UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO Y TALLER DE PROYECTOS 5º SEMESTRE: MANEJO DE MATERIALES PROYECTO: MICROPROCESOS APLICADOS A LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL GRUPO: 3512 ELABORADO POR: BASTIDA YAÑEZ OSWALDO CORNEJO RIVERA CARLOS ALBERTO CORTÉS CASTILLO ZEUS NERI DEL CASTILLO LIZBETH ASESOR: RAMOS OLMOS JOSÉ MARIANO SEMESTRE 2009-1

Contenido del Proyecto

Presentación del Proyecto:

I. Introducción

II. Objetivos y alcances del proyecto

III. Antecedentes

Capítulo 1. Biodiesel y su Producción Industrial

1.1. Definición y especificaciones

1.2. Materias primas para la producción de Biodiesel

1.2.1. Aceites vegetales convencionales1.2.2. Aceites vegetales alternativos1.2.3. Aceites vegetales modificados genéticamente1.2.4. Aceites de fritura gastados1.2.5. Grasas animales1.2.6. Aceites de otras fuentes1.2.7. Otras fuentes1.2.8. Extracción de aceites y grasas1.2.9. Caracterización de las grasas y aceites empleados en la producción de Biodiesel1.2.9.1. Composición de los aceites y grasas1.2.9.2. Pruebas para caracterizar aceites y grasas1.2.10. El aceite ideal para la producción de Biodiesel

1.3. Reacciones implicadas en la producción de Biodiesel

1.3.1. Reacciones de transesterificación de triglicéridos1.3.2. Reacciones de esterificación de ácidos grasos1.3.3. Factores que afectan las reacciones implicadas en la producción de Biodiesel1.3.3.1. El alcohol1.3.3.2. Catalizadores1.3.3.3. Tipo de catalizador y concentración1.3.3.4. Relación molar de alcohol / aceite 1.3.3.5. Efecto del tiempo de reacción y temperatura

1.4. Procesos Industriales para la producción de Biodiesel

1.4.1. Pretratamiento del aceite1.4.2. Proceso general de transesterificación1.4.2.1. Proceso Discontinuo1.4.2.2. Proceso Continuo1.4.3. Proceso de Esterificación1.4.4. Proceso Combinado Esterificación-Transesterificación1.4.5. Proceso en Condiciones Supercríticas1.4.6. Otros procesos1.4.6.1. Craqueamiento térmico o pirólisis de grasas1.4.6.2. Tecnologías biomasa a líquido1.4.6.3. Ultrasónico1.4.7. Tabla comparativa de algunos de los métodos discutidos1.4.8. Reactores para la producción de biodiesel1.4.9. Plantas clásicas para la producción de Biodiesel

1.5. Aplicaciones del Biodiesel

1.5.1. Utilización del biodiesel1.5.2. Pros y contras

1.6. Ventajas y desventajas para la producción y uso de Biodiesel

1.6.1. Oportunidades para la producción y uso de biodiesel1.6.1.1. Reducción de la mayoría de emisiones contaminantes1.6.1.2. Alta biodegradabilidad y baja toxicidad1.6.1.3. Reducción de la dependencia del petróleo importado1.6.1.4. Ventajas técnicas1.6.2. Posibles barreras al desarrollo del biodiesel1.6.2.1. Incremento de las emisiones de NOx1.6.2.2. Cambios en el uso del suelo: deforestación y pérdida de biodiversidad

1.7. El Biodiesel en el mundo

1.7.1. ¿Cuánto y Donde?1.7.2. ¿Por qué y Cómo?1.7.3. Políticas tributarias y de fomento1.7.3.1. En la Unión Europea1.7.3.2. En los Estados Unidos1.7.3.3. En Brasil1.7.4. ¿A cuánto?

Capítulo 2. Fundamentos de los Microprocesos: Microfluidos y Microequipos

2.1. Microfluidos

2.1.1. Generalidades2.1.2. Ventajas de la microfluídica2.1.3. Principios básicos de microfluidos2.1.4. Bombeo de microfluidos2.1.5. Los modelos matemáticos para microfluidos2.1.6. Materiales y fabricación de dispositivos para microfluidos

2.2. Microprocesos y microequipos

2.2.1. Microprocesos en la ingeniería química2.2.2. Sistemas Microelectromecánicos2.2.3. Microequipos de proceso2.2.3.1. Estructura jerárquica de los microdispositivos2.2.3.2. Clasificación de los microequipos de proceso2.2.3.3. Micromezcladores2.2.3.4. Microintercambiadores de calor2.2.3.5. Microdispositivos para la generación de energía2.2.3.6. Microbombas2.2.3.7. Microreactores2.2.3.8. Diseño y manufactura en general de un microreactor

2.3. Microequipos, técnicas y materiales disponibles en el mercado

2.3.1. Plataforma2.3.2. Conexiones fluídicas2.3.3. Conexiones eléctricas2.3.4. Chips de microreactores2.3.5. Chips de canales cruzados2.3.6. Chips mezcladores2.3.7. Electrodos para detección de temperatura, para calentamiento y para mediciones eléctricas

2.3.8. Diseño y prototipo2.3.9. Uso del vidrio en los microequipos comerciales

Capítulo 3. Microprocesos para la Producción de Biodiesel

3.1 Producción de Biodiesel en Microreactores: Invención del Dr. Goran Jovanovic

3.1.1. Condiciones de operación3.1.1.1. Características del aceite3.1.1.2. Presión y temperatura3.1.1.3. Catalizador3.1.1.4. Tipo de Alcohol3.1.1.5. Relación molar Triglicérido:Alcohol3.1.2. Descripción general del microproceso3.1.3. Características y funcionamiento del microreactor3.1.4. Alternativas para el uso del microreactor3.1.5. Efecto de la profundidad del microcanal y el tiempo medio de residencia en la producción de

Biodiesel3.1.6. Simulación

3.2. Producción de Biodiesel en Microreactores: Invención de Anthony J. Garwood

3.2.1. Condiciones de operación3.2.1.1. Materias primas3.2.1.2. Presión y temperatura3.2.1.3. Catalizador3.2.2. Descripción general del microproceso3.2.3. Características y funcionamiento del microreactor

3.3. Producción de Biodiesel en Reactores de Canal Ranurado: Investigación hecha por los Sandia National Laboratories

3.3.1. Producción de Biodiesel a partir de Aceites Vegetales empleando un Reactor de Canal Ranurado3.3.2. Empleo del Reactor de Canal Ranurado en un microproceso para obtener Biodiesel3.3.3. Conversión3.3.4. Efecto de la profundidad del canal en la conversión fraccional

Capítulo 4. Comparativa entre los Procesos Industriales y los Microprocesos para la Producción de Biodiesel

Capítulo 5. Conclusiones y Recomendaciones

Bibliografía

PRESENTACIÓNDEL

PROYECTO

I. Introducción

II. Objetivos y alcances del proyecto

III. Antecedentes

I. Introducción

Ante las necesidades energéticas actuales a nivel internacional, se ha propuesto el desarrollo de bioenergéticos que satisfagan un porcentaje de esta, de ahí el surgimiento y utilización del Biodiesel. Por otra parte los procesos industriales están siendo revisados con el fin de aplicar los criterios de intensificación para la miniaturización de los mismos, existiendo una tendencia hacia el desarrollo de nuevas tecnologías para la fabricación y aplicación de microequipos en procesos productivos a nivel industrial, por lo que en este proyecto se tiene como objetivo el fusionar ambos temas teniendo como materia de estudio la producción de Biodiesel en microequipos.

Básicamente este manual destinado al proyecto que hemos titulado “Microprocesos aplicados a la producción de Biodiesel” se conforma de las secciones y contenidos que a continuación relataremos.

Iniciamos con la presentación de los objetivos y alcances propuestos para el mismo, así como de los antecedentes que nos permiten justificar su desarrollo.

En el capítulo 1 de nuestro proyecto se hace una descripción de que es el Biodiesel, sus características, las especificaciones técnicas con las que debe cumplir, las ventajas y desventajas de su uso (dirigidas con un enfoque técnico y ambiental) y su mercado actual y potencial; también se describen las principales materias primas (aceites y grasas) que se emplean para la producción de Biodiesel, indicando las más importantes características con las que debe cumplir un aceite así como las pruebas que debe superar para considerarse como idóneo en la obtención del biocombustible. Además, se hace un análisis de la reacción de transesterificación así como las condiciones que la afectan, como el desarrollo de reacciones colaterales y las variables empleadas en la operación. En este capítulo también se incluye una descripción de los procesos que en nuestros días se emplean para la producción de Biodiesel a nivel industrial, haciendo énfasis en los procesos batch y continuo que son los de aplicación más generalizada y en el reuso de los aceites vegetales procedentes de frituras para aprovechar su poder energético y evitar que sean desechados al ambiente convirtiéndose así en un pasivo ambiental que genere altos niveles de contaminación. En cada descripción se incluyen generalidades del proceso y de las condiciones de operación. Al mismo tiempo, se relatan las principales instalaciones que a nivel industrial requiere una planta de producción de Biodiesel y el tipo de reactores que se emplean.

En el capítulo 2, se comienza por hacer una descripción de los microfluidos, ya que el manipularlos es la base para el desarrollo de los microprocesos, esta descripción incluye generalidades sobre sus características, principios, manejo y ventajas de emplearlos. Así mismo, se hace una descripción de lo que son los microequipos y su clasificación, indicando detalles para cada categoría, como la forma en que operan, sus tipos y se detalla la construcción y los materiales utilizados en la manufactura de los microdispositivos. Para este capítulo, también se realiza una descripción de los microequipos disponibles en el mercado actualmente, indicando las especificaciones empleadas comercialmente, las técnicas que utilizan las empresas y los microequipos de los que disponen.

En el capítulo 3, se describen los microprocesos recientemente investigados para la producción de Biodiesel haciendo uso de microreactores, uno de ellos fue desarrollado por el ingeniero químico Goran Jovanovic, el cual utiliza aceite de soya, metanol y como catalizador hidróxido de sodio y el otro es invención de Anthony Garwood, en el cual emplea metanol, aceites vegetales o cebos y como catalizador CO2 en condiciones supercríticas, para cada uno de los microprocesos se describen las condiciones de operación empleadas, la construcción del microreactor y su funcionamiento, y así mismo se relatan algunos de los resultados experimentales que se han obtenido al estudiar el efecto del tiempo de reacción, la conversión y la profundidad de los microcanales sobre la producción de Biodiesel.

En el capítulo 4, hacemos una comparativa entre los microprocesos y el proceso industrial para la producción de Biodiesel, buscando sus diferencias, ventajas y desventajas en cuanto a aspectos de condiciones de operación, intensificación, producción, seguridad, ambientales, tipos de procesos, tamaños de plantas, equipos y operaciones unitarias, calidad del producto y conversión, tiempos de producción, entre otros.

Finalmente, se hace una presentación de las conclusiones para los temas abordados en el proyecto y se dan recomendaciones que pueden implementarse para su desarrollo.

Por último cabe resaltar que como parte de nuestro proyecto se emprendió la construcción de un Blog en Internet, el cual tienen como fin, la comunicación de los resultados de nuestra investigación académica con aquellos que estén interesados en el tema, en este espacio se planea tratar los temas planteados en los capítulos de este manual y poner a disposición de quien lo desee la información vertida en este proyecto, así mismo se espera que aquellos que tengan alguna información o preguntas sobre los temas aquí abordados puedan exponerlas en esta página, para que nosotros o aquellos que la visiten podamos informarnos o responder a sus cuestionamientos.

NOTA: ESTE ES UN PROYECTO CON FINES ACADÉMICOS INTERNO DE LA FES-ZARAGOZA

II. Objetivos y alcances del proyectoLos objetivos planteados para este proyecto son:

• Investigar y describir que es el Biodiesel, sus características, especificaciones, aplicaciones y su papel en el mundo actual.

• Hacer una descripción de las materias primas y condiciones empleadas en el proceso de obtención de Biodiesel.

• Hacer un estudio de los procesos industriales empleados en la producción de Biodiesel.• Dar a conocer y describir la tecnología de los microequipos y los microprocesos y sus

fundamentos.• Hacer un estudio de los microprocesos desarrollados para la producción de Biodiesel. • Hacer un análisis comparativo entre los microprocesos y el proceso industrial para la

producción de Biodiesel.• Poner a disposición del público interesado, la información contenida en este proyecto,

por medio de un espacio diseñado en la Internet.

Los alcances para los objetivos planteados son:

- Describir las principales características y especificaciones con las que debe cumplir el Biodiesel para ser utilizado. Describir los usos que actualmente se le dan al Biodiesel y las ventajas y desventajas derivadas de su empleo. Mostrar la situación actual del Biodiesel dentro del contexto de los combustibles y el papel que está jugando en la economía y en los programas estatales a nivel mundial.

- Describir los tipos y las características con las que deben cumplir las principales materias primas (aceites y grasas) empleadas en la producción de Biodiesel, recalcando el reuso de aceites gastados como una forma de aprovechar un pasivo ambiental. Describir las principales condiciones (tipo de materia prima, tipo y cantidad de catalizador, relación molar aceite-alcohol, temperatura, presión y tiempo de reacción), que afectan la reacción de transesterificación.

- Hacer una descripción de los procesos industriales empleados actualmente en la producción de Biodiesel indicando como se llevan a cabo y las condiciones empleadas en cada uno. Indicar las principales instalaciones y capacidades que tienen actualmente las plantas industriales para la producción de Biodiesel

- Describir que son, como se constituyen y como se clasifican los microequipos. Describir para categoría de microdispositivos sus principales características y la forma en que operan. Describir los principios de los microfluidos, partiendo de la consideración de que su manejo es la base para los microprocesos. Hacer una descripción de las técnicas y materiales empleados en la manufactura de microdispositivos. Describir las características y especificaciones de los microequipos disponibles en el mercado.

- Describir los microproceso investigados para la producción de Biodiesel, y para cada uno de ellos incluir la forma en que opera el microreactor y las condiciones de operación empleadas.

- Hacer una comparativa entre los microprocesos y el proceso industrial para la producción de Biodiesel, indicando sus diferencias, ventajas y desventajas en cuanto a aspectos de condiciones de operación, intensificación, producción, seguridad, tipos de procesos, tamaños de plantas, equipos y operaciones unitarias, calidad del producto y conversión, tiempos de producción, entre otros.

- Crear un Blog en Internet en el que se hable de cualquier tema referente al Biodiesel, en el se expondrá la información contenida en este manual y servirá como un espacio de consulta, de debate y para cuestionamientos sobre el Biodiesel, aunque con un enfoque a su producción en microreactores, en el que cualquiera interesado en el tema pueda participar.

III. AntecedentesEl desarrollo del presente proyecto responde a los cambios que se están produciendo en el mundo y en específico en México.

La investigación, producción e inversión en Biocombustibles ya es una realidad que está consolidada en países europeos, en Estados Unidos y en algunos países latinoamericanos; en el caso de México, recientemente se han desarrollado políticas encaminadas a la producción de Biocombustibles: Bioetanol y Biodiesel principalmente.

En el año 2007 la cámara de diputados aprobó la “Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos”, la cual sienta las bases jurídicas, técnicas y comerciales, para la investigación, la producción, el desarrollo de plantas y la comercialización de Bioetanol y Biodiesel en México. En un inicio la ley estaba encaminada a la obtención de dichos biocombustibles a partir de la caña de azúcar, el maíz y algunas oleaginosas, con el fin de dar un mayor impulso al desarrollo agroindustrial de estos cultivos; sin embargo, algunos legisladores consideraron que el limitar la obtención de los bioenergéticos a solo los cultivos mencionados traería graves consecuencias; como por ejemplo, el comenzar a destinar progresivamente cantidades cada vez más significativas de la producción de maíz a la obtención de combustibles, lo cual a largo plazo causaría una carencia de granos que bien podrían destinarse a la alimentación y una alza en los costos de los alimentos; por otra parte también consideraron que el encasillarse en un solo tipo de materia prima es limitar las fuentes para la producción de Biodiesel dado que el país cuenta con una gran variedad de cultivos y otras fuentes que bien podrían ser utilizadas como materia prima para la obtención de Biocombustibles.

Ante este contexto se inició un proceso para modificar la ley en ese mismo año, lo cual dio como resultado que el texto de la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos estipule que los biocombustibles se obtendrán "de la biomasa provenientes de materia orgánica de las actividades agrícola, pecuaria, silvícola, acuicultura, algacultura, residuos de la pesca, domésticas, comerciales, industriales, de microorganismos y de enzimas, así como sus derivados". Lo cual indica que al no mencionar cultivos específicos, se deja abierta la posibilidad de que se use cualquiera que se considere que cumple con ciertos requerimientos técnicos. Esto representa que el estado irá decidiendo, conforme las investigaciones lo indiquen, cuales materias primas son las más idóneas para la producción de Biocombustibles.

En el mes de septiembre del 2008 el presidente anunció que PEMEX cambiará sus modelos de distribución de gasolina y aceites para incorporar en el consumo nacional el uso de biodiesel y etanol. El proyecto que se tiene es el de invertir alrededor de 875 millones de pesos en los estados que tienen mayor vocación para producir Biodiesel, como por ejemplo Jalisco, Michoacán y Chiapas, de tal forma que en estos lugares se incrementen los cultivos de especies dirigidas a la obtención del biocombustible (por ejemplo la Jatrofa) y la construcción de plantas para la producción de Biodiesel en aquellos lugares. Una vez que en estas regiones se produzca Biodiesel, PEMEX lo comprará a sus productores y si todo sale bien pronto lo podremos empezar a ver a la venta en las gasolineras, inicialmente en mezcla con el Diesel, tal y como ocurre en otros países ya que la ley señala que la mezcla de etanol y biodiesel en los combustibles será definido por un comité especial.

Por las razones antes señaladas se justifica el hecho de iniciar la investigación y la optimización de procesos encaminados a la producción de Biodiesel en México, de tal forma que se logre una adecuada elección de materias primas a emplear y las condiciones e instalaciones más apropiadas para el diseño de una planta productora de dicho combustible y con ello aprovechar las oportunidades ofrecidas por el estado.

Por otra parte, se justifica el hecho de estudiar los microprocesos, que es otro tema abordado en este proyecto, por la razón de que cada vez más empresas internacionales reconocen los beneficios de esta tecnología y poco a poco invierten en la investigación, desarrollo y adaptación de procesos a la microescala. Dichas empresas han identificado que el desarrollo de microprocesos les trae como beneficios transferir de manera rápida sus investigaciones a la producción, el comenzar su producción rápidamente y a bajos costos, que el tamaño de sus plantas sean menores y que estén mejores distribuidas, que los costos de transporte, materiales y energía sean menores, responder de forma rápida y flexible a las demandas del mercado, hacer más fáciles los procesos continuos, tener mayor seguridad y una intensificación de sus procesos.

En la actualidad existen numerosos equipos de investigación en microreacción con especialistas que pertenecen a distintas disciplinas, como por ejemplo, ingenieros químicos, químicos, físicos,

ingenieros y científicos en materiales e ingenieros mecánicos. Tanto, que en la actualidad se desarrollan conferencias internacionales en las que se reúnen a intercambiar resultados de sus investigaciones en este campo.

Cada vez más compañías promueven y apoyan el desarrollo de sus propias actividades de investigación en esta área de la ingeniería, como ocurre con DuPont, BASF y Merck, esta última por ejemplo, ya tiene en operación microplantas en las que implementó tecnología de microreacción (Véase figura A-1.). Otras compañías también están interesadas en proveer y utilizar estas técnicas, como las empresas alemanas Schering, Degussa-Hüls y Bayer, la francesa Rhône-Poulene, la inglesa-holandesa Shell y la norteamericana UOP.

Aunque como se puede observar, los mayores avances de la microtecnología se desarrollan en Europa y Estados Unidos, es momento de que en México se de más apoyo a estas investigaciones y empezar a tener más familiaridad con el manejo de esta tecnología y en la posibilidad de adaptar lo conocido a ella. Por ello, este proyecto busca mostrar las ventajas y oportunidades que se tienen al hacer uso de la microescala y dar una visión general de lo posible en este campo.

Por estos motivos en el presente trabajo se ha tomado como materia de estudio el adaptar la producción de un biocombustible con futuro a una tecnología en desarrollo.

A este proyecto anteceden otros tres que fueron desarrollados a partir del semestre 2007-1 hasta el 2008-1 en la FES-Zaragoza, UNAM; en uno de ellos, titulado “Obtención de Biodiesel a partir de Aceite de Ricino”, se aborda el tema de la producción de Biodiesel tomando como materia prima el aceite de ricino, un cultivo de poco valor comestible y que por sus características podría considerársele como idóneo para la obtención de Biodiesel, así mismo se hace un estudio de los equipos, las condiciones y otras cuestiones técnicas encaminadas a la instalación de una planta productora de este biocombustible. En otro de los proyectos, titulado “Análisis de la Tendencia a la Miniaturización de los Procesos Químicos” se hace un recorrido por los diversos dispositivos nanotecnológicos que se han desarrollado en los últimos años y algunas de las aplicaciones en las que podemos encontrarlos; y en el proyecto nombrado “Descripción de los Microequipos Aplicados a los Microprocesos en la Ingeniería Química” se profundiza el tema de los microequipos, su clasificación, funcionamiento y su aplicación en la síntesis de diversos productos de la industria química.

Figura A-1. Planta equipada con microdispositivos. Propiedad de Merck