UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL

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1 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL DIEGO LIZANA ROJAS MASTER EUROPEO EN ENERGÍAS RENOVABLES PREDISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO DE BIODIÉSEL A PARTIR DE ACEITE RECICLADO DE COCINA CON FINES DE I+D TUTOR: Fernando Sebastián Nogués Fundación CIRCE Año Académico: 2007 Fecha de entrega: 06/12/2007

2 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL DIEGO LIZANA ROJAS MASTER EUROPEO EN ENERGÍAS RENOVABLES PREDISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO DE BIODIÉSEL A PARTIR DE ACEITE RECICLADO DE COCINA CON FINES DE I+D TUTOR: Fernando Sebastián Nogués Fundación CIRCE Año Académico: 2007 Fecha de entrega: 06/12/2007 DECLARACIÓN del AUTOR El abajo firmante declara que el contenido del resumen del presente Proyecto Final de Máster o Postgrado NO tiene carácter confidencial y autoriza su divulgación en cualquier medio y soporte. El abajo firmante declara que el contenido completo del Proyecto Fin de Máster o Postgrado: SÍ tiene carácter confidencial NO tiene carácter confidencial SÍ autoriza su consulta a uso docente NO autoriza su consulta a uso docente SÍ autoriza su divulgación a través de NO autoriza su divulgación cualquier medio o soporte En Zaragoza a 06 de Diciembre de 2007 Fdo. Diego Lizana Rojas Nombre y apellidos del alumno

3 Prediseño de una Planta Piloto de Biodiésel a Partir de Aceite Reciclado de Cocina Lizana Rojas, Diego R. Abstract: The objective of this project was to create a pre-design of a biodiesel pilot plant based on recycled cooking oils, for academic and investigative purposes. This plant has an original design that attempts to create a knowledge bank of this kind of biocombustibles to allow improvements in the current productive process and its adaptation to the Chilean primary source. After a revision of books and publications about current biodiesel production technologies and posterior analysis was completed, the original process diagram was established. This allowed for the completion of the planned objectives and also considered the important factors as: Chilean legislation applicable to biodiesel, variation capacity in the production and test system, incorporation of proven technology components, and besides those also introducing innovating factors that will permit development of an original technology productive process in the next stages. It was decided that the plant would have the capacity of working under a continual reaction and Batch System, with a maximum production capacity of 50 l/h under continual operation system and 50 l under Batch System. Once all the possibilities had been analyzed, it was decided that the designed production process would be based on an Alkaline Catalysis using potassium hydroxide as a catalyst and methanol as an alcohol. With relation to the plant components, in the technical description of the plant, most of its subsystems designs were made, leaving some of them to the second stage of the project, which is going to be developed in Chile. This was because of the distance with the equipment suppliers and the difficulty in contacting them. The cost of this project is approximately euros equivalent to Chilean pesos. Operational costs and required materials or equipment to the correct functioning for the duration of the project must be added to this value (this value wasn t considered in this project s objectives, so they will be part of the second stage of this project). Independently of the values which must be added, this project s cost is within the margins which are accepted by the investigation project funding. This document will take part in an investigation project which will be presented to government funds which finance I+D projects in Chile. This second stage will be developed in Chile, where a specialized team from the University of Chile will take care of the definitive design of the plant, so it can be constructed. In any case, the Forestry Sciences Faculty of the University of Chile is aware of this project and it gives its approval. Resumen: El objetivo de este trabajo fue realizar el prediseño de una planta piloto de biodiésel a partir de aceites reciclados de cocina, con fines académicos y de investigación. Esta planta posee un diseño propio que busca generar una base de conocimientos sobre este tipo de biocarburante permitiendo mejorar los procesos productivos actuales y su adaptación a la materia prima chilena. Luego de realizar una revisión del estado del arte actual de las tecnologías de producción de biodiésel y su posterior análisis, se definió el esquema de proceso propio que permitiese cumplir en forma óptima los objetivos planteados y que además considerara factores importantes tales como: legislación chilena aplicable al biodiésel, ductilidad en el sistema de producción y ensayo, incorporación de componentes tecnológicamente maduros, además de introducir factores innovadores que permitirán en las etapas siguientes desarrollar un proceso productivo con tecnología propia. Se decidió que la planta poseerá la capacidad de trabajar bajo el Sistema de Operación Continuo y Batch, con una capacidad de producción máxima de 50 l/h en caso de funcionamiento continuo y 50 l bajo sistema Batch. Una vez analizadas todas las posibles opciones, se decidió que el diseña del proceso de producción se basara en un proceso de Catálisis Alcalina, utilizando hidróxido de potasio como catalizador y metanol como alcohol. Respecto a los componentes de la planta, en las memorias descriptivas de la planta se logró definir gran parte de los subsistemas que la componen, dejándose algunos de ellos para la segunda etapa que se realizara en Chile. Esto se debió a la lejanía con los proveedores de equipos y la dificultad para establecer contacto con ellos. El coste aproximado del proyecto es supone euros equivalente a pesos chilenos. A este valor habría que sumarle los costes operacionales y de insumos requeridos para el correcto funcionamiento durante el período de duración del proyecto (el cálculo de estos valores no eran objeto de trabajo, por lo

4 que serán parte de la segunda etapa). Independiente de los costes que se añadirán más adelante, el coste del proyecto se encuentra dentro de los márgenes aceptados por los fondos que financian proyectos de investigación. Este documento formará parte de un proyecto de investigación que será presentado a fondos del estado que financian I+D en Chile. Esta segunda etapa se llevará a cabo en Chile, donde se espera que el prediseño planteado entre a una fase de diseño definitivo por parte de un equipo especializado de la Universidad de Chile para su posterior construcción. Para todos los efectos, la Facultad de Ciencias Forestal de la Universidad de Chile se encuentra en conocimiento de este proyecto y avala su realización. Palabras clave: Biodiésel, biocarburante, biomasa, sustituto del petróleo. 1. INTRODUCCIÓN La historia de los biocombustibles es más antigua que los combustibles fósiles e incluso que los motores de combustión. Cuando Rudolf Diesel diseñó el primer prototipo de motor diesel hace ya más de cien años, realizó sus primeros ensayos con aceite de maní. En ese momento de la historia, todo presagiaba que los motores diesel operarían a base de aceites vegetales, sin embargo, cuando el diesel proveniente del petróleo irrumpió en el mercado, era de fácil disponibilidad, más eficiente y económico. La escasez de combustible en los Estados Unidos, a mediados de los 70, estimuló el interés en diversificar sus fuentes, desarrollándose el biodiésel como alternativa. En la actualidad, los últimos informes emitidos por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) han sido contundentes frente al tema, incrementándose la preocupación y el interés por el desarrollo de biodiésel como una alternativa al diesel de petróleo, principal causante del efecto invernadero [1]. Al estar hecho de material biomásico que extrae el dióxido de carbono de la atmósfera, el biodiésel no produce un agregado neto de dióxido de carbono a la atmósfera, permitiendo reducir el crecimiento de los gases contaminantes emitidos a la atmósfera. A nivel mundial, los países desarrollados han abordado el abastecimiento energético como tema prioritario, a fin de mantener sus actuales ritmos de crecimiento protegiendo el medio ambiente, permitiéndoles cumplir con las restricciones que plantea el Protocolo de Kyoto respecto a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Esto ha llevado al planteamiento de metas de sustitución de energía convencional por energías renovables provenientes de fuentes no convencionales (ERNC). En el caso de la Unión Europea, el objetivo para el 2010 es lograr que el 12% de la energía primaria utilizada y que el 22% de la electricidad producida provengan de fuentes de ERNC así como que, el biocarburante usado en transporte equivalga al 5,75% del total consumido [2]. En el caso chileno, el gobierno ha anunciado que para el 2010 las ERNC deben participar por lo menos en el 5% de las nuevas instalaciones de generación eléctrica. Además, está en trámite un proyecto de ley que incorporaría al diesel y gasolinas actuales un mínimo de 5% de biodiésel y bioetanol, respectivamente, para el OBJETIVOS Y ALCANCE El presente proyecto busca prediseñar una planta piloto productora de biodiésel a partir de aceites reciclados de cocina, con fines académicos y de investigación. Esta planta ayudará a generar una base de conocimientos sobre este tipo de biocarburante que permitirá mejorar los procesos productivos actuales y su adaptación a la materia prima chilena. Una vez concluida la etapa de prediseño, este documento formará parte de un proyecto de investigación que será presentado a fondos estatales que financian I+D en Chile. Esta segunda etapa se llevará a cabo en Chile, donde se espera que el prediseño planteado entre a una fase de diseño definitivo por parte de un equipo especializado de la Universidad de Chile para su posterior construcción. Para todos los efectos, la Facultad de Ciencias Forestal de la Universidad de Chile se encuentra en conocimiento de este proyecto y avala su realización. Esta primera etapa de prediseño que se presenta en este documento concluirá con la definición del proceso de producción, memorias de proceso y equipos y un análisis de costes aproximado de la planta. 3. MEMORIA DESCRIPTIVA. Instalaciones y proceso productivo Dado que la planta piloto tendrá un carácter piloto con fines de I+D, se definió su diseño de manera tal que pudiese trabajar bajo dos de los sistemas de operación más difundidos dentro de los procesos de producción de biodiésel, que son: en sistema de operación continuo y sistema de operación Batch o por lotes. Poseerá una capacidad de producción máxima de 50 l/h para el caso de sistema continuo y de 50 l bajo sistema batch. Dicha capacidad de producción se definió en función de la obtención de un

5 volumen de biocarburante que permitiese realizar diferentes pruebas de calidad y utilización del mismo. 3.1 Emplazamiento La planta estará ubicada en Avenida Santa Rosa 11315, Comuna de la Pintana, en Santiago de Chile, recinto correspondiente al Campus Antumapu de la Universidad de Chile, donde actualmente funcionan las dependencias de la Facultad de Ciencias Forestales y la Facultad de Ciencias Agronómicas. 3.2 Periodo de duración del proyecto El proyecto no sólo contempla el prediseño y construcción de la planta piloto, sino que además considera la realización de ensayos de distinto índole e investigación asociada a la producción de biodiésel. Por este motivo, se considera que el proyecto tendrá una duración mínima de 24 meses. Esta primera etapa de diseño de la planta piloto tendrá una duración de 6 meses, para posteriormente continuar con el trabajo en Santiago de Chile. 3.3 Descripción de las instalaciones El diseño de la planta se definió luego de analizar la tecnología existente tanto a nivel comercial como de investigación, para posteriormente introducir modificaciones que permitan entregarle un carácter innovador desde el punto de vista de diseño. La planta piloto de biodiésel estará compuesta por los siguientes subsistemas principales: - Línea de pretratamiento del aceite reciclado de cocina: subsistema donde se acondicionan los aceites usados para su posterior transformación en biodiésel. - Línea de producción de biodiésel: subsistema donde se realiza la reacción de transesterificación. - Línea de carga y descarga: subsistema en el que se produce la carga y descarga de materias primas y reactivos como también la descarga de biodiésel y glicerol producido. - Línea de almacenamiento: subsistema destinado al almacenamiento de materias primas, reactivos y productos resultantes. - Subsistema de control PLC: subsistema correspondiente al cerebro de la planta, permite realizar el control y modificación del proceso. - Subsistema de energía: subsistema que abastece de electricidad a los distintos procesos de la planta. - Edificio de proceso: corresponde al edificio que albergará a la planta piloto. El control de calidad se llevará a cabo en los actuales laboratorios de la facultad de Ciencias Agronómicas de la Universidad de Chile, ubicada en el mismo recinto donde se emplazará la planta. 3.4 Descripción del proceso productivo A continuación se expondrá el modo de funcionamiento bajos los dos esquemas de procesos que manejará la planta Selección del catalizador y alcohol Dadas las características de la planta, se utilizará como catalizador el Hidróxido de potasio. Sin embargo, en función de los resultados, se estudiará modificar, a futuro, lo necesario a fin de ensayar otros tipos de catalizadores. El alcohol elegido para el proceso será el metanol, el cual se utilizará en estado anhidro y en exceso, favoreciendo el equilibrio de la reacción Sistema de operación continuo El sistema de operación continuo consiste básicamente en el ingreso de materia prima y salida de producto en forma permanente, sin considerar espacios muertos entre lotes de producción. La reacción será del tipo catálisis básica y se llevará a cabo en dos etapas en reactores a presión atmosférica donde serán controlados los parámetros de temperatura y agitación. El proceso se inicia con el llenado del depósito de aceite vegetal neutralizado y el estanque de metanol, el que posteriormente pasa al estanque de mezclado del metóxido donde se mezcla con el KOH. Paralelamente a la etapa de mezclado del metóxido, se deposita el aceite en el reactor primario, el cual comienza a elevar su temperatura hasta llegar a la temperatura de consigna (55-60 C), para posteriormente hacer ingresar parte del metóxido dentro del reactor y comenzar así la etapa de transesterificación a través de agitación por medio de la bomba de recirculación. Una vez transcurrido un tiempo predeterminado comienza a extraerse en forma continua por la sección inferior del cono del reactor parte del glicerol formado, el cual es derivado al recuperador de alcohol. En él, se extrae el alcohol a la glicerina por medio de alta temperatura, enviándose el alcohol en estado

6 gaseoso al condensador de alcohol y la glicerina al estanque de depósito. El resto de la mezcla se envía al reactor secundario, donde se vuelve a calentar y a incorporar la parte faltante del metóxido que permitirá completar la etapa de transesterificación. En este reactor, la mezcla se realiza por medio de un agitador de aspas. El glicerol es extraído por la parte inferior del cono, pero no se envía al recuperador de alcohol, sino que recircula hacia el reactor primario para extraer los restos de biodiésel que aún pueda contener. Una vez que sea extraída toda la fase glicerosa por la parte inferior del cono del reactor, la fase biodiésel, aún con restos de glicerol y alcohol es enviada al conjunto de hidrociclones en serie donde se terminan de separar las fases de biodiésel y glicerol, este último es enviado al recuperador de alcohol para su recuperación, junto al glicerol extraído en los reactores. Por otra parte, el biodiésel una vez extraído del hidrociclón secundario es enviado al estanque pulmón. Cabe mencionar que, en modo de funcionamiento continuo el alcohol del biodiésel se perderá en el proceso de lavado. Esto se debe a que el tamaño piloto de la planta no justifica el coste de incluir un equipo de destilación flash. El estanque pulmón servirá de paso entre el hidrociclón secundario y el sistema de lavado, su misión principal es actuar como buffer en el caso de existir algún problema en el lavado, permitiendo por ejemplo, efectuar operaciones de lavado extras de un lote sin causar problemas que obliguen a detener el proceso general. Una vez dentro del sistema de lavado, el biodiésel se hace circular por dos columnas de lavado en contracorriente con una mezcla de agua tibia (60 C) y ácido fosfórico o acético proveniente de la bomba dosificadora que extrae agua de la red de agua potable y la mezcla en línea con el ácido correspondiente. El agua sucia resultante del lavado es enviada hacia el depósito de agua con jabón. Por otro lado, una vez concluido el lavado, el biodiésel es pasado al estanque de secado donde es sometido a un secado flash para su posterior envío al depósito de biodiésel Sistema de operación Batch La reacción será del tipo catálisis básica y podrá llevarse a cabo en una o dos etapas en reactores a presión atmosférica donde serán controlados los parámetros de temperatura y agitación. El sistema de operación Batch o por lotes consiste básicamente en el ingreso de materia prima y salida de producto por lotes únicos, por lo tanto, sólo se produce 1 lote durante todo el proceso. Dada la adaptabilidad de la planta a distintos esquemas de proceso, a continuación se presenta el modo base de funcionamiento, pudiéndose variar según sea el caso a analizar. El proceso se inicia con el llenado del depósito de aceite vegetal neutralizado y el estanque de metanol. Posteriormente pasa el metanol al estanque de mezclado del metóxido donde se mezcla con el KOH. Paralelamente a la etapa de mezclado del metóxido, se deposita el aceite en el reactor primario, el cual comienza a elevar su temperatura hasta llegar a la temperatura de consigna (55-60 C), para posteriormente hacer ingresar parte del metóxido dentro del reactor y comenzar con ello la etapa transesterificación a través de agitación por medio de la bomba de recirculación. Una vez transcurrido un tiempo predeterminado se detiene la agitación y se deja decantar el producto para extraer por la sección inferior del cono del reactor parte del glicerol formado, el cual es derivado al recuperador de alcohol. Una vez decantado el glicerol, que se espera sea mayor cantidad que en el proceso continuo debido al mayor tiempo de espera, el resto de la mezcla se envía al reactor secundario, donde se vuelve a calentar y a incorporar la parte faltante del metóxido que permitirá completar la etapa de transesterificación. En este reactor, la mezcla se realiza por medio de un agitador de aspas. Al transcurrir un tiempo determinado, se detiene el agitador y comienza la fase de decantación, la que culmina con la extracción del glicerol por la parte inferior del cono del reactor y su envío al recuperador de alcohol. En él, le es extraído el alcohol a la glicerina por medio de alta temperatura enviándose el alcohol recuperado al condensador de alcohol y la glicerina al estanque de depósito. Como es un proceso por lotes, al pasar la mezcla al segundo reactor, el reactor primario se detiene, concluyendo su intervención en el proceso. Una vez que se extrajo toda la fase glicerosa por la parte inferior del cono del reactor, la fase biodiésel, aún contiene restos de alcohol, por lo que elevará la temperatura de consigna del reactor con el fin de recuperar parte del alcohol del proceso, el cual es enviado al condensador de alcohol para su posterior alojamiento en el depósito de alcohol recuperado. Posteriormente, la fase biodiésel es enviada al estanque pulmón, el cual servirá de paso entre el reactor secundario y el sistema de lavado, su misión principal es actuar como buffer en el caso de existir algún problema en el sistema de lavado.

7 Una vez dentro del sistema de lavado, el biodiésel se hace circular por dos columnas de lavado en contracorriente con una mezcla de agua tibia (60 C) y ácido fosfórico o acético proveniente de la bomba dosificadora que extrae agua de la red de agua potable y mezcla en línea con el ácido correspondiente. El agua sucia resultante del lavado es enviada hacia el depósito de agua con jabón. Por otro lado, una vez concluido el lavado, el biodiésel es pasado al estanque de secado donde es sometido a un secado flash para su posterior envío al depósito de biodiésel. Posibles variaciones en el esquema de funcionamiento: reacción completa en el reactor primario o secundario, números de lavados del biodiésel, utilización de los hidrociclones en el proceso, entre otras Comparación entre los dos procesos La diferencia básica de funcionamiento entre ambos procesos se encuentra en la etapa de decantación y separación de fases. Mientras en el proceso continuo se extrae parte del glicerol en ambos reactores en forma continua para posteriormente retirar el remanente en los hidrociclones, en el proceso batch se utilizan los mismo reactores como medio absoluto de decantación y separación de fases, esto se logra aumentando el tiempo de residencia de la mezcla dentro de los reactores, hecho que no podría ocurrir en el proceso continuo dado que siempre hay un nuevo lote de aceite esperando ingresar al sistema. 3.5 Descripción de los productos obtenidos Biodiésel El biodiésel producido deberá cumplir con la norma chilena de calidad, para la producción, importación, transporte, almacenamiento, distribución y comercialización, de biodiésel, que se espera sea promulgada durante el presente año. Esta normativa se basa en la norma europea EN y la norteamericana ASMT D6751. Los ensayos para evaluar el cumplimiento de las especificaciones técnicas se llevarán a cabo en el laboratorio de Química del Departamento de Agroindustria de la Facultad de Ciencias Agronómicas de la Universidad de Chile, ubicada en el propio Campus Antumapu Subproductos Además de la producción de biodiésel, la planta producirá el subproducto glicerol, el cual no será refinado por lo que poseerá características inferiores a las obtenidas en grandes plantas, las cuales revalorizan este subproducto. La cantidad aproximada de glicerol producido considerando que la planta trabajará a distintos regimenes de operación es de 3,8 t/año 1. En este caso, el glicerol obtenido será utilizado en ensayos de alimentación animal Materias primas utilizadas en el proceso de producción de biodiésel Las materias primas que se exponen a continuación poseen parámetros bien definidos, los cuales corresponden a los utilizados actualmente por la industria del biodiésel en general, sin embargo, la planta piloto que se prediseña en este trabajo podrá variar, de ser necesario, tanto las materias primas utilizadas como los parámetros de las mismas Aceites vegetales reciclados de cocina El aceite vegetal reciclado de cocina materia prima base del proceso- será obtenido inicialmente de las propias dependencias de la facultad, específicamente de los comedores universitarios, los cuales producen aproximadamente 2500 l/mes. Actualmente este residuo es retirado por empresas especializadas significando un coste adicional para la empresa concesionaria de los comedores. Este aceite será sometido a un pretratamiento a base de soda cáustica, para luego salir del subsistema de pretratamiento con las siguientes: Tabla 1. Especificaciones técnicas del aceite vegetal Estado Líquido Agua (peso) <0,3% Contenido en sólidos (insolubles en petróleo, éter) (peso) <0,1% Insaponificables (peso) <1% FFA (Free Fatty Acids, como oleico) (peso) <2% Gomas (como P) (peso) <200ppm Azufre (EN 14214) <0,001% Ceras (peso) <10ppm Valor de peróxido <5 Punto inflamación ( C) >200 Fuente: Planta prototipo de biodiésel de Alcalá de Henares [3]. 1 Para el cálculo hipotético de producción de glicerol se consideró que la planta trabajará 2 días a la semana bajo funcionamiento continuo y 1 día bajo funcionamiento batch y 10 meses de trabajo.

8 La evaluación de las especificaciones técnicas del aceite vegetal neutralizado se llevará a cabo en el mismo laboratorio donde se evaluará la calidad final del biodiésel. No obstante, la planta podrá procesar cualquier tipo de aceite virgen, lo que le entregará mayor ductilidad frente a posibilidades de ensayos y experimentos Otras materias primas requeridas Los reactivos químicos requeridos durante el proceso de producción de biodiésel serán obtenidos a través de la industria química, los cuales poseen características normalizadas. Metanol; Hidróxido de potasio; Ácido fosfórico; Sosa cáustica. Para el cálculo de requerimiento de materias primas se consideró una base de cálculo semanal, y se proyectó en forma anual. Para ello se tomó como base que, durante 1 semana normal, se trabajaría dos días bajo funcionamiento continuo, en turnos de 7 h por día; a éstos se le suman un día de funcionamiento por lote. Esta forma de funcionamiento debe entenderse como una base hipotética, exclusivamente para realizar cálculos de requerimientos de materias primas, la cual podría variar en la etapa de diseño definitivo. En la tabla 2 se presenta un resumen de las cantidades nominales de materia prima utilizada. Tabla 2. Cantidad de materia prima en funcionamiento nominal Requerimiento Materia prima Unidad Anual Aceite usado l Metanol Kg Hidróxido de potasio l 300 Ácido fosfórico l 90 Agua l Fuente: Elaboración propia. 4. MEMORIA DESCRIPTIVA. Equipos, depósitos e instrumentación involucrada Si bien la planta posee un diseño propio, no todos los equipos o recipientes son resultado de cálculos y diseños particulares, dado que existen en el mercado opciones estándares que permiten satisfacer la necesidad y abaratan los costes de adquisición. A continuación se describirán los equipos y recipientes que componen la planta piloto de biodiésel, con sus respectivas características definidas en el diseño de esta planta, las cuales pueden sufrir variaciones en función de las opciones estándares presentes en el mercado. 4.1 Línea de pretratamiento de aceite reciclado Depósito de recepción de aceite reciclado Su función principal es almacenar el aceite que posteriormente será esterificado con el fin de lograr las características mínimas para ser procesado en la línea de producción de biodiésel. Tendrá una capacidad de 500 l y su construcción será en polipropileno de alta densidad. Este recipiente será de tipo estándar, por lo que no es necesario la realización de cálculos específicos. Dentro de su instrumentación se requiere de un sistema de toma de muestras, fundamental para calibrar el proceso de esterificación Equipo de esterificación El equipo contendrá en su boca de ingreso un filtro de 5 micrones que permitirá el filtrado de partículas contaminantes, permitiendo el ingreso de aceite reciclado relativamente limpio. Tendrá un volumen útil de 100 l y su construcción será en acero inoxidable AISI 304 o acero al carbono. Su sistema de calefacción se basará en un serpentín eléctrico que permitirá alcanzar valores de temperatura de 80 C facilitando el proceso de extracción de humedad. 4.2 Línea de producción de biodiésel Depósito de almacenamiento de aceite vegetal neutralizado Su función principal es almacenar el aceite que posteriormente será utilizado en el subsistema de producción de biodiésel. Tendrá una capacidad de 400 l y su construcción será en polipropileno de alta densidad Depósito de almacenamiento de metanol Su función será contener el metanol utilizado en el proceso. Dadas las características del metanol su construcción se llevará a cabo en acero inoxidable AISI 304 o acero al carbono. La capacidad útil del depósito será de 65 l. El diseño del recipiente corresponde a cálculos realizados en función del volumen requerido para ensayos bajo funcionamiento continuo durante 1 día (7 h).

9 4.2.3 Mezclador de metóxido Equipo con agitador de aspas y control de velocidad, en él se produce la mezcla de metanol y el hidróxido de potasio. La capacidad de variar la velocidad de la mezcla permitirá evaluar diferencias en el metóxido resultante y su comportamiento como catalizador. Dada las características de los reactivos su construcción se llevará a cabo en acero inoxidable AISI 304 o acero al carbono. El equipo poseerá forma cilíndrica, con su parte inferior bombeada para facilitar la mezcla completa. Su volumen útil será de 20 l. Su presión de trabajo será de 1 ATM Reactor primario Equipo en el cual se realiza parte de la reacción de transesterificación en el caso de funcionamiento bajo sistema de proceso continuo, pudiéndose desarrollar la reacción completa en el caso de funcionamiento bajo sistema de proceso batch. Su forma será cilíndrica, con base cónica. En la selección del material de construcción se consideraron aspectos tales como corrosión, condiciones de operación del equipo, facilidad de adquisición y mecanizado, así como costo del material y mantenimiento del equipo, seleccionándose finalmente acero inoxidable AISI 304 o acero al carbono. Poseerá un sistema de agitación por bomba de recirculación de 0 a 4 ciclos hora. Su sistema de calefacción se basará en un serpentín eléctrico que permitirá alcanzar valores de temperatura de 55 a 80 C. Tendrá un volumen útil de 90 l con revestimiento térmico. Su presión de trabajo durante la reacción de transesterificación será de 1 ATM, para posteriormente trabajar a 200 mmhg durante el proceso de recuperación del glicerol. Dentro de su instrumentación, poseerá un manómetro, sensores de temperatura, visor transparente, válvula de seguridad y salida para toma de muestras. El diseño de este equipo corresponde a cálculos realizados en función de las materias primas y reactivos involucrados en el proceso, asegurando que la reacción de transesterificación se llevará a cabo correctamente Reactor secundario Equipo en el cual se realiza parte de la reacción de transesterificación en el caso de funcionamiento bajo sistema de proceso continuo, pudiéndose desarrollar la reacción completa en el caso de funcionamiento bajo sistema de proceso batch. Poseerá las mismas características estructurales y de diseño que el reactor primario, modificándose únicamente el sistema de agitación, el cual será por medio de aspas variable de rpm, lo que permitirá evaluar la calidad y rendimiento del proceso de producción de biodiésel mediante distintos tipos y velocidades de agitación Depósito de glicerol Depósito que contendrá el subproducto glicerol. Poseerá un volumen útil de 40 l. Su construcción se llevará a cabo en polipropileno de alta densidad Recuperador de alcohol Este equipo recibe el glicerol proveniente de los reactores y los hidrociclones, en él se eleva su temperatura permitiendo la evaporación del alcohol contenido. Su capacidad será de 20 l, con una temperatura máxima de 90 C por medio de un serpentín eléctrico Condensador de alcohol Equipo que recibe el alcohol en estado gaseoso proveniente de los reactores y del recuperador de alcohol (glicerol) para su posterior condensación y reutilización. Este equipo sólo se utilizará en los reactores bajo sistema de funcionamiento batch.. En ambos sistemas de proceso se recuperará el alcohol del glicerol de estimarse conveniente Depósito de alcohol recuperado Este depósito será independiente del depósito de metanol, impidiendo con ello la posible contaminación del metanol nuevo con posibles trazas de glicerol, KOH o biodiésel que pudiese poseer el alcohol recuperado. Este depósito será del tipo estándar con una capacidad de 20 l construido en acero inoxidable AISI 304 o acero al carbono Sistema de hidrociclones Estará compuesto por dos hidrociclones en serie (primario y secundario), su función es separar los restos de glicerol que pudiesen quedar en el biodiésel una vez concluida la etapa en los reactores. Su construcción es compleja por lo que se deben realizar pruebas con diversos proveedores para ver el funcionamiento y adecuación al sistema, dado que no existen grandes experiencias en la utilización de estos equipos en la producción de biodiésel. En esta etapa del proyecto solo serán mencionados, en la etapa siguiente (rediseño), un

10 grupo especializado realizará el diseño de los equipos Estanque pulmón Tiene la misión de buffer de seguridad, soportando posibles problemas de retrasos en la etapa posterior de lavado. Interviene sólo cuando la planta funciona en modo continuo. Su construcción será en polipropileno de alta densidad, con capacidad de 100 l. Su dimensión se definió en función de que la etapa de lavado del biodiésel, considerando que los lavados programados en un momento determinado pueden no ser efectivos, lo que podría originar hasta un segundo lavado extra, acumulándose en el estanque pulmón hasta dos lotes de biodiésel de 50 l Sistema de lavado El sistema de lavado estará constituido por dos columnas de lavado a contracorriente. Las columnas serán construidas en acero al carbono con un espesor de 3 mm, diámetro de 160 mm y una altura total de mm. El equipo contará con dos micro aspersores, el primero estará ubicado en la parte baja de la primera columna y el segundo en la parte alta de la segunda columna, destinados al ingreso del biodiésel y el agua respectivamente Bomba dosificadora para lavado La bomba extraerá el agua de la red de agua potable enviándola hacia el sistema de lavado. Durante su conducción se incorporará al flujo cierta cantidad de ácido fosfórico o acético, permitiendo la neutralización del biodiésel. Esta bomba permite el mezclado en línea de los productos Estanque de recepción de agua y jabón Depósito de polipropileno de alta densidad destinado a la recepción de las aguas residuales del lavado del biodiésel. Su volumen útil será de 100 l Estanque de secado del biodiésel Corresponde a la última etapa de acondicionamiento del biodiésel. En él se produce el secado del biocombustible. El biodiésel se inyecta por un aspersor en el estanque que debe estar a una temperatura de 90 C y en condiciones de vacío de 200 mmhg. Tendrá la forma de un cilindro de base bombeada. Su volumen útil será de 70 l. Dentro de su instrumentación, poseerá un manómetro, sensores de temperatura, válvula de seguridad contra sobre presiones. El diseño de este equipo se desarrolló en función del volumen de biodiésel a secar y las características que se requiere para obtener óptimos resultados Depósito de biodiésel Estanque donde se deposita el producto biodiésel 100% terminado. Corresponde a un recipiente equivalente al utilizado para el almacenamiento de petróleo diesel, construido en acero ASMT A36, el cual cumple con todas las normativas de seguridad SEC 2. Su capacidad útil será de 400 l. Dentro de su instrumentación, indicador de nivel, válvula para toma de muestras y dispensador con contador volumétrico Sistema de tuberías y bombas Para la selección del material de las tuberías se consideró el grado de corrosividad de los productos a transportar, por lo que se decidió que el material más adecuado es acero inoxidable AISI 304. En el caso de la tubería para el transporte de aceite, se emplea tubería de ¾ de pulgada, con el fin de evitar taponamientos ya que se transporta aceite con un alto punto de fusión y disminuir pérdidas de carga. Para el caso de la tubería de transporte de metanol se emplea tubería de ½ pulgada teniendo en cuenta los bajos flujos de etanol requeridos. En la selección de las bombas a utilizar en la etapa de prediseño de la planta, se consideró el líquido que se va a transportar y la carga dinámica total, con el fin de tener una primera aproximación a los cálculos definitivos que se realizarán en la segunda etapa de este proyecto [4]. 5. ANÁLISIS DE COSTES El análisis de costes se realizó con valores chilenos obtenidos desde España, por lo que en algunos casos resultó imposible establecer comunicación con proveedores, este problema llevó a tener que estimar algunos de los costes o a tener que hacer una equivalencia del coste en relación al valor que tendría en España. Para efectos de la etapa siguiente de este proyecto se contempla una revisión completa de los costes considerando exclusivamente proveedores chilenos. 2 Superintendencia de Electricidad y Combustible. Chile.

11 El coste el proyecto es aproximado del proyecto es de euros equivalente a pesos chilenos. A continuación se presenta un resumen de los costes involucrados en el proyecto Tabla 1. Costes generales del proyecto ITEM PARTIDA TOTAL ( ) 1 Unidad de Pretratamiento Unidad de producción de biodiésel Infraestructura Total ejecución material Gastos generales y utilidades (35%) Subtotal neto IVA (19%) Coste total en euros Coste total en pesos chilenos 6 Fuente: Elaboración propia. 6. CONCLUSIONES El objetivo de este trabajo era efectuar el prediseño de una planta piloto de biodiésel a partir de aceites reciclados de cocina, con fines académicos y de investigación. Esta planta debía incorporar un diseño propio que permitiera generar una base de conocimientos sobre este tipo de biocarburante permitiendo mejorar los procesos productivos actuales y su adaptación a la materia prima chilena. Luego de realizar una revisión del estado del arte actual de las tecnologías de producción de biodiésel y su posterior análisis, se definió el esquema de proceso propio que permitiese cumplir en forma óptima los objetivos planteados y que además considerara factores importantes tales como: legislación chilena aplicable al biodiésel, ductilidad en el sistema de producción y ensayo, incorporación de componentes tecnológicamente maduros, además de introducir factores innovadores que permitirán en las etapas siguientes desarrollar un proceso productivo con tecnología propia. Una vez analizado el mercado de las materias primas, se definió el aceite reciclado de cocina como materia prima para la producción del biodiésel debido al alto coste que poseen los cultivos tradicionales de girasol y raps en Chile así como por las ventajas que supondría optimizar el proceso de fabricación a partir de esta materia prima. Además, la utilización de este aceite permitirá utilizar un desecho que actualmente termina en los depósitos municipales de residuos o en las plantas de tratamiento urbanas. Si a estos dos argumentos le sumamos el reto que implica el diseño de procesos productivos asociados al biodiésel de aceite reciclado, debido a las numerosas dificultades técnicas en el proceso de producción, transforman a esta materia prima en un tema de investigación de gran interés. Se decidió que la planta poseerá la capacidad de trabajar bajo el Sistema de Operación Continuo y Batch, con una capacidad de producción máxima de 50 l/h en caso de funcionamiento continuo y 50 l bajo sistema Batch. Una vez analizadas todas las posibles opciones, se decidió que el diseña del proceso de producción se basara en un proceso de Catálisis Alcalina, utilizando hidróxido de potasio como catalizador y metanol como alcohol. Respecto a los componentes de la planta, en las memorias descriptivas de la planta se logró definir gran parte de los subsistemas que la componen, aunque algunos de ellos se dejaron para la segunda etapa que se realizara en Chile. Esto se debió a la lejanía con los proveedores de equipos y a la dificultad para establecer contacto con ellos. El coste aproximado del proyecto es supone euros equivalente a pesos chilenos. A este valor habría que sumarle los costes operacionales y de insumos requeridos para el correcto funcionamiento durante el período de duración del proyecto (el cálculo de estos valores no eran objeto de trabajo, por lo que serán parte de la segunda etapa). Independiente de los costes que se añadirán más adelante, el coste del proyecto se encuentra dentro de los márgenes aceptados por los fondos que financian proyectos de investigación. Como conclusión final cabe mencionar que este documento formará parte de un proyecto de investigación que será presentado a fondos del estado que financian I+D en Chile. Esta segunda etapa se llevará a cabo en Chile, donde se espera que el prediseño planteado entre a una fase de diseño definitivo por parte de un equipo especializado de la Universidad de Chile para su posterior construcción. Para todos los efectos, la Facultad de Ciencias Forestal de la Universidad de Chile se encuentra en conocimiento de este proyecto y avala su realización. 7. AGRADECIMIENTOS Quisiera agradecer la ayuda permanente del Ingeniero Químico Caio Ishikura y de mi tutor Fernando Sebastián. A los profesores Amanda e Italo por su colaboración desde Santiago de Chile. A mi esposa Paula por su apoyo y paciencia durante nuestra estadía en España. A toda mi familia en Chile por su apoyo y confianza.

12 Además quisiera invitar a todos aquellos que creen en que las ERNC pueden ayudar a mejorar este planeta a que participen del proyecto el cual busca difundir las fuentes de energías renovables en Chile y el mundo. 8. BIBLIOGRAFÍA [1] IPCC. Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático. Cuarto Informe GEO: perspectivas del medio ambiente mundial p. [2] IDAE, Instituto de Diversificación y Ahorro de Energía. Resumen Plan de Energías Renovables de España. 2005a. 80 p. [3] IDAE, Instituto de Diversificación y Ahorro de Energía. Planta prototipo de producción de biodiésel a partir de aceites vegetales de Alcalá de Henares. Pliego de especificaciones técnicas p. [4] PERRY, R.; GREEN, D.; MALONEY, J. Perry s, Manual del Ingeniero Químico. VII Edición Editorial McGraw-Hill.

13 INDICE 1. INTRODUCCIÓN IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA Y SUS CAUSAS OBJETIVOS Y ALCANCE Alcance Objetivo general Objetivos específicos Objetivos propuestos en la segunda etapa a realizarse en Chile ESTADO DEL ARTE Biocarburantes Biodiésel Características generales Ventajas e inconvenientes en la utilización de biodiésel como combustible Materias primas para producción de biodiésel Producción de biodiésel a partir de aceites reciclados de cocina Tecnología actual de producción de biodiésel Catálisis ácida Catálisis con lipasas Catálisis alcalina no iónica Catálisis heterogénea Catálisis supercrítica Catálisis alcalina Proceso de producción del biodiésel a partir de aceites reciclados de cocina Pretratamiento de los aceites reciclados de cocina Filtrado Neutralización Transesterificación Decantación o separación de fases Lavado del biodiésel Secado Recuperación del alcohol Control de calidad Normativa Latinoamericana asociada al biodiésel Normativa chilena aplicable al biodiésel. Normativa vigente y en trámite Normativa vigente en otros países de Latinoamérica... 22

14 4.8 Producción actual de biodiésel en el mundo MEMORIA DESCRIPTIVA. INSTALACIONES Y PROCESO DE PRODUCCIÓN Emplazamiento Lugar de emplazamiento de la planta piloto y vía de acceso al recinto Carta Gantt del proyecto Descripción de las instalaciones Pretratamiento del aceite reciclado de cocina Línea de producción de biodiésel Línea de carga y descarga Línea de almacenamiento Subsistema de control PLC Sistema de energía Edificio de procesos Descripción del proceso productivo Selección del catalizador y alcohol Sistema de operación continuo Sistema de operación Batch Comparación entre los dos procesos Descripción de los productos obtenidos Biodiésel Subproductos Materias primas utilizadas en el proceso de producción de biodiésel Aceites vegetales reciclados de cocina Otras materias primas requeridas Cálculo de materias primas en funcionamiento nominal Certificados y autorizaciones para adquisición de productos peligrosos MEMORIA DESCRIPTIVA. EQUIPOS, DEPÓSITOS E ISTRUMENTACIÓN INVOLUCRADA Línea de pretratamiento de aceite reciclado Depósito de recepción de aceite reciclado Equipo de esterificación Línea de producción de biodiésel Depósito de almacenamiento de aceite vegetal neutralizado Depósito de almacenamiento de metanol Mezclador de metóxido Reactor primario... 48

15 6.2.5 Reactor secundario Depósito de glicerol Recuperador de alcohol Condensador de alcohol Depósito de alcohol recuperado Sistema de hidrociclones Estanque pulmón Sistema de lavado Bomba dosificadora para lavado Estanque de recepción de agua y jabón Estanque de secado del biodiésel Depósito de biodiésel Sistema de tuberías y bombas Sistema de tuberías Sistema de bombas ANÁLISIS DE COSTES BÚSQUEDA DE FUENTES DE FINANCIAMIENTO Fundación para la Innovación Agraria. FIA Fondo de Fomento al Desarrollo Científico y Tecnológico. FONDEF CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA APENDICE 1. Cálculos asociados al reactor APÉNDICE 2. Resumen de cálculos asociados al dimensionado de depósitos APÉNDICE 3. Especificaciones técnicas del Edificio de procesos y presupuesto APÉNDICE 4. Dimensionado torre lavado continuo APÉNDICE 5. Cálculo de pérdidas de carga. Primera aproximación INDICE DE TABLAS TABLA 1. Características del biodiésel y diesel de petróleo TABLA 2. Ventajas e inconvenientes en la utilización de biodiésel como combustible TABLA 3. Resumen de leyes vigentes en países de Sudamérica TABLA 4. Producción anual de biodiésel en Europa TABLA 5. Detalle de los principales recipientes utilizados en la planta... 35

16 TABLA 6. Normativa chilena sobre biodiésel TABLA 7. Especificaciones técnicas del aceite vegetal TABLA 8. Cantidad de materia prima en funcionamiento nominal TABLA 9. Costes de la planta piloto INDICE DE FIGURAS FIGURA 1. Reacción química de transesterificación FIGURA 2. Mapa satelital del Campus Antumapu FIGURA 3. Carta Gantt del proyecto FIGURA 4. Carta Gantt del proyecto FIGURA 5. Diagrama de proceso de la planta de producción de biodiésel... 34

17 1. INTRODUCCIÓN La historia de los biocombustibles es más antigua que los combustibles fósiles e incluso que los motores de combustión. Cuando Rudolf Diesel diseñó el primer prototipo de motor diesel hace ya más de cien años, realizó sus primeros ensayos con aceite de maní. En ese momento de la historia, todo presagiaba que los motores diesel operarían a base de aceites vegetales, sin embargo, cuando el diesel proveniente del petróleo irrumpió en el mercado, era de fácil disponibilidad, más eficiente y económico. A mediados de los 70, la escasez de combustible en los Estados Unidos estimuló el interés en diversificar sus fuentes y con ello el desarrollo de biodiésel como alternativa al fabricado con petróleo. En la actualidad, los últimos informes emitidos por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) han sido contundentes frente al tema, incrementándose la preocupación y el interés por el desarrollo de biodiésel como una alternativa al diesel de petróleo, principal causante del efecto invernadero (IPCC, 2007). Al estar hecho de material biomásico que extrae el dióxido de carbono de la atmósfera, el uso de biodiésel no produce un agregado neto de dióxido de carbono a la atmósfera, lo que permite reducir el crecimiento de los gases contaminantes emitidos a la atmósfera. A nivel mundial, los países desarrollados han abordado el abastecimiento energético como un tema prioritario para poder mantener sus actuales ritmos de crecimiento y proteger el medio ambiente, sirviéndoles además para dar cumplimiento a las restricciones que plantea el Protocolo de Kyoto respecto a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Esto ha llevado a que se planeen metas de sustitución de su base energética convencional por energías renovables provenientes de fuentes no convencionales (ERNC). En el caso de la Unión Europea, el objetivo para el 2010 es lograr que el 12% de la energía primaria utilizada provenga de fuentes de ERNC y que el 22% de la electricidad producida sea a través de estas mismas fuentes, como también que el biocarburante usado en transporte equivalga al 5,75% del total consumido (IDAE (a), 2005). Las principales energías en las que ha apostado la UE son la eólica, biomasa, hidráulica de bajo impacto ambiental y energía solar térmica - fotovoltaica. En el caso chileno, la matriz energética nacional considera un 72% de abastecimiento a través de importaciones -básicamente petróleo y gas- lo que hace que el país sea altamente sensible a las fluctuaciones de precios y eventual escasez en el suministro de combustibles. 1

18 Frente a los compromisos internacionales sobre el cambio climático, el gobierno ha anunciado que, para el 2010 las ERNC deben ser partícipes de por lo menos el 5% de las nuevas instalaciones de generación eléctrica. Además, está en trámite un proyecto de ley que incorporaría al diesel y gasolinas actuales un mínimo de 5% de biodiésel y bioetanol, respectivamente, para el El presente proyecto busca participar del avance en I+D en Chile, a través del prediseño de una planta piloto de biodiésel para ensayar distintas posibilidades de funcionamiento a base de aceite de cocina usado, materia prima que además de poseer costes inferiores, causa problemas de contaminación e incrementa los costes de depuración de aguas de las ciudades. Por tanto, se contribuirá con la descontaminación, produciendo un combustible altamente valorado, frenando el proceso de cambio climático y la presión sobre los combustibles fósiles. 2

19 2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA Y SUS CAUSAS Los principales problemas detectados y que justifican plenamente este proyecto son tres: El proceso de cambio climático, el alto costo del petróleo debido a su escasa disponibilidad y la contaminación ambiental. Si bien estas problemáticas tienen distinta índole, las tres están sumamente ligadas y cada una influye en el comportamiento global de la otra. El cambio climático ha de tener un efecto significativo en el medio ambiente mundial. En general, cuanto más rápido cambie el clima, mayor será el riesgo de daños. Se prevé que el nivel medio del mar aumente de 9 a 88 cm para el 2100, y cause inundaciones en las zonas de tierras bajas, así como otros daños. Entre otros efectos podría mencionarse un aumento de las precipitaciones mundiales y cambios en la gravedad o frecuencia de los episodios extremos. Las zonas climáticas podrían desplazarse hacia los polos y verticalmente, perturbando los bosques, desiertos, praderas y otros ecosistemas no sujetos a ordenación. Como resultado, muchos han de reducirse o fragmentarse, y algunas especies concretas podrían extinguirse. Dentro de las principales causas de este cambio, se encuentra el dióxido de carbono que es producido cuando se utilizan combustiones fósiles para generar energía y cuando se talan y queman bosques. En respuesta a estas emisiones causadas por el hombre, el clima ha comenzado a ajustarse y ha generado una manta más espesa de gases de efecto invernadero, a fin de mantener el equilibrio entre la energía que llega del sol y la que vuelve a escaparse al espacio. Las observaciones muestran que las temperaturas mundiales se han elevado en 0,6ºC durante el siglo XX. Hay pruebas nuevas y más concluyentes de que la mayor parte del calentamiento observado en los últimos 60 años puede atribuirse a actividades humanas, principalmente asociadas a la revolución industrial y al aumento en el consumo de combustibles fósiles. Este aumento excesivo en la utilización de combustibles contaminantes se ha visto frenado, puesto que las grandes reservas han sido prácticamente consumidas, presagiando que la disponibilidad de petróleo futura experimentará un claro descenso, hecho que se está empezando a percibir en los altos costes de comercialización. En Chile, los resultados de este abuso en el empleo de combustibles fósiles pueden apreciarse en los altos niveles de contaminación del aire de las principales ciudades, destacando Concepción, Puerto Montt, Rancagua y Santiago, siendo esta última, una de las más contaminadas del mundo. 3

20 Frente a estos problemas, el biodiésel se plantea como una posible solución, siendo un combustible sustituto del gas-oil para motores diesel, el cual puede ser producido partiendo de materias primas agrícolas (aceites vegetales y/o grasas animales). Posee las mismas propiedades del combustible diesel empleado como combustible para automóviles, camiones, autobuses y puede ser mezclado en cualquier proporción con el diesel obtenido de la refinación del petróleo. Pero, no sólo debe centrase el análisis en las similitudes de funcionamiento del biodiésel con respecto al diesel convencional, dado que el factor coste es fundamental para lograr una penetración en los mercados energéticos. En este sentido, el biodiésel en su proceso de producción presenta aún algunos factores limitantes para su extensión, siendo el principal su alto costo de producción -más del 60% de los costes están asociados a la materia prima-. En consecuencia, los procesos y tecnologías deben ser adaptadas con el fin de ser capaces de emplear materia prima de bajo coste tales como los aceites reciclados de cocina, los cuales no pueden ser procesados por la tecnología convencional debido a su alto contenido de ácidos grasos libres y otras impurezas que entre otras cosas, desactivan y consumen el catalizador homogéneo alcalino. 4