1
“Fabricación de un reactor de biodiesel” CAPITAL PRAXIS
1. ELECTRICIDAD BÁSICA DEL REACTOR
1.1.
INTRODUCCIÓN
El objetivo principal de este capítulo es fundamentar teóricamente, y de esta manera poder explicar, y hacer un recuento breve a los lectores, de algunos conceptos y funcionamientos básicos que están ligados directamente con
el
proyecto y su producto final (Biodiésel), por ejemplo la explicación de los elementos eléctricos y mecánicos de los cuales vamos a hacer uso durante la elaboración de la presente tesis y en donde los vamos a utilizar.
Con esto evitaremos dificultades al momento de entender la fabricación de ciertas partes de la maqueta de tesis y también conseguiremos generar un recuento fundamental de dichos conceptos, partes, piezas y funcionamientos en los lectores.
1.2.
MAGNITUDES ELÉCTRICAS: Es necesario conocer la electricidad básica
y sus términos, para poder inmiscuirse en la electrónica del reactor. El amperaje, voltaje y resistencia tienen una relación muy importante la cual hay que tener siempre en cuenta cuando hablamos de electricidad.
2
Para generar corriente eléctrica es necesario que exista una fuerza que impulse el movimiento de los electrones, que se encuentran dentro de los componentes eléctricos o electrónicos, la fuerza necesaria para impulsar estos electrones dependen del tipo de la capacidad de circulación de electrones que necesite el componente.
Dicha capacidad del componente de dejar circular los electrones, es conocida como conductividad eléctrica, la cual depende del material con el que se encuentre elaborado o fabricado el componente por el cual van a circular los electrones.
Existen 2 tipos de componentes, los buenos conductores (oro, plata, cobre, hierro, platino, etcétera) o malos conductores (cuerpos aislantes).
De todo lo expuesto anteriormente nace la importancia de conocer con mayor precisión como está formado el circuito eléctrico. (Figura 1.1) el cual consta de 3 partes principales:
La fuente de energía: esta puede ser una pila, batería, una fuente de
corriente continua o alterna, etcétera.
Los conductores de electrones: son los elementos que transmiten el
movimiento de los electrones desde la fuente de energía hasta los consumidores.
3
Los consumidores o receptores de corriente: son los elementos que al
recibir corriente, estos manifiesta otro tipo de energía la cual puede ser mecánica, luminosa, calórica, etcétera.
Figura 1.1. Sistema Eléctrico Básico Fuente: http://www.jeeperos.com/foros/showthread.php?t=16428
1.2.1. Intensidad: Es la cantidad de electricidad que pasa por un elemento conductor en una cantidad de unidades tiempo determinado y se lo mide con el multímetro como se puede observar en la Figura 1.2. La unidad con la que se mide es el Amperio, que es representado con la letra A.
“Un Amperio es la cantidad de 6,24 Trillones de electrones que circulan durante 1 segundo, empujados por la fuerza de 1 Voltio a través de una resistencia de 1 Ohmio.” (Efrén Coello Serrano, Ediciones América, 2004. El Multímetro, , p. 5)
4
Figura 1.2. Medición de intensidad Fuente: http://www.electriauto.com/electricidad/mediciones-comprobacioneselectricas/mediciones-en-el-motor-de-arranque/
1.2.2. Resistencia: Se la representa con la letra R. Y es la oposición al paso libre de los electrones en un circuito eléctrico. Su unidad de medida el Ohmio, que es representado con el símbolo Ω.
“Un Ohmio es la resistencia que ofrece una columna de Mercurio de 1 mm 2 de superficie por 1 metro de altura a una temperatura de 20 Grados centígrados.” (Efrén Coello Serrano, El Multímetro, p.5)
Para medir la resistencia de un circuito eléctrico es necesario verificar que dicho circuito no esté alimentado de ningún tipo de voltaje o tensión, porque lo que se quiere medir es la conductividad que tiene.
El instrumento que se utiliza para medir la resistencia de un circuito eléctrico se llama Ohmiómetro. (Figura 1.3).
5
Figura 1.3. Medición de resistencia Fuente: http://nicolinho-nicolinho.blogspot.com/
1.2.3. Voltaje: Se representa con la letra V. Es la fuerza con la que se mueven los electrones dentro del circuito eléctrico. Se representa con las letras E o U. Su unidad de medida es el Voltio.
“Un Voltio es la fuerza necesaria para empujar la cantidad de un Amperio de corriente a través de una resistencia de un Ohmio.” (Efrén Coello Serrano, El Multímetro, p. 5)
Al medir el voltaje solo se mide la diferencia de potencial. Esta se define como “la diferencia de electrones existente entre dos cuerpos, cuyas cargas tienen el mismo signo o signos contrarios” (D. Hermógenes Gil Martínez, 2004, Manual del automóvil, reparación y mantenimiento, p. 594). Para la medición del voltaje se utiliza
el voltímetro, el cual debe estar conectado en paralelo.
6
1.3.
LEY DE OHM: Es la relación que existe entre las corriente, tensión y
resistencia. Fórmula: (Paúl G. Hewitt. Tercera Edición. Ley de Ohm. Física Conceptual. p.537)
E= I x R (1) E= voltaje
I=corriente R=resistencia
En todo circuito eléctrico la intensidad de la corriente es inversamente proporcional a la resistencia eléctrica, sucede lo contrario entre el voltaje y la intensidad ya que estas siempre son directamente proporcionales. (Figura 1.4).
Figura 1.4. Ley de Ohm Fuente: http://usuarios.multimania.es/pefeco/leyohm/leyohm.htm
1.4.
POTENCIA: Se la representa con la letra P y es el trabajo que realizan los
aparatos eléctricos o electrónicos en un determinado espacio de tiempo. Su unidad de medición es el Wattio. Que se representa con la letra W.
7
La potencia de un elemento o consumidor es directamente proporcional al tiempo, debido que la cantidad de tiempo puede aumentar o disminuir el trabajo del consumidor.
“Un Wattio es la trabajo que realiza un consumidor eléctrico al cual se lo ha conectado a una fuente de energía de un Voltio y por el cual circula un Amperio de corriente durante un segundo.” (D. Hermógenes Gil Martínez, Manual del automóvil, Reparación y Mantenimiento, p. 590).
Como se genera un trabajo con corriente eléctrica:
“Una corriente que atraviesa una resistencia nos genera calor, la misma que tendrá mayor o menor potencia dependiendo del tiempo que necesite para producir una cierta cantidad de calor. Igualmente si hablamos de una corriente eléctrica que atraviesa las bobinas de un motor eléctrico, dándonos trabajo en el eje del motor o una corriente eléctrica que circula por el filamento de una bombilla.” (D. Hermógenes Gil Martínez, Manual del Automóvil, Reparación y Mantenimiento, p. 590).
Fórmula: (Paul G. Hewitt, Física Conceptual. p. 545)
P= E x I (2) P= potencia E= voltaje I= corriente
8
1.5.
COMPONENTES ELÉCTRICOS:
1.5.1. Resistencias eléctrica tubulares: Son elementos diseñados para generar calor los cuales son utilizados para varias aplicaciones a nivel industrial. Estos elementos son fabricados con diferente materiales que tiene como propiedad ser conductores de calor como por ejemplo: cobre, acero inoxidable, etcétera.
Son elementos muy versátiles debido a su fabricación son de varias formas y logran entregar altas temperaturas.
Figura 1.5. Resistencias Tubulares Fuente: http://www.electrocontrol.com.co/accesorios%20y%20repuestos.html
1.5.2. Potenciómetros: Es un resistor en el cual el valor de resistencia puede ser variado o ajustado. Es decir que, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que circula por un circuito si este está conectado en paralelo, o
9
la diferencia de potencial al conectarlo en serie. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente.
Figura 1.6. Potenciómetros Fuente: http://tecnosan4.wikispaces.com/Resistores
1.5.3. Termocupla: Este elemento, sensor de temperatura es el que más se utiliza en la industria. Esta consta de 2 tipos de metales generalmente soldados en un extremo. Al tener contacto con temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje mínimo (milivoltios) el cual aumenta con la temperatura.
Figura 1.7. Termocupla Fuente: http://www.medicionycontrol.com.co/instrumentacion/ temperatura/tflexibles.html
10
1.5.4. Luz Piloto led: Es un semiconductor que se utiliza como indicador en muchos dispositivos. Presentan muchas ventajas como un menor consumo de energía, mayor vida útil, durabilidad y fiabilidad.
Figura 1.8. Luz Piloto Led Fuente: http://es.farnell.com/telemecanique/zb5-avb3/cuerpo-led-piloto-verde24vcc/dp/3728470
1.5.5. Control Paro y Marcha (on/off): Es un dispositivo utilizado para desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. Consiste en dos contactos separados que se unen para permitir que la corriente eléctrica circule.
Figura 1.9. Control Paro y Marcha Fuente: http://www.bolivianelectric.com.bo/promociones.html
11
1.5.6. Braker trifásico: Está diseñado para proteger un circuito eléctrico de los daños causados por sobre carga o corta circuito. Su función básica consiste en detectar una condición de fallo y mediante la interrupción de la continuidad, suspender el flujo eléctrico.
Figura 1.10. Braker Trifásico Fuente: http://www.acuaristasdevenezuela.com.ve/portal/expliquenme-mas-como-sonlos-relee-vt1799.html
1.5.7. Motor Eléctrico: Es una máquina eléctrica que transforma la energía eléctrica
en
energía
mecánica,
esto
se
da
por
las
interacciones
electromagnéticas. Estos pueden hacer la función contraria en la que se convierten en generadores.
Son utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Y pueden funcionar conectándose a una red de suministro eléctrico o a una batería.
12
Figura 1.11. Motor Eléctrico Fuente: http://simtelec.blogspot.com/2010_05_01_archive.html
1.5.8. Contactor trifásico: Es un componente electromecánico que tiene como función de establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de mando o en el de potencia. Tiene dos posiciones de funcionamiento que son: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna de parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa el circuito de mando.
Figura 1.12. Contactor Trifásico Fuente: http://usuarios.multimania.es/cermial/links.html
13
1.6. PRESIÓN 1.6.1. Definición: La presión es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa), que equivale a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado.
La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por: Fórmula:
(3)
En general, donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como: Fórmula:
(4) Donde
es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se
pretende medir la presión. 14
1.6.2. Densidad de fuerza: La densidad de fuerza
, en el seno de un fluido no-
viscoso, o cualquier fluido en reposo, es igual al gradiente de la presión:
Fórmula:
(5)
Si hace referencia a la fuerza gravitacional, la densidad de la fuerza es el peso específico. La anterior igualdad hace que podamos interpretar a la presión como energía potencial por unidad de volumen.
1.6.3. Presión absoluta y relativa
1.6.3.1. Presión Absoluta: Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad de las moléculas son muy pequeñas.
Este término se creó debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un término absoluto unifica criterios.
15
1.6.3.2. Presión Manométrica: Son generalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.
La presión puede obtenerse sumando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.
Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.
1.7.
UNIDADES
DE
MEDIDA
Y
PRESIÓN
Y
SUS
FACTORES
DE
CONVERSIÓN: La presión es una fuerza por unidad de superficie y se expresa en unidades tales como pascal, bar, atmosferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En él Sistema Internacional (S.I.) está normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrología Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m²), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo.
16
Tabla 1.1. Tabla de Unidades de Presión (T1)
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Presión
La presión se puede medir en valores absolutos o diferenciales. En la Figura 1.13. se indica las clases de presión que los instrumentos miden comúnmente:
Figura 1.13. Clases de presión Fuente: http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml
17
1.8. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DIÉSEL:
1.8.1. Antecedentes: El motor diésel lleva este nombre en honor a su creador Rudolf Diesel, que creó un el primer motor 1897, desde donde comienza su historia. (Figura 1.14)
Figura 1.14. Motor Diésel Fuente: http://dieseldeutz.blogspot.com/2010/12/motores-caterpillar-de-la-serie3500b.html
1.9. FUNCIONAMIENTO: Este motor es aquel que combustiona diésel como su combustible. Se comprime el aire en el compartimento interior de los cilindros. Cuando la temperatura del aire que se encuentra dentro del cilindro empieza a elevársela temperatura, debido a la excesiva presión generada en el cilindro la que es producida por una alta relación de compresión, el combustible se inyecta 18
en forma pulverizada dentro del motor y la combustión espontánea del combustible ocurre. (Figura 1.15)
Figura 1.15. Funcionamiento Motor Diésel Fuente: http://webdelautomovil.com/2007/09/el-motor-diesel-12
2. BIODIÉSEL
2.1. ANTECEDENTES: La producción de biodiésel en el país puede resultar muy beneficioso debido al incremento acelerado a nivel mundial del precio del petróleo, se convierte en una ventaja para los países que son productores a gran escala de aceites vegetales, debido a que de estos aceites se pueden derivar biocombustible útiles para el consumo tanto en el campo industrial como particular.
19
La dependencia del Ecuador por la importación de combustible como GLP, Diesel, Nafta, etcétera, es una realidad que preocupa a nivel económico al país. Con la producción nacional de biocombustibles se reduciría el porcentaje de importación de dichos combustible fósiles anteriormente mencionados, y se generarían más fuentes de trabajo, lo que mejoraría en cierta forma la situación económica y ecología del país.
El biodiésel por ser un biocombustible es totalmente renovable y biodegradable, este produce menos emisiones dañinas al medio ambiente que las producidas por los combustibles fósiles lo que contribuye a la disminución de CO2 en el ambiente.
2.2. DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIONES DEL BIODIÉSEL: Es un hidrocarburo en estado líquido, el cual es producido a base de las grasas animales y aceites vegetales, siendo el girasol, la colza y la soja las materias primas más utilizadas. El biodiésel tiene características casi exactas a las que tiene el diésel común en lo relacionado a su densidad y número de cetano. También, posee un punto de inflamación mucho mayor. Es por esto que, el biodiésel puede usarse en motores e incluso sustituir totalmente a otros combustibles si se adaptan éstos convenientemente.
La definición de biodiésel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard), asociación internacional de normativa de calidad) lo define como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena
20
larga derivados de lípidos renovables como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión.
Los ésteres más utilizados son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo costo y sus ventajas químicas y físicas.
A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima, es por esto que es preciso tener en cuenta las características de los mercados agrícolas, junto a la complejidad que ya de por sí presentan los mercados energéticos.
En general, cabe destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente.
Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras políticas como la agrícola, favoreciendo la creación de empleo en el sector primario, la fijación de población en el ámbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrícolas.
En cuanto a la utilización del biodiésel como combustible de automoción, ha de señalarse que las características de los ésteres son más parecidas a las del diésel común que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es 21
dos veces superior a la del diésel frente a diez veces ó más de la del aceite crudo; además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. Tabla 2.1. Propiedades del Biodiésel (T2)
Fuente: Mehlenbacher, V. Análisis de Grasas y Aceites. Madrid: Urmo, 1977.
22
2.3. COMPATIBILIDAD DEL BIODIÉSEL CON LOS ELEMENTOS: El biodiésel no es compatible con polímeros (materiales aislantes) que muestran un comportamiento elástico, fabricados con caucho natural y piezas de cobre.
“En una prueba realizada por el Instituto de Investigación de Southwest sobre la resistencia a la tensión, elongación, dureza y variaciones de volumen de ciertos elastómeros en presencia de mezclas de biodiésel como: B100, B20 y B30, se comprobó que es compatible con todos los elastómeros probados (Teflón, Nylon 66, Nitrilo, Viton A401C (caucho sintético), Viton GFLT, Fluorsiliconas, Poliuretano, Polipropileno) aunque hubo pequeñas diferencias con la goma de Nitrilo. Los elastómeros que mejor desempeño tuvieron con el biodiésel son el Teflón, Viton 401C y Viton GFLT” (http://www.biodiesel.org/).
El biodiésel con el tiempo llegara a
ablandar y degradar algunos tipos de
elastómeros y compuestos de caucho natural usados en mangueras y bombas de combustible antiguas.
La mayoría de los vehículos construidos después de 1994 poseen tuberías y sellos completamente sintéticos, con lo cual no sufrirán este problema. Los vehículos más viejos deben ser modificados antes de utilizar altos porcentajes de mezcla para asegurarse que el sistema de alimentación de combustible no contenga elastómeros incompatibles con el biodiésel.
Los fabricantes recomiendan que las gomas butílicas o naturales no entren en contacto con biodiésel puro, pues quedarán pegajosas y se disolverán 23
Además el biodiésel
tiene un efecto solvente que puede liberar depósitos
acumulados en las paredes del tanque de combustible o en las tuberías, obstruyendo los filtros del sistema.
Se debe tomar precauciones para evitar que estos depósitos consigan llegar a los filtros de combustible del motor.
2.4. MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIÓN DEL BIODIÉSEL: Las materias primas más comunes utilizadas para la fabricación de biodiésel son los aceites de fritura usados y el aceite de colza ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos.
También se usa el aceite de girasol y el de palma, se puede decir que la producción de biodiésel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extraídos de plantas oleaginosas. Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiésel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca, etcétera).
A continuación se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiésel:
Aceites vegetales convencionales
Grasas animales
Aceites de fritura usados
Aceites de otras fuentes 24
2.4.1. Aceites vegetales convencionales: Las materias primas utilizadas convencionalmente en la producción de biodiésel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soja (Estados Unidos, Brasil y Argentina) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia, Indonesia y Ecuador).
Por razones climatológicas, la colza (Brassica napus) se produce principalmente en el norte de Europa y el girasol (Helianthus annuus) en los países mediterráneos del sur.
2.4.2. Aceites de fritura usados: El aceite de fritura usado es una alternativa que tiene buenas perspectivas en la producción de biodiésel, ya que es la materia prima más barata, y con su utilización se evitan los costos de tratamiento como residuo.
Por su parte, los aceites usados presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como biocombustible.
2.4.3. Grasas animales: Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificación para obtener biodiésel.
25
El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación, empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de animales.
2.4.4. Aceites de otras fuentes: Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, así como a partir de micro algas.
Para la producción de biodiésel en nuestro proyecto se ha seleccionado un aceite vegetal convencional (aceite de palma), este aceite de palma es una de los mas producidos a nivel mundial y según los estudios realizado por las USDA (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos), el Ecuador se encuentra entre los 6 países con mayor producción de aceite de palma a nivel mundial.
26
Tabla 2.2. Producción de Aceite de Palma en el Mundo (T3)
Fuente: USDA, Fedepalma. http://www.fedepalma.org/
En la actualidad en el Ecuador existen alrededor de 230.000 Has de cultivo de palma africana, un porcentaje de estas pertenecen a industrias que cuentan con excelente infraestructura y tecnología para la extracción y refinación de dicho aceite lo que garantiza tener un producto de primera calidad.
Según las fuentes del último censo realizado por la ANCUPA (Asociación Nacional de Cultivadores de Palma Aceitera), las provincias con mayor producción en el Ecuador, son: Bolívar, Esmeraldas, Pichincha y La Concordia.
Podemos observar que las provincias de mayor producción están muy cerca de la capital, por lo que se selecciono el aceite de palma como materia prima para la obtención del biodiesel en nuestro proyecto.
27
Tabla 2.3. Producción de Biodiésel en el Ecuador (T4)
2.5. REACCIONES EN LA PRODUCCIÓN DEL BIODIÉSEL: El método más utilizado comercialmente para la obtención de biodiésel es la transesterificación (también conocida como alcoholisis).
Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo 18 el más común) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir ésteres y glicerina (esta es utilizada en la industria cosmética, alimentaria, farmacéutica, etcétera).
La reacción de transesterificación, que se explica en la Figura 2.1., 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
28
cantidad adicional de alcohol para trasladar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal ingrediente del aceite vegetal y la grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible (que no se puede mezclar con otros elementos homogéneamente) con los ésteres metílicos, es importante en la obtención del biodiésel.
Figura 2.1. Reacción de transesterificación Fuente: http://go-chemistry.blogspot.com/2009/09/como-se-fabrica-el-biodiesel.html
En la gráfica 2.2 se pueden observar las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificación, la cual consiste químicamente en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido sucesivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado.
29
Figura 2.2. Reacciones en la transesterificación Fuente: http://nobiodiesel.blogspot.com/2009/11/materias-primas-y-reacciones-del.html
En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento, sin este no sería posible la reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H2, SO4, HCl, H3PO4, RSO3), ácidos héterogeneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogeneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos estos;
los
catalizadores
homogéneos
básicos
son
lo
más
utilizados 30
comercialmente ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas.
En la reacción de transesterificación, cuando se utiliza un catalizador ácido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos más largos de reacción, por ello es frecuente el uso de derivados de ácidos más activos.
Debido a esto, la utilización de álcalis, es la opción más utilizada a escala industrial, indica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (<0,06 % v/v) para evitar que se produzca la saponificación. Igualmente, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones.
De esta manera las reacciones secundarias que se pueden dar son las siguientes:
Reacción de saponificación.
Reacción de neutralización de Ácidos grasos libres.
El triglicérido reacciona con el catalizador básico, consumiendo éste, en presencia de agua dando lugar a la formación de jabones (reacción de saponificación), tal y como se puede ver en la gráfica 2.3.
31
Figura 2.3. Reacción de saponificación Fuente: http://www.biodiesel.com/biodiesel-que-es-el-biodiesel-definicion-de-biodieselmaterias-primas-mas-comunes/la-produccion-de-biodiesel-materias-primas-procesoscalidad/
La saponificación se amplifica cuando se utiliza el hidróxido potásico o sódico, ya que sus moléculas contienen los grupos OH responsables de esta reacción.
Además, cuando se utilizan estos catalizadores, se debe tener especial precaución con las condiciones de reacción, especialmente la temperatura y la cantidad de catalizador básico, para disminuir al máximo la saponificación.
Sin embargo, los metóxidos sólo contienen el grupo OH como impureza, por lo que su aplicación no produce prácticamente jabones por saponificación. Por ende, se deben utilizar aceites y alcoholes esencialmente anhidros, ya que el agua favorece la formación de jabones por saponificación.
Por esta razón, se debe eliminar el agua, mediante evaporación, en los aceites que contengan humedad antes de llevar a cabo la transesterificación.
32
Hay dos maneras de eliminar los ácidos grasos libres presentes en el aceite, se puede proceder a su neutralización, ya que los ácidos grasos presentes en el aceite vegetal pueden reaccionar con el catalizador básico (fundamentalmente NaOH) en presencia de agua, ocurriendo una reacción indeseable, obteniéndose como en el caso anterior jabón, como se puede ver en la Figura 2.4.
Otra manera de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción de esterificación con un catalizador ácido con lo que se formaría el éster metílico.
Figura 2.4. Obtención de jabón Fuente: www.ugr.es/~quiored/qoamb/Jabon.doc
2.6. PROCESOS EN LA PRODUCCIÓN DEL BIODIÉSEL: La transesterificación (proceso industrial de producción) consta de tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido sucesivamente
en diglicérido,
monoglicérido y glicerina.
En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización.
33
En este punto se mencionaran los diferentes procesos para la producción de biodiésel entre los que comprenden el proceso general de transesterificación y el proceso general de esterificación, aunque usualmente en este último el proceso se utiliza en combinación con el de transesterificación a partir de los ácidos grasos, subproductos de este proceso, para la producción de biodiésel.
Además también se comentaran estos procesos en discontinuo y en continuo, para finalizar con el proceso en condiciones supercríticas donde no es necesario añadir catalizadores.
2.6.1. Proceso discontinuo: Es el método más simple para la producción de biodiesel donde se han publicado mezclas de 4 a 1(alcohol: triglicérido), se lo produce en reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo.
Las temperaturas de operación más habituales son de 65º C, aunque rangos de temperaturas desde 25º C a 85º C también han sido publicadas.
El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5%. Es imprescindible una rápida agitación para una correcta mezcla del aceite, el catalizador y el alcohol, ya acercándose al fin de la reacción, la agitación debe ser menor para que el glicerol pueda separarse de la fase éster.
34
En la transesterificación, al utilizar catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos prolongados de reacción.
Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas (Figura 2.5.), con la eliminación del glicerol entre ellas, así se puede aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%.
Temperaturas mayores y cantidades superiores de alcohol pueden aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora.
Figura 2.5. Proceso discontinuo Fuente: http://qopi3.blogspot.com/2008/03/procesos-de-obtencin-del-biodisel.html
2.7. APLICACIONES: Los carburantes obtenidos a partir de cultivos y de otras materias orgánicas, los llamados biocarburantes, presentan una serie de ventajas para el sector del transporte. En primer lugar, los biocarburantes pueden contribuir a reducir el crecimiento en las emisiones de dióxido de carbono (CO2).
35
Los ésteres metílicos derivados de los aceites vegetales poseen características físicas y fisicoquímicas parecidas al diésel común, lo que permite mezclarlos en cualquier proporción y usarlos en los vehículos a diésel, sin realizar importantes modificaciones en el diseño básico del motor, pero en proporciones superiores al 5% es necesario reemplazar los materiales del circuito de alimentación de combustible por otro más resistente debido a que el biodiésel tiene mayor poder disolvente.
Tabla 2.4. Propiedades de los Esteres Metilicos Derivados de Aceites. (T5)
Fuente: Biocarburantes líquidos: biodiésel y bioetanol, Juan Manuel García Camús, José Ángel García Laborda p. 56
2.7.1. Biocombustibles obtenidos a partir del biodiesel: El Biodiésel posee varios tipos de mezclas para la obtención de biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades:
36
B20: El biocombustible B20 significa una mezcla del 20% de Biodiésel y el
80% de diesel normal. El B20 es la mezcla de biocombustible de Biodiésel más utilizada en Norteamérica.
B100: El biocombustible B100 significa biodiesel al 100% sin mezcla
alguna con diesel normal. Es un producto 100% ecológico con bajas de emisiones nocivas a la atmósfera. El único inconveniente es que en los motores de vehículos antiguos (años anteriores a 1994) se debe reemplazar los conductos de goma del sistema del combustible por otros materiales más resistentes al biodiésel.
2.7.2. Aplicaciones de la glicerina y su problemática: En la producción del biodiésel, se forman entre el aceite y el alcohol, normalmente metílico, ésteres en una proporción que se aproxima al 90% y un 10% de glicerina. La glicerina es un subproducto muy valioso que refinada tiene un importante uso en el campo farmacológico.
La glicerina es eliminada en el proceso de lavado con agua. Sin embargo, la glicerina puede hallarse en el biodiesel como consecuencia de un proceso inapropiado, como una insuficiente separación de la fase de glicerina o un insuficiente lavado con agua.
La glicerina se emplea en la fabricación, conservación, ablandamiento y humectación de gran cantidad de productos, éstos pueden ser resinas alquídicas (polyester), celofán, tabaco, explosivos (nitroglicerina), fármacos y cosméticos, espumas de uretano, alimentos y bebidas, etcétera. 37
Así, como subproducto de la producción de biodiésel se obtiene por tanto glicerina, de calidad farmacéutica e industrial.
Estas glicerinas tienen un valor económico alto y su comercialización forma parte de la rentabilidad del biodiésel.
3. EVALUACIÓN ECONÓMICA FINANCIERA
3.1. ANÁLISIS DE MERCADO En la actualidad, el incremento de la contaminación por la alta producción de las emisiones de carbono a la atmósfera ha traído como consecuencia la intensificación del efecto invernadero en nuestro planeta, y se conoce que uno de los principales causantes de esto es el petróleo. En esta época que vivimos de concientización ambiental, nos impulsa a todos los países a tratar de encontrar y poner en marca otras formas de generar energías renovables y limpias, una de estas son los biocombustibles.
Analizando lo expuesto anteriormente, en el Ecuador, nace la industria del biodiesel, la que como muchas otras industrias nacientes, es susceptible a crecer en forma desordenada y sin un rumbo definido. Estas razones han propiciado el presente análisis, con la finalidad de desarrollar una guía y fuente de información para las empresas o personas que se decidan a incursionar en la producción de biodiesel.
El realizar un análisis de la industria, esto describe las características técnicas del 38
diesel y del biodiesel, los insumos y las materias primas que se pueden utilizar en el proceso productivo. De la misma manera podemos analizar el entorno interno y externo de la industria del biodiesel, concluyendo que una de las principales ventajas de esta industria en nuestro país, es la alta producción de materia prima de origen nacional, en el corto plazo. Lo que nos hace uno de los países con mayor producción de materia prima de la zona, y hace que los costos de la materia prima se mucho más económico y ser menos vulnerable a las fluctuaciones de los precios internacionales del aceite vegetal.
Punto de equilibrio El punto de equilibrio es usado frecuentemente por las empresas para poder determinar si el negocio va a tener una rentabilidad el giro del negocio en determinado tiempo o cantidad de producto. En donde los ingresos totales recibidos sean iguales a los costos relacionados con la venta del producto.
Con este ejercicio lograremos calcular el PUNTO DE EQUILIBRIO de nuestro proyecto:
La información que se requiere para realizar el cálculo son los siguientes:
Costo Fijo..... = $ 1450 Ventas.......... = $ 4375 Costo Ventas = $ 2850
Comencemos: 39
Punto de equilibrio en ventas (Peq$) Peq($) = (Costo Fijo) / (1 - (Costo Ventas / Ventas)) Hemos encontrado que el punto de equilibrio de nuestras ventas es de 4159.5 $,
a.1) Porcentaje del costo de ventas en Punto de Equilibrio (CV%): Este se obtiene dividiendo el Costo de Ventas sobre las Ventas Totales: 0.6514
a.2) Costo de Ventas en Punto de Equilibrio: Para obtener el costo multiplicamos el resultado anterior (CV%) por las ventas en punto de equilibrio:
2709.5
a.3) Estado de Resultados:
Para obtener este Estado de Resultados restamos el costo de ventas de las ventas, y el resultado de esta operaciรณn le restamos el costo fijo, lo que no debe dar como respuesta 0.
40
3.2. EVALUACIÓN ECONÓMICA: A continuación se indica el estudio económico del proyecto.
3.2.1. Misceláneos
Tabla 3.1 Misceláneos
Descripción
Cantidad / Uso
Costo
Total proyecto
(USD)
(USD)
Copias e
Total de copias e
Impresiones
impresiones
55,00
55,00
Útiles de oficina
Total de útiles
10,00
10,00
Transporte
Total de Combustible
100,00
100,00
Electricidad
14 meses
10,00/mes
140,00
Servicio Internet
14meses
5,00/mes
70,00
TOTAL:
375,00
41
3.2.2. Costos directos
3.2.2.1. Remuneraciones a mano de obra externa
Tabla 3.2 Remuneraciones a mano de obra externa Valor hora Valor total Recurso humano
Horas (USD)
(USD)
Torno Oxicortes
4,5
10
45,00
Taller Mecanica General Industrial
15
10
150,00
Taller AutoFix (Ensablaje y Suelda)
10
10
100,00
TOTAL:
295,00
3.2.2.2. Remuneraciones a estudiantes
Tabla 3.3 Remuneraciones a estudiantes Valor Recurso humano Horas / semana Semanas Valor/hora (USD)
total
Abad Mauricio
30
56
0
0
OrtĂz Santiago
30
56
0
0
TOTAL:
0
42
Para poder dar finalización a este proyecto se necesitó un trabajo de 6 horas al día en días laborables, por un tiempo de 14 meses, esta cantidad de tiempo por cada uno de los miembros del grupo; lo que da un total de 3360 horas para la finalización del proyecto.
3.2.2.3. Materiales utilizados
Tabla 3.4 Costos materiales Ítem
Cantidad
Motor 0,6 HP
1 und.
Plancha acero inoxidable de un espesor de
1 und.
Costo
Total
(USD)
(USD)
90,00
90,00
348,21 348,21
3 mm, 1220 mm de ancho y 2440 mm de largo Perfil de acero 40x1,5 (1”1/2x1,5) - Angulo
12 mts.
14,31
28,62
Electrodos Acero inoxidable AGA 6011 1/8
100 und.
0,28
28,00
Electrodos Acero inoxidable AGA 3/32
100 und.
0,55
55,00
Arandelas Planas
8 und.
0,18
1,44
Arandelas de Presión
8 und.
0,18
1,44
Neplo Galvanizado 1”x 10
1 und.
0,58
3,48
Rodamiento bolas ½
1 und.
2,00
2,00
Disco de corte metal 4 ½ x 1/16
2 und
2,23
4,46
Disco desbaste met siea 4” x ¼ x 7/8
1 und.
2,45
2,45
Termoresistencia 110v- 30 amp- 150°C
1 und.
40,00
40,00
Cable Gemelo 2 x 10
6 mts.
1,97
11,82
40x4mm
43
Cable cuenca flexible 16
3 mts.
0,25
0,76
Riel DIN-35mm Aluminio
1 Und.
3,00
3,00
Wash Primer (Antioxidante)
1 litro.
5,00
5,00
Caja Estanca JSL 22 x 17 x 13 lisa
1 und.
9,19
9,19
Termoswitch
1 und.
14,00
14,00
Pulsador marcha 1NA + 1NC
1 und.
3,81
3,81
Caucho
3 mts.
1,00
3,00
Prisionero 10 mm x 5 mm
2 und.
0,30
0,60
Breaker 3P 32A trifรกsico
1 und.
15,71
15,71
Luz piloto
1 und
1,22
1,22
Contactor Trifรกsico
1 und
14,68
14,68
Amarras plรกsticas
100 und.
0,05
5,00
TOTAL: 692.89
3.2.2.4. Insumos
Tabla 3.5 Costos insumos
ร tem
Cantidad
Costo
Total
(USD)
(USD)
Wipes
10 und.
0,10
1,00
Diluyente (Tinner)
2 Galones
3,00
6,00
Cinta Aislante (Tape)
5 und.
0,90
4,50
Soda Caustica
3 kg
1,10
3,30 44
Aceite vegetal
100 galones
3,10
310,00
Metanol
40 litro.
4,00
160,00
Total:
484,80
3.2.2.5. Total General: El gasto total general del proyecto en mención fue de 1847,69 (USD). Este valor es 7,62% menos de lo que se presupuestado en el principio cuando fue presentado el plan de tesis que se estimaba sería de 2000 (USD), incluyendo un imprevisto de 200 (USD).
3.3. EVALUACIÓN FINANCIERA
3.3.1. Financiamiento del Proyecto: El financiamiento de los recursos que fueron utilizados para este proyecto, salieron única y directamente de los integrantes del grupo el cual lo realizó.
Tabla 3.6 Financiamiento del proyecto
Rubros
Presupuesto
Recursos Propios (USD)
Costos Indirectos
375,00
375.00
Costos directos
987,89
987,89
Insumos
484,80
484,80
45
TOTAL GENERAL:
1847,69
1847,69
Tabla 3.7 Variación Gasto Real vs. Presupuesto Estimado
Variación Gasto Real vs. Presupuesto Estimado
Presupuesto Estimado (USD) Real (USD) Variación (USD) Ahorro 2000
1847,69
-152,31
-7,62%
3.3.2. Entidades de financiamiento
Tabla 3.8 Entidades de financiamiento del proyecto
ENTIDAD
MONTO (USD)
Propios
1847,69 TOTAL:
1847,69
En definitiva está demostrado que usar biodiésel en vez de diésel convencional es una excelente opción, ya que el biodiésel es un combustible limpio, seguro y que se puede usar en cualquier vehículo o camión que funcione con diésel.
Se estima que un productor doméstico con cierta experiencia en la producción de biodiésel, a partir de aceite de palma, podría llegar a producir un litro de biodiésel por un valor de 25 a 30 centavos de dólar americano. Esto da como resultado que 46
es muy factible la introducción al mercado si se lo produce en cantidades industriales debido a que esto reduciría significativamente el valor unitario del litro en un 40 a 45%.
Ya que los precios del diésel están variando mucho actualmente, como promedio hoy en día en el ecuador se está consiguiendo el litro de diésel en 30 centavos de dólar por litro. Se puede dar cuenta que resulta más económica la producción de biodiésel, aparte de que se contribuye a mejorar el medio ambiente.
Hay que tener muy presente de la existencia de libros y videos para fabricar biodiésel, ya que esto no es algo que se pueda aprender tan solo mirándolos o leyendo (10 minutos), para llegar a los precios que se menciona anteriormente se necesita de mucha práctica, experiencia y conocimiento en el tema.
Como conclusión se diría que una producción bien controlada técnica y económicamente puede llegar a ser muy rentable a nivel económico y ambiental.
4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL REACTOR
4.1. FLUJO DE DISEÑO
4.2. MATERIALES: En la siguiente tabla anexada se detalla la lista de los materiales e insumos y las características de los mismos que fueron utilizados para la construcción del reactor, su estructura y su panel de mando.
47
En este tipo de proyecto lo recomendable es trabajar con acero inoxidable para la construcción del reactor y no utilizar bronce, cobre, aluminio, debido a que estos materiales no son compatibles con el biodiésel.
Tabla 4.1 Materiales utilizados en la construcción del Reactor
Ítem
Características
Cantidad o dimensión
Motor
0,6 hp de fuerza y 500
1 und
rpm´s Plancha acero inoxidable
Espesor de 3 mm, 1220
1 und
mm de ancho y 2440 mm de largo Perfil estructural de acero
40x1,5 (1”1/2x1,5) - Angulo
12 mts.
40x4mm Electrodos Acero
Inoxidable AGA 6011 1/8.
100 und.
Electrodos Acero
Inoxidable AGA 3/32.
100 und.
Arandelas
Plásticas medianas color
8 und.
negro Arandelas
Metálicas de presión.
8 und.
Neplo
Acero inoxidable 1”x 10
1 und.
Rodamiento
De rodaje por sistema de
1 und.
bolas ½. Disco
De corte metal 4 ½ x 1/16
2 und.
48
Disco
De desbaste met siea 4” x
1 und.
¼ x 7/8. Termoresistencia
110v- 30 amp- 150°C.
1 und.
Cable
Gemelo 2 x 10.
6 mts.
Cable
Cuenca flexible 16.
3 mts.
Riel DIN
35mm Aluminio 1 Und.
1 Und.
Wash Primer
Producto antioxidante para
1 litro.
hierro virgen.1 litro. Caja
Plástica, Estanca JSL 22 x
1 und.
17 x 13 lisa. Termoswitch
Controlador
de
1 und.
temperatura de 0 a 90°C. Pulsador
Marcha y paro 1NA + 1NC
1 und.
1 und. Caucho
Tipo murciélago.
3 mts.
Prisionero
10 mm x 5 mm.
2 und .
Breaker
3P 32A trifásico.
1 und.
Luz piloto
8mm color verde 220v
1 und.
Contactor Trifásico
Lc1-d32 220v 10hp ac1
1 und.
50ª AC3 32A Amarras
Plástico color negro.
100
d.
49
4.3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TANQUE
4.3.1. Diseño del Tanque: El diseño que se realizó del tanque del reactor está dimensionado para almacenar alrededor de 300 litros de aceite de palma, pero por motivos de seguridad industrial y mejor procesamiento, se ha decidido utilizar solo el 80% de dicho tanque para la producción, es decir que para el proceso de obtención del biodiésel solo se utilizará un máximo de 240 litros de aceite vegetal con lo que se tendrá una producción de combustible vegetal de aproximadamente 192 litros.
La cámara de ebullición de este reactor diseñado para procesar 240 litros de aceite de palma, comprende el volumen del cilindro más el volumen del cono. A continuación se calculará el volumen total de la cámara teniendo que:
Volumen del Cilindro: Fórmula: Manual de construcción y uso de reactor para producción de biodiésel a pequeña escala, Fernando Acosta, Paula Castro, Elsa Cortijo, Serie Manuales 37
Vcilindro = π ∙ r² ∙ h (6) Vcilindro = 3,1416 ∙ 36,2²cm ∙ 66cm Vcilindro = 271713,33 cm³ = 271,71 lts
Volumen del Cono: Fórmula: Manual de construcción y uso de reactor para producción de biodiésel a pequeña escala, Fernando Acosta, Paula Castro, Elsa Cortijo, Serie Manuales 37
50
Vcono = π ∙ r² ∙ h (7) 3 Vcono = 3,1416 ∙ 36,2²cm ∙ 20cm 3 Vcono = 27445,79cm³ = 27,45 lts Volumen Total de la Cámara de Ebullición:
Vtotal = Vcilindro + Vcono
Vtotal = 271,71 + 27,45
Vtotal = 299,16 lts ≈ 300 lts
4.3.2. Construcción del Tanque: Se tomó en cuenta el Ph de la solución catalizadora, y la acidez del aceite a utilizar, y al verificar su factor corrosivo procedimos a seleccionar como material del tanque el acero inoxidable, con lo que conseguiremos obtener una reacción limpia de impurezas.
La plancha seleccionada es de un espesor de 3mm ya que la producción será a pequeña escala entonces la corrosión no la afectara en un lapso de tiempo importante.
Los tanques deben tener un fondo cónico ya que esta característica les permite aprovechar la ventaja la presión hidrostática que genera el líquido en el interior del 51
cono para incrementar la velocidad de descarga. Con esto conseguimos una evacuación de la glicerina y el biodiesel de una manera más adecuada y fluida.
Para poder soldar este materia con el cual hemos decidido elaborar el tanque por sus propiedades, debemos seleccionar un electrodo adecuado que tenga similares características de resistencia a la corrosión y este electrodo es de marca AGA 3/32, el cual tiene como cualidad un alto contenido de carbono lo que le hace un electrodo apto para soldar en acero inoxidable, y son recomendados para sueldas expuestas a la corrosión y picaduras.
También se selección el tipo de soldadura a realizar en el tanque, la cual nos va a garantizar un sellado adecuado y evita posibles fisuras. El tipo de soldadura seleccionado es el de “cordón continuo de soldadura de arco eléctrico con electrodo revestido”, este método es el más económico y seguro, debido a que se puede obtener mayor dureza en la suelda por la uniformidad y cantidad de material aportado por cada espacio del área a soldar, también este tipo de suelda tiene la ventaja de que al hacer una suelda continua, evitamos que se queden espacios de aire internos en el cordón lo que podría producir futuras fisuras o fugas del liquido.
Por el análisis realizado anteriormente se tomo este tipo de suelda para todos los proceso de soldadura de la construcción de la maqueta. Se procede a la adquisición de una plancha de acero inoxidable, que tiene las siguientes características, un espesor de 3 mm. (Figura 4.1)
52
Figura 4.1. Plancha de Acero Inoxidable
Luego se procede a realizar un corte en la plancha de acero inoxidable en forma de un rectángulo de 2290 mm x 1048 mm, la que se utilizará para la construcción del cilindro del reactor, al tener recortada la plancha de las dimensiones anteriormente expresadas, se envía la plancha a una dobladora.
En la que existe una máquina llamada enrolladora, en la cual se inserta la plancha y a través de unos rodillos los cuales ejercen una fuerza sobre plancha, y esta va tomando una forma ondular, para lograr obtener una ondulación de 360 grados hay que repetir este proceso de 4 a 5 veces por el espesor de la plancha y ejercer más fuerza sobre la plancha en cada proceso hasta obtener el resultado deseado.
Adicionalmente, a esto se deberán cortar una plancha en una forma circular de 730 mm de diámetro, con las que se construirá la tapa.
Para poder proceder a la elaboración del cono del tanque se mide y se calcula el diámetro del borde exterior del cilindro. Siendo esta medida una de las más 53
importantes, por lo que debe ser medida con alta precisión para evitar errores en los cálculos de construcción que se harán posteriormente. (Figura 4.2)
Figura 4.2. Medidas del Tanque y Cono Fuente: Manual de construcción y uso de reactor para producción de biodiésel a pequeña escala, Fernando Acosta, Paula Castro, Elsa Cortijo, Serie Manuales 37, p. 11.
En la Figura 4.2 se puede observar un esquema del fondo cónico del reactor, donde:
D1 es el diámetro del cilindro,
r es el radio,
h es la altura del cono, y
hi es la medida que indica el largo del cono o la altura inclinada.
Para poder dar el diseño al cono del tanque, el primer paso que hay que realizar es obtener la medida de hi, la que se puede obtener a través del teorema de Pitágoras: Fórmula: http://www.vitutor.com/geo/eso/as_f.html 54
(8) El resultado que se obtiene de hi indicará cual es el radio del círculo que debe tener en la plancha. El valor del diámetro 2 o D2 es el resultado de la suma de hi + hi, este diámetro nos indica el tamaño de la plancha para elaborar el cono. En el siguiente gráfico se puede apreciar el corte que hay que realizar para poder conseguir la forma del cono y luego soldarlo. (Figura 4.3)
Figura 4.3. Distancias de la Circunferencia para formar el Cono Fuente: Manual de construcción y uso de reactor para producción de biodiesel a pequeña escala, Fernando Acosta, Paula Castro, Elsa Cortijo, Serie Manuales 37, p. 11
Al momento de tener lista la plancha cortada con el D2 se realiza una marca de 2” de diámetro en el centro, en la que se acoplará un acople en la que se enroscara la tubería de desfogue. (Figura 4.4)
55
Figura 4.4. Neplo Galvanizado En la parte más estrecha del cono se procede a colocar y soldar una malla de acero inoxidable (Figura 4.5), con la que se logrará impedir que el NaOH (hidróxido de sodio) tapone la tubería de salida, esto es preventivo ya que la soda caustica suele disolverse antes de llegar a fondo, pero hay casos que esto no sucede y con la malla colocada se previene el taponamiento antes mencionado.
Figura 4.5. Malla Metálica
56
Una vez que el cilindro y el cono ya se encuentren soldados en conjunto, se procede a marcar los sectores específicos en donde se van a realizar los agujeros en los que se instalarán los diferentes componentes, como se observa en la Figura 4.6; en las marcas realizadas se procede a perforar la plancha de acero inoxidable a la medida necesaria para cada componente, estos agujeros se realizan con base al diseño hecho anteriormente.
Figura 4.6. Marcaje para elaborar agujeros
Luego, se elaborará la base del motor de acuerdo con lo que indican los planos del anexo y, a su vez se fabrica la tapa del tanque en la que se sueldan 4 platina y 4 en el cilindro en las que se procederá a realizar una perforación de manera uniforme, las que servirá para colocar en cada una de estas los pernos que sujetarán y mantendrán la tapa cerrada. (Figura 4.7)
57
Figura 4.7. Orejas de sujeción de tapa
Luego se señalarán los lugares en donde se realizarán las perforaciones para los pernos y donde se soldarán las tuercas para la base del motor. (Figura 4.8)
Figura 4.8. Motor en la Base
El motor se coloca en el soporte correspondiente (Figura 4.8). Este soporte está dimensionado para soportar las especificaciones del motor en uso, más no de motores de mayor peso, caballaje o revoluciones. 58
4.4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL AGITADOR
4.4.1. Diseño del Agitador: El diseño que se utilizó para el agitador está basado en el factor de tiempo de mezcla que se necesita para poder realizar una mezcla perfecta en los 240 litros que se van a procesar. Mientras más tiempo de mezcla se tenga en grandes cantidades de aceite de palma, mejor mezclado se va a obtener.
Por el motivo señalado anteriormente se seleccionó un tipo de paletas abiertas planas estas paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque lo que generan una agitación suave, e impulsan el fluido radial y tangencialmente es decir hacia fuera hasta la pared del tanque y esto hace que fluya hacia arriba y hacia abajo.
Dimensionamiento de las paletas: Diámetro del Agitador Da: Fórmula: (Smith, C. Control Automático de Procesos. 2ª.ed. México: Limusa, 1995).
Da/Dt = 1/3
(9)
Da/72,4 = 1/3 Da = 24,133 cm Ancho de la Paleta W: W/Da = 1/5 W/24,133 = 1/5 W= 4,866 cm 59
Cálculo de potencia del agitador: Φt= diámetro del tanque (m) N= número de rpm µ= viscosidad del fluido (Pa.s) p= densidad del fluido (kg/mᵌ) Para lo cual: µ= 0,02585 Pa.s p= 1055 kg/ mᵌ Nʀᴇ= Número de Reynolds Nʀᴇ= Φt² ˑ N ˑ p / µ rpm= 77 Nʀᴇ= 0,24² ˑ 1,27 ˑ 1055 / 0,02585 Nʀᴇ= 2985,507
Con el número de Reynolds se utilizó la gráfica de correlaciones de potencia tomando en cuenta la curva 5: propulsor inclinado sin deflectores (anexo) teniendo en cuenta un valor de:
Np= 0,38 Np= P / (1,27)ᵌ ˑ (0,24) ˑ 1055 P= 0,65 hp
60
4.4.2. Construcciรณn del Agitador: Posteriormente a todo lo antes mencionado, se procede a la elaboraciรณn del eje agitador que va acoplado al motor, este eje fue mandado a elaborar en un torno llamado Oxicortes. (Figura 4.9)
Figura 4.9. Fabricaciรณn del Eje
A dicho eje se le realizarรก un agujero en el que se coloca un prisionero de acero inoxidable de 10 mm x 5 mm (Figura 4.10), este prisionero (Figura 4.11) es el que nos servirรก para sujetar el eje del motor, y con esto lograr dar giro al eje principal.
61
Figura 4.10. Agujero para Prisionero
Figura 4.11. Prisionero
Luego, con el sobrante del material del cilindro, cono y tapa, se procederá a la construcción de las paletas de mezclado las cuales van a ir soldadas al final del eje principal (Figura 4.12), para que realicen un trabajo de giro lo que permitirá lograr la mezcla de los materiales que se utilizan para la reacción química la que dará como resultado final el biodiésel.
62
Figura 4.12. Paletas de Mezclado En la tapa se realizarรกn dos agujeros, el uno serรก para el ingreso del eje hacia el cilindro, en la parte inferior de estos agujeros se procederรก a soldar dos platinas como se indica en la Figura 4.13
Figura 4.13. Soporte de Rodamiento
63
Las mismas servirán de base para la instalación de un rodamiento (Figura 4.14), este servirá para darle más estabilidad y facilitarle el giro al eje que está acoplado al motor.
Figura 4.14. Rodamiento de Bolas
En el segundo agujero se acoplará una tapa por la cual se realizará el ingreso de productos, junto con este último, además, es preferible soldar el soporte del motor a la tapa para evitar mayores perforaciones en el reactor lo que puede quitar el hermetismo necesario.
4.5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA
4.5.1. Diseño de la Estructura: Para el diseño de la estructura del reactor de biodiésel hemos seleccionado un tubo estructural cuadrado debido que es un perfiles de sección cerrada, conformado en frío y soldado eléctricamente por alta frecuencia, de sección transversal con láminas de alta resistencia, presentando un esfuerzo de fluencia Fy = 3.515 Kgf / cm 2 y una resistencia a la flexion de Fb=0,69 xFy. La eficiencia de los tubos estructurales se debe a la forma de su sección 64
transversal permitiéndole manejar solicitudes de flexo-compresión y alta compresión axial. Por lo que es recomendado usarlo como columna, para cargas axiales grandes, momentos moderados.
Como se menciono anteriormente, para la construcción de esta estructura se utilizó también el método de soldadura “cordón continuo de soldadura de arco eléctrico con electrodo revestido”.
Cálculos para el diseño de la estructura:
P= Carga o Fuerza (kg;ton) (Robert L. Mott. Tercera Edición. Resistencia de Materiales. Capítulo 1 Conceptos básicos en la resistencia de materiales, p.7)
= Esfuerzo (kg/cm²)
(Robert L. Mott. Tercera Edición. Resistencia de Materiales.
Capítulo 1 Conceptos básicos en la resistencia de materiales, p.9)
M= Momento (kg·m) (Robert L. Mott. Tercera Edición. Resistencia de Materiales. Capítulo 5 Conceptos básicos en la resistencia de materiales, p.137)
I= Inercia (cm4) C= Distancia de cualquier punto al eje neutro R= Radio de giro (cm) Z= Modulo seccional (cm3)
(Robert L. Mott. Tercera Edición. Resistencia de
Materiales. Capítulo 8 Esfuerzo causado por flexión, p.289)
65
Datos
Tanque: 48 kg Motor: 3 kg Aceite: 220.80 kg Accesorios: 6 kg Desarrollo
Pt = 277.8 kg PAD = 277,8 kg·1.2 PAD = 333.36 kg
M= PAD · 1% M= 3.33 kg·m
Pcolumna = Pcolumna = Pcolumna= 83.34 kg
rx =
66
Z
0.54
4.5.2. Construcciรณn de la Estructura: Al estar todo el tanque ya listo, se procederรก a realizar seis puntos de suelda a cada lado de cada una de las 4 columnas estructurales (Figura 4.15), dichas sueldas son con un material de alta resistencia e inoxidable, los cuales sirven para fijar el tanque a la estructura.
Figura 4.15. Puntos de Suelda
67
La base de la estructura fue diseñada para soportar a todos los elementos que componen al reactor y su capacidad a carga, está hecha del mismo perfil cuadrado que se usó para las columnas de soporte del tanque.
Dicha base tiene una forma de un cuadrado perfecto, por lo que se procedió a cortar 4 tubos iguales y se les realizó un corte a 45 grados en las esquinas, aquí se realizó un cordón de suelda entre cada 2 tubos para realizar el cuadrado anteriormente mencionado para así formar una estructura más resistente.
4.6. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DEL REACTOR
4.6.1. Diseño del Diagrama Eléctrico: El sistema eléctrico del reactor va a trabajar con un voltaje de 110 voltios, los elementos más importantes del reactor van a ser el motor eléctrico el cual va a mover al agitador y la termo resistencia la cual va a calentar la mezcla para la óptima separación y obtención del biodiésel.
Cálculo del trabajo de la termoresistencia: Fórmula: (Paul G. Hewitt. Tercera Edición. Capítulo 21. Física Conceptual. Temperatura, calor y expansión. p. 316)
Capacidad calórica del aceite 2000 J/kg. ˚K
(10)
Q = m ˑ c ΔT
Q = calor que se transfiere a la masa
68
c = capacidad calorífica
ΔT = variación de temperatura
Q = 240 ˑ 2000 ˑ (338 – 288)
Q = 240 ˑ 105 J
Potencia de la termoresistencia = 1500 watts
A razón de 1500 jouls por segundo el tiempo en elevar la temperatura de 15˚C a 65˚C es aproximadamente 4.4 horas.
Diagrama eléctrico
69
4.6.2. Construcción del Panel de Mando: Para la construcción del tablero eléctrico, primeramente tuvimos que adquirir todos los materiales de acuerdo a los parámetros del diseño del reactor.
Los dos elementos que debían ser controlados por nosotros es el motor eléctrico el cual va a batir la mezcla del aceite vegetal y el metóxido de sodio para el proceso de transesterificación. Y también la termoresistencia que es la que va a elevar la temperatura para diluir el aceite y se mezcle de manera óptima con el metóxido de sodio.
Para armar la caja (Figura 4.16.) se necesitó destornilladores; con cabeza plana y estrella, taladro con brocas de 1/8” y 3/16”. También se necesitó cautín para soldar estanio y otro tipo de cautín para arreglo de fibra automotriz.
Figura 4.16. Panel de control eléctrico
70
Primero se abrió la caja y se midió el espacio interior para colocar la riel dim (Figura 4.17.). Luego cortamos la riel para que encajara perfectamente en la caja. Se colocó el contactor y el breaker en la riel.
Figura 4.17. Riel DIM
Se señaló con marcador los espacios de los demás elementos que van a ser distintivos en la caja como es el termoswitch, la luz piloto y el control paro y marcha, con el cautín se derritió el plástico y luego se quitó el exceso de material con una espátula.
Ya colocados todos los elementos en la caja, realizamos las conexiones utilizando cable número 16 de color blanco (Figura 4.18.) y para proveer de energía a todo el circuito se utilizó cable gemelo blanco número 10 (Figura 4.19.), además se fue probando con el multímetro digital continuidad y resistencia.
71
Figura 4.18. Cable 16
Figura 4.19. Cable gemelo 10
72
Al activar el control paro y marcha (Figura 4.20.) alimenta de energĂa a la bobina del contactor (Figura 4.21); la cual cierra los contactos de este y provee de energĂa a la termoresistencia y al motor de mezcla.
Figura 4.20. Control paro y marcha
Figura 4.21. Contactor trifĂĄsico
73
El breaker trifásico sirve de protección del circuito contra sobrecargas o cortocircuito.
Figura 4.22. Breaker trifásico
El termoswitch (Figura 4.23.), el cual posee una sonda de mercurio que reacciona con la temperatura está calibrado para que a los 60°C, abra la conexión de alimentación de la bobina del contactor y así se suspenda el funcionamiento del motor eléctrico y la termoresistencia.
Figura 4.23. Termoswitch
74
La luz piloto (Figura 4.24.) indica que el circuito está trabajando, cuando esta se apague indicará que el termoswitch llegó a 60°C y abrirá el circuito, desactivando al motor y a la termoresistencia.
Figura 4.24. Luz piloto
75
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES:
El biodiésel se obtuvo por transestirificación, proceso base: base. Se usó
metanol como reactivo e hidróxido de sodio como catalizador. En porcentajes del 20 y 0,035% respectivamente.
Este proceso fue escogido debido a que es el menos costoso y también
porque los tiempos de reacción son cortos.
La temperatura de trabajo se fijó en 65 ˚C y una agitación de 77 rpms por
minuto.
Este combustible tiene características para que sea considerado como
alterno para su uso en motores de combustión interna en una mezcla B 20. Como subproducto se obtuvo glicerina que puede ser usada en aplicaciones industriales como la cosmética.
RECOMENDACIONES
La transestirificación es un proceso bastante sensible y se recomienda usar
las cantidades correctas de los reactivos para que se pueda dar la separación de fases.
76
Es necesario abrir el tapón del fondo del tanque a medida que avanza la
reacción y dejar salir una
pequeña cantidad de producto para constatar la
separación de fases.
Recomendamos cambiar el motor del agitador y colocar un motorreductor
para acelerar el proceso de transestirificación del reactor.
Revisar constantemente la temperatura del reactor para comprobar el
correcto funcionamiento del mismo, ya que si sube la temperatura de 65° no se podría dar la separación de fases en la producción.
77
ANEXOS
Número de Reynolds
78
Propiedades de tuberĂa estructural de acero.
79
BIBLIOGRAFÍA:
Acosta Fernando, Castro Paula, Cortijo Elsa, Serie Manuales 37, Manual de construcción y uso de reactor para producción de biodiesel a pequeña escala, p. 11, Medidas del tanque y cono; Distancias de la circunferencia para formar el cono.
Acosta Fernando, Castro Paula, Cortijo Elsa, Serie Manuales 37, Manual de construcción y uso de reactor para producción de biodiésel a pequeña escala, Fórmula volumen del cilindro, Fórmula volumen del cono.
ANCUPA-SIGAGRO (2005). Elaboración: SIGAGRO, Tabla 2.3 Producción de biodiésel en el Ecuador.
Efrén, Coello Serrano. Ediciones América, (2004), El Multímetro, p. 5, Definiciones de Amperio, de Ohmio, de Voltio.
García Camús Juan Manuel, García Laborda José Ángel, Biocarburantes líquidos: biodiésel y bioetanol, p. 56, Tabla 2.4 Propiedades de los Esteres Metílicos Derivados de Aceites.
Gil Martínez, D. Hermógenes. (2004), Manual del automóvil, reparación y mantenimiento, p. 590-594, Definiciones de voltaje, de wattio, generación de trabajo con corriente eléctrica.
Hewitt, Paul G. Física Conceptual. p. 545, Fórmula de potencia.
Hewitt, Paul G. Tercera Edición. Física Conceptual. Capítulo 21 Temperatura, calor y expansión. p. 316, Cálculo del trabajo de la termoresistencia.
Hewitt, Paul G. Tercera Edición. Física Conceptual. Ley de Ohm. p. 537, Ley de Ohm.
Mehlenbacher, V. Análisis de Grasas y Aceites. Madrid: Urmo, (1977), Tabla 2.1 Propiedades del biodiesel. Smith, C. México: Limusa, (1995), Control Automático de Procesos. 2ª.ed., Fórmula diámetro del agitador. 80