EVALUACIÓN DEL PROCESO INTEGRADO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE LA PALMA DE ACEITE

JUAN MARIO GAMARRA TORRES

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO

PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA, 2014

EVALUACIÓN DEL PROCESO INTEGRADO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE LA PALMA DE ACEITE

JUAN MARIO GAMARRA TORRES

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico

DIRECTORA Yeimmy Yolima Peralta Ruiz

Ingeniera Química

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA

CARTAGENA, 2014

NOTA DE ACEPTACIÓN

______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________

_____________________________________ Firma del presidente del Jurado

_____________________________________ Firma del Jurado

_____________________________________ Firma del Jurado

Cartagena de indias, D. T. y C.

DEDICATORIA

A Dios por sus bendiciones que derrama sobre mí cada día.

A mis padres Juan Gamarra y Lucia Torres por siempre estar a mi lado apoyándome incondicionalmente.

Juan Mario Gamarra Torres

AGRADECIMIENTOS

En primera estancia a Dios que me da la fuerza y disciplina necesaria para superar los retos que me pone la vida día a día. A mi padre Juan Gamarra que me ayudo con su conocimiento y experiencia en temas de biodiesel. A la profesora y directora de tesis Yeimmy Peralta, que me acompaño durante el desarrollo de este trabajo y compartió sus conocimientos sobre simulación de procesos industriales. Al profesor Eduardo Sánchez, por sus enseñanzas en integración de procesos, una persona íntegra y muy amable que siempre estuvo dispuesto a ayudarme en este trabajo y en muchos otros. A la profesora Dalia Bonilla que compartió sus conocimientos en algebra lineal y no lineal para la realización de este trabajo. A Stefanny Figueroa, mi amiga y confidente que siempre está para ayudarme y apoyarme en todo sin restricción alguna, gracias a ella logre alcanzar esta meta. Este trabajo es tan tuyo como mío Stefy. A los profesores Vicente Vargas, Adalberto Matute que siempre estuvieron dispuestos para darme sus opiniones y sugerencias en este trabajo. A todos mis compañeros de universidad que directa o indirectamente compartieron conmigo tristezas y alegrías durante el transcurso de la carrera.

CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 9

1. PROBLEMA DE INVESTIGACION .......................................................................... 10

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA............................................................... 10

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................. 12

1.3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 13

1.4 OBJETIVOS ...................................................................................................... 15

1.4.1 Objetivo General ....................................................................................... 15

1.4.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 15

2. MARCOS DE REFERENCIA .................................................................................... 16

2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS ............................................................... 16

2.2 MARCO TEORICO ............................................................................................ 19

2.2.1 Los biocombustibles como alternativa. .................................................. 20

2.2.2. Generalidades del biodiesel. ....................................................................... 21

2.2.2.1 Ventajas del Biodiesel. ............................................................................ 22

2.2.2.2 Desventajas del Biodiesel....................................................................... 23

2.2.3 Propiedades del diesel y biodiesel comercial. ....................................... 24

2.2.4 Panorama actual de la producción de biodiesel en Colombia. ............. 24

2.2.5 Producción de biodiesel. ......................................................................... 25

2.2.5.1 Micro emulsiones. ............................................................................. 26

2.2.5.2 Craqueo térmico o pirolisis. ............................................................. 26

2.2.5.3 Transesterificación. ........................................................................... 27

2.2.5.4 Catálisis acida.................................................................................... 28

2.2.5.5 Catálisis alcalina. ............................................................................... 29

2.2.5.6 Catálisis enzimática. ......................................................................... 29

2.2.5.7 Catálisis heterogénea. ....................................................................... 29

2.2.5.8 Esterificación. .................................................................................... 30

2.2.5.9 Hidrolisis. ........................................................................................... 30

2.2.5.10 Biocatálisis. ....................................................................................... 31

2.2.5.11 Metanol supercrítico.......................................................................... 31

2.2.6 Integración de procesos. ......................................................................... 31

2.2.6.1 Integración energética. ..................................................................... 32

2.3 MARCO LEGAL ................................................................................................ 33

3. DISEÑO METODOLÓGICO ..................................................................................... 35

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN. .............................................................................. 35

3.2 ENFOQUE ADOPTADO.................................................................................... 35

3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. ................................................................... 35

3.4 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. ................................................... 36

3.4.1 Fuentes primarias. .................................................................................... 36

3.4.2 Fuentes secundarias. ............................................................................... 36

3.5 HIPÓTESIS DE TRABAJO. .............................................................................. 36

3.6 VARIABLES ...................................................................................................... 37

3.6.1 Variables dependientes. ........................................................................... 37

3.6.2 Variables independientes......................................................................... 37

3.6.3 Operacionalización de las variables. ............................................................ 37

3.7 PROCESAMIENTO O MODELO PARA EL ANÁLISIS DE DATOS. ................. 37

3.7.1 Simulación del proceso. .......................................................................... 38

3.7.2 Validación de las características del biodiesel obtenido a partir de la

simulación. .............................................................................................................. 42

3.7.3 Integración energética – análisis pinch. ................................................. 42

3.7.3.1 Extracción de información de las corrientes. .................................. 43

3.7.3.2 Elaboración del diagrama de intervalos de temperatura (TID). ...... 43

3.7.3.3 Elaboración de las tablas de cargas de energía transferible (TEHL)

para las corrientes frías y calientes. .................................................................. 43

3.7.3.4 Elaboración y actualización del diagrama en cascada. .................. 44

3.7.3.5 Elaboración de la gran curva compuesta (GCC). ............................ 45

3.7.3.6 Diseño de una red de intercambio de calor (HEN) óptima. ............. 46

4. RESULTADOS ......................................................................................................... 48

4.1 SIMULACIÓN DEL PROCESO. ........................................................................ 48

4.2 VALIDACIÓN DE LA CARACTERÍSTICAS DEL BIODIESEL OBTENIDO A

PARTIR DE LA SIMULACIÓN. .................................................................................... 53

4.3 INTEGRACIÓN ENERGÉTICA – ANÁLISIS PINCH ......................................... 56

4.3.1 Extracción de información de las corrientes. ......................................... 56

4.3.2 Elaboración del diagrama de intervalos de temperatura (TID). ............. 57

4.3.3 Elaboración de las tablas de cargas de energía transferible (TEHL) para

las corrientes frías y calientes. .............................................................................. 58

4.3.4 Elaboracion y actualización del diagrama en cascada. ......................... 58

4.3.5 Elaboración de la gran curva compuesta (GCC). ................................... 60

4.3.6 Diseño de una red de intercambio de CALOR (HEN) óptima................. 61

5. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 63

6. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 64

GLOSARIO ..................................................................................................................... 65

ANEXOS ......................................................................................................................... 67

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INTRODUCCIÓN

Desde hace décadas el sector industrial ha estado obteniendo productos para satisfacer las necesidades humanas y mejorar la calidad de vida, pero solo a partir de los 70s, se comenzaron a dar cuenta que la explotación de recursos naturales y su proceso de trasformación causa grandes perjuicios al medio ambiente y hace que los procesos sean costosos, a partir de esto se comienza a investigar nuevas formas de llevar a cabo los procesos que antiguamente eran utilizados, pero minimizando costos y el daño al ambiente. A partir de esto nace la integración de procesos como una herramienta para optimizar toda clase de procesos desde el ámbito económico y ambiental. El presente proyecto de investigación implementó la integración de procesos, específicamente la integración energética, al proceso de producción de biodiesel a partir de palma de aceite, con el fin de optimizarlo y lograr que sea sustentable. Por lo tanto, de la simulación realizada se utilizó el análisis pinch, desarrollado por el ingeniero químico Bodo Linnhoff, como una estrategia para reducir al mínimo el consumo de servicios industriales de refrigeración y calentamiento necesarios por el proceso. A partir del análisis se determinaron las corrientes frías y calientes del proceso que necesitan ceder o recibir energía para que puedan ser utilizadas en él, se determinó las cantidades de energías necesarias para las corrientes frías y calientes, además, se determinó el potencial reducción de los servicios industriales y por último se diseñó una red de intercambio de calor optima en la cual los consumos energéticos fueron significativamente reducidos, lo cual puede captar la atención en todo lo referente a procesos de producción de biodiesel utilizando integración energética.

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EVALUACIÓN DEL PROCESO INTEGRADO DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE LA PALMA DE ACEITE

1. PROBLEMA DE INVESTIGACION

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La humanidad ha dependido para su desarrollo de los combustibles fósiles como fuente de energía. De una u otra forma se hace uso de estos diariamente, proporcionando fuerza, calor y luz. Además las ventajas que ha traído para la humanidad el uso de los combustibles fósiles en campos tan variados como el de los alimentos a través de la producción de fertilizantes, la industria de los plásticos, entre otras. Sin embargo, también son conocidos los impactos negativos que ha ocasionado sobre el ambiente la utilización indiscriminada del petróleo a través de la producción masiva de combustibles para transporte afectando así al ecosistema; además, la emisión de gases como el óxido de nitrógeno y óxido de azufre promueve la formación de la lluvia ácida1. Debido a los problemas ambientales generados por el uso de combustibles fósiles y el incremento de los precios del petróleo el uso de biocombustibles ha ganado una especial atención en el mercado global. En Colombia la mayor cantidad de energía que se produce proviene de dos fuentes principales: las hidroeléctricas ya que el país cuenta con un gran potencial acuífero y en segundo lugar se encuentran los combustibles fósiles, los cuales se están agotando. Gracias a su ubicación geográfica el país cuenta con las condiciones para poder utilizar energías renovables en regiones específicas del país como la biomasa, la mareomotriz, solar y la eólica. La biomasa es una de las fuentes de energías renovables que ha llamado mucho la atención al ser utilizada para producir biocombustibles como el biodiesel y bioetanol. Estas nuevas fuentes de energía se han venido desarrollando a nivel mundial con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, utilizar tierras que no estén cultivadas y así contribuir a la recuperación de la capa de ozono, desarrollar diferentes alternativas al petróleo y así mitigar el efecto de los combustibles fósiles sobre el planeta Tierra. El biodiesel es un biocombustible proveniente de aceites vegetales o grasas de origen animal, que puede ser usado total o parcialmente para reemplazar el combustible diesel de los motores de ignición sin requerir una modificación sustancial de los mismos. Las materias primas más frecuentes para la producción de biodiesel son los aceites de las oleaginosas de producción mundial, tales como el girasol, soya y la palma africana, aunque también se ha experimentado

1 URIBE M. Simulación de una planta piloto para la producción de biodiesel en el laboratorio de operaciones

unitarias de la ESIQIE. México D.F. 2010, 79h. Trabajo de grado Escuela superior de ingeniería química e industrias extractivas.

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numerosas fuentes alternativas como son la de los aceites de fritura reciclados y las grasas animales. Además se están utilizando otras materias primas como lo son la jatropha curcas y las algas.2 El proceso de obtención de biodiesel se lleva a cabo a partir de reacciones químicas de esterificación y transesterificación; estas reacciones por lo general utilizan catalizadores con el fin de aumentar la velocidad de reacción y obtener productos con mejor calidad.3 En general, hay tres categorías de catalizadores

utilizados para la producción de biodiesel: enzimáticos, ácidos y básicos.4 Los catalizadores enzimáticos pueden evitar la formación de jabones y facilitan la purificación; sin embargo, son poco utilizados debido a su alto costo y a que los tiempos de reacción son más largos en comparación con los demás. Los catalizadores de naturaleza básica y ácida pueden ser homogéneos o heterogéneos; los catalizadores más utilizados en este proceso son homogéneos debido a que son más económicos. Sin embargo, presentan desventajas asociadas a la necesidad de etapas de purificación, las cuales aumentan los costos del producto final, y generan problemas de contaminación por los efluentes producidos5; además, la fracción recuperada de estos catalizadores es pequeña

comparada con la cantidad utilizada de este en el proceso. Basándose en lo anterior se deduce que el proceso de producción de biodiesel se puede optimizar reduciendo los costos del mismo y así mejorar el rendimiento, la rentabilidad, conservar recursos y disminuir la contaminación. Es allí donde la integración de procesos juega un papel fundamental. La integración de procesos ofrece una metodología de trabajo que permite una fuerte interacción entre las unidades del proceso, los recursos y las corrientes, determinando unos objetivos de desempeño para el proceso y generando decisiones que permiten el alcance de esos objetivos.6 Dentro de los objetivos principales que tiene la integración de procesos se encuentran la reducción en el costo de materias primas, en el uso energía, en la inversión de capital, mayor énfasis en la seguridad de procesos, mejor desempeño ambiental y mayor calidad.

2 AVELLANEDA VARGAS Fredy A. Producción y caracterización de Biodiesel de palma y de aceite reciclado

mediante un proceso batch y un proceso continuo con un reactor helicoidal. Tarragona, 2010, 244h. Tesis

Doctoral (Ingeniería Química). Universitat Rovoira I Virgiri. Departamentd’ Enginyeria Química. ISBN: 978-84-

693-4594-8 [En línea]. Disponible en:

<http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/8588/Tesi.pdf;jsessionid=CE659ACC148CA6491310A3FB167580

E7.tdx2?sequence=1> . 3 BENJUMEA Pedro N; AGUDELO John R; RÍOS Luis. Biodiesel: Producción, calidad y caracterización. p. 1,2

4 DENNIS Y.C Leung, XUAN Wu, M.K.H. Leung. A review on biodiesel production using catalyzed

transesterification 5 RIOS Luis, FRANCO Alexander, ZULETA Ernesto. Producción de biodiesel de aceite de palma con

catalizadores básicos heterogéneos comparados con los homogéneos convencionales. 6 SÁNCHEZ TUIRÁN, Eduardo. Desarrollo de un proceso para el aprovechamiento integral de microalgas

para la obtención de biocombustibles. Bucaramanga, 2012, 193h. Tesis Doctoral (Ingeniería Química). Universidad Industrial de Santander.

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La integración de procesos se clasifica teniendo en cuenta los dos principales bienes consumidos y procesados (masa y energía) en integración másica y energética.7 La integración másica es una metodología sistemática que brinda un análisis de los flujos másicos globales del proceso y emplea este conocimiento en la identificación de objetivos de desempeño y optimización para la reutilización de especies a lo largo del proceso. El análisis pinch para reciclo de material permite el diseño de estrategias de reciclo lo cual garantiza una mínima descarga de corrientes de desecho y una reducción en el uso de material nuevo.8

Recientemente se han propuesto metodologías para el re uso de las corrientes de desecho para minimizar el consumo de recursos frescos y la descarga de desechos al ambiente. En este sentido, la síntesis de redes de reciclo y re uso para el intercambio másico constituye una de las herramientas más poderosas que permite la minimización simultanea de estos recursos así como la disminución de la descarga de desechos a través del reciclo de las mismas.9

Por otra parte, la integración energética es una metodología sistemática que se basa en el uso y aprovechamiento de la energía térmica que poseen las corrientes del proceso con el fin de disminuir el uso de servicios industriales, es decir, brinda un entendimiento fundamental sobre la utilización de la energía en el proceso y emplea este entendimiento en la determinación de estrategias óptimas de recuperación de energía disminuyendo los requerimientos industriales generando una reducción de los costos de operación.10 A partir de las situaciones anteriormente señaladas, en el presente proyecto se evaluó el proceso integrado de producción de biodiesel a partir de materia prima aplicando la integración energética para optimizar el proceso tanto económica como ambientalmente. 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo realizar redes de intercambio de calor con el fin de optimizar el proceso de producción de biodiesel a partir de aceite de forma segura y sustentable?

7 EL-HALWAGI. Process integration: Introduction to process integration. Edition 1, Oxford: Elsevier, 2006. 2 p.

ISBN-13: 978-0-12-370532-7. 8 EL-HALWAGI. Ibid., p.18

9 MOSQUEDA JIMÉNEZ Francisco W. Integración másica de procesos basada en propiedades considerando

simultáneamente aspectos económicos y ambientales. Morelia, 2010, 102h. Tesis Doctoral (Ingeniería Química). Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. División de estudios de posgrado facultad de Ingeniería Química. 10

SÁNCHEZ TUIRÁN, Eduardo. Op. Cit.

13

1.3 JUSTIFICACIÓN

Realizar una investigación en la producción de biocombustibles hoy en día es de gran importancia en todos los contextos ya que durante décadas los combustibles fósiles han constituido la principal fuente de energía a nivel mundial; sin embargo, el uso de recursos no renovables para el abastecimiento de las necesidades energéticas es una práctica insostenible. Es por eso que en años recientes se ha venido incentivando la aplicación de nuevas fuentes de energía, orientando la investigación hacia el aprovechamiento de recursos biomásicos que puedan ser utilizados de una forma sostenible y así alcanzar el uso racional y eficiente de energía11 lo cual es una de las mayores preocupaciones a nivel industrial, comercial y de transporte. El uso de nuevas fuentes de energía es una alternativa energética que ha ganado una especial atención en el mercado global. A pesar de esto, muchas veces han sido cuestionadas y aún están sujetas a superar varios problemas y muchos prejuicios. Es por eso que es tan importante y necesario seguir investigando lugares, métodos y procedimientos que hagan esta alternativa más viable técnica, social y económicamente.12 Debido a que todos los días toneladas de desechos son depositados en el medio ambiente, causando un acelerado e irreversible daño al lugar en que vivimos y afectando de esta manera la vida de todos los seres vivos esta trabajo tiene como fin evaluar el proceso de obtención de biodiesel desde su producción con principios ingenieriles implementando la integración de procesos. La metodología de integración de procesos es una herramienta para el diseño y análisis que enfatiza las etapas del proceso. Al aplicar el concepto de integración de procesos, específicamente la integración energética se espera reducir el consumo de los requerimientos energéticos de servicios industriales de calentamiento y enfriamiento. En un proceso cualquiera siempre hay corrientes que necesitan estar a una determinada temperatura (temperatura objetivo), para poder reaccionar o entrar a un equipo determinado, para lograr alcanzar esta temperatura objetivo normalmente se usan servicios industriales de calefacción en el caso de las corrientes que necesiten calentarse (corrientes frías) y de refrigeración en el caso de las corrientes que necesiten enfriarse (corrientes calientes). Estos servicios industriales hacen que el costo global del proceso se incremente. La mejor forma de reducir estos costos es mediante la implementación de la integración energética, la cual busca reducir los requerimientos de servicios industriales y así lograr una disminución en los costos globales de los procesos. Lo que quiere decir que conserva los recursos naturales en virtud de la disminución del consumo de

11

SÁNCHEZ TUIRÁN, Eduardo. Op. Cit. 109p. 12

AVELLANEDA VARGAS Fredy A. Op. cit.

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combustible y otras fuentes de energía necesarias para la generación de servicios de calefacción y de refrigeración13 La importancia del presente trabajo radica en tomar en cuenta simultáneamente aspectos energéticos y ambientales en el modelo de optimización, logrando que el proceso de producción de biodiesel a partir de aceite de palma sea eficiente en los dos rubros mencionados. Este trabajo se justifica plenamente al contribuir al beneficio de la sociedad y al cuidado del medio ambiente. Para su desarrolló fue necesario un equipo de cómputo con MS ExcelTM, ASPEN PLUS 8.4 y LINGO. Es decir, los requerimientos económicos para llevar a cabo este son bajos, con una gran posibilidad de obtener buenos resultados. Este trabajo de grado se estructura en base a dos paradigmas fundamentales, que han sido esenciales en la ingeniería de procesos los cuales son fenómenos de transporte y operaciones unitarias. El paradigma Operaciones Unitarias fue propuesto por Arthur D. Little en 1915. Este concepto abarcaba todo proceso de manufactura química que se resolvía por una serie de operaciones tales como la pulverización, desecación, calcinación, cristalización, filtración, evaporación, destilación, electrolisis, entre otros. Durante este proceso se perfeccionaron otros procesos analíticos de la ingeniería química, como el balance de materia y energía de los procesos y la base de termodinámica en los sistemas multicomponentes. Para desarrollar esta propuesta de investigación se hace necesario estudiar cada uno de los procesos de la producción de biodiesel y estos hacen uso de las operaciones unitarias para llevarse a cabo. Asimismo este trabajo se fundamenta en el paradigma de Fenómenos de Transporte debido a que además de estudiar cada una de las operaciones que se llevan a cabo en el proceso de producción de biodiesel se necesitan herramientas poderosas como el transporte de masa y conceptos algebraicos para analizar el proceso de producción de biodiesel y es precisamente esto lo que dio inicio a este paradigma ofreciendo una manera distinta de analizar los procesos. Este trabajo está fundamentado en las siguientes disciplinas: termodinámica, química, fenómenos de transporte y cinética química las cuales son necesarias para saber cómo se lleva a cabo la reacción, cuales son los procesos físicoquímicos presentes, así como los cambios químicos que ocurren en ella, los mecanismos que se usan o pueden ser usados, la energía necesaria y las condiciones para que se lleve a cabo; además la cinética química permite el estudio de la rapidez a la que ocurren las reacciones químicas del proceso de estudio. Disciplinas como las operaciones unitarias son necesarias a la hora de tener en cuenta los procesos de producción de biodiesel a nivel industrial ya que

13

EL-HALWAGI Mahmoud M. Op. Cit. 14p.

15

estos están fundamentados en esta disciplina, así mismo el control y simulación de estos es indispensable ya que brinda la posibilidad de llevar acabo los procesos y operaciones necesarias en la producción de biodiesel sin necesidad de comprar equipos; Además, cuantifica si las reacciones y el proceso integrado de producción de biodiesel será viable o no. Este trabajo, de igual manera, está justificado en las políticas de la Universidad plasmadas en el Proyecto Educativo Bonaventuriano (PEB) ya que a través del conocimiento se busca dignificar al hombre, orientando siempre esta propuesta al servicio de los demás y la valoración de la naturaleza. Además según los marcos socio-políticos propuestos por la Universidad de San Buenaventura a través del PEB en Colombia se está velando en la apertura e internacionalización de la economía y esta propuesta puede contribuir a que la economía del país progrese y es lo que se necesita actualmente ya que con el acuerdo del Tratado de Libre Comercio (TLC) la economía del país debe estar consolidada, lo cual es un reto; es por esto que la Universidad de San Buenaventura se ha comprometido a formar lideres capaces de afrontar los retos que surgen del fenómeno de la globalización.14 1.4 OBJETIVOS 1.4.1 Objetivo General

Evaluar el proceso integrado energéticamente de producción de biodiesel a partir de la palma de aceite con el fin de minimizar los requerimientos energéticos del proceso haciendo uso del análisis pinch

1.4.2 Objetivos Específicos Simular el proceso de producción de biodiesel haciendo uso de un simulador comercial ASPEN PLUS 8.4. Validar los datos obtenidos del biodiesel en la simulación con, datos reportados y las normas EN 14214 y ASTM D6751. Realizar la integración energética del proceso simulado a partir del análisis pinch. Proponer una red de intercambio calor (HENs). Determinar el potencial de reducción real de los servicios industriales a partir de la red de intercambio de calor.

14

Proyecto Educativo Bonaventuriano – PEB p. 34-36

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2. MARCOS DE REFERENCIA

2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS

En Colombia se ha venido incentivando la aplicación de energías alternativas, orientando la investigación hacia el aprovechamiento de recursos biomásicos que puedan ser utilizados de una forma sostenible y así alcanzar el uso racional y eficiente de energía. Es por esto que esta investigación tiene como objetivo optimizar el proceso de producción de biodiesel a partir de palma de aceite mediante la integración de procesos. Los modelos de optimización, que comúnmente proponen los ingenieros para sistemas de procesos, se centran, en general, en la minimización exclusiva de una función objetivo económica, sujeta al cumplimiento de balances de masa y energía, ecuaciones de diseño y restricciones de operación. Generalmente, esta aproximación da lugar a plantas industriales que producen emisiones de contaminantes y descargas de desechos hacia el ambiente, que causan graves daños a la salud humana, así como un deterioro de la fauna y flora. La incorporación de problemas ambientales a los procedimientos tradicionales de optimización, se realizó de manera indirecta en la década de los años 70s, cuando se realizaron las primeras investigaciones con respecto a la integración de procesos específicamente implementando las redes de intercambio de calor (HENs). En los 80s se comenzó a utilizar las redes de intercambio másico (MENs) cuyo problema y solución fue originalmente formulado por M. El-Halwagi y Manousiouthakis, tomando como función objetivo la minimización de los costos. Por otro lado, Luis F. Gutiérrez, Óscar J. Sánchez y Carlos A. Cardona en el año 2009 presentaron un trabajo donde se diseñó un proceso de obtención de biodiesel a partir de palma de aceite mediante la transesteficación in situ, además en el diseño se plantea el aprovechamiento de los residuos orgánicos de la palma para producir etanol, con el cual se llevara a cabo la transesteficación. Se propusieron diferentes formas de integración, se realizó la integración energética entre las corrientes de producción de biodiesel y bioetanol lo que dio como resultado una disminución de costos de energía del 4,3%, mientras que el material y la integración energética con plomo hasta el 39,8 % de disminución de estos costos.15

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GUTIÉRREZ Luis F., SÁNCHEZ Óscar J. y CARDONA Carlos A.. (2009). Process integration possibilities for biodiesel production from palm oil using ethanol obtained from lignocellulosic residues of oil palm industry. Bioresource Technology. 100. 1227-1237p.

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Anton A. Kiss en el 2010 publica un trabajo para la optimización del proceso obtención de biodiesel a partir de aceite vegetal usado a partir de absorción reactiva, este proceso fue diseñado y simulado en AspenONETM suite software de ingeniería y se trabajó como base una planta de producción de biodiesel de 10 kilo-toneladas por año y se utilizaron catalizadores solidos ácidos, en este proceso se eliminaron todas las operaciones relacionadas con catalizadores convencionales y con ayuda de la integración energética se logró una reducción de los costos del proceso y operativos, además de una disminución del impacto de estos procesos sobre el ambiente.16 En el 2010 Avellaneda Vargas Fredy en su tesis doctoral realizo un estudio acerca de la producción y caracterización de biodiesel de palma y de aceite reciclado mediante un proceso batch y un proceso continuo con un reactor helicoidal. Este trabajo está dividido en 4 partes principales, primero se realiza una introducción general donde se observa un panorama actual del biodiesel, segundo realiza un estudio de la producción de biodiesel a partir de aceite crudo, desgomado y pre esterificado de palma, tercero hace una comparación de la transesterificación de un aceite reciclado a escala de laboratorio con dos reactores, un reactor batch y un reactor tubular e continuo con cuatro configuraciones diferentes, y por ultimo lleva a cabo la producción y el análisis de la composición de biodiesel de aceite pre esterificado de palma obtenido con el reactor helicoidal con la mejor configuración seleccionada17. E. Sánchez, K. Ojeda, M. El-Halwagi, V. Kafarov en el 2011 realizaron la integración energética mediante el análisis pinch al proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas, el aceite proveniente de las microalgas fue sometido a un pretratamiento de esterificación para disminuir el porcentaje de ácidos grasos libres (FFA), ya que el contenido de FFA en esta materia prima es muy elevado y si se trata solo se somete a la reacción de transesterificación sin haber pasado primero por la de esterificación se producirá jabón, a partir de una reacción de saponificación, el cual es un producto no deseado. Luego del pretratamiento se lleva a cabo la reacción de transesterificación sin problemas donde se produce el biodiesel y glicerol. En esta investigación se logró simular una composición del aceite de microalgas más realista debido a que se usaron nueve triglicéridos y en trabajos anteriores solo se usaban de uno a cinco componentes. Después de realizar la simulación se calculó los requisitos mínimos de energía aplicando el análisis pinch mediante el software comercial Aspen HX -Net 2006.5 ™. La aplicación de la integración energética al proceso de producción de biodiesel a partir de aceite de microalgas dio como resultados una reducción

16

ANTON A. Kiss. (2010).Heat-Integrated Process for Biodiesel by Reactive Absorption. Computer Aided Chemical Engineering. 28. 1111-1116p. 17

AVELLANEDA VARGAS Fredy A. Ibid.

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de los servicios industriales para la refrigeración y calefacción por 11.3 y 13.3 %, en comparación con un proceso no integrado.18 S. Phuenduang, P. Chatsirisook, L. Simasatitkul, W. Paengjuntuek, y A. Arpornwichanop en el 2012 realizaron un trabajo en donde se simulo la producción de biodiesel a partir del aceite jatropha, el cual no es comestible, se sometió a hidrolisis los triglicéridos, luego los ácidos grasos obtenidos reaccionan con metanol en la reacción de esterificación, se implementando una destilación reactiva para mejorar la tarea de la reacción y la separación, pero esto le da un costo adicional al proceso con el fin, disminuir estos costo y por consiguiente disminuir el consumo energético del proceso de la destilación reactiva se consideró la integración energética. Los resultados obtenidos de la simulación se introdujeron en un simulador de diagrama de flujo el cual indico que se puede mejorar la producción de biodiesel reduciendo los requerimientos energéticos mediante la utilización de la integración energética, en comparación con sistema convencional no integrado.19 En el 2014 Peng Yen Liew y S. R. Wan Alwi, plantearon un algoritmo de orientación para la realización de integración energética en procesos en los cuales la oferta y demanda de energía es variable. En trabajos anteriores se propusieron procedimientos de focalización graficas basadas en los intervalos de tiempo (TSL) para lograr controlar la variación de la oferta y demanda energética. El algoritmo propuesto se utilizó en varios escenarios de trabajo ofreciendo mayor precisión y cálculos más rápidos, que los enfoques gráficos y esto se debe a que el núcleo del algoritmo son diagramas en cascada de calor a partir de los cuales se logra analizar los excesos de calor en los sistemas y también los requisitos mínimos energéticos, por otra parte, se consideran en esta nueva herramienta las pérdidas de calor de los sistemas de almacenamiento de energía, lo que sugiere que la herramienta también puede ser usada para estimar la capacidad de almacenamiento de calor requerida.20 En el 2014 Koku, S. Perry y Jin- Kuk Kim, realizaron una evaluación técnico-económica para la integración energética en el procesamiento de gas natural en aplicaciones de generación de energía, la energía fría de gas natural licuado (GNL) en los procesos de regasificación es desperdiciada, lo que muestra que este proceso es ineficiente, además, esta energía es arrojada al ambiente lo que representa efectos negativos para el ambiente. Se diseñaron cuatro opciones

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SÁNCHEZ E., OJEDA K., EL-HALWAGI M., KAFAROV V. (2011). Biodiesel from microalgae oil production in two sequential esterification/transesterification reactors: Pinch analysis of heat integration. Chemical Engineering Journal. 176-177. 211-216p. 19

PHUENDUANG Samapom, CHATSIRISOOK Porntida, SIMASATITKUL Lida, PAENGJUNTUEK Woranee, y ARPORNWICHANOP Amornchai. (2012). Heat-integrated reactive distillation for biodiesel production from Jatropha oil. Computer Aided Chemical Engineering. 31. 250-254p. 20

PENG Yen Liew, SHARIFAH Rafidah WAN Alwi. (2014). Algorithmic targeting for total site heat integration with variable energy supply/demand. Applied Thermal Engineering. 23p.

19

para la planta de GNL para producción de energía, la primera opción fue utilización de un Ciclo Criogénico electricidad (CCPC), la segunda, integración energética de GNL frío con ciclo Rankine, la tercera fue un CIPC con un bucle abierto circuito de agua (OLWC) y la cuarta opción CIPC con la utilización de GNL frío para la refrigeración de aire para la turbina de gas. En general todas las opciones optimizaron la generación de energía pero solo la segunda, la integración energética logro la eficiencia energética más alta y por consiguiente la mayor producción de energía. La integración energética dio una producción de potencia neta de 17,2 MW, alrededor de 6,5 MW más que la tercera y la cuarta opción, 9,8 MW más que la primera opción, además permite un ahorro considerable de 12.800.000 de dólares por año en costos de operación.21 Estos antecedentes investigativos son tomados como referentes para llevar a cabo este proyecto de investigación. 2.2 MARCO TEORICO

El petróleo es la fuente de energía más importante de la sociedad actual, y casi todo el mundo lo necesita. De una u otra forma lo usamos cada día en nuestra vida, nos proporciona fuerza, calor y luz; lubrica las maquinarias y a través de él se obtiene el asfalto para usarlo en las superficies de las carreteras; y de él se fabrican una gran cantidad de productos químicos que hacen más cómoda la vida diaria. A pesar de lo indispensable que resulta en nuestra vida, el petróleo hoy está fuertemente cuestionado. Además de la contaminación que genera tiene un gran problema asociado: los países occidentales no lo poseen en cantidad suficiente para abastecerse y dependen de países en conflicto con regímenes inestables que no garantizan su suministro; estos recursos deseados están controlados en gran medida por países islámicos poco afines a la sociedad occidental. Actualmente, el agotamiento de las reservas de petróleo constituye un grave problema, pues al ritmo actual de consumo las reservas mundiales se agotarían en menos de 40 años.22 La alta dependencia que el mundo tiene del petróleo, la inestabilidad que caracteriza al mercado internacional y las fluctuaciones de los precios de este producto, han llevado a que se busquen nuevas formas de energía más económicas y renovables como la energía solar, eólica, hidroeléctrica, el uso de biocombustibles, entre otras. Un hecho indudable es el crecimiento exponencial del consumo de energía per cápita con el desarrollo de la sociedad moderna, lo cual se ha evidenciado desde

21

KOKU Oludolapo, PERRY Simon y KIM Jin- Kuk. (2014). Techno-economic evaluation for the heat integration of vaporisation cold energy in natural gas processing. Applied Energy. 114. 250-261p. 22

CONPES. Lineamientos de política para promover la producción sostenible de biocombustibles en Colombia.

20

el comienzo de la revolución industrial a mediados del siglo XIX. Esta es una tendencia insostenible, suscitada por las sociedades consumistas actuales, y que es necesario llevar a límites aceptables en beneficio del futuro de la humanidad. En cuanto a la contaminación que ha generado el uso desaforado del petróleo se encuentran varios aspectos que son importantes señalar:

Deterioro ambiental generalizado.

Excesiva ocupación de espacios.

Sobreexplotación de acuíferos y contaminación del agua.

Migraciones a gran escala.

Tendencia al modo de vida urbano y a la pérdida de contacto con la naturaleza con un crecimiento desmesurado de los suburbios de las grandes ciudades.

Guerras, invasiones y represión en países subdesarrollados.

Desigualdad entre ricos y pobres.

Globalización

Problemas de la salud.

Es por eso que se han desarrollado cumbres con el fin de disminuir el impacto ambiental que ha tenido el uso de combustibles fósiles, una de estas cumbres fue la de Copenhague en la cual se buscaba que los países industrializados aceptaran emitir menos gases de efecto invernadero y que las potencias emergentes contuvieran su ritmo de producción. Así se evitaría un aumento en la temperatura de 2°C con respecto a los niveles preindustriales (1.2°C si se cuenta desde el 2009), que es el umbral que indica un calentamiento asumible. En la 15a Conferencia de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático, en sus conclusiones finales menciona que la comunidad internacional debería evitar que la temperatura aumente los 2°C. La ONU ha calculado que sería necesario que los países desarrollados emitieran entre un 25% y un 40% menos que en 1990, pero estuvieron dispuestos a emitir un 17%.23

Frente a la gravedad del problema y sus consecuencias, el protocolo de Kyoto se torna en un tímido intento y la Unión Europea ha propuesto reducir 2°C menos para el 2020. Es una tarea complicada, grande y que requiere toma de decisiones radicales tanto en los países industrializados como en los países en desarrollo. Con el fin de contrarrestar este problema se ha empezado a tomar los biocombustibles como una alternativa.

2.2.1 Los biocombustibles como alternativa.

En años recientes los biocombustibles han venido ganando cada vez una mayor importancia como combustible alternativo. La necesidad de desarrollar fuentes de energía renovables que reduzcan el impacto ambiental causado por los

23

AVELLANEDA VARGAS Fredy Op-cit

21

combustibles fósiles, el incremento en el precio del barril de petróleo, el agotamiento de los yacimientos de crudo, entre otros factores, han creado una atmosfera favorable para la producción a gran escala de estos.24

Los biocombustibles líquidos se definen como aquellos combustibles obtenidos a partir de biomasa que se encuentran en estado líquido en condiciones normales de presión y temperatura. Se usan en las calderas para la producción de calor y electricidad o en motores de combustión interna (biocarburantes).

Los biocarburantes se pueden dividir en dos ramas. La primera rama la constituye el bioetanol, el cual se obtiene de materias primas azucaradas (caña, remolacha), amiláceas (maíz, yuca) o la celulosa. La segunda rama está constituida por el biodiesel, el cual se obtiene principalmente de plantas oleaginosas (palma africana, soya, Jatropha, higuerilla, entre otros). El biodiesel es fácil de utilizar, biodegradable, no toxico y esencialmente libre de sulfuros y aromáticos.

El abastecimiento regular de energía limpia y renovable es uno de los mayores retos de la humanidad. Se buscan combustibles que suplan las necesidades energéticas de la población y al mismo tiempo protejan al medio ambiente, aunque los biocombustibles no son una solución al problema energético por sí solo. La cuestión de fondo no es solo buscar un reemplazo para el petróleo, sino tratar de reducir el consumo energético y mejorar la eficiencia, lo cual requiere un cambio de hábitos y de tecnología. El biodiesel y el bioetanol pueden ser solo una solución parcial. Además, su producción y uso aún tienen barreras sociales, ambientales, técnicas y políticas que superar o por lo menos aclarar. Si los sistemas de producción no son los adecuados y la planeación no es ética, el cultivo a gran escala de oleaginosas para producir biodiesel puede tener serios impactos sociales y ambientales.25

2.2.2. Generalidades del biodiesel.

El biodiesel es un combustible renovable derivado de aceites vegetales o grasas de origen animal, que puede ser usado total o parcialmente para reemplazar el combustible diesel de los motores de auto ignición sin requerir una modificación esencial de los mismos.

El uso del biodiesel como combustible y aditivo ha sido aprobado en Estados Unidos por la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA); este ha sido catalogado como un combustible limpio, siempre y cuando sus características

24

PLATA Vladimir; BLANCO Lady. Estudio de la transesterificación del aceite de palma con etanol en un sistema de reactores de flujo continuo para la producción de biodiesel. Bucaramanga, 2008, 41h. Trabajo de grado (Ingenieros Químicos). Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas. Área de Ingeniería Química. Disponible en el catalogo en línea de la Biblioteca de la Universidad Industrial de Santander. 25

AVELLANEDA VARGAS. Op.Cit

22

fisicoquímicas se encuentren dentro de las especificaciones de las normas europeas (UNE EN 14214), las cuales se encuentran registradas en el anexo A.

Los aceites vegetales están constituidos por moléculas de ácidos grasos y glicerol, este último es el que le proporciona a los aceites y grasas su elevada viscosidad. A través de la transesterificación se reemplaza el glicerol por un alcohol monovalente (metanol o etanol) formando moléculas de menor peso molecular (esteres mono alquílicos o FAME) las cuales poseen una viscosidad similar a la del combustible diesel derivado del petróleo. Esta reacción produce glicerina como subproducto, la cual posee numerosos usos en la industria.

La utilización comercial del biodiesel se ha visto limitada a la oxigenación de diesel convencional, la mezcla más común es la que tiene 20% de biodiesel y 80% de diesel, más conocida como B20. En algunos países industrializados ha sido utilizado con eficacia en mayores proporciones (B30), e incluso en su forma pura (B100). Al utilizar el B20 los efectos en la disminución de emisiones contaminantes son considerables, se alcanza una reducción del 10.1% de materia particulada, 21.1% de hidrocarburos y 11% de monóxido de carbono, mientras que cuando se utiliza 100% biodiesel, la disminución puede llegar a ser de 41%, 31%, 32.2%, respectivamente.26 En el mercado global el biodiesel es una alternativa que ha ganado una especial atención, aunque muchas veces ha sido cuestionado y aún está sujeto a superar varios problemas y prejuicios. Es por eso que es importante y necesario conocer las ventajas y desventajas del mismo con el fin de intentar corregirlas. Esto nos debe motivar a trabajar incansablemente, buscando espacios, y procedimientos que hagan esta alternativa más viable tanto económicamente como técnica y socialmente.

2.2.2.1 Ventajas del Biodiesel.

Actualmente muchos los países de la Unión Europea, Estados Unidos, Francia, Brasil, Argentina y Colombia han apoyado la utilización de biocombustibles con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, impulsar la descarbonización de los combustibles del trasporte, diversificar las fuentes de su abastecimiento, desarrollar alternativas al petróleo a largo plazo, utilizar tierras y reforestar la capa vegetal.27 - Disminución en emisiones contaminantes. En el 2002 la Environmental Protection Agency (EPA) realizo un estudio en la que se muestra las ventajas medioambientales que presenta la utilización de este biocombustible. Se observa que si este biocombustible se usa puro (B100) se logra una reducción del 90% de 26

AVILA Adrián; BULA Antonio; SANJUAN Homero. Cinética de la transesterificación de la oleína de palma africana con etanol. En: Interciencia. Vol. 33, num.3 (Mar., 2008); p. 232-236. ISSN: 0378-1844. 27

AVELLANEDA. Op. Cit.

23

hidrocarburos y una reducción del 75-90% en hidrocarburos aromáticos poli cíclicos. Así mismo reduce las emisiones de dióxido de carbono (78% menos) y dióxido de azufre, material particulado, metales pesados, monóxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles. - Compatibilidad y seguridad. El biodiesel puede ser almacenado en los mismos lugares donde se almacena el diesel de petróleo sin necesitar cambios en la infraestructura. Es un combustible más seguro y fácil de manipular debido a su alto punto de ignición (155-174°C) comparado con el del diesel que es aproximadamente 60°C. -Lubricidad. El contenido de oxigeno del biodiesel mejora el proceso de combustión y disminuye su potencial de oxidación. La eficiencia de combustión es más alta que el diesel debido al aumento de homogeneidad de la mezcla oxigeno con el combustible durante la combustión. El biodiesel contiene 11% de oxígeno en peso y no contiene azufre. Por esta razón el uso de biodiesel puede extender la vida útil de los motores porque posee mejores cualidades lubricantes que el combustible de diesel de petróleo, mientras el consumo, encendido y rendimiento. - Biodegradabilidad y toxicidad. El biodiesel es no toxico y se degrada cuatro veces más rápido que el diesel, debido a que su contenido de oxigeno mejora el proceso de degradación.

2.2.2.2 Desventajas del Biodiesel.

Los problemas técnicos del biodiesel se relacionan con su alta viscosidad, menor poder calorífico, comportamiento deficiente a bajas temperaturas, ligero aumento en las emisiones de NOx, desgaste en el motor y mayor dilución en el lubricante del motor. Además su mayor problema es el alto costo y la disponibilidad de la materia prima. Algunos sectores han hecho cuestionamientos sociales y responsabilizan a este biocombustible el aumento en el precio de los alimentos y la deforestación de zonas selváticas. En la tabla 1 se muestra un breve resumen de algunas desventajas del biodiesel.

Tabla 1. Desventajas del biodiesel.

Desventaja Descripción

Mayor viscosidad Debido a que el biodiesel tiene una viscosidad mayor que el diesel pueden existir problemas de pérdidas de flujo a través de los filtros.

Disminución del desempeño mecánico

Disminución del desempeño mecánico. Esto se debe a que el poder calorífico del biodiesel es menor reduciendo así la potencia del motor.

24

Emisiones de NOx El biodiesel puede aumentar o disminuir los óxidos de nitrógeno dependiendo de la materia prima del biodiesel. Entre más insaturadas sean las materias primas las emisiones de NOx serán mayores.

Problema para funcionar a bajas temperaturas

Cuando el biodiesel se encuentra a temperaturas bajas, se forman cristales lo cual puede generar obstrucciones en el sistema de inyección del combustible y otras partes de los automotores.

Precio El biodiesel es una alternativa tecnológica factible al diesel, pero en países desarrollados el costo de este es 1.5-3 veces más que el diesel. Es por esto que las políticas que realicen los gobiernos (subsidios, exención de impuestos, entre otros) afectaran la factibilidad económica del biodiesel.

Fuente: autor

2.2.3 Propiedades del diesel y biodiesel comercial. Las propiedades de un diesel y biodiesel comercial dependen tanto del proceso de fabricación como de la naturaleza de la materia prima. En el anexo B se observa de manera detallada cuales son las propiedades que poseen el diesel y biodiesel comercial. 2.2.4 Panorama actual de la producción de biodiesel en Colombia. Colombia, al igual que todos los países actualmente, requiere y está interesado en diversificar su canasta energética con el uso de combustibles diferentes al del petróleo. Desde el año 2005, el gobierno nacional con el CONPES 3510, estableció una política para biocombustibles que condujo a la producción de etanol a partir de caña y biodiesel de aceite de palma. El gobierno nacional ha venido implementando un conjunto de instrumentos de política orientados a la promoción de los biocombustibles a través del Plan Nacional de Desarrollo, del establecimiento de un marco normativo y del desarrollo de incentivos tributarios y financieros. Además, el Gobierno Nacional ha implementado lineamientos de política en varios sectores como la agricultura, la investigación y desarrollo, la infraestructura y el medio ambiente, que inciden en el desarrollo de los biocombustibles.28 Es necesario que Colombia aproveche las oportunidades que ofrece el mercado de los biocombustibles ya que se poseen los recursos necesarios y la ubicación geográfica apta para tener los cultivos de las materias primas (palma de aceite),

28

CONSEJO NACIONAL DE POLITICA ECONOMICA Y SOCIAL DE LA REPUBLICA DE COLOMBIA. Lineamientos de política para promover la producción sostenible de biocombustibles en Colombia. 2008. DNP: DDRS-DIES-DDUPA.

25

para lograrlo es necesario que se enfoquen los esfuerzos a mejorar la eficiencia productiva, de tal forma que los biocombustibles puedan competir con los combustibles fósiles sin la necesidad de subsidios. Para lograr este propósito, Colombia enfrenta el reto de avanzar en algunas áreas estratégicas, entre las que se encuentran:29

Consolidación de un marco institucional para la formulación de acciones relacionadas con el manejo de biocombustibles.

Reducción de los costos de producción de los biocombustibles en los puntos más críticos de la cadena productiva.

Incremento de la productividad de los biocombustibles en toda la cadena productiva.

Investigación y desarrollo.

Regulación de precios con el propósito de incentivar la producción eficiente de biocombustibles.

Diferenciación del producto colombiano para facilitar el acceso a mercados internacionales.

Actualmente existen en Colombia 6 empresas dedicadas a la producción de Biodiesel que entraron en operación desde el año 2008 que fue precisamente en Enero de ese año que la producción industrial de biodiesel inicio, las cuales están empleando aceite de palma como materia prima. Las empresas que mayor capacidad de producción por año son Biocombustibles Sostenibles del Caribe, Bio D, Ecodiesel de Colombia y Aceites Manuelita con una capacidad de 100.000, 115.000, 115.000 y 120.000 toneladas por año, respectivamente.30 2.2.5 Producción de biodiesel. Existen diversos procesos para la producción de biodiesel, de los cuales unos son más aceptados industrialmente que otros, uno de los más aceptados es la transesterificación ya que las tecnologías existentes para transesterificar son relativamente simples, y pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del proceso y la alimentación de este. La elección de la tecnología dependerá de la capacidad que se desee producir, alimentar, la calidad que se quiera obtener y la recuperación del alcohol y del catalizador. Cuando se habla de tecnologías se hace referencia a procesos discontinuos (batch) o procesos continuos. El proceso de producción de biodiesel de una manera muy general es como se grafica en la figura 1. Se observa que el aceite entra a un reactor donde reacciona con el catalizador ya sea de naturaleza acida o básica y con el metanol o etanol. Se mantiene en condiciones de constante agitación durante dos horas, en este

29

CONSEJO NACIONAL DE POLITICA ECONOMICA Y SOCIAL DE LA REPUBLICA DE COLOMBIA. Ibíd. 30

FEDEBIOCOMBUSTIBLES.[En línea]. Disponible en: http://www.fedebiocombustibles.com/v3/

26

tiempo los triglicéridos reaccionan con el alcohol formando cadenas de metil o etil-ester (biodiesel) y glicerina. Esta mezcla de biodiesel y glicerina se separa en un sistema de separación donde es clarificada, dividida y posteriormente enviada a los tanques de biodiesel y glicerina.

Figura 1. Representación gráfica de la producción del biodiesel.

Fuente: adaptado de Murillo

31

A continuación se hará mención de los procesos más aceptados para la producción de biodiesel. 2.2.5.1 Micro emulsiones. Son sistemas que consisten en agua, solvente orgánico y anfifilicos que constituyen una solución liquida de una sola fase, isotrópica y termodinámicamente estable. El objetivo principal de la utilización de micro emulsiones es el de reducir la alta viscosidad de los aceites mediante solventes simples como el alcohol. El desempeño de estas en los motores es similar al combustible diesel, alcanzando buenas características de atomización con una vaporización explosiva, lo que hace que la combustión sea mejor. 32 2.2.5.2 Craqueo térmico o pirolisis. La pirolisis es la conversión de una sustancia en otra mediante la adición de calor, en algunas ocasiones se puede utilizar un catalizador con el fin de romper los enlaces químicos y producir moléculas más pequeñas. Tiene la desventaja de este

31

MURILLO Jorge E. Producción de biodiesel a partir de aceite de palma. (2003). Trabajo de grado. Universidad Nacional. 17p 32

KORBITZ, W. World Fuel Ethanol Congress (Beijing, China 2001)

27

proceso es que requiere de equipos extremadamente costosos y tiene rendimientos de procesamiento muy bajos, además este proceso remueve el oxígeno, por lo que se pierde la ventaja de obtener un combustible oxigenado. 2.2.5.3 Transesterificación. Este proceso consiste en transferir un ácido graso esterificado a un alcohol. La transesterificación para la producción de biodiesel se realiza a partir de triglicéridos. Esta reacción es reversible, por lo cual es necesario utilizar en exceso de alcohol para forzar el equilibrio hacia el lado de los productos (biodiesel y glicerina). Los alcoholes que se utilizan en esta reacción son alcoholes simples como el metanol o etanol, aunque el más utilizado es el metanol, sin embargo el etanol es una buena opción ya que se puede obtener de fuentes renovables y no es tan toxico como el metanol. Cuando los triglicéridos reaccionan con un alcohol, las tres cadenas de ácidos grasos se van liberando paulatinamente combinándose con el alcohol para producir alquilesteres de ácidos grasos. Esto ocurre en una secuencia de reacciones reversibles que inicialmente los triglicéridos se convierten en diglicéridos, posteriormente a monoglicéridos y finalmente a glicerol, formándose en cada paso una molécula de éster.33 Estas secuencias de reacciones reversibles se observan en las figura 2. Estas reacciones se llevan a cabo en presencia de un catalizador que por lo general es el hidróxido de sodio (NaOH) a una temperatura de 60°C.

33

MA, F., HANNA, A. “Biodiesel production: a review”. BioresourceTechnology 70 (1999) 1-15.

28

Figura 2. Reacción de transesterificación, formación de diglicérido, monoglicéridos, esteres metílicos y glicerina.

Fuente: anónimo, modificado por el autor. En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final ya que sin estos no sería posible esta reacción. La reacción de transesterificación. Este proceso es el que produce combustibles de forma más limpia y respetuosa con el medio ambiente. Los catalizadores son necesarios para que ocurra la reacción y sea posible desde el punto de vista cinético. Esos catalizadores pueden ser ácidos, básicos o alcalinos, enzimáticos y heterogéneos34. 2.2.5.4 Catálisis acida.

La transesterificación es realizada por catálisis con ácidos Bronstead como el ácido sulfúrico; estos catalizadores producen rendimientos muy altos en esteres alquílicos pero las reacciones son lentas, necesitando temperaturas superiores a los 100°C y más de 3 horas de reacción para completar la reacción. Este proceso es especialmente utilizado en el caso de que el aceite tenga un alto grado de ácidos grasos, en cuyo caso este tipo de catalizador es el más recomendado.

34

RAMIREZ Luz María. Propuesta metodológica para la optimización ambiental de un proyecto de producción de biodiesel, aplicación a un proyecto en los llanos orientales. Bogotá, 2010, 67h. Trabajo de tesis de magister (Ingeniera Ambiental). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.

29

2.2.5.5 Catálisis alcalina. Es el tipo de reacción comúnmente utilizada para la producción de biodiesel. El catalizador es hidróxido de potasio. Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Cuando está finalizando la reacción la agitación debe ser menor con el fin de permitir que el glicerol se separe de la fase éster. Una de las desventajas de estos catalizadores es que deben ser anhidros para evitar que se produzcan reacciones secundarias, como la saponificación, la cual reduce el rendimiento del proceso. Además los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralice el catalizador y se formen jabones. 2.2.5.6 Catálisis enzimática.

Las lipasas son enzimas las cuales catalizan la división hidrolitica y la síntesis de enlaces de esteres en esteres de glicerina. Las lipasas se han aplicado en las síntesis químicas gracias a su estabilidad, tolerancia a los solventes y a que no requiere de coenzimas. En particular, el glicerol se puede separar fácilmente y también los ácidos grasos contenidos en el aceite reutilizado se pueden convertir completamente en esteres alquílicos. Comparada con la catálisis alcalina, la eficiencia de la reacción tiende a ser pobre, lo que la reacción requiera mayores tiempos de reacción y altas concentraciones de catalizador. La aplicación de este método aun no es viable comercialmente ni a gran escala debido a que posee cinéticas relativamente lentas y las condiciones de operación son bastante rigurosas, además los costos de los catalizadores son superiores. 2.2.5.7 Catálisis heterogénea.

Se han probado polímeros con unidades químicas que proporcionan sitios activos básicos no iónicos, como poliestireno/divinilbenceno, poliuretanos y alquilguanidinas soportadas, entre otros, los cuales presentan la ventaja, de que el catalizador no se incluye como una impureza y la cinética de separación de los productos es rápida. Este método no es viable para grandes volúmenes de producción, ya que es muy susceptible a las impurezas y los catalizadores son muy costosos. Actualmente, los métodos que más se utilizan en la industria de producción de biodiesel son la catálisis alcalina y la acida. La catálisis acida puede ser utilizada en procesos independiente o como un pre tratamiento antes de continuar el proceso mediante la catálisis alcalina. Es por esto que se hace necesario que se recupere el catalizador que se está utilizando para su reutilización.

30

2.2.5.8 Esterificación. Es una reacción de condensación en la cual se forman esteres. este proceso requiere dos reactantes; ácidos carboxílicos (ácidos grasos) y alcoholes. Las reacciones de esterificación se hacen en presencia de un catalizador acido como el ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido clorhídrico, entre otro, aunque el catalizador más utilizado es el ácido sulfúrico. La reacción de esterificación se observa en la figura 3.35

Figura 3. Reacción de esterificación.

Fuente: adaptado de Dennis Y.C et al.

2.2.5.9 Hidrolisis. La hidrolisis de lípidos forma un sistema heterogéneo de dos fases liquidas. La fase acuosa consiste en agua y glicerina; y la fase lipídica homogénea consiste de ácidos grasos y glicéridos. La hidrolisis de glicéridos se lleva a cabo en la fase lipídica en etapas mediante glicéridos parciales. Comúnmente se utiliza un catalizador acido ya que estos aumentan la velocidad de la reacción considerablemente. En la figura 4 se observa la reacción de la hidrolisis.36

Figura 4. Hidrolisis de triglicéridos.

Fuente: adaptado de Dennis Y.C. et al.

37

35

DENNIS Y.C Leung, XUAN Wu, M.K.H. Leung. Op. Cit. 36

AVILA GOMEZ Adrián E. Desarrollo de la cinética química de la reacción de transesterificación de la oleína de palma. Barranquilla, 2006, 103h. Tesis de magister (Ingeniero Mecánico). Universidad del norte. Facultad de Ingenierías. Área de Ingeniería Mecánica. 37

DENNIS Y.C Leung, XUAN Wu, M.K.H. Leung. Ibid.

31

2.2.5.10 Biocatálisis. Los biocatalizadores utilizados normalmente son las lipasas, las cuales deben ser mantenidas a unas condiciones adecuadas con el fin de mantener su actividad catalítica. El principal problema de este proceso es el tiempo de producción ya que es mucho mayor comparado con los catalizadores alcalinos.38 2.2.5.11 Metanol supercrítico. Este método realiza la reacción de transesterificación de los ácidos grasos sin la presencia de un catalizador, para lo cual lleva el metanol a un estado superior a su punto crítico. Este estudio es bastante reciente, pero los estudios que se han realizado han mostrado conversiones de biodiesel mayores al 95% en cuatro minutos. La reacción se lleva a cabo a una velocidad de 350°C, una presión de 30 MPa y una razón metanol/aceite de 42:1.39

2.2.6 Integración de procesos. El sector industrial contribuye de manera notoria en el desarrollo económico de los países y esto lo logra a partir del procesamiento o transformación de materia prima en productos de alto valor agregado, pero para esto hay que pagar un precio, el cual es, una demanda constante de recursos energéticos y de materiales. Por ende, se hace necesaria la mejora continua en los procesos industriales teniendo como objetivos principales la conservación de los recursos naturales, mejora de la productividad y la mitigación de la descarga de materiales ecológicamente dañinos40.

Con el pasar de los años la ingeniería química ha logrado desarrollar herramientas de diseño, análisis y optimización de los procesos pero estas muchas veces son útiles solo para unidades individuales de procesamiento (Equipos del proceso), son pocas las herramientas que pueden sintetizar todas las unidades o equipos de un proceso con las corrientes del mismo y son mucho más escasas aquellas que además, de sintetizar logran resolver los problemas de raíz, que no solo traten el síntoma, la integración de procesos es una herramienta de este tipo. La integración de procesos ofrece una metodología de trabajo que permite una fuerte interacción entre las unidades del proceso, los recursos y las corrientes, determinando unos objetivos de desempeño para el proceso y generando decisiones que permiten el alcance de esos objetivos. Actualmente hay tres tipos

38

Ibíd. 39

Ibíd. 40

EL-HALWAGI Mahmoud M. Op. Cit. p7.

32

de integración de procesos que son, la integración energética, de masa y de propiedades las cuales involucran tres actividades: identificación de tareas, determinación de objetivos, generación, selección y análisis de alternativas. 2.2.6.1 Integración energética. La integración energética es una metodología sistemática que mediante la aplicación de principios termodinámicos, permite establecer estrategias a nivel industrial que aprovechan las necesidades de refrigeración y calentamiento de las corrientes para reducir significativamente el consumo de servicios industriales que son necesarios en los procesos para llevar las corrientes del mismo a la temperatura objetivo, la cual se define como la temperatura a la cual es necesitada una corriente para ser utilizada o procesada en algún equipo de un proceso. La integración energética se realizó a partir del análisis pinch desarrollado por Bodo Linnhoff.

El análisis pinch consta de varios pasos:

- Determinar las corrientes frías y calientes del proceso - Extracción de información de las corrientes (flujo másico, capacidad calorífica

y temperaturas de entrada y salida). - Establecer un ΔTmin que garantice la transferencia segura de calor. - Elaboración del diagrama de intervalos de temperatura (TID) - Elaboración de las tablas de cargas de energía transferible (TEHL) para las

corrientes frías y calientes. - Elaboración del diagrama en cascada. - Actualización del diagrama en cascada donde se halla el punto pinch y nos

proporciona los requerimientos mínimos de calefacción y enfriamiento. - Elaboración de la gran curva compuesta. - Diseño de las HENs. - Análisis económico donde se tiene en cuenta los costos de operación y de

procesos.

33

En la figura 5 se observa una representación gráfica de una síntesis de una red de intercambio energético.

Figura 5. Síntesis de una HEN.

Fuente: EL-HALWAGI, 2006. PROCESS SYSTEMS ENGINEERING, Ed. 1.

2.3 MARCO LEGAL

La producción de biocombustibles a partir de vegetales se encuentra entre los principales medios para combatir el cambio climático, propósito internacional adoptado por un importante grupo de países a través del Protocolo de Kyoto, que contempla ventajas y ayudas financieras de la comunidad internacional para los países y entidades que lo implementen. Este protocolo forma parte de la legislación colombiana en virtud de la Ley 629 de 2000.41 La Directiva 2003/17.5/EC del Parlamento Europeo dispuso que en el año 2005 la proporción obligatoria de biocombustibles (incluyendo gasolina y diesel) fuera del 2%, porcentaje que se debe aumentar al 5.75% en el 2010 y al 20% en el 2020. De acuerdo con esta directriz, se estimó que la demanda europea para el año 2010 fue de 14 millones de toneladas de biocombustibles anuales, de las cuales 7.8 millones de toneladas corresponden a biodiesel.42 Resolución 1289 de 2005 (7 de septiembre): Determina los criterios de calidad de los biocombustibles para su uso en motores diesel y establece el 1 de enero de 2008 como fecha de inicio de la mezcla del 5% de biodiesel con el ACPM.43

41

Ley 629 de 2000. SECRETARIA GENERAL DEL SENADO. [En línea]. Disponible en: <http://www.secretariasenado.gov.co/senado/basedoc/ley/2000/ley_0629_2000.html> 42

Ministerio de Agricultura y desarrollo rural. [en línea]. Disponible en: <http://www.minagricultura.gov.co/archivos/biocombustibles.pdf> 43

Resolución 1289 de 2005.Op-cit.

34

El biodiesel es regulado a nivel mundial por un conjunto de normas: norma EN 14214 la cual describe los requerimientos para esteres de metanol (FAME), esta normas fueron hechas por el CEN (comité Europeo de normalización). También la norma ASTM D6751 la cual establece estándares para materiales, productos, sistemas y servicios y por último la norma ASTM D7467 la cual especifica el contenido permitido para diésel que contienen entre 6 y 20% de biodiesel. En Colombia el marco regulatorio que estimula la producción de biocombustible incluye los decretos que dictan las disposiciones para el aumento del porcentaje de la mezcla de biodiesel y los que establecen las exenciones tributarias con el objetivo de fomentar su uso; la deducción de impuesto de renta, la implementación de zonas francas para el desarrollo de proyectos de biocombustibles, entre otros; actualmente está en curso una modificación al decreto 1220 de 2005 en el cual se pretende incluir la obligatoriedad de licencia ambiental para los proyectos agroindustriales.44

44

. Decreto número 1220 del 2005. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. [En línea] Disponible en:<http://www.acp.com.co/documentos/normatividad/decretos/Licencias%20Ambientales.pdf>

35

3 DISEÑO METODOLÓGICO

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN.

Esta investigación obtiene sus fuentes y datos en la literatura con el fin de aplicar la optimización a través de la integración de procesos, así mismo el nivel de profundidad es de tipo evaluativo-comparativo ya que a partir de los resultados obtenidos se hará una evaluación económica de la implementación del método de optimización en cuestión y posteriormente se realizara una comparación entre el proceso con integración y sin integración.

La investigación evaluativa es un tipo especial investigación educacional cuya meta es valorar la aplicación del conocimiento descubierto (Barreto, 2006) y precisamente esta investigación tienen como objetivo principal evaluar económica y ambientalmente la implementación de la integración energética y másica del proceso de producción de biodiesel buscando solucionar el problema de la utilización de servicios industriales y el depósito de desechos al medio ambiente.

Además es comparativa ya que su objetivo principal es comparar el comportamiento de uno o más eventos en grupos relacionados con el fin de realizar una generalización empírica y de la verificación de hipótesis. Los términos se establecen en diferencias y semejanzas y con esta investigación se pretende comparar el proceso con integración y sin integración con el propósito de verificar la hipótesis de la investigación.

3.2 ENFOQUE ADOPTADO.

Las investigaciones pueden adoptar tres (3) tipos de enfoque: cualitativo o inductivo, cuantitativo o deductivo, mixto o combinación. El enfoque que adopta esta investigación es de tipo cuantitativo o deductivo ya que se lleva a cabo a partir de experimentación, relación entre variables, preguntas e hipótesis, análisis de datos y uso de razonamiento deductivo. Los datos a partir de los cuales se realizaran los análisis pertinentes serán determinados por el simulador de procesos industriales ASPEN PLUS 8.4, en donde los datos o información fueron recolectados para realizar mediciones numéricas. Luego de haber realizado las mediciones, están se analizaron para la realización de las conclusiones. 3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.

El diseño de la investigación es de tipo no experimental la cual ocurre cuando el investigador se limita a observar los acontecimientos sin intervenir en los mismos. Por medio de estos tipos de investigación se pueden comprobar hipótesis, se

36

utilizan métodos estadísticos para el tratamiento y análisis de datos. 45

3.4 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.

3.4.1 Fuentes primarias.

Para la recolección apropiada de los datos de la investigación se utilizó una técnica cuantitativa, la cual es la observación estructurada. Esta se caracteriza por asignar números y valores cuantitativos a los procesos o hechos observados. De esa manera se buscó simplificar la presentación y la comprensión de los mismos, y ofrecer algunas respuestas o soluciones precisas a los problemas y situaciones observadas. Se parte del supuesto de que la observación adquiere mayor "objetividad" cuando los datos obtenidos son susceptibles de cuantificación y cuando son organizados sistemáticamente, y en general cuando ésta se puede obtener por medio de escalas que se utilizaron como medida y punto de referencia de la observación.46 En este proyecto se realizó una simulación en ASPEN PLUS 8.4 que es un software muy reconocido académica e industrialmente. Para llevar a cabo esta simulación fue necesario utilizar una base de datos especial con la que cuenta el simulador llamada APV84 BIODIESEL, a partir de la cual se obtuvieron las moléculas de triglicéridos que no aparecen en la base de datos del simulador general. A partir de la simulación se obtuvieron los datos necesarios para llevar a cabo la integración energética a partir del análisis pinch y con el fin de validar la información obtenida del análisis se utilizó el software LINGO, el cual es un potente programa para la resolución y construcción de problemas lineales y no lineales, además también fue utilizado para la optimización del proceso estudiado.

3.4.2 Fuentes secundarias.

Para que esta investigación se lleve a cabo de una manera satisfactoria es necesario saber el estado del arte de la misma, para ello se realizaron consultas en artículos, tesis, libros, bases de datos reconocidas, búsquedas en la web para complementar y afianzar el campo de esta investigación los cuales sirvieron de referentes para este proyecto.

3.5 HIPÓTESIS DE TRABAJO.

Es posible optimizar el proceso de producción de biodiesel a partir de aceite de palma (Eleais guineensis) a través de la implementación de la integración 45

HERNÁNDEZ, FERNÁNDEZ, BAPTISTA. Metodología de la Investigación Quinta Edición, Mc Graw Hill. ISBN: 978-607-15-0291-9. México, 2010. 46

CERDA Hugo. Elementos de la investigación. 2ª. Edición. Editorial el búho LTDA, 1993. 449p. ISBN 31

37

energética haciendo mínima la utilización de servicios industriales para calefacción y enfriamiento y así reducir los costos en el proceso.

3.6 VARIABLES Las variables que se manejan en el proyecto de investigación son de tipo control

3.6.1 Variables dependientes.

Flujo másico

Presión

Capacidad calorífica

3.6.2 Variables independientes.

Temperatura

3.6.3 Operacionalización de las variables.

VARIABLE DEFINICIÓN INDICADOR

DEPENDIENTES

Flujo másico

Es la magnitud que expresa la variación de la masa en el tiempo a través de una área especifica

kg/h

Presión

Es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido

atm, Kpa

Capacidad calorífica

Cantidad de energía que debe suministrarse a una unidad de masa para aumentar una unidad de temperatura

kJ/kg K

INDEPENDIENTE Temperatura Medición de la energía interna de un sistema termodinámico.

°C, K

3.7 PROCESAMIENTO O MODELO PARA EL ANÁLISIS DE DATOS.

Una vez se obtuvieron los datos de la investigación en el simulador ASPEN PLUS 8.4, que son el uso de servicios industriales y el flujo y composición de las corrientes con integración energética y sin integración energética se propuso la HEN óptima para el proceso haciendo uso de programación lineal en el software LINGO y Microsoft Excel.

38

3.7.1 Simulación del proceso.

La simulación de procesos en la ingeniería ha ganado un puesto especial, ya que facilita y agiliza los cálculos que se requieren para poder diseñar un proceso, también brinda la posibilidad de experimentar sin necesidad de hacer cambios en planta, lo que puede conducir en un ahorro de tiempo y dinero. La simulación de un proceso nos brinda la posibilidad de experimentar con él y lograr comprenderlo para poder optimizarlo de manera eficiente y con el mínimo de riesgo. El uso de simuladores dentro del ámbito de la ingeniería química cobra una gran importancia debido a que minimiza el esfuerzo humano para la resolución de los cálculos complejos que normalmente lleva asociado un proceso de ingeniería. Por este motivo la simulación de varios procesos en serie facilita la toma de decisiones, ya que los resultados obtenidos permiten un análisis lógico del proceso.47 Hay una gran variedad de simuladores, pero entre los más utilizados se pueden encontrar Hysys, Chemcad, Súper Pro-Designer y Aspen Plus. Este último es un software de gran prestigio en el ámbito académico e industrial, muy usado y conocido por su amplia base de datos de componentes (dentro de la cuales se encuentra APV84 BIODIESEL que es una base de datos especial para los componentes de biodiesel) y por los paquetes termodinámicos, además, es un software fácil de manejar, por esto se seleccionó para simular el proceso de producción de biodiesel a partir de palma de aceite. Se cuenta con varias tecnologías de producción de biodiesel, en el país la más utilizada es la de catálisis alcalina o transesterifición catalizada por hidróxido de sodio o carbonatos de potasio y sodio, esta es la tecnología que se usó en este proyecto. En la figura 7 se muestra la simulación del proceso de producción de biodiesel a partir de aceite de palma africana. Para llevar a cabo la simulación de manera exitosa se utilizaron los paquetes termodinámicos NRTL, ya que este puede predecir y representar el comportamiento de sistemas en equilibrio líquido-vapor, pero no presenta buenos resultados al momento de modelar equilibrio liquido-liquido, para estos casos se usó el paquete RK SOAVE que cumple mejor esta tarea. El proceso fue diseñado en tres etapas principales: Primera etapa: aquí se toma la materia prima y se le realiza un pretratamiento, el cual consta de la reacción de esterificación, en donde los AGL presente en el aceite (materia prima) reaccionan para producir biodiesel, ya que el porcentaje de

47

W. JAIMES MEZA. (2013). Evaluación de tecnologías de extracción de aceite y producción de biodiesel de palma africana aplicando el análisis exergético. 32p

39

ácidos grasos libres debe ser menor al 1% en del total de la masa de aceite48 y se sabe que el porcentaje de AGL del aceite de palma esta entre 5% en masa. Si no se realiza el pretratamiento y la materia prima tiene un porcentaje muy elevado de AGL, se producirá jabón en la reacción de esterificación el cual es un producto indeseado, la reacción de esterificación se llevó a cabo en un reactor estequiometrico el cual tiene una conversión del 99%. La gran mayoría de los AGL se convirtieron en biodiesel, lo cual corresponde aproximadamente al 5,4% del biodiesel producido. Luego la corriente resultante de la esterificación (6) es enfriada en el intercambiador de calor B7 hasta llegar a una temperatura objetivo de 25°C y pasa por una etapa de decantación, donde se separa el agua producida en la reacción de esterificación (8), esto con el fin de evitar la producción de jabón en la reacción de trasesterificación. Después de reducir el contenido de agua (9), se neutralizo la corriente con hidróxido de sodio con el fin de neutralizar el exceso de ácido sulfúrico usado en la esterificación, esto ayuda a conservar equipos y tuberías aguas arriba del proceso esta corriente es bombeada y calentada hasta una temperatura objetivo de 70°C, para poder ingresar a la siguiente etapa. Segunda etapa: Una vez se redujo el %AGL del aceite, se procede a la transesterificación, en donde la corriente de metanol es mezclada previamente con hidróxido de sodio para reaccionar con la corriente de aceite (12) y producir metilesteres (Biodiesel) y glicerol como lo muestra la figura 3, la relación molar fue de 6:1 metanol-aceite y 1% de catalizador en peso de aceite49, según lo reportado en la literatura, para así evitar que la reacción sea reversible. La corriente 16 rica en biodiesel, con tiene exceso de alcohol el cual no reacciono, este puede ser reutilizado y así disminuir el flujo de metanol necesario en el proceso, por eso se utiliza la columna de destilación B4, en donde la fase liviana rica en metanol se separa de la fase pesada tica en biodiesel. Aproximadamente el 98% de metanol es separado, recuperado y recirculado. Tercera etapa: Cuando ya se obtiene todo el biodiesel posible, este contiene trazas de aceite y de alcohol que no reaccionaron, sales, catalizador y un poco de agua (18), todo esto fue retirado biodiesel para que cumplir con las normas de calidad y poder ser comercializado. La purificación del biodiesel comienza con una columna de lavado con agua en donde ingresa agua como agente extractor a 20°C y 120Kpa, con una relación molar de agua/biodiesel sin lavar de 65 para que el biodiesel cumpliera con los requisitos de la normal ASTM50, la corriente de biodiesel sin lavar fue previamente enfriada hasta una temperatura de 60°C (19), con este proceso se obtuvieron dos corrientes; la primera rica en metanol,

48

KOH, May Y., MOHD, Tania I. (2011). A review of biodiesel production from Jatropha curcas L. oil, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (5), 2240-2251. 49

KOH, May Y., MOHD, Tania I. Op. Cit. 50p. 50

W. JAIMES MEZA Op. Cit. 50p.

40

catalizador que no reacciono y glicerol producido en la transesterificación (23) y la segunda rica en biodiesel y con trazas de aceite (20). La corriente 23 es neutralizada con ácido sulfúrico en el reactor B11, luego pasa por una etapa de filtración para retirar las sales que se produjeron de la reacción de neutralización, la corriente resultante (24) pasa a la columna de destilación B18 en donde se separa el metanol y agua (Fase liviana) del glicerol (Fase pesada). Por otra parte la corriente 23 pasa a la columna de destilación B16 en donde se separa el aceite que no reacciono y el biodiesel el cual es enfriado hasta 25°C para poder ser almacenado y trasportado.

41

Figura 7. Diagrama de flujo del proceso de obtención de biodiesel a partir de palma africana.

Fuente: autor.

42

3.7.2 Validación de las características del biodiesel obtenido a partir de la simulación.

El biodiesel obtenido en el simulador de procesos industriales ASPEN ONETM debe fue validado con el fin de que cumplir con los estándares de calidad del biodiesel para su comercialización. Como se mencionó en la sección 2.3, el biodiesel es regulado a nivel mundial por un conjunto de normas y en este proyecto de investigación se verifico a partir de las normas EN 14214 y ASTM D6751 si el biodiesel obtenido estaba dentro de los límites establecidos por estas.

Las propiedades como la viscosidad cinemática (𝑛), la densidad (𝜌) y el número de cetanos (𝜑) se calcularon a partir de las ecuaciones encontradas en la literatura, para predecir dichas propiedades las cuales se presentan a continuación en las ecuaciones 1, 2 y 3.51

𝐿𝑛(𝑛𝑖) = −12.503 + 2.496𝐿𝑛(𝑀𝑖) − 0.178𝑁 Ec.1

𝜌𝑖 = 0.8463 + 4.9

𝑀𝑖+ 0.0118𝑁 Ec.2

𝜑𝑖 = −7.8 + 0.302𝑀𝑖 − 20𝑁 Ec.3 El subíndice “i” se indica que se calculó cada propiedad para cada uno de los metil esteres presentes en el biodiesel. Luego se usó la expresión general presentada en la ecuación 4. 𝑓𝑏 = ∑ 𝑧𝑖 𝑓𝑖

𝑛𝑖=1 Ec.4

3.7.3 Integración energética – análisis pinch. Terminada la simulación del proceso de producción de biodiesel a partir de palma africana, se estudió la posibilidad de contar con un diseño del proceso integrado energéticamente, con el fin de reducir el consumo de los servicios industriales que este utilizaba, para lograr esto se utilizó el análisis pinch, como fue mencionado en la sección 2.2.7.1, el cual consiste en una metodología sistemática que se sigue por los siguientes pasos:

51

RAMÍREZ VERDUZCO, L.F., RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ, J.E., y JARAMILLO JACOB, A.R. (2012). Predicting cetane number, kinematic viscosity, density and higher heating value of biodiesel from its fatty acid methyl ester composition. Fuel, 91(1), 102-111.

43

3.7.3.1 Extracción de información de las corrientes. El análisis pinch, comienza con la identificación de corrientes del proceso que deben ser calentadas (corrientes frías) y las corrientes que deben ser enfriadas (corrientes calientes), para la selección de estas se tuvo en cuenta solo las corrientes que no cambiaba su composición másica cuando eran enfriadas o calentadas. La selección de las corrientes se logró mediante con el uso de la figura 7 y los requerimientos energéticos del proceso, una vez se identificaron, se extraen de ella los datos que se necesitan para la integración energética. 3.7.3.2 Elaboración del diagrama de intervalos de temperatura (TID). Para la elaboración del TID se necesita definir una diferencia mínima de temperatura, la cual será la fuerza impulsora en la transferencia de calor de las corrientes, este se definió en diez grados Celsius (ΔTmin=10°C) ya que esta se recomienda como buena aproximación según lo revisado en la literatura52, además, se necesitan los datos que se extrajeron en la sección anterior. El diagrama de intervalos de temperatura consta de dos escalas de temperatura una para las corrientes frías y otra para las calientes, en donde las corrientes son simbolizadas con flecha verticales; donde, la cola de la flecha es la temperatura a la cual se suministra la corriente y la cabeza es la temperatura objetivo de esta. Con el TID se establece los intervalos de temperatura entre los cuales se trabajara y es factiblemente la transferencia de calor de las corrientes calientes a las frías. 3.7.3.3 Elaboración de las tablas de cargas de energía transferible (TEHL)

para las corrientes frías y calientes. Las tablas de energía trasferible se construyeron con la finalidad de calcular la cantidad de calor total que se puede transferir por cada intervalo de temperatura en el TID propuesto, tanto para corrientes frías y calientes. En la ecuaciones 5 se muestran la carga de energía transferible o intercambiable individual por cada intervalo en las corrientes calientes. 𝐻𝐻𝑢,𝑧 = 𝐹𝑢𝐶𝑝,𝑢(𝑇𝑧−1 − 𝑇𝑧) Ec.5

Dónde: 𝐻𝐻𝑢,𝑧 : Energía transferible desde la u-ésima corriente caliente, en el intervalo z.

𝐹𝑢: Flujo másico de la corriente caliente u-ésima.

52

EL-HALWAGI Mahmoud M. Op. cit. 251-252p

44

𝐶𝑝,𝑢: Capacidad calorífica de la corriente caliente u-ésima.

(𝑇𝑧−1 − 𝑇𝑧): Diferencia de temperaturas en la escala caliente que definen en el intervalo z. Después de haber determinado la carga individual para todas las corrientes del proceso en todos los intervalos de temperatura, se calculó la carga colectiva total en cada uno de los intervalos mediante la ecuación 6.

𝐻𝐻𝑍𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑ 𝐻𝐻𝑢,𝑧𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑢 𝑞𝑢𝑒

𝑝𝑎𝑠𝑎𝑛 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑧 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑧−é𝑠𝑖𝑚𝑜

Ec.6

De manera análoga se calculó las cargas de energía transferible individual y total para las corrientes frías, mediante las ecuaciones 7 y 8.53 𝐻𝐶𝑣,𝑧 = 𝑓𝑣𝐶𝑝,𝑣(𝑡𝑧−1 − 𝑡𝑧) Ec.7

Dónde: 𝐻𝐶𝑣,𝑧: Energía que se puede recibir en la v-ésima corriente fría.

𝑓𝑣: Flujo másico de la corriente frías v-ésima. 𝐶𝑝,𝑣: Capacidad calorífica de la corriente fría v-ésima

(𝑡𝑧−1 − 𝑡𝑧): Diferencia de temperaturas en la escala fría que definen en el intervalo z.

𝐻𝐶𝑍𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑ 𝐻𝐶𝑣,𝑧𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑣 𝑞𝑢𝑒

𝑝𝑎𝑠𝑎𝑛 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑧 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑧−é𝑠𝑖𝑚𝑜

Ec.8

3.7.3.4 Elaboración y actualización del diagrama en cascada. Con las cargas totales de energía transferible obtenidas en la sección anterior (3.7.3.3), se elaboró un diagrama en cascada el cual se basa en un balance de energía para cada intervalo, en donde es factible termodinámicamente la

53

EL-HALWAGI Mahmoud M. Op. cit. 262p

45

trasferencia de calor. En la figura 8 se muestra el balance de energía que se hace para cada intervalo con sus respectivas las entradas.

Figura 8. Balance de energía en cada intervalo de temperatura.

Fuente: EL-HALWAGI, 2006. PROCESS SYSTEMS ENGINEERING, Ed. 1.

Por lo tanto para cada intervalo z se define la ecuación 8. Donde 𝑟𝑧−1 y 𝑟𝑧 son los residuales que entran y salen del intervalo z respectivamente

𝑟𝑧 = 𝐻𝐻𝑍𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝐻𝐶𝑍

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 + 𝑟𝑧−1 Ec.8 Con la Ec. 8, se obtienen lo residuales del diagrama en casaca en donde el valor

más negativo se tomó como carga inicial para ser adicionada en el 𝑟𝑧−1 del primer intervalo y así actualizar el diagrama en cascada y obtener los servicios mínimos

de calentamiento (𝑄ℎ𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔𝑚𝑖𝑛 ) y refrigeración (𝑄𝑐𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔

𝑚𝑖𝑛 ), por ende el pinch point, el

cual se obtiene cuando el residual de algún intervalos alcanza el valor de cero

(𝑟𝑧 =0).54 3.7.3.5 Elaboración de la gran curva compuesta (GCC). La gran curva compuesta se construyó a partir de los residuales calculados con el diagrama en cascada actualizado y el promedio de temperaturas entre las escalas calientes y frías del TID, a partir de la GCC fue una herramienta útil para determinar los servicios industriales que convienen ser usados en el proceso, Además, se puede determinar gráficamente los servicios mínimos de calentamiento, refrigeración y el pinch point. Lo que indica que valido los datos obtenidos en el diagrama en cascada actualizado.

54

EL-HALWAGI Mahmoud M. Op. cit. 262-263p

46

3.7.3.6 Diseño de una red de intercambio de calor (HEN) óptima. Con la elaboración de la una red de intercambio de calor se pretende responde a la pregunta ¿Cómo se debe emparejar la corrientes calientes y frías?, ya que una vez se identificó el pinch point, este divide nuestra zona de trabajo en dos partes una por encima del pinch y otra por debajo, en cada zona es posible integrar o emparejar varias corrientes calientes con varias corrientes frías, el objetivo es buscar el mejor forma emparejamiento, en donde se logra llegar a los servicios mínimos de refrigeración y de calentamiento posibles, que fueron calculados en el diagrama en cascada. Para esto se recurrió a la programación lineal en donde se estableció una función objetivo mostrada en la Ecuación 9, en la cual los subíndices “u” representan las corrientes calientes y el “v” las frías. Además, se definieron varias restricciones que son mostradas en las ecuaciones 10 y 11, con esto se logró diseñar la HEN óptima.

𝐻𝑈𝑚𝑖𝑛 − (𝐻𝑇 − ∑ ∑ 𝑎𝑣,𝑢𝐻𝑢𝑣=𝑁𝐶𝑣=1

𝑢=𝑁𝐻𝑢=1 ) Ec.9

Donde:

𝐻𝑈𝑚𝑖𝑛: Cantidad de calor minima requerida en servicios industriales, (MW).

𝐻𝑇:Cantidad de calor total requerida de servicios industriales sin integración energetica, (MW).

𝐻𝑢: Energia que puede puede seder la corriente u, (MW). 𝑎𝑣,𝑢: Variable binaria que verifica que corriente fría se puede emprejar con las

corrientes calientes, que toma el valor de uno cuando se pueden emparejar las corrientes y cero cuando no se pueden emparejar.

𝑁𝐻: Numero de corrientes calientes. 𝑁𝐶 : Numero de corrientes frías

(𝐻𝑇 − ∑ ∑ 𝑎𝑣,𝑢𝐻𝑢𝑣=𝑁𝐶𝑣=1

𝑢=𝑁𝐻𝑢=1 ) ≥ 0 Ec.10

(𝐻𝑇 − ∑ ∑ 𝑎𝑣,𝑢𝐻𝑢𝑣=𝑁𝐶𝑣=1

𝑢=𝑁𝐻𝑢=1 ) ≤ 𝐻𝑈𝑚𝑖𝑛 Ec.11

Así mismo, para la elaboración de la HEN óptima también se tuvo en cuenta las reglas de población de corrientes, las cuales estipulan que por arriba del pinch point el número de corrientes frías debe ser mayor al número de corrientes calientes y por debajo del pinch point el número de corrientes calientes debe ser

47

mayor al número de corrientes frías, en las ecuaciones 12 y 13 se muestran estas dos reglas.55

𝑁𝐶 ≥ 𝑁𝐻 Ec.12

𝑁𝐻 ≥ 𝑁𝑐 Ec.13

55

EL-HALWAGI Mahmoud . Op. cit.

48

4 RESULTADOS

4.1 SIMULACIÓN DEL PROCESO.

El aceite de palma está compuesto principalmente por triglicéridos y ácidos grasos libres (AGL), los cuales comienzan a formarse una vez el racimo de la palma es cortado. Para la realización del proceso, se tuvo en cuenta que los ácidos grasos que forman el triglicérido son heterogéneos y homogéneos, en la figura 9, se muestra la composición del aceite de palma africana que se simuló en el caso base.

Figura 9. Composición del aceite de palma africana.

Fuente: Adaptado de W. Jaimes Meza, 2013.

49

La composición que se presenta en la figura 9, la utilizada para crear el aceite de palma que fue la materia prima en este proceso. El flujo másico obtenido de biodiesel fue de 12000 kg/h el cual equivale a un flujo volumétrico de 354000 l/Día aproximadamente, lo cual se encuentra dentro del rango de producción de las plantas colombianas, lo que es evidenciado en la tabla 2.

Tabla 2. Plantas productoras de biodiesel en funcionamiento en Colombia.

Región Empresa Capacidad Fecha entada en

operación Ton/año L/Día

Norte, Codazzi Oleoflores 60.000 193.477 ene-08

Norte, Santa Marta Biocombustibles Sostenibles del

Caribe 100.000 332.461 mar-09

Norte, Barranquilla Romil de la Costa 10.000 - -

Norte, Gálapa Biodiésel de la costa 10.000 - -

Norte, Santa marta Odin Energy 36.000 - -

Oriental, Facatativá Biodiésel de la costa 115.000 370.830 feb-09

Central, B/bermeja Ecodiesel de

Colombia 115.000 370.830 jun-08

Oriental, San Carlos de Guaroa (Meta)

Aceites Manuelita 120.000 386.953 jul-09

Oriental, Castilla la Grande (Meta)

Biocastilla 15.000 48.369 -

TOTAL 581.000 1.702.92

Fuente: Adaptado de Fedebiocombustibles.

50

En la tabla 3 se muestra las condiciones y los flujos que se obtuvieron en el proceso.

Tabla 3. Condiciones de salida y flujos de biodiesel de aceite de palma áfrica

producido.

Biodiesel

Temperatura (°C) 25

Presión (kpa) 101,3

Flujo Másico (kg/h) 12000

Flujo Molar (kmol/h) 42,8

Flujo Volumétrico (l/Día) 353835,6 Fuente: autor

En la tabla 4 se muestra la composición final del biodiesel obtenido a partir de aceite de palma.

Tabla 4. Composición en fracción másica de biodiesel de aceite de palma áfrica producido.

Biodiesel

Ácido Sulfúrico 0,0000

Aceite 0,0001

Agua 0,0008

Glicerol 0,0000

Sales 0,0000

Hidróxido de sodio 0,0000

Metanol 0,0000

M-Palmitato 0,4752

M-Mirístico 0,0005

M-Estearato 0,0254

M-Oleato 0,4168

M-Linoleato 0,0787 Fuente: autor

El biodiesel simulado cuenta con una composición libre de ácido sulfúrico, hidróxido de sodio, glicerol y sales, las cuales son formadas a partir de las reacciones de neutralización que se llevan a cabo en el proceso, para este caso las sales que se forman son sulfatos de sodio (Na2SO4). La composición de aceite no reaccionante es de 0,0001 y la del agua es de 0,0008 lo que quiere decir que estas trazas no afectaran el rendimiento del biodiesel. En caso contrario, se

51

presentan los metilesteres (M-palmitato, M-Mirístico, M-Estearato, M-Oleato, M-Linoleato) los cuales tienen composiciones más elevadas, la suma de la composición de los metilesteres es de 0,99, lo que indica que la corriente de biodiesel en su mayoría está conformado por estos.

En la tabla 5 se encuentran los flujos principales del proceso de producción de biodiesel a partir del aceite de palma africana, los cuales son los flujos de aceite y alcohol necesarios para poder producir los flujos de biodiesel y de glicerol, como subproducto en el presente trabajo.

Tabla 5. Flujos principales de entrada y salida en la simulación.

Entrada Salida

Aceite Metanol Biodiesel Glicerol

Flujo Másico (kg/h) 12500 1441,1 12000 1264,4

Flujo Molar (kmol/h) 16,3537 44,9 42,8611 15,1

Flujo Volumétrico (l/Día)

158483 43618,6 353836 25388,2

Fuente: autor

El flujo de entrada de aceite de palma al proceso es de 12500 kg/h y se logra producir 12000 kg/h de biodiesel, esto quiere decir que el rendimiento de la reacción es del 96%.

52

En la tabla 6 se presenta las condiciones de operación de algunas de las etapas que se utilizaron para lograr la producción de 12000 kg/h de biodiesel a partir de palma de aceite. Tabla 6. Condiciones de operación en la producción de biodiesel a partir de aceite

de palma.

Esterificación Transesterificación Lavado

Temperatura (°C)

70 70b 20c

Presión (kpa)

400 400 120c

Alcohol Relación molar alcohol - AGL

(2:1)

Relación molar alcohol - biodiesel

(6:1)b -

Agua - - Relación molar Agua- biodiesel

(65:1)c

Catalizador H2SO4 - 1,43% de aceitea

NaOH - 1% de aceiteb -

Conversión (%)

99 97b -

Fuente: adaptado de: aTawari et al.

56,

bFreedman B. et al.

57,

c Jaimes Meza W.

58

56

TIWARI, A.K., KUMAR A., y RAHEMAN, H. (2007). Biodiesel production from jatropha oil (Jatropha curcas) with high free fatty acids: an optimized process. Biomass and Bioenergy, 31. 569–575. 57

FREEDMAN B. et al. (1984). Variables affecting the yields of fatty esters from transesterified vegetable oils. Department of aguiculrute, Peoria, IL 61604. 58

JAIMES MEZA W. Op. Cit.

53

4.2 VALIDACIÓN DE LA CARACTERÍSTICAS DEL BIODIESEL OBTENIDO A PARTIR DE LA SIMULACIÓN.

En la tabla 7 se presenta condiciones y propiedades del biodiesel obtenido a partir de la simulación en ASPEN ONETM y los reportados por las normas EN 14214 y ASTM D6751.

Tabla 7. Condiciones y propiedades del biodiesel obtenido a partir de la simulación.

Biodiesel

EN 14214b

ASTM D6751b

Densidad a 15°C (kg/m3) 869a 860 - 900 -

Viscosidad cinemática a 40°C (mm2/s) 1,473a 3,5 - 5,0 1,9 - 6,0

Numero de cetanos 64,67a 51min 47min

Contenido de metilesteres, %masa 99,7 96,5min -

Contenido de triglicéridos, %masa 0,01 0,2 -

Contenido de diglicéridos, %masa 0,000 0,2 -

Contenido de monoglicéridos, %masa 0,1 0,8 -

Contenido de glicerol, %masa 0 0,2 0,02max

Contenido de metanol, %masa 0,002 0,2 -

Fuente: Obtenido por el autor a partir del simulador y a correlaciones de Ramírez Verduzco et al.

59 ,

b adaptado de Dennis Y.C. et. al.

60

Se evidencia en la tabla 7 que el porcentaje de metilesteres presentes es de 99,7%, la cual es superior a la mínima estipulada por la norma EN 14214 que tiene un valor de 96,5. Con respecto al contenido de triglicéridos, monogliceridos y metanol, glicerol y digliceridos se cumple con lo establecido en la norma. La viscosidad cinemática a 40°C, densidad a 15°C, y el número de cetanos fueron estimados mediante las correlaciones planteadas en la sección 3.7.2. En las figuras 10, 11 y 12 se muestra la variación entre las propiedades obtenidas y las

59 RAMÍREZ-VERDUZCO, L.F., RODRÍGUEZ-RODRÍGUEZ, J.E., y JARAMILLO-JACOB, A.R. Op. Cit. 60

DENNIS Y.C Leung, XUAN Wu, M.K.H. Leung. Op. Cit.

54

reportadas en la investigación realizada por Hoekman et al. para biodiesel de palma, jatropha y soya.61

Figura 10. Viscosidad cinemática del biodiesel a 40°C.

Fuente: autor.

La viscosidad cinemática a 40°C calculada a partir de las Ec.1 y Ec.4 es de 4,3 mm2/s, en la figura 10 se observa que las variaciones de las viscosidades cinemáticas del biodiesel a partir de palma, jatropha y soya publicadas por Hoekman et al. tienen una variación pequeña en comparación con la calculada en este proyecto. La viscosidad cinemática del biodiesel de palma reportada por este trabajo varía en un 8,1% con respecto a la reportada por Hoekman et al. para palma y jatropha. Por otra parte, la viscosidad cinemática de este trabajo con respecto a la reportada para soya varía 2,4% por encima. Esto indica que el cálculo de esta propiedad por la Ec.1 proporciona datos congruentes, los cuales se encuentran dentro de lo requerido por la norma ASTM D6751, sin embargo, se puede observar que los datos de viscosidad cinemática no se encuentran dentro los intervalos estipulados por la norma EN 14214. En la figura 11 se presenta densidad del biodiesel a 15°C calculada en este trabajo a partir de la Ec.2 y Ec.4, descritas en la sección 3.7.2 y la densidad del biodiesel reportada por Hoekman et al. para palma jatropha y soya.

61

HOEKMAN S.K., BROCH A., ROBBINS C., CENICEROS E., y NATARAJAN M. (2012). Review

of biodiesel composition, properties, and specifications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 143-169.

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

correlación Palma(Hoekman,

2012)

Jatropha(Hoekman,

2012)

Soya(Hoekman,

2012)

Vis

cosi

dad

cin

em

átic

a (m

m2 /

s)

Viscosidad cinemática a 40°C

correlación

Palma (Hoekman, 2012)

Jatropha (Hoekman,2012)

Soya (Hoekman, 2012)

Límite Superior ASTM D6751

Límite inferior ASTM D6751

55

Figura 11. Densidad del biodiesel a 15°C.

Fuente: autor.

La densidad del biodiesel a 15°C calculada fue de 869 kg/m3, la cual se encuentra entre los rangos estipulados por la norma EN 14214, del misma manera que las reportadas por Hoekman et al. La densidad calculada en este trabajo se encuentra cerca a la reportada, ya que esta varia en 0,4% por debajo de la reportada por Hoekman et al. para biodiesel de palma, en cuanto a la variación con respecto a la densidad de este biocombustible con respecto a la reportada por Hoekman et al. para jatropha y soya fueron de 0,8% y 1,5% respectivamente.

820

830

840

850

860

870

880

890

900

Correlación Palma(Hoekman,

2012)

Jatropha(Hoekman,

2012)

Soya(Hoekman,

2012)

De

nsi

dad

(kg

/m3)

Densidad a 15°C

Correlación

Palma (Hoekman,2012)Jatropha (Hoekman,2012)Soya (Hoekman, 2012)

Límite inferior EN 14214

Límite Superior EN 14214

56

En la figura 12 se presenta el número de cetanos para el calculado a partir de las Ec.3 y Ec.4, el cual es comparado con los datos reportados para esta propiedad por Hoekman et al.

Figura 12. Número de cetanos del biodiesel.

Fuente: autor.

El número de cetanos para el biodiesel a partir de aceite de palma para este trabajo fue de 64,67 mayor al mínimo requerido tanto por la norma EN 14214, como para la ASTM D6751. El número de cetanos calculado tuvo una variación de 4,1% por encima del número de cetanos reportado para biodiesel de palma por Hoekman et al. además, la variación con respecto los resultados para jatropha y soya fueron de 13,8% y 20,7% respectivamente. Esto sugiere que el biodiesel simulado en este trabajo, si fuera utilizado como combustible tendría una ignición bastante controlada. 4.3 INTEGRACIÓN ENERGÉTICA – ANÁLISIS PINCH

4.3.1 Extracción de información de las corrientes.

En tabla 8 y tabla 9 se muestran los datos requeridos para el análisis los cuales son, las temperaturas de suministro (Ts), objetivo (Tt), flujos másicos y calores específicos (Cp) los cuales se obtuvieron a partir de la simulación del proceso, en total se cuenta con dieciséis corrientes entre las cuales son nueve frías y siete calientes. En la tabla 8 se observa que las tres corrientes frías que fueron identificadas deben llegar a la misma temperatura objetivo de 70°C, y las diferencias entre temperatura objetivo y temperatura de suministro son relativamente iguales (Tt-

0

10

20

30

40

50

60

70

Correlación Palma(Hoekman,

2012)

Jatropha(Hoekman,

2012)

Soya(Hoekman,

2012)

Nu

me

ro d

e c

eta

no

s

Número de cetanos

Correlación

Palma (Hoekman,2012)Jatropha (Hoekman,2012)Soya (Hoekman, 2012)

Límite inferior EN 14214 Límite inferior ASTM D6751

57

Ts). En el caso de la tabla 9 las corrientes calientes H1, H2, H3 y H4 deben enfriase hasta la misma de temperatura de 25°C, sin embargo la diferencia entre temperatura objetivo y suministro son diferentes y en el caso de la corriente H5 la temperatura objetivo es mayor a la de las demás corrientes calientes.

Tabla 8. Corrientes frías para la integración.

Corrientes Frías Ts Tt Flujo

Másico Cp FCp

(°C) (°C) kg/h kJ/kg K MW/ K

S8 C1 25,5 70 247,1 247,1 0,24

S9 C2 25 70 12500 12500 12,5

S12 C3 25,3 70 12745,97 12745,9 12,7 Fuente: autor.

Tabla 9. Corrientes calientes para la integración.

Corrientes Calientes Ts Tt Flujo

Másico Cp FCp

(°C) (°C) kg/h kJ/kg K MW/ K

S7 H1 60 25 12747,1 -7,89724 -0,02796

MEOH-REC H2 28,4 25 1420 -7,46571 -0,00294

FAME H3 167,5 25 12000 -5,37797 -0,01793

OIL-REC H4 408,2 25 746,1 -5,00009 -0,00104

S13 H5 136,7 60 14110,2 -5,54563 -0,02174 Fuente: autor

4.3.2 Elaboración del diagrama de intervalos de temperatura (TID).

Para elaboración del TID se elaboró de acuerdo a las temperaturas de las corrientes de las tablas 8 y 9, a partir de las cuales se obtuvieron nueve intervalos de temperatura en los cuales es posible la transferencia de calor entre las corrientes frías y calientes del proceso. El TID es mostrado en la figura 13, a partir de este se construyó la tabla con cargas de energía transferible, ya que este nos muestra la energía transferible termodinámicamente en cada intervalo.

58

Figura 13. Diagrama de intervalos de temperatura – TID.

Fuente: autor.

4.3.3 Elaboración de las tablas de cargas de energía transferible (TEHL)

para las corrientes frías y calientes. Con la información suministrada por el TID, se construyó una tabla de cargas de energía trasferible (TEHL) para las corrientes frías y calientes del proceso, las cuales son presentadas en el Anexo F y G respectivamente. En donde los valores más altos de energía transferible para las corrientes frías se presentan en el intervalo tres el cual va desde 126,6759°C (Ts) hasta 70°C (Tt), con un valor de 3,2631MW. De igual manera en la tabla de energía transferible para las corrientes calientes el valor más alto se presentó en el intervalo tres el cual va desde 136,6759°C (Ts) hasta 80°C con una valor de 2,3066MW, esto se debe a que la mayoría de las corrientes tanto frías como calientes pasan por el intervalo tres y esto se corrobora en la figura 13. 4.3.4 Elaboracion y actualización del diagrama en cascada. Con el total de energía que pueden transferir las corrientes en cada intervalo, se realiza un diagrama en cascada a partir de balances de energía mencionados en la sección 3.7.3.3 y la Ec. 8, el diagrama en cascada es realizado y actualizado

para obtener el intervalo donde se encuentra el pinch point (𝑟𝑧 = 0) y los servicios mínimos industriales de calentamiento y refrigeración. En la figura 14 se observa que el pinch point se alcanza en el intervalo seis y los

servicion minimos de calentamiento (𝑄ℎ𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔𝑚𝑖𝑛 ) y refrigeracion (𝑄𝑐𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔

𝑚𝑖𝑛 ) en el mejor

de los casos son 0,7 MW y 0,5 MW respectivamente.

59

Figura 14. Diagrama en cascada actualizado en MW.

Fuente: Autor.

Los servicios de calentamiento y refrigeración que eran necesarios antes de la integración para llevar a cabo el proceso eficientemente eran de 5,8MW y 5,6MW respectivamente, por lo cual se infiere que los servicios industriales necesarios una vez se implementó la integración energética son notablemente menores. En la tabla 10 se muestra el potencial de reducción máximo posible de servicios industriales, en donde 87,58% de ahorros energéticos en servicios de calentamiento y 91,25% de ahorro energéticos para los servicios de refrigeración del proceso de producción de biodiesel.

60

Tabla 10. Potencial de ahorro en servicios industriales de calentamiento y refrigeración a partir del análisis pinch.

Servicio Industrial Proceso no integrado

(MW)

Proceso integrado

(MW)

Ahorro (%)

Calentamiento 5,8 0,7 87,5

Refrigeración 5,6 0,5 91,2 Fuente: autor.

De igual manera con el fin de corroborar la información obtenida a partir del diagrama en cascada, se realiza un algoritmo en el software LINGO en donde se obtienen los valores mínimos de refrigeración y calentamiento, el algoritmo es presentado en el anexo D y E.

4.3.5 Elaboración de la gran curva compuesta (GCC). En la figura 15 se muestra la gran curva compuesta obtenida a partir de la entalpia de los residuales calculados (eje x) en la figura 14 y el promedio de temperaturas de las escalas calientes y frías (eje y) presentadas en el TID, figura 13.En la cual

se corroboran gráficamente los valores de 𝑄ℎ𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔𝑚𝑖𝑛 y 𝑄𝑐𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔

𝑚𝑖𝑛 .

Figura 15. Gran curva compuesta.

Fuente: autor.

61

A partir de la GCC se observa que los servicios de calentamiento mínimos requeridos deben temperatura de aproximadamente 400°C y con requerimientos mínimos de aproximadamente 0,7 MW, por lo cual se recomienda como servicio de calentamiento un vapor de alta y no un aceite térmico. Con respecto a los servicios de refrigeración se muestran por debajo del pinch point, los cuales pueden se encuentran entre 20-25°C, con unos requerimientos energéticos mínimos de 0,5 MW aproximadamente, por lo cual no es necesario el uso de un refrigerante costo, se recomienda el uso de agua de enfriamiento, además se localizó gráficamente el punto pinch el cual está en las coordenadas (30 , 0). 4.3.6 Diseño de una red de intercambio de CALOR (HEN) óptima. Para el diseño de la HEN optima, primero se verifico el cumplimiento de las reglas de población de corrientes mencionadas en la sección 3.7.3.5, las Ec. 12 y 13. En donde por arriba del pinch point se obtuvieron tres corrientes frías y cuatro calientes, por lo cual no es posible diseñar una red de intercambio en esta zona, por debajo del pinch point se obtuvieron cuatro corrientes calientes y una corriente fría. Por debajo del pinch point si se cumple la regla por esta razón solo se planteó la red de intercambio de calor óptima por debajo del pinch point, a partir de la función objetivo (Ec.9) y las restricciones (Ec.10 y 11) planteadas en la sección 3.3.7.5, la cual es mostrada en la figura 16.

Figura 16. Red de intercambio de calor por arriba del pinch.

Fuente: autor.

La red de intercambio de calor planteada diseñada fue la que más se acercó a los porcentajes de la tabla 10, en la cual se logró el mejor emparejamiento entre corrientes calientes y frías del proceso. Estas redes deben estar estudiadas y

62

verificadas desde el punto de vista económico, ya que no necesariamente la red de menor costo es la más eficiente y viable en un proceso. En tabla 11 se presenta potencial de ahorro que se logró con la red intercambio de calor propuesta en esta investigación, aunque no fue factible el diseño de una red de intercambio por arriba del pinch point, se logró el máximo potencial de ahorro en los servicios de refrigeración presentado en la tabla 10, la reducción de servicios de los de refrigeración son significativamente altos, por lo cual se puede lograr una gran ahorro de económico, haciendo así el proceso económicamente viable.

Tabla 11. Potencial de ahorro en servicios industriales de refrigeración a partir del

análisis pinch.

Servicio Industrial Proceso no

integrado (MW) Proceso integrado

(MW) Ahorro (%)

Calentamiento 5,8 0,0 0

Refrigeración 5,6 0,5 91,2

Fuente: autor.

Aunque no hubo reducción en los servicios de calentamiento, el ahorro energético en servicios de refrigeración toma gran importancia al momento de plantear un análisis económico, ya que los costos de operación puede reducir drásticamente por que por lo general los servicios de refrigeración tienden a ser más costosos que los servicios de enfriamiento como en evidenciado en el anexo H.

63

5 CONCLUSIONES

La simulación del proceso de producción de biodiesel se llevó acabo de manera satisfactoria, utilizando el banco de datos para componentes “apv84 biodiesel”, y haciendo uso de una composición robusta del aceite de palma, con triglicéridos homogéneos y heterogéneos. De acuerdo al diseño propuesto, el cual incluye las etapas de esterificación (pretratamiento), transesterificación, recuperación del solvente y purificación, se alcanzó una producción de 12000 kg/h la cual equivale a 354.000 l/Día aproximadamente, la cual se encuentra dentro del rango de producción actual de las plantas colombianas que comercializan este biocombustible. El biodiesel resultante del proceso no contiene trazas de catalizadores (H2SO4 y NaOH), ni de sales, además este se encuentra entre los rangos estipulados por las normas internacionales EN 14214 y ASTM D6751 en lo referente a porcentajes en masa de triglicéridos, diglicéridos, monoglicéridos, metanol, glicerol y metilesteres. Las propiedades del biodiesel como viscosidad cinemática a 40°C, densidad a 15°C y numero de cetanos fueron predichas por las correlaciones planteadas por Ramírez-Verduzco et al. y fueron comparadas con las reportadas por Hoekman et al. para biodiesel a partir de palma, jatropha y soya, en donde las variaciones con respecto a las propiedades obtenidas son pequeñas. Las propiedades calculadas a partir de estas correlaciones (viscosidad cinemática, densidad, número de cetanos) resultaron dentro los rangos de las normas EN 14214 y ASTM D6751. Por lo cual se infiere que el biodiesel producido por esta planta se podría comercializar si la planta es llevada a escala real. Con la implementación de la integración energética, a partir del análisis pich se obtuvieron nueve corrientes frías y siete calientes, se elaboró el diagrama de intervalos de temperatura, las tablas de carga de energía transferible, el diagrama en cascada y la gran curva compuesta donde se aconseja el uso de vapor de alta presión y agua de enfriamiento para ser usado como servicios industriales de calentamiento y refrigeración respectivamente. Los servicios de calentamiento y refrigeración utilizados en planta no integrada energéticamente fueron de 5,8 MW y 5,6 MW respectivamente. Al diseñar la red de intercambio de calor (HEN) se observa que no se podía integrar por encima del pinch point, ya que no se cumplía con las reglas de población de corrientes, se diseñó la red de intercambio de calor por debajo del pinch point en donde el potencial de ahorros alcanzado para servicios de refrigeración fue de 91,2% y nulo para los servicios de calentamiento ya que por debajo del pinch no está permitido el uso de este tipo de servicios, solo por encima del pinch es posible.

64

6 RECOMENDACIONES

En la figura 7 se observa que hay corrientes de desecho (MEOH-WAT y OIL-REC) que pueden ser utilizadas, para esto se aconseja que en futuros trabajos realizar además de la integración energética la integración másica, con el fin de plantear estrategias de reciclo y reuso, de estas corrientes que están siendo desechadas. Esto traerá consigo grandes ahorros en materia prima, por lo tanto en los costos fijos de operación. La etapa de lavado consume gran cantidad de agua, se recomienda en futuros trabajos utilizar un lavado o método de separación que consuma una menor cantidad de agua, el cual podría ser un lavado en seco que utiliza resinas de intercambio iónico y no agua. El proceso de producción de biodiesel a partir de palma de aceite fue evaluado desde el punto de vista energético, se recomienda realizar un análisis económico o análisis de ciclo de vida.

65

GLOSARIO

ACEITE DE PALMA: Se produce del fruto de palma de aceite “Elaeis guineesis”, siendo comúnmente conocida como palma africana. El aceite de palma constituye actualmente en Colombia uno de los principales productos agrícolas, cuya importancia se ve reflejado en la economía del país y en el desarrollo social. Es utilizado como una materia prima importante para la elaboración de productos comestibles (aceites de fritura, mantequillas, confitería entre otros) y para la fabricación de jabones y detergentes, velas, cosméticos y biocombustibles62 En cuanto a la composición del aceite de palma, este contiene principalmente ácido palmítico y oleico. El 50% de su composición corresponde a los ácidos grasos saturados y el otro a ácidos grasos insaturados.63 ANFIFILICOS. Son aquellas moléculas que poseen un extremo hidrofilico, es decir, que es soluble en agua y otro extremo hidrófobo o sea que rechaza el agua. BIODIESEL: su nombre químico es metil ésteres de ácidos grasos, también conocidos como FAME (Fatty Acid Methyl Ester). Es una mezcla de mezcla de esteres mono-alquílicos de ácidos grasos de cadena larga de lípidos, provenientes de recursos renovables principalmente aceites vegetales o grasas animales, mediante reacciones de esterificación (ácidos grasos libres) y transesterificación (triglicéridos), siendo esta ultima la más utilizada. Puede ser usado solo o en mezcla con el diésel convencional para trabajar en motores diésel, ajustando las líneas y filtros de combustible en algunos casos.64 CATALIZADORES: son sustancias que están presentes en la mezcla reaccionante que modifica la velocidad de reacción sufriendo variaciones muy pequeñas o nulas. Existen catalizadores de naturaleza alcalina y de naturaleza acida, entre los alcalinos se encuentran el hidróxido de sodio (NaOH), el hidróxido de potasio (KOH), carbonatos y alcohoxidos de sodio y potasio, por otra parte dentro de los de naturaleza acida encontramos el ácido sulfúrico (H2SO4), el ácido clorhídrico (HCl). ESTERIFICACIÓN: reacción química para la síntesis de esteres. Se obtiene a partir de la reacción entre un ácido carboxílico con un alcohol, en presencia de ácido sulfúrico (H2SO4). Además de producir esteres, también produce agua la cual afecta la reacción ya que hidroliza el éster formado, ya que la esta reacción es reversible por lo general se utiliza alcohol en exceso para desplazar el equilibrio hacia la derecha.

62

FEDEPALMA. Palma de aceite. [En línea] Disponible en:http://fedepalma.org/palma.htm. 63

Shay, E.G., 1993. “Diesel fuel from vegetable oils: status and opportunities”. Biomass and Bioenergy 4, 227-242. 64

BORNSTEIN, J., BOWEN, C. “Biodiesel: Producción y aplicaciones”. Whitman Direct Action.

66

INTEGRACIÓN DE PROCESOS. Es un enfoque holístico para el diseño de procesos, adaptación y la operación que hace hincapié en la unidad del proceso65 TRANSESTERIFICACIÓN: reacción química que requiere de triglicéridos y un alcohol (metanol) y un catalizador que es el hidróxido de sodio (NaOH), a temperatura alrededor de los 60°C.

65

EL-HALWAGI Mahmoud M. Op. cit. 33p.

67

ANEXOS

68

ANEXO A. Propiedades fisicoquímicas del aceite de palma, biodiesel de palma y diesel de petróleo.

Propiedad Aceite de palma Biodiesel de palma Diesel

Densidad a 15°C (Kg/m3)

918 871.6 859.3

Viscosidad a 40°C (mm2/s)

39.6 4.73 4.33

Punto nube (°C) - 16 -3 Numero de cetano 42.0 62 46

% residuo carbonoso - 0.02-0.22 0.15

%azufre 0.02 0.04 0.29 Punto de ignición (°C) 267 155-174 60

Fuente: CIRIA J. Ignacio. Disponible en: www.wearcheckiberica.es

69

ANEXO B. Propiedades específicas del diesel y del biodiesel

PROPIEDADES ESPECIFICAS DE DIESEL Y BIODIESEL

PUNTO DE INFLAMACIÓN

Este parámetro se determina para satisfacer temas legales de seguridad. También es útil para conocer si existe una cantidad excesiva de alcohol no reaccionado en el proceso de obtención en el caso de biodiesel.

VISCOSIDAD

Debe poseer una viscosidad mínima para evitar pérdidas de potencia debida a las fugas en la bomba de inyección y en el inyector. Además, le da la característica de lubricidad al sistema de combustible.

DENSIDAD

Da idea del contenido en energía de combustible. Mayores densidades indican mayor energía térmica y una economía de combustible mejor.

CENIZAS SULFATADAS

Los materiales que forman cenizas en un biodiesel se pueden presentar de tres formas:

- Solidos abrasivos - Jabones metálicos solubles - Catalizadores no eliminados en el proceso.

En el caso del diesel, normalmente aparecen los sólidos abrasivos, jabones metálicos solubles o gomas solubles.

AZUFRE

Contribuye el desgaste del motor y la aparición de depósitos que varían considerablemente en importancia dependiendo en gran medida de las condiciones de funcionamiento del motor.

CORROSIÓN A LA LÁMINA DE COBRE

Mediante la comprobación del desgaste de una lámina de cobre se puede observar si existen en el sistema compuestos corrosivos y/o presencia de ácidos que puedan atacar al cobre o a aleaciones de cobre como el bronce que forman parte del sistema de combustible.

NUMERO DE CETANO

Es una medida de la calidad de ignición de un combustible influye en las emisiones de humo y en la calidad de la combustión. Un bajo número de cetano conlleva a ruidos en el motor, prolongando el retraso de la ignición y aumentando el peso molecular de las emisiones.

ÍNDICE DE YODO

Indica la tendencia a la oxidación de un biodiesel porque da idea del grado de instauraciones que poseen sus esteres.

PUNTO DE NUBE

Indica la temperatura a la cual empieza a precipitar ciertos compuestos del combustible. Es una medida muy importante a tener en cuenta cuando se usa el motor en climas fríos.

AGUA Y SEDIMENTOS

El agua se puede formar por condensación en el tanque de almacenamiento. El biodiesel puede absorber hasta 40 veces más agua que el diesel. Los sedimentos pueden ser debidos principalmente a un mal proceso de purificación del combustible o contaminación. Afectan principalmente a la temperatura de cristalización y al número de cetano.

RESIDUO CARBONOSO

Da una idea de la tendencia del combustible a formar depósitos carbonosos.

Fuente: CIRIA J. Ignacio. Disponible en: www.wearcheckiberica.es

70

ANEXO B. Propiedades específicas del diesel y del biodiesel (continuación). DESTILACIÓN Indica a temperatura máxima a la que se debe evaporar

el combustible a unas condiciones de presión y temperaturas dadas:

- El biodiesel a la temperatura de 360°C tiene que estar al 90% destilado, según la norma ASTM D1160.

El diesel a la temperatura de 360°C tiene que estar al 90% destilado, según la norma ASTM D86

NUMERO ACIDO, TAN

Determina el nivel de ácidos grasos, o generados por degradación, que se presentan en el combustible. Si pose un alto grado de acidez se formaran una cantidad importante de depósitos los cuales producirán corrosión en el sistema.

CONTENIDO EN METALES Y ACIDOS GRASOS

Contribuyen al aumento del residuo carbonoso de manera notable y también a las cenizas, generando residuos inorgánicos parcialmente quemados. Además, también se pueden formar jabones que se colmatan los filtros del combustible.

LUBRICIDAD Es la cualidad de un líquido para proporcionar una lubricación adecuada para prevenir el desgaste entre dos superficies en movimiento. Los combustibles con un contenido bajo en azufre o baja viscosidad tienden a tener una lubricidad menor.

GLICERINA LIBRE Determina el nivel de glicerina no enlazada presente en el biodiesel. Su presencia normalmente se debe a una mala purificación del biodiesel.

CONTENIDO EN ALCOHOL Puede provocar problemas de lubricidad y en el número de cetano. Desde el punto de vista de seguridad el punto de inflamación disminuye. Por otro lado, junto a la presencia de alcohol puede venir asociada glicerina disuelta en este con los consiguientes problemas antes comentados.

ESTABILIDAD A LA OXIDACION

Se determina la vida de almacenamiento y la degradación potencial de un combustible durante su almacenamiento. La oxidación de un combustible suele venir acompañada de la formación de gomas solubles e insolubles que pueden actuar de la siguiente manera:

- Gomas insolubles - Gomas solubles

Fuente: CIRIA J. Ignacio. Disponible en: www.wearcheckiberica.es

71

ANEXO C. Requerimientos del biodiesel según la norma europea ASTM D6751 y

EN 14214.

Propiedades Unidad Límites

ASTM D6751 EN 14214

Punto Flash °C 130min 101min

Viscosidad cinemática a 40°C mm2/s 1,9 -6,0 3,5 – 5,0

Numero de cetanos - 47min 51min

Índice de acidez mg KOH/g 0,80max 0,5max

Punto de nube °C - -

Densidad a 15°C kg/m3 - 860 – 900

Contenido de agua mg/kg - 500max

Contenido de metilesteres %(m/m) - 95,5

Contenido de Metanol %(m/m) - 0,2max

Contenido triglicéridos %(m/m) - 0,2max

Contenido de diglicéridos %(m/m) - 0,2max

Contenido de monoglicéridos %(m/m) - 0,8max

Contenido de glicerol %(m/m) 0,240max 0,25max

Contenido de cenizas sulfatadas %(m/m) 0,020max - Fuente: Adaptado de DENNIS Y.C. et al.

66

66

DENNIS Y.C Leung, XUAN Wu, M.K.H. Leung. Op. Cit.

72

ANEXO D. Algoritmo planteado en LINGO.

Fuente: autor.

73

ANEXO E. Resultados del algoritmo en LINGO.

Fuente: autor.

74

ANEXO F. Tabla de cargas de energía transferible (TEHL) para las corrientes frías.

Fuente: obtenida por el autor.

75

ANEXO G. Tabla de cargas de energía transferible (TEHL) para las corrientes calientes.

Fuente: Obtenida por los autor.

76

Anexo H. Costo de servicios industriales.

Servicios Energéticos Costo (USD)

Gas natural $4 – 8 /MM Btu

Petróleo $12 – 15/MM Btu

Vapor $4 – 15/ton

Electricidad $0,05 – 0,10/KWh

Torre de agua de enfriamiento

$0,03 – 0,10/m3

Agua de proceso $0,50 – 1,51/m3

Refrigerante $20 – 50/MM Btu

Fuente: adaptado de EL-HALWAGI, 2006. PROCESS SYSTEMS ENGINEERING, Ed. 1..67

67

EL-HALWAGI. Op cit.

77

Anexo I. diagrama general del proceso de obtención de biodiesel a partir de palma africana.

Fuente: autor.

78

ANEXO J. Descripción de las corrientes de la simulación.

Fuente: Autor.

Corriente Descripción

ACID Ácido sulfúrico utilizado para la reacción de esterificación

MEOH Metanol puro utilizado para la reacción de esterificación

OIL Aceite de palma para la producción de biodiesel

METHANOL metanol puro utilizado para la reacción de transesterificación

NAOH2 Hidróxido de sodio, catalizador de la reacción de transesterificación

NAOH Hidróxido de sodio, utilizado para la primera reacción de neutralización

WATER Agua utilizada en el lavado del biodiesel

H2SO4 Ácido sulfúrico utilizado para la segunda reacción de neutralización

5 Mezcla caliente de metanol y ácido sulfúrico que entra a el reactor de transesterificación

2 Aceite caliente de entrada al reactor de esterificación, con 5% de AGL

7 Mezcla de biodiesel, ácido sulfúrico, metanol y agua , con 0,9% AGL

9 Biodiesel libre de agua y con trazas de ácido sulfúrico el cual será neutralizado

12 Aceite libre de AGL y biodiesel obtenido en la reacción de esterificación

15 Mezcla de metanol e hidróxido de sodio que entra al reactor de transesterificación

16 Corriente de salida del reactor de transesterificación

26 Metanol recuperado y recirculado

17 Corriente rica en biodiesel y glicerol con trazas de aceite, catalizador y alcohol

20 Corriente rica en biodiesel sin catalizador, glicerol y trazas de alcohol

23 Corriente rica en glicerol, trazas de agua, alcohol y catalizador, el cual será neutralizado

25 Corriente rica en glicerol, que contiene trazas de alcohol y agua

SOLIDS Sales producto de la neutralización (sulfato de sodio)

MEOH-WAT Mezcla residual de agua y metanol separada de la corriente de glicerol

OIL-REC2 Aceite residual no reaccionante

GLICEROL Corriente de glicerol subproducto del proceso de producción de biodiesel

BD-FINAL Corriente de biodiesel purificada