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Unidad 2: Tarea 3. Análisis operaciones unitarias con fluidos y sólidos

Anexo 1- Caso Tarea 3

Presentado a: Diva Aurora Rubiano Tutor

Entregado por:

Wilson Gonzalo Florez Código: 9431549

Grupo: 212022_73

Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería Universidad Nacional Abierta y A Distancia – Unad

OBJETIVOS

GENERAL Análisis operaciones unitarias con fluidos y sólidos

ESPECIFICOS

 Realizar un cuadro en donde se relacione la materia prima (principal y secundaria) necesaria para el proceso.  Definir la relación de cada una de las operaciones unitarias identificadas para el proceso, explicando cada una de ellas.  Construir un Análisis descriptivo de la transformación física o química que sufre la materia prima en cada operación unitaria que se lleva a cabo en la planta.  Diseñar un diagrama de bloque en donde se indiquen las sustancias y cantidades a la entrada y salida de cada operación unitaria.  Realizar un balance de masa del proceso industrial, indicando las cantidades necesarias de cada materia prima para la producción determinada y las respectivas entradas, transformaciones y salidas.

El Biodiesel es un biocombustible sintético líquido que se utiliza como reemplazo del Diésel, el cual se destina a la combustión en motores de ciclo diésel convencionales o adaptados, según el fabricante. Una ventaja de este producto radica en que evita las emisiones de óxido de azufre (causante de la lluvia ácida), sulfatos y micro partículas, al tiempo que resulta menos tóxico para el ser humano (ausencia del cancerígeno benceno) y el entorno (en caso de derrame, se biodegrada en 120 días). Además, es más seguro de almacenar, ya que su punto de inflamación es de 120º centígrados.

Un grupo de inversionistas tiene pensado montar una planta productora de Biodiesel en Colombia y recurre a un grupo de expertos para que los asesoren y les den respuesta a los siguientes interrogantes: Explicación del proceso: El metanol es mezclado con el hidróxido de sodio sólido para generar metóxido de sodio que es el catalizador del proceso. La reacción entre metanol y NaOH es altamente exotérmica, por lo que se debe retirar calor del mezclador. Luego, el metóxido de sodio se combina en un reactor por lotes con el aceite vegetal, el reactor requiere de agitación por una hora, luego se deja reposar por tres horas para permitir que la reacción se dé. También requiere suministro de calor para mantener una temperatura alrededor de 50ºC. Posteriormente se tiene como productos principales en el reactor glicerina y biodiesel. Luego el producto final se lleva a un decantador donde es separado la glicerina del biodiesel que contiene impurezas. El biodiesel junto con las impurezas se lleva a un evaporador donde se separan estas últimas. Con respecto a la conversión del aceite vegetal para dar glicerina y biodiesel según algunas fuentes se encuentra alrededor del 98% en peso, que es el valor considerado en este proceso. La materia prima del proceso debe ser anhídrida, por lo que se considera el metanol y aceite vegetal libre de agua. En cuanto a la proporción de las materias primas (según varias fuentes) para 1 L de aceite vegetal se requieren 200 ml de metanol y 3,4 g de NaOH.

Para realizar el balance de materia se propone tomar una base de cálculo de 10.000 L de aceite de palma. Diagrama de flujo elaboración de biodiesel.

¿Qué tipo de proceso debe manejar (continuo, discontinuo o intermitente)?

este

tipo

de

planta

RTA/ La mayoría de los procesos para la elaboración de biodiesel son por lotes o semicontinuos debido a la reacción de transesterificación llevada a cabo en el reactor. En este caso, propongo un proceso discontinuo.

Proceso intermitente La alimentación se carga al comienzo del proceso en un recipiente, y transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido de dicho recipiente. No hay transferencia de masa más allá de los límites del sistema desde el momento en que se carga la alimentación hasta que se retira el producto El proceso intermitente se usa cuando se producen cantidades pequeñas de producto en una única ocasión, la alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después

¿Qué tipo de materia prima (principal y secundaria) es necesaria como insumo para este proceso? RTA/ Dentro de las materias primas que se emplean como insumo para la obtención del biocombustible se requieren de aceites o grasas, un alcohol y un catalizador para poder convertir los triglicéridos del aceite en esteres alquílicos (Aceite o grasas, alcoholes y catalizadores), que se requieren para la producción del biodiesel teniendo en cuentas sus características de importancia para el proceso; además se menciona algunas de las tecnologías que se emplean en la fabricación. Los principales componentes de los aceites y las grasas son los triglicéridos o también conocidos como esteres de ácidos grasos unidos a un glicerol. Generalmente los triglicéridos costan de una mol de glicerol y tres mol de ácidos grasos (AG) que por lo general son diferentes. La glicerina tiene tres grupos OH razón por el cual puede estar de forma mono, di o triesterificada por los ácidos grasos.

Materia Prima Principal Aceite Vegetal Metanol NaOH

Secundaria La soja, Palma y algodón Agua, alcoholes y esteres. Cloruro de sodio, salmuera

¿Qué operaciones unitarias se deben manejar en este tipo de planta? Refinación del aceite  Depurar  El aceite vegetal crudo se debe refinar para eliminar los fosfatidos y ácidos grasos libres, porque estos compuestos interfieren en la reacción de transesterificación, bajando el rendimiento de conversión a metil ésteres.  Mezclar  Primero se mezcla el aceite con ácido fosfórico para remover los fosfatidos hidratables y no hidratables.  Calentador  El aceite se caliente a 70°C en un calentador  Reactor  Entra en un reactor donde se echa el ácido, lo que permite convertir los fosfatidos no hidratables a ácido fosfatídico. Se agrega agua al reactor para transformar los fosfatidos hidratables en gomas, que se sacan mediante el uso de un centrifugador.  Separación  La separación de fases por centrifugación también permite remover el agua. Como el agua participa altamente en la formación de jabones durante la reacción de transesterificación, es necesario secar la humedad restante en el aceite en una torre por vació.  Secado  El aceite entra a 95°C en el secador con presión absoluta de 35 mm Hg. Se obtiene un aceite con calidad suficiente para ser utilizado en la fabricación de ésteres. Segundo, se manda el aceite a un reactor mantenido a 70°C para neutralizar los AGL. Una solución de hidróxido de sodio está agregada para convertirlos en jabones no solubles en aceite. Es necesario mantener mezcla durante esta etapa. Después de echar agua de lavado, se centrifuga de nuevo la mezcla para remover los jabones y agua.

Transesterificación y tratamiento del biodiesel  Reacción de Transesterificación Mezcla  La mezcla de metanol y catalizador es cargada en un reactor, ya sea en forma continua o por lotes, y se adiciona el aceite. La mezcla se mantiene aproximadamente una hora a 65 °C. El exceso de metanol es usado normalmente para asegurar la conversión total del aceite o la grasa en metil éster. El catalizador reaccionará primero con cualquier ácido graso libre en el aceite para formar jabón. Debe haber suficiente catalizador adicional, para catalizar la reacción tanto como para reaccionar con los ácidos grasos libres.  Separación.  Una vez que la reacción se ha completado y el metanol ha sido removido, existen dos productos principales: el metil éster y el glicerol. Debido a la diferencia de densidades entre la glicerina y el metil éster, los dos pueden ser separados por gravedad o centrifugación. Cualquier capa difusa puede ser reciclada o enviada a un tratamiento de efluentes.  Destilación  Remoción del metanol en algunos sistemas el exceso de metanol se remueve por un simple proceso de destilación. En otros sistemas el metanol se remueve después de que la glicerina y los reactantes hayan sido separados.  Lavado  Lavado del metil éster. Los jabones serán removidos durante el lavado por agua y los ácidos grasos quedarán en el biodiesel. El

lavado por agua sirve para remover todo catalizador, jabón, sale, metanol o glicerol libre quedando en el biodiesel. Neutralizar antes de lavar reduce el agua necesaria y minimiza la potencialidad de emulsiones durante el lavado.  Neutralización  La glicerina resultante contiene catalizador que no ha sido utilizado y jabón, el cual se neutraliza con un ácido formando sales, y se envía a almacenamiento como glicerina cruda. En algunos casos (catalizador: K-OH, ácido: PO4H3) la sal se recupera y se utiliza como fertilizante. La mayoría de las veces, sin embargo, se usa ácido clorhídrico y soda cáustica, que forman cloruro de sodio el cual es dejado simplemente en la glicerina. La glicerina resultante es separada del metanol que contenga por medio de arrastre por vapor y la glicerina final tiene generalmente una pureza de entre 80% y 88% y puede ser vendida como glicerina cruda.

¿Qué transformación física o química sufre la materia prima en cada operación unitaria llevada a cabo en la planta? El metanol es mezclado con el hidróxido de sodio para generar metóxido de sodio que es el catalizador de la reacción. En este caso ocurre una reacción, el hidróxido de sodio que se encuentra solido cambia de fase y se encuentra disuelto en la solución. El metóxido de sodio generado se combina en un reactor con el aceite vegetal, el reactor requiere de agitación por una hora, luego se deja reposar por tres horas para permitir que la reacción se dé. Posteriormente se tiene como productos principales en el reactor glicerina y biodiesel en este caso se tienen dos sustancias que forman fases diferentes, ambas liquidas y con diferentes densidades siendo el biodiesel menos denso. Luego el producto de la reacción se lleva a un decantador donde es separado la glicerina del biodiesel que contiene impurezas en esta operación no hay cambios físicos y químicos.

El biodiesel se lleva a un evaporador donde se eliminan las impurezas. Aquí ocurre un cambio de fase de estado líquido a gaseoso debido al suministro de energía calórica. Balance de masa del proceso industrial, indicando las cantidades necesarias de cada materia prima para la producción determinada y las respectivas entradas, transformaciones y salidas.

CONCLUSIONES

El biodiesel es una buena alternativa ante los últimos aumentos que ha experimentado el precio del diesel. Además, tiene la ventaja de ser un combustible más limpio y renovable. Sin embargo, no se puede pensar que a futuro se logre reemplazar todo el diesel necesario en la industria debido a que la superficie cultivable es limitada en comparación a la alta demanda que presenta este combustible. Con el desarrollo de este trabajo podemos concluir que el biodiesel puede dar muchos estímulos para que pequeñas industrias adopten este combustible como alternativa y para que otras que utilizan aceites vegetales reciclen sus desechos produciendo biodiesel para vender o utilizar en sus procesos. Además, es importante que este combustible renovable no sea gravado de la misma forma que los combustibles fósiles, ya que de esta manera no sería competitivo.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Aguilar, R. E. (2010). Diseño de procesos en ingeniería química. México. Instituto Politécnico Nacional. Recuperado de: http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/detail.action? docID=10371236