UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO DE UN RECIPIENTE A PRESIÓN CON UN SISTEMA DE AGITACIÓN PARA EL PROCESAMIENTO DE BIODIESEL DE 3 m 3 DE CAPACIDAD TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO JIM ANTHONY MANRIQUE REBAZA PROMOCIÓN 2006-I LIMA PERÚ 2011

2 A mis padres, familiares, amigos y terceras personas que con su ayuda invaluable pude realizar mi sueño, ser Ingeniero; y sobre todo a mi madre, Sylvia Rebaza, que con su apoyo y comprensión ayudaron a finalizar este proyecto. Gracias.

3 I Í N D I C E PRÓLOGO. 1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN Antecedentes Objetivo Alcance Justificación..5 CAPÍTULO II EL BIODIESEL COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA El Biodiesel Naturaleza del biodiesel Característica del biodiesel Producción de biodiesel a partir de insumos de aceite usado El Sistema Energético y alternativa energética Ventajas del Biodiesel Desventajas del Biodiesel Proceso químico para la producción del Biodiesel Proceso Discontinuo Proceso Continuo

4 II Transesterificación Biodiesel en el Perú Biodiesel en el Mundo CAPITULO III DISEÑO MECÁNICO DEL RECIPIENTE Definiciones Consideraciones del diseño Parámetros de Diseño Selección del Material Margen por corrosión Eficiencia de la Soldadura Condición de operación del Recipiente Cálculo del tamaño del Tanque Cálculo del volumen de los cabezales Toriesféricos Cálculo de la Altura Total Interior del Tanque Cálculo de la Altura del Cuerpo Cilíndrico del Tanque Cálculo de la Altura del Cabezal Toriesférico del Recipiente Cálculo de la Altura Total Cálculo del espesor del cuerpo cilíndrico interior Cálculo del espesor del cilindro interior por Presión Interna Cálculo del espesor del cilindro interior por Presión Externa Cálculo del espesor de los cabezales Toriesféricos del Recipiente Cálculo por Presión Interna del Cabezal Toriesférico... 56

5 III Cálculo por Presión Interna del Fondo Toriesférico Cálculo por Presión Externa del Cabezal Toriesférico Cálculo por Presión Externa del Fondo Toriesférico Cálculo del espesor del cilindro y cabezales Toriesféricos del enchaquetado Cálculo del espesor del cilindro del enchaquetado por Presión Interna Cálculo del espesor del cilindro del enchaquetado por Presión Externa Cálculo por Presión Interna del Fondo Toriesférico del enchaquetado Cálculo por Presión Externa del Fondo Toriesférico del enchaquetado Diseño y dimensionamiento de aberturas Abertura para el sistema de agitación Cálculo de la Resistencia de sujeción de la abertura para sistema de agitación Abertura para Manhole Diseño de tuberías de carga, descarga y de venteo Tubería de Carga Tubería de Descarga Tubería de Venteo Cálculo y selección de bridas. 119

6 IV Cálculo y selección de empaquetadura CAPITULO IV DISEÑO DEL SISTEMA DE AGITACIÓN Consideraciones del Diseño Sistema de Agitación Diseño del Rodete Cálculo de las dimensiones del Rodete Cálculo de las placas deflectoras Cálculo de la Potencia consumida en el tanque Selección del Flujo a trabajar Selección de la Velocidad Anguar Cálculo de la Densidad Promedio y Viscosidad Promedio Cálculo del Número de Reynolds Cálculo de la Potencia Selección del Motorreductor Cálculo del Momento Torsor Cálculo del Eje del impulsor Verificación del eje por deformación angular por torsión Cálculo de la Chaveta Cálculo y selección de acoplamiento Cálculo Estructural del Rodete Determinación de las fuerzas sobre el impulsor Determinación del espesor de los álabes

7 V Determinación del espesor del disco Cálculo y selección de los Rodamientos Cálculo de las Cargas sobre el rodamiento Cálculo de Carga Axial Cálculo de Carga Radial Cálculo de las reacciones de los rodamientos Selección de los rodamientos CAPÍTULO V DISEÑO DEL SISTEMA TERMICO Consideraciones del Diseño Proceso de Calentamiento Balance Térmico Cálculo del Coeficiente Global de Transferencia Cálculo del Coeficiente Convectivo Interno Cálculo de la Resistencia Térmica de Conductividad Cálculo del Coeficiente Convectivo Externo Cálculo del Coeficiente Convectivo pelicular por incrustaciones Determinación del tiempo de calentamiento Determinación del Flujo Másico de Vapor CAPITULO VI DISEÑO DE SOPORTE Y ACCESORIOS DE IZAJE Consideraciones del Diseño Cálculo de Pesos. 187

8 VI Cálculo del peso del tanque Cálculo del peso del enchaquetado Cálculo del peso del eje Cálculo del peso de los rodetes Cálculo del peso del fluido Cálculo del peso del motorreductor Cálculo del peso de los rodamientos Cálculo del peso del acoplamiento Cálculo del peso de los bafles Cálculo del peso de las bridas Cálculo del peso total del Tanque y accesorios Cálculo de los soportes Selección de zapata para soporte Cálculo de Accesorios de Izaje Diseño de apoyos tipo columna Diseño del Perfil de las columnas Cálculo de carga de viento Cálculo de Carga de Sismo Análisis de Cargas Selección del perfil de las columnas Cálculo de la placa de apoyo en la columna Cálculo de Perno de Anclaje Carga Crítica. 218

9 VII CAPITULO VII COSTOS Costo de Fabricación del Recipiente a presión CONCLUSIONES 223 RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

10 - 1 - PRÓLOGO El desarrollo de la presente Tesis, tiene la finalidad de desarrollar un equipo para el procesamiento de Biodiesel, debido a que se desea obtener combustibles amigables con el medio ambiente, siendo este una alternativa energética, y se pueda desarrollar una planta piloto de Biodiesel, donde los equipos principales para la obtención de Biodiesel son: Reactor químico, separador centrífugo y un tanque de lavado, por lo que el Proyecto se llama "Diseño de un recipiente a Presión con un sistema de agitación para el procesamiento de Biodiesel de 3 m 3 de capacidad. Para su desarrollo se ha dividido en siete capítulos: En el primer capítulo, que es la introducción, se describe el antecedente, objetivos, sus alcances, y justificación del proyecto. En el segundo capítulo, se describe el biodiesel como alternativa energética, donde se detalla el concepto y proceso del biodiesel, la transesterificación que es la parte principal de cómo se produce y obtiene el biodiesel, así como sus ventajas y desventajas, y como se desarrolla en el Perú y en el Mundo.

11 - 2 - En el tercer capítulo, se describen el diseño mecánico del recipiente a presión, donde se realizan los cálculos de los espesores del tanque y su enchaquetado, utilizando la norma ASME Sección VIII División 1. En el cuarto capítulo, se describe el diseño del sistema de agitación, el cual es importante para la mezcla del aceite usado o reciclado con el catalizador y el alcohol, para forma con la mezcla el biodiesel. En el quinto capítulo, se describe el diseño del sistema térmico, el cual sirve para mantener constante la temperatura de calentamiento que sirve para el procesamiento de biodiesel. En el sexto capítulo, se desarrolla el diseño de soporte y accesorios de izaje para el recipiente a presión, donde se calcula las zapatas, columnas y cáncamos para el montaje del tanque. En el séptimo capítulo, se desarrolla los costos de fabricación del recipiente. Asimismo, se presentan las respectivas Conclusiones, Recomendaciones y la Bibliografía utilizada para la elaboración de la presente Tesis.

12 3 CAPITULO I INTRODUCCION 1.1 Antecedentes El biodiesel es un combustible alternativo a los combustibles fósiles, fabricado a partir de material vegetal. Se ha observado un fuerte crecimiento del uso de combustibles renovables a nivel mundial, debido a la preocupación cada vez mayor de los países en disminuir su dependencia del petróleo como combustible y sus emisiones de compuestos dañinos a la atmósfera. En efecto, el petróleo constituye hoy la primera fuente de energía en el mundo pero las incertidumbres que pesan sobre la continuidad de su abastecimiento en el tiempo motivan a los países a encontrar otras fuentes de energía. Con esto y por las diferentes secuelas que va dejando los primeros indicios del calentamiento global, debido a que en las últimas décadas empiezan estudios más profundos y continuos de la búsqueda de un combustible alterno y amigable al ambiente, es por esto que se toma en cuenta a los aceites vegetales, que en este caso se usará aceite reciclado, los mismos que ya habían sido citados en estudios desde la invención del motor diesel gracias a

13 4 los trabajos de Rudolf diesel, en los que ya se destinaba a la combustión en motores de ciclo diesel convencionales o adaptados. El uso de combustibles amigables con la naturaleza resulta ser la mejor vía de continuar con un mejoramiento de la calidad de vida sin perjudicar más a la naturaleza y sus recursos. Por este motivo se trata de realizar diseños de plantas de biodiesel para realizar la fabricación de este producto, con lo cual cuenta con tres equipos claves para su fabricación, los cuales son: Reactor Químico, Separador Centrífugo y el Tanque de Lavado. En esta tesis se realizará el diseño del Reactor Químico. 1.2 Objetivo Diseñar un tanque vertical a presión, para la obtención de Biodiesel, llamado también reactor químico, donde se realiza el proceso de transesterificación del biodiesel a partir de Aceite Comestible Reciclado. Se debe tener en cuenta, para la realización de esta tesis, partimos de la mezcla de los aceites residuales con la mezcla de metanol y catalizador (hidróxido de sodio), que se realizará dentro de este reactor químico con el sistema de agitación que se proveerá al tanque y se desarrollará el cálculo del enchaquetado para que se mantenga con la temperatura adecuada para la mezcla de estos materiales. Con esto se efectuará los cálculos de ingeniería para el diseño del reactor y realizar su respectivo dimensionamiento.

14 5 1.3 Alcance El alcance de esta tesis es solamente el diseño del recipiente a presión vertical para el procesamiento de Biodiesel con una capacidad de 3 m 3, en el cual se realizará la mezcla y reacción. Este tanque cuenta con un Sistema de Agitación, el cual consta de un eje, rodete en la parte inferior y un motorreductor, cumpliendo con las especificaciones y normas de calidad, también se contemplará el desarrollo del sistema térmico, el cual consta de un enchaquetado para mantener a la temperatura de 65º a 85º C, lo que se necesita para que se produzca la transesterificación. Además esta tesis se plantea como un manual para el diseño de tanques verticales. 1.4 Justificación La comunidad mundial está en búsqueda de un sin número de alternativas válidas para obtener una solución factible a la gran problemática ambiental que enfrenta el planeta, en varias oportunidades se han hablado de programas y compromisos dentro de convenciones como la de Kyoto, en la que los cómo acuerdo se llego al compromiso de la búsqueda de energías alternativas; siendo como eje fundamental la desutilización de combustibles fósiles. Es por esto que es indudable que hay que buscar combustibles renovables alternativos a los que se obtienen del petróleo, no sólo por la disponibilidad

15 6 limitada de este recurso sino también por los problemas de contaminación ambiental creciente y los biocombustibles son una opción válida. Esto no quiere decir que sean la única opción ni la definitiva; hay otras fuentes de energía renovables con mucho potencial: energía solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, etc., pero actualmente los motores diesel se pueden utilizar con mezclas de pequeños porcentajes de biodiesel en gasoil, sin realizar cambios en los mismos; o sea, es una opción que está disponible ahora, mientras se sigue desarrollando la tecnología necesaria para poder sumar otras fuentes renovables de energía a un costo competitivo.

16 7 CAPITULO II EL BIODIESEL COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA 2.1 El Biodiesel El biodiesel es un combustible renovable derivado de aceites o grasa de origen vegetal o animal. El prefijo bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diesel tradicional derivado del petróleo; mientras que diesel se refiere a su uso en motores de este tipo. Como combustible, el biodiesel puede ser usado en forma pura o mezclado con diesel del petróleo. Su combustión emite a la atmósfera una cantidad de CO 2 que será absorbida por otro vegetal en el proceso de fotosíntesis (Figura 2.1). Así, el uso de un motor de encendido por compresión con biodiesel no modifica el ciclo de carbono y sólo incorpora adicionalmente el CO 2 de la energía necesaria a la fabricación del combustible. Se ha observado un fuerte crecimiento del uso de combustibles renovables a nivel mundial, debido a la preocupación cada vez mayor de los países en

17 8 disminuir su dependencia del petróleo como combustible y sus emisiones de compuestos dañinos a la atmósfera. Figura 2.1. Ciclo básico del carbono para el biodiesel. En efecto el petróleo constituye hoy la primera energía en el mundo pero las incertidumbres que pesan sobre la continuidad de su abastecimiento en el tiempo motivan a los gobiernos para encontrar otras fuentes de energía. El National Biodiesel Board (La Asociación de Productores Norteamericanos de Biodiesel) lo define como un combustible compuesto de ésteres mono-alquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de aceites o grasas, vegetales o animales.

18 9 Este biocombustible se obtiene mediante un proceso químico llamado transesterificación, en el cual los aceites orgánicos son combinados con un alcohol y alterados químicamente para formar un éster etílico o metílico, el cual recibe finalmente el nombre de biodiesel. Estas moléculas resultantes están compuestas por un ácido graso de cadena larga y un alcohol Naturaleza del biodiesel El biodiesel está constituido de ésteres mono-alquílicos de ácidos grasos de cadena larga, obtenidos mediante la reacción entre un vegetal u otro cuerpo graso y un alcohol en presencia de un catalizador (Figura 2.2). Figura 2.2. Fabricación del biodiesel. Esta reacción produce los ácidos grasos del biodiesel y un subproducto que se debe eliminar, la glicerina. De cada molécula de metanol (o etanol) se reemplaza un elemento hidrógeno por un grupo con radical, marcado R x, constituye la molécula metil éster.

19 10 El biodiesel se puede hacer a partir de una gran variedad de materia base, entre otros aceites extraídos de soya, maíz, colza o palma por ejemplo, aceite usado en cocina o grasa animal. Para lograr una total eficiencia del proceso químico, el aceite debe estar libre de acodos grasos libres, agua, fósforo y sulfuro Características del biodiesel Existe diversidad de la materia base que se utiliza en el proceso de fabricación, resultando variables las características del biodiesel final. Sin embargo, se pueden destacar propiedades generales que tienen todos los tipos de biodiesel. Vemos que el biodiesel tiene una energía específica menor en 5% respecto al petróleo diesel. Pero su viscosidad mayor permite mejorara la lubricación dentro de la cámara de combustión, disminuyendo así los esfuerzos de roce que bajan el rendimiento global del motor. Por lo tanto, la lubricación mejorada permite compensar en parte el calor de combustión más bajo y junto con otros factores (mejor combustión), el rendimiento energético del motor sigue siendo igual con el uso de biodiesel Producción de biodiesel a partir de insumos de aceite usado El escenario inicial previsto en el proyecto para la producción de biodiesel a partir de insumos de descarte (aceites usados). Se entiende por aceite usado el aceite vegetal que se utiliza en un proceso agroindustrial para cocer alimentos.

20 11 Un siguiente paso, con el fin de estimar el potencial de réplica de estos sistemas pequeños de producción de biodiesel a partir de aceites usados, ha sido el inicio de un estudio para determinar la oferta, evaluar, caracterizar y clasificar los aceites y grasas comestibles residuales en la ciudad de Lima. El estudio consta de una primera etapa a nivel de laboratorio, que incluye: Recolección de aceites y grasas residuales de cadenas de comida rápida, fábricas de bocaditos fritos, cadenas de supermercados, restaurantes en general y pollerías. Análisis de los aceites y grasas: índice de acidez, índice de yodo, porcentaje de humedad, índice de saponificación, índice de refracción e índice de peróxido. Evaluación de métodos de pre-tratamiento de los aceites: filtrado, desecación en estufa de vacío, neutralización de ácidos grasos libres, esterificación por vía ácida. Pruebas de obtención de biodiesel a nivel de laboratorio. Pruebas de purificación del biodiesel mediante lavado con agua, purificación con glicerina, desecación en estufa, secado con sales deshidratantes, filtrado. Análisis del biodiesel para comprobar su calidad: índice de acidez y yodo, humedad, ph, viscosidad, glicerol total, libre y combinado, cenizas.

21 12 Tabla 2.1: Características de aceites recolectados en distintos establecimientos de Lima. 2.2 El Sistema Energético y alternativa energética La energía es, básicamente, la capacidad para realizar trabajo. En un sentido amplio esto significa la capacidad de obrar, transformar y poner en movimiento. Existe energía debido a la posición, el movimiento, la composición química, la masa, la temperatura y otras propiedades de la materia. Está en todas partes, y no se puede destruir, sólo transformar. El biodiesel es un combustible alternativo a los combustibles fósiles, fabricado a partir de material vegetal. Se ha observado un fuerte crecimiento del uso de combustibles renovables a nivel mundial, debido a la preocupación cada vez mayor de los países en disminuir su dependencia del petróleo como combustible y sus emisiones de compuestos dañinos a la atmósfera. Es necesario conciliar las metas de protección ambiental y de seguridad energética teniendo en cuenta un suficiente, adecuado y equitativo

22 13 abastecimiento de energía para toda la humanidad. Hoy, de manera urgente, se necesita frenar el crecimiento de la demanda de combustible fósiles, incrementar la diversidad del abastecimiento energético en cuanto a fuentes y proveedores y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Es necesario conciliar las metas de protección ambiental y de seguridad energética teniendo en cuenta un suficiente, adecuado y equitativo abastecimiento de energía para toda la humanidad. Hoy, de manera urgente, se necesita frenar el crecimiento de la demanda de combustibles fósiles, incrementar la diversidad del abastecimiento energético en cuanto a fuentes y proveedores y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Para poder asegurar la disponibilidad de fuentes energéticas durante las próximas décadas se tendría que empezar a implementar una serie de políticas coherentes, en todos los niveles, orientadas a facilitar la transición de la presente estructura energética a un sistema más diversificado de ofertas y demandas de energía. Necesitamos encontrar nuevas alternativas energéticas y realizar esfuerzos para aprovechar todos los recursos energéticos locales, tanto convencionales como no convencionales. La toma de decisiones en el sector energético tiene graves implicancias y no debe ser abandonada exclusivamente en manos de los gobiernos, pues es un problema que nos compete a todos. Se requieren entonces acciones coordinadas y decididas por parte de los gobiernos y participación por parte de la población organizada, sociedad civil y opinión pública.

23 14 No hay una solución única al problema energético. Sólo con una combinación de estrategias (ahorro, eficiencia, cambio de matriz energética, diversificación de fuentes y uso de energías renovables; entre otras) podría haber una salida. 2.3 Ventajas del Biodiesel Numerosos estudios destacan los beneficios en ves de diesel, o por lo menos una mezcla de los dos. A continuación se dan las principales ventajas del biodiesel. Su fabricación necesita poca energía, esencialmente utilizada en los procesos de extracción, laboreo de las zonas agrícolas y creación del vapor. Permite aumentar el número de cetano, o sea la capacidad del combustible en autoencenderse, produciendo una mejor combustión. Es un combustible biodegradable que se disuelve fácilmente en la naturaleza sin crear contaminación del ambiente, en caso de derrame accidental. Este combustible permite una reducción notable de las emisiones nocivas a la atmósfera. Tiene un balance neutro en CO 2 porque se consume por fotosíntesis el dióxido de carbono emitido en vegetales que se pueden usar para fabricar de nuevo biodiesel. La viscosidad cinemática es mayor, mejorando la capacidad del biodiesel a lubricar el motor. Esto permite reducir los aditivos utilizados en el petróleo diesel. El contenido de azufre es muy bajo, inferior a 15 ppm, permitiendo disminuir las emisiones de SO 2 y material particulado. Este elemento naturalmente presente en el petróleo diesel aumenta la lubricidad pero el uso de biodiesel en mezcla

24 15 con diesel de bajo contenido de azufre permite compensar esta propiedad por su mayor viscosidad. Este nuevo combustible es fácil de implementar porque se puede usar en mezcla, designando el porcentaje de biodiesel en el diesel. Hasta 20%, no se necesitan cambios en el motor y para porcentajes de reemplazo mayores, los cambios son mínimos. Las características del motor son similares, o sea que el rendimiento, el torque y el consumo no cambian significativamente. Los cambios para el conductor son imperceptibles. Su mayor punto de ignición disminuye el peligro de explosión durante el almacenamiento. El Biodiesel es un combustible de clase IIIB y como tal no tiene mayores requerimientos de protección contra incendios que con los del petróleo diesel que es clase II. No son necesarias modificaciones de la infraestructura de distribución (estaciones de servicio, transporte, etc.) 2.4 Desventajas del Biodiesel El biodiesel, a pesar de las mejoras que conlleva su uso en motores de combustión interna, presenta algunas desventajas que no se pueden despreciar: Las emisiones de óxidos de nitrógeno NOx aumentan, hasta un 10% cuando se usa biodiesel puro. Este compuesto participa en la creación del smog fotoquímico, pero se puede eliminar de manera eficiente con el uso de un catalizador.

25 16 Producir biodiesel supone extraer las zonas y las cantidades de vegetales cultivadas, lo que genera una utilización creciente de fertilizantes y pesticidas. Así, ganamos en cuanto a los residuos a la atmósfera pero por otro lado, se echa a la tierra compuestos químicos que contaminan los suelos. El biodiesel puro genera corrosión y es incompatible con algunos plásticos, por lo que se deben cambiar ciertas partes del motor para usarlo como B100. La glicerina presente en el compuesto final se debe purificar, con costo adicional, mediante un arrastre con vapor. Este combustible tiene problema de fluidez a bajas temperaturas. Tal característica impide su uso en ciertas regiones de clima difícil o la obligación de agregarle aditivos especiales. Su vida útil es inferior a 6 meses por su escasa estabilidad oxidante, o sea que pierde su capacidad a oxidarse en el proceso de combustión en la cámara del motor. No se puede almacenar durante un tiempo largo y se debe vender rápidamente después de su fabricación. 2.5 Proceso químico para la producción del Biodiesel En este punto se describirán los diferentes procesos para la producción de biodiesel entre los que se incluyen el proceso general de transesterificación y el proceso general de esterificación, aunque habitualmente en este último el proceso se utiliza en combinación con el de transesterificación a partir de los ácidos grasos, subproductos de este proceso, para la producción de biodiesel. Además también se comentarán estos procesos en discontinuo y en continuo,

26 17 para finalizar con el proceso en condiciones supercríticas donde no es necesario añadir catalizadores. El proceso de producción de biodiesel se basa en la reacción de transesterificación del aceite. Los aceites están compuestos principalmente por moléculas de triglicéridos formadas de tres cadenas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol. La transesterificación consiste en reemplazar el glicerol por un alcohol simple, como el metanol o el etanol, de forma que se produzcan ésteres metílicos o etílicos de ácidos grasos. Este proceso permite disminuir la viscosidad del aceite, la cual es principalmente ocasionada por la presencia de glicerina en la molécula. La alta viscosidad del aceite impide su uso directo en motores diesel no modificados, desventaja que se supera mediante este proceso. Para lograr la reacción se requieren temperaturas entre 40 y 60 C, así como la presencia de un catalizador, que puede ser hidróxido de sodio o potasio (NaOH o KOH). Luego de precalentar el aceite a la temperatura deseada, se incorpora el alcohol con el catalizador disuelto y se mantiene reaccionando durante 1 a 2 horas con agitación constante. Después de la reacción se separan dos fases en la mezcla: una superior líquida y cristalina, el biodiesel; y otra inferior, de color por lo general más oscuro y alta viscosidad, la glicerina. Si el aceite utilizado contiene agua o ácidos grasos libres, en la reacción se forma además jabón. Luego de la separación por gravedad del biodiesel y la glicerina, se realiza un postratamiento de purificación al biodiesel. Este consiste básicamente en un lavado con agua, el cual permite separar cualquier resto de glicerina, metanol,

27 18 catalizador y jabón que hayan podido quedar en el biodiesel, ya que todas estas moléculas son más solubles en agua que en el éster. Tabla 2.2. Características del biodiesel obtenido según estándares internacionales. Para la producción de biodiesel en este proyecto de tesis se usará aceites reciclados. Estos materiales contienen triglicéridos, ácidos grasos libres y otros contaminantes según el tipo de pre tratamiento que recibieron antes de entrar al proceso de transformación en biodiesel. Como el biodiesel es un mono-alquilo éster de ácido graso, el alcohol primario utilizado para formar éster es el otro mayor insumo necesario para generar la reacción química. Se supone que la planta a diseñar funcionará con semillas de raps y de maravilla, para cumplir con los requisitos de la norma chilena de biocombustibles.

28 19 Existen tres formas básicas de producir biodiesel: Transesterificación con catalizador básico de un aceite con metanol. Esterificación con catalizador ácido de un aceite con metanol. Conversión del aceite en ácidos grasos, y luego en metil ésteres por catálisis ácida. Aunque la transesterificación es la reacción más utilizada al nivel mundial, los otros procesos se proponen para tratar aceites que contienen mayor porcentaje de ácidos grasos. La mayoría de los procesos para fabricar biodiesel utiliza un catalizador para iniciar la reacción. Su uso es necesario porque el alcohol es escasamente soluble en la fase aceitosa. El catalizador crea un aumento de la solubilidad para permitir que la reacción se desarrolle a velocidad razonable. Los catalizadores más utilizados son bases minerales fuertes tal como hidróxido de sodio o de potasio. Después de la reacción, estos catalizadores básicos deben neutralizarse con ácidos minerales fuertes. El proceso de producción del biodiesel: la transesterificación, incluyendo los pasos necesarios de pre tratamiento del aceite para asegurar su calidad adecuada, así como los de postratamiento del biodiesel para purificarlo de manera que cumpla con sus especificaciones técnicas. También se hace mención a los subproductos del proceso, especialmente la glicerina. Finalmente, se describen brevemente algunas tecnologías más avanzadas de transesterificación y producción de biocombustibles líquidos.

29 20 En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación suelen utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme Proceso Discontinuo Es el método más simple para la producción de biodiesel donde se han reportado ratios 4:1 (alcohol: triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones operación más habituales son a temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido publicadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5% (dependiendo que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase ester. Se han publicado en la bibliografía resultados entre el 85% y el 94%. En la transesterificación, tal y como se comentó anteriormente, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y ratios

30 21 superiores de alcohol : aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora. En la Figura 2.3 se reproduce un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación en discontinuo. Figura 2.3. Proceso de Transesterificación, Proceso Discontinuo Proceso Continuo Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los llamados CSTR del inglés, Continuous Stirred Tank Reactor. Este tipo de reactores puede ser

31 22 variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98% de producto de reacción. Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa. Existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la reacción de esterificación. El reactor que se utiliza en este caso es de tipo tubular. La mezcla de reacción se mueve longitudinalmente por este tipo de reactores, con poca mezcla en la dirección axial. Este tipo de reactor de flujo pistón, Plug Flow Reactor (PFR), se comporta como si fueran pequeños reactores CSTR en serie. El resultado es un sistema en continuo que requiere tiempos de residencia menores (del orden de 6 a 10 minutos) con el consiguiente ahorro, al ser los reactores menores para la realización de la reacción. Este tipo de reactor puede operar a elevada temperatura y presión para aumentar el porcentaje de conversión. En la Figura 2.4 se presenta un diagrama de bloques de un proceso de transesterificación mediante reactores de flujo pistón. En este proceso, se introducen los triglicéridos con el alcohol y el catalizador y se somete

32 23 a diferentes operaciones (se utilizan dos reactores) para dar lugar al éster y la glicerina. Figura 2.4. Proceso de Transesterificación, Proceso Continuo. Dentro de la catálisis heterogénea los catalizadores básicos se desactivan fácilmente por la presencia de ácidos grasos libres (FFA) y de agua que favorece la formación de los mismos. Para tratar alimentaciones con cierto grado de acidez, se prefiere la esterificación de los ácidos grasos libres con superácidos [Granados, 2005] que a su vez presenten una elevada velocidad de reacción de transesterificación si bien se necesitan dos reactores con una fase intermedia de eliminación de agua. De este modo, alimentaciones con hasta un 30% en FFA se pueden esterificar con metanol, reduciendo la presencia de FFA por debajo del 1%. Esta etapa previa de esterificación se puede

33 24 llevar a cabo con alcoholes superiores o glicerina que resulta atractiva en la producción de biodiesel puesto que es un subproducto del proceso Transesterificación La transesterificación alcalina es el proceso más simple y más utilizado para fabricar biodiesel. Sin embargo, requiere de un aceite con bajo contenido de ácidos grasos libres, agua y otras impurezas, o de procesos adicionales de pre tratamiento de la materia prima para asegurar esta calidad. Además, requiere de pasos posteriores de postratamiento del biodiesel para reducir su contenido de impurezas procedentes del proceso, principalmente restos de catalizador, y de postratamiento de la glicerina para purificarla parcialmente e incrementar su valor de mercado. Es por esto que otros procesos han sido desarrollados para aceites menos puros, para mejorar el rendimiento de la transesterificación, o para intentar acelerarla, pero sin embargo su uso aún no está generalizado. Volviendo a la reacción química de la transesterificación, hemos visto que químicamente ésta equivale a: Sin embargo, en la práctica se necesita más de 3 alcoholes por cada triglicérido para que la reacción ocurra completamente. Si no se usa este

34 25 exceso de alcohol, el producto obtenido no será biodiesel puro: consistirá en una mezcla de biodiesel, triglicéridos sin reaccionar, y productos intermedios como los monoglicéridos y diglicéridos. Estas impurezas pueden afectar las características del combustible, de manera que no cumpla con las normas técnicas de calidad, además de tener efectos indeseados como producir depósitos carbonosos en el motor, taponeo de los filtros, combustión incompleta, etc. Igualmente, para que la reacción se lleve a cabo, también hemos visto que se necesita la presencia de un catalizador y de ciertas condiciones de reacción (tiempo, temperatura, agitación). Asimismo, hemos visto que la calidad del aceite es uno de los condicionantes más importantes para que la transesterificación se lleve a cabo adecuadamente y que debe asegurarse con un análisis químico previo y, si es necesario, con un pre tratamiento adecuado. Los siguientes pasos de la transesterificación alcalina, tal como se aprecian en la Figura 2.5, son: La primera operación consiste en disolver el catalizador sólido (hidróxido de sodio o potasio NaOH o KOH) en el alcohol (metanol o etanol). La cantidad de catalizador a utilizar depende de la acidez del aceite, pero suele variar entre un 0,5 y 1% (Srivastava y Prasad, 2000). Se necesita aproximadamente media hora de agitación constante para lograr una disolución completa. Si se trabaja con un catalizador líquido (metilato de sodio) no se requiere este paso.

35 26 Luego se realiza la transesterificación propiamente dicha. Para ello, se necesita un reactor cerrado herméticamente, con agitación constante y calor. En plantas de producción pequeñas este proceso se realiza por lotes, pero en plantas de gran escala se realiza en reactores de flujo continuo. En este reactor se mezclan el aceite y el metanol con el catalizador disuelto y se agita durante una hora. Para que la reacción sea completa se requiere un tiempo de reacción de 1 hora a 60 C de temperatura o de 4 horas a 32 C de temperatura (Freedman et al., 1984). La transesterificación resulta en la separación de dos fases: una fase más viscosa y densa, que consiste en una mezcla de glicerol, jabones, catalizador, metanol y agua (denominada glicerol crudo en la Figura 2.5), y una fase más liviana, que consiste en los metilésteres (el biodiésel), también con metanol, una menor proporción de catalizador y jabones, y mono- y diglicéridos (en caso que la reacción no haya sido completa). Se requiere de un tanque decantador donde ambas fases se puedan separar por gravedad, o de una centrífuga para separarlas más rápidamente. Asimismo, se puede añadir agua luego de la transesterificación para mejorar la separación del glicerol. A partir de este punto, se separan dos líneas de proceso: una para purificar los metil-ésteres, y otra para purificar y recuperar el glicerol.

36 27 Figura 2.5. Proceso de Producción de biodiesel por Transesterificación alcalina.

37 Biodiesel en el Perú Las materias primas aceites y grasa vegetales y animales disponibles para producir biodiesel en el Perú son variadas: aceites vegetales, grasa animales (sebo), aceite de pescado, aceites y mantecas comestibles usadas. Sin embargo, su cantidad no es suficiente para satisfacer una posible demanda a gran escala de biodiesel. En la Tabla 2.3 se puede observar un resumen de la producción nacional de cultivos oleaginosos, y en la Tabla 2.4 las importancias de aceites vegetales realizadas en los años 2004 y En la Tabla 2.5 se puede apreciar que el Perú es un importador neto de aceites vegetales, con casi un 60% de la demanda total nacional de aceite vegetal proveniente de importaciones en el Tabla 2.3. Producción de vegetales oleaginosos en Perú (años ).

38 29 Tabla 2.4. Importación de aceites comestibles al Perú (años ). Tabla 2.5. Balance de oferta y demanda de cultivos oleaginosos en el Perú (años ).

39 30 Las perspectivas en el Perú, no es posible dar una respuesta general y de aplicación a todo el territorio sobre la conveniencia, o no, de impulsar la producción de biocombustibles en el Perú. Si nos referimos a cultivos, queda primero por resolver y/o cubrir los altos porcentajes de aceite que actualmente se importan para consumo humano. Incluso si se analiza únicamente desde un punto de vista económico de aceite para consumo humano o para producción de biodiesel varíe, dependiendo de las zonas y de la época del año. Los programas regionales y/o los de la cooperación internacional sobre la promoción de cultivos para la producción biocombustibles deberán evaluar si el destino de esta producción es para la producción y uso local, o si se destinará para el envío del aceite como tal a otras regiones con mercados potenciales mayores. Dos detalles que suelen pasarse por alto son: la necesidad de insumos, como metanol o etanol anhídro, si se desea producir biodiesel localmente; y que usualmente, los mercados potenciales más importantes para el consumo de biodiesel no se encuentran necesariamente adyacentes a las principales zonas de producción. En lo referente a los porcentajes de mezcla, porcentajes obligatorios como los aprobados en el Reglamento para la Comercialización de Biocombustibles (2% desde el 2009 y 5% desde el 2011) tendrán como principal efecto una gran demanda por aceite, y por ende de cultivos oleaginosos, que podría impulsar un crecimiento importante en el sector agrícola. Será necesario entonces, que el PROBIOCOM enfatice el establecimiento de subprogramas de investigación y promoción de fuentes oleaginosas que permitan abastecer los volúmenes de

40 31 aceite que serán requeridos. Para referirnos a ventajas medioambientales y mejora de la calidad de las emisiones, éstas se darán básicamente en aquellos casos que se utilicen biodiesel puro (Biodiesel B100) o incluso hasta en mezclas de Diesel B20 (20% de biodiesel y 80% de diesel). 2.7 Biodiesel en el Mundo Según el F.O. Lich s World Ethanol & Biofuels Report, la producción de biodiesel en el mundo en el 2005 habría superado los 3 mil 500 millones de litros, siendo Alemania el principal productor con 1920 millones de litros, seguido de Francia (511 millones), estados Unidos (290 millones), Italia (227 millones) y Austria (83 millones). La producción de biodiesel ha tenido un crecimiento espectacular en los últimos años (Figura 2.6). Entre el 2000 y el 2005, ésta se ha cuadruplicado, mientras que la producción de bioetanol sólo creció al doble y la de petróleo sólo creció un 7%. Sin embargo, aún se está lejos de los niveles de producción mundial de biodiesel, que ya superó los 35 mil millones de litros por año. Figura 2.6. Producción Mundial de Biodiesel (1991 a 2005)

41 32 Tabla 2.6. Principales productores de biodiesel en el mundo.

42 33 CAPITULO III DISEÑO MECANICO DEL RECIPIENTE 3.1 Definiciones a) Recipiente a Presión: Se considera como un recipiente a presión cualquier vasija cerrada que sea capaz de almacenar un fluido a presión atmosférica, ya sea presión interna o vació, independiente de su forma y dimensiones. b) Reactor Químico (Tanque Reactor): Este es quizá el tipo de reactor de empleo más común en la industria química. En la mayoría de los casos, está equipado con algún medio de agitación, así como elementos para la transferencia de calor. c) Diseño del cuerpo cilíndrico: Se utilizará el código ASME Sección VIII División 1, el cual se hallarán el espesor de acuerdo a la Parte de la Norma UG- 27. d) Cabezal Toriesférico (Tipo Klopper): Se utilizará el código ASME Sección VIII División 1, el cual se hallarán el espesor de acuerdo a la Parte de

43 34 la Norma UG-32. Se diseñará el cabezal y el fondo de acuerdo a la presión de trabajo u operación. e) Volumen Útil (V O ): Llamado también volumen de Operación, es el mínimo volumen necesario para realizar l mezcla en el recipiente. f) Volumen Real (V D ): Llamado también volumen de Diseño, es el que consideramos en exceso teniendo en cuenta las posibles variaciones de caudal suministrado al Reactor, debido al momento de carga y descarga del fluido. g) Presión de Operación (P O ): Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal. h) Presión de Diseño (P D ): Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las partes constitutivas de los recipientes sometidos a presión. La Presión de Diseño se hallará de la siguiente forma, de acuerdo al Autor de Diseño y Cálculo de Recipientes a Presión, Ing. Juan Manuel León Estrada :

44 Consideraciones del Diseño El Recipiente a Presión se va a diseñar es un recipiente a presión de tres metros cúbicos (3 m 3 ), de capacidad nominal. En el cual se realizará el proceso de Transesterificación. La forma del recipiente tendrá un cuerpo cilíndrico, un cabezal tipo Toriesférico y un fondo tipo Toriesférico. Se ha elegido el cuerpo vertical tipo cilíndrica porque su simetría facilita una buena distribución de tensiones y nos permite un cálculo sencillo de las mismas, además de proporcionarnos una mayor polivalencia y sencillez de construcción. En el diseño de reactores se busca qué tamaño y tipo de reactor, así como qué método de operación, también el tipo de reacción, la necesidad de un catalizador, el volumen de diseño, la presión de diseño, así como el tipo de transferencia de calor, por enchaquetado o por serpentines tubulares sumergidos en el líquido Parámetros de Diseño A continuación se describirá los Parámetros de Diseño: P O = Presión de Operación (Kg/cm 2 )

45 36 T O = Temperatura de Operación (ºC) V O = Volumen Operación (m 3 ) P D = Presión de Diseño (Kg/cm 2 ) T D = Temperatura de Diseño (ºC) V D = Volumen de Diseño (m 3 ) C = Sobreespesor de corrosión (pulg. mm) E = Eficiencia de la Soldadura P H = Presión hidrostática (Kg/cm 2 ) Presión atmosférica = 1,03 Kg/cm 2 ρ aceite = Densidad del aceite reciclado = 930 Kg/m 3 ρ biodiesel = Densidad del biodiesel = 880 Kg/m 3 ρ agua = Densidad del agua = 1000 Kg/m 3 ρ metanol = 720 Kg/m 3 P e = Peso específico del agua = 1 Estos parámetros sirven para diseñar el tanque reactor.

46 Selección del Material La elección del material a utilizar en base a los siguientes factores: La temperatura de diseño. La presión de diseño. Las características corrosivas del fluido contenido en el recipiente. Los costos. La disponibilidad en el mercado de medidas estándares. Los materiales para la construcción de los Reactores para el proceso de biodiesel y debido a que disponemos de elementos corrosivos, se ha decidido utilizar Acero Inoxidable, puesto que, aunque su coste es muy superior a los aceros al carbono, es más económico al compensarse con el grosor de corrosión necesario si se utilizar acero al carbono. El material a utilizar es Acero inoxidable 304, comúnmente llamado el acero inoxidable todo propósito, tiene propiedades adecuadas para gran cantidad de aplicaciones. Se recomienda para construcciones ligeras soldadas en las que el recocido no es práctico o posible, pero que requieren buena resistencia a la corrosión. Otras propiedades del tipo 304 son su servicio satisfactorio a altas temperaturas (800º a 900ºC) y buenas propiedades mecánicas. El tipo 304 contiene bajo carbono con lo que se evita la precipitación de carburos durante periodos prolongados de alta temperatura; tiene un contenido de carbono de 0.08% máximo por lo que se le considera un

47 38 material satisfactorio apara la mayoría de las aplicaciones con soldadura. El material a utilizar en el diseño del Tanque Reactor tiene la siguiente especificación: SA Con estas características y de acuerdo a la norma ASME SECCION II PARTE D, el material que elegimos tiene las siguientes características: Tabla 3.1. Composición Nominal del Material de construcción Composición nominal Especificaciones Tipo / Grado Esfuerzo de Tracción (Kg/mm2) Esfuerzo de Fluencia (Kg/mm2) Máximo Esfuerzo Admisible de Tensión (Kg/mm2) 18 Cr - 8 Ni SA Margen por Corrosión En todo equipo se debe determinar un sobreespesor de corrosión para compensar la corrosión, erosión o abrasión mecánica que van sufriendo los equipos. La vida deseada de un recipiente es una cuestión de economía y así mismo aumentando convenientemente el espesor del material respecto al determinado por las fórmulas de diseño, o utilizando algún método adecuado de protección.

48 39 Este valor es habitualmente igual al máximo espesor corroído previsto durante diez años, y en la práctica oscila entre 1 a 6 mm incrementándose a los espesores obtenidos para resistir las cargas a las que se encuentran sometidos los recipientes. Se ha decidido utilizar un margen de corrosión de 1/8 para compensar las posibles cargas a las que se pueda encontrar el recipiente debido a la corrosión que origine el producto. Por lo tanto: C = 3 mm Eficiencia de la Soldadura La unión entre los elementos para la fabricación del reactor se realiza por medio de la soldadura, por esta razón, junto con la posibilidad de producirse defectos en la realización de la soldadura y el calentamiento y rápido enfriamiento al que se está sometida la zona más próxima a la soldadura, se tiende a considerar la zona de soldadura como debilitada. Las categorías de las juntas se muestran en la Figura 3.1. Teniendo en cuenta esto, en el cálculo de los recipientes se introduce una reducción de la tensión máxima admisible multiplicando a esta por un coeficiente denominado Eficiencia de Junta (E).

49 40 Figura 3.1. Categoría de Juntas Soldadas. De acuerdo a la norma ASME SECCION VIII División 1 (UW-12) el valor de la Eficiencia es: E = 0,85 (Cuando los requerimientos de radiografiado spot no son cumplidos o cuando las juntas categoría A o B que conectan sin costura son tipo 3, 4, 5 ó 6). E = 1,00 (Cuando las juntas B y C cumplen los requerimientos de radiografiado spot ). Los valores de E se muestran en el Anexo 7. E Descripción 0,85 Cuerpo cilíndrico 1,00 Cabezal Toriesférico 1,00 Fondo Toriesférico

50 Condición de operación del Recipiente A continuación detallaremos las presiones de diseño y volumen de diseño. El valor de Volumen de Diseño es: V D = 3 m 3 El valor de Volumen de Operación se tomará el 75% del volumen total del reactor, por lo tanto este valor es: V O = 0.75 x VD = 0.75 x 3.0 = 2.25 m 3 V O = 2,25 m 3 La Presión de Operación para el procesamiento de biodiesel en el Reactor es de 14,7 Lb (Presión Atmosférica = 1,03 Kg/cm 2 ). Para ello utilizaremos: La presión interna de diseño variará de acuerdo con la altura de la columna del producto. Para calcular el espesor del cuerpo, debemos considerar que la presión será diferente a diferentes alturas. Para hallar P H debemos tener en cuenta que las presiones hidrostáticas generadas por las diferentes alturas de las columnas del producto,

51 42 debemos considerar que una columna de agua de un pie de altura produce una presión de 0,0305 Kg/cm 2. Con lo dicho anteriormente tenemos que: Como la densidad del aceite y del biodiesel son menores que el del agua, y el peso específico del agua es menor que el peso específico del producto, se tomará como valor: P e = 1 Luego: Para H 1 = 50 cm; P H1 = 0,050 Kg/cm 2 Para H 2 = 100 cm; P H2 = 0,100 Kg/cm 2 Para H 3 = 150 cm; P H3 = 0,150 Kg/cm 2 Para H 4 = 200 cm; P H4 = 0,200 Kg/cm 2 Para H 5 = 250 cm; P H5 = 0,250 Kg/cm 2 Para H 6 = 288 cm; P H6 = 0,288 Kg/cm 2