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“SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE

TRUJILLO”

Br. Melosevich Chico Ivan W. – Br. Santiago Llaxacóndor Alex W. Página i

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD

DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA

QUÍMICA

SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA

PRODUCCIÓN DE BIODESEL EN EL LABORATORIO DE

OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL

DE TRUJILLO

TESIS

PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO

QUÍMICO

AUTORES:

BR. IVAN W. MELOSEVICH CHICO

BR. ALEX W. SANTIAGO LLAXACONDOR

ASESOR:

Dr. LUIS MONCADA ALBITRES

TRUJILLO - PERÚ

2013

Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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PRESENTACIÓN

Señores Catedráticos, Miembros del Jurado:

Dr. José Luis Silva Villanueva

Ms. Walter Moreno Eustaquio

Dr. Luis Moncada Albitres

En mérito a lo dispuesto en el Reglamento de la Universidad Nacional de

Trujillo, cumplo con someter a vuestra consideración y elevado criterio el

presente trabajo titulado: “SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA

PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO”

Que sustentamos como tesis para la obtención del título de Ingeniero

Químico, si vuestro dictamen es favorable.

Trujillo, Septiembre del 2013



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JURADO DICTAMINADOR

Dr. JOSÉ LUIS SILVA VILLANUEVA

Ms. WALTER MORENO EUSTAQUIO

Dr. LUIS MONCADA ALBITRES



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AGRADECIMIENTO

Para el desarrollo de esta tesis, si bien ha requerido de esfuerzo y

mucha dedicación por parte de los autores y su asesor de tesis, no hubiese

sido posible su finalización sin la cooperación desinteresada de cada una de

las personas que a continuación se citará y muchas de las cuales han sido

un soporte muy fuerte en momentos de angustia y desesperación.

Primero y antes que nada agradecemos al Señor Jesucristo y nuestro

a Señor Dios, por enseñarnos el camino correcto de la vida, guiándonos y

fortaleciéndonos cada día con su Santo Espíritu.

A nuestros Padres, por apoyarnos en todas las decisiones que hemos

tomado en la vida.

A la vida por otorgarme lo necesario en el momento justo

Un especial agradecimiento a nuestros maestros, en especial a

nuestro asesor Dr. Luis Moncada Albitres, por sus consejos y por compartir

desinteresadamente sus amplios conocimientos y experiencia.

A todas aquellas personas que compartieron y comparten conmigo

alegrías y tristezas, triunfos y fracasos; que son parte de mi corazón.

Gracias.



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DEDICATORIA

Dedico esta tesis y toda mi carrera universitaria a mi Madre Teresa

Chico por ser quien ha estado a mi lado en todo momento dándome las

fuerzas necesarias para continuar luchando día tras día y seguir adelante

rompiendo todas las barreras que se me presenten. Le agradezco a mi

hermano Walter Melosevich, mi tía Nora Chico y mi abuela Nora Estrada, ya

que gracias a ellos soy quien soy hoy en día, fueron los que me dieron ese

cariño y calor humano necesario, son los que han velado por mi salud, mis

estudios, mi educación, alimentación entre otros, son a ellos a quien les

debo todo, horas de consejos, de regaños, de reprimendas, de tristezas y de

alegrías de las cuales estoy muy seguro que las han hecho con todo el amor

del mundo para formarme como un ser integral y de las cuales me siento

extremadamente orgulloso.

También les dedico a mis amigos más cercanos, a esos amigos que

siempre me han acompañado y con los cuales he contado desde que los

conocí, Manuel Cortez un amigo por siempre, un amigo que quiero como a

un hermano que ha vivido conmigo todas esas aventuras durante nuestra

estadía en la Universidad Nacional de Trujillo.

También agradezco a todos los profesores que me han apoyado una

y otra vez en mi carrera universitaria a quienes no menciono por lo extensa

que sería la lista.

Melosevich Chico Iván Walter



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Dedico este proyecto de tesis a Dios, a mis padres Wilfredo Santiago

Huamán y Lorena Llaxacóndor Rubio, mis hermanos Kelly y Maycol

Santiago Llaxacóndor y a mi abuela Marcela Rubio Rivero.

A Dios porque ha estado conmigo a cada paso que doy, cuidándome y

dándome fortaleza para continuar. A mis padres, quienes a lo largo de mi

vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo

momento. A mi abuela que siempre ha estado conmigo en todo momento

brindándome su apoyo incondicional y su cariño. Depositando su entera

confianza en cada reto que se me presentaba sin dudar ni un solo momento

en mi inteligencia y capacidad. Sin ellos, jamás hubiese podido conseguir lo

que hasta ahora he logrado.

También dedico este proyecto a mis compañeros universitarios,

inseparables durante estos últimos años, por estar estos cinco años de vida

universitaria a mi lado brindándome su apoyo en todo momento. Porque en

esta armonía grupal, hemos pasado momentos alegres y divertidos y otros

no tan alegres; pero siempre hemos estado juntos.

Por último a mis profesores a quienes les debo gran parte de mis

conocimientos, gracias a su paciencia y enseñanza; y finalmente un eterno

agradecimiento a esta prestigiosa universidad la cual abrió sus puertas a

jóvenes como nosotros, preparándonos para un futuro competitivo y

formándonos como personas de bien.

Santiago Llaxacóndor Alex Wilfredo



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RESUMEN En el presente trabajo se muestra el desarrollo de la simulación de

una planta piloto para la producción de biodiesel a partir de aceite de

soya.

Este trabajo es parte de un programa para diseñar una planta piloto en

la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo

aprovechando que el Laboratorio de Operaciones Unitarias posee equipo

que cubre con las características necesarias para producir biodiesel de alta

calidad.

Con este objetivo se estudiaron los componentes químicos, paquetes de

propiedades, reacciones y equipos involucrados en el proceso de

producción de biodiesel. Tanto el biodiesel como el aceite de soya se

representaron por compuestos modelo, esto son oleato de metilo y

trioleína, respectivamente.

El procedimiento para producir biodiesel es la transesterificación de

aceite de soya usando metanol e hidróxido de sodio como catalizador.

La cinética de la reacción se obtuvo de datos de literatura.

La simulación se llevó a cabo en el simulador comercial Aspen HYSYS 7.1.

Las propiedades termodinámicas de los diferentes compuestos se

determinaron con el método de contribución NRTL

El objetivo de la simulación fue determinar las condiciones de operación y

especificaciones de los diferentes equipos que permitieran obtener un

biodiesel que cumpliera las especificaciones de calidad establecidas

actualmente en normas internacionales, principalmente la pureza dada por



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la concentración de esteres metílicos. La simulación se realizó

considerando que la reacción se lleva a cabo en dos reactores de mezcla

completa y la separación de los productos se realiza en 3 columnas de

destilación. La primera columna de platos recupera el metanol usado en

exceso, posteriormente se usa un extractor para separar el biodiesel (metil

éster) del glicerol y en la etapa final se usan torres de rectificación para la

respectiva purificación de biodiesel y glicerol. Otros equipos que se

consideran fueron 3 bombas y un mezclador.

La simulación se dividió en seis etapas: mezclado, reacción,

recuperación de metanol, lavado, purificación de biodiesel y purificación

de glicerol. Para lograr el objetivo se realizó un análisis de sensibilidad de

los parámetros principales en cada una de estas etapas.

En la etapa de purificación de metanol fue posible determinar la relación de

reflujo mínima y el flujo de destilado con los cuales es posible la

recuperación de metanol con una concentración de 98% peso. La

simulación también fue útil para determinar la mínima cantidad de agua

necesaria para lograr una buena separación de la fase rica en biodiesel y la

fase rica en glicerol. En las columnas de destilación se alcanzó una pureza

de biodiesel del 99.52% y de glicerol del 95% peso.

Los resultados de la simulación indican que el Laboratorio de Operaciones

Unitarias de la Universidad Nacional de Trujillo debería adquirir los

equipos restantes para producir biodiesel y glicerol de alta pureza que

cumplen con los estándares ASTM D-975 y EN-14214.



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ABSTRACT

In this paper we show the development of the simulation of a pilot plant for

the production of biodiesel from soybean oil.

This work is part of a program to design a pilot plant at the Faculty of

Chemical Engineering at the National University of Trujillo taking advantage

of the Unit Operations Laboratory covering team has the necessary

characteristics to produce high quality biodiesel.

For this purpose we studied the chemical components, packages

properties, reactions and teams involved in the biodiesel production

process. Both biodiesel and soybean oil accounted for model compounds,

that are methyl oleate and triolein, respectively.

The process for producing biodiesel is the transesterification of soybean oil

using methanol and sodium hydroxide as a catalyst. The reaction kinetics

data were obtained from literature.

The simulation was carried out in the commercial simulator Aspen HYSYS

7.1. The thermodynamic properties of the various compounds were

determined with the method contributing NRTL.

The aim of the simulation was to determine the operating conditions and

specifications of the different teams that could deliver a biodiesel that meets

the quality specifications currently on international standards, mainly the

purity given by the concentration of methyl esters. The simulation is

performed considering that the reaction is carried out in two reactors of

complete mixing and separation of the products takes place in three

distillation columns. The first plate column recovers the methanol used in



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excess, is then used to separate an exhaust biodiesel (methyl ester) of

glycerol and in the final stage rectifying towers are used for the respective

purification of biodiesel and glycerol. Other teams considered were 3 pumps

and one mixer.

The simulation is divided into six stages: mixing reaction methanol recovery,

washing, purification of biodiesel and glycerol purification. To achieve the

goal we performed a sensitivity analysis of key parameters in each of these

stages.

In the methanol purification step was possible to determine the minimum

reflux ratio and the flow of distillate which is possible recovery of methanol

at a concentration of 98% weight. The simulation was also useful to

determine the minimum amount of water needed to achieve a good

separation of the phase rich in biodiesel and glycerol-rich phase. In the

distillation columns reached a purity of 99.52% biodiesel and glycerol 95%

weight.

The simulation results indicate that the Unit Operations Laboratory at the

National University of Trujillo should acquire the remaining teams to

produce biodiesel and glycerol high purity standards that meet ASTM D-975

and EN-14214.



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TABLA DE CONTENIDOS

Página

PRESENTACIÓN .......................................................................................... ii

JURADO DICTAMINADOR .......................................................................... iii

AGRADECIMIENTO ..................................................................................... iv

DEDICATORIA .............................................................................................. v

RESUMEN ................................................................................................... vii

ABSTRACT .................................................................................................. ix

TABLA DE CONTENIDOS ........................................................................... xi

INDICE DE FIGURAS .................................................................................. xv

ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. xvi

CAPITULO I: INTRODUCCION ..................................................................... 1

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ................................................................. 4

2.1 Antecedentes ...................................................................................... 4

2.2 Biodiesel .............................................................................................. 6

2.3 Propiedades del biodiesel .................................................................. 7

2.4 Ventajas del Biodiesel ...................................................................... 11

Disminución en emisiones contaminantes ....................................... 11

Compatibilidad y seguridad ............................................................... 12

Lubricidad ............................................................................................ 13

Biodegradabilidad y toxicidad ........................................................... 13



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2.5 Desventajas del Biodiesel ................................................................ 14

Mayor viscosidad ................................................................................ 14

Desempeño mecánico......................................................................... 14

Emisiones de ............................................................................... 15

Comportamiento a bajas temperaturas ............................................. 15

Dilución del lubricante ........................................................................ 15

Problemas de corrosión ..................................................................... 16

Estabilidad a la oxidación ................................................................... 17

Precio ................................................................................................... 17

2.6 Marco Legal del Programa Peruano de la Producción del Biodiesel 17

2.7 Materias Primas ................................................................................ 18

2.7.1 Aceites vegetales convencionales ............................................ 19

2.7.2 Aceites Vegetales alternativos .................................................. 19

2.7.3 Aceites vegetales modificados genéticamente ....................... 20

2.7.4 Aceites de fritura usados ........................................................... 20

2.7.5 Grasas animales ......................................................................... 21

2.7.6 Aceites de otras fuentes ............................................................ 21

CAPÍTULO III. SIMULACIÓN DE PROCESOS ........................................... 22

3.1 Análisis de procesos industriales ................................................... 23

3.2 Valor del análisis y simulación de procesos industriales. ............ 24



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3.2.1 Ventajas del análisis y simulación de procesos industriales .. 26

3.2.2 Ejemplos de aplicaciones practicados industrialmente .......... 27

3.3 Principios generales del análisis de procesos industriales ......... 28

3.4 Simuladores Comerciales ................................................................ 30

3.4.1 Métodos termodinámicos .......................................................... 31

3.5 Simulador Aspen HYSYS ................................................................. 32

3.5.1. Relación con la Simulación de Procesos ................................ 32

3.5.2. Operaciones Unitarias .............................................................. 33

CAPÍTULO IV. SIMULACIÓN DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A

PARTIR DE ACEITE VEGETAL DE SOYA................................................. 34

4.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel ................... 34

4.1.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel ............ 36

4.1.2 Química del proceso .................................................................. 37

4.1.3 Cinética del Proceso .................................................................. 39

4.1.4 Estimación de propiedades termodinámicas .......................... 40

4.1.5 Lista de equipos ......................................................................... 41

4.2 Datos para la simulación del proceso ............................................. 42

Alimentación. ....................................................................................... 42

Sección de reacción. ........................................................................... 44

Recuperación de metanol. .................................................................. 45



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Sección de lavado. .............................................................................. 46

Purificación de biodiesel. ................................................................... 47

Purificación de glicerol. ...................................................................... 48

4.3 Resultados de la simulación ............................................................ 49

4.3.1 Corrientes .................................................................................... 50

4.3.2 Equipos ....................................................................................... 51

4.4 Análisis de resultados ...................................................................... 59

4.4.1 Alimentación y reacción ............................................................ 59

4.4.2 Sección de recuperación de metanol ....................................... 64

4.4.3 Sección de purificación de biodiesel ........................................ 65

CAPITULO V. CONCLUSIONES ................................................................ 67

CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES ....................................................... 69

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 70

INDICE DE ANEXOS ................................................................................... 78



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INDICE DE FIGURAS

Página FIGURA Nº 1 Ciclo del carbono…….........................……………....................2

FIGURA Nº 2 Diagrama de flujo de proceso de producción de biodiesel.....35

FIGURA Nº 3 Bombas centrifugas…….........................................................42

FIGURA Nº 4 Sección de mezclado………….............…...............................43

FIGURA Nº 5 Sección de reacción……………………….........…...................44

FIGURA Nº 6 Sección de recuperación de metanol……..............................45

FIGURA Nº 7 Sección de lavado………………………..................................46

FIGURA Nº 8 Sección de purificación de biodiesel………......……......….....47

FIGURA Nº 9 Sección de purificación de glicerol………………....................49

FIGURA Nº 10 Comportamiento de la conversión con respecto al espacio-

tiempo…………………….......…………………..........….................................62

FIGURA Nº 11 Comportamiento de la fracción molar de metanol con

respecto a la variación de flujos de destilado…………....................…..........64



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ÍNDICE DE TABLAS

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Tabla 1.Comparación de las propiedades del biodiesel y diesel……...........8

Tabla 2.Fórmula estructural para ácidos grasos presentes en el biodiesel.10

Tabla 3.Estándares de calidad del biodiesel según normas técnicas

internacionales y Nacionales…………….......................................................11

Tabla 4.Variación de las emisiones del biodiesel (B100) y su mezcla con

diesel (B20) con respecto al diesel de petróleo…………………………........12

Tabla 5.Principales materias primas para la producción de biodiesel.........19

Tabla 6. Aplicación de ecuaciones de estado y modelos de coeficientes de

actividad…………………………………………………………………..............31

Tabla 7.Energías de activación y constantes de velocidad de reacción de

aceite de soya a 60 °C…………………………………………………….……..40

Tabla 8.Equipos que posee el Laboratorio de Operaciones Unitarias.........41

Tabla 9.Datos de alimentación…………………………………………............43

Tabla 10.Datos especificados para los reactores……………………............44

Tabla 11.Datos especificados para T-100…………………………….............46

Tabla 12.Especificaciones del extractor……………………………................47

Tabla 13.Datos especificados para T-2………………………………..........…48

Tabla 14.Datos especificados para T-3………………………………..........…49

Tabla 15.Corrientes de alimentación……………………………………..….…50



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Tabla 16.Resultados de B-1……………………….………………………........51

Tabla 17.Resultados de B-2……………………….……………………............51

Tabla 18.Resultados de B-3……………………….……………………............51

Tabla 19.Resultados de R-1………………………..……………………….......51

Tabla 20.Resultados de R-2……………………….……………………...........52

Tabla 21.Resultados de T-1………………………………….…………............52

Tabla 22.Resultados de X-100, CORRIENTE 12……………….…….….......53

Tabla 23.Resultados de X-100, CORRIENTE 13……………….……...........54

Tabla 24.Resultados de T-2……………………………………….…….....…...55

Tabla 25.Resultados de T-3……………………………………….………........57

Tabla 26.La cinética de la reacción, Rxn-01…………………….……............60

Tabla 27.La cinética de la reacción, Rxn-02…………………….………….....61

Tabla 28.La cinética de la reacción, Rxn-03…………………….………........62



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CAPITULO I: INTRODUCCION

El problema del cambio climático, en especial el resultado del calentamiento

global provocado por la acumulación de los gases de efecto invernadero, es

un tema que en los últimos años ha tomado una gran relevancia, pues las

variaciones se han acelerado crecientemente de manera anómala, a tal

grado que pone en riesgo a la humanidad.

Se señala como el principal responsable del calentamiento global al dióxido

de carbono. Pues la quema excesiva de los combustibles fósiles en las

plantas generadoras de electricidad y por el transporte automotor ha

incrementado el lanzamiento de emisiones de CO2 a la atmósfera, así

también el rápido avance industrial de los centros urbanos. Por ello se ha

generado una creciente preocupación para el hombre el intentar disminuir la

continua degradación del medio ambiente.

Lo cual se logra con el desarrollo de combustibles alternos a partir de

biotecnologías, por medio de la producción de biocombustibles de contenido

energético comparable con el de los combustibles fósiles. Un

biocombustible alternativo al diesel de petróleo es el biodiesel.

Una de las principales ventajas de la utilización del biodiesel es la reducción

de las emisiones de CO2, gracias al balance neutro de carbono en la

combustión de biodiesel. Esto se muestra en la siguiente figura:



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Figura 01. Ciclo del carbono. Fuente:< http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_carbono>

El biodiesel se obtiene a partir de aceite vegetal producido de semillas

vegetales, provenientes de plantas que a su vez realizan mediante el

proceso de la fotosíntesis la purificación del aire, absorbiendo CO2 del

ambiente.

Es por ello que buscar una alternativa de combustible es una prioridad.

El objetivo de este trabajo es la simulación de la producción de biodiesel a

partir de la transesterificación de aceite vegetal de soya, usando Aspen

HYSYS para analizar y determinar las mejores condiciones de operación de

los equipos ya existentes en el laboratorio de operaciones unitarias de la

UNT. Este nos permite estudiar las características de los productos con

respecto a las variaciones en algunas variables, mismas que pueden ser

manipuladas en los equipos disponibles.

Ya que la producción de biodiesel no se limita a motores de combustión

interna de autobuses, sino también a calderas y otros equipos. Es por ello



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http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_carbono


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que también se debe apreciar como una alternativa para preservar los

recursos petrolíferos del país.

Y no es que el petróleo se vaya a acabar a corto plazo, pero extraer lo que

queda se va haciendo cada vez más difícil y caro. El suministro futuro

depende de nuevos yacimientos, siempre de pequeño tamaño, y de la

mejora en las tecnologías de extracción de los grandes pozos ya existentes,

en su mayoría descubiertos en la década de los 70´s.



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CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes La producción de biodiesel se ajusta dentro de los lineamientos de

reducción de gases de tipo efecto invernadero (GEI), establecidos en el

Protocolo de Kyoto y aplica como Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL)

así como en la reducción de dioxinas y sus derivados y furanos

(DLCs/Fs) y orgánicos persistentes volátiles (OPV), los cuales son

originados por la combustión del diesel derivado del petróleo.

Los aceites vegetales se usan como combustibles desde hace más de 100

años, cuando Rudolph Diesel desarrolló la primera máquina diesel que fue

corrida con aceite vegetal en 1911. En 1912 Rudolph Diesel probó aceite de

cacahuate/maní en su motor de encendido por compresión y dijo: “El uso de

aceites vegetales para combustibles de motor puede verse insignificante

hoy, pero los aceites, pueden en el transcurso del tiempo ser tan

importantes como el petróleo y el alquitrán de hulla, productos del tiempo

presente”.

El biodiesel es un combustible alternativo para el diesel del petróleo, es

producido principalmente por una reacción llamada transesterificación;

llevada a cabo entre un aceite y un alcohol en presencia de un catalizador,

para obtener los mono-alquil ésteres y glicerol, que luego se separan y se

purifican.

La transesterificación fue conocida a principios de 1846 cuando Rochieder

describió la preparación de glicol por etanólisis de aceite de ricino. Bagby y



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Schwab descompusieron térmicamente aceite de soya y de girasol,

usando aire y nitrógeno. Ali y Hanna, estudiaron el efecto de mezclar

etanol para reducir la viscosidad de los metil ésteres (biodiesel) de cebo de

res.

Muchas unidades de plantas de refinación de aceites comestibles han sido

transformadas para la producción de biodiesel. Sin embargo, los costos

de producción son todavía bastante altos debido a las dificultades en el

suministro y el gran contenido de ácidos grasos libres (AGL o FFA por sus

siglas en ingles Free Fatty Acids). Además, los subproductos que se

producen durante la producción del biodiesel necesitan tratamiento

adicional.

Por ello resulta importante realizar estudios técnico-económicos para tratar

de optimizar los costos de producción. Es aquí donde la simulación juega un

papel muy importante.

Diversos procesos continuos de producción de biodiesel han sido evaluados

económicamente en varias investigaciones. Zhang et al. Presentan la

evaluación de cuatro procesos continuos a partir de aceite de canola, tanto

virgen como de desecho, empleando el simulador Aspen HYSYS 7.1™.

Haas realizó la evaluación económica de una planta que emplea aceite

vegetal crudo como materia prima. La planta fue diseñada empleando el

simulador HYSYS™ describiendo en detalle el proceso. En dicha

investigación se obtuvo un costo de producción de biodiesel de US $2.0/gal.

También se encontró que el costo de las materias primas constituye el

factor de mayor porcentaje en el costo global de producción, con un 88% del



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mismo. El trabajo incluye, además, un análisis de sensibilidad que muestra

el impacto de los precios del aceite y glicerina, sobre el costo de producción

del biodiesel.

Este trabajo abarca la simulación de una planta piloto para la producción de

biodiesel a partir de aceite vegetal de soya, empleando el simulador de

procesos Aspen HYSYS 7.1™, considerando la utilidad que representa el

equipo con el que dispone el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la

Universidad Nacional de Trujillo. El cual cubre con las características

necesarias para este proceso específicamente. Los resultados de la

simulación permiten conocer los efectos de las modificaciones de las

variables, así como las condiciones de operación que permitan la obtención

de un producto que cumpla con las especificaciones internacionales

establecidas.

2.2 Biodiesel

El biodiesel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos

naturales como aceites vegetales o grasas animales; limpios o usados,

mediante procesos industriales de transesterificación.

Es un combustible compuesto de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos

de cadena larga derivados de lípidos renovables, como aceites vegetales;

empleado en motores de ignición y compresión, y además en calderas

de calefacción. El porcentaje de ésteres presentes en el biodiesel está

establecido en estándares internacionales (ASTM) y de Europa (EN) (Tabla

3).



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http://es.wikipedia.org/wiki/Biocombustible

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADpido

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADpido

http://es.wikipedia.org/wiki/Aceite

http://es.wikipedia.org/wiki/Grasa

http://es.wikipedia.org/wiki/Transesterificaci%C3%B3n


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Este biocombustible es identificado como FAME (por sus siglas en inglés

Fatty Acid Methyl Ester) o también es llamado éster metílico.

El término bio- hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en

contraste con el combustible diesel tradicional derivado del petróleo; por su

parte, diesel alude a su uso en motores de este tipo. El biodiesel sustituye

como combustible limpio y renovable a los derivados del petróleo,

concretamente al diesel y lo hace con ventaja ecológica ya que reduce las

emisiones de gases que provocan el efecto invernadero. Así, por ejemplo, el

uso de una tonelada de biodiesel, evita la producción de 2.5 toneladas de

dióxido de carbono (CO2) y sobre todo elimina, si se usa el biodiesel sólo en

los motores, las emisiones de azufre (SO2) del diesel, evitando las lluvias

ácidas.

Son numerosos los países que implementan el uso de biodiesel como

fuente energética; principalmente el producido a partir de aceites vegetales.

Tradicionalmente el aceite de colza y de girasol es usado como materia

prima en países Europeos. Mientras que en EE.UU. los productores

prefieren el biodiesel de aceite de soya. En Brasil, no sólo los aceites de

palma, coco y soya; también de girasol y aceites de ricino se utilizan en la

producción de biodiesel.

2.3 Propiedades del biodiesel

Las características del biodiesel son las siguientes:

Combustible limpio.

Es biodegradable. No tóxico.



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Alto índice de lubricidad.

Libre de azufre y aromáticos.

El biodiesel es un combustible oxigenado, por eso tiene una combustión

completa en comparación al diesel derivado del petróleo y produce menos

gases contaminantes. Tiene un punto de inflamación relativamente alto (150

°C) que le hace menos volátil que el diesel del petróleo y es más seguro de

transportar (Tabla 1).

Las propiedades del biodiesel varían según la materia prima a partir de la

cual se le obtuvo (aceites vegetales nuevos o usados de distinto origen o

grasas animales). Es por ello, que las normas indican un rango admisible en

el valor de las propiedades. El costo del biodiesel varía dependiendo de la

reserva, el área geográfica, la variabilidad en la producción de cosecha de

estación a estación, el precio del petróleo crudo y otros factores. El alto

precio del biodiesel es en gran parte debido al alto precio de la materia

prima y también de la calidad que se requiera de éste. Las propiedades del

biodiesel varían según la materia prima a partir de la cual se le obtuvo

(aceites vegetales nuevos o usados de distinto origen o grasas animales).

Es por ello, que las normas indican un rango admisible en el valor de las

propiedades.

Tabla 1. Comparación de las propiedades del biodiesel y diesel.

Propiedades Biodiesel Diesel

Metil éster 95.5->98% -

Carbono (%peso) 77 86.5



Bibliot

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http://www.monografias.com/trabajos14/impacto-ambiental/impacto-ambiental.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/impacto-ambiental/impacto-ambiental.shtml

http://www.monografias.com/trabajos36/inflamacion/inflamacion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/segu/segu.shtml


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Azufre (%peso) 0.0024 0.05 máx.

Agua (ppm) 0.05 % máx. 161

Oxigeno (%peso) 11 0

Hidrógeno (%peso) 12 13

Número de cetano 48-55 48-55

PCI (KJ/Kg) 37700 41860

Viscosidad cinemática (40oC) 1.9-6.0 1.3-4.1

Punto de inflamación (°C ) 100-170 60-80

Punto de ebullición (°C ) 182-338 188-343

Gravedad específica (Kg/L) (60oC) 0.88 0.85

Relación aire/combustible 13.8 15

Fuente: KNOTHE, G., KRAHL, J., VAN GERPEN, J. 2005. “The biodiesel handbook”. USA.

El combustible típico contiene cerca de 14 diferentes tipos de ácidos grasos

como se muestra en la Tabla 2, estos son transformados a ésteres de metilo

(FAME). Las fracciones diferentes de cada tipo de FAME se presentan en

varios tipos de materias primas.



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Tabla 2. Fórmula estructural para los ácidos grasos presentes en el biodiesel.

Fuente: KNOTHE, G., KRAHL, J., VAN GERPEN, J. 2005. “The biodiesel handbook”. USA. El biodiesel tiene un peso específico de 0.88 comparado con 0.85 del

combustible diesel. Por esta razón es ligeramente más pesado que el

combustible diesel, por ello rociar la mezcla de biodiesel en la parte de

arriba del combustible diesel es la forma ordinaria en que se realiza

el procedimiento de mezclado.

El biodiesel no contiene nitrógeno o aromáticos y normalmente posee

menos de 15 ppm de azufre.

Contiene 11% en peso de oxígeno, que justifica por qué es ligeramente

menor su calor de combustión en comparación con el diesel petróleo y es

característicamente bajo en monóxido de carbono, partículas, hollín y

emisiones de hidrocarburos.



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Tabla 3. Estándares de calidad del biodiesel según normas técnicas internacionales y

Nacionales.

N° PROPIEDAD

PRINCIPALES NORMAS

PNTP 321.125:2007

ASTM D 6751-7

EN 14214:2002

UNIDADES

1 Contenido de calcio y magnesio, combinado 5 máx. 5 máx. ppm (μg/g)

2 Punto de inflamación 93 mín. 130.0 mín. 120.0 mín. °C

3 Control de Alcohol

4 Agua y sedimento 0.050 máx. 0.050 máx. %volumen

5 Viscosidad cinemática a 40 °C 1.9 - 6.0 1.9 – 6.0 5.0 máx. mm2/s

6 Ceniza sulfatada 0.020 máx. 0.020 máx. 0.020 máx. %masa

7 azufre 0.0015 máx. 0.05 máx. 0.001 máx. %masa

8 Corrosión a la lámina de cobre No. 1 No. 3 máx. No. 1

9 Número de cetano 47 mín. 47 mín. 51 mín.

10 Punto de nube Reportar Reportar °C

11 Residuo de carbón 0.050 máx. 0.050 máx. 0.30 máx. %masa

12 Número de acidez 0.50 máx. 0.50 máx. 0.50 máx. MgKOH

13 Glicerina libre 0.020 máx. 0.020 máx. 0.020 máx. %masa

14 Glicerina total 0.240 máx. 0.240 máx. 0.250 máx. %masa

15 Contenido de fósforo 0.001 máx. 0.001 máx. 0.0001 máx. %masa

16 Temperatura de destilación, 90% recuperado 360 máx. 360 máx. °C

17 Contenido de sodio y potasio, combinado 5 máx. 5 máx. 6 máx. ppm (μg/g)

18 Estabilidad de la oxidación 3 mín. 3 mín. horas

19 Contenido de éster 96.5 mín. %(m/m)

Fuente: Biocombustibles. Biodiesel. Especificaciones. Norma Técnica Peruana.

2.4 Ventajas del Biodiesel

Disminución en emisiones contaminantes

Un estudio hecho por la EPA (Environmental Protection Agency) en el

año 2002, muestra que la utilización de este biocombustible presenta

ventajas medioambientales, ya que usándolo puro se logra una

reducción del 90% de hidrocarburos ( ) y una reducción del 75-90%

en hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs). De igual manera

reduce las emisiones de dióxido de carbono (78% menos) y dióxido



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de azufre ( ), material particulado ( ), metales pesados,

monóxido de carbono ( ), y compuestos orgánicos volátiles.

Por otro lado, el biodiesel puede aumentar o disminuir los óxidos de

nitrógeno ( ) dependiendo del método de medición y del tipo de

motor.

Según algunos investigadores, lo que favorece este aumento son los

aceites que tienen una gran composición de ácidos insaturados.

La siguiente tabla hace una comparación de las emisiones entre el

diesel y el biodiesel según el informe de la EPA 2002.

Tabla 4. Variación de las emisiones del biodiesel (B100) y su mezcla con

diesel (B20) con respecto al diesel de petróleo. Tipo de Emisión B100 (%) B20 (%)

1. Reguladas 1.1. Hidrocarburos ( ) 1.2. Monóxido de carbono( ) 1.3. Material Particulado( ) 1.4.

-93 -50 -30 +13

-30 -20 -22 +2

2. No Reguladas 2.1. Sulfatos 2.2. Hidroc. Arom. Policicl. (HAP) 2.3. Potencial de ozono de HC especiados

-100 -80 -50

-20 -13 -10

Fuente: EPA. (2002).

Compatibilidad y seguridad

El biodiesel, además de provenir de una fuente renovable, puede ser

almacenado en los mismos lugares donde se almacena el diesel de

petróleo sin necesitar cambios de infraestructura. Es un combustible

más seguro y fácil de manipular debido a su alto punto de ignición



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(aproximadamente 150°C) comparado con el del diesel que es

aproximadamente 60°C.

Lubricidad

El contenido de oxígeno del biodiesel mejora el proceso de

combustión y disminuye su potencial de oxidación. La eficiencia de

combustión es más alta que el diesel debido al aumento de

homogeneidad de la mezcla oxígeno con el combustible durante la

combustión. El biodiesel contiene 11% de oxígeno en peso y no

contiene azufre. Por esta razón el uso de biodiesel puede extender la

vida útil de los motores porque posee mejores cualidades lubricantes

que el combustible de diesel de petróleo, mientras el consumo,

encendido, rendimiento, y el par del motor (torque) varían muy poco

respecto a sus valores normales.

Biodegradabilidad y toxicidad

El biodiesel es no tóxico y se degrada 4 veces más rápido que el

diesel de petróleo. Su contenido de oxígeno mejora el proceso de

degradación. Los estudios de biodegradabilidad de varios tipos de

biodiesel en ambientes acuáticos reportaron una fácil degradabilidad

para todos ellos. Después de 28 días todos los biodiesel fueron

biodegradados en un 77-89%, mientras que el combustible diesel sólo

lo hizo en un 18%.

La mezcla de biodiesel con diesel o con gasolina incrementa la

biodegradabilidad del combustible, debido a efectos sinérgicos de co-



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metabolismo. Así, el tiempo necesario para alcanzar un 50% de

biodegradación se reduce de 28 a 22 días en el caso del (mezcla

de 5% de biodiesel y 95% de diesel) y de 28 a 16 días en el caso del

.

2.5 Desventajas del Biodiesel Los problemas técnicos del biodiesel se relacionan con su alta viscosidad,

menor poder calorífico, comportamiento deficiente a bajas temperaturas,

ligero aumento en las emisiones de , coquización del inyector, desgaste

en el motor y mayor dilución en el lubricante del motor. Además su mayor

problema es el alto costo y la disponibilidad de la materia prima.

Algunos sectores han hecho cuestionamientos sociales y responsabilizan a

este biocombustible el aumento en el precio de los alimentos y la

deforestación de zonas selváticas.

Mayor viscosidad

Debido a que el biodiesel tiene una viscosidad mayor que el diesel

pueden existir problemas de pérdidas de flujo a través de los filtros e

inyectores. Si el spray es alterado por el flujo de combustible se puede

generar una coquización del inyector o dilución del lubricante.

Desempeño mecánico

La potencia del motor disminuye porque el poder calorífico inferior

(P.C.I.) del biodiesel es menor. El calor de combustión se reduce en

aproximadamente 12% debido a la presencia de oxígeno dentro de la

molécula, esto disminuye la potencia en cerca de 10%, principalmente



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por la reducción en el calor de combustión. De igual manera esta

disminución repercute en un mayor consumo de combustible para

lograr el mismo desempeño utilizando combustible diesel.

Emisiones de

El biodiesel puede aumentar o disminuir los óxidos de nitrógeno ( )

dependiendo de la materia prima del biodiesel. Se encontró que a

mayor grado de insaturación de las materias primas para biodiesel

(por ejemplo, colza y soja) se producían mayores emisiones de .

Comportamiento a bajas temperaturas

El biodiesel presenta problemas para funcionar a bajas temperaturas.

Generalmente, los Puntos de Congelación ( ) y Puntos de Nube

( ), son desde ligeramente superiores a muy superiores

dependiendo del origen del éster (soja, girasol o palma). Los

glicéridos saturados producen cristalizaciones a temperaturas

relativamente bajas y aumentan el punto de nube. Por ejemplo, el

biodiesel producido a partir de aceite de palma tiene un punto de nube

+13°C.

Este valor impide su utilización en temporadas invernales pero sí

funciona normalmente en verano o en países tropicales.

Dilución del lubricante



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El aceite de motor (lubricante) puede degradarse mucho más rápido si

el combustible utilizado es biodiesel en vez de diesel. El biodiesel

tiende a disolverse más fácilmente en el lubricante que el diesel. La

dilución que se produce por el biodiesel en el aceite hace que la

viscosidad disminuya en las primeras etapas (dilución del

combustible). En etapas posteriores aumenta con el tiempo (oxidación

del lubricante) debido a la formación de depósitos y lacas, causadas

por la tendencia del biodiesel a la oxidación y polimerización del

lubricante, debido a la presencia de dobles enlaces en su estructura.

Por estas razones, se recomienda utilizar un lubricante que tenga una

capacidad dispersante superior a la utilizada con el diesel, de lo

contrario se recomiendan cambiar el aceite lubricante en períodos

más cortos que utilizando un diesel normal.

Problemas de corrosión

Pueden aparecer algunos problemas debido a corrosión y partículas

de desgaste en el tanque, que hay que tener en cuenta no sólo en lo

que afecta al motor, sino también respecto a la instalación

especialmente cuando se utiliza biodiesel puro ( ). Algunos

materiales se deterioran con el biodiesel: pinturas, plásticos, gomas,

etc. Es por eso que las juntas de nitrilo en contacto con el biodiesel se

disuelven, por lo que se deben sustituir por las de vitón, teflón u otros

que son más resistentes. De igual manera si se utiliza se

recomienda que las pinturas del depósito de combustible y demás



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partes en contacto con el combustible se sustituyan por otras

acrílicas.

Estabilidad a la oxidación

Si el biodiesel proviene de un aceite con alta concentración de ácido

linolénico ( ) o en general ácidos insaturados (soja, colza o

girasol) presentará problemas de estabilidad a la oxidación debido a

que posee dobles enlaces y oxígeno en su molécula. Esto es

importante a la hora de almacenar durante mucho tiempo el biodiesel.

La utilización de recipientes que contengan cobre, zinc, plomo o

alguna combinación de estos tres afecta de manera muy negativa a la

estabilidad ya que forma gran cantidad de sedimentos, depósitos en

los inyectores y colmatación en los filtros. Por tal motivo se

recomienda usar materiales de zinc o acero preferiblemente.

Precio

El biodiesel es una alternativa tecnológica factible al diesel, pero

actualmente el costo es 1.5-3 veces más costoso que el diesel en

países desarrollados. La competitividad del biodiesel depende de las

políticas que hagan los gobiernos, tales como subsidios y exención de

impuestos, porque sin estas ayudas no es factible económicamente.

2.6 Marco Legal del Programa Peruano de la Producción del Biodiesel En el año 2003, se creó la ley Nº 28054 de promoción del mercado de

biocombustibles, con la intención de diversificar el mercado de



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combustibles, fomentar el desarrollo agropecuario, generar empleo,

disminuir contaminación ambiental y ofrecer un mercado alternativo.

En el año 2004, se conformó la Comisión Técnica de Biocombustibles,

liderada por el CONAM, para proponer y recomendar las normas y

disposiciones para el cumplimiento de la Ley Nº 28054.

En el 2005, se creó un nuevo reglamento de Ley D.S. Nº013 – 2005 – EM.,

para la producción de biodiesel sólo a partir de aceites vegetales con su

respectivo porcentaje de mezcla voluntario u obligatorio al 5% como

mínimo o máximo, sus distribuidores mayoristas de combustibles líquidos,

plantas de abastecimiento, cronograma de aplicación y la utilización para el

año 2008 en la selva y para el año 2010 en todo el país.

En el año 2006, se creó un Subcomité Técnico para las especificaciones

peruanas del biodiesel ( ).

En el año 2007, se desarrolló dentro del marco legal los Lineamientos

PROBIOCOM; NTP Biodiesel; y el reglamento para la comercialización del

Biodiesel (D.S.Nº021-2007-EM) a partir de grasas de animales y aceites

usados.

2.7 Materias Primas Las materia primas más comunes utilizadas para la fabricación de biodiesel

son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio

del aceite en girasol es de 44% por lo que sería la mejor opción en cuanto

a agricultura energética). También se han realizado pruebas con aceite de

colza y con Brassicacarinata.



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Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la

producción de biodiesel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo

de vaca, etc.). Por otra parte, la utilización de aceites usados no es todavía

significativa. A continuación, en la siguiente tabla se detallan las principales

materias primas para la elaboración de biodiesel.

Tabla 5. Principales materias primas para la producción de biodiesel.

Aceites Convencionales

Aceites Vegetales Alternativos

Otras Fuentes

Girasol Brassicacarinata Aceite de semillas modificadas genéticamente

Colza Cynara Grasas animales(sebo de vaca y búfalo)

Coco Curdunculus Aceites de microalgas

Soja Camelina sativa Aceite de producciones microbianas

Palma Crambeabyssinica Aceites de fritura

Pogianus Fuente: Milliarium: Ingeniería y Medio Ambiente.

2.7.1 Aceites vegetales convencionales

Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de

biodiesel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la

colza (Europa), la soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites

de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones

climatológicas, la colza (Brassicanapus) se produce principalmente en el

norte de Europa y el girasol (Helianthusannuus) en los países

mediterráneos del sur, como España o Italia.

2.7.2 Aceites Vegetales alternativos



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Además de los aceites vegetales convencionales, existen otras especies

más adaptadas a las condiciones del país donde se desarrollan y mejor

posicionadas en el ámbito de los cultivos energéticos. En tal sentido, una

de las materias primas que más resalta para la producción de biodiesel, es

la CyranaCardunculus.

La Cynaracardunculus es un cultivo plurianual y permanente, de unos diez

años de ocupación del terreno, y orientado fundamentalmente a la

producción de biomasa, aunque también pueden aprovecharse sus

semillas para la obtención de aceite, el cual sirve de materia prima para la

fabricación de biodiesel.

2.7.3 Aceites vegetales modificados genéticamente

Los aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en

ácidos grasos. Los aceites con proporciones altas de ácidos grasos

insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la

operatividad del biodiesel a bajas temperaturas, pero disminuyen su

estabilidad a la oxidación, que se traduce en un índice de yodo elevado.

Por este motivo, se pueden tener en consideración, como materias primas

para producir biodiesel, los aceites con elevado contenido en

insaturaciones, que han sido modificados genéticamente para reducir esta

proporción, como el aceite de girasol de alto oleico.

2.7.4 Aceites de fritura usados

El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores

perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más

barata, y con su utilización se evitan los costos de tratamiento como



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residuo. España es un gran consumidor de aceites vegetales, centrándose

el consumo en aceite de oliva y girasol. Por su parte, los aceites usados

presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes

alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como

biocombustible. Un ejemplo, es la producción de los aceites usados en

España que se sitúa en torno a las 750.000 toneladas/año, según cifras del

2004. Además, como valor añadido, la utilización de aceites usados

significa la buena gestión y uso del residuo.

La alternativa de reciclar el aceite de fritura usado para convertirlo en

biodiesel es la que más ventajas tiene porque además de producir

combustible elimina un residuo contaminante como es el aceite usado.

La utilización de aceites usados presenta dificultades logísticas, no sólo por

su recogida, sino también por su control y trazabilidad debido a su carácter

de residuo; pero se puede solucionar con un buen calentamiento y

posteriormente un filtrado que deje al aceite en mejores condiciones.

2.7.5 Grasas animales

Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas

animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como

materia prima de la transesterificación para obtener biodiesel. El sebo tiene

diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación,

empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de

animales.

2.7.6 Aceites de otras fuentes



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Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de

composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos

microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, así como a partir de

microalgas.

CAPÍTULO III. SIMULACIÓN DE PROCESOS

La simulación de procesos industriales es el estudio de un proceso o

sus partes mediante manipulación de su representación matemática o de

su modelo físico. La simulación parte del análisis de procesos industriales.

Las utilidades concretas que proporciona la simulación de procesos

son:

Mejora la competitividad detectando ineficiencias motivadas por la

descoordinación entre secciones de una misma planta.

Estima y realiza análisis de regresión de propiedades físicas.

Predice el comportamiento de un proceso utilizando principios de la

ingeniería. Realiza cálculos de balances de materia y energía y

equilibrio químico y entre fases.

Analiza el comportamiento de un sistema y realiza estudios de

optimización y sensibilidad.

Permite cambiar las condiciones de operación y analizar los

comportamientos.

Estima costos.

Permite generar como salida gráficas o bien tablas de resultados.



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3.1 Análisis de procesos industriales El análisis de procesos industriales se refiere a la aplicación de

métodos científicos al reconocimiento y definición de problemas, así

como al desarrollo de procedimientos para su solución. En una forma

más concreta, esto quiere decir especificación matemática del problema

para la situación física dada, análisis detallado para obtener modelos

matemáticos, y síntesis y presentación de resultados para asegurar la

total comprensión del problema. El proceso representa una serie real de

operaciones o tratamiento de materiales, tal como es contrastado por el

modelo, que representa una descripción matemática del proceso real.

El análisis de procesos industriales comprende un examen global del

proceso, de otros procesos posibles, así como de sus aspectos

económicos. Se hace resaltar el aspecto económico porque al efectuar una

selección de distintos esquemas posibles, los costos constituyen un

elemento tan importante que nunca se pueden ignorar. Si se ha de realizar

una amplia selección, es preciso conocer los costos de cada proyecto y

compararlo con los demás. De esta forma, se pueden estimar los beneficios

de cada una de las alternativas con fines comparativos. La estimación de

costos para distintos sistemas resulta vital, no solamente porque el ensayo

de un nuevo sistema resulta muy costoso sino porque generalmente son

numerosos los sistemas competitivos. Sin embargo, a pesar de la

importancia de los factores económicos, tienen relevancia los aspectos

fisicoquímicos, ingenieriles y matemáticos.



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3.2 Valor del análisis y simulación de procesos industriales. Existen ciertas características de los procesos industriales que las

diferencian de otros tipos de industrias, debido esencialmente a que hay

una compleja estructura de muchas etapas, cada una de las cuales consta a

su vez de numerosos subcomponentes.

Las ecuaciones que describen las relaciones entre las variables importantes

oscilan desde unas muy sencillas hasta otras muy complicadas. Teniendo

en cuenta que interviene un elevado flujo de materiales con un valor

económico relativamente alto, por ello se comprende que pequeñas

modificaciones en las características de diseño y operación pueden tener

una importante repercusión económica.

Las características de los subcomponentes del proceso todavía no son, en

general, lo suficientemente bien conocidas como para permitir al ingeniero

basarse exclusivamente en la teoría para proceder al diseño y control.

Es por ello que los ingenieros de las industrias de proceso se ocupan en

dos principales tipos de trabajo: la operación de plantas ya existentes y el

diseño de plantas nuevas o modificadas.

Por lo que se refiere a la operación de instalaciones, tanto el control

como la optimización constituyen las dos funciones más importantes de los

ingenieros. Para que el ingeniero pueda desarrollar con eficiencia su trabajo

en estos campos debe estar en condiciones de poder realizar un análisis

sofisticado del proceso en sí. Será preciso programar los sistemas de

cálculo de forma que se puedan combinar las relaciones que describen las

partes individuales de la instalación; habrá que evaluar los parámetros



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básicos de estas relaciones, y, por último, será preciso dar un contenido

más cuantitativo a los aspectos cualitativos de los criterios de que se

dispone. Por éstas y muchas otras razones con ellas relacionadas, el

control y optimización tienen su base fundamental en el análisis de

procesos.

El segundo tipo de trabajo de los ingenieros, que es el diseño, resulta en

cierto modo más difícil. Por supuesto que los datos de la planta real no son

conocidos de antemano, y, por esta razón, el ingeniero tiene que utilizar una

parte importante de su criterio intuitivo. Por otra parte, cuando se modifican

plantas existentes o se diseñan plantas similares a otras ya construidas, el

ingeniero puede disponer de una importante experiencia.

De lo expuesto se llega a la conclusión de que la construcción de modelos

matemáticos teóricos o semiteóricos constituye frecuentemente una

necesidad preliminar.

Tanto el diseño como la operación se pueden facilitar mediante la

simulación del proceso o de sus partes. En primer lugar, es muy difícil que

la dirección de la empresa permita a los ingenieros introducir arbitrariamente

cambios en una instalación que opera satisfactoriamente por el simple

hecho de ver qué es lo que ocurre. Además los modelos matemáticos de los

procesos se pueden manipular mucho más fácilmente que las plantas

reales. Por ejemplo, se puede simular la operación fuera de las

condiciones o intervalos normales y también se puede hacer “reventar” la

planta con el fin de encontrar las condiciones de operación prohibidas.



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3.2.1 Ventajas del análisis y simulación de procesos industriales

Desde un punto de vista más general, el análisis y simulación de procesos

industriales presentan las ventajas que se señalan a continuación:

1.- Experimentación económica. Es posible estudiar procesos existentes de

una forma más rápida, económica y completa que en la planta real. La

simulación puede aumentar o reducir el tiempo real de una forma análoga a

como una cámara cinematográfica acelera o retarda las imágenes; de esta

forma se puede observar más fácilmente la operación del sistema.

2.- Extrapolación. Con un modelo matemático adecuado se pueden ensayar

intervalos extremos de las condiciones de operación, que pueden ser

impracticables o imposibles de realizar en una planta real. También es

posible establecer características de funcionamiento.

3.- Estudio de conmutabilidad y evaluación de otros planes de actuación. Se

pueden introducir nuevos factores o elementos de un sistema y suprimir

otros antiguos al examinar el sistema con el fin de ver si estas

modificaciones son compatibles. La simulación permite comparar

distintos diseños y procesos que todavía no están en operación y

ensayar hipótesis sobre sistemas o procesos antes de llevarlos a la

práctica.

4.- Repetición de experimentos. La simulación permite estudiar el efecto de

la modificación de las variables y parámetros con resultados reproducibles.

En el modelo matemático se puede introducir o retirar a voluntad un error, lo

cual no es posible en la planta real.



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5.- Control de cálculo. La simulación constituye una importante ayuda

material para el estudio de los sistemas de control con lazos abiertos y

cerrados.

6.- Ensayo de sensibilidad. Se puede ensayar la sensibilidad de los

parámetros de costos y los parámetros básicos del sistema; por ejemplo, un

incremento de un 10% en la velocidad de alimentación podrá tener; según

los casos, un efecto mínimo o un efecto muy importante sobre el

funcionamiento de la instalación.

7.- Estudio de la estabilidad del sistema. Se puede examinar la

estabilidad de sistemas y subsistemas frente a diferentes perturbaciones.

Por estas razones, se puede concluir que el análisis de procesos constituye

un elemento muy importante para tomar una decisión más científica y

responsable a nivel industrial.

3.2.2 Ejemplos de aplicaciones practicados industrialmente

Un breve examen de bibliografía revela numerosos ejemplos en los que se

pone de manifiesto la utilidad práctica del análisis de procesos.

Un ejemplo anterior de Woods describe la optimización de los sistemas de

control en una columna de fraccionamiento de monoetilenglicol. En este

caso no se utilizó un modelo matemático como tal, sino relaciones

estrictamente empíricas. La columna era perturbada mediante una entrada

de escalón con el fin de obtener sus características dinámicas. El ahorro

conseguido se estimó en unos 1750 dólares anuales.



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Finalmente, se presenta un ejemplo descrito por Peiser y Grover. Los

experimentos sobre las dificultades de operación en una torre de

fraccionamiento, originadas por un deficiente control del componente más

ligero en el producto de colas. También se producía perturbación

procediendo a la inundación de la torre. Los habituales cálculos de estado

estacionario no arrojaron ninguna luz sobre estos problemas, y, por esta

razón, se procedió a efectuar un análisis dinámico, incluyendo los aspectos

hidrodinámicos de los platos. Mediante simulación de la torre con el modelo

se encontraron y corrigieron las dificultades con modificaciones de diseño

relativamente sencillas. Se encontró que después, la columna operaba

satisfactoriamente.

3.3 Principios generales del análisis de procesos industriales Para planificar, organizar, evaluar y controlar los complejos procesos de la

moderna tecnología es preciso conocer los factores fundamentales que

influyen en el funcionamiento del proceso. Una forma de conseguir esto

consiste en construir una réplica real, a pequeña escala, del proceso y

efectuar cambios en las variables de entrada mientras se observa el

funcionamiento del proceso. Una técnica de este tipo no solamente lleva

tiempo y resulta cara sino que además puede resultar imposible de llevar a

cabo en la práctica. Con frecuencia resulta mucho más conveniente y

económico emplear (hasta donde sea posible) un método de

representaciones conceptuales del proceso. Este hecho recibe el nombre de

“construcción del modelo”



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Para un proceso y un problema determinados, el analista trata de

establecer una serie de relaciones matemáticas, juntamente con las

condiciones límite, que son isomórficas con las relaciones entre las

variables del proceso. Debido a la complejidad de los procesos reales y las

limitaciones matemáticas, el modelo desarrollado no deja de ser siempre

altamente idealizado y generalmente sólo representa con exactitud unas

pocas propiedades del proceso. El primer modelo es con frecuencia

sencillo pero poco realista. Tomando como base este primer modelo, el

analista intenta encontrar sus principales deficiencias y construir otro

modelo, que corrija las deficiencias seleccionadas y que al mismo tiempo

siga siendo lo suficientemente sencillo para su tratamiento matemático. El

ingeniero ensaya distintos modelos antes de encontrar uno que represente

satisfactoriamente aquellos atributos particulares del proceso que tienen

interés. El ensayo de los modelos es caro pero la construcción de procesos

a pequeña o gran escala resulta todavía más costos

Es evidente que la representación conceptual de un proceso real no puede

abarcar todos los detalles del proceso, a pesar de los avances de las

modernas técnicas de cálculo y de los métodos del análisis matemático. Tal

como se ha indicado, solamente se pueden determinar algunos atributos y

relaciones del sistema, especialmente aquellos que son fáciles de medir y

tienen importancia desde el punto de vista de su efecto sobre el proceso.

Por consiguiente, el analista está interesado en el desarrollo de modelos de

procesos que pueden ser fácilmente manipulados, que sirven para un

elevado número de variables e interrelaciones y que tienen una cierta



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seguridad de representar el proceso físico real con un razonable grado de

confianza.

La estrategia general del análisis de procesos complejos sigue un

camino relativamente bien definido, que consta de las siguientes etapas:

1.- Formulación del problema y establecimiento de objetivos y criterios;

delineación de las necesidades de operación.

2.- Inspección preliminar y clasificación del proceso con el fin de

descomponerlo en subsistemas (elementos).

3.- Determinación preliminar de las relaciones entre subsistemas.

4.- Análisis de las variables y relaciones para obtener un conjunto tan

sencillo y consistente como sea posible.

Cuando el proceso que se ha de evaluar no se puede ensayar en una forma

totalmente operacional (debido al coste, tiempo, riesgo, etc.), la base de

evaluación debe desplazarse hacia ensayos de algunas aproximaciones del

sistema, estudios en planta piloto, o bien los ensayos se pueden llevar a

cabo modificando las condiciones de operación del proceso real. Tales

simulaciones dan lugar a nuevos problemas.

3.4 Simuladores Comerciales Entre los simuladores comerciales se encuentran ASPEN PLUS, HYSYS,

DESIGN, PROII, etc, mismos que emplean modelos matemáticos en el

desempeño de los cálculos.

Los modelos matemáticos son el elemento esencial de un simulador de

procesos como las leyes de conservación, termodinámica y restricciones



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de control y diseño. Los sistemas de ecuaciones algebraicas y

diferenciales dan forma al modelo matemático del proceso completo.

La resolución en los simuladores comerciales parte de:

Un modelo secuencial modular basado en subrutinas de cálculo para

cada unidad de proceso, cálculo de variables de salida en función de las

de entrada y un procedimiento iterativo (ciclos).

Un método orientado a ecuaciones de resolución simultánea.

Un método modular simultáneo con ventajas de los métodos

anteriores, implicando sistemas de ecuaciones simplificadas y modelos de

ingeniería aproximados o modelos de representaciones lineales de los

modelos rigurosos.

Propiedades físicas, termodinámicas y de transporte.

Elección del modelo con intervalos específicos de condiciones de acuerdo a

los tipos de sustancias.

También se toman en consideración los siguientes criterios: la naturaleza de

los componentes (polaridad), idealidad o no idealidad de la mezcla;

intervalo de composición, temperatura y presión; y tipo de aplicación

(equilibrio Vapor-Líquido, Líquido-Líquido, una fase, etc).

3.4.1 Métodos termodinámicos

Existe dentro de la paquetería del simulador una serie de métodos y sus

aplicaciones varían de acuerdo a las características de las especies

involucradas, como se muestra en la Tabla 6.

Tabla 6. Aplicación de ecuaciones de estado y modelos de coeficientes de actividad



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Situación Margules Van Laar Wilson NRTL UNIQUAC UNIFAC

Binarios L-V A A A A A A

Multicomponentes L-V AL AL A A A A

Azeótropos A A A A A A

Equilibrios L-L A A NA A A A

Sistemas diluidos ? ? A A A A

Extrapolación ? ? B B B B

A: aplicable NA: no aplicable AL: aplicación limitada B: buena ?: cuestionable

Fuente: Aspen HYSYS – Elaboración propia.

3.5 Simulador Aspen HYSYS El Aspen HYSYS es una herramienta informática que nos va a permitir

diseñar o modelar procesos químicos mediante la ayuda de un software. Es

un software, utilizado para simular procesos en estado estacionario y

dinámico, por ejemplo, procesos químicos, farmacéuticos, alimenticios,

entre otros.

Posee herramientas que nos permite estimar propiedades físicas, balance

de materia y energía, equilibrios líquido-vapor y la simulación de muchos

equipos de Ingeniería Química.

Los parámetros de diseño como número de tubos de un intercambiador de

calor, diámetro de la carcasa y número de platos de una columna de

destilación no puede ser calculado por Aspen HYSYS, es una herramienta

que proporciona una simulación de un sistema que se describe con

anterioridad. Aspen HYSYS puede emplearse como herramienta de diseño,

probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo.

3.5.1. Relación con la Simulación de Procesos



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Para poder utilizar el Aspen Hysys se necesita aplicar una ingeniería básica

del proceso para lo cual se necesita:

Documentos que describan la secuencia de las operaciones que

conforman el proceso.

Un diagrama entrada – salida, lo cual incluye como está conformado

estequiométricamente la reacción, el número de moles.

Un diagrama básico del bloques del proceso, lo cual incluye las

condiciones principales de operación, información de rendimientos,

conversiones, balances de materia y energía preliminares.

Hojas de datos los cuales especifican los equipos durante la ingeniería

básica.

Este software posee una base de datos con información de utilidad

para muchos cálculos que este programa realiza de forma rápida, el

programa corrige cierta los cálculos de forma automática. Para que el

programa realice los cálculos hay que proporcionarle la información

mínima necesaria que generalmente es los datos de operación como

flujos, temperaturas y presiones.

3.5.2. Operaciones Unitarias

Aspen HYSYS posee una integración gráfica que permite modelar más de

40 diferentes operaciones unitarias:

Acumuladores Flash

Columnas de Destilación, azeotrópica

Columnas de Extracción



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Reactores Continuos y Batch

Turbinas

Bombas

Intercambiadores de Calor

Separador

Mezcladores

CAPÍTULO IV. SIMULACIÓN DE PRODUCCIÓN

DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE VEGETAL

DE SOYA

4.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel Las etapas del proceso de producción de biodiesel que se muestran en la

figura de la página siguiente son:

Mezclado

Reacción (transesterificación).

Recuperación de metanol.

Lavado.

Purificación de biodiesel (FAME).

Purificación de glicerol.



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“SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO”


Figura 02. Diagrama de flujo de proceso de producción de biodiesel. Fuente: Aspen HYSYS 7.1



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4.1.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel

El proceso comienza con la mezcla del metanol junto con la recirculación de

metanol que proviene de la columna T-100, los cuales ingresan en el mezclador

MIX-101.

El producto resultante de MIX-101 ingresa al MIX-100 junto con el aceite vegetal,

aquí es donde empieza la alimentación, el cual opera a una presión cercana a la

atmosférica y una temperatura normalmente por debajo del punto de ebullición del

metanol.

En este reactor se logran conversiones de aceite vegetal en ésteres cercanas al

80 %.

Para lograr una mayor conversión del aceite vegetal, y a la vez un mayor

rendimiento de biodiesel, el producto de CSTR-100 se alimenta a un segundo

reactor, que opera a condiciones similares al reactor anterior. La conversión

alcanzada en este reactor es cercana a 91%.

La corriente de salida de CSTR-101 es una mezcla formada por biodiesel (mezcla

de ésteres), glicerol, metanol y los glicéridos que no se convirtieron. El catalizador

también se encuentra disuelto en la mezcla.

Por razones económicas es importante recuperar el metanol en exceso. Esto se

lleva a cabo en la columna de destilación T-100. El destilado de esta columna

consiste en una mezcla rica en metanol.

El producto de fondo de T-100, que contiene biodiesel, glicerol, triglicéridos,

diglicéridos, monoglicéridos y catalizador se envía a una columna de extracción X-



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100, en el cual por medio de un lavado con agua se separa una fase rica en

FAME(Fatty Acid Methyl Ester) de otra corriente rica en glicerol.

La fase rica en FAME se envía a una columna de destilación T-2. Con la cual se

recupera biodiesel con una alta pureza, cercana al 99.52% peso. El residuo de

esta columna es una mezcla de triglicéridos, diglicéridos y monoglicéridos

(aceite). La mezcla de glicéridos se puede reutilizar como carga al proceso.

La corriente rica en glicerol se envía a la columna de destilación T-3, con la cual

se separa el glicerol del agua. El agua recuperada puede neutralizarse y utilizarse

nuevamente como agua de lavado en el extractor.

4.1.2 Química del proceso

Como anteriormente se explicó en la Sección 1.7, el biodiesel se puede obtener

por medio de la transesterificación de aceite vegetal con metanol en presencia de

catalizador alcalino.

La reacción global de transesterificación usando trioleína y metanol para producir

oleato de metilo y glicerol es la siguiente:



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Esta reacción se lleva a cabo realmente en forma secuencial por medio de los

pasos siguientes:

Inicialmente un mol de trioleína reacciona con metanol en presencia de un

catalizador alcalino (NaOH), produciendo un mol de dioleína y un mol de oleato

de metilo. Como la reacción es reversible la dioleína en presencia de metanol en

exceso produce monoleína y una segunda mol de oleato de metilo. Finalmente

la monoleína con metanol reaccionan para producir un mol de glicerol y una

tercera mol de oleato de metilo. Estas tres reacciones son las que se consideran

para la obtención del modelo cinético.



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4.1.3 Cinética del Proceso

Para la simulación la cinética de la reacción de transesterificación de aceite de

soya se basa en el modelo cinético obtenido previamente por Noureddini y

Zhu. El valor de los parámetros cinéticos se muestra en la Tabla 7. Los valores

de las constantes de reacción (k) se obtuvieron a una temperatura de 60 °C

usando como catalizador NaOH en concentración de 1.0% peso con respecto al

peso de aceite alimentado. El alcohol utilizado fue metanol con una relación molar

3:1 mol/mol de aceite.

Las ecuaciones para la velocidad de reacción son las siguientes:



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Tabla 7. Energías de activación y constantes de velocidad de reacción de aceite de

soya a 60 °C

Constantes [L/mol.min]

Energía de activación [cal/mol K]

Primera reacción

k1 0.050 E1 13,145 k2 0.110 E2 9,932

Segunda reacción k3 0.215 E3 19,860

k4 1.228 E4 14,639

Tercera reacción k5 0.242 E5 6,241

k6 0.007 E6 9,588 Fuente: Elaboración Propia

4.1.4 Estimación de propiedades termodinámicas

Aspen HYSYS 7.1 tiene incorporados métodos comunes como: Van Laar,

Margules, Wohl, Redlich and Kister, Scatchard and Hamer, Bonham, Black,

Wilson, NRTL, ASOG, UNIQUAC y UNIFAC. Los últimos cinco métodos los

resultados obtenidos son más precisos en la obtención de datos termodinámicos

de los componentes. Sin embargo, no todos los datos termodinámicos necesarios

para este trabajo son incluidos.

El aceite de soya consiste en 22-31% de ácido oleico y 49-53% de ácido linoleico

junto con el ácido mirístico y ácido palmítico, cada uno que van desde 2 hasta

10%. Aunque la mayoría de los triglicéridos en el aceite de soya se componen de

ácido oleico y linoleico; sólo el ácido trioleico (trioleína C57H104O6) forma parte de

la base de datos termodinámicos disponibles en el software de simulación Aspen



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HYSYS 7.1. El ácido trioleico es una molécula de triglicéridos que se compone de

tres cadenas de ácido oleico. Además la trioleína es el compuesto más abundante

en aceites de canola, soya y jatropha. Por ello en la simulación el aceite de soya

se representa por trioleína.

Para poder especificar los compuestos: trioleína, dioleína y monoleína, es

necesario elaborar sus estructuras empleando el software CHEM OFFICE. Estas

estructuras se guardan con la extensión *.mol y posteriormente se importan a

Aspen HYSYS 7.1

Una vez incluidas las moléculas en el simulador, sus propiedades termodinámicas

se estiman con el método de UNIFAC, que es un método de contribución de

grupos.

El modelo UNIFAC (Universal Functional Activity Coefficient) proporciona los

mejores resultados en la predicción del equilibrio Líquido-Vapor para sistemas

no ideales y no electrolitos. Como método de referencia se utilizó el método

NRTL.

4.1.5 Lista de equipos

La Universidad Nacional de Trujillo posee un Laboratorio de Operaciones

Unitarias, el cual se evaluara si cuenta con los equipos necesarios que requiere

el proceso de producción de biodiesel.

Tabla 8. Equipos que posee el Laboratorio de Operaciones Unitarias

CANTIDAD NOMENCLATURA EQUIPO CARACTERISTICAS

2 B-1 B-2 B-3

Bombas centrifugas

Eficiencia de 80 %



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Figura 03. Bombas centrifugas

Fuente: Laboratorio de operaciones unitarias de la UNT

4.2 Datos para la simulación del proceso

Es importante resaltar que durante toda la explicación referente a la simulación de

dicho proceso se referirá a FAME por sus siglas en inglés Fatty Acid Methyl Éster

o con sinónimos como “metil éster”, “éster”; en los respectivos balances de

materia el FAME está representado por la corriente de éster.

Alimentación.

El diagrama que representa la sección de mezclado se muestra a continuación:



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Figura 04. Sección de mezclado

Fuente: Aspen HYSYS 7.1

En ésta etapa el metanol y aceite vegetal se alimentan en una relación molar

estequiometríca (3:1, respectivamente). La corriente 5.1 es una mezcla de

metanol más la recirculación de la misma, lo cual provee un exceso de metanol

necesario para mantener el equilibrio termodinámico hacia productos.

Experimentalmente se ha observado que la conversión de aceite en biodiesel con

un catalizador alcalino se lleva a cabo en un periodo desde 30 minutos hasta 2

horas, a temperaturas cercanas a 104.6 °F. Por ello, en este trabajo se

consideran tiempos de residencia en el reactor CSTR de 30 minutos a 2 horas.

Como los reactores disponibles son de una capacidad de 62 litros se considera

una capacidad al 80% de volumen del reactor.

Tabla 9. Datos de alimentación.

Compuestos Corriente 1 METANOL Corriente 2 ACEITE Temperatura 77 °F 77 °F Presión 14.40 psig 14.40 psig

Fuente: Elaboración Propia.



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Sección de reacción.

La etapa de reacción está constituida por dos reactores CSTR como se muestra a

continuación:

Figura 05. Sección de reacción. Fuente: Aspen HYSYS 7.1

Los datos para los reactores son: Tabla 10. Datos especificados para los reactores.

Equipo Reactor CSTR - 100 Reactor CSTR - 101

Presión 1 atmósfera 1 atmósfera

Temperatura 60 °C 60 °C

Fases de reacción vapor-líquido vapor-líquido

Espacio-tiempo 30-120 minutos 30-120 minutos Fuente: Elaboración Propia.

Además se ingresan las respectivas reacciones y las constantes de velocidad de

reacción antes mencionadas.



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Recuperación de metanol.

El exceso de metanol se recupera y recircula a la sección de reacción,

aprovechando que la volatilidad del metanol es mayor que la de los demás

componentes. El punto de ebullición del metanol es 65°C a 1 atmósfera de

presión, mismo que está por debajo del punto de ebullición del Oleato de metilo

(aproximadamente 320 °C a 1 atmósfera de presión) y del glicerol (300 °C a 1

atmósfera de presión).

Figura 06. Sección de recuperación de metanol




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Los datos para la sección de purificación de biodiesel se reportan en la Tabla X. Tabla 11. Datos especificados para T-100.

Datos Tipo de cálculos Equilibrio

Número de etapas reales 19 Condensador Total Reboiler Kettle Fase Vapor-Líquido Etapa de alimentación 16 Presión entrada 14.49 psig Presión salida 15.59 psig


Sección de lavado.

El propósito de esta etapa es la separación de biodiesel del glicerol utilizando una

extracción líquida por contacto en contracorriente con agua, aprovechando que el

biodiesel es inmiscible en agua. Esta sección se representa con un extractor

como se muestra en la Figura 07

Figura 07. Sección de lavado Fuente: Aspen HYSYS 7.1



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Los datos especificados para el extractor son los siguientes:

Tabla 12. Especificaciones del extractor.

Característica Cantidad Número de platos 8 Presión 1 atmósfera


Para el agua que es empleada como líquido extractor la única especificación

inicial es una temperatura de 25 °C.

Purificación de biodiesel.

Las normas ASTM D975 requieren purificación del biodiesel por encima de 96,5%

en peso; es por esto que se busca obtener un producto con una calidad que

permita colocarlo dentro del intervalo de especificaciones establecidas.

Mediante el proceso de destilación se purifica el biodiesel (Figura 08).

Figura 08. Sección de purificación de biodiesel




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Los datos para la sección de purificación de biodiesel se reportan en la Tabla 13. Tabla 13. Datos especificados para T-2.

Datos

Tipo de cálculos Equilibrio

Número de etapas reales 13

Condensador Total

Reboiler Kettle

Fase Vapor-Líquido

Etapa de alimentación 10

Presión de entrada 16.5

Presión de salida 17.5


Purificación de glicerol.

El glicerol se genera en cantidades significativas como sub-producto del proceso

de fabricación de biodiesel (10% aproximadamente de la producción de

biodiesel).

Los estándares ASTM establecen que la purificación del glicerol tiene que ser

superior al 90% en peso para vender glicerol como un producto refinado. La etapa

de purificación de glicerol se muestra en la Figura 9.



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Figura 09. Sección de purificación de glicerol Fuente: Aspen HYSYS 7.1

Para llevar a cabo la simulación es indispensable realizar las siguientes

especificaciones:

Tabla 14. Datos especificados para T-3

Datos Tipo de cálculos Equilibrio

Número de etapas reales 13 Condensador Total Reboiler Kettle Fase Vapor-Líquido Etapa de alimentación 10 Presión de entrada 16.5 Presión de salida 17.5


4.3 Resultados de la simulación Los resultados que a continuación se muestran representan los valores óptimos de

las diferentes variables (flujo de alimentación, relaciones de reflujo mínimo,

grados de pureza de biodiesel, glicerol y metanol), que se han obtenido con el

objetivo de conseguir un producto de alta calidad a un menor costo. Primero se

muestran los resultados de las diferentes corrientes y posteriormente los resultados



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de los equipos.

4.3.1 Corrientes

La Tabla siguiente muestra los resultados de las corrientes de la simulación

partiendo de las alimentaciones frescas.

Tabla 15. Corrientes de alimentación.




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4.3.2 Equipos

Bomba de alimentación de metanol

Tabla 16. Resultados de B-1

Variable Cantidad Unidades Energía 2.25 E-06 Kw ΔP 0.192164 Psig

NPSH 9,.17 m

Bomba de alimentación de aceite

Tabla 17. Resultados de B-2.

Variable Cantidad Unidades

Energía 1.015 E-05 Kw

ΔP 0.18803 psig

NPSH 10.92 m

Bomba de recirculación de metanol

Tabla 18. Resultados de B-3.


Energía 0.0002233 Kw

ΔP 6.09 Psig

NPSH 12 m

Sección de reacción

Tabla 19. Resultados de R-1.


Temperatura 140 F

Volumen 0.05026 m3

Fase liquida 0.05026 m3

Fase gaseosa 0 m3

Tiempo de residencia 0.75 Hr.



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Tabla 20. Resultados de R-2.


Temperatura 140 F Volumen 0.05026 m3 Fase liquida 0.05026 m3 Fase gaseosa 0 m3 Tiempo de residencia 0.75 Hr.

Sección de recuperación de metanol

Tabla 21. Resultados de T-1.




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Sección de lavado

Tabla 22. Resultados de X-100, CORRIENTE 12.


Tabla 23. Resultados de X-100, CORRIENTE 13



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Sección de purificación de biodiesel

Tabla 24. Resultados de T-2



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Sección de purificación de glicerol

Tabla 25. Resultados de T-3.



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4.4 Análisis de resultados

4.4.1 Alimentación y reacción

Flujo de carga al reactor

Inicialmente se estudió el flujo de alimentación al proceso, mismos que fueron

sometidos a un análisis limitado puesto que no se cuentan con reactores en el

Laboratorio de operaciones Unitarias; además, considerando la regla heurística

que enuncia como sigue: “El volumen apropiado del líquido en un reactor CSTR,

debe tener una altura igual a la longitud del diámetro del recipiente”. Por ello se

considera un máximo volumen de llenado del 80%.

Los reactores usados en el presente trabajo tienen una altura de 0.50 metros y un

diámetro interno de 0.40 metros. Lo cual representa un volumen de 62 litros.

Este análisis se realizó haciendo modificaciones en las alimentaciones

considerando una relación molar estequiometríca de 3:1 de alimentación fresca

metanol/trioleína y un espacio tiempo de 0.75 horas.



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En la Tabla 26 podemos observar la cinética de la reacción, Rxn-01




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Espacio tiempo del reactor

Para analizar el comportamiento de la conversión con respecto a la variación del

espacio tiempo en el reactor, se estudió un intervalo de 0.3 a 3 horas (Figura 10).

En este caso el flujo volumétrico de alimentación se mantiene constante.



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Figura 10. Comportamiento de la conversión con respecto al espacio-tiempo. Fuente: Elaboración propia

La Figura 10 representa el porcentaje de transformación de trioleína en oleato de

metilo, dioleína, monoleína y glicerol en el intervalo de tiempo estudiado. A mayor

espacio tiempo mayor es la conversión, pues las reacciones son reversibles y en

presencia de metanol en exceso continúan convirtiéndose desplazando la reacción

hacia la producción de oleato de metilo.

En los primeros 30 minutos la conversión se incrementa rápidamente hasta

alcanzar un valor cercano al 91%, posteriormente el incremento de la conversión

con respecto al tiempo es lento, pues la reacción disminuye su velocidad.



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4.4.2 Sección de recuperación de metanol

Flujos de destilado

Para mejorar la economía del proceso es importante recuperar el metanol y

recircularlo. Entre mayor sea el flujo de metanol recuperado y recirculado, el

proceso es más factible; pues el costo de metanol es elevado.

A continuación se presenta un análisis de sensibilidad de la composición molar de

metanol presente en la corriente de recirculación del mismo variando los flujos de

destilado en un intervalo de 0.12 a 0.48 kmol/hr.

Figura 11. Comportamiento de la fracción molar de metanol con respecto a la variación de flujos de destilado. Fuente: Elaboración propia

En la Figura 11 se observa que la fracción molar de metanol en la corriente 8

aumenta conforme se aumenta el flujo de destilado. Sin embargo, después de

0.36 kmol/hr de flujo de destilado, la composición molar de metanol disminuye.

Esto sucede porque un incremento en el flujo de destilado provoca el arrastre de



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componentes pesados, disminuyendo la fracción molar de metanol en la

corriente 8. Se puede concluir que el flujo de destilado establece la composición

de los productos. El mejor flujo de destilado establecido para este caso de

estudio es de 0.36 kmol/hr.

Relación de reflujo

La relación de reflujo (R) representa la relación del flujo de destilado que regresa

a la columna y el flujo de destilado que sale de ella, R=L/D. Donde L es el flujo

que retorna a la columna y D lo que sale de la misma.

Un aumento en el reflujo arrastra hacia abajo componentes ligeros y es por eso

que se disminuyen las temperaturas en la columna.

La relación de reflujo determina la calidad del corte entre los productos del domo

y fondo. Al aumentar la relación de reflujo, la pureza de metanol destilado

aumenta. En otras palabras el reflujo afecta la pureza del producto.

Encontrar la relación de reflujo mínima permite establecer la cantidad apropiada

de flujo de destilado que retorna a la columna, que garantiza la obtención de

destilado con una composición de ligeros en el destilado que sale de la columna,

sin arrastrar componentes pesados al domo.

4.4.3 Sección de purificación de biodiesel

En la columna de destilación T-2 el objetivo es separar al éster (biodiesel) del

aceite presente en la corriente 12. Las normas ASTM D-975 establecen un

porcentaje de éster presente en el biodiesel de 96.5 % peso como mínimo.



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Teniendo presentes las características establecidas para el éster, se procedió a

un análisis del comportamiento de la separación del éster con respecto al aceite.

En el presente trabajo analizamos el comportamiento de algunas variables del

proceso, observando la importancia de su manejo, y observando el impacto en

los productos obtenidos.

Por cada 35.42 kg/hr de aceite alimentado, se producen 33.48 kg/hr de

biodiesel.



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CAPITULO V. CONCLUSIONES

Se realizó la simulación del proceso de obtención de ésteres metílicos de aceite

de soya (biodiesel) con la herramienta ASPEN HYSYS PLUS ONE V7.1, por los

beneficios que proporciona, generando parámetros y seleccionando los modelos y

rutas de cálculo de propiedades termodinámicas y de transporte del aceite de

soya y su éster metílico haciendo uso de los parámetros de interacción binaria

para la determinación del equilibrio líquido-vapor por el método de contribución de

grupos UNIFAC (método base) y NRTL (método de referencia).

Se evaluaron los equipos disponibles en el Laboratorio de Operaciones Unitarias

perteneciente Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de

Trujillo.

Con la simulación se observó el comportamiento de las variables que intervienen

en el proceso de producción de biodiesel (conversión de aceite en éster, relación

molar de alimentación a la etapa de reacción, flujo de destilado en la sección de

recuperación de metanol y relación de reflujo mínima, la cantidad mínima de agua

necesaria en la etapa de lavado, el flujo de destilado de la etapa de purificación

de biodiesel y la relación de reflujo, y el flujo de destilado en la etapa de

purificación de glicerol y la relación de reflujo mínima).

A partir de los resultados obtenidos de la simulación, concluimos que el

laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad Nacional de Trujillo tiene

que evaluar la posibilidad de adquirir los equipos indicados en la simulación para

poder producir biodiesel que cumpla con los estándares establecidos



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internacionalmente (ASTM D-975), no necesariamente de aceite de soya, sino de

cualquier otro aceite vegetal (nuevos o reciclados) o grasa animal; a partir de la

adquisición de los equipos restantes.

En general, la viabilidad de una planta incluye aspectos tecnológicos y

económicos. Por lo tanto, además de evaluar la viabilidad tecnológica del proceso

de producción de biodiesel, como se hizo en el presente trabajo, resultaría

necesaria una evaluación económica.



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CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES

Referente al proceso de obtención del biodiesel, se debe trabajar con

reactivos anhidros en la reacción de transesterificación para evitar la

formación de jabones.

Con base en los resultados obtenidos, se propone realizar estudios sobre la

factibilidad económica de la planta piloto.

Realizar un estudio sobre otras características físico-químicas del biodiesel.

Realizar un estudio utilizando mezclas entre aceite nuevo y usado para

producir biodiesel.

Sería interesante un estudio que investigue las mejores proporciones en

mezcla diesel- biodiesel que den un buen rendimiento en el motor.

Se propone realizar proyectos sobre el establecimiento de programas

integrales de recolección domiciliaria e industrial de aceite de fritura

residual para su posterior aprovechamiento como combustible.

Desarrollar una investigación para la purificación o transformación de la

glicerina formada en la reacción de transesterificación, para su posterior

uso en diferentes procesos industriales.



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http://es.scribd.com/doc/499951/Clases-de-HYSYS-1-Introduccion

http://www.departments.bucknell.edu/chem_eng/cheg200/HYSYS_Manual/a_BlueHYSYS.pdf

http://www.departments.bucknell.edu/chem_eng/cheg200/HYSYS_Manual/a_BlueHYSYS.pdf



INDICE DE ANEXOS

ANEXO A

Especificaciones para Biodiesel B100 – ASTM D6751-07

ANEXO B

Reglamento de Ley D.S. Nº013 – 2005 – EM

ANEXO C

Métodos de Ensayo

ANEXO D

Reporte de la simulación del proceso de obtención Biodiesel a partir de aceites vegetales



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ANEXOS

ANEXO A

Especificaciones para Biodiesel B100 – ASTM D6751-07

Características Unidades Método de

Análisis

Valores

Contenido de ésteres Fracción de masa

(% masa) EN 14103 96,5 mín.

Contenido de metanol o etanol Fracción de masa

(% masa) EN 14110 0,20 máx.

Gravedad API a 15,56ºC (60ºF)

o Densidad a 15ºC

ºAPI

g/ml

ASTM D-287

ASTM D-1298

Reportar

0.860-0.900

Estabilidad a la oxidación,110 ºC h EN 14112 6,0 mín.

Punto de inflamación (“Flash point”)

ºC ASTM D 93

130,0 mín.

Agua y sedimentos Fracción de

volumen (% volumen)

ASTM D 2709

0,050 máx.

Viscosidad cinemática a 40 °C. mm2/s ASTMD 445

1,9 – 6.5

Ceniza sulfatada Fracción de

masa (% masa)

ASTM D 874 0,020 máx.

Contenido de azufre total mg/kg

ASTM D 5453

15 máx.

Índice de cetano -------

ASTM D 976

47 mín.

Punto de nube ºC ASTM D 2500 Reportar



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Residuo de carbón Fracción de

masa (% masa)

ASTM D 4530 0,050 máx.

Índice de acidez mg. KOH / g.

Biodiesel

ASTM D 664

0,50 máx.

Glicerina libre Fracción de

masa (% masa)

ASTM D 6584 0,020 máx.

Glicerina total Fracción de

masa (% masa)

ASTM D 6584 0,240 máx.

Temperatura de destilación, temperatura equivalente atmosférica, 90% recuperado

ºC ASTM D 1160 360 máx.

Poder Calorífico kJ/kg ASTM D 240 37130-41870

Fuente: Biocombustibles. Biodiesel. Especificaciones.Norma Técnica Peruana



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ANEXO B

Reglamento de Ley D.S. Nº013 – 2005 – EM



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Fuente: Disposiciones Transitorias derogadas por el D.S. N° 021-2007-EM.

ANEXO C

Métodos de Ensayo



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Para los ensayos se debe utilizar la última edición vigente de las siguientes

Normas ASTM, EN y UOP en idioma de origen. La traducción y el uso de éstas

será responsabilidad del usuario, y serán aceptadas en tanto no sean

homologadas y/o no existan Normas.

EN 14103: “Fat and oil derivatives – Fatty Acid Metil esters (FAME) –

Determination of ester and linolenic acid metil ester contents”. Derivados de

grasa y aceite - Ésteres metílicos de ácido graso – Determinación de contenidos

de éster y de éster metílico del ácidolinolénico.


Determination of methanol content”. Derivados de grasa y aceite - Ésteres

metílicos de ácido graso – Determinación del contenido de metanol.

ASTM D 287: “Standard Test Method for API Gravity of Crude Petroleum and

Petroleum Products”. Método de Prueba Estándar para Gravedad API del

Petróleo Crudo y Productos del Petróleo.

ASTM D 1298: “Standard Practice for Density, Relative Density (Specific Gravity)

or API Gravity of Crude Petroleum and Liquid Petroleum Products by Hydrometer

Method”. Método de Prueba Estándar para Densidad, Densidad Relativa

(Gravedad Específica), o Gravedad API de Petróleo Crudo y Productos Líquidos

de Petróleo por el Método del Hidrómetro.


Determination of oxidation stability (accelerated oxidation test)”. Derivados de



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grasa y aceite - Ésteres metílicos de ácido graso- – Determinación de la

estabilidad a la oxidación (prueba de oxidación acelerada).

ASTM D 93: “Standard Test Method for Flash Point by Pensky-Martens Closed

Cup Tester”. Método de Prueba Estándar para Punto de Inflamación por el

Probador Pensky-Martens de Copa Cerrada.

ASTM D 2709: “Standard Test Method for Water and Sediment in Middle

Distillate Fuels by Centrifuge”. Método de Prueba Estándar para Agua y

Sedimento en Combustibles Destilados Medios por Centrifugación.

ASTM D 445:“Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and

Opaque Liquids (and the Calculation of Dynamic Viscosity)”. Método de Prueba

Estándar para Viscosidad Cinemática de Líquidos Transparentes y Opacos (y el

Cálculo de la Viscosidad Dinámica).

ASTM D 874: “Standard Test Method for Sulfated Ash from Lubricant Oils and

Additives”. Método de Prueba Estándar para Cenizas Sulfatadas provenientes de

Aditivos y Aceites Lubricantes.

ASTM D 5453: “Standard Test Method for Determination of Total Sulfur in Light

Hydrocarbons, Motor Fuels and Oils by Ultraviolet Fluorescence”. Método de

Prueba Estándar para Determinación de Azufre Total en Hidrocarburos Livianos,

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poder calorífico superior de combustibles líquidos por medio de la bomba

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ANEXO D

Reportes de Análisis Químicos del Biodiesel




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química ingeniería biblioteca de - unitru.edu.pe

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