Saponificacion

Producción de Biodiesel a partir de aceite vegetal

2009

LABORATORIO DE PROCESOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

21/11/2009

PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE VEGETAL

ZAID RINCÓN VIDES 2053498

EVER JAMES ORTIZ OROZCO 2053483

MARLY JULIETH MOGOLLÓN SARMIENTO 2053269

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE PROCESOS

BUCARAMANGA

2009

INTRODUCCIÓN

La crisis petrolera de los años 70 dio comienzo a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas, cuyo fin fue reemplazar los recursos de origen fósil parcial o totalmente. Una de estas alternativas corresponde al biodiesel, que es un biocarburante líquido producido a partir de aceites vegetales y grasas animales.

Las propiedades del biodiesel son prácticamente las mismas que las del gasóleo, por ello el biodiesel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores en incluso sustituirlo en su totalidad si se adaptan los motores convenientemente.

El biodiesel se produce gracias a una reacción química denominada transesterificación, lo que significa que los glicéridos contenidos en los aceites son sustituidos por alcoholes ante la presencia de un catalizador.

MARCO TEORICO

Los biocombustibles son aquellos que se producen a partir de biomasa, en este caso usaremos aceite vegetal y alcohol que en presencia de un catalizador (NaOH) reacciona para obtener como productos finales esteres (Biodiesel) y glicerina.

MATERIAS PRIMAS

* Aceite: El primer ingrediente es el aceite o la grasa. En la producción de biodiesel a una escala más grande, se utiliza con frecuencia la

grasa usada de freír, aceite de pescado, grasa animal y otras clases de aceites. Una ventaja acerca de la elaboración de biodiesel es que se puede hacer de muchas sustancias diferentes, en su mayor parte, desechos.

* Alcohol: El segundo ingrediente es el alcohol. El Metanol se usa generalmente para la elaboración con aceites vegetales reciclados. Cuando se utilizan aceites nuevos, es posible la mezcla con etanol.

* Catalizador: El último ingrediente es el catalizador. Se pueden utilizar tanto el KOH (hidróxido de potasio) como el NaOH (hidróxido de sodio o soda caustica). La ventaja del KOH es que la glicerina que queda del proceso es mucho menos tóxica que cuando se utiliza NaOH. En este caso, es posible procesar la glicerina para producir un fertilizante artificial. El KOH tiene también la ventaja de que se disuelve mucho mejor en metanol. Sin embargo, la ventaja del NaOH es que es muy simple y barato de conseguir porque se utiliza normalmente como destapador de cañerías y a su vez es fácil de manipular.

REACCIONES DE TRANSESTERIFICACIÓN DE TRIGLICÉRIDOS

Aunque la esterificación es un proceso posible, sin embargo el método utilizado comercialmente para la obtención de biodiesel es la transesterificación (también llamada alcohólisis).

Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir esteres y glicerina.

La reacción de transesterificación, que se presenta en la gráfica 1, se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la metanólisis 1 mol de

triglicérido con 3 moles de alcohol (aunque se añade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o la grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible con los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%.

Gráfica 1. Reacción de transesterificación.

En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, ya que sin él no sería posible esta reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos, ácidos heterogéneos, básicos heterogéneos, básicos homogéneos o enzimáticos; de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas.

Los triglicéridos y el alcohol deben ser anhidros para evitar que se produzca la saponificación. Además, deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones.

MECANISMO DE REACCIÓN

R1=radicales de alquilo, X=catalizador

Gráfica 2: Mecanismo de reacción de transesterificación

PROCESO INDUSTRIAL PARA LA PRODUCCIÓN DEL BIODIESEL

El esquema simplificado de una planta continua para producir el biodiesel se puede observar en el siguiente diagrama:

Gráfica 3: Diagrama de flujo del proceso de obtención de biodiesel a nivel industrial

En el

mezclador estático (MX1) se mezclan el alcohol metílico y el aceite que contiene ácidos grasos libres. Este producto se hace pasar luego a través del reactor (R1) que funciona con catalizador en lecho fijo donde se produce la reacción de esterificación de los ácidos grasos libres. La corriente proveniente de esta unidad se mezcla en la unidad estática (MX2) con el metanol necesario para la transesterificación, más un pequeño exceso del mismo, y el catalizador. Esta corriente ingresa en el reactor (R2) en el cual se produce la transesterificación de los triglicéridos. El producto de la reacción, compuesto por el metilester, la glicerina, el metanol en exceso y el catalizador, debe ser neutralizado. Para ello se mezcla en la unidad estática (MX3), con un ácido mineral en la cantidad necesaria. Posteriormente en la unidad de destilación flash (FC) se despoja al producto de los volátiles, compuestos fundamentalmente por el alcohol metílico en exceso. Los vapores de metanol se condensan y se envían al tanque de almacenamiento, del cual será nuevamente introducido en el ciclo. El producto de fondo del evaporador flash (FC), que contiene el metilester, la glicerina, y sales se envía al decantador continuo (D), en el cual se separa el metilester del resto de los productos. La fase ligera, biodiesel, se envía a la columna de lavado (C), mientras la fase pesada, glicerina bruta, que contiene glicerina (aproximadamente 90%), eventuales impurezas y sales se envía al almacenaje. En la columna (C) con agua se lava el metilester quitándole las trazas de glicerina que puede contener. Se separa el producto

lavado de la parte superior de dicha columna, enviándose a una unidad de secado y al almacenaje.

VARIABLES QUE AFECTAN LA REACCIÓN

Debido a que la obtención del biodiesel se basa en la reacción química de la transesterificación, se debe resaltar que ciertas variables que afectan significativamente el proceso, las cuales se describen a continuación.

* Acidez y humedad:

Los contenidos de ácidos grasos y de humedad son los parámetros determinantes de la viabilidad del proceso de transesterificación del aceite vegetal. Para que se realice la reacción completa se necesita un valor de ácidos grasos libres, menor al 3%. Cuanta más alta es la acidez del aceite, menor es la conversión. Además, como se ha comentado, la presencia de humedad disminuye el rendimiento de la reacción, pues el agua reacciona con los catalizadores formando jabones.

* Tipo de catalizador y concentración:

Los catalizadores empleados para la transesterificación de los triglicéridos se pueden clasificar en alcalinos, ácidos, enzimáticos o catalizadores heterogéneos, siendo los básicos y en particular los hidróxidos los más utilizados. En los procesos de metanólisis alcalina los principales catalizadores usados han sido el hidróxido potásico y el hidróxido sódico, ambos en concentraciones de 0.4 a 2% v/v de aceite. Aceites, tanto refinados como crudos, con un 1% de catalizador (tanto hidróxido sódico o potásico) han tenido muy buenos resultados.

* Relación molar de alcohol / aceite y tipo de alcohol:

Una de las variables más importantes que afectan al rendimiento del proceso es la relación molar del alcohol y los

triglicéridos. La relación estequiométrica requiere tres moles de alcohol y un mol de triglicérido para producir tres moles de ésteres y un mol de glicerol. La transesterificación es una reacción de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para conducir la reacción a la producción ésteres. Para una conversión máxima se debe utilizar una relación molar de 4:1.

La formación de éster etílico comparativamente es más difícil que la de éster metílico, especialmente la formación de una emulsión estable durante la etanólisis es un problema. El etanol y el metanol no se disuelven con los triglicéridos a temperatura ambiente y la mezcla debe ser agitada mecánicamente para que haya transferencia de masa. Durante la reacción generalmente se forma una emulsión, en la metanólisis esta emulsión desciende rápidamente formándose una capa rica en glicerol, quedándose en la parte superior otra zona rica en éster metílico (biodiesel). En cambio en la etanólisis esta emulsión no es estable y complica mucho la separación y purificación de los ésteres etílicos. La emulsión está causada en parte por la formación de monoglicéridos y diglicéridos intermedios, que contienen tanto grupos hidróxidos polares como cadenas de hidrocarburos no polares.

* Efecto del tiempo de reacción y temperatura:

La conversión aumenta con el tiempo de reacción. La transesterificación se puede producir a diferentes temperaturas, dependiendo del tipo de aceite. En el caso de aceite refinado con metanol (4:1) al 1% NaOH, la temperatura de reacción más apropiada oscila entre 45 -70°C

PRÁCTICA DE LABORATORIO

MATERIAS PRIMAS

Y EQUIPOS

* Materias primas:

* Aceite Vegetal (500 ml)

* Metanol (229 ml), pureza: 99%

* Soda Caústica (NaOH) (4,57 g)

* Agua destilada

* Equipos:

* Matraz de bola con tres bocas (1000 ml)

* Probetas graduadas (500 ml) (100 ml)

* Vaso de precipitado

* Vidrio reloj

* Embudo de separación

* Embudo

* Espátula

* Balanza

* Plancha de calentamiento

* Condensador de bolas

* Agitador electromagnético

* Picnómetro

* Equipo de infrarrojo

* Refractómetro

* Viscosímetro

* Mechero para prueba de ignición

* Termocupla

* Horno

* Cabina extractora

* Equipo de seguridad (guantes de nitrilo, máscara de gases, bata y gafas)

MEDIDAS DE SEGURIDAD

Para la realización de la práctica de laboratorio se tuvieron en cuenta las medidas de seguridad necesarias para la manipulación de las materias primas como el metanol y la soda caústica, dado que son sustancias perjudiciales para la integridad física de los practicantes, como se puede observar en sus respectivas fichas de seguridad.

PROCEDIMIENTO

* Preparación de las materias primas: El aceite se precalienta hasta una temperatura de aproximadamente 50 ºC, y el NaOH se disuelve en el metanol, antes de ser adicionado en el aceite.

* Reacción: Una vez el aceite alcance la temperatura deseada, se procede a la mezcla de los reactivos y se agita vigorosamente, aproximadamente a 600 rpm, para que exista un mezclado perfecto entre las materias primas. La mezcla final se lleva a la temperatura óptima de reacción equivalente a 70ºC. El

reactor deberá disponer de control de velocidad de agitación y de temperatura con el fin de garantizar que estas propiedades permanezcan constantes durante el tiempo de reacción (2 horas).

* Separación de las fases: Cuando el proceso de transesterificación haya culminado, se disminuye la velocidad de agitación y se deja enfriar el reactor. Los productos principales de la reacción, Biodiesel y glicerina, son inmiscibles y por esta razón habrá una separación de dos fases, siendo la fase ligera la que contiene el Biodiesel, y la fase pesada la que contiene la glicerina. Esta separación se hace en un embudo de decantación durante un periodo considerable de tiempo.

* Medición de pH: Una vez obtenido el biodiesel se procede a la medición del pH, verificando que este valor se encuentre en el rango permitido, 6 -7. Si lo anterior no se cumple, como se presentó en la práctica realizada, se continúa con un proceso de lavado.

* Lavado: El biodiesel obtenido deberá someterse a una etapa de purificación, en la que se realiza un lavado con agua destilada con el fin de extraer impurezas y materia prima que no hayan reaccionado, de igual forma contribuye a la modificación del pH.

* Separación del agua: Mediante una operación de decantación, se deja separar la fase ligera, Biodiesel, de la fase pesada acuosa y posteriormente mediante un proceso de secado se eliminan los trazos de agua y metanol que hayan podido quedar.

RESULTADOS

* Materias primas

*

* ACEITE VEGETAL

Volumen: 500 ml

Densidad: 0,915 g/ml

Masa: 457,5 g

* METANOL

Volumen:

229 ml

Densidad: 0,79 g/ml

Masa: 180,9 g

* Productos

*

* BIODIESEL

Volumen: 480 ml

pH (antes del lavado): 9

pH(después del lavado): 5.5

* GLICERINA

Volumen: 212 ml

* Pruebas de caracterización

Prueba | BIODIESEL OBTENIDO | BIODIESEL COMERCIAL |

Densidad (g/ml) | 0,853 | 0,83-0,9 |

Índice de refracción | 1,452 | - |

Temperatura de llama(OC) | 615 | - |

Viscosidad(cp) | 5,65 (a 25 OC) | 3-5 (a 40OC) |

* Rendimiento de la reacción

Asumiendo que el aceite está constituido solo por ácido palmítico (C16H32O2) (PM: 256 g/mol), la reacción general teórica en masa queda de la siguiente forma:

457,5 g Aceite+180,9 g Metanol 4,57 g NaOH 474 g Biodiesel+164,4 g Glicerina

Teniendo en cuenta los datos obtenidos experimentalmente, se obtuvo:

457,5 g Aceite+180,9 g Metanol4,57 g NaOH404,16 g Biodiesel+191,01 g Glicerina

Rendimiento=404,16 g Biodieselexp474 g Biodieselteorico*100=85,26%

Gráfica 4: resultado espectro infrarrojo del biodiesel del laboratorio

Gráfica 5: resultado espectro infrarrojo aceite Z comparado con el biodiesel del laboratorio

ANÁLISIS DE RESULTADOS

* Las propiedades de un diesel y un biodiesel comercial dependen tanto del proceso de fabricación como de la naturaleza de las materias primas con las cuales se obtiene este último, en la práctica realizada se obtuvo biodiesel a partir de aceite vegetal y mediante catálisis básica, dado que las condiciones de operación son suaves y las propiedades del producto principal obtenido fueron similares a los reportados en la literatura.

* Se escoge el metanol

como reactivo por su bajo costo de adquisición y porque además la separación de los productos es menos complicada comparada con el uso del etanol.

* tanto el exceso como la deficiencia de catalizador pueden producir la formación de jabón

* Se ha probado la viabilidad técnica de producir biodiesel a pequeña escala a partir de insumos oleaginosos.

* La producción de biodiesel a partir de aceites de cocina usados podría contribuir a paliar la contaminación atmosférica debido a las emisiones de motores diesel; y además ofrecer una alternativa apropiada para la disposición final de los aceites comestibles usados en zonas urbanas.

* Existe un importante potencial en la producción de estos biocombustibles, con una visión futurista del desarrollo humano. Para su aprovechamiento es necesario que existan políticas que guíen o promuevan la creación de capacidades que conlleven a futuras industrias.

* Durante la elaboración de la práctica se presentaron algunas pérdidas de materia, tanto en el proceso de reacción como en el de separación de fases, posiblemente por escapes de volátiles en el equipo de reflujo total y fugas en el embudo de separación respectivamente, esto ocasionó que los balances de masa reales no cerraran.

CONCLUSIONES

* Las materias primas usadas como base para el proceso de alcoholisis deben cumplir ciertas especificaciones. Los triglicéridos deben tener un valor ácido bajo y los materiales deben contener baja humedad.

* La adición de catalizadores de hidróxido de sodio compensa la alta acidez, pero el jabón resultante provoca un aumento de viscosidad o

de formación de geles que interfieren en la reacción y en la separación del glicerol. Cuando no se dan estas condiciones los rendimientos de la reacción se reducen sustancialmente.

* La utilización de aceite vegetal refinado como materia prima facilito el proceso de reacción en presencia de soda caustica como catalizador. Contribuyendo en una alta conversión al producto final. Al igual que la utilización de materias primas puras, el control adecuado de las variables del proceso tales como temperatura y agitación resultaron fundamentales para obtener una buena eficiencia al final.

* Luego de caracterizar y comparar el biodiesel obtenido en la práctica con los reportes de literatura concluimos que los resultados fueron los esperados ya que propiedades como densidad, viscosidad, temperatura de llama, índice de refracción, espectro infrarrojo se encuentran dentro de los rangos permitidos por las normas establecidas para la producción de biocombustibles.

RECOMENDACIONES

* Se le debe dar un uso adecuado de los implementos de seguridad los cuales son prioridad al momento de manipular los reactivos y productos cuyas fichas de seguridad industrial resaltan la precaución que se debe tener con ellos.

* Para lograr un proceso eficiente sin importar que se esté realizando a escala de laboratorio se debe tener en cuenta los siguientes criterios: preocupación por el medio ambiente, análisis de seguridad, flexibilidad y control del proceso.

* Preparar planes a largo plazo y escenarios para el desarrollo y prueba de tecnologías convergentes y recomendar sus prioridades.

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