Biodiesel: Planta Piloto de Producción

Esta sección proporciona la definición de biodiesel según la ASTM (American Society for Testing and Materials Standard). Se describe como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga, derivados de lípidos renovables como aceites vegetales o grasas animales. Su uso principal es en motores de ignición por compresión (motores diésel). Se destaca que los ésteres más utilizados son los de metanol y etanol, obtenidos a través de la transesterificación, debido a su bajo costo y ventajas químicas y físicas. La definición establece claramente la naturaleza del biodiesel como un combustible derivado de fuentes renovables, enfatizando su aplicación en motores diésel y la importancia de la transesterificación como proceso de producción. La mención de los ésteres de metanol y etanol indica una preferencia por estos alcoholes en la producción industrial por razones económicas y de rendimiento.

Aquí se detallan las ventajas técnicas del biodiesel. Se resalta que posee propiedades físicas y químicas similares al diésel convencional, permitiendo su uso directo en motores diésel desde 1995 sin modificaciones en el motor, el sistema de encendido o los inyectores. Se enfatiza su condición de único combustible alternativo con esta característica, destacando su aplicabilidad en equipos existentes como motores, motobombas y grupos electrógenos. Además, se destaca la reducción de la contaminación atmosférica gracias a su bajo contenido de azufre. Otra ventaja importante es la mejora en la lubricidad del diésel al utilizarse en mezclas, lo que prolonga la vida útil del motor y reduce las emisiones. La sección también hace referencia a la utilización de microemulsiones, aunque se advierte sobre sus inconvenientes como la formación de depósitos de carbón, la acumulación de laca en los inyectores, la combustión incompleta, y problemas de viscosidad que no cumplen con los estándares establecidos. Por lo tanto, aunque se explora la posibilidad de las microemulsiones, las ventajas principales del biodiesel se centran en su compatibilidad, la reducción de emisiones y la mejora en la lubricidad.

Esta parte analiza los factores que influyen en la producción de biodiesel mediante la transesterificación. Se menciona que la relación molar de alcohol (como el metanol) a aceite, la temperatura, la presencia de impurezas y el tipo de catalizador son variables cruciales que impactan la conversión y el rendimiento de la reacción. Se recomienda una relación molar de 6:1 para una óptima conversión, señalando que relaciones menores resultan en bajas conversiones y que el exceso de alcohol dificulta la separación del glicerol y aumenta los costos de producción. Se destaca la sensibilidad del proceso con catalizadores básicos al contenido de agua y ácidos grasos libres, ya que estos pueden provocar saponificación (formación de jabón) que complica la separación del producto final. Para abordar este problema, se sugiere un pre-tratamiento de la materia prima con un catalizador ácido para reducir los ácidos grasos libres a menos del 0.5% en peso. También se describe la posibilidad de utilizar diferentes configuraciones de reactores, como los reactores agitados en serie o los reactores tubulares de flujo pistón, estos últimos con tiempos de residencia cortos (6-10 minutos) para lograr una reacción completa. La sección es clave porque ilustra las variables operativas y de pre-procesamiento cruciales para el éxito de la producción de biodiesel.

Se describen las diferentes materias primas utilizadas para la producción de biodiesel, destacando la variedad geográfica y la dependencia de la disponibilidad regional. Se mencionan fuentes como el sebo animal, aceites de cocina, aceite de soya (Estados Unidos, China, Turquía, Argentina y Brasil), aceite de colza (Europa, Estados Unidos), aceite de coco y palma (Malasia e Indonesia), y aceite de tempate (India y Sudeste Asiático). La sección también destaca los riesgos de explosión e incendio asociados con el uso de metanol, un componente esencial del proceso. Se enfatiza la necesidad de medidas de seguridad contra incendios, una ventilación adecuada, etiquetado correcto, sistemas cerrados de manipulación y equipo de protección personal para evitar el contacto, inhalación o ingestión de metanol. El metanol se describe como el principal insumo (15-20% en volumen) y se compara con otros alcoholes (etanol, propanol, isopropanol, butanol y pentanol), señalando la mayor sensibilidad de estos últimos a la contaminación con agua. Finalmente se detalla la importancia de la razón molar entre el alcohol y los triglicéridos en la reacción de transesterificación, aclarando que se requieren 3 moléculas de alcohol por cada molécula de triglicérido para producir 3 moléculas de biodiesel y una de glicerol.

Esta sección describe los agitadores de paletas, adecuados para aplicaciones sencillas. Se detallan los agitadores con dos o tres paletas que giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente. Se explica que el movimiento vertical es mínimo a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes generadas se dirigen a la pared del tanque y luego hacia arriba o hacia abajo. Se describe el agitador de ancla, que se adapta a la forma del fondo del tanque, raspando o pasando sobre la superficie con poca holgura. La descripción incluye agitadores de turbina, eficientes en un amplio rango de viscosidades. En líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas que se extienden por todo el tanque y eliminan zonas estancadas. Se menciona la existencia de una zona de corrientes rápidas y alta turbulencia cerca del rodete, con componentes radiales y tangenciales. Los vórtices generados por las componentes tangenciales se pueden evitar con placas deflectoras o un anillo difusor para mejorar la eficiencia del rodete. La sección proporciona una descripción detallada de los diferentes tipos de agitadores de paletas y su funcionamiento, destacando sus aplicaciones y limitaciones.

Se analiza el tipo de flujo en tanques agitados, que depende del tipo de rodete, las características del fluido y las dimensiones del tanque, incluyendo las placas deflectoras y el agitador. Se indica que la velocidad del fluido tiene tres componentes: radial (perpendicular al eje del rodete), longitudinal (paralela al eje) y tangencial o rotacional (tangencial a la trayectoria circular del rodete). El tipo de flujo global depende de la variación de estas tres componentes de un punto a otro. Se describe cómo, con un eje vertical en el centro del tanque, la componente tangencial de velocidad es perjudicial para la mezcla, creando un vórtice en la superficie y estratificación laminar, impidiendo la mezcla adecuada de sustancias. En presencia de partículas sólidas, las corrientes circulatorias las lanzan contra la pared del tanque por fuerza centrífuga, acumulándose en el centro del fondo. En tanques sin placas deflectoras, todos los tipos de rodete inducen flujo circulatorio, independientemente del flujo axial o radial. Remolinos intensos pueden causar que el gas de la superficie se introduzca en el líquido, lo cual debe evitarse. La sección es fundamental para comprender la dinámica de fluidos dentro del reactor y la importancia del diseño para una mezcla eficiente.

Esta sección continúa el análisis del flujo en tanques agitados, describiendo el flujo generado por agitadores de hélice, los cuales impulsan el líquido al fondo del tanque, subiendo luego por las paredes y retornando a la hélice. Se utilizan para corrientes verticales intensas, como para mantener partículas sólidas en suspensión, pero no son adecuados para líquidos con viscosidad superior a 5000 centipoises. Se introduce el uso de placas deflectoras para evitar remolinos y la formación de vórtices. Se indica que en tanques pequeños, 4 placas son suficientes, con un ancho no mayor a un doceavo del diámetro del tanque (o un octavo en caso de agitadores de hélice). Se señala que si el eje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placas deflectoras. La sección complementa la anterior, enfocándose en la solución práctica de las corrientes de flujo no deseadas mediante el diseño y la disposición de las placas deflectoras dentro del tanque.

Se describe el proceso de soldadura de arco eléctrico, destacando que la temperatura alcanzada es de aproximadamente 3500°C. La intensidad de corriente en el circuito eléctrico formado por los electrodos y el arco depende de la tensión y resistencia del circuito; variaciones en la distancia entre los electrodos afectan la intensidad y la uniformidad de la soldadura. El electrodo ideal presenta buena estabilidad del arco, cordón de soldadura liso, buena velocidad de depósito, poca proyección, resistencia máxima y fácil eliminación de escoria. Se comparan las soldaduras de filete y ranura, indicando que las de filete son más débiles pero más comunes en conexiones estructurales debido a su mayor tolerancia, mientras que las de ranura requieren mayor precisión y se utilizan cuando los miembros a conectar están alineados. Se presenta un esquema de soldadura de ranura (Figura 17). Esta parte del capítulo hace la conexión entre el diseño del reactor y el proceso de fabricación por soldadura, incluyendo la elección del electrodo correcto para lograr una unión sólida y eficiente.

Se introduce el control de motores eléctricos, abarcando métodos para controlar el funcionamiento del sistema eléctrico de una máquina. Se menciona tradicionalmente el estudio de los dispositivos electrotécnicos para el arranque, cambio de giro, aceleración, desaceleración y frenado del motor. Se describe el relé térmico como elemento de protección del motor, desconectando el circuito si la intensidad de corriente supera la permitida, evitando así que se queme el bobinado. Utiliza tres láminas bimetálicas con bobinas calefactoras que, al calentarse por una intensidad determinada, abren el relé. Se hace mención del uso de termopares en la industria por su precisión y bajo costo comparado con las termoresistencias. También se describe el controlador de temperatura, que compara la señal del sensor (termocupla tipo J) con el setpoint, ajustando la salida del dispositivo calefactor para mantener el equilibrio entre la temperatura medida y la deseada. Se menciona brevemente el control on-off o si-no como un método de control simple. Esta sección describe los sistemas de control y protección eléctrica necesarios para el funcionamiento seguro y eficiente del reactor.

Este capítulo inicia presentando los criterios de diseño necesarios para calcular el espesor de la lámina de acero inoxidable 304 que se requiere para la construcción de la planta piloto de producción de biodiesel. Se considera la presión de diseño en función de la presión de operación, tomando en cuenta las propiedades físicas, químicas y mecánicas del acero inoxidable 304. La selección del agitador adecuado es otro aspecto crucial, así como la determinación de la potencia del motor eléctrico requerido para su funcionamiento. Además, se consideran otros elementos de diseño como el diámetro de la flecha, la selección de la chaveta y del pasador, todos ellos elementos clave para la funcionalidad y resistencia del reactor. El objetivo principal de esta sección es establecer los parámetros de diseño y realizar los cálculos necesarios para garantizar la integridad estructural y el correcto funcionamiento del reactor en el proceso de producción de biodiesel. La utilización de acero inoxidable 304 indica una búsqueda de resistencia a la corrosión y compatibilidad con los componentes químicos del proceso.

En esta sección se detalla la selección del agitador para el reactor de biodiesel. Se optó por un agitador de turbina con palas planas inclinadas, perteneciente a los agitadores de flujo axial. Este tipo de agitador permite un flujo desprendido del rodete de aproximadamente 45°, generando una recirculación del fluido que retorna a la zona central de las palas, creando un campo de flujo de ida y vuelta paralelo al eje de giro. Esta configuración promueve una mejora en el proceso de mezcla. Se menciona que generalmente cuatro deflectores son suficientes para optimizar la mezcla. Para determinar el espesor del agitador, se comparan las dimensiones (ancho de 25 mm y diámetro exterior de 137 mm) según la norma DIN 28131 con un catálogo (Rühren und Mischen). Se concluye que un espesor de 4 mm es adecuado para un eje de 449 mm de longitud, basado en la similitud de los datos obtenidos de la norma y el catálogo. La selección del agitador es fundamental para la eficiencia del proceso de transesterificación, y la referencia a la norma DIN 28131 indica el cumplimiento de estándares industriales.

Este capítulo se centra en los cálculos para el diseño del reactor de metoxido, donde se prepara el catalizador para la reacción de transesterificación en la producción de biodiesel. Se presentan los datos principales de diseño necesarios para realizar los cálculos de la presión de diseño y la presión de operación. Se incluyen los cálculos del espesor de la placa, considerando la presión interna y externa del cuerpo del reactor, así como la tapa inferior y superior. El material utilizado es acero inoxidable 304. La selección del agitador, la potencia del motor eléctrico, el diámetro de la flecha, y la selección de la chaveta y el pasador son otros aspectos cruciales que se consideran en este capítulo. El objetivo es proporcionar los cálculos detallados para asegurar la construcción robusta y segura del reactor de metoxido, considerando las presiones y fuerzas involucradas durante la operación. La utilización de acero inoxidable 304, al igual que en el reactor de biodiesel, sugiere la necesidad de resistencia a la corrosión y compatibilidad química con los materiales procesados.

Esta sección detalla la selección del agitador para el reactor de metoxido y la justificación del uso de placas deflectoras. Se utiliza un agitador con el objetivo de lograr una mezcla eficiente entre el metanol y el óxido de sodio. Se decide incorporar cuatro placas deflectoras para optimizar esta mezcla. Similar al capítulo anterior, se determina el espesor del agitador comparando las dimensiones (ancho de 16 mm y diámetro exterior de 86 mm) según la norma DIN 28131 con datos del catálogo Rühren und Mischen. La comparación de datos indica que un espesor de 4 mm es adecuado para un eje de 216 mm de longitud. La selección del agitador y el número de placas deflectoras son críticos para asegurar la homogeneidad de la mezcla en el reactor de metoxido y por ende, la eficacia del proceso de preparación del catalizador. La referencia a la norma DIN 28131 vuelve a indicar el apego a los estándares de ingeniería.

El capítulo inicia definiendo la soldadura como un proceso metalúrgico que permite la unión de metales. Se establece que la fuente de calor principal será la soldadura de arco eléctrico. La selección del electrodo dependerá de diversos factores, incluyendo el tipo de soldadura. Posteriormente, se realizarán cálculos del volumen de soldadura para cada parte y elemento de la planta piloto de producción de biodiesel, con el objetivo de determinar la cantidad de electrodo necesario. Se describe la soldadura como un proceso clave en la construcción de la planta, requiriendo una cuidadosa selección de materiales y métodos para garantizar la resistencia y durabilidad de las estructuras. La mención de los cálculos del volumen de soldadura implica un enfoque preciso y cuantitativo en el proceso de fabricación.

Se menciona que los recipientes a presión se construirán con acero inoxidable 304, cuyo composición química se asume como conocida. Dada la composición del acero inoxidable 304 (un acero al cromo), se justifica el uso de electrodos de acero al cromo-níquel por la ductilidad del metal depositado. Se selecciona el electrodo E308L-16, un electrodo de núcleo sólido tipo austenítico, recomendado para la soldadura de aceros inoxidables de los tipos 302, 308, 308L y 304. Este electrodo es ideal para recubrimientos y proporciona protección contra la corrosión en aceros dulces. Se indica una corriente recomendada de 50-75A, aunque se omite el diámetro del electrodo. La selección del electrodo E308L-16 es crucial para la calidad y durabilidad de las soldaduras en acero inoxidable 304, asegurando la resistencia a la corrosión en los componentes del reactor.

Esta sección presenta el cálculo del volumen de soldadura para el agitador con palas planas inclinadas del reactor de biodiesel. Se detalla que la construcción del agitador requiere cuatro láminas inclinadas a 45°, soldadas mediante soldadura de filete en ambos lados de cada lámina. Esto implica un total de dieciséis pasadas (dos pasadas por lado), abarcando una longitud soldada de 25 mm por cada pasada. Se indica que se presentarán los cálculos detallados para determinar el volumen total de soldadura. Esta sección proporciona una aplicación práctica del proceso de soldadura, mostrando cómo se calculan las necesidades específicas de material para un componente clave del reactor. El detalle de las pasadas y la longitud soldada indica un enfoque meticuloso en la estimación de materiales necesarios para la construcción.

Esta sección describe la selección del conductor eléctrico que alimentará el centro de carga de la planta. Se considera el voltaje de trabajo (220V) y los aparatos a alimentar. Se selecciona un cable calibre 12 AWG, dado que la corriente mayor es la de la resistencia (6.82 amperios). Se elige el cable PRYSMIAN H05VV-F, que soporta 300/500 V y es adecuado para esfuerzos mecánicos medios (lavadoras, motores, refrigeradores, etc.). La justificación de la selección del calibre 12 AWG se basa en el análisis de la corriente máxima demandada por los equipos en el sistema, garantizando un suministro eléctrico seguro y eficiente. La especificación del cable PRYSMIAN H05VV-F proporciona información concreta sobre la elección del material, considerando tanto la tensión como la resistencia mecánica necesaria.

Esta parte define la caída de voltaje como la diferencia entre el voltaje aplicado al extremo alimentador de una instalación y el obtenido en cualquier otro punto, mientras circula la corriente nominal. Se establece que la caída de voltaje máxima permitida por el Código de Instalaciones Eléctricas Nicaragüense (CIEN) es de 3% para el circuito alimentador principal y 3% para el circuito derivado, con un máximo total de 5%. Esta especificación es fundamental para el diseño de la instalación eléctrica, garantizando un suministro de energía estable y dentro de los parámetros de seguridad establecidos por la normativa nacional. La referencia al CIEN indica el cumplimiento con las regulaciones eléctricas de Nicaragua.

Se describe la selección de la resistencia eléctrica para el sistema. Se utiliza un calefactor con tapón de acoplamiento en latón, modelo DP001, de 180 mm de longitud y 1500 vatios. Este tipo de resistencia está diseñado para calentar líquidos, incluyendo aceites. Se advierte que cargas excesivas o aceites con baja resistencia térmica pueden deteriorar el aceite, creando una capa de carbón que aísla la resistencia y causa su fusión. La descripción del calefactor proporciona información específica sobre el modelo y las características técnicas de la resistencia eléctrica seleccionada. La advertencia sobre posibles problemas de funcionamiento resalta la importancia de considerar las limitaciones del equipo y las condiciones operativas para evitar fallos en el sistema.

Este capítulo trata sobre los costos de construcción de la planta piloto para la producción de biodiesel. Se menciona que el sistema consta de dos módulos: un tanque de producción de metoxido (donde se prepara el catalizador) y el reactor donde ocurre la transesterificación. El sistema incluye un panel eléctrico que controla los motores de agitación y la resistencia del reactor. Se indica que se presentarán los materiales necesarios para la construcción de los reactores, pero los detalles específicos de los costos y la lista completa de materiales se omiten en este resumen. La descripción del sistema como compuesto por dos módulos principales y un panel de control eléctrico da una idea general de la complejidad de la planta piloto.

El capítulo 10 se enfoca en la construcción de los componentes principales de la planta. Se describe el proceso para formar el cono del reactor de metoxido a partir de una pieza circular (Figura 36), indicando que se calculará la sección del círculo a eliminar. Se menciona la necesidad de una termocupla tipo J con certificación ATEX para la seguridad de los empleados, lo que implica un requisito de seguridad contra explosiones. Se recomienda construir la planta con materiales compatibles con el proceso de producción de biodiesel, dejando abierta la posibilidad de sustituir materiales por otros de menor costo si fuera necesario. La mención de la certificación ATEX y la compatibilidad de materiales con el proceso de biodiesel enfatizan la importancia de la seguridad y la eficiencia en la construcción de la planta. El ejemplo del cono del reactor muestra un detalle del proceso de fabricación de uno de los componentes.