UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE DE FRITURA RECICLADO FUNCIÓN DEL TRABAJO PROFESIONAL INFORME REALIZADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO AUTOR: BR. TERÁN SALDAÑA, Frank Arturo ASESOR: Ms. Ing. JOSÉ LUIS SILVA VILLANUEVA TRUJILLO PERÚ 2011 i

2 PRESENTACIÓN SEÑORES CATEDRÁTICOS MIEMBROS DEL JURADO: De conformidad con lo dispuesto en el reglamento de Grados y Títulos de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo, me es honroso presentar a consideración de vuestro elevado criterio el trabajo Titulado: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE DE FRITURA RECICLADO, que sustentaré como Tesis para obtener el Título de Ingeniero Químico, si vuestro dictamen me favorece. Br. Frank Teran Saldaña Trujillo, Agosto del 2011 i

3 JURADO DICTAMINADOR Presidente Asesor Miembro ii

4 DEDICATORIA Le agradezco con todo mi amor a mis padres, quienes me han enseñado con su ejemplo a rebasar toda barrera que la vida me ha dado ya que ellos fueron los que me dieron ese calor y cariño necesario, para formarme como un ser integral y útil a la sociedad. (Frank) iii

5 AGRADECIMIENTO Expreso mi agradecimiento a la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo por permitir desarrollarnos profesionalmente. A mi asesor Ms. Ing. José Luis Silva Villanueva, por su apoyo desinteresado en el desarrollo de ésta Tesis. iv

6 RESUMEN Capítulo I, Se realiza el estudio de mercado de Biodiesel, con la finalidad de estimar la oferta y demanda del producto, así como también justificar la posibilidad de instalar una planta química para tal fin. El presente estudio se realizó en base a datos estadísticos relacionados con el consumo de Biodiesel, teniendo básicamente en cuenta el Reglamento de la Ley de Promoción del Mercado de Biocombustibles, ya que por ser un producto relativamente nuevo en el mercado tiene poca data histórica referente al consumo. Capítulo II, Se aborda la selección del diseño de proceso, y tiene por finalidad escoger un tipo de proceso de manufactura de entre los existentes, que sea la más conveniente y adaptable a nuestra realidad. Para ello se analizan los diferentes procesos haciendo resaltar sus principales características para cada uno de estos. Dichos procesos serán sometidos a un análisis del tipo técnico-económico a fin de seleccionar el más adecuado Capítulo III, Tiene como finalidad determinar la elección del lugar más adecuado para la instalación de la planta, para ello se hace uso de la técnica denominada factores de balanceo, que consiste en asignar valores numéricos a los diferentes factores tanto primarios como secundarios. Capítulo IV, Comprende el diseño de los principales equipos, tales como tanques, bombas y reactores, para se hará uso de la hoja de cálculo en EXCEL. Capitulo V, Este capítulo está referido a la parte de la instrumentación y control automático, aquí se define el tipo de control a utilizar y se ilustran tanto los lazos de control utilizados. Capítulo VI, El presente capitulo trata sobre los auxiliares de proceso, tales como el abastecimiento de agua, vapor de agua, combustible y electricidad; se incluye también las facilidades de almacenamiento, seguridad, edificios y laboratorio. v

7 Capítulo VII, Referido a la distribución de la planta y básicamente define el arreglo espacial de todas las unidades de operación, para ello se elaboraron el plano unitario y maestro. Capítulo VIII, Este capítulo se realiza un estudio económico, a fin de determinar la rentabilidad del proyecto. Capitulo IX, En este capítulo se presentan las conclusiones del estudio. Capitulo X, Muestra las referencias bibliográficas. Capitulo XI, En el se presenta el apéndice, donde se desarrollan a detalle los capítulos 2 y 4. vi

8 ABSTRACT Chapter I, the Biodiesel market study is done, in order to estimate the supply and demand for the product, as well as justify the possibility of installing a chemical plant for this purpose. This study was based on statistical data related to the consumption of Biodiesel, taking basically into account the Regulation of the Law for the Promotion of Biofuels Market, as being a relatively new product on the market has little data historical reference to consumption. Chapter II, the design selection process is discussed, and aims to choose a type of manufacturing process among existing, which is the most convenient and adaptable to our reality. For this purpose different processes are analyzed highlighting its main features for each of these. These processes will be subjected to an analysis of the technical and economic type to select the most appropriate Chapter III, aims to determine the choice of the most suitable place for installing the plant, for this use of the technique known as balancing factors, which consists of assigning numerical values to different factors both primary and secondary done. Chapter IV, includes the design of major equipment, such as tanks, pumps and reactors for use will be made of the spreadsheet in Excel. Chapter V, this chapter refers to the part of the instrumentation and automatic control, here it defined the type of control to use and illustrate both control loops used. Chapter VI, This chapter deals with processing aids such as water, steam, fuel and electricity; also it includes storage facilities, security, and laboratory buildings. Chapter VII, based on the distribution of plant and basically defines the spatial arrangement of all operating units, for which the unit and master plan were developed. Chapter VIII, this chapter an economic study is carried out to determine the profitability of the project. Chapter IX, In this chapter the conclusions of the study are presented. vii

9 Chapter X, shows the bibliographical references. Chapter XI, in the appendix, where they develop in detail Chapters 2 and 4 is presented. viii

10 ÍNDICE PRESENTACIÓN..i JURADO DICTAMINADOR...ii DEDICATORIA...iii AGRADECIMIENTO.. iv RESUMEN.v ÍNDICE.... vii ESTUDIO DE MERCADO CAPÍTULO I 1.1. Antecedentes Históricos del Biodiesel El Biodiesel Definición Ventajas en Seguridad y Transporte Ventajas Medioambientales Desventajas del Biodiesel como Combustible Usos del Biodiesel como Combustible Productos Obtenidos a partir del Biodiesel Materias Primas Análisis de la Demanda y Oferta en el Mercado Interno Demanda Actual en el Mercado Interno Oferta Actual en el Mercado Interno Análisis de la Demanda y Oferta en el Mercado Externo ix

11 1.5.1 Demanda Actual en el Mercado Externo Oferta Actual en el Mercado Externo Estimación del Precio de Venta Tamaño y Ubicación de los Consumidores...11 CAPÍTULO II SELECCIÓN Y DISEÑO DEL PROCESO 2.1. Materias Primas Empleadas Alcoholes Catalizadores Catalizadores Enzimáticos Catalizadores Heterogéneos Catalizadores Homogéneos Catalizadores Ácidos Catalizadores Básicos Obtención de Biodiesel Variables que Influyen en le Reacción de Transesterificación Pureza y Calidad de los Reactivos Relación Molar Alcohol/Aceite Tipo de Alcohol Tipo y Cantidad de Catalizador Temperatura y Tiempo de Reacción Agitación Procesos para la Obtención de Biodiesel Etapas del Proceso de Obtención de Biodiesel...23 x

12 2.6. Características y Calidad del Biodiesel Descripción del Proceso Balance de Materia y Energía Balance de Materiales Balance de Energía CAPÍTULO III UBICACIÓN DE LA PLANTA Factores primarios Suministro de Materia Prima Mercado Energía eléctrica Suministro de agua Mano de obra Leyes regulatorias Factores secundarios Transporte Clima Factores comunitarios Evaluación por el método de factores de balanceo. 30 CAPÍTULO IV DISEÑO DEL EQUIPO DE PROCESO...32 xi

13 CAPÍTULO V INSTRUMENTACION Y CONTROL DEL PROCESO Control del nivel en el mezclador Control del Nivel en el Tanque Homogenizador Control de Temperatura en el Reactor CAPÍTULO VI AUXILIARES DE PROCESO Suministro de agua Agua de enfriamiento Agua contra Incendios Agua para usos Sanitarios y de Limpieza Energía Eléctrica Almacenamiento Seguridad Laboratorio y Edificios Taller de Mantenimiento CAPÍTULO VII DISTRIBUCION DE LA PLANTA Distribución de la planta xii

14 7.2. Cimientos Estructuras Tuberías CAPÍTULO VIII EVALUACION ECONOMICA Determinación de La Inversión Equipo de Proceso Tanques Bombas Costo de la Centrífuga Costo del Secador Bienes Inmuebles Terreno Cimientos y Estructuras Edificios Auxiliares de proceso Instrumentación Parte eléctrica Tubería y accesorios Resumen de la inversión Resumen para el costo de equipos Resumen para el costo de los bienes xiii

15 8.3. Costos de operación Mano de obra Operarios Ingenieros Superintendente Gerente Materia prima Flujo de caja económico Rentabilidad CAPÍTULO IX CONCLUSIONES CAPÍTULO X REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPÍTULO XI APÉNDICE. 56 xiv

16 ÍNDICE DE TABLAS, FIGURAS Y GRÁFICAS TABLAS: Capítulo I: Capítulo II: Capítulo III: Capítulo V: Capítulo VIII: 1.1. Principales Materias Primas para la Producción de Biodiesel Cantidad de Biodiesel que se requieren en el Perú por Año Cantidad de Biodiesel por Años que se requerirán a Nivel Mundial Oferta Mundial de Biodiesel por Año Propiedades del Biodiesel según ASTM D Energía Eléctrica requerida en Bombas Elección de la ubicación de la planta por el método de factores de balanceo Control de Temperatura en el Reactor Costo total de tanques Costo total de bombas Costo total de centrifuga Resumen del costo total para los equipos Resumen del costo total para los bienes Remuneración del personal xv

17 8.7. Flujo de caja económico Capítulo XI: Resumen del Balance en Mezclador M Resumen del Balance en el Reactor R Resumen del Balance en la Centrífuga C Resumen del Balance en el Secador S Aspereza de Superficie Diámetro y Área en Función al Calibre Coeficiente para Pérdida por Contracción Repentina Coeficiente para Pérdida por Ensanchamiento Repentino Coeficiente de Fricción debido a Accesorios. 75 FIGURAS: CAPITULO II Proceso de Producción de Biodiesel CAPITULO XI Plantilla para Diseño de Bombas Plantilla para Diseño de Tanques. 77 GRAFICAS: CAPITULO I Oferta y Demanda Mundial de Biodiesel por Año Costos Internacionales del Biodiesel.. 11 xvi

18 1.1 Antecedentes Históricos del Biodiesel. CAPÍTULO I ESTUDIO DEL MERCADO La idea de usar aceites vegetales como combustible para los motores decombustión interna partió del propio Rudolf Diesel cuando desarrollaba su motor hacia finales del siglo XIX. En la presentación del motor diésel en la Exposición Mundial de París, en 1900, el Ing. Diesel usaría aceite de maní como combustible, o, mejor dicho, como biocombustible. De hecho, Diesel, que prefería considerarse más como un filósofo social, señalaba que su motor, al funcionar con aceites vegetales, podía impulsar el desarrollo de la agricultura que así lo usen, y añadía que, con el transcurso del tiempo, el uso de los aceites vegetales como combustibles podían ser tan importantes como los derivados del petróleo. Las predicciones de Diesel tomarían su tiempo para empezar a tomar cuerpo y, en este lapso de, más o menos un siglo, los motores diésel evolucionarían y se perfeccionarían utilizando fundamentalmente destilados medios de petróleo con mucha menor viscosidad que los aceites vegetales. La principal razón por la que actualmente no podríamos usar aceites vegetales directamente en los motores es, precisamente, su mayor viscosidad. La química proporciona una solución para disminuir esta viscosidad: la transesterificación. Este proceso fue desarrollado por los científicos E. Duffy y J. Patrick a mediados del siglo XIX, casi cuarenta años antes que Diesel desarrollara su motor de combustión interna. Los aceites vegetales (y también las grasas animales) están constituidos pormoléculas (ésteres) de ácidos grasos y glicerol. A éste último, los aceites y grasas le deben su elevada viscosidad. La transesterificación, en sencillo, consiste en reemplazar el glicerol (alcohol trivalente) por un alcohol monovalente ( más ligero ) usualmente metanol o etanol, formando moléculas más pequeñas (ésteres monoalquílicos, comúnmente denominado biodiésel), con una viscosidad similar a la del combustible diesel derivado del petróleo. Asimismo, se produce glicerina, sustancia que tiene numerosos usos en diversas industrias. 1

19 El resurgimiento de la idea de Diesel, de emplear aceites vegetales en sus motores,empieza a cobrar fuerza nuevamente hacia finales del siglo pasado, esta vez, bajo la forma de biodiesel, e impulsado, principalmente, por preocupaciones medioambientales relacionadas con el cambio climático y la necesidad de encontrar alternativas al uso de combustibles fósiles. Sin embargo, hasta hace pocos años, era posible identificar otras motivaciones, aparte de las ecológicas, para impulsar su uso en diferentes regiones; por ejemplo, los excedentes de la producción de soya en los Estados Unidos, o los excedentes de la producción agraria en Europa que llevaba a su Política Agrícola Común (PAC) a establecer la retirada de tierras para no afectar los precios de los productos agrícolas. En ambos casos, la producción de biodiésel, sea a partir de soya en los Estados Unidos, o de otros cultivos energéticos como la colza o el girasol en Europa, aparecía como excelente alternativa a estas situaciones específicas, a la vez que contribuiría con la mitigación del cambio climático, pero requiriendo, eso sí, de importantes subsidios o exenciones tributarias para asegurar su viabilidad, ya que los precios de los aceites vegetales eran substancialmente mayores que los del diésel. Es, sin embargo, con la espectacular subida de los precios del petróleo a partir delaño 2004, que los precios de los aceites vegetales y las grasas animales se empiezan a equiparar con los del diesel y generan este reciente boom de los biocombustibles líquidos a nivel mundial, que incluye también al bioetanol, que es básicamente etanol o alcohol etílico, que puede utilizarse como complemento o sustituto de la gasolina. Y aquí valdría la precisión, a manera de resumen, que, cuando hablamos de biodiesel, básicamente nos referimos a un complemento o sustito del diesel, pero producido a partir de aceites vegetales o grasas animales.(coello, J., Castro, P., 2008) El objetivo del presente trabajo es demostrar la factibilidad técnica y económica del proyecto. 2

20 1.2 El Biodiesel Definición: El biodiesel es un combustible renovable derivado de aceites vegetales o grasas animales que puede ser utilizado como sustituto o aditivo del diesel convencional. La Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM) define al biodiesel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de insumos grasos renovables, como los aceites vegetales o grasas animales. El término bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diésel tradicional derivado del petróleo; de otro lado, diesel alude a su uso en motores de este tipo.(mittelbach, M. 1996) Ventajas en Seguridad y Transporte: El transporte del biodiesel es más seguro debido a que es biodegradable. En caso de derrame de este combustible en aguas de ríos y mares, la contaminación es menor que los combustibles fósiles. No es una mercancía peligrosa ya que su punto de inflamación está por encima de 110º y su almacenamiento y manipulación son seguras. Por su composición vegetal, es inocuo con el medio, es neutro con el efecto invernadero, y es totalmente compatible para ser usado en cualquier motor diesel, sea cual sea su antigüedad y estado. 3

21 1.2.3 Ventajas Medioambientales: Se trata de un combustible 100% vegetal y 100% biodegradable, es una energía renovable e inagotable, no genera residuos tóxicos ni peligrosos. Cumple con el protocolo de Kyoto, ya que reduce en un alto porcentaje la contaminación atmosférica. Las emisiones de CO2 son entre un 20 y un 80% menos que las producidas por los combustibles derivados del petróleo tanto en el ciclo biológico en su producción como en el uso. Asimismo, se reducen las emisiones de dióxido de azufre en casi el 100%. La combustión de Biodiesel disminuye en 90% la cantidad de hidrocarburos totales no quemados, y entre 75-90% en los hidrocarburos aromáticos. No contiene ni benceno, ni otras sustancias aromáticas cancerígenas (Hidrocarburos aromáticos policíclicos).el Biodiesel, como combustible vegetal no contiene ninguna sustancia nociva, ni perjudicial para la salud, a diferencia de los hidrocarburos, que tienen componentes aromáticos y bencenos (cancerígenos). La no-emisión de estas sustancias contaminantes disminuye el riesgo de enfermedades respiratorias y alergias ( 4

22 1.2.4 Desventajas del Biodiesel como Combustible: La potencia del motor disminuye porque el poder calorífico inferior (P.C.I.) del biodiesel es menor. Debido a que el biodiesel tiene una viscosidad mayor que el diesel pueden existir problemas de pérdidas de flujo a través de los filtros e inyectores. El aceite de motor (lubricante) puede degradarse mucho más rápido si el combustible utilizado es biodiesel en vez de diesel. El biodiesel tiende a disolverse más fácilmente en el lubricante que el diesel. El biodiesel es una alternativa tecnológica factible al diesel, pero actualmente el costo es veces más costoso que el diesel en países desarrollados. La competitividad del biodiesel depende de las políticas que hagan los gobiernos, tales como subsidios y exención de impuestos, porque sin estas ayudas no es factible económicamente.(avellaneda, F., 2010) Usos del Biodiesel como Combustible: El biodiesel posee las mismas propiedades del combustible diesel empleado como combustible para automóviles, camiones, ómnibus y puede ser mezclado en cualquier proporción con el diesel obtenido de la refinación del petróleo. No es necesario efectuar ninguna modificación en los motores para poder emplear este combustible. Importantes fabricantes de vehículos europeos efectuaron pruebas con resultados satisfactorios en automóviles, camiones y ómnibus. 5

23 El biodiesel, desde el punto de vista de la inflamabilidad y toxicidad, es más seguro que el gas-oil proveniente del petróleo, biodegradable. (Larosa, R., 2001) Productos Obtenidos a partir del Biodiesel: no es peligroso para el ambiente y es El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente del refino del petróleo en diferentes cantidades. Se utilizan notaciones abreviadas según el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla: B100 en caso de utilizar sólo biodiésel, u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50, donde la numeración indica el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla. ( 1.3 Materias Primas: Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiesel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca,...). A continuación (tabla 1), se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiesel Tabla 1.1. Principales materias primas para la producción de biodiesel. Aceites Vegetales Convencionales Aceites Vegetales Alternativos Otras Fuentes Girasol Brassicacarinata A. Veg. Modificados Genéticamente Colza Cynaracurdunculus Grasas Animales Coco Camelina sativa A. de Fritura Usados Soja Crambeabyssinica Lípidos Similares a A. Palma Pogianus Vegetales Fuente: Elaboración Propia Aceites Vegetales Convencionales: Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de biodiesel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). 6

24 Aceites Vegetales Alternativos: Son las especies más adaptadas a las condiciones del país donde se desarrollan y mejor posicionadas en el ámbito de los cultivos energéticos. Aceites Vegetales Modificados Genéticamente: Aceites con proporciones altas de ácidos grasos insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la operatividad del biodiesel a bajas temperaturas, pero disminuyen su estabilidad a la oxidación, que se traduce en un índice de yodo elevado. Por este motivo, se pueden tener en consideración, como materias primas para producir biodiesel, los aceites con elevado contenido en insaturaciones, que han sido modificados genéticamente para reducir esta proporción, como el aceite de girasol de alto oleico. Grasas Animales: Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificación para obtener biodiesel. Aceites de Fritura Usados: El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más barata, y con su utilización se evitan los costes de tratamiento como residuo. Por su parte, los aceites usados presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como biocombustible. Además, como valor añadido, la utilización de aceites de fritura usados significa la buena gestión y uso del residuo ya que este aceite de fritura usado genera grandes problemas a la hora de la depuración del agua de desecho. Lípidos Similares a Aceites Vegetales: Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, así como a partir de microalgas. ( 7

25 1.4 Análisis de la Demanda y Oferta en el Mercado Interno Demanda actual en el mercado interno. La demanda interna por biodiesel está dada por los requerimiento que establece el marco legal: un porcentaje de mezcla con el diesel de 2%, voluntario desde el 2007 y obligatorio desde el 2009, y de 5% obligatorio desde el De acuerdo a la ley Ley de Promoción del Mercado de Biocombustibles. (Castro, P., Sevilla, S., et. al, 2008). En el Tabla 2 se muestra las cantidades de biodiesel (en miles de barriles por día) que se requerirán en el Perú en los siguientes años: Tabla 1.2. Cantidad de Biodiesel que se requieren en el Perú por Año. Biodiesel Año (MBD) , , , , , , , , , ,3 Fuente: Petroperú, B2 B5 Atendiendo al cuadro anterior, se tiene que este 2010 se tendrá una demanda de 85.4 millones de litros lo que equivale a L/d, pero teniendo en cuenta que actualmente la producción de biodiesel a nivel industrial no está muy desarrollada, se fija la capacidad nominal en 10Tn/día. 8

26 1.4.2 Oferta actual en el mercado interno. Específicamente, el Perú es un país deficitario en diesel y exportador de gasolinas. No se reportan cifras significativas de producción de biodiésel en el país, aunque algunas empresas productoras de aceite de palma han instalado algunas plantas piloto para producirlo a partir del aceite de palma (IICA 2010). 1.5 Análisis de la Demanda y Oferta en el Mercado Externo Demanda actual en el mercado externo. Tabla 1.3. Cantidad de Biodiesel (en millones de galones) por Años que se requerirán a Nivel Mundial. Año UE (Mill. gal.) EUA (Mill. gal.) Brasil (Mill. gal.) Asia (Mill. gal.) Total UE + ASIA Fuente: USDA. La demanda mundial de combustible destilado intermedio, principalmente diesel, crecerá más rápido que cualquier otro producto refinado de petróleo hacia el 2030, según la OPEP en su Perspectiva Petrolera Mundial Según datos del 2009 el aumento del crecimiento del consumo de diesel está subiendo rápidamente, y seguirá esta tendencia porque las personas prefieren más el uso de carros a base de diesel que los de gasolina. En el 2008 la diferencia del uso de diesel a gasolina era de 3 millones de barriles por día. Siendo Diesel el combustible más usado. A nivel global, la cantidad de autos está cambiando a diesel desde gasolina y el aumento del crecimiento de la demanda de destilados intermedios abarcará cerca de 60% de un incremento previsto de 20 millones de barriles por día (bpd) de la demanda mundial de petróleo en el 2030, dijo la OPEP(Reuters, 2009). 9

27 1.5.2 Oferta actual en el mercado externo. Tabla 1.4. Oferta Mundial de Biodiesel (en millones de galones) por Año. Año UE (Mill. gal.) EUA (Mill. gal.) Brasil (Mill. gal.) Asia (Mill. gal.) Total UE + ASIA ,8 1703, ,8 2149, ,2 552,8 2482, ,4 802,8 2760, , Fuente: FAPRI. A nivel mundial la Unión Europea y Estados Unidos aparecen como los principales productores de biodiesel, seguidos por Asia y Brasil. Además, se puede apreciar que la producción mundial de biodiesel está aumentando cada año al igual que la demanda. Gráfico 1.1. Oferta y Demanda Mundial de Biodiesel por Año. Fuente: Elaboración Propia. En el gráfico 1.1 se puede ver que la demanda supera a la oferta en los paises de la Unión Europea y en Asia, generándose un nicho de mercado externo a tener en cuenta. 10

28 1.6 Estimación del precio de venta. Gráfico 1.2. Costos internacionales del Biodiesel. Fuente: OECD y Reuters. El precio de venta del biodiesel debe ser no mayor al precio internacional, es decir, sería 0.79 dólares/t; esto debido a que el Perú es un país importador de Biodiesel. 1.7 Tamaño y Ubicación de los Consumidores. Básicamente el biodiesel producido será para satisfacer el mercado peruano, debido a su gran demanda por el aumento nacional del parque automotor. 11

29 CAPÍTULO II SELECCIÓN Y DISEÑO DEL PROCESO 2.1 MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS: Alcoholes. Los alcoholes empleados en el proceso de transesterificación de aceites vegetales son primarios y secundarios con cadena de 1-8 carbones. Entre los alcoholes que pueden ser empleados en este proceso se encuentran: Metanol, etanol, propanol, butanol y amilalcohol, de los cuales el metanol y etanol son los más utilizados. El metanol y etanol no son miscibles en los triglicéridos a temperatura ambiente y es necesario realizar una agitación mecánica para favorecer la transferencia de masa, sin embargo en el transcurso de la reacción se da la formación de emulsiones, las cuales, en el caso de la metanólisis, son fácil y rápidamente disueltas, formando una capa inferior rica en glicerol y una superior rica en ésteres metílicos. En el caso de la etanólisis, estas emulsiones son más estables convirtiendo el proceso de separación y purificación de ésteres etílicos en algo más complejo (Meher et al., 2004). Cuando se emplean alcoholes como el etanol es más complicada la recuperación del alcohol puro dentro del mismo proceso, debido al azeótropo que forma con el agua (Gerpen, 2004). Una de las desventajas del metanol es su origen, ya que se obtiene a partir del gas natural, el cual es de origen fósil. Este último aspecto no contribuiría a los aspectos ambientales y de sostenibilidad, pues el biodiesel no sería del todo bio, por tener un componente fósil aportado por el alcohol (Benjumea, 2006) Catalizadores. Los catalizadores empleados en el proceso de producción de biodiesel pueden ser homogéneos, heterogéneos y enzimáticos. Los catalizadores homogéneos son solubles en el medio de reacción, es decir se encuentran en una sola fase, sea líquida o gaseosa; por el contrario con la catálisis heterogénea, existen dos fases y una superficie de contacto (Aracil, 2003). 12

30 Los catalizadores homogéneos pueden ser ácidos o bases. Dentro de los más utilizados se encuentran los siguientes ácidos y bases fuertes: Bases: Hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), metóxido de sodio (CH3ONa) y metóxido de potasio (CH3OK). Ácidos: Acido sulfúrico (H2SO4), ácido sulfónico (HSO3), ácido fosfórico (H3PO4). Los catalizadores heterogéneos más comunes son: Resinas de intercambio aniónico, resinas de intercambio catiónico, óxidos metálicos (MgO, CaO), zeolitas, ácidos de Lewis (SnCl), catalizadores de titanio y catalizadores de zirconio. Los catalizadores enzimáticos más utilizados son las lipasas, una de las más conocidas en el proceso de transesterificación es la Candida Antarctica (Novozym 435) (Aracil, 2003). A continuación se presentan las características, ventajas y desventajas de los diferentes tipos de catalizador que pueden ser utilizados en el proceso de obtención de biodiesel Catalizadores enzimáticos. Se pueden utilizar lipasas intracelulares y extracelulares, ambas son catalizadores efectivos en las reacciones de transesterificación ya sea en medio acuoso o no. Empleando lipasa como catalizador es más fácil de recuperar la glicerina que cuando se utilizan ácidos y bases, sin la necesidad de utilizar procesos complejos; además el contenido de ácidos grasos libres en aceite no son problema ya que son convertidos completamente a metiléster. Otra ventaja significativa es que la conversión alcanzada es similar a la que se obtiene con procesos catalizados por ácidos o bases. Los valores de conversión utilizando lipasas como catalizador varían entre 61% y 100% dependiendo del alcohol y aceite utilizado. El problema de este tipo de catalizador es que los costos son demasiado elevados (Fukuda, 2001). 13

31 Catalizadores heterogéneos. La utilización de este tipo de catalizadores simplifica y hace más económico el proceso de purificación, por la fácil separación de los productos y reactivos, además se eliminan los problemas de corrosión y tratamiento de desechos líquidos (Kim et al, 2004). Las desventajas que presentan los catalizadores heterogéneos es el difícil control de la temperatura para reacciones muy exotérmicas, limitaciones de transferencia de masa de reactantes y productos, además de los requerimientos de altas resistencias mecánicas para el catalizador. Los catalizadores heterogéneos en ocasiones deben ser preparados y en este proceso se debe tener mucho cuidado asegurando que los componentes de este tipo de catalizador, tales como: Especies activas, promotores físicos y químicos, cumplan con sus características (Barrera, 2006) Catalizadores homogéneos. Esta clase de catalizadores tiene mayor uso a nivel industrial, debido a su bajo costo. Entre las ventajas de realizar una catálisis homogénea se encuentra. Velocidad de reacción elevada, condiciones moderadas de presión y temperatura y utilización de casi todas las moléculas del catalizador en la reacción. En cuanto al rendimiento alcanzado puede llegar hasta un 98% dependiendo de qué aceite o grasa se emplee (Aracil, 2003). En estudios realizados acerca de la transesterificación del aceite de girasol con metanol, utilizando hidróxido de potasio como catalizador se alcanzaron rendimientos mayores al 96% (Antolín, 2002). El proceso llevado a cabo con catalizadores homogéneos presenta ciertos problemas o desventajas como son la formación de jabones por la saponificación de ácidos grasos, necesidad de purificación y remoción de los productos de la reacción y problemas de corrosión cuando se utilizan catalizadores ácidos (Aracil, 2003). 14

32 Catalizadores ácidos. Las reacciones catalizadas con ácidos dan como resultados rendimientos altos, pero tiene algunas desventajas y es que son lentas, requieren temperaturas por encima de los 100 0C y más de tres horas para conseguir una conversión completa (Schurchard, 1997). En el estudio realizado sobre la metanólisis del aceite de soya, en presencia de 1% de H2SO4, relación molar alcohol/aceite 30:1 y temperatura de 60 0C, se observó que la conversión completa se consiguió en 20 horas; realizando butanólisis a 117 0C y etanólisis a 78 0C; usando la misma cantidad de alcohol y catalizador, la conversión se completó a la 3 y 18 horas respectivamente (Meher et al., 2004). El exceso de alcohol mejora la conversión de la reacción de transesterificación en general, pero cuando se emplean catalizadores ácidos, este exceso hace que la recuperación de la glicerina sea más difícil, ya que las cantidades de alcohol empleado son bastante grandes comparadas con otro tipo de catalizador (Relaciones de 30:1). En general el catalizador ácido más empleado es ácido sulfúrico, un 1% de H2SO4 con relación a la cantidad de aceite, es buena cantidad para obtener una conversión de 99% con un tiempo de alrededor de 50 horas (Marchetti, 2005). Una de las desventajas es que pueden esterificar los ácidos grasos libres presentes en el aceite; por esta razón se aconseja, utilizar catalizadores ácidos cuando el aceite tiene alto contenido de ácidos grasos libres (Journey to Forever, 2005) Catalizadores básicos. Cuando se emplean catalizadores básicos, las reacciones son más rápidas que cuando se emplean catalizadores ácidos, el tiempo de reacción oscila entre una 15

33 hora y una hora y media alcanzando rendimientos altos (98%) y con temperaturas menores a 100 0C (Meher et al., 2004). Los catalizadores básicos son los más utilizados a nivel industrial, dado que las reacciones son más rápidas y además son menos corrosivos que los compuestos ácidos (Fangrui y Hanna, 1999). La desventaja de estos catalizadores básicos es la formación de jabón, cuando el aceite contiene alta cantidad de ácidos grasos libres y agua, por lo que se debe agregar la cantidad adecuada de base para neutralizar los ácidos grasos libres, ya que el exceso o falta de catalizador ocasiona la formación de jabones (Fukuda, 2001). Cuando el porcentaje de ácidos grasos es 5%, la reacción puede ser catalizada por una base, pero se debe agregar una cantidad adicional de catalizador para su neutralización; cuando los niveles de ácidos grasos libres ya están por encima del 5% se presentan inconvenientes en las reacciones catalizadas con bases, ya que la formación de jabón inhibe la separación de los metilésteres de la glicerina y durante el lavado del biodiesel se presenta formación de emulsiones. Para estos casos donde el nivel de ácidos grasos libres es superior a 5% se debe utilizar catalizadores ácidos (Gerpen, 2004). Las bases más empleadas a nivel industrial en procesos de obtención de biodiesel son el hidróxido de sodio, hidróxido de potasio y el metóxido de sodio. El metóxido de sodio es un poco más costoso que los hidróxidos, pero es más activo y se consiguen rendimientos altos (>98%) con tiempos de reacción menores (30 min.), aún si se emplea en bajas concentraciones (0,5%), el problema con estos catalizadores es que requieren la ausencia total de agua, lo cual lo hacen inapropiados para procesos industriales típicos. Los hidróxidos de sodio y potasio son más baratos pero menos activos, sin embargo son una buena alternativa, ya que se pueden conseguir conversiones similares a la de los metóxidos, incrementando su concentración a 1 o 2% (Schurchard, 1997). El NaOH es más fuerte que el KOH, por lo general se emplean cantidades similares, pero siempre más el KOH. El KOH es más fácil de utilizar y puede 16

34 proporcionar fertilizantes de potasio como subproducto, si al final se nutraliza el producto con ácido fosfórico (Darnoko et al., 2000). El problema de NaOH es que en ocasiones forma una masa pastosa, dificultando la separación de los productos. En cuanto al KOH éste se disuelve mejor en el metanol (JourneytoForever, 2006). En la figura se presentan las diferencias entre los dos catalizadores (NaOH y KOH), en cuanto su influencia en la reacción de transesterificación. 2.2 OBTENCIÓN DE BIODIESEL La vía para la obtención de biodiesel es la transesterificación de aceites y grasas con un alcohol de bajo peso molecular, en presencia de un catalizador adecuado (Crespo, G., Martinez, M., et. al 2001). El proceso de transesterificación, también se conoce como alcohólisis, cuando se emplea metanol por ejemplo se llama metanólisis. La reacción de transesterificación consiste en el desplazamiento de un alcohol de un éster Por otro, es un proceso similar a la hidrólisis, excepto que el alcohol es usado en vez de agua. Este proceso se utiliza para reducir la alta viscosidad de los triglicéridos. (Meher, L., Vidya, D.et al., 2006). Ester Alcohol Ester Alcohol La reacción de transesterificación es reversible y se emplea un exceso de alcohol para desplazar el equilibrio hacia la formación de ésteres. Químicamente, el mecanismo de transesterificación consiste en tres reacciones consecutivas reversibles, el triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerol. Triglicéridos + R1OH Diglicéridos + R1OH Monoglicéridos + R1OH Diglicéridos + RCOOR1 Monoglicéridos + RCOOR1 Glicerol + RCOOR1 17

35 A continuación se presenta la reacción de metanólisis de los triglicéridos y la reacción de neutralización de ácidos grasos libres: CH2 OCOR1 CH2OH R1COOCH3 CH OCOR2 + 3CH3OH CHOH + R2COOCH3 CH2 OCOR3 CH2OH R3COOCH3 Triglicérido Metanol glicerol metiléster 2.3 VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN Las variables de mayor influencia son la pureza y calidad de reactivos, la relación molar alcohol/aceite, el tipo de alcohol, tipo y cantidad de catalizador, además de la temperatura, el tiempo de reacción y la agitación (Meher et al., 2004) Pureza y calidad de los reactivos. Para la obtención de un producto (biodiesel) de buena calidad es necesario que el aceite empleado sea lo más refinado posible, debe estar exento de material sólido libre y en suspensión; además poseer bajo contenido de ácidos grasos, en especial cuando se emplean catalizadores homogéneos, ya que el exceso de estos ácidos se puede ver reflejado en una baja eficiencia de reacción. Adicionalmente el contenido de gomas y material insaponificable debe ser bajo (Zapata, 2003). El aceite y las otras sustancias empleadas en la reacción (catalizador y alcohol) deben ser esencialmente anhidros, ya que el agua favorece la formación de jabones por saponificación, dificultando la purificación del biodiesel (Crespo, 2001). Cuando se emplean catalizadores básicos, como el hidróxido de sodio o de potasio, no se deben dejar expuestos al aire ya que absorbe humedad y dióxido de carbono de la atmósfera, volviéndose más húmedos y carbonatados (Dabdoud, 2004). 18

36 2.3.2 Relación molar alcohol/aceite. La relación molar alcohol/aceite es una de las variables de mayor importancia y mayor influencia en el rendimiento de la reacción de transesterificación. Según la estequiometría se requieren tres moles de alcohol y una mol de triglicérido, para obtener tres moles de ésteres alquílicos de ácidos grasos y una mol de glicerol (Vicente et al., 2006), pero se debe utilizar un exceso de alcohol para desplazar el equilibrio hacia la formación de alquilésteres. La relación molar alcohol/aceite recomendada en la literatura varía desde 6:1 hasta 543:1, sin embargo, la alta relación molar dificulta la separación de la glicerina. La relación molar óptima, se debe determinar experimentalmente, ya que depende del tipo y calidad del aceite empleado como materia prima (Pashova, 2004) Tipo de alcohol. Los alcoholes más empleados para la reacción de transesterificación son el metanol y etanol; aunque suele emplearse más el metanol debido a sus ventajas químicas y a su bajo costo con respecto a los demás alcoholes. El alcohol juega un papel muy importante en la transferencia de masa, en el caso de la metanólisis por ejemplo ni el metanol es soluble en los triglicéridos, ni los ésteres metílicos en la glicerina. Sin embargo, el metanol es soluble en los ésteres metílicos y la glicerina. Por lo que durante los primeros minutos de reacción, se observa un sistema formado por dos fases, que se transforma en una fase homogénea al formarse los ésteres metílicos, pero vuelven a aparecer las dos fases, tan pronto se forman cantidades considerables de glicerina (Crespo, 2001). Es difícil comparar la formación de etilésteres con la formación de metilésteres, especialmente por la formación de emulsiones, que en el caso de la etanólisis son más estables (Meher et al., 2004). 19

37 2.3.4 Tipo y cantidad de catalizador. El uso de catalizador normalmente mejora la reacción, la proporción y el rendimiento. Si no se empleara catalizador, la temperatura de reacción debería estar por encima de 250ºC (Benjumea, 2004). La naturaleza del catalizador es primordial, pues determina los límites de composición con respecto a la materia prima. Adicionalmente, las condiciones y operaciones de separación posteriores a la reacción son determinadas por la naturaleza del catalizador usado (Lotero, 2005). Los catalizadores que se emplean comúnmente en el proceso de transesterificación son básicos tales como metóxidos e hidróxidos de sodio y potasio; aunque existen investigaciones en donde se emplean otro tipos de catalizador como MgO, CaO, ZnO, ZrO2 (Barrera, 2006). La cantidad de catalizador varía dependiendo del tipo de catalizador que se emplee. Para los catalizadores básicos se reportan valores desde 0.3 a 2%; porcentaje peso con respecto a la cantidad de aceite empleado Temperatura y tiempo de reacción. La transesterificación puede ocurrir a diferentes temperaturas dependiendo del aceite que se emplee. A medida que la temperatura aumenta, también lo hace el rendimiento de la reacción, sin embargo, después de un determinado tiempo la diferencia entre temperaturas no afecta de manera considerable el rendimiento (Meher et al., 2004). Por lo general la reacción detransesterificación se lleva acabo cerca del punto de ebullición del alcohol (60-70 ºC), sin embargo, esta reacción ha sido estudiada con temperaturas que varían desde 25 hasta 250ºC (Pashova, 2004). En cuanto al tiempo de reacción, a medida que éste crece, se incrementa la conversión de la reacción; además puede variar dependiendo del catalizador empleado (Fangrui y Hanna, 1999). Los valores de tiempo reportados en la literatura varían en el rango de 30 minutos hasta 20 horas. Darnoko et al. encontraron experimentalmente en la transesterificación básica del aceite de palma con metanol, que el avance de la reacción es casi nulo para tiempos superiores a una hora y media. 20

38 2.3.6 Agitación La agitación es una variable de mucho cuidado, ya que el aceite es inmiscible con el alcohol. Es necesario garantizar la agitación para que se dé el mezclado entre las dos fases y se pueda llevar a cabo la reacción sin limitaciones por transferencia de masa. La agitación debe garantizar un régimen turbulento, es decir, números de Reynolds mayores a Los valores para la velocidad de agitación, empleados en diferentes investigaciones oscilan entre 150 y 600 rpm (Noureddini, 1997). 2.4 PROCESOS PARA LA OBTENCIÓN DE BIODIESEL Son muchos los estudios y las investigaciones que se han desarrollado para la obtención de biodiesel aprovechando gran variedad de materias primas de todo el mundo y empleando distintos métodos, llegando a una escala industrial en varios países. La producción de biodiesel es bien conocida, hay tres rutas básicas a nivel industrial para la producción de alquilésteres de aceites y grasas. Estas son:(lópez, 2006) Transesterificación catalítica del aceite en medio básico con metanol. Transesterificación catalítica directa del aceite en medio ácido con metanol. Conversión del aceite en ácidos grasos en una primera etapa y luego ésteres metílicos mediante transesterificación con catálisis ácida. 21

39 En la sección de materias primas se explican las ventajas y desventajas del cada uno de los diferentes catalizadores empleados en el proceso detransesterificación. Cabe mencionar que la mayor parte del biodiesel producido actualmente es por medio de la reacción catalítica en medio básico, ya que es más conveniente y económica debido a las siguientes razones: Condiciones operativas moderadas de presión (atmosférica) y temperatura. Altos rendimientos de conversión (hasta 98%) con tiempos de residencia relativamente cortos y muy pocas reacciones secundarias. Conversión directa al producto final en una sola etapa de reacción. Posibilidad de utilizar materiales convencionales (acero al carbono) en la construcción de equipos, por la baja agresividad química de los reactivos empleados. Por las razones antes expuestas se elije el método de Transesterificación catalítica del aceite en medio básico con alcohol(metanol) Existen también otras rutas para la obtención de biodiesel, que aún se encuentran en desarrollo e investigación tales como: Transesterificación de aceite empleando catalizadores heterogéneos. (Zeolitas, alumina y óxidos metálicos). Transesterificación de aceite con catalizadores enzimáticos. Transesterificación supercrítica no catalítica. 22

40 2.5 ETAPAS DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIODIESEL. El proceso de obtención de biodiesel por la vía alcalina consta principalmente de 6 etapas básicas, las cuales son: (Agudelo y Benjumea, 2005). a) Mezcla alcohol y/ó catalizador. La base empleada como catalizador es previamente disuelta en el alcohol con ayuda de agitación, para posteriormente mezclarse con el aceite. La reacción de mezclado es exotérmica. b) Reacción de transesterificación. La mezcla alcohol catalizador y el aceite, son mezclados y con ayuda de agitación se promueve el contacto entre los reactivos y de esta manera dar lugar a la reacción de transesterificación. Esta reacción se lleva a cabo a una temperatura determinada y generalmente a presión atmosférica. c) Separación. Al finalizar la reacción hay una mezcla de glicerina y alquilésteres (biodiesel), los cuales son separados por decantación al cabo de varias horas. La glicerina por su mayor densidad queda en el fondo del tanque. d) Lavado del biodiesel. Cuando ya se ha separado el biodiesel de la glicerina, ambos son lavados con agua con el fin de retirar los residuos de metanol y jabones formados por las reacciones secundarias. En ocasiones se agrega un ácido para neutralizar los alquilésteres. e) Secado del biodiesel. Una vez lavado el biodiesel este debe ser secado con el fin de eliminar el remanente de agua. El secado tiene un tiempo y temperatura determinada. f) Purificación de la glicerina. Las características y propiedades que tiene la glicerina una vez se separa del biodiesel, no permiten su aplicación directamente debido a su alta alcalinidad y contenido de metanol, por lo que debe someterse a un proceso de purificación. 23

41 Fig. 2.1 Proceso de producción de biodiesel Alcohol Aceite/Grasa Catalizador Mezcla Fuente: Elaboración Propia. Transesterificación Separación Purificación Biodiesel Glicerina Alcohol Purificación Acidos Grasos Alcohol Biodiesel Purificado 24

42 2.6 CARACTERÍSTICAS Y CALIDAD DEL BIODIESEL El biodiesel está constituido principalmente, por mezcla de ésteres metílicos, pero también puede contener resto de jabones, glicerina, glicéridos (mono-, di, y triglicéridos), ácidos grasos libres, catalizadores, sustancias insaponificables, y agua. La presencia de estos componentes minoritarios en mayor o menor medida son los que determinan la calidad del biodiesel. Por esto se definen las cantidades que debe tener el biodiesel para cada una de estas sustancias. El biodiesel también debe cumplir las especificaciones de los combustibles minerales de automoción, gasóleo A y calefacciones, gasóleo C (Crespo, 2001). Se han definido diversas normas para el control de calidad del biodiesel. En la Tabla 2.1 se presentan las especificaciones del biodiesel según ASTM D-6751 donde se especifican las condiciones de calidad que debe cumplir para ser mezclado con el diesel convencional. Tabla 2.1 Propiedades del biodiesel según ASTM D-6751 Fuente: (Benjumea, 2004). 25

43 2.7 DESCRIPCION DEL PROCESO El proceso de producción de biodiesel obtenido a partir de aceite reciclado por medio de una reacción de transesterificación básica con potasa caustica y metanol se inicia cargando metanol y (KOH) en el mezclador (M-101), para obtener la solución de metoxido. Por otro lado el aceite reciclado se alimenta al reactor (R-101) y calentado hasta una temperatura de 40 C, una vez que alcanza esta temperatura se agrega la corriente de metoxido al reactor para que se lleve a cabo la reacción a 60 C y a presión atmosférica, por espacio de 1.5 horas, una vez terminada la reacción se evacua todo el material al tanque homogeneizador (TK-101) donde se termina de mezclar todo el producto, por su parte al reactor se le practica una limpieza previa liquidación del material remanente. Posteriormente el material homogenizado se bombea hacia la centrifuga de separación (C-101), donde se separa el biodiesel de la glicerina esta centrifuga opera con una corriente de agua de lavaje, finalmente producto de la separación se obtienen tres corrientes una de glicerina, otra de agua y otra de biodiesel el cual es pasado por un secador eléctrico donde se elimina todo el agua que pudiera contener el biodiesel, finalmente una vez seco el biodiesel se almacena en tanques cilíndricos. 2.8 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Balance de Materiales: El balance de materiales, en los equipos de las unidades de proceso, se hicieron en base a una producción de 10.0 Tn/ día, es decir se trabajará solo a nivel piloto. Se considera una parada larga al año de 1 meses para realizar el mantenimiento a todos los equipos, y unidades de proceso y paradas cortas de 1 día por quincena para reparaciones menores; de manera que se considera una operación al año de 313 días. Este balance se basa en el diagrama de balance general y los resultados del mismo para cada una de las corrientes de materiales se muestran en la tabla

44 2.8.2 Balance de Energía: La energía requerida en la plana es básicamente energía eléctrica y se cuantifica a partir de los datos obtenidos en el diseño. Tabla 2.2 Energía Eléctrica requerida en Bombas. Equipo Energía (KW) Bomba B Bomba B Bomba B Bomba B Bomba B Total (KJ/d) 9720 Fuente: Elaboración Propia. 27

45 PEGAR DIAGRAMA DEFLUJO PEGAR DIAGRAMA DE BALANCE Y ELEVACION 28

46 CAPÍTULO III UBICACIÓN DE LA PLANTA La selección del lugar en donde se ubicará la planta productora de Biodiesel, se hará mediante el método de los factores de balaceo que es una evaluación de alternativas, y consiste en asignar números o calificativos a cada uno de los factores que se van a considerar para la elección del lugar en donde se ubicará la planta estos son: materia prima, mercado, energía (térmica y eléctrica), suministro de agua, clima, transporte, mano de obra, leyes reguladoras y factores comunitarios. Se ha considerado para la evaluación los departamentos de Lima y la Libertad, teniendo en cuenta el número de restaurantes formales existentes en cada uno de estos departamentos. 3.1 Factores Primarios: Suministro de Materia Prima. Teniendo en cuenta que existe un mayor número de restaurantes formales ubicados en el departamento de Lima que los existentes dentro del departamento de la Libertad, es que Lima se presenta como favorito en cuanto a su capacidad de suministro de materia prima Mercado. Es bien sabido que las plantas deben ubicarse lo más cercano posible a los mercados, ya que esto supone una ventaja en cuanto a costos de transporte. Para nuestro caso el departamento de lima se impone debido a que la demanda de biodiesel es mayor, ya que su parque automotriz es de lejos superior al de la libertad Energía Eléctrica. Tanto en Lima como en la Libertad el abastecimiento de energía eléctrica es seguro y está disponible por parte de la empresa Hidrandina. 29

47 3.1.4 Suministro de Agua. El departamento de Lima presenta un mejor abastecimiento de agua, esto debido a su desarrollo y a su número de habitantes Mano de Obra. En el departamento de Lima la mano de obra es más cara en comparación con la Libertad, de manera que bajo este contexto la Libertad estaría en ventaja Leyes Regulatorias. Las leyes regulatorias rigen a nivel nacional así que no hay distinción teniendo en cuenta este apartado. 3.2 Factores Secundarios: Transporte. Tanto el departamento de Lima como el de la Libertad presentan deficiencias en el transporte, por lo que este factor no es determinante Clima. Este factor no es determinante porque tanto en Lima como en la Libertad existe similar clima Factores Comunitarios. Estando Lima considerada la ciudad más desarrollada del Perú, es evidente que cuenta con un mayor número de centros de salud, centros de estudios, centros recreacionales. Por lo tanto presenta ventaja respecto de la libertad. 3.3 Evaluación por el método de factores de balanceo. Se fija el máximo y mínimo valor en 100 y 10 respectivamente. 30

48 Se consideran como factores primarios a la materia prima, el mercado, luego en orden decreciente el suministro de agua, la mano de obra, leyes regulatorias, clima y por último factores comunitarios. Tabla. 3.1 Elección de la ubicación de la planta por el método de factores de balanceo. Factor Ponderación Dpto. de Lima Dpto. de la Libertad Cuenta 1 Cuenta 2 Materia Prima Mercado Energía Agua Mano de Obra Regulaciones Transporte Clima Comunitarios Total Fuente: elaboración propia. Queda claro que el lugar más conveniente donde situar la planta es en el Departamento de Lima y sus operaciones empezarían en el

49 CAPÍTULO IV DISEÑO DEL EQUIPO DE PROCESO Se lleva a cabo el diseño de los principales equipos como lo son los tanques, las bombas centrifugas, e intercambiadores de calor, todo esto con la ayuda de la hoja de cálculo. Los cálculos detallados para este capítulo se encuentran en el apéndice correspondiente, acompañados de las asunciones correspondientes. (Ver apéndice). 32

50 CAPÍTULO V INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO Este capítulo trata lo referente al control por instrumentación del proceso para la producción de Biodiesel. Para conseguir esto se ha creído conveniente la instalación de un panel de control automático, ubicado en la zona de proceso de manera que facilite el acceso a los equipos de planta. Se usa un sistema de control neumático, el aire necesario debe estar a 60 psi y exento de agua para evitar obstrucción y corrosión. El mantenimiento de estos equipos no es muy exigente, y resulta mucho más económico que los sistemas electrónicos e hidráulicos. El control por instrumentación facilita medir controlar e integrar las condiciones de proceso. Otros fines del control automático son: la reducción de la mano de obra, reducir el peligro debido al contacto con materiales peligrosos, mayor facilidad y eficiencia en las operaciones, así como la obtención de un producto de mayor calidad.(ver apéndice). 5.1 Control del nivel en el mezclador (LIC-101) Para tal efecto se hace necesario contar con un sensor de nivel, ubicado en la parte superior del tanque, será del tipo boya-interruptor, es decir una vez que el nivel del líquido levante la boya el interruptor se accionara y apagara la bomba de metanol(b101), evitando así que se derrame material. 5.2 Control del nivel en el tanque homogenizador (LI-102) Para tal efecto se hace necesario contar con un indicador de nivel, ubicado en la parte superior del tanque, para este caso bastará con un indicador tipo vaso comunicante de vidrio templado de 8mm de espesor y de 4 de diámetro, en este caso el control será visual y estará a cargo del operador. 33

51 5.3 Control de temperatura en el reactor (TIC-101) Para este caso se requiere de un sensor de temperatura PT-100 el cual registra la temperatura del material que está reaccionando y envía la señal al controlador el cual compara el valor de entrada con el set point que para esta variable es de 60 a 62 C, para finalmente llevar a cabo la corrección haciendo uso de la corriente de agua de enfriamiento la cual se controla con una válvula automática. VARIABLE CONTROLADA Fuente: Elaboración Propia. Tabla 5.1 Control de Temperatura en el Reactor. Nivel en mezclador M-101 LI interruptor Nivel en tanque homogeneizador TK-101 Temperatura en el reactor (R-101) PT-100 Válvula. SENSOR ACTUADOR TIPO DE CONTROL SET POINT 90%. - operario Manual. 90%. automáticoneumático. automáticoneumático C 34

52 PEGAR DIAGRAMA DE INSTRUMENTACION 35

53 CAPÍTULO VI AUXILIARES DE PROCESO En el presente capítulo se trata la especificación del equipo auxiliar de proceso utilizado para asegurar el abastecimiento de los principales servicios tales como: agua, vapor de agua, combustible y electricidad; se incluye también las facilidades de almacenamiento, seguridad, edificios y laboratorio. 6.1 Suministro de Agua: La planta requiere de tres tipos de agua: agua de enfriamiento, agua para usos sanitarios y agua contra incendios Agua de Enfriamiento: Como medio de enfriamiento en el reactor. El agua a utilizar es 2.65 m 3 /d y para compensar las pérdidas por evaporación y fugas se suministra agua de reposición proveniente del reservorio R-1. (10 m 3 de capacidad) Agua contra Incendios: En la planta se dispondrá de un reservorio para agua de 20 m 3 de capacidad en caso de cualquier emergencia y provendrá del reservorio R Agua para usos Sanitarios y de Limpieza: El agua para usos sanitarios y del personal es indispensable en la planta. El agua potable que se utiliza viene del reservorio R-3 (20 m 3 ) previo tratamiento de cloración para eliminar las posibles bacterias que pudiera contener hasta llegar a una concentración de 0.5 ppm. 36

54 6.2 Energía Eléctrica: La energía eléctrica consumida por la planta será suministrada por Hidrandina, se usara corriente eléctrica monofásica de 110 voltios y trifásica de 220 voltios. La energía utilizada para alumbrado (interno y periférico) será de aproximadamente 10% del total de energía consumida por los equipos. 6.3 Almacenamiento: En la planta se dispone de facilidades de almacenamiento tanto para la materia prima como para el producto. Tanto el almacenamiento de materia prima como el del producto están íntimamente relacionados con las normas de seguridad que exige la planta. 6.4 Seguridad: Con el fin de prevenir cualquier incendio es necesario disponer de un equipo adecuado. Este equipo contará con extinguidores de dióxido de carbono, dispuestos en lugares estratégicos de la planta. Para contrarrestar los incendios producidos por causas eléctricas se usa extinguidores de tetracloruro de carbono ó polvo químico seco. En la misma dependencia de seguridad también existe un departamento de higiene y seguridad industrial, para prestar servicio a todo el personal que labora en la planta. 6.5 Laboratorio y Edificios: En el laboratorio de la planta se realizan análisis fisicoquímicos. Estos análisis serán del tipo rutinario y periódico, los primeros constan en determinar la pureza del producto y se realizara cada hora; el segundo tipo se realizara para llevar un adecuado monitoreo del proceso, de manera que permitan mantener la calidad. 37

55 6.6 Taller de Mantenimiento: El mantenimiento del equipo principal, auxiliar y accesorio es indispensable, por lo que se requiere de personal especializado. El taller está provisto de equipos mecánico, eléctrico, carpintería y demás facilidades pertinentes. 38

56 CAPÍTULO VII DISTRIBUCIÓN DE LA PLANTA En éste capítulo se resume la adecuada distribución de la planta de forma objetiva. Esta disposición de las diferentes unidades y la localización del equipo en estas unidades se realizaron de acuerdo a las reglas de seguridad y distribución de la norma técnica peruana. 7.1 Distribución de la Planta: En el plano maestro se muestra la distribución de la planta. En este plano se puede apreciar las áreas, edificios principales, almacenamiento (Producto terminado, materia prima, etc.) y área de proceso actual y expansión futura. Las distintas áreas se han determinado en base a las etapas del proceso, factores de seguridad, facilidades de operación, disposición del espacio suficiente para el equipo con el fin de facilitar el mantenimiento y operación delos mismos. El área total que ocupa la planta es de 1000 m 2 de la cual el área de proceso es de 500 m 2, mientras que el dispuesto para la expansión será 100 m Cimientos: La función de los cimientos es de distribuir las cargas de las estructuras de equipos con el fin de facilitar un trabajo seguro y rápido en el mantenimiento y/o operación. El área de proceso se edificará sobre plataforma de concreto armado. Los equipos sometidos a vibración, tales como motores eléctricos y bombas se colocaran sobre pequeñas plataformas extendidas que absorban y limiten la vibración. 7.3 Estructuras: El área de proceso se construirá al aire libre y con estructuras sencillas seguras y de bajo costo. Las estructuras totalmente cerradas son solo para los edificios, los cuales tiene base de concreto, paredes de ladrillo y techos planos de ladrillo aligerado. 39

57 7.4 Tuberías: La distribución de la tubería se muestra en la maqueta y de ella se determina el número de accesorios y la longitud de la misma. La distribución de las tuberías se ha hecho con la finalidad de que se tenga fácil acceso a los equipos al momento de realizar el mantenimiento y sustituciones necesarias. Se emplea el acero al carbono para todas la tuberías salvo para las que circulan materiales ácidos como catalizadores, donde se emplea acero inox del tipo 304. En las instalaciones se emplean juntas soldadas para simplificar el aislamiento, se emplean bridas para conectar tubería a equipo y a los accesorios que necesitan removerse de la línea, ya sea para fines de mantenimiento o para ser reemplazados. Se emplean válvulas de compuerta para detener el paso del fluido y generalmente operan abiertas o cerradas completamente, las válvulas de globo son utilizadas para la regulación de la presión y/o circulación de los fluidos, también se hace uso de válvulas Check las cuales son instaladas en las líneas de descarga de las bombas y en las tuberías de alimentación con el fin de impedir que el fluido retroceda en caso de alguna falla mecánica. 40

58 PEGAR PLANO MAESTRO 41

59 PEGAR PLANO UNITARIO 42

60 CAPÍTULO VIII EVALUACIÓN ECONÓMICA En este capítulo de determinó de forma resumida la inversión total, los gastos de operación y la rentabilidad, para ello se utilizo la hoja de cálculo. 8.1 DETERMINACIÓN DE LA INVERSIÓN: Para estimar el total de inversión, se hace uso de información proporcionada por el departamento de compras del ComplejoCartavio, para el caso que no se cuente con el costo del equipo de la misma capacidad, se utiliza la regla de las seis decimas(vilbrandt, 1963). Nota:Para los costos de instalación se asume un 30% del precio de compra ytodos los precios de compras son del tipo FOB EQUIPO DE PROCESO: TANQUES. Para el caso de los tanques se tiene información del costo de un tanque de de 200 m3 de acero inoxidable. (Departamento de costos del Complejo Cartavio) a partir de la cual obtendremos el costo de las demás tanques, utilizando para esto el factor de las seis decimas. Para los costos de instalación se asume el 30% del costo del tanque. Así por ejemplo: Para el tanque homogeneizador (TK-101) se tiene: Capacidad: 200 m3; Costo: $ 40, Costo de tanque TK-101 = 40,000*(13.33/200)ˆ0.6 = $ Costo de instalación =0.3*$ = $ Costo total = $ $ = $

61 De manera similar se obtienen los costos para el resto de tanques; tal como lo muestra la Tabla 8.1. Nota: para el caso del mezclador y el reactor, la estimación se hace como tanques. Tabla. 8.1 Costo total de tanques. NOMBRE CANTIDAD CAPACIDAD COSTO COSTO INSTALACION (m3) TOTAL ($) ($) ($) TK M R TOTAL Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del centro de costos de ComplejoCartavio BOMBAS. Para el caso de las bombas se tiene información del costo de una bomba centrifuga de 100 m3/h con la carcasa y el impulsor de acero inox 316(departamento de costos de Complejo Cartavio) a partir de la cual obtendremos el costo de las demás utilizando para esto el factor de las seis decimas. Nota: Para los costos de instalación en este caso se considera el 20% del precio de compra y todos los precios de compras son del tipo FOB. Así por ejemplo: El grupo de bombas B-101, tienen una capacidad de 0.07 m3/h, entonces utilizando la información del departamento de costos de Complejo Cartavio se tiene: Capacidad = 100 m3/h; costo = $ Costo de la bomba B-101=8000*(0.07/100) ˆ0.6 = $ Costo de instalación =0.2*$ = $ Costo total = $ $

62 De manera análoga se obtiene el costo para las demás bombas de diferente capacidad tal como lo muestra la tabla 9.3 Tabla. 8.2 Costo total de bombas. NOMBRE CANTIDAD CAPACIDAD COSTO COSTO INSTALACION (m3) ($) TOTAL ($) ($) B B B B B Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del centro de costos de Complejo Cartavio COSTO DE LA CENTRIFUGA Se obtuvo el monto estándar de $ (Arbeláez, A. y Rivera, M.2007), para esta capacidad. Nota:Para los costos de instalación de la centrifuga se considera el 30% del precio de compra ytodos los precios de compras son del tipo FOB., de manera que se tiene: Tabla. 8.3 Costo total de centrifuga. Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del centro de costos de Complejo Cartavio COSTO DEL SECADOR TOTAL NOMBRE CANTIDAD CAPACIDAD COSTO COSTO INSTALACION (m3) ($) TOTAL ($) ($) Centrifuga TOTAL Se dispone del costo de un calentador que trabaja con un flujo másico de 100 m3/h. 45

63 Nota:Para los costos de instalación de la centrifuga se considera el 30% del precio de compra ytodos los precios de compras son del tipo FOB., de manera que se tiene: Según departamento de ventas de Complejo Cartavio se tiene: Capacidad: 100 m3/h; Costo: $ Costo para el calentador I-1 = $ *(10/100) ˆ0.6 = $ Costo de instalación I-1 = 0.30* = $ Costo total I-1 = $ $ = $ BIENES INMUEBLES: TERRENO. Teniendo en cuenta el área (2500 m 2 ) y asumiendo un precio de $50/m 2, se tiene:$12, CIMIENTOS Y ESTRUCTURAS. Se estima alrededor de $100, EDIFICIOS. Se estima alrededor de $100, AUXILIARES DE PROCESO. Se asume un 20% del costo total del equipo principal INSTRUMENTACION. Se asume un 20% del costo total del equipo principal PARTE ELECTRICA. Se asume un 15% del costo total del equipo principal. 46

64 TUBERIA Y ACCESORIOS. Se asume un 20% del costo total del equipo principal. 8.2 RESUMEN DE LA INVERSIÓN RESUMEN PARA EL COSTO DE EQUIPOS Se detalla a continuación: Tabla. 8.4 Resumen del costo total para los equipos. EQUIPO COSTO TOTAL ($) Tanques Bombas 1951 Centrifugas Calentador TOTAL S/. 240,250 Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del centro de costos de Cartavio RESUMEN PARA EL COSTO DE LOS BIENES Se detalla a continuación: Tabla. 8.5 Resumen del costo total para los bienes. BIEN INMUEBLE COSTO TOTAL ($) TERRENO S/. 12, CIMIENTOS Y ESTRUCTURAS S/. 100, EDIFICACIONES S/. 100, AUXILIARES DE PROCESO S/. 48, INSTRUMENTACION S/. 48, ELECTRICIDAD S/. 36, TUBERIAS Y ACCESORIOS S/. 48, TOTAL $ S/. 392,688 Fuente: Elaboración propia a partir de los datos del centro de costos de Cartavio. 47

65 8.3 COSTOS DE OPERACIÓN: Para la determinación de los costos de operación se tiene en cuenta los gastos de: Mano de obra Operarios. Para estimar la cantidad de recursos necesarios se divide la planta en 10 áreas y tres turnos de 8 horas cada uno. Área de Mezcla: Se requiere 1 operarios por turno. Área de Transesterificacion: Se requiere 2 operarios por turno. Área de Separación: Se requiere 1 operarios por turno. Área de Secado: Se requiere a 1 operarios por turno. Seguridad: 2 por garita. Área de mantenimiento: Se considera necesarios a 3 recursos, un v mecánico un electricista y un ayudante. Área de limpieza: Se requiere 1 recursos por turno. Total de operarios: 10 por turno, trabajando en tres turnos se tiene: Ingenieros: 1 por turno y un jefe de planta. Total de ingenieros: Superintendente: Gerente: 1. Total de personal en planta 36 personas. 48

66 Tabla. 8.6 Remuneración del personal. Fuente: Elaboración propia en base a supuestos Materia prima: El costo de la materia prima es nulo ya que se partimos de la premisa de utilizar aceite reciclado; de manera que solo se consideran los gastos de transporte y estos se estiman en $ por tonelada. 8.4 FLUJO DE CAJA ECONÓMICO: Para elaborar el flujo de caja económica, se tiene en cuenta las siguientes consideraciones: Producción diaria de biodiesel: 10,000.00Kg/día. Producción diaria de glicerina: 1,100.00Kg/día. Tipo de cambio: 2.8. Tasa mínima atractiva: 15%. Días de operación al año: 300 días. Precios: RECURSOS CANTIDAD Se asumen los siguientes precios conservadores que suponen aproximadamente la mitad del diesel obtenido de restos fósiles. MENSUAL $ GRATIFICACION MENS. $ CTS MENSUAL $ VACACIONES MENSUAL $ TOTAL $ Operarios Ingenieros de turno Ingeniero Jefe de Planta Superintendente Gerente TOTAL $ S/. 26,

67 Biodiesel: $ 0.50/Kg. Glicerina: Ingresos anuales: $ 0.30/Kg. Por concepto de Biodiesel: 10,000*300*0.50 = $ 1,500, Por concepto de Glicerina: 1100*300*0.30 = $ 99, Egresos anuales: (Suponiendo que solo se exporta el etanol anhidro). TOTAL: $ 44, 100,000 Por concepto de mano de obra: $ 26,350.00*10 = $ 263, Por concepto de transporte: $ 20*11.11*300 = $ 66, TOTAL: $ 330,

68 Fuente: Elaboración propia Tabla. 8.7 Flujo de caja económico. 51

69 8.5 RENTABILIDAD: La evaluación de la rentabilidad de la inversión, se realiza sobre la base de lo presentado en el análisis económico y se evalúa en los 10 primeros años que se considera como vida útil de la planta; para dicha evaluación se utilizan los indicadores económicos como el VAN y TIR. Para una tasa mínima atractiva de rentabilidad del 15%, los cálculos nos indican: VAN = $4, 987,023 TIR = % Recuperación: 0.5 años De acuerdo a la teoría económica que sustentan los valores obtenidos de estos indicadores, se concluye que es conveniente la realización del proyecto. 52

70 CAPÍTULO IX CONCLUSIONES Al cabo del estudio tanto técnico como económico se llegan a las siguientes conclusiones La capacidad instalada de la planta se fija en 10 TN/día, de bioetanol a razón de ser la primera experiencia a nivel de planta. El lugar donde se construirá la planta será el departamento de Lima. Es factible tanto técnica como económicamente la instalación de una planta para lo obtención de biodiesel a partir de los aceites de fritura reciclados. El aceite de fritura reciclado es una excelente alternativa para la producción del biodiesel puesto que su obtención es sencilla y su costo es nulo ya que se obtiene en calidad de desecho. Finalmente con la realización de este proyecto se contribuye con la minimización del impacto ambiental, producto de la utilización de combustibles de origen fósil asi como también se reduce los problemas de carácter político y social que traen como consecuencia la utilización de los mencionados combustibles fósiles. 53

71 CAPÍTULO X REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Coello, J., Castro, P. (2007) OPORTUNIDADES Y PUNTOS POR RESOLVER PARA LA PRODUCCIÓN Y USO DEL BIODIESEL EN EL PERÚ.Universidad Nacional Agraria La Molina, Perú. Avellaneda, F., (2010) PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE BIODIESEL DE PALMA Y DE ACEITE RECICLADO MEDIANTE UN PROCESO BATCH Y UN PROCESO CONTÍNUO CON UN REACTOR HELICOIDAL.Tesis Doctoral Universitat Rovira I Virgili, Tarragona. Larosa, R., (2001) PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Y REFINACIÓN DE GLICERINA. Universidad Tecnológica Nacional, Perú. Castro, P., Sevilla, S., et. al (2008) ESTUDIO SOBRE LA SITUACIÓN DE LOS BIOCOMBUSTIBLES EN EL PERÚ.Preparado por Soluciones Prácticas ITDG para Oxfam Internacional. IICA (2010) Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura OEA. Atlas de la Agroenergía y los Biocombustibles en las Américas. Crespo, G., Martínez, M., et. al (2001) BIODIESEL: UNA ALTERNATIVA REAL AL GASÓLEO MINERAL. EN INGENIERÍA QUÍMICA. Meher, L., Vidya, D., et. al (2006) TECHNICAL ASPECTS OF BIODIESEL PRODUCTION BY TRANSESTERIFICATION A REVIEW. RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS 10.Volume: 10, Issue: 3, Publisher: Elsevier, Pages:

72 Mittelbach, M. (1996) DIESEL FUEL DERIVED FROM VEGETABLE OILS, VI: SPECIFICATIONS AND QUALITY CONTROL OF BIODIESEL.Bioresource Technol; 56: Petroperú. (2007b). Biocombustibles en el Perú. Presentación en el Seminario Internacional Desarrollo de Cultivos Alternativos para la Producción de Biocombustibles. Lima: DEVIDA, Embajada de Brasil en el Perú y Petroperú, 10 y 11 de mayo del USDA: Información y Servicios del United States Department of Agriculture. FAPRI: Food and Agricultural Policy Research Institute. Artículo N 4, Ley Promoción del Mercado de Biocombustibles. Reuters Group Limited. Agencia Internacional de Noticias. OECD. Organization for the Cooperation and Economic Development. Sitios web consultados: Ventajas del Biodiesel. Productos Obtenidos a partir del Biodiesel. Materias Primas. l.asp 55

73 CAPÍTULO XI APENDICE 56

74 2.1 BALANCE DE MATERIALES: CAPÍTULO II SELECCIÓN Y DISEÑO DEL PROCESO Determinación de la cantidad de aceite reciclado a utilizar: Debido a la complejidad de la composición del aceite reciclado obtenido, se asume que la cantidad de material transesterificable es el 90 % en peso del total del aceite y teniendo en cuenta que la relación de obtención es de 1 a 1 entre el material transesterificable y el biodiesel, se tiene que para la producción de 10 TON/día de biodiesel se necesitará: 10Tnbiodiesel/día*(1Tn.mat. Transest/1 Tn.biodiesel.)*(1Tn.Aceite. Recic./0.9 Tn.mat. Transest.) = 11.11Tn.Aceite recic. /día Balance en el Mezclador (M-101) CH3OH KOH Reacción: Consideraciones de la Reacción: MEZCLADOR M-101 CH3OH + KOH = CH3OK + H2O Se asume que la reacción se da al 100%. El KOH es el reactivo limitante y el CH3OH está en exceso 20% más de lo necesario. Determinación de la cantidad de KOH necesaria: CH3OK H2O 57

75 Según Arbeláez., A y Rivera., M (2007) el rendimiento más alto se obtiene cuando el porcentaje de catalizador está cercano al 1%, en relación al aceite utilizado; de manera que utilizamos el 1% de KOH, es decir TN de KOH. Determinación de la cantidad de CH3OH necesaria: Se determina utilizando la siguiente relación a partir de la reacción global: COOCH2CHCOOCH2COO3R + 3CH3OH = 3RCOOCH3 + OHCH2CHOHCH2OH 100 kg + 11Kg = 100 Kg + 11Kg A partir de esta relación se tiene que la cantidad estequiometrica necesaria para producir 100 Kg de biodiesel es 11 Kg de metanol y para asegurar la reacción utilizamos un 20 % de exceso. De manera que se tiene: 10Tnbiodiesel*(11Tn CH3OH/100TnBiodiesel)*1.2 = 1.32Tn de CH3OH Determinación de la cantidad de CH3OK obtenida: TnKOH*(1molTnKOH/56TnKOH)*(1molTnCH3OK/1molTnKOH)*(70TnCH3OK/1molTnCH3OK) = Ton, de CH3OK Determinación de la cantidad de H2O obtenida: TnKOH*(1molTnKOH/56TnKOH)*(1molTnH2O/1molTnKOH)*(18Tn H2O/1molTnH2O) = Ton, de H2O. Determinación de la cantidad de CH3OH sobrante: Se obtiene por diferencia a partir del balance general y es Ton, de CH3OH., esto es razonable ya que para una masa de Tn de KOH, solo necesito Tn de CH3OH, pero ingresa al reactor Tn, de manera que queda sin reaccionar Ton de CH3OH. 58

76 Tabla 11.1Resumen del balance en mezclador M-101 SUSTANCIA Balance en el Reactor (R-101) CH3OK ACEITE RECICLADO Reacción: CANTIDAD (Tn) Entradas CH3OH KOH total Salidas CH3OK H2O CH3OH total COOCH2CHCOOCH2COO3R + 3CH3OH = 3RCOOCH3 + OHCH2CHOHCH2OH Consideraciones de la Reacción: REACTOR R-101 Se asume que la reacción se da al 100% 3RCOOCH3 CH2OHCHOHCH2OH El aceite reciclado (COOCH2CHCOOCH2COO3R)es el reactivo limitante y el metanol es el reactivo en exceso. Se asume que por la purga se elimina todo el material no transesterificable, el KOH y el exceso de metanol se elimina por la purga del reactor. 59

77 Determinación de la cantidad de biodiesel obtenido: Se obtiene a partir de la relación másica 1 a 1 entre el aceite reciclado y el biodiesel TnAceite rec.*0.9*(10tnbiodiesel/10tnaceite rec.) = Tn. Biodiesel. Determinación de la cantidad de glicerina obtenido: Se obtiene a partir de la relación másica 100 a 11 entre el material transesterificable y la glicerina respectivamente TnAceite rec.*0.9*(11tn.glicerina/100tn.aceite rec.) = 1.10Tn de Glicerina. Determinación de la cantidad de CH3OH sobrante: Como esta en exceso de 20% en masa se tiene: 1.32Tn de CH3OH/1.20 = 1.1Tn de CH3OH, necesario y la diferencia en exceso ósea = 0.22Tn de CH3OH en exceso. Determinación de la cantidad de material no transesterificable sobrante: Es equivalente al aceite reciclado que no reaccionay equivale a: TnAceite rec.*0.90 =10Tn de material transesterificable y 1.11Tn no transesterificable. 60

78 Tabla 11.2 Resumen del balance en el reactor R-101 SUSTANCIA Entradas CANTIDAD (Tn) Aceite reciclado CH3OH 1.32 KOH 0.11 total Salidas Biodiesel Glicerina 1.10 Material no transesterificable Balance en la Centrifuga (C-101) KOH 0.11 CH3OH en exceso 0.22 total Determinación de la cantidad de H2O necesaria: Según Arbeláez., A y Rivera., M (2007) se logra una buena separación utilizando una cantidad de agua equivalente al 7.5% en peso de la cantidad total de aceite utilizado. Es decir: Mezcla biodieselglicerina Agua CENTRIFUGA C Tn.Aceite rec.*7.5% = 0.83 Tn de agua. Biodiesel-Agua Glicerina 61

79 La única operación que realiza la centrifuga es la de separación, pero se asume que el biodiesel arrastra el 15.66% del agua de lavado de manera que se tiene: Tabla11.3 Resumen del balance en la centrifuga C-101 SUSTANCIA Balance en el Secador (S-101) MEZCLA BIODISEL-AGUA Entradas CANTIDAD (Tn) Biodiesel-Glicerina Agua 0.83 total Salidas Biodiesel-Agua Glicerina 1.10 Agua 0.70 total Fuente: Elaboración Propia. Tabla 11.4 Resumen del balance en el secador S-101 SUSTANCIA SECADORS-101 Entradas CANTIDAD (Tn) Biodiesel-Agua total Salidas Biodiesel Vapor de Agua 0.13 total Fuente: Elaboración Propia. VAPOR DE AGUA BIODISEL SECO 62

80 2.1.5 Determinación de la cantidad de agua de enfriamiento Se utiliza un cálculo rápido para estimar la cantidad de agua de enfriamiento utilizada al día, para esto se toman las siguientes asunciones: Gradiente de temperatura máxima que puede alcanzar el sistema reaccionante: 20 C. Cp.mezcla reaccionante: 0.5 J/g C. Cp.agua: 4.18 J/g C. Aislamiento perfecto. La temperatura del agua de entrada es de 25 C y la de salida es de 40 C. Bajo las siguientes suposiciones se cumple: Qagua=Qsistema reaccionate m.agua*cpagua*(grad. de temp.) = m. prod. reacc.*cpsistema reacc.*(grad.temp) Despejando: m.agua = m. prod. reacc.*cpsistema reacc.*(grad.temp)/(cpagua*(grad. de temp.) Reemplazando valores se obtiene: m. agua = 11.1Tn*(0.5 J/g C)*20 C/(4.18 J/g C*15 C) m. agua = 1.77Tn.deagua. Como factor de seguridad se cuantifica un 50% de agua que el estimado es decir: 2.65 Tn/día. 2.1 BALANCE DE ENERGIA: La energía requerida en la plana es básicamente energía eléctrica y se cuantifica a partir de los datos obtenidos en el diseño de bombas. 63

81 1) DISEÑO DE BOMBAS: CAPÍTULO IV DISEÑO DEL EQUIPO DE PROCESO DISEÑO DE LAS BOMBAS Tiene por finalidad determinar la potencia requerida de la bomba así como la cabeza de succión positiva neta, el tipo de bomba y el material más conveniente. Para este diseño necesitamos datos como: Características de la tubería. Propiedades del Líquido. Cantidad y tipo de accesorios. a) Características de la tubería : Haciendo uso de la tabla 12.4 determinamos la aspereza de la superficie y utilizando la tabla 12.5 y el diámetro nominal determinamos el área y diámetro reales de la tubería. b) Propiedades del liquido : Ingresando las siguientes variables: Densidad (kg/cm3). Viscosidad (cp). Presión en la succión y en la descarga (Kpa). Presión atmosférica (Kpa). Presión de vapor (Kpa). Caudal (m3/h). 64

82 Determinamos: Densidad relativa = Densidad fluido/densidad del agua a 4 C. Viscosidad (Pa.s) = Viscosidad (cp)/1000. Velocidad(m/s) = (Caudal/area)/3600. N Reynolls = diametro*velocidad*densidad/viscosidad. F (factor de Fanning) = (R. Mott, 1996). c) Cantidad y tipos de accesorios: A partir de estos se determinan la perdida en la succión y en la descarga. Succión: Ingresando las siguientes variables: Longitud de tubería de succión (m). Columna estática (m). Relación de diámetros (D1/D2). Determinamos: Columna de presión = (P.succión)/ (gravedad*densidad relativa). K (Coef. Perdida por contracción repentina, tabla 12.6), para la parte de la descarga se utiliza la tabla 12.7 (Coef. Perdida por ensanchamiento repentino). Hfi(Perdid por friccion en accesorios) = Hfs1 (Perdida por fricción en tubería) = 65

83 De forma análoga determinamos la perdida de energía en la descarga. Para determinar la pérdida de energía por fricción debido a los accesorios, primero ingresamos el tipo de accesorio y el número y mediante la tabla 12.8 obtenemos el coeficiente correspondiente Ki.(J. Perry, 1997), (R. Mott, 1996). Finalmente sumamos las pérdidas de energía en la tubería recta y en los accesorios y obtenemos la pérdida de energía total, tanto en la succión como en la descarga: Hfs. Con estos datos finalmente obtenemos la cabeza total y a partir de esta obtenemos la potencia requerida así: Pot.requerida =Caudal*cabeza total*densidad/ También obtenemos CSPN. (Cabeza de succión positiva neta) P.vapor/9.81*dens. Relativa. =Col. Estática + Col. Presión-hfi+Hfs- Datos en común: Se considera los siguientes datos en común para todos los diseños. Tubería: Diámetro nominal: 4 pulg. N cedula: 40. Propiedades del fluido: Densidad: 870 Kg/m3. Viscosidad: 1.2cp. P. succión: Kpa. P. descarga: Kpa. P. atmosférica: Kpa. P. vapor: 2 Kpa. Eficiencia de la bomba 75%. 66

84 Diseño de la bomba de Metanol (B-101) Fluido a bombear: Metanol Tipo de bomba: Bomba centrifuga Material de carcasa: Acero 304 (debido a las características ácidas del fluido). Tipo de impulsor: Abierto. Material de impulsor: Acero 316. Material del eje: Acero 316. Línea de succión: Longitud:10 m. C. estática: 2 m. D1/D2: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 0 codos. Válvula de mariposa: 1 válvula. Unión simple: 2uniones. Línea de descarga: Longitud: 20 m. C. estática: 20 m. D2/D1: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 2 codos. Válvula mariposa: 2 válvulas. Unión simple: 2 uniones. N de bombas: 2 bombas 67

85 Caudal de bombeo: 0.070m3/h (obtenido del cuadro de balance, dmet 0.78 Kg/L) Ingresando estos datos en la plantilla tal como se muestra en la fig se obtiene una potencia requerida de 0.02 Hp. Por lo que se usara un motor de 0.05 HP. Fuente: Elaboración propia. Fig.11.1 Plantilla para diseño de bombas. 68

86 Diseño de la bomba de aceite reciclado (B-102) Fluido a bombear: Aceite reciclado Tipo de bomba: Bomba de desplazamiento positivo Material de carcasa: fierro fundido (debido a las características ácidas del fluido. Línea de succión: Longitud: 15 m. C. estática: 2 m. D1/D2: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 1 codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. Línea de descarga: Longitud: 60 m. C. estática: 15m. D2/D1: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 4codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. N de bombas: 2 bombas Caudal de bombeo: 0.38 m3/h (obtenido del cuadro de balance, daceite 1.2Kg/L). De manera análoga al cálculo de diseño para la bomba n 1 se obtiene el caballaje para la bomba n 1 Potencia requerida de 0.10 Hp. Por lo que se usara un motor de 0.2 HP. 69

87 Diseño de la bomba de agua de lavaje (B-103) Fluido a bombear: Agua Tipo de bomba: Bomba centrifuga Material de carcasa: Fierro fundido. Tipo de impulsor: Abierto. Material de impulsor: Fierro fundido Material del eje: Fierro fundido Línea de succión: Longitud: 5 m. C. estática: 2 m. D1/D2: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 0codos. Válvula de globo abierta: 1 válvulas. Línea de descarga: Longitud: 100 m. C. estática: 40m. D2/D1: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 1codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. N de bombas: 2 bombas. Caudal de bombeo: m3/h (obtenido del cuadro de balance, d.agua 1Kg/L). Potencia requerida de 0.01 Hp. Por lo que se usara un motor de 0.05 HP. 70

88 Diseño de la bomba de metoxidob-104 Fluido a bombear: Metoxido Tipo de bomba: Bomba centrifuga Material de carcasa: Acero 316 (debido a las características ácidas del fluido). Tipo de impulsor: Abierto. Material de impulsor: Acero 316. Material del eje: Acero 316. Línea de succión: Longitud: 20 m. C. estática:5 m. D1/D2: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 3codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. Línea de descarga: Longitud: 30 m. C. estática: 10 m. D2/D1: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 :3codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. N de bombas: 2 bombas Caudal de bombeo: 0.03 m3/h (obtenido del cuadro de balance, d. metoxido 1Kg/L). Potencia requerida de Hp. Por lo que se usara un motor de 0.05 HP. 71

89 Diseño de la bomba de biodiesel (B-105) Fluido a bombear: Biodiesel Tipo de bomba: Desplazamiento positivo Línea de succión: Longitud: 20 m. C. estática: 5 m. D1/D2: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 2 codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. Línea de descarga: Longitud: 20 m. C. estática: 10m. D2/D1: se considera infinito. Accesorios: Codos de 90 : 5codos. Válvula de globo abierta: 2 válvulas. N de bombas: 2 bombas Caudal de bombeo: 0.42 m3/h (obtenido del cuadro de balance, d. biodiesel 1Kg/L). De manera análoga al cálculo de diseño para la bomba n 1 se obtiene el caballaje para la bomba n 4. Potencia requerida de 0.01 Hp. Por lo que se usara un motor de 0.05 HP. 72

90 Fuente: Moncada Fuente: Moncada TABLAS UTILIZADAS: Tabla Aspereza de superficie. Tabla 11.6 Diámetro y área en función al calibre. 73

91 Fuente: Moncada Fuente: Moncada Tabla 11.7 Coeficiente para perdida por contracción repentina. Tabla 11.8 Coeficiente para perdida por ensanchamiento repentino. 74

92 Fuente: Moncada Tabla Coeficiente de fricción debido a accesorios. 75

93 DISEÑO DE TANQUES Tiene como finalidad estimar la presión de diseño, la capacidad y el espesor de la plancha. Diseño del Mezclador(M101) Datos de entrada variables: Son únicos para cada tanque Caudal (m3/h) = Altura (m) = 2. Tiempo de retención (h) = 24. Datos de entrada fijos: Son comunes para todos los tanques Presión (atm) = Temperatura ( C) = 25. Densidad (Kg/m3) = Tensión máxima permisible = dato fijo. Eficiencia de juntas soldadas = 0.8 dato fijo. Factor de corrección (inch) = Relación Altura/Diámetro = 2.0. Formulas usadas: Presión hidrostática = densidad*gravedad*altura Radio = Altura/4 Espesor de plancha = presión hidrost.*radio/(tensión max. permisible*ef. Juntas- 0.6*presión hidrost.) Presión de diseño= 1.2*Presión hidrostática Capacidad =1.2*Caudal*tiempo de retención (E, Megyesy, 1992). 76

94 Reemplazando valores: Presión hidrostática = 1000*9.81*2/1000 = 19.62/6.87 = 2.85 psig Radio = (2*100/4)/2.54 = inch. Espesor de plancha (pulgadas) = (2.85*19.68/(13750* *2.85)) =0.125 inch. Presión de diseño (psi) =1.2*2.85 = 3.42 Capacidad (m3) = 1.2*0.055*24 = 1.58 m3 Ingresando estos datos en la plantilla tal como se muestra en la fig se obtiene Fuente: Elaboración propia un espesor de plancha de 0.130, una presión de diseño de 3.42 psi y una capacidad de 1.58 m3, tal como se muestra líneas abajo. Fig.11.2 Plantilla para diseño de tanques 77