Diseño Conceptual y Básico Computacional de una Planta Piloto

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