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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIASEXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA PETROLERA

SIMULACIN DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA PRODUCCIN DEBIODIESEL EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE

LA ESIQIE

TESIS INDIVIDUAL

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:INGENIERO QUMICO PETROLERO

PRESENTA:MORAYMA URIBE GMEZ

DIRECTORDR. ROGELIO SOTELO BOYS

Mxico D.F. 2010.
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AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Politcnico Nacional y en especial a la ESIQIE, por darme la oportunidad de alcanzaresta meta profesional.

A la vida por otorgarme lo necesario en el momento justo.

A todas aquellas personas que compartieron y comparten conmigo alegras y tristezas, triunfos y

fracasos; que son parte de mi corazn. Gracias.

Al Dr. Rogelio Sotelo Boys por su ayuda, apoyo y comprensin en la elaboracin de este trabajo,

pues sin ello no hubiera sido posible realizar este sueo. Gracias.

Al Dr. Edgar Ramrez Jimnez por su amable ayuda en la revisin del presente trabajo.

A la Dra. Miriam Noem Moreno Montiel por su amable ayuda en la revisin del presente trabajo.

Dios por darme todo y ms en el momento adecuado, Gracias.
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NDICE

ndice de figuras 4ndice de tablas 5

RESUMEN 6INTRODUCCIN 8

CAPTULO I. GENERALIDADES 10

1.1 Antecedentes 11

1.2 Biodiesel 121.3 Propiedades del biodiesel 131.4 Transesterificacin 161.5 Mtodos catalticos de produccin de biodiesel 17

1.5.1 Transesterificacin con catalizador cido 171.5.2 Transesterificacin con catalizador alcalino 181.5.3 Transesterificacin enzimtica 18

1.6 Parmetros que afectan la reaccin de transesterificacin 191.7 Materias primas 22

1.7.1 Palma Africana o de aceite (Elaeis guineensis jacq) 231.7.2 Pin (Jatropha Curcas L. Familia de las Euforbeaceas) 25

1.7.3 Frijol de soya (Glycine Max L. Meril) 261.7.4 Colza (Brassica Napus L.) 281.7.5 Crtamo (Carthamus tinctorius L.) 291.7.6 Girasol (Helianthus annuus L.) 29

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CAPTULO II. SIMULACIN DE PROCESOS 32

2.1 Anlisis de procesos industriales 33

2.2 Valor del anlisis y simulacin de procesos industriales 342.2.1 Ventajas del anlisis y simulacin de procesos industriales 352.2.2 Ejemplos de aplicaciones prcticadas industrialmente 36

2.3 Principios generales del anlisis de procesos industriales 362.4 Simuladores comerciales 38

2.4.1 Mtodos termodinmicos 382.5 Simulador ASPEN PLUS 39

CAPTULO III. SIMULACIN DE PRODUCCIN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE VEGETALDE SOYA

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3.1 Descripcin del proceso de produccin de biodiesel 423.1.1 Descripcin del diagrama de flujo de proceso 443.1.2 Qumica del proceso 453.1.3 Cintica del proceso 463.1.4 Estimacin de propiedades termodinmicas 473.1.5 Lista de equipos 48

3.2 Datos para la simulacin del proceso 493.3 Resultados de la simulacin 55

3.3.1 Corrientes 44

3.3.2 Equipos 453.2 Datos para la simulacin del proceso 493.3 Resultados de la simulacin 55

3.3.1 Corrientes 553.3.2 Equipos 56

3.4 Anlisis de resultados 603.4.1 Alimentacin y reaccin 603.4.2 Seccin de recuperacin de metanol 643.4.3 Seccin de lavado 683.4.4 Seccin de purificacin de biodiesel 69

3.4.5 Seccin de purificacin de glicerol 72

CONCLUSIONES 75REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 76

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1. Ciclo del biodiesel 8Figura 2. Reacciones reversibles consecutivas 16

Figura 3. Transesterificacin con metanol e hidrxido de potasio 16Figura 4. Palma africana o de aceite 23Figura 5. Pin 25Figura 6. Frijol de soya 26Figura 7. Colza 28Figura 8. Crtamo 29Figura 9. Girasol 29Figura 10. Diagrama de flujo de proceso de produccin de biodiesel 43Figura 11. Seccin de mezclado 49Figura 12. Seccin de reaccin 50Figura 13. Seccin de recuperacin de metanol 51Figura 14. Seccin de lavado (extraccin) 52Figura 15. Seccin de purificacin de biodiesel 53Figura 16. Seccin de purificacin de glicerol 54Figura 17. Relacin de la conversin con respecto al flujo volumtrico de carga a R-1 61Figura 18. Conversin de triolena con respecto al volumen de la mezcla reaccionante 62Figura 19. Comportamiento de la conversin con respecto al espacio-tiempo 63Figura 20. Comportamiento de la fraccin molar de metanol con respecto a la variacin de

flujos de destilado 64Figura 21. Comportamiento de la fraccin molar de metanol en la corriente 8 con respecto

a la variacin de la relacin de reflujo 65

Figura 22. Comportamiento del flujo msico de metanol respecto a la relacin de reflujo 66Figura 23. Perfil de temperaturas en T-1Figura 24. Flujo msico de glicerol en la corriente 12 con respecto a la cantidad de agua

alimentada 68Figura 25. Comportamiento de la composicin molar de ster en la corriente 14 con

respecto a la variacin de flujos de destilado 69Figura 26. Fraccin molar de ster en la corriente 14 con respecto a la variacin de reflujos

70Figura 27. Flujos msicos de ster en la corriente 14 con respecto a la variacin de reflujos

71

Figura 28. Perfil de temperaturas en T-2 71Figura 29. Fraccin molar de agua en la corriente 15 con respecto a la variacin de flujosde destilado 72

Figura 30. Fraccin molar de agua en la corriente 15 con respecto a la relacin de reflujo 73Figura 31. Flujo msico de agua en la corriente 15 con respecto a la relacin de reflujo 73

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NDICE DE TABLAS

Tabla 1. Comparacin de las propiedades del biodiesel y diesel 14Tabla 2. Frmula estructural para los cidos grasos presentes en biodiesel 14

Tabla 3. Estndares de calidad del biodiesel segn normas tcnicas 15Tabla 4. Propiedades fsicas de los steres obtenidos por la transesterificacin 17

Tabla 5. Comparacin entre un catalizador alcalino y enzimtico para laproduccin de biodiesel 19

Tabla 6. Porcentaje de cidos grasos en aceites vegetales 22

Tabla 7. Plantas extractoras de aceite de palma en el sureste mexicano 24Tabla 8. Produccin de semilla seca, torta ganadera proteica, aceite y biodiesel,

por ao, por hectrea 26Tabla 9. Aplicacin de ecuaciones de estado, modelos de coeficientes de

actividad y modelos especiales 38

Tabla 10. Modelos de ecuaciones de estado, modelos de coeficientes de actividady mtodos especiales 39

Tabla 11. Energas de activacin y constantes de velocidad de reaccin de aceitede soya a 60 C 46

Tabla 12. Lista de equipos 48Tabla 13. Datos de alimentacin 49Tabla 14. Datos especificados para los reactores 50Tabla 15. Datos especificados para T-1 51Tabla 16. Especificaciones del extractor 52Tabla 17. Datos especificados para T-2 53Tabla 18. Datos especificados para T-3 54

Tabla 19. Flujos msicos de las corrientes de proceso 55Tabla 20. Resultados de B-1 56Tabla 21. Resultados de B-2 56Tabla 22. Resultados de B-3 56Tabla 23. Resultados de R-1 56Tabla 24. Resultados de R-2 57Tabla 25. Perfil de temperaturas y flujos de vaporlquido por etapa en T-1 57Tabla 26. Resultados del condensador de T-1 58Tabla 27. Resultados del reboiler de T-1 58Tabla 28. Perfil de temperaturas de E-1 58

Tabla 29. Resultados del condensador de T-2 59Tabla 30. Resultados del reboiler de T-2 59Tabla 31. Resultados del condensador de T-3 59Tabla 32. Resultados del reboiler de T-3 59Tabla 33. Efecto del flujo de alimentacin sobre la conversin de triolena en R-1 60

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RESUMEN

En el presente trabajo se muestra el desarrollo de la simulacin de una planta piloto para laproduccin de biodiesel a partir de aceite de soya.

Este trabajo es parte de un programa para disear una planta piloto en la Escuela Superior deIngeniera Qumica e Industrias Extractivas (ESIQIE) aprovechando que el Laboratorio deOperaciones Unitarias posee equipo que cubre con las caractersticas necesarias para producirbiodiesel de alta calidad.

Con este objetivo se estudiaron los componentes qumicos, paquetes de propiedades, reacciones yequipos involucrados en el proceso de produccin de biodiesel. Tanto el biodiesel como el aceitede soya se representaron por compuestos modelo, esto son oleato de metilo y triolena,respectivamente.

El procedimiento para producir biodiesel es la transesterificacin de aceite de soya usandometanol e hidrxido de sodio como catalizador. La cintica de la reaccin se obtuvo de datos deliteratura.

La simulacin se llev a cabo en el simulador comercial ASPEN PLUS. Las propiedadestermodinmicas de los diferentes compuestos se determinaron con el mtodo de contribucin degrupos de UNIFAC y como mtodo de referencia se uso el mtodo NRTL.

El objetivo de la simulacin fue determinar las condiciones ptimas de operacin y especificacionesde los diferentes equipos que permitieran obtener un biodiesel que cumpliera las especificaciones

de calidad establecidas actualmente en normas internacionales, principalmente la pureza dada porla concentracin de esteres metlicos. La simulacin se realiz considerando que la reaccin selleva a cabo en dos reactores de mezcla completa y la separacin de los productos se realiza en unaserie de columnas de destilacin. La primera columna de platos recupera el metanol usado enexceso, posteriormente se usa un extractor para separar el biodiesel (metil ster) del glicerol y enla etapa final se usan torres de rectificacin para la respectiva purificacin de biodiesel y glicerol.Otros equipos que se consideran fueron varias bombas y un mezclador.

La simulacin se dividi en seis etapas: mezclado, reaccin, recuperacin de metanol, lavado,purificacin de biodiesel y purificacin de glicerol. Para lograr el objetivo se realiz un anlisis de

sensibilidad de los parmetros principales en cada una de estas etapas.

Con la simulacin se determin la necesidad de dos reactores con los cuales se alcanz unaconversin del aceite de soya del 98%. En la etapa de purificacin de metanol fue posibledeterminar la relacin de reflujo mnima y el flujo de destilado con los cuales es posible larecuperacin de metanol con una concentracin de 98% peso. La simulacin tambin fue til paradeterminar la mnima cantidad de agua necesaria para lograr una buena separacin de la fase rica


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en biodiesel y la fase rica en glicerol. En las columnas de destilacin se alcanz una pureza debiodiesel del 99% y de glicerol del 98% peso. La capacidad de la planta fue de 40.76 L/hr.

Los resultados de la simulacin muestran que el equipo disponible en la ESIQIE es til para producir

biodiesel y glicerol de alta pureza que cumplen con los estndares ASTM D-975 y EN-14214.

Este trabajo es de alta relevancia para proyectar en el futuro la instalacin de una planta piloto deproduccin continua de biodiesel en la ESIQIE, no necesariamente de aceite de soya, sino decualquier otro aceite.

El biodiesel obtenido podra usarse como combustible en las unidades de transporte vehicular conlas que cuenta el Instituto Politcnico Nacional, con lo cual la escuela contribuira en la reduccinde emisiones de bixido de carbono a la atmsfera y principalmente a reducir los efectos en elcambio climtico.


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INTRODUCCIN

Elproblema del cambioclimtico, en especial el resultado del calentamiento global provocado por

la acumulacin de los gases de efecto invernadero, es un tema que en los ltimos aos ha tomado

una gran relevancia, pues las variaciones se han acelerado crecientemente de manera anmala, atal grado que pone en riesgo a la humanidad.

Se seala como el principal responsable del calentamiento global al dixido de carbono. Pues la

quema excesiva de los combustibles fsiles en las plantas generadoras de electricidad y por el

transporte automotor ha incrementado el lanzamiento de emisiones de CO 2 a la atmsfera, as

tambin el rpido avance industrial de los centros urbanos. Por ello se ha generado una creciente

preocupacin para el hombre el intentar disminuir la continua degradacin del medio ambiente.

Lo cual se logra con el desarrollo de combustibles alternos a partir de biotecnologas, por medio de

la produccin de biocombustibles de contenido energtico comparable con el de los combustibles

fsiles[1]. Un biocombustible alternativo al diesel de petrleo es el biodiesel.

Una de las principales ventajas de la utilizacin del biodiesel es la reduccin de las emisiones de

CO2, gracias al balance neutro de carbono en la combustin de biodiesel. Esto se muestra en la

Figura 1.

Figura 1. Ciclo del carbono.

El biodiesel se obtiene a partir de aceite vegetal producido de semillas vegetales, provenientes de

plantas que a su vez realizan mediante el proceso de la fotosntesis la purificacin del aire,absorbiendo CO2del ambiente.

En gran medida todos contribuimos al deterioro del medio ambiente. La Escuela Superior de

Ingeniera Qumica e Industrias Extractivas emplea diesel de petrleo en los autobuses que se


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utilizan para el servicio del alumnado. Es por ello que buscar una alternativa de combustible es una

prioridad.

El objetivo de este trabajo es la simulacin de la produccin de biodiesel a partir de la

transesterificacin de aceite vegetal de soya, usando ASPEN PLUS ONE V7.1 para analizar ydeterminar las mejores condiciones de operacin de los equipos ya existentes en el laboratorio de

operaciones unitarias de la ESIQIE. Este nos permite estudiar las caractersticas de los productos

con respecto a las variaciones en algunas variables, mismas que pueden ser manipuladas en los

equipos disponibles.

Esta simulacin se fundamenta en las necesidades propias del Instituto Politcnico Nacional, en

particular la ESIQIE. Ya que la produccin de biodiesel dentro de la escuela es una buena

alternativa para producir combustible que satisfaga las necesidades de combustible del parque

vehicular de la escuela; aprovechando las caractersticas de las instalaciones con las que cuenta

nuestra institucin. Con la realizacin de la simulacin se obtiene producto con especificaciones

comerciales aceptables y proporciona informacin que puede escalarse industrialmente.

Ya que la produccin de biodiesel no se limita a motores de combustin interna de autobuses, sino

tambin a calderas y otros equipos. Es por ello que tambin se debe apreciar como una alternativa

para preservar los recursos petrolferos del pas.

Segn el estudio Potenciales y viabilidad del uso de bioetanol y biodiesel para el Transporte en

Mxico[2]menciona que una alternativa para la introduccin y empleo de biodiesel en Mxico se

puede basar en materias primas de bajo costo, como es el caso de los aceites y grasas recicladas.Se considera que Mxico cuenta con reas de oportunidad para emprender proyectos que

permitan la introduccin del uso de biodiesel en vehculos automotores.

Y no es que el petrleo se vaya a acabar a corto plazo, pero extraer lo que queda se va haciendo

cada vez ms difcil y caro. El suministro futuro depende de nuevos yacimientos, siempre de

pequeo tamao, y de la mejora en las tecnologas de extraccin de los grandes pozos ya

existentes, en su mayora descubiertos en la dcada de los 70s.

Ningn experto duda que la produccin mundial llegue a su cenit prximamente, la nica duda es

cundo. Las previsiones ms optimistas son las del Departamento de Energa de EE.UU., que ponefecha al declive en 2037. Sin embargo, este clculo se hace con base a la demanda actual, sin tener

en cuenta que sta crece da a da[1]. Ms tarde o temprano, la escasez de petrleo est asegurada,

por lo que encontrar y desarrollar soluciones alternativas no slo es una cuestin ambiental, sino

tambin una necesidad estratgica de futuro.


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CAPTULO I

GENERALIDADES

Hay una fuerza motriz ms poderosa que el vapor,

la electricidad y la energa atmica: la voluntad.

Albert Einstein (1879-1955)Cientfico Alemn


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CAPTULO I. GENERALIDADES

1.1 AntecedentesLa produccin de biodiesel se ajusta dentro de los lineamientos de reduccin de gases de tipoefecto invernadero (GEI), establecidos en el Protocolo de Kyoto y aplica como Mecanismos de

Desarrollo Limpio (MDL)[3, 4] as como en la reduccin de dioxinas y sus derivados y furanos

(DLCs/Fs) y orgnicos persistentes voltiles (OPV), los cuales son originados por la combustin del

diesel derivado del petrleo[5].

Los aceites vegetales se usan como combustibles desde hace ms de 100 aos, cuando Rudolph

Diesel desarroll la primera mquina diesel que fue corrida con aceite vegetal en 1911 [6].

En 1912 Rudolph Diesel[7]prob aceite de cacahuate en su motor de encendido por compresin y

dijo: El uso de aceites vegetales para combustibles de motor puede verse insignificante hoy, perolos aceites, pueden en el transcurso del tiempo ser tan importantes como el petrleo y el alquitrn

de hulla, productos del tiempo presente.

El biodiesel es un combustible alternativo para el diesel del petrleo, es producido principalmente

por una reaccin llamada transesterificacin; llevada a cabo entre un aceite y un alcohol en

presencia de un catalizador, para obtener los mono-alquil steres y glicerol, que luego se separan y

se purifican.

La transesterificacin fue conocida a principios de 1846 cuando Rochieder [7] describi la

preparacin de glicol por etanlisis de aceite de ricino.

Bagby y Schwab[8] descompusieron trmicamente aceite de soya y de girasol, usando aire y

nitrgeno. Ali y Hanna[8], estudiaron el efecto de mezclar etanol para reducir la viscosidad de los

metil steres (biodiesel) de cebo de res.

Muchas unidades de plantas de refinacin de aceites comestibles han sido transformadas para la

produccin de biodiesel[9]. Sin embargo, los costos de produccin son todava bastante altos

debido a las dificultades en el suministro y el gran contenido de cidos grasos libres (AGL o FFA por

sus siglas en ingles Free Fatty Acids). Adems, los subproductos que se producen durante la

produccin del biodiesel necesitan tratamiento adicional.

Por ello resulta importante realizar estudios tcnico-econmicos para tratar de optimizar los costosde produccin. Es aqu donde la simulacin juega un papel muy importante.


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Diversos procesos continuos de produccin de biodiesel han sido evaluados econmicamente envarias investigaciones. Zhang et al.[10] presentan la evaluacin de cuatro procesos continuos a partirde aceite de canola, tanto virgen como de desecho, empleando el simulador HYSYS. Haas[11]realiz la evaluacin econmica de una planta que emplea aceite vegetal crudo como materia

prima. La planta fue diseada empleando el simulador HYSYS describiendo en detalle el proceso.En dicha investigacin se obtuvo un costo de produccin de biodiesel de US $2.0/gal. Tambin seencontr que el costo de las materias primas constituye el factor de mayor porcentaje en el costoglobal de produccin, con un 88% del mismo. El trabajo incluye, adems, un anlisis de sensibilidadque muestra el impacto de los precios del aceite y glicerina, sobre el costo de produccin delbiodiesel.

Este trabajo abarca la simulacin de una planta piloto para la produccin de biodiesel a partir deaceite vegetal de soya, empleando el simulador de procesos ASPEN PLUS, considerando la utilidadque representa el equipo con el que dispone el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la ESIQIE.El cual cubre con las caractersticas necesarias para este proceso especficamente. Los resultadosde la simulacin permiten conocer los efectos de las modificaciones de las variables, as como lascondiciones de operacin que permitan la obtencin de un producto que cumpla con lasespecificaciones internacionales establecidas. Con la finalidad de que la ESIQIE produzca demanera continua biodiesel de alta calidad que pueda ser empleado en las unidades vehiculares conlas que cuenta el Instituto.

1.2 BiodieselEl biodiesel es unbiocombustible lquido que se obtiene a partir delpidos naturales comoaceites

vegetales o grasas animales; limpios o usados, mediante procesos industriales detransesterificacin[12].

Es un combustible compuesto de steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga

derivados de lpidos renovables, como aceites vegetales; empleado en motores de ignicin y

compresin, y adems en calderas de calefaccin. El porcentaje de steres presentes en el

biodiesel est establecido en estndares internacionales (ASTM) y de Europa (EN) (Ver Tabla 1).

Este biocombustible es identificado como FAME (por sus siglas en ingls Fatty Acid Methyl Ester) o

tambin es llamado ster metlico.

El trmino bio- hace referencia a su naturaleza renovable y biolgica en contraste con el

combustible diesel tradicional derivado del petrleo; por su parte, diesel alude a su uso en motores

de este tipo. El biodiesel sustituye como combustible limpio y renovable a los derivados del

petrleo, concretamente al diesel y lo hace con ventaja ecolgica ya que reduce las emisiones de

gases que provocan el efecto invernadero. As, por ejemplo, el uso de una tonelada de biodiesel,
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evita la produccin de 2.5 toneladas de dixido de carbono (CO2) y sobre todo elimina, si se usa el

biodiesel slo en los motores, las emisiones de azufre (SO2) del diesel, evitando las lluvias cidas.

Adems, lo que es fundamental: es un combustible renovable y no finito como los

hidrocarburos[13].

Se emplea puro (B100% biodiesel) o mezclado con diesel petrleo en proporciones de 5% (B5) a

20% (B20). Por otro lado puede usarse en calderas u hornos de calefaccin diseados para utilizar

los aceites de petrleo.

Son numerosos los pases que implementan el uso de biodiesel como fuente energtica;

principalmente el producido a partir de aceites vegetales. Tradicionalmente el aceite de colza y de

girasol es usado como materia prima en pases Europeos. Mientras que en EE.UU. los productores

prefieren el biodiesel de aceite de soya. En Brasil, no slo los aceites de palma, coco y soya;

tambin de girasol y aceites de ricino se utilizan en la produccin de biodiesel[8].

1.3 Propiedades del biodieselLas caractersticas del biodiesel son las siguientes:

Combustible limpio.

Es biodegradable.

No txico.

Alto ndice de lubricidad. Libre de azufre y aromticos.

El biodiesel es un combustible oxigenado, por eso tiene unacombustin completa en comparacin

al diesel derivado del petrleo y produce menos gases contaminantes. Tiene un punto de

inflamacin relativamente alto (150 C) que le hace menos voltil que el diesel del petrleo y es

msseguro de transportar[14](Ver Tabla 1).

Las propiedades del biodiesel varan segn la materia prima a partir de la cual se le obtuvo (aceites

vegetales nuevos o usados de distinto origen o grasas animales). Es por ello, que las normas

indican un rango admisible en el valor de las propiedades[15]. El costo del biodiesel vara

dependiendo de la reserva, el rea geogrfica, la variabilidad en la produccin de cosecha de

estacin a estacin, el precio del petrleo crudo y otros factores. El alto precio del biodiesel es en

gran parte debido al alto precio de la materia prima y tambin de la calidad que se requiera de

ste[16].
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Tabla 1. Comparacin de las propiedades del biodiesel y diesel[13]

.

El combustible tpico contiene cerca de 14 diferentes tipos de cidos grasos como se muestra en laTabla 2, estos son transformados a steres de metilo (FAME). Las fracciones diferentes de cada tipode FAME se presentan en varios tipos de materias primas.

Tabla 2. Frmula estructural para los cidos grasos presentes en el biodiesel[15]

.

cidosGrasos

Carbonosy dobles enlaces

Estructura qumica(= denota los dobles enlaces)

Caprlico C8 CH3(CH2)6COOHCprico C10 CH3(CH2)8COOH

Lurico C12 CH3(CH2)10COOHMirstico C14 CH3(CH2)12COOH

Palmtico C16:0 CH3(CH2)14COOHPalmitoleico C16:1 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOHEsterico C18:0 CH3(CH2)16COOH

Oleico C18:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

Linoleico C18:2 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOHLinolnico C18:3 CH3(CH2)2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH (CH2)7COOH

Aracdico C20:0 CH3(CH2)18COOHEicosenoico C20:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)9COOH

Benico C22:0 CH3(CH2)20COOH

Euricico C22:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Propiedades Biodiesel DieselMetil ster 95.5->98% -

Carbono (%peso) 77 86.5Azufre (%peso) 0.0024 0.05 mx.

Agua (ppm) 0.05 % mx. 161

Oxigeno (%peso) 11 0Hidrgeno (%peso) 12 13

Nmero de cetano 48-55 48-55

PCI (KJ/Kg) 37700 41860

Viscosidad cinemtica (40oC) 1.9-6.0 1.3-4.1Punto de inflamacin (C ) 100-170 60-80

Punto de ebullicin (C ) 182-338 188-343

Gravedad especfica (Kg/L)(60oC)

0.88 0.85

Relacin aire/combustible 13.8 15


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El biodiesel tiene un peso especfico de 0.88 comparado con 0.85 del combustible diesel. Por estarazn es ligeramente ms pesado que el combustible diesel, por ello rociar la mezcla de biodieselen la parte de arriba del combustible diesel es la forma ordinaria en que se realiza elprocedimiento de mezclado.

El biodiesel no contiene nitrgeno o aromticos y normalmente posee menos de 15 ppm de azufre.Contiene 11% en peso de oxgeno, que justifica por qu es ligeramente menor su calor decombustin en comparacin con el diesel petrleo y es caractersticamente bajo en monxido decarbono, partculas, holln y emisiones de hidrocarburos.

Tabla 3. Estndares de calidad del biodiesel segn normas tcnicas internacionales y

nacionales[16]

.

No. Propiedad Principales normas

PNTP321.125:2007

ASTM D6751-7

EN14214:2002

Unidades

1 Contenido de calcio y magnesio,combinado

5 mx. 5 mx. ppm(g/g)

2 Punto de inflamacin 93 mn. 130.0 mn. 120.0 mn. C3 Control de alcohol

4 Agua y sedimento 0.050 mx. 0.050 mx. %volumen

5 Viscosidad cinemtica a 40 C 1.96.0 1.96.0 5.0 mx. mm2/s

6 Ceniza sulfatada 0.020 mx. 0.020 mx. 0.020 mx. %masa7 Azufre 0.0015 mx. 0.05 mx. 0.001 mx. %masa

8 Corrosin a la lamina de cobre No. 1 No. 3 mx. No. 19 Nmero de cetano 47 mn. 47 mn. 51 mn.10 Punto de nube Reportar Reportar C

11 Residuo de carbn 0.050 mx. 0.050 mx. 0.30 mx. %masa12 Nmero de acidez 0.50 mx. 0.50 mx. 0.50 mx. MgKOH

13 Glicerina libre 0.020 mx. 0.020 mx. 0.020 mx. %masa

14 Glicerina total 0.240 mx. 0.240 mx. 0.250 mx. %masa15 Contenido de fsforo 0.001 mx. 0.001 mx. 0.0001 mx. %masa

16 Temperatura de destilacin, 90%recuperado

360 mx. 360 mx. C

17 Contenido de sodio y potasio,combinado

5 mx. 5 mx. 6 mx. ppm(g/g)

18 Estabilidad de la oxidacin 3 mn. 3 mn. horas

19 Contenido de ster 96.5 mn. %(m/m)


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1.4 TransesterificacinLa reaccin de transesterificacin con alcohol consiste en reacciones reversibles consecutivas como

se aprecia en la Figura 2[17]. El primer paso es la conversin de triglicridos a diglicridos, mientras

es seguido por la conversin de diglicridos a monoglicridos y de monoglicridos a glicerolproduciendo una molcula de metil ster de cada glicrido por paso[17, 18].

Figura 2. Reacciones reversibles consecutivas[17]

.

Especialmente el metanol es el alcohol de mayor uso, por ser el de menor costo en comparacin a

los alcoholes empleados para este proceso, como el etanol e isopropanol.

La reaccin es reversible, por lo cual se utiliza exceso de alcohol para desplazar el equilibrio hacia la

produccin de steres. La reaccin estequiomtrica requiere 1 mol de un triglicrido y 3 moles de

alcohol; sin embargo, se usa alcohol en exceso para aumentar la produccin de steres alqulicos y

permitirles separar el glicerol de la fase formada. Los aceites vegetales pueden ser

transesterificados calentndolos con un gran exceso de metanol anhidro y catalizador, ver Figura 3.

Figura 3. Transesterificacin con metanol y como catalizador hidrxido de potasio.

La reaccin de biodiesel requiere un catalizador; usualmente una base fuerte. Pero existen dos

clases de catalizadores que podemos considerar para la reaccin. La cual procede bien con

catalizadores homogneos como el hidrxido de potasio e hidrxido de sodio y acido sulfrico o

Triglicrido

Diglicrido

Monoglicrido

+

+

+

ROH

ROH

ROH

ster (R COOR1 )Diglicrido +

Monoglicrido + ster (R COOR2)

Glicerol + ster (R COOR3)

Triglicrido

3 CH3OH+

KOH CH2 OH

CH OH

CH2 OH

Glicerol

CH2 C R1O

O

CH C R2O

O

CH2 C R3O

O +

steresMetanol

CH3 COO C 17 H33

CH3 COO C 17 H33

CH3 COO C 17 H33


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catalizadores heterogneos como xidos metlicos o carbonatos. El hidrxido de sodio es muy bien

aceptado y extensamente usado.

Las propiedades fsicas de los productos qumicos primarios de la transesterificacin estn dadas

en la Tabla 4[18, 19].

Tabla 4. Propiedades fsicas de los steres obtenidos por la transesterificacin de aceite

vegetal[20]

.

Nombre Gravedadespecifica

(g/mL)

Puntofusin

(K)

Puntoebullicin

(K)

Solubilidad

(


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catalizada por un cido es ms conveniente para cidos o grasas que tienen altas cantidades de

cidos grasos libres y humedad. Aksoy[18] report que es necesario llevar a cabo la

transesterificacin bajo una condicin cida cuando el componente del aceite fuese de un material

de menor grado como el aceite de oliva.

1.5.2 Transesterificacin con catalizador alcalino

En el mtodo de transesterificacin con metanol va alcalina, el catalizador (KOH o NaOH) es

disuelto en el alcohol en un pequeo reactor. El aceite es transferido al reactor de biodiesel y

despus la mezcla catalizador/alcohol. La mezcla se agitada a 60 C de temperatura y una presin

ambiente. Una reaccin de transesterificacin exitosa produce dos fases liquidas: ster y glicerina

cruda[21].

La glicerina cruda se recolecta en un contenedor despus de algunas horas de sedimento. La

separacin de la fase puede ser observada en 10 minutos y completarse en 2 horas aunque la

sedimentacin puede tomar hasta 20 horas. Despus de que la sedimentacin finaliza, se agrega

agua para lavar el ster.

1.5.3 Transesterificacin enzimtica

En la transesterificacin qumica usando un catalizador alcalino o cido el proceso da un alto nivelde conversin de triglicridos a sus correspondientes metil steres en cortos tiempos de reaccin,

pero la reaccin tiene varias desventajas: utiliza gran cantidad de energa, la recuperacin de

glicerol es difcil, el catalizador cido o alcalino tiene que separarse del producto, el residuo de

agua alcalina requiere de tratamiento, los cidos grasos libres y el agua interfieren con la reaccin.

Otra alternativa de catlisis es el empleo de enzimas denominadas lipasas. Algunas de las lipasasms utilizadas en numerosos estudios de produccin de biodiesel son la Candida, Penicillium y lasPseudomonas.

La transesterificacin enzimtica de aceites refinados o de desecho, es insensible al contenido deagua y cidos grasos libres, requiere menos etapas, consume menos energa y genera menos aguade desecho[22] como se muestra en la Tabla 5. Particularmente, en este debe ser notado que elsubproducto, glicerol, puede ser fcilmente removido sin ningn proceso complejo, y que tambinlos cidos grasos libres contenidos en el residuo del aceite y las grasas pueden completamenteconvertirse a metil steres.


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Por otra parte, el costo de produccin de un catalizador enzimtico es regularmente mayor que el

de uno alcalino[18].

Tabla 5. Comparacin entre un catalizador alcalino y enzimtico para la produccin de

biodiesel[16].

1.6 Parmetros que afectan la reaccin de transesterificacinLos parmetros que afectan la reaccin de transesterificacin se pueden dividir en dos:

1) Las condiciones de reaccin, y

2) Las caractersticas del aceite.

La transesterificacin de aceites vegetales depende de las condiciones de reaccin utilizadas en el

proceso, tales como: temperatura y tiempo de reaccin, concentracin molar alcohol:aceite

vegetal, tipo de alcohol, tipo y concentracin de catalizador, tiempo de reaccin y contenido de

cidos grasos libres y humedad.

Temperatura de reaccin

La alcoholisis ocurre a variadas temperaturas dependiendo del aceite y alcohol empleado. Aunque

al incrementar la temperatura el rendimiento aumenta y el tiempo de reaccin se reduce, se

recomienda que la temperatura no exceda el punto de ebullicin del alcohol, porque se vaporiza y

forma burbujas que limitan la reaccin en las interfases alcohol/aceite/biodiesel[23]. Para el aceite

de ricino la metanlisis con NaOH (0.35% peso de aceite) procede eficientemente entre 20C y

Caractersticas a evaluar Proceso con catalizadorAlcalino

Proceso con catalizadorenzimtico

Temperatura de reaccin 60-70 C 30-40 Ccidos grasos libres en materialescrudos

Productos saponificados Metil steres

Agua en materiales crudos Interfiere con la reaccin No influye

Produccin de metil steres Normal AltoRecuperacin de glicerol Difcil Fcil

Purificacin de metil steres Repetir lavado Ningn lavadoCosto de produccin delcatalizador

Barato Relativamente caro


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35C[19], para el aceite de soya entre 45C y 60C (NaOH 1% peso, 1 hora)[24], y para el aceite de

fritura a 95C en catlisis cida (sulfato frrico 2% peso, 4horas)[25].

Relacin molar alcohol: aceite vegetal

En la alcoholisis qumica se utilizan relaciones molares mayores a la estequiomtrica (> 3:1),

alimentando un exceso de alcohol. Sin embargo, esto puede generar problemas de separacin de

las fases, disminuye el rendimiento y aumenta los costos de produccin[24]. La relacin molar

ptima en catlisis bsica es 6:1(rendimientos > 93%) en la metanlisis de aceite de soya, girasol y

algodn[26]. En la alcoholisis en dos etapas del aceite de tabaco se utiliz una relacin molar de

18:1 en la 1ra. etapa, y 6:1 en la 2da.[27], y para aceite de jatropha se emple una relacin

volumtrica de 0.28:1 en la 1ra. etapa, y de 0.16:1 en la 2da.. Esto indica que la catlisis cida

requiere mayor relacin molar que la catlisis bsica.

Tipo de alcohol

Comercialmente el metanol es el alcohol ms utilizado, aunque se pueden utilizar otros como:

etanol, propanol, isopropanol, butanol, isobutanol, pentanol e isopentanol [28]. La seleccin del

alcohol depende de los costos, del desempeo en la etapa de separacin, y que provenga de

fuentes renovables[29]. Se ha encontrado que durante la reaccin se forma una emulsin que

desaparece formando dos fases lquidas cuando se utiliza metanol, pero dicha emulsin

permanece al emplear etanol, evitando la separacin y purificacin de las fases[24]. Esto se puede

evitar evaporando el alcohol al terminar la reaccin. Se ha reportado que la etanlisis mejora

cuando se utiliza NaOH, debido a que se incrementa la solubilidad del alcohol en el aceite

[30]

.

El contenido de cidos grasos libres y la humedad son parmetros fundamentales para determinar

la viabilidad del proceso de transesterificacin de aceites vegetales. Para llevar la reaccin

catalizada a la terminacin se necesita un valor de cidos grasos inferior al 3%.

Tipo de catalizadorEl tipo de catalizador depende de la naturaleza del aceite utilizado (contenido de AGL y humedad)y de su precio[29]. Si el aceite tiene un alto contenido de AGL y humedad se recomienda emplearcatalizadores cidos, ya que la catlisis bsica favorece las reacciones de saponificacin [31]. Sinembargo, los catalizadores bsicos son los ms utilizados en la industria por que se requieren

temperaturas y relacin molar alcohol:aceite bajas, tiempos cortos de reaccin, y corroen menoslos equipos y tuberas[32]. Los catalizadores bsicos ms eficientes son los alcxidos de sodio, peropor su elevado costo son industrialmente menos utilizados. El metxido de sodio ha sido reportadocomo ms eficaz que el hidrxido de sodio, porque una pequea cantidad del agua es producidasobre la mezcla NaOH y MeOH. Sin embargo, el hidrxido de sodio e hidrxido de potasio son


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tambin capaces de catalizar la transesterificacin y debido a que son muy baratos, extensamenteson usados en la industria de produccin de biodiesel[21].

Concentracin de catalizador

Este parmetro afecta el rendimiento hasta ciertos valores, ya que promueve la formacin desales[24], la emulsificacin de la mezcla[33], y genera costos adicionales por su consumo. Se haencontrado[26] que los mayores rendimientos en la metanlisis de aceite de soya con KOH seobtienen a una concentracin de 1% peso (relacin molar de 6:1, 20 C, 0.5 hora); mientras quecon Ca(OCH3) al 4% peso se alcanza un rendimiento del 98%, en 3 horas

[23].

Tiempo de reaccinSe ha encontrado que el rendimiento aumenta con el tiempo de reaccin [34]. Se ha reportado quela conversin aumenta de 87.81% a 88.90%, con tiempos de reaccin de 50 y 90 minutos,respectivamente, cuando se transesterifica aceite de ricino (catalizador al 0.5% peso, relacinmolar 3:1, a 63 C)[32]. Tambin se ha encontrado que se requiere menor tiempo de reaccincuando se emplea metanol en lugar de etanol, con similares condiciones de operacin, ya sea encatlisis cida o alcalina, para alcanzar el mismo rendimiento[35].

Contenido de AGL y humedadEstos parmetros son fundamentales para determinar la viabilidad de la alcoholisis del aceitevegetal, dado a que altas concentraciones de uno de ellos o de los dos favorecen el proceso desaponificacin[19]. Se reporta que empleando aceites vegetales crudos se obtiene una conversinentre el 65% y el 84%, mientras que con aceites refinados, bajo las mismas condiciones, elrendimiento est entre 94% y 97%[31]. Se ha encontrado que con H2SO4(1,43% peso) se reduce elcontenido de AGL del 14% al 1% en peso de aceite de jatrofa [36]. En otro trabajo se redujo la

concentracin de AGL en aceite de tabaco de 35% a menos del 2% empleando H2SO4 (1% y 2%peso)[27]. Por lo tanto, para obtener rendimientos altos el alcohol y catalizador deben ser anhidros(alcohol al 99%; NaOH o KOH al 99% de pureza), y el aceite se debe purificar o refinar para reducirel contenido de agua y AGL por debajo del 1% y 3%, respectivamente [37].


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1.7 Materias primasEl biodiesel puede producirse a partir de una gran variedad de cultivos oleaginosos, de grasas

animales y de aceites y grasas recicladas. Entre algunas semillas que se emplean como insumo para

la obtencin de este biocombustible son: la semilla de colza, soya, jatropha, girasol, y crtamo.Tambin se emplea sebo de animal y en otros casos aceite reciclado[38].

Existen diferentes semillas de plantas en Mxico, que presentan grandes beneficios por laspropiedades que poseen, en especial por los porcentajes de cidos grasos que forman suestructura, mismos que se convierten en esteres metlicos durante el proceso detransesterificacin en la produccin de biodiesel.

Tabla 6. Porcentaje de cidos grasos en aceites vegetales[39]

.

Acido grasos Palma Jatropha Frijol de soya Colza Crtamo GirasolAcido mirstico 1.0 < 1.4 - - - -Acido palmtico 44.3 10-17 10.5 11 11 4-9

Acido esterico 4.6 5-10 0.3 3 5 1-7

Acido oleico 38.7 36-64 8.9 28 6 14-10

Acido linoleico 10.5 18-45 79 68 78 48-74

Otros 0.9 - 0.12 - - -

Existen variedad de cultivos oleaginosos con caractersticas favorables que les permiten adaptarsea climas como el de nuestro pas. Es por ello que se analizan algunas de las especies que se cultivanactualmente, para observar el costo de produccin por litro de biodiesel elaborado a partir deaceites vegetales.

Una especie caracterizada por su gran eficiencia y productividad en el trpico hmedo y sub-hmedo, as como la gran superficie que la puede alojar en nuestro pas y que hoy nonecesariamente es tierra de cultivo, es la palma africana (Elaeis guineensis jacq). Otra es la

jatropha curcas L. pioncillo, que presenta adaptacin a condiciones difciles de suelo y clima,adems de la capacidad que posee de mejorar los suelos. El frijol de soya o soya (Glicina Max) ensu produccin de temporal, podra, en el futuro prximo cultivarse en amplias superficies hoyprcticamente marginales.

La fuente principal de aceite vegetal es el aceite decolza,ya que es una especie con alto contenido

de steres, que se adapta bien a los climas fros.

A continuacin se describen las plantas con mayor viabilidad para producir biodiesel en Mxico.
http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.tvacapulco.com/control/imagenes/noticias/ipn2.jpg&imgrefurl=http://www.tvacapulco.com/todanoticia.php?not=3481&usg=__m5c57o7Le4ABe1bx6tDGwg-e6HA=&h=300&w=235&sz=15&hl=es&start=4&tbnid=U5PvBE1kc3mDiM:&tbnh=116&tbnw=91&prev=/images?q=ipn&gbv=2&hl=es&sa=Ghttp://es.wikipedia.org/wiki/Colzahttp://es.wikipedia.org/wiki/Colzahttp://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.tvacapulco.com/control/imagenes/noticias/ipn2.jpg&imgrefurl=http://www.tvacapulco.com/todanoticia.php?not=3481&usg=__m5c57o7Le4ABe1bx6tDGwg-e6HA=&h=300&w=235&sz=15&hl=es&start=4&tbnid=U5PvBE1kc3mDiM:&tbnh=116&tbnw=91&prev=/images?q=ipn&gbv=2&hl=es&sa=G


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1.7.1 Palma Africana o de aceite (Elaeis guineensis jacq)[38]

La palma africana es una planta del trpico hmedo, que es la mejor opcin para las tierras bajas

de las regiones tropicales y ayuda a prevenir la erosin.

Figura 4. Palma africana o de aceite.

El Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrcolas y Pecuarias (INIFAP), informa queexisten en el pas, alrededor de 2.5 millones de hectreas con buen potencial para su cultivo,localizadas en los estados de Chiapas, Campeche, Guerrero, Michoacn, Oaxaca, Quintana Roo,Tabasco y Veracruz[38].

En el ao 2007, se encontraban bajo cultivo en nuestro pas 36,374 has. en Chiapas, Veracruz,Campeche y Tabasco, de las cuales 30,603 has. son de temporal, destacando los rendimientos de

Chiapas con un poco ms de 18 toneladas de racimos frescos por hectrea y un precio medio ruralde $628 por tonelada de fruta fresca.

Es oportuno mencionar que en otros pases de Amrica como en Costa Rica, con nuevas variedadesy mejor tecnologa de produccin que en Mxico, se cosechan de 38 a 40 toneladas por hectreapor ao de racimos de fruta fresca (RFF), que se traducen en 9.8 toneladas de aceite con los que sepueden producir 12,302 litros de biodiesel por hectrea.

ste cultivo requiere que existan suelos profundos y bien drenados, con pH de 4 a 7, como son loscambisoles, vertisoles y acrisoles. El clima propicio para su desarrollo es el clidohmedo yclidosub hmedo.

ste es un cultivo que requiere de grandes cantidades de agua; como se mencion anteriormente,el cultivo de palma de aceite se encuentra establecido en la regin climtica del trpico hmedo,en donde los volmenes de precipitacin son muy importantes y varan ampliamente de una zonaa otra.


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La industria aceitera de palma est compuesta por extractoras y refinadoras. En el caso de lasplantas extractoras de aceite crudo de palma, estas se localizan en los cuatro estados productores,debido a que por sus caractersticas fsico-qumicas debe procesarse en un lapso de tiempo muycorto.

La capacidad instalada conjunta de las plantas extractoras, alcanza 68 toneladas de racimos defruta fresca por hora (RFF/h), encontrndose estas instalaciones industriales principalmente en elestado de Chiapas, pero se cuenta con ellas en Veracruz, Campeche y Tabasco. Slo una de estasagroindustrias pertenece al sector social y tambin es oportuno destacar que siete de las nueveinstalaciones iniciaron actividades en los aos 2001 al 2004, como se muestra en la Tabla 7.

Tabla 7. Plantas extractoras de aceite de palma en el sureste mexicano[40]

.

Extractora Municipio Estado Capacidad(TRFF/h)

Inicio deactividades

Sector

LA LIMA VillaComaltitlan

Chiapas 2 1970 Privado

BEPASSA Acapetahua Chiapas 6 1995 SocialAGROIMSA Mapastepec Chiapas 10 2001 Privado

PROPALMA SA Acapetahua Chiapas 10 2002 Privado

PALMA TICADE MEXICO

Palenque Chiapas 10 2004 Privado

AGROIPSA SA Palenque Chiapas 8 2004 Privado

CIA ACEITERACAMPECHANA

Escrcega Campeche 8 2003 Privado/Social

ACEITES DEPALMA

Acayucn Veracruz 10 2003 Privado

Soc. Prod. dePALMA

Jalapa Tabasco 6 2003 Privado

La Secretaria de Energa realiz un anlisis econmico en el cul, la vida til econmica de la palmaafricana es de 23 aos, con 21 aos de produccin que se inicia a los 3 aos de plantada. Laproduccin acumulada en su vida til alcanz 433 toneladas por hectrea, con un promedio de20.64 toneladas de cosecha por ao[41]. El valor actual de este volumen de cosecha se eleva a$271,924 por hectrea con una media de valor anual de ingreso bruto de $11,823/ha.

Los apoyos del Gobierno de Chiapas al cultivo de la palma, consisten en la entrega gratuita de laplanta lista para ponerse en el lugar definitivo, ms $2,000 por hectrea para la plantacin. Lainversin actual con cargo al agricultor para establecer una hectrea de palma es de $13,543. Losgastos de mantenimiento/ha promedian aproximadamente $5,000/ao. Los de cosecha $150/ton yel acarreo de los racimos $40/ton.


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En la prctica una tonelada de aceite mas 150 kilogramos de etanol, producen 1,050 kilogramos debiodiesel mas 100 kilogramos de glicerina. Considerando solo los productos principales, tenemosque, en virtud del peso volumtrico del ster (0.9) con una tonelada de aceite se producen 1,167litros de biodiesel.

1.7.2 Pin (Jatropha Curcas L.)[38]

Mxico, en su biodiversidad, tambin alberga a esta noble planta nativa del pas, conocida comoPin o Pioncillo. Se le localiza en climas tropicales y semi-tropicales, es un arbusto-rbol quellega a medir de 1 a 8 metros. Crece en suelos pobres y arenosos, es resistente a la sequa y lasemilla posee un importante contenido de protena y de grasa. Se cultiva en India, frica yCentroamrica para obtener biodiesel.

Figura 5. Pin (Jatropha Curcas L.).

La Jatropha se conoce en la Pennsula de Yucatn como Sikil -Te y se distribuye en Chiapas,Oaxaca, Quintana Roo, Guerrero, Hidalgo, Puebla, Veracruz, Tamaulipas, Sinaloa y Sonora. EnMxico no hay conocimientos ni experiencia sobre la Jatropha cultivada, en tal virtud, se toma parael presente anlisis las experiencias de otros pases principalmente Nicaragua, en donde ya existenlas plantaciones y la agroindustria. La planta empieza a producir desde el primer ao, aunque conrendimientos moderados y stos se incrementan durante los primeros cinco aos; luego seestabilizan, con vida til que puede alcanzar hasta 50 aos. Se consider una vida til de 23 aoscon 21 aos de produccin comercial. El rendimiento por hectrea, ya estabilizado es de 5

toneladas de semilla seca por hectrea, de los cuales de 1.8 a 2 toneladas son de aceite y 3.255toneladas de torta rica en protena (57%)[38].


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La composicin de la semilla deJatropha Curcases la siguiente[42]:% en peso

Agua 6.6Grasa 38.0

Carbohidratos totales 32.5Protena 18.2Cenizas 4.0

En los 24 aos de vida til de la Jatropha, se cosechan 102.34 toneladas de semilla seca porhectrea, con una poblacin de 1,111 plantas por hectrea (3m x 3m), obtenida a travs de semilla,segn se expresa a continuacin.

Tabla 8. Produccin de semilla seca, torta ganadera proteica, aceite y biodiesel, por ao, por

hectrea[38]

.

Ao Semillakg/ha

Tortakg/ha

Aceitekg/ha

Biodiesellt/ha

3 3,340 2,174 1,166 1,449

4 4,000 2,604 1,396 1,7355 5,000 3,255 1,745 2,168

6-24 90,000 58,590 31,410 39,030

Totales 102,340 66.623 35,717 44,382

En la prctica, una tonelada de nuez seca, produce 349 kilogramos de aceite ms 651 kilogramosde torta. Los 349 kilogramos de aceite producirn 436 litros de biodiesel.

1.7.3 Frijol de soya (Glycine Max L., Merril. Familia Leguminosas)[38]

El frijol de soya es una planta anual de origen oriental, que prefiere para su buen desarrollo,veranos clidos y hmedos. En Mxico, se emplea como aceite para cocinar y la pasta, co-productodel proceso de extraccin, como fuente de protena en los alimentos balanceados para el ganado.

Figura 6. Frijol de soya.


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El cultivo de la soya para propsitos de produccin de biodiesel, debera dirigirse a la promocin ydesarrollo de este cultivo en reas de temporal de la Regin Huasteca, Estados de Tamaulipas, SanLuis Potos y el norte de Veracruz, en donde se pueden encontrar amplias superficies (ms de unmilln de hectreas) muy probablemente propias en suelo y lluvia para los cultivos bioenergticos.

El campo experimental INIFAP de Cd. Cuauhtmoc, municipio de Altamira, Tamaulipas, haencontrado muy buenas variedades; prometedoras de altos rendimientos potenciales (variedadesHuastecas 200, 300 y 400) bajo condiciones de buen temporal, entendido como cantidad ydistribucin de la lluvia.

Actualmente en la zona de Altamira y parte de Gonzlez, sur de Tamaulipas, con variedades deorigen Brasileo, la productividad de la soya de temporal (siembras de junio) alcanza las dostoneladas por hectrea.

La composicin del grano de soya es la siguiente:% en peso

Agua 6.0Aceite 18.0Protena 38.0Fibra 8.0Carbohidratos solubles 14.0Carbohidratos insolubles 14.0Cenizas 2.0

Una tonelada de granos de soya con 6 8 % de humedad al procesarse, produce aproximadamente

200 litros de aceite y 800 kilogramos de torta o pasta, la cual contiene del 44 al 47% de protena, osea alrededor de 360 kilogramos. Los 200 litros de aceite al esterificarse con bioetanol y sosapotsica como catalizador, producen 220 litros de biodiesel. En cuanto a la pasta de soya con 45%de protena, alcanza un precio de aproximadamente $2,155 por tonelada o sea $4.79 porkilogramo de protena y por ello los 800 kilogramos de pasta que se derivan de una tonelada,aportan un valor de $1,724 que se abonan al costo de produccin de los granos de soya.


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1.7.4 Colza (Brassica Napus L.)[38]

En los dos ciclos del ao 2007, se cosecharon en Mxico 1,228 hectreas de colza, de las cuales 837fueron de temporal y 371 de riego. Su rendimiento medio fue de: en riego 2,126 kilogramos por

hectrea y en temporal 1,537 kilogramos por hectrea. El precio medio rural fue de $3,489 portonelada.

Figura 7. Colza.

Los estados productores fueron: Tamaulipas, Jalisco, Tlaxcala y Mxico. En el ao 2007 seincorpor Guanajuato a la produccin bajo riego, en el ciclo otoo-invierno 2005-2006.

La semilla de colza contiene entre 380 y 400 kilogramos de aceite y entre 180 y 200 kilogramos deprotena por tonelada y al procesarla por el mtodo de solventes, se obtienen 369 kilogramos deaceite crudo y aproximadamente 500 kilogramos de torta o pasta con 200 kilogramos de protena.

Los 369 kilogramos de aceite al esterificarse con bioetanol, producirn 387 kilogramos debiodiesel, es decir aproximadamente 460 litros. As, los productos principales de la transformacinde una tonelada de semilla, son: 460 litros de biodiesel y 500 kilogramos de torta o pasta con 40%de protena.


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1.7.5 Crtamo (Carthamus tinctorius L.)[38]

En el ao 2007, se cosecharon en Mxico 212,000 hectreas, de las cuales 122,686 fueron de riego,de alcance relevante en Sonora (105,000 has.) con un rendimiento de 1,400 kilogramos por

hectrea. En la tecnologa de temporal, Tamaulipas cosech 56,000 has con un rendimiento de 420kilogramos por hectrea. El precio medio rural fue de $2,354 por tonelada.

Figura 8. Crtamo.

La semilla contiene por kilogramo, 280 gramos de aceite y 126 gramos de protena (adems 500gramos de carbohidratos totales, 43 gramos de cenizas y 48 gramos de agua). As, de una toneladade semilla de crtamo se producen aproximadamente 272 kilogramos de aceite y 728 kilogramosde pasta que contienen 126 kilogramos de protena, es decir el 17.3%. Los 272 kilogramos deaceite al esterificarse con bioetanol producen aproximadamente 285 kilogramos de biodiesel, esdecir 339 litros.

1.7.6 Girasol (Helianthus annuus L.)[38]

En Mxico, en el ao 2006 se cosecharon 90 hectreas de Girasol, con un rendimiento en semilla,de 2.58 toneladas por hectrea. De esta superficie, 70 hectreas se cultivaron de riego,principalmente en Chihuahua. El precio medio rural fue de $3,129 por tonelada.

Figura 9. Girasol.


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La semilla de girasol, en base seca, en peso, se compone de 42% de aceite; 16% de protena y 40%de fibra. As, de una tonelada de semilla se obtienen, extrayendo por presin: 387 kilogramos deaceite y 613 kilogramos de pasta, sta con 160 kilogramos de protena, es decir, el 26%. Los 387kilogramos de aceite al esterificarse con bioetanol, producirn aproximadamente 405 kilogramos

de biodiesel; es decir, 482 litros.

El costo primo es la participacin de la materia prima en la fabricacin por litro de biodiesel. Uncomparativo de los costos primos de cultivos potenciales para la produccin por litro, de biodieselen Mxico[38]se muestra a continuacin.

El costo primo de la palmaen la produccin de un litro de biodiesel[42].Costo de la semilla $ 839.00Valor de la torta a la ganadera $ 265.00Costo de la materia prima a biodiesel $ 628.00Costo primo por litro de biodiesel $ 1.18

El costo primo de lajatrophaen la produccin de un litro de biodiesel[42].Costo de la semilla $ 1,660.00Valor de la torta a la ganadera $ 508.00Costo de la materia prima a biodiesel $ 1,152.00Costo primo por litro de biodiesel $ 2.64

El costo primo de la soyaen la produccin de un litro de biodiesel[42].Costo del frijol soya 1,000 kilogramos $ 2,356.00Valor de la pasta de soya $ 1,724.00

Costo de la materia prima a biodiesel $ 632.00Biodiesel producido (litros) 220Costo primo por litro de biodiesel $ 2.87

El costo primo de la semilla de colzaen la produccin de un litro de biodiesel[42].Costo de la semilla 1,000 kilogramos $ 2,839.00Valor de la pasta (200 kilogramos x $2.50) $ 500.00Costo de la materia prima a biodiesel $ 2,339.00Costo primo por litro de biodiesel (2,339 / 460) $ 5.08

El costo primo de la semilla de crtamoen la produccin de un litro de biodiesel

[42]

.Costo de la semilla por 1,000 kilogramos $ 2,875.00Valor de la pasta (126 kg x $2.50) $ 315.00Costo de la materia prima a biodiesel $ 2,560.00Costo primo por litro de biodiesel (2,560 / 339) $ 7.55


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El costo primo de la semilla de girasolen la produccin de un litro de biodiesel[42].Costo de la semilla de girasol; 1,000 kg $ 2,367.00Valor de la pasta (160 x $2.50) $ 400.00Costo de la materia prima a biodiesel $ 1,967.00

Costo primo por litro de biodiesel (1,967 / 482) $ 4.08

Costo por litro de biodiesel a partir de aceites vegetales.

Palma Africana o de aceite $ 1.18Jatropha o Pioncillo $ 2.64Frijol Soya $ 2.87Colza $ 5.08Crtamo $ 7.55Girasol $ 4.08

La produccin de biodiesel a escala comercial puede ser factible en Mxico en el mediano plazo de

realizar acciones integrales que deben incluir aspectos tcnicos, econmicos y medioambientales,

de concertacin con el sector agrario y agroindustrial; as como un esfuerzo importante en

investigacin y desarrollo tecnolgico. El anlisis econmico muestra que en todos los casos los

precios de produccin del biodiesel son mayores que el costo del diesel comercializado por PEMEX.

En este sentido, la situacin en Mxico no es muy diferente de la de otros pases, pero es ms

evidente dado el bajo costo del diesel de petrleo, el cual cuenta incluso con subsidios especiales

dentro del sector agrcola. Los costos de produccin de biodiesel tienen un rango de entre $5.3 a

$12.4 por litro equivalente. Los cultivos ms competitivos son la palma, girasol y la soya. Los costosen los insumos agrcolas representan entre el 59% y el 91% de los costos de produccin del

biodiesel.


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CAPTULO II

SIMULACIN DE PROCESOS

La ciencia tiene una caracterstica maravillosa,

y es que aprende de sus errores;utiliza sus equivocaciones para reexaminar los problemas

y volver a intentar resolverlos,

cada vez por nuevos caminos.

Ruy Prez TamayoCientfico Mexicano


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CAPTULO II. SIMULACIN DE PROCESOS

La simulacin de procesos industriales es el estudio de un proceso o sus partes mediante

manipulacin de su representacin matemtica o de su modelo fsico[43]. La simulacin parte del

anlisis de procesos industriales. Las utilidades concretas que proporciona la simulacin deprocesos son:

Mejora la competitividad detectando ineficiencias motivadas por la descoordinacin entresecciones de una misma planta.

Estima y realiza anlisis de regresin de propiedades fsicas.

Predice el comportamiento de un proceso utilizando principios de la ingeniera. Realiza clculos de balances de materia y energa y equilibrio qumico y entre fases.

Analiza el comportamiento de un sistema y realiza estudios de optimizacin y sensibilidad.

Permite cambiar las condiciones de operacin y analizar los comportamientos.

Estima costos. Permite generar como salida grficas o bien tablas de resultados.

2.1 Anlisis de procesos industrialesEl anlisis de procesos industriales se refiere a la aplicacin de mtodos cientficos al

reconocimiento y definicin de problemas, as como al desarrollo de procedimientos para su

solucin. En una forma ms concreta, esto quiere decir (1) especificacin matemtica del problema

para la situacin fsica dada, (2) anlisis detallado para obtener modelos matemticos, y (3) sntesis

y presentacin de resultados para asegurar la total comprensin del problema. El proceso

representa una serie real de operaciones o tratamiento de materiales, tal como es contrastado por

el modelo, que representa una descripcin matemtica del proceso real[44].

El anlisis de procesos industriales comprende un examen global del proceso, de otros procesos

posibles, as como de sus aspectos econmicos. Se hace resaltar el aspecto econmico porque al

efectuar una seleccin de distintos esquemas posibles, los costos constituyen un elemento tan

importante que nunca se pueden ignorar. Si se ha de realizar una amplia seleccin, es preciso

conocer los costos de cada proyecto y compararlo con los dems. De esta forma, se pueden

estimar los beneficios de cada una de las alternativas con fines comparativos. La estimacin decostos para distintos sistemas resulta vital, no solamente porque el ensayo de un nuevo sistema

resulta muy costoso sino porque generalmente son numerosos los sistemas competitivos. Sin

embargo, a pesar de la importancia de los factores econmicos, tienen relevancia los aspectos

fisicoqumicos, ingenieriles y matemticos[44].


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2.2 Valor del anlisis y simulacin de procesos industrialesExisten ciertas caractersticas de los procesos industriales que las diferencian de otros tipos de

industrias, debido esencialmente a que hay una compleja estructura de muchas etapas, cada una

de las cuales consta a su vez de numerosos subcomponentes[45].

Las ecuaciones que describen las relaciones entre las variables importantes oscilan desde unas muy

sencillas hasta otras muy complicadas. Teniendo en cuenta que interviene un elevado flujo de

materiales con un valor econmico relativamente alto, por ello se comprende que pequeas

modificaciones en las caractersticas de diseo y operacin pueden tener una importante

repercusin econmica[45].

Las caractersticas de los subcomponentes del proceso todava no son, en general, lo

suficientemente bien conocidas como para permitir al ingeniero basarse exclusivamente en la

teora para proceder al diseo y control[45].

Es por ello que los ingenieros de las industrias de proceso se ocupan en dos principales tipos de

trabajo: la operacin de plantas ya existentes y el diseo de plantas nuevas o modificadas.

Por lo que se refiere a la operacin de instalaciones, tanto el control como la optimizacin

constituyen las dos funciones ms importantes de los ingenieros. Para que el ingeniero pueda

desarrollar con eficiencia su trabajo en estos campos debe estar en condiciones de poder realizar

un anlisis sofisticado del proceso en s. Ser preciso programar los sistemas de clculo de forma

que se puedan combinar las relaciones que describen las partes individuales de la instalacin;

habr que evaluar los parmetros bsicos de estas relaciones, y, por ltimo, ser preciso dar un

contenido ms cuantitativo a los aspectos cualitativos de los criterios de que se dispone. Por stas

y muchas otras razones con ellas relacionadas, el control y optimizacin tienen su base

fundamental en el anlisis de procesos[45].

El segundo tipo de trabajo de los ingenieros, que es el diseo, resulta en cierto modo ms difcil.

Por supuesto que los datos de la planta real noson conocidos de antemano, y, por esta razn, el

ingeniero tiene que utilizar una parte importante de su criterio intuitivo. Por otra parte, cuando se

modifican plantas existentes o se disean plantas similares a otras ya construidas, el ingeniero

puede disponer de una importante experiencia[45]

.

De lo expuesto se llega a la conclusin de que la construccin de modelos matemticos tericos o

semitericos constituye frecuentemente una necesidad preliminar.

5/28/2018 Tesismor

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