TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS - CENIDET...cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Coordinación de Mecatrónica TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS Diseño,

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Coordinación de Mecatrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Diseño, Construcción y Pruebas de un Prototipo para la Producción de Biodiesel a Partir de Aceites Provenientes de Recursos Renovables

presentada por

Felipe de Jesús Torres del Carmen Ing. en Electromecánica por el I. T. de Acapulco

como requisito para la obtención del grado de:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica

Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez

Co-Director de tesis:

Dr. Guadalupe López López

Jurado: Dr. Sara Lilia Moya Acosta – Presidente

Dr. Rigoberto Longoria Ramírez – Secretario Dr. María del Refugio Trejo Hernández – Vocal

Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez – Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 29 de Enero de 2008

Dedicatoria

Con este trabajo de tesis se ve cumplido un objetivo muy importante en mi vida

personal, realizar un estudio de maestría en ciencias.

Deseo ofrecer el resultado de este esfuerzo al único que es digno de recibir todo

el honor y gloria, a Dios, mi Señor Jesús.

Hago una dedicación especial a mis padres y hermanos, mi familia en el

presente; a mi novia y amor de mi vida, mi familia en un futuro.

“Terminar una obra vale más que comenzarla: lo que cuenta es la

perseverancia, y no la pretensión”

Ec 8:8

i

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Página en blanco intencionalmente.

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Agradecimientos

Doy Gracias, a Dios, mi Señor Jesús, por estar siempre conmigo en todo momento,

gracias por la vida que me das, gracias por brindarme tu amor y sabiduría, gracias a

ti Jesús.

Agradezco el apoyo, amor y comprensión de mis padres Carlos y Clara, el cariño de

mis hermanos Andrés y Maricarmen.

Gracias Silvia por ser la persona que durante este tiempo me has dado fuerza,

confianza, amor y felicidad.

Un agradecimiento para mis compañeros y amigos: Daniel, Fabio, Iván, Ernesto, Ángel,

José Beltrán, Orlando, Marco, Alberto, Crisanty y Burelo; con quienes compartí

circunstancias imborrables en el transcurso de la maestría.

Gracias a mi asesor el Dr. Rigoberto Longoria, por su entusiasmo y compromiso con el

trabajo de tesis.

Gracias a Anita, Lic. Guadalupe y Lic. Maquinay, así como a todo el personal que labora

en el cenidet, docente y administrativo.

Gracias también, a las instituciones CONACYT y DGEST por el apoyo económico en el

transcurso de la maestría.

“Confía en el Señor, con todo el corazón, y no te fíes de tu propia sabiduría. En

cualquiera cosa que hagas, tenlo presente: él aplanará tus caminos”

Pro 3:5,6

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Resumen

En este trabajo de investigación se planeó conjuntar, bajo el concepto mecatrónico, aspectos químicos, mecánicos, electrónicos y de computación para producir biodiesel a escala piloto, utilizando como materia prima aceites de origen vegetal en un proceso automatizado. La utilización de aceites de origen vegetal se escogió, principalmente, para ofrecer una alternativa más en el aprovechamiento de la copra en regiones con alto potencial para el cultivo de la palma de coco, tomando en consideración que este cultivo se ha visto disminuido a consecuencia del ingreso al país, en los últimos quince años, de aceites de origen vegetal como la canola y el de soya. En particular, el estado de Guerrero podría volver a ocupar su lugar como primer productor de copra en el país y consecuentemente en la producción de biodiesel a partir de este producto agrícola, beneficiando económicamente a una gran proporción de su población. El proceso químico de transesterificación para la producción de biodiesel fue investigado a nivel laboratorio y de planta piloto, tomando en cuenta las condiciones de temperatura, concentración de reactivos, velocidades de agitación y tiempos de separación; variables que influyen directamente en el rendimiento o el grado de conversión de los triglicéridos. Se llevaron a cabo experimentos con diferentes aceites de origen vegetal puros como el de coco, de soya, higuerilla y de cocina, encontrándose una temperatura de 65°C como la más recomendable para el proceso que se efectúe a presión atmosférica. Los materiales de construcción de los componentes del prototipo fueron seleccionados considerando las propiedades químicas de los reactivos y sus costos. Dispositivos electrónicos, como el microcontrolador e instrumentación utilizada para sensar cada una de las variables a controlar, se eligieron contemplando las características técnicas que permitieron la automatización del proceso en el prototipo. La incorporación de circuitos electrónicos adecuaron las señales eléctricas para manipular elementos como válvulas solenoide, motor del agitador y resistencias de calentamiento. Otro aspecto importante en este trabajo fue la programación del microcontrolador, lo cual permitió llevar a cabo en el prototipo, de forma automática, las diferentes etapas que intervienen en el proceso, como las de medición de volúmenes de reactivos, temperaturas de calentamiento, tiempo de reacción, tiempo de separación de los productos de la reacción (biodiesel y glicerina) y decantación de la glicerina.

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Página en blanco intencionalmente.

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Abstract

Within this research work was planned to put together, under a mechatronic concept, chemical, mechanical, electronic and programming aspects in order to produce biodiesel at pilot scale using, as raw material, vegetable oils and an automatic process. The utilization of vegetable oils was mainly chosen to offer one more alternative for the copra uses in regions with a high potential for coconut palm cultivation, considering that its cultivation has been diminished in the country as a consequence of the importation of vegetable oils of canola and soybean during the last fifteen years. Particularly, the Guerrero state could recover its prominent position as the first producer of copra in Mexico and, consequently, the first producer of biodiesel, having as a result the economic benefit for its population. The chemical process of transesterification for the biodiesel production was investigated at laboratory and in the pilot plant, considering temperature conditions, reagents concentration, mixing intensity and separation times. These variables have a direct influence in the reaction conversion grade of the triglycerides and in its yield. The experiments were carried out using different kinds of vegetable oils like coconut, soybean, castor oil bean and kitchen oil, being a temperature of 65°C the most recommended when the process is at atmospheric pressure. The prototype materials of its components were selected considering the chemical properties of the reagents and their cost. Electronic devices as the microcontroller and the measurement and control instruments of the different variables were chosen contemplating the technical characteristics that allowed the automation of the process. The incorporation of electronic circuits adapted the electric signs to manipulate mechanical elements like solenoid valves, motor agitator and heating resistances. Another important aspect in this project was the microcontroller programming, which allowed in an automatic way to carry out all different stages that intervene in the process like: reagents volume calculation, heating temperatures, reaction time, separation time and the glycerin decantation.

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Contenido

Lista de figuras .............................................................................................................................xii Lista de tablas ............................................................................................................................. xiii Nomenclatura ..............................................................................................................................xiv

Letras minúsculas .............................................................................................................................................. xiv Letras mayúsculas ............................................................................................................................................. xiv Letras griegas ..................................................................................................................................................... xv Símbolos............................................................................................................................................................. xv

Abreviaturas ................................................................................................................................xvi CAPÍTULO 1 Antecedentes ..........................................................................................................1

1.1 Marco Teórico ............................................................................................................................ 1 1.1.1 Orígenes del biodiesel ............................................................................................................................ 2 1.1.2 Obtención de biodiesel ........................................................................................................................... 2

1.1.2.1 Aceites y grasas ............................................................................................................................ 3 1.1.2.2 Transesterificación........................................................................................................................ 4 1.1.2.3 Mecanismo de la reacción de transesterificación.......................................................................... 4

1.1.3 Uso del biodiesel .................................................................................................................................... 61.1.3.1 Especificaciones ........................................................................................................................... 6

1.2 Planteamiento del problema ..................................................................................................... 7 1.2.1 Producción mundial de biodiesel................................................................................................................. 7 1.2.2 Producción de biodiesel en México........................................................................................................ 8

1.2.2.1 Producción de aceite vegetal en México....................................................................................... 9 1.2.3 Justificación.......................................................................................................................................... 11 1.2.4 Problema .............................................................................................................................................. 12 1.2.5 Hipótesis............................................................................................................................................... 13

1.3 Objetivos ................................................................................................................................... 13 1.3.1 Objetivo general ................................................................................................................................... 13 1.3.2 Objetivos particulares........................................................................................................................... 13

1.4 Estado del arte.......................................................................................................................... 13 1.5 Aportaciones............................................................................................................................. 14 1.6 Limitaciones.............................................................................................................................. 14 1.7 Organización del documento .................................................................................................. 14

CAPÍTULO 2 Experimentación .................................................................................................17

2.1 Introducción ............................................................................................................................. 17

2.2 Materiales ................................................................................................................................. 17 2.2.1 Aceite vegetal....................................................................................................................................... 18

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Contenido Cenidet

2.2.2 Alcohol................................................................................................................................................. 18 2.2.2.1 Relación molar de alcohol/aceite ................................................................................................ 19

2.2.3 Catalizador ........................................................................................................................................... 19 2.2.4 Propiedades de reactivos empleados .................................................................................................... 19 2.2.5 Manejo de reactivos ............................................................................................................................. 21

2.3 Método ...................................................................................................................................... 22 2.3.1 Diseño experimental............................................................................................................................. 23

2.4 Resultados................................................................................................................................. 24 2.5 Costo por litro de biodiesel...................................................................................................... 27 2.6 Conclusiones de la experimentación....................................................................................... 27

CAPÍTULO 3 Diseño físico .........................................................................................................29

3.1 Introducción ............................................................................................................................. 29 3.2 Consideraciones de diseño....................................................................................................... 30

3.2.1 Consideraciones generales ................................................................................................................... 30 3.3 Detalles de los componentes .................................................................................................... 31

3.3.1 Reactor ................................................................................................................................................. 31 3.3.2 Recipiente contenedor de aceite ........................................................................................................... 33 3.3.3 Recipiente contenedor de metóxido ..................................................................................................... 34 3.3.4 Motor del agitador................................................................................................................................ 35 3.3.5 Válvulas solenoide ............................................................................................................................... 37 3.3.6 Resistencia eléctrica de calentamiento ................................................................................................. 40 3.3.7 Armadura de soporte ............................................................................................................................ 41

CAPÍTULO 4 Automatización....................................................................................................43

4.1 Introducción ............................................................................................................................. 43 4.2 Instrumentación ....................................................................................................................... 43 4.3 Programación ........................................................................................................................... 44

4.3.1 PIC16F877A ........................................................................................................................................ 44 4.3.2 Medición de volumen........................................................................................................................... 47

4.3.2.1 Funcionamiento del SFR05 ........................................................................................................ 47 4.3.2.2 Validación del SFR05 usado para el metóxido........................................................................... 48 4.3.2.3 Calibración del SFR05 usado para el metóxido.......................................................................... 49 4.3.2.4 Validación del SFR05 usado para el aceite................................................................................. 52 4.3.2.5 Calibración del SFR05 usado para el aceite ............................................................................... 53

4.3.3 Medición de tiempo.............................................................................................................................. 56 4.3.4 Medición de temperatura...................................................................................................................... 57

4.3.4.1 Validación sensor LM35, precalentamiento del aceite ............................................................... 58 4.3.4.2 Validación del sensor LM35 para el calentamiento en el reactor ............................................... 60

4.3.5 Detectar glicerina y biodiesel ............................................................................................................... 61 4.3.6 Abrir y cerrar de las válvulas solenoide ............................................................................................... 62 4.3.7 Encender y apagar motor del agitador.................................................................................................. 63

4.4 Programar condiciones del proceso........................................................................................ 63 CAPÍTULO 5 Construcción y pruebas ......................................................................................65

5.1 Introducción ............................................................................................................................. 65

x


5.2 Construcción del prototipo...................................................................................................... 66 5.2.1 Panel de visualización .......................................................................................................................... 67

5.3 Pruebas de funcionamiento del prototipo.............................................................................. 68 5.4 Uso del biodiesel obtenido en un motor diesel ....................................................................... 70

5.4.1 Eficiencia del biodiesel en un motor diesel .......................................................................................... 70 CAPÍTULO 6 Conclusiones generales y Recomendaciones.....................................................71

6.1 Conclusiones generales ............................................................................................................ 71

6.2 Conclusión particular sobre glicerina libre en el biodiesel, por análisis cromatográfico.. 72 6.2.1 Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado reactivo............................................................. 72

6.2.1.1 Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado reactivo........... 74 6.2.2 Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado técnico .............................................................. 75

6.2.2.1 Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado técnico ............ 76 6.3 Recomendaciones ..................................................................................................................... 77

Referencias....................................................................................................................................79

Anexo A Total de pruebas experimentales ................................................................................83

Anexo B Diseño general del prototipo ........................................................................................84

Anexo C Diseño del reactor .........................................................................................................85

Anexo D Diseño del recipiente del aceite....................................................................................86

Anexo E Diseño del recipiente del metóxido..............................................................................87

Anexo F Diseño de la válvula solenoide......................................................................................88

Anexo G Diseño de la armadura de soporte ..............................................................................89

Anexo H Cálculo de potencia de la resistencia ..........................................................................90

Anexo I Mediciones del sensor LM35, precalentamiento del aceite ........................................93

Anexo J Mediciones del sensor LM35, calentamiento en el reactor........................................95 Anexo K Programa general.........................................................................................................97 Anexo L Artículo para el CIINDET .........................................................................................111

xi

Lista de figuras

Figura 1.1 Composición de un aceite o grasa .................................................................................3 Figura 1.2 Fórmula genérica de los triglicéridos............................................................................3 Figura 1.3 Ecuación general de transesterificación........................................................................4 Figura 1.4 Reacción de transesterificación de triglicérido con metanol ........................................4 Figura 1.5 Reacciones presentes en la reacción de transesterificación..........................................5 Figura 1.6 Ciclo del CO2 ...............................................................................................................11 Figura 3.1 Diseño general del prototipo .......................................................................................31 Figura 3.2 Reactor .........................................................................................................................32 Figura 3.3 Dimensiones del reactor en mm...................................................................................32 Figura 3.4 Recipiente del aceite ....................................................................................................33 Figura 3.5 Dimensiones del recipiente de aceite en mm ...............................................................33 Figura 3.6 Recipiente contenedor de metóxido .............................................................................34 Figura 3.7 Dimensiones del recipiente contenedor de metóxido...................................................34 Figura 3.8 Impulsor del motor agitador ........................................................................................35 Figura 3.9 Curvas de potencia de distintos impulsores.................................................................36 Figura 3.10 Válvula solenoide .......................................................................................................37 Figura 3.11 Sección transversal de ángulo de piernas iguales .....................................................42 Figura 3.12 Armadura de soporte..................................................................................................42 Figura 4.1 PIC16F877A, disposición de pines ..............................................................................45 Figura 4.2 Diagrama de flujo del programa principal..................................................................46 Figura 4.3 Funcionamiento del sensor SFR05 ..............................................................................48 Figura 4.4 Gráfica de validación del SFR05 del metóxido ...........................................................49 Figura 4.5 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de metóxido .........................50 Figura 4.6 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido ...............................52 Figura 4.7 Gráfica de validación del SFR05 del aceite ................................................................53 Figura 4.8 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de aceite ..............................54 Figura 4.9 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para aceite ....................................55 Figura 4.10 Circuito para encender y apagar las resistencias eléctricas desde el PIC ...............58 Figura 4.11 Gráfica de validación del sensor LM35 para precalentamiento ...............................59 Figura 4.12 Gráfica de validación sensor LM35, para calentamiento de la reacción..................60 Figura 4.13 Circuito para abrir y cerrar válvula solenoide..........................................................62 Figura 4.14 Circuito para encender y apagar el motor-agitador .................................................63 Figura 5.1 Aspecto general del prototipo para producir biodiesel ...............................................67 Figura 5.2 Panel de visualización de la etapa del proceso de biodiesel .......................................68 Figura 6.1 Análisis cromatográfico al biodiesel obtenido en el prototipo....................................73 Figura 6.2 Cromatograma del estándar de glicerina ....................................................................73 Figura 6.3 Acercamiento al análisis cromatográfico del biodiesel...............................................74 Figura 6.4 Análisis cromatográfico del biodiesel usando metanol grado técnico ........................75 Figura 6.5 Acercamiento al cromatograma del biodiesel usando metanol grado técnico............76 Figura H.1 Dimensiones del reactor, en mm.................................................................................90

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Lista de tablas

Tabla 1.1 Especificaciones del biodiesel de las normas ASTM D-6751 y EN 14214......................7 Tabla 1.2 Producción de biodiesel en países europeos en 2006, tons/año......................................8 Tabla 1.3 Producción nacional de aceites .......................................................................................9 Tabla 1.4 Rendimiento en kg de aceite por hectárea de cultivo ....................................................10 Tabla 1.5 Emisiones promedio de biodiesel comparadas a las de diesel ......................................12 Tabla 2.1 Composición química y propiedades del aceite de coco crudo.....................................20 Tabla 2.2 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y metanol ....................................24 Tabla 2.3 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y metanol .......................................24 Tabla 2.4 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y etanol .......................................25 Tabla 2.5 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y etanol ..........................................26 Tabla 2.6 Experimentos de biodiesel con cantidades óptimas, variando tipo de aceite................26 Tabla 4.1 Validación sensor SFR05 del metóxido .........................................................................48 Tabla 4.2 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de metóxido ........................................49 Tabla 4.3 Regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido.......................................................51 Tabla 4.4 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de metóxido.................................52 Tabla 4.5 Validación sensor SFR05 del aceite ..............................................................................53 Tabla 4.6 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de aceite .............................................54 Tabla 4.7 Regresión lineal a datos del SFR05 para aceite............................................................55 Tabla 4.8 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de aceite......................................56 Tabla 5.1 Tabla de pruebas de funcionamiento del prototipo .......................................................69 Tabla 6.1 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GR...................................74 Tabla 6.2 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GT ...................................76

xiii

Nomenclatura

Letras minúsculas a Altura cm Centímetros

cp Calor específico ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅ Flbbtu

cSt Centistoke

g1 Aceleración de la gravedad ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

2sm

g Gramos gal Galones h Horas hp Caballos de potencia in Pulgadas kg Kilogramos l Litros lb Libras m/m Masa sobre masa m Metros mg Miligramos ml Mililitros mm Milímetros ms Milisegundos mV Milivolts s Segundos t Tiempo

Letras mayúsculas ∆P Caída de presión (bar) ∆T Incremento de temperatura °C Grados Centígrados °F Grados Fahrenheit A Área D Diámetro KHz Kilo hertz Kv Coeficiente de flujo M Peso (libras)

xiv


MHz Mega hertz N Velocidad de rotación (rpm) Nd Nivel que disminuye (mm) Ni Nivel inicial (mm) Np Número de potencia Nr Nivel de referencia (mm) P Potencia (watts)

Q Caudal volumétrico ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛h

m3

Re Número de Reynolds V CA Volts de corriente alterna V CC Volts de corriente continua V Volumen (litros)

V2 Velocidad de flujo ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

sm

W Watts

Letras griegas

ρ Densidad ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

3cmg

µ Viscosidad cinemática (centistoke) σ Desviación estándar π pi=3.1416

γ Peso específico ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

3cmg

Símbolos % Por ciento ° Grados “ Pulgadas $ Pesos moneda nacional © Copyright ® Marca registrada

xv

Abreviaturas

Amb. Ambiente ASTM American Society for Testing and Material btu The Brithish Thermal Unit CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico EBB European Biodiesel Board EU European Union. Unión Europea FIUBA Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires FJTC Felipe de Jesús Torres del Carmen GR Grado Reactivo GT Grado Técnico INEGI Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática NBB National Biodiesel Board NPT National Pipe Tapered PDIP Plastic Dual Inline Package PIC Microcontrolador PIC16F877A ppm Partes por millón rpm Revoluciones por minuto rps Revoluciones por segundo RTC Real Time Clock. Reloj de tiempo real TTL Transistor – Transistor Logia UAEM Universidad Autónoma del Estado de Morelos USD United States Dollar

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CAPÍTULO 1 Antecedentes

1.1 Marco Teórico Los motores de combustión interna, se pueden clasificar de acuerdo al tipo de encendido: por chispa, o por compresión [1]. El motor de combustión por compresión, también conocido como motor Diesel, tiene un amplio campo de aplicación, como es el caso de la generación eléctrica, la propulsión marina, etc. Sin embargo, su mayor utilización se aprecia en el sector de la automoción, en específico en el transporte de carga pesada y ligera. Contribuyendo, en gran medida, en las emisiones de CO2 que se vierten a la atmósfera, siendo éste uno de los problemas de contaminación que más afecta al medio ambiente, causante del llamado efecto invernadero [2]. En otro contexto, a nivel mundial se visualiza un eminente agotamiento de los combustibles fósiles, tales como los derivados del petróleo y el gas natural. Ante esta situación un gran número de países han intensificado sus esfuerzos por generar fuentes de energía renovables, que permitan un incremento en la seguridad del abastecimiento energético, y a su vez, disminuir el impacto al medio ambiente. De esta manera, se gestó la posibilidad de un combustible alternativo al diesel de petróleo, originándose a partir de aceites vegetales y/o grasas animales. A este diesel alternativo se le ha llamado biodiesel, el cual es biodegradable, no tóxico y emite menor cantidad de gases contaminantes en comparación con el diesel de petróleo [3].

1

Capítulo I: Antecedentes Cenidet

1.1.1 Orígenes del biodiesel Usar aceites vegetales como combustible no representa una novedad. El primer motor diesel de la historia funcionaba con aceite de cacahuate. Su inventor, el alemán Rudolf Diesel, lo presentó en la Exposición Universal de Paris de 1900 como un “motor de aceite”. Posteriormente se realizaron diversos ensayos con otros aceites vegetales, pero el tema perdió interés ante el fuerte desarrollo de la petroquímica [2]. Sin embargo, cuando se han presentado problemas de abastecimiento de productos petrolíferos, especialmente durante las dos guerras mundiales, se ha recurrido a los aceites vegetales para sustituir el diesel. Después de las dos guerras mundiales, el desarrollo tecnológico en el campo de los motores diesel se intensifica, y se basa en el diesel derivado del petróleo, barato y con propiedades específicas, necesarias para los nuevos sistemas de inyección [2, 3]. Como consecuencia se abandona el empleo de los aceites vegetales como combustibles para los motores diesel, que resultaban más costosos y ofrecían características físico-químicas menos constantes. En 1973, cuando se presenta la primera crisis del petróleo, se plantea el ahorro de la energía y la utilización de recursos energéticos renovables, reiniciándose entre otras la investigación en el campo de los biocombustibles líquidos de origen vegetal [2]. Empero, el uso de aceites vegetales brutos como combustible en motores diesel originaba diversos problemas, tales como, taponamiento de filtros, líneas e inyectores, depósitos de carbón en la cámara de combustión (inyector, pistón y culata), excesivo desgaste del motor, degradación del aceite lubricante por polimerización, entre otras [3]. Como solución a estos problemas, se analizaron varias alternativas [2, 3]:

Crear motores completamente nuevos para los combustibles alternativos, como es el caso del motor Elsbett, diseñado por la empresa Elsbett Konstruktion Germany, que se fabrica en Alemania, Malasia y Estados Unidos.

Modificar los motores actuales para que se adapten a los combustibles alternativos

(motores con precámara o motores con sistemas de precalentamiento de aceite).

Utilizar los motores actuales, modificando los combustibles alternativos. La tercera opción es la que goza de mayor difusión actualmente, siendo el objetivo principal rebajar la viscosidad de los aceites vegetales hasta valores cercanos a los combustibles de origen fósil, para poder ser usados en los motores diesel.

1.1.2 Obtención de biodiesel Los aceites vegetales usualmente contienen ácidos grasos libres, fosfolípidos, esteroles, agua y otras impurezas. A causa de esto, el aceite no puede ser usado como combustible directamente en el motor. Para solucionar estos problemas, el aceite requiere una modificación química

2

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica principalmente por transesterificación, pirólisis o emulsificación. Entre ellas, la transesterificación es el proceso más importante para producir un combustible a partir de aceite vegetal, que sea limpio y no ocasione daños ambientales. De esta forma, la ASTM (American Society for Testing and Material) define al biodiesel de la siguiente manera [2 - 4]: Biodiesel, son ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales, y que se emplean en los motores de ignición por compresión (motores diesel). Como materia prima en el proceso de transesterificación para obtener biodiesel, es posible emplear [4]:

Aceite vegetal sin usar procedente de plantas oleaginosas: colza, girasol, higuerilla, soya, maíz, palma de coco, palma de aceite, etc.

Aceite vegetal usado, es un residuo que proviene de la industria de alimentación (aceite de fritura) y de la red de restaurantes, hoteles, etc.

Grasa animal: sebo de vaca o de búfalo.

1.1.2.1 Aceites y grasas Las grasas y los aceites están compuestos de ésteres: monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos (siendo estos últimos los mas comunes) y de ácidos de cadena larga, llamados ácidos grasos [2].

Figura 1.1 Composición de un aceite o grasa

La mayoría de los aceites y grasas son triglicéridos mixtos, pues tienen dos o tres ácidos grasos diferentes. La diferencia que existe entre los aceites y las grasas radica en los enlaces de los ácidos grasos presentes en la molécula. Las grasas tienen ácidos grasos en los que predominan los enlaces sencillos (saturados) y los aceites tienen ácidos grasos con varios enlaces dobles (insaturados) [5].

Figura 1.2 Fórmula genérica de los triglicéridos

3


1.1.2.2 Transesterificación A través del proceso de transesterificación de los aceites vegetales y su reacción con un alcohol (normalmente, metanol), se obtienen los ésteres metílicos derivados, que son compuestos oxigenados con características similares en su comportamiento a las del diesel, principalmente en lo referente a la viscosidad, temperatura de ebullición, residuo carbonoso, número de cetano, etcétera [2]. Transesterificación o alcoholisis, es el desplazamiento del grupo alcoxi (grupo alquilo unido a un átomo de oxigeno, RO* donde R es el grupo alquilo) de un tipo de éster por otro alcohol, en un proceso similar a la hidrólisis, excepto, que el alcohol es usado en lugar de agua. La reacción de transesterificación está representada por la ecuación general de la figura 1.3 [3]. Catalizador

OHRRCOOROHRRCOOR *221 +⇔+ Ester Alcohol Ester Alcohol

Figura 1.3 Ecuación general de transesterificación Si el alcohol usado en este proceso es el metanol, se le llama metanólisis. La metanólisis de un triglicérido se aprecia en la figura 1.4. Sin embargo para que la reacción ocurra en un tiempo razonable y se logre una mayor conversión, es necesario adherir un catalizador a la mezcla del aceite vegetal y metanol, amén que sin él no se logre la reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, RSO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos, sosa cáustica (NaOH) e hidróxido de potasio (KOH), ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas [4].

Figura 1.4 Reacción de transesterificación de triglicérido con metanol

1.1.2.3 Mecanismo de la reacción de transesterificación La reacción de transesterificación químicamente consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado [4]. Ver la figura 1.5.

4


Figura 1.5 Reacciones presentes en la reacción de transesterificación

La descomposición de los triglicéridos en diglicéridos y así sucesivamente, ocurre en 4 pasos, los cuales se describen a continuación, para una transesterificación usando metanol [6].

a) El alcohol (CH3OH) reacciona con el catalizador básico (X).

b) El radical cargado negativamente (CH3O-) reacciona con el doble enlace del grupo

carbonilo del triglicérido.

c) Se forma una molécula del éster alquílico (R1COOCH3), en éste caso, se trata del

metiléster (biodiesel).

5


d) Se regenera el catalizador formándose un diglicérido. Los pasos a) al d) se repiten hasta la desaparición del triglicérido con la formación del monoalquiléster (biodiesel) y glicerina como productos finales.

1.1.3 Uso del biodiesel El uso de biodiesel en motores de combustión por compresión está totalmente extendido en Europa desde los últimos 10-12 años. Países como Alemania y Austria utilizan biodiesel ya sea al 100% (B100) ó mediante una mezcla del 2% al 30% (B2 – B30) de biodiesel y el resto de diesel. La razón de realizar una mezcla con el diesel convencional, radica en que los aceites vegetales tienen, entre otras cosas, la particularidad de disolver la goma y el caucho. Debido a que estos aceites vegetales son la materia prima para la fabricación del biodiesel, dicho producto también disuelve la goma y el caucho, materiales empleados en la fabricación de los conductos y las juntas del sistema de alimentación de los motores por lo que con el uso prolongado de biodiesel B100, se podrían llegar a degradar dichos conductos. Desde mediados de los años 90, casi todos los fabricantes de motores (principalmente marcas alemanas), han substituido dichos conductos por otros fabricados con materiales plásticos o derivados, con lo que el biodiesel no los disuelve [2,4]. En España se hace uso de una mezcla de 10% de biodiesel y 90% de diesel. Otros productores de la Unión Europea, y debido a su política comercial, venden toda su producción de biodiesel a una empresa petrolera, la cual opta por la mezcla de un máximo de 5% de biodiesel y el resto de diesel. De esta forma se considera al biodiesel como un aditivo porque no altera las características técnicas del diesel según la norma EN590. Si se incorpora más de un 5%, la mezcla final no cumple la norma EN590, por lo que tendrían que informar y etiquetar dicho producto con un nombre diferente al de “Diesel” [2].

1.1.3.1 Especificaciones Austria fue el primer país en el mundo en disponer de una norma para producir biodiesel [3]. Diversos países emitieron sus normas, entre ellos Alemania, Italia, Francia, República Checa, Estados Unidos y Argentina. Una de las normas que más fue aceptada a nivel mundial fue la D-6751 propuesta por la ASTM en 1999. Sin embargo en el 2003, la Unión Europea definió la norma EN14214 imponiendo restricciones más fuertes en la calidad del biodiesel [4]. La tabla 1.1 muestra los parámetros, métodos y valores límite de las normas ASTM D-6751 y la EN14214 [4 - 7].

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Tabla 1.1 Especificaciones del biodiesel de las normas ASTM D-6751 y EN 14214 LIMITES METODO DE PRUEBA

PARAMETROS UNIDADES ASTM D-6751

EN14214 ASTM

D-6751 EN14214

Densidad a 15°C g/cm3 0.86 – 0.9 0.86 – 0.9 ASTM D1298 EN ISO 3675 Viscosidad a 40 °C mm2/s 1.9 – 6.0 3.5 – 5.0 ASTM D445 EN ISO 3104 Punto de Ignición °C ≥ 120 ≥ 100 ASTM D93 EN ISO 3679 Azufre mg/kg ≤ 0.05 % peso ≤ 10 ASTM D2622 EN ISO 20846

Residuo de Carbón % (m/m) ≤ 0.05

en muestra del 100%

≤ 0.3 en 10% de

residuo destil ASTM D189 EN ISO 10370

Número Cetano ≥ 51 ≥ 47 ASTM D613 EN ISO 5165 Cenizas sulfatadas % (m/m) ≤ 0.02 ≤ 0.02 ASTM D874 ISO 3987 Agua mg/kg ≤ 0.05% vol ≤ 500 ASTM D1796 EN ISO 12937 Contaminación total mg/kg - ≤ 24 - EN 12662 Corrosión Cobre (3h a 50 °C) < No. 3 Clase 1 ASTM D130 EN ISO 2160 Estabilidad a la oxidación 110°C Horas 15 mg/100ml 6 ASTM D2274 EN 14112 Índice de ácido mg KOH/g ≤ 0.8 ≤ 0.5 ASTM D664 EN 14104 Índice de yodo g de yodo/100g ≤ 110 ≤ 140 DIN 53241 EN 14111 Esterificación % ≥ 98 en vol ≥ 96.5 en peso - EN 14103 Metanol % (m/m) ≤ 0.2 ≤ 0.2 DIN 51608 EN 14110 Monoglicéridos % (m/m) ≤ 0.8 ≤ 0.8 DIN 51609 EN 14105 Diglicéridos % (m/m) ≤ 0.2 ≤ 0.2 DIN 51609 EN 14105 Triglicéridos % (m/m) ≤ 0.2 ≤ 0.2 DIN 51609 EN 14105 Glicerina libre % (m/m) ≤ 0.02 ≤ 0.02 ASTM D6584 EN 14105 Glicerina total % (m/m) ≤ 0.24 ≤ 0.25 ASTM D6584 EN 14105 Metales del grupo I mg/kg - ≤ 5 - EN 14108 Metales del grupo II mg/kg - ≤ 5 - EN 14538 Fósforo mg/kg 0.001 % peso ≤ 10 ASTM D5951 EN 14107

1.2 Planteamiento del problema

1.2.1 Producción mundial de biodiesel Como se mencionó en el apartado 1.1.1, el uso de aceites de origen vegetal como combustibles en motores de combustión data de hace más de 100 años. Esta valiosa idea no tuvo un gran interés, sino hasta hace tres décadas que el mundo de la investigación volvió a considerar la posibilidad de sustituir el diesel de petróleo por un combustible a partir de aceite vegetal que no causara daños ambientales. Por otra parte, el gran número de países que no cuentan con fuentes de petróleo para obtener sus combustibles, incrementaron sus esfuerzos por producir biocombustibles, en particular, biodiesel. Así en 1982, Alemania y Austria llevaron a cabo las primeras pruebas técnicas para producir biodiesel, pero hasta 1985 en Silberberg, Austria se construyó la primera planta piloto productora de biodiesel a partir de aceite de colza. Otros países europeos también empezaron a desarrollar esta técnica. Estados Unidos no podía estar apartado de ello y se sumó, al igual que Argentina, en la producción de biodiesel [9].

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Los países integrantes de la Unión Europea (EU) son los más adelantados en la producción de biodiesel, según datos de la EBB (European Biodiesel Board), señala que hubo un incremento del 64.7% en la producción del 2004 al 2005 y un 54% del 2005 al 2006. En la tabla 1.2 se enlistan los países de la EU que más producción tuvieron en el 2006 [10]. Estados Unidos es otro país que produce biodiesel a grandes cantidades, datos del NBB (Nacional Biodiesel Board) manifiesta que en el 2006 se vendieron 855 millones de litros de biodiesel producido en sus 165 plantas instaladas [11].

Tabla 1.2 Producción de biodiesel en países europeos en 2006, tons/año

PAIS PRODUCCION EN

TONELADAS Alemania 2 662 000 Francia 743 000 Italia 447 000 Reino Unido 192 000 Austria 123 000 Polonia 116 000 República Checa 107 000 España 99 000 Portugal 91 000 Eslovaquia 82 000 Dinamarca 80 000

Es importante subrayar un aspecto fundamental en algunos de los países europeos que aparecen en la relación anterior. Las condiciones climatológicas y de superficie territorial son limitadas, aun así, son grandes productores de biodiesel. Cerca del 80% del biodiesel producido por los países que integran la Unión Europea se obtiene a partir de aceite de semilla de colza [4]. Los gobiernos de Estados Unidos, Alemania, Argentina, entre otros, han realizado diversas acciones para sensibilizar a la sociedad en el consumo de biodiesel, además de ofrecer incentivos fiscales a productores y consumidores. En estos países se ofertan en el mercado equipos pequeños para la generación de biodiesel, no automáticos, capacidad de 200 l/día, oscilando su costo en 2000 y 5000 dólares [12].

1.2.2 Producción de biodiesel en México En México es evidente que el tema es una novedad. Por lo que corresponde al gobierno, en agosto de 2004, el Senado de la República aprobó un punto de acuerdo por el que solicitó a las secretarías de Medio Ambiente y Recursos Naturales, así como la de Energía (Sener): "Realizar los estudios y proyectos técnicos necesarios para promover las inversiones en el campo de las energías renovables a través de la producción privada de biogás, biodiesel y generación de energía eléctrica y otros combustibles para reducir las emisiones contaminantes y ayudar al país en la producción de combustibles no reservados al Estado".

La Comisión de Energía de la Cámara de Diputados, por su parte, elabora una iniciativa que propone: "Apoyar el desarrollo de tecnologías específicas de aprovechamiento de las fuentes renovables de energía para la generación de electricidad, que tengan costos más elevados que las tecnologías más competitivas, pero cuyo fomento se justifique con fines de diversidad energética,

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica desarrollo industrial y competitividad", y así, "dar un incentivo a proyectos de aprovechamiento de las fuentes renovables de energía que contribuyan a dotar de electricidad a comunidades rurales que no cuenten con este servicio" [13]. A manera de investigación, diversos han sido los experimentos que se han llevado a cabo en universidades e instituciones educativas. En la Universidad de Oaxaca, en octubre del 2004, un grupo de profesores y alumnos hacen con éxito la obtención de 155 litros de biodiesel a partir de aceite de cocina usado. Se tiene reporte de otros trabajos de investigación en el Instituto Tecnológico de Monterrey y en la Universidad Nacional Autónoma de México [13]. En Monterrey, en el 2006, se instala una planta piloto de biodiesel produciendo 260 000 litros/año. Sin embargo, la primera planta productora de biodiesel en forma industrial en México inició sus operaciones en octubre de 2007 en el estado de Michoacán, con una capacidad anual instalada de 9 millones de litros de biodiesel, obtenido a partir de aceite de higuerilla y jatropha [14].

1.2.2.1 Producción de aceite vegetal en México Partiendo del entendimiento que la materia prima para obtener biodiesel es el aceite vegetal, México cuenta con un potencial enorme para la producción de biodiesel. Sin embargo, para el 2005 cerca del 85% del aceite de origen vegetal que se consumía en el país era importado. Entre los años del 2000 al 2005, la producción nacional de aceite de origen vegetal se mantuvo aproximadamente en el mismo nivel, a excepción del derivado de soya, el cual a partir del 2002 empezó a mostrar una drástica disminución, como se puede observar en la tabla 1.3, integrada con datos del INEGI [15].

Tabla 1.3 Producción nacional de aceites

Año Aceite de Girasol

(toneladas) Aceite de Soya

(toneladas)

Aceite de Naboa y/o Canola (toneladas)

Otros aceites comestibles (toneladas)

2000 226 332 318 827 137 311 427 890 2001 229 526 323 559 139 835 385 572 2002 190 064 300 953 132 557 419 730 2003 207 346 246 625 114 147 437 410 2004 226 027 206 530 144 495 432 544 2005 206 711 125 537 153 437 471 748

Un retrato de la situación de México, evidencia que este país tiene un clima variado en las distintas regiones del país y una superficie territorial basta, más sin embargo, existe un estancamiento en diversos sectores agrícolas, con gente que está emigrando de sus lugares de origen por falta de apoyo al campo. Un ejemplo ilustrativo es la copra, producto de la palma de coco (cocos nucífera), la cual según la tabla 1.4, es la segunda en rendimiento de aceite por hectárea sembrada [16]. El estado de Guerrero ha sido el principal productor de copra en México, de esta actividad dependen más de 70 000 familias, y durante décadas, fue la base de la economía agrícola del estado. En 1991, cayeron los precios a nivel mundial de la copra, debido a la propaganda en

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contra, por argumentar que las grasas saturadas del aceite de coco, eran perjudiciales a la salud. México se vio afectado, y desde luego, el estado de Guerrero, en donde el precio de la copra no rebasó los $1.30/kilogramo. Este bajo precio se mantuvo durante la media década de los 90’s. A partir de 1995 se vislumbra un alza en el precio de la copra, sin embargo, en el año 2001 volvió a hacer crisis ante la apertura de los mercados al comercio internacional, en especial a la importación de aceites de canola y de soya. El gobierno subsidió la compra de la copra, elevando el precio a $4.50 por kg, en el 2005 [17, 18]. Ahora bien, en México, por su variedad de clima en las distintas regiones del país, es posible cultivar los 4 últimos vegetales mostrados en la tabla 1.4; siendo el ricino (higuerilla), jojoba, coco y palma los cultivos que más kilogramos de aceite producen por hectárea sembrada. Para los países tropicales, la palma de aceite (Elaeis guineensis Jacq) representa una alternativa de excelente perspectivas para el futuro, respecto a la producción de aceite vegetal. La higuerilla (Ricinos conmunis) es una hierba erecta, robusta; a menudo parecida a un árbol de 2 a 5 m de alto. Su aceite se utiliza en la industria de motores altamente revolucionados, en la producción de pinturas, lacas, barnices, plásticos, fertilizantes, para uso antiparasitario en humanos, recubrimientos, fungicidas, champú y cosméticos. El aceite de ricino está contemplado para ser usado como combustible en motores diesel. En las regiones de Tierra Caliente y el Bajío se tiene proyectado el cultivo de 12 mil hectáreas con esta planta. La siembra de estos arbustos, y la producción de aceite a partir de las semillas de estas plantas, representan una alternativa para combatir la pobreza en zonas de alta marginación con la generación de empleos, ya que se requiere de mano de obra permanente en las zonas de cultivo.

Tabla 1.4 Rendimiento en kg de aceite por hectárea de cultivo

PLANTA kg DE ACEITE/ HECTÁREA

Maíz 145

Algodón 273

Cáñamo 305

Soya 375

Linaza 402

Mostaza 481

Girasol 800

Cacahuate 890

Colza 1000

Ricino 1188

Jojoba 1528

Coco 2260

Palma 5000

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 1.2.3 Justificación Las ventajas del biodiesel con respecto al diesel de petróleo se tipifican de la siguiente manera [1, 2, 4, 8, 19]: a) Ventajas socioeconómicas:

Ahorro de combustibles agotables. En la medida en la que se sustituye el empleo de derivados del petróleo por biocombustibles de origen renovable.

Diversificación energética.

Desarrollo agrícola. Una fuente renovable de producción de combustibles alternativos con

origen en la agricultura permite a la sociedad disponer de una fuente de empleo adicional y de un aprovechamiento de terrenos que en algunos casos no pueden ser usados para otros cultivos por restricciones políticas o condiciones del terreno.

b) Ventajas medioambientales:

Una de las ventajas más importante, está relacionada con la emisión neta de CO2. La emisión de CO2, a pesar de no estar regulada, es de gran preocupación, por ser un gas que contribuye al efecto invernadero del planeta. Además, el sector transporte destaca por contribuir más que ningún otro sector a las emisiones de CO2. El empleo de biodiesel, juega un papel muy importante en este aspecto, puesto que cuando se emplea como combustible, el CO2 emitido por el motor se contrarresta durante el crecimiento del cultivo agrícola del que procede, a través de la fijación por fotosíntesis. Esto cierra el ciclo de vida del CO2, eliminándose por tanto su emisión neta.

Figura 1.6 Ciclo del CO2

Numerosos estudios han comprobado, al emplear biodiesel, una reducción en la

formación de monóxido de carbono, hidrocarburos sin quemar o parcialmente quemados y núcleos de hollín. La justificación a este hecho radica en la presencia de oxígeno en la molécula de biodiesel, que aumenta la disponibilidad de comburente en el cilindro, favoreciendo una combustión más completa. Según la tabla 1.5 al sustituir biodiesel por diesel de petróleo se consigue una disminución del 48% de monóxido de carbono.

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Tabla 1.5 Emisiones promedio de biodiesel comparadas a las de diesel

TIPO DE EMISION REGULADAS B 100 B 20

Hidrocarburos Totales -67% -20%

Monóxido de Carbono -48% -12%Partículas -47% -12%

NOX 10% 2% Las emisiones de óxido nitroso NOx aumentan del 5 al 10 % en el uso de B100. Así mismo, algunos estudios han observado una mayor emisión de aldehídos al emplear biodiesel, siendo éstos unos compuestos que a pesar de no estar regulados por normativa, son considerados altamente reactivos en la atmósfera, contribuyendo al smog fotoquímico [1,2].

El biodiesel es un combustible biodegradable, lo cual ayuda a minimizar el impacto en caso de derrame accidental, además de ser muy indicada su utilización en motores de lanchas y barcos.

c) Ventajas en el motor:

El biodiesel tiene un mayor número de cetano, lo cual mejora el proceso de combustión, permite aumentar la relación de compresión del motor (conlleva un aumento del rendimiento de éste) y produce menos ruido.

Presenta un mayor poder lubricante, con lo que se disminuye la necesidad de incluir

aditivos en el combustible para mejorar esta propiedad. Aunando a las ventajas propias del biodiesel, este trabajo representa:

Una conjunción de distintos conocimientos, para la obtención de un dispositivo mecatrónico.

Una posible solución al problema agrícola de plantíos como la copra, la cual, podría

convertirse en un gran potencial en la producción de biodiesel.

1.2.4 Problema En un mundo globalizado resulta imperante estar vinculados con las disposiciones y tecnologías usadas en los países de primer orbe. El aumento de la contaminación ambiental ha propiciado el resurgimiento del biodiesel. Las ventajas socioeconómicas, ambientales y propias del motor, hacen del biodiesel un producto muy atractivo. En México existen las condiciones para cultivar las plantas que produzcan la mayor cantidad de aceite vegetal y con ello generar biodiesel. Por todo lo anterior, la problemática planteada consiste en diseñar, construir y probar un prototipo a escala piloto que sea controlable, en el cual todas las etapas que intervienen en el proceso de obtención de biodiesel, se lleven a cabo de manera automática a través del equipo de instrumentación implementado.

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 1.2.5 Hipótesis Haciendo uso de un microcontrolador, dispositivo que es económico, fácil de adquirir, sin embargo, limitado en memoria y en número de entradas/salidas; es posible automatizar el proceso de obtención de biodiesel, en el prototipo diseñado y construido para tal fin.

1.3 Objet vos i

1.3.1 Objetivo general Construir un prototipo a escala piloto para producir biodiesel.

1.3.2 Objetivos particulares

Determinar la mejor combinación de aceite vegetal-alcohol-catalizador de donde se obtenga la mayor conversión

Establecer las cantidades a emplear, de los materiales usados en la experimentación

Medir y monitorear las variables que intervienen en el proceso

Adquirir datos necesarios en cada una de las etapas del proceso

Automatizar el proceso

Diseñar y construir un prototipo de generación de biodiesel

Realizar pruebas al biodiesel obtenido

1.4 Estado del arte Numerosos documentos como libros, reportes, artículos, revistas, abordan el tema del biodiesel, en particular, el mecanismo de la reacción de transesterificación, cantidades de los reactivos, afectación de variables en el proceso y, en su gran mayoría, ventajas del biodiesel y descripción de cómo producirlo. Sin embargo, en lo referente a un prototipo o máquina para producir biodiesel, el Grupo de Energías Renovables de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires (FIUBA), en el 2003 iniciaron los trabajos de diseñar y construir una planta piloto totalmente automatizada, para obtener 75 litros de biodiesel por lote [20].

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Cabe hacer mención acerca de los equipos para producir biodiesel, que se ofertan en el mercado. En Estados Unidos, Alemania, así como, otros países líderes de producción de biodiesel, se venden al público en general, plantas denominadas BIO200 y BIO400 con un costo de 4000 USD y una capacidad de 200 litros por lote. Señalar que estas máquinas no están automatizadas, por ejemplo, el nivel de aceite y metóxido se controla visualmente [12].

1.5 Aportaciones

Haber implementado el proceso de producción de biodiesel de manera automática, en un prototipo construido en México, en especial, en el CENIDET.

Conjuntar en un equipo diversas áreas del conocimiento, obteniendo un dispositivo

mecatrónico.

Impulsar el uso de energías alternativas provenientes de materia prima renovable.

Ser una solución para una parte de la industria agrícola de México que ha estado estancada en los últimos años. Teniendo especial atención en la obtención de biodiesel a partir de aceite de coco.

1.6 Limitaciones

Tamaño del prototipo. La construcción a escala piloto contempla la producción de biodiesel en una cantidad de 6 a 8 litros por corrida.

Costos de fabricación. Hacer consideraciones en la selección de instrumentos que integran

el prototipo, con el fin de ajustarse a un bajo presupuesto.

Pruebas de laboratorio. La institución educativa donde se realizó este trabajo de tesis, cenidet, no cuenta con la infraestructura para realizar las pruebas físicas y químicas al biodiesel obtenido. Considerando la posibilidad de enviar las muestras a un laboratorio externo.

Un análisis económico acerca de la factibilidad de producir biodiesel y hacer una

comparativa con el precio del diesel de petróleo, concierne a un tema en específico que correspondería a otro trabajo de investigación.

1.7 Organización del documento Hasta este punto, se ha tratado del biodiesel, su historia, ventajas, problemática en México, etc. En los siguientes capítulos se presenta el desarrollo de este trabajo de tesis. Cada capítulo abarca estos aspectos:

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Capítulo 2. Experimentación. Se muestran los resultados de los experimentos realizados y las conclusiones que se obtuvieron. Capítulo 3. Diseño físico del prototipo. Se presentan el diseño general del prototipo, y además, se detallan los componentes que lo conforman. Se desarrollan los cálculos para la selección del motor del agitador, válvula solenoide y resistencia eléctrica. Capítulo 4. Diseño de control. La hipótesis planteada consistía en automatizar el proceso con el uso de un microcontrolador, por tal motivo, en este capítulo se expone la programación efectuada para lograr la automatización. Así mismo, se presenta la validación y calibración de los sensores utilizados. Capítulo 5. Construcción y pruebas de funcionamiento. Se describe la construcción del prototipo y se muestra un aspecto general del equipo. En otro contexto, se exhiben en una tabla, las pruebas de funcionamiento al prototipo construido. Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones. Se definen las conclusiones obtenidas del trabajo realizado, además, las recomendaciones para mejorarlo. Anexos. Anexo A, son los resultados de todos los experimentos llevados a cabo. Anexo B-G, hojas de diseño de los componentes del prototipo. Anexo H, cálculos para la potencia de la resistencia eléctrica. Anexo I, J, datos para la validación del sensor LM35. Anexo K, programa general para la automatización. Anexo L, artículo técnico presentado en el 5° Congreso Internacional de Innovación y Desarrollo Tecnológico, con sede en Cuernavaca, Morelos.

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CAPÍTULO 2 Experimentación

2.1 Introducción Este capítulo se refiere a la investigación experimental en la producción de biodiesel. En primera instancia se estudiaron los reportes y documentos que hacían referencia al proceso de obtención de biodiesel, sin embargo, la experimentación a nivel laboratorio permitiría observar el comportamiento de las variables que intervienen durante la reacción de transesterificación, y con ello, establecer las consideraciones para el diseño físico y de control del prototipo.

2.2 Materiales En la obtención de biodiesel intervienen tres reactivos, estos son:

Aceite vegetal o grasa animal Alcohol Catalizador

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Capítulo 2: Experimentación Cenidet

2.2.1 Aceite vegetal La materia prima empleada es el aceite vegetal sin usar procedente de plantas oleaginosas. En la experimentación realizada se utilizaron aceite comestible, el cual es una mezcla de aceite de maíz, girasol, colza, cártamo, entre otros; aceite de coco, aceite de higuerilla y de soya. Una de las aportaciones principales de este trabajo de tesis es el brindar un nuevo impulso a la industria coprera del país. En particular, Guerrero durante la década de los 90’s fue el productor de copra más importante de México. Después de la devaluación económica sufrida en el año 1994, la copra decayó notablemente en su uso y producción. Algunos investigadores afirman que el desplome en el precio de la copra a nivel mundial fue a causa de la campaña en contra que se le hizo al aceite de coco por contener grasas saturadas y ser peligroso a la salud humana.

2.2.2 Alcohol Para producir biodiesel, el alcohol es el que reacciona con el aceite, separando los ésteres del glicerol. El alcohol comúnmente más usado en la obtención de biodiesel es el metanol, aunque otros alcoholes, tales como etanol, isopropanol y butil pueden ser empleados. Un factor de calidad clave para elegir el alcohol es el contenido de agua. El agua interfiere con la reacción de transesterificación y puede resultar en una pobre conversión y altos niveles de jabón, ácidos grasos libres y triglicéridos en el combustible final. Desafortunadamente los alcoholes más puros son más costosos [5]. Sin embargo, el metanol, que no forma azeótropos con el agua, puede tener un precio bajo y cumplir con un bajo contenido de agua también. Características como el costo del alcohol, la cantidad necesaria para la reacción, la facilidad de recuperarlo y reciclarlo, entre otras, intervienen de manera determinante en la elección del alcohol. Algunos alcoholes también requieren ligeras modificaciones técnicas en el proceso de obtención de biodiesel, por ejemplo temperaturas de operación más elevadas, tiempos de agitación más prolongados o velocidades de agitación más bajas. El proceso de transesterificación para producir biodiesel, dependiendo del alcohol usado, se le puede nombrar de manera diferente. Haciendo uso de metanol se le conoce como metanólisis, en el caso del etanol, es conocido como etanólisis. De la misma forma el resultado de la reacción de transesterificación puede llamarse éster metílico, si metanol es usado, o bien éster etílico si se utiliza etanol [3]. La formación de éster etílico comparativamente es más difícil que la de éster metílico, especialmente la formación de una emulsión estable durante la etanólosis es un problema. El etanol y el metanol no se disuelven con los triglicéridos a temperatura ambiente y la mezcla debe ser agitada mecánicamente para que haya un mayor contacto entre las moléculas reaccionantes. Durante la reacción generalmente se forma una emulsión, en la metanólosis esta emulsión desciende rápidamente formándose una capa rica en glicerol, quedándose en la parte superior otra zona rica en éster metílico. En cambio en la etanólisis esta emulsión no es estable y complica mucho la separación y purificación de los ésteres etílicos. La emulsión está causada en parte por la formación de monoglicéridos y diglicéridos intermedios, que contienen tanto grupos hidróxidos polares como cadenas de hidrocarburos no polares [4].

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 2.2.2.1 Relación de alcohol/aceite Una de las variables más importantes que afectan al rendimiento del proceso es la relación molar del alcohol y los triglicéridos. La relación estequiométrica requiere tres moles de alcohol y un mol de triglicérido para producir tres moles de ésteres y un mol de glicerol [4, 5]. La transesterificación es una reacción de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para desplazar la reacción al lado derecho. Para una conversión máxima se debe utilizar una relación molar de 6:1. En cambio un valor alto de relación molar de alcohol afecta a la separación de glicerina debido al incremento de su solubilidad, lo cual no es conveniente ya que si la glicerina se mantiene en solución, el equilibrio de la reacción tiende a desplazarse hacia la izquierda, disminuyendo con ello el rendimiento [4, 5]. Consultando diversas fuentes de información bibliográfica, se encontró que para el uso de metanol en la producción de biodiesel se requiere de un 20% del volumen de aceite a usar. En relación al etanol, este se emplea en un 30% del volumen de aceite [1, 3 – 5, 19].

2.2.3 Catalizador Los catalizadores son empleados en la transesterificación para iniciar con la reacción y en aumentar la cinética de la reacción. Los catalizadores usados para la transesterificación de los triglicéridos se pueden clasificar en alcalinos, ácidos, enzimáticos o catalizadores heterogéneos, siendo los básicos homogéneos y en particular los hidróxidos los más utilizados [4, 5]. Catalizadores homogéneos básicos, NaOH y KOH, son recomendados esencialmente para aceites vegetales sin usar, debido a que el contenido de agua y de ácidos grasos libres son generalmente bajo. Si el aceite presenta altos porcentajes de ácidos grasos libres, el uso de catalizadores básicos durante el proceso de transesterificación originaría la formación de jabón y agua [4]. La cantidad de sosa cáustica necesaria para que se produzca la reacción de transesterificación, según reportes de experimentos realizados, es de 0.35% del volumen de aceite. Por su parte, la cantidad de KOH es de 0.9% del volumen de aceite. Sin embargo, en la experimentación se notó que las cantidades mínimas necesarias fueron distintas [1, 3 - 5, 19].

2.2.4 Propiedades de reactivos empleados

Aceite de coco Se obtiene de la pulpa o copra del fruto del cocotero (Cocos nucifera) por extracción mecánica y/o solventes. El aceite refinado y deodorizado tiene un color amarillo claro cuando está arriba de su punto de fusión: 23-26 °C. Debajo de esta temperatura es sólido blanco de consistencia variable dependiendo de la temperatura. Contiene una gran cantidad de ácidos grasos saturados (+ del 90%), lo que le hace estable y resistente a la oxidación [21, 22]. En la experimentación se utilizaron dos tipos de aceite de coco, uno es un aceite de coco obtenido artesanalmente, conocido comúnmente como “aceite de cazuela”, comprado en el mercado

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central de Acapulco, Guerrero; el otro tipo de aceite fue el adquirido a una casa proveedora de reactivos, por lo cual, es un aceite refinado y puro, que contiene las características presentadas en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Composición química y propiedades del aceite de coco crudo Porcentajes del contenido total de ácidos grasos

Ácidos grasos libres 0.05% máx. Ácido Capróico C-6 0.0 – 0.6 Ácido Caprílico C-8 4.6 – 9.4 Ácido Cáprico C-10 5.5 – 7.8 Ácido Láurico C-12 45.1 – 50.3 Ácido Mirístico C-14 16.8 – 20.6 Ácido Palmítico C-16 7.7 – 10.2 Ácido Palmitoléico C-16:1 0.0 – 1.0 Ácido Esteárico C-18 2.3 – 3.5 Ácido Oleico C-18:1 5.4 – 8.1 Ácido Linoleico C-18:2 1.0 – 2.1 Ácido Araqídico C-20 0.0 – 0.2

Propiedades fisicoquímicas

Densidad a 40°C 0.908 – 0.921 g/ml Índice de Yodo 7,5 a 10,5 g I2/100g Punto de fusión 23 – 26 °C Índice de peróxidos Máx. 0,5 meq/kg Índice de refracción 40°C 1,448 a 1,450 Índice de saponificación 248 a 265 mg KOH/g

Color Lovibond Máx. 20 Amarillo Máx. 3 Rojo

Humedad Máx. 0,05% Antioxidantes Negativo

Propiedades del metanol usado En la mayoría de los experimentos se utilizó metanol grado reactivo (GR), con las siguientes características:

Fórmula química.............................CH3OH Concentración.................................99.5% Densidad relativa a 25°C................0.79% Temperatura de inflamación...........12 °C Temperatura de ebullición..............64.7 °C Residuos a la evaporación ..............0.001% Acetona aldehidos ..........................0.002% Acidez (como HCOOH) .................0.002% Alcalinidad (como NH3).................0.003%

También se llevó a cabo la experimentación usando metanol grado técnico. El cual, tiene una concentración de 98%.

20


Propiedades del etanol empleado El etanol usado en la experimentación de producción de biodiesel, presentaba las características que a continuación se enlistan.

Fórmula química.............................CH3-CH2-OH Concentración.................................99.8% Densidad .........................................0.810 g/cm3

Punto de ebullición .........................78.6 °C Residuos a la evaporación ..............0.001% Acetona...........................................0.001% Acidez (como CH3COOH) .............0.003% Alcalinidad (como NH3).................0.0003% Alcohol isopropílico .......................0.003%

Propiedades de la sosa utilizada Sosa cáustica de grado técnico se manejó en todos los experimentos que se empleó esta como catalizador. La presentación de la sosa es en escamas y sus propiedades son:

Hidróxido de sodio (NaOH) ...........50.47% Hidrógeno (H) ................................2.52% Oxígeno (O)....................................40.0% Densidad a 25 °C............................2.13 g/ml Punto de ebullición .........................1388 °C Punto de fusión ...............................318.4 °C Peso molecular................................4.01 g/mol

Propiedades del KOH

El otro catalizador ocupado en la realización de experimentos fue el hidróxido de potasio, el cual era de grado reactivo analítico con las siguientes concentraciones:

Pureza (KOH).................................88% Carbonato de potasio (K2CO3) .......0.3% Materia insoluble ............................< 30.0 ppm Cloro (Cl)........................................< 0.0005% Hidróxido de amonio......................0.02% Metales pesados (como Ag) ...........0.0005% Sodio (Na) ......................................0.03%

2.2.5 Manejo de reactivos Metanol y etanol son los alcoholes que se utilizaron en la experimentación. El metanol es más tóxico que el etanol, por lo cual fue necesario manejarlo con mayor cuidado, evitando el contacto directo con la piel y ojos.

21


Hidróxido de sodio (NaOH) comúnmente llamada lejía o sosa cáustica, e hidróxido de potasio (KOH) son los catalizadores empleados en la experimentación. El manejo de estos catalizadores fue hecho con gran precaución, debido a ser higroscópicos, absorben humedad del medio ambiente, además de ser peligrosos si se encuentran en contacto con la piel, ojos, o bien si son ingeridos [23]. Para evitar cualquier accidente en el uso de estos reactivos, se recomienda utilizar equipo de protección personal, como guantes, gogles contra salpicaduras, bata de algodón, etc.

2.3 Método Después de hacer una revisión de los documentos bibliográficos recopilados acerca del proceso de obtención de biodiesel, resultaba conveniente unificar criterios y procedimientos. Por tal razón, se definió iniciar la experimentación con aceite comestible de cocina sin usar, metanol y sosa cáustica. Las cantidades iniciales fueron las usadas en los reportes de experimentos consultados. En lo que se refiere a las variables físicas del proceso, se estableció: tiempo de agitación de 20 minutos, tiempo de separación de 8 horas y, la reacción se llevara a cabo a temperatura ambiente. De manera general se siguió el procedimiento dado mas adelante para la realización de cada uno de los experimentos, independientemente de las variaciones hechas a los tipos de reactivos, cantidades de los mismos, temperatura de la reacción, etc.

1. Usar el equipo de protección personal 2. Medir la cantidad de aceite necesaria y verterla a un recipiente 3. Medir el alcohol y vaciarlo en otro recipiente. Evite el contacto con la piel y la

inhalación 4. Pesar el catalizador y añadirlo al alcohol. Este procedimiento se debe hacer rápidamente,

puesto que la sosa es hidroscópica. Evite el contacto con la piel 5. Agitar la mezcla alcohol-catalizador hasta que este se disuelva completamente. Si se usa

metanol, el resultado de la mezcla se denomina metóxido. Si etanol es usado, recibe el nombre de etóxido

6. Agregar cuidadosa y lentamente, el metóxido al aceite, resbalándolo por la pared del recipiente y agitando durante la adición

7. Agitar durante 20 minutos a la temperatura especificada 8. Verter el producto de la mezcla aceite-metóxido, en un embudo de separación 9. Dejar reposar durante 8 horas 10. Separar los productos obtenidos de la reacción (biodiesel y glicerina) por decantación 11. Medir la cantidad de cada uno de los productos obtenidos 12. Determinar el numero de pH del biodiesel 13. Densidad del biodiesel 14. Anotar la apariencia del biodiesel y la glicerina, así como las observaciones hechas

durante el experimento. El biodiesel resultante puede contener alcohol sin reaccionar, catalizador y glicerina que no se haya precipitado. Aplicar un lavado al biodiesel obtenido, removerá de él todos esos componentes no deseables [19].

22

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Cabe señalar que la norma ASTM D-6751 permite un máximo de 0.2% de alcohol presente en el biodiesel. Por lo cual, es recomendable lavar el biodiesel y de esta manera, cumpla con las especificaciones de la norma. Existen varios métodos de lavado de biodiesel, lavado por niebla, por burbujas y por agitación. Se estableció emplear el lavado por agitación, debido a agilizar la separación de biodiesel lavado y agua. El procedimiento consiste en:

1. Se obtienen el volumen y el pH del biodiesel que se desee lavar. 2. Se mide un volumen de agua potable igual al de biodiesel y se mide su pH. 3. A este volumen de agua se le agrega vinagre para ajustarle el pH a un valor que, al ser

restado del pH original del agua, sea igual a la diferencia obtenida entre la lectura de pH del biodiesel menos 7. Ejemplo, si el pH del biodiesel sea 8.5, implica que el agua mezclada con vinagre sea de un pH 5.5

4. Se mezclan los volúmenes de agua y de biodiesel, se agitan por 5 minutos y se dejan reposar hasta que se obtenga una efectiva separación de las fases.

5. Se decanta la fase acuosa dejando la fase orgánica correspondiente al biodiesel lavado.

2.3.1 Diseño experimental En un primer número de experimentos, el diseño experimental se hizo en base a mantener fijos los volúmenes de aceite vegetal y de alcohol, variar las cantidades de sosa cáustica de 2.0 a 0.7 gramos, la temperatura se mantuvo a temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C) y se midió, como variable dependiente, el volumen de biodiesel y de glicerina. Cabe hacer la observación que los intervalos de variación de las variables independientes fueron escogidos de acuerdo con información obtenida de la literatura, ya que en ella se reportan diferentes propuestas para producción de biodiesel.

La conclusión de los resultados se hizo considerando la menor cantidad de hidróxido de sodio usado a partir de la obtención de volúmenes equivalentes de biodiesel. Por ejemplo, según la tabla 2.2, con 0.7 g de sosa no se da la reacción pero con 1.0 y 1.2 g, se obtienen volúmenes de biodiesel de 203 y 201 ml, respectivamente, todo ello a una misma temperatura. Al mantener fijos los volúmenes de aceite y alcohol, la mejor combinación de cantidades de reactivos se determinó considerando la menor cantidad de catalizador usado. Conociendo estas cantidades de las sustancias empleadas, se varió la temperatura de la reacción. De esta forma, los experimentos que resultaron favorables en la obtención de biodiesel a temperatura ambiente, se llevaron a cabo nuevamente con temperaturas de 55 a 60 °C, y en algunos casos, a temperaturas de 80 °C, esto en el laboratorio de biotecnología de la UAEM, haciendo uso de equipo de condensación para recuperar el alcohol evaporado. Nuevamente, la variable dependiente fue el volumen de biodiesel o glicerina. Por último, se varió el tipo de alcohol y catalizador. Subrayar, el motivo de utilizar un alcohol y/o catalizador diferente, fue para determinar los reactivos que mejor favorecían la separación de glicerina y biodiesel, y en base a ello, realizar el diseño del prototipo automatizado para llevar a cabo ese proceso seleccionado.

23


2.4 Resultados Se hicieron un total de 48 experimentos, utilizando aceite comestible de cocina sin usar, aceite de coco, de soya y de higuerilla. Como alcohol fueron empleados metanol y etanol. Como catalizador NaOH y KOH. En el anexo A se presenta la tabla que contiene todos los experimentos. A continuación se muestran los resultados que determinaron las conclusiones de la experimentación.

Aceite de cocina y metanol

Tabla 2.2 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y metanol Producto obtenido

Prueba Aceite (ml)

Alcohol (ml)

Catalizador (g) Biodiesel

(ml) Glicerina

(ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

1 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 2.0 - - - - Amb 2 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 1.5 200 32 * n/d “ 4 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.7 - - - - “ 5 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 1.2 201 24 * 11.1 “ 7 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 203 23 * - “

10 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 201 21 0.875 12.3 “ 14 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 206 21 0.87 - 55 – 60 22 Cocina, 50 Metanol, 10 Sosa, 0.250 Si Si - - 80 24 Cocina, 50 Metanol, 10 Sos GR 0.250 Si Si - - 80

La prueba 10 fue hecha a temperatura ambiente, determinando la menor cantidad de sosa a emplear para obtener biodiesel a partir de aceite de cocina y metanol. Esta prueba sirvió para establecer la mínima cantidad de sosa con la que se logra la separación de biodiesel y glicerina. En la prueba 14 se utilizaron las mismas sustancias a las mismas cantidades, la variación se efectuó en la temperatura de la reacción. A temperatura de 55 – 60 °C se produce una mayor cantidad de biodiesel (206 ml) con respecto a los 201 ml de la prueba 10. La literatura expresa que a mayor temperatura existe mayor conversión de aceite a biodiesel. Las pruebas 22 y 24, realizadas a 80 °C, presentaron un aspecto importante. La agitación fue muy baja, en base a perlas de vidrio. Se generó la separación de biodiesel y glicerina. Por lo cual, la intensidad de agitación no es una variable que determine la obtención de biodiesel, situación que concuerda con los documentos consultados.

Aceite de coco y metanol

Tabla 2.3 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y metanol Producto obtenido

Prueba Aceite (ml)

Alcohol (ml)


(ml) Glicerina

(ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

3 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.7 - - - - Amb 6 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 - - - - “ 8 Coco, 200 Metanol, 50 Sosa, 0.875 208 28 * 9.1 “ 9 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 200 26 0.88 8.9 “

19 Coco, 200 Metanol, 50 Sosa, 1 210 30 * 9.1 “

24


29 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 203 25 * 9.1 “ 15 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 200 23 0.89 - 57 – 60 23 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 Si Si - - 80 25 Coco, 200 Metanol, 40 Sos GR 1 Si Si - - 80 34 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 210 24 - 9.4 55 – 60 41 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 202 20 0.88 9.1 Amb 42 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 200 24 “ 9.1 “ 43 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 204 22 “ 9.1 “ 44 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 196 24 “ 9.0 “ 47 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 204 24 “ “ “

Se presentan características muy semejantes en los resultados de estas pruebas, en relación a los resultados de las pruebas anteriores. Estas son: las mínimas cantidades de las sustancias, una mayor obtención de biodiesel a temperatura alta y la intensidad de agitación no es una variable determinante. Las pruebas 41 – 44 y 47 son repeticiones de la prueba 29. Los resultados que se obtuvieron son similares, por lo cual, existe repetibilidad en los experimentos realizados empleando la mínima cantidad de sosa y originándose la separación de productos.

Aceite de cocina y etanol

Tabla 2.4 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y etanol Producto obtenido

Prueba Aceite (ml)

Alcohol (ml)


(ml) Glicerina

(ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

11 Cocina, 200 Etanol, 40 Sosa, 1 - - - - Amb 12 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 207 35 * 8.9 “ 13 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1.33 207 37 0.875 9.3 “ 16 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 0.875 - - - - Amb 20 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 220 28 * 8.6 Amb 36 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 220 28 * - Amb 17 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 58 – 60 31 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 60 – 64 33 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 50 – 55 35 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 55 – 60 37 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 55 – 60

En estos experimentos se varió el tipo de alcohol. Se requiere de mayor cantidad de etanol, para producir biodiesel, en comparación con el metanol. La relación es de un aumento del 50%. A temperaturas de 55-60 °C, no fue posible la obtención de biodiesel y glicerina, usando etanol.

25


Aceite de coco y etanol

Tabla 2.5 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y etanol Producto obtenido

Prueba Aceite (ml)

Alcohol (ml)


(ml) Glicerina

(ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

18 Coco, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - Amb 21 Coco, 200 Etanol, 60 Sosa, 1.125 - - - - Amb 26 Coco, 200 Etanol, 60 Sosa, 1.250 - - - - Amb 27 Coco, 120 Etanol, 42 Sosa, 0.6 - - - - Amb 28 Coco, 150 Etanol, 60 Sosa, 0.75 - - - - Amb 30 Coco, 200 Etanol, 80 Sosa, 1.25 - - - - Amb 32 Coco, 112 Etanol, 56 Sosa, 0.7 - - - - Amb 38 Coco, 100 Etanol, 30 KOH, 1.125 - - - - Amb 39 Coco, 100 Etanol, 40 KOH, 1.125 - - - - Amb 40 Coco, 100 Etanol, 40 KOH, 1.687 - - - - Amb

Como se mencionó en la sección 2.1.2, la formación de biodiesel usando etanol es más difícil, en comparación al metanol. En estos experimentos se hizo reaccionar aceite de coco y etanol en presencia de sosa cáustica o KOH. Ninguno de ellos resultó favorable en la producción de biodiesel.

Experimentación con distintos aceites Se llevaron a cabo experimentos con aceite de coco, higuerilla y soya, utilizando la mejor combinación alcohol/catalizador, a cantidades fijadas desde la prueba 10.

Tabla 2.6 Experimentos de biodiesel con distintos tipos de aceite Producto obtenido

Prueba Aceite (ml)

Alcohol (ml)


(ml) Glicerina

(ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

10 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 201 21 0.875 12.3 Amb 29 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 203 25 * 9.1 “ 45 Soya, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 202 22 0.89 “ “ 46 Higuerilla 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 208 20 0.885 “ “ 48 Coco, 200 Metanol GT, 40 Sosa, 0.875 207 16 0.88 “ “

La prueba 48 fue realizada con metanol grado técnico (GT), lográndose la separación de biodiesel y glicerina. Después de experimentar en repetidas ocasiones, con distintos tipos de aceite, se definió la mejor combinación de alcohol-catalizador, así como las cantidades de los reactivos a emplear en la producción de biodiesel. Estas cantidades en proporción son las utilizadas en el prototipo construido.

Aceite: de coco, cocina sin usar, higuerilla o soya. Alcohol: metanol, 20% del volumen de aceite (ml) Catalizador: sosa cáustica, 0.4375% del volumen de aceite (ml)

26

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 2.5 Costo por litro de biodiesel Tomando en cuenta los siguientes costos de los reactivos que intervienen en el proceso de obtención de biodiesel: Aceite de coco no refinado, adquirido en el mercado central de Acapulco, Guerrero: $ 20.00/litro Metanol grado técnico: $ 19.24/litro Metanol GR: $ 89.32 / litro Sosa cáustica grado técnico: $ 21.28/kg Para 1 litro de biodiesel usando aceite de coco comprado en Acapulco, aproximadamente se necesitan: 1 litro de aceite de coco: 200 ml de metanol grado técnico: 4.375 g de sosa grado técnico:

$ 20.00 $ 3.84 $ 0.09

1 litro de aceite de coco: 200 ml de metanol GR: 4.375 g de sosa grado técnico:

$ 20.00 $ 17.86 $ 0.09

Total: $ 23.93 Total: $ 37.95

Los costos son en moneda nacional. Vigentes al mes de noviembre de 2007. Estos costos pueden ser disminuidos si se realiza una producción a gran escala, en particular, en el insumo de aceite de coco.

2.6 Conclusiones de la experimentación

La combinación alcohol – catalizador a utilizar, es metanol – sosa cáustica (NaOH).

A altas temperaturas, 55 – 60 °C, existe una mayor producción en volumen de biodiesel.

La intensidad de la agitación no es determinante en la formación de biodiesel. Solo es requerido mantener una mezcla homogénea de los reactivos.

Las cantidades a usar, tomando el volumen de aceite como la cantidad base, son:

Metanol, 20% del volumen de aceite (ml)

Sosa cáustica, 0.4375% del volumen de aceite (ml)

Es posible llevar a cabo el proceso de transesterificación a partir de aceite de cocina sin usar, coco, higuerilla y soya.

En cada una de las pruebas que resultaron favorables en la separación de biodiesel y

glicerina, se midió la densidad del biodiesel obtenido, y en todos los casos se encuentra dentro del intervalo especificado por las normas internacionales como la ASTM D-6751 y la EN1424.

27



28

CAPÍTULO 3 Diseño físico

3.1 Introducción Después de haber logrado un conocimiento del proceso de esterificación de diferentes aceites de origen vegetal a nivel laboratorio, como se detalla en el capítulo anterior, y donde se observó la influencia de las diferentes variables que intervienen como la temperatura, la proporción de reactivos, la intensidad de la agitación, las etapas de la reacción identificadas por la variación de la apariencia física de la mezcla reaccionante respecto a color y viscosidad, y el tiempo requerido para alcanzar la máxima separación de los productos (biodiesel y glicerina); se contó con la información requerida para escalar el proceso a nivel de un prototipo, objetivo del trabajo, para lo cual se tomaron en cuenta las propiedades físicas y químicas de los reactivos, los rangos de control de las variables involucradas y el volumen total del producto de biodiesel que se desea producir.

29

Capítulo 3: Diseño físico Cenidet

3.2 Consideraciones de diseño

3.2.1 Consideraciones generales

Tipo de proceso. El proceso de transesterificación que se llevará a cabo en el prototipo podrá considerarse por lotes (batch) aún y que, si después del tiempo de reacción se trasfiere la carga del reactor a otro tanque para que se separen la glicerina y el biodiesel, inmediatamente se puede iniciar una nueva carga.

Tamaño del prototipo. El prototipo diseñado y construido como objetivo principal de este

trabajo de tesis, representa el escalamiento a equipo piloto del proceso estudiado a nivel laboratorio. Las características de los materiales en que se construirá, la instrumentación y los sistemas de control para su operación servirán de modelo (prototipo), en caso de que se quiera reproducir el proceso a escala industrial. En este caso particular, se diseñó para una capacidad máxima de producción de biodiesel de ocho litros por lote.

Suministro de las sustancias. A través de la acción de la gravedad se van a verter las sustancias que intervienen en la reacción, con esto, se anula el uso de un dispositivo de bombeo.

A partir de la etapa de experimentación, fueron incrementándose las consideraciones a tomar en cuenta.

Se garantiza una buena separación de biodiesel y glicerina a una temperatura de reacción entre 55 – 60 °C. Esto conlleva a mantener la temperatura en el reactor dentro del rango especificado, mediante el uso de resistencia eléctrica de calentamiento tipo banda.

En particular, el aceite de coco tiene un punto de fusión de 23 °C, haciendo necesario un

precalentamiento del aceite antes de ser incorporado al reactor.

Observar la separación de biodiesel y glicerina a través de una mirilla. Las siguientes consideraciones se hicieron atendiendo al manejo de la sosa cáustica, la cual es muy corrosiva y no puede estar en contacto con ciertos metales, además de ser hidroscópica.

Se va a disponer de metóxido ya preparado (mezcla metanol-sosa) en un recipiente.

El material de construcción de los recipientes contenedores de aceite y metóxido, así como el reactor, es lámina de acero inoxidable de calibre 18, es decir, de un espesor de 1.21 mm, calibre que permite soldarlos.

La tubería por donde se trasfieren el aceite, el metóxido, la glicerina y el biodiesel, son de

acero inoxidable tipo 304, de 3/8” de diámetro. Los dispositivos encargados de controlar el flujo son válvulas solenoide de características dadas más adelante.

La figura 3.1 muestra el diseño general del prototipo, la hoja técnica se presenta en el anexo B.

30


Figura 3.1 Diseño general del prototipo

Lista de componentes principales:

1. Reactor 2. Recipiente contenedor de aceite 3. Recipiente contenedor de metóxido 4. Motor agitador 5. Válvula solenoide 6. Resistencia eléctrica de calentamiento 7. Armadura de soporte

3.3 Detalles de los componentes Los componentes que integran el prototipo fueron diseñados siguiendo las consideraciones generales planteadas en la sección anterior y en base a particularidades que serán descritas en este apartado. La selección de las válvulas, resistencia eléctrica y el motor del agitador fueron hechas a partir de cálculos realizados para tal fin.

3.3.1 Reactor La reacción de transesterificación para producir biodiesel se propicia en el reactor. Durante el tiempo de reacción se mantiene la mezcla en agitación, así como a la temperatura dentro del intervalo especificado. El tiempo de reacción y de agitación es de 25 minutos. Culminada la agitación, se deja reposar la mezcla en el mismo reactor para que se logre la separación de glicerina y biodiesel por diferencia de densidades. Como mínimo se requieren de 4 horas para garantizar que se ha precipitado la totalidad de la glicerina, de acuerdo a los análisis cromatográficos realizados en el laboratorio de biotecnología de la UAEM, que se muestran más adelante.

31


La glicerina se precipita en el fondo del reactor, por tal razón, es conveniente que la forma de dicho reactor sea parecida a un embudo, es decir de forma cónica, con ello permitirá drenar su contenido con mayor facilidad. Considerando el tamaño del prototipo, el reactor se diseñó para manejar hasta un volumen de 8 litros de mezcla aceite-metóxido. Poniendo atención que al agitar, el nivel de la mezcla se incrementa. En la figura 3.2 se observa el dibujo del reactor. La hoja de diseño se puede ver en el anexo C. La tapa presenta tres orificios, el orificio central es donde se introducirá el vástago del motor agitador. Los orificios que se encuentran a los lados son para conectar con los recipientes de aceite y metóxido, mediante la tubería de acero inoxidable.

Figura 3.2 Reactor

Cálculo del volumen total del reactor

Figura 3.3 Dimensiones del reactor en mm

Parte cilíndrica:

3622

1 1034.8)170(4

)250(4

mmmmmmaDV ×===ππ

32

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Parte cónica:

3622

2 1004.2)117(12

)250(12

mmmmmmaDV ×===ππ

Volumen Total: 10.38 x 106 mm3 = 10.388 litros

3.3.2 Recipiente contenedor de aceite Para almacenar el aceite vegetal se diseñó un recipiente de lámina de acero inoxidable. El dibujo técnico se contempla en el anexo D.

Figura 3.4 Recipiente del aceite

Observando la figura 3.4 se denota lo siguiente:

Forma cilíndrica. Permite calcular con mayor facilidad el volumen del aceite si se conoce su altura dentro del recipiente.

Contiene una tapa que evitará el alojamiento de polvo y basura en la superficie del aceite. El orifico en la parte lateral, es la salida del aceite.

Cálculo del volumen 0

Figura 3.5 Dimensiones del re

20

cipiente de aceite en mm

33


Volumen del recipiente de forma cilíndrica, se obtiene:

3622

1085.7)250(4

)200(4

mmmmmmaDV ×===ππ

Volumen= 7.85 litros

3.3.3 Recipiente contenedor de metóxido La mezcla de metanol y sosa cáustica se le conoce como metóxido, el cual estará contenido en un recipiente de lámina de acero inoxidable. En el anexo E quedan definido el dibujo técnico de este componente.

Figura 3.6 Recipiente contenedor de metóxido

En la figura 3.6 se aprecia que el recipiente es de forma cilíndrica, contiene una tapa y un orificio en la parte lateral inferior para la salida del metóxido.

Cálculo del volumen

Figura 3.7 Dimensiones del recipiente contenedor de metóxido

El volumen se calcula de la misma manera que en el caso anterior.

3622

102)177(4

)120(4

mmmmmmaDV ×===ππ

Volumen = 2 litros

34

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 3.3.4 Motor del agitador El cálculo para conocer la potencia del motor del agitador, tuvo como punto de partida la conclusión hecha en la etapa de experimentación; la intensidad de la agitación no es un factor determinante en la obtención de biodiesel, basta con que ésta sea suficiente para mantener una mezcla homogénea que favorezca el contacto de los reactivos, sobretodo en las etapas donde la

iscosidad de la mezcla se incrementa. v Se eligió hacer uso de un motor eléctrico monofásico de 1800 rpm, considerando que es muy común en el mercado. El motor se acopla a un impulsor tipo paletas inclinadas, el cual causa que el movimiento del líquido sea de forma radial y tangencial, así como también exista un movimiento vertical con respecto al vástago del agitador [24].

Figura 3.8 Impulsor del motor agitador

El procedimiento de cálculo de la potencia del motor necesaria para que se logre la agitación, consiste en determinar el número de Reynolds (Re), el número de potencia (Np) y por último, la potencia en hp [25].

Calcular número de Reynolds Datos: N = Velocidad nominal del motor = 1800 rpm = 30 rps ρ = Densidad del aceite = 0.92 g/cm3 = 920 kg/m3 D = Diámetro del impulsor = 7 cm = 0.07 m µ = Viscosidad del fluido = 626 cSt = 6.26 cm2/s Al inicio de la agitación aceite – metóxido, se incrementa considerablemente la viscosidad de la mezcla. Además, la viscosidad del aceite cambia con respecto a la temperatura. Para tener un cálculo que abarcara estas problemáticas, se dictaminó utilizar el valor de viscosidad de la glicerina. Glicerina y biodiesel se encuentran mezclados al final de la agitación, de los cuales, la glicerina tiene una mayor viscosidad. La ecuación 3.1 se utilizó para determinar el número de Reynolds

35


µρ 2

Re DN= (3.1)

( )( )( ) 038.21626.6

792.030Re2

==

Calcular número de potencia Np

El número de potencia se encuentra mediante una gráfica que se presenta en la figura 3.9, en donde se muestran curvas de potencia de distintos tipos de impulsores. Solo se necesita conocer el número de Reynolds y determinar el valor de Np con respecto a la curva seleccionada.

Figura 3.9 Curvas de potencia de distintos impulsores

La curva 1 y 2 son de un impulsor tipo turbina aspas planas, curva 3 pertenece a impulsor de aletas inclinadas diámetro pequeño, curva 4 a impulsor tipo aletas inclinadas de diámetro medio, y la curva 5, es de un impulsor tipo aletas inclinadas de diámetro grande. Según la curva 3 de la figura 3.9, el número de potencia correspondiente a un Re = 216.038 es:

Np = 1.8

Calcular potencia del motor El cálculo de la potencia se realizó con la ecuación 3.2 (3.2) 53DNNP pρ=

36


( )( ) ( )

WP

P

1475.75

07.0309208.1 53

=

=

hphpW

hpWP 101100774.0

7.74511475.75 ==⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

3.3.5 Válvulas solenoide El diseño general del prototipo contempla el uso de válvulas solenoide para permitir el flujo de aceite, metóxido y en la separación de glicerina y biodiesel. Las válvulas solenoide son de la firma Jefferson®, número de catálogo 1335BN3DT, con las siguientes características [26]:

Normalmente cerrada Cuerpo de latón forjado Conexión roscada NPT 3/8” Diafragma con alma metálica y asiento de neopreno De acción directa ∆P mínima: 0 bar - ∆P máxima: 0.1 bar Bobina de 19 W a 12 V CC

El dibujo técnico de este componente corresponde a las dimensiones del fabricante. Ver anexo F.

Figura 3.10 Válvula solenoide

La elección de la válvula se realizó tomando en cuenta los siguientes parámetros: Presión diferencial. Se llama presión diferencial o caída de presión o pérdida de carga, a la diferencia de presiones estáticas entre la entrada y la salida de la válvula. El símbolo para indicarla es ∆P. Máxima presión diferencial. Es la que se establece cuando la válvula está cerrada. Cuando esta presión supera el valor máximo indicado para cada modelo de válvula, ésta no puede operar. Mínima presión diferencial. En las válvulas servo-operadas es necesaria una presión diferencial mínima para abrir y permanecer abiertas. En cambio las de acción directa y ancladas prescinden de este requisito.

37


Como se mencionó anteriormente, la válvula seleccionada presenta una ∆P mínima de 0 bar y una ∆P máxima de 0.1 bar. Si la caída de presión en alguna de las válvulas instaladas, rebasa el valor de 1 bar, ésta no funcionaría [26]. Motivado por esta circunstancia, se calculó la caída de presión máxima para cada válvula, con la finalidad de garantizar el buen funcionamiento.

Cálculo de caída de presión en cada válvula La realización de estos cálculos se hizo empleando la ecuación 3.3:

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆

vKQP γ (3.3)

Donde: ∆P = Caída de presión en bar γ = Peso especifico del liquido en g/cm3 Q = Caudal volumétrico en m3/h Kv = Coeficiente de flujo de la válvula en m3/h Para hacer los cálculos de la caída de presión, habría que conocer el caudal volumétrico, dato que se encontró utilizando dos ecuaciones, la primera es de acuerdo al teorema de Torricelli: agV 12 2= (3.4) Donde: V2 = Velocidad a la salida del recipiente g1 = Aceleración de la gravedad a = Altura del liquido o fluido La segunda ecuación es la definición del caudal: 2AVQ = (3.5) Donde: Q = Caudal volumétrico A = Área de sección transversal por donde pasa el fluido V2 = Velocidad del fluido Para todos los casos, el área de sección transversal a la que hace referencia la ecuación 3.5, es el área interna del tubo de 3/8 in. En donde el diámetro interno es de 9.52 mm (3/8 in) Se consideró tomar la máxima altura del líquido en el recipiente o reactor, según corresponda el caso.

Reactor principal

smagV 34384.2)28.0)(81.9(22 12 ===

38


sl

smAVQ 167.0000167.0)3438.2(

4)00952.0( 32

2 ====π

Recipiente del aceite

smagV 21.2)25.0)(81.9(22 12 ===

sl

smAVQ 157.0000157.0)21.2(

4)00952.0( 32

2 ====π

Recipiente del metóxido

smagV 879.1)18.0)(81.9(22 12 ===

sl

smAVQ 134.0000134.0)879.1(

4)00952.0( 32

2 ====π

Después de determinar el valor del caudal volumétrico a la salida de cada componente, se continuó con la valoración de la caída de presión, contemplando:

El peso especifico γ del aceite de coco o de cocina es de 0.92 g/cm3; para el alcohol etílico o metilito es de 0.79 g/cm3

El coeficiente de flujo de la válvula seleccionada es de 2.35 (adimensional)

Reactor principal

El peso específico empleado es el del aceite, debido a que es el mayor entre el aceite y el alcohol.

hm

hs

lm

slQ

33

6012.01

360010001167.0 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

barKQP

v

06012.035.2

6012.092.022

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆ γ

Recipiente del aceite

hm

hs

lm

slQ

33

5652.01

360010001157.0 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

barKQP

v

05321.035.2

5652.092.022

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆ γ

Recipiente del metóxido

39


hm

hs

lm

slQ

33

4824.01

360010001134.0 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

barKQP

v

03328.035.2

4824.079.022

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆ γ

En cada una de las válvulas situadas a la salida del reactor, recipiente de aceite y recipiente de metóxido; la caída de presión no supera el valor máximo permisible por el modelo de válvula seleccionado. Con esto se asegura que la válvula opere correctamente.

3.3.6 Resistencia eléctrica de calentamiento Se designó hacer uso de dos resistencias eléctricas de calentamiento en el diseño del prototipo. Una de ellas se encarga de realizar un precalentamiento del aceite, la otra mantiene la reacción en un rango de temperatura. El siguiente paso consistía en seleccionar el tipo de resistencia, así como la energía calorífica que deba suministrar, esto se hace mediante un cálculo de la potencia eléctrica. La resistencia usada para calentar la reacción, es de tipo banda y se determinó posicionarla alrededor del diámetro externo del reactor. Se justifica esta determinación debido a no disponer de espacio dentro del reactor, por la incrustación del agitador. En lo que se refiere al precalentamiento del aceite, puede ocuparse de una resistencia sumergible, sin embargo por cuestiones de presupuesto, se optó emplear la resistencia de una cafetera eléctrica, la cual es externa de forma circular plana. Esta resistencia se planeó colocarla en la parte inferior del recipiente contenedor de aceite.

Cálculo de potencia eléctrica de la resistencia Usando la ecuación siguiente [27]:

tTcM

P p

⋅

∆⋅⋅=

412.3 (3.6)

Donde: P = Potencia (W) M = Peso del material a calentar (lb)

cp = Calor específico del material ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅ Flbbtu

∆T = Incremento de temperatura (°F)

3.412 = Constante de conversión ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅ hwbtu

t = Tiempo en alcanzar la temperatura (h) Las consideraciones para el cálculo son:

40


Para un precalentamiento del aceite de 20 a 40 °C, la mezcla aceite-metóxido tendría un calentamiento de 40 a 60 °C, es decir, en ambos casos existiría un incremento de 20 °C.

El tiempo en alcanzar la temperatura: 12 minutos. Menor tiempo, mayor es la potencia requerida, por ende, mayor es el costo de la resistencia.

Dos diferentes materiales se van a calentar. Un material es el de construcción del reactor,

el otro es la mezcla aceite-metóxido.

El calor específico del acero inoxidable, material de construcción del reactor, es distinto al del aceite, tomado como referencia en la mezcla aceite-metóxido. Por lo cual, se harán dos cálculos de la potencia eléctrica y se sumarán sus resultados para obtener una potencia total.

Potencia eléctrica para el calentamiento del material de construcción del reactor:

( )( )( )( ) WP 3209.46

2.0412.36812.08737.3

==

Potencia requerida para calentar el fluido, mezcla aceite-metóxido:

( )( )( )( ) WP 41.526

2.0412.36843.02853.12

==

Potencia eléctrica de la resistencia de calentamiento tipo banda:

P = 572.731 W En el mercado existen resistencias de 500 y 600 W, por seguridad se eligió una resistencia eléctrica de calentamiento de 600 W. Este mismo cálculo aplica para la resistencia de precalentamiento del aceite. Tomando el criterio de una resistencia sumergible, solo se necesitará la determinación de la potencia requerida para calentar el fluido. Las conversiones de unidades y la obtención del peso de los materiales, se detallan en el anexo H.

3.3.7 Armadura de soporte La armadura de soporte fue diseñada para ser construida con perfil laminado de acero, conocido como ángulo de piernas iguales. La sección transversal se muestra en la figura 3.11.

41


1”

”Figura 3.11 Sección transver

La consideración hecha acerca del suministrdictaminó el diseño de la armadura de soporte. E La posición de los componentes quedó distribuique agrupara, en un espacio reducido, todas lapuede apreciar en la figura 3.12.

Figura 3.12 Arm Debe hacerse notar que la armadura fue montadtomando en cuenta que los espacios del laboratoel prototipo en lugares disponibles con suminist

42

1
sal de ángulo de piernas iguales o de las sustancias por efecto de la gravedad, n el anexo G se detallan sus medidas.
da dentro de la armadura de soporte de tal manera s partes del prototipo. La armadura de soporte se

adura de soporte

a sobre una plataforma que puede ser desplazada, rio son reducidos, y esto nos permitirá posicionar

ros de electricidad.

CAPÍTULO 4 Automatización

4.1 Introducción Habiendo diseñado el prototipo para producir biodiesel, atendiendo la capacidad de producción, el manejo de los reactivos, la colocación de los componentes dentro de la armadura de soporte y seleccionando los dispositivos como válvulas, motor del agitador y resistencia de calentamiento; el siguiente paso en este trabajo de tesis, consistía en automatizar el proceso, partiendo de la hipótesis de utilizar un microcontrolador como unidad de control. El diseño para la automatización fue reuniendo diversos instrumentos de medición que permitían valorar variables como temperatura, tiempo, volumen de líquidos y separación de glicerina y biodiesel. Se programó el microcontrolador para realizar cada una de las etapas del proceso del biodiesel, de manera independiente, por último se reunieron todos los programas en uno solo; logrando un proceso automatizado para la obtención de biodiesel.

4.2 Instrumentación La automatización es un sistema en donde se transfieren las tareas de producción, realizadas comúnmente por operadores humanos, a un conjunto de instrumentos tecnológicos. Se distinguen dos partes dentro de un proceso automatizado, la parte operativa y la parte de mando. La parte

43

Capítulo 4: Automatización Cenidet

operativa la componen la instrumentación, sensores de las variables que intervienen en el proceso, y los dispositivos que funcionan como actuadores, sean las válvulas solenoide, motores eléctricos, o bien, resistencias eléctricas. La parte de mando se refiere a la unidad de control, la cual es programable y se encarga de recibir la información proveniente de los sensores, manejando estos datos, para realizar acciones como abrir-cerrar, encender-apagar, según corresponda el actuador. Los instrumentos que permiten automatizar el proceso de producción de biodiesel en el prototipo diseñado, son:

Microcontrolador PIC16F877A. Unidad de control.

SFR05. Sensor ultrasónico de distancia.

LM35. Sensor de temperatura.

DS12CR887. Reloj de tiempo real.

Sensor infrarrojo.

Componentes electrónicos como resistencias, capacitores, buffers, transistores, relevadores, triacs, etc.

Las etapas del proceso de producción de biodiesel en donde intervienen estos instrumentos, se describe en los apartados siguientes.

4.3 Programación

4.3.1 PIC16F877A La hipótesis del trabajo de tesis, considera el uso de un microcontrolador para efectuar las acciones de automatización del proceso de obtención de biodiesel. El microcontrolador seleccionado es el PIC16F877A, el cual, pertenece a la gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos). Es un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y programa, y por lo tanto, en la velocidad de ejecución [28]. El PIC16F877A empleado es de encapsulado tipo PDIP 40 pines. Ver figura 4.1. Contempla un conversor analógico-digital de 10 bits (8 canales analógicos), obteniendo una mayor resolución, por ejemplo, para un voltaje de referencia de 5 V CC, es de 4.7 mV/bit. Maneja 5 puertos de entrada/salida, haciéndolo muy eficiente en aplicaciones donde se requiere interactuar con varios dispositivos [28]. Además es gratuito y si es necesaria su compra, el costo es muy bajo. El PIC16F877A se programó para ejecutar las acciones que permitieron el control del proceso. La programación se hizo a nivel ensamblador usando el software MPLAB ©, y para grabar el programa en el microcontrolador se usó el IC-PROGRAM ©. El oscilador utilizado para el funcionamiento del microcontrolador es de 20 MHz.

44


Figura 4.1 PIC16F877A, disposición de pines

Las tareas que ejecuta el microcontrolador son las siguientes:

1. Verificar si la cantidad de aceite en el recipiente, es suficiente para realizar el proceso, de

acuerdo al volumen que se haya establecido. 2. Verificar si es suficiente el volumen del metóxido en el recipiente. 3. Precalentar el aceite a una temperatura especificada. 4. Verter aceite. Una vez alcanzada la temperatura de precalentamiento, tiene que empezar a

vaciar el aceite hasta que se tenga el volumen deseado. 5. Verter metóxido. Terminado de agregar el aceite al reactor, se procede a verter el

metóxido, el cual es a razón de 20% del volumen de aceite. 6. Agitación. Inicia una vez que haya concluido de verter el metóxido, y permanece agitando

por 20 minutos.

7. Calentamiento. Se debe mantener la temperatura de la reacción en un intervalo, durante el tiempo de reacción.

8. Separación. Concluida la agitación, se dejan reposar en el reactor, a temperatura

ambiente, los productos de la reacción de esterificación por un lapso de 8 horas, para asegurar la precipitación de la mayor cantidad de glicerina; sin embargo, 4 horas de reposo es suficiente.

9. Obtención de biodiesel. A un tiempo programado, se abre la válvula a la salida del reactor

dejando pasar la glicerina, cuando el sensor infrarrojo detecta que ha empezado a fluir biodiesel, manda cerrar dicha válvula e indica que es necesario hacer un cambio de

45


recipiente para recibir el biodiesel, después de 30 segundos vuelve a abrir la válvula permitiendo el flujo de biodiesel.

La programación se efectuó siguiendo un procedimiento muy simple. Primeramente, se programó el PIC para realizar cada una de las tareas enumeradas anteriormente, en combinación con sensores y componentes electrónicos. Habiendo obtenido un funcionamiento adecuado en cada tarea programada, se armó el programa principal que llevara a cabo todo el proceso de manera automática. El programa principal contiene todos los programas utilizados para realizar cada una de las etapas del proceso de obtención de biodiesel, los cuales se describen posteriormente. En la figura 4.2 se muestra el diagrama de flujo del programa principal.

¿Volumen de aceitesuficiente?

¿Volumen de metóxidosuficiente?

INICIO

¿Temporización de20 minutos?

¿Temporización de8 horas?

FIN

SI

NO

SI

NO

Verter metoxido

Verter aceite

Precalentamiento

NO

SI

SI

Inicia Agitación y Calentamiento

Detiene Agitación y Calentamiento

Obtención deBiodiesel

NO

Figura 4.2 Diagrama de flujo del programa principal

46

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 4.3.2 Medición de volumen De acuerdo a la forma cilíndrica de los recipientes contenedores del aceite y metóxido, el volumen del líquido se puede determinar conociendo su altura (nivel) en el recipiente respectivo, y así, saber la cantidad de aceite y metóxido que se deban incorporar al reactor. Esto es posible utilizando la ecuación 4.1 [25]. V=A*a (4.1) Donde: V = Volumen (m3) A = Área de la base (m2) a = Altura (m) Para conocer la distancia a la cual se encuentra la superficie del líquido a medir, se seleccionó el sensor ultrasónico de distancia SFR05, debido a su bajo costo y disponibilidad en el mercado nacional.

4.3.2.1 Funcionamiento del SFR05 El PIC ha sido programado para hacer funcionar el sensor SFR05. La figura 4.3 representa un esquema de cómo se realiza la medición de distancia, y a continuación se ordenan los pasos requeridos para una medición [29]:

Dos pines del SFR05 son utilizados, uno es el de Disparo y el otro es el ECO. En un inicio los dos pines se encuentran en nivel TTL “0”

El microcontrolador aplica al pin de Disparo del SFR05, un pulso mínimo de 10 µs de

duración.

Un módulo del SFR05 transmite un tren de pulsos o “burst” de 8 ciclos a 40 KHz. En ese momento el pin ECO pasa a nivel “1”.

Cuando la cápsula receptora del SFR05 recibe la señal transmitida, como consecuencia de

haber rebotado en la superficie del líquido, el pin ECO regresa a nivel “0”

El PIC debe medir la duración del pulso de esta señal, es decir, el tiempo en que el pin ECO se mantiene en nivel “1”

El tiempo medido es proporcional a la distancia a la que se encuentra la superficie del

líquido.

Se debe esperar un tiempo de 20 ms entre cada medición.

47


a

Figura 4.3 Funcionamiento del sensor SFR05

4.3.2.2 Validación del SFR05 usado para el metóxido La validación del sensor ultrasónico de distancia SFR05 usado en el recipiente del metóxido, se hizo a partir de una serie de mediciones mostradas en la tabla 4.1

Tabla 4.1 Validación sensor SFR05 del metóxido

Real (mm)

SFR05 (mm)

Error absoluto

(mm) 28 28 0 36 34 2 43 46 3 51 56 5 65 66 1 76 76 0 86 86 0 97 96 1 106 102 4 115 112 3 126 122 4 137 132 5

nxea

erp i

100*∑ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

Donde: erp= error relativo promedio ea= error absoluto xi = medición del sensor SFR05 n = número de muestras

48


( )∑ −−

= 2

11

ri xxn

σ

Donde: σ = Desviación estándar n = número de muestras xi = medición del sensor SFR05 xr = medida real

Error relativo promedio es: 3.17 %

Desviación estándar de este sensor es: 3.10 mm En la figura 4.4 se expone la gráfica de los datos obtenidos.

Gráfica del SFR05 metóxido

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mediciones

Dis

tanc

ia (m

m)

SFR05 Real

Figura 4.4 Gráfica de validación del SFR05 del metóxido

4.3.2.3 Calibración del SFR05 usado para el metóxido La mayor importancia del sensor SFR05 empleado en la medición de metóxido, radicó en conocer el valor de nivel de metóxido necesario, para asegurar que el volumen vertido al reactor fuera el correcto. Para ello, se tenía que calibrar el comportamiento del sensor, relacionando: disminución de nivel de metóxido en el recipiente, con el volumen vertido al reactor. Se hicieron distintas pruebas de medición, arrojando los datos que se muestran en la tabla 4.2 y figura 4.5.

49


Tabla 4.2 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de metóxido Nivel SFR05

(mm) Volumen

(ml) 34 70 46 184 56 288 66 432 76 568 86 688 96 822 102 920 112 1036 122 1168 132 1298

SFR05 recipiente metóxido

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140mm

ml

Figura 4.5 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de metóxido

El sensor SFR05 se encuentra situado en la tapa del recipiente, por tal razón si desciende el nivel de metóxido, aumenta la distancia que existe entre la superficie del fluido y el sensor. El planteamiento en la programación del microcontrolador, para asegurar un volumen correcto de metóxido vertido al reactor, consistió en:

a) La válvula solenoide instalada a la salida del recipiente contenedor de metóxido, se encuentra normalmente cerrada.

b) El sensor SFR05 detecta el nivel inicial de metóxido y se mantiene sensando cada 30 ms.

50


c) El microcontrolador calcula el nivel que alcanzará el metóxido después de haber drenado un volumen específico. Nivel de referencia, o nivel final del metóxido.

d) La válvula solenoide es abierta, permitiendo el flujo de metóxido hacia el reactor. El nivel del líquido empieza a disminuir.

e) Se hace una comparación del nivel actual del metóxido con el nivel calculado en c). f) Cuando estos niveles sean iguales, la válvula solenoide es cerrada.

El inciso c) hace referencia a un cálculo de nivel, el cual se nombra nivel de referencia Nr.

Nr = Ni + Nd

Donde: Ni = Nivel inicial del metóxido Nd = Nivel de metóxido que se disminuye, dependiendo del volumen vertido La cantidad de metóxido a emplear es el 20% de la cantidad de aceite. Debido a las dimensiones del reactor, y a la altura a que se encuentran las hélices del agitador, es posible realizar pruebas en el prototipo a cualquier volumen de aceite entre 3 y 6 litros, con incrementos de 1 litro. Esto corresponde a 600, 800, 1000 y 1200 mililitros de metóxido. Conocer el nivel de metóxido que se disminuye en cada caso, tuvo como punto de partida la aplicación de una regresión lineal a los datos de la tabla 4.2. El método utilizado fue mínimos cuadrados. Este consiste en encontrar la recta que mejor se ajusta a los datos experimentales. Se basa en un método estadístico que busca minimizar la distancia entre cada punto experimental y la recta buscada, es decir, en minimizar la desviación estándar [30]. Los resultados son presentados en la tabla 4.3. La gráfica se visualiza en la figura 4.6.

Tabla 4.3 Regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido

Nivel SFR05 (mm)

Volumen (ml) de la prueba

Volumen (ml) Regresión

lineal

34 70 33.492 46 184 187.549 56 288 315.929 66 432 444.309 76 568 572.690 86 688 701.070 96 822 829.450

102 920 906.478 112 1036 1034.859 122 1168 1163.239 132 1298 1291.619

51


SFR05 recipiente metóxido

-400

4080

120160200240280320360400440480520560600640680720760800840880920960

10001040108011201160120012401280132013601400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140mm

ml

Sensor SFR05 Regresion Lineal

Figura 4.6 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido

La desviación estándar con respecto al volumen sensado, σv =17.5524 ml Con los datos obtenidos de la regresión lineal, se determinaron los posibles valores de nivel que se disminuye al verter cierto volumen de metóxido. Sin embargo, fue conveniente experimentar con cada uno de ellos para corroborar o modificar, según fuese la situación. Los valores de nivel para cada volumen de metóxido son exhibidos en la tabla 4.4.

Tabla 4.4 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de metóxido Volumen

(ml) Nivel reg lineal

(mm) Nivel pruebas

(Nd) (mm) 600 47 50 800 64 68

1000 78 80 1200 95 98

Estos valores de nivel (Nd) son indispensables en la programación del control, para la realización de dos tareas:

1. Valorar si el nivel de metóxido es suficiente para llevar a cabo el proceso de producción de biodiesel.

2. Verter el volumen correcto de metóxido en el reactor y garantizar se realice la reacción de

transesterificación de manera satisfactoria.

52

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 4.3.2.4 Validación del SFR05 usado para el aceite Los datos para validación del SFR05 usado en la medición de nivel de aceite son:

Tabla 4.5 Validación sensor SFR05 del aceite

Real (mm)

SFR05 (mm)

Error absoluto

(mm) 45 44 1 54 52 2 62 60 2 71 70 1 74 76 2 83 84 1 92 92 0 101 100 1 112 112 0 121 122 1 133 132 1 139 142 3 170 170 0 179 178 1 188 188 0 198 194 4 203 202 1 212 210 2 221 218 3

Gráfica validación SFR05 aceite

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Mediciones

Dis

tanc

ia (m

m)

Real SFR05

Figura 4.7 Gráfica de validación del SFR05 del aceite

53


Los indicadores de error del sensor ultrasónico de distancia instalado en la tapa del recipiente contenedor de aceite son:

Error relativo promedio = 1.29 % Desviación estándar = 1.79 mm

4.3.2.5 Calibración del SFR05 usado para el aceite El mismo procedimiento de calibración del sensor SFR05 empleado en la medición del nivel de metóxido, fue utilizado para calibrar el SFR05 encargado de sensar el nivel de aceite. Las variables que interesan tratar son: el nivel del aceite en el recipiente y el volumen de aceite que se vierte al reactor. Los datos obtenidos de las pruebas de medición, se presentan en la tabla 4.6 y son graficados en la figura 4.8.

Tabla 4.6 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de aceite Nivel SFR05

(mm) Volumen

(ml) Nivel SFR05

(mm) Volumen

(ml) 52 600 132 3120 60 860 142 3320 70 1140 170 4300 76 1240 178 4580 84 1520 188 4860 92 1800 194 5200

100 2080 202 5360 112 2440 210 5640 122 2740 218 5920

SRF05 Volumen Aceite

400600800

100012001400160018002000220024002600280030003200340036003800400042004400460048005000520054005600580060006200

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230mm

ml

Figura 4.8 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de aceite

54

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica En el apartado 4.2.2.3, se comentó acerca de la necesidad de determinar el valor de nivel de aceite que se disminuye, después de haberse vertido un cierto volumen al reactor. En atención a este requerimiento, se hizo una regresión lineal por el método de mínimos cuadrados a los datos experimentales de la tabla 4.6, obteniendo:

Tabla 4.7 Regresión lineal a datos del SFR05 para aceite Nivel SFR05 (mm)

Volumen de la prueba

(ml)

Volumen regresión lineal (ml)

52 600 528.002 60 860 785.695 70 1140 1107.811 76 1240 1301.080 84 1520 1558.773 92 1800 1816.466 100 2080 2074.159 112 2440 2460.698 122 2740 2782.814 132 3120 3104.929 142 3320 3427.045 170 4300 4328.970 178 4580 4586.663 188 4860 4908.779 194 5200 5102.048 202 5360 5359.741 210 5640 5617.434 218 5920 5875.126

SRF05 Volumen Aceite

400600800

100012001400160018002000220024002600280030003200340036003800400042004400460048005000520054005600580060006200

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230mm

ml

Prueba SFR05 Regresion lineal

Figura 4.9 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para aceite

55


Los datos de la regresión lineal permitieron calcular:

Desviación estándar con respecto al volumen sensado, σv =53.2793 ml

Los valores iniciales de nivel que se disminuye para volúmenes de 3, 4, 5 y 6 litros de aceite. Estos valores fueron variando en función de las pruebas de medición, efectuadas para cada uno de los volúmenes señalados.

Tabla 4.8 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de aceite

Volumen SFR05 (ml)

Nivel reg lineal (mm)

Nivel pruebas (Nd) (mm)

3000 93 92 4000 124 118 5000 155 150 6000 186 182

Con los valores de nivel (Nd) es posible garantizar verter un correcto volumen de aceite al reactor y producir biodiesel con resultados favorables. Además, estos valores de nivel también intervienen en la etapa de verificar el suficiente volumen de aceite en el recipiente contenedor.

4.3.3 Medición de tiempo Existen dos etapas del proceso que requieren contabilizar el tiempo, una es determinar los 20 minutos de agitación, y la otra, las 8 horas de reposo para la separación de la glicerina y el biodiesel. El microcontrolador PIC16F877A tiene un temporizador interno de 8 bits, sin embargo, no es conveniente realizar temporizaciones muy grandes, debido a que se ocuparía gran cantidad de memoria del PIC. Por tal razón, lo más conveniente es hacer uso de un reloj de tiempo real. El reloj de tiempo real (RTC) que se ocupa es el DS12CR887, debido a que es programable, cuenta con señal de alarma, tiene su propio oscilador y además está equipado con batería interna de aproximadamente 10 años de duración. El voltaje de alimentación del DS12CR887 es de 5 V CC, el mismo voltaje utilizado por el PIC [31]. En cada una de las dos ocasiones que se requiere del uso del RTC, el programa en el microcontrolador debe llevar a cabo las siguientes acciones:

Activar y configurar el modo de trabajo del RTC.

Establecer la fecha y hora de inicio, así como la hora de alarma.

Esperar se cumpla el tiempo de alarma. El microcontrolador puede adoptar el modo sleep, en el cual no gasta energía, se mantiene dormido; o bien, ejecutar otras tareas como controlar la temperatura de la reacción.

Cuando se cumple el tiempo de alarma especificado, el RTC le envía una señal al PIC,

indicando una interrupción.

56


La interrupción es atendida por parte del PIC, prosiguiendo con la ejecución del programa de control.

4.3.4 Medición de temperatura En este proceso de obtención de biodiesel, hay dos etapas en las que se requiere sensar y controla la temperatura: en la etapa de precalentamiento del aceite y durante el tiempo de reacción de esterificación. En la etapa de precalentamiento, cuando el aceite alcance la temperatura especificada, se inicia el proceso de biodiesel. Durante la agitación, se debe mantener la temperatura de la reacción dentro de un intervalo que no supere los 65 °C. Estas dos tareas las realiza el microcontrolador, utilizando la señal emitida por los sensores de temperatura LM35. La programación del PIC que atiende estas encomiendas, consiste en:

Mandar encender la resistencia eléctrica para que inicie el calentamiento

Adquirir la señal analógica de voltaje del sensor LM35.

Convertir el valor analógico a un valor digital.

Establecer la temperatura de precalentamiento, o bien, el valor máximo del rango de temperatura de la reacción. Es decir, establece lo que comúnmente se conoce como set point.

Comparar la temperatura del aceite o de la reacción con los valores finales establecidos.

Mandar apagar la resistencia eléctrica, una vez alcanzada la temperatura deseada.

En el caso del control de temperatura durante el tiempo de reacción, se especifica el valor

de temperatura mínimo y se hace un ciclo de comparación con la temperatura de la reacción.

Cuando descienda la temperatura al valor especificado, regresa a ejecutar todas las

acciones anteriores. El sensor LM35 tiene una razón de cambio de 10 mV / °C [32]. El PIC16F877A cuenta con un conversor analógico-digital de 10 bits, lo que hace que para un voltaje de referencia de 5 V, exista una resolución de 4.7mV / bit. Por lo cual, resulta conveniente acondicionar la señal que envía el sensor LM35, para que el PIC pueda hacer una conversión de °C / bit. El encendido y apagado de las resistencias eléctricas de calentamiento se hace mediante el circuito de la figura 4.10 [33]. Esto se debe a que el PIC manda como salida una señal de 5 V CC y las resistencias funcionan a 120 V CA (corriente alterna).

57


La resistencia empleada en el precalentamiento, se encuentra situada en la parte inferior del recipiente del aceite, maneja una potencia de 1000 W. Por su parte, la resistencia tipo banda instalada alrededor del reactor, es de 600 W de potencia, la cual fue calculada de acuerdo al procedimiento dado en el capitulo anterior.

Figura 4.10 Circuito para encender y apagar las resistencias eléctricas desde el PIC

4.3.4.1 Validación sensor LM35, precalentamiento del aceite Un instrumento de medición necesita ser validado para conocer su error con respecto a un valor de referencia. La validación del sensor LM35 usado para el precalentamiento del aceite, tuvo como referencia un termómetro digital, multímetro profesional de la marca STEREN®, modelo mul-600. Se inició el calentamiento del aceite, encendiendo la resistencia eléctrica, y se tomaron las mediciones de temperatura del termómetro digital y del convertidor del PIC16F877A, el cual, convierte la señal del sensor LM35 a un valor digital. Este valor digital fue leído a través de 8 leds que mostraban en número binario el valor de la temperatura. El número binario se capturaba en un programa de Excell© que convertía de número binario a decimal. El muestreo se realizó cada 60 segundos. Los resultados se presentan en la figura 4.11. La tabla de los datos y errores se encuentra en el anexo I. Cabe señalar que la señal entregada por el sensor LM35 es acondicionada, a través de un arreglo de resistencias. Esto tiene como finalidad una conversión, por parte del microcontrolador, de °C/bit. Por lo cual, fue necesario ajustar el valor de las resistencias, para lograr una conversión satisfactoria.

58

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica De los datos obtenidos, se calculó:

Error relativo promedio: 2.33 %

Desviación estándar: 1.29 °C

Validación LM35 precalentamiento

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69

Muestras cada 60 segundos

Tem

pera

tura

°C

LM35 Referencia

Figura 4.11 Gráfica de validación del sensor LM35 para precalentamiento Así mismo, estas mediciones fueron realizadas para conocer el perfil de la temperatura en la etapa de precalentamiento del aceite. La cual consiste en: El programa de control manda a encender la resistencia eléctrica para iniciar con el precalentamiento, se dispone a adquirir datos del sensor LM35, es decir, se mantiene sensando continuamente la temperatura del aceite. Cuando se detecta una temperatura de un valor mayor o igual a 40 °C, manda a apagar la resistencia y a abrir la válvula solenoide para verter el aceite al reactor. De acuerdo a la figura 4.10, el tiempo en alcanzar la temperatura de 40 °C, es de 19 minutos. El tiempo de muestreo fue de 60 segundos. Después de apagar la resistencia, la temperatura sigue incrementándose hasta alcanzar los 43 °C, y se mantiene a ese valor durante 16 minutos. Posteriormente, inicia un descenso de la temperatura.

59


La resistencia eléctrica usada para el precalentamiento del aceite, no fue seleccionada, se utilizó una resistencia que se tenía disponible. Por lo cual, el tiempo en alcanzar la temperatura especificada es muy largo, debido a por su tipo, no ser apta para esta aplicación.

4.3.4.2 Validación del sensor LM35 para el calentamiento en el reactor

La otra etapa del programa de control en donde se requiere sensar la temperatura, es en el calentamiento de la mezcla reaccionante en el reactor. El intervalo de la temperatura es de 55-60 °C. Esto lo lleva a cabo el microcontrolador a partir de la señal que le envía el sensor LM35, empleado para cuantificar la temperatura de la reacción entre el aceite y metóxido. Al igual que en el caso anterior, se llevaron a cabo múltiples mediciones para validar el sensor LM35 y el ajuste para el acondicionamiento de la señal. Se tomó como valor de referencia, el termómetro del multímetro digital STEREN mul-600. En la figura 4.12 se expone la gráfica de los datos de validación y del error. El tiempo de muestreo fue de 30 segundos. En el anexo J se presenta la tabla de los valores de medición del LM35 y la referencia, al igual que los errores absolutos y relativos.

Validación LM35 reactor

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105Muestras cada 30 segundos

Tem

pera

tura

°C

Referencia LM35

Figura 4.12 Gráfica de validación sensor LM35, para calentamiento de la reacción

60


Error relativo promedio: 1.08%

Desviación estándar: 0.77 °C

La prueba para obtener estos datos, también fue útil para visualizar el perfil de la temperatura en esta etapa del proceso. Se estableció, en el programa de control, un punto para apagar la resistencia a los 58 °C, y para encenderla, a 56 °C. En la gráfica de la figura 4.12, se detecta lo siguiente, a partir de los datos del sensor LM35:

Tiempo en alcanzar una temperatura de 58 °C, 22 minutos.

Después de apagar la resistencia, el LM35 sensa una temperatura máxima de 61 °C.

Se mantiene a 61 °C durante 6 minutos.

Empieza a descender la temperatura de manera lenta, demorando 14 minutos en sensar 56°C.

A este valor, se manda encender la resistencia nuevamente. Sin embargo, la temperatura

disminuye hasta los 54 °C e inicia el aumento de la misma.

4.3.5 Detectar glicerina y biodiesel Después de que se ha llevado a cabo la reacción, bajo las condiciones de agitación y temperatura especificadas, es necesario dejar la mezcla, en reposo y a temperatura ambiente. Transcurrido un tiempo, por diferencia de densidades, se logra la separación de la glicerina y el biodiesel, siendo esto visualmente perceptible por su diferente coloración. La glicerina se precipita en el fondo del reactor, mientras el biodiesel permanece en la parte superior. El programa en el microcontrolador, ejecuta una serie de acciones que permiten separar (decantar) la glicerina del biodiesel. Las operaciones que realiza son:

Mandar a abrir la válvula solenoide, localizada a la salida del reactor. Con esto, se empieza a drenar la glicerina en un recipiente.

Sensar la coloración del fluido que está pasando por el tubo de acrílico conectado a la

válvula solenoide.

Mandar a cerrar la válvula, cuando el microcontrolador perciba que ha terminado de fluir glicerina e inicia un flujo de biodiesel.

Esperar un tiempo de 30 segundos para que el usuario cambie de recipiente.

Mandar a abrir la válvula nuevamente, en esta ocasión estará drenándose el biodiesel,

producto de la reacción.

61


La tarea principal de esta etapa del proceso, consiste en sensar la coloración del fluido. Para ello, se emplea un sensor infrarrojo. El sensor infrarrojo utilizado, consta de un led emisor de luz infrarroja y un fotodiodo receptor. El sensor emite una señal de voltaje que depende del grado de reflexión del haz de luz. La señal de voltaje es convertida a un valor digital, a través del convertidor analógico-digital del PIC. Después de varias pruebas, se notó que en el momento en que deja de salir glicerina y empieza a drenar biodiesel, existe un incremento de voltaje, el cual convertido a una señal digital correspondía a un valor de 110, siendo este valor el parámetro de referencia para detectar el cambio de glicerina a biodiesel.

4.3.6 Abrir y cerrar de las válvulas solenoide El suministro del aceite y del metóxido al reactor, es posible por efecto de la gravedad. A la salida de cada uno de los recipientes contenedores y del reactor, fue colocada una válvula solenoide, la cual, trabaja a 12 V CC. Todas las válvulas instaladas son normalmente cerradas. Sin embargo, de acuerdo al circuito de la figura 4.13, usado para abrir y cerrar las válvulas, se necesita que a través del programa de control, el PIC envíe una señal de “1” (nivel TTL) para mantener cerrada la válvula y una señal de “0” ( nivel TTL) para abrir la válvula [33].

Figura 4.13 Circuito para abrir y cerrar válvula solenoide

62

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica 4.3.7 Encender y apagar motor del agitador El programa de control del proceso, manda a encender y apagar el motor del agitador. La tensión nominal del motor es de 120 V CA. La señal emitida por el PIC es de 5 V CC. Por tanto, se hace uso del circuito de la figura 4.14 [33].

Figura 4.14 Circuito para encender y apagar el motor-agitador

4.4 Programar condiciones del proceso Todo el capítulo 4, ha tratado de cómo se programaron las distintas tareas a realizar en el proceso de obtención de biodiesel. Sin embargo, es importante compartir, la manera de definir los parámetros de las condiciones a las que se realice el proceso, así como los volúmenes de aceite y metóxido a emplear. En el anexo K es posible observar el programa general. Estas condiciones son:

Temperatura de precalentamiento del aceite Temperatura de calentamiento de la reacción Tiempo de agitación Tiempo de separación Volumen de aceite Volumen de metóxido

Para realizar esta programación, se asignaron las siguientes variables, presentes al inicio del programa: Temprec EQU d'40' ;Especifica Temperatura del precalentamiento Temreac1 EQU d'58' ;Temperatura máxima de calentamiento de la reacción Temreac2 EQU d'56' ;Temperatura mínima de calentamiento de la reacción Volaceite EQU d'118' ;Volumen de aceite, datos según la tabla 4.8 de la tesis Volmetoxido EQU d'68' ;Volumen de metóxido, datos según tabla 4.4 de la tesis Tiemagit EQU d'25' ;Tiempo de agitación en minutos Tiemsep EQU d'16' ;Tiempo de reposo para separación, en horas (16-12)

63


Por ejemplo, si se requiere una temperatura de precalentamiento de 45 °C, el cambio se hace sustituyendo los valores entre comas, d'40', por el valor requerido por el usuario, d'45'. Después de realizar los cambios necesarios, se debe compilar el programa y volver a grabar en el microcontrolador.

64

CAPÍTULO 5 Construcción y pruebas

5.1 Introducción En el capítulo 3 se diseñó, físicamente, el prototipo especificando los componentes, materiales de construcción y colocación de las partes. En el capítulo 4 se realizó el diseño de control que permitiría la automatización del proceso de obtención de biodiesel. En este capítulo se detallan las actividades de construcción, tomando en cuenta los diseños planteados anteriormente. Se construyeron los componentes del prototipo como el reactor, recipientes, armadura, etc. Se adquirieron los elementos como tubería, válvulas, motor del agitador, resistencia eléctrica, etc. Se armó el prototipo, haciendo las conexiones eléctricas con la instrumentación y la placa electrónica, construida para agrupar todos los dispositivos electrónicos utilizados. Construido el prototipo, se realizaron pruebas de funcionamiento del mismo. En estas pruebas se valoró la ejecución de cada una de las tareas programadas en el microcontrolador, para automatizar el proceso de producción de biodiesel.

65

Capítulo 5: Construcción y pruebas Cenidet

5.2 Construcción del prototipo En una etapa inicial, se construyeron el reactor y los recipientes contenedores de aceite y metóxido. La fabricación se hizo de acuerdo a la forma y dimensiones de diseño. El siguiente componente en ser construido fue la armadura de soporte, con uniones soldadas en su mayoría, y en casos pertinentes, se usaron uniones con tornillos de cabeza hexagonal M6 x 25. La armadura fue pintada de color azul para dar una mejor presentación al equipo. La colocación de los recipientes y el reactor en la armadura de soporte, permitieron definir las medidas de la tubería. La tubería de acero inoxidable de 3/8”, conecta a los recipientes de aceite y metóxido con el reactor, a través de válvulas solenoide del mismo diámetro de conexión. El ensamble de los tramos de tubo con las válvulas es de manera roscada, por lo cual fue necesario hacer cuerda NPT a los tubos. La resistencia eléctrica para el precalentamiento, se instaló abajo del recipiente contenedor de aceite. La resistencia tipo banda para el calentamiento de la mezcla reaccionante fue colocada alrededor del reactor. El motor del agitador se acopló a un tramo de tubo de acero inoxidable, colocando en su extremo el agitador de paletas inclinadas. El motor quedó instalado sobre la parte central de la tapa del reactor. Los sensores ultrasónicos de distancia, SFR05, fueron colocados en la parte central de las tapas de los recipientes de metóxido y aceite. El sensor de temperatura LM35, utilizado en la etapa de precalentamiento del aceite, fue instalado en la parte central, por el interior del recipiente contenedor de aceite, a 3 cm del fondo. El sensor LM35, empleado en la etapa de calentamiento de la mezcla reaccionante, fue colocado a 3 cm de la pared interior del reactor, a 24 cm de la tapa del reactor. El sensor infrarrojo para detectar el flujo de glicerina y biodiesel, se montó sobre un tubo de acrílico instalado a la salida de la válvula solenoide que conecta con la salida del reactor. Otro aspecto de la construcción, fundamental para la automatización y operación del prototipo, fue la placa electrónica e interconectarla con todos los dispositivos que lo requerían, como las válvulas solenoide, resistencias eléctricas y el motor del agitador. Por último, resultaba conveniente ofrecer una presentación del prototipo, que fuera interesante para el usuario. Por tal motivo, se construyó una caja de acrílico que contenía la placa electrónica, y sobre su tapa, un tablero a colores que indica los componentes del prototipo, sobre el que, mediante señales luminosas, se podrá visualizar todas y cada una de las etapas programadas durante la producción de biodiesel y glicerina. El aspecto general del prototipo construido, es presentado en la figura 5.1.

66


Figura 5.1 Aspecto general del prototipo para producir biodiesel

5.2.1 Panel de visualización El programa cargado al microcontrolador, que automatiza el proceso de obtención de biodiesel en el prototipo construido, ejecuta diversas tareas. Estas son:

1. Verificar cantidad de aceite 2. Verificar cantidad de metóxido 3. Precalentar el aceite 4. Verter aceite al reactor 5. Verter metóxido al reactor 6. Agitar la mezcla aceite-metóxido 7. Calentar la reacción 8. Separar glicerina y biodiesel

Cada una de estas tareas que esté realizando el microcontrolador, es posible señalizarla mediante el uso de leds en un panel de visualización. En la figura 5.2 se muestra este panel.

67


Figura 5.2 Panel de visualización de la etapa del proceso de biodiesel

5.3 Pruebas de funcionamiento del prototipo Habiendo terminado la construcción y armado del prototipo, se realizaron diferentes pruebas de su funcionamiento variando las condiciones de operación y volúmenes de producción de biodiesel. Las pruebas de funcionamiento deben atestiguar que se estén realizando cada una de las etapas del proceso y que se obtengan resultados favorables en la obtención de biodiesel. De esta manera, los pasos que se verificaron en cada una de las pruebas fueron:

1. Comprobar la parte de la evaluación llamada, falta de aceite y/o metóxido. 2. Con los volúmenes necesarios de aceite y metóxido, arrancar la prueba accionando el

interruptor de inicio. 3. Verificar lo siguiente, de acuerdo a las etapas del proceso:

68


a. Iniciar con un Precalen amien o, observar en el multímetro que la temperatura se encuentre en el rango de 40-41°C

t t

b. Cuando alcance la temperatura deseada, pasará a la etapa de Vertiendo el aceite y

encenderá el led correspondiente c. Continuará con Vertiendo el metóxido d. Agitación y Calentamiento se activarán al mismo tiempo e. Visualizar en el cronómetro que el tiempo agitación sea de 25 minutos f. Cumplido los 25 minutos, empezará la Separación g. A los 3 minutos, se abrirá la válvula de la mirilla, para observar la precipitación de la

glicerina h. Después de 4 horas de estar en reposo, se abrirá la válvula a la salida del reactor. Se

estará drenando la glicerina. i. Cuando sense que ha pasado toda la glicerina, se iluminará el led de Cambio de

recipiente j. Cambiar de recipiente para contener al biodiesel producido. A partir de estar

drenando el biodiesel, el led de cambio de recipiente parpadeará, haciendo la alusión a que el proceso ha concluido y apagar el interruptor de inicio.

Se hicieron un total de 6 pruebas de funcionamiento, tres utilizando aceite de soya y otras tres, con aceite de coco. Ver tabla 5.1. Las primeras pruebas también fueron útiles para afinar ligeros detalles.

Tabla 5.1 Tabla de pruebas de funcionamiento del prototipo Producto obtenido

Prueba Aceite (ml)

Alcohol (ml)


(ml) Glicerina

(ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

1 Soya, 3000 Metanol, 600 Sosa, 13.125 3180 360 0.88 9.5 59 – 60 2 Soya, 3000 Metanol, 600 Sosa, 13.125 3200 380 “ “ 59 – 60 3 Soya, 3000 Metanol, 600 Sosa, 13.125 3250 340 “ “ 42 – 44 4 Coco, 3000 Metanol, 600 Sosa, 13.125 3080 400 0.875 “ 44 – 45 5 Coco, 3000 Metanol, 600 Sosa, 13.125 3160 405 “ “ 58 – 60 6 Coco, 4000 Metanol, 800 Sosa, 17.5 4400 530 “ “ 40 – 42 7 Higuerilla, 4000 Metanol GT, 800 Sosa, 17.5 4350 500 0.88 “ 48 – 50

Cabe hacer mención que, con estas pruebas se comprobó la existencia de un escalamiento, en las cantidades de los reactivos usados. En la etapa de experimentación, de este trabajo de tesis, se emplearon volúmenes de 100 y 200 ml de aceite, por 20 y 40 ml de metóxido. A la misma relación aceite-metóxido, en las pruebas de funcionamiento, se elevaron estos volúmenes en 30 y 40 veces.

69


5.4 Uso del biodiesel obtenido, en un motor diesel No estando contemplado dentro de los objetivos de la tesis, se llevó a cabo una prueba usando biodiesel al 100% en un motor diesel de un camión urbano de transporte público en Acapulco, Guerrero. El biodiesel utilizado fue obtenido a partir de aceite de coco en el prototipo construido. El biodiesel se lavó antes de ser incorporado al motor diesel. El motor diesel empleado para la prueba, es un motor Perkins fase 2 del año de 1984. Como se comentó en el capítulo 1, no es recomendable usar biodiesel al 100% en motores anteriores de 1995, por desgastar las juntas, manguillos, y demás componentes de caucho; sin embargo, estos daños se presentan en un uso continuo del motor con biodiesel al 100% a un tiempo prolongado. La prueba se efectuó durante 1 hora, observando un arranque correcto del motor, un menor número de revoluciones, con respecto al funcionamiento del motor con diesel de petróleo; el sonido del motor bajó de intensidad y el humo en el escape fue casi incoloro.

5.4.1 Eficiencia del biodiesel en un motor diesel Por no ser uno de los objetivos de este trabajo de tesis, pero más aún, por no contar con los instrumentos de medición necesarios, no fue posible valorar la potencia, torque y revoluciones por minuto del motor, usando el biodiesel obtenido en el prototipo construido. Sin embargo, en la literatura se reportan datos de estudios comparativos en el funcionamiento del motor diesel, empleando biodiesel al 100%, con respecto al diesel del petróleo. Herrera et al. [34] compararon el comportamiento de los parámetros del motor, al funcionar con diesel y biodiesel, a una velocidad de rotación de 1450 rpm, punto donde llegan a ser máximas las diferencias. Sus resultados denotan que al emplear biodiesel, el torque disminuye un 9.83%, así mismo, la potencia efectiva es menor en un 9.63%. El consumo horario de biodiesel aumenta un 11.94% con respecto al diesel. El rendimiento del motor, empleando biodiesel, es menor en un 18.98%, que al emplear diesel.

70

CAPÍTULO 6 Conclusiones generales

y Recomendaciones

6.1 Conclusiones generales El proceso de obtención de biodiesel puede realizarse con distintos tipos de reactivos, la mejor combinación de alcohol-catalizador, fue metanol y sosa cáustica. Obteniendo resultados favorables en la obtención y separación de biodiesel y glicerina, usando aceites de coco, soya, higuerilla y de cocina sin usar. Las cantidades mínimas necesarias de aceite, metanol y sosa cáustica, encontradas en la etapa de experimentación, fueron las usadas, de manera proporcional, en el prototipo construido, consiguiendo llevar a cabo de manera satisfactoria la producción y separación de biodiesel y glicerina. La experimentación estableció las consideraciones para el diseño físico del prototipo, permitiendo un buen funcionamiento de este. La forma cilíndrica de los recipientes contenedores de aceite y metóxido, hace posible determinar, con una incertidumbre de 53 y 17 ml, el volumen necesario de aceite y metóxido respectivamente, que es incorporado al reactor. El material de acero inoxidable no presenta ninguna reacción con la sosa cáustica, además mantiene limpio el aceite, sin contaminarse por oxidación del metal.

71

Capítulo 6: Conclusiones generales y Recomendaciones Cenidet

El precalentamiento del aceite es importante no solo para asegurar el estado líquido del aceite de coco, sino también para especificar una temperatura inicial de la reacción de transesterificación. La resistencia eléctrica para el calentamiento de la mezcla reaccionante funciona de acuerdo al cálculo realizado. Por su parte, el agitador mantiene una mezcla homogénea, no existe una agitación brusca que provoque una expulsión de los reactivos mezclados dentro del reactor. En base a la hipótesis, se utilizó un microcontrolador como unidad de control para la automatización del proceso. El PIC16F877A fue el seleccionado, el cual, ejecuta todas las etapas del proceso de forma correcta. De esta manera se dictamina, que si es posible automatizar el proceso de obtención de biodiesel en un prototipo, a través de un microcontrolador. El control que se hace con los datos de los sensores de temperatura, permite no calentar la mezcla reaccionante a una temperatura mayor de 65 °C y con ello, evitar la evaporación del metanol. El sensor infrarrojo utilizado para la decantación de la glicerina y biodiesel, fue el adecuado, debido a que sí detecta el flujo de uno u otro producto. Por todo lo expuesto anteriormente, es posible concluir que se ha cumplido con el objetivo general de la tesis, construir un prototipo para producir biodiesel, de manera automatizada.

6.2 Conclusión particular sobre glicerina libre en el biodiesel, por análisis cromatográfico

La glicerina libre resulta de la separación incompleta de biodiesel y glicerina, productos obtenidos después de la reacción de transesterificación. La norma ASTM D-6751 señala un nivel máximo de 0.02% en masa, de glicerina libre. Niveles altos de glicerina libre en el biodiesel, puede causar depósitos en los inyectores, obstaculizando el sistema de inyección, además de acumularse en el fondo del tanque de combustible.

6.2.1 Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado reactivo En el prototipo construido, se realizaron 3 pruebas para producir biodiesel a partir de aceite de coco, metanol grado reactivo y sosa cáustica grado técnico. Para caracterizar el biodiesel obtenido, se tomó una muestra para su análisis en el cromatógrafo de gases realizado en el Laboratorio de Biotecnología Ambiental, CEIB (Centro de Estudio e Investigación en Biotecnología) de la UAEM, a cargo de la Dra. María Del Refugio Trejo, con el apoyo técnico del IQ. Daniel Morales. Las condiciones del análisis fueron las indicadas en el método de prueba ASTM D-6584. El resultado de los análisis cromatográficos se muestra en la figura 6.1.

72


0 5 10 15 20 25

1.0e4

2.0e4

3.0e4

4.0e4

5.0e4

6.0e4

7.0e4

Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BIOCOCO3.D

Time (min.)

2.107

2.228

2.464

2.951

3.279

3.405

3.945

4.016

4.783

4.810

4.975

5.106

5.676

5.750

5.799 6.424

6.879

7.260

7.465

7.585

7.635

7.727

8.026

8.087

8.132

8.308

8.425

8.836

8.948

9.051

9.569

9.639

9.846

10.357

11.096

11.161

11.405

11.681

11.754

11.801

12.006

17.573

18.100

18.510

Figura 6.1 Análisis cromatográfico al biodiesel obtenido en el prototipo El método de prueba manifiesta que es necesario tener un valor de referencia de glicerina, por lo cual, se hizo el análisis cromatográfico de un estándar de glicerina. El cromatograma se presenta en la figura 6.2.

0 5

0

1.0e4

2.0e4

3.0e4

4.0e4

5.0e4

6.0e4

7.0e4

8.0e4Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\GL100PPM.D

2.188

2.306

2.528

3.411

3.496

4.001

4.644

4.967

Figu

De los picos de este cromato6.421 minutos. El pico en eglicerina.

***

6.421

*
**
10 15 20 25Time (min.)

6.558

7.726

8.867

9.636

ra 6.2 Cromatograma del estándar de glicerina

grama, se señalan los más grandes, en los tiempos 3.411, 4.967 y l minuto 2.188 es de piridyna, sustancia empleada para diluir la

73


Un acercamiento al cromatograma del biodiesel, se aprecia en la figura 6.3. Se marcan con asteriscos, los picos que se presentan en el mismo tiempo que en el análisis del estándar de glicerina.

2 3 4 5 6 7 8

6000

7000

8000

9000

1.0e4

1.1e4

1.2e4

1.3e4

1.4e4

1.5e4

Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BIOCOCO3.D

Time (min.)

2.107

2.228

2.464

2.951

3.279

3.405

3.945

4.016

4.783

4.810

4.975

5.106

5.676

5.750

5.799

6.424

6.879

7.260

7.465

7.585

7.635

7.727

8.026

8.087

8.132

***

***

Figura 6.3 Acercamiento al análisis cromatográfico del biodiesel

6.2.1.1 Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado reactivo

De los reportes de los análisis cromatográficos, del biodiesel usando metanol GR y del estándar de glicerina, se conocen las áreas de los picos señalados con asterísticos.

Tabla 6.1 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GR Biodiesel, metanol grado

reactivo Estándar de glicerina

Tiempo (minutos)

Área Tiempo

(minutos) Área

3.405 2 240 3.411 70 879 4.975 9 503 4.967 114 186 6.424 16 635 6.421 94 126

Cada una de las áreas de los picos del estándar de glicerina se toma como 100 ppm. De tal manera, las áreas de los picos del biodiesel usando metanol GR, representan:

16.370879

1002240=

× ppm

74


32.8114186

1009503=

× ppm

67.1794126

10016635=

× ppm

La suma de estas cantidades es 29.15 ppm, lo cual equivale a un 0.0029 % de glicerina libre en el biodiesel. Si la norma establece un máximo de 0.02% de glicerina libre, el biodiesel producido en el prototipo contiene un nivel de glicerina libre 10 veces menor a lo expuesto por la norma.

6.2.2 Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado técnico El costo de metanol grado técnico es menor con relación al metanol GR, esto repercute en el costo por litro de biodiesel. Sin embargo, el uso de metanol grado técnico puede disminuir la calidad del biodiesel obtenido, por tal razón, también se llevó a cabo un análisis cromatográfico de un experimento a nivel laboratorio (prueba 48 de la etapa de experimentación), utilizando aceite de coco (el mismo que se empleó en las pruebas en el prototipo), metanol grado técnico y sosa cáustica grado técnico. El resultado del análisis y su acercamiento, se exhiben en las figuras 6.4 y 6.5.

0 5 10 15 20 25

1.0e4

2.0e4

3.0e4

4.0e4

5.0e4

6.0e4

7.0e4

Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BDCCMGT.D

Time (min.)

2.908

3.229

3.342

4.800

4.952

5.119

5.983

6.411

6.798

6.878

6.953

7.301

7.403

7.635

8.396

8.475

8.824

8.910

9.130

9.665

9.810

9.879

11.101 11.191

11.219

11.413

12.941

13.229

Figura 6.4 Análisis cromatográfico del biodiesel usando metanol grado técnico

75


0 2 4 6 8

4000

6000

8000

1.0e4

1.2e4

1.4e4

1.6e4

Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BDCCMGT.D

Time (min.)

2.908

3.229

3.342

4.800

4.952

5.119

5.983

6.411

6.798

6.878

6.953

7.301

7.403

7.635

Figura 6.5 Acercamiento al cromatograma del biodiesel usando metanol grado técnico

** ***

6.2.2.1 Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado técnico

Las áreas de los picos señalados con asterísticos, se enlistan en la tabla 6.2.

Tabla 6.2 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GT Biodiesel, metanol grado

técnico Estándar de glicerina

Tiempo (minutos)

Área Tiempo

(minutos) Área

- - 3.411 70 879 4.952 1 768 4.967 114 186 6.411 1 920 6.421 94 126

Cada una de las áreas de los picos del estándar de glicerina se toma como 100 ppm. De tal manera, las áreas de los picos del biodiesel usando metanol anhidro, representan:

548.1114186

1001768=

× ppm

039.294126

1001920=

× ppm

76

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica La suma de estas cantidades es 3.587 ppm de glicerina libre en el biodiesel. De esta manera, se concluye que en el prototipo construido se produce biodiesel con niveles bajos de glicerina libre, debido a contener un porcentaje 10 veces menor en relación al nivel máximo especificado por la norma ASTM D-6751. Así mismo, el biodiesel obtenido a partir de aceite de coco y metanol grado técnico cumple con dicha norma.

6.3 Recomendaciones Las recomendaciones que se exponen a continuación, son una serie de trabajos futuros que sirvan para mejorar el funcionamiento del prototipo y que en el presente trabajo no se llevaron a cabo por limitaciones de tiempo y de recursos económicos.

Aplicar una teoría de control a las variables que intervienen en el proceso.

Incluir una pantalla lcd, para visualizar la temperatura, número de revoluciones por minuto en la agitación, tiempo de agitación, etc.

Preparar el metóxido (mezcla de metanol y sosa cáustica) de manera automática.

Hacer pruebas con distintos volúmenes de sustancias, sin necesidad de programar el PIC

en cada cambio.

Establecer una comunicación entre el prototipo para producir biodiesel y la computadora, mediante una interfaz.

Incorporar el proceso de lavado.

Establecer una temperatura homogénea del aceite, que funcione como temperatura inicial

de la reacción de transesterificación.

77



78

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81



82

Anexo A Total de pruebas experimentales

Producto obtenido Prueba Aceite

(ml) Alcohol

(ml) Catalizador

(g) Biodiesel (ml)

Glicerina (ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp °C

1 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.7 - - - - Amb 2 Cocina, 600 Metanol, 120 Sosa, 2.1 ** 600 65 * n/d “ 3 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.7 - - - - “ 4 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.7 - - - - “ 5 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.7 ** 201 24 * 11.1 “ 6 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 - - - - “ 7 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 203 23 * - “ 8 Coco, 200 Metanol, 50 Sosa, 0.875 208 28 * 9.1 “ 9 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 200 26 0.88 8.9 “

10 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 201 21 0.875 12.3 “ 11 Cocina, 200 Etanol, 40 Sosa, 1 - - - - “ 12 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 207 35 * 8.9 “ 13 Cocina, 133 Etanol, 40 Sosa, 1 138 25 0.875 9.3 “ 14 Cocina, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 206 21 0.875 - 55 - 60 15 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 1 200 23 0.885 - 57 - 60 16 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 0.875 - - - - Amb 17 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 58 - 60 18 Coco, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - Amb 19 Coco, 200 Metanol, 50 Sosa, 1 210 30 * 9.1 Amb 20 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 220 28 * 8.6 Amb 21 Coco, 200 Etanol, 60 Sosa, 1.125 - - - - Amb 22 Cocina, 50 Metanol, 10 Sosa, 0.250 Si Si - - 80 23 Coco, 50 Metanol, 10 Sosa, 0.250 Si Si - - 80 24 Cocina, 50 Metanol, 10 Sos GR 0.250 Si Si - - 80 25 Coco, 50 Metanol, 10 Sos GR 0.250 Si Si - - 80 26 Coco, 200 Etanol, 60 Sosa, 1.250 - - - - Amb 27 Coco, 120 Etanol, 42 Sosa, 0.6 - - - - Amb 28 Coco, 150 Etanol, 60 Sosa, 0.75 - - - - Amb 29 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 203 25 * 9.1 Amb 30 Coco, 200 Etanol, 80 Sosa, 1.25 - - - - Amb 31 Cocina, 200 Etanol, 60 Sosa, 1 - - - - 60 – 64 32 Coco, 112 Etanol, 56 Sosa, 0.7 - - - - Amb 33 Cocina, 100 Etanol, 30 Sosa, 0.5 - - - - 50 – 55 34 Coco, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.437 105 12 * 9.4 55 – 60 35 Cocina, 100 Etanol, 30 Sosa, 0.5 - - - - 55 – 60 36 Cocina, 50 Etanol, 15 Sosa, 0.25 55 7 * - Amb 37 Cocina, 100 Etanol, 30 Sosa, 0.5 - - - - 55 – 60 38 Coco, 100 Etanol, 30 KOH, 1.125 - - - - Amb 39 Coco, 100 Etanol, 40 KOH, 1.125 - - - - Amb 40 Coco, 100 Etanol, 40 KOH, 1.687 - - - - Amb 41 Coco, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 101 10 0.88 9.1 Amb 42 Coco, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 100 12 “ 9.1 “ 43 Coco, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 102 11 “ 9.1 “ 44 Coco, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 98 12 “ 9.0 “ 45 Soya, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 101 11 0.89 “ “ 46 Higuerilla, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 104 10 0.885 “ “ 47 Coco, 100 Metanol, 20 Sosa, 0.4375 102 12 0.88 “ “ 48 Coco, 200 Metanol, 40 Sosa, 0.875 207 16 0.88 9.1 “

* Los valores de densidad del biodiesel, fueron medidos del volumen acumulado de biodiesel obtenido, con cada uno de los aceites. ** La cantidad real de sosa que se usó fue mayor a la presentada en la tabla. En la prueba 2, la balanza no era confiable y en la prueba 5, se añadió un poco más de sosa a los 0.7g, no se pudo determinar la cantidad total, por no contar con una balanza de alta sensibilidad.

83

Anexo B Diseño general del prototipo

84

Anexo C Diseño del reactor

85

Anexo D Diseño del recipiente del aceite

86

Anexo E Diseño del recipiente del metóxido

87

Anexo F Diseño de la válvula solenoide

88

Anexo G Diseño de la armadura de soporte

89

Anexo H Cálculo de potencia

de la resistencia Las ecuaciones y datos utilizados en el siguiente cálculo, se obtuvieron del catálogo de resistencias eléctricas de la compañía Tempco®, México [27].

La potencia se calcula:

tTcM

P p

⋅

∆⋅⋅=

412.3 (1.1)

Donde: P = Potencia (W) M = Peso del material a calentar (lbs)

cp = Calor específico del material ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅ Flbbtu

∆T = Incremento de temperatura (°F)

3.412 = Constante de conversión ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅ hwbtu

t = Tiempo en alcanzar la temperatura (h)

Cálculo del peso del material a calentar (M) Debido al uso de una resistencia eléctrica externa tipo banda, para el calentamiento de la mezcla reaccionante, se conciben dos materiales a calentar. Uno es el material de construcción del reactor y el otro, la mezcla aceite-metóxido.

1. Peso del material de construcción del reactor Las dimensiones del reactor se aprecian en la figura I.1

Figura H.1 Dimensiones del reactor, en mm

90

Anexo H: Cálculo de potencia de la resistencia Cenidet

Para obtener el peso del material de construcción del reactor, es primordial conocer el volumen del material, por tal motivo, se considera al reactor en dos partes, la cilíndrica y la parte cónica. El espesor de la lámina de acero inoxidable, material de construcción del reactor, es de 1.21 mm. Es necesario realizar las conversiones correspondientes al sistema inglés.

a) Peso de la parte cilíndrica del reactor: Se calcula el volumen, V=A*h, en este caso h representa el espesor del material.

( ) ( ) 21189.2074.25

11704.25

1250 inmm

inmmmm

inmmAcil =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= π

( ) 32 35.104.25

121.11189.207 inmm

inmminVcil =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

El peso se obtiene mediante la ecuación 1.2 ρ⋅= VM (1.2) Donde: M = peso (lb) V = volumen (in3) ρ = densidad (lb/in3) El valor de la densidad para el acero inoxidable es 0.280 lb/in3

lbinlbinM cil 9.2280.035.10 3

3 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

b) Peso de la parte cónica del reactor:

( ) ( )255.69

44.25

11164.25

12502in

mminmm

mminmm

Acon =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=π

( ) 32 47.34.25

121.155.69 inmm

inmminVcon =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

lbinlbinM con 973.0280.047.3 3

3 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Peso del material del reactor = 2.9 lb + 0.9737 lb = 3.8737 lb

2. Peso de la mezcla aceite-metóxido a calentar en el reactor Usando la ecuación 1.2, se supone que el reactor contiene un volumen de 6 litros de la mezcla aceite-metóxido. Además, se considera utilizar la densidad del aceite (7.75 lb/gal), debido a ser la

91

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica mayor entre el aceite y el metóxido. Las conversiones de unidades se presentan en la ecuación empleada.

lbgallb

LgalLM mezcla 2853.1275.7785.3

16 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Cálculo de la potencia

En la ecuación 1.1, intervienen los siguientes datos que son necesarios especificar: ∆T = Incremento de temperatura. Si se considera una temperatura ambiente de 20 °C, en la etapa de precalentamiento del aceite existirá un incremento de 20 °C, con ello se alcanzará una temperatura de 40 °C, misma que será la temperatura inicial para el calentamiento de la mezcla aceite-metóxido. Estableciendo una temperatura máxima de 60 °C en el calentamiento de la mezcla, se determina un incremento máximo de 20 °C en esta etapa del proceso del biodiesel. t = Tiempo en alcanzar la temperatura. El tiempo en alcanzar la temperatura, se estima de 12 minutos, la mitad del tiempo de agitación. 12 minutos equivale a 0.2 horas. La conversión de unidades para la temperatura:

( ) FFFC °=°+°⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=° 6832

592020

1. Potencia requerida para calentar el material de construcción del reactor

El calor específico del acero inoxidable es 0.12 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅ Flbbtu

( ) ( )

( )3209.46

2.0412.3

6812.08737.3=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅

°⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅=h

hWbtu

FFlb

btulbPacero W

2. Potencia requerida para calentar la mezcla aceite-metóxido en el reactor

El calor específico del aceite es 0.43 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅ Flbbtu

( ) ( )

( )41.526

2.0412.3

6843.02853.12=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅

°⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

°⋅=−

hhW

btu

FFlb

btulbP metac W

Potencia requerida = 46.3209 W + 526.41 W = 572.731 W

92

Anexo I Mediciones del sensor LM35, precalentamiento del aceite

Las mediciones se realizaron cada 60 segundos.

Referenc a i°C

LM35 °C

Error absoluto

Error relativo

23 23 0 0.00 23 23 0 0.00 23 23 0 0.00 29 24 5 17.24 31 27 4 12.90 31 28 3 9.68 31 28 3 9.68 31 29 2 6.45 32 31 1 3.13 33 30 3 9.09 33 32 1 3.03 33 32 1 3.03 36 35 1 2.78 37 35 2 5.41 38 36 2 5.26 38 37 1 2.63 39 38 1 2.56 40 39 1 2.50 41 40 1 2.44 41 41 0 0.00 42 42 0 0.00 43 42 1 2.33 43 43 0 0.00 43 43 0 0.00 43 43 0 0.00 43 43 0 0.00 43 42 1 2.33 43 43 0 0.00 44 43 1 2.27 44 42 2 4.55 43 42 1 2.33 43 42 1 2.33 42 43 1 2.38 43 43 0 0.00 42 43 1 2.38 42 41 1 2.38 41 41 0 0.00 41 40 1 2.44 43 43 0 0.00 43 42 1 2.33 43 42 1 2.33 43 42 1 2.33 39 39 0 0.00 34 35 1 2.94 34 35 1 2.94

93

Anexo I: Mediciones del sensor LM35, precalentamiento del aceite Cenidet

Referenc a i°C

LM35 °C

Error absoluto

Error relativo

34 35 1 2.94 34 35 1 2.94 34 35 1 2.94 34 34 0 0.00 34 35 1 2.94 34 35 1 2.94 34 35 1 2.94 34 34 0 0.00 31 32 1 3.23 31 31 0 0.00 30 31 1 3.33 31 31 0 0.00 31 31 0 0.00 31 31 0 0.00 31 31 0 0.00 30 30 0 0.00 30 30 0 0.00 30 30 0 0.00 30 30 0 0.00 30 30 0 0.00 30 30 0 0.00 31 31 0 0.00 32 32 0 0.00 39 39 0 0.00 40 39 1 2.50

94

Anexo J Mediciones del sensor LM35, calentamiento en el reactor

Las mediciones se realizaron cada 30 segundos.

Referencia°C

LM35 °C

Error absoluto

Error relativo

27 27 0 0.00 28 27 1 3.57 28 28 0 0.00 28 28 0 0.00 29 29 0 0.00 30 30 0 0.00 30 30 0 0.00 31 30 1 3.23 31 31 0 0.00 32 32 0 0.00 33 33 0 0.00 35 35 0 0.00 35 35 0 0.00 35 35 0 0.00 36 36 0 0.00 37 36 1 2.70 38 37 1 2.63 39 38 1 2.56 40 39 1 2.50 40 40 0 0.00 41 40 1 2.44 42 42 0 0.00 43 42 1 2.33 43 44 1 2.33 45 44 1 2.22 45 44 1 2.22 46 46 0 0.00 47 46 1 2.13 48 47 1 2.08 49 48 1 2.04 49 49 0 0.00 50 50 0 0.00 51 50 1 1.96 51 51 0 0.00 52 52 0 0.00 53 52 1 1.89 53 54 1 1.89 54 54 0 0.00 55 54 1 1.82 56 55 1 1.79 56 55 1 1.79 57 56 1 1.75 58 57 1 1.72 59 58 1 1.69 59 58 1 1.69 60 59 1 1.67

95

Anexo J: Mediciones del sensor LM35, calentamiento en el reactor Cenidet

Referencia°C

LM35 °C

Error absoluto

Error relativo

60 59 1 1.67 61 60 1 1.64 61 61 0 0.00 61 61 0 0.00 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 62 61 1 1.61 61 61 0 0.00 61 61 0 0.00 61 61 0 0.00 61 60 1 1.64 61 60 1 1.64 61 60 1 1.64 61 60 1 1.64 60 60 0 0.00 60 60 0 0.00 60 60 0 0.00 60 60 0 0.00 60 60 0 0.00 60 59 1 1.67 60 59 1 1.67 59 59 0 0.00 59 59 0 0.00 59 58 1 1.69 59 59 0 0.00 59 59 0 0.00 59 58 1 1.69 58 58 0 0.00 58 58 0 0.00 58 58 0 0.00 58 57 1 1.72 58 57 1 1.72 58 57 1 1.72 58 56 2 3.45 57 57 0 0.00 57 57 0 0.00 57 57 0 0.00 57 56 1 1.75 56 56 0 0.00 56 56 0 0.00 56 55 1 1.79 56 55 1 1.79 55 54 1 1.82 55 55 0 0.00 56 55 1 1.79 56 56 0 0.00 57 56 1 1.75 58 57 1 1.72 58 58 0 0.00 59 58 1 1.69 60 59 1 1.67 61 60 1 1.64 61 60 1 1.64

96

Anexo K Programa general

__CONFIG _CP_OFF&_WDT_OFF&_LVP_OFF &_PWRTE_ON&_HS_OSC ;Configuración para el grabador LIST p=16F877A INCLUDE<P16F877A.INC> ; Zona de datos oscilador de 20 MHz ; Este programa es para realizar todo el proceso de obtención del biodiesel, lo que va a hacer es sensar la cantidad de aceite, la cantidad de alcohol, mezclar durante 25 minutos y drenar después de 8 horas, ademas debe controlar y sensar la temperatura a la que se tenga el aceite y a la que se va a realizar la agitación ;===================================================================== ;Especificar condiciones de operación y cantidad de reactivos ;====================================================================== Temprec EQU d'40' ;Especifica Temperatura del precalentamiento Temreac1 EQU d'58' ;Temperatura máxima de calentamiento de la reacción Temreac2 EQU d'56' ;Temperatura mínima de calentamiento de la reacción Volaceite EQU d'118' ;Volumen de aceite, datos según la tabla 4.8 de la tesis Volmetoxido EQU d'68' ;Volumen de metóxido, datos según tabla 4.4 de la tesis Tiemagit EQU d'25' ;Tiempo de agitación en minutos Tiemsep EQU d'16' ;Tiempo de reposo para separación, en horas (16-12) ;------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ min EQU 02h hora EQU 04h dia EQU 07h mes EQU 08h año EQU 09h segalarm EQU 01h minalarm EQU 03h horaalarm EQU 05h registroA EQU 0Ah registroB EQU 0Bh registroC EQU 0Ch registroD EQU 0Dh MaximaDistancia EQU d'255' ;máxima distancia es 255mm TMR0_Carga6micros EQU d'236' ;valor para tardar 6 microseg por cada mm de distancia TMR0_Carga6micros_m EQU d'236' ;Valor para 6 microseg para el metóxido CBLOCK 0x21 Distancia ;se expresará en mm R_contA R_contB ;contadores para los retardos R_contC Conversion ;Se almacenará la temperatura y lo del drenado Diezmas ;Para saber cuanto va a dejar pasar de volumen Diezmas1 Cuenta Muestra Dir Escr ENDC ;Zona de codigos ORG 0x00 goto Inicio ORG 0x04 goto ServicioInterrupcion Inicio bsf STATUS,RP0 ;Banco-1

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Anexo K: Programa general Cenidet clrf OPTION_REG ;Indicando un prescaler de 2 para el TMR0 movlw b'00010101' ;Señalando los bits de entrada y salida del Puerto B movwf TRISB clrf TRISD ;PORTD como salida movlw b'10000000' movwf INTCON ;Habilita todas las interrupciones en general movlw b'10000100' ;Configuración del ADC usando alineación a la izquierda y 3 entradas

;analogicas por 5 digitales movwf ADCON1 clrf TRISE ;Configurando al puerto E como salidas movlw b'00001011' movwf TRISA ;RA0, RA1, RA3 son entradas analógicas y RA2, RA5 como salidas

;digitales bcf STATUS,RP0 ;Banco-0 bsf PORTD,3 bsf PORTD,4 bsf PORTD,5 bsf PORTD,6 movlw b'01111000' ;Configurando las salidas por el Puerto D para mantener cerradas las

;valvulas movwf PORTD ;Para iniciar en bajo todos los bits del puerto D clrf PORTB ;Limpia todo el puerto B clrf PORTC ;Para acceder a los registros del RTC clrf PORTA ;Limpia el puerto A clrf PORTE ;Limpia el puerto E bcf PORTB,1 ;Inicializa línea de disparo en bajo sensor aceite bcf PORTB,3 ;Inicializa línea de disparo en bajo sensor metóxido clrf Diezmas clrf Diezmas1 clrf Cuenta bsf PORTB,7 ;Manda a encender la resistencia eléctrica para el precalentamiento ;===================================================================================== ;A través de estas rutinas va a estar sensando el nivel del aceite y checar si hay suficiente para hacer la prueba ;======================================================================================= Principal_1 clrf Distancia ;Inicializa el registro bsf PORTB,1 ;Comienza el pulso de disparo call Retardo_15micros ;Duración del pulso de disparo bcf PORTB,1 ;Final del pulso de disparo Espera_Eco1_1 btfss PORTB,2 ;Si ECO=0 espera el flanco de subida de la señal goto Espera_Eco1_1 ;de la salida del sensor movlw TMR0_Carga6micros ;Ya se ha producido el flanco de subida movwf TMR0 ;Cargar el Timer 0 bsf INTCON,T0IE ;Habilita las interrupciones por desbordamiento del TMR0 Espera_Eco1_0 btfsc PORTB,2 ;Espera flanco de bajada de la señal de la salida goto Espera_Eco1_0 ;del SRF05 bcf INTCON,T0IE ;Se ha producido el flanco de bajada. Prohíbe interrupción call Retardo_50ms ;Espera un tiempo para la siguiente medición SensarVol_1 movf Distancia,0 ;Manda lo que hay en Distancia a W addlw Volaceite ;Suma 118 al valor de la Distancia, para 4 litros de aceite btfsc STATUS,C ;Checa si hubo acarreo, esto es cuando la suma sea > 255 goto Ledfac_ ;Manda a encender el led para avisar que hace falta aceite movwf Diezmas ;Lo almacena en el registro Diezmas movlw .1 ;Ejecuta 10 mediciones, antes de continuar addwf Cuenta,F movlw .10 subwf Cuenta,0 btfsc STATUS,Z goto Checarmet goto Principal_1 ;======================================================================================== ;Se va sensar el nivel del metoxido para checar si hay suficiente metoxido para hacer la prueba ;================================================================================================ Checarmet

98

Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica clrf Diezmas clrf Diezmas1 clrf Cuenta Principal_2 clrf Distancia ;Inicializa el registro bsf PORTB,3 ;Comienza el pulso de disparo del sensor del metóxido call Retardo_15micros ;Duración del pulso de disparo bcf PORTB,3 ;Final del pulso de disparo del sensor del metóxido Espera_Eco2_1 btfss PORTB,4 ;Si ECO=0 espera el flanco de subida de la señal goto Espera_Eco2_1 ;de la salida del sensor del metóxido movlw TMR0_Carga6micros_m ;Ya se ha producido el flanco de subida movwf TMR0 ;Cargar el Timer 0 bsf INTCON,T0IE ;Autoriza interrupción del TMR0(TOIE) Espera_Eco2_0 btfsc PORTB,4 ;Espera flanco de bajada de la señal de la salida goto Espera_Eco2_0 ;del SRF05 bcf INTCON,T0IE ;Se ha producido el flanco de bajada. Prohíbe interrupción call Retardo_50ms ;Espera un tiempo de 50 ms para la siguiente medición SensarVol_2 movf Distancia,0 ;Almacena lo de distancia en W addlw Volmetoxido ;Suma 68 a distancia para espec cuando sean 800 ml de metoxi movwf Diezmas1 ;Lo guarda en el registro Diezmas movlw .1 ;Ejecuta un ciclo de 10 mediciones addwf Cuenta,F movlw .10 subwf Cuenta,0 btfsc STATUS,Z goto Faltac ; bcf PORTD,4 ;Manda a abrir la válvula de metóxido goto Principal_2 ;Regresa a seguir sensando ;============================================================================================ ; Realiza una valoración para saber si hace falta algo de aceite o metóxido y no llevar a cabo la prueba ;============================================================================================ Faltac movlw d'220' ;Medida máxima para el nivel de aceite, recipiente vacío subwf Diezmas ;Resta Diezmas - W btfss STATUS,C ;Checa si Diezmas es igual o mayor que W, significa q no hay

;aceite suficiente goto Faltmet ;Al haber suficiente aceite manda a checar para el metóxido Ledfac_ bsf PORTE,1 ;Manda una señal para indicar q hace falta aceite bcf PORTB,7 ;Manda a apagar la resistencia de precalentamiento goto $ Faltmet movlw d'150' ;Medida máxima para el nivel de metóxido, recipiente vacío subwf Diezmas1 ;Resta Diezmas - W btfss STATUS,C ;Checa si Diezmas es igual o mayor que W, significa que no hay

;aceite suficiente goto Precalen ;Regresa hacer todo el programa bsf PORTE,2 ;Manda una señal para indicar que hace falta metóxido bcf PORTB,7 ;Manda a apagar la resistencia de precalentamiento goto $ ;========================================================================================= ;Subrutina para estar sensando el precalentamiento del aceite ;======================================================================================== Precalen clrf Conversion ;Limpia el registro Conversión movlw b'10000000' ;Configurando a reloj para 20 MHz y entrada en RA3 movwf ADCON0 ;en el registro ADCON0 bsf STATUS,RP0 ;Pasamos al banco1 movlw b'00001011' ;Bits RA0,RA1 y RA3 como entradas analógicas movwf TRISA movlw b'10000100' ;Configuración del ADC usando alineación a la izquierda y 3

;entradas analógicas por 5 digitales movwf ADCON1 bcf STATUS,RP0 ;Pasa a banco 0 bsf ADCON0,0 ;Se pone a 1 el bit0 del registro ADCON0 para activar el ADC convertir_

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Anexo K: Programa general Cenidet call espera20u ;Llama al retardo de 20 micro para establecer la señal bsf ADCON0,2 ;Pone a 1 el bit2 del registro ADCON0 para iniciar la conversión espera_ btfsc ADCON0,2 ;Va a estar ciclándose mientras el bit2 del registro ADCON sea 1 goto espera_ ;cuando termina la conversión y se ponga a cero continuara para

;mostrar el resultado bsf STATUS,RP0 ;Se cambia al banco 1 movf ADRESL,0 ;Carga lo que hay en el registro ADRESL en w bcf STATUS,RP0 ;Regresa al banco 0 movwf Conversion ;Almacena la temperatura en el registro conversion movlw Temprec ;Condición si la temperatura es de 40°C subwf Conversion ;Resta a Conversion - w btfss STATUS,C ;Checa el bit C de STATUS, si es 1 es porque Conversion > 40 goto convertir_ ;Regresa a seguir convirtiendo bcf PORTB,7 ;Apaga la resistencia de precalentamiento e inicia el proceso bcf ADCON0,0 ;Desactiva el ADC clrf Diezmas clrf Cuenta clrf Diezmas ;===================================================================================== ;A traves de estas rutinas va a estar sensando el nivel del aceite ya seguro de que si hay suficiente aceite ;======================================================================================= Principal_1_ clrf Distancia ;Inicializa el registro bsf PORTB,1 ;Comienza el pulso de disparo call Retardo_15micros ;Duración del pulso de disparo bcf PORTB,1 ;Final del pulso de disparo Espera_Eco1_1_ btfss PORTB,2 ;Si ECO=0 espera el flanco de subida de la señal goto Espera_Eco1_1_ ;de la salida del sensor movlw TMR0_Carga6micros ;Ya se ha producido el flanco de subida movwf TMR0 ;Cargar el Timer 0 bsf INTCON,T0IE Espera_Eco1_0_ btfsc PORTB,2 ;Espera flanco de bajada de la señal de la salida goto Espera_Eco1_0_ ;del SRF05 bcf INTCON,T0IE ;Se ha producido el flanco de bajada. Prohíbe interrupción call Retardo_50ms ;Espera un tiempo para la siguiente medición btfss PORTD,3 ;Checa si la válvula del aceite está cerrada para especificar el

;nivel deseado btfsc PORTD,3 ;Checa si esta abierta para hacer la comparación goto SensarVol_1_ ;Especifica cuanto aceite se va a poner en el reactor goto Cumplido_1_ ;Hace la comparación para saber si ya se tiene cumplido el nivel SensarVol_1_ movf Distancia,0 ;Manda lo que hay en Distancia a W addlw Volaceite ;Suma 118 al valor de la Distancia, para 4 litros de aceite movwf Diezmas ;Lo almacena en el registro Diezmas movlw .1 addwf Cuenta,F movlw .10 subwf Cuenta,0 btfsc STATUS,Z goto Abrvalv goto Principal_1_ Abrvalv bcf PORTD,3 ;Manda a abrir la válvula del aceite bsf PORTD,7 ;Señal que indica que se esta vertiendo el aceite goto Principal_1_ Cumplido_1_ movf Diezmas,0 ;Manda lo que hay en Diezmas al registro W subwf Distancia,0 ;Resta Distancia - Diezmas (f-W) btfsc STATUS,C ;Checa el bit C=1 solo cuando Distancia = o > Diezmas btfsc PORTD,3 ;Salta para mandar a cerrar la válvula del aceite goto Principal_1_ ;Si C=0 es porque Distancia < Diezmas y regresa a sensar

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica Fin_1 bsf PORTD,3 ;Manda a cerrar la válvula del aceite bcf PORTD,7 ;Manda a apagar la señal de vertiendo el aceite clrf Diezmas1 ;Limpia el registro Diezmas1 clrf Cuenta ;Limpia el registro Cuenta clrf Diezmas1 clrf Cuenta ;================================================================================================ ;A través de estas rutinas va a estar sensando el nivel del metóxido y poniendo la medición en el registro distancia ;================================================================================================ Principal_22 clrf Distancia ;Inicializa el registro bsf PORTB,3 ;Comienza el pulso de disparo del sensor del metóxido call Retardo_15micros ;Duración del pulso de disparo bcf PORTB,3 ;Final del pulso de disparo del sensor del metóxido Espera_Eco2_12 btfss PORTB,4 ;Si ECO=0 espera el flanco de subida de la señal goto Espera_Eco2_12 ;de la salida del sensor del metóxido movlw TMR0_Carga6micros_m ;Ya se ha producido el flanco de subida movwf TMR0 ;Cargar el Timer 0 bsf INTCON,T0IE ;Autoriza interrupción del TMR0(TOIE) Espera_Eco2_02 btfsc PORTB,4 ;Espera flanco de bajada de la señal de la salida goto Espera_Eco2_02 ;del SRF05 bcf INTCON,T0IE ;Se ha producido el flanco de bajada. Prohíbe interrupción call Retardo_50ms ;Espera un tiempo de 50 ms para la siguiente medición btfss PORTD,4 ;Checa si la válvula del metóxido está cerrada btfsc PORTD,4 ;Checa si la válvula del metóxido esta abierta goto SensarVol_22 ;Manda a especificar el nivel deseado para la cantidad de

;metoxido goto Cumplido_22 ;Manda a comparar si ya se ha cumplido con el volumen SensarVol_22 movf Distancia,0 ;Almacena lo de distancia en W addlw Volmetoxido ;Suma 68 a distancia para especificar 800 ml de metox movwf Diezmas1 ;Lo guarda en el registro Diezmas movlw .1 addwf Cuenta,F movlw .10 subwf Cuenta,0 btfsc STATUS,Z goto Abvalmet goto Principal_22 ;Regresa a seguir sensando Abvalmet bcf PORTD,4 ;Manda a abrir la válvula de metóxido bsf PORTA,2 ;Manda señal de que se esta vertiendo el metóxido goto Principal_22 Cumplido_22 movf Diezmas1,0 ;Almacena lo q hay en Diezmas1 al registro W subwf Distancia,0 ;Resta Distancia-Diezmas1 (f-W) btfsc STATUS,C ;Checa el bit C=1 solo cuando Distancia = o > Diezmas1 btfsc PORTD,4 goto Principal_22 ;Si aun no se cumple que Distancia = Diezmas regresa sensar Fin_2 bsf PORTD,4 ;Manda a cerrar la válvula del metóxido bcf PORTA,2 ;Manda a apagar la señal de q se esta vertiendo el metóxido clrf Dir clrf Escr bsf PORTB,5 ;Manda a encender el motor para iniciar la agitación bsf PORTB,6 ;Manda a encender la resistencia eléctrica ;=============================================================== ; Aquí se esta midiendo el tiempo a través del RTC para manejar los 25 minutos de agitación ;=============================================================== ; Configuracion inicial del reloj 13:00:00

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Anexo K: Programa general Cenidet bcf STATUS,RP0 ;Regreso al banco 0 call ret_5s movlw registroC ;Accede al registro C para leerlo y apagar la interrupción movwf Dir call Rdato movlw registroA ;Para configurar el modo de trabajo del reloj movwf Dir call Direccion movlw .0 ;Se esta metiendo un b'00000000' movwf Escr call Wdato movlw registroB ;Se configura el registroB del RTC movwf Dir call Direccion movlw b'00100110' ;Se habilita la interrupción por alarma, binario y 24 hrs movwf Escr call Wdato movlw año ;Se accede a la dirección del año para poner la fecha movwf Dir call Direccion movlw .7 ;Año del 2007 movwf Escr call Wdato movlw mes ;Se accede a la dirección del mes para la fecha movwf Dir call Direccion movlw .7 ;Mes de julio (07) movwf Escr call Wdato movlw dia ;Se accede a la dirección del dia para la fecha movwf Dir call Direccion movlw .17 ;Dia 11 de julio del 2007 movwf Escr call Wdato movlw hora ;Ahora le metemos la hora que sea de 12:00:00 movwf Dir call Direccion movlw .12 movwf Escr call Wdato movlw min movwf Dir call Direccion movlw .0 movwf Escr call Wdato movlw 00h movwf Dir call Direccion movlw .0 movwf Escr call Wdato ;************* Ahora se va a poner la alarma a 25 minutos ************************** movlw horaalarm ; Se accesa a la dirección de la alarma de hora movwf Dir call Direccion movlw .12 ;La alarma será a las 12 horas movwf Escr call Wdato movlw minalarm ;Se accesa a la dirección de alarma de minutos movwf Dir call Direccion movlw Tiemagit ;La alarma será a las 12:25:00 movwf Escr call Wdato movlw segalarm ; Se accesa a la dirección de alarma de segundos movwf Dir

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica call Direccion movlw .0 ;Para que la alarma sea a los 25 minutos movwf Escr call Wdato movlw registroA ;Habilita el oscilador en el registro A movwf Dir call Direccion movlw b'00100000' movwf Escr call Wdato bsf STATUS,RP0 movlw b'10010000' movwf INTCON ;Habilitando las interrupciones por señal en RB0 bcf STATUS,RP0 ;================================================================================================ ;Lineas para sensar la temperatura de la reaccion ;================================================================================================= clrf Conversion ;Limpia el registro Conversion movlw b'10011000' ;Configurando a reloj para 20 MHz y entrada en RA3 movwf ADCON0 ;en el registro ADCON0 bsf STATUS,RP0 ;Pasamos al banco1 movlw b'00001011' ;Bits RA0,RA1 y RA3 como entradas analógicas movwf TRISA movlw b'10000100' ;Configuración del ADC usando alineación a la izquierda y 3

;entradas analógicas por 5 digitales movwf ADCON1 bcf STATUS,RP0 ;Pasa a banco 0 bsf ADCON0,0 ;Se pone a 1 el bit0 del registro ADCON0 para activar el ADC convertir call espera20u ;Llama al retardo de 20 micro para que el convertidor realice su

;funcion bsf ADCON0,2 ;Pone a 1 el bit2 del registro ADCON0 para iniciar la conversión espera btfsc ADCON0,2 ;Va a estar ciclándose mientras el bit2 del registro ADCON sea 1 goto espera ;cuando termina la conversión y se ponga a cero continuara para

;mostrar el resultado bsf STATUS,RP0 ;Se cambia al banco 1 movf ADRESL,0 ;Carga lo que hay en el registro ADRESL en w bcf STATUS,RP0 ;Regresa al banco 0 movwf Conversion ;Almacena la temperatura en el registro conversion movlw Temreac1 ;Condición si la temperatura es de 40°C subwf Conversion,0 ;Resta a Conversion - w btfss STATUS,C ;Checa el bit C de STATUS, si es 0 es porque Conversion < 40 goto encres ;Salta a encender resistencia movlw Temreac2 ;Condicion para que se apague a los 32°C subwf Conversion,0 ;Resta a Conversion los 42 °C (f-W) btfsc STATUS,C ;Checa el bit C de STATUS, si es 1 es porque Conversion > 42 bcf PORTB,6 ;Manda a apagar la resistencia eléctrica goto Fin_temp ;Regresa a seguir convirtiendo encres btfss PORTB,6 ;Checa si aun esta encendida la resistencia bsf PORTB,6 ;Manda a encender la resistencia ; goto convertir ;Regresa a seguir convirtiendo Fin_temp btfsc PORTB,5 ;Cuando se apague el motor terminará la conversión goto convertir ;Regresa a seguir convirtiendo bcf ADCON0,0 ;Desactiva el ADC bsf PORTA,5 ;Manda a señalar que esta en la etapa de separación bcf PORTB,6 ;Manda a apagar la resistencia de calentamiento bsf STATUS,RP0

103

Anexo K: Programa general Cenidet bcf INTCON,4 ;Deshabilito las interrupciones por RB0 bcf STATUS,RP0 clrf PORTC call ret_5s ;============================================================================================== ;Se van a esperar 5 minutos para apreciar que ya hay glicerina a través de la mirilla ;================================================================================================ ; Configuracion inicial del reloj 12:00:00 movlw registroC ;Accede al registro C para leerlo y apagar la interrupción movwf Dir call Rdato movlw registroA ;Para configurar el modo de trabajo del reloj movwf Dir call Direccion movlw .0 ;Se esta metiendo un b'00000000' movwf Escr call Wdato movlw registroB ;Se configura el registroB del RTC movwf Dir call Direccion movlw b'00100110' ;Se habilita la interrupción por alarma, binario y en formato de 24 hrs movwf Escr call Wdato movlw año ;Se accesa a la dirección del año para poner la fecha movwf Dir call Direccion movlw .7 ;Año del 2007 movwf Escr call Wdato movlw mes ;Se acceca a la dirección del mes para la fecha movwf Dir call Direccion movlw .7 ;Mes de julio (07) movwf Escr call Wdato movlw dia ;Se acceca a la dirección del dia para la fecha movwf Dir call Direccion movlw .17 ;Dia 11 de julio del 2007 movwf Escr call Wdato movlw hora ;Ahora le metemos la hora que sea de 13:00:00 movwf Dir call Direccion movlw .12 movwf Escr call Wdato movlw min movwf Dir call Direccion movlw .0 movwf Escr call Wdato movlw 00h movwf Dir call Direccion movlw .0 movwf Escr call Wdato ;************* Ahora se va a poner la alarma a 1 minutos ************************** movlw horaalarm ; Se accesa a la dirección de la alarma de hora movwf Dir call Direccion movlw .12 ;La alarma será a las 12 horas movwf Escr call Wdato movlw minalarm ;Se accesa a la dirección de alarma de minutos movwf Dir call Direccion

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica movlw .3 ;La alarma será a las 12:03:00 movwf Escr call Wdato movlw segalarm ;Se accesa a la dirección de alarma de segundos movwf Dir call Direccion movlw .0 ;Para que la alarma sea a los 3minutos con 0 segundos movwf Escr call Wdato movlw registroA ;Habilita el oscilador en el registro A movwf Dir call Direccion movlw b'00100000' movwf Escr call Wdato bsf STATUS,RP0 movlw b'10010000' movwf INTCON ;Habilitando las interrupciones por señal en RB0 clrf OPTION_REG bcf STATUS,RP0 sleep ;Manda a dormir el PIC para que no gaste energía bsf STATUS,RP0 bcf INTCON,4 ;Deshabilito las interrupciones por RB0 bcf STATUS,RP0 call ret_5s bcf PORTD,6 ;Manda a abrir la válvula de la mirilla visualizar la separación clrf PORTC ;============================================================================================ ;Lineas para esperar el tiempo para la separacion de los productos, biodiesel y glicerina ;====================================================================================== ; Configuracion inicial del reloj 12:00:00 movlw registroC ;Accesa al registro C para leerlo y apagar la interrupción movwf Dir call Rdato movlw registroA ;Para configurar el modo de trabajo del reloj movwf Dir call Direccion movlw .0 ;Se esta metiendo un b'00000000' movwf Escr call Wdato movlw registroB ;Se configura el registroB del RTC movwf Dir call Direccion movlw b'00100110' ;Se habilita la interrupción por alarma, que trabaje con binario y en formato de 24 hrs movwf Escr call Wdato movlw año ;Se accesa a la dirección del año para poner la fecha movwf Dir call Direccion movlw .7 ;Año del 2007 movwf Escr call Wdato movlw mes ;Se acceca a la dirección del mes para la fecha movwf Dir call Direccion movlw .7 ;Mes de julio (07) movwf Escr call Wdato movlw dia ;Se acceca a la dirección del dia para la fecha movwf Dir call Direccion movlw .17 ;Dia 11 de julio del 2007 movwf Escr call Wdato movlw hora ;Ahora le metemos la hora que sea de 13:00:00 movwf Dir call Direccion movlw .12

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Anexo K: Programa general Cenidet movwf Escr call Wdato movlw min movwf Dir call Direccion movlw .0 movwf Escr call Wdato movlw 00h movwf Dir call Direccion movlw .0 movwf Escr call Wdato ;************* Ahora se va a poner la alarma a 1 minutos ************************** movlw horaalarm ; Se accesa a la dirección de la alarma de hora movwf Dir call Direccion movlw Tiemsep ;La alarma será a las 12 horas movwf Escr call Wdato movlw minalarm ;Se accesa a la dirección de alarma de minutos movwf Dir call Direccion movlw .0 ;La alarma será a las 16:00:00 movwf Escr call Wdato movlw segalarm ;Se accesa a la dirección de alarma de segundos movwf Dir call Direccion movlw .0 ;Para que la alarma sea a las 4 horas movwf Escr call Wdato movlw registroA ;Habilita el oscilador en el registro A movwf Dir call Direccion movlw b'00100000' movwf Escr call Wdato bsf STATUS,RP0 movlw b'10010000' movwf INTCON ;Habilitando las interrupciones por señal en RB0 clrf OPTION_REG bcf STATUS,RP0 sleep ;Manda a dormir el PIC para que no gaste energía call ret_5s bcf PORTD,5 ;Manda a abrir la válvula a la salida del reactor para empezar a drenar bcf PORTA,5 ;Manda a apagar la señal de separación ;============================================================================================== ;Para sensar el drenado de los productos glicerina y biodiesel ;============================================================================================== call ret_1s call ret_1s bcf STATUS,RP0 ;Asegurarse que se trabaja en el banco 0 clrf Conversion movlw b'10001000' ;Configura al CAD para que sea en RA1 el canal de entrada al

;CAD movwf ADCON0 ;a través del registro ADCON0 y con osc de 20 Mhz bsf ADCON0,0 ;Se pone a 1 el bit0 del registro ADCON0 para activar el ADC convertir1 call espera20u ;Llama al retardo de 20 micro para que el convertidor realice su función bsf ADCON0,2 ;Pone a 1 el bit2 del registro ADCON0 para iniciar la conversión espera1 btfsc ADCON0,2 ;Va a estar ciclándose mientras el bit2 del registro ADCON sea 1 goto espera1 ;cuando termina la conversión y se ponga a cero continuara para mostrar

;el resultado bsf STATUS,RP0 ;Se cambia al banco 1

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica movf ADRESL,0 ;Carga lo que hay en el registro ADRESL en w bcf STATUS,RP0 ;Regresa al banco 0 movwf Conversion ;Almacena lo de la glicerina en el registro conversión movlw d'100' ;Dato que indica cuando se ha alcanzado la parte de la glicerina q se une

;con el biodiesel subwf Conversion ;Resta el dato de Conversion - 110 btfsc STATUS,C ;Checa el bit C que es 0 cuando Conversion < 110 goto convertir1 bcf ADCON0,0 ;Desactiva el ADC bsf PORTD,5 ;Manda a cerrar la válvula a la salida del reactor bsf PORTE,0 ;Manda a encender señal de que se debe de cambiar de recipiente para

;recibir el biodiesel call ret_30s ;Esperamos un tiempo de 1 minuto para que la glicerina se precipite call ret_30s call ret_30s call ret_30s bcf PORTD,5 ;Manda a abrir la válvula a la salida del reactor para q salga biodiesel Ledsal bcf PORTE,0 ;Manda a apagar el led para indicar que hay que apagar cuando se

;termine de drenar el biodiesel call ret_1s bsf PORTE,0 ;Lo hace intermitente call ret_1s goto Ledsal ;Mantiene encendida la señal de la válvula cerrada ;=============================================================================================== ;Subrutina servivio_interrupcion ;================================================================================================ ServicioInterrupcion btfsc INTCON,INTF ;¿Interrupción por activación de la línea RB0? call Interrupcion_RB0 ;Llama la subrutina de interrupción causada por RB0 btfsc INTCON,T0IF ;¿Interrupción por desbordamiento del TMR0? call Interrupcion_TMR0 ;Llama a la subrutina de atención del TMR0 Interrupcion_TMR0 movlw TMR0_Carga6micros ;Carga el timer0 movwf TMR0 movlw .1 addwf Distancia,F ;Incrementa en cada interrupción, = a 1mm movlw MaximaDistancia ;En caso q se desborde para cargar máximo valor btfsc STATUS,C ;En caso de que se desborde el bit de acarreo movwf Distancia bcf INTCON,T0IF ;Limpia causa de interrupción retfie Interrupcion_RB0 btfss PORTB,5 ;Si aun sigue accionado el motor, lo manda a apagar, sino quiere decir q

;es el tiempo de 8 horas goto Drenint ;Manda a ejecutar la interrupción 2 causada por el tiempo de 8 horas bcf PORTB,5 ;Manda a apagar el motor bsf STATUS,RP0 ;Acceso a banco1 bcf INTCON,1 ;Se borra la bandera de interrupción bcf INTCON,4 bcf STATUS,5 ;Regresa a banco0 retfie Drenint bsf STATUS,5 ;Acceso a banco1 bcf INTCON,1 ;Se borra la bandera de interrupción bcf INTCON,4 bcf STATUS,5 ;Regresa a banco 0 retfie ;================================================================== ;Subrutina para escribir la direccion en el RTC previamente cargada en W ;AS=0, DS=1, RW=2 que maneja el puertoD Direccion bsf STATUS,RP0 ;Pone a 1 el bit 5 del STATUS. Acceso al banco 1 clrf TRISC ;Puerto C como salida

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Anexo K: Programa general Cenidet bcf STATUS,RP0 ;Pone a 0 el bit 5 de STATUS. Acceso al banco 0 bsf PORTD,0 ;Indica escritura de dirección activa AS call Retardo movf Dir,0 movwf PORTC call Retardo bcf PORTD,0 ;Lath la dirección en el RTC return ;Subrutina para leer Un registro especificado en W Rdato call Direccion bsf STATUS,RP0 ;Pone a 1 el bit 5 del STATUS. Acceso al banco 1 movlw b'11111111' ;PORTC como entrada movwf TRISC bcf STATUS,RP0 ;Pone a 0 el bit 5 de STATUS. Acceso al banco 0 bsf PORTD,2 ;Indica escritura en el bus activa RW call Retardo bsf PORTD,1 ;activa el RTC para su para dato activa DS call Retardo movf PORTC,W movwf Muestra call Retardo bcf PORTD,2 ;termina ciclo de lectura bcf PORTD,1 return ;Subrutina para escribir un dato cargado en W en la dirección cargada previamente Wdato bsf STATUS,RP0 ;Pone a 1 el bit 5 del STATUS. Acceso al banco 1 clrf TRISC ;Puerto C como salida bcf STATUS,RP0 ;Pone a 0 el bit 5 de STATUS. Acceso al banco 0 bsf PORTD,1 ;Indica escritura de dirección activa DS call Retardo movf Escr,0 movwf PORTC call Retardo bcf PORTD,1 ;Lath el dato en el RTC return ;============================================================================================= ;Subrutinas de retardos ;============================================================================================= Retardo movlw d'35' ;valor de K RetardoMicros movwf R_contA ;Para el registro de conteo Rmicros_bucle decfsz R_contA,F ;Para ignorar el regreso, hasta que llegue a 0 goto Rmicros_bucle return Retardo_15micros movlw d'25' ;valor de K RetardoMicros1 movwf R_contA ;Para el registro de conteo Rmicros_bucle1 decfsz R_contA,F ;Para ignorar el regreso, hasta que llegue a 0 goto Rmicros_bucle1 return ;================================================================ Retardo_50ms movlw d'100' Retardos_ms movlw R_contB R1ms_BucleExterno movlw d'249' movwf R_contA R1ms_BucleInterno nop

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Cenidet Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica decfsz R_contA,F goto R1ms_BucleInterno decfsz R_contB,F goto R1ms_BucleExterno return ;============================================================= espera20u movlw d'40' ;valor de K RetardoMicros2 movwf R_contA ;Para el registro de conteo Rmicros_bucle2 decfsz R_contA,F ;Para ignorar el regreso, hasta que llegue a 0 goto Rmicros_bucle2 return ;================================================================ ret_5s movlw d'150' Retardo_1Decima movwf R_contC R1Decima_bucleexterno2 movlw d'100' movwf R_contB R1Decima_bucleexterno movlw d'249' movwf R_contA R1Decima_bucleinterno nop decfsz R_contA,F goto R1Decima_bucleinterno decfsz R_contB,F goto R1Decima_bucleexterno decfsz R_contC,F goto R1Decima_bucleexterno2 return ;==================================================================== ret_30s movlw d'200' Retardo_1Decima_ movwf R_contC R1Decima_bucleexterno2_ movlw d'200' movwf R_contB R1Decima_bucleexterno_ movlw d'249' movwf R_contA R1Decima_bucleinterno_ nop decfsz R_contA,F goto R1Decima_bucleinterno_ decfsz R_contB,F goto R1Decima_bucleexterno_ decfsz R_contC,F goto R1Decima_bucleexterno2_ return ;======================================================================= ret_1s movlw d'50' Retardo_1Decim movwf R_contC R1Decima_bucleextern2 movlw d'100' movwf R_contB R1Decima_bucleextern movlw d'249' movwf R_contA

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Anexo K: Programa general Cenidet R1Decima_bucleintern nop decfsz R_contA,F goto R1Decima_bucleintern decfsz R_contB,F goto R1Decima_bucleextern decfsz R_contC,F goto R1Decima_bucleextern2 return ;Fin del programa Final END

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Anexo L Artículo técnico

IEEE 5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, 10 al 12 de octubre de 2007, Cuernavaca, Morelos,

México

Obtención de biodiesel a partir de aceite vegetal comestible. Potencial de su producción en México

R. Longoria Ramírez, F. Torres del Carmen y A. Uribe Escalante Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Av. Palmira y Apatzingán s/n, Colonia Palmira, C.P. 62 490; Cuernavaca, Morelos, México

Tel. 01 (777) 3 62 77 70, Ext. 112 e-mail: [email protected]

Resumen: En Europa y Estados Unidos, la producción de biodiesel derivado de aceites de origen vegetal ha tomado un lugar estratégico, en respuesta al incremento exagerado del precio del petróleo y a la perspectiva mundial de agotamiento de éste en un corto plazo. En México, ha sido poco el interés para utilizar los recursos renovables como fuentes alternativas de energía. Sin embargo, en este trabajo se reportan resultados de laboratorio para la obtención de biodiesel a partir de aceite comestible comercial producido a partir de semillas oleaginosas (una mezcla de aceite de maíz, colza, soya, girasol).

El proceso de producción de biodiesel involucra, como reactivos, el aceite vegetal comestible, metanol o etanol y sosa cáustica. La experimentación se ha realizado tanto a temperatura ambiente (25°C) como a temperaturas entre 55 y 60°C, obteniéndose en ambos casos velocidades de reacción y rendimientos aceptables de acuerdo con reportes de la literatura. Se ha obtenido biodiesel con una densidad dentro de lo

especificado por la norma ASTM D 6751-02 (0.86 a 0.90 g/cm3).

México, un país con amplias posibilidades para la producción de semillas oleaginosas, puede resultar enormemente beneficiado si las actividades agrícolas se orientan hacia el incremento de la producción de aceites de origen vegetal, que posteriormente sea trasformado a biodiesel. El biodiesel puede ser utilizado en mezclas con diesel del petróleo (BX) o puro (B100), contribuyendo a reducir las emisiones contaminantes de monóxido de carbono, hidrocarburos totales y partículas.

Abstract: In Europe and The United States the production of biodiesel derived from oils of vegetable origin has taken a strategic place, in answer to the exaggerated petroleum price increase and the world perspective of its exhaustion in a short term. In Mexico, there has been little interest in using the renewable resources as alternative sources of energy. However, in

Número de referencia: 257 111

5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, 10 al 12 de octubre de 2007, Cuernavaca, Morelos., México

112

this work, laboratory results are reported on the biodiesel obtained from eatable commercial oil produced from oleaginous seeds (a mixture of corn, colza, soy and sunflower oils).

The biodiesel production process involves, as reactants, the eatable vegetable oil, methanol or ethanol, and sodium hydroxide. The experimentation has been carried out at room temperature (25°C) and temperatures between 55 and 60°C, obtaining in both cases reaction rates and yields, in agreement with reports of the literature. Biodiesel density has been obtained within the Norma ASTM D 6751-02 specifications (0.86 to 0.90 g/cm3).

Mexico, a country with wide possibilities for oleaginous seeds production can be vastly beneficiary if agricultural activities are guided towards the increment of the production of oils of vegetable origin that later on could be transformed to biodiesel which could be used in mixtures with petroleum diesel (BX) or at 100% (B100), contributing with this to reduce the pollutant emissions of carbon monoxide, total hydrocarbons and particles.

Palabras clave: Biodiesel, aceite vegetal de comer, copra, higuerilla, palma de aceite, jojoba

Introducción

El incremento en los precios internacionales del petróleo y las perspectivas de su baja disponibilidad o de agotamiento entre los próximos 50 o 100 años, hace necesaria la búsqueda constante de fuentes alternas de energéticos. De la misma forma, la degradación de la calidad de vida en las grandes ciudades industriales, a causa de los altos índices de contaminación alcanzados en la biosfera y en la atmósfera de nuestro planeta, ha impulsado la búsqueda constante de combustibles amigables con el Medio Ambiente.

La Secretaría de Energía reporta que el consumo de diesel derivado del petróleo aportó en el año 2005, al consumo nacional de energía, 534.341 PJouls (1 PJoul= 1015 Jouls) dentro de los sectores de transporte, industrial y residencial. Si se considera un poder calorífico medio para el diesel del petróleo de 34 322

kJ/L y se toma en cuenta que tan sólo en el sector trasporte se consumieron 490.377 PJ, se encuentra que durante ese año se consumieron en el país 14 287 millones de litros diesel del petróleo (aproximadamente 39 millones de litros diarios) [1].

Este combustible ha demostrado sus bondades en Alemania, Francia, Italia, Estados Unidos y otros países, así mismo, se han realizado trabajos de investigación sobre su producción, utilización y almacenamiento en por lo menos veintiocho países alrededor del mundo [3,7]. Sin embargo, para que la economía de producción del biodiesel sea competitiva con la del petrodiesel (diesel derivado del petróleo), se requiere de incentivos gubernamentales y fiscales.

El biodiesel se obtiene de fuentes renovables, no es tóxico, es biodegradable, seguro de manejar y almacenar, de aroma agradable y alarga la vida del motor [3,7,9]. Sus buenas cualidades son un fuerte incentivo para impulsar crecientemente su uso, ya que su producción a escala industrial no crearía una dependencia tecnológica, generaría nuevas fuentes de trabajo y promovería el desarrollo agroindustrial.

Definiendo, según la Norma ASTM D 6751-02 (American Standards for Testing and Materials), el biodiesel está constituido por ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga, derivados de lípidos renovables, tales como, aceites vegetales o grasas de origen animal. Este compuesto puede ser empleado en motores de ignición a compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción [7,11].

Abundando sobre las ventajas que representa introducir la producción y uso de biodiesel en México, se debe tomar en cuenta lo siguiente:

• Dejar de depender, en forma parcial, del combustible fósil no renovable, es decir, del petróleo.

• Aprovechar las condiciones agrícolas favorables de nuestro país para la producción de aceites vegetales, y convertirlos en biodiesel.

• Favorecer a la economía de la gente del campo, generando más empleos.


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• Situarnos junto a otros países que están a la vanguardia respecto a la producción de combustibles de origen vegetal.

• Reducir los volúmenes de gases y residuos contaminantes, ya que, el biodiesel es biodegradable y menos contaminante a partir de la combustión; si se compara con el diesel del petróleo.

Respecto al impacto de las emisiones contaminantes en los gases de combustión, el biodiesel presenta importantes reducciones, tanto si es usado en una mezcla con petrodiesel en proporción del 20% (B20) o biodiesel al 100% (B100), excepto por las emisiones de óxidos de nitrógeno, donde compite en desventaja con el petrodiesel, como se indica en la tabla siguiente [4].

Tabla 1: Emisiones promedio del biodiesel comparadas con las del

petrodiesel

TIPO DE EMISION REGULADAS B 100 B 20

Hidrocarburos Totales -67% -20%

Monóxido de Carbono -48% -12%

Partículas -47% -12%

NOX 10% 2%

Los derrames de este combustible en ríos y mares resultan mucho menos contaminantes ya que es fácilmente biodegradable, se degrada biológicamente el 85% en sólo 4 semanas. Debido a lo anterior, el biodiesel es ideal para emplearse en motores de barcos y lanchas y transportes en parques nacionales, bosques y, sobre todo, en las grandes ciudades [3].

Producción de aceites de origen vegetal en México

Para los países tropicales, la palma de aceite (Elaeis guineensis Jacq) representa una alternativa de excelente

perspectivas para el futuro, respecto a la producción de aceite vegetal.

México registra 43 mil hectáreas cultivadas con palma de aceite, entre las que están en proceso productivo, en desarrollo y en proceso de plantación. Esta superficie se encuentra repartida en los estados de Chiapas, Veracruz, Tabasco, Oaxaca, Campeche, Quintana Roo y Guerrero. En promedio, los productores tienen extensiones cultivadas de cuatro hectáreas, aunque hay también propietarios que posee entre 50 y 100 hectáreas.

La palma de aceite es la segunda fuente de aceite vegetal después de la soya, con la diferencia de que esta última sólo produce 350 kilogramos por ciclo, mientras que con la palma es posible obtener más de cuatro toneladas por hectárea al año [10].

La higuerilla (Ricinos conmunis) es una hierba erecta, robusta; a menudo parecida a un árbol de 2 a 5 m de alto. Su Aceite se utiliza en la industria de motores altamente revolucionados, en la producción de pinturas, lacas, barnices, plásticos, fertilizantes, para uso antiparasitario en humanos, recubrimientos, fungicidas, champú y cosméticos.

El aceite de ricino está contemplado para ser usado como combustible en motores diesel. En las regiones de Tierra Caliente y el Bajío se tiene proyectado el cultivo de 12 mil hectáreas con esta planta.

La siembra de este arbusto, y la producción de aceite a partir de la semilla de esta planta, representan una alternativa para combatir la pobreza en zonas de alta marginación con la generación de empleos, ya que se requiere de mano de obra permanente en las zonas de cultivo.

La palma de coco (cocos nucifera), según la tabla 2, es la segunda en rendimiento de aceite por hectárea, después de la palma de aceite. El aceite de coco es una grasa saturada lo que fue utilizado por compañías productoras de aceites insaturados para hacer propaganda en contra, argumentando que las grasas saturadas eran perjudiciales a la salud. Esta propaganda pudo haber sido la razón por la que, en México el aceite de coco ha sufrido una considerable disminución en su producción (la copra en general) [8].


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Tabla 2: Rendimiento de kg de aceite por hectárea de planta sembrada

PLANTA Kg. DE ACEITE/ HECTÁREA

Maíz 145

Algodón 273

Cáñamo 305

Soya 375

Linaza 402

Mostaza 481

Girasol 800

Cacahuate 890

Colza 1000

Ricino 1188

Jojoba 1528

Coco 2260

Palma 5000

México importa 85% del aceite de origen vegetal que consume (principalmente de soya), con un valor cercano a mil millones de dólares al año [5].

Entre los años del 2000 al 2005, la producción nacional de aceite de origen vegetal se mantuvo aproximadamente en el mismo nivel, a excepción del derivado de soya, el cual a partir del 2002 empezó a mostrar una drástica disminución, como se puede observar en la tabla 3, integrada con datos del INEGI [2].

Tabla 3: Producción nacional de aceites comestibles

Año Aceite de Girasol

(toneladas)

Aceite de Soya

(toneladas)

Aceite de Naboa y/o

Canola (toneladas)

Otros aceites

comestibles (toneladas)

2000 226 332 318 827 137 311 427 890

2001 229 526 323 559 139 835 385 572

2002 190 064 300 953 132 557 419 730

2003 207 346 246 625 114 147 437 410

2004 226 027 206 530 144 495 432 544

2005 206 711 125 537 153 437 471 748

Materiales y métodos

Materiales

Este trabajo de experimentación para la obtención de biodiesel se realizó a partir de aceite vegetal de comer que se expende en centros comerciales, compuesto de una mezcla de diferentes aceites; el aceite que usamos en la experimentación está refinado, es decir que no contiene lecitina, sustancia que se encuentra en los aceites vegetales no refinados. El biodiesel que se obtiene a partir de aceites refinados, es menos propenso a la degradación [9].

Las grasas de origen animal y los aceites de origen vegetal, también llamados triglicéridos, son ésteres que resultan de la reacción del glicerol con tres moléculas de ácidos grasos. Su fórmula general puede ser CH2 (OOR1) CH (OOR2) CH2 (OOR3), donde R1, R2 y R3 pueden ser de diferente longitud de cadena [9].

Los tres ácidos grasos, típicamente son insaturados de 16 a 18 átomos de carbono. Si el ácido graso es saturado se denomina esteárico, si tiene un doble enlace (posición 9 y 10) se denomina oleico y si tiene dos dobles enlaces en las posiciones 9 y 10 y, 12 y 13, se denomina linoleico.


115

Otra clasificación de los ácidos grasos insaturados son los omega-6 y los omega -3, dependiendo en qué lugar se encuentra el doble enlace empezando a contar de derecha a izquierda. Por ejemplo el aceite de canola contiene ambos tipos de aceites insaturados en una relación de 2 a 1.

Métodos

La transesterificación, es la trasformación de un tipo de éster en otro tipo de éster y en donde la viscosidad de los aceites es drásticamente reducida, haciendo esta propiedad muy semejante a la del diesel del petróleo [6]. La reacción de esterificación puede llevarse a cabo a temperatura ambiente (25-28 °C), con una relación volumétrica de metanol a aceite de 1:5 y 4.37 g de hidróxido de sodio por litro de aceite. En el caso de utilizar etanol, la relación de aceite a alcohol se incrementa a 1:7.5, así como la cantidad de hidróxido de sodio aumentaría a 5.0 gramos por litro de aceite [7].

En términos generales se siguió el procedimiento que se enumera en seguida, para llevar a cabo cada uno de los experimentos, independientemente de que, de acuerdo con el diseño experimental, se variaran o la cantidad de sosa o la temperatura.

1. Se trasfiere a un recipiente el volumen de metanol proporcional al volumen de aceite que se vaya a transesterificar, se agrega la proporción necesaria de hidróxido de sodio al alcohol, se agita por el tiempo necesario hasta que se disuelva la sosa (reacción exotérmica) evitando producir salpicadura sobre la piel o el rostro y guardando los cuidados o precauciones recomendadas para el manejo de material corrosivo, ya que el hidróxido de sodio tiene esta característica [7]. A la mezcla de metanol-sosa, se le conoce como metóxido.

2. En otro recipiente de mayor volumen, se transfiere el volumen de aceite a transesterificar, se agita y se le añade lentamente el volumen preparado de metóxido, manteniendo la agitación por treinta minutos.

3. Se detiene la agitación y se deja reposar por el tiempo necesario para que la mezcla obtenida de biodiesel y glicerina se separe en dos fases,

pudiendo decantar la glicerina por la parte del fondo del recipiente. El biodiesel obtenido puede ser trasferido a otro recipiente para realizarle un lavado, lo cual permitirá su almacenamiento con pocas posibilidades de degradación en un tiempo dado [7]. Además, se mide su densidad y pH.

4. Para el lavado del biodiesel hemos implementado un procedimiento consistente en los siguientes pasos:

a) Se obtienen el volumen y el pH del biodiesel que se desee lavar.

b) Se mide un volumen de agua potable igual al de biodiesel y se mide su pH.

c) A este volumen de agua se le agrega vinagre para ajustarle el pH a un valor que, al ser restado del pH original del agua, sea igual a la diferencia obtenida entre la lectura de pH del biodiesel menos 7. Ejemplo, si el pH del biodiesel sea 8.5, implica que el agua mezclada con vinagre sea de un pH 5.5

d) Se mezclan los volúmenes de agua y de biodiesel, se agitan por 5 minutos y se dejan reposar hasta que se obtenga una efectiva separación de las fases.

e) Se decanta la fase acuosa dejando la fase orgánica correspondiente al biodiesel libre de sosa.

Diseño de experimento

El diseño experimental se hizo en base a mantener fijas los volúmenes de aceite vegetal y de alcohol, variar las cantidades de sosa cáustica de 1.5 a 0.7 gramos, la temperatura se varió de temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C) a temperaturas de 60°C o más (esto último cuando se contó con condensador de metanol); y se midió, como variable dependiente, el volumen de biodiesel o de glicerina. Cabe hacer la observación que los intervalos de variación de las variables independientes fueron escogidos de acuerdo con información obtenida de la literatura, ya que en ella se reportan diferentes propuestas para producción de biodiesel.


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La optimización de los resultados se hizo considerando la menor cantidad de hidróxido de sodio usado (0.875 g) a partir de la obtención de volúmenes equivalentes de biodiesel (201 ml). Por ejemplo: con 0.7 g de sosa no se da la reacción pero con 1.0 y 1.2 g, se obtienen volúmenes de biodiesel de 203 y 201, respectivamente, todo ello a una misma temperatura.

Resultados

Tabla 4: Pruebas usando aceite de cocina y metanol, a temperatura ambiente

Producto obtenido Prueb

a

AceiCocia

t

(ml)

Alcohol Metanol

(ml)

Catalizador Sosa

(g) Biodiesel (ml)

Glicerina (ml)

Densidad

biodiesel

pH biod

Temp

°C

1 200 40 2.0 - - - - Amb

2 200 40 1.5 200 16 * n/d “

4 200 40 0.7 - - - - “

5 200 40 1.2 201 24 * 11.1 “

7 200 40 1 203 23 * - “

10 200 40 0.875 201 21 0.875 12.3 “

Tabla 5: Pruebas empleando aceite de cocina y metanol a alta

temperatura

Producto obtenido

Prueba Aceite Cocina

(ml)

Alcohol Metanol

(ml)

Catalizador Sosa

(g) Biodiesel (ml)

Glicerina (ml)

Densidad biodiesel

pH biod

Temp

°C

14 200 40 0.875 206 21 0.87 - 55 – 60

22 200 40 1 Si Si ND - 80

24 200 40 1 GR Si Si ND - 80

• GR. Grado reactivo • ND. No determinado. En el caso de la densidad, por no tener volumen

suficiente.

Tabla 6: Experimentos usando aceite de cocina y etanol a temperatura ambiente

Producto obtenido

Prueba Aceite Cocina

(ml)

Alcohol Metanol

(ml)

Catalizador Sosa

(g) Biod(ml) Glic (ml)

Dens

biod pH

biodTemp

°C

11 200 40 1 - - - - Amb

12 200 60 1 207 35 * 8.9 “

13 133 40 1 138 25 0.875 9.3 “

16 200 60 0.875 - - - - Amb

20 200 60 1 220 28 * 8.6 Amb

36 50 15 0.25 55 7 * - Amb

Discusión

Los resultados mostrados en la tablas 4, 5 y 6 son representativos de la variación de las variables independientes según se detalla en el diseño experimental.

Las pruebas 22 y 24 se llevaron a cabo con condensador y reflujo ya que el metanol hierve, a presión atmosférica, a 64.5 °C.

La densidad del biodiesel obtenido en nuestro laboratorio se mantuvo entre el rango que señala la Norma ASTM D 6751-02, mostrada en la tabla 7.

De acuerdo con los resultados, cuantificando el porcentaje de glicerina obtenida, el rendimiento aparente de la reacción de esterificación fue 95 a 98 %, siendo este último valor el reportado en la literatura [11], sin embargo se está en proceso de ser determinado el rendimiento cuantitativamente mediante cromatografía de gases, lo cual nos dará un resultado más preciso.

La cantidad óptima de reactivos para la esterificación de aceite de cocina fue: sosa 0.875 g, y la de metanol, 40 ml, para 200 ml de aceite de cocina.

Si la esterificación se va a realizar con etanol y sosa, el volumen de etanol es requerido incrementarlo


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en un 50% respecto al de metanol y la sosa se incrementa en un 14% respecto a la esterificación realizada con metanol.

Tabla 7: Especificaciones del biodiesel ASTM D 6751-02 [6]

Propiedad Método ASTM Valor Unidad

Punto de ignición D93 100.0 mín. °C

Agua y sedimentos D1796 0.050 máx. vol. %

Residuo Carbónico (muestra 100%) D4530 * 0.050 máx. % en peso

Ceniza Sulfatada D874 0.020 max. % en peso

Viscosidad ( 40 °C ) D445 1.9-6.0 Cst

Densidad especifica D1298 0.86 – 0.90 g/cm3

Azufre D2622 0.05 máx. % en peso

Número de Cetano D613 47 mín.

Punto de Enturbiamiento D2500 por cliente °C

Número de Ácido D664 0.80 máx. mg KOH/g

Glicerina Libre G.C. ** 0.020 máx. % en peso

Glicerina total G.C. ** 0.240 máx. % en peso

* O el método de prueba equivalente de la ASTM. ** Actualización Australiana del método de prueba USDA (Departamento de Agricultura de Estados Unidos)

Conclusiones

Dado que la materia prima principal es el aceite vegetal, el biodiesel se convierte en un factor sobresaliente para promover el desarrollo regional en México. Los aceites vegetales que pueden emplearse son muy variados, de tal forma que, dependiendo del lugar de producción que se seleccione, puede encontrarse el cultivo idóneo para el clima específico de la localidad, desde la jojoba para climas desérticos hasta el aceite de coco y palma para los climas tropicales.

Nuestro país es apto para la generación de biodiesel, ya que cuenta con la superficie y las condiciones para producir aceite vegetal, del cual se puede generar biodiesel.

Es previsible que al incrementar significativamente el consumo de biodiesel, la escala de producción de las plantas se incremente, con lo que los costos fijos de depreciación y retorno de capital por unidad de masa disminuirán. De igual manera, el costo del aceite vegetal producido en forma masiva podría disminuir apreciablemente, lo que acercará los costos de producción de ambos tipos de combustible.

El precio internacional del petróleo es un factor determinante que impacta en el precio del diesel derivado de él, y con ello la comparación económica entre el biodiesel y diesel del petróleo.

No obstante la desventaja económica del biodiesel, todavía es una opción que debe considerarse en función de su gran cantidad de ventajas:

1. Libre de contaminación-No contiene azufre. 2. Lubricante-duplica la vida del motor. 3. Producción simple-No hay dependencia

tecnológica. 4. Promueve el desarrollo agroindustrial. Importante

para nuestro país. 5. Es biodegradable. 6. Materia prima renovable. Contribuye al desarrollo

sustentable. 7. Alto punto de inflamación. Seguridad en el manejo. 8. No genera dependencia energética. Planeación

estratégica segura.

Con este trabajo, se ha demostrado que es posible obtener biodiesel a partir de aceite de origen vegetal comestible. Los resultados han sido favorables tanto a temperatura ambiente (25°C) como a temperatura entre los 55 y 60°C.

Referencias

[1] Balance de Energía 2005, Secretaría de Energía, México


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[2] Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI).311701 fabricación de aceites y grasas comestibles.

[3] R. J. Larosa, “Proceso Para la Producción de Biodiesel,” (Mayo, 2006) [En linea]. Disponible: http://www.biodiesel-uruguay.com/articulos/Biod-rev2.pdf

[4] O. Probst, “El biodiesel como alternativa limpia y renovable para el transporte,” Energía, No. 56, Instituto Tecnológico de Monterrey.

[5] Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP)

[6] W. H. Kemp, “Biodiesel: basics an beyond. A comprehensive Guide to Production and Use for the home and Farm,” Aztext Press, 2006.

[7] J. Tickell, K. Roman, “From the fryer to the fuel tank. The complete guide to using vegetable oil as an alternative fuel,” third edition.

[8] La copra, su importancia y comercialización en México. Claridades Agropecuarias. 95, pp. 3-24. (Mayo, 2006). [En línea]. Disponible: http://www.infoaserca.gob.mx/claridades/revistas/095/ca095.pdf#page=1

[9] J. Gerpen, B. Shanks, R. Pruszko, D. Clements and G. Knothe, “Biodiesel Production Technology,” National Renewable Energy Laboratory (Agosto 2002 – Enero 2004).

[10] http://iqtaniagarciaherrera.iespana.es/iqtaniaga rciaherrera/aceites/aceite.htm?4& weborama=-1#Contenido#Contenido

[11] L.C. Meher, D. Vidya Sagar and S.N. Naik, “Technical Aspects of Biodiesel Production by Transesterification—A review,” Centre for Rural Development and Technology, Indian Institute of Technology Delhi, New Delhi, India. September 2004.

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