diseño rápido de un reactor continuo
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Diseño de un reactor para la transesterificación de biodieselTRANSCRIPT
REACTORES QUÍMICOS Y MATERIALES POROSOS. 10 P.
Elaborado por: García Rivera Mariel Anel
Torres Caballero Joel
UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA
METROPOLITANA
AZCAPOTZALCO
ANÁLISIS DE UN REACTOR CONTINUO PARA
TRANSESTERIFICACIÓN DE BIODIESEL
ANÁLISIS DE UN REACTOR CONTINUO PARA TRANSESTERIFICACIÓN DE BIODIESEL
I. GENERALIDADES
1.1. PROCESO DE PRODUCCIÓN
La reacción química como proceso industrial utilizado en la producción de biodiesel, es la transesterificación,
que consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente 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.
Las tecnologías existentes, pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del proceso
y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción,
alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador. En general, plantas de menor capacidad y
diferente calidad en la alimentación (utilización al mismo tiempo de aceites refinados y reutilizados) suelen
utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de
mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme. El
procedimiento más común para la producción de biodieswel es la transesterificación. Para llevar a cabo esta
reacción se mezclan en un reactor aceite de extraído y un alcohol (metanol o etanal), en presencia de un
catalizador alcalino (NaOH o KOH).
Otro de los factores que afectan al proceso es la cantidad de agua, contenida en las muestras. El proceso de
reacción al que son sometidos los aceites se le conoce como reacción de transesterificación que consiste en
reemplazar el glicerol por un alcohol simple, como el metanol o el etanol, de forma que se produzcan ésteres
metílicos o etílicos de ácidos grasos. La reacción de transesterificación puede representarse de la siguiente
manera simplificada.
Catálisis Alcalina. En este método se puede utilizar el hidróxido de sodio o hidróxido de potasio con alcohol,
(metanol o etanol) así como con cualquier tipo de aceite refinado. En este proceso es mejor producir el alcóxido
para obtener mejor eficiencia global en la reacción. Los tipos de alcohol más utilizados en este proceso son el
metanol y el etanol. La temperatura usual de la reacción para es de 60ºC pero ello depende del tipo de
catalizador. El proceso con catálisis alcalina es más eficiente y menos corrosivo que el proceso con ácido.
Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido
entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol,
butanol) para producir ésteres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmética, alimentación, farmacia, etc.).
La reacción de transesterificación, se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1,
reaccionando en la metanólisis 1 mol de triglicérdo con 3 moles de alcohol (aunque se añade una cantidad
adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal
componente del aceite vegetal o la grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible con
los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha,
alcanzándose conversiones cercanas al 100%.
A groso modo, el proceso para la producción de biodiesel consiste en usar los aceites y grasas para fabricar un
biocombustible.
Primero es necesario calentar un poco la mezcla grasa-aceite y filtrara para eliminar las partículas sólidas de
materia no grasa. Como segundo paso la grasa se calienta a 60° C y se combina con una mezcla de metanol
anhidro-catalizador en una proporción determinada y la temperatura se incrementa a 65° C y se mantienen por
3 horas para realizar la reacción de transesterificación.
Posteriormente, se separa la glicerina del biodiesel y se lava éste usando solución salina y separar el biodiesel
limpio.
Este proceso se ha realizado tanto a nivel laboratorio como a nivel planta piloto, donde se cuenta con un par de
tanques en el primero se lleva a cabo la reacción y en el segundo el proceso de separación del biodiesel y la
glicerina. El primer tanque está conectado a un sistema de calefacción para mantener la temperatura a 65° C.
1.2. PROCESO CONTINUO
Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los
llamados CSTR. Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de
residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la
reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98% de producto de reacción. Un
elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente
para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la
dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es un sistema en continuo que requiere tiempos de
residencia menores (del orden de 6 a 10 minutos) –con el consiguiente ahorro, al ser los reactores menores
para la realización de la reacción. Este tipo de reactor puede operar a elevada temperatura y presión para
aumentar el porcentaje de conversión.
Dentro de la catálisis heterogénea los catalizadores básicos se desactivan fácilmente por la presencia de ácidos
grasos libres (FFA) y de agua que favorece la formación de los mismos. Para tratar alimentaciones con cierto
grado de acidez, se prefiere la esterificación de los ácidos grasos libres con superácidos que a su vez presenten
una elevada velocidad de reacción de transesterificación, lo que implica que se requiera de dos reactores con
una fase intermedia de eliminación de agua. De este modo, alimentaciones con hasta un 30% en FFA se pueden
esterificar con metanol, reduciendo la presencia de FFA por debajo del 1%. Esta etapa previa de esterificación se
puede llevar a cabo con alcoholes superiores o glicerina que resulta atractiva en la producción de biodiesel
puesto que es un subproducto del proceso.
Diagrama 1. Proceso de fabricación de biodiesel.
2. ANÁLISIS, CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL REACTOR
2.1. PRODUCCIÓN REQUERIDA
Por tomar un ejemplo, hemos recurrido a la información que nos proporciona le Secretaría del Medio Ambiente,
con datos de Petróleos Mexicanos. El consumo de diesel en la Zona Metropolitana es en promedio de 1770
millones de litros por año y según la Secretaría de Energía, el 88.7% de diesel está destinado al transporte
vehicular y además considerando que se utilizan mezclas de 20% biodiesel y 80% de diesel, la capacidad de la
planta debe ser de 1,000,000 de litros por día.
Aceite
Tabla 1. Desglose de producción requerida.
Proponemos un reactor para producir 1/10 parte del 1,000,000 de litros requeridos por día, por lo que nuestra capacidad de producción será de 100,000 litros diarios.
En base a la densidad y peso molecular del aceite de girasol y metanol, nuestro flujo volumétrico a la entrada del
reactor será de 100 Litros/Min y considerando la relación estequiométrica y molar para este proceso en
particular 5:1, aceite vegetal a metanol, se tiene:
Para el metanol:
min/5.987032.0
1
1
79.0
min40 mol
Kg
mol
Litro
Kglitros
Para el aceite vegetal:
min/85.197279.0
1
1
92.0
min60 mol
Kg
mol
Litro
Kglitros
Por lo tanto:
FA0=197.85 mol/min y FB0=987.5 mol/min.
Como nuestra conversión está estimada al 87%, esperamos en la salida del reactor un flujo de:
Biodiesel: 73.6 Litros/min
Glicerol+Metanol: 26.07 Litros/min
Entonces:
73.6 L/min *60min*24horas = 105,000 Litros de Biodiesel al día.
2.2. MODELADO Y CÁLCULOS
En el desarrollo de los cálculos necesarios para diseño del reactor se ha hecho uso de la siguiente información
para la reacción entre el aceite de girasol y metanol [1]:
Parámetro Valor
Temperatura máxima Tf
65 °C
k303K 0.277 min-1
k333K 1.263 min-1
FA0 198.5 mol/min
FB0 987.5 mol/min
FA0/CA0 60 L/min
FB0/CB0 40 L/min
Presión soportada P
1.4 bar
Hf, aceite - 1 585 cal/mol
Hf, metanol - 1439 cal/mol
Hf, biodiesel - 2873 cal/mol
Hf, glicerina - 301.38 cal/mol
Cp 1 cal/g °c
Conversión máxima XAf
87%
Tabla 2. Condiciones de operación y parámetros de la reacción
La entalpía de reacción para la transesterificación del aceite de girasol es:
−∆𝐻𝑅 = ∆𝐻𝑓 ,𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + ∆𝐻𝑓 ,𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎 − ∆𝐻𝑓 ,𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 + 3 ∆𝐻𝑓 ,𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
−∆𝐻𝑅 = 𝟐𝟕𝟐𝟕 𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙
Con este dato se tiene obtiene la ecuación de la recta de la línea adiabática que contiene al punto (65°C, 87%):
XA = 0.022022 T(°C) – 0.560143
Gráfica 1. Representación gráfica de la línea adiabática de la reacción.
De tal manera que para el inicio de la reacción donde XA = 0, se tiene una temperatura de 25.46 °C. La mejor
opción para operar es precisamente sobre la línea adiabática para aprovechar la deriva del reactor.
La ecuación diferencial para un CSTR [2] es:
𝑉𝑗 𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑋𝑗 + 𝐶𝐴
𝜕𝑉𝑗
𝜕𝑋𝑗 − 𝐷𝐴
𝜕2𝐶𝐴
𝜕𝑋𝑗2 = −𝑟𝐴 (1)
Las condiciones para el diseño son:
No hay acumulación en el tanque,
la fase es líquida a densidad constante,
las velocidades de entrada y de salida permanecen constantes,
una agitación apropiada de manera que la concentración sea uniforme en cada punto del tanque.
De tal manera que (1) se reduce a:
𝑉𝑗 𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑋𝑗 = −𝑟𝐴(𝑇) (2)
Mediante la inserción del término del caudal de alimentación a (2) se obtiene la ecuación integral:
𝐺𝐴 𝑑𝐶𝐴
−𝑟𝐴 (𝑇) = 𝑑𝑉 (3)
Y la relación espacio-tiempo está dada por:
𝑇𝑚
𝐶𝐴0=
𝑋𝐴𝑓−0
−𝑟𝐴𝑓 𝑇 (4)
Para el cálculo del volumen del reactor se consideran los valores de k(303°C) = 0.277 min-1 y k(333°C) = 1.263
min-1. En la siguiente tabla se muestran los resultados correspondientes a la ley de Arrhenius[2]:
ln k = a/T + b
T (K) k(min-1) 1/T (K-1) ln k a b
303 0.277 0.003 -1.284 -5102.892 15.557
333 1.263 0.003 0.233
Tabla 3. Regresión lineal correspondiente a la ecuación de Arrhenius.
El comportamiento de la reacción trabajando sobre la línea adiabática se observa en la Gráfica 2. Así mismo, la tabulación de las variables para el cálculo del tiempo de residencia del reactor es mostrada en la Tabla 3.
T(°C) T(K) k (min-1) XA rA
(mol/L min)
1/rA (min
L/mol)
25.4585 298.4585 0.2144 0.0000 0.7092 1.4100
29.4585 302.4585 0.2688 0.0880 0.8109 1.2331
33.4585 306.4585 0.3350 0.1760 0.9132 1.0951
37.4585 310.4585 0.4151 0.2640 1.0108 0.9893
41.4585 314.4585 0.5117 0.3520 1.0969 0.9117
45.4585 318.4585 0.6274 0.4400 1.1622 0.8604
49.4585 322.4585 0.7653 0.5281 1.1949 0.8369
53.4585 326.4585 0.9291 0.6161 1.1801 0.8474
57.4585 330.4585 1.1226 0.7041 1.0991 0.9099
61.4585 334.4585 1.3503 0.7921 0.9288 1.0766
65.0000 338.0000 1.5844 0.8700 0.6814 1.4676 Tabla 4. Cálculo de la función de tiempo de residencia del reactor.
Gráfica 2. Comportamiento de la reacción a condiciones de operación de la línea adiabática.
El cálculo del volumen del reactor es sencillamente:
Tm/CA0
Línea adiabática
0* Am FTV (5)
𝑇𝑚 =𝐶𝐴0𝑋𝐴𝑓
−𝑟𝐴𝑓 𝑇 = 4.224 𝑚𝑖𝑛
galmLV 672534.044.253 3
Para calcular las dimensiones del reactor se considerará un tanque cilíndrico con tapas planas. Con el fin de
maximizar el volumen se tiene que L = D, de la manera que:
332
2534.044
mDLD
V
(6)
inmDL 004.276859.0
Con el fin de concebir una idea más clara de las características mínimas necesarias de nuestro reactor, se procede a calcular el espesor mínimo requerido para soportar la presión a la que se trabajará. El cálculo del espesor se basa en la relación de espesor-presión siguiente:
PSE
PRt
6.0 (7)
Donde:
S: esfuerzo permisible (psi) R: radio interno (in) t: espesor (in) P: Presión interna (psi) E: Eficiencia
Siendo: R= D/2 (in)
Para el uso de esta expresión consideramos una eficiencia del 100%, de manera que E= 1. El material que utilizaremos para este estimado será acero al carbón, considerando un acabado sin costura con especificación A53, Grado A, Tipo S, ya que a estas condiciones, se tiene la menor resistencia a la tensión y nos permitirá saber el espesor mínimo. Con estas condiciones, el esfuerzo permisible es de:
psiin
kipS 4800048
2
La presión registrada para este sistema es P = 1.4 bar = 20.31 psi. Resolviendo (7) se obtiene:
mmcmint 14.0014.00057.0
Esta información nos hace conscientes de que el espesor no es una limitante para la selección del reactor, sin
embargo, depende de la especificación y la capacidad del proveedor.
2.3 SELECCIÓN DEL REACTOR
La selección del reactor se ha considerado a partir del catálogo de LOEB EQUIPMENT.com. Debido a que no se
fabrican tanques agitados de 67 galones exactamente, un reactor de 70 galones es lo más cercano al volumen
requerido. El reactor seleccionado es un tanque agitado con recubrimiento de acero inoxidable y con agitación
de paletas seccionadas y motor rotatorio. La descripción fiel del proveedor [3] es la siguiente:
70 Gallon, 316 S/S Custom Fabricating and Repair Inc Jacketed Scrape Agitated Tank. Sweep agitation with
side and bottom scrapers, (2) zone Jacket 100 PSI at 350 degrees F. National Board number 4, Flat S/S top w/
1/3 hinged cover and S/S bridge, Top Inlets: (1) 7 in triclamp w/ cover, (1) 1 1/2 in Dia triclamp, (1) 3 in dia
triclamp, Bridge mounted SEW agitator drive 230/460 (wired 460),Cone bottom, 2 in triclamp CBO w/ manual
ball valve, Bottom entry temp probe port, 11 in discharge Ht, (3) 17 in L s/s pipe legs w/ mounting pads.
En las imágenes 1 a 4 se aprecia el diseño del reactor:
Imagen 1. Vista frontal del reactor. Imagen 2. Acercamiento del motor rotatorio.
Imagen 3. Vista superior del reactor. Imagen 4. Vista interna del reactor.
Este reactor cumple con los requerimientos mínimos que fueron determinados por los cálculos. La presión
soportada por este reactor es mayor a la necesaria, así como la temperatura. En términos de costeo, se debe
poner en contacto con el proveedor para efectuar un presupuesto completo con costos de envío.
3. CONCLUSIONES
En primera instancia, la elección entre un sistema por lotes o uno continuo fue resultado del análisis de la
producción deseada, debido a que se trabajan con flujos considerables, se optó por un sistema continuo;
seguido de las consideraciones hechas para determinar las ecuaciones de diseño del reactor en cuestión deben
permitir la factibilidad de simplificar los cálculos necesarios.
En cuanto al análisis de las condiciones de operación se recomienda basarse en estudios anteriormente
realizados para la reacción de interés ya que se le provee de veracidad a los cálculos del diseño.
Para el diseño de un CSTR se deben considerar principalmente: la naturaleza de la reacción, la concentración
inicial, la alimentación inicial, así como todos los parámetros necesarios para la línea de operación que, en
nuestro caso, fue la adiabática.
Para la selección del reactor se procura contemplar todas las características inherentes para su buen
funcionamiento tales como: la presión que soporta –ligada al espesor del mismo-, las dimensiones, las
temperaturas que soporta, el espacio-tiempo que se requiere para la conversión deseada y la agitación
favorecida. Finalmente, la búsqueda del reactor en cualquier catálogo se simplifica una vez que se tienen claras
todas las características necesarias.
En general, la selección de un reactor va más allá de la cantidad a producir o del espacio disponible para la
producción, se requiere tener un conocimiento de la reacción a tratar y, particularmente, de las relaciones de
concentración y alimentación para dicho tratamiento. La oportunidad de operar sobre la línea adiabática nos
proporciona la capacidad del ahorro de energía y, por tanto, la simpleza del reactor ya que no serán necesarios
aditamentos como chaquetas o serpentines de enfriamiento, ni suministros de energía. Y es este conocimiento
el que desemboca en la estimación de un volumen óptimo que bien se puede traducir en ahorro monetario al
considerar tanques de menor tamaño y con menos aditamentos.
4. BIBLIOGRAFÍA
[1] Manzano, M. Plaza, F. Reyes, I. Desarrollo de Tecnologías para la Producción de Biodiesel. UAM-I. 2004.
[2] Levenspiel, O. Ingeniería de Las Reacciones Químicas. Ed. Reverté. 2000.
[3] http://loebequipment.com/p-18712-70-gallon-custom-fabrication-316-ss-jacketed-sweep-scrape-agitated-
tank.aspx#longText