ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE
BIODIESEL MEDIANTE CATÁLISIS HETEROGÉNEA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
LILI DENICE TOINGA YARPAZ
[email protected]
DIRECTOR: ING. MARIO ALDÁS
[email protected]
CO-DIRECTOR: ING MARCELO SALVADOR
[email protected]
Quito, Febrero 2016
© Escuela Politécnica Nacional (2016)
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo Lili Toinga, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido
previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he
consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a
este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normativa institucional vigente.
__________________________
Lili Denice Toinga Yarpaz
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Lili Toinga, bajo mi supervisión.
________________________
Ing. Mario Aldás
DIRECTOR DE PROYECTO
________________________
Ing. Marcelo Salvador
CODIRECTOR DE PROYECTO
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi Dios por estar siempre protegiéndome y cubriéndome con su amor, a
mis padres por su apoyo por su ejemplo de perseverancia y lucha para alcanzar las
metas, a mi hermano por darme ánimo, fuerza y una manito cuando lo necesite.
Agradezco al Ingeniero Oswaldo Proaño por su ayuda en cada proceso con su
experiencia, a mi director el Ingeniero Mario Aldás y a mi codirector el Ingeniero
Marcelo Salvador por su apoyo y guía con su experiencia en el desarrollo del proyecto,
al tecnólogo Camilo Peñaloza por su ayuda incondicional y paciencia.
A mis amigos Mayrita, Nadia, Crix, Normita, Naty, Ely, Norita, Juampa y a todos mis
amigos “Tesistas DECAB” por el apoyo, ánimo y fuerzas, cada uno con su propio
estilo, siempre les agradeceré.
DEDICATORIA
Dedico este trabajo principalmente a mi creador, por darme fortaleza, valor y
protegerme durante toda mi vida para llegar a este momento, y por darme la
plena certeza que lo seguirá haciendo.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN
xii
INTRODUCCIÓN
xiii
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1
1.1
Aceite de palma
1.1.1 Cultivos de palma africana en Ecuador
1
1
2
1.1.1.1 Requisitos ecológicos del cultivo
4
1.1.1.2 Requerimientos económicos del cultivo
4
1.1.2 Métodos de producción del aceite de palma refinado
5
1.1.2.1 Fase de extracción
5
1.1.2.2 Fase de refinación
5
1.1.3 Características del aceite de palma refinado
1.1.3.1 Composición del aceite de palma africana
7
7
1.1.3.2 Parámetro de calidad y requisitos de identificación del aceite crudo de
palma
1.2
Biodiesel
8
12
1.2.1 Características del biodiesel
12
1.2.2 Demanda nacional del diésel
14
1.2.3 Materias primas
15
1.2.4 Métodos de elaboración del biodiesel
17
1.2.5 Procesos batch
19
1.2.6 Proceso de purificación
21
1.2.6.1 Purificación del biodiesel
21
1.2.6.2 Purificación de la glicerina
22
1.2.7 Reacción de transesterificación
22
1.2.8 Catálisis heterogénea
24
1.2.9 Óxido de calcio
26
ii
2
1.2.9.1 Usos y aplicaciones del óxido de calcio
27
1.2.9.2 Características como catalizador
28
PARTE EXPERIMENTAL
2.1
2.2
Caracterización del aceite de palma refinado
30
31
2.1.1 Materias primas
31
2.1.2 Caracterización del aceite
32
Obtención de las mejores condiciones de la reacción de transesterificación para
lograr el mayor rendimiento
33
2.2.1 Transesterificación
33
2.2.2 Purificación del biodiesel
34
2.2.3 Análisis de la varianza
35
2.3
Características del biodiesel obtenido
36
2.4
Diseño de una planta de producción de biodiesel
37
2.5
Estimación de los costos de producción
39
3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
40
3.1
Caracterización del aceite de palma refinado
3.2
Obtención de las condiciones de la reacción de transesterificación para lograr el
mayor rendimiento
3.3
3.4
40
41
3.2.1 Transesterificación y purificación
43
3.2.2 Análisis estadístico de variables
47
Caracterización del biodiesel obtenido
53
3.3.1 Caracterización del biodiesel B100
53
3.3.2 Caracterización de las mezcla de biodiesel/diésel
61
Diseño de una planta piloto de producción de biodiesel
64
3.4.1 Proceso de producción
64
3.4.2 Diseño del reactor y filtros a presión
68
iii
3.4.3 Dimensionamiento de equipos auxiliares para la planta piloto
3.4.3.1 Selección de bombas
77
3.4.3.2 Selección de válvulas y tuberías
79
3.4.3.3 Diagramas del proceso de producción de la planta piloto
80
Estimación de costos de producción
85
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
91
3.5
4
73
4.1
Conclusiones
91
4.2
Recomendaciones
94
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
95
104
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1.1
Composición del aceite de palma
7
Tabla 1.2
Requisitos para el biodiesel de la Norma NTE INEN 2482-2009
14
Tabla 1.3
Materias primas utilizadas en la producción de biodiesel
16
Tabla 1.4
Propiedades del óxido de calcio
27
Tabla 2.1
Materiales
30
Tabla 2.2
Descripción de Equipos
30
Tabla 2.3
Descripción de los reactivos
31
Tabla 2.4
Composición del óxico de calcio
31
Tabla 2.5
Métodos para la caracterización del aceite de palma africana
32
Tabla 2.6
Descripción de las condiciones de reacción para cada ensayo
34
Tabla 2.7
Características evaluadas del biodiesel B100
36
Tabla 2.8
Características evaluadas para las mezclas de Biodiesel/ Diésel B5, B10 y B20
37
Tabla 3.1
Resultados de la caracterización del aceite de palma adquirido
Tabla 3.2
Volúmenes y rendimientos de biodiesel obtenidos a temperatura de 50ºC y
40
presión atmosférica con los diferentes niveles de tiempo de reacción y
porcentaje de catalizador
Tabla 3.3
43
Volúmenes y rendimientos de biodiesel obtenidos a temperatura de 125ºC y
presión de 30 psi con los diferentes niveles de tiempo de reacción y porcentaje
de catalizador
Tabla 3.4
44
Rendimientos promedios de biodiesel obtenidos a temperatura de 50ºC y
presión atmosférica con los diferentes niveles de tiempo de reacción y
porcentaje de catalizador
44
v
Tabla 3.5
Rendimientos promedios de biodiesel obtenidos a temperatura de 125ºC y
presión de 30 psi con los diferentes niveles de tiempo de reacción y porcentaje
de catalizador
46
Tabla 3.6
Muestras de biodiesel a 50ºC seleccionadas para caracterización
47
Tabla 3.7
Muestras de biodiesel a 125ºC seleccionadas para caracterización
47
Tabla 3.8
Análisis de la varianza para el rendimiento de biodiesel
48
Tabla 3.9
Mínimos cuadrados medios para el rendimiento de la reacción de
transesterificación
Tabla 3.10
52
Condiciones óptimas para la obtención de biodiesel y diseño de la planta
piloto
52
Tabla 3.11
Densidad a 15ºC según la norma ATSM D 1298
54
Tabla 3.12
Punto de inflamación del biodiesel según el método ASTM D 93
54
Tabla 3.13
Agua y sedimentos del biodiesel según el método ASTM D 1796
55
Tabla 3.14
Viscosidad cinemática del biodiesel según el método ASTM D 445
55
Tabla 3.15
Contenido de azufre del biodiesel, mediante el método ASTM D 1552
56
Tabla 3.16
Carbón residual del biodiesel, mediante el método ASTM D 4530
56
Tabla 3.17
Corrosión a la lámina de cobre, mediante el método ASTM D 130
57
Tabla 3.18
Número de Cetano calculado del biodiesel, según el método ASTM D 613 57
Tabla 3.19
Temperatura de destilación del biodiesel, según el método ASTM D 1160 57
Tabla 3.20
Glicerina libre y total en el biodiesel, mediante el método ASTM D 6584
58
Tabla 3.21
Número de acidez del biodiesel, mediante el ASTM D 664
58
Tabla 3.22
Contenidos de ésteres del biodiesel, mediante el método EN 14103
59
Tabla 3.23
Características de las mezclas de biodiesel/diésel, mediante los métodos de la
Tabla 3.24
norma INEN 1489
62
Dimensiones del reactor diseñado para la reacción de transesterificación
70
vi
Tabla 3.25
Dimensiones del filtro a presión para biodiesel
71
Tabla 3.26
Dimensiones del filtro a presión para glicerina
72
Tabla 3.27
Especificaciones del material filtrante
72
Tabla 3.28
Dimensiones del tanque de almacenamiento de aceite
73
Tabla 3.29
Dimensiones del tanque de almacenamiento de metanol
73
Tabla 3.30
Dimensiones de la mufla para calcinación del óxido de calcio
74
Tabla 3.31
Dimensiones para los tanques TK-201, TK-204 y TK-306
74
Tabla 3.32
Dimensiones del Tanque de acondicionamiento del aceite
75
Tabla 3.33
Dimensiones del tanque de recolección y sedimentación de glicerina
75
Tabla 3.34
Dimensiones del tanque de mezcla biodiesel/diésel B20
76
Tabla 3.35
Dimensiones del intercambiador de calor
77
Tabla 3.36
Dimensiones del tanque de aire comprimido
77
Tabla 3.37
Selección de Bombas
78
Tabla 3.38
Características de las tuberías que intervienen en las operaciones de
producción
Tabla 3.39
79
Diagrama de Gantt de la operación de la planta para la producción de
biodiesel B20
81
Tabla 3.40
Inversión de equipos para la planta piloto de producción de biodiesel
85
Tabla 3.41
Detalles de los costos de muebles de oficina
86
Tabla 3.42
Detalles de costos en terreno y construcciones
86
Tabla 3.43
Detalles para el cálculo de la inversión total
87
Tabla 3.44
Detalle de los costos en la fuerza laboral para la planta
87
Tabla 3.45
Costos de materia prima
88
Tabla 3.46
Costos de Insumos
88
vii
Tabla 3.47
Costos anuales de producción
89
Tabla 3.48
Ventas anuales
90
Tabla 3.49
Indicadores económicos
90
Tabla AI.1
Parámetros del biodiesel según la norma EN 14214:2008
107
Tabla AII.1
Parámetros de biodiesel según la norma ASTM D 6751:2012
108
Tabla AVI.1
Valores de las constante KL y KT, según el tipo de rodete
129
Tabla AVII.1
Parámetros del proyecto
145
Tabla AVII.2
Detalles del flujo de caja generado para 10 años
149
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1.1
Superficie, producción y rendimiento anuales de palma africana
3
Figura 1.2
Reacción de transesterificación del aceite para la obtención del biodiesel
17
Figura 1.3
Proceso de producción de biodiesel
18
Figura 1.4
Reacción química de la transesterificación
23
Figura 1.5
Primera etapa de la reacción de transesterificación
23
Figura 1.6
Segunda etapa de la reacción de transesterificación
24
Figura 1.7
Tercera etapa de la reacción de transesterificación
24
Figura 2.1
Reacción de transesterificación
33
Figura 2.2
Diagrama de bloques del proceso de producción de biodiesel
38
Figura 3.1
Aceite de palma caracterizado
40
Figura 3.2
Equipos en los que se realizaron las reacción de transesterificación: a) a
T=50ºC y b) a T=125ºC
42
Figura 3.3
Separación de fases después de 24 horas de reposo
42
Figura 3.4
Biodiesel obtenido a 50ºC, 6 horas y 1,5% de catalizador
45
Figura 3.5
Biodiesel obtenido a 125ºC, 3 horas y 1,5% de catalizador
46
Figura 3.6
Gráfica de medias de rendimiento respecto a la concentración de catalizador
49
Figura 3.7
Gráfica de medias de rendimiento respecto a la temperatura de reacción
50
Figura 3.8
Gráfica de medias de rendimiento con respecto al tiempo de reacción
51
Figura 3.9
Biodiesel recolectado después del proceso de purificación
53
Figura 3.10
Espectro infrarrojo del biodiesel C1 (verde), C2 (negro) y C3 (rojo)
59
Figura 3.11
Espectro infrarrojo del biodiesel C4 (verde), C5 (negro)
60
ix
Figura 3.12
Espectro infrarrojo de los ésteres etílicos del aceite de palma
61
Figura 3.13
Diagrama de bloques de proceso de producción de biodiesel B20
65
Figura 3.14
Diagrama de flujos de procesos de la planta piloto de producción de biodiesel
B20
67
Figura 3.15
Esquema del reactor
69
Figura 3.16
Esquema del filtro
71
Figura 3.17
Esquema del intercambiador de calor
76
Figura 3.18
Esquema de la bomba centrifuga
78
Figura 3.19
Diagrama de flujo de procesos de la planta piloto de producción de biodiesel
B20
Figura 3.20
82
Diagrama de instrumentos y tuberías de la planta piloto de producción de
biodiesel B20
83
Figura 3.21
Lay out de la planta piloto de producción de biodiesel B20
84
Figura AIV.1
Gráfica de granulometría del CaO
117
Figura AV.1
Balance de masa en el reactor
118
Figura AV.2
Reacción de transesterificación
119
Figura AV.3
Balance de masa en el filtro de glicerina
120
Figura AV.4
Balance de masa en el filtro de biodiesel
121
Figura AVI.1
Diagrama de un tapa toriesférica
125
Figura AVI.2
Esquema de la unión del fondo cónico
127
Figura AVI.3
Esquema del sistema de agitación
127
Figura AVI.4
Esquema de la bomba para alimentación al reactor
133
Figura AVI.5
Gráfica tiempo/volumen con respecto al volumen
137
x
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
Parámetros del biodiesel según la norma europea
105
ANEXO II
Parámetros del biodiesel según la norma americana
106
ANEXO III
Caracterización del aceite de palma
107
ANEXO IV
Tamaño de particula del óxido de calcio
118
ANEXO V
Balance de masa
116
ANEXO VI
Ejemplo de cálculo del diseño y dimensionamiento de los equipos para la planta piloto
120
ANEXO VII
Ejemplo de cálculo de costos
143
xi
RESUMEN
En el presente proyecto se propone el diseño de una planta piloto para la obtención de
biodiesel B100 usando una nueva metodología, empleando un catalizador
heterogéneo básico, como el óxido de calcio (CaO).
Debido a que en Ecuador existe un excedente de aceite de palma que se exporta se
lo ha seleccionado como materia prima. Se caracterizó el aceite de palma, para
conocer los niveles de ácidos grasos, el porcentaje de humedad, índice de yodo, índice
de saponificación y densidad, se comparó los resultados con las normas ecuatorianas
correspondientes a los aceites comestibles, obteniendo resultados dentro de las
normas.
El proyecto se desarrolló con un diseño experimental factorial 32x 2, las variables
fueron; el porcentaje de catalizador con tres niveles: 0,5%, 1,0% y 1,5%, el tiempo de
reacción con tres niveles: 1,5, 3,0 y 6,0 horas y la temperatura de reacción con dos
niveles: 50ºC y 125ºC. La relación molar metanol/aceite se estableció en 6:1 y para la
agitación el número de revoluciones fue de 600 rpm. Después de la reacción fue
necesario dejar decantar para la separación de las tres fases: glicerina, catalizador y
biodiesel, para la purificación tanto de la glicerina como del biodiesel se realizó una
destilación del metanol en exceso y un filtrado a presión.
Se seleccionó la muestra de biodiesel con mayor rendimiento de cada condición y se
evaluó mediante la norma NTE INEN 2482, la muestra que presento los mejores
resultados se empleó para realizar la mezclas biodiesel/diésel B5, B10 y B20 a las
cuales se las caracterizó según la norma NTE INEN 1489. Las muestras de biodiesel
B100 cumplieron alrededor del 58% de los requerimientos de la norma, mientras que
las mezclas biodiesel/diésel cumplieron un 75% de los requerimientos.
xii
Mediante el programa Statgraphic se estableció que las mejores condiciones de
operación fueron: temperatura de 125ºC, 1,0% de catalizador y 1,5 horas de reacción,
obteniendo un rendimiento de 95,43%.
La capacidad de la planta se estableció en una producción de 200L de biodiesel B100
por día, el producto final es la mezcla biodiesel/diésel B20. El material de construcción
del reactor, filtros y equipos necesarios para los procesos, fue el acero inoxidable 304,
el reactor se diseñó con un fondo cónico para la separación de fases, con agitador de
turbinas de seis aspas planas y revestido de fibra de vidrio como material aislante. Se
diseñaron cinco filtros uno para la glicerina y cuatro para el biodiesel que operan en
paralelo.
Según los indicadores económicos obtenidos TIR= 25% y VAN=103 206,08 USD
hacen que el proyecto sea rentable.
xiii
INTRODUCCIÓN
Diferentes estudios han demostrado que el biodiesel reduce substancialmente las
emisiones gaseosas de dióxido de carbono, sulfuros, olores nocivos y partículas
contaminantes de la atmósfera. Al ser un combustible oxigenado, el biodiesel tiene una
combustión más completa que el diésel, mejorando la composición de las emisiones
gaseosas (Castro, Coello y Castillo, 2007, p. 43). El biodiesel se lo obtiene a partir de
materias primas renovables, a través una reacción de transesterificación.
El consumo de diésel en el Ecuador sobrepasa su producción anual, por lo tanto se
requiere de su importación en un 58,2% del mercado interno. Con el propósito de
disminuir las importaciones de combustibles se estableció el decreto Nº 1303.
“Declárese de interés nacional el desarrollo de biocombustibles en el país
como medio para el impulso del fomento agrícola. La producción, el uso
y el consumo de los biocombustibles responderá a una estrategia
inclusiva de desarrollo rural, precautelando la soberanía alimentaria y
sostenibilidad ambiental”, ( Decreto 1303, 2012, articulo 1).
El desarrollo de biocombustibles impulsa el fomento agrícola. En Ecuador existen seis
industrias refinadoras de aceite de palma que lo transforman en aceite comestible,
distribuidas en las provincias del Guayas, Manabí y Pichincha.
Conforme con datos estadísticos provisionales de producción, existe un excedente de
aceite de palma, que se exporta (Fedepal, Estadísticas, 2013), lo cual no es
conveniente para el país ya que los precios en el exterior no son competitivos, por
tanto existe la disponibilidad de aceite para abastecer una planta de elaboración de
biodiesel. La Fabril, entre otras empresas, transforma aceite en biodiesel con calidad
de exportación hacia Estados Unidos, Alemania y Perú desde el 2005 (La Fabril, 2008,
p. 18). De cada país depende el porcentaje de mezcla biodiesel/diésel en la que es
xiv
comercializado, en el Ecuador se comenzó con una mezcla de biodiesel/diésel B5, es
decir 5 % de biodiesel, pero que debió ir subiendo hasta llegar al 10%, para estas
mezclas la ASTM aprobó las especificaciones de las mezclas de diésel con contenido
de biodiesel desde 6% a 20%.
El proceso más practicado para la producción de biodiesel, y el que utiliza La Fabril,
es una transesterificación con metanol y un catalizador de tipo homogéneo como el
hidróxido de sodio (NaOH), tal reacción genera subproductos como jabones, el
proceso para eliminación de los jabones requiere de lavados, lo que implica una
generación de aguas residuales y el tratamiento de las mismas, por otro lado, con la
utilización de un catalizador heterogéneo como óxido de calcio (CaO), la producción
de jabones es muy baja y estos son separados fácilmente con la fase glicérica,
evitando el proceso de lavado y la producción de aguas residuales.
El proceso convencional utiliza hidróxido de sodio (NaOH), este es un químico
controlado por el CONSEP lo que implica que está sujeto a auditorías y su adquisición
es posible siempre y cuando se cumpla con los requisitos que se detallan en la
Resolución del CONSEP 7, Registro Oficial 521, 04-feb-2009 en los Art. 2 y Art. 3,
(CONSEP, 2011). Por otro lado su precio es de 1,00 USD/kg que comparado con el
óxido de calcio, que está alrededor de 0,15 USD/kg, es mucho más alto.
Existen varios tipos de catálisis que se pueden utilizar para la transesterificación entre
estas la catálisis heterogénea, y entre los catalizadores heterogéneos básicos
existentes se ha seleccionado el óxido de calcio (CaO), debido a que en pruebas
previas se determinó que este presenta una mayor actividad catalítica (Albis, Parra,
Sánchez, 2005, p. 76), la ventaja de esta catálisis está en que el catalizador es un
sólido insoluble en el alcohol y aceite por lo que es fácil de separarlo completamente
para ser tratado mediante secado y calcinación y volver a utilizarlo, debido a que es
resistente a altas temperaturas y tiene un tiempo de vida largo.
xv
En contraste, el hidróxido de sodio o de potasio forman metóxidos con el metanol, con
la catálisis ácida, con ácido sulfúrico o sulfónico, quedan restos de catalizador disueltos
en fase del biodiésel y glicerina, lo que implica un producto y subproducto con un alto
contenido de impurezas que deberán ser separados por varios procesos. Con la
catálisis heterogénea se logra despojar, tanto a la glicerina como al biodiesel, del sólido
y por lo tanto se disminuyen los procesos y la utilización de otros reactivos para la
purificación de estos.
La finalidad de este proyecto es trabajar con esta tecnología nueva en el país, para
obtener las mejores condiciones de reacción y alcanzar un mayor rendimiento de la
reacción de transesterificación, empleando reactivos de fácil adquisición, de bajos
costos, generando la menor cantidad de subproductos y operaciones para la
elaboración de biodiesel. El método busca desarrollar un proceso más eficiente, en el
que se tienen menos operaciones y sea más amigable con el medio ambiente, ya que
el producto no requiere de lavados disminuyendo el consumo y contaminación del
agua, y obteniendo una glicerina líquida de mejor calidad, la cual por sus múltiples
utilidades es de interés en diferentes industrias. Con todo esto se puede aprovechar
de mejor manera el excedente de aceite que tiene el país, disminuir las emisiones
contaminantes y proporcionar otra fuente de combustible para disminuir las
importaciones de diésel.
1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
En la actualidad con el desarrollo tecnológico existente y debido al incremento del
costo de los combustibles fósiles y los problemas medioambientales derivados de su
explotación, se ha puesto hincapié en la búsqueda de fuentes de energías renovables
ya que estas son inagotables, limpias y se utilizan de forma autogestionada. Para el
hombre, el desarrollo de los biocombustibles favorece el impulso de la investigación
científica sobre palmeras y aceites. Siendo indispensable que se desarrollen en
conjunto, líneas de investigación dirigidas hacia el estudio de la variabilidad
bioquímica, la adaptación agronómica, la conservación y manejo de la diversidad
genética de las palmeras.
La gran diversidad de palmeras del Ecuador ofrece un escenario único para el
desarrollo de investigación en oleaginosas; y es probable que nuestros bosques
tropicales alberguen a las futuras especies comerciales que producirán aceites
comestibles e industriales del futuro.
ACEITE DE PALMA
En la industria, el aceite de palma ha sido uno de los productos de mayor crecimiento.
Este se extrae del mesocarpio de los frutos de la palma africana a través de
procedimientos mecánicos. Esta planta alcanza hasta 20m de altura, su hábitat se
encuentra en los trópicos húmedos, quince grados al norte y al sur de la línea
Ecuatorial. Las zonas que se encuentran a una altura entre 1700 a 2500 msnm, con
temperaturas promedio de 24ºC, una humedad relativa de 84 a 88% y precipitaciones
de 2,5 a 3,2 m anuales (INIAP, 2011). El aceite de palma crudo está constituido por
una mezcla de ésteres de glicerol (triglicéridos) y es fuente natural de carotenos y
vitamina E. Presenta un importante contenido de antioxidantes y relación balanceada
2
entre ácidos grasos saturados e insaturados, por tanto disminuye la formación de
colesterol sérico, así como dos fracciones, líquida (oleína) y sólida (estearina). Estas
características le confieren una apariencia semisólida a temperatura ambiente, por lo
cual no requiere hidrogenación, y le convierte en una alternativa saludable entre los
aceites comestibles existentes. Debido a su alto contenido en carotenos y
tocotrienoles, el aceite de palma ha evidenciado un efecto preventivo contra eventos
cardiovasculares, algunos tipos de cáncer, envejecimiento y enfermedades crónicas,
por ser la fuente más rica en la naturaleza de carotenos y el único aceite que posee
tocotrienoles. (Rincón y Martínez, 2009, p. 19).
Dentro del grupo de aceites vegetales, el aceite de palma posee propiedades
ventajosas que estimulan su aplicación en diversas industrias, diversificando su uso
en campos como el alimenticio, combustibles, lubricantes, aislantes, detergentes,
cosméticos, plásticos y farmacéuticos, ya que cumple con las especificaciones
requeridas para los productos en estos sectores, siendo el aceite de palma una materia
prima de gran interés para el desarrollo industrial.
1.1.1
CULTIVOS DE PALMA AFRICANA EN ECUADOR
En la actualidad, Ecuador ocupa el segundo lugar en Latinoamérica, después de
Colombia, en la producción de aceite crudo de palma y es el séptimo productor a nivel
mundial, siendo la palma africana uno de los principales cultivos en el Ecuador. La
geografía y las condiciones ambientales donde se cultiva determinan la producción y
eficiencia que se pueda obtener. Ecuador cuenta con tres zonas principales: en el
oeste, la llanura costera del Pacífico y estribaciones menores de los Andes; en el
centro, la cordillera andina, entre ella varios picos volcánicos; y al este, extensas áreas
boscosas bajas, que forman parte de la cuenca del Amazonas (Potter, 2011, p. 40).
Existen para el desarrollo de este cultivo tres condiciones básicas que deben reunir las
zonas donde se establecen plantaciones de palma:
3
·
Existencia de infraestructura vial
·
Disponibilidad de un importante contingente de mano de obra
·
Condiciones ecológicas favorables
Según el censo de plantaciones realizado en el año 2005, el área de cultivo casi se
duplicó en la década de 1995 a 2005, de 106 000 a 207 285 Ha de palma aceitera
sembradas (Instituto Nacional de Estadistica y Censo, 2011).
Para el año 2011 según la Encuesta de Superficie y Producción agropecuaria, la
superficie sembrada fue de 244 574 Ha, presentando la producción de palma africana
un incremento a una tasa de variación anual promedio de 4,67%. El mayor volumen
se registró en 2010, año con un crecimiento de 3,85% alcanzando 7 931 060 t, con un
rendimiento de 36,78 t/Ha (Instituto Nacional de Estadistica y Censo, 2011) como se
puede observar en la Figura 1.1.
Figura 1.1 Superficie, producción y rendimiento anuales de palma africana
(Instituto Nacional de Estadistica y Censo, 2011)
4
1.1.1.1 Requisitos ecológicos del cultivo
Los factores ecológicos determinantes en el rendimiento productivo de la palma
africana son:
·
La calidad del suelo, debe ser franco-arcillo-limoso ricos en nitrógeno, fósforo,
magnesio y calcio. De buena porosidad y aireación, profundos y con un buen
poder de retención del agua.
·
El clima, óptimo es el tropical lluvioso a una altitud entre 1 700 a 2 500 msnm.
·
El régimen de lluvias, debe ser alto y con una distribución regular durante el
año. El nivel pluviométrico requerido está entre 1 800 mm3 a 3 500 mm3 anuales.
·
La temperatura, oscila entre los 25 a 28 °C cuando es inferior a los 19 °C, los
rendimientos disminuyen y por debajo de los 15 °C se detiene el crecimiento de
la planta.
·
La heliofanía, que es la duración de brillo solar u horas de sol, influye sobre la
maduración de los racimos y el porcentaje de aceite en pulpa con un mínimo
anual de 1 700 horas de sol.
1.1.1.2 Requerimientos económicos del cultivo
Debido a que es un cultivo perenne, se dificulta el cálculo de la rentabilidad por lo tanto
los costos como los ingresos son variables a través de un período de varios años. No
obstante el cultivo de palma africana exige, un elevado capital de inversión inicial el
cual es fundamentalmente destinado a la construcción de infraestructuras para la
explotación de la plantación. El volumen de inversión define las características de la
plantación: tamaño, nivel tecnológico e integración con la industria (Potter, 2011, p.
45).
5
1.1.2
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL ACEITE DE PALMA REFINADO
Las características propias de producción de aceite de palma vincula estrechamente
la fase agrícola al proceso industrial, debido a que el proceso técnico de
transformación del fruto se realiza en dos etapas diferentes:
·
La extracción del aceite del fruto
·
La refinación del aceite crudo, hidrogenación y elaboración del producto final
(mantecas comestibles y jabones)
1.1.2.1 Fase de extracción
Es el proceso mediante el cual se extrae el aceite crudo del fruto de la palma africana
para su posterior refinación. El procedimiento de extracción es mecanizado y se puede
realizar de dos formas: mediante inmersión o por percolación; o combinando ambas
formas. Por lo general debido a las características peculiares de la palma: la alta
perecibilidad del fruto, su fuerte contenido de humedad y la desigual distribución anual
de la producción, las plantas extractoras están ubicadas cerca de las plantaciones. Sin
embargo, la instalación de una planta extractora de aceite solo se justifica para
plantaciones con una superficie superior a las 300 Ha ya que esto implica una inversión
elevada, por lo cual la mayoría de las plantas extractoras funcionan dentro de las
plantaciones grandes y dan servicios a otros agricultores.
1.1.2.2 Fase de refinación
El proceso de refinación está compuesto por los subprocesos de desgomado y
refinación química, blanqueo, desodorización y fraccionamiento para reducir su acidez,
color, olor y además para la separación de sus fases líquida y sólida.
6
Con el proceso de refinación, el aceite de palma africana puede ser aprovechado en
la elaboración de múltiples productos tanto de aceites como de mantecas comestibles.
El desgomado es el subproceso mediante el cual se extraen gomas e impurezas del
aceite crudo, que no son más que fosfátidos, que pueden causar problemas al
momento de almacenar el aceite. La separación de las impurezas se realiza mediante
centrifugación luego de añadir de 2% a 3% de agua, y realizado un calentamiento
previo entre 60 ºC y 70 ºC.
El blanqueo, neutralización o refinación química, es donde se busca eliminar del aceite
los ácidos grasos libres, fosfolípidos y mono-acilglicéridos; por medio de una
saponificación mediante el uso de sosa cáustica para alcanzar una concentración de
ácidos grasos menor a 0,1%. Este método consiste en agregar hidróxido de sodio del
12,0% al 15,0%, acelerando la reacción mediante el calentamiento del aceite e
hidróxido hasta temperaturas cercanas a 70 ºC y luego purgando por medio de la
centrifugación. El blanqueo o decoloración se produce a través del uso de agentes
adsorbentes, en un proceso de adsorción. Estos agentes son tierras filtrantes, arcillas
neutras, arcillas ácidas o carbón activado que serán separados por filtración, más
ácido fosfórico y ácido cítrico. La mezcla del aceite y los agentes adsorbentes se
calientan a temperaturas entre 80 °C a 90 ºC, por un lapso de 15 a 20 minutos; para
luego pasar a través de un proceso de filtrado.
Con la desodorización se busca eliminar sustancias volátiles que dan un olor
indeseable al aceite, los cuales provienen de reacciones de oxidación. Este proceso
se lo realiza a bajas presiones (5 mmHg), dado que esto evita el deterioro del aceite,
utilizándose un cilindro desaireador, donde dichos compuestos indeseables, son
removidos por vacío mediante la aplicación de una corriente de vapor, luego de haber
calentado previamente el aceite a una temperatura entre 150°C a 160ºC.
El fraccionamiento como último subproceso de la refinación permite la separación de
las fases líquida y sólida del aceite de palma por medio del enfriamiento controlado y
filtración.
7
1.1.3
CARACTERÍSTICAS DEL ACEITE DE PALMA REFINADO
1.1.3.1 Composición del aceite de palma africana
El aceite de palma está compuesto por los ácidos grasos insaturados que constituyen
los triglicéridos (TG) como son el oléico con un 36,0 al 44,0% y el linoléico con un 9,0
al 12,0%. Además posee los ácidos grasos saturados palmítico de 39,3 al 47,5% y
esteárico de 3,5 al 6,0%. Dichos triglicéridos proporciona una mejor biodisponibilidad
de ácidos grasos mono insaturados y la importancia de la biodisponibilidad de los
ácidos
grasos
insaturados
oléico
y
linoléico,
está
en
que
estos
son
hipocolesterolemiantes, y por tanto disminuyen las concentraciones de colesterol.
Además, posee una mínima cantidad de los ácidos grasos como el láurico (< 5,0%) y
mirístico (0,5 al 2,0%),
los cuales
son considerados hipercolesterolémicos y no
generan un aumento del colesterol en la sangre (Rincón y Martínez, 2009, p. 12).
En la Tabla 1.1 se detalla la composición de ácidos grasos en aceite refinado de palma
africana.
Tabla 1.1 Composición del aceite de palma
ÁCIDO GRASO
COMPOSICIÓN
Palmítico (C16:0)
44,0
Oléico (C18:1)
39,2
Linoléico (C18:2)
10,1
Esteárico (C18:0)
4,5
Mirístico (C14:0)
1,1
Láurico (C12:0)
0,2
Otros
0,9
(Tipanluisa L., 2008, p. 19)
8
Otra característica importante del aceite de palma es su alto contenido de
antioxidantes naturales, como los carotenos β-caroteno (62%) y el α-caroteno (38%) y
los tocotrienoles que componen más del 80% del total de la vitamina E (Rincón y
Martínez, 2009, p. 13).
1.1.3.2 Parámetro de calidad y requisitos de identificación del aceite crudo de palma
Los antioxidantes presentes en el aceite de palma son de gran importancia en la
estabilidad ya que actúan inhibiendo o retardando el proceso de peroxidación lipídica
sobre los ácidos grasos insaturados, hasta llegar a la refinación del aceite donde los
peróxidos e hidroperóxidos son eliminados con la desodorización, obteniéndose como
resultado que puede permanecer por largos períodos de tiempo con sabor y olor
neutro.
Además de las cualidades intrínsecas del aceite de palma, las industrias de refinación
de aceites y grasas buscan bajo contenido de ácidos grasos libres (AGL), de humedad
e impurezas y buena blanqueabilidad. La razón es que un aceite con tales
características permite obtener productos inodoros e incoloros bajo condiciones
moderadas de operación. Para este propósito se ha desarrollado por el Malaysian
Palm Oil Board (MPOB) un parámetro exclusivo DOBI como indicador de la calidad del
aceite a la estabilidad, la oxidación y la blanqueabilidad. La escala para el DOBI indica
que valores por debajo de 1,68 corresponden al peor estado de oxidación del aceite y
valores superiores a 3,24 a una calidad excelente, que permite preservar agentes
antioxidantes aún después de la desodorización (Gee, 2005, p. 2). Otros requisitos de
identificación que debe cumplir el aceite de palma incluyen densidad, índice de yodo,
índice de saponificación e índice de refracción (INEN 1 640, 2012).
·
El índice de yodo determina el número de insaturaciones que tienen los
triglicéridos del aceite y con frecuencia se utiliza para establecer los requisitos
9
que debe cumplir el aceite como materia prima de productos derivados y sus
propiedades, como: el número de cetano en el biodiesel.
·
El índice de saponificación es una medida del contenido global de triglicéridos
presentes en el aceite en función de grupos alcalinos reactivos y, por tanto,
ofrece la posibilidad de conocer el peso molecular de un aceite.
·
El índice de refracción es una determinación física que está relacionada con
el peso molecular de la sustancia, el grado de insaturación, el grado de
conjugación de los componentes y la longitud de sus cadenas, que depende de
la temperatura (Gunstone, 2002, p. 59,93). Pequeñas variaciones se emplean
para verificar la identidad, calidad y pureza del aceite.
Para la ciencia en general es de suma importancia predecir el comportamiento de los
aceites bajo condiciones de proceso. La viscosidad, densidad o tensión superficial son
de relevancia para el óptimo desarrollo de un proceso industrial.
·
La densidad es una propiedad que relaciona la masa de la sustancia con su
volumen y se utiliza para determinar dimensiones de equipos y caudales,
teniendo el aceite de palma una densidad entre 0,891 g/ml a 0,914 g/ml (INEN
1 640, 2012).
·
La viscosidad es una medida a la resistencia a fluir de una sustancia, para el
aceite de palma es cercana a 37,8 cP a 40°C. Comparado con otros aceites
similares, se requiere menor potencia en los sistemas de bombeo para el
transporte del aceite de palma.
·
La tensión superficial, se encuentra entre 30 a 32 N/m para el aceite de palma,
este parámetro por definición es la tendencia de la superficie del líquido a
contraerse al no poder neutralizar las fuerzas de interacción entre las moléculas
que lo componen.
Las propiedades energéticas son de gran importancia en el estudio de una sustancia
y su transformación en los diferentes estados de la materia. Relacionado con los
10
cambios de fases de la sustancia, algunas propiedades como entalpía, calores de
fusión y vaporización establecen la cantidad de calor requerido para generar un cambio
de estado de agregación de la materia determinando el diseño del proceso así como
los costos asociados a él.
·
El calor de fusión o entalpía de fusión del aceite de palma está entre 84,8 a
93,4 J/g, y es la cantidad de energía necesaria para hacer que un gramo de una
sustancia que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al
líquido, a presión constante sin darse un cambio apreciable de temperatura ya
que el calor es completamente empleado en modificar la estructura del material.
·
El calor de vaporización es la energía necesaria para que la unidad de masa
de una sustancia que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a presión
atmosférica pase completamente del estado líquido al estado gaseoso. Según
(Castañeda, Narváez y Rincón, 2005, p. 3) el calor de vaporización para el
aceite de palma es de 26,27 J/g.
·
La capacidad calorífica es la cantidad de energía necesaria para generar un
aumento de temperatura de 1°C por unidad de masa. En el rango de 25 a 100°C
para aceites sin hidrogenar, la capacidad calorífica es de 2,07 a 2,29 J/g°C
(Rincón y Mártinez, 2009, p. 17).
·
Calor estándar de formación es una medida de la energía de unión de las
moléculas de la sustancia. Para el aceite de palma tiene un valor entre 1,84*1092,05*109 J/kmol, que es alto, debido a su alto peso molecular.
·
Calor de combustión es el calor necesario para oxidar totalmente hasta
dióxido de carbono sus componentes para el aceite de palma lo es de
aproximadamente 42,99 kJ/g.
·
Temperatura de fusión es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio
de fases sólido-líquido que para el aceite de palma está entre 34 a 40°C a
presión atmosférica. Las fases presentes en el aceite de palma son la sólida y
líquida, lo que conlleva a implementar sistemas de calentamiento durante su
transporte y almacenamiento para mantenerlo en estado líquido.
11
·
La temperatura de almacenamiento del aceite de palma oscila entre 40 a
50°C. Teniendo en cuenta los sistemas de transporte para aceites para la carga
y descarga se requieren temperaturas entre 50 a 55°C, lo que implica mayores
gastos energéticos para el almacenamiento y descargue.
·
La temperatura de ebullición es la temperatura a la cual la materia cambia del
estado líquido al estado gaseoso. En el caso del aceite de palma presenta un
valor de 371°C. Las propiedades críticas como la temperatura crítica, presión
crítica y volumen crítico son de gran importancia principalmente para cálculos
de correlaciones de propiedades volumétricas, de transporte y termodinámicas
de la sustancia.
·
La constante dieléctrica es la tendencia de un material a polarizarse ante la
aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo
interno del material. Es una propiedad de tipo macroscópica, de un medio, que
no posee conductividad eléctrica, por lo cual se tratan como aislantes de la
electricidad, relacionándolo con la permisividad que tiene un medio a la
electricidad, que para el aceite de palma oscila entre 1,75 a 2,70 (εr).
·
El punto de chispa o punto de inflamación se define como la temperatura a
la que la sustancia está en condiciones de iniciar una combustión pero le falta
el calor de ignición. Para el caso del aceite de palma es de 280ºC, y dicho valor
es superior a la temperatura de los aceites minerales (145ºC), y ello lo convierte
en una alternativa apta para el usos en transformadores eléctricos (Rincón y
Mártinez, 2009, p. 19).
El aceite de palma no es soluble en sustancias polares como el agua y el glicerol; pero
en bajas proporciones (<0,3% en peso) es soluble en metanol, es soluble en
sustancias de baja polaridad como es el caso de ésteres metílicos (Rincón y Mártinez,
2009, p. 18) y por ende en solventes apolares como dietiléter, cloroformo, benceno,
tolueno, xileno, cetonas, hexano, ciclohexano y tetracloruro de carbono.
12
BIODIESEL
El Biodiesel se compone de los ésteres etílicos o metílicos de ácidos grasos obtenidos
a partir de aceites vegetales o aceites animales puros o residuales. El mismo debe
cumplir especificaciones contenidas la norma ASTM D 6751 para uso en motores a
compresión.
Para el caso de biodiesel de palma africana, se lo define como ésteres mono-alquil de
ácidos grasos de cadena extensa originados del aceite de la palma aceitera. Diferentes
estudios han demostrado que el biodiesel reduce substancialmente las emisiones
gaseosas de dióxido de carbono, sulfuros, olores nocivos y partículas contaminantes
de la atmósfera. Al ser un combustible oxigenado, el biodiesel tiene una combustión
más completa que el diésel, mejorando la composición de las emisiones (Castro et al.,
2007, p. 43).
1.2.1
CARACTERÍSTICAS DEL BIODIESEL
El biodiesel desde el punto de vista cualitativo presenta disímiles características como:
·
A temperatura ambiente según el tipo de materia prima utilizada para su
producción presenta un color que varía entre dorado a marrón oscuro
·
Tiene características higroscópicas absorbiendo agua del ambiente
·
Reacciona con el caucho natural degradando el mismo
·
Presenta un proceso de degradación más acelerado que el diésel
·
Combustiona con una menor relación de aire/combustible
·
Presenta mejores propiedades lubricantes y mayor índice de cetano con
respecto al diésel
13
Como ventajas se pueden citar:
·
No contiene azufre ni compuestos aromáticos poli nucleares
·
Puede producir una combustión más limpia, disminuye en 90% la cantidad de
hidrocarburos sin quemar, monóxido de carbono y aldehídos
·
Puede usarse puro o mezclarse en cualquier proporción con el combustible
diésel
·
Desarrollo sostenible
·
Elevado punto de inflamación
·
Es biodegradable
Como desventajas se pueden citar:
·
Aumento de los óxidos de nitrógeno en las emisiones
·
Aumento de la viscosidad a bajas temperatura
·
Deposición (precipitación) de residuos mono, di y triglicéridos
·
Produce corrosión (por restos de etanol o metanol)
·
Puede contener residuos de agua y jabones insolubles
Para el empleo del biodiesel, este debe cumplir con normas internacionales para
comprobar la calidad del combustible y el nivel de impurezas remanentes. Existen
diferentes normas de calidad que se deben cumplir un biodiesel las cuales son:
·
Norma Europea: NORMA EN 14214:2008. Se muestre en el Anexo I.
·
Norma Americana: NORMA ASTM D 6751:2012. Se muestra en el Anexo II.
En Ecuador, para la producción de un biodiesel de calidad se debe cumplir con la
norma técnica emitida por el Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN) 2482-2009
donde se establecen los requisitos que deben cumplir los ésteres metílicos o etílicos
14
de ácidos grasos que van a ser empleados como combustibles para motores de ciclo
diésel. Los mencionados requisitos se presentan en la Tabla 1.2.
Tabla 1.2 Requisitos para el biodiesel de la Norma NTE INEN 2482-2009
(Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN), 2009)
1.2.2
DEMANDA NACIONAL DEL DIÉSEL
El consumo de diésel en Ecuador ha estado en constante aumento en las últimas
décadas, ya que los principales combustibles en motores vehiculares en Ecuador
provienen del petróleo y son la gasolina en vehículos livianos, y el diésel en vehículos
pesados, por lo cual su consumo sobrepasa la producción anual, por lo tanto se
requiere de su importación en un 58,2% del mercado interno y sin embargo estos
presentan un subsidio en el país (Muñoz, 2014, p. 19).
15
En el mundo moderno se empieza a utilizar los biocombustibles como alternativa
energética. En el caso del bioetanol puede usarse en diversas mezclas con gasolina
(del 10 al 15% de etanol sin alterar el motor del vehículo), mientras que en los motores
a diésel empieza a utilizarse mezclas con biodiesel. La comunidad europea plantea un
grado de reemplazo de biodiesel de hasta un 20% en el diésel fósil consumido
anualmente (Barriga, 2007, p. 1). En Ecuador como consecuencia de esta tendencia,
se declara de interés nacional la producción, comercialización y uso de biocarburantes
y se crea el Consejo Consultivo de Biocombustibles y por medio del Decreto Ejecutivo
2332, Registro Oficial 482 del 15 de Diciembre 2004 se incorporó en las políticas
nacionales el apoyo al uso de biocombustibles.
Así mismo con el propósito de disminuir las importaciones de combustibles, se
estableció el decreto Nº 1303 en el que se consideran varios aspectos entre ellos: “Que
es necesario fomentar la producción y el consumo interno de biocombustibles debido
a la importancia estratégica de este sector y a sus efectos positivos sobre la seguridad
y autosuficiencia energética del país” (Decreto 1303, 2012, p. 2,), por ello se decreta
“Declárese de interés nacional el desarrollo de biocombustibles en el país como medio
para el impulso del fomento agrícola.
La producción, el uso y el consumo de los biocombustibles responderá a una estrategia
inclusiva de desarrollo rural, precautelando la soberanía alimentaria y sostenibilidad
ambiental”, (Decreto 1303, 2012, p. 3).
1.2.3
MATERIAS PRIMAS
El biodiesel se lo puede obtener a partir de diferentes fuentes de aceites, como aceites
vegetales, aceites y grasas animales, sean estos puros o residuales. En la Tabla 1.3
se muestran las variedades de cultivos oleaginosos con características favorables que
se emplean como materia prima para la obtención de este biocombustible.
16
Tabla 1.3 Materias primas utilizadas en la producción de biodiesel
De semillas oleaginosas
Soya, colza, girasol, coco, maíz
De frutos oleaginosas
Aceite y grasas
vegetales
Aceites y grasas
animales
Aceites y grasa
usadas
Otros aceites
Palma Africana
Brassica carinata, Camelina sativa,
De semillas oleaginosas alternativas
Pogianus, Ricinus communis, Jatropha
curas, Plukenetia volubilis.
Oleaginosas modificadas
Aceite de girasol de alto contenido
genéticamente
oléico.
Aceites de final de campaña
Aceite de oliva de alta acidez.
Sebos de vaca y de búfalo.
Grasas de pollo, de cerdo y pescado.
Aceite usado en frituras.
Aceite de producción microbiana, aceite de algas.
En el Ecuador las oleaginosas más sembradas son la soya, palma, palmiste, maní,
girasol, maíz, colza (aceite de canola) y chía (Proecuador, 2014), sin embargo estos
cultivos no están destinados para producir biodiesel, por lo tanto en la actualidad no
satisfacen una posible demanda a nivel industrial para este fin.
En Ecuador, la evolución de la superficie sembrada del cultivo de palma africana en
los últimos años ha mantenido un crecimiento considerablemente sostenido; conforme
los datos del Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC), constituyendo el
segundo productor de palma africana en América Latina y el séptimo en el mundo,
cuya cifra estimada para el 2014 es de 520 000 t, siendo el consumo de 215 000 t, lo
que representa un excedente de 305 000 t (Fedepal, Estadisticas, 2013). Esto significa
que hay gran disponibilidad de aceite para producción de biodiesel a escala industrial.
Cualquiera que sea la materia prima empleada para elaborar biodiesel es necesario
que el porcentaje de ácidos grasos libres sea menor del 0,5%, para garantizar una
menor cantidad de subproductos.
17
1.2.4
MÉTODOS DE ELABORACIÓN DEL BIODIESEL
El biodiesel se produce mediante una reacción de transesterificación del aceite vegetal
con etanol o metanol, en presencia de un catalizador como son el hidróxido de sodio
(NaOH) o el hidróxido de potasio (KOH), generando el éster etílico o metílico, y como
subproducto del proceso glicerol. Como resultado de la reacción se obtiene el biodiesel
y glicerina como subproducto, que precipita al fondo del reactor (Barriga, 2007, p. 3),
en la Figura 1.2 se muestra la reacción de transesterificación.
Figura 1.2 Reacción de transesterificación del aceite para la obtención del biodiesel
(Martínez, Sánchez y Suarez, 2007, p. 344)
La mezcla de alcohol/éster se separa y el exceso de alcohol se recicla, los ésteres son
pasados a un proceso de purificación, mediante el lavado con agua, secado al vacío y
posterior filtrado. En la actualidad existe una enorme variedad de tecnologías y
procesos de transesterificación para la obtención de biodiesel a partir de aceites
vegetales y en cada una de ellas se presentan modificaciones en las condiciones de
reacción y mecanismos de separación, siendo la catálisis alcalina el método más
empleado en la industria de la producción de biodiesel. De forma general se lleva a
cabo mediante la mezcla del aceite con metanol o etanol en un 16 y 43%
respectivamente luego dependiendo de la catalización química que se vaya a efectuar
se le agrega de 1-3 % del catalizador a emplear. Cada uno de los componentes debe
estar libre de agua para evitar la formación de jabón.
18
Se agita la mezcla durante 40-60 minutos a una temperatura entre 50°C a 65°C en un
reactor, luego se lleva a cabo un proceso de separación de fases donde se separa la
fase glicérica que se forma a partir de la glicerina, de los jabones, del catalizador y del
metanol sobrante y luego se someten ambos productos a procesos de refinación y
lavados.
En el caso del éster formado, se lava con agua para eliminar los remanentes del
catalizador y de glicerina y se somete a secado, para posteriormente ser almacenado
como producto terminado (Elizalde y Rodríguez, 2009, pp. 16,17), el proceso se
muestra en la Figura 1.3.
Figura 1.3 Proceso de producción de biodiesel
(Mira, 2003, p. 17)
A continuación se clasifican según diferentes parámetros los métodos de obtención de
biodiesel teniendo en cuenta el tipo de catálisis química y el volumen de producción.
Por el tipo de catálisis química:
·
Catálisis homogénea o heterogénea
·
Catálisis enzimática
19
·
Catálisis en medio ácido
·
Catálisis alcalina
·
Condiciones supercríticas
Por tamaño o volumen de producción:
·
Discontinuo o Batch (por lotes)
·
Semi-continuo
·
Continuo o Gran escala
1.2.5
PROCESOS BATCH
El método convencional más simple para la producción de biodiesel es el conocido
método “Batch” o por lotes. Se trata de un proceso “discontinuo” o de producción por
lotes, donde se produce el proceso de transesterificación mediante reactores con
agitación y/o recirculación de los fluidos.
La reacción se lleva a cabo en un reactor mediante agitación y temperatura controlada,
donde, el aceite se precalienta hasta la temperatura de proceso y el metóxido, obtenido
tras disolver el catalizador en el alcohol (metanol o etanol), se mezclan para que
reaccionen. Para alcanzar conversiones aceptables (>90%), es necesario operar a
temperaturas cercanas a 60 °C, con tiempos de reacción aproximadamente de una
hora (Knothe, Gerpen y Krah, 2005, pp. 37,38).
El proceso de producción de biodiesel requiere el contacto de dos fases inmiscibles y
el transporte de los reactivos y producto a través de dichas fases (Bertrand y Joulia,
2008, p. 1104) por lo que, al estar las fases en el reactor, se mantiene la temperatura
además de una agitación constante para favorecer la mezcla y la reacción.
20
La velocidad de reacción para producir biodiesel está íntimamente ligada a la
transferencia de masa. En el caso del reactor por lotes la velocidad de agitación es un
punto fundamental para formar una emulsión, donde pequeñas burbujas de una fase
interactúan en el interior de la otra fase.
En el reactor por lotes el contacto entre fases depende del diámetro y forma de las
burbujas de una fase en el seno de la otra. Este diámetro está determinado por la
velocidad de agitación y de las dimensiones del reactor utilizado; de tal manera que la
velocidad de agitación debe ser muy alta para lograr el buen contacto entre fases (Lifka
y Ondruschka, 2004, p. 1156).
Una vez transcurrido el tiempo de reacción, se detiene la agitación y se suspende el
calentamiento del reactor. Al suspenderse la agitación, inmediatamente se empieza la
separación de las dos fases inmiscibles, dejándolo reposar hasta la separación total.
Al terminar el proceso de transesterificación se separan glicerina y metil-ésteres
mediante decantación o centrifugación. Sin embargo, ambas fases bien definidas
contienen impurezas donde tanto la fase pesada (glicerina) como la fase ligera (metilésteres) contienen exceso de subproductos obtenidos de forma general en la reacción
como son: compuestos del aceite que no reaccionaron, el catalizador, metanol, jabón
y agua. Por lo cual es necesario separarlos y purificarlos para finalmente obtener
biodiesel y glicerina. El objetivo del proceso de purificación es llevar el pH de la mezcla
de metil-ésteres y las concentraciones de contaminantes de ambos productos hasta
los niveles aceptables por las normas (Romano y Sorichetti, 2012, p.7).
Como características del proceso discontinuo de baño por lotes se puede mencionar:
·
Volumen de producción reducido
·
Condiciones moderadas de presión y temperatura
·
Alto rendimiento (hasta 98%)
21
·
Tiempo de residencia bajo
·
Conversión directa en una sola etapa
·
Materiales convencionales para construcción de equipos (acero inoxidable y
acero al carbono)
·
1.2.6
Un régimen discontinuo permite tener controlado el proceso en caso de fallo
PROCESO DE PURIFICACIÓN
El proceso de purificación se puede llevar a cabo de dos maneras: 1) después de haber
separado ambas fases, donde se trata por individual cada subproducto de la reacción
con los métodos característicos para cada uno de ellos; 2) se destila y recuperan los
alcoholes que no reaccionaron de ambos compuestos antes de la decantación y
separación de las fases, y se procede a post-tratamientos que lleven a la pureza a la
glicerina y al biodiesel.
1.2.6.1 Purificación del biodiesel
Después de la separación de la glicerina y destilación de alcohol, el biodiesel debe ser
adicionalmente purificado, retirando residuos de catalizador, glicerina y alcohol. Este
proceso se efectúa mediante una neutralización de restos de catalizador que no
reaccionó, varias etapas de lavado, un proceso de filtrado y secado del biodiesel a una
temperatura de 100 ºC. El lavado húmedo es un método de purificación que genera
grandes volúmenes de efluentes los que necesitan ser tratados antes de su descarte.
Otra alternativa es la vía seca la cual usa adsorbentes como silicatos de magnesio, gel
de sílice entre otros. Este proceso de purificación da como resultado un éster de una
pureza del 98% que puede utilizarse como combustible (Predojevic y Skrbic, 2009, p.
998).
22
1.2.6.2 Purificación de la glicerina
La glicerina proveniente del proceso de producción de biodiesel está contaminada con
agua, mono-glicéridos, di-glicéridos, sales, jabones, residuos de catalizador y algunos
residuos de ésteres. El primer paso para purificar la glicerina es la eliminación de los
jabones utilizando una neutralización con un ácido mineral, obteniendo ácidos grasos
libres y sus sales. Luego se remueve el metanol mediante un proceso de destilación
flash al vacío u otro tipo de evaporación y se somete a un proceso de filtrado. De esta
forma se obtiene glicerina con una pureza aproximada del 85% que puede ser vendida
a refinerías.
La calidad del producto final depende críticamente del correcto diseño del proceso de
purificación y del control del mismo durante la producción. El proceso de producción
batch puede resumirse en las siguientes etapas (Romano y Sorichetti, 2012, p. 4).
·
Pre-tratamiento de las materias primas
·
Mezcla de alcohol y catalizador
·
Reacción de transesterificación
·
Separación de los productos de la reacción
·
Purificación de los productos de la reacción
1.2.7
REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN
La transesterificación es el proceso más difundido y utilizado para la producción de
biodiesel. Se define como el proceso químico de transformación de un éster a otro por
medio del intercambio del grupo alcohoxi de un éster por un alcohol.
En éste, intervienen, además del metanol o etanol (alcohol), un catalizador para
convertir los ácidos grasos en ésteres metílicos obteniéndose a partir del aceite vegetal
23
o animal ésteres metílicos (biodiesel) y glicerina ambos en fases bien delimitadas, esta
reacción puede ocurrir en un medio ácido o básico y los mecanismos son equivalentes
a la hidrólisis (Fukuda, Kondo y Noda, 2001, p. 92). En la Figura 1.4 se muestra la
reacción química total de la transesterificación.
Figura 1.4 Reacción química de la transesterificación
(Elizalde y Rodríguez, 2009, p.19)
Desde el punto de vista de la reacción química la obtención de ésteres empleando una
reacción de transesterificación, se lleva a cabo en tres pasos:
·
Ataque a la cadena de carbonos por parte del ion hidroxilo (OH), los triglicéridos
son convertidos a di-glicéridos, como se muestra en la Figura 1.5.
Figura 1.5 Primera etapa de la reacción de transesterificación
(Mira, 2003, p. 8)
·
El di-glicérido reacciona con el Metanol en exceso para generar ésteres y monoglicéridos, como se muestra en la Figura 1.6.
24
Figura 1.6 Segunda etapa de la reacción de transesterificación
(Mira, 2003, p. 8)
·
En la tercera y última etapa los mono-glicéridos dan lugar a la formación de una
cadena de ésteres de ácidos grasos (biodiesel) y glicerol como se muestra en
la Figura 1.7.
Figura 1.7 Tercera etapa de la reacción de transesterificación
(Mira, 2003, p. 8)
Se obtienen tres ésteres a partir de una molécula de triglicérido. La presencia de
humedad en el aceite, o de agua generada durante la reacción química puede tender
a formar jabones que flotan o precipitan, generando problemas para su manipulación
y uso posterior.
1.2.8
CATÁLISIS HETEROGÉNEA
Los catalizadores utilizados en la obtención de biodiesel se clasifican en dos
categorías generales: homogéneos y heterogéneos. Si el catalizador se encuentra en
la misma fase de los reactivos durante el proceso transesterificación, la reacción se
25
considera catalítica homogénea, mientras que si el catalizador permanece en
diferentes fases a la de los reactivos el proceso es considerado cono una
transesterificación catalítica heterogénea (Rincón y Silva, 2015, p. 238).
A diferencia de los catalizadores homogéneos, los heterogéneos (soportados o no) se
logran separar con facilidad de los productos dando la posibilidad de poder
reutilizarlos. Facilita considerablemente la separación y la purificación del biodiesel y
la glicerina.
Para determinar la viabilidad de un catalizador heterogéneo se debe tener en cuenta
el costo, disponibilidad, actividad catalítica, rendimiento de la reacción, interacción con
los reactivos y productos, durabilidad, y condiciones de reacción (Cardeño, Ríos y
Franco, 2010, p. 89).
Los procesos con catalizadores heterogéneos mejoran el proceso debido a que en la
transesterificación, las etapas de lavado del biodiesel obtenido se reducen, el proceso
se hace ambientalmente amigable y se obtienen rendimientos altos de metil-ésteres.
A pesar de esto, el método no es viable para grandes volúmenes de producción, pues
es muy susceptible a las impurezas. Los catalizadores homogéneos tienen problemas
por la generación de jabones (reacciones de saponificación) que conllevan a tener
grandes dificultades en los procesos de separación de la mezcla entre el biodiesel y la
glicerina; además el catalizador se disuelve en las corrientes de productos lo que
incrementa los costos de separación y se imposibilita su reutilización.
Existen varios tipos de catalizadores heterogéneos que se utilizan en la producción de
biodiesel como los cuales se exponen a continuación (Mira, 2003, p. 15):
·
Resinas de intercambio aniónico: Amberlyst A26 y Amberlyst A27
·
Resinas de intercambio catiónico: Amberlyst 15 y Amberlyst XN-1010
·
Óxidos metálicos: óxido de magnesio (MgO) y óxido de calcio (CaO)
26
·
Zeolitas: USY-292
·
Ácidos de Lewis: cloruro de estañoso (SnCl2)
·
Catalizadores de Titanio: TILCOM STC
·
Catalizadores de Zirconio: MELCat XZO682/01 y MELCat XZO645/01,
(Melchemicals, GB)
1.2.9
ÓXIDO DE CALCIO
El calcio es un elemento esencial para la vida de las plantas y animales, su distribución
en la naturaleza es muy amplia encontrándose en casi todas las áreas terrestres del
mundo, además los compuestos de calcio constituyen el 3,64% de la corteza terrestre
(Donald, 2004, p. 137).
A su vez un óxido se define como la combinación binaria de un elemento con el
oxígeno, estos pueden ser compuestos iónicos o covalentes. El óxido de calcio (CaO),
es un óxido metálico formado por un átomo de calcio y un átomo de oxígeno. Este
compuesto químico, también conocido como cal o cal viva, se puede encontrar en la
naturaleza: de la aglomeración del agua marina, la cual posee concentraciones altas
de carbonato de calcio y se obtiene mediante reacciones químicas y procesos
fisicoquímicos.
Uno de los procesos fisicoquímicos que se utilizan para la obtención del óxido de calcio
es la calcinación. Este proceso se basa en la descomposición térmica de los minerales
de carbonato de calcio (CaCO3) en altos hornos aplicando un proceso de lecho
continuo. El CaCO3 después de ser extraído en las canteras pasa por un proceso de
granulado y tamizado y luego se calienta en hornos rotatorios o verticales a una
temperatura superior a los 900 °C para expulsar el CO 2 de la caliza (CaCO3 más
impurezas) y producir óxido de calcio CaO (Coloma, 2008, p. 33), compuesto químico
denominado comúnmente como cal viva.
27
El proceso se puede expresar mediante la secuencia química representada por la
Ecuación 1.1 y sus principales propiedades se exponen en la Tabla 1.4.
௖௔௟௢௥
‫ܱܥܽܥ‬ଷ ሱۛۛሮ ‫ ܱܽܥ‬൅ ‫ܱܥ‬ଶ
[1.1]
Tabla 1.4 Propiedades del óxido de calcio
PROPIEDAD
VALOR
Densidad (g/ml)
3,3
Masa molar (g/mol)
56,1
Punto de fusión (ºC)
2 572
Punto de ebullición (ºC)
2 850
(Isquisa , 2015)
1.2.9.1 Usos y aplicaciones del óxido de calcio
El óxido de calcio tiene numerosos usos y aplicaciones, entre las más comunes se
encuentran (Isquisa, 2015):
·
Útil en la preparación de morteros y cementeros
·
Se emplea como blanqueador doméstico
·
En la industria del curtido de pieles, se utiliza para extraer el pelo
·
Estabilización y neutralización de los terrenos ácidos para agroindustria
·
Depuración de gases
·
Tratamiento de agua
·
Industria del papel
·
Elaboración de jabón
·
Fabricación de caucho y carburo cálcico
·
Fundición de elementos químicos (cobre, zinc, plomo)
28
1.2.9.2 Características como catalizador
En la industria, la obtención de ésteres se produce principalmente por medio de la
reacción de transesterificación en fase homogénea, utilizando catalizadores de
naturaleza básica. Sin embargo a pesar que estos métodos permiten alcanzar altos
rendimientos, se produce la formación de jabones con dichos catalizadores lo cual
produce una glicerina de baja calidad que requiere de procesos de purificación
bastante costosos ya que el catalizador se debe neutralizar una vez terminada la
reacción, lo cual adiciona etapas en el proceso y aumenta la generación residuos
indeseados. Debido a estas razones, mediante el uso de los catalizadores
convencionales no es posible procesar aceites o grasas de baja calidad, aumentando
los costos de producción del biodiesel tanto por obtención de materia prima, como por
procesamiento.
Una alternativa para superar estas limitaciones es el uso de catalizadores básicos
heterogéneos, debido a que pueden recuperarse fácilmente de los productos de
reacción mediante filtración, lo que conlleva a que no se requieran procesos de
purificación y o neutralización, y se podrían reutilizar logrando disminuir el costo de
producción de biodiesel, por lo que han sido ampliamente estudiados (Dinis, 2012, p.
33.).
Los catalizadores básicos sólidos, en especial óxidos de metales alcalinos y alcalinotérreos, son los más empleados, debido a su buena recuperación y reutilización.
Varios autores han investigado sobre los tipos de catalizadores sólidos básicos y
ácidos que pueden ser empleados en la transesterificación de los triglicéridos del
aceite y en la esterificación de los ácidos grasos libres (AGL). A su vez se han
realizado ensayos utilizando como catalizadores diferentes sólidos básicos como:
óxido de magnesio (MgO), óxido de calcio (CaO), óxido de estroncio (SrO), óxido de
bario (BaO) y se ha determinado que el CaO es uno de los más prometedores.
29
Presenta la mayor actividad catalítica, con un rendimiento del 90%, además presenta
una alta fortaleza básica. Después de realizar reacciones sucesivas, no muestra una
disminución en su actividad y a su vez la obtención del biodiesel no se ve afectada por
el aumento en la concentración del CaO (Castellar, Angulo y Cardoso, 2014, p. 97).
Igualmente (López, Martín, Zafra, Mariscal, Cabello, Moreno, Santamaría y Fierro,
2007, p. 73) encontró evidencia de la lixiviación del catalizador en el medio de reacción,
aunque permite reutilizar el catalizador durante 8 ciclos catalíticos sin que se degrade
su fortaleza catalítica. El CaO al contactar con el aire se hidrata y carbonata
rápidamente. En los ensayos realizados por este autor se obtuvieron conversiones del
94% a los 90 min de reacción, mediante el empleo de 1% en peso de CaO (referido al
aceite).
Así mismo otros trabajo (López, Sádaba, Mariscal y Ocón, 2007, p. 89), se centraron
en estudiar la lixiviación del CaO en el medio de reacción y también obtuvieron
resultados semejantes a (López et al., 2007, p. 73) observando que el catalizador
puede reutilizarse durante un número importante de ciclos con una carga de
catalizador superior al 1% en peso referido al aceite.
Otros se centraron en las propiedades fisicoquímicas de varios catalizadores de CaO
obtenidos a partir de diversos precursores, el mejor comportamiento catalítico se
obtiene con el CaO derivado del CaCO3, por medio de la calcinación y que la densidad
superficial de los centros básicos de los diferentes catalizadores es el parámetro clave
para explicar las diferencias en las velocidades de reacción obtenidas. Se obtuvo un
buen rendimiento del 96,5% a las 2 h de reacción, manteniendo la actividad catalítica
durante 10 ciclos consecutivos utilizando CaO obtenido por calcinación a 1 173 K
(Kouzu y Hidaka, 2011, pp. 4-6).
30
2. PARTE EXPERIMENTAL
Para el desarrollo del proyecto se emplearon los siguientes materiales, reactivos y
equipos necesarios para la obtención del biodiesel, en las Tablas 2.1, 2.2 y 2.3 se
muestran los detalles de los mismos.
Tabla 2.1 Materiales
MATERIALES
CAPACIDAD (mL)
Agitador magnético
-
Balón
500
Desecador
-
Embudo separador
500
Espátula
-
Matraces
500
Nueces Pinzas
-
Probeta
100
Pipeta
10 y 25
Soporte universal
-
Tubo de refrigeración
-
Vasos de precipitación
250, 500 y 600
Varilla de vidrio
-
Tabla 2.2 Descripción de Equipos
EQUIPOS
MARCA
CAPACIDAD
SENSIBILIDAD
Termómetro
Vee Gee Brand
150 ºC
1 ºC
Plancha de calentamiento
Cole-Parmer
450ºC
-
Balanza analítica
Ae ADAM
120 g
0,0001 g
Mufla
Lindeberg GS
10 000 ºC
1 ºC
Reactor rotatorio de presión autogenerada
-
5L
-
31
Tabla 2.3 Descripción de los reactivos
REACTIVOS
FÓRMULA
CASA COMERCIAL
GRADO DE PUREZA
Ácido clorhídrico
HCl
Mallinckrodt
100%
Ácido periódico
HIO4
-
Reactivo
Almidón
(C6H10O5)n
Mallinckrodt
Reactivo
Cloroformo
CCl4
Merck
Reactivo
Dicromato de potasio
K2Cr2O7
BDH Chemicals
Reactivo
Etanol
C2H6O
Panreac
95 %
Hidróxido de Sodio
NaOH
JT Baker
Reactivo
Tiosulfato de sodio
Na2S2O3
-
Reactivo
Yoduro de potasio
KI
Mallinckrodt
Reactivo
CARACTERIZACIÓN DEL ACEITE DE PALMA REFINADO
2.1.1
MATERIAS PRIMAS
La gama de aceites con los que se puede elaborar biodiesel es bastante grande, están
los aceites de primera, segunda y tercera generación, esto quiere decir, aceites
reciclados de freidoras, aceites vegetales refinados y grasas animales comestibles
comerciales y aceites de uso no comercial respectivamente. El primer paso fue
seleccionar el aceite con el que se iba a trabajar, el aceite que se empleó como materia
prima fue seleccionado de entre varias marcas existentes en el mercado nacional, por
su composición ya que las diferentes marcas son una mezcla de aceites procedentes
de diferentes oleaginosas entre ellas de soya, oliva y girasol, se optó por el aceite de
cocina RESQUISITO elaborado de la empresa aceitera ALES, debido a que se trata
de un aceite 100% de palma africana, se lo adquirió en las presentaciones de baldes
de 20L y en fundas de 500mL.
El alcohol seleccionado para la reacción fue el metanol por ser de cadena corta y
alcanzar alta pureza, la pureza del metanol con la que se trabajó fue de 99,85%. Con
32
base a los estudios realizados de diversos catalizadores básicos heterogéneos, se
seleccionó como catalizador de la reacción de transesterificación el CaO, por su alta
actividad catalítica, disponibilidad y bajo precio en el mercado local, la pureza del
catalizador fue del 99,0%, la composición fue proporcionada de la empresa
distribuidora, como se muestra en la Tabla 2.4.
Tabla 2.4 Composición del óxido de calcio
COMPUESTO
VALOR
Cloruro (Cl)
Máx. 0,005%
Nitrato (NO3)
Máx. 0,005%
Sulfato (SO4)
Máx. 0,1%
Metales pesados (Pb)
Máx. 0,005%
Hierro (Fe)
Máx. 0,1%
(LOBAChemie, 2012)
2.1.2
CARACTERIZACIÓN DEL ACEITE
El aceite seleccionado fue caracterizado a través del índice de acidez, índice de
saponificación, índice de yodo, densidad y humedad, por los métodos que se muestran
en la Tabla 2.5, los procedimientos se muestran el Anexo III.
Tabla 2.5 Métodos para la caracterización del aceite de palma africana
PARÁMETRO
MÉTODO
Ácidos grasos libres (como palmítico)
NTE INEN 0038
Humedad
NTE INEN 0039
Índice de yodo, Wij’s
NTE INEN 0037
Índice de saponificación
NTE INEN 0040
Densidad
NTE INEN 0035
33
OBTENCIÓN DE LAS MEJORES CONDICIONES DE LA
REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN PARA LOGRAR EL
MAYOR RENDIMIENTO
2.2.1
TRANSESTERIFICACIÓN
Para la producción de biodiesel se realizó una reacción de transesterificación, donde
reaccionan los triglicéridos del aceite de palma y el metanol, en presencia del
catalizador sólido básico, dando como resultado glicerina y una mezcla de ésteres de
ácidos grasos, como se muestra en la Figura 2.1.
CH2 O
C R1
CH
O
O
C R2
CH2 O
O
C R3
R1COOCH 3
CH2OH
+
R COOC
COOCH3
CaO
CH OH
+3CH 3OH
2
+
Catalizador
O
Aceite (Triglicérido)
CH2OH
+
R COOC
COOCH3
Glicerina
Biodiesel
(mezcla de metil ésteres)
3
Figura 2.1 Reacción de transesterificación
(Elizalde y Rodríguez, 2009, p. 19)
La relación molar, metanol/aceite tomada fue de 6:1 (Elizalde y Rodríguez, 2009, p.
21), el catalizador tuvo un tratamiento previo que consistió en una calcinación a 549ºC
durante 4 horas. (Albis, Parra y Sánchez, 2005, p. 74). Con el fin de observar el efecto
de la temperatura, el tiempo de reacción y la concentración de catalizador en el
rendimiento de la reacción, se realizó un diseño factorial 32x 2, se trabajó a dos
temperaturas, 50ºC y 125ºC, se tomó tres niveles de concentraciones de: 0,5, 1,0 y
1,5% en peso de CaO respecto a la masa de aceite contenido en cada ensayo y los
tiempos de reacción fueron de 1,5, 3,0 y 6,0 horas. En la Tabla 2.6 se muestra el diseño
experimental, y el número de repeticiones realizadas.
34
Tabla 2.6 Descripción de las condiciones de reacción para cada ensayo
50ºC
Temperatura
Tiempo de
reacción (h)
Porcentaje
de
Catalizador
1,5
3,0
125ºC
6,0
1,5
3,0
6,0
0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
El proceso a temperatura de 50 ºC y a presión atmosférica se efectuó en un balón de
vidrio de 500 mL de capacidad a reflujo y agitación. Para el proceso se mezcló el
catalizador con el metanol, en el balón de vidrio, en las proporciones requeridas de
cada ensayo, se los colocó a reflujo durante 30 minutos a 50ºC, al mismo tiempo se
calentó el aceite a 50ºC, al término de los 30 min se añadió el aceite en la mezcla
metanol/catalizador y se dejó con agitación.
El proceso a 125ºC se realizó en un reactor de presión autogenerada con chaqueta de
calentamiento eléctrico y agitación por rotación. Para este caso se procedió de similar
forma, se colocó a reflujo el metanol sobre el catalizador durante 30 min a 50ºC al
mismo tiempo que se calienta el aceite, concluido el tiempo de reflujo, rápidamente se
vertió en el reactor el metanol/catalizador y el aceite, y se dejó en agitación. La
agitación tanto en el balón de vidrio como en el reactor, debe asegurar un número de
Reynolds mayor de 10 000, por lo que se ha fijado en 600 rpm (Albis, et al., 2005, p.
73).
2.2.2
PURIFICACIÓN DEL BIODIESEL
Una vez concluido el tiempo de reacción, para cada prueba se detuvo la agitación y se
acondicionó el equipo de destilación, para recuperar el metanol en exceso.
35
El contenido tanto del balón como del reactor se dejó en reposo por 24 horas en un
embudo separador, en el cual se decantaron para obtener la fase oleosa (biodiesel) y
la fase glicérica. Cada fase pasó por papel filtrante en un filtro a presión por separado,
para eliminar los restos de catalizador de las fases y recuperar completamente el CaO.
El volumen de biodiesel fue recolectado y cuantificado para determinar el porcentaje
de rendimiento obtenido, mediante una comparación entre el volumen de biodiesel
alcanzado después de la purificación y el volumen inicial de aceite colocado para cada
prueba, como se muestra en la Ecuación 2.1.
ߟൌ
ܸܾ݅‫݈݁ݏ݁݅݀݋‬
‫ͲͲͳ כ‬
ܸܽܿ݁݅‫݈ܽ݅ܿ݅݊݅݁ݐ‬
[2.1]
Donde:
η= rendimiento de biodiesel, en %
Vaceite inicial= Volumen de aceite empleado para cada prueba, en mL.
Vbiodiesel= Volumen de biodiesel obtenido después de la purificación, en mL.
2.2.3
ANÁLISIS DE LA VARIANZA
Con los datos de los porcentajes de rendimiento obtenidos de cada prueba, se
realizaron los respectivos análisis de varianza para establecer la presencia de
dependencia estadística entre las variables de diseño, esto se lo realiza mediante el
programa STATGRAPHICS. La interpretación de las gráficas proporcionadas por el
programa, orienta a establecer las mejores condiciones para el proceso de elaboración
del biodiesel, y por lo tanto las condiciones con las que se diseña la planta piloto.
36
CARACTERÍSTICAS DEL BIODIESEL OBTENIDO
De cada condición de temperatura y tiempo de reacción se seleccionó la prueba de
mayor rendimiento para su caracterización, a las cuales se les sometió a las pruebas
respectivas según la norma técnica ecuatoriana INEN 2482:2009 en la que se
encuentran los requisitos para el biodiesel B100 (concentración 100%) los métodos de
ensayos de esta norma están basados en las normas ASTM como se especifica en la
Tabla 2.7.
Tabla 2.7 Características evaluadas del biodiesel B100
ENSAYO
MÉTODO
Densidad a 15 ºC
ASTM D 1298
Punto de inflamación
ASTM D 93
Agua y sedimentos
ASTM D 1796
Viscosidad cinemática a 40 ºC
ASTM D 445
Contenido de azufre
ASTM D 1552
Carbón residual
ASTM D 4530
Corrosión a la lámina de cobre
ASTM D 130
Número de Cetano calculado
ASTM D 613
Temperatura de destilación al 90% recuperado
ASTM D 1160
Glicerina libre y total
ASTM D 6584
Número de acidez
ASTM D 664
Contenido de ésteres
EN 14103
Las muestras seleccionadas de mayor rendimiento, se las analizó por espectroscopía
infrarroja, en un equipo FTIR Perkin Elmer Spectrum, provisto de un cristal de seleniuro
de cinc y un accesorio de reflectancia atenuada para determinar la presencia de
ésteres metílicos.
De esta manera se realizó una comparación y análisis de la calidad del biodiesel
obtenido, la prueba de mejor calidad se empleó para realizar las mezclas biodiesel B5,
B10 y B20, es decir una mezcla de biodiesel/diésel 5%, 10% y 20% en volumen
37
respectivamente, las cuales fueron caracterizadas mediante los métodos de la norma
INEN 1489:2011, para diésel Nº 2, los ensayos realizado se especifican en la Tabla
2.8.
Tabla 2.8 Características evaluadas para las mezclas de biodiesel/ diésel B5, B10 y B20
ENSAYOS
MÉTODO
Punto de inflamación
NTE INEN 1493 Procedimiento A
Contenido de agua y sedimento
NTE INEN 1494
Residuos de carbón
NTE INEN 1491
Temperatura de destilación del 90%
NTE INEN 926
Viscosidad cinemática a 37,8ºC
NTE INEN 810
Contenido de Azufre
NTE INEN 1490
Corrosión a la lámina de cobre
NTE INEN 927
Índice de Cetano calculado
NTE INEN 1495
DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
Una vez establecidas las mejores condiciones de elaboración de biodiesel obtenidas
experimentalmente, se procedió a diseñar la planta de obtención de biodiesel con una
capacidad de producción de 200 L/día de biodiesel B100, tal capacidad se fijó para
reemplazar el 30% del consumo de diésel diario, de la compañía de transportes
urbanos Latina, por lo tanto, el biocombustible que provee la planta es una mezcla
biodiesel en un 20% con diésel en un 80% (B20).
Se estableció el diagrama de bloques, como se muestra en la Figura 2.2, para
identificar las operaciones del proceso de producción de biodiesel.
38
CaO
Catalizador
Calcinación
CaO
Alcohol
Alcohol
Aceite
Reactor
Mezclado
Destilación
CaO
Separación de
Fases y Filtrado
Glicerina
B 100
Mezclado
Diésel
B 20
Figura 2.2 Diagrama de bloques del proceso de producción de biodiesel
Con los respectivos balances de masa, en los que se aplicaron ciertas relaciones
obtenidas en la fase experimental y de bibliografía, se procedió a diseñar los equipos
principales como son: un reactor tanque agitado con un revestimiento de material
aislante, calentamiento eléctrico y presión autogenerada, mismo que funcionará como
decantador, el tiempo que se dejó en reposo cada prueba, para una separación de
fases bien definida fue de 24 horas.
Para el diseño del filtro se empleó la teoría de Carman, que dice que la velocidad de
filtración es el cociente entre la intensidad de la acción provocada por el flujo (presión
P) y la resistencia a este flujo (R). Las condicione del filtrado y la resistencia (R) se
determinaron experimentalmente, ya que (R) viene dada por la resistencia del
precipitado y del material filtrante, las cuales dependen de las condiciones de filtrado.
El tamaño de partícula del catalizador CaO, se determinó por microscopia electrónica
de barrido en el laboratorio de Nuevos Materiales de la Escuela Politécnica Nacional,
39
además se realizó la caracterización de las fases, con el propósito de diseñar un filtro
a presión para separar el catalizador de las fases líquidas.
Con base en las condiciones de cada operación, se dimensionaron los equipos
necesarios para cada una de estas y se seleccionaron los materiales de construcción
de los tanques de almacenamiento de materias primas, productos y subproductos,
tanque de mezcla metanol-catalizador y tanques para mezclas biodiesel/diésel,
estableciendo previamente las condiciones de operación en cada proceso, sean éstas
de temperatura, presión, tiempo de residencia y las características del reactivo que
contiene.
Con ello se estableció las dimensiones del área de producción, la distribución de los
equipos en la planta (Layout) y los respectivos diagramas de flujo.
ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE PRODUCCIÓN
Los costos de producción y rentabilidad del proyecto se establecieron mediante el
cálculo de los indicadores económicos, valor actual neto (VAN) y tasa de interna de
retorno (TIR).
Para estimar los costos de producción del biodiesel, se establecieron los costos de las
materias primas e insumos empleados en cada proceso, se estableció los costos de
mano de obra para un tiempo de operación de la planta de 8 horas diarias por cinco
días laborables, tanto del personal operador como administrativo.
El costo de los equipos se los determinó después de su dimensionamiento y diseño,
en el caso del reactor y filtro los costos contemplaron los requerimientos de
construcción ya que son específicos para las exigencias de los procesos
respetivamente.
40
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
CARACTERIZACIÓN DEL ACEITE DE PALMA REFINADO
Una vez adquirido el aceite de palma se procedió a la caracterización del mismo, con
los parámetros que se muestran en la Tabla 2.4. Los resultados obtenidos se
encuentran en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1 Resultados de la caracterización del aceite de palma adquirido
PARÁMETRO
RESULTADOS
Ácidos grasos libres (como palmítico % w)
0,198
Humedad (% w)
0,14
Índice de yodo, Wij’s (cg/g)
59
Índice de saponificación (mg/g KOH)
212,70
Densidad relativa
0,91
Figura 3.1 Aceite de palma caracterizado
41
Los resultados obtenidos están dentro del rango definido en la norma INEN 1640
Aceite comestible de palma africana. Lo cual revela que el aceite que se adquiere en
el mercado local cumple con las normas establecidas para su comercialización,
además que su porcentaje de ácidos grasos libres es el adecuado para el proceso de
transesterificación, sin necesidad de una esterificación previa para bajar el contenido
de AGL, debido que un alto contenido de estos AGL genera jabones reduciendo el
rendimiento de la reacción. El porcentaje de humedad también influye en la formación
de jabones, si el aceite presenta un alto contenido de humedad debe ser secado antes
de emplearlo para la producción de biodiesel.
El índice de yodo determina el grado de insaturación que presenta el aceite, se prefiere
un número bajo de índice de yodo ya que producirá un biodiésel de mejor calidad,
refiriendo a la estabilidad oxidativa que le confiere.
El índice de saponificación determina el contenido de triglicéridos con lo que permite
establecer el peso molecular de dicho aceite, además determina la producción de
jabones, un bajo índice genera menos jabones.
La densidad relativa es un parámetro que influye en las condiciones de
almacenamiento y transporte.
OBTENCIÓN DE LAS CONDICIONES DE LA REACCIÓN DE
TRANSESTERIFICACIÓN PARA LOGRAR EL MAYOR
RENDIMIENTO
Conociendo las características del aceite con el que se producirá el biodiesel se
procede a realizar las pruebas con las diferentes condiciones que se especifica en la
Tabla 2.5. Los equipos que se utilizaron para llevar acabo la obtención de biodiesel
mediante catálisis heterogénea se presentan en la Figura 3.2.
42
a)
b)
Figura 3.2 Equipos en los que se realizaron las reacción de transesterificación: a) a T=50ºC y
b) a T=125ºC
Después de la reacción de transesterificación al dejar en reposo durante 24 horas se
obtuvo la separación de tres fases, como se muestra en la Figura 3.3.
BIODIESEL
CATALIZADOR CaO
GLICERINA
Figura 3.3 Separación de fases después de 24 horas de reposo
43
3.2.1
TRANSESTERIFICACIÓN Y PURIFICACIÓN
Una vez destilado, separado y filtrado el biodiesel, se cuantificó el volumen obtenido
en cada condición, el rendimiento se calculó por medio de la Ecuación 2.1, en las
Tablas 3.2 y 3.3 se presentan los volúmenes recolectados con sus respectivos
rendimientos.
Tabla 3.2 Volúmenes y rendimientos de biodiesel obtenidos a temperatura de 50ºC y presión
atmosférica con los diferentes niveles de tiempo de reacción y porcentaje de catalizador
Catalizador
%
Volumen
(mL)
Rendimiento
Volumen
Rendimiento
%
(mL)
%
Tiempo de reacción= 1,5 horas
Volumen
(mL)
Rendimiento
%
0,5
174,2
78,12
174,8
78,39
175,6
78,74
1,0
178,9
80,22
178,0
79,82
178,4
80,00
1,5
180,4
80,90
180,2
80,81
180,1
80,76
Tiempo de reacción= 3,0 horas
0,5
199,7
89,55
199,5
89,46
200,1
89,73
1,0
202,5
90,81
202,5
90,81
202,2
90,67
1,5
202,7
90,90
203,3
91,17
202,6
90,85
Tiempo de reacción= 6,0 horas
0,5
211,0
94,62
211,8
94,98
210,0
94,17
1,0
212,5
95,29
212,9
95,47
215,8
96,77
1,5
214,1
96,01
213,5
95,74
214,0
95,96
Se observa que el porcentaje de rendimiento de biodiesel aumenta con una mayor
cantidad de catalizador empleada a un mismo tiempo de reacción, igualmente se tiene
un incremento en el rendimiento con un mayor tiempo de reacción, alcanzando un
rendimiento alrededor del 95% con un tiempo de reacción de 6,0 horas.
44
Tabla 3.3 Volúmenes y rendimientos de biodiesel obtenidos a temperatura de 125ºC y presión
de 30 psi con los diferentes niveles de tiempo de reacción y porcentaje de catalizador
Catalizador
%
Volumen
(mL)
Rendimiento Volumen Rendimiento
%
(mL)
%
Tiempo de reacción= 1,5 horas
Volumen
(mL)
Rendimiento
%
0,5
501,3
93,88
842,0
94,71
841,8
94,69
1,0
508,0
95,13
849,5
95,56
849,9
95,60
1,5
509,3
95,37
851,7
95,80
852,0
95,84
Tiempo de reacción= 3,0 horas
0,5
849,5
95,56
850,1
95,62
850,0
95,61
1,0
852,3
95,87
851,6
95,79
852,8
95,93
1,5
854,5
96,12
853,7
96,03
854,7
96,14
Para una mejor apreciación se obtuvo los promedios de los rendimientos, los que se
muestran en las Tablas 3.4 y 3.5.
Tabla 3.4 Rendimientos promedios de biodiesel obtenidos a temperatura de 50ºC y presión
atmosférica con los diferentes niveles de tiempo de reacción y porcentaje de catalizador
Bloque
B1
B2
B3
Tiempo de
reacción (h)
1,5
3,0
6,0
Porcentaje
de
Catalizador
(%)
0,5
Temperatura de Reacción
50ºC
1,0
80,01 ± 0,20
1,5
80,82 ± 0,07
0,5
89,58 ± 0,14
1,0
90,76 ± 0,08
1,5
90,97 ± 0,17
0,5
94,59 ± 0,40
1,0
95,84 ± 0,81
1,5
95,90 ± 0,14
RENDIMIENTO
78,42 ± 0,31
45
Figura 3.4 Biodiesel obtenido a 50ºC, 6 horas y 1,5% de catalizador
Como se muestra en la Tabla 3.4 el porcentaje más bajo obtenido es de 78,42%, dentro
de las condiciones del bloque B1 el rendimiento se incrementó hasta en un 2,40%,
entre el mayor rendimiento del bloque B1 y el menor rendimiento del bloque B2 existe
un incremento del 8,76% dentro del bloque B2 hay un aumento de rendimiento de
1,39%. Haciendo una comparación entre el bloque B2 y el bloque B3 se dio un
incremento del rendimiento de 3,62% y dentro del bloque B3 existió un aumento de
1,31%.
Por lo que se observa que el porcentaje de rendimiento va en aumento hasta lograr un
valor de 95,90%, sin embargo las diferencias entre bloques cada vez disminuyen,
debido que la mayor conversión de triglicéridos a ésteres metílicos se da en la primera
hora de reacción.
46
Tabla 3.5 Rendimientos promedios de biodiesel obtenidos a temperatura de 125ºC y presión
de 30 psi con los diferentes niveles de tiempo de reacción y porcentaje de catalizador
Bloque
B4
B5
Tiempo de
reacción (h)
1,5
3,0
Porcentaje de
Catalizador
(%)
Temperatura de reacción
125ºC
RENDIMIENTO
0,5
94,43 ± 0,48
1,0
95,43 ± 0,26
1,5
95,67 ± 0,26
0,5
95,60 ± 0,04
1,0
95,86 ± 0,07
1,5
96,10 ± 0,06
Figura 3.5 Biodiesel obtenido a 125ºC, 3 horas y 1,5% de catalizador
Como se muestra en la Tabla 3.5, a temperatura de 125ºC y con un tiempo de reacción
de 1,5 horas, dentro del boque B4 el aumento del porcentaje de rendimiento de
biodiesel fue de 1,24%, con un tiempo de reacción de 3 horas se obtuvieron
rendimientos hasta de 96,10%, bajo esas condiciones de tiempo de reacción se
observó un incremento de 0,5% lo cual no representa un aumento significativo.
47
Como se observa, los porcentajes en cada uno de los boques cada vez disminuyen.
Desde el punto de vista de optimización del proceso, es deseable que los tiempos de
reacción sea los más cortos, por lo que al tener ya rendimientos satisfactorios a 1,5
horas y 3,0 horas, resultó innecesario realizar la reacción a 6,0 horas, ya que
representaba un desperdicio de materia prima, tiempo y gasto de energía del equipo
empleado, por tal razón no se realizaron los ensayos respectivos.
De estas pruebas se seleccionaron las condiciones que presentan mayor rendimiento,
en las Tablas 3.6 y 3.7 constan las muestras de biodiesel seleccionadas para realizar
las caracterizaciones correspondientes.
Tabla 3.6 Muestras de biodiesel a 50ºC seleccionadas para caracterización
Tiempo de
reacción (h)
Porcentaje de
Catalizador
(%)
Temperatura de reacción
50ºC
RENDIMIENTO
Condiciones
1,5
1,5
80,82
C1
3,0
1,5
90,97
C2
6,0
1,5
95,90
C3
Tabla 3.7 Muestras de biodiesel a 125ºC seleccionadas para caracterización
3.2.2
Tiempo de
reacción (h)
Porcentaje de
Catalizador
(%)
Temperatura de reacción
125ºC
RENDIMIENTO
Condiciones
1,5
1,5
95,67
C4
3,0
1,5
96,10
C5
ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE VARIABLES
Para establecer las mejores condiciones en la obtención de biodiesel mediante la
reacción de transesterificación, se empleó el programa STATGRAPHIC el cual evalúa
el efecto estadísticamente significativo de las variables: concentración de catalizador,
temperatura y tiempo de reacción en el proceso de obtención de biodiesel.
48
Se realizó un análisis multifactorial de la varianza para el rendimiento, el análisis tiene
un nivel de confianza del 95,0%.
A continuación se presenta la Tabla 3.8 del análisis estadístico de cada una de las
variables.
Tabla 3.8 Análisis de la varianza para el rendimiento de biodiesel
FUENTE
SUMA DE
GRADOS DE CUADRADO
RAZÓN-F VALOR-P
CUADRADOS LIBERTAD
MEDIO
PRINCIPALES EFECTOS
A:concentracion
15,51
2
7,75
1,31
0,28
B:temperatura
976,97
1
976,97
164,61
0,00
C:tiempo
933,39
2
466,69
78,63
0,00
RESIDUAL
231,46
39
5,93
TOTAL (CORREGIDO)
1 704,85
44
Como se muestra en la Tabla 3.8, el valor de P para el factor concentración de
catalizador es de 0,28, lo que indica que no hay una diferencia estadísticamente
significativa en el rendimiento con los distintos niveles de concentración de catalizador.
Los valores para el factor temperatura y tiempo de reacción son menores del 0,05 en
ambos casos, lo que indica que existe una diferencia estadísticamente significativa en
el rendimiento con los diferente niveles de estos factores.
En las Figuras 3.6, 3.7 y 3.8 se representan los niveles medios de cada factor, con lo
que es posible observar si los diferentes niveles de cada factor presentan significancia
estadística en el rendimiento de obtención de biodiesel. Para la interpretación de las
gráficas se observan los intervalos, cuando se traslapan horizontalmente indican que
no existe diferencia estadísticamente significativa y tienen un efecto independiente con
un nivel de confianza del 95,0%.
49
Figura 3.6 Gráfica de medias de rendimiento respecto a la concentración de catalizador
En la Figura 3.6 se observa que, aunque el rendimiento incrementa con el aumento
del porcentaje de catalizador hasta obtener un rendimiento aproximado del 95% con
un porcentaje de catalizador de 1,5 % en peso con respeto al aceite, se observa que
los tres intervalos que representan los diferentes niveles del factor porcentaje de
catalizador se traslapan horizontalmente, lo que significa, que el rendimiento no
depende directamente de este factor.
50
Figura 3.7 Gráfica de medias de rendimiento respecto a la temperatura de reacción
En la Figura 3.7 se observa que el rendimiento incrementa con el aumento de la
temperatura, el par de intervalos que representan los niveles de temperatura de
reacción no se traslapan horizontalmente, lo que significa que existe una diferencia
estadísticamente significativa, es decir la temperatura tiene una marcada influencia
sobre el rendimiento de obtención de biodiesel.
En la Figura 3.8 se observan los distintos niveles de tiempo de reacción y su influencia
en el rendimiento, los intervalos no se traslapan por lo que se concluye que hay una
diferencia estadísticamente significativa, es decir el rendimiento depende directamente
del tiempo de reacción.
51
Figura 3.8 Gráfica de medias de rendimiento con respecto al tiempo de reacción
Se tiene que tanto la temperatura y tiempo de reacción influyen directamente sobre el
rendimiento, es decir para cada nivel le corresponde un rendimiento determinado,
aumentando con el incremento de los niveles de dichos factores. El rendimiento
aumenta al aumentar la temperatura y al aumentar el tiempo de reacción.
En la Tabla 3.9 se muestran los mínimos cuadrados medios para el rendimiento de la
reacción de transesterificación, con base a los valores de esta tabla se determinó el
nivel de concentración de catalizador, temperatura y tiempo de reacción al que le
corresponde el valor del mayor rendimiento obtenido.
52
Tabla 3.9 Mínimos cuadrados medios para el rendimiento de la reacción de transesterificación
ERROR
LÍMITE
LÍMITE
ESTÁNDAR INFERIOR SUPERIOR
NIVEL
CANTIDAD
MEDIA
Media general
45
93,75
0,5
15
92,94
0,65
91,61
94,26
1,0
15
94,00
0,65
92,68
95,32
1,5
15
94,31
0,65
92,99
95,63
125
18
98,96
0,66
97,62
100,30
50
27
88,54
0,46
87,59
89,49
1,5
18
87,46
0,57
86,30
88,62
3,0
18
93,14
0,57
91,98
94,30
6,0
9
100,65
0,90
98,81
102,49
Concentración (%)
Temperatura (ºC)
Tiempo (h)
Se determinó que el mayor rendimiento se alcanza con una temperatura de 125ºC
a un tiempo de reacción de 6 horas, y un porcentaje de catalizador de 1,5 %.
Sin embargo, como ya se observó en la Figura 3.6 el porcentaje de catalizador no
influye directamente en el rendimiento por lo que se opta por un porcentaje de
catalizador de 1,0%, debido a que con un aumento de 1,5% de catalizador no existe
un aumento marcado en el rendimiento. Para optimizar el proceso, se selecciona
un tiempo de reacción de 1,5 horas, ya que con tiempos de reacción más largos se
tienen similares rendimientos obtenidos como se muestra en la Tabla 3.5. Por lo
tanto las condiciones óptimas seleccionadas para el diseño de la planta piloto
quedan establecidas como se muestra en la Tabla 3.10.
Tabla 3.10 Condiciones óptimas para la obtención de biodiesel y diseño de la planta piloto
Porcentaje de catalizador
Temperatura de reacción
Tiempo de reacción
(%w) respecto a la masa de aceite
(ºC)
(h)
1,0
125
1,5
53
Figura 3.9 Biodiesel recolectado después del proceso de purificación
CARACTERIZACIÓN DEL BIODIESEL OBTENIDO
3.3.1
CARACTERIZACIÓN DEL BIODIESEL B100
Después de la purificación del biodiesel y su posterior recolección, para la
caracterización se seleccionó los ensayos que presentaron mayor rendimiento que
constan en las Tablas 3.6 y 3.7. La caracterización se la realizó en base a la Norma
Técnica Ecuatoriana INEN 2482, se siguió los procedimientos de los métodos ASTM
que se indican en la Tabla 2.6. En las Tablas 3.11 hasta la 3.22 se muestran los valores
de los diferentes parámetros para el biodiésel obtenido en las condiciones que fueron
seleccionadas.
54
·
Densidad a 15ºC
Tabla 3.11 Densidad a 15ºC según el método ATSM D 1298
Temperatura de reacción
50ºC
Densidad
3
a 15ºC (kg/cm )
125ºC
C1
C2
C3
C4
C5
880,51
880,51
881,05
881,62
882,17
Según la norma ASTM D 1298, establece el rango de valor de densidad que debe
cumplir el biodiesel elaborado, siendo el valor mínimo de 860 kg/cm3 y el máximo valor
esperado de 900 kg/cm3. Como se muestra en la Tabla 3.11 los valores de densidad
de cada una de las muestras caen dentro del rango de aceptabilidad.
·
Punto de inflamación
Tabla 3.12 Punto de inflamación del biodiesel según el método ASTM D 93
Temperatura de reacción
Punto de
Inflamación (ºC)
50ºC
125ºC
C1
C2
C3
C4
C5
35
35
36
47
47
En la norma ASTM D 93 se establece que el mínimo que debe tener el punto de
inflamación del biodiesel es de 120ºC, un punto de inflación muestra el riesgo de
inflamabilidad del biodiesel, y con ello se determinan las condiciones de
almacenamiento, transporte y seguridad de la sustancia.
Las muestras de biodiesel presenta un punto de inflamabilidad muy por debajo del
mínimo esperado, esto se debe a que todavía existe metanol disuelto en el biodiesel,
sin embargo, las muestras C4 y C5 se las pueden comparar con el punto de
inflamabilidad del diésel Nº1 que puede tener un valor mínimo de 40ºC según la norma
INEN 1489 de Diésel, tomando las previsiones para este diésel.
55
·
Agua y sedimentos
Tabla 3.13 Agua y sedimentos del biodiesel según el método ASTM D 1796
Temperatura de reacción
50ºC
125ºC
Agua y
C1
C2
C3
C4
C5
Sedimentos (%)
0,15
0,15
0,15
‹ 0,05
‹ 0,05
Las pruebas se las realizaron siguiendo el método ASTM D 1796, el valor máximo que
se espera del biodiesel es de 0,05% de agua y sedimentos. Observando la tabla 3.13
las muestras C1, C2 y C3 están por encima del valor aceptable, esto sucedió debido
a que durante el ensayo decantaron cristales de aceite sin reaccionar, además de
estos cristales no se observó presencia de agua, con las muestras C4 y C5 no se
observó presencia de agua ni precipitados esto es debido a que la reacción fue más
completa.
·
Viscosidad cinemática a 40ºC
Tabla 3.14 Viscosidad cinemática del biodiesel según el método ASTM D 445
Temperatura de reacción
Viscosidad
2
Cinemática (mm /s)
50ºC
125ºC
C1
C2
C3
C4
C5
5,40
5,17
5,45
5,71
5,73
Para el biodiesel se establece un rango de viscosidad según la norma ASTM D 445,
entre 3,5 a 5,0 (mm2/s), el biodiesel obtenido en cada condición presenta una
viscosidad mayor de lo requerido, sin embargo no dista mucho del límite superior. Una
viscosidad alta puede afectar el funcionamiento de la bomba y el sistema de inyección,
también influye en la forma de pulverización, ya que se crean gotas grandes
ocasionando una combustión pobre y una pérdida de potencia en el motor.
56
·
Contenido de azufre
Tabla 3.15 Contenido de azufre del biodiesel, mediante el método ASTM D 1552
Temperatura de reacción
Contenido
C1
50ºC
C2
C3
C4
125ºC
C5
de Azufre (mg/kg)
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
El rango requerido para el biodiesel, según la norma ecuatoriana, se especifica en un
máximo de 10 mg/kg, las cantidades de azufre presentes en el biodiesel obtenido en
cada condición son menores al límite máximo, lo que significa que en la combustión la
cantidad de dióxido de azufre generado será mínima. Cantidades mayores de azufre
suelen corroer el sistema de inyección del motor y un aumento de depósitos en la
cámara de combustión.
·
Carbón residual
Tabla 3.16 Carbón residual del biodiesel, mediante el método ASTM D 4530
Temperatura de reacción
50ºC
125ºC
Carbón
C1
C2
C3
C4
C5
Residual (%)
1,91
1,24
1,33
1,02
0,96
Se establece en la norma ecuatoriana un porcentaje másico máximo de carbón
residual de 0,05%, los resultados obtenidos del biodiesel en cada condición están por
encima del máximo, al presentar un valor alto afecta el funcionamiento del motor
debido a que se generan depósitos en los pistones al no tener una buena combustión.
57
·
Corrosión a la lámina de cobre
Tabla 3.17 Corrosión a la lámina de cobre, mediante el método ASTM D 130
Temperatura de reacción
50ºC
125ºC
Corrosión
C1
C2
C3
C4
C5
Cu
1A
1B
1B
1A
1A
Se establece en la norma ecuatoriana hasta una clasificación de 3, las lecturas que se
obtuvieron están en una clasificación satisfactoria, indicando que en cualquiera de los
casos el biodiesel tiene un efecto corrosivo mínimo en las aleaciones metálicas
presentes en los motores.
·
Número de cetano calculado
Tabla 3.18 Número de Cetano calculado del biodiesel, según el método ASTM D 613
Temperatura de reacción
Número de Cetano
calculado
50ºC
125ºC
C1
C2
C3
C4
C5
47,74
47,03
46,55
44,91
44,06
Se establece un valor mínimo de 49 en el número de cetano según la noma INEN
2482, los valores bajos representa en el motor presencia de ruido, un arranque y
calentamiento más lento, además de un aumento de humo y gases de escape.
·
Temperatura de destilación al 90% recuperado
Tabla 3.19 Temperatura de destilación del biodiesel, según el método ASTM D 1160
Temperatura de reacción
Temperatura de
destilación
al 90% (ºC)
50ºC
125ºC
C1
C2
C3
C4
C5
330,01
326,93
325,91
323,86
308,47
La temperatura de destilación al 90% de recuperado determina si el combustible está
contaminado con componentes de puntos de ebullición altos, de acuerdo a la norma
58
INEN 2482 se establece un valor máximo de 360ºC, como se observa en la Tabla 3.19
el biodiesel, en todos los casos, cumple con este requerimiento.
·
Glicerina libre y total
Tabla 3.20 Glicerina libre y total en el biodiesel, mediante el método ASTM D 6584
Temperatura de reacción
50ºC
125ºC
Muestras
C1
C2
C3
C4
C5
Glicerina Libre (%)
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
Glicerina Total (%)
0,16
0,13
0,11
0,09
0,09
La norma establece un máximo de 0,02% en masa para glicerina libre y un máximo de
0,25 % en masa para glicerina total, se puede observar que el porcentaje de glicerina
libre está por encima del límite máximo sin embargo la glicerina total está por debajo
del máximo, lo que indica que se obtuvo una buena separación de las fases. Un
contenido bajo de glicerina indica que se alcanzó una mayor conversión de aceite en
ésteres metílicos.
·
Número de acidez
Tabla 3.21 Número de acidez del biodiesel, mediante el método ASTM D 664
Temperatura de reacción
Número de
Acidez mg KOH/g
50ºC
125ºC
C1
C2
C3
C4
C5
0,49
0,46
0,42
0,38
0,36
El número de acidez es un indicativo de la presencia de ácidos grasos libres, durante
la reacción debido a la temperatura se provocó la generación de estos, la norma INEN
2482 establece un valor máximo de 0,5 mg KOH/g, los valores obtenidos están bajo el
limite por lo que el biodiesel tiene buena calidad y que valores altos provocarían
corrosión en diversas partes del motor y un aumento en la degradación del biodiésel.
59
·
Contenido de ésteres
Tabla 3.22 Contenidos de ésteres del biodiesel, mediante el método EN 14103
Temperatura de reacción
50ºC
125ºC
Contenido de
C1
C2
C3
C4
C5
Ésteres (%)
79,81
83,11
84,76
90,15
90,24
Se tiene un porcentaje por debajo de lo que especifica la norma INEN 2482, la cual
indica un mínimo de 96,5%, esto indica que la reacción fue incompleta, es decir, existe
una cantidad indeseable de triglicéridos sin reaccionar, además de la presencia de los
mono y di-glicéridos, que provocan depósitos en los cilindros e inyectores y la
cristalización del biodiesel, debiéndose mantenerlo a una temperatura mayor de 16ºC,
ya que estos compuestos tienen un punto de fusión alto.
100.0
95
90
85
80
75
70
65
60
%T 55
50
45
40
35
30
25
20
14.7
4000.
0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
rev.sp - del biodiesel C1 (verde), C2 (negro) y C3 (rojo)
Figura 3.10 Espectro infrarrojo
rev.sp 1 rev.sp -
650.0
60
100.0
95
90
85
80
3475.15
1362.59
75
1033.53
70
3006.79
65
1243.33
60
%T 55
1170.72
50
45
40
35
30
25
1742.08
20
2855.02
12.4
4000.
0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
650.0
rev.sp -
Figura 3.11 Espectro infrarrojo del biodiesel C4 (verde), C5 (negro)
rev.sp -
En las Figuras 3.10 y 3.11 se muestra los espectros infrarrojos de cada una de las
muestras de biodiesel, las bandas que se muestran entre 1 200 a 1 300 cm-1
corresponde a la región de huellas dactilares originadas por la deformación axial
asimétrica C-O (Lafont, Páez y Torres, 2011, p. 39). En la región entre 1 750 a 1 710
cm-1 se presenta una banda correspondiente a los ésteres metílicos en el espectro
obtenido la banda aparece a 1 742,08 cm-1. Otra banda de interés en el espectro es la
que se presenta en los 3 475,15 cm-1, esta pertenece al grupo funcional hidróxido, la
banda no es muy pronunciada lo que indica que el contenido de metanol es bajo.
61
Figura 3.12 Espectro infrarrojo de los ésteres etílicos del aceite de palma
(Martínez et al., 2007, p. 42)
Como se puede apreciar las bandas del biodiesel de aceite de palma obtenido con
catálisis heterogénea son similares a las bandas de la Figura 3.12, en la que se
muestran picos más anchos alrededor de los 3 400 cm-1 correspondientes a los
hidróxidos en la región de la huella dactilar.
3.3.2
CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS DE BIODIESEL/DIÉSEL
La muestra de biodiesel para la mezcla del biodiesel/diésel en las diferentes
proporciones, B5, B10 y B20, se ha seleccionado considerando la muestra que
presenta mejores resultados de acuerdo a la norma INEN 2482 Requisitos de
Biodiesel, la muestra seleccionada fue la C4. En la Tabla 3.23 se muestran los
resultados de la caracterización de las mezclas realizadas, valores que se comparan
con los de la norma INEN 1489 Productos derivados del Petróleo-Diésel-Requisitos.
Se seleccionó los requisitos del Diésel Nº2, por ser para motores de combustión
interna.
62
Tabla 3.23 Características de las mezclas de biodiesel/diésel, mediante los métodos de la
norma INEN 1489
ENSAYOS
Diésel Nº2
B5
B10
B20
Punto de inflamación (ºC)
51 mín.
50
50
49
Contenido de agua y sedimento (%)
0,05 máx.
‹0,05
‹0,05
‹0,05
Residuos de carbón (%)
0,15
0,46
0,51
0,76
Temperatura de destilación del 90% (ºC)
360 máx.
293,09
318,73
304,37
Viscosidad cinemática a 37,8ºC (cSt)
2,5-6,0
3,23
3,78
3,67
Contenido de azufre (%)
0,7 máx.
0,02
0,02
0,01
Corrosión a la lámina de cobre
Nº 3
1A
1A
1A
Índice de cetano calculado
45 mín.
40,14
54,81
48,86
Cada una de los ensayos se realizó con las repeticiones y con la sensibilidad de los
equipos especificados en cada uno de los métodos. Como se observa las mezclas de
biodiesel/diésel cumplen en su mayoría con los requisitos establecidos.
Se observa el punto de inflamación está un poco bajo, debido a exceso de metanol
aún presente, este factor muestra cuan inflamable es el combustible y el riesgo de
explosión y generación de un incendio que tiene, es importante la determinación de
este valor ya que con ello se determinan las condiciones de almacenamiento,
transporte y seguridad de la sustancia. Para el caso del requerimiento de agua y
sedimentos, los resultados en cada mezcla son menores al 0,05%, debido a que en el
biodiesel el agua existente proviene de los lavados y en presente proyecto no hubo
necesidad de estos, es decir, la presencia de agua fue nula al igual que la cantidad de
sedimentos. El valor de carbón residual presenta un incremento conforme se aumenta
la cantidad de biodiesel en la mezcla, debido a la presencia restos de glicerina y
triglicéridos del aceite que no reaccionaron completamente y se encuentran aún
presentes en el biodiesel, provocando depósitos en los pistones y taponamiento de
inyectores ocasionando daños al motor. La temperatura de destilación es un parámetro
que indica impurezas de altos puntos de ebullición dentro del biodiesel, las tres
mezclas B5, B10 y B20 cumple con este requisito.
63
La viscosidad del biodiesel influye en la inyección y la facilidad de atomización del
combustible, una elevada viscosidad causa que en la atomización se generen gotas
grandes de combustible que no combustionan completamente generando residuos y
un gasto mayor de combustible, por otro lado una viscosidad baja representa un
desgaste de la bomba de inyección y una pérdida de potencia del motor. Las mezclas
de biodiesel realizadas tienen valores que están dentro del rango que establece la
norma.
El contenido de azufre en cada una de las mezclas es mucho menor que el diésel Nº2,
por otro lado en la mezcla B20, que es la que se obtendrá al final del proceso en la
planta, se obtuvo un valor de 0,018% lo que representa una rápida ignición, un
encendido rápido y una combustión menos ruidosa. Además es más amigable con el
medio ambiente ya que la generación de dióxido de azufre se reduce.
El índice de corrosión a la lámina de cobre es un indicativo de la acción corrosiva del
combustible en piezas del motor del vehículo. La presencia de azufre puede causar
manchas en la lámina de cobre resultando en el deterioro de este material, en la norma
INEN 2482 Diésel Nº2 se establece una clasificación máxima, que es el grupo 3, las
mezclas realizadas obtuvieron una clasificación de 1A cumpliendo con este parámetro,
es decir no ocasiona corrosión en las piezas del motor durante el funcionamiento y
almacenamiento. El número de cetano es un indicativo de la ignición y la calidad de la
combustión, valores altos demuestran que el tiempo desde la inyección del
combustible hasta el inicio de la combustión es corto y por lo tanto el arranque del
motor es rápido, el número de cetano es función de la materia prima con la que se
elabora el biodiesel, el valor aumenta al tener ácidos grasos de cadena larga y
disminuye cuando se tiene mayor número de dobles enlaces en la materia prima, el
aceite de palma tiene un alto porcentaje de ácidos grasos saturados y monoinsaturados y un porcentaje pequeño de poli-insaturados. Los resultados obtenidos en
las tres mezclas realizadas de biodiesel/diésel son altos cumpliendo con el parámetro
e indicando que se tiene un combustible de buena calidad.
64
DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO DE PRODUCCIÓN DE
BIODIESEL
La planta piloto de producción de biodiesel cuenta con varios procesos industriales
para la obtención final de los productos como el pre tratamiento de los componentes,
reacción, purificación y filtrado, por lo cual se necesita del diseño de varios equipos.
Los resultados que se obtuvieron experimentalmente sirvieron de base para establecer
las condiciones de operación y el dimensionamiento de los equipos.
El equipamiento de la planta piloto se dimensionó para el procesamiento y producción
de 200 L de biodiesel diario, para esto consta de un reactor tipo Batch, un depósito de
separación y decantación de fases así como tanques para los productos que se
obtuvieron del proceso de producto terminado, igualmente consta de un sistema de
mezclado biodiesel/diésel para la producción de B20. Además de un horno de
calcinación para el tratamiento del catalizador y tanques de almacenamiento para la
materia prima, además de un completo sistema de bombeo y filtrado.
3.4.1
PROCESO DE PRODUCCIÓN
En la Figura 3.13 se presenta el diagrama de bloques del proceso de producción de
biodiesel, donde se muestran las diferentes operaciones necesarias para la obtención
del producto final, es decir hasta la obtención de la mezcla biodiesel/diésel B20, se
detallan en el diagrama los respectivos flujos másicos y temperatura de entrada y
salida respectivamente.
65
CaO
2,86Kg
Calcinación
549ºC, 4h
CaO 50ºC
Metanol
46,36Kg
Mezcla
50ºC, 30 min
Metanol+CaO
50ºC
Aceite
190,71Kg
Transesterificación
125ºC, 1,5h, 2 atm
Agua (L)
18ºC
Metanol (L)
2,05 Kg
Condensación
Metanol (g)
2,05 Kg
Destilación
Glicerina
64,39 Kg
Separación
T ambiente/24h
Agua (L)
18ºC
Filtración
CaO
2,28 Kg
Biodiesel
166,17Kg
CaO
0,57 Kg
Filtración
Mezcla
Almacenamiento
Almacenamiento
20ºC
Glicerina
55,62 Kg
Diésel
627,26 Kg
Biodiesel B20
793,43 Kg
Figura 3.13 Diagrama de bloques de proceso de producción de biodiesel B20
La producción del biodiesel comienza con la preparación de las materias primas.
Primeramente el CaO se calcina durante 4 horas en el horno H-201 a 549ºC, y se deja
enfriar hasta una temperatura aproximada de 50ºC. Se bombea 117,10 L de metanol
del tanque de almacenamiento TK-101 al tanque de distribución TK-201, tal cantidad
de metanol es requerida para 2 días de producción, en la Figura 3.14 se muestra los
nombres designados a cada equipo que interviene en el proceso de producción de
biodiesel.
66
Para el caso del aceite de palma se bombea del tanque TK-102 al tanque de
distribución TK-202 la cantidad establecida para cada día es decir de 209,57 L, este
tanque cuenta con un sistema de calentamiento eléctrico para llevarlo hasta 50ºC.
Al reactor R-201 se alimenta 58,55 L de metanol y 2,86 kg de CaO, para su
acondicionamiento se deja en agitación durante 30 minutos a una temperatura de
50ºC, cumplido el tiempo de acondicionamiento se alimenta el aceite previamente
calentado al reactor. Se cierra completamente el reactor y se deja en agitación a 600
rpm y a 125ºC durante 1,5 horas. Al concluir la reacción se deja enfriar la mezcla hasta
80ºC y se la mantiene durante 30 minutos en agitación moderada, se abre la línea que
conecta al condensador E-201 para la recuperación del metanol en exceso, que es
recolectado en el tanque de distribución TK-201.
De datos experimentales se conoce que la reacción tiene un rendimiento del 95,43%,
de modo que durante la reacción se generan 200 L de biodiesel, 50,48 L de glicerina
y se recuperan 2,05 L de metanol. Se deja en reposo la mezcla del reactor para la
separación de las tres fases (glicerina, catalizador, biodiesel), durante un periodo de
tiempo de 24 horas.
Una vez separadas las fases, se recupera la glicerina en el filtro a presión F-203, más
un 20% de catalizador para garantizar la recolección completa de la fase glicérica, el
catalizador está mezclado con un 5% del biodiesel total por lo que después de filtrarlo
se recoge la glicerina y parte del biodiesel en un tanque separador TK-203, para poder
recuperar dicho biodiesel, la glicerina será almacenada en el tanque TK-306. El
catalizador restante y el biodiesel pasan a filtros a presión en paralelo, el biodiesel
filtrado se deposita en el tanque TK-204. La mezcla B20 se la realiza en el tanque TK305 colocando 188,48 L de biodiesel y 753,92 L de diésel, este tanque cuenta con
resistencias para mantener la mezcla a 20ºC. Para el transporte al punto de
distribución se lo realiza en un tanque transportador acondicionado con un sistema
calefactor para mantener el combustible B20 a 20ºC.
TK-101
TK-102
TL-101
B-01
B-02
1
3
4
2
VM-02
5
TK-202
V-201
B-03
15
VM-03
6
8
R-201
TK-203
F-203
VM-06
VM-05
VM-04
16
7
9
17
VM-07
F-201
C-201
E-201
F-202
10
14
Agua
TK-204
11
VM-08
B-04
TK-306
13
TK-305
VM-10
12
B-05
B-06
VM-09
Figura 3.14 Diagrama de flujo de procesos de la planta piloto de producción de biodiesel B20
VM-01
TK-201
H-201
Agua
TK-308
TK-307
19
18
Biodiésel B20
Diesel
67
68
3.4.2
DISEÑO DEL REACTOR Y FILTROS A PRESIÓN
En cuanto a la selección de tanques y equipos del proceso se tomó en cuenta dos
criterios principales:
·
Dimensiones del equipo: Se consideró la cantidad de materia prima que se
almacenará o manejará dentro del equipo.
·
Material de construcción: En función del tipo de sustancia que se va a
manejar, así como las condiciones de operación de dicho equipo (temperatura
y presión) y requerimientos mínimos de seguridad. El material que se seleccionó
tanto para el reactor así como para los filtros es acero inoxidable 304 por la
resistencia a la corrosión originada por la mezcla reaccionante y sus productos,
además que se lo recomienda en aplicaciones con soldadura por su bajo
contenido de carbono (0,08% máximo). En las siguientes secciones se
muestran las especificaciones técnicas tanto del reactor, así como de los
equipos auxiliares.
Con el fin de precautelar la oxidación tanto del biodiesel como del aceite el material
que se consideró en algunos tanques y tuberías fue acero inoxidable 304; además,
tomando en consideración los altos costos de este material también se trabajaron con
acero al carbón y polímeros.
Con referencia al diseño de los equipos tanto del reactor y filtros, así como el
dimensionamiento del equipamiento auxiliar se los realizó en base a la norma API
STANDARD 650 , 2007.
El reactor diseñado para la reacción de transesterificación, tiene triple función, ya que
se lo emplea como tanque de acondicionamiento del metanol/catalizador por 30
minutos, reactor para la transesterificación y como decantador para separar las fases
y recolectarlas, la etapa con la que se tiene condiciones de presión y temperatura más
69
altas es la etapa de reacción por lo que se ha diseñado con base en estas condiciones,
el diseño se presenta en el Anexo VI.
El reactor fue diseñado en acero inoxidable 304, con un fondo en forma de cono y
revestido de fibra de vidrio como material aislante y una protección para el aislante de
aluminio, de esta forma se evita pérdidas de calor, debido a la temperatura de
operación de 125ºC y se brinda seguridad al operar cerca del reactor, para diferenciar
el cambio de etapa en la descarga de las diferentes fases (glicerina, catalizador y
biodiesel) se colocó un controlador de nivel, que funciona con el principio de vasos
comunicantes. Del diseño del reactor se obtuvieron las siguientes dimensiones que se
presentan en la Tabla 3.24 y en la Figura 3.15 se presenta el esquema del reactor.
hl
H
ec
L
E
W
h
DA
θ
D
Figura 3.15 Esquema del reactor
70
Tabla 3.24 Dimensiones del reactor diseñado para la reacción de transesterificación
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
270,00
L
Diámetro (D)
0,65
m
Altura (H)
0,87
m
Altura libre de cabeza (hl)
0,08
m
Espesor del cilindro
4,73
mm
Espesor de la tapa
6,82
mm
Espesor del aislante (ec)
30,00
mm
Espesor del fondo
10,81
mm
Altura del cono
0,20
m
Ángulo del cono
130,54
º
Potencia del motor
286,33
W
Diámetro del agitador (DA)
0,21
m
Espacio entre agitador y base del tanque (E)
0,07
m
Ancho de placas (W)
0,04
m
Altura de placas (L)
0,05
m
Calor requerido
21,48
kW
Las condiciones en las que se obtuvo un flujo filtrado claro y una torta de catalizador
compacta se dieron a una presión de 2 psi la cual fue constante durante todo el proceso
de filtrado, con los datos recolectados de volumen y tiempo de filtrado, se aplicó la
teoría de Carman, que se desarrolla en el Anexo VI, para el diseño de los filtros de
biodiesel y glicerina.
En la Tabla 3.25 se muestran las dimensiones de los filtros a presión diseñados para
el biodiesel, se trata de cuatro filtros que operan en paralelo, mientras en la Tabla 3.26
se muestran las dimensiones del filtro a presión para la glicerina.
El material de construcción de los filtros tanto para el biodiesel como para la glicerina
es de acero inoxidable 304 ya que es resistente a la corrosión.
71
Aire comprimido
Entrada
H
hl
Material filtrante
Lecho de
catalizador
Rejilla
Salida
Figura 3.16 Esquema del filtro
Tabla 3.25 Dimensiones del filtro a presión para biodiesel
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
150,00
L
Diámetro (D)
1,21
m
Altura (H)
0,14
m
Altura libre de cabeza (hl)
0,01
m
Área filtrante
1,16
m2
Tiempo de filtrado
Cantidad de precipitados/unidad de
volumen de líquido filtrado
1,50
h
12,04
kg/m3
Espesor del cilindro
2,00
mm
Espesor dela tapa
2,00
mm
72
Tabla 3.26 Dimensiones del filtro a presión para glicerina
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
120,00
L
Diámetro
1,01
m
Altura
0,16
m
Altura libre de cabeza
0,01
m
Área filtrante
0,79
m2
Tiempo de filtrado
1,00
h
9,45
kg/m3
2,00
mm
2,00
mm
Cantidad de precipitados/unidad de
volumen de líquido filtrado
Espesor del cilindro
Espesor dela tapa
El tiempo de filtrado es menor en el filtro para glicerina como se muestra en la Tabla
3.26 ya que el volumen alimentado al filtro es menor, sin embargo al ser el volumen
menor la relación de sólidos en la mezcla filtrante es mayor, esto debido que la mezcla
contiene el 20% del sólido total de la reacción. Para establecer el material filtrante a
emplearse se debió determinar el diámetro efectivo del óxido de calcio, para ello se lo
realizó por medio de microscopia electrónica de barrido en el laboratorio de Nuevos
Materiales de la Escuela Politécnica Nacional, mediante el método DDS, dispersión
dinámica de luz que se detalla en el Anexo IV.
El material filtrante seleccionado fue de celulosa (papel filtrante) con un pre-filtro de
fibra de vidrio, con las especificaciones de la Tabla 3.27, debido a que las condiciones
del proceso de filtrado se da a presión constante de 2 psi y no es necesario el uso de
membranas reforzadas.
Tabla 3.27 Especificaciones del material filtrante
Diámetro efectivo de CaO: 15 662,1nm
Diámetro de poro de membrana: 200nm
Pre-filtro de fibra de vidrio De= 1 000nm
73
3.4.3
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS AUXILIARES PARA LA PLANTA
PILOTO
Para el dimensionamiento de los tanques de almacenamiento se consideró que
tendrán la capacidad de almacenar materia prima para un mes de producción, que se
trabaja cinco días a la semana. En las Tablas 3.28 y 3.29 se presentan las dimensiones
requeridas de los tanques de almacenamiento de aceite y metanol respectivamente.
Tabla 3.28 Dimensiones del tanque de almacenamiento de aceite
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
4 191,50
L
Diámetro
1,60
m
Altura
2,28
m
Altura libre de cabeza
0,20
m
Espesor del cilindro
2,59
mm
Espesor dela tapa
3,04
mm
Tabla 3.29 Dimensiones del tanque de almacenamiento de metanol
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
1 171,02
L
Diámetro
1,05
m
Altura
1,49
m
Altura libre de cabeza
0,13
m
Espesor del cilindro
2,51
mm
Espesor dela tapa
2,91
mm
La cantidad requerida de CaO para un mes de producción es de 85,82 kg por lo que
se adquiere dos sacos de 45 kg que corresponde a dos quintales, mismo que se los
coloca en un contenedor de polietileno para reducir el material particulado en el área
de almacenamiento. La calcinación del CaO se la realiza mediante una mufla, en la
Tabla 3.30 se presentan las especificaciones requeridas para la planta.
74
Tabla 3.30 Dimensiones de la mufla para calcinación del óxido de calcio
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
20
kg
Interna
Externa
Ancho
200
440
mm
Altura
130
520
mm
Profundidad
170
470
mm
Potencia
2,4
kW
Aislamiento
Ladrillos refractarios K23 y fibra cerámica
Estructura exterior
Acero estructural
Modelo
L 5/11
Fabricante
Nabertherm
Para los tanques TK-201, tanque de almacenamiento para un día y recolección de
exceso de metanol, el TK-204 tanque de recolección del biodiesel filtrado y TK-306
tanque de almacenamiento de glicerina filtrada su dimensionamiento fue en base al
estándar API 605, la presión de vapor de la glicerina a 20ºC es menor que 1Pa por lo
que se despreció la presión de vapor en la presión de diseño de los tanques TK-203 y
TK-306, igualmente tomando ciertas consideraciones generales de diseño como
sugiere Hall (2004), p. 984, se obtuvieron las dimensiones requeridas de los diferentes
tanques como se detalla en la Tabla 3.31.
Tabla 3.31 Dimensiones para los tanques TK-201, TK-204 y TK-306
PARÁMETRO
TK-201
TK-204
TK-306
Capacidad (L)
117,10
188,48
50,28
Diámetro (m)
0,48
0,57
0,37
Altura (m)
0,69
0,81
0,51
Altura libre de cabeza (m)
0,06
0,07
0,04
Espesor del cilindro (mm)
2,21
2,23
2,14
Espesor dela tapa (mm)
2,38
2,40
2,26
75
El tanque TK-202 para el acondicionamiento del aceite cuenta con resistencias
eléctricas de inmersión, se construye en acero inoxidable 304, el tanque no cuenta con
material aislante para evitar pérdidas de calor, debido que se alcanza una temperatura
máxima de 50ºC, las dimensiones el tanque se muestran en la Tabla 3.32.
Tabla 3.32 Dimensiones del Tanque de acondicionamiento del aceite
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
209,57
L
Diámetro
0,59
m
Altura
0,82
m
Altura libre de cabeza
0,07
m
Espesor del cilindro
2,23
mm
Espesor de la tapa
2,42
mm
Calor requerido
8,45
kW
Para el dimensionamiento del TK-203, donde se recolecta la glicerina filtrada con 5%
del biodiesel producido, en este se separa las fases para recuperar la fracción de
biodiesel contenido por lo que el tanque se diseña con un fondo en forma de cono y
es construido en PVC para poder visualizar las fases, en la Tabla 3.33 se muestran las
dimensiones del tanque.
Tabla 3.33 Dimensiones del tanque de recolección y sedimentación de glicerina
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
60,24
L
Diámetro
0,38
m
Altura
0,55
m
Altura libre de cabeza
0,05
m
Espesor del cilindro
2,15
mm
Espesor de la tapa
2,27
mm
Altura del cono
0,29
m
Ángulo del cono
60
º
Espesor del cono
2,15
mm
76
El tanque de mezcla biodiesel/diésel TK-305, consta de sistema de calentamiento con
resistencias eléctricas de inmersión el cual mantiene la mezcla a 20ºC y sistema de
agitación, las dimensiones se detallan en la Tabla 3.34.
Tabla 3.34 Dimensiones del tanque de mezcla biodiesel/diésel B20
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
942,40
L
Diámetro
0,97
m
Altura
1,38
m
Altura libre de cabeza
0,12
m
Espesor del cilindro
2,41
mm
Espesor de la tapa
2,72
mm
Potencia del motor
0,35
HP
Diámetro del agitador
0,32
m
Ancho de paletas
0,06
m
Altura de paleta
0,08
m
Espacio entre agitador y base del tanque
0,10
m
Calor requerido
7,37
kW
En la Tabla 3.35 se presenta las dimensiones del intercambiador de calor seleccionado
del mercado para la condensación de 2,05 kg de metanol, mismo que es recolectado
para su reciclo en el proceso.
Figura 3.17 Esquema del intercambiador de calor
(Transfer Maker de Mexico S.A. de C.V., 2004)
77
Tabla 3.35 Dimensiones del intercambiador de calor
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Flujo de metanol
0,25
L/min
A
747
mm
B
102
mm
C
174
mm
Diámetro de entrada de metanol
0,025
m
Diámetro de salida de metanol
0,025
m
Diámetro de entrada de agua
0,012
m
Diámetro de entrada de agua
0,015
m
Modelo
SERIE EXF
Para proporcionar presión en los filtros se utilizó un depósito de aire comprimido, ya
que la presión empleada en cada uno de los filtros es de 2 psi, se seleccionó de
acuerdo a catálogos, las dimensiones del tanque se indica en la Tabla 3.36.
Tabla 3.36 Dimensiones del tanque de aire comprimido
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Capacidad
24,00
L
Diámetro
0,24
m
Altura
0,67
m
Presión
10,80
atm (máx.)
Modelo
SERBATOIO 24L
Fabricante
Rafael Acero
3.4.3.1 Selección de bombas
En todo el proceso se consideró el uso de bombas centrífugas de flujo radial. Debido
a que es una planta piloto y teniendo en cuenta los volúmenes que se manejan de
cada uno de los fluidos se procedió a dimensionar las bombas que se necesitan. Se
consideró una eficiencia del 60%, el dimensionamiento para la bomba B-03 que
78
alimenta al reactor se encuentra como ejemplo de cálculo en el Anexo VI, sin embargo,
la potencia requerida es menor de la mínima comercial por lo que se realizó una
revisión de catálogos de bombas para seleccionar así la que mejor se ajustan a los
requerimientos de los procesos, en la Figura 3.18 se presenta un esquema de la
bomba seleccionada.
Figura 3.18 Esquema de la bomba centrifuga
(Bombas HASA, 2013)
Tabla 3.37 Selección de Bombas
EQUIPO
B-05
(Biodiesel B20)
B-01
Q(L/h)
POTENCIA
(kW)
MODELO
2826
1,1
HM-95
0,6
HM-75
Diámetro
de
aspiración
DNA
Diámetro
de
impulsión
DNM
E
mm
C
mm
158
375
156
345
702
B-02, B-03
(Aceite)
B-04
1254
B-06
2235
1128
1 ¼”
1”
79
3.4.3.2 Selección de válvulas y tuberías
Se siguieron los siguientes criterios para determinar el material de construcción de
tuberías y válvulas así como el tamaño:
·
Material que se transporta en la tubería.
·
Flujo requerido.
·
Condiciones del fluido.
Para el proceso se proponen válvulas de bola y tuberías de acero inoxidable. Por otro
lado se colocó revestimiento de lana de vidrio en las tuberías que salen de equipos
con calefacción en los que es necesario conservar el calor. Para el diámetro de las
tuberías se consideró velocidad del flujo como sugiere McCabe, et al., 2007, p.190, las
longitudes se obtienen del espacio entre equipos sus dimensiones, su elevación y
ubicación en planta (lay out) de cada equipo, en la Tabla 3.38 se muestran las
características de las tuberías.
Tabla 3.38 Características de las tuberías que intervienen en las operaciones de producción
1
D nominal
(in)
1
D interno
(mm)
29,62
D externo
(mm)
33,40
Espesor
(mm)
1,84
Longitud
(m)
3,50
Nº
cedula
40
2
1 ¼”
37,60
42,16
2,28
2,60
40
SS
4
2½”
62,71
73,15
5,22
40
SS
5
2½”
62,71
73,15
5,22
40
SS
7
1
29,62
33,40
1,84
0,60
40
SS
8
1 ¼”
37,60
42,16
2,28
0,50
40
SS
9
1 ¼”
37,60
42,16
2,28
2,60
40
SS
10
1 ¼”
37,60
42,16
2,28
2,00
40
SS
11
2½”
62,71
73,15
5,22
2,10
40
SS
13
2½”
62,71
73,15
5,22
1,50
40
SS
14
1 ¼”
37,60
42,16
2,28
1,50
40
PVC
Corriente
4,00
Material
SS
80
3.4.3.3 Diagramas del proceso de producción de la planta piloto
Para la obtención del Lay out de la planta como se indica en la Figura 3.21, se ha
considerado la distribución de espacios entre equipos de 0,6 m y entre pared y equipo
de 0,5 m, los corredores de 1,5 m de ancho y en equipos en los que se debe operar
un espacio adicional de 0,45 m.
En las Figuras 3.19 y 3.20 se presentan los diagramas PFD y PID del proceso
respectivamente con la descripción de cada uno de los equipos, la planta cuenta con
un segundo piso, donde se ubica el reactor y los equipos de acondicionamiento del
óxido de calcio, es decir el recipiente de almacenamiento (TL-101), la mufla (H-201) y
embudo (V-201), tales equipos se los ha colocado en el mismo nivel del reactor debido
a que el óxido de calcio absorbe humedad del aire con rapidez, por lo que su
alimentación al reactor debe ser rápida.
El reactor se ubicó en el segundo piso dado que la separación de fases sucede en
este, y no es conveniente el uso de una bomba para el transporte a los filtros por el
contenido de sólidos. En la Tabla 3.39 se presenta el diagrama de Gantt, en el que se
detalla las operaciones y los tiempos de cada una para la elaboración de biodiesel
B20.
Transesterificación
Destilación
Decantación
Filtración de glicerina
Filtración de biodiesel
Mezclado de biodiesel/diésel
Distribución de B20
5
6
7
8
9
10
11
60 min
30 min
30 min
20 min
15 horas
40 min
1,5 horas
30 min
Recolección de glicerina
20 min
Preparación solución para reflujo
4
30 min
12
Calentamiento el aceite
3
3 horas
4 horas
Enfriamiento de catalizador
2
4 horas
Tiempo
13 Decantación de biodiesel en glicerina
Calcinación de catalizador
1
Actividad
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL B20
Operario 2
Operario 2
Operario 1
Operario 1
Operario 2
Operario 2
Operario 2
Operario 1
Operario 2
Operario 1
Operario 1
Operario 1
Responsable
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
DÍA DE TRABAJO
15:00
Tabla 3.39 Diagrama de Gantt de la operación de la planta para la producción de biodiesel B20
16:00
17:00
81
TK-101
TK-102
TL-101
B-01
B-02
1
3
4
2
VM-02
5
TK-202
V-201
B-03
15
VM-03
6
8
R-201
TK-203
F-203
VM-06
VM-05
VM-04
16
7
9
17
VM-07
F-201
C-201
E-201
F-202
10
14
Agua
TK-204
11
VM-08
B-04
TK-306
13
TK-305
VM-10
12
B-05
B-06
VM-09
TK-308
TK-307
Figura 3.19 Diagrama de flujo de procesos de la planta piloto de producción de biodiesel B20
VM-01
TK-201
H-201
Agua
19
18
Biodiésel B20
Diesel
82
TK-101
TK-102
TL-101
B-01
B-02
1
3
4
2
FIC
VM-02
5
TK-202
FIC
TIC
V-201
B-03
15
VM-03
6
8
R-201
PI
TK-203
F-203
PIC
VM-06
VM-05
VM-04
16
TIC
7
9
PIC
FIC
17
PIC
VM-07
F-201
C-201
E-201
PIC
F-202
10
Agua
14
TK-204
11
VM-08
B-04
TK-306
13
TK-305
VM-10
TIC
PI
B-05
12
B-06
VM-09
FIC
TK-308
TK-307
Figura 3.20 Diagrama de instrumentos y tuberías de la planta piloto de producción de biodiesel B20
VM-01
TK-201
H-201
Agua
19
18
Biodiésel B20
Diesel
83
Figura 3.21 Lay out de la planta piloto de producción de biodiesel B20
84
85
ESTIMACIÓN DE COSTOS DE PRODUCCIÓN
La evaluación económica es un aspecto esencial para el desarrollo de la tecnología de
procesos, que con ello se conoce la rentabilidad del proyecto. Para determinar los
indicadores económicos TIR y VAN se estableció la inversión total que debe hacerse,
los costos de producción y las ventas del producto. A continuación se determinan los
costos de los equipos requeridos para la planta, en la Tabla 3.40 se muestran los
detalles.
Tabla 3.40 Inversión de equipos para la planta piloto de producción de biodiesel
Designación del equipo
Número
de
unidades
Valor
Unitario
(USD)
Valor
Total
(USD)
Tanques de almacenamiento de aceite
1
1 550,00
1 550,00
Dividendo
Anual de
Amortización
(USD/año)
310,00
Tanques de almacenamiento de metanol
1
1 000,00
1 000,00
200,00
Tanque día y recuperación de metanol
1
700,00
700,00
140,00
Tanque acondicionador de aceite
1
1 100,00
1 100,00
220,00
Tanque para recolección de glicerina
1
200,00
200,00
40,00
Tanque de recolección de biodiesel
1
1 000,00
1 000,00
200,00
Reactor batch
1
3 400,00
3 400,00
680,00
Bombas centrífugas
5
134,00
670,00
134,00
Tanque de aire comprimido
1
400,00
400,00
80,00
Filtro de biodiesel
1
750,00
750,00
150,00
Filtro de glicerina
1
500,00
500,00
100,00
Intercambiador de calor
1
200,00
200,00
40,00
Tanque de almacenamiento de glicerina
1
1 000,00
1 000,00
200,00
Tanque de mezcla de biodiesel/diésel
1
1 500,00
1 500,00
300,00
Válvulas
10
13,00
130,00
26,00
14 100,00
2 820,00
TOTAL
13 447,00
Para los dividendos anuales de amortización se fijó la amortización de equipos en 5
años (Peters, 2003, p. 259) obteniéndose los dividendos anules de cada equipo.
86
Tabla 3.41 Detalles de los costos de muebles de oficina
Denominación
Escritorio
Número de Valor Unitario Valor Total
unidades
(USD)
(USD)
2
300,00
600,00
Dividendo Anual de
Amortización (USD/año)
120,00
Sillones para escritorio
2
200,00
400,00
80,00
Computadores
2
1 000,00
2 000,00
400,00
Canceles
1
200,00
200,00
40,00
Archivadores
1
250,00
250,00
50,00
Estanterías y repisas
2
200,00
400,00
80,00
Sillas
4
50,00
200,00
40,00
TOTAL
14
2 200,00
4 050,00
810,00
La amortización de los materiales y equipamiento de oficina se realizó para 5 años,
mientras que para edificaciones se hizo para 10 años, (Peters, 2003, p. 259).
Tabla 3.42 Detalles de costos en terreno y construcciones
Designación
Área (m2)
Costo de área (USD/m2)
Valor total
(USD)
Terreno
197,00
200,00
39 400,00
Dividendo anual
de Amortización
(USD/año)
3 940,00
Área de producción
Carga de materia
prima y productos
Oficinas
52,93
350,00
18 525,50
1 852,55
67,15
100,00
6 715,00
671,50
30,87
250,00
7 717,50
771,75
Baño
3,30
90,00
297,00
29,70
Infraestructura
43,35
70,00
3 034,50
303,45
TOTAL CONSTRUCCIONES
36 289,50
3 628,95
TOTAL TERRENO Y CONSTRUCCIONES
75 689,50
7 568,95
Construcciones
Para la adquisición del terreno se tomaron en cuenta varios factores como, la
disponibilidad de materia prima, acceso a servicios básicos, ubicación de puntos de
distribución, los cuales están ubicados en el sector de Santa Rita y las Cuadras al sur
de Quito, siendo conveniente construir la planta piloto en el sector de las Cuadras ya
que hay mayor oferta de terrenos. En la Tabla 3.43 se muestran los costos de otros
activos que también deben tomarse en consideración dentro de la inversión fija, como
87
son las tuberías, accesorios e instrumentación necesaria para controlar las
operaciones. El costo de operación es el 15% de la inversión fija, Peters, (2003), p.
233.
Tabla 3.43 Detalles para el cálculo de la inversión total
Costos
(USD)
Contribución
porcentual (%)
Terreno y construcciones
75 689,50
66,65
Maquinaria y equipo
14 100,00
12,42
Instalación de maquinaria y equipos
4 230,0
3,73
Instrumentación
480,08
0,42
Tuberías y accesorios
195,44
0,17
Equipo y muebles de oficina
4 050,00
3,57
14 811,75
13,04
113 556,77
100,00
Denominación
Inversión fija
Capital de operación
TOTAL INVERSIONES
El capital de trabajo se determinó con los costos por año de la nómina de personal
administrativo y mano de obra y con los costos por año de materia prima e insumos,
como se muestra en las Tablas 3.44, 3.45 y 3.46 respectivamente.
Tabla 3.44 Detalle de los costos en la fuerza laboral para la planta
Cargo
Operador
Operador
Aporte
Salario Patronal de
Mensual 12,15% al
(USD)
IESS
(USD)
363,90
44,21
363,90
44,21
Total anual,
exbonificaciones
(USD)
Vacaciones
(USD)
13avo
(USD)
14avo
(USD)
Fondo
de
reserva
(USD)
Total
anual
(USD)
4 897,37
204,06
408,11
0,00
408,11
5 917,65
4897,37
204,06
408,11
0,00
408,11
5 917,65
TOTAL 11 835,30
Gerente
General
Secretaria
900,00
109,35
12 112,20
504,68
1009,35
354,00
400,00
48,60
5 383,20
224,30
448,60
354,00
TOTAL
1 009,35 14 989,58
448,60
6 858,70
21 848,28
88
Tabla 3.45 Costos de materia prima
Aceite
Costo de la
Materia prima
USD/kg
1,11
Cantidad de
Materia Prima por
día (kg/día)
190,71
Cantidad de
materia prima por
año (kg/año)
45 771,12
Costo de materia
prima por año
(USD/año)
50 805,94
Metanol
1,80
46,36
10 617,00
19 110,00
Óxido de calcio
0,15
2,86
137,00
20,60
TOTAL (USD)
56 525
69 936,55
Designación de la
materia prima
Para el caso de metanol y el catalizador CaO se consideró su reciclo en el año, para
el óxido de calcio se consideró la reutilización de hasta 5 veces.
Tabla 3.46 Costos de Insumos
Filtro de celulosa
Costo
unitario
(USD)
1,75
Cantidad de
Materia Prima
por día (kg/día)
360,10
Cantidad de
materia prima
por año (kg/año)
86 424
Costo de materia
prima por año
(USD/año)
151 242,00
Filtros de fibra de vidrio
7,00
29,90
7 176
50 232,00
Agua
0,80
4,80
1 152
921,60
Energía eléctrica
0,09
937,66
225 038
20 253,46
Diésel
420,00
0,75
180,94
75 993,12
TOTAL (USD)
319 971
298 642,18
Designación del insumo
En la Tabla 3.47 se muestran los costos fijos, los costos variables y el costo de
producción anual en los que constan los costos de materia prima, mano de obra,
depreciaciones y mantenimientos, en el campo de depreciación de otros activos se
hace referencia al vehículo en el cual se transporta el biodiesel B20, necesario para
la distribución.
89
Tabla 3.47 Costos anuales de producción
Costos Fijos
(USD)
Designación del rubro
USD
Materiales directos
69 936,55
Mano de obra directa
11 835,30
11 835,30
Mano de obra indirecta
21 848,28
21 848,28
Materiales indirectos
298 642,18
Costos
variables
Unitarios
1,24
Carga Fabril
0,93
Depreciaciones
Construcciones
3 628,95
3 628,95
Maquinaria y Equipo
2 820,00
2 820,00
Muebles y equipos de oficina
810,00
810,00
Otros Activos
7 000,00
7 000,00
Maquinaria y Equipo
194,05
194,05
Edificios
725,79
725,79
Mantenimiento
SUB-TOTAL COSTOS DE PRODUCCION
Imprevistos
TOTAL, COSTOS ANUALES DE
PRODUCCION
417 388,04
41 738,80
459 126,84
48 809,32
2,17
Los costos variables unitarios se obtienen dividiendo el costo total del material en un
año para la cantidad total del material en el año. Los costos de imprevistos se
calcularon como el 10% de los costos de producción.
El precio de biodiesel se obtuvo en función de los costos de producción y la producción
anual de biodiesel B20, de acuerdo con la Ecuación 3.1.
஼௢௦௧௢ௗ௘௣௥௢ௗ௨௖௖௜×௡
ܲ‫ Ͳʹܤ݈݁ݏ݁݅݀݋ܾ݈݅݁݀݋݅ܿ݁ݎ‬ൌ ௉௥௢ௗ௨௖௖௜×௡௔௡௨௔௟ௗ௘஻ଶ଴
[3.1]
Al precio obtenido con la Ecuación 3.1 se le adicionó el impuesto correspondiente al
combustible, en la Tabla 3.48 se detalla la cantidad de ventas anules.
90
Tabla 3.48 Ventas anuales
Tipo de
producto
BIODIESEL B20
Cantidad de
producto por día
de 8 horas (kg)
793,43
Cantidad de
producto por
mes (kg)
15 868,60
Cantidad de
producto por
año (kg)
190 422,96
Precio de
venta, por
USD/kg
2,70
Ingresos anuales
por ventas
(USD)
514 222,06
514 222,06
TOTAL INGRESOS POR VENTAS
Con los datos obtenidos de las Tablas 3.47 y 3.48 de costos de producción y ventas
se genera un tabla de flujo de caja como se detalla en la Tabla AVII.2 del Anexo VII,
con lo que se obtiene el Valor Actual Neto (VAN), la Tasa Interna de Retorno (TIR)
como se muestra en la Tabla 3.49, con ellos se determina la rentabilidad del proyecto.
Tabla 3.49 Indicadores económicos
TMAR
TIR
25%
VAN
103 602,08 USD
16,86%
La tasa mínima atractiva de retorno (TMAR) se la obtuvo considerando el riesgo país
como se detalla en el Anexo VII.
Como se observa en la Tabla 3.49 la Tasa Interna de Retorno (TIR) es del 25% mayor
al TMAR y se tiene un Valor Actual Neto (VAN) de 103 602,08 USD lo que indica que
el proyecto es rentable.
91
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
·
El diseño de la planta piloto del presente proyecto se lo realizó con base a las
mejores condiciones para la reacción de transesterificación, obtenidas en la
fase experimental. El óxido de calcio, constituye un catalizador adecuado para
el proceso de transesterificación, ya que se obtuvieron buenos rendimientos y
permite su reutilización. La producción diaria de biodiesel B20 fue de 950 L,
considerándose un proyecto rentable según el análisis de los indicadores
económicos.
·
Las características del aceite de palma son adecuadas para la obtención de un
biodiesel de calidad ya que su número de ácidos grasos libre es 0,19% (como
palmítico), es muy inferior del 3,00% que se requiere para tal proceso y calidad
del biodiesel, además que su contenido de ácidos grasos saturados es grande
confiriéndole al biodiesel mayor estabilidad oxidativa.
·
Las condiciones de la reacción con las que se alcanzó un máximo rendimiento
de 96,10% fueron a temperatura de 125 ºC, 1,5 % catalizador CaO y 3,0 horas
de reacción.
·
Las muestras de biodiesel de las diferentes condiciones mostraron
características similares, cumpliendo con 7 de 12 parámetros de caracterización
según la norma INEN 2482, siendo los parámetros que no se cumplieron: punto
de inflamación, viscosidad cinemática, carbón residual,
calculado y contenido de ésteres.
número de cetano
92
·
Las mezclas de biodiesel/diésel B5, B10 y B20 mejoraron los parámetros de
viscosidad cinemática, punto de inflamación y número de cetano calculado.
·
La mezcla de biodiesel/diésel B20, cumple con el 75% de los parámetros
caracterizados según la norma INEN 1489 para diésel Nº2, los parámetros
como punto de inflamación y carbón residual mejoraron sus resultados.
·
Con ayuda del análisis estadístico del programa Statgraphic se llegó a conocer
que el rendimiento de la reacción no depende de la cantidad de catalizador
empleado, pero depende de la temperatura y del tiempo de reacción, entre más
altos fueron, mayor rendimiento se obtuvo.
·
Las mejores condiciones de reacción que se seleccionaron para el diseño de la
planta fueron: una temperatura de 125ºC, 1,0% catalizador CaO y 1,5 horas de
reacción, con las que se alcanzó un rendimiento promedio de 95,43%.
·
Se estableció la capacidad de reactor en 270 L, la relación diámetro/altura fue
de 1,2 con lo que el diámetro del reactor es de 0,65 m y altura de 0,87m. El
reactor cumple la función de separador por lo que se diseñó con fondo cónico,
y está aislado con fibra de vidrio. El material de construcción con el que se
diseñó fue de acero inoxidable 304, debido a la resistencia a la corrosión por
soluciones básicas.
·
El sistema de agitación cuenta con un agitador de turbina de seis aspas planas,
sin deflectores y un motor de 0,38 HP de potencia.
·
El material de los filtros tanto para la glicerina como para el biodiesel es acero
inoxidable 304.
93
·
Para el filtro de glicerina se estableció una capacidad de 120 L, el filtro tiene un
diámetro de 1,01 m, y una altura de 0,16 m y un espesor de 2,00 mm.
·
Los filtros para biodiesel operan en paralelo, se diseñaron para una capacidad
de 150L, con un diámetro de 1,21m, una altura de 0,14m y un espesor de
2,00mm.
·
Los tanques de almacenamiento se dimensionaron con capacidad para un mes
de producción, en acero inoxidable 304 excepto para el óxido de calcio, cuyo
contenedor es de polietileno.
·
El área de producción es en dos plantas, en el segundo piso se colocó el reactor
para llevar las fases a los filtros por gravedad.
·
La planta cuenta con zona de estacionamiento para la carga del producto y
entrega de materia prima, y área administrativa. El área total de planta es de
197,60 m2.
·
La inversión total para poner la planta en funcionamiento es de 113 556,77 USD
los costos de producción anuales son de 459 126,84 USD y un total de ingresos
por ventas anuales de 514 222,06 USD.
·
Se logró un TIR de 25% y un VAN de 103 602,08 USD lo que indica que el
proyecto es rentable.
94
RECOMENDACIONES
·
Para evitar la solidificación del aceite en ambientes fríos como Quito cuya
temperatura está por debajo de 30ºC, la temperatura adecuada para mantener
el aceite líquido, se recomiendo emplear como materia prima oleína de palma,
la cual soporta temperaturas hasta de 14ºC.
·
Par obtener un biodiesel de mejor calidad para ambientes de temperaturas
bajas, es posible fraccionarlo mediante destilación o un fraccionamiento a bajas
temperaturas, obteniéndose un biodiesel que no gelifica en ambientes fríos.
·
Implementar un sistema de calefacción en el tanque de combustible del vehículo
para evitar la gelificación del biodiesel a bajas temperaturas.
·
Desarrollar una investigación para un estabilizante adecuado que evite la
oxidación del biodiesel obtenido
a partir del aceite de palma, pues sin
estabilizantes tiene una vida útil de 6 meses.
·
Recircular el primer volumen de filtrado tanto en el caso del biodiesel como de
la glicerina, debido a que este contendrá cierta cantidad de catalizador sólido.
·
El proceso de alimentación del catalizador al reactor debe ser lo más rápido
posible, debido a que el óxido de calcio tiende a hidratarse con rapidez
provocando que disminuya la actividad catalítica.
95
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104
ANEXOS
105
ANEXO I
PARÁMETROS DEL BIODIESEL SEGÚN LA NORMA EUROPEA
Tabla A.I.1 Parámetros del biodiesel según la norma EN 14214:2008
(Comite Europeo de normalización EN 14214-08, 2008)
106
ANEXO II
PARÁMETROS DEL BIODIESEL SEGÚN LA NORMA AMERICANA
Tabla A.II.1 Parámetros de biodiesel según la norma ASTM D 6751:2012
(Especificaciones para el biodiesel B100 ASTM D 675-12, 2012)
107
ANEXO III
CARACTERIZACIÓN DEL ACEITE DE PALMA
ANEXO III-a
DETERMINACIÓN DE LA ACIDEZ, MÉTODO NTE INEN 0038
RESUMEN
Se disuelve una cantidad determinada de grasa o aceite en una mezcla de alcohol
etílico al 95% (v/v) en éter dietílico, y se titulan los ácidos grasos libres con una solución
de hidróxido de sodio.
POCEDIMIENTO
Ø Preparar una solución 0,1N de hidróxido de sodio.
Ø Mezclar en proporción (1:1) de alcohol-éter, la cual se neutraliza con la solución
0,1N de hidróxido de sodio y 1cm3 de solución indicadora de fenolftaleína.
Ø Pesar una cantidad de aceite entre 50 g y 60 g ya que el producto es refinado.
Ø Mezclar el aceite con 100 cm3 de la mezcla alcohol-éter previamente
neutralizada, y titular los ácidos grasos libres con la solución 0,1N de hidróxido
de sodio hasta alcanzar el punto de viraje de la fenolftaleína.
CÁLCULOS
Se emplea la ecuación AIII.1:
Donde:
‫ܣ‬ൌ
ெ‫כ‬௏‫כ‬ே
ଵ଴‫כ‬௠
[AIII.1]
A= acidez del producto, en % m/m ácido palmítico.
M= masa molecular del ácido graso usado para expresar el resultado, en g/g-mol.
V= volumen de la solución de hidróxido de sodio empleado en la titulación, en cm 3.
108
N= normalidad de la solución de hidróxido de sodio, en equivalentes/L.
m= masa de la muestra analizada, en g.
La acidez debe expresarse como porcentaje de ácido palmítico, por tratarse de un
aceite de palma africana, cuya masa molecular es de 256 g/g-mol.
109
ANEXO III-b
DETERMINACIÓN DE HUMEDAD DEL ACEITE
RESUMEN
El aceite se calienta a una temperatura de 103ºC hasta eliminar completamente la
humedad. El método empleado es el de la plancha eléctrica de calentamiento.
PROCEDIMIENTO
Ø Pesar 20 g de aceite en la cápsula y termómetro previamente pesados juntos
Ø Calentar la cápsula sobre la plancha de calentamiento hasta 90ºC, agitar
cuidadosamente con el termómetro.
Ø Disminuir el calentamiento de modo que se reduzca la formación de burbujas
en el fondo de la cápsula, la temperatura no debe exceder de 105ºC.
Ø Repetir el calentamiento dejando enfriar hasta 95ºC y volver a calentar hasta
103ºC ± 2ºC agitando constantemente.
Ø Enfriar en el desecador incluido el termómetro hasta temperatura ambiente y
pesar, repetir el proceso de calentamiento, enfriamiento en el desecador y
pesaje, hasta cuando la variación de pesaje no exceda de 0,002g.
CÁLCULOS
Donde:
ܲൌ
௠భ ି௠మ
௠భ ି௠
‫ͲͲͳ כ‬
[AIII.2]
P= pérdida de masa por calentamiento, en % m/m.
m= masa de la cápsula con el termómetro, en g.
m1= masa de la cápsula con el termómetro y la muestra antes del calentamiento, en g.
m2= masa de la cápsula con el termómetro y la muestra, después del calentamiento,
en g.
110
ANEXO III-c
DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE YODO
RESUMEN
Mezclar aceite con el reactivo de Wijs, se libera el yodo en exceso en el reactivo de
Wijs con yoduro de potasio y se lo titula con tiosulfato de sodio.
PROCEDIMIENTO
Ø Se pesa 0,49 g de aceite, añadir 20 cm3 de tetracloruro de carbono y 25 cm3 de
solución de Wijs, tapar y agitar.
Ø Dejar en reposo durante 1 hora en un ambiente obscuro a una temperatura
entre 20ºC a 30ºC.
Ø Colocar 20 cm3 de solución de yoduro de potasio al 15 % y 100 cm3 de agua
destilada hervida y enfriada.
Ø Titular con una solución 0,1N de tiosulfato de sodio, hasta que el color amarillo
casi desaparezca y añadir 1 cm3 de solución indicadora de almidón, continuar
titulando hasta que el color azul desaparezca totalmente.
Ø Se realizan dos ensayos en blanco, con el mismo procedimiento.
CÁLCULOS
El índice de yodo se lo obtiene con la ecuación AIII.3:
Donde:
݅ൌ
ଵଶǡ଺ଽሺ௏ି௏భ ሻே
௠
[AIII.3]
i= índice de yodo de la muestra, en cg/g.
V=media aritmética de los volúmenes de solución de tiosulfato de sodio empleado en
la titulación de los ensayos, en cm3.
111
V1= volumen de solución de tiosulfato de sodio empleado en la titulación de la muestra,
en cm3.
N= normalidad de la solución de tiosulfato de sodio, en equivalentes /L.
m= masa de la muestra, en g.
112
ANEXO III-d
DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE SAPONIFICACIÓN
RESUMEN
Se saponifica una cantidad de aceite con una solución etanólica de hidróxido de
potasio y se titula el exceso con una solución 0,5N de ácido clorhídrico.
PROCEDIMIENTO
Ø Pesar entre 2 a 3 g de aceite y añadir 25 cm3 de solución etanólica de hidróxido
de potasio y dejar hervir durante 60 min con reflujo.
Ø Añadir 1 cm3 de solución indicadora de fenolftaleína y titular en caliente, con la
solución 0,5N de ácido clorhídrico, hasta que desaparezca la coloración rosada.
Ø Se realiza el mismo procedimiento para el ensayo en blanco.
CÁLCULOS
El índice de saponificación se determina con la ecuación AIII.4:
Donde:
݅ൌ
ହ଺ǡଵሺ௏భ ି௏మ ሻே
௠
[AIII.4]
i= índice de saponificación, en mg/g
V2= volumen de solución de ácido clorhídrico empleado en la titulación de la muestra,
en cm3.
V1= volumen de solución de ácido clorhídrico empleado en la titulación del ensayo en
blanco, en cm3.
N= normalidad de la solución de ácido clorhídrico, en equivalentes /L.
m= masa de la muestra analizada, en g.
113
ANEXO III-e
DETERMINACIÓN DEL LA DENSIDAD RELATIVA
RESUMEN
Se establece la densidad relativa del aceite a 25/25ºC, por el método del picnómetro.
PROCEDIMIENTO
Ø Llenar con agua destilada el picnómetro previamente lavado en solución
crómica, taparlo y sumergirlo en el baño de agua a 25ºC± 2ºC, y dejarlo durante
30 min. Sacar el picnómetro del baño y secarlo, dejarlo enfriar a temperatura
ambiente durante 30 min y pesarlo, registrarlo como m 1.
Ø Vaciar el picnómetro y enjuagarlo con etanol y luego éter etílico, una vez seco,
pesarlo con todas sus partes y registrarlo como m.
Ø Llenar el picnómetro con el aceite, taparlo y sumergirlo en el baño de agua a
25ºC± 2ºC, dejarlo durante 30 min. Retirar el picnómetro, secarlo y dejarlo
enfriar durante 30 min, pesarlo y registrar el valor como m2.
CÁLCULOS
Para aceites y grasas líquidas la densidad se calcula con la ecuación AIII.5:
Donde:
݀ଶହ ൌ
௠మ ି௠
௠భ ି௠
d25= densidad relativa a 25/25ºC.
m= masa del picnómetro vacío, en g.
m1= masa del picnómetro con agua estilada, en g.
m2= masa del picnómetro con muestra, en g
[AIII.5]
114
ANEXO IV
TAMAÑO DE PARTÍCULA DEL ÓXIDO DE CALCIO
Para el tamaño de particula se realizo mediante microscopia electronica de barrido en el
laboratorio de nuevo materiales de la Escuela Politécnica Nacional mediante un cracterizador
de partculas (Brookhaven; Modelo 90 Plus particle size analizer).
Preparación de la muestra
·
Disolver 10 mg de muestra en 20 ml de agua destilada
·
Sonicar en un sonicador SONICATOR 4000 de la marca Misonix durante 1
minuto a intensidad 20%.
Encendido del equipo
·
Examinar que las conexiones eléctricas estén instaladas correctamente.
·
Encender el equipo para iniciar el software de control "BIC Particle Sizing".
·
Preparar la muestra en solución como se indicó inicialmente y colocarla en la
celda del equipo.
·
Introducir los parámetros requeridos para el ensayo e iniciar el ensayo.
·
Realizar las corridas establecidas y guardar el gráfico de distribución de tamaño
obtenido.
Apagado del equipo
·
Retirar la celda del equipo.
·
Cerrar correctamente el software de control "BIC Particle Sizing".
·
Apagar el equipo.
115
En la Figura AIV. 1 se muestra la gráfica obtenido mediante el método DDS, Disperción
dinamica de luz.
Figura AIV. 1 Gráfica de granulometría del CaO
116
ANEXO V
BALANCE DE MASA
La reacción de transesterificación se da a 125ºC, 1,0% w/w de catalizador con respecto
a la masa de aceite y 1,5 horas de reacción, con un rendimiento de 95,43 %. Se
producirán 200 L de biodiesel al día.
ߟൌ
௏௢௟௨௠௘௡ௗ௘௕௜௢ௗ௜௘௦௘௟
௏௢௟௨௠௘௡ௗ௘௔௖௘௜௧௘
ͻͷǡͶ͵Ψ ൌ
‫ͲͲͳ כ‬
ʹͲͲ‫ܮ‬
‫ͲͲͳ כ‬
ܸ‫݁ݐ݅݁ܿܽ݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬
ࢂ࢕࢒࢛࢓ࢋ࢔ࢊࢋࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ ൌ ૛૙ૢǡ ૞ૠࡸ ൌ ࡭ ൌ ૙ǡ ૛૙ૢ࢓૜
Figura AV.1 Balance de masa en el reactor
Donde:
A=aceite
M=metanol
C=catalizador CaO
R=metanol recuperado
P=productos
[AV.1]
117
‫ ܥ‬ൌ ͲǡͲͳͷΨ‫ܣ כ ݓ‬
࡭ ൌ ͲǡʹͲͻ݉ଷ ‫כ‬
[AV.2]
ͻͳͲ݇݃
ൌ ૚ૢ૙ǡ ૠ૚࢑ࢍ
݉ଷ
࡯ ൌ ͲǡͲͳͷ ‫Ͳͻͳ כ‬ǡ͹ͳ݇݃ ൌ ૛ǡ ૡ૟࢑ࢍ
La relación molar metanol/aceite es 6:1
CH2 O
C R1
CH
O
O
C R2
CH2 O
O
C R3
R1COOCH 3
CH2OH
CaO
CH OH
+3CH 3OH
+
Catalizador
O
Aceite
+
R COOC
COOCH3
2
CH2OH
+
R COOC
COOCH3
Glicerina
Biodiesel
3
Figura AV.2 Reacción de transesterificación
(Elizalde, Rodríguez, 2009, p. 19)
ͳͻͲǡ͹ͳ݇݃ܽܿ݁݅‫כ ݁ݐ‬
ͳ݇݉‫݈݋‬
͸݇݉‫݈݋݊ܽݐ݁݉݃݇ʹ͵ ݈݋݊ܽݐ݁ܯݏ݈݁݋‬
‫כ‬
‫כ‬
ൌ ૝૟ǡ ૜૟࢑ࢍ࢓ࢋ࢚ࢇ࢔࢕࢒
͹ͺͻǡͺʹ݇݃
ͳ݇݉‫݁ݐ݈݅݁ܿܽ݋‬
ͳ݇݉‫݈݋݊ܽݐ݈݁݉݋‬
ࡹ ൌ ૝૟ǡ ૜૟࢑ࢍ࢓ࢋ࢚ࢇ࢔࢕࢒
De pruebas experimentales se obtuvo que el metanol recuperado, representa el 1,2%
del biodiesel obtenido.
ࡾ ൌ ͲǡͲͳʹ ‫Ͳ כ‬ǡʹ݉ଷ ‫כ‬
ͺͺͳǡ͸ʹܾ݇݃݅‫݈݁ݏ݁݅݀݋‬
ൌ ૛ǡ ૙૞࢑ࢍ࢓ࢋ࢚ࢇ࢔࢕࢒࢘ࢋࢉ࢛࢖ࢋ࢘ࢇࢊ࢕
݉ଷ
‫ܥ‬൅‫ܣ‬൅‫ ܯ‬ൌ ܴ൅ܲ
ʹǡͺ͸݇݃ ൅ ͳͻͲǡ͹ͳ݇݃ ൅ Ͷ͸ǡ͵͸݇݃ ൌ ʹǡͲͷ݇݃ ൅ ܲ
ࡼ ൌ ૛૜ૠǡ ૡૡ࢑ࢍ
[AV.3]
118
La corriente P se compone de: biodiesel (200 L), glicerina y catalizador
࢈࢏࢕ࢊ࢏ࢋ࢙ࢋ࢒ ൌ ૚ૠ૟ǡ ૜૛࢑ࢍ
ࢉࢇ࢚ࢇ࢒࢏ࢠࢇࢊ࢕࢘ ൌ ૛ǡ ૡ૟࢑ࢍ
ࢍ࢒࢏ࢉࢋ࢘࢏࢔ࢇ ൌ ૞૞ǡ ૡ૝࢑ࢍ
Figura AV.3 Balance de masa en el filtro de glicerina
Donde:
FG= fase glicérica
G=glicerina
B=biodiesel
C=catalizador
La fase glicérica contiene el 20% del catalizador inicial el cual se encuentra mezclado
con el 5% de biodiesel producido, después del filtrado se recuperó el 99,6% de la
cantidad inicial de biodiesel y glicerina.
‫ ܩܨ‬ൌ ͸Ͷǡͻ͸݇݃
࡯ ൌ Ͳǡʹ ‫ʹ כ‬ǡͺ͸ ൌ ૙ǡ ૞ૠ࢑ࢍࢉࢇ࢚ࢇ࢒࢏ࢠࢇࢊ࢕࢘
࡮ ൌ Ͳǡͻͻ͸ ‫Ͳ כ‬ǡͲͷ ‫ͳ כ‬͹͸ǡ͵ʹ ൌ ૡǡ ૠૡ࢑ࢍ࢈࢏࢕ࢊ࢏ࢋ࢙ࢋ࢒
ࡳ ൌ Ͳǡͻͻ͸ ‫ כ‬ͷͷǡͺͶ ൌ ૞૞ǡ ૟૛࢑ࢍࢍ࢒࢏ࢉࢋ࢘࢏࢔ࢇ
119
Figura AV.4 Balance de masa en el filtro de biodiesel
Donde:
FB= fase biodiesel
B=biodiesel
C=catalizador
Después del filtrado se recuperó el 99,2% de la cantidad inicial de biodiesel.
‫ ܤܨ‬ൌ ͳ͸ͺǡͶͶ݇݃
࡮ ൌ Ͳǡͻͻʹ ‫Ͳ כ‬ǡͻͷ ‫ͳ כ‬͹͸ǡ͵ʹ ൌ ૚૟૟ǡ ૚૟࢑ࢍ࢈࢏࢕ࢊ࢏ࢋ࢙ࢋ࢒
࡯ ൌ Ͳǡͺ ‫ʹ כ‬ǡͺ͸ ൌ ૛ǡ ૛ૡ࢑ࢍࢉࢇ࢚ࢇ࢒࢏ࢠࢇࢊ࢕࢘
Se produce la mezcla biodiesel/diésel B20 es decir 20%v biodiesel y 80%v diésel
‫ ܤ‬ൌ ͳ͸͸ǡͳ͸ܾ݇݃݅‫כ ݈݁ݏ݁݅݀݋‬
ࡰൌ
݉ଷ
ൌ Ͳǡͳͺͺ݉ଷ ֜ ʹͲΨ
ͺͺͳǡ͸ʹ݇݃
Ͳǡͳͺͺ ‫ כ‬ͺͲ
ൌ ૙ǡ ૠ૞૝࢓૜ࢊ࢏±࢙ࢋ࢒
ʹͲ
120
ANEXO VI
EJEMPLO DE CÁLCULO DEL DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LOS
EQUIPOS PARA LA PLANTA PILOTO
Diseño del reactor
·
Capacidad del reactor = 270L
La relación L/D (altura/diámetro) se seleccionó de acuerdo a la agitación para sólidos
uniformes, la relación se expresa en la ecuación AVI.1.
௅
஽
ൌ ͳǡʹ
[AVI.1]
La Ecuación AVI.2 expresa el volumen del reactor
గ
ସ
ܸோ ൌ ‫ܦ‬ோଶ ‫ܪ כ‬ோ
[AVI.2]
Se obtiene como resultado los siguientes valores
DR=0,659 m
HR=0,791 m
Se diseña con un 10% de espacio libre de cabeza como lo sugiere Hall (2004), p. 984.
Por lo que la altura total de la parte cilíndrica es:
HR=0,870 m
·
Presión Hidrostática
ܲ௛ ൌ ߩ௠ ‫ܪ כ ݃ כ‬ோ
Donde la densidad de la mezcla se la obtiene de:
[AVI.3]
121
ߩ௠ ൌ
σሺܺ௜ ‫ܯ‬௜ ሻ ሺܺ௔ ‫ܯ‬௔ ሻ ൅ ሺܺெ ‫ܯ‬ெ ሻ
ൌ
ሺܺ ‫ ܯ‬ሻ ሺܺ௔ ‫ܯ‬௔ ሻ ሺܺெ ‫ܯ‬ெ ሻ
σ ௜ ௜
൅
‫ܦ‬ெ
‫ܦ‬௜
‫ܦ‬௔
Dónde:
[AVI.4]
ߩ௠: Densidad de la mezcla metanol/aceite, en kg/m3
݃: Gravedad (9,80 m/s2)
‫ܪ‬ோ் : Altura de la mezcla, en m
‫ܯ‬௔ : Peso molecular del aceite (789,82kg/kg-mol)
ܺ௔ : Fracción molar del aceite (0,14)
‫ܦ‬௔ : Densidad del aceite (910 kg/m3)
‫ܯ‬ெ : Peso molecular del metanol (32kg/kg-mol)
ܺெ : Fracción molar del metanol (0,86)
‫ܦ‬ெ : Densidad del metanol (791,80 kg/m3)
ߩ௠ ൌ ͺͺͶǡͳͺ݇݃Ȁ݉ଷ
Obteniéndose como resultado una presión hidrostática de diseño de:
ܲ௛ ൌ ͸ǡͺͷƒ
·
Presión de vapor del Metanol a 125ºC
஼మൗ
಴ఱ
் ା஼య ௅௡ሺ்ሻା஼ర ‫ ்כ‬ሻ
ܲ௩ ൌ ݁ ሺ஼భ ା
[AVI.5]
Donde las constantes C1, C2, C3 y C4 se obtuvieron de las Tablas del Manual del
ingeniero químico, de Metanol en función de la temperatura en (K), (Perry R., (2007),
122
p. 2-56).
Los valores de las constantes son:
C1=81,768
C2= -6 876
C3= -8,7078
C4=7,1926*10-6
C5= 2
Obteniéndose la presión de vapor del metanol (ܲ௩ ) en pascales.
·
Presión de diseño
ܲ௩ ൌ ͹ʹ͹ǡ͵ʹ݇ܲܽ
Para el cálculo de la presión de diseño (ܲ஽ ) se utiliza un factor de seguridad del 10%
sobre la presión interna (ܲூ ).
ܲூ ൌ ܲ௛ ൅ ܲ௩ ൌ ͹͵Ͷǡͳ͹݇ܲܽ
[AVI.6]
ܲ஽ ൌ ͳǤͳ ‫ܲ כ‬ூ =807,59 kPa = 0,81 N/mm2
·
Espesor mínimo de la pared del reactor
௉‫כ‬஽
Donde:
ೃ
݁ ൌ ଶሺ௃‫כ‬௙ሻି௉
P= Presión interna de diseño, en N/mm2
J= eficiencia de la junta, 85%
f= esfuerzo del material, en N/mm2
DR= diámetro interno del reactor, en mm
[AVI.7]
123
El material con el que se construye el reactor es acero inoxidable 304, el esfuerzo del
material depende la temperatura, la temperatura de reacción es de 125ºC por
seguridad se seleccionó un esfuerzo a 200ºC es decir 115 N/mm2, la eficiencia de la
junta se toma como un cordón de doble soldadura lo que equivale al 85% (Sinnott y
Towler, 2005, p. 985). Por lo que el espesor del reactor es de:
݁ൌ
Ͳǡͺͳ ‫ כ‬͸ͷͻ
ʹሺͲǡͺͷ ‫ͳͳ כ‬ͷሻ െ Ͳǡͺͳ
݁ ൌ ʹǡ͹͵݉݉
Aproximadamente se añaden al espesor mínimo 2mm por efectos de corrosión (Sinnott
y Towler, 2005, p. 985) por lo que el espesor queda como:
݁ ൌ Ͷǡ͹͵݉݉
·
Espesor de la tapa del reactor
La presión de diseño es de 0,81 N/mm2 (8 atm) por lo que puede utilizarse una tapa
toriesférica, cuyo espesor mínimo se calcula con las Ecuaciones AVI.8 y AVI.9.
Figura AVI.1 Diagrama de un tapa toriesférica
(M.M.J., 2005, p.11)
124
݁ൌ
௉‫כ‬ோವ ‫כ‬஼௦
ଶሺ௃‫כ‬௙ሻି଴ǡଶ௉
ଵ
ோ
‫ ݏܥ‬ൌ ସ ൬͵ ൅ ට ோವ ൰
Donde:
೎
[AVI.8]
[AVI.9]
e= espesor mínimo requerido en la tapa sin corrosión, en mm
P= presión de diseño, en N/mm2
J= eficiencia de la junta, 85 %
f= esfuerzo del material (115 en N/mm2)
Rc= radio interno de curvatura= 0,06R D, en mm
Cs= factor de concentración de esfuerzos para cabezas toriesféricas
RD= radio exterior de la pieza=DR, en mm
‫ ݏܥ‬ൌ
݁ൌ
ͳ
ͳ
ቌ͵ ൅ ඨ
ቍ ൌ ͳǡ͹͹
ͲǡͲ͸
Ͷ
Ͳǡͺͳ ‫ כ‬͸ͷͻ ‫ͳ כ‬ǡ͹͹
ʹሺͲǡͺͷ ‫ͳͳ כ‬ͷሻ െ Ͳǡͺͳ ‫Ͳ כ‬ǡʹሻ
݁ ൌ Ͷǡͺʹ݉݉
Adicionando el 2 mm por efector de corrosión el espesor es 6,82 mm.
·
Espesor del fondo del reactor
El fondo es cónico ya que cumple a la vez con la función de separador de fases, en el
reposo. El ángulo del cono es de 104,8º por lo que se calcula con las ecuaciones de
tapa plana, como lo indica (León, 2001, p. 18).
஼ Ʈ ‫כ‬௉
݁ ൌ ݀ට ௃‫כ‬௙
[AVI.10]
125
Donde:
d= diámetro medio, en mm
C´= constante adimensional que depende de la forma de unión con el cilindro
Figura AVI.2 Esquema de la unión del fondo cónico
(León, 2001, p. 20)
݁ ൌ ͵ʹͻǡ ͷඨ
Ͳǡͳ͵ ‫Ͳ כ‬ǡͺͳ
Ͳǡͺͷ ‫ͳͳ כ‬ͷ
݁ ൌ ͳͲǡͺͳ݉݉
·
Sistema de Agitación
Para el cálculo del diámetro del agitador se emplean las Ecuaciones AVI.11., AVI.12.,
AVI.13 y AVI.14, tomadas de McCabe, Smith y Harriott, (2007), p. 251.
126
Figura AVI.3 Esquema del sistema de agitación
(McCabe et al., 2007, p.251)
ଵ
Donde:
‫ܦ‬஺ ൌ ଷ ‫ܦ‬ோ
[AVI.11]
DA= diámetro del agitador, en m
DR= diámetro de reactor, en m
‫ܦ‬஺ ൌ
ͳ
‫Ͳ כ‬ǡ͸ͷͻ
͵
‫ܦ‬஺ ൌ Ͳǡʹͳͻ݉
Para el cálculo de la distancia desde el fondo al centro del agitador:
ଵ
‫ ܧ‬ൌ ଷ ‫ܦ‬஺
[AVI.12]
‫ ܧ‬ൌ ͲǡͲ͹͵݉
Cálculo del ancho de la paleta del agitador
ଵ
ܹ ൌ ହ ‫ܦ‬஺
[AVI.13]
ܹ ൌ ͲǡͲͶͶ݉
Cálculo para la altura de la paleta del agitador
ଵ
‫ ܮ‬ൌ ସ ‫ܦ‬஺
[AVI.14]
127
‫ ܮ‬ൌ ͲǡͲͷͶ݉
La potencia necesaria para el proceso, es independiente del número de Reynolds y
la viscosidad ya que Re es mayor de 10 000 (McCabe et al., 2007, p. 262), por lo
tanto, la potencia se calcula con la Ecuación AVI.15.
ܲൌ
Dónde:
௄೅ ‫כ‬ேయ ‫כ‬஽ೌఱ ‫כ‬ఘ
௚௖
P= potencia comunicada al líquido, en W
Da= Diámetro del agitador, en m
N= Revoluciones por segundo, 10 rps.
ρ= Densidad de la mezcla (884,18 kg/m3)
μ= Viscosidad (0,0378 kg/ms)
‫= ்ܭ‬Turbina de seis palas planas= 6,3
Gc= constante gravitacional (9,8 kg m/s2 N)
Tabla AVI. 1 Valores de las constante KL y KT, según el tipo de rodete
(McCabe et al., 2007, p. 262)
ܲൌ
͸ǡ͵ ‫Ͳͳ כ‬ଷ ‫Ͳ כ‬ǡʹͳͻହ ‫ כ‬ͺͺͶǡͳͺ
ൌ ʹͺ͸ǡ͵͵ܹ
ͻǡͺ
ܲ ൌ Ͳǡ͵ͺ‫ܲܪ‬
[AVI.15]
128
·
Sistema de calentamiento
El calentamiento del aceite en el reactor se realiza, mediante una resistencia de
inmersión. Para definir la potencia necesaria, se determina la cantidad de energía que
se debe emplear para elevar la temperatura del aceite hasta 125ºC, que es la
temperatura de proceso de transesterificación del aceite.
ܳ௥௫ ൌ ݉௔ ‫݌ܥ‬௔ ൫ܶ௙ିܶ௜ ൯
[AVI.16]
Donde:
Qrx= calor requerido para el calentamiento, kW
ma= masa del aceite, en g
Cpa= capacidad calorífica del aceite, en J/g K
Ti= temperatura inicial, en K
Tf= temperatura final, en K
La capacidad calorífica de aceites vegetales se determina con la Ecuación AVI.17.
Donde:
‫݌ܥ‬௔ ൌ
଴ǡହ
ඥௗೌ
൅ ͲǡͲͲ͹ሺܶ െ ͳͷሻ
[AVI.17]
da= densidad del aceite, (0,910g/cm3)
El aceite es llevado desde 18ºC aproximadamente hasta 50ºC en el tanque
acondicionador TK-202. En el reactor el aceite es calentado desde 50ºC hasta los
125ºC en que ocurre la reacción. Se consideró que tanto la etapa de
acondicionamiento del aceite como de la reacción se realizan en el reactor.
129
De 18ºC a 50ºC (Acondicionamiento)
Ͳǡͷ
Ͳǡͷ
൅ ͲǡͲͲ͹ሺͳͺ െ ͳͷሻ൨ ൅ ൤
൅ ͲǡͲͲ͹ሺͷͲ െ ͳͷሻ൨
Ͳǡͻͳ
ξ
ξͲǡͻͳ
‫݌ܥ‬௔ ൌ
ൌ Ͳǡ͸͸‫݈ܽܥ‬Ȁ݃ᤪ‫ܥ‬
ʹ
൤
‫݌ܥ‬௠௭ ൌ ʹǡ͹ͷ‫ܬ‬Ȁ݃ᤪ‫ܭ‬
De 50ºC a 125ºC (reacción)
Ͳǡͷ
Ͳǡͷ
൅ ͲǡͲͲ͹ሺͷͲ െ ͳͷሻ൨ ൅ ൤
൅ ͲǡͲͲ͹ሺͳʹͷ െ ͳͷሻ൨
Ͳǡͻͳ
Ͳǡͻͳ
ξ
ξ
‫݌ܥ‬௔ ൌ
ൌ ͳǡͲ͵‫݈ܽܥ‬Ȁ݃ᤪ‫ܥ‬
ʹ
൤
‫݌ܥ‬௔ ൌ Ͷǡ͵ͳ‫ܬ‬Ȁ݃ᤪ‫ܭ‬
Potencia de calentamiento, se emplea la Ecuación AVI.16 (Calentamiento del aceite
durante 30 min= 1800 s)
ܳ௥௫ ൌ ͳͻͲ͹ͳ͵݃ ‫ʹ כ‬ǡ͹ͷ
ܳ௥௫ ൌ
‫ܬ‬
‫ כ‬ሺͷͲ െ ͳͺሻᤪ‫ ܭ‬ൌ ͳ͸͹͸ͶǡͶͶ݇‫ܬ‬
݃ᤪ‫ܭ‬
ͳ͸͹͸ͶǡͶͶ݇‫ܬ‬
ൌ ͻǡ͵ͳ݇‫ܬ‬Ȁ‫ݏ‬
ͳͺͲͲ‫ݏ‬
ܳ௥௫ ൌ ͻǡ͵ͳܹ݇
Potencia de calentamiento, se emplea la Ecuación AVI.16 (Reacción de
transesterificación durante 1,5 horas=5400s)
ܳ௥௫ ൌ ͳͻͲ͹ͳ͵݃ ‫ כ‬Ͷǡ͵ͳ
ܳ௥௫ ൌ
‫ܬ‬
‫ כ‬ሺͳʹͷ െ ͷͲሻᤪ‫ ܭ‬ൌ ͸ͳ͸Ͷ͹ǡͻ͹݇‫ܬ‬
݃ᤪ‫ܭ‬
͸ͳ͸Ͷ͹ǡͻ͹݇‫ܬ‬
ൌ ͳͳǡͶʹ݇‫ܬ‬Ȁ‫ݏ‬
ͷͶͲͲ‫ݏ‬
ܳ௥௫ ൌ ͳͳǡͶʹܹ݇
130
·
Espesor del material aislante
El aislante que se empleó fue fibra de vidrio
El calor transferido al ambiente sin aislante sería:
ࡽൌ
ࢀࢉିࢀಮ
૚ ૚
࢘
૚
൬ ࢒࢔൬ ࢋ൰ା
൰
૛࣊ ࢑
࢘࢏
ࢎࢉ࢘ࢋ
[AVI.18]
Donde:
ࢀஶ = temperatura ambiente, en ºC
ࢀࢉ= temperatura de pared, en ºC
࢑= constante de conductividad térmica del acero inoxidable 304 (17 W/m K)
ࢎࢉ=coeficiente de convección de aire (10 W/m2 K)
࢘ࢋ = radio externo del reactor, en m
࢘࢏ = radio interno del reactor, en m
ࡽൌ
ͳʹͷ െ ͳͺ
ൌ ૛૛૜ૡǡ ૡ૞ࢃ
ͳ ͳ
Ͳǡ͵͵Ͷ
ͳ
ቀ
݈݊
ቀ
ቁ
൅
ቁ
ʹߨ ͳ͹
Ͳǡ͵ʹͻ
ͳͲ ‫Ͳ כ‬ǡ͵͵Ͷ
Para el cálculo del calor perdido con material aislante se modifica la Ecuación AVI.18
de la siguiente forma.
ࡽൌ
ࢀࢉ െ ࢀஶ
࢘ࢇ࢏࢙
૚
૚
૚
൬
൰
૛࣊ ࢑ࢇ࢏࢙ ࢒࢔ ቀ ࢘ࢋ ቁ ൅ ࢎࢉ࢘ࢇ࢏࢙
࢑ࢇ࢏࢙= constante de conductividad térmica del material aislante (0,066 W/m K)
࢘ࢇ࢏࢙= radio externo del material aislante, en m
131
rais
Qais
rais- re
0,334
2 238,850
0
0,344
911,370
0,010
0,349
706,084
0,015
0,354
577,758
0,020
0,359
489,940
0,025
0,364
426,059
0,030
El espesor del material aislante será de 0,03m
La temperatura de pared del material aislante se determina con el calor de convección
hacían el ambiente externo que debe ser igual Qais.
Ͷʹ͸ǡ Ͳͷͻ ൌ
·
ܶ‫ ݌‬െ ʹͻͳ
ͳ
ͳ
ʹߨ ቀͳͲ ‫Ͳ כ‬ǡ͵͸Ͷቁ
ࢀ࢖ ൌ ͵Ͳͻǡ͸ʹͺᤪ‫ ܭ‬ൌ ૜૟ǡ ૟૜ᤪ࡯
Dimensionamiento de la bomba de alimentación al reactor
ࡼ૚
ࢽ૚
ࢂ૛
൅ ࢆ૚ ൅ ૛ࢍ૚ ൅ ࡴ࡮ ൌ
ࡼ૛
ࢽ૛
ࢂ૛
൅ ࢆ૛ ൅ ૛ࢍ૛ ൅ ࢎࢌ૚ି૛
ࡴ࡮ ൌ ࢆ૛ െ ࢆ૚ ൅ ࢎࢌ૚ି૛
[AVI.19]
[AVI.20]
132
.
2
R-201
Z2
VM-03
.1
Z1
TK-202
VM-02
B-03
Figura AVI.4 Esquema de la bomba para alimentación al reactor
Las pérdidas localizadas se toman de 3 codos de 90º y 2 válvulas de compuerta, es
decir las pérdidas serán de 4,09 m.
‫ܪ‬஻ ൌ ͵ǡʹͻ݉ െ Ͳǡ͹͸݉ ൅ ͶǡͲͻ݉ ൌ ͸ǡ͸ʹ݉
Para la potencia hidráulica
݄ܲ݅݀‫ ݈ܽܿ݅ݑžݎ‬ൌ ܳ ‫ܪ כ‬஻ ‫ߛ כ‬
El caudal se conoce asumiendo un tiempo de llenado de 10 minutos.
ܳൌ
݉ଷ
ͲǡʹͲͻ݉ଷ
ൌ ͵ǡͶͺ ‫ିͲͳ כ‬ସ
‫ݏ‬
͸ͲͲ‫ݏ‬
[AVI.21]
133
݄ܲ݅݀‫ ݈ܽܿ݅ݑžݎ‬ൌ ͵ǡͶͺ ‫ିͲͳ כ‬ସ
݉ଷ
݇݃
‫ כ‬͸Ǥ͸ʹ݉ ‫ͻ כ‬ǡͺ݉Ȁ‫ ݏ‬ଶ ‫ Ͳͳͻ כ‬ଷ
݉
‫ݏ‬
݄ܲ݅݀‫ ݈ܽܿ݅ݑžݎ‬ൌ ʹͲǡͷͶܹ ൌ ͲǡͲʹͲܹ݇
Con una eficiencia de 60%
ߟൌ
௉௢௧௘௡௖௜௔௛௜ௗ௥௨௟௜௖௔
௉௢௧௘௡௖௔ௗ௘௠௢௧௢௥
ܲ‫ ݎ݋ݐ݋݉݁݀ܽ݅ܿ݊݁ݐ݋‬ൌ
[AVI.22]
ʹͲǡͷͶܹ
ൌ ͵Ͷǡʹ͵ܹ ൌ ͲǡͲͷ‫ܲܪ‬
Ͳǡ͸Ͳ
En el mercado se encuentran bombas desde ¼ HP.
·
Diámetro de tubería
El volumen de aceite que circula desde el tanque TK-202 al R-201 es 209,57 L en 10
minutos, es decir se tiene un caudal de 1254 L/h (3,48*10-4 m3/s). La velocidad a la
que circula el flujo se lo escogió de bibliografía (McCabe et. al., 2007, p. 190).
Las velocidades medias de un fluido viscoso antes y después de la bomba son 0,105
y 0,375 m/s respectivamente. El caudal se define con la Ecuación AVI.23 de la que
obtendremos el diámetro de la tubería.
ࡽ ൌ࢜‫࡭כ‬
గ
‫ ܣ‬ൌ ‫ ݐܦ כ‬ଶ
ସ
Donde:
Q=caudal, en m3/s
v= velocidad del fluido, en m/s
A= área de la tubería, en m2
[AVI.23]
[AVI.24]
134
Antes de la bomba:
v= 0,105 m/s
Da= diámetro de la tubería antes de la bomba, en m
݉ଷ
͵ǡͶͺ ‫Ͳͳ כ‬
ൌ ͲǡͳͲͷ݉Ȁ‫ܣ כ ݏ‬
‫ݏ‬
ߨ
‫ ܣ‬ൌ ͲǡͲͲ͵ʹͷ݉ଶ ൌ ‫ ݐܦ כ‬ଶ
Ͷ
ିସ
ࡰࢇ ൌ ૙ǡ ૙૟࢓ ൌ ૛ǡ ૜ૠ࢏࢔
Antes de la bomba:
v= 0,375 m/s
Db= diámetro de la tubería después de la bomba, en m
݉ଷ
ൌ Ͳǡ͵͹ͷ݉Ȁ‫ܣ כ ݏ‬
͵ǡͶͺ ‫Ͳͳ כ‬
‫ݏ‬
ߨ
‫ ܣ‬ൌ ͲǡͲͲͲͻ͵݉ଶ ൌ ‫ ݐܦ כ‬ଶ
Ͷ
ିସ
ࡰ࢈ ൌ ૙ǡ ૙૜࢓ ൌ ૚ǡ ૚ૡ࢏࢔
Diseño del filtro a presión para el biodiesel
Para el diseño de los filtros se empleó la teoría de Carman que admite que el filtrado
se da en condiciones de continuidad, aplicando la ley de Fourier tenemos que la
velocidad del filtrado está dada por el cociente entre la intensidad de la acción que
provoca el flujo (presión, P) y la resistencia ofrecida al este flujo (R).
ௗ௏
ௗఏ
ൌ
௉
ோ
[AVI.25]
R, es la suma de las resistencias ofrecidas tanto por el precipitado (R1) como por el
material filtrante empleado (R2). Con la Ley de Hagen-Poiseuille estas resistencias se
escriben de la siguiente manera:
135
௅
ܴଵ ൌ ߙ଴ ߤ Ǣܴଶ ൌ ߚ଴ ߤ
஺
௅బ
[AVI.26]
஺
Donde L y L0 son los espesores del precipitado y el material filtrante respectivamente,
A es el área de filtración, μ es la viscosidad del filtrado y ߙ଴ , ߚ଴ son constantes de
proporcionalidad. El espesor del precipitado está dado por:
‫ܮ‬ൌ݇
ௐ
[AVI.27]
஺
Donde W es la cantidad de precipitado; reemplazando la Ecuación AVI.26 en la R1,
además agrupando constantes tanto en R1 y R2 se tiene:
ܴଵ ൌ ߙߤ
ܹ
ߤ
Ǣܴ
ൌ
ߚ
ଶ
‫ܣ‬ଶ
‫ܣ‬
Reemplazando las resistencias en la Ecuación AVI.25.
ௗ௏
ௗఏ
ൌ
௉
ഋ
ೈ
ఈఓ మ ାఉ ಲ
ಲ
ൌ
௉஺మ
ఈఓௐାఓఉ஺
‫݋‬
ௗ௏
ௗఏ
ൌ
௉஺మ
ఈఓఠ௏ାఓఉ஺
[AVI.28]
Donde ω es la cantidad de precipitado.
Despejando ݀ߠ de la Ecuación AVI.26, referida al volumen, para poder aplicarla en los
ensayos a presión constante e integrarla entre los límites de 0 a θ, se tiene:
ߠൌ
ఈఓఠ
ଶ௉஺మ
ሺܸ ଶ ሻ ൅
ఓఉ஺
௉஺
ሺܸሻ
[AVI.29]
Ya que la ecuación no es una recta y para poderla aplicar prácticamente se divide para
(V) ambos miembros:
ఏ
௏
ఈఓఠ
ൌ ଶ௉஺మ ሺܸሻ ൅
ఓఉ஺
௉஺
[AVI.30]
Los datos de volumen y tiempos de filtración, obtenidos experimentalmente, se los
grafica como se muestra en la Figura AVI.10, por tanto tenemos que la ordenada en el
origen da el valor del cociente
ఓఉ஺
௉஺
, y la pendiente de la recta da el valor de
ఈఓఠ
ଶ௉஺మ
.
136
Construcción de la gráfica de filtrado
·
1600,00
1400,00
1200,00
‫ߤ=߮݃ݐ‬
‫߮݃ݐ‬
߮=ߤ
=ߤߙ
ߤߙ߱/(
/(2ܲ
/(2
ܲ‫^ܣ‬
ܲ‫ܣ‬
‫^ܣ‬2 )
θ/V (s/L)
1000,00
800,00
y = 1020,7x + 635,21
R² = 0,9746
600,00
ߤߚ
ܲ‫ܣ‬
400,00
200,00
0,00
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Volumen (L)
θ/V (s/l)
Lineal (θ/V (s/l))
Figura AVI.5 Gráfica tiempo/volumen con respecto al volumen
Donde:
θ= tiempo de filtrado, en h
ఓఉ
௉஺
ൌLa ordenada en el origen (176,45 h/m3)
‫= ߮݃ݐ‬La pendiente de la recta (283 527,77h/m6)
P= presión en la que se operó (1 409 kg*/m2)
A= área de filtrado fue de 0,049m2
μ = viscosidad del filtrado (biodiesel) (18,12 kg/m h)
ω = cantidad de precipitado por unidad de volumen de filtrado (12,04 kg/m3)
0,8
137
·
Cálculo de los coeficientes de resistencia al filtrado
Siendo:
β= la resistencia especifica del material filtrante que se calcula con la Ecuación
AVI.31.
α= la resistencia especifica del precipitado en las condiciones en que se trabajó, se la
calcula mediante la Ecuación AVI.32.
‫ ݊݁݃݅ݎ݋݈݁݊݁ܽ݀ܽ݊݁݀ݎ݋‬ൌ
ͳ͹͸ǡͶͷ ൌ
ͳͺǡͳʹߚ
ͳͶͲͻ ‫Ͳ כ‬ǡͲͶͻ
ఓఉ
௉஺
ߚ ൌ ͸͹ʹǡ͵ͳሺ݄ଶ Τ݉ଶ ሻ
ఓఈఠ
‫ ߮݃ݐ‬ൌ ଶ௉஺మ
ʹͺ͵ͷʹ͹ǡ͹͹ ൌ
[AVI.31]
[AVI.32]
ͳͺǡͳʹ ‫ʹͳ כ‬ǡͲͶߙ
ʹ ‫ͳ כ‬ͶͲͻ ‫Ͳ כ‬ǡͲͶͻଶ
ߙ ൌ ͺ͹ͺͺǡͳͻሺ݄ଶ Τ݇݃ሻ
·
Superficie de filtrado
Aplicando la ecuación de Carman, Ecuación AVI.33.
ߠൌ
ఓఈఠ௏ మ
ଶ௉஺మ
൅
ఓఉ௏
௉஺
[AVI.33]
Donde el volumen filtrante (V) se lo obtiene dividiendo la cantidad precipitado (sólido
seco) presente en la unidad de volumen de filtrado (ω=12,04) obtenida
experimentalmente. La cantidad de sólido en la mezcla se lo determinó
experimentalmente, y corresponde al 80% del catalizador total.
ܸൌ
଴ǡ଼‫כ‬ଶǡ଼଺
ଵଶǡ଴ସ
ൌ Ͳǡͳͻ݉ଷ
[AVII.34]
138
Para el proceso de filtración del biodiesel se consideró un tiempo de filtrado θ=1,5 hora.
ͳǡͷ ൌ
ͺ͹ͺͺǡͳͻ ‫ͳ כ‬ͺǡͳʹ ‫ʹͳ כ‬ǡͲͶ ‫Ͳ כ‬ǡͳͻଶ ͳͺǡͳʹ ‫ כ‬͸͹ʹǡʹͳ ‫Ͳ כ‬ǡͳͻ
൅
ͳͶͲͻ ‫ܣ כ‬
ʹ ‫ͳ כ‬ͶͲͻ ‫ܣ כ‬ଶ
ͳǡͷ ൌ
ͳǡͷ‫ܣ‬ଶ ൌ
ʹͶǡͷ͹ ͳǡ͸Ͷ
൅
‫ܣ‬ଶ
‫ܣ‬
ʹͶǡͷ͹ ଶ ͳǡ͸Ͷ ଶ
‫ ܣ‬൅
‫ܣ‬
‫ܣ‬
‫ܣ‬ଶ
ͳǡͷ‫ܣ‬ଶ ൌ ʹͶǡͷ͹ ൅ ͳǡ͸Ͷ‫ܣ‬
El área total de filtrado es:
ͳǡͷ‫ܣ‬ଶ െ ͳǡ͸Ͷ‫ ܣ‬െ ʹͶǡͷ͹ ൌ Ͳ
‫ ܣ‬ൌ Ͷǡ͸͵݉ଶ
Para el biodiesel se diseñó un sistema de cuatro filtros que funcionan en paralelo, de
tal manera que el área de filtrado de cada filtro será:
‫ ܣ‬ൌ ͳǡͳ͸݉ଶ
‫ܣ‬ൌ
ߨ ଶ
‫ܦ‬
Ͷ
‫ ܦ‬ൌ ͳǡʹͳ݉
El volumen en cada uno de los filtros de biodiesel se lo estableció en 150 L, de manera
que el espacio libre de cabeza sea el triple de la altura del líquido.
ߨ
ܸ ൌ ‫ܦ‬ଶ‫ܪ‬
Ͷ
‫ ܪ‬ൌ Ͳǡͳ͵݉
139
·
Espesor mínimo de pared del filtro de biodiesel
El espesor de la pared del filtro se calcula con la Ecuación AVI.7.
݁ൌ
Donde:
ܲ‫ܦכ‬
ʹሺ‫ ݂ כ ܬ‬ሻ െ ܲ
P= Presión interna de diseño (0,0004 N/mm2)
J= eficiencia de la junta, 85%
f= esfuerzo del material acero inoxidable (115 N/mm2)
D= diámetro interno (1 210 mm)
Por lo que el espesor del filtro es de:
݁ ൌ ʹǡʹ͵ ‫ିͲͳ כ‬ଷ ݉݉
La presión de diseño es muy pequeña, por lo que, el espesor del material para la
construcción del filtro se seleccionó de acuerdo a espesores del mercado nacional.
·
Espesor de la tapa del filtro de biodiesel
Se diseñó el filtro con tapa toriesférica, cuyo espesor mínimo se calcula con las
Ecuaciones AVI.8 y AVI.9.
݁ൌ
ଵ
Donde:
ܲ ‫ܴ כ‬஽ ‫ݏܥ כ‬
ʹሺ‫ ݂ כ ܬ‬ሻ െ Ͳǡʹܲ
ோ
‫ ݏܥ‬ൌ ସ ൬͵ ൅ ට ವ ൰ ; ‫ ݏܥ‬ൌ ͳǡ͹͹
ோ೎
e= espesor mínimo requerido en la tapa sin corrosión, en mm
P= presión de diseño (0,0004 N/mm2)
J= eficiencia de la junta,
140
f= esfuerzo del material, en N/mm2
Cs= factor de concentración de esfuerzos para cabezas toriesféricas
RD= radio exterior de la pieza=D, en mm
Rc= radio interno de la curvatura= 0,06RD, en mm
݁ൌ
ͲǡͲͲͲͶ ‫ͳ כ Ͳͳʹͳ כ‬ǡ͹͹
ʹሺͲǡͺͷ ‫ͳͳ כ‬ͷሻ െ Ͳǡʹ ‫Ͳ כ‬ǡͲͲͲͶ
݁ ൌ ͲǡͲͲͶͶ݉݉
Adicionando el 2 mm por efector de corrosión el espesor queda como:
݁ ൌ ʹǡͲͲͶ݉݉
Se seleccionó el espesor mínimo del material de encontrados en el mercado nacional.
·
Cálculo de la temperatura de salida del agua de enfriamiento
El intercambiador de calor que se empleó para recuperar el metanol en exceso fue
de tubo y coraza 1:1 en contracorriente.
Para establecer la temperatura de salida del agua se empleó la Ecuación AVI.35.
െܳܿ ൌ ݂ܳ
Donde:
݉ሶ௠ ߣ ൌ ݉ሶ௔ ‫ܽ݌ܥ‬൫ܶ௙௘ െ ܶ௙௦ ൯
ܳሶ ܿ= Flujo calórico perdido por el fluido caliente, en kJ/s
ܳሶ ݂= Flujo calórico adquirido por el fluido frío, en kJ/s
݉ሶ௠ = Flujo másico de metanol (1,7*10-3 kg/s)
ߣ= Calor latente de vaporización del metanol a 80ºC
݉ሶ௔ = Flujo másico de agua (0,17 kg/s)
[AVI.35]
[AVI.36]
141
‫ =ܽ݌ܥ‬capacidad calorífica media del agua (4,18kJ/kg K)
ܶ௙௘ = Temperatura de entrada del fluido frío (291K)
ܶ௙௦ = Temperatura de salida del fluido frío, en K
El calor latente de vaporización del metanol se lo calcula con la Ecuación AVI.37, cuyas
constantes se encuentran en Perry, (2001), p. 2-164.
మ
ߣ ൌ ‫ܥ‬ଵ ሺͳ െ ܶ‫ݎ‬ሻ஼మା஼య ்௥ା஼ర ்௥ ܶ‫ ݎ‬ൌ ܶȀܶܿ
Donde:
[AVI.37]
[AVI.38]
ܶ‫ =ݎ‬Temperatura reducida, en K
ܶܿ= Temperatura crítica (512,64 K)
ܶ= Temperatura del vapor (353 K)
C1=5,239*107
C2=0,3684
C3=0
C4=0
ߣ ൌ ͷǡʹ͵ͻ ‫ ଻Ͳͳ כ‬ሺͳ െ Ͳǡ͸ͺͺሻ଴ǡଷ଺଼ସ
ߣ ൌ ͵ͶͲͺ͹ͳ͸ͷǡʹͺ
‫ܬ‬
ൌ ͳͲ͸ͷǡʹʹ݇‫ܬ‬Ȁ݇݃
݇݉‫݈݋‬
Inicialmente se asumen un Cpa=4,18 kJ/kg K, obteniendose la temperatura de salida
el agua:
ͲǡͲͲͳ͹݇݃
݇‫Ͳ ܬ‬ǡͳ͹݇݃
݇‫ܬ‬
൫ܶ െ ʹͻͳ‫ܭ‬൯
‫Ͳͳ כ‬͸ͷǡʹʹ
ൌ
‫ כ‬Ͷǡͳͺ
‫ݏ‬
݇݃
‫ݏ‬
݇݃‫ ܭ‬௙௦
ܶ௙௦ ൌ ʹͻ͵ǡͷͷ‫ܭ‬
142
Con la temperatura de salidad del agua se calcula una nueva capacidad calorifica
media (‫ )ܽ݌ܥ‬entre las temperaturas 293,55 K a 291 K, empleando la Ecuación AVI.39,
cuyas constantes se encuentran en Perry, (2001), p. 2-178.
‫ ܽ݌ܥ‬ൌ ‫ܥ‬ଵ ൅ ‫ܥ‬ଶ ܶ ൅ ‫ܥ‬ଷ ܶ ଶ ൅ ‫ܥ‬ସ ܶ ଷ ൅ ‫ܥ‬ହ ܶ ସ
Donde:
[AVI.39]
Cpa= Capacidad calorifica media del agua, en J/mol K
C1=2,7637*105
C2=-2,0901*103
C3=8,125
C4=-1,4116*10-2
C5=9,3701*10-6
‫ ܽ݌ܥ‬ൌ ʹǡ͹͸͵͹ ‫Ͳͳ כ‬ହ െ ʹǡͲͻͲͳ ‫Ͳͳ כ‬ଷ ‫ כ‬ሺʹͻ͵ǡͷͷ െ ʹͻͳሻ ൅ ͺǡͳʹͷ ‫ כ‬ሺʹͻ͵ǡͷͷ െ ʹͻͳሻଶ
െ ͳǡͶͳͳ͸ ‫ିͲͳ כ‬ଶ ሺʹͻ͵ǡͷͷ െ ʹͻͳሻଷ ൅ ͻǡ͵͹Ͳͳ ‫ ଺ିͲͳ כ‬ሺʹͻ͵ǡͷͷ െ ʹͻͳሻସ
ൌ ͳͷǡͲ͸
݇‫ܬ‬
݇݃‫ܭ‬
Con el nuevo Cpa se calcula nuevamente la temperatura de salida del agua ܶ௙௦ .
‫ ܽ݌ܥ‬ൌ ͳͷǡͲ͸
݇‫ܬ‬
՜ ܶ௙௦ ൌ ʹͻͳǡ͹ͳ‫ܭ‬
݇݃‫ܭ‬
Se calcula nuevamente el Cpa entre 291,71 K a 291 K, empleando la Ecuación AVI.39
hasta conseguir que el valor de la temperatura calculada con el nuevo Cpa no varíen
en más de un grado Kelvin de la anterior.
‫ ܽ݌ܥ‬ൌ ͳͷǡʹ͹
݇‫ܬ‬
՜ ܶ௙௦ ൌ ʹͻͳǡ͸ͻ‫ܭ‬
݇݃‫ܭ‬
La temperatura de salida del agua ࢀࢌ࢙ ൌ ૛ૢ૚ǡ ૟ૢࡷ
143
ANEXO VII
EJEMPLO DE CÁLCULO DE COSTOS
Los socios aportantes son dos cada uno aporta 20 000,00USD los valores de
amortizaciones y porcentajes de mantenimientos se han tomado de Peters, (2003),
pp.259-268.
Tabla AVII. 1 Parámetros del proyecto
Nombre del Parámetro
Unidad
Valor del Parámetro
Aportación de socios
USD
% de valor sueldo o
salario
USD/m2
40 000,00
Aporte Patronal al IESS
Costo de construcción de bodegas y galpones
200,00
Costo de construcción de oficinas
2
USD/m
250,00
Costo de construcción de Infraestructura
USD/m2
350,00
Duración de capital de operación
meses
1
Impuesto a la renta sobre utilidades
%
11
Interés bancario por anualidad
%
% valor de maquinaria y
equipo
% del valor de edificios
10
Mantenimiento de maquinaria y equipos
Mantenimiento de edificios
Número de turnos de trabajo
5
2
1
Amortización de edificios
%promedio del costo de
maquinaria y equipos
años
Amortización de equipo
años
5
Amortización de muebles y equipo de oficina
años
5
Amortización de otros activos
años
5
Promedio de instalación de maquinaria y equipos
·
12,15
30
10
Dividendos de equipos
El cálculo de los dividendos a pagar de los equipos, muebles de oficina y
construcciones que aparecen en las Tablas 3.40, 3.41, y 3.42, se los realizó de la
siguiente manera.
Se requiere de un tanque de almacenamiento de aceite cuyo precio es 1 550,00 USD
144
La amortización para equipos es de 5 años.
݀݅‫ ݁ݐ݅݁ܿܽ݁݀݋ݐ݈݊݁݅݉ܽ݊݁ܿܽ݉ܽ݁݀݁ݑݍ݈݊ܽܶ݁݀ݏ݋݀݊݁݀݅ݒ‬ൌ
ͳͷͷͲǡͲͲܷܵ‫ܦ‬
ൌ ͵ͳͲǡͲͲܷܵ‫ܦ‬
ͷ
Para el caso de los materiales para adecuación de oficinas la amortización también es
de 5 años.
El precio de computadoras se estimó en 1 000,00 USD, se requieren de dos.
݀݅‫ ݏܽݎ݋݀ܽݐݑ݌݉݋ܿ݁݀ݏ݋݀݊݁݀݅ݒ‬ൌ
ʹͲͲͲǡͲͲܷܵ‫ܦ‬
ൌ ͶͲͲǡͲͲܷܵ‫ܦ‬
ͷ
Para el caso de las construcciones y edificios la amortización es para 10 años así:
݀݅‫ ݋݊݁ݎݎ݈݁ܶ݁݀ݏ݋݀݊݁݀݅ݒ‬ൌ
͵ͻͶͲͲܷܵ‫ܦ‬
ൌ ͵ͻͶͲܷܵ‫ܦ‬
ͳͲ
Inversión Total
ࡵ࢔࢜ࢋ࢙࢘࢏×࢔ࢀ࢕࢚ࢇ࢒ ൌ ࡵ࢔࢜ࢋ࢙࢘࢏×࢔ࢌ࢏࢐ࢇ ൅ ࡯࢕࢙࢚࢕࢙ࢊࢋ࢕࢖ࢋ࢘ࢇࢉ࢏×࢔
[AVII.1]
La inversión fija es la suma de los costos totales de: equipos, muebles de oficina y
terreno y construcciones, como se muestran presentan en las Tabla 3.40, 3.41, 3.42.
Además se consideran los costos de instalación de equipos que en promedio es de
30% del costo total de equipos, Peters, (2003), p. 244.
Se suma además los costos de instrumentación de tuberías y accesorios, el precio de
tuberías se estimó considerando los metros totales de tubería requerida.
ࡵ࢔࢜ࢋ࢙࢘࢏×࢔ࡲ࢏࢐ࢇ ൌ ͹ͷ͸ͺͻǡͷ ൅ ͳͶͳͲͲ ൅ ͶͲͷͲ ൅ Ͷʹ͵Ͳ ൅ ͶͺͲǡͲͺ ൅ ͳͻͷǡͶͶ
ൌ ૢૡૠ૝૞ǡ ૙૛ࢁࡿࡰ
El capital de operación se estableció en 15%, Peters, (2003), p. 251.
‫ ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋݈݁݀ܽݐ݅݌ܽܥ‬ൌ Ͳǡͳͷ ‫݆݂ܽ݅݊×݅ݏݎ݁ݒ݊ܫ כ‬
࡯ࢇ࢖࢏࢚ࢇ࢒ࢊࢋ࢕࢖ࢋ࢘ࢇࢉ࢏×࢔ ൌ Ͳǡͳͷ ‫ͻ כ‬ͺ͹ͶͷǡͲʹܷܵ‫ ܦ‬ൌ ૚૝ૡ૚૚ǡ ૠ૞ࢁࡿࡰ
[AVII.2]
145
‫ ݈ܽݐ݋ܶ݊×݅ݏݎ݁ݒ݊ܫ‬ൌ ͻͺ͹ͶͷǡͲʹܷܵ‫ ܦ‬൅ ͳͶͺͳͳǡ͹ͷܷܵ‫ܦ‬
·
ࡵ࢔࢜ࢋ࢙࢘࢏×࢔ࢀ࢕࢚ࢇ࢒ ൌ ૚૚૜૞૞૟ǡ ૠૠࢁࡿࡰ
Personal en nómina
Todo el personal labora un turno de 8 horas, sin turnos nocturnos, obtienen beneficios
de ley como: vacaciones, décimo tercero sueldo, décimo cuarto sueldo y aporte
patronal del 12,15% al IESS.
Así, un operario gana 363,90 USD el aporte patronal es:
‫ ݈ܽ݊݋ݎݐܽ݌݁ݐݎ݋݌ܣ‬ൌ Ͳǡͳʹͳͷ ‫͵ כ‬͸͵ǡͻͲܷܵ‫ ܦ‬ൌ ͶͶǡʹͳܷܵ‫ܦ‬
ܸܽܿܽܿ݅‫ ݏ݁݊݋‬ൌ
[AVII.3]
͵͸͵ǡͻͲܷܵ‫ ܦ‬൅ ͶͶǡʹͳܷܵ‫ܦ‬
ൌ ʹͲͶǡͲ͸ܷܵ‫ܦ‬
ʹ
El décimo tercer sueldo se lo calcula como una doceava parte, de lo que se estima el
empleado recibiría en un año. El décimo cuarto consiste en un sueldo básico unificado
vigente a la fecha, no lo perciben los operarios y aprendiz de artesano. Los fondos de
reserva son el 8,33% de la remuneración de aportación, se la realiza mensualmente.
Para el cargo de secretaria:
ܲܽ݃‫ ܽ݅ݎܽݐ݁ݎ݈ܿ݁ܵܽݑ݊ܽ݋‬ൌ ‫ ݈ܽݑݏ݊݁݉݋݅ݎ݈ܽܽݏ‬൅ ܽ‫ ݈ܽ݊݋ݎݐܽ݌݁ݐݎ݋݌‬൅ ‫ ݏ݁݊݋݅ܿܽܿܽݒ‬൅
ͳ͵ܽ‫ ݋ݒ‬൅ ͳͶܽ‫ ݋ݒ‬൅ ݂‫ܽݒݎ݁ݏ݁ݎ݁݀ݏ݋݀݊݋‬
[AVII.4]
ܲܽ݃‫ ܽ݅ݎܽݐ݁ݎ݈ܿ݁ܵܽݑ݊ܽ݋‬ൌ ͶͲͲǡͲͲ ൅ Ͷͺǡ͸Ͳ ൅ ʹʹͶǡ͵Ͳ ൅ ͶͶͺǡ͸Ͳ ൅ ͵ͷͶǡͲͲ ൅ ͶͶͺǡ͸Ͳ
ܲܽ݃‫ ܽ݅ݎܽݐ݁ݎ݈ܿ݁ܵܽݑ݊ܽ݋‬ൌ ͸ͺͷͺǡ͹Ͳܷܵ‫ܦ‬
Los fondos de reserva se calcularon para el total de un año.
146
·
Costos de materia prima
En los costos de materia prima entran el aceite, metanol y óxido de calcio, mientras
que los insumos constan de los materiales filtrantes, agua empleada en el
intercambiador de calor y la energía empleada por cada equipo.
De esta manera, para el aceite se tiene:
Se consumen 190,713 kg de aceite por día, al año se tiene:
݇݃݀݁ܽܿ݁݅‫݈ܽܽ݁ݐ‬Ó‫ ݋‬ൌ ͳͻͲǡ͹ͳ݇݃ ‫ ʹͳ כ Ͳʹ כ‬ൌ Ͷͷ͹͹ͳǡͳʹ݇݃
El aceite tiene un precio de 1,11 USD/kg (Fedepal, 2013)
Los costos del aceite por año son:
ࢉ࢕࢙࢚࢕࢙ࢊࢋࢇࢉࢋ࢏࢚ࢋ࢖࢕࢘ࢇÓ࢕ ൌ Ͷͷ͹͹ͳǡͳʹ݇݃ ‫כ‬
·
Costos fijos
ͳǡͳͳܷܵ‫ܦ‬
ൌ ૞૙ૡ૙૞ǡ ૢ૝ࢁࡿࡰ
݇݃
Los costos fijos se determinan con los costos de mano de obra, depreciaciones de
equipos, construcciones muebles de oficina y se consideró la depreciación del vehículo
necesario para el transporte del producto y los mantenimientos tanto de edificio como
de equipos, en el porcentaje que se especifica en la Tabla AVII.1.
࡯࢕࢙࢚࢕࢙ࡲ࢏࢐࢕࢙ ൌ ૝ૡૡ૙ૢǡ ૜૛ࢁࡿࡰ
·
Costos variables
Se determinan con los costos unitarios de materia prima e insumos:
௖௢௦௧௢ௗ௘௠௔௧௘௥௜௔௣௥௜௠௔௣௢௥௔Ó௢
݉ܽ‫ ܽ݉݅ݎ݌ܽ݅ݎ݁ݐ‬ൌ ௖௔௡௧௜ௗ௔ௗௗ௘௠௔௧௘௥௜௔௣௥௜௠௔௣௢௥௔Ó௢
࢓ࢇ࢚ࢋ࢘࢏ࢇ࢖࢘࢏࢓ࢇ ൌ
͸ͻͻ͵͸ǡͷͷܷܵ‫ܦ‬
ൌ ૚ǡ ૛૝ࢁࡿࡰȀ࢑ࢍ
Ͷͷ͹͹ͳǡͳʹ݇݃
[AVII.5]
147
࢏࢔࢙࢛࢓࢕࢙ ൌ
ʹͻͺ͸Ͷʹǡͳͺܷܵ‫ܦ‬
ൌ ૙ǡ ૢ૜ࢁࡿࡰȀ࢑ࢍ
͵ͳͻͻ͹ͳǡͲͲ݇݃
Sumando los valores de materia prima e insumos se tiene los costos unitarios
variables.
࡯࢕࢙࢚࢕࢙࢛࢔࢏࢚ࢇ࢘࢏࢕࢙࢜ࢇ࢘࢏ࢇ࢈࢒ࢋ࢙ ൌ ૛ǡ ૚ૠࢁࡿࡰȀ࢑ࢍ
La suma de los costos anuales de materia prima e insumos se obtiene el costo variable.
࡯࢕࢙࢚࢕࢙࢜ࢇ࢘࢏ࢇ࢈࢒ࢋ࢙ ൌ ૜૟ૡ૞ૠૡǡ ૠ૛ࢁࡿࡰ
Costos anuales de Producción
Los costos de producción abarcan tanto los costos totales fijos como los variables, a
esto se le adiciona un 10% por concepto de imprevistos.
ࢉ࢕࢙࢚࢕࢙ࢊࢋ࢖࢘࢕ࢊ࢛ࢉࢉ࢏×࢔ ൌ ࢉ࢕࢙࢚࢕࢙ࢌ࢏࢐࢕࢙ ൅ ࢉ࢕࢙࢚࢕࢙࢜ࢇ࢘࢏ࢇ࢈࢒ࢋ࢙
[AVII.6]
ܿ‫ ݊×݅ܿܿݑ݀݋ݎ݌݁݀ݏ݋ݐݏ݋‬ൌ ͶͺͺͲͻǡ͵ʹ ൅ ͵͸ͺͷ͹ͺǡ͹ʹ ൌ Ͷͳ͹͵ͺͺǡͲͶܷܵ‫ܦ‬
‫ ݊×݅ܿܿݑ݀݋ݎܲ݁݀ݏ݈݁ܽݐ݋ܶݏ݋ݐݏ݋ܥ‬ൌ ͳǡͳͲ ‫ כ‬Ͷͳ͹͵ͺͺǡͲͶܷܵ‫ܦ‬
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Ventas
La cantidad de biodiesel B20 producido por día es de 793,43 kg
El precio se lo estableció mediante la Ecuación AVII.7.
஼௢௦௧௢௦ௗ௘௣௥௢ௗ௨௖௖௜×௡
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ܲ‫ Ͳʹܤ݈݁ݏ݁݅݀݋݅ܤ݈݁݀݋݅ܿ݁ݎ‬ൌ
[AVII.7]
Ͷͷͻͳʹ͸ǡͺͶܷܵ‫ܦ‬
ൌ ʹǡͶͳܷܵ‫ܦ‬Ȁ݇݃
ͳͻͲͶʹʹǡͻ͸݇݃
Con los impuestos respectivos el costo del B20 es de 2,70 USD/kg
ࡵ࢔ࢍ࢘ࢋ࢙࢕࢙ࢇ࢔࢛ࢇ࢒ࢋ࢙ࢊࢋࢂࢋ࢔࢚ࢇ࢙ ൌ ʹǡ͹Ͳ ‫Ͳͻͳ כ‬Ͷʹʹǡͻ͸ܷܵ‫ ܦ‬ൌ ૞૚૝૛૛૛ǡ ૙૟ࢁࡿࡰ
148
Flujo de caja
El flujo de caja se generó de la siguiente manera:
Para el año 0 los dividendos de financiamiento (DF) son las aportaciones de los socios
menos la inversión inicial total.
ࡰࡲ૙ ൌ ͶͲͲͲͲǡͲͲܷܵ‫ ܦ‬െ ͳͳ͵ͷͷ͸ǡ͹͹ܷܵ‫ ܦ‬ൌ ૠ૜૞૞૟ǡ ૠૠࢁࡿࡰ
Para los siguientes años se calcula con el interés bancario anual (IBN) que se
especifica en la Tabla AVII.1.
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ࡰࡲ ൌ
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ሺሺͲǡͳ ൅ ͳሻଵ଴ െ ͳሻ
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[AVII.8]
[AVII.9]
ࡲ࢒࢛࢐࢕࡮࢛࢚࢘࢕ ൌ ͷͳͶʹʹʹǡͲ͸ܷܵ‫ ܦ‬െ Ͷͷͻͳʹ͸ǡͺͶܷܵ‫ ܦ‬ൌ ૞૞૙ૢ૞ǡ ૛૛ࢁࡿࡰ
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[AVII.10]
ࡲ࢒࢛࢐࢕ࢇ࢔࢚ࢋ࢙ࢊࢋ࢏࢓࢖࢛ࢋ࢙࢚࢕࢙ ൌ ͷͷͲͻͷǡʹʹܷܵ‫ ܦ‬െ ͳͳͻ͹ͳǡͲ͵ܷܵ‫ ܦ‬ൌ ૝૜૚૛૝ǡ ૛૙ࢁࡿࡰ
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[AVII.11]
ࡵ࢓࢖࢛ࢋ࢙࢚࢕࢙ࢇ࢒ࢇ࢘ࢋ࢔࢚ࢇ ൌ ૙ǡ ૚૚ ‫ כ‬૝૜૚૛૝ǡ ૛૙ࢁࡿࡰ ൌ ૝ૠ૝૜ǡ ૟૟ࢁࡿࡰ
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࢏࢓࢖࢛ࢋ࢙࢚࢕࢙ࢇ࢒ࢇ࢘ࢋ࢔࢚ࢇ
[AVII.12]
ࡲ࢒࢛࢐࢕ࢊࢋ࢙࢖࢛±࢙ࢊࢋ࢏࢓࢖࢛ࢋ࢙࢚࢕࢙ ൌ ૝૜૚૛૝ǡ ૛૙ܷܵ‫ ܦ‬െ Ͷ͹Ͷ͵ǡ͸͸ܷܵ‫ ܦ‬ൌ ૜ૡ૜ૡ૙ǡ ૞૜ࢁࡿࡰ
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ࡲ࢒࢛࢐࢕ࢇࢉ࢛࢓࢛࢒ࢇ࢚࢏࢜࢕ ൌ ͵ͺ͵ͺͲǡͷ͵ܷܵ‫ ܦ‬െ ͳͳ͵ͷͷ͸ǡ͹͹ܷܵ‫ ܦ‬ൌ െૠ૞૚ૠ૟ǡ ૛૝ࢁࡿࡰ
514
222,06
459
126,84
Año 4
514
222,06
459
126,84
Año 5
514
222,06
459
126,84
Año 6
514
222,06
459
126,84
Año 7
514
222,06
459
126,84
Año 8
514
222,06
459
126,84
Año 9
514
222,06
459
126,84
Año 10
INVERSIÓN TOTAL
Flujo Acumulativo
-75
176,24
-75
176,24
-36
795,71
-36
795,71
4 743,66
1 584,83 39 965,36 78 345,90
1 584,83 39 965,36 78 345,90
4 743,66
116
726,43
116
726,43
4 743,66
155
106,96
155
106,96
4743,66
193
487,50
193
487,50
4 743,66
231
868,03
231
868,03
4 743,66
270
248,56
270
248,56
4 743,66
38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53 38 380,53
4 743,66
Flujo despues de
impuestos
4 743,66
4 743,66
(-) Impuesto a la renta
-113
556,77
514
222,06
459
126,84
Año 3
55 095,22 55 095,22 55 095,22 55 095,22 55 095,22 55 095,22 55 095,22 55 095,22 55 095,22
514
222,06
459
126,84
Año 2
11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03 11 971,03
514
222,06
459
126,84
55
095,22
Año 1
43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20 43 124,20
(73
556,77)
40 000,00
Año 0
Flujo antes de impuestos
Dividendo de
financiamiento
Flujo bruto
(-) Costo de Producción
Ventas
Aportación de socios
Designación
FLUJO DE CAJA
Tabla AVII. 2 Detalles del flujo de caja generado para 10 años
deje de ser negativo, para que el proyecto sea rentable.
Para flujos acumulativos se toma el flujo acumulativo anterior como la inversión total, de manera que el flujo acumulativo
149
150
Indicadores TIR y VAN
El VAN es la diferencia de los ingresos y egresos, este permite conocer el valor
presente de un determinado flujo de caja, que se originan de una inversión, se calcula
con la Ecuación AVII.14.
௏
೟
ܸ‫ ܰܣ‬ൌ σ௡௧ୀଵ ሺଵା௞ሻ
೟ െ ‫ܫ‬଴
Donde:
[AVII.14]
Vt=flujos de caja, en USD
I0=inversión inicial, en USD
n= número de periodos
k=tipo de interés, en %
En este caso k=TMAR
ܶ‫ ܴܣܯ‬ൌ ܶܽ‫ ݊×݈݂݅ܿܽ݊݅݁݀ܽݏ‬൅ ܲ‫݋݃ݏ݁݅ݎ݈ܽ݋݅݉݁ݎ‬
[AVII.15]
Tasa de inflación=4,36%; Premio al riesgo= 12,50%, Banco Central del Ecuador, 2015.
ࢀࡹ࡭ࡾ ൌ Ͷǡ͵͸ ൅ ͳʹǡͷͲ ൌ ૚૟ǡ ૡ૟Ψ
ࢂ࡭ࡺ ൌ ૚૙૜૟૙૛ǡ ૙ૡࢁࡿࡰ
La TIR se calcula igualando el valor actual neto a cero, toma referencia a la tasa de
descuento a tasa atractiva de retorno TMAR.
௡
ܸ‫ ܰܣ‬ൌ ෍
௧ୀଵ
ܸ௧
െ ‫ܫ‬଴ ൌ Ͳ
ሺͳ ൅ ݇ሻ௧
ࢀࡵࡾ ൌ ૛૞Ψ