biodiesel |
Biodiesel |
3,8508 |
|
C-107 |
Glicerol |
0,0400 |
|
Fuente: SuperPro Designer v.9.5 –
Elaboración propia |
||
Propuesta
deescalamiento de 10 MM de L/año
Al
analizar la situación actual de Ecuador y ante el requerimiento del cambio de
la matriz energética, se dispuso a diseñar mediante simulación, una
planta de mayor capacidad. Para la simulación de la nueva planta se tomaron
como referencia la información recolectada de varios estudios, acerca de las
variables que intervienen en el proceso de biodiesel, así como, la inclusión de
un proceso para el tratamiento de la glicerina producida utilizando el software
(Sastry,
2011)(Cabello
et al., 2016)(Albis
et al., 2005)(Castellar
Ortega et al., 2014)(Rojas,
Canchala, & Torres, 2009),
como se muestra en la Tabla 2.
Tabla
2. Variables identificadas y valores puntuales de operación
|
Variables |
Valores bibliográficos de operación |
|
Temperatura de reacción |
60° C |
|
Relación alcohol molar: aceite
vegetal |
3:1 |
|
Tipo de alcohol |
Metanol |
|
Tipo de catalizador |
NaOH |
|
Concentración de catalizador |
1% p/p |
|
Tiempo de reacción |
90 min |
|
Intensidad de mezclado |
450 rpm |
|
Humedad |
0,05% |
Fuente: SuperPro Designer v9.5 - Elaboración propia
Las
Fig. 5 y 6, representan la propuesta de escalamiento al proceso de obtención de
biodiesel. La propuesta basa sus principios en la simulación utilizada en el
proceso de obtención de biodiesel de la empresa.
La
simulación cuenta con dos etapas, de reacción y dos etapas adicionales para la
purificación de glicerina como se observa en la figura 8; las mismas se
describen a continuación:
Dos
reactores para la etapa de reacción (R-101 y R-102).
Un
mezclador para la etapa 1 (M-101) y dos mezcladores adicionales para la etapa 2
de purificación de glicerina (M-202 y M-203)
Tres
centrifugadoras para la etapa 1 de reacción y neutralización (DC-101, DC-102 y
DC-103) y una centrifugadora para el proceso de purificación de glicerina
(DC-201).
Un
destilador flash para separar la fase líquida de la de biodiesel (V-101).
Dos
torres de destilación (T-201 y T-202) para la separación de metanol y agua que
será reconectada al proceso.
Se
tomaron en cuenta criterios de expertos los cuales determinan que en 1 ha de
siembra de Jatropha curcas con una producción de semillas de 5 ton/ha, se puede
obtener 1.5 ton de aceite (De
la Rosa, Henríquez Montero, Sánchez Tuirán, & Ojeda Delgado, 2015). Para alcanzar el objetivo de los 10 MM de L/año
de biodiesel, basándose en el criterio anterior se debe contar con un espacio
de terreno cultivable de 6480 ha y 32400 ton/ha de semilla de Jatropha curcas.
Fig. 3.
Esquema de producción de biodiesel de la planta piloto
Fig. 4.
Diagrama de producción de biodiesel- planta piloto ecuatoriana con SuperPro
Designer v.9.5
Pese
a que la transesterificación de Jatropha curcas se puede dar a temperaturas de
hasta 25°C, es recomendable mantener
rangos entre 60-65 °C de la misma, debido a que la concentración alcohol:
aceite que se maneja es de 3:1. Como se observa en la Tabla 3, el contenido de
agua en la corriente de vapor es del 98.69 % mientras que el contenido de la
corriente por la parte inferior de biodiesel es de 98.53 %, evidenciando así la
separación del agua del biodiesel.
En
el proceso de purificación de glicerina, las corrientes provenientes de las
tres centrifugadoras ingresan al mezclador M-201, para ser acidificadas con HCl 1N 35,5-38% para separar
los jabones y neutralizar el residuo de NaOH contenido en ellas (Carvajal-osorio
et al., 2010). Los resultados de las
corrientes derivadas de la centrifugadora y la columna de destilación, se
muestran en las Fig. 4 y 5, respectivamente.
Con
respecto a las variables de operación utilizadas en la propuesta de escalado de
la Tabla 2, se debe tomar en cuenta que si bien el aumento de la temperatura a
60°C favorece el rendimiento y el tiempo de reacción disminuye, se sugiere que
la temperatura no sobrepase el punto de ebullición del metanol de 64,7°C porque
se vaporizará, formándose burbujas que limitan la reacción en las fases
alcohol/aceite/biodiesel (Liu,
Piao, Wang, & Zhu, 2008).
Para
alcanzar el objetivo de 10 MM de L/año (9.353.857,97 kg/año) se toma como
referencia el tiempo de operación de la planta piloto ecuatoriana, que son 9
h/día durante 240 días; carga de trabajo que se acostumbra a utilizar en las
diferentes haciendas de la provincia de Santo Domingo de los Tsáchilas. Para
estimar el rendimiento de la planta se tomó en cuenta las diferentes entradas
al proceso durante un año las cuales equivalen a 10.278.964,80 kg/año y la
salida al final del proceso son de 9.353.857,97 kg/año obteniéndose un
porcentaje del 91% p/p.
|
Tabla 3. Resultados del Destilador Flash/V-101 |
|||
|
Corriente |
Componentes |
kg/h |
% masa |
|
Vapor |
Biodiesel |
0,0019 |
0,0022 |
|
Glicerol |
0,0963 |
0,1092 |
|
|
Aceite Jatropha curcas |
0,0963 |
0,1092 |
|
|
Metanol |
0,8014 |
0,9078 |
|
|
NaOCH3 |
0,1573 |
0,1782 |
|
|
Agua |
87,1017 |
98,6934 |
|
|
Biodiesel |
Biodiesel |
4269,958 |
98,5342 |
|
Glicerol |
40,4833 |
0,9342 |
|
|
Aceite Jatropha curcas |
6,0642 |
0,1399 |
|
|
Metanol |
0,3895 |
0,0090 |
|
|
NaOCH3 |
0,1874 |
0,0043 |
|
|
Agua |
15,4422 |
0,0356 |
|
Se
determinaron los costos de los materiales utilizados en base a bibliografía y
estudios de mercadeo en Ecuador (Arias,
2014). En las Tablas 6, 7 y
8 se aprecia que el costo total invertido en el simulador es de $ 44.928.000
MM; este precio incluye el costo de los equipos, los costos directos e indirectos.
Ilustración
1. Producción de biodiesel alternativa Figura 5.
Producción de biodiesel alternativa escalado
Figura 6.
Diagrama propuesto en el 26º Simposio Europeo de Ingeniería de Procesos
Asistida por Computadora
Tabla 4. Resultados de corrientes Centrifugadora DC-201
|
Corriente |
Componentes |
Flujo (kg) |
|
C-117 |
Biodiesel |
1,2424 |
|
Glicerol |
401,6890 |
|
|
HCl |
1,8750 |
|
|
Aceite
Jatropha curcas |
3,8639 |
|
|
Metanol |
11,1369 |
|
|
Agua |
262,3787 |
|
|
C-118 |
Biodiesel |
1,2422 |
|
Glicerol |
401,6488 |
|
|
HCl |
1,2012 |
|
|
Aceite
Jatropha curcas |
3,8635 |
|
|
Metanol |
7,1348 |
|
|
Agua |
168,0921 |
|
|
C-119 |
Biodiesel |
0,0001 |
|
Glicerol |
0,0401 |
|
|
HCl |
0,6738 |
|
|
Aceite
Jatropha curcas |
0,0003 |
|
|
Metanol |
4,0021 |
|
|
Agua |
94,2866 |
Fuente: SuperPro Designer v9.5 -
Tabla 5. Corrientes destilador T-201
|
Corriente |
Componentes |
Flujo (kg) |
% |
|
C-122 |
Metanol |
7,0782 |
99,7681 |
|
Agua |
0,0164 |
0,2319 |
Fuente: SuperPro Designer v9.5 -
|
Tabla 6. Resumen del análisis económico |
|
|
Base |
3 ton/
hora aceite J.curcas 27 ton/
día aceite J.curcas |
|
Tiempo de
operación |
9 horas
por día |
|
240 días
por año |
|
|
Capital
Total Invertido |
$
44.928.000 |
|
Costos
operacionales estimados para 10 años |
$ 107.278.000 |
Fuente:
SuperPro Designer v9.5 - Elaboración propia
Tabla 7.
Costo equipos propuesta escalado
|
Especificaciones
equipos y costo FOB USA (precios 2017) |
||||
|
Cant. |
Nombre |
Descripción |
Costo
unitario ($) |
Costo
Total ($) |
|
1 |
R-101 |
Reactor Agitado |
767000 |
767000 |
|
Volumen
recipiente = 5408.3 L |
||||
|
1 |
R-102 |
Reactor Agitado |
773000 |
773000 |
|
Volumen
recipiente = 5703.6 L |
||||
|
1 |
DC-101 |
Centrifuga |
300000 |
300000 |
|
Rendimiento
= 5161.18 L/h |
||||
|
1 |
DC-102 |
Centrifuga |
300000 |
300000 |
|
Volumen
recipiente = 5193.9 L |
||||
|
1 |
HX-101 |
Intercambiador
de calor |
9000 |
9000 |
|
Área =
0.48 m2 |
||||
|
1 |
M-101 |
Mezclador |
643000 |
643000 |
|
Volumen
recipiente= 1497.86 L |
||||
|
1 |
DC-103 |
Centrifugadora |
300000 |
300000 |
|
Rendimiento
= 5391.94 L/h |
||||
|
1 |
HX-102 |
Intercambiador
de calor |
10000 |
10000 |
|
Área =
1.29 m2 |
||||
|
1 |
V-101 |
Destilador
flash |
10000 |
10000 |
|
Volumen
recipiente = 1677.4 L |
||||
Fuente: SuperPro Designer v9.5 - Elaboración propia
Los
costos operacionales correspondientes a un precio de $107.278.000 MM incluyen
los valores las materias primas, mano de obra, facilidades y los fluidos
utilizados como generadores de calor o de enfriamiento (Vapor alta presión y
agua).
|
Tabla 8. Costo
equipos propuesta escalado |
||||
|
Especificaciones equipos y costo FOB
(precios 2017) |
||||
|
Cant. |
Nombre |
Descripción |
Costo unitario ($) |
Costo Total ($) |
|
1 |
M-201 |
Mezclador
|
517000 |
517000 |
|
Volumen recipiente = 306.18 L |
||||
|
1 |
DC-201 |
Centrifugadora
|
300000 |
300000 |
|
Rendimiento = 611.62 L/h |
||||
|
1 |
M-202 |
Mezclador
|
504000 |
504000 |
|
Volumen recipiente = 254.69 L |
||||
|
1 |
HX-201 |
Intercambiador de calor
|
9000 |
9000 |
|
Área = 0.30 m2 |
||||
|
1 |
T-201 |
Columna destilación
|
9000 |
9000 |
|
Volumen columna = 14.03 L |
||||
|
1 |
T-202 |
Columna destilación |
18000 |
18000 |
|
Volumen columna = 145.29 L |
||||
|
1 |
TNK-101 |
Tanque vertical
|
39000 |
39000 |
|
Volumen recipiente = 12971.8L |
||||
|
1 |
HX-202 |
Intercambiador de calor
|
9000 |
9000 |
|
Área = 0.01 m2 |
||||
|
|
Equipos no listados |
|
1134000 |
|
|
TOTAL |
5651000 |
|||
|
Fuente: SuperPro Designer v9.5 - Elaboración
propia |
||||
Para
la planta de escalado se utilizaron reactores continuos, ya que son los más
usados en la producción a gran escala de biodiesel, porque permiten mantener
resultados de calidad similares a lo largo del proceso y el costo por unidad de
producto es menor en comparación a otros reactores (eXtension,
2015).
Una
de las variables modificadas es el tipo de catalizador a utilizarse en la
obtención de biodiesel. Se comparó el resultado de la simulación de la planta
de escalado utilizando un catalizador heterogéneo como el óxido de zirconio
(ZrO2), manteniendo los valores de las variables de la Tabla 2, obteniéndose
los siguientes resultados:
Tabla 9.
Resultado Destilador Flash/V-101 utilizando ZrO2
|
Resultado Destilador Flash/V-101 |
|||
|
|
kg/h |
% masa |
|
|
Vapor |
Biodiesel |
0,0059 |
0,0064 |
|
Glicerol |
0,1058 |
0,1141 |
|
|
Aceite Jatropha curcas |
0,1472 |
0,1588 |
|
|
Metanol |
1,5813 |
1,7059 |
|
|
Oxido de zirconio |
0,2798 |
0,3018 |
|
|
Agua |
90,5761 |
97,7130 |
|
|
Biodiesel |
Biodiesel |
3742,099 |
98,0683 |
|
Glicerol |
45,1496 |
1,1832 |
|
|
Aceite Jatropha curcas |
7,1045 |
0,1862 |
|
|
Metanol |
0,8423 |
0,0221 |
|
|
Oxido de zirconio |
10,1584 |
0,2662 |
|
|
Agua |
10,4569 |
0,2740 |
|
Fuente:
SuperPro Designer v9.5 - Elaboración propia
La
cantidad de materia prima ingresada al proceso es de 4758,70 kg/h mientras que
la salida del proceso es de 3908,5068 kg/h, resultado de las corrientes de
vapor y biodiesel de la Tabla 9, obteniéndose una conversión del 82 % p/p
utilizando el ZrO2. Estos valores se corroboran con los resultados de pruebas
experimentales en donde se utilizó el ZrO2 como catalizador, y en las que se
obtuvieron rendimientos del 86 al 90,3 % en conversión (Cabello
et al., 2016).
Fig.
7. Producción de biodiesel respecto al tipo de catalizador empleado para la
transesterificación - Elaboración propia
Al
obtenerse una conversión del 91 % es decir 4333, 48 kg/h en la planta de
escalado en el destilador Flash V-101 utilizando NaOH como catalizador, como se
puede observar en la Fig. 7, se evidencia que por precio y rendimiento los
catalizadores homogéneos como el NaOH superan a los heterogéneos.
La
temperatura de reacción se encuentra directamente relacionada con las variables
de tiempo de reacción y relación molar alcohol: aceite debido a que manteniendo
un rango de 60° C se favorece la velocidad de reacción, como se muestra en la
Fig. 8 y acorde a estudios realizados en India (Sastry,
2011).
Fig.
8. Rendimiento de biodiesel en función de la variación de la temperatura
Al
manipular la variable de relación molar alcohol: aceite donde si bien se
especifica que se puede utilizar un exceso de alcohol hasta una concentración
6:1, para garantizar altas conversiones (Gupta
& Sastry, 2016),
dicha especificación no permite que se desarrolle la simulación en el programa
SuperPro Designer v.9.5, debido a que en su base de datos la reacción de
transesterificación está diseñada para operar con una relación alcohol: aceite
de 3:1, por lo cual el parámetro de relación molar alcohol: aceite de 3:1 es el
indicado en el proceso de escalado por restricciones del software.
Al
trabajar en la simulación de la planta escalada con un tiempo de residencia de
60 minutos en los reactores, valor sugerido por Sastry (2011), para obtener
máximas conversiones, se obtuvo una
salida de producto de 4044,89 correspondiente al 85% de conversión; sin
embargo, al utilizar un tiempo de residencia de 90 minutos en ambos reactores,
parámetro con el cual se trabaja en distintas plantas de la India (Gupta
& Sastry, 2016),
se obtuvo un valor de 4758,70 kg/h que representa el 91 % de conversión, como
se puede apreciar en la Fig. 9, determinándose el valor de 90 minutos como el
tiempo óptimo de operación el tiempo de 90 minutos como la variable óptima de
operación. A mayor tiempo no se evidenció un aumento en el rendimiento, por el
contrario existiría un incremento de costos.
Fig.
9. Rendimiento de biodiesel en función del tiempo de reacción.
Luego
de la obtención del biodiesel, este deberá ser caracterizado para comprobar que
este cumpla con los requerimientos expuestos en normas internacionales como la
ASTM D6751 en Estados Unidos y la EN 14214 en Europa (Hoekman
et al., 2012).
4. Conclusiones
Las
oportunidades de mejora encontradas con la implementación de procesos de
producción permitieron determinar las cantidades de materia prima apropiadas
para obtener una eficiencia del 91% utilizando el aceite de Jatropha curcas
como materia prima.
A
partir de las oportunidades de mejora, se concluye que con el diseño propuesto,
de los valores de las variable de temperatura de 65 ° C, relación molar alcohol
metanol: aceite de 3:1, concentración de catalizador (NaOH) del 1% p/p, tiempo
de reacción de 90 min, una intensidad de mezclado de 450 rpm, se alcanzaría una
producción de 10.247.880,00 lt de biodiesel, obtenido a partir de aceite de
Jatropha curcas.
Del
análisis económico se concluye que el proyecto resulta rentable, considerando
que la tasa interna de retorno (7,41 %) es mayor a la tasa de interés pagada
por un banco nacional (5,06 %). Así mismo se evidenció que para alcanzar un VAN
positivo deberían pasar al menos 6 años, que representaría el tiempo de
recuperación de la inversión, trabajando con una carga horaria de 9 h/día
durante 240 días.
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