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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. ௦௧ௗௗ௨× ܲ Ͳʹܤ݈݁ݏܾ݈݁݅݀݅݁݀݅ܿ݁ݎൌ ௗ௨×௨ௗଶ [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 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.Albis, A. 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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 ெככே ଵכ [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: ݅ൌ ଵଶǡଽሺିభ 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: ݅ൌ ହǡଵሺభ ି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 ௨ௗௗ௦ ௨ௗ௧ ͻͷǡͶ͵Ψ ൌ ͲͲͳ כ ʹͲͲܮ ͲͲͳ כ ܸ݁ݐ݅݁ܿܽ݁݀݊݁݉ݑ݈ ࢂ࢛ࢋࢊࢋࢇࢉࢋ࢚ࢋ ൌ ૢ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 ૠࢍ ݉ଷ ൌ ͲǡͲͳͷ Ͳͻͳ כǡͳ݇݃ ൌ ǡ ૡࢍ 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) ͳͻͲǡͳ݇݃ܽܿ݁݅כ ݁ݐ ͳ݈݇݉ ݈݇݉݊ܽݐ݁݉݃݇ʹ͵ ݈݊ܽݐ݁ܯݏ݈݁ כ כ ൌ ǡ ࢍࢋ࢚ࢇ ͺͻǡͺʹ݇݃ ͳ݇݉݁ݐ݈݅݁ܿܽ ͳ݈݇݉݊ܽݐ݈݁݉ ࡹ ൌ ǡ ࢍࢋ࢚ࢇ De pruebas experimentales se obtuvo que el metanol recuperado, representa el 1,2% del biodiesel obtenido. ࡾ ൌ ͲǡͲͳʹ Ͳ כǡʹ݉ଷ כ ͺͺͳǡʹܾ݈݇݃݅݁ݏ݁݅݀ ൌ ǡ ࢍࢋ࢚ࢇ࢘ࢋࢉ࢛ࢋ࢘ࢇࢊ ݉ଷ ܥܣ ܯൌ ܴܲ ʹǡͺ݇݃ ͳͻͲǡͳ݇݃ Ͷǡ͵݇݃ ൌ ʹǡͲͷ݇݃ ܲ ࡼ ൌ ૠǡ ૡૡࢍ [AV.3] 118 La corriente P se compone de: biodiesel (200 L), glicerina y catalizador ࢈ࢊࢋ࢙ࢋ ൌ ૠǡ ࢍ ࢉࢇ࢚ࢇࢠࢇࢊ࢘ ൌ ǡ ૡࢍ ࢍࢉࢋ࢘ࢇ ൌ ǡ ૡࢍ 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 Ͷǡͻ݇݃ ൌ Ͳǡʹ ʹ כǡͺ ൌ ǡ ૠࢍࢉࢇ࢚ࢇࢠࢇࢊ࢘ ൌ Ͳǡͻͻ Ͳ כǡͲͷ ͳ כǡ͵ʹ ൌ ૡǡ ૠૡࢍ࢈ࢊࢋ࢙ࢋ ࡳ ൌ Ͳǡͻͻ כͷͷǡͺͶ ൌ ǡ ࢍࢍࢉࢋ࢘ࢇ 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 ͳͺǡͶͶ݇݃ ൌ Ͳǡͻͻʹ Ͳ כǡͻͷ ͳ כǡ͵ʹ ൌ ǡ ࢍ࢈ࢊࢋ࢙ࢋ ൌ Ͳǡͺ ʹ כǡͺ ൌ ǡ ૡࢍࢉࢇ࢚ࢇࢠࢇࢊ࢘ Se produce la mezcla biodiesel/diésel B20 es decir 20%v biodiesel y 80%v diésel ܤൌ ͳǡͳܾ݇݃݅כ ݈݁ݏ݁݅݀ ࡰൌ ݉ଷ ൌ Ͳǡͳͺͺ݉ଷ ֜ ʹͲΨ ͺͺͳǡʹ݇݃ Ͳǡͳͺͺ כͺͲ ൌ ǡ ૠࢊ±࢙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 · Presión de vapor del Metanol a 125ºC మൗ ఱ ் ାయ ሺ்ሻାర ்כሻ ܲ௩ ൌ ݁ ሺభ ା [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 ൌ ʹǡ͵ʹ݇ܲܽ Para el cálculo de la presión de diseño (ܲ ) se utiliza un factor de seguridad del 10% sobre la presión interna (ܲூ ). ܲூ ൌ ܲ ܲ௩ ൌ ͵Ͷǡͳ݇ܲܽ [AVI.6] ܲ ൌ ͳǤͳ ܲ כூ =807,59 kPa = 0,81 N/mm2 · Espesor mínimo de la pared del reactor כ Donde: ೃ ݁ ൌ ଶሺכሻି 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 כͷͻ 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 כ௦ ଶሺכሻିǡଶ 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 כͷͻ 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 כǡͷͻ ͵ 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 כೌఱ 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 ൌ ʹͺǡ͵͵ܹ 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 ൫ܶିܶ 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 ͲǡͲͲሺܶ െ 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 ͲǡͲͲሺͳͺ െ ͳͷሻ൨ ͲǡͲͲሺͷͲ െ ͳͷሻ൨ Ͳǡͻͳ ξ ξͲǡͻͳ ܥ ൌ ൌ Ͳǡ݈ܽܥȀ݃ᤪܥ ʹ ܥ௭ ൌ ʹǡͷܬȀ݃ᤪܭ De 50ºC a 125ºC (reacción) Ͳǡͷ Ͳǡͷ ͲǡͲͲሺͷͲ െ ͳͷሻ൨ ͲǡͲͲሺͳʹͷ െ 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 ൌ ͳͻͲͳ͵݃ ʹ כǡͷ ܳ௫ ൌ ܬ כሺͷͲ െ ͳͺሻᤪ ܭൌ ͳͶǡͶͶ݇ܬ ݃ᤪܭ ͳͶǡͶͶ݇ܬ ൌ ͻǡ͵ͳ݇ܬȀݏ ͳͺͲͲݏ ܳ௫ ൌ ͻǡ͵ͳܹ݇ Potencia de calentamiento, se emplea la Ecuación AVI.16 (Reacción de transesterificación durante 1,5 horas=5400s) ܳ௫ ൌ ͳͻͲͳ͵݃ כͶǡ͵ͳ ܳ௫ ൌ ܬ כሺͳʹͷ െ ͷͲሻᤪ ܭൌ ͳͶǡͻ݇ܬ ݃ᤪܭ ͳͶǡͻ݇ܬ ൌ 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 ࣊ ࢘ 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 ࢘ = radio interno del reactor, en m ࡽൌ ͳʹͷ െ ͳͺ ൌ ૡǡ ૡࢃ 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 ࢘ࢇ࢙ ൬ ൰ ࣊ ࢇ࢙ ቀ ࢘ࢋ ቁ ࢎࢉ࢘ࢇ࢙ ࢇ࢙= constante de conductividad térmica del material aislante (0,066 W/m K) ࢘ࢇ࢙= 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. Ͷʹǡ Ͳͷͻ ൌ · ܶ െ ʹͻͳ ͳ ͳ ʹߨ ቀͳͲ Ͳ כǡ͵Ͷቁ ࢀ ൌ ͵Ͳͻǡʹͺᤪ ܭൌ ǡ ᤪ Dimensionamiento de la bomba de alimentación al reactor ࡼ ࢽ ࢂ ࢆ ࢍ ࡴ ൌ ࡼ ࢽ ࢂ ࢆ ࢍ ࢎࢌି ࡴ ൌ ࢆ െ ࢆ ࢎࢌି [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 െ Ͳǡ݉ ͶǡͲͻ݉ ൌ ǡʹ݉ Para la potencia hidráulica ݄ܲ݅݀ ݈ܽܿ݅ݑݎൌ ܳ 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 ݄ܲ݅݀ ݈ܽܿ݅ݑݎൌ ͵ǡͶͺ ିͲͳ כସ ݉ଷ ݇݃ כǤʹ݉ ͻ כǡͺ݉Ȁ ݏଶ Ͳͳͻ כଷ ݉ ݏ ݄ܲ݅݀ ݈ܽܿ݅ݑݎൌ ʹͲǡͷͶܹ ൌ ͲǡͲʹͲܹ݇ Con una eficiencia de 60% ߟൌ ௧ௗ௨ ௧ௗ௧ ܲ ݎݐ݉݁݀ܽ݅ܿ݊݁ݐൌ [AVI.22] ʹͲǡͷͶܹ ൌ ͵Ͷǡʹ͵ܹ ൌ ͲǡͲͷܲܪ ͲǡͲ 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 ૠ 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 ૡ 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 ఈఓఠାఓఉ [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 ଶమ 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 ൌ ଶమ 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 ଶమ . 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. ݊݁݃݅ݎ݈݁݊݁ܽ݀ܽ݊݁݀ݎൌ ͳǡͶͷ ൌ ͳͺǡͳʹߚ ͳͶͲͻ Ͳ כǡͲͶͻ ఓఉ ߚ ൌ ʹǡ͵ͳሺ݄ଶ Τ݉ଶ ሻ ఓఈఠ ߮݃ݐൌ ଶమ ʹͺ͵ͷʹǡ ൌ [AVI.31] [AVI.32] ͳͺǡͳʹ ʹͳ כǡͲͶߙ ʹ ͳ כͶͲͻ Ͳ כǡͲͶͻଶ ߙ ൌ ͺͺͺǡͳͻሺ݄ଶ Τ݇݃ሻ · Superficie de filtrado Aplicando la ecuación de Carman, Ecuación AVI.33. ߠൌ ఓఈఠ మ ଶమ 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 ଵଶǡସ ൌ Ͳǡͳͻ݉ଷ [AVII.34] 138 Para el proceso de filtración del biodiesel se consideró un tiempo de filtrado θ=1,5 hora. ͳǡͷ ൌ ͺͺͺǡͳͻ ͳ כͺǡͳʹ ʹͳ כǡͲͶ Ͳ כǡͳͻଶ ͳͺǡͳʹ כʹǡʹͳ Ͳ כǡͳͻ ͳͶͲͻ ܣ כ ʹ ͳ כͶͲͻ ܣ כଶ ͳǡͷ ൌ ͳǡͷܣଶ ൌ ʹͶǡͷ ͳǡͶ ܣଶ ܣ ʹͶǡͷ ଶ ͳǡͶ ଶ ܣ ܣ ܣ ܣଶ ͳǡͷܣଶ ൌ ʹͶǡͷ ͳǡͶܣ El área total de filtrado es: ͳǡͷܣଶ െ ͳǡͶ 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 ͳǡͳ݉ଶ 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 െ ܶݎሻమାయ ்ା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 െ Ͳǡͺͺሻǡଷ଼ସ ߣ ൌ ͵ͶͲͺͳͷǡʹͺ ܬ ൌ ͳͲͷǡʹʹ݇ܬȀ݇݃ ݈݇݉ Inicialmente se asumen un Cpa=4,18 kJ/kg K, obteniendose la temperatura de salida el agua: ͲǡͲͲͳ݇݃ ݇Ͳ ܬǡͳ݇݃ ݇ܬ ൫ܶ െ ʹͻͳܭ൯ Ͳͳ כͷǡʹʹ ൌ כͶǡͳͺ ݏ ݇݃ ݏ ݇݃ ܭ௦ ܶ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 ൌ ʹͻͳǡͳܭ ݇݃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 ൌ ʹͻͳǡͻܭ ݇݃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. ݀݅ ݁ݐ݅݁ܿܽ݁݀ݐ݈݊݁݅݉ܽ݊݁ܿܽ݉ܽ݁݀݁ݑݍ݈݊ܽܶ݁݀ݏ݀݊݁݀݅ݒൌ 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. ݀݅ ݏܽݎ݀ܽݐݑ݉ܿ݁݀ݏ݀݊݁݀݅ݒൌ ʹͲͲͲǡͲͲܷܵܦ ൌ ͶͲͲǡͲͲܷܵܦ ͷ Para el caso de las construcciones y edificios la amortización es para 10 años así: ݀݅ ݊݁ݎݎ݈݁ܶ݁݀ݏ݀݊݁݀݅ݒൌ ͵ͻͶͲͲܷܵܦ ൌ ͵ͻͶͲܷܵܦ ͳͲ Inversión Total ࡵ࢜ࢋ࢙࢘×ࢀ࢚ࢇ ൌ ࡵ࢜ࢋ࢙࢘×ࢌࢇ ࢙࢚࢙ࢊࢋࢋ࢘ࢇࢉ× [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. ࡵ࢜ࢋ࢙࢘×ࡲࢇ ൌ ͷͺͻǡͷ ͳͶͳͲͲ ͶͲͷͲ Ͷʹ͵Ͳ ͶͺͲǡͲͺ ͳͻͷǡͶͶ ൌ ૢૡૠǡ ࢁࡿࡰ El capital de operación se estableció en 15%, Peters, (2003), p. 251. ݊×݅ܿܽݎ݈݁݁݀ܽݐ݅ܽܥൌ Ͳǡͳͷ ݆݂ܽ݅݊×݅ݏݎ݁ݒ݊ܫ כ ࢇ࢚ࢇࢊࢋࢋ࢘ࢇࢉ× ൌ Ͳǡͳͷ ͻ כͺͶͷǡͲʹܷܵ ܦൌ ૡǡ ૠࢁࡿࡰ [AVII.2] 145 ݈ܽݐܶ݊×݅ݏݎ݁ݒ݊ܫൌ ͻͺͶͷǡͲʹܷܵ ܦ ͳͶͺͳͳǡͷܷܵܦ · ࡵ࢜ࢋ࢙࢘×ࢀ࢚ࢇ ൌ 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: ݈ܽ݊ݎݐܽ݁ݐݎܣൌ Ͳǡͳʹͳͷ ͵ כ͵ǡͻͲܷܵ ܦൌ ͶͶǡʹͳܷܵܦ ܸܽܿܽܿ݅ ݏ݁݊ൌ [AVII.3] ͵͵ǡͻͲܷܵ ܦ ͶͶǡʹͳܷܵܦ ൌ ʹͲͶǡͲܷܵܦ 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: ܲܽ݃ ܽ݅ݎܽݐ݁ݎ݈ܿ݁ܵܽݑ݊ܽൌ ݈ܽݑݏ݊݁݉݅ݎ݈ܽܽݏ ܽ ݈ܽ݊ݎݐܽ݁ݐݎ ݏ݁݊݅ܿܽܿܽݒ ͳ͵ܽ ݒ ͳͶܽ ݒ ݂ܽݒݎ݁ݏ݁ݎ݁݀ݏ݀݊ [AVII.4] ܲܽ݃ ܽ݅ݎܽݐ݁ݎ݈ܿ݁ܵܽݑ݊ܽൌ ͶͲͲǡͲͲ ͶͺǡͲ ʹʹͶǡ͵Ͳ ͶͶͺǡͲ ͵ͷͶǡͲͲ ͶͶͺǡͲ ܲܽ݃ ܽ݅ݎܽݐ݁ݎ݈ܿ݁ܵܽݑ݊ܽൌ ͺͷͺǡͲܷܵܦ 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 ൌ ͳͻͲǡͳ݇݃ ʹͳ כ Ͳʹ כൌ Ͷͷͳǡͳʹ݇݃ El aceite tiene un precio de 1,11 USD/kg (Fedepal, 2013) Los costos del aceite por año son: ࢉ࢙࢚࢙ࢊࢋࢇࢉࢋ࢚ࢋ࢘ࢇÓ ൌ Ͷͷͳǡͳʹ݇݃ כ · Costos fijos ͳǡͳͳܷܵܦ ൌ ૡǡ ૢ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. ࢙࢚࢙ࡲ࢙ ൌ ૡૡૢǡ ࢁࡿࡰ · Costos variables Se determinan con los costos unitarios de materia prima e insumos: ௦௧ௗ௧Ó ݉ܽ ܽ݉݅ݎܽ݅ݎ݁ݐൌ ௧ௗௗௗ௧Ó ࢇ࢚ࢋ࢘ࢇ࢘ࢇ ൌ ͻͻ͵ǡͷͷܷܵܦ ൌ ǡ ࢁࡿࡰȀࢍ Ͷͷͳǡͳʹ݇݃ [AVII.5] 147 ࢙࢛࢙ ൌ ʹͻͺͶʹǡͳͺܷܵܦ ൌ ǡ ૢࢁࡿࡰȀࢍ ͵ͳͻͻͳǡͲͲ݇݃ Sumando los valores de materia prima e insumos se tiene los costos unitarios variables. ࢙࢚࢙࢛࢚ࢇ࢙࢘࢜ࢇ࢘ࢇ࢈ࢋ࢙ ൌ ǡ ૠࢁࡿࡰȀࢍ La suma de los costos anuales de materia prima e insumos se obtiene el costo variable. ࢙࢚࢙࢜ࢇ࢘ࢇ࢈ࢋ࢙ ൌ ૡૠૡǡ ૠࢁࡿࡰ 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. ࢉ࢙࢚࢙ࢊࢋ࢘ࢊ࢛ࢉࢉ× ൌ ࢉ࢙࢚࢙ࢌ࢙ ࢉ࢙࢚࢙࢜ࢇ࢘ࢇ࢈ࢋ࢙ [AVII.6] ܿ ݊×݅ܿܿݑ݀ݎ݁݀ݏݐݏൌ ͶͺͺͲͻǡ͵ʹ ͵ͺͷͺǡʹ ൌ Ͷͳ͵ͺͺǡͲͶܷܵܦ ݊×݅ܿܿݑ݀ݎܲ݁݀ݏ݈݁ܽݐܶݏݐݏܥൌ ͳǡͳͲ כͶͳ͵ͺͺǡͲͶܷܵܦ ࢙࢚࢙ࢀ࢚ࢇࢋ࢙ࢊࢋࡼ࢘ࢊ࢛ࢉࢉ× ൌ ૢǡ ૡࢁࡿࡰ Ventas La cantidad de biodiesel B20 producido por día es de 793,43 kg El precio se lo estableció mediante la Ecuación AVII.7. ௦௧௦ௗௗ௨× ܲ Ͳʹܤ݈݁ݏ݁݅݀݅ܤ݈݁݀݅ܿ݁ݎൌ ௗ௨×௨ௗௗ௦ଶ ܲ Ͳʹܤ݈݁ݏ݁݅݀݅ܤ݈݁݀݅ܿ݁ݎൌ [AVII.7] ͶͷͻͳʹǡͺͶܷܵܦ ൌ ʹǡͶͳܷܵܦȀ݇݃ ͳͻͲͶʹʹǡͻ݇݃ Con los impuestos respectivos el costo del B20 es de 2,70 USD/kg ࡵࢍ࢘ࢋ࢙࢙ࢇ࢛ࢇࢋ࢙ࢊࢋࢂࢋ࢚ࢇ࢙ ൌ ʹǡͲ Ͳͻͳ כͶʹʹǡͻܷܵ 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͵ͷͷǡܷܵ ܦൌ ૠǡ ૠૠࢁࡿࡰ Para los siguientes años se calcula con el interés bancario anual (IBN) que se especifica en la Tabla AVII.1. ࡰࡲ ൌ ࡰࡲ ൌ ିࡵࡺכሺࡵࡺାሻ ሺሺࡵࡺାሻ ିሻ ࡲࡰ כ െͲǡͳ כሺͲǡͳ ͳሻଵ כ͵ͷͷǡܷܵ ܦൌ ૢૠǡ ࢁࡿࡰ ሺሺͲǡͳ ͳሻଵ െ ͳሻ ࡲ࢛࢛࢚࢘ ൌ ࢜ࢋ࢚ࢇ࢙ െ ࢉ࢙࢚࢙ࢊࢋ࢘ࢊ࢛ࢉࢉ× [AVII.8] [AVII.9] ࡲ࢛࢛࢚࢘ ൌ ͷͳͶʹʹʹǡͲܷܵ ܦെ ͶͷͻͳʹǡͺͶܷܵ ܦൌ ૢǡ ࢁࡿࡰ ࡲ࢛ࢇ࢚ࢋ࢙ࢊࢋ࢛ࢋ࢙࢚࢙ ൌ ࡲ࢛࢈࢛࢚࢘ െ ࢊ࢜ࢊࢋࢊ࢙ࢊࢋࢌࢇࢉࢇࢋ࢚ [AVII.10] ࡲ࢛ࢇ࢚ࢋ࢙ࢊࢋ࢛ࢋ࢙࢚࢙ ൌ ͷͷͲͻͷǡʹʹܷܵ ܦെ ͳͳͻͳǡͲ͵ܷܵ ܦൌ ǡ ࢁࡿࡰ ࡵ࢛ࢋ࢙࢚࢙ࢇࢇ࢘ࢋ࢚ࢇ ൌ ǡ ࢙࢚࢙ࢋ࢛ࢋࢊ࢙ࢋ࢚ࢇ࢛ࢌ כ [AVII.11] ࡵ࢛ࢋ࢙࢚࢙ࢇࢇ࢘ࢋ࢚ࢇ ൌ ǡ כǡ ࢁࡿࡰ ൌ ૠǡ ࢁࡿࡰ ࡲ࢛ࢊࢋ࢙࢛±࢙ࢊࢋ࢛ࢋ࢙࢚࢙ ൌ ࡲ࢛ࢇ࢚ࢋ࢙ࢊࢋ࢛ࢋ࢙࢚࢙ െ ࢛ࢋ࢙࢚࢙ࢇࢇ࢘ࢋ࢚ࢇ [AVII.12] ࡲ࢛ࢊࢋ࢙࢛±࢙ࢊࢋ࢛ࢋ࢙࢚࢙ ൌ ǡ ܷܵ ܦെ ͶͶ͵ǡܷܵ ܦൌ ૡૡǡ ࢁࡿࡰ ࡲ࢛ࢇࢉ࢛࢛ࢇ࢚࢜ ൌ ࡲ࢛ࢊࢋ࢙࢛±࢙ࢊࢋ࢛ࢋ࢙࢚࢙ െ ࡵ࢜ࢋ࢙࢘×ࢉࢇࢀ࢚ࢇ [AVII.13] ࡲ࢛ࢇࢉ࢛࢛ࢇ࢚࢜ ൌ ͵ͺ͵ͺͲǡͷ͵ܷܵ ܦെ ͳͳ͵ͷͷǡܷܵ ܦൌ െૠૠǡ 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 σ௧ୀଵ ሺଵାሻ െ 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 ܲ݃ݏ݁݅ݎ݈ܽ݅݉݁ݎ [AVII.15] Tasa de inflación=4,36%; Premio al riesgo= 12,50%, Banco Central del Ecuador, 2015. ࢀࡹࡾ ൌ Ͷǡ͵ ͳʹǡͷͲ ൌ ǡ ૡΨ ࢂࡺ ൌ 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
