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TAREA 3. ANÁLISIS OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS Y SÓLIDOS PROCESOS INDUSTRIALES

PRESENTADO POR: JOSE RICARDO FERNANDEZ CODIGO: 4083874 OSCAR JAVIER BONILLA JIMENEZ CODIGO: 74184985 JERSON DANIEL CORREA LEAL CODIGO: 1052409456

TUTORA: DIVA AURORA RUBIANO

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA OCTUBRE 2019

OBJETIVOS •

Conocer el proceso de elaboración de biodiesel.

•

Definir las materias primas y secundarias del proceso de elaboración de biodiesel.

•

Identificar las operaciones unitarias del proceso de elaboración de biodiesel.

•

Describir las transformaciones físicas y químicas que sufre la materia prima en cada operación unitaria.

•

Realizar un diagrama de bloque indicando las sustancias y cantidades a la entrada y salida de cada operación unitaria.

•

Realizar el balance de masa del proceso industrial.

DESARROLLO Proceso de elaboración de biodiesel. El biodiesel se genera a partir de una reacción de transesterificación, la cual ocurre entre un triglicérido y un alcohol para generar éster y glicerol. Esta reacción requiere de calor y de un catalizador para aumentar su velocidad. Los catalizadores pueden ser ácidos o álcalis. Se requiere que tanto el alcohol como el aceite vegetal sean anhídridos para evitar reacciones como la saponificación. De igual manera el aceite vegetal debe tener bajo contenido de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador. El proceso de elaboración del biodiesel requiere el control de diferentes variables para evitar la formación de subproductos, como lo es la temperatura, la concentración de agua en la materia prima, cantidad de ácidos grasos libres, entre otros 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 del proceso de elaboración de biodiesel

Aceite Vegetal

Metanol 200 mL/L Aceite Vegetal

B

10.000 L

Catalizador

A NaOH 3,4 g por 1 L de aceite vegetal

Mezclado C

D Reacción Conversión 98% Del aceite vegetal

𝐺𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 10% 𝑑𝑒 𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎 ൜ 𝐵𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 90% 𝑑𝑒 𝑙𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎 Impurezas Glicerina Decantación F

E

G

Biodiesel Impurezas

I Biodiesel

Evaporador

H

Impurezas

•

DIAGRAMA DE FLUJO

•

CARACTERIZACION DEL PROCESO

Para obtener las cantidades másicas de la materia prima, se procedió a buscar la densidad del metanol y la densidad del aceite de palma que es uno de los más utilizados. Densidad metanol: 792 kg/m³ Densidad aceite de palma: 898,1 kg/m³ Corrientes: D: Kg de aceite vegetal: 10.000 𝐿 ∗

1 𝑚3 𝐾𝑔 ∗ 898,1 3 = 8.981 𝐾𝑔 1000 𝐿 𝑚

B: Kg de metanol: 200 𝑚𝐿 ∗

1𝐿 1 𝑚3 𝐾𝑔 ∗ 10.000 𝐿 ∗ ∗ 792 3 = 1584 𝐾𝑔 1000𝑚𝐿 1000 𝐿 𝑚

A: Kg de NaOH: 3,4 𝑔 ∗

1 𝐾𝑔 ∗ 10.000 𝐿 = 34 𝐾𝑔 1000 𝑔

Balance de materia: Mezclador: 𝐴+ 𝐵 =𝐶 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝑀𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑀𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 34 𝐾𝑔 + 1.584 𝐾𝑔 = 1.618 𝐾𝑔 Reactor: 𝐶+𝐷 =𝐸 𝑀𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 + 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 = 𝑀𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 + 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 1.618 𝐾𝑔 + 8.981 𝐾𝑔 = 𝑀𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 + 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 Considerando que la conversión del aceite vegetal es igual a el 98 % Aceite vegetal que reacciona: 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎 = 0,98 ∗ 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 = 0,98 ∗ 8.981 𝐾𝑔 = 8.801,38 𝐾𝑔 Del aceite que reacciona se tiene que el 10% es glicerina y el 90% biodiesel Glicerina formada: 𝐺𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎 = 0,10 ∗ 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎 = 0,1 ∗ 8.801,38 𝐾𝑔 = 8.981 𝐾𝑔 Biodiesel formado:

𝐵𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 = 0,10 ∗ 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎 = 0,9 ∗ 8.801,38 𝐾𝑔 = 7921,24 𝐾𝑔 Cantidad de impurezas: 𝑀𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 + 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 = 𝑀𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 + 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 𝑀𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 + 𝑀𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑉𝑒𝑔𝑒𝑡𝑎𝑙 − 𝑀𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 − 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 1.618 𝐾𝑔 + 8.981 𝐾𝑔 − 8.981 𝐾𝑔 − 7921,24 𝐾𝑔 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 1.797,622 𝑘𝑔 Decantador: 𝐸 =𝐹+𝐺 𝑀𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 + 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 𝐺 + 𝐹 𝐹 = 𝑀𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 = 8.981 𝐾𝑔 𝐷 = 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 7.921,24 𝐾𝑔 + 1.797,622 𝑘𝑔 = 9.718,862 𝐾𝑔 Evaporador: 𝐺 =𝐻+𝐼 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 𝐻 + 𝐼 𝐼 = 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 7.921,24 𝐾𝑔 𝐻 = 𝑀𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑠 = 1.797,622 𝑘𝑔

¿Qué tipo de proceso debe manejar este tipo de planta (continuo, discontinuo o intermitente)? A nivel mundial 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. ¿Qué tipo de materia prima (principal y secundaria) es necesaria como insumo para este proceso? Materia Prima Principal

Secundaria

Aceite vegetal

La soja, palma y algodón

Metanol

Agua, alcoholes y esteres

NaOH

Cloruro de sodio, salmueras

¿Qué operaciones unitarias se deben manejar en este tipo de planta? Mezclado: Combinación de metanol con hidróxido de sodio para generar metóxido de sodio.

Agitación: En el reactor para favorecer una reacción homogénea y uniforme. Decantación: Para separar la glicerina y del biodiesel deseado. Evaporación: Para remover impurezas. ¿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. Diagrama de bloque en donde se indiquen las sustancias y cantidades a la entrada y salida de cada operación unitaria.

Metanol 1.584 Kg B

Aceite Vegetal 8.981 Kg Metóxido de sodio 1618 Kg

A NaOH 34 Kg

Mezclado C

D Reacción Conversión 98% Del aceite vegetal

Biodiesel 7921,24 Kg Glicerina 880,14 Kg Impurezas 179,62 Kg

Glicerina 880,14 Kg

Decantación E

G

Biodiesel 7921,24 Kg Impurezas 179,62 Kg

I Biodiesel 7921,24 Kg

F

Evaporador

H

Impurezas 179,62 Kg

CONCLUSIONES

En este trabajo se busco analizar los procesos de transformación de materiales que rigen las transformaciones físicas, químicas o fisicoquímicas, identificando los fenómenos de transferencia, entradas, salidas y variables de control de la producción del Biodiesel. Si bien es cierto que el estudio sistemático de las operaciones y procesos unitarios partió de la Ingeniería Química, donde se desarrollaron las herramientas de cálculo, los conocimientos adquiridos se han aplicado a otras ingenierías involucradas en la transformación de la materia y de la energía como la Ingeniería industrial, Ingeniería alimentaria, la ingeniería ambiental, ingeniería mecánica, entre otras.

BIBLIOGRAFÍA Lenoir, C. (s.f.). ANÁLISIS DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL. Recuperado 28 octubre, 2019, de http://www.ingenieroambiental.com/biodiesel/biodiesel.htm