“SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE
TRUJILLO”
Br. Melosevich Chico Ivan W. – Br. Santiago Llaxacóndor Alex W. Página i
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD
DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA
QUÍMICA
SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA
PRODUCCIÓN DE BIODESEL EN EL LABORATORIO DE
OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL
DE TRUJILLO
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO
QUÍMICO
AUTORES:
BR. IVAN W. MELOSEVICH CHICO
BR. ALEX W. SANTIAGO LLAXACONDOR
ASESOR:
Dr. LUIS MONCADA ALBITRES
TRUJILLO - PERÚ
2013
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PRESENTACIÓN
Señores Catedráticos, Miembros del Jurado:
Dr. José Luis Silva Villanueva
Ms. Walter Moreno Eustaquio
Dr. Luis Moncada Albitres
En mérito a lo dispuesto en el Reglamento de la Universidad Nacional de
Trujillo, cumplo con someter a vuestra consideración y elevado criterio el
presente trabajo titulado: “SIMULACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA
PRODUCCIÓN DE BIODIESEL EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO”
Que sustentamos como tesis para la obtención del título de Ingeniero
Químico, si vuestro dictamen es favorable.
Trujillo, Septiembre del 2013
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JURADO DICTAMINADOR
Dr. JOSÉ LUIS SILVA VILLANUEVA
Ms. WALTER MORENO EUSTAQUIO
Dr. LUIS MONCADA ALBITRES
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AGRADECIMIENTO
Para el desarrollo de esta tesis, si bien ha requerido de esfuerzo y
mucha dedicación por parte de los autores y su asesor de tesis, no hubiese
sido posible su finalización sin la cooperación desinteresada de cada una de
las personas que a continuación se citará y muchas de las cuales han sido
un soporte muy fuerte en momentos de angustia y desesperación.
Primero y antes que nada agradecemos al Señor Jesucristo y nuestro
a Señor Dios, por enseñarnos el camino correcto de la vida, guiándonos y
fortaleciéndonos cada día con su Santo Espíritu.
A nuestros Padres, por apoyarnos en todas las decisiones que hemos
tomado en la vida.
A la vida por otorgarme lo necesario en el momento justo
Un especial agradecimiento a nuestros maestros, en especial a
nuestro asesor Dr. Luis Moncada Albitres, por sus consejos y por compartir
desinteresadamente sus amplios conocimientos y experiencia.
A todas aquellas personas que compartieron y comparten conmigo
alegrías y tristezas, triunfos y fracasos; que son parte de mi corazón.
Gracias.
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DEDICATORIA
Dedico esta tesis y toda mi carrera universitaria a mi Madre Teresa
Chico por ser quien ha estado a mi lado en todo momento dándome las
fuerzas necesarias para continuar luchando día tras día y seguir adelante
rompiendo todas las barreras que se me presenten. Le agradezco a mi
hermano Walter Melosevich, mi tía Nora Chico y mi abuela Nora Estrada, ya
que gracias a ellos soy quien soy hoy en día, fueron los que me dieron ese
cariño y calor humano necesario, son los que han velado por mi salud, mis
estudios, mi educación, alimentación entre otros, son a ellos a quien les
debo todo, horas de consejos, de regaños, de reprimendas, de tristezas y de
alegrías de las cuales estoy muy seguro que las han hecho con todo el amor
del mundo para formarme como un ser integral y de las cuales me siento
extremadamente orgulloso.
También les dedico a mis amigos más cercanos, a esos amigos que
siempre me han acompañado y con los cuales he contado desde que los
conocí, Manuel Cortez un amigo por siempre, un amigo que quiero como a
un hermano que ha vivido conmigo todas esas aventuras durante nuestra
estadía en la Universidad Nacional de Trujillo.
También agradezco a todos los profesores que me han apoyado una
y otra vez en mi carrera universitaria a quienes no menciono por lo extensa
que sería la lista.
Melosevich Chico Iván Walter
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Dedico este proyecto de tesis a Dios, a mis padres Wilfredo Santiago
Huamán y Lorena Llaxacóndor Rubio, mis hermanos Kelly y Maycol
Santiago Llaxacóndor y a mi abuela Marcela Rubio Rivero.
A Dios porque ha estado conmigo a cada paso que doy, cuidándome y
dándome fortaleza para continuar. A mis padres, quienes a lo largo de mi
vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo
momento. A mi abuela que siempre ha estado conmigo en todo momento
brindándome su apoyo incondicional y su cariño. Depositando su entera
confianza en cada reto que se me presentaba sin dudar ni un solo momento
en mi inteligencia y capacidad. Sin ellos, jamás hubiese podido conseguir lo
que hasta ahora he logrado.
También dedico este proyecto a mis compañeros universitarios,
inseparables durante estos últimos años, por estar estos cinco años de vida
universitaria a mi lado brindándome su apoyo en todo momento. Porque en
esta armonía grupal, hemos pasado momentos alegres y divertidos y otros
no tan alegres; pero siempre hemos estado juntos.
Por último a mis profesores a quienes les debo gran parte de mis
conocimientos, gracias a su paciencia y enseñanza; y finalmente un eterno
agradecimiento a esta prestigiosa universidad la cual abrió sus puertas a
jóvenes como nosotros, preparándonos para un futuro competitivo y
formándonos como personas de bien.
Santiago Llaxacóndor Alex Wilfredo
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RESUMEN En el presente trabajo se muestra el desarrollo de la simulación de
una planta piloto para la producción de biodiesel a partir de aceite de
soya.
Este trabajo es parte de un programa para diseñar una planta piloto en
la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo
aprovechando que el Laboratorio de Operaciones Unitarias posee equipo
que cubre con las características necesarias para producir biodiesel de alta
calidad.
Con este objetivo se estudiaron los componentes químicos, paquetes de
propiedades, reacciones y equipos involucrados en el proceso de
producción de biodiesel. Tanto el biodiesel como el aceite de soya se
representaron por compuestos modelo, esto son oleato de metilo y
trioleína, respectivamente.
El procedimiento para producir biodiesel es la transesterificación de
aceite de soya usando metanol e hidróxido de sodio como catalizador.
La cinética de la reacción se obtuvo de datos de literatura.
La simulación se llevó a cabo en el simulador comercial Aspen HYSYS 7.1.
Las propiedades termodinámicas de los diferentes compuestos se
determinaron con el método de contribución NRTL
El objetivo de la simulación fue determinar las condiciones de operación y
especificaciones de los diferentes equipos que permitieran obtener un
biodiesel que cumpliera las especificaciones de calidad establecidas
actualmente en normas internacionales, principalmente la pureza dada por
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la concentración de esteres metílicos. La simulación se realizó
considerando que la reacción se lleva a cabo en dos reactores de mezcla
completa y la separación de los productos se realiza en 3 columnas de
destilación. La primera columna de platos recupera el metanol usado en
exceso, posteriormente se usa un extractor para separar el biodiesel (metil
éster) del glicerol y en la etapa final se usan torres de rectificación para la
respectiva purificación de biodiesel y glicerol. Otros equipos que se
consideran fueron 3 bombas y un mezclador.
La simulación se dividió en seis etapas: mezclado, reacción,
recuperación de metanol, lavado, purificación de biodiesel y purificación
de glicerol. Para lograr el objetivo se realizó un análisis de sensibilidad de
los parámetros principales en cada una de estas etapas.
En la etapa de purificación de metanol fue posible determinar la relación de
reflujo mínima y el flujo de destilado con los cuales es posible la
recuperación de metanol con una concentración de 98% peso. La
simulación también fue útil para determinar la mínima cantidad de agua
necesaria para lograr una buena separación de la fase rica en biodiesel y la
fase rica en glicerol. En las columnas de destilación se alcanzó una pureza
de biodiesel del 99.52% y de glicerol del 95% peso.
Los resultados de la simulación indican que el Laboratorio de Operaciones
Unitarias de la Universidad Nacional de Trujillo debería adquirir los
equipos restantes para producir biodiesel y glicerol de alta pureza que
cumplen con los estándares ASTM D-975 y EN-14214.
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ABSTRACT
In this paper we show the development of the simulation of a pilot plant for
the production of biodiesel from soybean oil.
This work is part of a program to design a pilot plant at the Faculty of
Chemical Engineering at the National University of Trujillo taking advantage
of the Unit Operations Laboratory covering team has the necessary
characteristics to produce high quality biodiesel.
For this purpose we studied the chemical components, packages
properties, reactions and teams involved in the biodiesel production
process. Both biodiesel and soybean oil accounted for model compounds,
that are methyl oleate and triolein, respectively.
The process for producing biodiesel is the transesterification of soybean oil
using methanol and sodium hydroxide as a catalyst. The reaction kinetics
data were obtained from literature.
The simulation was carried out in the commercial simulator Aspen HYSYS
7.1. The thermodynamic properties of the various compounds were
determined with the method contributing NRTL.
The aim of the simulation was to determine the operating conditions and
specifications of the different teams that could deliver a biodiesel that meets
the quality specifications currently on international standards, mainly the
purity given by the concentration of methyl esters. The simulation is
performed considering that the reaction is carried out in two reactors of
complete mixing and separation of the products takes place in three
distillation columns. The first plate column recovers the methanol used in
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excess, is then used to separate an exhaust biodiesel (methyl ester) of
glycerol and in the final stage rectifying towers are used for the respective
purification of biodiesel and glycerol. Other teams considered were 3 pumps
and one mixer.
The simulation is divided into six stages: mixing reaction methanol recovery,
washing, purification of biodiesel and glycerol purification. To achieve the
goal we performed a sensitivity analysis of key parameters in each of these
stages.
In the methanol purification step was possible to determine the minimum
reflux ratio and the flow of distillate which is possible recovery of methanol
at a concentration of 98% weight. The simulation was also useful to
determine the minimum amount of water needed to achieve a good
separation of the phase rich in biodiesel and glycerol-rich phase. In the
distillation columns reached a purity of 99.52% biodiesel and glycerol 95%
weight.
The simulation results indicate that the Unit Operations Laboratory at the
National University of Trujillo should acquire the remaining teams to
produce biodiesel and glycerol high purity standards that meet ASTM D-975
and EN-14214.
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TABLA DE CONTENIDOS
Página
PRESENTACIÓN .......................................................................................... ii
JURADO DICTAMINADOR .......................................................................... iii
AGRADECIMIENTO ..................................................................................... iv
DEDICATORIA .............................................................................................. v
RESUMEN ................................................................................................... vii
ABSTRACT .................................................................................................. ix
TABLA DE CONTENIDOS ........................................................................... xi
INDICE DE FIGURAS .................................................................................. xv
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. xvi
CAPITULO I: INTRODUCCION ..................................................................... 1
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ................................................................. 4
2.1 Antecedentes ...................................................................................... 4
2.2 Biodiesel .............................................................................................. 6
2.3 Propiedades del biodiesel .................................................................. 7
2.4 Ventajas del Biodiesel ...................................................................... 11
Disminución en emisiones contaminantes ....................................... 11
Compatibilidad y seguridad ............................................................... 12
Lubricidad ............................................................................................ 13
Biodegradabilidad y toxicidad ........................................................... 13
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2.5 Desventajas del Biodiesel ................................................................ 14
Mayor viscosidad ................................................................................ 14
Desempeño mecánico......................................................................... 14
Emisiones de ............................................................................... 15
Comportamiento a bajas temperaturas ............................................. 15
Dilución del lubricante ........................................................................ 15
Problemas de corrosión ..................................................................... 16
Estabilidad a la oxidación ................................................................... 17
Precio ................................................................................................... 17
2.6 Marco Legal del Programa Peruano de la Producción del Biodiesel 17
2.7 Materias Primas ................................................................................ 18
2.7.1 Aceites vegetales convencionales ............................................ 19
2.7.2 Aceites Vegetales alternativos .................................................. 19
2.7.3 Aceites vegetales modificados genéticamente ....................... 20
2.7.4 Aceites de fritura usados ........................................................... 20
2.7.5 Grasas animales ......................................................................... 21
2.7.6 Aceites de otras fuentes ............................................................ 21
CAPÍTULO III. SIMULACIÓN DE PROCESOS ........................................... 22
3.1 Análisis de procesos industriales ................................................... 23
3.2 Valor del análisis y simulación de procesos industriales. ............ 24
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3.2.1 Ventajas del análisis y simulación de procesos industriales .. 26
3.2.2 Ejemplos de aplicaciones practicados industrialmente .......... 27
3.3 Principios generales del análisis de procesos industriales ......... 28
3.4 Simuladores Comerciales ................................................................ 30
3.4.1 Métodos termodinámicos .......................................................... 31
3.5 Simulador Aspen HYSYS ................................................................. 32
3.5.1. Relación con la Simulación de Procesos ................................ 32
3.5.2. Operaciones Unitarias .............................................................. 33
CAPÍTULO IV. SIMULACIÓN DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A
PARTIR DE ACEITE VEGETAL DE SOYA................................................. 34
4.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel ................... 34
4.1.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel ............ 36
4.1.2 Química del proceso .................................................................. 37
4.1.3 Cinética del Proceso .................................................................. 39
4.1.4 Estimación de propiedades termodinámicas .......................... 40
4.1.5 Lista de equipos ......................................................................... 41
4.2 Datos para la simulación del proceso ............................................. 42
Alimentación. ....................................................................................... 42
Sección de reacción. ........................................................................... 44
Recuperación de metanol. .................................................................. 45
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Sección de lavado. .............................................................................. 46
Purificación de biodiesel. ................................................................... 47
Purificación de glicerol. ...................................................................... 48
4.3 Resultados de la simulación ............................................................ 49
4.3.1 Corrientes .................................................................................... 50
4.3.2 Equipos ....................................................................................... 51
4.4 Análisis de resultados ...................................................................... 59
4.4.1 Alimentación y reacción ............................................................ 59
4.4.2 Sección de recuperación de metanol ....................................... 64
4.4.3 Sección de purificación de biodiesel ........................................ 65
CAPITULO V. CONCLUSIONES ................................................................ 67
CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES ....................................................... 69
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 70
INDICE DE ANEXOS ................................................................................... 78
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INDICE DE FIGURAS
Página FIGURA Nº 1 Ciclo del carbono…….........................……………....................2
FIGURA Nº 2 Diagrama de flujo de proceso de producción de biodiesel.....35
FIGURA Nº 3 Bombas centrifugas…….........................................................42
FIGURA Nº 4 Sección de mezclado………….............…...............................43
FIGURA Nº 5 Sección de reacción……………………….........…...................44
FIGURA Nº 6 Sección de recuperación de metanol……..............................45
FIGURA Nº 7 Sección de lavado………………………..................................46
FIGURA Nº 8 Sección de purificación de biodiesel………......……......….....47
FIGURA Nº 9 Sección de purificación de glicerol………………....................49
FIGURA Nº 10 Comportamiento de la conversión con respecto al espacio-
tiempo…………………….......…………………..........….................................62
FIGURA Nº 11 Comportamiento de la fracción molar de metanol con
respecto a la variación de flujos de destilado…………....................…..........64
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ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1.Comparación de las propiedades del biodiesel y diesel……...........8
Tabla 2.Fórmula estructural para ácidos grasos presentes en el biodiesel.10
Tabla 3.Estándares de calidad del biodiesel según normas técnicas
internacionales y Nacionales…………….......................................................11
Tabla 4.Variación de las emisiones del biodiesel (B100) y su mezcla con
diesel (B20) con respecto al diesel de petróleo…………………………........12
Tabla 5.Principales materias primas para la producción de biodiesel.........19
Tabla 6. Aplicación de ecuaciones de estado y modelos de coeficientes de
actividad…………………………………………………………………..............31
Tabla 7.Energías de activación y constantes de velocidad de reacción de
aceite de soya a 60 °C…………………………………………………….……..40
Tabla 8.Equipos que posee el Laboratorio de Operaciones Unitarias.........41
Tabla 9.Datos de alimentación…………………………………………............43
Tabla 10.Datos especificados para los reactores……………………............44
Tabla 11.Datos especificados para T-100…………………………….............46
Tabla 12.Especificaciones del extractor……………………………................47
Tabla 13.Datos especificados para T-2………………………………..........…48
Tabla 14.Datos especificados para T-3………………………………..........…49
Tabla 15.Corrientes de alimentación……………………………………..….…50
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Tabla 16.Resultados de B-1……………………….………………………........51
Tabla 17.Resultados de B-2……………………….……………………............51
Tabla 18.Resultados de B-3……………………….……………………............51
Tabla 19.Resultados de R-1………………………..……………………….......51
Tabla 20.Resultados de R-2……………………….……………………...........52
Tabla 21.Resultados de T-1………………………………….…………............52
Tabla 22.Resultados de X-100, CORRIENTE 12……………….…….….......53
Tabla 23.Resultados de X-100, CORRIENTE 13……………….……...........54
Tabla 24.Resultados de T-2……………………………………….…….....…...55
Tabla 25.Resultados de T-3……………………………………….………........57
Tabla 26.La cinética de la reacción, Rxn-01…………………….……............60
Tabla 27.La cinética de la reacción, Rxn-02…………………….………….....61
Tabla 28.La cinética de la reacción, Rxn-03…………………….………........62
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CAPITULO I: INTRODUCCION
El problema del cambio climático, en especial el resultado del calentamiento
global provocado por la acumulación de los gases de efecto invernadero, es
un tema que en los últimos años ha tomado una gran relevancia, pues las
variaciones se han acelerado crecientemente de manera anómala, a tal
grado que pone en riesgo a la humanidad.
Se señala como el principal responsable del calentamiento global al dióxido
de carbono. Pues la quema excesiva de los combustibles fósiles en las
plantas generadoras de electricidad y por el transporte automotor ha
incrementado el lanzamiento de emisiones de CO2 a la atmósfera, así
también el rápido avance industrial de los centros urbanos. Por ello se ha
generado una creciente preocupación para el hombre el intentar disminuir la
continua degradación del medio ambiente.
Lo cual se logra con el desarrollo de combustibles alternos a partir de
biotecnologías, por medio de la producción de biocombustibles de contenido
energético comparable con el de los combustibles fósiles. Un
biocombustible alternativo al diesel de petróleo es el biodiesel.
Una de las principales ventajas de la utilización del biodiesel es la reducción
de las emisiones de CO2, gracias al balance neutro de carbono en la
combustión de biodiesel. Esto se muestra en la siguiente figura:
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Figura 01. Ciclo del carbono. Fuente:< http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_del_carbono>
El biodiesel se obtiene a partir de aceite vegetal producido de semillas
vegetales, provenientes de plantas que a su vez realizan mediante el
proceso de la fotosíntesis la purificación del aire, absorbiendo CO2 del
ambiente.
Es por ello que buscar una alternativa de combustible es una prioridad.
El objetivo de este trabajo es la simulación de la producción de biodiesel a
partir de la transesterificación de aceite vegetal de soya, usando Aspen
HYSYS para analizar y determinar las mejores condiciones de operación de
los equipos ya existentes en el laboratorio de operaciones unitarias de la
UNT. Este nos permite estudiar las características de los productos con
respecto a las variaciones en algunas variables, mismas que pueden ser
manipuladas en los equipos disponibles.
Ya que la producción de biodiesel no se limita a motores de combustión
interna de autobuses, sino también a calderas y otros equipos. Es por ello
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que también se debe apreciar como una alternativa para preservar los
recursos petrolíferos del país.
Y no es que el petróleo se vaya a acabar a corto plazo, pero extraer lo que
queda se va haciendo cada vez más difícil y caro. El suministro futuro
depende de nuevos yacimientos, siempre de pequeño tamaño, y de la
mejora en las tecnologías de extracción de los grandes pozos ya existentes,
en su mayoría descubiertos en la década de los 70´s.
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CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes La producción de biodiesel se ajusta dentro de los lineamientos de
reducción de gases de tipo efecto invernadero (GEI), establecidos en el
Protocolo de Kyoto y aplica como Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL)
así como en la reducción de dioxinas y sus derivados y furanos
(DLCs/Fs) y orgánicos persistentes volátiles (OPV), los cuales son
originados por la combustión del diesel derivado del petróleo.
Los aceites vegetales se usan como combustibles desde hace más de 100
años, cuando Rudolph Diesel desarrolló la primera máquina diesel que fue
corrida con aceite vegetal en 1911. En 1912 Rudolph Diesel probó aceite de
cacahuate/maní en su motor de encendido por compresión y dijo: “El uso de
aceites vegetales para combustibles de motor puede verse insignificante
hoy, pero los aceites, pueden en el transcurso del tiempo ser tan
importantes como el petróleo y el alquitrán de hulla, productos del tiempo
presente”.
El biodiesel es un combustible alternativo para el diesel del petróleo, es
producido principalmente por una reacción llamada transesterificación;
llevada a cabo entre un aceite y un alcohol en presencia de un catalizador,
para obtener los mono-alquil ésteres y glicerol, que luego se separan y se
purifican.
La transesterificación fue conocida a principios de 1846 cuando Rochieder
describió la preparación de glicol por etanólisis de aceite de ricino. Bagby y
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Schwab descompusieron térmicamente aceite de soya y de girasol,
usando aire y nitrógeno. Ali y Hanna, estudiaron el efecto de mezclar
etanol para reducir la viscosidad de los metil ésteres (biodiesel) de cebo de
res.
Muchas unidades de plantas de refinación de aceites comestibles han sido
transformadas para la producción de biodiesel. Sin embargo, los costos
de producción son todavía bastante altos debido a las dificultades en el
suministro y el gran contenido de ácidos grasos libres (AGL o FFA por sus
siglas en ingles Free Fatty Acids). Además, los subproductos que se
producen durante la producción del biodiesel necesitan tratamiento
adicional.
Por ello resulta importante realizar estudios técnico-económicos para tratar
de optimizar los costos de producción. Es aquí donde la simulación juega un
papel muy importante.
Diversos procesos continuos de producción de biodiesel han sido evaluados
económicamente en varias investigaciones. Zhang et al. Presentan la
evaluación de cuatro procesos continuos a partir de aceite de canola, tanto
virgen como de desecho, empleando el simulador Aspen HYSYS 7.1™.
Haas realizó la evaluación económica de una planta que emplea aceite
vegetal crudo como materia prima. La planta fue diseñada empleando el
simulador HYSYS™ describiendo en detalle el proceso. En dicha
investigación se obtuvo un costo de producción de biodiesel de US $2.0/gal.
También se encontró que el costo de las materias primas constituye el
factor de mayor porcentaje en el costo global de producción, con un 88% del
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mismo. El trabajo incluye, además, un análisis de sensibilidad que muestra
el impacto de los precios del aceite y glicerina, sobre el costo de producción
del biodiesel.
Este trabajo abarca la simulación de una planta piloto para la producción de
biodiesel a partir de aceite vegetal de soya, empleando el simulador de
procesos Aspen HYSYS 7.1™, considerando la utilidad que representa el
equipo con el que dispone el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la
Universidad Nacional de Trujillo. El cual cubre con las características
necesarias para este proceso específicamente. Los resultados de la
simulación permiten conocer los efectos de las modificaciones de las
variables, así como las condiciones de operación que permitan la obtención
de un producto que cumpla con las especificaciones internacionales
establecidas.
2.2 Biodiesel
El biodiesel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos
naturales como aceites vegetales o grasas animales; limpios o usados,
mediante procesos industriales de transesterificación.
Es un combustible compuesto de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos
de cadena larga derivados de lípidos renovables, como aceites vegetales;
empleado en motores de ignición y compresión, y además en calderas
de calefacción. El porcentaje de ésteres presentes en el biodiesel está
establecido en estándares internacionales (ASTM) y de Europa (EN) (Tabla
3).
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Este biocombustible es identificado como FAME (por sus siglas en inglés
Fatty Acid Methyl Ester) o también es llamado éster metílico.
El término bio- hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en
contraste con el combustible diesel tradicional derivado del petróleo; por su
parte, diesel alude a su uso en motores de este tipo. El biodiesel sustituye
como combustible limpio y renovable a los derivados del petróleo,
concretamente al diesel y lo hace con ventaja ecológica ya que reduce las
emisiones de gases que provocan el efecto invernadero. Así, por ejemplo, el
uso de una tonelada de biodiesel, evita la producción de 2.5 toneladas de
dióxido de carbono (CO2) y sobre todo elimina, si se usa el biodiesel sólo en
los motores, las emisiones de azufre (SO2) del diesel, evitando las lluvias
ácidas.
Son numerosos los países que implementan el uso de biodiesel como
fuente energética; principalmente el producido a partir de aceites vegetales.
Tradicionalmente el aceite de colza y de girasol es usado como materia
prima en países Europeos. Mientras que en EE.UU. los productores
prefieren el biodiesel de aceite de soya. En Brasil, no sólo los aceites de
palma, coco y soya; también de girasol y aceites de ricino se utilizan en la
producción de biodiesel.
2.3 Propiedades del biodiesel
Las características del biodiesel son las siguientes:
Combustible limpio.
Es biodegradable. No tóxico.
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Alto índice de lubricidad.
Libre de azufre y aromáticos.
El biodiesel es un combustible oxigenado, por eso tiene una combustión
completa en comparación al diesel derivado del petróleo y produce menos
gases contaminantes. Tiene un punto de inflamación relativamente alto (150
°C) que le hace menos volátil que el diesel del petróleo y es más seguro de
transportar (Tabla 1).
Las propiedades del biodiesel varían según la materia prima a partir de la
cual se le obtuvo (aceites vegetales nuevos o usados de distinto origen o
grasas animales). Es por ello, que las normas indican un rango admisible en
el valor de las propiedades. El costo del biodiesel varía dependiendo de la
reserva, el área geográfica, la variabilidad en la producción de cosecha de
estación a estación, el precio del petróleo crudo y otros factores. El alto
precio del biodiesel es en gran parte debido al alto precio de la materia
prima y también de la calidad que se requiera de éste. Las propiedades del
biodiesel varían según la materia prima a partir de la cual se le obtuvo
(aceites vegetales nuevos o usados de distinto origen o grasas animales).
Es por ello, que las normas indican un rango admisible en el valor de las
propiedades.
Tabla 1. Comparación de las propiedades del biodiesel y diesel.
Propiedades Biodiesel Diesel
Metil éster 95.5->98% -
Carbono (%peso) 77 86.5
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Azufre (%peso) 0.0024 0.05 máx.
Agua (ppm) 0.05 % máx. 161
Oxigeno (%peso) 11 0
Hidrógeno (%peso) 12 13
Número de cetano 48-55 48-55
PCI (KJ/Kg) 37700 41860
Viscosidad cinemática (40oC) 1.9-6.0 1.3-4.1
Punto de inflamación (°C ) 100-170 60-80
Punto de ebullición (°C ) 182-338 188-343
Gravedad específica (Kg/L) (60oC) 0.88 0.85
Relación aire/combustible 13.8 15
Fuente: KNOTHE, G., KRAHL, J., VAN GERPEN, J. 2005. “The biodiesel handbook”. USA.
El combustible típico contiene cerca de 14 diferentes tipos de ácidos grasos
como se muestra en la Tabla 2, estos son transformados a ésteres de metilo
(FAME). Las fracciones diferentes de cada tipo de FAME se presentan en
varios tipos de materias primas.
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Tabla 2. Fórmula estructural para los ácidos grasos presentes en el biodiesel.
Fuente: KNOTHE, G., KRAHL, J., VAN GERPEN, J. 2005. “The biodiesel handbook”. USA. El biodiesel tiene un peso específico de 0.88 comparado con 0.85 del
combustible diesel. Por esta razón es ligeramente más pesado que el
combustible diesel, por ello rociar la mezcla de biodiesel en la parte de
arriba del combustible diesel es la forma ordinaria en que se realiza
el procedimiento de mezclado.
El biodiesel no contiene nitrógeno o aromáticos y normalmente posee
menos de 15 ppm de azufre.
Contiene 11% en peso de oxígeno, que justifica por qué es ligeramente
menor su calor de combustión en comparación con el diesel petróleo y es
característicamente bajo en monóxido de carbono, partículas, hollín y
emisiones de hidrocarburos.
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Tabla 3. Estándares de calidad del biodiesel según normas técnicas internacionales y
Nacionales.
N° PROPIEDAD
PRINCIPALES NORMAS
PNTP 321.125:2007
ASTM D 6751-7
EN 14214:2002
UNIDADES
1 Contenido de calcio y magnesio, combinado 5 máx. 5 máx. ppm (μg/g)
2 Punto de inflamación 93 mín. 130.0 mín. 120.0 mín. °C
3 Control de Alcohol
4 Agua y sedimento 0.050 máx. 0.050 máx. %volumen
5 Viscosidad cinemática a 40 °C 1.9 - 6.0 1.9 – 6.0 5.0 máx. mm2/s
6 Ceniza sulfatada 0.020 máx. 0.020 máx. 0.020 máx. %masa
7 azufre 0.0015 máx. 0.05 máx. 0.001 máx. %masa
8 Corrosión a la lámina de cobre No. 1 No. 3 máx. No. 1
9 Número de cetano 47 mín. 47 mín. 51 mín.
10 Punto de nube Reportar Reportar °C
11 Residuo de carbón 0.050 máx. 0.050 máx. 0.30 máx. %masa
12 Número de acidez 0.50 máx. 0.50 máx. 0.50 máx. MgKOH
13 Glicerina libre 0.020 máx. 0.020 máx. 0.020 máx. %masa
14 Glicerina total 0.240 máx. 0.240 máx. 0.250 máx. %masa
15 Contenido de fósforo 0.001 máx. 0.001 máx. 0.0001 máx. %masa
16 Temperatura de destilación, 90% recuperado 360 máx. 360 máx. °C
17 Contenido de sodio y potasio, combinado 5 máx. 5 máx. 6 máx. ppm (μg/g)
18 Estabilidad de la oxidación 3 mín. 3 mín. horas
19 Contenido de éster 96.5 mín. %(m/m)
Fuente: Biocombustibles. Biodiesel. Especificaciones. Norma Técnica Peruana.
2.4 Ventajas del Biodiesel
Disminución en emisiones contaminantes
Un estudio hecho por la EPA (Environmental Protection Agency) en el
año 2002, muestra que la utilización de este biocombustible presenta
ventajas medioambientales, ya que usándolo puro se logra una
reducción del 90% de hidrocarburos ( ) y una reducción del 75-90%
en hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs). De igual manera
reduce las emisiones de dióxido de carbono (78% menos) y dióxido
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de azufre ( ), material particulado ( ), metales pesados,
monóxido de carbono ( ), y compuestos orgánicos volátiles.
Por otro lado, el biodiesel puede aumentar o disminuir los óxidos de
nitrógeno ( ) dependiendo del método de medición y del tipo de
motor.
Según algunos investigadores, lo que favorece este aumento son los
aceites que tienen una gran composición de ácidos insaturados.
La siguiente tabla hace una comparación de las emisiones entre el
diesel y el biodiesel según el informe de la EPA 2002.
Tabla 4. Variación de las emisiones del biodiesel (B100) y su mezcla con
diesel (B20) con respecto al diesel de petróleo. Tipo de Emisión B100 (%) B20 (%)
1. Reguladas 1.1. Hidrocarburos ( ) 1.2. Monóxido de carbono( ) 1.3. Material Particulado( ) 1.4.
-93 -50 -30 +13
-30 -20 -22 +2
2. No Reguladas 2.1. Sulfatos 2.2. Hidroc. Arom. Policicl. (HAP) 2.3. Potencial de ozono de HC especiados
-100 -80 -50
-20 -13 -10
Fuente: EPA. (2002).
Compatibilidad y seguridad
El biodiesel, además de provenir de una fuente renovable, puede ser
almacenado en los mismos lugares donde se almacena el diesel de
petróleo sin necesitar cambios de infraestructura. Es un combustible
más seguro y fácil de manipular debido a su alto punto de ignición
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(aproximadamente 150°C) comparado con el del diesel que es
aproximadamente 60°C.
Lubricidad
El contenido de oxígeno del biodiesel mejora el proceso de
combustión y disminuye su potencial de oxidación. La eficiencia de
combustión es más alta que el diesel debido al aumento de
homogeneidad de la mezcla oxígeno con el combustible durante la
combustión. El biodiesel contiene 11% de oxígeno en peso y no
contiene azufre. Por esta razón el uso de biodiesel puede extender la
vida útil de los motores porque posee mejores cualidades lubricantes
que el combustible de diesel de petróleo, mientras el consumo,
encendido, rendimiento, y el par del motor (torque) varían muy poco
respecto a sus valores normales.
Biodegradabilidad y toxicidad
El biodiesel es no tóxico y se degrada 4 veces más rápido que el
diesel de petróleo. Su contenido de oxígeno mejora el proceso de
degradación. Los estudios de biodegradabilidad de varios tipos de
biodiesel en ambientes acuáticos reportaron una fácil degradabilidad
para todos ellos. Después de 28 días todos los biodiesel fueron
biodegradados en un 77-89%, mientras que el combustible diesel sólo
lo hizo en un 18%.
La mezcla de biodiesel con diesel o con gasolina incrementa la
biodegradabilidad del combustible, debido a efectos sinérgicos de co-
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metabolismo. Así, el tiempo necesario para alcanzar un 50% de
biodegradación se reduce de 28 a 22 días en el caso del (mezcla
de 5% de biodiesel y 95% de diesel) y de 28 a 16 días en el caso del
.
2.5 Desventajas del Biodiesel Los problemas técnicos del biodiesel se relacionan con su alta viscosidad,
menor poder calorífico, comportamiento deficiente a bajas temperaturas,
ligero aumento en las emisiones de , coquización del inyector, desgaste
en el motor y mayor dilución en el lubricante del motor. Además su mayor
problema es el alto costo y la disponibilidad de la materia prima.
Algunos sectores han hecho cuestionamientos sociales y responsabilizan a
este biocombustible el aumento en el precio de los alimentos y la
deforestación de zonas selváticas.
Mayor viscosidad
Debido a que el biodiesel tiene una viscosidad mayor que el diesel
pueden existir problemas de pérdidas de flujo a través de los filtros e
inyectores. Si el spray es alterado por el flujo de combustible se puede
generar una coquización del inyector o dilución del lubricante.
Desempeño mecánico
La potencia del motor disminuye porque el poder calorífico inferior
(P.C.I.) del biodiesel es menor. El calor de combustión se reduce en
aproximadamente 12% debido a la presencia de oxígeno dentro de la
molécula, esto disminuye la potencia en cerca de 10%, principalmente
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por la reducción en el calor de combustión. De igual manera esta
disminución repercute en un mayor consumo de combustible para
lograr el mismo desempeño utilizando combustible diesel.
Emisiones de
El biodiesel puede aumentar o disminuir los óxidos de nitrógeno ( )
dependiendo de la materia prima del biodiesel. Se encontró que a
mayor grado de insaturación de las materias primas para biodiesel
(por ejemplo, colza y soja) se producían mayores emisiones de .
Comportamiento a bajas temperaturas
El biodiesel presenta problemas para funcionar a bajas temperaturas.
Generalmente, los Puntos de Congelación ( ) y Puntos de Nube
( ), son desde ligeramente superiores a muy superiores
dependiendo del origen del éster (soja, girasol o palma). Los
glicéridos saturados producen cristalizaciones a temperaturas
relativamente bajas y aumentan el punto de nube. Por ejemplo, el
biodiesel producido a partir de aceite de palma tiene un punto de nube
+13°C.
Este valor impide su utilización en temporadas invernales pero sí
funciona normalmente en verano o en países tropicales.
Dilución del lubricante
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El aceite de motor (lubricante) puede degradarse mucho más rápido si
el combustible utilizado es biodiesel en vez de diesel. El biodiesel
tiende a disolverse más fácilmente en el lubricante que el diesel. La
dilución que se produce por el biodiesel en el aceite hace que la
viscosidad disminuya en las primeras etapas (dilución del
combustible). En etapas posteriores aumenta con el tiempo (oxidación
del lubricante) debido a la formación de depósitos y lacas, causadas
por la tendencia del biodiesel a la oxidación y polimerización del
lubricante, debido a la presencia de dobles enlaces en su estructura.
Por estas razones, se recomienda utilizar un lubricante que tenga una
capacidad dispersante superior a la utilizada con el diesel, de lo
contrario se recomiendan cambiar el aceite lubricante en períodos
más cortos que utilizando un diesel normal.
Problemas de corrosión
Pueden aparecer algunos problemas debido a corrosión y partículas
de desgaste en el tanque, que hay que tener en cuenta no sólo en lo
que afecta al motor, sino también respecto a la instalación
especialmente cuando se utiliza biodiesel puro ( ). Algunos
materiales se deterioran con el biodiesel: pinturas, plásticos, gomas,
etc. Es por eso que las juntas de nitrilo en contacto con el biodiesel se
disuelven, por lo que se deben sustituir por las de vitón, teflón u otros
que son más resistentes. De igual manera si se utiliza se
recomienda que las pinturas del depósito de combustible y demás
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partes en contacto con el combustible se sustituyan por otras
acrílicas.
Estabilidad a la oxidación
Si el biodiesel proviene de un aceite con alta concentración de ácido
linolénico ( ) o en general ácidos insaturados (soja, colza o
girasol) presentará problemas de estabilidad a la oxidación debido a
que posee dobles enlaces y oxígeno en su molécula. Esto es
importante a la hora de almacenar durante mucho tiempo el biodiesel.
La utilización de recipientes que contengan cobre, zinc, plomo o
alguna combinación de estos tres afecta de manera muy negativa a la
estabilidad ya que forma gran cantidad de sedimentos, depósitos en
los inyectores y colmatación en los filtros. Por tal motivo se
recomienda usar materiales de zinc o acero preferiblemente.
Precio
El biodiesel es una alternativa tecnológica factible al diesel, pero
actualmente el costo es 1.5-3 veces más costoso que el diesel en
países desarrollados. La competitividad del biodiesel depende de las
políticas que hagan los gobiernos, tales como subsidios y exención de
impuestos, porque sin estas ayudas no es factible económicamente.
2.6 Marco Legal del Programa Peruano de la Producción del Biodiesel En el año 2003, se creó la ley Nº 28054 de promoción del mercado de
biocombustibles, con la intención de diversificar el mercado de
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combustibles, fomentar el desarrollo agropecuario, generar empleo,
disminuir contaminación ambiental y ofrecer un mercado alternativo.
En el año 2004, se conformó la Comisión Técnica de Biocombustibles,
liderada por el CONAM, para proponer y recomendar las normas y
disposiciones para el cumplimiento de la Ley Nº 28054.
En el 2005, se creó un nuevo reglamento de Ley D.S. Nº013 – 2005 – EM.,
para la producción de biodiesel sólo a partir de aceites vegetales con su
respectivo porcentaje de mezcla voluntario u obligatorio al 5% como
mínimo o máximo, sus distribuidores mayoristas de combustibles líquidos,
plantas de abastecimiento, cronograma de aplicación y la utilización para el
año 2008 en la selva y para el año 2010 en todo el país.
En el año 2006, se creó un Subcomité Técnico para las especificaciones
peruanas del biodiesel ( ).
En el año 2007, se desarrolló dentro del marco legal los Lineamientos
PROBIOCOM; NTP Biodiesel; y el reglamento para la comercialización del
Biodiesel (D.S.Nº021-2007-EM) a partir de grasas de animales y aceites
usados.
2.7 Materias Primas Las materia primas más comunes utilizadas para la fabricación de biodiesel
son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio
del aceite en girasol es de 44% por lo que sería la mejor opción en cuanto
a agricultura energética). También se han realizado pruebas con aceite de
colza y con Brassicacarinata.
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Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la
producción de biodiesel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo
de vaca, etc.). Por otra parte, la utilización de aceites usados no es todavía
significativa. A continuación, en la siguiente tabla se detallan las principales
materias primas para la elaboración de biodiesel.
Tabla 5. Principales materias primas para la producción de biodiesel.
Aceites Convencionales
Aceites Vegetales Alternativos
Otras Fuentes
Girasol Brassicacarinata Aceite de semillas modificadas genéticamente
Colza Cynara Grasas animales(sebo de vaca y búfalo)
Coco Curdunculus Aceites de microalgas
Soja Camelina sativa Aceite de producciones microbianas
Palma Crambeabyssinica Aceites de fritura
Pogianus Fuente: Milliarium: Ingeniería y Medio Ambiente.
2.7.1 Aceites vegetales convencionales
Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de
biodiesel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la
colza (Europa), la soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites
de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones
climatológicas, la colza (Brassicanapus) se produce principalmente en el
norte de Europa y el girasol (Helianthusannuus) en los países
mediterráneos del sur, como España o Italia.
2.7.2 Aceites Vegetales alternativos
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Además de los aceites vegetales convencionales, existen otras especies
más adaptadas a las condiciones del país donde se desarrollan y mejor
posicionadas en el ámbito de los cultivos energéticos. En tal sentido, una
de las materias primas que más resalta para la producción de biodiesel, es
la CyranaCardunculus.
La Cynaracardunculus es un cultivo plurianual y permanente, de unos diez
años de ocupación del terreno, y orientado fundamentalmente a la
producción de biomasa, aunque también pueden aprovecharse sus
semillas para la obtención de aceite, el cual sirve de materia prima para la
fabricación de biodiesel.
2.7.3 Aceites vegetales modificados genéticamente
Los aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en
ácidos grasos. Los aceites con proporciones altas de ácidos grasos
insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la
operatividad del biodiesel a bajas temperaturas, pero disminuyen su
estabilidad a la oxidación, que se traduce en un índice de yodo elevado.
Por este motivo, se pueden tener en consideración, como materias primas
para producir biodiesel, los aceites con elevado contenido en
insaturaciones, que han sido modificados genéticamente para reducir esta
proporción, como el aceite de girasol de alto oleico.
2.7.4 Aceites de fritura usados
El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores
perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más
barata, y con su utilización se evitan los costos de tratamiento como
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residuo. España es un gran consumidor de aceites vegetales, centrándose
el consumo en aceite de oliva y girasol. Por su parte, los aceites usados
presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes
alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como
biocombustible. Un ejemplo, es la producción de los aceites usados en
España que se sitúa en torno a las 750.000 toneladas/año, según cifras del
2004. Además, como valor añadido, la utilización de aceites usados
significa la buena gestión y uso del residuo.
La alternativa de reciclar el aceite de fritura usado para convertirlo en
biodiesel es la que más ventajas tiene porque además de producir
combustible elimina un residuo contaminante como es el aceite usado.
La utilización de aceites usados presenta dificultades logísticas, no sólo por
su recogida, sino también por su control y trazabilidad debido a su carácter
de residuo; pero se puede solucionar con un buen calentamiento y
posteriormente un filtrado que deje al aceite en mejores condiciones.
2.7.5 Grasas animales
Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas
animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como
materia prima de la transesterificación para obtener biodiesel. El sebo tiene
diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación,
empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de
animales.
2.7.6 Aceites de otras fuentes
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Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de
composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos
microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, así como a partir de
microalgas.
CAPÍTULO III. SIMULACIÓN DE PROCESOS
La simulación de procesos industriales es el estudio de un proceso o
sus partes mediante manipulación de su representación matemática o de
su modelo físico. La simulación parte del análisis de procesos industriales.
Las utilidades concretas que proporciona la simulación de procesos
son:
Mejora la competitividad detectando ineficiencias motivadas por la
descoordinación entre secciones de una misma planta.
Estima y realiza análisis de regresión de propiedades físicas.
Predice el comportamiento de un proceso utilizando principios de la
ingeniería. Realiza cálculos de balances de materia y energía y
equilibrio químico y entre fases.
Analiza el comportamiento de un sistema y realiza estudios de
optimización y sensibilidad.
Permite cambiar las condiciones de operación y analizar los
comportamientos.
Estima costos.
Permite generar como salida gráficas o bien tablas de resultados.
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3.1 Análisis de procesos industriales El análisis de procesos industriales se refiere a la aplicación de
métodos científicos al reconocimiento y definición de problemas, así
como al desarrollo de procedimientos para su solución. En una forma
más concreta, esto quiere decir especificación matemática del problema
para la situación física dada, análisis detallado para obtener modelos
matemáticos, y síntesis y presentación de resultados para asegurar la
total comprensión del problema. El proceso representa una serie real de
operaciones o tratamiento de materiales, tal como es contrastado por el
modelo, que representa una descripción matemática del proceso real.
El análisis de procesos industriales comprende un examen global del
proceso, de otros procesos posibles, así como de sus aspectos
económicos. Se hace resaltar el aspecto económico porque al efectuar una
selección de distintos esquemas posibles, los costos constituyen un
elemento tan importante que nunca se pueden ignorar. Si se ha de realizar
una amplia selección, es preciso conocer los costos de cada proyecto y
compararlo con los demás. De esta forma, se pueden estimar los beneficios
de cada una de las alternativas con fines comparativos. La estimación de
costos para distintos sistemas resulta vital, no solamente porque el ensayo
de un nuevo sistema resulta muy costoso sino porque generalmente son
numerosos los sistemas competitivos. Sin embargo, a pesar de la
importancia de los factores económicos, tienen relevancia los aspectos
fisicoquímicos, ingenieriles y matemáticos.
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3.2 Valor del análisis y simulación de procesos industriales. Existen ciertas características de los procesos industriales que las
diferencian de otros tipos de industrias, debido esencialmente a que hay
una compleja estructura de muchas etapas, cada una de las cuales consta a
su vez de numerosos subcomponentes.
Las ecuaciones que describen las relaciones entre las variables importantes
oscilan desde unas muy sencillas hasta otras muy complicadas. Teniendo
en cuenta que interviene un elevado flujo de materiales con un valor
económico relativamente alto, por ello se comprende que pequeñas
modificaciones en las características de diseño y operación pueden tener
una importante repercusión económica.
Las características de los subcomponentes del proceso todavía no son, en
general, lo suficientemente bien conocidas como para permitir al ingeniero
basarse exclusivamente en la teoría para proceder al diseño y control.
Es por ello que los ingenieros de las industrias de proceso se ocupan en
dos principales tipos de trabajo: la operación de plantas ya existentes y el
diseño de plantas nuevas o modificadas.
Por lo que se refiere a la operación de instalaciones, tanto el control
como la optimización constituyen las dos funciones más importantes de los
ingenieros. Para que el ingeniero pueda desarrollar con eficiencia su trabajo
en estos campos debe estar en condiciones de poder realizar un análisis
sofisticado del proceso en sí. Será preciso programar los sistemas de
cálculo de forma que se puedan combinar las relaciones que describen las
partes individuales de la instalación; habrá que evaluar los parámetros
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básicos de estas relaciones, y, por último, será preciso dar un contenido
más cuantitativo a los aspectos cualitativos de los criterios de que se
dispone. Por éstas y muchas otras razones con ellas relacionadas, el
control y optimización tienen su base fundamental en el análisis de
procesos.
El segundo tipo de trabajo de los ingenieros, que es el diseño, resulta en
cierto modo más difícil. Por supuesto que los datos de la planta real no son
conocidos de antemano, y, por esta razón, el ingeniero tiene que utilizar una
parte importante de su criterio intuitivo. Por otra parte, cuando se modifican
plantas existentes o se diseñan plantas similares a otras ya construidas, el
ingeniero puede disponer de una importante experiencia.
De lo expuesto se llega a la conclusión de que la construcción de modelos
matemáticos teóricos o semiteóricos constituye frecuentemente una
necesidad preliminar.
Tanto el diseño como la operación se pueden facilitar mediante la
simulación del proceso o de sus partes. En primer lugar, es muy difícil que
la dirección de la empresa permita a los ingenieros introducir arbitrariamente
cambios en una instalación que opera satisfactoriamente por el simple
hecho de ver qué es lo que ocurre. Además los modelos matemáticos de los
procesos se pueden manipular mucho más fácilmente que las plantas
reales. Por ejemplo, se puede simular la operación fuera de las
condiciones o intervalos normales y también se puede hacer “reventar” la
planta con el fin de encontrar las condiciones de operación prohibidas.
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3.2.1 Ventajas del análisis y simulación de procesos industriales
Desde un punto de vista más general, el análisis y simulación de procesos
industriales presentan las ventajas que se señalan a continuación:
1.- Experimentación económica. Es posible estudiar procesos existentes de
una forma más rápida, económica y completa que en la planta real. La
simulación puede aumentar o reducir el tiempo real de una forma análoga a
como una cámara cinematográfica acelera o retarda las imágenes; de esta
forma se puede observar más fácilmente la operación del sistema.
2.- Extrapolación. Con un modelo matemático adecuado se pueden ensayar
intervalos extremos de las condiciones de operación, que pueden ser
impracticables o imposibles de realizar en una planta real. También es
posible establecer características de funcionamiento.
3.- Estudio de conmutabilidad y evaluación de otros planes de actuación. Se
pueden introducir nuevos factores o elementos de un sistema y suprimir
otros antiguos al examinar el sistema con el fin de ver si estas
modificaciones son compatibles. La simulación permite comparar
distintos diseños y procesos que todavía no están en operación y
ensayar hipótesis sobre sistemas o procesos antes de llevarlos a la
práctica.
4.- Repetición de experimentos. La simulación permite estudiar el efecto de
la modificación de las variables y parámetros con resultados reproducibles.
En el modelo matemático se puede introducir o retirar a voluntad un error, lo
cual no es posible en la planta real.
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5.- Control de cálculo. La simulación constituye una importante ayuda
material para el estudio de los sistemas de control con lazos abiertos y
cerrados.
6.- Ensayo de sensibilidad. Se puede ensayar la sensibilidad de los
parámetros de costos y los parámetros básicos del sistema; por ejemplo, un
incremento de un 10% en la velocidad de alimentación podrá tener; según
los casos, un efecto mínimo o un efecto muy importante sobre el
funcionamiento de la instalación.
7.- Estudio de la estabilidad del sistema. Se puede examinar la
estabilidad de sistemas y subsistemas frente a diferentes perturbaciones.
Por estas razones, se puede concluir que el análisis de procesos constituye
un elemento muy importante para tomar una decisión más científica y
responsable a nivel industrial.
3.2.2 Ejemplos de aplicaciones practicados industrialmente
Un breve examen de bibliografía revela numerosos ejemplos en los que se
pone de manifiesto la utilidad práctica del análisis de procesos.
Un ejemplo anterior de Woods describe la optimización de los sistemas de
control en una columna de fraccionamiento de monoetilenglicol. En este
caso no se utilizó un modelo matemático como tal, sino relaciones
estrictamente empíricas. La columna era perturbada mediante una entrada
de escalón con el fin de obtener sus características dinámicas. El ahorro
conseguido se estimó en unos 1750 dólares anuales.
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Finalmente, se presenta un ejemplo descrito por Peiser y Grover. Los
experimentos sobre las dificultades de operación en una torre de
fraccionamiento, originadas por un deficiente control del componente más
ligero en el producto de colas. También se producía perturbación
procediendo a la inundación de la torre. Los habituales cálculos de estado
estacionario no arrojaron ninguna luz sobre estos problemas, y, por esta
razón, se procedió a efectuar un análisis dinámico, incluyendo los aspectos
hidrodinámicos de los platos. Mediante simulación de la torre con el modelo
se encontraron y corrigieron las dificultades con modificaciones de diseño
relativamente sencillas. Se encontró que después, la columna operaba
satisfactoriamente.
3.3 Principios generales del análisis de procesos industriales Para planificar, organizar, evaluar y controlar los complejos procesos de la
moderna tecnología es preciso conocer los factores fundamentales que
influyen en el funcionamiento del proceso. Una forma de conseguir esto
consiste en construir una réplica real, a pequeña escala, del proceso y
efectuar cambios en las variables de entrada mientras se observa el
funcionamiento del proceso. Una técnica de este tipo no solamente lleva
tiempo y resulta cara sino que además puede resultar imposible de llevar a
cabo en la práctica. Con frecuencia resulta mucho más conveniente y
económico emplear (hasta donde sea posible) un método de
representaciones conceptuales del proceso. Este hecho recibe el nombre de
“construcción del modelo”
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Para un proceso y un problema determinados, el analista trata de
establecer una serie de relaciones matemáticas, juntamente con las
condiciones límite, que son isomórficas con las relaciones entre las
variables del proceso. Debido a la complejidad de los procesos reales y las
limitaciones matemáticas, el modelo desarrollado no deja de ser siempre
altamente idealizado y generalmente sólo representa con exactitud unas
pocas propiedades del proceso. El primer modelo es con frecuencia
sencillo pero poco realista. Tomando como base este primer modelo, el
analista intenta encontrar sus principales deficiencias y construir otro
modelo, que corrija las deficiencias seleccionadas y que al mismo tiempo
siga siendo lo suficientemente sencillo para su tratamiento matemático. El
ingeniero ensaya distintos modelos antes de encontrar uno que represente
satisfactoriamente aquellos atributos particulares del proceso que tienen
interés. El ensayo de los modelos es caro pero la construcción de procesos
a pequeña o gran escala resulta todavía más costos
Es evidente que la representación conceptual de un proceso real no puede
abarcar todos los detalles del proceso, a pesar de los avances de las
modernas técnicas de cálculo y de los métodos del análisis matemático. Tal
como se ha indicado, solamente se pueden determinar algunos atributos y
relaciones del sistema, especialmente aquellos que son fáciles de medir y
tienen importancia desde el punto de vista de su efecto sobre el proceso.
Por consiguiente, el analista está interesado en el desarrollo de modelos de
procesos que pueden ser fácilmente manipulados, que sirven para un
elevado número de variables e interrelaciones y que tienen una cierta
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seguridad de representar el proceso físico real con un razonable grado de
confianza.
La estrategia general del análisis de procesos complejos sigue un
camino relativamente bien definido, que consta de las siguientes etapas:
1.- Formulación del problema y establecimiento de objetivos y criterios;
delineación de las necesidades de operación.
2.- Inspección preliminar y clasificación del proceso con el fin de
descomponerlo en subsistemas (elementos).
3.- Determinación preliminar de las relaciones entre subsistemas.
4.- Análisis de las variables y relaciones para obtener un conjunto tan
sencillo y consistente como sea posible.
Cuando el proceso que se ha de evaluar no se puede ensayar en una forma
totalmente operacional (debido al coste, tiempo, riesgo, etc.), la base de
evaluación debe desplazarse hacia ensayos de algunas aproximaciones del
sistema, estudios en planta piloto, o bien los ensayos se pueden llevar a
cabo modificando las condiciones de operación del proceso real. Tales
simulaciones dan lugar a nuevos problemas.
3.4 Simuladores Comerciales Entre los simuladores comerciales se encuentran ASPEN PLUS, HYSYS,
DESIGN, PROII, etc, mismos que emplean modelos matemáticos en el
desempeño de los cálculos.
Los modelos matemáticos son el elemento esencial de un simulador de
procesos como las leyes de conservación, termodinámica y restricciones
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de control y diseño. Los sistemas de ecuaciones algebraicas y
diferenciales dan forma al modelo matemático del proceso completo.
La resolución en los simuladores comerciales parte de:
Un modelo secuencial modular basado en subrutinas de cálculo para
cada unidad de proceso, cálculo de variables de salida en función de las
de entrada y un procedimiento iterativo (ciclos).
Un método orientado a ecuaciones de resolución simultánea.
Un método modular simultáneo con ventajas de los métodos
anteriores, implicando sistemas de ecuaciones simplificadas y modelos de
ingeniería aproximados o modelos de representaciones lineales de los
modelos rigurosos.
Propiedades físicas, termodinámicas y de transporte.
Elección del modelo con intervalos específicos de condiciones de acuerdo a
los tipos de sustancias.
También se toman en consideración los siguientes criterios: la naturaleza de
los componentes (polaridad), idealidad o no idealidad de la mezcla;
intervalo de composición, temperatura y presión; y tipo de aplicación
(equilibrio Vapor-Líquido, Líquido-Líquido, una fase, etc).
3.4.1 Métodos termodinámicos
Existe dentro de la paquetería del simulador una serie de métodos y sus
aplicaciones varían de acuerdo a las características de las especies
involucradas, como se muestra en la Tabla 6.
Tabla 6. Aplicación de ecuaciones de estado y modelos de coeficientes de actividad
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Situación Margules Van Laar Wilson NRTL UNIQUAC UNIFAC
Binarios L-V A A A A A A
Multicomponentes L-V AL AL A A A A
Azeótropos A A A A A A
Equilibrios L-L A A NA A A A
Sistemas diluidos ? ? A A A A
Extrapolación ? ? B B B B
A: aplicable NA: no aplicable AL: aplicación limitada B: buena ?: cuestionable
Fuente: Aspen HYSYS – Elaboración propia.
3.5 Simulador Aspen HYSYS El Aspen HYSYS es una herramienta informática que nos va a permitir
diseñar o modelar procesos químicos mediante la ayuda de un software. Es
un software, utilizado para simular procesos en estado estacionario y
dinámico, por ejemplo, procesos químicos, farmacéuticos, alimenticios,
entre otros.
Posee herramientas que nos permite estimar propiedades físicas, balance
de materia y energía, equilibrios líquido-vapor y la simulación de muchos
equipos de Ingeniería Química.
Los parámetros de diseño como número de tubos de un intercambiador de
calor, diámetro de la carcasa y número de platos de una columna de
destilación no puede ser calculado por Aspen HYSYS, es una herramienta
que proporciona una simulación de un sistema que se describe con
anterioridad. Aspen HYSYS puede emplearse como herramienta de diseño,
probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo.
3.5.1. Relación con la Simulación de Procesos
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Para poder utilizar el Aspen Hysys se necesita aplicar una ingeniería básica
del proceso para lo cual se necesita:
Documentos que describan la secuencia de las operaciones que
conforman el proceso.
Un diagrama entrada – salida, lo cual incluye como está conformado
estequiométricamente la reacción, el número de moles.
Un diagrama básico del bloques del proceso, lo cual incluye las
condiciones principales de operación, información de rendimientos,
conversiones, balances de materia y energía preliminares.
Hojas de datos los cuales especifican los equipos durante la ingeniería
básica.
Este software posee una base de datos con información de utilidad
para muchos cálculos que este programa realiza de forma rápida, el
programa corrige cierta los cálculos de forma automática. Para que el
programa realice los cálculos hay que proporcionarle la información
mínima necesaria que generalmente es los datos de operación como
flujos, temperaturas y presiones.
3.5.2. Operaciones Unitarias
Aspen HYSYS posee una integración gráfica que permite modelar más de
40 diferentes operaciones unitarias:
Acumuladores Flash
Columnas de Destilación, azeotrópica
Columnas de Extracción
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Reactores Continuos y Batch
Turbinas
Bombas
Intercambiadores de Calor
Separador
Mezcladores
CAPÍTULO IV. SIMULACIÓN DE PRODUCCIÓN
DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE VEGETAL
DE SOYA
4.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel Las etapas del proceso de producción de biodiesel que se muestran en la
figura de la página siguiente son:
Mezclado
Reacción (transesterificación).
Recuperación de metanol.
Lavado.
Purificación de biodiesel (FAME).
Purificación de glicerol.
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Figura 02. Diagrama de flujo de proceso de producción de biodiesel. Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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4.1.1 Descripción del proceso de producción de biodiesel
El proceso comienza con la mezcla del metanol junto con la recirculación de
metanol que proviene de la columna T-100, los cuales ingresan en el mezclador
MIX-101.
El producto resultante de MIX-101 ingresa al MIX-100 junto con el aceite vegetal,
aquí es donde empieza la alimentación, el cual opera a una presión cercana a la
atmosférica y una temperatura normalmente por debajo del punto de ebullición del
metanol.
En este reactor se logran conversiones de aceite vegetal en ésteres cercanas al
80 %.
Para lograr una mayor conversión del aceite vegetal, y a la vez un mayor
rendimiento de biodiesel, el producto de CSTR-100 se alimenta a un segundo
reactor, que opera a condiciones similares al reactor anterior. La conversión
alcanzada en este reactor es cercana a 91%.
La corriente de salida de CSTR-101 es una mezcla formada por biodiesel (mezcla
de ésteres), glicerol, metanol y los glicéridos que no se convirtieron. El catalizador
también se encuentra disuelto en la mezcla.
Por razones económicas es importante recuperar el metanol en exceso. Esto se
lleva a cabo en la columna de destilación T-100. El destilado de esta columna
consiste en una mezcla rica en metanol.
El producto de fondo de T-100, que contiene biodiesel, glicerol, triglicéridos,
diglicéridos, monoglicéridos y catalizador se envía a una columna de extracción X-
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100, en el cual por medio de un lavado con agua se separa una fase rica en
FAME(Fatty Acid Methyl Ester) de otra corriente rica en glicerol.
La fase rica en FAME se envía a una columna de destilación T-2. Con la cual se
recupera biodiesel con una alta pureza, cercana al 99.52% peso. El residuo de
esta columna es una mezcla de triglicéridos, diglicéridos y monoglicéridos
(aceite). La mezcla de glicéridos se puede reutilizar como carga al proceso.
La corriente rica en glicerol se envía a la columna de destilación T-3, con la cual
se separa el glicerol del agua. El agua recuperada puede neutralizarse y utilizarse
nuevamente como agua de lavado en el extractor.
4.1.2 Química del proceso
Como anteriormente se explicó en la Sección 1.7, el biodiesel se puede obtener
por medio de la transesterificación de aceite vegetal con metanol en presencia de
catalizador alcalino.
La reacción global de transesterificación usando trioleína y metanol para producir
oleato de metilo y glicerol es la siguiente:
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Esta reacción se lleva a cabo realmente en forma secuencial por medio de los
pasos siguientes:
Inicialmente un mol de trioleína reacciona con metanol en presencia de un
catalizador alcalino (NaOH), produciendo un mol de dioleína y un mol de oleato
de metilo. Como la reacción es reversible la dioleína en presencia de metanol en
exceso produce monoleína y una segunda mol de oleato de metilo. Finalmente
la monoleína con metanol reaccionan para producir un mol de glicerol y una
tercera mol de oleato de metilo. Estas tres reacciones son las que se consideran
para la obtención del modelo cinético.
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4.1.3 Cinética del Proceso
Para la simulación la cinética de la reacción de transesterificación de aceite de
soya se basa en el modelo cinético obtenido previamente por Noureddini y
Zhu. El valor de los parámetros cinéticos se muestra en la Tabla 7. Los valores
de las constantes de reacción (k) se obtuvieron a una temperatura de 60 °C
usando como catalizador NaOH en concentración de 1.0% peso con respecto al
peso de aceite alimentado. El alcohol utilizado fue metanol con una relación molar
3:1 mol/mol de aceite.
Las ecuaciones para la velocidad de reacción son las siguientes:
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Tabla 7. Energías de activación y constantes de velocidad de reacción de aceite de
soya a 60 °C
Constantes [L/mol.min]
Energía de activación [cal/mol K]
Primera reacción
k1 0.050 E1 13,145 k2 0.110 E2 9,932
Segunda reacción k3 0.215 E3 19,860
k4 1.228 E4 14,639
Tercera reacción k5 0.242 E5 6,241
k6 0.007 E6 9,588 Fuente: Elaboración Propia
4.1.4 Estimación de propiedades termodinámicas
Aspen HYSYS 7.1 tiene incorporados métodos comunes como: Van Laar,
Margules, Wohl, Redlich and Kister, Scatchard and Hamer, Bonham, Black,
Wilson, NRTL, ASOG, UNIQUAC y UNIFAC. Los últimos cinco métodos los
resultados obtenidos son más precisos en la obtención de datos termodinámicos
de los componentes. Sin embargo, no todos los datos termodinámicos necesarios
para este trabajo son incluidos.
El aceite de soya consiste en 22-31% de ácido oleico y 49-53% de ácido linoleico
junto con el ácido mirístico y ácido palmítico, cada uno que van desde 2 hasta
10%. Aunque la mayoría de los triglicéridos en el aceite de soya se componen de
ácido oleico y linoleico; sólo el ácido trioleico (trioleína C57H104O6) forma parte de
la base de datos termodinámicos disponibles en el software de simulación Aspen
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HYSYS 7.1. El ácido trioleico es una molécula de triglicéridos que se compone de
tres cadenas de ácido oleico. Además la trioleína es el compuesto más abundante
en aceites de canola, soya y jatropha. Por ello en la simulación el aceite de soya
se representa por trioleína.
Para poder especificar los compuestos: trioleína, dioleína y monoleína, es
necesario elaborar sus estructuras empleando el software CHEM OFFICE. Estas
estructuras se guardan con la extensión *.mol y posteriormente se importan a
Aspen HYSYS 7.1
Una vez incluidas las moléculas en el simulador, sus propiedades termodinámicas
se estiman con el método de UNIFAC, que es un método de contribución de
grupos.
El modelo UNIFAC (Universal Functional Activity Coefficient) proporciona los
mejores resultados en la predicción del equilibrio Líquido-Vapor para sistemas
no ideales y no electrolitos. Como método de referencia se utilizó el método
NRTL.
4.1.5 Lista de equipos
La Universidad Nacional de Trujillo posee un Laboratorio de Operaciones
Unitarias, el cual se evaluara si cuenta con los equipos necesarios que requiere
el proceso de producción de biodiesel.
Tabla 8. Equipos que posee el Laboratorio de Operaciones Unitarias
CANTIDAD NOMENCLATURA EQUIPO CARACTERISTICAS
2 B-1 B-2 B-3
Bombas centrifugas
Eficiencia de 80 %
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Figura 03. Bombas centrifugas
Fuente: Laboratorio de operaciones unitarias de la UNT
4.2 Datos para la simulación del proceso
Es importante resaltar que durante toda la explicación referente a la simulación de
dicho proceso se referirá a FAME por sus siglas en inglés Fatty Acid Methyl Éster
o con sinónimos como “metil éster”, “éster”; en los respectivos balances de
materia el FAME está representado por la corriente de éster.
Alimentación.
El diagrama que representa la sección de mezclado se muestra a continuación:
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Figura 04. Sección de mezclado
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
En ésta etapa el metanol y aceite vegetal se alimentan en una relación molar
estequiometríca (3:1, respectivamente). La corriente 5.1 es una mezcla de
metanol más la recirculación de la misma, lo cual provee un exceso de metanol
necesario para mantener el equilibrio termodinámico hacia productos.
Experimentalmente se ha observado que la conversión de aceite en biodiesel con
un catalizador alcalino se lleva a cabo en un periodo desde 30 minutos hasta 2
horas, a temperaturas cercanas a 104.6 °F. Por ello, en este trabajo se
consideran tiempos de residencia en el reactor CSTR de 30 minutos a 2 horas.
Como los reactores disponibles son de una capacidad de 62 litros se considera
una capacidad al 80% de volumen del reactor.
Tabla 9. Datos de alimentación.
Compuestos Corriente 1 METANOL Corriente 2 ACEITE Temperatura 77 °F 77 °F Presión 14.40 psig 14.40 psig
Fuente: Elaboración Propia.
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Sección de reacción.
La etapa de reacción está constituida por dos reactores CSTR como se muestra a
continuación:
Figura 05. Sección de reacción. Fuente: Aspen HYSYS 7.1
Los datos para los reactores son: Tabla 10. Datos especificados para los reactores.
Equipo Reactor CSTR - 100 Reactor CSTR - 101
Presión 1 atmósfera 1 atmósfera
Temperatura 60 °C 60 °C
Fases de reacción vapor-líquido vapor-líquido
Espacio-tiempo 30-120 minutos 30-120 minutos Fuente: Elaboración Propia.
Además se ingresan las respectivas reacciones y las constantes de velocidad de
reacción antes mencionadas.
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Recuperación de metanol.
El exceso de metanol se recupera y recircula a la sección de reacción,
aprovechando que la volatilidad del metanol es mayor que la de los demás
componentes. El punto de ebullición del metanol es 65°C a 1 atmósfera de
presión, mismo que está por debajo del punto de ebullición del Oleato de metilo
(aproximadamente 320 °C a 1 atmósfera de presión) y del glicerol (300 °C a 1
atmósfera de presión).
Figura 06. Sección de recuperación de metanol
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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Los datos para la sección de purificación de biodiesel se reportan en la Tabla X. Tabla 11. Datos especificados para T-100.
Datos Tipo de cálculos Equilibrio
Número de etapas reales 19 Condensador Total Reboiler Kettle Fase Vapor-Líquido Etapa de alimentación 16 Presión entrada 14.49 psig Presión salida 15.59 psig
Fuente: Elaboración Propia.
Sección de lavado.
El propósito de esta etapa es la separación de biodiesel del glicerol utilizando una
extracción líquida por contacto en contracorriente con agua, aprovechando que el
biodiesel es inmiscible en agua. Esta sección se representa con un extractor
como se muestra en la Figura 07
Figura 07. Sección de lavado Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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Los datos especificados para el extractor son los siguientes:
Tabla 12. Especificaciones del extractor.
Característica Cantidad Número de platos 8 Presión 1 atmósfera
Fuente: Elaboración Propia.
Para el agua que es empleada como líquido extractor la única especificación
inicial es una temperatura de 25 °C.
Purificación de biodiesel.
Las normas ASTM D975 requieren purificación del biodiesel por encima de 96,5%
en peso; es por esto que se busca obtener un producto con una calidad que
permita colocarlo dentro del intervalo de especificaciones establecidas.
Mediante el proceso de destilación se purifica el biodiesel (Figura 08).
Figura 08. Sección de purificación de biodiesel
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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Los datos para la sección de purificación de biodiesel se reportan en la Tabla 13. Tabla 13. Datos especificados para T-2.
Datos
Tipo de cálculos Equilibrio
Número de etapas reales 13
Condensador Total
Reboiler Kettle
Fase Vapor-Líquido
Etapa de alimentación 10
Presión de entrada 16.5
Presión de salida 17.5
Fuente: Elaboración Propia.
Purificación de glicerol.
El glicerol se genera en cantidades significativas como sub-producto del proceso
de fabricación de biodiesel (10% aproximadamente de la producción de
biodiesel).
Los estándares ASTM establecen que la purificación del glicerol tiene que ser
superior al 90% en peso para vender glicerol como un producto refinado. La etapa
de purificación de glicerol se muestra en la Figura 9.
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Figura 09. Sección de purificación de glicerol Fuente: Aspen HYSYS 7.1
Para llevar a cabo la simulación es indispensable realizar las siguientes
especificaciones:
Tabla 14. Datos especificados para T-3
Datos Tipo de cálculos Equilibrio
Número de etapas reales 13 Condensador Total Reboiler Kettle Fase Vapor-Líquido Etapa de alimentación 10 Presión de entrada 16.5 Presión de salida 17.5
Fuente: Elaboración Propia.
4.3 Resultados de la simulación Los resultados que a continuación se muestran representan los valores óptimos de
las diferentes variables (flujo de alimentación, relaciones de reflujo mínimo,
grados de pureza de biodiesel, glicerol y metanol), que se han obtenido con el
objetivo de conseguir un producto de alta calidad a un menor costo. Primero se
muestran los resultados de las diferentes corrientes y posteriormente los resultados
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de los equipos.
4.3.1 Corrientes
La Tabla siguiente muestra los resultados de las corrientes de la simulación
partiendo de las alimentaciones frescas.
Tabla 15. Corrientes de alimentación.
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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4.3.2 Equipos
Bomba de alimentación de metanol
Tabla 16. Resultados de B-1
Variable Cantidad Unidades Energía 2.25 E-06 Kw ΔP 0.192164 Psig
NPSH 9,.17 m
Bomba de alimentación de aceite
Tabla 17. Resultados de B-2.
Variable Cantidad Unidades
Energía 1.015 E-05 Kw
ΔP 0.18803 psig
NPSH 10.92 m
Bomba de recirculación de metanol
Tabla 18. Resultados de B-3.
Variable Cantidad Unidades
Energía 0.0002233 Kw
ΔP 6.09 Psig
NPSH 12 m
Sección de reacción
Tabla 19. Resultados de R-1.
Variable Cantidad Unidades
Temperatura 140 F
Volumen 0.05026 m3
Fase liquida 0.05026 m3
Fase gaseosa 0 m3
Tiempo de residencia 0.75 Hr.
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Tabla 20. Resultados de R-2.
Variable Cantidad Unidades
Temperatura 140 F Volumen 0.05026 m3 Fase liquida 0.05026 m3 Fase gaseosa 0 m3 Tiempo de residencia 0.75 Hr.
Sección de recuperación de metanol
Tabla 21. Resultados de T-1.
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Sección de lavado
Tabla 22. Resultados de X-100, CORRIENTE 12.
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Tabla 23. Resultados de X-100, CORRIENTE 13
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Sección de purificación de biodiesel
Tabla 24. Resultados de T-2
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Sección de purificación de glicerol
Tabla 25. Resultados de T-3.
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4.4 Análisis de resultados
4.4.1 Alimentación y reacción
Flujo de carga al reactor
Inicialmente se estudió el flujo de alimentación al proceso, mismos que fueron
sometidos a un análisis limitado puesto que no se cuentan con reactores en el
Laboratorio de operaciones Unitarias; además, considerando la regla heurística
que enuncia como sigue: “El volumen apropiado del líquido en un reactor CSTR,
debe tener una altura igual a la longitud del diámetro del recipiente”. Por ello se
considera un máximo volumen de llenado del 80%.
Los reactores usados en el presente trabajo tienen una altura de 0.50 metros y un
diámetro interno de 0.40 metros. Lo cual representa un volumen de 62 litros.
Este análisis se realizó haciendo modificaciones en las alimentaciones
considerando una relación molar estequiometríca de 3:1 de alimentación fresca
metanol/trioleína y un espacio tiempo de 0.75 horas.
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En la Tabla 26 podemos observar la cinética de la reacción, Rxn-01
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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En la Tabla 27 podemos observar la cinética de la reacción, Rxn-02
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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En la Tabla 28 podemos observar la cinética de la reacción, Rxn-03
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
Espacio tiempo del reactor
Para analizar el comportamiento de la conversión con respecto a la variación del
espacio tiempo en el reactor, se estudió un intervalo de 0.3 a 3 horas (Figura 10).
En este caso el flujo volumétrico de alimentación se mantiene constante.
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Figura 10. Comportamiento de la conversión con respecto al espacio-tiempo. Fuente: Elaboración propia
La Figura 10 representa el porcentaje de transformación de trioleína en oleato de
metilo, dioleína, monoleína y glicerol en el intervalo de tiempo estudiado. A mayor
espacio tiempo mayor es la conversión, pues las reacciones son reversibles y en
presencia de metanol en exceso continúan convirtiéndose desplazando la reacción
hacia la producción de oleato de metilo.
En los primeros 30 minutos la conversión se incrementa rápidamente hasta
alcanzar un valor cercano al 91%, posteriormente el incremento de la conversión
con respecto al tiempo es lento, pues la reacción disminuye su velocidad.
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4.4.2 Sección de recuperación de metanol
Flujos de destilado
Para mejorar la economía del proceso es importante recuperar el metanol y
recircularlo. Entre mayor sea el flujo de metanol recuperado y recirculado, el
proceso es más factible; pues el costo de metanol es elevado.
A continuación se presenta un análisis de sensibilidad de la composición molar de
metanol presente en la corriente de recirculación del mismo variando los flujos de
destilado en un intervalo de 0.12 a 0.48 kmol/hr.
Figura 11. Comportamiento de la fracción molar de metanol con respecto a la variación de flujos de destilado. Fuente: Elaboración propia
En la Figura 11 se observa que la fracción molar de metanol en la corriente 8
aumenta conforme se aumenta el flujo de destilado. Sin embargo, después de
0.36 kmol/hr de flujo de destilado, la composición molar de metanol disminuye.
Esto sucede porque un incremento en el flujo de destilado provoca el arrastre de
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componentes pesados, disminuyendo la fracción molar de metanol en la
corriente 8. Se puede concluir que el flujo de destilado establece la composición
de los productos. El mejor flujo de destilado establecido para este caso de
estudio es de 0.36 kmol/hr.
Relación de reflujo
La relación de reflujo (R) representa la relación del flujo de destilado que regresa
a la columna y el flujo de destilado que sale de ella, R=L/D. Donde L es el flujo
que retorna a la columna y D lo que sale de la misma.
Un aumento en el reflujo arrastra hacia abajo componentes ligeros y es por eso
que se disminuyen las temperaturas en la columna.
La relación de reflujo determina la calidad del corte entre los productos del domo
y fondo. Al aumentar la relación de reflujo, la pureza de metanol destilado
aumenta. En otras palabras el reflujo afecta la pureza del producto.
Encontrar la relación de reflujo mínima permite establecer la cantidad apropiada
de flujo de destilado que retorna a la columna, que garantiza la obtención de
destilado con una composición de ligeros en el destilado que sale de la columna,
sin arrastrar componentes pesados al domo.
4.4.3 Sección de purificación de biodiesel
En la columna de destilación T-2 el objetivo es separar al éster (biodiesel) del
aceite presente en la corriente 12. Las normas ASTM D-975 establecen un
porcentaje de éster presente en el biodiesel de 96.5 % peso como mínimo.
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Teniendo presentes las características establecidas para el éster, se procedió a
un análisis del comportamiento de la separación del éster con respecto al aceite.
En el presente trabajo analizamos el comportamiento de algunas variables del
proceso, observando la importancia de su manejo, y observando el impacto en
los productos obtenidos.
Por cada 35.42 kg/hr de aceite alimentado, se producen 33.48 kg/hr de
biodiesel.
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CAPITULO V. CONCLUSIONES
Se realizó la simulación del proceso de obtención de ésteres metílicos de aceite
de soya (biodiesel) con la herramienta ASPEN HYSYS PLUS ONE V7.1, por los
beneficios que proporciona, generando parámetros y seleccionando los modelos y
rutas de cálculo de propiedades termodinámicas y de transporte del aceite de
soya y su éster metílico haciendo uso de los parámetros de interacción binaria
para la determinación del equilibrio líquido-vapor por el método de contribución de
grupos UNIFAC (método base) y NRTL (método de referencia).
Se evaluaron los equipos disponibles en el Laboratorio de Operaciones Unitarias
perteneciente Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de
Trujillo.
Con la simulación se observó el comportamiento de las variables que intervienen
en el proceso de producción de biodiesel (conversión de aceite en éster, relación
molar de alimentación a la etapa de reacción, flujo de destilado en la sección de
recuperación de metanol y relación de reflujo mínima, la cantidad mínima de agua
necesaria en la etapa de lavado, el flujo de destilado de la etapa de purificación
de biodiesel y la relación de reflujo, y el flujo de destilado en la etapa de
purificación de glicerol y la relación de reflujo mínima).
A partir de los resultados obtenidos de la simulación, concluimos que el
laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad Nacional de Trujillo tiene
que evaluar la posibilidad de adquirir los equipos indicados en la simulación para
poder producir biodiesel que cumpla con los estándares establecidos
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internacionalmente (ASTM D-975), no necesariamente de aceite de soya, sino de
cualquier otro aceite vegetal (nuevos o reciclados) o grasa animal; a partir de la
adquisición de los equipos restantes.
En general, la viabilidad de una planta incluye aspectos tecnológicos y
económicos. Por lo tanto, además de evaluar la viabilidad tecnológica del proceso
de producción de biodiesel, como se hizo en el presente trabajo, resultaría
necesaria una evaluación económica.
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CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES
Referente al proceso de obtención del biodiesel, se debe trabajar con
reactivos anhidros en la reacción de transesterificación para evitar la
formación de jabones.
Con base en los resultados obtenidos, se propone realizar estudios sobre la
factibilidad económica de la planta piloto.
Realizar un estudio sobre otras características físico-químicas del biodiesel.
Realizar un estudio utilizando mezclas entre aceite nuevo y usado para
producir biodiesel.
Sería interesante un estudio que investigue las mejores proporciones en
mezcla diesel- biodiesel que den un buen rendimiento en el motor.
Se propone realizar proyectos sobre el establecimiento de programas
integrales de recolección domiciliaria e industrial de aceite de fritura
residual para su posterior aprovechamiento como combustible.
Desarrollar una investigación para la purificación o transformación de la
glicerina formada en la reacción de transesterificación, para su posterior
uso en diferentes procesos industriales.
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54. HOMER, IAN Y HUNTER E. 2008. “Biodiesel, métodos artesanales para su
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55. DÍAZ, C., BRACHNA, D., SÁNCHEZ, C., LÓPEZ, W. 2006. “Control de
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56. DORADO, M., BALLESTEROS, E. Y LÓPEZ, F. 2005. “Proceso de
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[Consulta: 25 de Junio del 2013].(En línea)
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57. CIRIA IGNACIO, J. 2008. “Propiedades y características de combustibles
diesel y biodiesel”. [Consulta: 25 de Junio del 2013]. (En
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58. SKOOG, D., HOLLER, F., NIEMAN, A. 2003.“Principios de análisis
instrumental”. España. Quinta edición. Mc Graw Hill/ Interamericana de
España.
59. BAUER, E.L. 1974. “Manual de estadística para químicos”. España.
Editorial Alhambra.
60. OSPINA, Bernardo. 1996. “Elementos de estadística descriptiva”.
Colombia. Universidad Tecnológica de Pereira - Facultad de Ciencias
Básicas.
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[Consulta: 2 de Julio del 2013]. (En línea) <
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62. Chemical Process Simulation and The HYSYS Software. [Consulta: 2 de
Julio del 2013]. (En línea) <
http://www.departments.bucknell.edu/chem_eng/cheg200/HYSYS_Manual/a
_BlueHYSYS.pdf>
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INDICE DE ANEXOS
ANEXO A
Especificaciones para Biodiesel B100 – ASTM D6751-07
ANEXO B
Reglamento de Ley D.S. Nº013 – 2005 – EM
ANEXO C
Métodos de Ensayo
ANEXO D
Reporte de la simulación del proceso de obtención Biodiesel a partir de aceites vegetales
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ANEXOS
ANEXO A
Especificaciones para Biodiesel B100 – ASTM D6751-07
Características Unidades Método de
Análisis
Valores
Contenido de ésteres Fracción de masa
(% masa) EN 14103 96,5 mín.
Contenido de metanol o etanol Fracción de masa
(% masa) EN 14110 0,20 máx.
Gravedad API a 15,56ºC (60ºF)
o Densidad a 15ºC
ºAPI
g/ml
ASTM D-287
ASTM D-1298
Reportar
0.860-0.900
Estabilidad a la oxidación,110 ºC h EN 14112 6,0 mín.
Punto de inflamación (“Flash point”)
ºC ASTM D 93
130,0 mín.
Agua y sedimentos Fracción de
volumen (% volumen)
ASTM D 2709
0,050 máx.
Viscosidad cinemática a 40 °C. mm2/s ASTMD 445
1,9 – 6.5
Ceniza sulfatada Fracción de
masa (% masa)
ASTM D 874 0,020 máx.
Contenido de azufre total mg/kg
ASTM D 5453
15 máx.
Índice de cetano -------
ASTM D 976
47 mín.
Punto de nube ºC ASTM D 2500 Reportar
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Residuo de carbón Fracción de
masa (% masa)
ASTM D 4530 0,050 máx.
Índice de acidez mg. KOH / g.
Biodiesel
ASTM D 664
0,50 máx.
Glicerina libre Fracción de
masa (% masa)
ASTM D 6584 0,020 máx.
Glicerina total Fracción de
masa (% masa)
ASTM D 6584 0,240 máx.
Temperatura de destilación, temperatura equivalente atmosférica, 90% recuperado
ºC ASTM D 1160 360 máx.
Poder Calorífico kJ/kg ASTM D 240 37130-41870
Fuente: Biocombustibles. Biodiesel. Especificaciones.Norma Técnica Peruana
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ANEXO B
Reglamento de Ley D.S. Nº013 – 2005 – EM
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Br. Melosevich Chico Ivan W. – Br. Santiago Llaxacóndor Alex W. Página 82
Fuente: Disposiciones Transitorias derogadas por el D.S. N° 021-2007-EM.
ANEXO C
Métodos de Ensayo
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Para los ensayos se debe utilizar la última edición vigente de las siguientes
Normas ASTM, EN y UOP en idioma de origen. La traducción y el uso de éstas
será responsabilidad del usuario, y serán aceptadas en tanto no sean
homologadas y/o no existan Normas.
EN 14103: “Fat and oil derivatives – Fatty Acid Metil esters (FAME) –
Determination of ester and linolenic acid metil ester contents”. Derivados de
grasa y aceite - Ésteres metílicos de ácido graso – Determinación de contenidos
de éster y de éster metílico del ácidolinolénico.
EN 14110: “Fat and oil derivatives – Fatty Acid Metil esters (FAME) –
Determination of methanol content”. Derivados de grasa y aceite - Ésteres
metílicos de ácido graso – Determinación del contenido de metanol.
ASTM D 287: “Standard Test Method for API Gravity of Crude Petroleum and
Petroleum Products”. Método de Prueba Estándar para Gravedad API del
Petróleo Crudo y Productos del Petróleo.
ASTM D 1298: “Standard Practice for Density, Relative Density (Specific Gravity)
or API Gravity of Crude Petroleum and Liquid Petroleum Products by Hydrometer
Method”. Método de Prueba Estándar para Densidad, Densidad Relativa
(Gravedad Específica), o Gravedad API de Petróleo Crudo y Productos Líquidos
de Petróleo por el Método del Hidrómetro.
EN 14112: “Fat and oil derivatives – Fatty Acid Metil esters (FAME) –
Determination of oxidation stability (accelerated oxidation test)”. Derivados de
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grasa y aceite - Ésteres metílicos de ácido graso- – Determinación de la
estabilidad a la oxidación (prueba de oxidación acelerada).
ASTM D 93: “Standard Test Method for Flash Point by Pensky-Martens Closed
Cup Tester”. Método de Prueba Estándar para Punto de Inflamación por el
Probador Pensky-Martens de Copa Cerrada.
ASTM D 2709: “Standard Test Method for Water and Sediment in Middle
Distillate Fuels by Centrifuge”. Método de Prueba Estándar para Agua y
Sedimento en Combustibles Destilados Medios por Centrifugación.
ASTM D 445:“Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and
Opaque Liquids (and the Calculation of Dynamic Viscosity)”. Método de Prueba
Estándar para Viscosidad Cinemática de Líquidos Transparentes y Opacos (y el
Cálculo de la Viscosidad Dinámica).
ASTM D 874: “Standard Test Method for Sulfated Ash from Lubricant Oils and
Additives”. Método de Prueba Estándar para Cenizas Sulfatadas provenientes de
Aditivos y Aceites Lubricantes.
ASTM D 5453: “Standard Test Method for Determination of Total Sulfur in Light
Hydrocarbons, Motor Fuels and Oils by Ultraviolet Fluorescence”. Método de
Prueba Estándar para Determinación de Azufre Total en Hidrocarburos Livianos,
Combustibles de Motor y Aceites por Fluorescencia Ultravioleta.
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ASTM D 976: “Standard Test Method for Cetane Number of Diesel Fuel Oil”.
Método de Prueba Estándar para Número de Cetano de Aceite Combustible
Diesel.
ASTM D 2500: “Standard Test Method for Cloud Point of Petroleum Products”.
Método de Prueba Estándarpara Punto de Enturbamiento de Aceites de Petróleo.
ASTM D 4530: “Standard Test Method for Determination of Carbon Residue
(Micro Method)”. Método de Prueba Estándar para Determinación de Residuo de
Carbón (Método Micro).
ASTM D 664:“Standard Test Method for Acid Number of Petroleum Products by
Potentiometric Titration”. Método de Prueba Estándar para Número Ácido de
Productos de Petróleo por Titulación Potenciométrica.
ASTM D 6584: “Standard Test Method for Determination of Free and Total
Glycerine in B-100 Biodiesel Methyl Esters by Gas Chromatography”. Método de
Prueba Estándar para la Determinación de Glicerina Libre y Total en Biodiesel B-
100 de Ésteres Metílicos por Cromatografía de Gases.
ASTM D 1160: “Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at
Reduced Pressure”. Método de Prueba Estándar para Destilación de Productos
de Petróleo a Presión Reducida.
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ASTM D 240: “Standard Test Method for Heat of Combustion of Liquid
Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter”. Método para la Determinación de
poder calorífico superior de combustibles líquidos por medio de la bomba
calorimétrica.
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ANEXO D
Reportes de Análisis Químicos del Biodiesel
Fuente: Aspen HYSYS 7.1
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Br. Melosevich Chico Ivan W. – Br. Santiago Llaxacóndor Alex W. Página 89
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