Centro Azúcar 38(1): 8-15. Ener-Marz. 2011 Titulo Planta …centroazucar.uclv.edu.cu/media/articulos/PDF/2011/1/1.pdf · 2011-06-03 · para el diseño mecánico de una Planta Piloto

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Centro Azúcar 38(1): 8-15. Ener-Marz. 2011

Titulo

Resumen. Abstract

Planta Piloto, con Fines Experimentales,para la Producción de Biodiesel

Pilot Plants, with Experimental purpose,for Biodiesel Production

Romel García(1), Carlos René Gómez Pérez (2). Erenio GonzálezSuárez (2)

Gretel Villanaueva Ramos(2), [email protected];[email protected]; [email protected]; [email protected]. Universidad San Carlos de Guatemala (USAC).2. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV).

En el trabajo se abordan algunos criteriosmetodológicos para el diseño mecánico de unaplanta para el estudio experimental de la obtenciónde biodiesel a partir de residuos de cachaza de lacaña de azúcar. Se aborda la concepción ingenierilpara el diseño mecánico de una Planta Piloto paraestudiar el escalado de la tecnología de producciónde biodiesel de la referida materia prima, partiendodel procedimiento convencional para el diseño deplantas piloto y la concepción empleada en elproyecto, esbozándose un esquema estratégicoconceptual para el desarrollo de la planta piloto.Se tratan específicamente las particularidades dela planta de biodiesel instalada en la UniversidadSan Carlos de Guatemala (USAC).

Palabras clave: Residuos lignocelulósicos;biodiesel, cachaza de caña, planta piloto.

Presently work some methodological approaches areapproached for mechanical design of experimentalstudy plant for biodiesel obtaining, starting fromresiduals mud sugar cane. The ingenieril conceptionis approached for the one climbed, leaving of theconventional procedure for the design of pilot plantsprototypes and the conception used in the project,sketched a outline strategic conceptual for the plantpilot development. The particularities of the biodieselplant installed in the University San Carlos fromGuatemala specifically (USAC) are exposed.

Key words: Lignin-cellulosic residuals; biodiesel,cane phlegm, pilot plants.

mailto:[email protected]




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IntroducionLa ASTM (American Society for Testing andMaterials) define el Biodiesel como “el éstermonoalquílico de cadena larga de ácidos grasosderivados de recursos renovables, como porejemplo aceites vegetales o aceites animales,para utilizarlos en motores Diesel”, que seobtiene a partir de recursos renovables, tales comolos aceites vegetales de soja, colza/canola, girasol,palma y otros, como así también de aceitesanimales, a través de un proceso denominadotransesterificación.6 La transesterificaciónbásicamente consiste en el mezclado del aceitevegetal o aceites con un alcohol (generalmentemetanol) y un álcali (soda cáustica). Al cabo de untiempo de reposo, se separa, por decantación, elbiodiesel de su subproducto Glicerol. Luego, elbiodiesel es un éster alquílico obtenido por latransesterificación de aceites vegetales o aceitesanimales. El poder calórico del biodiesel es menorque el combustible fósil, por lo tanto en proporción1 litro de diesel equivale a 1,1 (app) litro debiodiesel.6 La densidad y la viscosidad aumentancon respecto al diesel, por lo tanto influyen en eltransporte y almacenamiento del combustible.Al estudiar situaciones industriales reales, lanecesidad de adaptarse a un entorno muy complejoy cambiante, con una serie de característicaspropias que difícilmente pueden introducirse en unmodelo matemático sencillo (por ejemplo, políticasde empresa), suele llevar a situaciones inabordablesa través de las formulaciones y los procedimientosde cálculo que habitualmente se aplican a diferentesproblemas de optimización. Por otra parte, lautilización de modelos simplificados suele ser endetrimento del rigor necesario, dando lugar asoluciones incorrectas o incluso irrealizables. Enconsecuencia, para conseguir resultados aceptablesserá necesario utilizar procedimientos basados enel conocimiento específico de cada caso concreto.7

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Desarrollo

Criterios Metodológico-conceptualesUn procedimiento convencional para el diseñomecánico de plantas piloto se puede enmarcar(Figura 1) en el escalado de las experiencias delaboratorio, a partir de consideraciones estándaresde diseño.

Figura 1. Procedimiento convencional para el desarrollo de diseño deprototipo de plantas piloto

A partir de la concepción8 (Figura 2) y de las etapasu operaciones del flujo productivo (Figura 3) seestablecen los requisitos de explotación de cada unade las etapas y sus equipos particulares, sobre loscuales se establecen los requisitos de diseño(dimensiones, formas, materiales) y, a partir de losmismos, se estiman los requisitos de fabricación; esdecir, los procesos de elaboración más convenientespara la obtención de las formas y los acabadossuperficiales requeridos en el proceso en cuestión(fundición, conformación, maquinado, soldadura).

Figura 2. Concepción empleada para la elaboración del biodiesel

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Figura 3. Concepción empleada en el proyecto

A partir de un análisis integral de estos aspectos sedesglosan los costos de fabricación, explotación ymantenimiento. El equilibrio del presupuestoasignado para cada etapa establece, en muchasocasiones, la estrategia de diseño.Precisamente por ello, comúnmente1,9 sonreconocidos los costos de fabricación, deexplotación y de mantenimiento como las basesesenciales a considerar para el escalado de plantas.Sin embargo, a criterio de los autores se requiere laconsideración de otros principios esenciales, talescomo:Proporcionalidad equilibrada.2. Flexibilidad operativa o multifuncionalidad.3. Independencia operacional.4. Simplicidad operativa.5. Independencia energética.6. Economía del mantenimiento.7. Economía de la fabricación.1. Economía de la explotación.2. Seguridad en el diseño.

2. Seguridad en el diseño.3. Responsabilidad ambiental.El principio de la proporcionalidad equilibradase sustenta en la necesidad de mantener unacorrespondencia unívoca entre los procesos o etapasde la escala de laboratorio y la escala de plantapiloto; es decir, proporcionalidad equivalente entrelos flujos productivos, respecto a los volúmenes delos equipos para eliminar los llamados “cuellos debotella”, lo que tiende a complicar el diseño de lasinstalaciones y sus respectivas interconexionesproductivas.El principio de la flexibilidad operativa omultifuncionalidad de las etapas incluye lapotencialidad para la modificación de tipos dematerias primas, rangos de tratamiento o suindependencia, si fuera necesario, para su uso enotra actividad. Este principio conduce a incrementarlas posibilidades de explotación de la planta, perointroduce un potencial incremento de los costosconstructivos y de instalación. La flexibilidad es una

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ventaja clave para el desarrollo del mercado, perolas economías de escala son también importantesen el contexto de construcción de plantas, porqueelcoste de una planta con el doble de capacidadnormalmente no se duplica.1 El reto ingenieril estáen la solución de esta contradicción.Una posible solución a la problemática anterior esl a a p l i c a c i ó n d e l principio de independenciaoperacional de las etapas. Este supuesto se basaen el diseño de la planta como una suma deoperaciones unitarias diferentes asociadas a equipospara las mismas (en reactores: tratamiento enzimáticoo transesterificación, etc.) con alta potencialidad deindependencia o compartimentación en bloquesasociados (evaporación y condensación). Estaestrategia permite, a partir de una planta inicial,crecer en la obtención de coproductos o sobre labase de una anterior, desarrollar una nueva, soloadicionando las operaciones unitarias necesarias,reduciendo a largo plazo los costos de las nuevasinversiones.El principio de simplicidad operativa de las etapasbasa su fundamento en la simplificación del diseñoconstructivo de los equipos; es decir, en la reduccióna escala mínima del número de operaciones y deequipos relacionados, su grado de accionamientomecánico requerido (fácil manipulación para lasoperaciones de carga y descarga, uso de las partesmóviles indispensables, empleo de controles mínimosnecesarios, etc.).El principio de independencia energética de lasetapas consiste en la potencialización de lasustentabilidad energética de cada etapa de formaindependiente. Este principio permite la operaciónpor secciones y la regulación de la carga energéticacon mayor eficiencia.La materialización de un ciclo sencillo del controlproductivo con el diseño y la colocación en plantade equipos accesibles, además de la construcciónde los mismos a partir de piezas estandarizadas,conforman el principio de economía delmantenimiento durante el diseño de plantasmultipropósito, que se conjuga con el principio dela economía de la fabricación y el principio de laeconomía de la explotación.La seguridad en el diseño (constructiva) seenmarca en tres consideraciones básicas.2 Laprimera directamente relacionada con lascondiciones de diseño, garantiza que las personas i

intervinientes no sufran daño ni peligro alguno ensu ambiente de trabajo. La segunda consideraciónes la relacionada con la confiabilidad de los equiposde proceso y el proceso en su conjunto. La terceraencierra todos los dispositivos auxiliares, su cálculoy/o adopción para dar garantía al cumplimiento delos dos primeros presupuestos básicosconsiderados.Unido a este principio se plantea el deresponsabilidad ambiental, que debe ajustarse3 alas normas y procedimientos legales de cada país yregión en particular.La consideración de todos los aspectos antesmencionados conduce a meditar sobre los criteriosque deben ser considerados para la evaluaciónde proyectos mecánicos de plantas pilotosdestinadas a la obtención de biocombustibles.La aplicación integral de todos los principiosanteriormente expuestos presupone contradicciones,algunas veces insalvables. Una forma de exponer(Figura 4) las contradicciones producidas por laaplicación de los principios anteriormentemencionados se puede analizar, a través de unapropuesta de estrategia integral, para lograr unequilibrio entre las etapas de concepción(laboratorio) y de aplicación (escalado) durante eldiseño de plantas piloto.

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Figura 4. Esquema estratégico conceptual para el desarrollo de plantaspiloto

Según la experiencia de los autores del presentetrabajo, dentro de los presupuestos generales enel desarrollo constructivo de una planta pilotopara la obtención de biocombustibles seencuentra los siguientes:1. Diversidad constructiva.2. Complejidad constructiva.3. Flexibilidad constructiva.La diversidad constructiva está asociada a lavariedad de tipos de equipos y de las funciones querealizan, así como de los parámetros explotacionalescon los cuales trabajarán (según el tipo de materiaprima a tratar y las cantidades y tipos decoproductos a obtener).

La complejidad constructiva se define por elorden operacional y condiciones de funcionamiento(requisitos técnicos de operación, reactividades delas sustancias, necesidad de enfriamiento ycalentamiento, medio empleado para ello,inocuidad, presiones de trabajo, etc.).La flexibilidad constructiva estará dada por laadaptabilidad a otros procesos, áreas o localespreestablecidos, requisitos de funcionamiento deequipos auxiliares existentes (sus capacidades detrabajo y ubicación), etc.

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1. Especialistas en explotación (operación,mantenimiento, economía, etc.).De forma similar, es necesario considerar algunosde los criterios para la selección del constructor:1. Experiencia en la producción de equipos paraplantas químicas (especializado en el tema).2. Experiencia en la producción de equipospequeños (conocimiento sobre la tecnología deexplotación flexible).3. Experiencia en la producción de equipos porencargo (capacidad de producción adaptativa).4. Experiencia en el montaje de mini plantas(capacidad de integrar la obra).5. Capacidad de realizar modificaciones sobrelos prototipos “in situ”.Muchos son los factores y consideracionesnecesarios para conducir al éxito la extrapolacióncientífica de la concepción (idea, incluso probadaen el laboratorio por los especialistas químicos) a lamaterialización de una planta química. Lastransformaciones en el equipamiento, en losprocedimientos operativos, en las concepciones detrabajo son extraordinarias.De la experiencia práctica de los autores, eneldesarrollo de proyectos de construcción deminiplantas químicas, puede afirmarse que enmuchas ocasiones no se cuenta con el presupuestonecesario para la fabricación de recintos paraalbergar plantas piloto, lo que no permite consideraraspectos esenciales sobre los aspectos que afectanla selección del lugar.4 Para solventar esta dificultadse ha optado por escoger recintos ya existentes,diseñados para otros fines. Sin embargo, estassoluciones constituyen verdaderas camisas de fuerzapara el correcto aprovechamiento lógico secuencialde los procesos a instalar. Precisamente, uno de losaspectos importantes a considerar en cuanto a elloes la relación entre el espacio disponible para lainstalación y el diseño mecánico de los equipos.En cuanto a este aspecto han de considerarse lasrelaciones entre:1. El espacio disponible y las operaciones decarga y descarga. 1. La altura disponible y la consecutividadoperacional.2. El área periférica de cada equipo con lasoperaciones de control de proceso, mantenimientoy reparaciones asociadas.

Observando los presupuestos generalesanteriormente expuestos, uno de los aspectos aconsiderar para el diseño mecánico del escalado deequipamiento para procesos a volúmenes de plantapiloto lo constituye el lugar de emplazamiento dela instalación terminada. Atendiendo a estoscriterios es recomendable considerar los aspectossiguientes:1. Área disponible.2. Condiciones energéticas existentes (vapor,energía eléctrica y su potencia)3. Servicios auxiliares disponibles (agua,alcantarillado).4. Ubicación (respecto a los suministradores demateria prima y a los clientes).5. Relación con el entorno (parque tecnológico,universidad, parque industrial, etc.).Relativa alta importancia poseen los cuatro primerosaspectos; sin embargo, no es así respecto a la relacióncon el entorno. Las potencialidades del marcoexterno al emplazamiento constituyen un eslabónimportante para abaratar los costos de fabricación,montaje, operación y mantenimiento. Lascapacidades instaladas y la experiencia desarrolladaen el entorno son de suma importancia durante laconcepción de la nueva planta.Además de lo anteriormente expuesto, es de sumaimportancia tener en cuenta consideraciones relativasa la selección y trabajo con los especialistas queabordarán el diseño de plantas piloto, a saber:1. El grado de especialización de cada uno delos miembros del grupo de trabajo.

2 . L a s n o r m a s p a r a e l d e s a r r o l l o e f i c i e n t e d e l

t r a b a j o e n g r u p o s m u l t i d i s c i p l i n a r i o s .

3 . L a e f i c i e n c i a y l a e f i c a c i a d e l g r u p o d e d i s e ñ o

m e c á n i c o .

E n c u a n t o a e s t o s e p r e f i e r e n g r u p o s d e e s p e c i a l i s t a s

m u l t i d i s c i p l i n a r i o s e n m a r c a d o s d e n t r o d e l o s c a m p o s

d e c o n o c i m i e n t o s s i g u i e n t e s :

1. Especialistas en materiales (propiedadesmecánicas, anticorrosivas, etc.).2. Especialistas en procesos (flujos productivos,tiempos de carga y descarga, etc.).3. Especialistas mecánicos (resistencia demateriales, flujos, temperaturas, etc.).

4.

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Dentro de las condiciones para el planteamiento dela planta experimental, que deciden las capacidadesde los equipos, y con ello sus dimensiones, espesoresde pared, costos, etc., se encuentran:1. La cantidad de jornadas laborales, encorrespondencia con el tiempo de permanencia decada proceso (específicamente define los volúmenesa trabajar en cada equipo).2. La cantidad de personal involucrado en laoperación del proceso tecnológico a escala de planta(define el costo de operación).3. La cultura técnica y la idiosincrasia social delpersonal involucrado en la operación de la planta(decide la exigencia en el diseño del equipamiento yde los controles necesarios).4. Las políticas nacionales sobre seguridad,protección e higiene del trabajo y de conservacióndel medio ambiente.

Una vez instaladas, a las plantas piloto ha derealizárseles una revisión a fondo del equipamientoy de su instalación, para lo cual han de desarrollarse,entre otras, las actividades siguientes:1. Revisión de la calidad constructiva de cadauno de los equipos, en comparación con losestándares preestablecidos por diseño y empleandolas técnicas y medios adecuados (inspección “in situ”empleando líquidos penetrantes, ultrasonido oinspección radiográfica, según se necesite, sobre lasuniones soldadas de los equipos presurizados osometidos a relativa alta temperatura),independientemente de la garantía del fabricante.2. Revisión de la instalación y del estadotécnico de la instrumentación añadida a losequipos, en función de los parámetros operativosde funcionamiento del equipamiento y de las normasde seguridad previamente establecidas para sucolocación.3. Inspección de posicionamiento espacialacorde al plano de instalación preestablecido.4. Revisión de las conexiones de alimentacióny extracción de sustancias (sólidos, vapor,líquidos, etc.) y de energía eléctrica.5. Inspección de conductos presurizados y nopresurizados y de su aislamiento térmico.

1. Realización de las pruebas en vacío paracada equipo, según las especificaciones de diseño.2. Realización de una prueba sin carga de laplanta.3. Realización de una prueba de la planta concarga al 80 % y al 100 %.

Las plantas piloto destinadas a la obtención debiocombustibles, atendiendo al criterio deflexibilidad operativa o multifuncionalidad, debenconsiderar las perspectivas en el diseño integradode procesos de plantas para biocombustibles,dentro de las cuales ha de tenerse en cuenta que:1. No solo son importantes los biocombustibles,como productos fundamentales del proceso, sinolos coproductos, que del proceso se derivan(atención al concepto de biorrefinería).2. La obtención de coproductos y suprocesamiento conduce a complejizar las plantashacia áreas de menores volúmenes productivos ymayores requisitos de explotación (equiposcomplejos de construir, instalar y mantener).3. La reducción del volumen y el incremento dela temperatura, junto a la operación con sustanciascorrosivas conducen a la complicación del diseñomecánico.4. Aparecen reactores presurizados, sometidosa ciclos térmicos de enfriamiento brusco, convolúmenes pequeños de trabajo, pero también ensus áreas superficiales, donde han de instalarse lasconexiones necesarias para su funcionamiento.5. El diseño mecánico de estos equipos no estáestereotipado en códigos de prestigiointernacionales.6. Se requiere de herramientas investigativasconjugadas en el campo de la modelación de lascondiciones de explotación, que no siempre sonconfiables ni están disponibles.Planta piloto para la obtención de biodieselUn esquema general del flujo productivo de plantapiloto para la obtención de biodiesel (Figura 5),puede ser simple o complejo, en función de losvolúmenes a tratar o de lo tipos de materias primasque se deseen procesar.

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Figura. Esquema productivo comúnmente empleado en la obtención debiodiesel

La planta desarrollada (Figura 6) en el presentetrabajo se basa en el proceso de transesterificaciónde los aceites extraídos de la cachaza (residuo noagotado completamente del proceso de fabricaciónde azúcar a partir de la caña).

Figura 6. Sección de la planta piloto para la obtención de biodiesel.

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La planta se enmarca en un área de 67 m2,empleando instalaciones civiles existentes en lafacultad de Ingeniería de la Universidad San Carlosde Guatemala (USAC). Su esquema tecnológico(Figura 7) está constituido por dos sistemasfundamentales: Sistema de extracción de aceite (I)y Sistema de transesterificación (III); y los sistemasauxiliares de .- Sistema de evaporación (II) ySistema de enfriamiento de nafta (IV).Figura 7. Esquema tecnológico de la planta de biodiesel y AAPM construida

en la USAC

diámetro, opera a 90 ºC por calentamiento conencamisado externo, de 1,0 kg/cm2, con un agitadorde tipo ancla, movido por un motorreductor de ejesperpendiculares. El material de esta marmita es aceroinoxidable AISI 304, de buena soldabilidad yadecuado para trabajos donde se requiere evitar laproliferación de material bacteriológico. Su presiónmáxima de trabajo es de hasta 4.5 kg/cm2.

Dentro de los materiales recomendados6 para laconstrucción de los equipos estándar están el aceroal carbono (AISI 304), y los materiales plásticos(PRFV, PP).En el tanque de mezclado de cachaza (Figura 8),perteneciente al sistema de extracción de aceite, semezclan la nafta y la cachaza, que contiene la cera.Este equipo posee 1 220 mm de alto y 720 mm de

El evaporador (Figura 9) está construido tambiénde acero AISI 304, con un diámetro en la zona detrabajo de 550 mm y un alto de 1 220 mm, conpatas de 80 mm. El evaporador se calcula paraoperar a 120 ºC con una presión de vapor de 1,0kg/cm2.El condensador (Figura 10) está construido [9] deacero al carbono tipo AISI 1010 y posee 1500 mmde largo, un diámetro de 200 mm y 32 tubos decobre (Ø ¾”; 1 200 mm de largo) con un simplepase y conexiones tipo “clamp” de diámetro 3,81cm (1½)”.

En el reactor (Figura 11), es donde se produce lareacción de esterificación. En este equipo entra eletanol necesario para la transesterificación y elcatalizador (soda cáustica). Este equipo lo constituyeuna marmita de acero inoxidable AISI 304, queposee 1 220 mm de alto y 720 mm de diámetro,preparada para operar hasta 90 ºC, porcalentamiento con encamisado eterno, de 1,0 kg/cm2, con un agitador de paletas, movido por unmotorreductor de ejes perpendiculares (3 Caballos).Su presión máxima de trabajo es de hasta 4,5 kg/cm2.

La tanquería necesaria para el acopio temporal desubproductos está constituida por receptáculos(material PVC) fácilmente desplazables.Las bombas necesarias son de baja capacidad deflujo (inferiores a 35 l/min), considerando losvolúmenes de producto a trasegar.

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Figura 8. Extractor de cachaza Figura 9. Evaporador de nafta

Figura 10: Condensador de nafta Figura 11: Reactor para el procesode transesterificación

La capacidad del tanque de mezclado (Figura 8) esde 500 litros de cachaza más la nafta. Atendiendoal contenido de cera en la cachaza (1 %,aproximadamente) pueden extraerse en elevaporador (Figura 10) 5 kg de aceite el reactor .

(aproximadamente 5 litros) lo que permite obtener2,5 litros de biodiesel en cada tanda introducida en(Figura 11).

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Centro Azúcar 38(1): 8-15. Ener-Marz. 2011 Titulo Planta …centroazucar.uclv.edu.cu/media/articulos/PDF/2011/1/1.pdf · 2011-06-03 · para el diseño mecánico de una Planta Piloto

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