Memo de producción de Biodiesel

Noviembre 19 de 2015 Para: Diana Patricia Cobo. Ing. Químico De: Grupo 01 (Stefany Sáenz, Hernán Darío Zambrano, Carlos Alberto Ampudia, Johan Alexis Estupiñan, Yasmin Eliana Aragón, Juan Pablo Guerrero). Laboratorio de ing. Química II. Reporte de resultados en la práctica PRODUCCIÓN DE BIODIESEL. Antecedentes La demanda de energía en el mundo está aumentando de manera considerable, y la sobre explotación de combustibles fósiles ha causado niveles altos de contaminación. Por esta razón, se opta por la producción de biodiesel, el cual es una alternativa ecológica y sana para el medio ambiente. El biodiesel está constituido de esteres mono-alquílicos de ácidos grasos de cadenas largas, obtenido mediante la reacción de un aceite vegetal u otro cuerpo graso y un alcohol en presencia de un catalizador. El método comercial para la obtención de biodiesel es la transesterificación. Esta reacción se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la metanólisis un 1 mol de triglicérido con 3 moles de alcohol, aunque se añade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación de éster metílico. El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o animal. Además, la formación de glicerina, inmiscible con los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%. Métodos La práctica de biodiesel se realizó en el Laboratorio de Ingeniería Química, siguiendo una reacción de transesterificación usando NaOH como catalizador, aceite de soya comercial de marca Oliosoya, aceite de palma y metanol, con una relación molar de 1:6 aceite-metanol. Se realizaron tres réplicas del experimento, variando las cantidades de catalizador usando las relaciones mencionadas en la guía de producción de biodiesel de laboratorio grupo 02. Para la experimentación se calentó el aceite vegetal y posteriormente se adicionó el metoxido previamente preparado dejando reaccionar. Después de transcurrido el tiempo de reacción la mezcla se decanta para separar las fases. Posteriormente se procedió al respectivo pesaje de las muestras de biodiesel y glicerina obtenidos, y a las mediciones de viscosidad, densidad y poder calorífico correspondientes. Adicionalmente se realizó una titulación de los aceites con una solución NaOH-etanol de aproximadamente 0,1N con el objetivo de determinar de manera experimental los índices de acidez de los aceites usados.

Resultados Las condiciones de operación para cada reacción son iguales en todas las réplicas siendo estas de 900RPM de agitación, un rango de temperatura de entre 50 -60°C marcando en las planchas de calentamiento 55°C, y presión atmosférica en Cali. Se realizó una réplica con 150g aceite de palma sin tratar, usando una relación de 3,5g de catalizador por litro de aceite. En este ocurrió una reacción indeseada de saponificación. La razón principal de este hecho se basa en que el aceite de palma usado tiene un índice de acidez superior a 3%, siendo lo recomendado porcentajes menores a este. Se optó por no usar este aceite en posteriores replicas. Para las réplicas con aceite de soya se usaron 100g de este y 21,8g de metanol reaccionando de manera exitosa. Se obtuvieron los siguientes resultados con los biodiesel producidos: Variables de Control Relación molar MetanolAceite

1:6

Variables de Respuesta

Cantidad de Densidad NaOH [g/ml] [g]

Viscosidad cinemática 2 [mm /s]

Poder Calorífico [MJ/kg]

0,4

0,86

6,09

38,556

1

0,8641

5,35

38,831

0,8

0,8701

4,07

39,177

Tabla 1. Resultados de la caracterización de los biodiesel producidos

Realizando el balance de materia se obtuvieron los siguientes resultados Replica 1

Replica 3

Peso (g)

Moles

Peso (g)

Moles

Peso (g)

Moles

100

0,1134

100

0,1134

100

0,1134

21,8

0,6808

21,8

0,6808

21,8

0,6808

NaOH

0,4

----

1

----

0,8

----

Total

122,2

Biodiesel

103,6

0,3545

101,1

0,3459

101,13

0,346

Glicerina

14,1

0,1531

17,2

0,1867

16,01

0,1738

Total

117,7

Aceite Inicialmente Metanol

Finalmente

Replica 2

122,8

122,6

118,3

117,14

Tabla 2.Resultados del balance de materia

Como se observa en la tabla 2 en cada uno de los experimentos se pierden aproximadamente 5g de reactivos, debido a que quedan residuos en los equipos. Según la ecuación estequiometria de la reacción (Anexos) y tomando como referencia el aceite, se obtiene aproximadamente el mismo número de moles en la glicerina de producto (incluso más); lo que significa que la conversión del aceite es de un 100%. Se puede explicar el hecho de que se

obtienen más moles de glicerina como producto, debido a que las conversiones de peso a moles se están tomando con datos de peso molecular encontrados en la literatura [ ] y no se tiene en cuenta el peso molecular real de los productos obtenidos, además de que quedan restos de metoxido en los productos. El rendimiento se toma en base al biodiesel producido respecto a la cantidad de reactivos alimentados obteniendo así:

Rendimiento (%)

Replica 1

Replica 2

Replica 3

84,77

82,33

82,48

Tabla 3. Porcentajes de rendimiento de biodiesel

Según la tabla 3, la réplica de mayor rendimiento es en la que se usó 0,4g de catalizador (3,5g de catalizador por litro de aceite usado). De igual manera y según la tabla 1, este biodiesel es el que más se asemeja al biodiesel de referencia en cuanto a sus características de poder calorífico y viscosidad cinemática. Según las variables de respuesta el biodiesel de mayor calidad es en el que se usó 0,8g de catalizador (0,8% p/p aceite-catalizador), en este se obtuvo la viscosidad cinemática más baja, lo cual es ideal ya que las pérdidas de potencia por fricción en una bomba son menores. El límite de viscosidad en un biodiesel de buena calidad es de 6,0 mm2/s. Adicional a esto se obtuvo en este el mayor poder calorífico siendo un 1,25% más alto al de referencia. En aceites de alto contenido de acidez el proceso tiende a una saponificación, debido a que los a que los ácidos grasos libres forman jabones con el catalizador de naturaleza básica, esto afecta gravemente el rendimiento de la reacción a de más de que hace difícil la separación del producto final. En caso de trabajar con aceites con porcentajes de acidez altos se debe hacer un previo tratamiento, el cual consiste de una reacción de esterificación con un alcohol usando un ácido como catalizador, esto con el fin de que los ácidos grasos se conviertan en biodiesel, y el aceite restante resultante es de menor acidez, apropiado para la reacción de transesterificación. Una reacción de esterificación necesita de condiciones de operación más exigentes, además de que la reacción es lenta por el catalizador usado. Los índices de acidez obtenidos experimentalmente fueron de 0,168% y de 6,921% para el aceite de soya y palma respectivamente. Recomendaciones   

Usar un aceite con un índice de acidez menor al 3%. En caso de tener un aceite turbio se recomienda filtrar y secar este con anterioridad. Al momento de realizar el metoxido tapar el beacker rápidamente para evitar que la mezcla acumule agua, ya que el NaOH es muy higroscópico

 

Al mezclar el aceite y el metoxido tapar el beacker rápidamente para evitar pérdidas por evaporación Si se usa el aceite de palma disponible en la planta piloto de la escuela de ingeniería química para la elaboración del experimento, se recomienda un pre tratamiento que consta de secar, filtrar y esterificar; esto con el fin de reducir el índice de acidez.

Anexos

1. Características de algunos aceites. Aceite

Densidad [g/ml]

Peso molecular [g/mol]

Índice acidez

Soya

0,908

881,23

0,07%

Palma

0,896

845,3

4%

de

2. Características del biodiesel de referencia. Biodiesel

Densidad [g/ml]

Viscosidad cinemática 2 [mm /s]

Poder calorífico [MJ/kg]

Referencia

0,8891

8,37

38,692

3. Pesos moleculares de reactivos y productos según la literatura.

Sustancia

Peso molecular (g/mol)

Metanol

32,04

Glicerina

92,09

Biodiesel 292,2 Aceite de soya 881,23

4. Reacción de transesterificación.