Tecnología de la producción de biodiesel

Transcripción

1 Curso de. Maestría en Energía. Facultad de Ingeniería Tema 5 2 parte Tecnología de la producción de biodiesel Dr. Iván Jachmanián ijachman@fq.edu.uy Laboratorio de Grasas y s Facultad de Química. Universidad de la República. Montevideo. Uruguay. 1.- Reacción Reacción global: Cada 100 Kg de aceite: 20Kg de 1.0 a 1.5 Kg de Na Temp.= 50-60ºC Tiempo = 1 a 1.5 horas OOCR 1 + R 1 COOR 4 OOCR R 4 + R 2 COOR 4 + R 3 COOR 4 Triglicérido Alcohol En determinadas condiciones se puede revertir Etapas: OOCR 1 OOCR 2 + R 4 Triglicérido OOCR 2 + R 1 COOR 4 % 100 Avance de la reacción OOCR 2 + R 4 Diglicérido + R 4 Monoglicérido + R 1 COOR 4 + R 2 COOR Triglicéridos DAG MAG Tiempo de reacción 1

2 Etapa de reacción eficiente: Triglicéridos < 0.2% Diglicéridos < 0.2% Monoglicéridos < 0.8% Factores determinantes: 1. Proporción entre reactivos 2. Tiempo de reacción 3. Temperatura 4. (tipo y concentración) 5. Agitación Velocidad o cinética de la reacción 1. Proporción alcohol/aceite Proporción alcohol/aceite: Mínimo Comúnmente: Moles alcohol = 3 Moles aceite Kg 0.1 Kg aceite Kg 0.2 Kg aceite 100% exceso ALTA: BAJA: - asegura reacción completa. - mayor dilución del agua en el aceite (si hay). - mejor separación de glicerol. - menor costo de recuperación del alcohol. 2. Tiempo de reacción % 100 Tiempo de reacción ALTO: - asegura reacción completa 50 Triglicéridos BAJO: - mejora productividad - minimiza deterioro oxidativo DAG MAG 0 Tiempo de reacción 2

3 3. Temperatura Temperaturas de ebullición de alcoholes ALTA: - acelera el proceso BAJA: - disminuye costo energético - minimiza deterioro oxidativo - minimiza pérdida de alcohol Temperatura máxima Ebullición del alcohol Alcohol Etanol 1-propanol 1-Butanol T eb, 1atm Agitación ALTO: - aumenta la velocidad - asegura compensación por pérdidas (agua, FFA) BAJO: - mejora economía - facilita etapas de lavado - mejora pureza subproductos - minimiza deterioro oxidativo POTENCIA ALTA: - asegura contacto entre fases POTENCIA BAJA: - menor costo Variantes: Modalidad: - Batch ( Ton/año) - Continua (> Ton / año) Reacción en 2 etapas: /cat 20% 1º Separación /cat 80% 2º Separación 1º reacción 2º reacción Nº Etapas: - Una - Dos Mejora la conversión Permite trabajar con menor exceso de alcohol Todas las etapas en mismo reactor 3

4 2.- Separación El glicerol es muy poco soluble en el biodiesel - Decantación - Centrifugación - El alcohol aumenta la solubilidad del glicerol: - Eliminación previa? No se recomienda - Adición de agua? Es posible Etapa de separación eficiente: Mayor rendimiento Mejor calidad del glicerol 3.- Neutralización l alcohol - Neutralización: elimina catalizador y convierte jabones en ácidos: Na + HAc H 2 O + NaAc R-COONa + HAc R-CO + NaAc - Eliminación Alcohol: Destilación (vacío + temperatura) Flash (descompresión) Si cat = K y ácidos = PO 4 3-, se genera K 3 PO 4, útil para fertilizantes. 4

5 Neutralización l alcohol eficiente: Mayor rendimiento Menor consumo de alcohol Mejor calidad de efluentes 4-Lavado s de lavado 4.- Lavado - Elimina restos de glicerol, sales y alcohol. Lavado eficiente: libre <0.02% Contenido de alcohol < 0.2% 4-Lavado s de lavado 5.- Secado Eliminación de restos de agua Evaporador convencional (vacío + temperatura) o flash (descompresión). 5-Secado terminado 5

6 Secado eficiente: Contenido de agua < 500 ppm Puede complementar remoción del alcohol < 0.2% GLICEROL - Composición: - Aprox. 50% de glicerol - (producto tóxico) - Jabones - Opciones: - Quemarlo (alta T) - Procesarlo s grasos 6-Separación FFA + 4-Lavado terminado 5-Secado s de lavado 6.- Separación de ácidos grasos del glicerol Jabones: acidificación, los convierte en ácidos grasos libres, que se separan a la superficie (pueden procesarse a biodiesel). : se neutraliza, la sal puede cristalizar. s grasos crudo 7-Eliminación 6-Separación FFA Lavado terminado 5-Secado s de lavado 7.- Eliminación del alcohol - Evaporación crudo (~85%) Impurezas: + ácidos grasos + sales disueltas + biodiesel + glicéridos parciales +. 6

7 s grasos crudo 7-Eliminación 6-Separación FFA + 8- Recuperación del + 4-Lavado terminado 5-Secado s de lavado 8.- Recuperación del alcohol - Se requiere columna de rectificación para separarlo del agua y retornarlo al proceso. - Equipamiento de alto costo. - Etanol e isopropanol: azeótropos. Para materias primas muy ácidas (FFA > 3%) - Debe adicionarse mucho catalizador. - Se genera mucha agua en el proceso que originará la aparición de más jabones. - Jabones dificultan separaciones (aumentan mermas, efluentes muy sucios ). Alternativa: Catálisis ácida B. Catálisis ácida - Generalmente H 2 SO 4 (ácido sulfúrico, 0.5-1%) - Alcohol: % del aceite - Mayor exceso de alcohol, mayor presión y temperatura - Convierte ácidos grasos libres (esterificación) - Más lenta para transesterificación que la básica (factor aprox. de 4000) - Más agresiva : Formación de productos indeseables - Efecto muy drástico del agua - En general se usa como pre-tratamiento (antes de la cat. Básica) Alternativa a la transesterificación básica TAG + 3 Me (R 1 -,R 2 -)R 3 COOMe + Esterificación de FFA R-CO + Me R-COOMe + H 2 O DOS OPCIONES: - Proceso completo por catálisis ácida: Sólo si el contenido de ácidos grasos es demasiado alto (borras de jabonería, oleínas) - Pre-tratamiento por catálisis ácida y posterior catálisis básica s de frituras (2-7% FFA) Sebos sin refinar (5-30% FFA) 7

8 Pretratamiento por catálisis ácida básico / alcohol Factores que definen el tipo de proceso y de las etapa Separador 1 ( FFA) Catálisis básica 1.- Características de la materia prima ácido Reactor 1 (c. ácida) Reactor 2 (c. básica) convencional 2.- Tipo de alcohol 3.- Volumen de producción - La reacción puede hacerse en varias etapas, dependiendo del porcentaje de FFA 2.- Tipo de alcohol Kg de alcohol necesarios para reaccionar con 100Kg de aceite de girasol: - - Etanol Etanol Propanol Butanol - Propanol Butanol Tipo de catálisis según el alcohol 3.- Volumen de producción CATALIZADOR Etanol Isopropanol Butanol K o Na Na X X - Batch (pequeña escala) - Continuo H 2 SO4 8

9 Dificultades para la producción a pequeña escala 1. Costo de servicios (electricidad, vapor, tratamiento de efluentes) 2. Costo de equipamiento (acero inox.) 3. Recuperación del alcohol (destilación fraccionada) 4. Costo de controles de calidad Control de calidad Controles de calidad obligatorios (*) 1. Control restringido mensual (10 análisis) 2. Norma UNIT completa anual (>20 análisis) Algunos procesos comerciales (*) Artículo 18º del Decreto Reglamentario de Ley sobre Agrocombustibles (Nº ), aprobado el 27 de octubre del Pretratamiento de aceite estándar (Crown Iron Works Company USA) Pretratamiento de aceite de alta acidez (Crown Iron Works Company USA) - Los FFA se destilan por arrastre con vapor Vacío Vacío Vapor Vapor Alta P refrigerada degomado Intercambiador Intercambiador Intercambiador refinado 9

10 Reacción Proceso continuo (Lurgi, Alemania) Vapor Acido Reactor 1 Reactor 2 Refinado Reactor Mezclador Mezclador Decantador Reactor Decantador Decantador a reciclar Coadyuvante de filtración Fluido refrigerado Recuper ación de Flujo cruzado de glicerol (petentado) de lavado Columna de lavado Evaporador agua / glicerol Intercambiador Vapor Destilador Intercambiadores Mezclador Filtro / glicerol crudo Sólidos Purificación mediante resinas: Purificación mediante resinas: Ejemplo: Amberlite BD10DRY (Rohm&Haas - DOW) Purificación final seca, no produce efluentes Retiene glicerol, catalizador y jabones. Entre 0.9 y 1.6 Ton biodiesel / kg de adsorbente Max temp: 120 ºC Altura mínima: 60 cm Flujo: 1 a 5 L / L resina Máx P = 1 bar Regeneración: tratamiento con Planta ALUR: - Ageratec (Suecia) - Planta Multi Link, PE Ton/año - Inversión total: USD 6 millones - Opera con aceite neutro y blanqueado. - Admite varias calidades de materias primas (incluso de alta acidez). Haz tu propio biodiesel?? Cualquiera puede producir biodiesel. Es fácil, puedes hacerlo en tu cocina, y es mejor que el combustible derivado del petróleo que venden las petroleras. Tu motor funcionará mejor y durante más tiempo con tu combustible casero, y es mucho más limpio; es mejor para el ambiente y para la salud. Si lo produces a partir de aceite de cocina usado no sólo será barato, estarás reciclando un residuo perjudicial. Lo mejor de todo es el gran sentimiento de libertad e independencia que da. Aquí está todo lo que necesitas saber para hacerlo ( 10

11 Fichas Internacionales de Seguridad Química: METANOL (ICSC: 0057) EFECTOS DE EXPOSICION CORTA La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio, puede causar efectos en el sistema nervioso central, dando lugar a una pérdida del conocimiento. La exposición por ingestión puede producir ceguera y sordera. Los efectos pueden aparecer de forma no inmediata. Se recomienda vigilancia médica. EFECTOS DE EXPOSICION PROLONGADA El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis. La sustancia puede afectar al sistema nervioso central, dando lugar a dolores de cabeza persistentes y alteraciones de la visión. Inconvenientes de la catálisis química: Requerimiento de materia prima de alta calidad. Producción de varios efluentes de lavado. Producción de glicerol de baja calidad. Costo energético: temperatura de reacción + energía para recuperación del alto exceso de alcohol Algunas Alternativas: 1. Nuevos catalizadores: líquidos, sólidos, Procesos a alta presión (sin catalizador) 3. Biocatálisis: Lipasas 11