Diseño Conceptual Y Básico Computacional De Una Planta Piloto

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Diseño Conceptual y Básico Computacional de una Planta Piloto para la Producción de Biodiesel a partir de Palma Africana Jorge E López GRUBIOC. Escuela de Ingeniería Química. Universidad del Valle Cali, Valle, Código Postal 760032, Colombia y Jonathan ARBOLEDA GRUBIOC. Escuela de Ingeniería Química. Universidad del Valle Cali, Valle, Código Postal 760032 Colombia RESUMEN Utilizando herramientas computacionales, en este trabajo se realizó el diseño conceptual y básico de una planta piloto a nivel semi- comercial, para la producción de biodiesel a partir de aceite de palma con un contenido menor al 2% p/p de ácidos grasos libres. El proceso escogido se basó en la adecuación de materias primas para la reacción de transesterificación mediante catálisis homogénea básica, teniendo en cuenta la purificación del biodiesel y los productos obtenidos, además de aspectos energéticos, económicos y ambientales. El diseño del proceso, los equipos las condiciones de operación y los cálculos técnicoeconómicos, se determinaron mediante diferentes simulaciones a varias escalas, haciendo uso del paquete computacional Aspen Plus TM. Con la información resultante de la simulación se elaboró un P&ID usando AutoCAD Plant 3D, para el diseño de los equipos y los diagramas de control. Posteriormente con las mismas facilidades computacionales se hizo la diagramación y distribución de la planta, para finalmente realizar la construcción de una maqueta virtual usando herramientas CAD. Palabras claves: palma africana, biodiesel, procesos, diseño, planta piloto. 1. INTRODUCCION Dado la problemática que ha generado el uso de combustibles fósiles y particularmente el agotamiento de las fuentes de petróleo, desde el año 2010 se implemento con más vigor en Colombia el uso del biodiesel B5 (95% diesel y 5% biodiesel), implementado por la ley 939 del 2004 del congreso. Por estas razones el grupo inter-institucional de Investigaciones en Biocombustibles GRUBIOC (Universidad del Valle- Universidad Autónoma de Occidente), dentro de diferentes investigaciones de biocombustibles, ha empezado a realizar varios proyectos relacionados con la producción de biodiesel a partir de diferentes fuentes (microalgas, palma africana, aceite de cocina usado e higuerilla, principalmente). El biodiesel comercial producido en Colombia, se genera inicialmente con procesos convencionales a partir del aceite de palma africana, dado que Colombia es uno de los mayores productores del mundo de éste aceite. Aunque GRUBIOC se interesa particularmente en los biocombustibles de segunda generación, el actual trabajo se centra en una planta de producción de biodiesel a partir de palma africana, debido a que estas plantas no han sido optimizadas técnicamente (equipos, controles, seguridad, etc.), ni económicamente. Por lo tanto, uno de los propósitos buscados con el presente trabajo, es suministrar suficiente información, no solo desde el punto técnico y económico, sino académico, para evaluar con mejores herramientas, como las computacionales, todo el proceso correspondiente, basados en datos reales encontrados con trabajos relacionados a nivel colombiano. El proceso de obtención de biodiesel a partir del aceite de palma, generalmente pasa primero por un proceso de limpieza y adaptación del aceite, paralelamente se prepara una solución del catalizador con alcohol que luego se hace reaccionar con el aceite para generar la reacción de transesterificación, produciéndose una fase mayoritaria de biodiesel y otra de glicerina, las cuales tienden hacer insolubles entre ellas. La glicerina tiene también usos y por eso también se comercializa. 2. METODOLOGIA La mayor parte de la información obtenida para realizar los diferentes cálculos y simulaciones, se basó principalmente en los resultados obtenidos por el grupo GRUBIOC, de donde se definieron particularmente las condiciones de operación y los criterios de diseño del proceso. aceite por día, con lo cual se pudo establecer criterios de equilibrio económico. Productos de la reaccion Otro aporte de transferencia de tecnología se dio indirectamente gracias a la firma Marc-IV consulting company, a través de la escuela de ingeniería química de la universidad de Ottawa en Canadá, quien suministro información de varios procesos continuos para la producción de biodiesel por transesterificación básica (1). Diseño conceptual Para realizar el diseño conceptual, se tuvo en cuenta el contexto nacional colombiano, las características del aceite de palma, la revisión bibliográfica de los diferentes procesos (1,2) y los resultados obtenidos por el grupo GRUBIOC para la obtención de biodiesel, teniendo como operación central la reacción industrial convencional de transesterificación, mediante catálisis homogénea básica. La selección del proceso y las operaciones correspondientes, se fundamentaron igualmente haciendo consideraciones de factibilidad técnica y económica. Con este fin se organizó un árbol de secuencia para tener una guía de decisión de las posibles rutas de los flujos que ingresaban o salían de las diferentes operaciones (ver figura 1). Por las anteriores razones las condiciones de cada operación, los costos de los equipos, las características de las materias primas y el análisis de sensibilidad para las variables criticas del proceso, fueron fundamentales para el desarrollo del todo el diseño conceptual. En este sentido se examinaron rutas químicas de reacción y separación de fases, utilizando el simulador de procesos Aspen Plus y HYSYS Plant (12). Las condiciones de reacción, presión, relación másica catalizador/aceite y relación molar etanol/aceite se tomaron de la literatura (2) (3). La temperatura de reacción se fijó gracias a los resultados obtenidos en planta piloto por el grupo de investigación en biocombustibles GRUBIOC ajustándola con un análisis de sensibilidad realizado en Aspen Plus, con lo cual se evaluaron los consumos de energía asociados a la purificación del biodiesel en función de la conversión alcanzada en la transesterificación. Teniendo un pre-diseño de ruta de proceso y aplicando heurísticas básicas de procesos de adecuación de materias primas, reacción, criterios de separación, de ahorro de energía, de materias primas y de seguridad; se elaboró un primer diagrama de bloques con las condiciones de operación y conversiones requeridas, para simular el proceso a diferentes escalas, cubriendo capacidades de la planta entre 1000 y 10000 litros de Destilacion NO Recuperación de metanol SI Separación de fases NO Separación de fases Lavado con agua SI SI NO Lavado con agua Decantacion Purificación biodiesel Separación de fases Separacion de fases Lavado con agua Separacion de fases Destilación del metanol Destilación del metanol Lavado con agua Purificacion del glicerol Purificación del biodiesel Purificacion del biodiesel Purificacion de la glicerina Purificación del biodiesel Figura 1: Árbol de decisión para generar alternativas de purificación usando el simulador Aspen Plus TM (adaptado de (11)) Modelo termodinámico El modelo termodinámico utilizado para las simulaciones de transesterificación, se basaron en las características y propiedades polares de algunas de las materias primas, además de los y productos de reacción. Considerando igualmente que la reacción es un sistema de multicomponentes con equilibrio de fases, se aplicó el modelo termodinámico Dortmund-UNIFAC y UNIFAC-LLE acogiendo los estudios realizados por Kuramochi1 y Devender2 (4), quienes analizaron experimentalmente los sistemas en equilibro liquido vapor (VL) y liquido-liquido (LL) de las matrices metanol-aceite-glicerina, oleato de metilo-agua, y oleato de metilo-glicerina- metanol. Estos modelos se encontraban disponibles en el simulador, además de las propiedades en las librerías del mismo paquete computacional. Los parámetros de interacción binaria y propiedades faltantes de las materias primas y productos de reacción, el simulador los descarga de la base de datos NIST (National Institute of Standards and Technology), debido a que el simulador tiene un enlace por internet a dicha base de datos. Cuando las condiciones de temperatura y presión fueron muy altas, se empleó el modelo termodinámico RK-Soave-Aspen Plus TM del simulador basado en el método de Redlich-Kwong-Soave. Para el caso de la neutralización 1 Application of UNIFAC models for prediction of vapor–liquid and liquid– liquid equilibria relevant to separation and purification processes of crude biodiesel fuel [Journal]. - Onogawa: Fuel, 2009. - Vol. 88. - pp. 1472-1477. 2 Liquid-Liquid Phase Equilibrium in Glycerol-Methanol-Methyl Oleate and Glycerol-Monoolein-Methyl Oleate Ternary Systems [Publicación periódica]. - Berlin : Ind. Eng. Chem. Res., 2006. - Vol. 45. - págs. 3693-3696. del catalizador y la separación de las sales después de la reacción, se usó el modelo del simulador Electrolyte NTRL model Aspen Plus TM, basado en el método electrolyte Non-random two liquids (5). Para los casos de las operaciones con vapor de agua, se utilizaron las tablas de vapor que posee la librería del simulador. Simulación reacción de transesterificación Para la reacción de transesterificación, se simuló el proceso de adecuación de las materias primas, de la reacción, de la separación y de la purificación del biodiesel en un régimen continuo. Se usó como molécula representativa del aceite de palma la trioleina, dado que las energías de activación son similares para los demás triglicéridos y ácidos grasos presentes, teniendo como catalizador el NaOH y el metanol para la glicólisis. Para la simulación de la reacción se configuró un sistema de dos reactores CSTR (6) en serie, ingresando al primer reactor el metanol con el catalizador disuelto y el aceite, en una relación molar 6:1. La concentración del hidróxido de sodio que ingresa al primer reactor es de 1% respecto a la cantidad de aceite (7). La temperatura de reacción tenida en cuenta fue de 60°C (7), y la presión de operación se tomó entre 2 y 4 atm (2) La reacción se consideró gobernada por una cinética de segundo orden, basado en una agitación muy eficiente. Para la simulación de dicha reacción se usaron los parámetros tomados en estudios cinéticos de la bibliografía (7), (8), (9). En este caso, se valoraron solo las expresiones cinéticas de las reacciones directas involucradas en el mecanismo de reacción. Dado que se tenían los valores de la constante cinética para cada reacción a una temperatura determinada y los valores de las energías de activación, se pudieron calcular los valores de los factores pre-exponenciales o de frecuencia necesarios para suministrar los datos requeridos por el simulador. Con toda la información de las expresiones cinéticas para cada reacción directa en la simulación, se realizó un análisis de los resultados preliminares, basados en análisis de sensibilidad en los reactores, para lo cual se variaron las condiciones de temperatura y presión, determinando el volumen y el tiempo de residencia óptimos en el proceso para lograr una conversión superior al 98.5%. Estos resultados se compararon con los resultados obtenidos en otras investigaciones (2). En el análisis se consideró las variables que afectan el rendimiento de la reacción de transesterificación (10). Purificación de productos de reacción y recuperación del metanol Para la purificación de los productos obtenidos en la reacción y la posterior recuperación del reactivo en exceso (metanol), se analizó en el simulador ASPEN Plus & Hysys Plant, diferentes alternativas de separación fundamentada en los procesos convencionales que comúnmente se usan. Para esta parte se revisaron los resultados de los análisis de consumo energético y el costo de los equipos hechos por otros autores (1). Para el proceso de purificación limpia de los productos del reactor y la recuperación de las materias primas que no reaccionaron, fue fundamental el árbol de secuencia mostrado en la figura 1, porque sirvió de guía para definir la ruta de separación, que originó el diagrama de bloques y la dirección de los flujo definitivos. La figura 1 muestra particularmente la metodología que se siguió para seleccionar la ruta de recuperación de metanol y purificación del biodiesel. Se simularon los dos caminos de separación mostrados, pero se escogió la ruta de separación de fases después de la reacción, fundamentada por un ahorro relativo3 de energía y costos de capital inicial. Separación de fases De acuerdo con el diseño del proceso seleccionado, los productos de reacción son enviados a un separador bifásico en donde se separa la fase metanol glicerina y el catalizador disuelto en la fase aceitosa que no reaccionó de la fase propia del biodiesel. Para la simulación de esta operación se consideró el modelo “Decanter” en el simulador (12). El modelo simula decantadores y varios tipos de separadores en una sola etapa. En él se calculó el equilibrio líquido-líquido (LL) libre de agua. Los coeficientes de distribución liquidoliquido están implícitos en los algoritmos del paquete computacional, pero se aplicaron modelos de coeficientes de actividad en los cálculos. Como segunda opción se consideró el uso de las relaciones para el cálculo de los coeficientes de distribución liquidoliquido (KLL), tomado de la literatura. La fase pesada correspondiente con el metanol, la glicerina y el hidróxido de sodio, se envían a un separador flash, que funcionaría como un intercambiador y un separador al mismo tiempo. Para cumplir con las especificaciones de pureza dadas por la norma ASTM (alrededor del 99%), en las operaciones de purificación del biodiesel se incluyó una columna de destilación, para lo cual se hizo la respectiva simulación usando el modelo RadFrad en Aspen Plus, donde el agua y el metanol son removidos como vapor en un condensador parcial. La columna de destilación resultante, dio seis etapas teóricas con una relación de reflujo de 6. Para lograr que la temperatura 3 Se requiere de un análisis económico más elaborado para llegar a esta conclusión, el cual está fuera del alcance de este trabajo . no superara los 260 °C y evitar la degradación del biodiesel, se consideró condiciones de vacío de 40 kPa en la cima y 50 kPa en el rehervidor. El mismo modelo de simulación de la columna de purificación del biodiesel se tomó para el tratamiento de la glicerina. En este caso las condiciones suministradas al simulador para mantener bajas presiones, fueron 40 kPa en la cima y 50 kPa en el rehervidor. La columna tendría cinco platos teóricos, para lo cual se obtendría una glicerina del 98% de pureza. 3. El aceite ingresa al reactor R-101, a la tubería y al reactor se les colocó aislante térmico. El metanol es almacenado en un tanque vertical cerrado V-101 bajo condiciones de seguridad a 25 °C y 1 atm. El metanol pasa por la corriente ME105 al tanque V-102 en donde se mezcla con el NaOH para formar la solución de metóxido de sodio. Se requirió incluir un agitador que giraría a 100 rpm y un filtro en el intermedio del tanque para prevenir que los sólidos disueltos pasen. La solución de metanol e hidróxido de sodio se deben precalentar con vapor de baja y así adicionarlo al reactor R-101. RESULTADOS Y ANALISIS Descripción del proceso y condiciones de operación Para la descripción del proceso se presenta los anexos 1 y 2, con lo cual se hizo el montaje virtual de toda la planta con los detalles correspondientes de dimensiones, distribución y accesorios, encontrado con los diseños de los equipos realizados con Aspen Plus. Como ejemplo de ese trabajo hecho con herramientas de Autocad, se presenta en la figura 2 una visualización tridimensional de una parte de dicha planta. El aceite de palma como materia prima, se mantiene con una acidez inferior al 2% en peso. Su almacenamiento se haría en tanques (TK-101 al TK103), los cuales se diseñaron con unos techos cónicos. En ellos se están colocando en el fondo, serpentines con circulación de vapor para mantener las temperaturas necesarias que dejen siempre el aceite como y así facilitar su bombeo. El aceite almacenado se bombearía por las bombas de lóbulo P-101ª/b, precalentado antes a 60°C en el intercambiador de tubo y coraza E-101. El calentamiento se haría con el vapor de metanol proveniente del separados flash V-104. Figura 2: Diseño preliminar 3D planta piloto 2000 l/día (sin tuberías) El reactor CSTR R-101 y R-102 dispuestos en serie operarían a 65 °C y 2 atm, lógicamente considerando que la conversión en cada reactor es menor a la conversión global como se anota en la tabla 1. Tabla 1: Conversión transesterificación. Reactores CSRT1 (B2) CSTR2 (B3) Conversión global global de los reactores de Conversión de triolina 87.42% 87.00% 98.45% Los reactores se dispusieron en serie con el objeto de aumentar la conversión y disminuir sus volúmenes conjuntamente con los tiempos de residencia. Con las simulaciones realizadas se encontró que con un solo reactor se requería el doble del volumen de reacción efectivo, aumentaban los tiempos de residencia y la conversión bajaba. Determinación de la temperatura de operación Para la determinación de las condiciones de operación en el reactor, la variable temperatura fue la que presentó las mayores complicaciones, dado que con los cambios de temperatura a dos bares hay cambios de fases, lo cual disminuye el volumen efectivo del reactor y afecta negativamente el rendimiento de conversión. Por esta razón, para definir el valor de la temperatura, se hizo un análisis de sensibilidad variándola en el primer reactor y viendo sus efectos en la producción de los metil ésteres, apreciando la evolución de éste parámetro con la conversión y el consumo de la triolina (ver figura 3). Es claro observar que efecto de la temperatura con el consumo de trioleina es muy poco a partir de los 60 grados centígrados, por tal razón, se considera que no se justificaría aumentar más la temperatura debido a que ese aumento significaría aumentar mucho los costos para un aumento de conversión de trioleina muy bajo, además se debe evitar llegar al punto de burbuja del metanol porque formaría una fase vapor separada del líquido, el cual no reaccionaría con el aceite. naturaleza de la materia prima (contenido de impurezas), principalmente la acidez y el contenido de agua, afectan no solo los rendimientos de las operaciones, sino las condiciones de operación y en algunos casos críticos, el dimensionamiento de los equipos. - Con las herramientas de AutoCad es posible montar plantas virtuales independientes de las escalas y con todos los detalles que se quieran involucrar. Todo depende de las informaciones que se tengan de los diseños y dimensionamiento de los equipos, tuberías, controles y demás accesorios - Económicamente, es muy difícil encontrar mejores alternativas técnicas que las convencionales para la producción de biodiesel. Figura 3: consumo de trioleina y producción de oleato de 4. AGRADECIMIENTOS metilo a diferentes temperaturas. Igualmente, éste análisis esta soportado por las consideraciones hechas por el modelo cinético (Narváez, Rincón, & Sánchez, 2007) propuesto e incorporado en los requerimientos que solicita Aspen para este tipo de reacciones además de las estimaciones termodinámicas hechas por Aspen en el análisis de propiedades. Con respecto a la parte económica, dentro del uso de alcoholes y catalizadores, el metanol y el NaOH, permite reducir costos de inversión manteniendo conversiones cercanas al 99% en tiempos más cortos que las otras alternativas. En el pre-tratamiento de los aceites cuando lo requieran, a partir de un contenido mayor de ácidos grasos libres superiores al 2%, los costos de inversión y operación se incrementan significativamente. Teniendo toda la tecnología requerida en la planta, una fábrica de biodiesel a partir de aceite de palma, para las condiciones colombianas, empieza a tener rentabilidad, si las producciones son mayores a cien mil litros por día. 4.0 CONCLUSIONES - En las simulaciones realizadas se encontró que para los rendimientos de conversión, dentro de las características de la materia prima, tal vez lo más determinante es la acidez del aceite original, si es mayor al 2% en peso, es fundamental hacer pretratamientos para disminuirla. - El contenido de agua en la materia prima tiene un rol bastante fuerte en prácticamente todos los procesos de obtención de biodiesel, por esta razón, fuera del lavado, hay que evitar que el agua esté presente así sea en cantidades muy bajas. - Aunque los procesos y equipos para producir biodiesel a partir del aceite de palma africana no cambian con la Los autores agradecen a la Universidad del Valle por las facilidades dadas para la realización del presente trabajo. 5. REFERENCIAS 1. ALEX H. WEST, DUSKO POSARAC, NAOKO ELLIS. Assessment of four biodiesel production processes using HYSYS.Plant. Vancouver : Bioresource Technology, 2008. págs. 6587–6601. Vol. 99. 2. Y. ZHANG A, M.A. DUB E A, D.D. MCLEAN A, M. KATES B. Biodiesel production from waste cooking oil: 1. Process design and technological assessment. Otawa : Bioresource Technology, 2003. págs. 1-16. Vol. 89. 3. MOSER, Bryan R. Biodiesel production, properties, and feedstocks. s.l. : Springer, 2009. págs. 229-226. Vol. 45. 4. Liquid-Liquid Phase Equilibrium in GlycerolMethanol-Methyl Oleate and Glycerol-MonooleinMethyl Oleate Ternary Systems. DEVENDER S. NEGI, FELIX SOBOTKA, TOBIAS KIMMEL, GU1NTER WOZNY, AND REINHARD SCHOMA1CKER. Berlin : Ind. Eng. Chem. Res., 2006, Vol. 45, págs. 3693-3696. 5. Life cycle analysis of biodiesel production. VARANDA M G, PINTO G Y MARTINS F. s.l. : Fuel Processing Technology, 2011, Vol. 92, págs. 1087– 1094. 6. Transesterification of Palm Oil in Series of Continuous Stirred Tank Reactors. THEERAYUT L., *, WORAWUT W., GUMPON P. ET ALL. Songkhla : The Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE)”, 2004, págs. 3-024 (P). 7. Kinetics of Palm Oil Methanolysis. NARVAEZ, P. C. Bogotá : J Am Oil Chem Soc, 2007, Vol. 84, págs. 971– 977. 8. DARNOKO, D., CHERYAN, M.,. Kinetics of palm oil transesterification in a batch reactor. s.l. : J. Am. Oil Soc. Chem., 2000. págs. 1263-1267. Vol. 72. 9. NOUREDDINI, H., ZHU, D.,. Kinetics of transesterification of soybean oil. J. s.l. : J. Am. Oil Soc. Chem., 1997. págs. 1457-1463. Vol. 74. 10. FREEDMAN, B., BUTTERFIELD, R. O. y PRYDE, E. H. Variables affecting the yields of fatty esters from transesterified vegetable oils. s.l. : J. Am. Oil Soc. Chem., 1984. págs. 1638-1643. Vol. 6. 11. Process analysis and optimization of biodiesel production. MYINT, L L. [ed.] Springer-Verlag. Texas A&M University : Clean Techn Environ Policy, 2009, Vol. 11, págs. 263–276. 12. ASPENTECH. Aspen Plus Onr V7.4. Burlington, Massachusetts 01803 : Aspen Technology, Inc, 2010. Anexo 1: Diagrama de flujo de producción de biodiesel a partir de aceite de palma africana Anexo 2: Condiciones de cada operación del proceso