39 Felipe de Jesus Torres del Carmen

Transcrição

cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Coordinación de Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Diseño, Construcción y Pruebas de un Prototipo para la Producción de
Biodiesel a Partir de Aceites Provenientes de Recursos Renovables
presentada por
Felipe de Jesús Torres del Carmen
Ing. en Electromecánica por el I. T. de Acapulco
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Director de tesis:
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez
Co-Director de tesis:
Dr. Guadalupe López López
Jurado:
Dr. Sara Lilia Moya Acosta – Presidente
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez – Secretario
Dr. María del Refugio Trejo Hernández – Vocal
Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México.
29 de Enero de 2008
Dedicatoria
Con este trabajo de tesis se ve cumplido un objetivo muy importante en mi vida
personal, realizar un estudio de maestría en ciencias.
Deseo ofrecer el resultado de este esfuerzo al único que es digno de recibir todo
el honor y gloria, a Dios, mi Señor Jesús.
Hago una dedicación especial a mis padres y hermanos, mi familia en el
presente; a mi novia y amor de mi vida, mi familia en un futuro.
“Terminar una obra vale más que
comenzarla: lo que cuenta es la
perseverancia, y no la pretensión”
Ec 8:8
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Página en blanco intencionalmente.
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Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Agradecimientos
Doy Gracias, a Dios, mi Señor Jesús, por estar siempre conmigo en todo momento,
gracias por la vida que me das, gracias por brindarme tu amor y sabiduría, gracias a
ti Jesús.
Agradezco el apoyo, amor y comprensión de mis padres Carlos y Clara, el cariño de
mis hermanos Andrés y Maricarmen.
Gracias Silvia por ser la persona que durante este tiempo me has dado fuerza,
confianza, amor y felicidad.
Un agradecimiento para mis compañeros y amigos: Daniel, Fabio, Iván, Ernesto, Ángel,
José Beltrán, Orlando, Marco, Alberto, Crisanty y Burelo; con quienes compartí
circunstancias imborrables en el transcurso de la maestría.
Gracias a mi asesor el Dr. Rigoberto Longoria, por su entusiasmo y compromiso con el
trabajo de tesis.
Gracias a Anita, Lic. Guadalupe y Lic. Maquinay, así como a todo el personal que labora
en el cenidet, docente y administrativo.
Gracias también, a las instituciones CONACYT y DGEST por el apoyo económico en el
transcurso de la maestría.
“Confía en el Señor, con todo el corazón,
y no te fíes de tu propia sabiduría. En
cualquiera cosa que hagas, tenlo
presente: él aplanará tus caminos”
Pro 3:5,6
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Cenidet
iv
Resumen
En este trabajo de investigación se planeó conjuntar, bajo el concepto mecatrónico, aspectos
químicos, mecánicos, electrónicos y de computación para producir biodiesel a escala piloto,
utilizando como materia prima aceites de origen vegetal en un proceso automatizado.
La utilización de aceites de origen vegetal se escogió, principalmente, para ofrecer una alternativa
más en el aprovechamiento de la copra en regiones con alto potencial para el cultivo de la palma
de coco, tomando en consideración que este cultivo se ha visto disminuido a consecuencia del
ingreso al país, en los últimos quince años, de aceites de origen vegetal como la canola y el de
soya.
En particular, el estado de Guerrero podría volver a ocupar su lugar como primer productor de
copra en el país y consecuentemente en la producción de biodiesel a partir de este producto
agrícola, beneficiando económicamente a una gran proporción de su población.
El proceso químico de transesterificación para la producción de biodiesel fue investigado a nivel
laboratorio y de planta piloto, tomando en cuenta las condiciones de temperatura, concentración
de reactivos, velocidades de agitación y tiempos de separación; variables que influyen
directamente en el rendimiento o el grado de conversión de los triglicéridos.
Se llevaron a cabo experimentos con diferentes aceites de origen vegetal puros como el de coco,
de soya, higuerilla y de cocina, encontrándose una temperatura de 65°C como la más
recomendable para el proceso que se efectúe a presión atmosférica.
Los materiales de construcción de los componentes del prototipo fueron seleccionados
considerando las propiedades químicas de los reactivos y sus costos.
Dispositivos electrónicos, como el microcontrolador e instrumentación utilizada para sensar cada
una de las variables a controlar, se eligieron contemplando las características técnicas que
permitieron la automatización del proceso en el prototipo. La incorporación de circuitos
electrónicos adecuaron las señales eléctricas para manipular elementos como válvulas solenoide,
motor del agitador y resistencias de calentamiento.
Otro aspecto importante en este trabajo fue la programación del microcontrolador, lo cual
permitió llevar a cabo en el prototipo, de forma automática, las diferentes etapas que intervienen
en el proceso, como las de medición de volúmenes de reactivos, temperaturas de calentamiento,
tiempo de reacción, tiempo de separación de los productos de la reacción (biodiesel y glicerina) y
decantación de la glicerina.
v
Cenidet
vi
Abstract
Within this research work was planned to put together, under a mechatronic concept, chemical,
mechanical, electronic and programming aspects in order to produce biodiesel at pilot scale
using, as raw material, vegetable oils and an automatic process.
The utilization of vegetable oils was mainly chosen to offer one more alternative for the copra
uses in regions with a high potential for coconut palm cultivation, considering that its cultivation
has been diminished in the country as a consequence of the importation of vegetable oils of
canola and soybean during the last fifteen years.
Particularly, the Guerrero state could recover its prominent position as the first producer of copra
in Mexico and, consequently, the first producer of biodiesel, having as a result the economic
benefit for its population.
The chemical process of transesterification for the biodiesel production was investigated at
laboratory and in the pilot plant, considering temperature conditions, reagents concentration,
mixing intensity and separation times. These variables have a direct influence in the reaction
conversion grade of the triglycerides and in its yield.
The experiments were carried out using different kinds of vegetable oils like coconut, soybean,
castor oil bean and kitchen oil, being a temperature of 65°C the most recommended when the
process is at atmospheric pressure.
The prototype materials of its components were selected considering the chemical properties of
the reagents and their cost.
Electronic devices as the microcontroller and the measurement and control instruments of the
different variables were chosen contemplating the technical characteristics that allowed the
automation of the process. The incorporation of electronic circuits adapted the electric signs to
manipulate mechanical elements like solenoid valves, motor agitator and heating resistances.
Another important aspect in this project was the microcontroller programming, which allowed in
an automatic way to carry out all different stages that intervene in the process like: reagents
volume calculation, heating temperatures, reaction time, separation time and the glycerin
decantation.
vii
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viii
Contenido
Lista de figuras .............................................................................................................................xii
Lista de tablas ............................................................................................................................. xiii
Nomenclatura ..............................................................................................................................xiv
Letras minúsculas .............................................................................................................................................. xiv
Letras mayúsculas ............................................................................................................................................. xiv
Letras griegas ..................................................................................................................................................... xv
Símbolos............................................................................................................................................................. xv
Abreviaturas ................................................................................................................................xvi
CAPÍTULO 1 Antecedentes ..........................................................................................................1
1.1
Marco Teórico ............................................................................................................................ 1
1.1.1
Orígenes del biodiesel ............................................................................................................................ 2
1.1.2
Obtención de biodiesel ........................................................................................................................... 2
1.1.2.1
Aceites y grasas ............................................................................................................................ 3
1.1.2.2
Transesterificación........................................................................................................................ 4
1.1.2.3
Mecanismo de la reacción de transesterificación.......................................................................... 4
1.1.3
Uso del biodiesel .................................................................................................................................... 6
1.1.3.1
Especificaciones ........................................................................................................................... 6
1.2
Planteamiento del problema ..................................................................................................... 7
1.2.1 Producción mundial de biodiesel................................................................................................................. 7
1.2.2
Producción de biodiesel en México........................................................................................................ 8
1.2.2.1
Producción de aceite vegetal en México....................................................................................... 9
1.2.3
Justificación.......................................................................................................................................... 11
1.2.4
Problema .............................................................................................................................................. 12
1.2.5
Hipótesis............................................................................................................................................... 13
1.3
1.3.1
1.3.2
Objetivos ................................................................................................................................... 13
Objetivo general ................................................................................................................................... 13
Objetivos particulares........................................................................................................................... 13
1.4
Estado del arte.......................................................................................................................... 13
1.5
Aportaciones............................................................................................................................. 14
1.6
Limitaciones.............................................................................................................................. 14
1.7
Organización del documento .................................................................................................. 14
CAPÍTULO 2 Experimentación .................................................................................................17
2.1
Introducción ............................................................................................................................. 17
2.2
Materiales ................................................................................................................................. 17
2.2.1
Aceite vegetal....................................................................................................................................... 18
ix
Contenido
Cenidet
2.2.2
Alcohol................................................................................................................................................. 18
2.2.2.1
Relación molar de alcohol/aceite................................................................................................ 19
2.2.3
Catalizador ........................................................................................................................................... 19
2.2.4
Propiedades de reactivos empleados .................................................................................................... 19
2.2.5
Manejo de reactivos ............................................................................................................................. 21
2.3
2.3.1
Método ...................................................................................................................................... 22
Diseño experimental............................................................................................................................. 23
2.4
Resultados................................................................................................................................. 24
2.5
Costo por litro de biodiesel...................................................................................................... 27
2.6
Conclusiones de la experimentación....................................................................................... 27
CAPÍTULO 3 Diseño físico .........................................................................................................29
3.1
Introducción ............................................................................................................................. 29
3.2
Consideraciones de diseño....................................................................................................... 30
3.2.1
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
Consideraciones generales ................................................................................................................... 30
Detalles de los componentes .................................................................................................... 31
Reactor ................................................................................................................................................. 31
Recipiente contenedor de aceite ........................................................................................................... 33
Recipiente contenedor de metóxido ..................................................................................................... 34
Motor del agitador................................................................................................................................ 35
Válvulas solenoide ............................................................................................................................... 37
Resistencia eléctrica de calentamiento ................................................................................................. 40
Armadura de soporte ............................................................................................................................ 41
CAPÍTULO 4 Automatización....................................................................................................43
4.1
Introducción ............................................................................................................................. 43
4.2
Instrumentación ....................................................................................................................... 43
4.3
Programación ........................................................................................................................... 44
4.3.1
PIC16F877A ........................................................................................................................................ 44
4.3.2
Medición de volumen........................................................................................................................... 47
4.3.2.1
Funcionamiento del SFR05 ........................................................................................................ 47
4.3.2.2
Validación del SFR05 usado para el metóxido........................................................................... 48
4.3.2.3
Calibración del SFR05 usado para el metóxido.......................................................................... 49
4.3.2.4
Validación del SFR05 usado para el aceite................................................................................. 52
4.3.2.5
Calibración del SFR05 usado para el aceite ............................................................................... 53
4.3.3
Medición de tiempo.............................................................................................................................. 56
4.3.4
Medición de temperatura...................................................................................................................... 57
4.3.4.1
Validación sensor LM35, precalentamiento del aceite ............................................................... 58
4.3.4.2
Validación del sensor LM35 para el calentamiento en el reactor ............................................... 60
4.3.5
Detectar glicerina y biodiesel ............................................................................................................... 61
4.3.6
Abrir y cerrar de las válvulas solenoide ............................................................................................... 62
4.3.7
Encender y apagar motor del agitador.................................................................................................. 63
4.4
Programar condiciones del proceso........................................................................................ 63
CAPÍTULO 5 Construcción y pruebas ......................................................................................65
5.1
x
Introducción ............................................................................................................................. 65
Cenidet
5.2
5.2.1
Construcción del prototipo...................................................................................................... 66
Panel de visualización .......................................................................................................................... 67
5.3
Pruebas de funcionamiento del prototipo .............................................................................. 68
5.4
Uso del biodiesel obtenido en un motor diesel ....................................................................... 70
5.4.1
Eficiencia del biodiesel en un motor diesel.......................................................................................... 70
CAPÍTULO 6 Conclusiones generales y Recomendaciones.....................................................71
6.1
Conclusiones generales ............................................................................................................ 71
6.2
Conclusión particular sobre glicerina libre en el biodiesel, por análisis cromatográfico.. 72
6.2.1
Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado reactivo............................................................. 72
6.2.1.1
Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado reactivo........... 74
6.2.2
Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado técnico .............................................................. 75
6.2.2.1
Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel usando metanol grado técnico ............ 76
6.3
Recomendaciones ..................................................................................................................... 77
Referencias....................................................................................................................................79
Anexo A Total de pruebas experimentales ................................................................................83
Anexo B Diseño general del prototipo ........................................................................................84
Anexo C Diseño del reactor .........................................................................................................85
Anexo D Diseño del recipiente del aceite....................................................................................86
Anexo E Diseño del recipiente del metóxido..............................................................................87
Anexo F Diseño de la válvula solenoide......................................................................................88
Anexo G Diseño de la armadura de soporte ..............................................................................89
Anexo H Cálculo de potencia de la resistencia ..........................................................................90
Anexo I Mediciones del sensor LM35, precalentamiento del aceite ........................................93
Anexo J Mediciones del sensor LM35, calentamiento en el reactor........................................95
Anexo K Programa general.........................................................................................................97
Anexo L Artículo para el CIINDET .........................................................................................111
xi
Lista de figuras
Figura 1.1 Composición de un aceite o grasa .................................................................................3
Figura 1.2 Fórmula genérica de los triglicéridos............................................................................3
Figura 1.3 Ecuación general de transesterificación........................................................................4
Figura 1.4 Reacción de transesterificación de triglicérido con metanol ........................................4
Figura 1.5 Reacciones presentes en la reacción de transesterificación..........................................5
Figura 1.6 Ciclo del CO2 ...............................................................................................................11
Figura 3.1 Diseño general del prototipo .......................................................................................31
Figura 3.2 Reactor .........................................................................................................................32
Figura 3.3 Dimensiones del reactor en mm...................................................................................32
Figura 3.4 Recipiente del aceite ....................................................................................................33
Figura 3.5 Dimensiones del recipiente de aceite en mm ...............................................................33
Figura 3.6 Recipiente contenedor de metóxido .............................................................................34
Figura 3.7 Dimensiones del recipiente contenedor de metóxido...................................................34
Figura 3.8 Impulsor del motor agitador ........................................................................................35
Figura 3.9 Curvas de potencia de distintos impulsores.................................................................36
Figura 3.10 Válvula solenoide .......................................................................................................37
Figura 3.11 Sección transversal de ángulo de piernas iguales .....................................................42
Figura 3.12 Armadura de soporte..................................................................................................42
Figura 4.1 PIC16F877A, disposición de pines ..............................................................................45
Figura 4.2 Diagrama de flujo del programa principal..................................................................46
Figura 4.3 Funcionamiento del sensor SFR05 ..............................................................................48
Figura 4.4 Gráfica de validación del SFR05 del metóxido ...........................................................49
Figura 4.5 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de metóxido .........................50
Figura 4.6 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido ...............................52
Figura 4.7 Gráfica de validación del SFR05 del aceite ................................................................53
Figura 4.8 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de aceite ..............................54
Figura 4.9 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para aceite ....................................55
Figura 4.10 Circuito para encender y apagar las resistencias eléctricas desde el PIC ...............58
Figura 4.11 Gráfica de validación del sensor LM35 para precalentamiento ...............................59
Figura 4.12 Gráfica de validación sensor LM35, para calentamiento de la reacción..................60
Figura 4.13 Circuito para abrir y cerrar válvula solenoide..........................................................62
Figura 4.14 Circuito para encender y apagar el motor-agitador .................................................63
Figura 5.1 Aspecto general del prototipo para producir biodiesel ...............................................67
Figura 5.2 Panel de visualización de la etapa del proceso de biodiesel .......................................68
Figura 6.1 Análisis cromatográfico al biodiesel obtenido en el prototipo....................................73
Figura 6.2 Cromatograma del estándar de glicerina ....................................................................73
Figura 6.3 Acercamiento al análisis cromatográfico del biodiesel...............................................74
Figura 6.4 Análisis cromatográfico del biodiesel usando metanol grado técnico ........................75
Figura 6.5 Acercamiento al cromatograma del biodiesel usando metanol grado técnico............76
Figura H.1 Dimensiones del reactor, en mm .................................................................................90
xii
Lista de tablas
Tabla 1.1 Especificaciones del biodiesel de las normas ASTM D-6751 y EN 14214......................7
Tabla 1.2 Producción de biodiesel en países europeos en 2006, tons/año......................................8
Tabla 1.3 Producción nacional de aceites .......................................................................................9
Tabla 1.4 Rendimiento en kg de aceite por hectárea de cultivo ....................................................10
Tabla 1.5 Emisiones promedio de biodiesel comparadas a las de diesel ......................................12
Tabla 2.1 Composición química y propiedades del aceite de coco crudo.....................................20
Tabla 2.2 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y metanol ....................................24
Tabla 2.3 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y metanol .......................................24
Tabla 2.4 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y etanol .......................................25
Tabla 2.5 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y etanol ..........................................26
Tabla 2.6 Experimentos de biodiesel con cantidades óptimas, variando tipo de aceite................26
Tabla 4.1 Validación sensor SFR05 del metóxido .........................................................................48
Tabla 4.2 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de metóxido ........................................49
Tabla 4.3 Regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido.......................................................51
Tabla 4.4 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de metóxido.................................52
Tabla 4.5 Validación sensor SFR05 del aceite ..............................................................................53
Tabla 4.6 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de aceite .............................................54
Tabla 4.7 Regresión lineal a datos del SFR05 para aceite............................................................55
Tabla 4.8 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de aceite......................................56
Tabla 5.1 Tabla de pruebas de funcionamiento del prototipo .......................................................69
Tabla 6.1 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GR...................................74
Tabla 6.2 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GT ...................................76
xiii
Nomenclatura
Letras minúsculas
a
cm
cp
cSt
g1
g
gal
h
hp
in
kg
l
lb
m/m
m
mg
ml
mm
ms
mV
s
t
Altura
Centímetros
⎛ btu ⎞
Calor específico ⎜
⎟
⎝ lb ⋅ ° F ⎠
Centistoke
⎛m⎞
Aceleración de la gravedad ⎜ 2 ⎟
⎝s ⎠
Gramos
Galones
Horas
Caballos de potencia
Pulgadas
Kilogramos
Litros
Libras
Masa sobre masa
Metros
Miligramos
Mililitros
Milímetros
Milisegundos
Milivolts
Segundos
Tiempo
Letras mayúsculas
∆P
∆T
°C
°F
A
D
KHz
Kv
M
xiv
Caída de presión (bar)
Incremento de temperatura
Grados Centígrados
Grados Fahrenheit
Área
Diámetro
Kilo hertz
Coeficiente de flujo
Peso (libras)
Cenidet
MHz
N
Nd
Ni
Np
Nr
P
Q
Re
V CA
V CC
V
V2
W
Mega hertz
Velocidad de rotación (rpm)
Nivel que disminuye (mm)
Nivel inicial (mm)
Número de potencia
Nivel de referencia (mm)
Potencia (watts)
⎛ m3 ⎞
⎟⎟
Caudal volumétrico ⎜⎜
⎝ h ⎠
Número de Reynolds
Volts de corriente alterna
Volts de corriente continua
Volumen (litros)
⎛m⎞
Velocidad de flujo ⎜ ⎟
⎝s⎠
Watts
Letras griegas
ρ
µ
σ
π
γ
⎛ g ⎞
Densidad ⎜ 3 ⎟
⎝ cm ⎠
Viscosidad cinemática (centistoke)
Desviación estándar
pi=3.1416
⎛ g ⎞
Peso específico ⎜ 3 ⎟
⎝ cm ⎠
Símbolos
%
°
“
$
©
®
Por ciento
Grados
Pulgadas
Pesos moneda nacional
Copyright
Marca registrada
xv
Abreviaturas
Amb.
ASTM
btu
CENIDET
EBB
EU
FIUBA
FJTC
GR
GT
INEGI
NBB
NPT
PDIP
PIC
ppm
rpm
rps
RTC
TTL
UAEM
USD
xvi
Ambiente
American Society for Testing and Material
The Brithish Thermal Unit
European Biodiesel Board
European Union. Unión Europea
Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires
Felipe de Jesús Torres del Carmen
Grado Reactivo
Grado Técnico
Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática
National Biodiesel Board
National Pipe Tapered
Plastic Dual Inline Package
Microcontrolador PIC16F877A
Partes por millón
Revoluciones por minuto
Revoluciones por segundo
Real Time Clock. Reloj de tiempo real
Transistor – Transistor Logia
Universidad Autónoma del Estado de Morelos
United States Dollar
CAPÍTULO 1
Antecedentes
1.1 Marco Teórico
Los motores de combustión interna, se pueden clasificar de acuerdo al tipo de encendido: por
chispa, o por compresión [1]. El motor de combustión por compresión, también conocido como
motor Diesel, tiene un amplio campo de aplicación, como es el caso de la generación eléctrica, la
propulsión marina, etc. Sin embargo, su mayor utilización se aprecia en el sector de la
automoción, en específico en el transporte de carga pesada y ligera. Contribuyendo, en gran
medida, en las emisiones de CO2 que se vierten a la atmósfera, siendo éste uno de los problemas
de contaminación que más afecta al medio ambiente, causante del llamado efecto invernadero [2].
En otro contexto, a nivel mundial se visualiza un eminente agotamiento de los combustibles
fósiles, tales como los derivados del petróleo y el gas natural. Ante esta situación un gran número
de países han intensificado sus esfuerzos por generar fuentes de energía renovables, que permitan
un incremento en la seguridad del abastecimiento energético, y a su vez, disminuir el impacto al
medio ambiente. De esta manera, se gestó la posibilidad de un combustible alternativo al diesel
de petróleo, originándose a partir de aceites vegetales y/o grasas animales. A este diesel
alternativo se le ha llamado biodiesel, el cual es biodegradable, no tóxico y emite menor cantidad
de gases contaminantes en comparación con el diesel de petróleo [3].
1
Capítulo I: Antecedentes
Cenidet
1.1.1 Orígenes del biodiesel
Usar aceites vegetales como combustible no representa una novedad. El primer motor diesel de la
historia funcionaba con aceite de cacahuate. Su inventor, el alemán Rudolf Diesel, lo presentó en
la Exposición Universal de Paris de 1900 como un “motor de aceite”. Posteriormente se
realizaron diversos ensayos con otros aceites vegetales, pero el tema perdió interés ante el fuerte
desarrollo de la petroquímica [2].
Sin embargo, cuando se han presentado problemas de abastecimiento de productos petrolíferos,
especialmente durante las dos guerras mundiales, se ha recurrido a los aceites vegetales para
sustituir el diesel. Después de las dos guerras mundiales, el desarrollo tecnológico en el campo de
los motores diesel se intensifica, y se basa en el diesel derivado del petróleo, barato y con
propiedades específicas, necesarias para los nuevos sistemas de inyección [2, 3].
Como consecuencia se abandona el empleo de los aceites vegetales como combustibles para los
motores diesel, que resultaban más costosos y ofrecían características físico-químicas menos
constantes.
En 1973, cuando se presenta la primera crisis del petróleo, se plantea el ahorro de la energía y la
utilización de recursos energéticos renovables, reiniciándose entre otras la investigación en el
campo de los biocombustibles líquidos de origen vegetal [2].
Empero, el uso de aceites vegetales brutos como combustible en motores diesel originaba
diversos problemas, tales como, taponamiento de filtros, líneas e inyectores, depósitos de carbón
en la cámara de combustión (inyector, pistón y culata), excesivo desgaste del motor, degradación
del aceite lubricante por polimerización, entre otras [3].
Como solución a estos problemas, se analizaron varias alternativas [2, 3]:
Crear motores completamente nuevos para los combustibles alternativos, como es el caso
del motor Elsbett, diseñado por la empresa Elsbett Konstruktion Germany, que se fabrica
en Alemania, Malasia y Estados Unidos.
Modificar los motores actuales para que se adapten a los combustibles alternativos
(motores con precámara o motores con sistemas de precalentamiento de aceite).
Utilizar los motores actuales, modificando los combustibles alternativos.
La tercera opción es la que goza de mayor difusión actualmente, siendo el objetivo principal
rebajar la viscosidad de los aceites vegetales hasta valores cercanos a los combustibles de origen
fósil, para poder ser usados en los motores diesel.
1.1.2 Obtención de biodiesel
Los aceites vegetales usualmente contienen ácidos grasos libres, fosfolípidos, esteroles, agua y
otras impurezas. A causa de esto, el aceite no puede ser usado como combustible directamente en
el motor. Para solucionar estos problemas, el aceite requiere una modificación química
2
Cenidet
principalmente por transesterificación, pirólisis o emulsificación. Entre ellas, la
transesterificación es el proceso más importante para producir un combustible a partir de aceite
vegetal, que sea limpio y no ocasione daños ambientales. De esta forma, la ASTM (American
Society for Testing and Material) define al biodiesel de la siguiente manera [2 - 4]:
Biodiesel, son ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos
renovables tales como aceites vegetales, y que se emplean en los motores de ignición por
compresión (motores diesel).
Como materia prima en el proceso de transesterificación para obtener biodiesel, es posible
emplear [4]:
Aceite vegetal sin usar procedente de plantas oleaginosas: colza, girasol, higuerilla, soya,
maíz, palma de coco, palma de aceite, etc.
Aceite vegetal usado, es un residuo que proviene de la industria de alimentación (aceite de
fritura) y de la red de restaurantes, hoteles, etc.
Grasa animal: sebo de vaca o de búfalo.
1.1.2.1 Aceites y grasas
Las grasas y los aceites están compuestos de ésteres: monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos
(siendo estos últimos los mas comunes) y de ácidos de cadena larga, llamados ácidos grasos [2].
Figura 1.1 Composición de un aceite o grasa
La mayoría de los aceites y grasas son triglicéridos mixtos, pues tienen dos o tres ácidos grasos
diferentes. La diferencia que existe entre los aceites y las grasas radica en los enlaces de los
ácidos grasos presentes en la molécula. Las grasas tienen ácidos grasos en los que predominan los
enlaces sencillos (saturados) y los aceites tienen ácidos grasos con varios enlaces dobles
(insaturados) [5].
Figura 1.2 Fórmula genérica de los triglicéridos
3
Cenidet
1.1.2.2 Transesterificación
A través del proceso de transesterificación de los aceites vegetales y su reacción con un alcohol
(normalmente, metanol), se obtienen los ésteres metílicos derivados, que son compuestos
oxigenados con características similares en su comportamiento a las del diesel, principalmente en
lo referente a la viscosidad, temperatura de ebullición, residuo carbonoso, número de cetano,
etcétera [2].
Transesterificación o alcoholisis, es el desplazamiento del grupo alcoxi (grupo alquilo unido a un
átomo de oxigeno, RO* donde R es el grupo alquilo) de un tipo de éster por otro alcohol, en un
proceso similar a la hidrólisis, excepto, que el alcohol es usado en lugar de agua. La reacción de
transesterificación está representada por la ecuación general de la figura 1.3 [3].
Catalizador
RCOOR1 + R2 OH ⇔ RCOOR2 + R*OH
Ester
Alcohol
Ester
Alcohol
Figura 1.3 Ecuación general de transesterificación
Si el alcohol usado en este proceso es el metanol, se le llama metanólisis. La metanólisis de un
triglicérido se aprecia en la figura 1.4. Sin embargo para que la reacción ocurra en un tiempo
razonable y se logre una mayor conversión, es necesario adherir un catalizador a la mezcla del
aceite vegetal y metanol, amén que sin él no se logre la reacción. Los catalizadores pueden ser
ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, RSO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas
Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos
homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de
todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores
homogéneos básicos, sosa cáustica (NaOH) e hidróxido de potasio (KOH), ya que actúan mucho
más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas [4].
Figura 1.4 Reacción de transesterificación de triglicérido con metanol
1.1.2.3 Mecanismo de la reacción de transesterificación
La reacción de transesterificación químicamente 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 [4]. Ver la figura 1.5.
4
Cenidet
Figura 1.5 Reacciones presentes en la reacción de transesterificación
La descomposición de los triglicéridos en diglicéridos y así sucesivamente, ocurre en 4 pasos, los
cuales se describen a continuación, para una transesterificación usando metanol [6].
a) El alcohol (CH3OH) reacciona con el catalizador básico (X).
b) El radical cargado negativamente (CH3O-) reacciona con el doble enlace del grupo
carbonilo del triglicérido.
c) Se forma una molécula del éster alquílico (R1COOCH3), en éste caso, se trata del
metiléster (biodiesel).
5
Cenidet
d) Se regenera el catalizador formándose un diglicérido. Los pasos a) al d) se repiten hasta la
desaparición del triglicérido con la formación del monoalquiléster (biodiesel) y glicerina
como productos finales.
1.1.3 Uso del biodiesel
El uso de biodiesel en motores de combustión por compresión está totalmente extendido en
Europa desde los últimos 10-12 años. Países como Alemania y Austria utilizan biodiesel ya sea al
100% (B100) ó mediante una mezcla del 2% al 30% (B2 – B30) de biodiesel y el resto de diesel.
La razón de realizar una mezcla con el diesel convencional, radica en que los aceites vegetales
tienen, entre otras cosas, la particularidad de disolver la goma y el caucho. Debido a que estos
aceites vegetales son la materia prima para la fabricación del biodiesel, dicho producto también
disuelve la goma y el caucho, materiales empleados en la fabricación de los conductos y las
juntas del sistema de alimentación de los motores por lo que con el uso prolongado de biodiesel
B100, se podrían llegar a degradar dichos conductos.
Desde mediados de los años 90, casi todos los fabricantes de motores (principalmente marcas
alemanas), han substituido dichos conductos por otros fabricados con materiales plásticos o
derivados, con lo que el biodiesel no los disuelve [2,4].
En España se hace uso de una mezcla de 10% de biodiesel y 90% de diesel. Otros productores de
la Unión Europea, y debido a su política comercial, venden toda su producción de biodiesel a una
empresa petrolera, la cual opta por la mezcla de un máximo de 5% de biodiesel y el resto de
diesel. De esta forma se considera al biodiesel como un aditivo porque no altera las
características técnicas del diesel según la norma EN590. Si se incorpora más de un 5%, la
mezcla final no cumple la norma EN590, por lo que tendrían que informar y etiquetar dicho
producto con un nombre diferente al de “Diesel” [2].
1.1.3.1 Especificaciones
Austria fue el primer país en el mundo en disponer de una norma para producir biodiesel [3].
Diversos países emitieron sus normas, entre ellos Alemania, Italia, Francia, República Checa,
Estados Unidos y Argentina.
Una de las normas que más fue aceptada a nivel mundial fue la D-6751 propuesta por la ASTM
en 1999. Sin embargo en el 2003, la Unión Europea definió la norma EN14214 imponiendo
restricciones más fuertes en la calidad del biodiesel [4].
La tabla 1.1 muestra los parámetros, métodos y valores límite de las normas ASTM D-6751 y la
EN14214 [4 - 7].
6
Cenidet
Tabla 1.1 Especificaciones del biodiesel de las normas ASTM D-6751 y EN 14214
LIMITES
METODO DE PRUEBA
PARAMETROS
UNIDADES
ASTM
ASTM
EN14214
EN14214
D-6751
D-6751
Densidad a 15°C
g/cm3
0.86 – 0.9
0.86 – 0.9
ASTM D1298 EN ISO 3675
Viscosidad a 40 °C
mm2/s
1.9 – 6.0
3.5 – 5.0
ASTM D445
EN ISO 3104
Punto de Ignición
°C
ASTM D93
EN ISO 3679
≥ 120
≥ 100
Azufre
mg/kg
≤ 0.05 % peso
≤ 10
≤ 0.05
≤ 0.3
Residuo de Carbón
% (m/m)
en muestra del
en 10% de
100%
residuo destil
Número Cetano
ASTM D613
EN ISO 5165
≥ 51
≥ 47
Cenizas sulfatadas
% (m/m)
ASTM D874
ISO 3987
≤ 0.02
≤ 0.02
Agua
mg/kg
≤ 0.05% vol
≤ 500
Contaminación total
mg/kg
EN 12662
≤ 24
Corrosión Cobre (3h a 50 °C)
< No. 3
Clase 1
ASTM D130
EN ISO 2160
Estabilidad a la oxidación 110°C
Horas
15 mg/100ml
6
ASTM D2274
EN 14112
Índice de ácido
mg KOH/g
ASTM D664
EN 14104
≤ 0.8
≤ 0.5
Índice de yodo
g de yodo/100g
DIN 53241
EN 14111
≤ 110
≤ 140
Esterificación
%
EN 14103
≥ 98 en vol
≥ 96.5 en peso
Metanol
% (m/m)
DIN 51608
EN 14110
≤ 0.2
≤ 0.2
Monoglicéridos
% (m/m)
DIN 51609
EN 14105
≤ 0.8
≤ 0.8
Diglicéridos
% (m/m)
DIN 51609
EN 14105
≤ 0.2
≤ 0.2
Triglicéridos
% (m/m)
DIN 51609
EN 14105
≤ 0.2
≤ 0.2
Glicerina libre
% (m/m)
ASTM D6584
EN 14105
≤ 0.02
≤ 0.02
Glicerina total
% (m/m)
ASTM D6584
EN 14105
≤ 0.24
≤ 0.25
Metales del grupo I
mg/kg
EN 14108
≤5
Metales del grupo II
mg/kg
EN 14538
≤5
Fósforo
mg/kg
0.001 % peso
ASTM D5951
EN 14107
≤ 10
1.2 Planteamiento del problema
1.2.1 Producción mundial de biodiesel
Como se mencionó en el apartado 1.1.1, el uso de aceites de origen vegetal como combustibles en
motores de combustión data de hace más de 100 años. Esta valiosa idea no tuvo un gran interés,
sino hasta hace tres décadas que el mundo de la investigación volvió a considerar la posibilidad
de sustituir el diesel de petróleo por un combustible a partir de aceite vegetal que no causara
daños ambientales.
Por otra parte, el gran número de países que no cuentan con fuentes de petróleo para obtener sus
combustibles, incrementaron sus esfuerzos por producir biocombustibles, en particular, biodiesel.
Así en 1982, Alemania y Austria llevaron a cabo las primeras pruebas técnicas para producir
biodiesel, pero hasta 1985 en Silberberg, Austria se construyó la primera planta piloto productora
de biodiesel a partir de aceite de colza. Otros países europeos también empezaron a desarrollar
esta técnica. Estados Unidos no podía estar apartado de ello y se sumó, al igual que Argentina, en
la producción de biodiesel [9].
7
Cenidet
Los países integrantes de la Unión Europea (EU) son los más adelantados en la producción de
biodiesel, según datos de la EBB (European Biodiesel Board), señala que hubo un incremento del
64.7% en la producción del 2004 al 2005 y un 54% del 2005 al 2006. En la tabla 1.2 se enlistan
los países de la EU que más producción tuvieron en el 2006 [10].
Estados Unidos es otro país que produce biodiesel a grandes cantidades, datos del NBB
(Nacional Biodiesel Board) manifiesta que en el 2006 se vendieron 855 millones de litros de
biodiesel producido en sus 165 plantas instaladas [11].
Tabla 1.2 Producción de biodiesel en países europeos en 2006, tons/año
PRODUCCION EN
PAIS
TONELADAS
Alemania
2 662 000
Francia
743 000
Italia
447 000
Reino Unido
192 000
Austria
123 000
Polonia
116 000
República Checa
107 000
España
99 000
Portugal
91 000
Eslovaquia
82 000
Dinamarca
80 000
Es importante subrayar un aspecto fundamental en algunos de los países europeos que aparecen
en la relación anterior. Las condiciones climatológicas y de superficie territorial son limitadas,
aun así, son grandes productores de biodiesel. Cerca del 80% del biodiesel producido por los
países que integran la Unión Europea se obtiene a partir de aceite de semilla de colza [4].
Los gobiernos de Estados Unidos, Alemania, Argentina, entre otros, han realizado diversas
acciones para sensibilizar a la sociedad en el consumo de biodiesel, además de ofrecer incentivos
fiscales a productores y consumidores. En estos países se ofertan en el mercado equipos pequeños
para la generación de biodiesel, no automáticos, capacidad de 200 l/día, oscilando su costo en
2000 y 5000 dólares [12].
1.2.2 Producción de biodiesel en México
En México es evidente que el tema es una novedad. Por lo que corresponde al gobierno, en
agosto de 2004, el Senado de la República aprobó un punto de acuerdo por el que solicitó a las
secretarías de Medio Ambiente y Recursos Naturales, así como la de Energía (Sener): "Realizar
los estudios y proyectos técnicos necesarios para promover las inversiones en el campo de las
energías renovables a través de la producción privada de biogás, biodiesel y generación de
energía eléctrica y otros combustibles para reducir las emisiones contaminantes y ayudar al país
en la producción de combustibles no reservados al Estado".
La Comisión de Energía de la Cámara de Diputados, por su parte, elabora una iniciativa que
propone: "Apoyar el desarrollo de tecnologías específicas de aprovechamiento de las fuentes
renovables de energía para la generación de electricidad, que tengan costos más elevados que las
tecnologías más competitivas, pero cuyo fomento se justifique con fines de diversidad energética,
8
Cenidet
desarrollo industrial y competitividad", y así, "dar un incentivo a proyectos de aprovechamiento
de las fuentes renovables de energía que contribuyan a dotar de electricidad a comunidades
rurales que no cuenten con este servicio" [13].
A manera de investigación, diversos han sido los experimentos que se han llevado a cabo en
universidades e instituciones educativas. En la Universidad de Oaxaca, en octubre del 2004, un
grupo de profesores y alumnos hacen con éxito la obtención de 155 litros de biodiesel a partir de
aceite de cocina usado. Se tiene reporte de otros trabajos de investigación en el Instituto
Tecnológico de Monterrey y en la Universidad Nacional Autónoma de México [13].
En Monterrey, en el 2006, se instala una planta piloto de biodiesel produciendo 260 000
litros/año. Sin embargo, la primera planta productora de biodiesel en forma industrial en México
inició sus operaciones en octubre de 2007 en el estado de Michoacán, con una capacidad anual
instalada de 9 millones de litros de biodiesel, obtenido a partir de aceite de higuerilla y jatropha
[14].
1.2.2.1 Producción de aceite vegetal en México
Partiendo del entendimiento que la materia prima para obtener biodiesel es el aceite vegetal,
México cuenta con un potencial enorme para la producción de biodiesel. Sin embargo, para el
2005 cerca del 85% del aceite de origen vegetal que se consumía en el país era importado. Entre
los años del 2000 al 2005, la producción nacional de aceite de origen vegetal se mantuvo
aproximadamente en el mismo nivel, a excepción del derivado de soya, el cual a partir del 2002
empezó a mostrar una drástica disminución, como se puede observar en la tabla 1.3, integrada
con datos del INEGI [15].
Año
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Tabla 1.3 Producción nacional de aceites
Aceite de Naboa
Aceite de Girasol Aceite de Soya
y/o Canola
(toneladas)
(toneladas)
(toneladas)
226 332
318 827
137 311
229 526
323 559
139 835
190 064
300 953
132 557
207 346
246 625
114 147
226 027
206 530
144 495
206 711
125 537
153 437
Otros aceites
comestibles
(toneladas)
427 890
385 572
419 730
437 410
432 544
471 748
Un retrato de la situación de México, evidencia que este país tiene un clima variado en las
distintas regiones del país y una superficie territorial basta, más sin embargo, existe un
estancamiento en diversos sectores agrícolas, con gente que está emigrando de sus lugares de
origen por falta de apoyo al campo. Un ejemplo ilustrativo es la copra, producto de la palma de
coco (cocos nucífera), la cual según la tabla 1.4, es la segunda en rendimiento de aceite por
hectárea sembrada [16].
El estado de Guerrero ha sido el principal productor de copra en México, de esta actividad
dependen más de 70 000 familias, y durante décadas, fue la base de la economía agrícola del
estado. En 1991, cayeron los precios a nivel mundial de la copra, debido a la propaganda en
9
Cenidet
contra, por argumentar que las grasas saturadas del aceite de coco, eran perjudiciales a la salud.
México se vio afectado, y desde luego, el estado de Guerrero, en donde el precio de la copra no
rebasó los $1.30/kilogramo. Este bajo precio se mantuvo durante la media década de los 90’s. A
partir de 1995 se vislumbra un alza en el precio de la copra, sin embargo, en el año 2001 volvió a
hacer crisis ante la apertura de los mercados al comercio internacional, en especial a la
importación de aceites de canola y de soya. El gobierno subsidió la compra de la copra, elevando
el precio a $4.50 por kg, en el 2005 [17, 18].
Ahora bien, en México, por su variedad de clima en las distintas regiones del país, es posible
cultivar los 4 últimos vegetales mostrados en la tabla 1.4; siendo el ricino (higuerilla), jojoba,
coco y palma los cultivos que más kilogramos de aceite producen por hectárea sembrada.
Para los países tropicales, la palma de aceite (Elaeis guineensis Jacq) representa una alternativa
de excelente perspectivas para el futuro, respecto a la producción de aceite vegetal.
La higuerilla (Ricinos conmunis) es una hierba erecta, robusta; a menudo parecida a un árbol de
2 a 5 m de alto. Su aceite se utiliza en la industria de motores altamente revolucionados, en la
producción de pinturas, lacas, barnices, plásticos, fertilizantes, para uso antiparasitario en
humanos, recubrimientos, fungicidas, champú y cosméticos. El aceite de ricino está contemplado
para ser usado como combustible en motores diesel. En las regiones de Tierra Caliente y el Bajío
se tiene proyectado el cultivo de 12 mil hectáreas con esta planta.
La siembra de estos arbustos, y la producción de aceite a partir de las semillas de estas plantas,
representan una alternativa para combatir la pobreza en zonas de alta marginación con la
generación de empleos, ya que se requiere de mano de obra permanente en las zonas de cultivo.
Tabla 1.4 Rendimiento en kg de aceite por hectárea de cultivo
PLANTA kg DE ACEITE/ HECTÁREA
10
Maíz
145
Algodón
273
Cáñamo
305
Soya
375
Linaza
402
Mostaza
481
Girasol
800
Cacahuate
890
Colza
1000
Ricino
1188
Jojoba
1528
Coco
2260
Palma
5000
Cenidet
1.2.3 Justificación
Las ventajas del biodiesel con respecto al diesel de petróleo se tipifican de la siguiente manera [1,
2, 4, 8, 19]:
a) Ventajas socioeconómicas:
Ahorro de combustibles agotables. En la medida en la que se sustituye el empleo de
derivados del petróleo por biocombustibles de origen renovable.
Diversificación energética.
Desarrollo agrícola. Una fuente renovable de producción de combustibles alternativos con
origen en la agricultura permite a la sociedad disponer de una fuente de empleo adicional
y de un aprovechamiento de terrenos que en algunos casos no pueden ser usados para
otros cultivos por restricciones políticas o condiciones del terreno.
b) Ventajas medioambientales:
Una de las ventajas más importante, está relacionada con la emisión neta de CO2. La
emisión de CO2, a pesar de no estar regulada, es de gran preocupación, por ser un gas que
contribuye al efecto invernadero del planeta. Además, el sector transporte destaca por
contribuir más que ningún otro sector a las emisiones de CO2. El empleo de biodiesel,
juega un papel muy importante en este aspecto, puesto que cuando se emplea como
combustible, el CO2 emitido por el motor se contrarresta durante el crecimiento del
cultivo agrícola del que procede, a través de la fijación por fotosíntesis. Esto cierra el
ciclo de vida del CO2, eliminándose por tanto su emisión neta.
Figura 1.6 Ciclo del CO2
Numerosos estudios han comprobado, al emplear biodiesel, una reducción en la
formación de monóxido de carbono, hidrocarburos sin quemar o parcialmente quemados
y núcleos de hollín. La justificación a este hecho radica en la presencia de oxígeno en la
molécula de biodiesel, que aumenta la disponibilidad de comburente en el cilindro,
favoreciendo una combustión más completa. Según la tabla 1.5 al sustituir biodiesel por
diesel de petróleo se consigue una disminución del 48% de monóxido de carbono.
11
Cenidet
Tabla 1.5 Emisiones promedio de biodiesel comparadas a las de diesel
TIPO DE EMISION REGULADAS B 100 B 20
Hidrocarburos Totales
-67%
-20%
Monóxido de Carbono
Partículas
NOX
-48%
-47%
10%
-12%
-12%
2%
Las emisiones de óxido nitroso NOx aumentan del 5 al 10 % en el uso de B100. Así mismo,
algunos estudios han observado una mayor emisión de aldehídos al emplear biodiesel, siendo
éstos unos compuestos que a pesar de no estar regulados por normativa, son considerados
altamente reactivos en la atmósfera, contribuyendo al smog fotoquímico [1,2].
El biodiesel es un combustible biodegradable, lo cual ayuda a minimizar el impacto en
caso de derrame accidental, además de ser muy indicada su utilización en motores de
lanchas y barcos.
c) Ventajas en el motor:
El biodiesel tiene un mayor número de cetano, lo cual mejora el proceso de combustión,
permite aumentar la relación de compresión del motor (conlleva un aumento del
rendimiento de éste) y produce menos ruido.
Presenta un mayor poder lubricante, con lo que se disminuye la necesidad de incluir
aditivos en el combustible para mejorar esta propiedad.
Aunando a las ventajas propias del biodiesel, este trabajo representa:
Una conjunción de distintos conocimientos, para la obtención de un dispositivo
mecatrónico.
Una posible solución al problema agrícola de plantíos como la copra, la cual, podría
convertirse en un gran potencial en la producción de biodiesel.
1.2.4 Problema
En un mundo globalizado resulta imperante estar vinculados con las disposiciones y tecnologías
usadas en los países de primer orbe. El aumento de la contaminación ambiental ha propiciado el
resurgimiento del biodiesel. Las ventajas socioeconómicas, ambientales y propias del motor,
hacen del biodiesel un producto muy atractivo. En México existen las condiciones para cultivar
las plantas que produzcan la mayor cantidad de aceite vegetal y con ello generar biodiesel.
Por todo lo anterior, la problemática planteada consiste en diseñar, construir y probar un
prototipo a escala piloto que sea controlable, en el cual todas las etapas que intervienen en el
proceso de obtención de biodiesel, se lleven a cabo de manera automática a través del equipo de
instrumentación implementado.
12
Cenidet
1.2.5 Hipótesis
Haciendo uso de un microcontrolador, dispositivo que es económico, fácil de adquirir, sin
embargo, limitado en memoria y en número de entradas/salidas; es posible automatizar el proceso
de obtención de biodiesel, en el prototipo diseñado y construido para tal fin.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Construir un prototipo a escala piloto para producir biodiesel.
1.3.2 Objetivos particulares
Determinar la mejor combinación de aceite vegetal-alcohol-catalizador de donde se
obtenga la mayor conversión
Establecer las cantidades a emplear, de los materiales usados en la experimentación
Medir y monitorear las variables que intervienen en el proceso
Adquirir datos necesarios en cada una de las etapas del proceso
Automatizar el proceso
Diseñar y construir un prototipo de generación de biodiesel
Realizar pruebas al biodiesel obtenido
1.4 Estado del arte
Numerosos documentos como libros, reportes, artículos, revistas, abordan el tema del biodiesel,
en particular, el mecanismo de la reacción de transesterificación, cantidades de los reactivos,
afectación de variables en el proceso y, en su gran mayoría, ventajas del biodiesel y descripción
de cómo producirlo.
Sin embargo, en lo referente a un prototipo o máquina para producir biodiesel, el Grupo de
Energías Renovables de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires (FIUBA),
en el 2003 iniciaron los trabajos de diseñar y construir una planta piloto totalmente automatizada,
para obtener 75 litros de biodiesel por lote [20].
13
Cenidet
Cabe hacer mención acerca de los equipos para producir biodiesel, que se ofertan en el mercado.
En Estados Unidos, Alemania, así como, otros países líderes de producción de biodiesel, se
venden al público en general, plantas denominadas BIO200 y BIO400 con un costo de 4000 USD
y una capacidad de 200 litros por lote. Señalar que estas máquinas no están automatizadas, por
ejemplo, el nivel de aceite y metóxido se controla visualmente [12].
1.5 Aportaciones
Haber implementado el proceso de producción de biodiesel de manera automática, en un
prototipo construido en México, en especial, en el CENIDET.
Conjuntar en un equipo diversas áreas del conocimiento, obteniendo un dispositivo
mecatrónico.
Impulsar el uso de energías alternativas provenientes de materia prima renovable.
Ser una solución para una parte de la industria agrícola de México que ha estado
estancada en los últimos años. Teniendo especial atención en la obtención de biodiesel a
partir de aceite de coco.
1.6 Limitaciones
Tamaño del prototipo. La construcción a escala piloto contempla la producción de
biodiesel en una cantidad de 6 a 8 litros por corrida.
Costos de fabricación. Hacer consideraciones en la selección de instrumentos que integran
el prototipo, con el fin de ajustarse a un bajo presupuesto.
Pruebas de laboratorio. La institución educativa donde se realizó este trabajo de tesis,
cenidet, no cuenta con la infraestructura para realizar las pruebas físicas y químicas al
biodiesel obtenido. Considerando la posibilidad de enviar las muestras a un laboratorio
externo.
Un análisis económico acerca de la factibilidad de producir biodiesel y hacer una
comparativa con el precio del diesel de petróleo, concierne a un tema en específico que
correspondería a otro trabajo de investigación.
1.7 Organización del documento
Hasta este punto, se ha tratado del biodiesel, su historia, ventajas, problemática en México, etc.
En los siguientes capítulos se presenta el desarrollo de este trabajo de tesis. Cada capítulo abarca
estos aspectos:
14
Cenidet
Capítulo 2. Experimentación. Se muestran los resultados de los experimentos realizados y las
conclusiones que se obtuvieron.
Capítulo 3. Diseño físico del prototipo. Se presentan el diseño general del prototipo, y además,
se detallan los componentes que lo conforman. Se desarrollan los cálculos para la selección del
motor del agitador, válvula solenoide y resistencia eléctrica.
Capítulo 4. Diseño de control. La hipótesis planteada consistía en automatizar el proceso con el
uso de un microcontrolador, por tal motivo, en este capítulo se expone la programación efectuada
para lograr la automatización. Así mismo, se presenta la validación y calibración de los sensores
utilizados.
Capítulo 5. Construcción y pruebas de funcionamiento. Se describe la construcción del prototipo
y se muestra un aspecto general del equipo. En otro contexto, se exhiben en una tabla, las pruebas
de funcionamiento al prototipo construido.
Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones. Se definen las conclusiones obtenidas del trabajo
realizado, además, las recomendaciones para mejorarlo.
Anexos. Anexo A, son los resultados de todos los experimentos llevados a cabo. Anexo B-G,
hojas de diseño de los componentes del prototipo. Anexo H, cálculos para la potencia de la
resistencia eléctrica. Anexo I, J, datos para la validación del sensor LM35. Anexo K, programa
general para la automatización. Anexo L, artículo técnico presentado en el 5° Congreso
Internacional de Innovación y Desarrollo Tecnológico, con sede en Cuernavaca, Morelos.
15
16
Cenidet
CAPÍTULO 2
Experimentación
2.1 Introducción
Este capítulo se refiere a la investigación experimental en la producción de biodiesel. En primera
instancia se estudiaron los reportes y documentos que hacían referencia al proceso de obtención
de biodiesel, sin embargo, la experimentación a nivel laboratorio permitiría observar el
comportamiento de las variables que intervienen durante la reacción de transesterificación, y con
ello, establecer las consideraciones para el diseño físico y de control del prototipo.
2.2 Materiales
En la obtención de biodiesel intervienen tres reactivos, estos son:
Aceite vegetal o grasa animal
Alcohol
Catalizador
17
Capítulo 2: Experimentación
Cenidet
2.2.1 Aceite vegetal
La materia prima empleada es el aceite vegetal sin usar procedente de plantas oleaginosas. En la
experimentación realizada se utilizaron aceite comestible, el cual es una mezcla de aceite de
maíz, girasol, colza, cártamo, entre otros; aceite de coco, aceite de higuerilla y de soya.
Una de las aportaciones principales de este trabajo de tesis es el brindar un nuevo impulso a la
industria coprera del país. En particular, Guerrero durante la década de los 90’s fue el productor
de copra más importante de México. Después de la devaluación económica sufrida en el año
1994, la copra decayó notablemente en su uso y producción. Algunos investigadores afirman que
el desplome en el precio de la copra a nivel mundial fue a causa de la campaña en contra que se le
hizo al aceite de coco por contener grasas saturadas y ser peligroso a la salud humana.
2.2.2 Alcohol
Para producir biodiesel, el alcohol es el que reacciona con el aceite, separando los ésteres del
glicerol. El alcohol comúnmente más usado en la obtención de biodiesel es el metanol, aunque
otros alcoholes, tales como etanol, isopropanol y butil pueden ser empleados. Un factor de
calidad clave para elegir el alcohol es el contenido de agua. El agua interfiere con la reacción de
transesterificación y puede resultar en una pobre conversión y altos niveles de jabón, ácidos
grasos libres y triglicéridos en el combustible final. Desafortunadamente los alcoholes más puros
son más costosos [5]. Sin embargo, el metanol, que no forma azeótropos con el agua, puede tener
un precio bajo y cumplir con un bajo contenido de agua también.
Características como el costo del alcohol, la cantidad necesaria para la reacción, la facilidad de
recuperarlo y reciclarlo, entre otras, intervienen de manera determinante en la elección del
alcohol. Algunos alcoholes también requieren ligeras modificaciones técnicas en el proceso de
obtención de biodiesel, por ejemplo temperaturas de operación más elevadas, tiempos de
agitación más prolongados o velocidades de agitación más bajas.
El proceso de transesterificación para producir biodiesel, dependiendo del alcohol usado, se le
puede nombrar de manera diferente. Haciendo uso de metanol se le conoce como metanólisis, en
el caso del etanol, es conocido como etanólisis. De la misma forma el resultado de la reacción de
transesterificación puede llamarse éster metílico, si metanol es usado, o bien éster etílico si se
utiliza etanol [3].
La formación de éster etílico comparativamente es más difícil que la de éster metílico,
especialmente la formación de una emulsión estable durante la etanólosis es un problema. El
etanol y el metanol no se disuelven con los triglicéridos a temperatura ambiente y la mezcla debe
ser agitada mecánicamente para que haya un mayor contacto entre las moléculas reaccionantes.
Durante la reacción generalmente se forma una emulsión, en la metanólosis esta emulsión
desciende rápidamente formándose una capa rica en glicerol, quedándose en la parte superior otra
zona rica en éster metílico. En cambio en la etanólisis esta emulsión no es estable y complica
mucho la separación y purificación de los ésteres etílicos. La emulsión está causada en parte por
la formación de monoglicéridos y diglicéridos intermedios, que contienen tanto grupos
hidróxidos polares como cadenas de hidrocarburos no polares [4].
18
Cenidet
2.2.2.1 Relación de alcohol/aceite
Una de las variables más importantes que afectan al rendimiento del proceso es la relación molar
del alcohol y los triglicéridos. La relación estequiométrica requiere tres moles de alcohol y un
mol de triglicérido para producir tres moles de ésteres y un mol de glicerol [4, 5].
La transesterificación es una reacción de equilibrio que necesita un exceso de alcohol para
desplazar la reacción al lado derecho. Para una conversión máxima se debe utilizar una relación
molar de 6:1. En cambio un valor alto de relación molar de alcohol afecta a la separación de
glicerina debido al incremento de su solubilidad, lo cual no es conveniente ya que si la glicerina
se mantiene en solución, el equilibrio de la reacción tiende a desplazarse hacia la izquierda,
disminuyendo con ello el rendimiento [4, 5].
Consultando diversas fuentes de información bibliográfica, se encontró que para el uso de
metanol en la producción de biodiesel se requiere de un 20% del volumen de aceite a usar. En
relación al etanol, este se emplea en un 30% del volumen de aceite [1, 3 – 5, 19].
2.2.3 Catalizador
Los catalizadores son empleados en la transesterificación para iniciar con la reacción y en
aumentar la cinética de la reacción. Los catalizadores usados para la transesterificación de los
triglicéridos se pueden clasificar en alcalinos, ácidos, enzimáticos o catalizadores heterogéneos,
siendo los básicos homogéneos y en particular los hidróxidos los más utilizados [4, 5].
Catalizadores homogéneos básicos, NaOH y KOH, son recomendados esencialmente para aceites
vegetales sin usar, debido a que el contenido de agua y de ácidos grasos libres son generalmente
bajo. Si el aceite presenta altos porcentajes de ácidos grasos libres, el uso de catalizadores básicos
durante el proceso de transesterificación originaría la formación de jabón y agua [4].
La cantidad de sosa cáustica necesaria para que se produzca la reacción de transesterificación,
según reportes de experimentos realizados, es de 0.35% del volumen de aceite. Por su parte, la
cantidad de KOH es de 0.9% del volumen de aceite. Sin embargo, en la experimentación se notó
que las cantidades mínimas necesarias fueron distintas [1, 3 - 5, 19].
2.2.4 Propiedades de reactivos empleados
¾ Aceite de coco
Se obtiene de la pulpa o copra del fruto del cocotero (Cocos nucifera) por extracción mecánica
y/o solventes. El aceite refinado y deodorizado tiene un color amarillo claro cuando está arriba de
su punto de fusión: 23-26 °C. Debajo de esta temperatura es sólido blanco de consistencia
variable dependiendo de la temperatura. Contiene una gran cantidad de ácidos grasos saturados
(+ del 90%), lo que le hace estable y resistente a la oxidación [21, 22].
En la experimentación se utilizaron dos tipos de aceite de coco, uno es un aceite de coco obtenido
artesanalmente, conocido comúnmente como “aceite de cazuela”, comprado en el mercado
19
Cenidet
central de Acapulco, Guerrero; el otro tipo de aceite fue el adquirido a una casa proveedora de
reactivos, por lo cual, es un aceite refinado y puro, que contiene las características presentadas en
la tabla 2.1.
Tabla 2.1 Composición química y propiedades del aceite de coco crudo
Porcentajes del contenido total de ácidos grasos
Ácidos grasos libres
0.05% máx.
Ácido Capróico C-6
0.0 – 0.6
Ácido Caprílico C-8
4.6 – 9.4
Ácido Cáprico C-10
5.5 – 7.8
Ácido Láurico C-12
45.1 – 50.3
Ácido Mirístico C-14
16.8 – 20.6
Ácido Palmítico C-16
7.7 – 10.2
Ácido Palmitoléico C-16:1
0.0 – 1.0
Ácido Esteárico C-18
2.3 – 3.5
Ácido Oleico C-18:1
5.4 – 8.1
Ácido Linoleico C-18:2
1.0 – 2.1
Ácido Araqídico C-20
0.0 – 0.2
Propiedades fisicoquímicas
Densidad a 40°C
0.908 – 0.921 g/ml
Índice de Yodo
7,5 a 10,5 g I2/100g
Punto de fusión
23 – 26 °C
Índice de peróxidos
Máx. 0,5 meq/kg
Índice de refracción 40°C
1,448 a 1,450
Índice de saponificación
248 a 265 mg KOH/g
Máx. 20 Amarillo
Color Lovibond
Máx. 3 Rojo
Humedad
Máx. 0,05%
Antioxidantes
Negativo
¾ Propiedades del metanol usado
En la mayoría de los experimentos se utilizó metanol grado reactivo (GR), con las siguientes
características:
Fórmula química.............................CH3OH
Concentración.................................99.5%
Densidad relativa a 25°C ................0.79%
Temperatura de inflamación........... 12 °C
Temperatura de ebullición..............64.7 °C
Residuos a la evaporación ..............0.001%
Acetona aldehidos ..........................0.002%
Acidez (como HCOOH) .................0.002%
Alcalinidad (como NH3).................0.003%
También se llevó a cabo la experimentación usando metanol grado técnico. El cual, tiene una
concentración de 98%.
20
Cenidet
¾ Propiedades del etanol empleado
El etanol usado en la experimentación de producción de biodiesel, presentaba las características
que a continuación se enlistan.
Fórmula química.............................CH3-CH2-OH
Concentración.................................99.8%
Densidad .........................................0.810 g/cm3
Punto de ebullición .........................78.6 °C
Residuos a la evaporación ..............0.001%
Acetona...........................................0.001%
Acidez (como CH3COOH) .............0.003%
Alcalinidad (como NH3).................0.0003%
Alcohol isopropílico .......................0.003%
¾ Propiedades de la sosa utilizada
Sosa cáustica de grado técnico se manejó en todos los experimentos que se empleó esta como
catalizador. La presentación de la sosa es en escamas y sus propiedades son:
Hidróxido de sodio (NaOH) ........... 50.47%
Hidrógeno (H) ................................2.52%
Oxígeno (O)....................................40.0%
Densidad a 25 °C ............................2.13 g/ml
Punto de ebullición ......................... 1388 °C
Punto de fusión ............................... 318.4 °C
Peso molecular................................4.01 g/mol
¾ Propiedades del KOH
El otro catalizador ocupado en la realización de experimentos fue el hidróxido de potasio, el cual
era de grado reactivo analítico con las siguientes concentraciones:
Pureza (KOH).................................88%
Carbonato de potasio (K2CO3) .......0.3%
Materia insoluble ............................< 30.0 ppm
Cloro (Cl)........................................< 0.0005%
Hidróxido de amonio......................0.02%
Metales pesados (como Ag) ...........0.0005%
Sodio (Na) ......................................0.03%
2.2.5 Manejo de reactivos
Metanol y etanol son los alcoholes que se utilizaron en la experimentación. El metanol es más
tóxico que el etanol, por lo cual fue necesario manejarlo con mayor cuidado, evitando el contacto
directo con la piel y ojos.
21
Cenidet
Hidróxido de sodio (NaOH) comúnmente llamada lejía o sosa cáustica, e hidróxido de potasio
(KOH) son los catalizadores empleados en la experimentación. El manejo de estos catalizadores
fue hecho con gran precaución, debido a ser higroscópicos, absorben humedad del medio
ambiente, además de ser peligrosos si se encuentran en contacto con la piel, ojos, o bien si son
ingeridos [23].
Para evitar cualquier accidente en el uso de estos reactivos, se recomienda utilizar equipo de
protección personal, como guantes, gogles contra salpicaduras, bata de algodón, etc.
2.3 Método
Después de hacer una revisión de los documentos bibliográficos recopilados acerca del proceso
de obtención de biodiesel, resultaba conveniente unificar criterios y procedimientos. Por tal
razón, se definió iniciar la experimentación con aceite comestible de cocina sin usar, metanol y
sosa cáustica. Las cantidades iniciales fueron las usadas en los reportes de experimentos
consultados. En lo que se refiere a las variables físicas del proceso, se estableció: tiempo de
agitación de 20 minutos, tiempo de separación de 8 horas y, la reacción se llevara a cabo a
temperatura ambiente.
De manera general se siguió el procedimiento dado mas adelante para la realización de cada uno
de los experimentos, independientemente de las variaciones hechas a los tipos de reactivos,
cantidades de los mismos, temperatura de la reacción, etc.
1. Usar el equipo de protección personal
2. Medir la cantidad de aceite necesaria y verterla a un recipiente
3. Medir el alcohol y vaciarlo en otro recipiente. Evite el contacto con la piel y la
inhalación
4. Pesar el catalizador y añadirlo al alcohol. Este procedimiento se debe hacer rápidamente,
puesto que la sosa es hidroscópica. Evite el contacto con la piel
5. Agitar la mezcla alcohol-catalizador hasta que este se disuelva completamente. Si se usa
metanol, el resultado de la mezcla se denomina metóxido. Si etanol es usado, recibe el
nombre de etóxido
6. Agregar cuidadosa y lentamente, el metóxido al aceite, resbalándolo por la pared del
recipiente y agitando durante la adición
7. Agitar durante 20 minutos a la temperatura especificada
8. Verter el producto de la mezcla aceite-metóxido, en un embudo de separación
9. Dejar reposar durante 8 horas
10. Separar los productos obtenidos de la reacción (biodiesel y glicerina) por decantación
11. Medir la cantidad de cada uno de los productos obtenidos
12. Determinar el numero de pH del biodiesel
13. Densidad del biodiesel
14. Anotar la apariencia del biodiesel y la glicerina, así como las observaciones hechas
durante el experimento.
El biodiesel resultante puede contener alcohol sin reaccionar, catalizador y glicerina que no se
haya precipitado. Aplicar un lavado al biodiesel obtenido, removerá de él todos esos
componentes no deseables [19].
22
Cenidet
Cabe señalar que la norma ASTM D-6751 permite un máximo de 0.2% de alcohol presente en el
biodiesel. Por lo cual, es recomendable lavar el biodiesel y de esta manera, cumpla con las
especificaciones de la norma.
Existen varios métodos de lavado de biodiesel, lavado por niebla, por burbujas y por agitación.
Se estableció emplear el lavado por agitación, debido a agilizar la separación de biodiesel lavado
y agua. El procedimiento consiste en:
1. Se obtienen el volumen y el pH del biodiesel que se desee lavar.
2. Se mide un volumen de agua potable igual al de biodiesel y se mide su pH.
3. A este volumen de agua se le agrega vinagre para ajustarle el pH a un valor que, al ser
restado del pH original del agua, sea igual a la diferencia obtenida entre la lectura de pH
del biodiesel menos 7. Ejemplo, si el pH del biodiesel sea 8.5, implica que el agua
mezclada con vinagre sea de un pH 5.5
4. Se mezclan los volúmenes de agua y de biodiesel, se agitan por 5 minutos y se dejan
reposar hasta que se obtenga una efectiva separación de las fases.
5. Se decanta la fase acuosa dejando la fase orgánica correspondiente al biodiesel lavado.
2.3.1 Diseño experimental
En un primer número de experimentos, el diseño experimental se hizo en base a mantener fijos
los volúmenes de aceite vegetal y de alcohol, variar las cantidades de sosa cáustica de 2.0 a 0.7
gramos, la temperatura se mantuvo a temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C) y se midió,
como variable dependiente, el volumen de biodiesel y de glicerina. Cabe hacer la observación
que los intervalos de variación de las variables independientes fueron escogidos de acuerdo con
información obtenida de la literatura, ya que en ella se reportan diferentes propuestas para
producción de biodiesel.
La conclusión de los resultados se hizo considerando la menor cantidad de hidróxido de sodio
usado a partir de la obtención de volúmenes equivalentes de biodiesel. Por ejemplo, según la
tabla 2.2, con 0.7 g de sosa no se da la reacción pero con 1.0 y 1.2 g, se obtienen volúmenes de
biodiesel de 203 y 201 ml, respectivamente, todo ello a una misma temperatura.
Al mantener fijos los volúmenes de aceite y alcohol, la mejor combinación de cantidades de
reactivos se determinó considerando la menor cantidad de catalizador usado.
Conociendo estas cantidades de las sustancias empleadas, se varió la temperatura de la reacción.
De esta forma, los experimentos que resultaron favorables en la obtención de biodiesel a
temperatura ambiente, se llevaron a cabo nuevamente con temperaturas de 55 a 60 °C, y en
algunos casos, a temperaturas de 80 °C, esto en el laboratorio de biotecnología de la UAEM,
haciendo uso de equipo de condensación para recuperar el alcohol evaporado. Nuevamente, la
variable dependiente fue el volumen de biodiesel o glicerina.
Por último, se varió el tipo de alcohol y catalizador. Subrayar, el motivo de utilizar un alcohol y/o
catalizador diferente, fue para determinar los reactivos que mejor favorecían la separación de
glicerina y biodiesel, y en base a ello, realizar el diseño del prototipo automatizado para llevar a
cabo ese proceso seleccionado.
23
Cenidet
2.4 Resultados
Se hicieron un total de 48 experimentos, utilizando aceite comestible de cocina sin usar, aceite de
coco, de soya y de higuerilla. Como alcohol fueron empleados metanol y etanol. Como
catalizador NaOH y KOH. En el anexo A se presenta la tabla que contiene todos los
experimentos. A continuación se muestran los resultados que determinaron las conclusiones de la
experimentación.
¾ Aceite de cocina y metanol
Tabla 2.2 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y metanol
Prueba
1
2
4
5
7
10
14
22
24
Aceite
(ml)
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
200
200
200
200
200
200
200
50
50
Alcohol
(ml)
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
40
40
40
40
40
40
40
10
10
Catalizador
(g)
Sosa, 2.0
Sosa, 1.5
Sosa, 0.7
Sosa, 1.2
Sosa, 1
Sosa, 0.875
Sosa, 0.875
Sosa, 0.250
Sos GR 0.250
Producto obtenido
Biodiesel Glicerina
(ml)
(ml)
200
201
203
201
206
Si
Si
32
24
23
21
21
Si
Si
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
*
*
*
0.875
0.87
-
n/d
11.1
12.3
-
Amb
“
“
“
“
“
55 – 60
80
80
La prueba 10 fue hecha a temperatura ambiente, determinando la menor cantidad de sosa a
emplear para obtener biodiesel a partir de aceite de cocina y metanol. Esta prueba sirvió para
establecer la mínima cantidad de sosa con la que se logra la separación de biodiesel y glicerina.
En la prueba 14 se utilizaron las mismas sustancias a las mismas cantidades, la variación se
efectuó en la temperatura de la reacción. A temperatura de 55 – 60 °C se produce una mayor
cantidad de biodiesel (206 ml) con respecto a los 201 ml de la prueba 10. La literatura expresa
que a mayor temperatura existe mayor conversión de aceite a biodiesel.
Las pruebas 22 y 24, realizadas a 80 °C, presentaron un aspecto importante. La agitación fue muy
baja, en base a perlas de vidrio. Se generó la separación de biodiesel y glicerina. Por lo cual, la
intensidad de agitación no es una variable que determine la obtención de biodiesel, situación que
concuerda con los documentos consultados.
¾ Aceite de coco y metanol
Tabla 2.3 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y metanol
Prueba
3
6
8
9
19
24
Aceite
(ml)
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
200
200
200
200
200
Alcohol
(ml)
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
40
40
50
40
50
Catalizador
(g)
Sosa, 0.7
Sosa,
1
Sosa, 0.875
Sosa,
1
Sosa,
1
Producto obtenido
Biodiesel Glicerina
(ml)
(ml)
208
200
210
28
26
30
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
*
0.88
*
9.1
8.9
9.1
Amb
“
“
“
“
Cenidet
29
15
23
25
34
41
42
43
44
47
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
200
200
200
200
200
200
200
200
200
200
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
Metanol,
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sos GR
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
0.875
1
1
1
0.875
0.875
0.875
0.875
0.875
0.875
203
200
Si
Si
210
202
200
204
196
204
25
23
Si
Si
24
20
24
22
24
24
*
0.89
0.88
“
“
“
“
9.1
9.4
9.1
9.1
9.1
9.0
“
“
57 – 60
80
80
55 – 60
Amb
“
“
“
“
Se presentan características muy semejantes en los resultados de estas pruebas, en relación a los
resultados de las pruebas anteriores. Estas son: las mínimas cantidades de las sustancias, una
mayor obtención de biodiesel a temperatura alta y la intensidad de agitación no es una variable
determinante.
Las pruebas 41 – 44 y 47 son repeticiones de la prueba 29. Los resultados que se obtuvieron son
similares, por lo cual, existe repetibilidad en los experimentos realizados empleando la mínima
cantidad de sosa y originándose la separación de productos.
¾ Aceite de cocina y etanol
Tabla 2.4 Experimentos de biodiesel, usando aceite de cocina y etanol
Prueba
11
12
13
16
20
36
17
31
33
35
37
Aceite
(ml)
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
Cocina,
200
200
200
200
200
200
200
200
200
200
200
Alcohol
(ml)
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
40
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
Catalizador
(g)
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
1
1
1.33
0.875
1
1
1
1
1
1
1
Producto obtenido
Biodiesel Glicerina
(ml)
(ml)
207
207
220
220
-
35
37
28
28
-
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
*
0.875
*
*
-
8.9
9.3
8.6
-
Amb
“
“
Amb
Amb
Amb
58 – 60
60 – 64
50 – 55
55 – 60
55 – 60
En estos experimentos se varió el tipo de alcohol. Se requiere de mayor cantidad de etanol, para
producir biodiesel, en comparación con el metanol. La relación es de un aumento del 50%.
A temperaturas de 55-60 °C, no fue posible la obtención de biodiesel y glicerina, usando etanol.
25
Cenidet
¾ Aceite de coco y etanol
Tabla 2.5 Experimentos de biodiesel, usando aceite de coco y etanol
Prueba
18
21
26
27
28
30
32
38
39
40
Aceite
(ml)
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Coco,
Alcohol
(ml)
200
200
200
120
150
200
112
100
100
100
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
Etanol,
60
60
60
42
60
80
56
30
40
40
Catalizador
(g)
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
KOH,
KOH,
KOH,
1
1.125
1.250
0.6
0.75
1.25
0.7
1.125
1.125
1.687
Producto obtenido
Biodiesel Glicerina
(ml)
(ml)
-
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
-
-
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
-
Como se mencionó en la sección 2.1.2, la formación de biodiesel usando etanol es más difícil, en
comparación al metanol. En estos experimentos se hizo reaccionar aceite de coco y etanol en
presencia de sosa cáustica o KOH. Ninguno de ellos resultó favorable en la producción de
biodiesel.
¾ Experimentación con distintos aceites
Se llevaron a cabo experimentos con aceite de coco, higuerilla y soya, utilizando la mejor
combinación alcohol/catalizador, a cantidades fijadas desde la prueba 10.
Tabla 2.6 Experimentos de biodiesel con distintos tipos de aceite
Prueba
Aceite
(ml)
Alcohol
(ml)
Catalizador
(g)
10
29
45
46
48
Cocina, 200
Coco,
200
Soya,
200
Higuerilla 200
Coco,
200
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol GT, 40
Sosa, 0.875
Sosa, 0.875
Sosa, 0.875
Sosa, 0.875
Sosa, 0.875
Producto obtenido
Biodiesel Glicerina
(ml)
(ml)
201
203
202
208
207
21
25
22
20
16
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
0.875
*
0.89
0.885
0.88
12.3
9.1
“
“
“
Amb
“
“
“
“
La prueba 48 fue realizada con metanol grado técnico (GT), lográndose la separación de biodiesel
y glicerina.
Después de experimentar en repetidas ocasiones, con distintos tipos de aceite, se definió la mejor
combinación de alcohol-catalizador, así como las cantidades de los reactivos a emplear en la
producción de biodiesel. Estas cantidades en proporción son las utilizadas en el prototipo
construido.
Aceite:
de coco, cocina sin usar, higuerilla o soya.
26
Alcohol:
metanol, 20% del volumen de aceite (ml)
Catalizador:
sosa cáustica, 0.4375% del volumen de aceite (ml)
Cenidet
2.5 Costo por litro de biodiesel
Tomando en cuenta los siguientes costos de los reactivos que intervienen en el proceso de
obtención de biodiesel:
Aceite de coco no refinado, adquirido en el mercado central de Acapulco, Guerrero: $ 20.00/litro
Metanol grado técnico: $ 19.24/litro
Metanol GR: $ 89.32 / litro
Sosa cáustica grado técnico: $ 21.28/kg
Para 1 litro de biodiesel usando aceite de coco comprado en Acapulco, aproximadamente se
necesitan:
1 litro de aceite de coco:
200 ml de metanol grado técnico:
4.375 g de sosa grado técnico:
$ 20.00
$ 3.84
$ 0.09
1 litro de aceite de coco:
200 ml de metanol GR:
4.375 g de sosa grado técnico:
$ 20.00
$ 17.86
$ 0.09
Total:
$ 23.93
Total:
$ 37.95
Los costos son en moneda nacional. Vigentes al mes de noviembre de 2007.
Estos costos pueden ser disminuidos si se realiza una producción a gran escala, en particular, en
el insumo de aceite de coco.
2.6 Conclusiones de la experimentación
La combinación alcohol – catalizador a utilizar, es metanol – sosa cáustica (NaOH).
A altas temperaturas, 55 – 60 °C, existe una mayor producción en volumen de biodiesel.
La intensidad de la agitación no es determinante en la formación de biodiesel. Solo es
requerido mantener una mezcla homogénea de los reactivos.
Las cantidades a usar, tomando el volumen de aceite como la cantidad base, son:
Metanol, 20% del volumen de aceite (ml)
Sosa cáustica, 0.4375% del volumen de aceite (ml)
Es posible llevar a cabo el proceso de transesterificación a partir de aceite de cocina sin
usar, coco, higuerilla y soya.
En cada una de las pruebas que resultaron favorables en la separación de biodiesel y
glicerina, se midió la densidad del biodiesel obtenido, y en todos los casos se encuentra
dentro del intervalo especificado por las normas internacionales como la ASTM D-6751 y
la EN1424.
27
28
Cenidet
CAPÍTULO 3
Diseño físico
3.1 Introducción
Después de haber logrado un conocimiento del proceso de esterificación de diferentes aceites de
origen vegetal a nivel laboratorio, como se detalla en el capítulo anterior, y donde se observó la
influencia de las diferentes variables que intervienen como la temperatura, la proporción de
reactivos, la intensidad de la agitación, las etapas de la reacción identificadas por la variación de
la apariencia física de la mezcla reaccionante respecto a color y viscosidad, y el tiempo requerido
para alcanzar la máxima separación de los productos (biodiesel y glicerina); se contó con la
información requerida para escalar el proceso a nivel de un prototipo, objetivo del trabajo, para lo
cual se tomaron en cuenta las propiedades físicas y químicas de los reactivos, los rangos de
control de las variables involucradas y el volumen total del producto de biodiesel que se desea
producir.
29
Capítulo 3: Diseño físico
Cenidet
3.2 Consideraciones de diseño
3.2.1 Consideraciones generales
Tipo de proceso. El proceso de transesterificación que se llevará a cabo en el prototipo
podrá considerarse por lotes (batch) aún y que, si después del tiempo de reacción se
trasfiere la carga del reactor a otro tanque para que se separen la glicerina y el biodiesel,
inmediatamente se puede iniciar una nueva carga.
Tamaño del prototipo. El prototipo diseñado y construido como objetivo principal de este
trabajo de tesis, representa el escalamiento a equipo piloto del proceso estudiado a nivel
laboratorio. Las características de los materiales en que se construirá, la instrumentación y
los sistemas de control para su operación servirán de modelo (prototipo), en caso de que
se quiera reproducir el proceso a escala industrial. En este caso particular, se diseñó para
una capacidad máxima de producción de biodiesel de ocho litros por lote.
Suministro de las sustancias. A través de la acción de la gravedad se van a verter las
sustancias que intervienen en la reacción, con esto, se anula el uso de un dispositivo de
bombeo.
A partir de la etapa de experimentación, fueron incrementándose las consideraciones a tomar en
cuenta.
Se garantiza una buena separación de biodiesel y glicerina a una temperatura de reacción
entre 55 – 60 °C. Esto conlleva a mantener la temperatura en el reactor dentro del rango
especificado, mediante el uso de resistencia eléctrica de calentamiento tipo banda.
En particular, el aceite de coco tiene un punto de fusión de 23 °C, haciendo necesario un
precalentamiento del aceite antes de ser incorporado al reactor.
Observar la separación de biodiesel y glicerina a través de una mirilla.
Las siguientes consideraciones se hicieron atendiendo al manejo de la sosa cáustica, la cual es
muy corrosiva y no puede estar en contacto con ciertos metales, además de ser hidroscópica.
Se va a disponer de metóxido ya preparado (mezcla metanol-sosa) en un recipiente.
El material de construcción de los recipientes contenedores de aceite y metóxido, así
como el reactor, es lámina de acero inoxidable de calibre 18, es decir, de un espesor de
1.21 mm, calibre que permite soldarlos.
La tubería por donde se trasfieren el aceite, el metóxido, la glicerina y el biodiesel, son de
acero inoxidable tipo 304, de 3/8” de diámetro. Los dispositivos encargados de controlar
el flujo son válvulas solenoide de características dadas más adelante.
La figura 3.1 muestra el diseño general del prototipo, la hoja técnica se presenta en el anexo B.
30
Cenidet
Figura 3.1 Diseño general del prototipo
Lista de componentes principales:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Reactor
Recipiente contenedor de aceite
Recipiente contenedor de metóxido
Motor agitador
Válvula solenoide
Resistencia eléctrica de calentamiento
Armadura de soporte
3.3 Detalles de los componentes
Los componentes que integran el prototipo fueron diseñados siguiendo las consideraciones
generales planteadas en la sección anterior y en base a particularidades que serán descritas en este
apartado. La selección de las válvulas, resistencia eléctrica y el motor del agitador fueron hechas
a partir de cálculos realizados para tal fin.
3.3.1 Reactor
La reacción de transesterificación para producir biodiesel se propicia en el reactor. Durante el
tiempo de reacción se mantiene la mezcla en agitación, así como a la temperatura dentro del
intervalo especificado. El tiempo de reacción y de agitación es de 25 minutos. Culminada la
agitación, se deja reposar la mezcla en el mismo reactor para que se logre la separación de
glicerina y biodiesel por diferencia de densidades. Como mínimo se requieren de 4 horas para
garantizar que se ha precipitado la totalidad de la glicerina, de acuerdo a los análisis
cromatográficos realizados en el laboratorio de biotecnología de la UAEM, que se muestran más
adelante.
31
Cenidet
La glicerina se precipita en el fondo del reactor, por tal razón, es conveniente que la forma de
dicho reactor sea parecida a un embudo, es decir de forma cónica, con ello permitirá drenar su
contenido con mayor facilidad.
Considerando el tamaño del prototipo, el reactor se diseñó para manejar hasta un volumen de 8
litros de mezcla aceite-metóxido. Poniendo atención que al agitar, el nivel de la mezcla se
incrementa.
En la figura 3.2 se observa el dibujo del reactor. La hoja de diseño se puede ver en el anexo C.
La tapa presenta tres orificios, el orificio central es donde se introducirá el vástago del motor
agitador. Los orificios que se encuentran a los lados son para conectar con los recipientes de
aceite y metóxido, mediante la tubería de acero inoxidable.
Figura 3.2 Reactor
¾ Cálculo del volumen total del reactor
Figura 3.3 Dimensiones del reactor en mm
Parte cilíndrica:
V1 =
32
πD 2
4
a=
π (250mm) 2
4
(170mm) = 8.34 × 10 6 mm 3
Cenidet
Parte cónica:
V2 =
πD 2
12
a=
π (250mm) 2
12
(117 mm) = 2.04 × 10 6 mm 3
Volumen Total: 10.38 x 106 mm3 = 10.388 litros
3.3.2 Recipiente contenedor de aceite
Para almacenar el aceite vegetal se diseñó un recipiente de lámina de acero inoxidable. El dibujo
técnico se contempla en el anexo D.
Figura 3.4 Recipiente del aceite
Observando la figura 3.4 se denota lo siguiente:
Forma cilíndrica. Permite calcular con mayor facilidad el volumen del aceite si se conoce
su altura dentro del recipiente.
Contiene una tapa que evitará el alojamiento de polvo y basura en la superficie del aceite.
El orifico en la parte lateral, es la salida del aceite.
¾ Cálculo del volumen
200
Figura 3.5 Dimensiones del recipiente de aceite en mm
33
Cenidet
Volumen del recipiente de forma cilíndrica, se obtiene:
V =
πD 2
4
a=
π (200mm) 2
4
(250mm) = 7.85 × 10 6 mm 3
Volumen= 7.85 litros
3.3.3 Recipiente contenedor de metóxido
La mezcla de metanol y sosa cáustica se le conoce como metóxido, el cual estará contenido en un
recipiente de lámina de acero inoxidable. En el anexo E quedan definido el dibujo técnico de este
componente.
Figura 3.6 Recipiente contenedor de metóxido
En la figura 3.6 se aprecia que el recipiente es de forma cilíndrica, contiene una tapa y un orificio
en la parte lateral inferior para la salida del metóxido.
¾ Cálculo del volumen
Figura 3.7 Dimensiones del recipiente contenedor de metóxido
El volumen se calcula de la misma manera que en el caso anterior.
V =
πD 2
4
a=
π (120mm) 2
4
(177 mm) = 2 × 10 6 mm 3
Volumen = 2 litros
34
Cenidet
3.3.4 Motor del agitador
El cálculo para conocer la potencia del motor del agitador, tuvo como punto de partida la
conclusión hecha en la etapa de experimentación; la intensidad de la agitación no es un factor
determinante en la obtención de biodiesel, basta con que ésta sea suficiente para mantener una
mezcla homogénea que favorezca el contacto de los reactivos, sobretodo en las etapas donde la
viscosidad de la mezcla se incrementa.
Se eligió hacer uso de un motor eléctrico monofásico de 1800 rpm, considerando que es muy
común en el mercado.
El motor se acopla a un impulsor tipo paletas inclinadas, el cual causa que el movimiento del
líquido sea de forma radial y tangencial, así como también exista un movimiento vertical con
respecto al vástago del agitador [24].
Figura 3.8 Impulsor del motor agitador
El procedimiento de cálculo de la potencia del motor necesaria para que se logre la agitación,
consiste en determinar el número de Reynolds (Re), el número de potencia (Np) y por último, la
potencia en hp [25].
¾ Calcular número de Reynolds
Datos:
N = Velocidad nominal del motor = 1800 rpm = 30 rps
ρ = Densidad del aceite = 0.92 g/cm3 = 920 kg/m3
D = Diámetro del impulsor = 7 cm = 0.07 m
µ = Viscosidad del fluido = 626 cSt = 6.26 cm2/s
Al inicio de la agitación aceite – metóxido, se incrementa considerablemente la viscosidad de la
mezcla. Además, la viscosidad del aceite cambia con respecto a la temperatura. Para tener un
cálculo que abarcara estas problemáticas, se dictaminó utilizar el valor de viscosidad de la
glicerina. Glicerina y biodiesel se encuentran mezclados al final de la agitación, de los cuales, la
glicerina tiene una mayor viscosidad.
La ecuación 3.1 se utilizó para determinar el número de Reynolds
35
Cenidet
Re =
Re =
(30)(0.92)(7 )2
6.26
NρD 2
µ
(3.1)
= 216.038
¾ Calcular número de potencia Np
El número de potencia se encuentra mediante una gráfica que se presenta en la figura 3.9, en
donde se muestran curvas de potencia de distintos tipos de impulsores. Solo se necesita conocer
el número de Reynolds y determinar el valor de Np con respecto a la curva seleccionada.
Figura 3.9 Curvas de potencia de distintos impulsores
La curva 1 y 2 son de un impulsor tipo turbina aspas planas, curva 3 pertenece a impulsor de
aletas inclinadas diámetro pequeño, curva 4 a impulsor tipo aletas inclinadas de diámetro medio,
y la curva 5, es de un impulsor tipo aletas inclinadas de diámetro grande.
Según la curva 3 de la figura 3.9, el número de potencia correspondiente a un Re = 216.038 es:
Np = 1.8
¾ Calcular potencia del motor
El cálculo de la potencia se realizó con la ecuación 3.2
P = N p ρN 3 D 5
36
(3.2)
Cenidet
P = 1.8(920)(30) (0.07 )
3
5
P = 75.1475W
⎛ 1hp ⎞
P = 75.1475W ⎜
⎟ = 0.100774 hp = 110 hp
W
745
.
7
⎝
⎠
3.3.5 Válvulas solenoide
El diseño general del prototipo contempla el uso de válvulas solenoide para permitir el flujo de
aceite, metóxido y en la separación de glicerina y biodiesel. Las válvulas solenoide son de la
firma Jefferson®, número de catálogo 1335BN3DT, con las siguientes características [26]:

Normalmente cerrada
Cuerpo de latón forjado
Conexión roscada NPT 3/8”
Diafragma con alma metálica y asiento de neopreno
De acción directa
∆P mínima: 0 bar - ∆P máxima: 0.1 bar
Bobina de 19 W a 12 V CC
El dibujo técnico de este componente corresponde a las dimensiones del fabricante. Ver anexo F.
Figura 3.10 Válvula solenoide
La elección de la válvula se realizó tomando en cuenta los siguientes parámetros:
Presión diferencial. Se llama presión diferencial o caída de presión o pérdida de carga, a la
diferencia de presiones estáticas entre la entrada y la salida de la válvula. El símbolo para
indicarla es ∆P.
Máxima presión diferencial. Es la que se establece cuando la válvula está cerrada. Cuando esta
presión supera el valor máximo indicado para cada modelo de válvula, ésta no puede operar.
Mínima presión diferencial. En las válvulas servo-operadas es necesaria una presión diferencial
mínima para abrir y permanecer abiertas. En cambio las de acción directa y ancladas prescinden
de este requisito.
37
Cenidet
Como se mencionó anteriormente, la válvula seleccionada presenta una ∆P mínima de 0 bar y
una ∆P máxima de 0.1 bar. Si la caída de presión en alguna de las válvulas instaladas, rebasa el
valor de 1 bar, ésta no funcionaría [26]. Motivado por esta circunstancia, se calculó la caída de
presión máxima para cada válvula, con la finalidad de garantizar el buen funcionamiento.
¾ Cálculo de caída de presión en cada válvula
La realización de estos cálculos se hizo empleando la ecuación 3.3:
⎛ Q
∆P = γ ⎜⎜
⎝ Kv
⎞
⎟⎟
⎠
2
(3.3)
Donde:
∆P = Caída de presión en bar
γ = Peso especifico del liquido en g/cm3
Q = Caudal volumétrico en m3/h
Kv = Coeficiente de flujo de la válvula en m3/h
Para hacer los cálculos de la caída de presión, habría que conocer el caudal volumétrico, dato que
se encontró utilizando dos ecuaciones, la primera es de acuerdo al teorema de Torricelli:
V2 = 2 g 1 a
(3.4)
Donde:
V2 = Velocidad a la salida del recipiente
g1 = Aceleración de la gravedad
a = Altura del liquido o fluido
La segunda ecuación es la definición del caudal:
Q = AV2
(3.5)
Donde:
Q = Caudal volumétrico
A = Área de sección transversal por donde pasa el fluido
V2 = Velocidad del fluido
Para todos los casos, el área de sección transversal a la que hace referencia la ecuación 3.5, es el
área interna del tubo de 3/8 in. En donde el diámetro interno es de 9.52 mm (3/8 in)
Se consideró tomar la máxima altura del líquido en el recipiente o reactor, según corresponda el
caso.

Reactor principal
V2 = 2 g1 a = 2(9.81)(0.28) = 2.34384
38
m
s
Cenidet
Q = AV2 =

π (0.00952) 2
4
m3
l
(2.3438) = 0.000167
= 0.167
s
s
Recipiente del aceite
V2 = 2 g1 a = 2(9.81)(0.25) = 2.21
Q = AV2 =

π (0.00952) 2
4
m
s
(2.21) = 0.000157
m3
l
= 0.157
s
s
Recipiente del metóxido
V2 = 2 g1 a = 2(9.81)(0.18) = 1.879
Q = AV2 =
π (0.00952) 2
4
m
s
(1.879) = 0.000134
m3
l
= 0.134
s
s
Después de determinar el valor del caudal volumétrico a la salida de cada componente, se
continuó con la valoración de la caída de presión, contemplando:
El peso especifico γ del aceite de coco o de cocina es de 0.92 g/cm3; para el alcohol
etílico o metilito es de 0.79 g/cm3
El coeficiente de flujo de la válvula seleccionada es de 2.35 (adimensional)

Reactor principal
El peso específico empleado es el del aceite, debido a que es el mayor entre el aceite y el alcohol.
l ⎛ 1m 3 ⎞⎛ 3600s ⎞
m3
⎜
⎟
Q = 0.167 ⎜
⎜
⎟ = 0.6012
s ⎝ 1000l ⎟⎠⎝ 1h ⎠
h

⎛ Q
∆P = γ ⎜⎜
⎝ Kv
Recipiente del aceite
2
⎞
0.6012 ⎞
⎟⎟ = 0.92⎛⎜
⎟ = 0.06012bar
⎝ 2.35 ⎠
⎠
2
l ⎛ 1m 3 ⎞⎛ 3600s ⎞
m3
⎟⎟⎜
Q = 0.157 ⎜⎜
⎟ = 0.5652
s ⎝ 1000l ⎠⎝ 1h ⎠
h
⎛ Q
∆P = γ ⎜⎜
⎝ Kv

2
⎞
0.5652 ⎞
⎟⎟ = 0.92⎛⎜
⎟ = 0.05321bar
⎝ 2.35 ⎠
⎠
2
Recipiente del metóxido
39
Cenidet
l ⎛ 1m 3 ⎞⎛ 3600s ⎞
m3
⎟⎟⎜
Q = 0.134 ⎜⎜
⎟ = 0.4824
s ⎝ 1000l ⎠⎝ 1h ⎠
h
⎛ Q
∆P = γ ⎜⎜
⎝ Kv
2
⎞
0.4824 ⎞
⎟⎟ = 0.79⎛⎜
⎟ = 0.03328bar
⎝ 2.35 ⎠
⎠
2
En cada una de las válvulas situadas a la salida del reactor, recipiente de aceite y recipiente de
metóxido; la caída de presión no supera el valor máximo permisible por el modelo de válvula
seleccionado. Con esto se asegura que la válvula opere correctamente.
3.3.6 Resistencia eléctrica de calentamiento
Se designó hacer uso de dos resistencias eléctricas de calentamiento en el diseño del prototipo.
Una de ellas se encarga de realizar un precalentamiento del aceite, la otra mantiene la reacción en
un rango de temperatura.
El siguiente paso consistía en seleccionar el tipo de resistencia, así como la energía calorífica que
deba suministrar, esto se hace mediante un cálculo de la potencia eléctrica.
La resistencia usada para calentar la reacción, es de tipo banda y se determinó posicionarla
alrededor del diámetro externo del reactor. Se justifica esta determinación debido a no disponer
de espacio dentro del reactor, por la incrustación del agitador. En lo que se refiere al
precalentamiento del aceite, puede ocuparse de una resistencia sumergible, sin embargo por
cuestiones de presupuesto, se optó emplear la resistencia de una cafetera eléctrica, la cual es
externa de forma circular plana. Esta resistencia se planeó colocarla en la parte inferior del
recipiente contenedor de aceite.
¾ Cálculo de potencia eléctrica de la resistencia
Usando la ecuación siguiente [27]:
P=
Donde:
P = Potencia (W)
M = Peso del material a calentar (lb)
⎛ btu ⎞
cp = Calor específico del material ⎜
⎟
⎝ lb ⋅ ° F ⎠
∆T = Incremento de temperatura (°F)
⎛ btu ⎞
3.412 = Constante de conversión ⎜
⎟
⎝ w⋅h ⎠
t = Tiempo en alcanzar la temperatura (h)
Las consideraciones para el cálculo son:
40
M ⋅ c p ⋅ ∆T
3.412 ⋅ t
(3.6)
Cenidet
Para un precalentamiento del aceite de 20 a 40 °C, la mezcla aceite-metóxido tendría un
calentamiento de 40 a 60 °C, es decir, en ambos casos existiría un incremento de 20 °C.
El tiempo en alcanzar la temperatura: 12 minutos. Menor tiempo, mayor es la potencia
requerida, por ende, mayor es el costo de la resistencia.
Dos diferentes materiales se van a calentar. Un material es el de construcción del reactor,
el otro es la mezcla aceite-metóxido.
El calor específico del acero inoxidable, material de construcción del reactor, es distinto al
del aceite, tomado como referencia en la mezcla aceite-metóxido. Por lo cual, se harán
dos cálculos de la potencia eléctrica y se sumarán sus resultados para obtener una
potencia total.
Potencia eléctrica para el calentamiento del material de construcción del reactor:
P=
(3.8737 )(0.12)(68) = 46.3209
3.412(0.2)
W
Potencia requerida para calentar el fluido, mezcla aceite-metóxido:
P=
(12.2853)(0.43)(68) = 526.41
3.412(0.2 )
W
Potencia eléctrica de la resistencia de calentamiento tipo banda:
P = 572.731 W
En el mercado existen resistencias de 500 y 600 W, por seguridad se eligió una resistencia
eléctrica de calentamiento de 600 W.
Este mismo cálculo aplica para la resistencia de precalentamiento del aceite. Tomando el criterio
de una resistencia sumergible, solo se necesitará la determinación de la potencia requerida para
calentar el fluido.
Las conversiones de unidades y la obtención del peso de los materiales, se detallan en el anexo H.
3.3.7 Armadura de soporte
La armadura de soporte fue diseñada para ser construida con perfil laminado de acero, conocido
como ángulo de piernas iguales. La sección transversal se muestra en la figura 3.11.
41
Cenidet
1”
1”
Figura 3.11 Sección transversal de ángulo de piernas iguales
La consideración hecha acerca del suministro de las sustancias por efecto de la gravedad,
dictaminó el diseño de la armadura de soporte. En el anexo G se detallan sus medidas.
La posición de los componentes quedó distribuida dentro de la armadura de soporte de tal manera
que agrupara, en un espacio reducido, todas las partes del prototipo. La armadura de soporte se
puede apreciar en la figura 3.12.
Figura 3.12 Armadura de soporte
Debe hacerse notar que la armadura fue montada sobre una plataforma que puede ser desplazada,
tomando en cuenta que los espacios del laboratorio son reducidos, y esto nos permitirá posicionar
el prototipo en lugares disponibles con suministros de electricidad.
42
CAPÍTULO 4
Automatización
4.1 Introducción
Habiendo diseñado el prototipo para producir biodiesel, atendiendo la capacidad de producción,
el manejo de los reactivos, la colocación de los componentes dentro de la armadura de soporte y
seleccionando los dispositivos como válvulas, motor del agitador y resistencia de calentamiento;
el siguiente paso en este trabajo de tesis, consistía en automatizar el proceso, partiendo de la
hipótesis de utilizar un microcontrolador como unidad de control. El diseño para la
automatización fue reuniendo diversos instrumentos de medición que permitían valorar variables
como temperatura, tiempo, volumen de líquidos y separación de glicerina y biodiesel. Se
programó el microcontrolador para realizar cada una de las etapas del proceso del biodiesel, de
manera independiente, por último se reunieron todos los programas en uno solo; logrando un
proceso automatizado para la obtención de biodiesel.
4.2 Instrumentación
La automatización es un sistema en donde se transfieren las tareas de producción, realizadas
comúnmente por operadores humanos, a un conjunto de instrumentos tecnológicos. Se distinguen
dos partes dentro de un proceso automatizado, la parte operativa y la parte de mando. La parte
43
Capítulo 4: Automatización
Cenidet
operativa la componen la instrumentación, sensores de las variables que intervienen en el
proceso, y los dispositivos que funcionan como actuadores, sean las válvulas solenoide, motores
eléctricos, o bien, resistencias eléctricas. La parte de mando se refiere a la unidad de control, la
cual es programable y se encarga de recibir la información proveniente de los sensores,
manejando estos datos, para realizar acciones como abrir-cerrar, encender-apagar, según
corresponda el actuador.
Los instrumentos que permiten automatizar el proceso de producción de biodiesel en el prototipo
diseñado, son:
Microcontrolador PIC16F877A. Unidad de control.
SFR05. Sensor ultrasónico de distancia.
LM35. Sensor de temperatura.
DS12CR887. Reloj de tiempo real.
Sensor infrarrojo.
Componentes electrónicos
relevadores, triacs, etc.
como
resistencias,
capacitores,
buffers,
transistores,
Las etapas del proceso de producción de biodiesel en donde intervienen estos instrumentos, se
describe en los apartados siguientes.
4.3 Programación
4.3.1 PIC16F877A
La hipótesis del trabajo de tesis, considera el uso de un microcontrolador para efectuar las
acciones de automatización del proceso de obtención de biodiesel. El microcontrolador
seleccionado es el PIC16F877A, el cual, pertenece a la gran familia de microcontroladores de 8
bits (bus de datos). Es un dispositivo altamente eficiente en el uso de la memoria de datos y
programa, y por lo tanto, en la velocidad de ejecución [28].
El PIC16F877A empleado es de encapsulado tipo PDIP 40 pines. Ver figura 4.1. Contempla un
conversor analógico-digital de 10 bits (8 canales analógicos), obteniendo una mayor resolución,
por ejemplo, para un voltaje de referencia de 5 V CC, es de 4.7 mV/bit. Maneja 5 puertos de
entrada/salida, haciéndolo muy eficiente en aplicaciones donde se requiere interactuar con varios
dispositivos [28]. Además es gratuito y si es necesaria su compra, el costo es muy bajo.
El PIC16F877A se programó para ejecutar las acciones que permitieron el control del proceso. La
programación se hizo a nivel ensamblador usando el software MPLAB ©, y para grabar el
programa en el microcontrolador se usó el IC-PROGRAM ©. El oscilador utilizado para el
funcionamiento del microcontrolador es de 20 MHz.
44
Cenidet
Figura 4.1 PIC16F877A, disposición de pines
Las tareas que ejecuta el microcontrolador son las siguientes:
1. Verificar si la cantidad de aceite en el recipiente, es suficiente para realizar el proceso, de
acuerdo al volumen que se haya establecido.
2. Verificar si es suficiente el volumen del metóxido en el recipiente.
3. Precalentar el aceite a una temperatura especificada.
4. Verter aceite. Una vez alcanzada la temperatura de precalentamiento, tiene que empezar a
vaciar el aceite hasta que se tenga el volumen deseado.
5. Verter metóxido. Terminado de agregar el aceite al reactor, se procede a verter el
metóxido, el cual es a razón de 20% del volumen de aceite.
6. Agitación. Inicia una vez que haya concluido de verter el metóxido, y permanece agitando
por 20 minutos.
7. Calentamiento. Se debe mantener la temperatura de la reacción en un intervalo, durante el
tiempo de reacción.
8. Separación. Concluida la agitación, se dejan reposar en el reactor, a temperatura
ambiente, los productos de la reacción de esterificación por un lapso de 8 horas, para
asegurar la precipitación de la mayor cantidad de glicerina; sin embargo, 4 horas de
reposo es suficiente.
9. Obtención de biodiesel. A un tiempo programado, se abre la válvula a la salida del reactor
dejando pasar la glicerina, cuando el sensor infrarrojo detecta que ha empezado a fluir
biodiesel, manda cerrar dicha válvula e indica que es necesario hacer un cambio de
45
Cenidet
recipiente para recibir el biodiesel, después de 30 segundos vuelve a abrir la válvula
permitiendo el flujo de biodiesel.
La programación se efectuó siguiendo un procedimiento muy simple. Primeramente, se programó
el PIC para realizar cada una de las tareas enumeradas anteriormente, en combinación con
sensores y componentes electrónicos. Habiendo obtenido un funcionamiento adecuado en cada
tarea programada, se armó el programa principal que llevara a cabo todo el proceso de manera
automática. El programa principal contiene todos los programas utilizados para realizar cada una
de las etapas del proceso de obtención de biodiesel, los cuales se describen posteriormente. En la
figura 4.2 se muestra el diagrama de flujo del programa principal.
INICIO
Precalentamiento
NO
¿Volumen de aceite
suficiente?
SI
NO
¿Volumen de metóxido
suficiente?
SI
Verter aceite
Verter metoxido
Inicia Agitación y
Calentamiento
NO
¿Temporización de
20 minutos?
SI
Detiene Agitación y
Calentamiento
NO
¿Temporización de
8 horas?
SI
Obtención de
Biodiesel
FIN
Figura 4.2 Diagrama de flujo del programa principal
46
Cenidet
4.3.2 Medición de volumen
De acuerdo a la forma cilíndrica de los recipientes contenedores del aceite y metóxido, el
volumen del líquido se puede determinar conociendo su altura (nivel) en el recipiente respectivo,
y así, saber la cantidad de aceite y metóxido que se deban incorporar al reactor. Esto es posible
utilizando la ecuación 4.1 [25].
V=A*a
(4.1)
Donde:
V = Volumen (m3)
A = Área de la base (m2)
a = Altura (m)
Para conocer la distancia a la cual se encuentra la superficie del líquido a medir, se seleccionó el
sensor ultrasónico de distancia SFR05, debido a su bajo costo y disponibilidad en el mercado
nacional.
4.3.2.1
Funcionamiento del SFR05
El PIC ha sido programado para hacer funcionar el sensor SFR05. La figura 4.3 representa un
esquema de cómo se realiza la medición de distancia, y a continuación se ordenan los pasos
requeridos para una medición [29]:
Dos pines del SFR05 son utilizados, uno es el de Disparo y el otro es el ECO. En un inicio
los dos pines se encuentran en nivel TTL “0”
El microcontrolador aplica al pin de Disparo del SFR05, un pulso mínimo de 10 µs de
duración.
Un módulo del SFR05 transmite un tren de pulsos o “burst” de 8 ciclos a 40 KHz. En ese
momento el pin ECO pasa a nivel “1”.
Cuando la cápsula receptora del SFR05 recibe la señal transmitida, como consecuencia de
haber rebotado en la superficie del líquido, el pin ECO regresa a nivel “0”
El PIC debe medir la duración del pulso de esta señal, es decir, el tiempo en que el pin
ECO se mantiene en nivel “1”
El tiempo medido es proporcional a la distancia a la que se encuentra la superficie del
líquido.
Se debe esperar un tiempo de 20 ms entre cada medición.
47
Cenidet
a
Figura 4.3 Funcionamiento del sensor SFR05
4.3.2.2
Validación del SFR05 usado para el metóxido
La validación del sensor ultrasónico de distancia SFR05 usado en el recipiente del metóxido, se
hizo a partir de una serie de mediciones mostradas en la tabla 4.1
Tabla 4.1 Validación sensor SFR05 del metóxido
Error
Real
SFR05
absoluto
(mm)
(mm)
(mm)
28
28
0
36
34
2
43
46
3
51
56
5
65
66
1
76
76
0
86
86
0
97
96
1
106
102
4
115
112
3
126
122
4
137
132
5
erp =
Donde:
erp= error relativo promedio
ea= error absoluto
xi = medición del sensor SFR05
n = número de muestras
48
⎛ ea ⎞
⎟⎟ * 100
⎝ i⎠
n
∑ ⎜⎜ x
Cenidet
σ=
1
( x i − x r )2
∑
n −1
Donde:
σ = Desviación estándar
n = número de muestras
xi = medición del sensor SFR05
xr = medida real
Error relativo promedio es: 3.17 %
Desviación estándar de este sensor es: 3.10 mm
En la figura 4.4 se expone la gráfica de los datos obtenidos.
Gráfica del SFR05 metóxido
150
140
130
120
110
Distancia (mm)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
Mediciones
SFR05
8
9
10
11
12
Real
Figura 4.4 Gráfica de validación del SFR05 del metóxido
4.3.2.3
Calibración del SFR05 usado para el metóxido
La mayor importancia del sensor SFR05 empleado en la medición de metóxido, radicó en
conocer el valor de nivel de metóxido necesario, para asegurar que el volumen vertido al reactor
fuera el correcto. Para ello, se tenía que calibrar el comportamiento del sensor, relacionando:
disminución de nivel de metóxido en el recipiente, con el volumen vertido al reactor. Se hicieron
distintas pruebas de medición, arrojando los datos que se muestran en la tabla 4.2 y figura 4.5.
49
Cenidet
Tabla 4.2 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de metóxido
Nivel SFR05 Volumen
(mm)
(ml)
34
70
46
184
56
288
66
432
76
568
86
688
96
822
102
920
112
1036
122
1168
132
1298
ml
SFR05 recipiente metóxido
1400
1200
1000
800
600
400
200
mm
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95 100 105 110 115 120 125 130 135 140
Figura 4.5 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de metóxido
El sensor SFR05 se encuentra situado en la tapa del recipiente, por tal razón si desciende el nivel
de metóxido, aumenta la distancia que existe entre la superficie del fluido y el sensor.
El planteamiento en la programación del microcontrolador, para asegurar un volumen correcto de
metóxido vertido al reactor, consistió en:
a) La válvula solenoide instalada a la salida del recipiente contenedor de metóxido, se
encuentra normalmente cerrada.
b) El sensor SFR05 detecta el nivel inicial de metóxido y se mantiene sensando cada 30 ms.
50
Cenidet
c) El microcontrolador calcula el nivel que alcanzará el metóxido después de haber drenado
un volumen específico. Nivel de referencia, o nivel final del metóxido.
d) La válvula solenoide es abierta, permitiendo el flujo de metóxido hacia el reactor. El nivel
del líquido empieza a disminuir.
e) Se hace una comparación del nivel actual del metóxido con el nivel calculado en c).
f) Cuando estos niveles sean iguales, la válvula solenoide es cerrada.
El inciso c) hace referencia a un cálculo de nivel, el cual se nombra nivel de referencia Nr.
Nr = Ni + Nd
Donde:
Ni = Nivel inicial del metóxido
Nd = Nivel de metóxido que se disminuye, dependiendo del volumen vertido
La cantidad de metóxido a emplear es el 20% de la cantidad de aceite. Debido a las dimensiones
del reactor, y a la altura a que se encuentran las hélices del agitador, es posible realizar pruebas
en el prototipo a cualquier volumen de aceite entre 3 y 6 litros, con incrementos de 1 litro. Esto
corresponde a 600, 800, 1000 y 1200 mililitros de metóxido.
Conocer el nivel de metóxido que se disminuye en cada caso, tuvo como punto de partida la
aplicación de una regresión lineal a los datos de la tabla 4.2. El método utilizado fue mínimos
cuadrados. Este consiste en encontrar la recta que mejor se ajusta a los datos experimentales. Se
basa en un método estadístico que busca minimizar la distancia entre cada punto experimental y
la recta buscada, es decir, en minimizar la desviación estándar [30]. Los resultados son
presentados en la tabla 4.3. La gráfica se visualiza en la figura 4.6.
Tabla 4.3 Regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido
Nivel SFR05
(mm)
Volumen (ml)
de la prueba
Volumen (ml)
Regresión
lineal
34
46
56
66
76
86
96
102
112
122
132
70
184
288
432
568
688
822
920
1036
1168
1298
33.492
187.549
315.929
444.309
572.690
701.070
829.450
906.478
1034.859
1163.239
1291.619
51
ml
1400
1360
1320
1280
1240
1200
1160
1120
1080
1040
1000
960
920
880
840
800
760
720
680
640
600
560
520
480
440
400
360
320
280
240
200
160
120
80
40
0
-40 0
Cenidet
SFR05 recipiente metóxido
mm
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140
Sensor SFR05
Regresion Lineal
Figura 4.6 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para metóxido
La desviación estándar con respecto al volumen sensado, σv =17.5524 ml
Con los datos obtenidos de la regresión lineal, se determinaron los posibles valores de nivel que
se disminuye al verter cierto volumen de metóxido. Sin embargo, fue conveniente experimentar
con cada uno de ellos para corroborar o modificar, según fuese la situación.
Los valores de nivel para cada volumen de metóxido son exhibidos en la tabla 4.4.
Tabla 4.4 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de metóxido
Volumen
Nivel reg lineal
Nivel pruebas
(ml)
(mm)
(Nd) (mm)
600
47
50
800
64
68
1000
78
80
1200
95
98
Estos valores de nivel (Nd) son indispensables en la programación del control, para la realización
de dos tareas:
1. Valorar si el nivel de metóxido es suficiente para llevar a cabo el proceso de producción
de biodiesel.
2. Verter el volumen correcto de metóxido en el reactor y garantizar se realice la reacción de
transesterificación de manera satisfactoria.
52
Cenidet
4.3.2.4
Validación del SFR05 usado para el aceite
Los datos para validación del SFR05 usado en la medición de nivel de aceite son:
Tabla 4.5 Validación sensor SFR05 del aceite
Error
Real
SFR05
absoluto
(mm)
(mm)
(mm)
45
44
1
54
52
2
62
60
2
71
70
1
74
76
2
83
84
1
92
92
0
101
100
1
112
112
0
121
122
1
133
132
1
139
142
3
170
170
0
179
178
1
188
188
0
198
194
4
203
202
1
212
210
2
221
218
3
Gráfica validación SFR05 aceite
240
220
200
180
Distancia (mm)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Mediciones
Real
SFR05
Figura 4.7 Gráfica de validación del SFR05 del aceite
53
Cenidet
Los indicadores de error del sensor ultrasónico de distancia instalado en la tapa del recipiente
contenedor de aceite son:
Error relativo promedio = 1.29 %
Desviación estándar = 1.79 mm
4.3.2.5
Calibración del SFR05 usado para el aceite
El mismo procedimiento de calibración del sensor SFR05 empleado en la medición del nivel de
metóxido, fue utilizado para calibrar el SFR05 encargado de sensar el nivel de aceite. Las
variables que interesan tratar son: el nivel del aceite en el recipiente y el volumen de aceite que se
vierte al reactor.
Los datos obtenidos de las pruebas de medición, se presentan en la tabla 4.6 y son graficados en
la figura 4.8.
Tabla 4.6 Datos de pruebas de medición nivel – volumen de aceite
Nivel SFR05 Volumen
Nivel SFR05 Volumen
(mm)
(ml)
(mm)
(ml)
52
600
132
3120
60
860
142
3320
70
1140
170
4300
76
1240
178
4580
84
1520
188
4860
92
1800
194
5200
100
2080
202
5360
112
2440
210
5640
122
2740
218
5920
ml
SRF05 Volumen Aceite
6200
6000
5800
5600
5400
5200
5000
4800
4600
4400
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
mm
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
Figura 4.8 Gráfica de las pruebas de medición de nivel – volumen de aceite
54
210
220
230
Cenidet
En el apartado 4.2.2.3, se comentó acerca de la necesidad de determinar el valor de nivel de
aceite que se disminuye, después de haberse vertido un cierto volumen al reactor. En atención a
este requerimiento, se hizo una regresión lineal por el método de mínimos cuadrados a los datos
experimentales de la tabla 4.6, obteniendo:
Tabla 4.7 Regresión lineal a datos del SFR05 para aceite
Nivel
Volumen de
Volumen
SFR05
la prueba
regresión
(mm)
(ml)
lineal (ml)
52
600
528.002
60
860
785.695
70
1140
1107.811
76
1240
1301.080
84
1520
1558.773
92
1800
1816.466
100
2080
2074.159
112
2440
2460.698
122
2740
2782.814
132
3120
3104.929
142
3320
3427.045
170
4300
4328.970
178
4580
4586.663
188
4860
4908.779
194
5200
5102.048
202
5360
5359.741
210
5640
5617.434
218
5920
5875.126
ml
SRF05 Volumen Aceite
6200
6000
5800
5600
5400
5200
5000
4800
4600
4400
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Prueba SFR05
140
150
160
170
180
190
200
210
220
Regresion lineal
Figura 4.9 Gráfica de la regresión lineal a datos del SFR05 para aceite
55
mm
230
Cenidet
Los datos de la regresión lineal permitieron calcular:
Desviación estándar con respecto al volumen sensado, σv =53.2793 ml
Los valores iniciales de nivel que se disminuye para volúmenes de 3, 4, 5 y 6 litros de
aceite. Estos valores fueron variando en función de las pruebas de medición, efectuadas
para cada uno de los volúmenes señalados.
Tabla 4.8 Valores de nivel que se disminuye en cada volumen de aceite
Volumen SFR05 Nivel reg lineal
Nivel pruebas
(ml)
(mm)
(Nd) (mm)
3000
93
92
4000
124
118
5000
155
150
6000
186
182
Con los valores de nivel (Nd) es posible garantizar verter un correcto volumen de aceite al reactor
y producir biodiesel con resultados favorables. Además, estos valores de nivel también
intervienen en la etapa de verificar el suficiente volumen de aceite en el recipiente contenedor.
4.3.3 Medición de tiempo
Existen dos etapas del proceso que requieren contabilizar el tiempo, una es determinar los 20
minutos de agitación, y la otra, las 8 horas de reposo para la separación de la glicerina y el
biodiesel.
El microcontrolador PIC16F877A tiene un temporizador interno de 8 bits, sin embargo, no es
conveniente realizar temporizaciones muy grandes, debido a que se ocuparía gran cantidad de
memoria del PIC. Por tal razón, lo más conveniente es hacer uso de un reloj de tiempo real. El
reloj de tiempo real (RTC) que se ocupa es el DS12CR887, debido a que es programable, cuenta
con señal de alarma, tiene su propio oscilador y además está equipado con batería interna de
aproximadamente 10 años de duración. El voltaje de alimentación del DS12CR887 es de 5 V CC,
el mismo voltaje utilizado por el PIC [31].
En cada una de las dos ocasiones que se requiere del uso del RTC, el programa en el
microcontrolador debe llevar a cabo las siguientes acciones:
Activar y configurar el modo de trabajo del RTC.
Establecer la fecha y hora de inicio, así como la hora de alarma.
Esperar se cumpla el tiempo de alarma. El microcontrolador puede adoptar el modo sleep,
en el cual no gasta energía, se mantiene dormido; o bien, ejecutar otras tareas como
controlar la temperatura de la reacción.
Cuando se cumple el tiempo de alarma especificado, el RTC le envía una señal al PIC,
indicando una interrupción.
56
Cenidet
La interrupción es atendida por parte del PIC, prosiguiendo con la ejecución del programa
de control.
4.3.4 Medición de temperatura
En este proceso de obtención de biodiesel, hay dos etapas en las que se requiere sensar y controla
la temperatura: en la etapa de precalentamiento del aceite y durante el tiempo de reacción de
esterificación.
En la etapa de precalentamiento, cuando el aceite alcance la temperatura especificada, se inicia el
proceso de biodiesel. Durante la agitación, se debe mantener la temperatura de la reacción dentro
de un intervalo que no supere los 65 °C. Estas dos tareas las realiza el microcontrolador,
utilizando la señal emitida por los sensores de temperatura LM35.
La programación del PIC que atiende estas encomiendas, consiste en:
Mandar encender la resistencia eléctrica para que inicie el calentamiento
Adquirir la señal analógica de voltaje del sensor LM35.
Convertir el valor analógico a un valor digital.
Establecer la temperatura de precalentamiento, o bien, el valor máximo del rango de
temperatura de la reacción. Es decir, establece lo que comúnmente se conoce como set
point.
Comparar la temperatura del aceite o de la reacción con los valores finales establecidos.
Mandar apagar la resistencia eléctrica, una vez alcanzada la temperatura deseada.
En el caso del control de temperatura durante el tiempo de reacción, se especifica el valor
de temperatura mínimo y se hace un ciclo de comparación con la temperatura de la
reacción.
Cuando descienda la temperatura al valor especificado, regresa a ejecutar todas las
acciones anteriores.
El sensor LM35 tiene una razón de cambio de 10 mV / °C [32].
El PIC16F877A cuenta con un conversor analógico-digital de 10 bits, lo que hace que para un
voltaje de referencia de 5 V, exista una resolución de 4.7mV / bit. Por lo cual, resulta conveniente
acondicionar la señal que envía el sensor LM35, para que el PIC pueda hacer una conversión de
°C / bit.
El encendido y apagado de las resistencias eléctricas de calentamiento se hace mediante el
circuito de la figura 4.10 [33]. Esto se debe a que el PIC manda como salida una señal de 5 V CC
y las resistencias funcionan a 120 V CA (corriente alterna).
57
Cenidet
La resistencia empleada en el precalentamiento, se encuentra situada en la parte inferior del
recipiente del aceite, maneja una potencia de 1000 W. Por su parte, la resistencia tipo banda
instalada alrededor del reactor, es de 600 W de potencia, la cual fue calculada de acuerdo al
procedimiento dado en el capitulo anterior.
Figura 4.10 Circuito para encender y apagar las resistencias eléctricas desde el PIC
4.3.4.1
Validación sensor LM35, precalentamiento del aceite
Un instrumento de medición necesita ser validado para conocer su error con respecto a un valor
de referencia. La validación del sensor LM35 usado para el precalentamiento del aceite, tuvo
como referencia un termómetro digital, multímetro profesional de la marca STEREN®, modelo
mul-600.
Se inició el calentamiento del aceite, encendiendo la resistencia eléctrica, y se tomaron las
mediciones de temperatura del termómetro digital y del convertidor del PIC16F877A, el cual,
convierte la señal del sensor LM35 a un valor digital. Este valor digital fue leído a través de 8
leds que mostraban en número binario el valor de la temperatura. El número binario se capturaba
en un programa de Excell© que convertía de número binario a decimal. El muestreo se realizó
cada 60 segundos. Los resultados se presentan en la figura 4.11. La tabla de los datos y errores se
encuentra en el anexo I.
Cabe señalar que la señal entregada por el sensor LM35 es acondicionada, a través de un arreglo
de resistencias. Esto tiene como finalidad una conversión, por parte del microcontrolador, de
°C/bit. Por lo cual, fue necesario ajustar el valor de las resistencias, para lograr una conversión
satisfactoria.
58
Cenidet
De los datos obtenidos, se calculó:
Error relativo promedio: 2.33 %
Desviación estándar: 1.29 °C
Validación LM35 precalentamiento
50
45
40
35
Temperatura °C
30
25
20
15
10
5
0
-5
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69
Muestras cada 60 segundos
LM35
Referencia
Figura 4.11 Gráfica de validación del sensor LM35 para precalentamiento
Así mismo, estas mediciones fueron realizadas para conocer el perfil de la temperatura en la
etapa de precalentamiento del aceite. La cual consiste en:
El programa de control manda a encender la resistencia eléctrica para iniciar con el
precalentamiento, se dispone a adquirir datos del sensor LM35, es decir, se mantiene sensando
continuamente la temperatura del aceite. Cuando se detecta una temperatura de un valor mayor o
igual a 40 °C, manda a apagar la resistencia y a abrir la válvula solenoide para verter el aceite al
reactor.
De acuerdo a la figura 4.10, el tiempo en alcanzar la temperatura de 40 °C, es de 19 minutos. El
tiempo de muestreo fue de 60 segundos. Después de apagar la resistencia, la temperatura sigue
incrementándose hasta alcanzar los 43 °C, y se mantiene a ese valor durante 16 minutos.
Posteriormente, inicia un descenso de la temperatura.
59
Cenidet
La resistencia eléctrica usada para el precalentamiento del aceite, no fue seleccionada, se utilizó
una resistencia que se tenía disponible. Por lo cual, el tiempo en alcanzar la temperatura
especificada es muy largo, debido a por su tipo, no ser apta para esta aplicación.
4.3.4.2
Validación del sensor LM35 para el calentamiento en el
reactor
La otra etapa del programa de control en donde se requiere sensar la temperatura, es en el
calentamiento de la mezcla reaccionante en el reactor. El intervalo de la temperatura es de 55-60
°C. Esto lo lleva a cabo el microcontrolador a partir de la señal que le envía el sensor LM35,
empleado para cuantificar la temperatura de la reacción entre el aceite y metóxido.
Al igual que en el caso anterior, se llevaron a cabo múltiples mediciones para validar el sensor
LM35 y el ajuste para el acondicionamiento de la señal. Se tomó como valor de referencia, el
termómetro del multímetro digital STEREN mul-600.
En la figura 4.12 se expone la gráfica de los datos de validación y del error. El tiempo de
muestreo fue de 30 segundos. En el anexo J se presenta la tabla de los valores de medición del
LM35 y la referencia, al igual que los errores absolutos y relativos.
Validación LM35 reactor
70
65
60
55
50
Temperatura °C
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
1
5
9
13
17 21
25 29
33 37
41 45
49
53 57
61 65
69 73
77 81
85 89
Muestras cada 30 segundos
Referencia
LM35
Figura 4.12 Gráfica de validación sensor LM35, para calentamiento de la reacción
60
93 97 101 105
Cenidet
Error relativo promedio: 1.08%
Desviación estándar: 0.77 °C
La prueba para obtener estos datos, también fue útil para visualizar el perfil de la temperatura en
esta etapa del proceso. Se estableció, en el programa de control, un punto para apagar la
resistencia a los 58 °C, y para encenderla, a 56 °C.
En la gráfica de la figura 4.12, se detecta lo siguiente, a partir de los datos del sensor LM35:
Tiempo en alcanzar una temperatura de 58 °C, 22 minutos.
Después de apagar la resistencia, el LM35 sensa una temperatura máxima de 61 °C.
Se mantiene a 61 °C durante 6 minutos.
Empieza a descender la temperatura de manera lenta, demorando 14 minutos en sensar
56°C.
A este valor, se manda encender la resistencia nuevamente. Sin embargo, la temperatura
disminuye hasta los 54 °C e inicia el aumento de la misma.
4.3.5 Detectar glicerina y biodiesel
Después de que se ha llevado a cabo la reacción, bajo las condiciones de agitación y temperatura
especificadas, es necesario dejar la mezcla, en reposo y a temperatura ambiente. Transcurrido un
tiempo, por diferencia de densidades, se logra la separación de la glicerina y el biodiesel, siendo
esto visualmente perceptible por su diferente coloración. La glicerina se precipita en el fondo del
reactor, mientras el biodiesel permanece en la parte superior.
El programa en el microcontrolador, ejecuta una serie de acciones que permiten separar
(decantar) la glicerina del biodiesel. Las operaciones que realiza son:
Mandar a abrir la válvula solenoide, localizada a la salida del reactor. Con esto, se
empieza a drenar la glicerina en un recipiente.
Sensar la coloración del fluido que está pasando por el tubo de acrílico conectado a la
válvula solenoide.
Mandar a cerrar la válvula, cuando el microcontrolador perciba que ha terminado de fluir
glicerina e inicia un flujo de biodiesel.
Esperar un tiempo de 30 segundos para que el usuario cambie de recipiente.
Mandar a abrir la válvula nuevamente, en esta ocasión estará drenándose el biodiesel,
producto de la reacción.
61
Cenidet
La tarea principal de esta etapa del proceso, consiste en sensar la coloración del fluido. Para ello,
se emplea un sensor infrarrojo.
El sensor infrarrojo utilizado, consta de un led emisor de luz infrarroja y un fotodiodo receptor.
El sensor emite una señal de voltaje que depende del grado de reflexión del haz de luz. La señal
de voltaje es convertida a un valor digital, a través del convertidor analógico-digital del PIC.
Después de varias pruebas, se notó que en el momento en que deja de salir glicerina y empieza a
drenar biodiesel, existe un incremento de voltaje, el cual convertido a una señal digital
correspondía a un valor de 110, siendo este valor el parámetro de referencia para detectar el
cambio de glicerina a biodiesel.
4.3.6 Abrir y cerrar de las válvulas solenoide
El suministro del aceite y del metóxido al reactor, es posible por efecto de la gravedad. A la
salida de cada uno de los recipientes contenedores y del reactor, fue colocada una válvula
solenoide, la cual, trabaja a 12 V CC.
Todas las válvulas instaladas son normalmente cerradas. Sin embargo, de acuerdo al circuito de
la figura 4.13, usado para abrir y cerrar las válvulas, se necesita que a través del programa de
control, el PIC envíe una señal de “1” (nivel TTL) para mantener cerrada la válvula y una señal
de “0” ( nivel TTL) para abrir la válvula [33].
Figura 4.13 Circuito para abrir y cerrar válvula solenoide
62
Cenidet
4.3.7 Encender y apagar motor del agitador
El programa de control del proceso, manda a encender y apagar el motor del agitador. La tensión
nominal del motor es de 120 V CA. La señal emitida por el PIC es de 5 V CC. Por tanto, se hace
uso del circuito de la figura 4.14 [33].
Figura 4.14 Circuito para encender y apagar el motor-agitador
4.4 Programar condiciones del proceso
Todo el capítulo 4, ha tratado de cómo se programaron las distintas tareas a realizar en el proceso
de obtención de biodiesel. Sin embargo, es importante compartir, la manera de definir los
parámetros de las condiciones a las que se realice el proceso, así como los volúmenes de aceite y
metóxido a emplear. En el anexo K es posible observar el programa general. Estas condiciones
son:

Temperatura de precalentamiento del aceite
Temperatura de calentamiento de la reacción
Tiempo de agitación
Tiempo de separación
Volumen de aceite
Volumen de metóxido
Para realizar esta programación, se asignaron las siguientes variables, presentes al inicio del
programa:
Temprec
Temreac1
Temreac2
Volaceite
Volmetoxido
Tiemagit
Tiemsep
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
EQU
d'40'
d'58'
d'56'
d'118'
d'68'
d'25'
d'16'
;Especifica Temperatura del precalentamiento
;Temperatura máxima de calentamiento de la reacción
;Temperatura mínima de calentamiento de la reacción
;Volumen de aceite, datos según la tabla 4.8 de la tesis
;Volumen de metóxido, datos según tabla 4.4 de la tesis
;Tiempo de agitación en minutos
;Tiempo de reposo para separación, en horas (16-12)
63
Cenidet
Por ejemplo, si se requiere una temperatura de precalentamiento de 45 °C, el cambio se hace
sustituyendo los valores entre comas, d'40', por el valor requerido por el usuario, d'45'.
Después de realizar los cambios necesarios, se debe compilar el programa y volver a grabar en el
microcontrolador.
64
CAPÍTULO 5
Construcción y pruebas
5.1 Introducción
En el capítulo 3 se diseñó, físicamente, el prototipo especificando los componentes, materiales de
construcción y colocación de las partes. En el capítulo 4 se realizó el diseño de control que
permitiría la automatización del proceso de obtención de biodiesel. En este capítulo se detallan
las actividades de construcción, tomando en cuenta los diseños planteados anteriormente. Se
construyeron los componentes del prototipo como el reactor, recipientes, armadura, etc. Se
adquirieron los elementos como tubería, válvulas, motor del agitador, resistencia eléctrica, etc. Se
armó el prototipo, haciendo las conexiones eléctricas con la instrumentación y la placa
electrónica, construida para agrupar todos los dispositivos electrónicos utilizados.
Construido el prototipo, se realizaron pruebas de funcionamiento del mismo. En estas pruebas se
valoró la ejecución de cada una de las tareas programadas en el microcontrolador, para
automatizar el proceso de producción de biodiesel.
65
Capítulo 5: Construcción y pruebas
Cenidet
5.2 Construcción del prototipo
En una etapa inicial, se construyeron el reactor y los recipientes contenedores de aceite y
metóxido. La fabricación se hizo de acuerdo a la forma y dimensiones de diseño. El siguiente
componente en ser construido fue la armadura de soporte, con uniones soldadas en su mayoría, y
en casos pertinentes, se usaron uniones con tornillos de cabeza hexagonal M6 x 25. La armadura
fue pintada de color azul para dar una mejor presentación al equipo.
La colocación de los recipientes y el reactor en la armadura de soporte, permitieron definir las
medidas de la tubería.
La tubería de acero inoxidable de 3/8”, conecta a los recipientes de aceite y metóxido con el
reactor, a través de válvulas solenoide del mismo diámetro de conexión. El ensamble de los
tramos de tubo con las válvulas es de manera roscada, por lo cual fue necesario hacer cuerda NPT
a los tubos.
La resistencia eléctrica para el precalentamiento, se instaló abajo del recipiente contenedor de
aceite. La resistencia tipo banda para el calentamiento de la mezcla reaccionante fue colocada
alrededor del reactor.
El motor del agitador se acopló a un tramo de tubo de acero inoxidable, colocando en su extremo
el agitador de paletas inclinadas. El motor quedó instalado sobre la parte central de la tapa del
reactor.
Los sensores ultrasónicos de distancia, SFR05, fueron colocados en la parte central de las tapas
de los recipientes de metóxido y aceite.
El sensor de temperatura LM35, utilizado en la etapa de precalentamiento del aceite, fue
instalado en la parte central, por el interior del recipiente contenedor de aceite, a 3 cm del fondo.
El sensor LM35, empleado en la etapa de calentamiento de la mezcla reaccionante, fue colocado
a 3 cm de la pared interior del reactor, a 24 cm de la tapa del reactor.
El sensor infrarrojo para detectar el flujo de glicerina y biodiesel, se montó sobre un tubo de
acrílico instalado a la salida de la válvula solenoide que conecta con la salida del reactor.
Otro aspecto de la construcción, fundamental para la automatización y operación del prototipo,
fue la placa electrónica e interconectarla con todos los dispositivos que lo requerían, como las
válvulas solenoide, resistencias eléctricas y el motor del agitador.
Por último, resultaba conveniente ofrecer una presentación del prototipo, que fuera interesante
para el usuario. Por tal motivo, se construyó una caja de acrílico que contenía la placa electrónica,
y sobre su tapa, un tablero a colores que indica los componentes del prototipo, sobre el que,
mediante señales luminosas, se podrá visualizar todas y cada una de las etapas programadas
durante la producción de biodiesel y glicerina.
El aspecto general del prototipo construido, es presentado en la figura 5.1.
66
Cenidet
Figura 5.1 Aspecto general del prototipo para producir biodiesel
5.2.1 Panel de visualización
El programa cargado al microcontrolador, que automatiza el proceso de obtención de biodiesel en
el prototipo construido, ejecuta diversas tareas. Estas son:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Verificar cantidad de aceite
Verificar cantidad de metóxido
Precalentar el aceite
Verter aceite al reactor
Verter metóxido al reactor
Agitar la mezcla aceite-metóxido
Calentar la reacción
Separar glicerina y biodiesel
Cada una de estas tareas que esté realizando el microcontrolador, es posible señalizarla mediante
el uso de leds en un panel de visualización. En la figura 5.2 se muestra este panel.
67
Cenidet
Figura 5.2 Panel de visualización de la etapa del proceso de biodiesel
5.3 Pruebas de funcionamiento del prototipo
Habiendo terminado la construcción y armado del prototipo, se realizaron diferentes pruebas de
su funcionamiento variando las condiciones de operación y volúmenes de producción de
biodiesel.
Las pruebas de funcionamiento deben atestiguar que se estén realizando cada una de las etapas
del proceso y que se obtengan resultados favorables en la obtención de biodiesel. De esta manera,
los pasos que se verificaron en cada una de las pruebas fueron:
1. Comprobar la parte de la evaluación llamada, falta de aceite y/o metóxido.
2. Con los volúmenes necesarios de aceite y metóxido, arrancar la prueba accionando el
interruptor de inicio.
3. Verificar lo siguiente, de acuerdo a las etapas del proceso:
68
Cenidet
a. Iniciar con un Precalentamiento, observar en el multímetro que la temperatura se
encuentre en el rango de 40-41°C
b. Cuando alcance la temperatura deseada, pasará a la etapa de Vertiendo el aceite y
encenderá el led correspondiente
c. Continuará con Vertiendo el metóxido
d. Agitación y Calentamiento se activarán al mismo tiempo
e. Visualizar en el cronómetro que el tiempo agitación sea de 25 minutos
f. Cumplido los 25 minutos, empezará la Separación
g. A los 3 minutos, se abrirá la válvula de la mirilla, para observar la precipitación de la
glicerina
h. Después de 4 horas de estar en reposo, se abrirá la válvula a la salida del reactor. Se
estará drenando la glicerina.
i. Cuando sense que ha pasado toda la glicerina, se iluminará el led de Cambio de
recipiente
j. Cambiar de recipiente para contener al biodiesel producido. A partir de estar
drenando el biodiesel, el led de cambio de recipiente parpadeará, haciendo la
alusión a que el proceso ha concluido y apagar el interruptor de inicio.
Se hicieron un total de 6 pruebas de funcionamiento, tres utilizando aceite de soya y otras tres,
con aceite de coco. Ver tabla 5.1. Las primeras pruebas también fueron útiles para afinar ligeros
detalles.
Tabla 5.1 Tabla de pruebas de funcionamiento del prototipo
Prueba
Aceite
(ml)
Alcohol
(ml)
1
2
3
4
5
6
7
Soya, 3000
Soya, 3000
Soya, 3000
Coco, 3000
Coco, 3000
Coco, 4000
Higuerilla, 4000
Metanol, 600
Metanol, 600
Metanol, 600
Metanol, 600
Metanol, 600
Metanol, 800
Metanol GT, 800
Catalizador
(g)
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
Sosa,
13.125
13.125
13.125
13.125
13.125
17.5
17.5
Producto obtenido
Biodiesel Glicerina
(ml)
(ml)
3180
3200
3250
3080
3160
4400
4350
360
380
340
400
405
530
500
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
0.88
“
“
0.875
“
“
0.88
9.5
“
“
“
“
“
“
59 – 60
59 – 60
42 – 44
44 – 45
58 – 60
40 – 42
48 – 50
Cabe hacer mención que, con estas pruebas se comprobó la existencia de un escalamiento, en las
cantidades de los reactivos usados. En la etapa de experimentación, de este trabajo de tesis, se
emplearon volúmenes de 100 y 200 ml de aceite, por 20 y 40 ml de metóxido. A la misma
relación aceite-metóxido, en las pruebas de funcionamiento, se elevaron estos volúmenes en 30 y
40 veces.
69
Cenidet
5.4 Uso del biodiesel obtenido, en un motor diesel
No estando contemplado dentro de los objetivos de la tesis, se llevó a cabo una prueba usando
biodiesel al 100% en un motor diesel de un camión urbano de transporte público en Acapulco,
Guerrero. El biodiesel utilizado fue obtenido a partir de aceite de coco en el prototipo construido.
El biodiesel se lavó antes de ser incorporado al motor diesel.
El motor diesel empleado para la prueba, es un motor Perkins fase 2 del año de 1984. Como se
comentó en el capítulo 1, no es recomendable usar biodiesel al 100% en motores anteriores de
1995, por desgastar las juntas, manguillos, y demás componentes de caucho; sin embargo, estos
daños se presentan en un uso continuo del motor con biodiesel al 100% a un tiempo prolongado.
La prueba se efectuó durante 1 hora, observando un arranque correcto del motor, un menor
número de revoluciones, con respecto al funcionamiento del motor con diesel de petróleo; el
sonido del motor bajó de intensidad y el humo en el escape fue casi incoloro.
5.4.1 Eficiencia del biodiesel en un motor diesel
Por no ser uno de los objetivos de este trabajo de tesis, pero más aún, por no contar con los
instrumentos de medición necesarios, no fue posible valorar la potencia, torque y revoluciones
por minuto del motor, usando el biodiesel obtenido en el prototipo construido.
Sin embargo, en la literatura se reportan datos de estudios comparativos en el funcionamiento del
motor diesel, empleando biodiesel al 100%, con respecto al diesel del petróleo. Herrera et al. [34]
compararon el comportamiento de los parámetros del motor, al funcionar con diesel y biodiesel, a
una velocidad de rotación de 1450 rpm, punto donde llegan a ser máximas las diferencias. Sus
resultados denotan que al emplear biodiesel, el torque disminuye un 9.83%, así mismo, la
potencia efectiva es menor en un 9.63%. El consumo horario de biodiesel aumenta un 11.94%
con respecto al diesel. El rendimiento del motor, empleando biodiesel, es menor en un 18.98%,
que al emplear diesel.
70
CAPÍTULO 6
Conclusiones generales
y Recomendaciones
6.1 Conclusiones generales
El proceso de obtención de biodiesel puede realizarse con distintos tipos de reactivos, la mejor
combinación de alcohol-catalizador, fue metanol y sosa cáustica. Obteniendo resultados
favorables en la obtención y separación de biodiesel y glicerina, usando aceites de coco, soya,
higuerilla y de cocina sin usar.
Las cantidades mínimas necesarias de aceite, metanol y sosa cáustica, encontradas en la etapa de
experimentación, fueron las usadas, de manera proporcional, en el prototipo construido,
consiguiendo llevar a cabo de manera satisfactoria la producción y separación de biodiesel y
glicerina.
La experimentación estableció las consideraciones para el diseño físico del prototipo,
permitiendo un buen funcionamiento de este. La forma cilíndrica de los recipientes contenedores
de aceite y metóxido, hace posible determinar, con una incertidumbre de 53 y 17 ml, el volumen
necesario de aceite y metóxido respectivamente, que es incorporado al reactor. El material de
acero inoxidable no presenta ninguna reacción con la sosa cáustica, además mantiene limpio el
aceite, sin contaminarse por oxidación del metal.
71
Capítulo 6: Conclusiones generales y Recomendaciones
Cenidet
El precalentamiento del aceite es importante no solo para asegurar el estado líquido del aceite de
coco, sino también para especificar una temperatura inicial de la reacción de transesterificación.
La resistencia eléctrica para el calentamiento de la mezcla reaccionante funciona de acuerdo al
cálculo realizado. Por su parte, el agitador mantiene una mezcla homogénea, no existe una
agitación brusca que provoque una expulsión de los reactivos mezclados dentro del reactor.
En base a la hipótesis, se utilizó un microcontrolador como unidad de control para la
automatización del proceso. El PIC16F877A fue el seleccionado, el cual, ejecuta todas las etapas
del proceso de forma correcta. De esta manera se dictamina, que si es posible automatizar el
proceso de obtención de biodiesel en un prototipo, a través de un microcontrolador.
El control que se hace con los datos de los sensores de temperatura, permite no calentar la mezcla
reaccionante a una temperatura mayor de 65 °C y con ello, evitar la evaporación del metanol. El
sensor infrarrojo utilizado para la decantación de la glicerina y biodiesel, fue el adecuado, debido
a que sí detecta el flujo de uno u otro producto.
Por todo lo expuesto anteriormente, es posible concluir que se ha cumplido con el objetivo
general de la tesis, construir un prototipo para producir biodiesel, de manera automatizada.
6.2 Conclusión particular sobre glicerina libre en el biodiesel, por
análisis cromatográfico
La glicerina libre resulta de la separación incompleta de biodiesel y glicerina, productos
obtenidos después de la reacción de transesterificación. La norma ASTM D-6751 señala un nivel
máximo de 0.02% en masa, de glicerina libre.
Niveles altos de glicerina libre en el biodiesel, puede causar depósitos en los inyectores,
obstaculizando el sistema de inyección, además de acumularse en el fondo del tanque de
combustible.
6.2.1 Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado reactivo
En el prototipo construido, se realizaron 3 pruebas para producir biodiesel a partir de aceite de
coco, metanol grado reactivo y sosa cáustica grado técnico. Para caracterizar el biodiesel
obtenido, se tomó una muestra para su análisis en el cromatógrafo de gases realizado en el
Laboratorio de Biotecnología Ambiental, CEIB (Centro de Estudio e Investigación en
Biotecnología) de la UAEM, a cargo de la Dra. María Del Refugio Trejo, con el apoyo técnico
del IQ. Daniel Morales. Las condiciones del análisis fueron las indicadas en el método de prueba
ASTM D-6584. El resultado de los análisis cromatográficos se muestra en la figura 6.1.
72
Cenidet
6.0e4
11.754
9.846
10.357
8.425
8.948
7.465
6.879
5.750
5.106
7.0e4
3.945
3.279
Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BIOCOCO3.D
7.260
7.585
7.635
7.727
8.026
8.087
8.132
8.308
8.836
9.051
9.569
9.639
6.424
5.676
5.799
1.0e4
4.783
4.810
4.975
2.107
2.228
2.464
2.951
3.405
2.0e4
4.016
3.0e4
10
Time (min.)
5
0
17.573
18.100
18.510
4.0e4
11.096
11.161
11.405
11.681
11.801
12.006
5.0e4
15
20
25
Figura 6.1 Análisis cromatográfico al biodiesel obtenido en el prototipo
El método de prueba manifiesta que es necesario tener un valor de referencia de glicerina, por lo
cual, se hizo el análisis cromatográfico de un estándar de glicerina. El cromatograma se presenta
en la figura 6.2.
Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\GL100PPM.D
2.188
8.0e4
7.0e4
6.421
***
6.0e4
**
3.411
*
4.967
5.0e4
4.0e4
9.636
8.867
7.726
6.558
1.0e4
4.644
2.0e4
3.496
4.001
2.306
2.528
3.0e4
0
0
5
10
Time (min.)
15
25
20
Figura 6.2 Cromatograma del estándar de glicerina
De los picos de este cromatograma, se señalan los más grandes, en los tiempos 3.411, 4.967 y
6.421 minutos. El pico en el minuto 2.188 es de piridyna, sustancia empleada para diluir la
glicerina.
73
Cenidet
Un acercamiento al cromatograma del biodiesel, se aprecia en la figura 6.3. Se marcan con
asteriscos, los picos que se presentan en el mismo tiempo que en el análisis del estándar de
glicerina.
7.465
6.424
2.228
1.4e4
6.879
***
5.750
5.106
1.5e4
3.945
3.279
Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BIOCOCO3.D
1.3e4
1.2e4
8.026
8.087
8.132
7.727
7.585
7.635
5.676
5.799
7.260
7000
*
4.783
4.810
4.975
2.951
8000
**
4.016
9000
3.405
1.0e4
2.464
2.107
1.1e4
6000
2
3
4
5
Time (min.)
6
7
8
Figura 6.3 Acercamiento al análisis cromatográfico del biodiesel
6.2.1.1
Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel
usando metanol grado reactivo
De los reportes de los análisis cromatográficos, del biodiesel usando metanol GR y del estándar
de glicerina, se conocen las áreas de los picos señalados con asterísticos.
Tabla 6.1 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GR
Biodiesel, metanol grado
Estándar de glicerina
reactivo
Tiempo
(minutos)
Área
Tiempo
(minutos)
Área
3.405
4.975
6.424
2 240
9 503
16 635
3.411
4.967
6.421
70 879
114 186
94 126
Cada una de las áreas de los picos del estándar de glicerina se toma como 100 ppm. De tal
manera, las áreas de los picos del biodiesel usando metanol GR, representan:
2240 × 100
= 3.16 ppm
70879
74
Cenidet
9503 × 100
= 8.32 ppm
114186
16635 × 100
= 17.67 ppm
94126
La suma de estas cantidades es 29.15 ppm, lo cual equivale a un 0.0029 % de glicerina libre en el
biodiesel.
Si la norma establece un máximo de 0.02% de glicerina libre, el biodiesel producido en el
prototipo contiene un nivel de glicerina libre 10 veces menor a lo expuesto por la norma.
6.2.2 Análisis al biodiesel obtenido usando metanol grado técnico
El costo de metanol grado técnico es menor con relación al metanol GR, esto repercute en el
costo por litro de biodiesel. Sin embargo, el uso de metanol grado técnico puede disminuir la
calidad del biodiesel obtenido, por tal razón, también se llevó a cabo un análisis cromatográfico
de un experimento a nivel laboratorio (prueba 48 de la etapa de experimentación), utilizando
aceite de coco (el mismo que se empleó en las pruebas en el prototipo), metanol grado técnico y
sosa cáustica grado técnico.
El resultado del análisis y su acercamiento, se exhiben en las figuras 6.4 y 6.5.
9.810
6.0e4
11.10111.191
11.413
9.879
8.396
8.475
6.798
6.878
6.953
7.0e4
5.119
3.229
Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BDCCMGT.D
5.0e4
4.0e4
0
5
8.824
8.910
9.130
9.665
7.301
7.403
7.635
5.983
6.411
1.0e4
4.800
4.952
2.908
3.342
2.0e4
12.941
13.229
11.219
3.0e4
10
Time (min.)
15
20
25
Figura 6.4 Análisis cromatográfico del biodiesel usando metanol grado técnico
75
Cenidet
6.798
6.878
6.953
1.6e4
5.119
3.229
Sig. 1 in C:\HPCHEM\1\DATA\BIODIESE\BDCCMGT.D
1.4e4
1.2e4
1.0e4
7.635
7.301
7.403
***
6.411
5.983
**
4.800
4.952
6000
3.342
2.908
8000
4000
0
2
4
Time (min.)
6
8
Figura 6.5 Acercamiento al cromatograma del biodiesel usando metanol grado técnico
6.2.2.1
Cálculo del porcentaje de glicerina libre en el biodiesel
usando metanol grado técnico
Las áreas de los picos señalados con asterísticos, se enlistan en la tabla 6.2.
Tabla 6.2 Áreas de los picos de los análisis cromatográficos metanol GT
Biodiesel, metanol grado
Estándar de glicerina
técnico
Tiempo
(minutos)
4.952
6.411
Área
1 768
1 920
Tiempo
(minutos)
Área
3.411
4.967
6.421
70 879
114 186
94 126
Cada una de las áreas de los picos del estándar de glicerina se toma como 100 ppm. De tal
manera, las áreas de los picos del biodiesel usando metanol anhidro, representan:
1768 × 100
= 1.548 ppm
114186
1920 × 100
= 2.039 ppm
94126
76
Cenidet
La suma de estas cantidades es 3.587 ppm de glicerina libre en el biodiesel.
De esta manera, se concluye que en el prototipo construido se produce biodiesel con niveles bajos
de glicerina libre, debido a contener un porcentaje 10 veces menor en relación al nivel máximo
especificado por la norma ASTM D-6751. Así mismo, el biodiesel obtenido a partir de aceite de
coco y metanol grado técnico cumple con dicha norma.
6.3 Recomendaciones
Las recomendaciones que se exponen a continuación, son una serie de trabajos futuros que sirvan
para mejorar el funcionamiento del prototipo y que en el presente trabajo no se llevaron a cabo
por limitaciones de tiempo y de recursos económicos.
Aplicar una teoría de control a las variables que intervienen en el proceso.
Incluir una pantalla lcd, para visualizar la temperatura, número de revoluciones por
minuto en la agitación, tiempo de agitación, etc.
Preparar el metóxido (mezcla de metanol y sosa cáustica) de manera automática.
Hacer pruebas con distintos volúmenes de sustancias, sin necesidad de programar el PIC
en cada cambio.
Establecer una comunicación entre el prototipo para producir biodiesel y la computadora,
mediante una interfaz.
Incorporar el proceso de lavado.
Establecer una temperatura homogénea del aceite, que funcione como temperatura inicial
de la reacción de transesterificación.
77
78
Cenidet
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81
Cenidet
82
Anexo A
Total de pruebas experimentales
Prueba
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
Aceite
(ml)
Cocina, 200
Cocina, 600
Coco, 200
Cocina, 200
Cocina, 200
Coco, 200
Cocina, 200
Coco, 200
Coco, 200
Cocina, 200
Cocina, 200
Cocina, 200
Cocina, 133
Cocina, 200
Coco, 200
Cocina, 200
Cocina, 200
Coco, 200
Coco, 200
Cocina, 200
Coco, 200
Cocina, 50
Coco,
50
Cocina, 50
Coco,
50
Coco,
200
Coco,
120
Coco,
150
Coco,
200
Coco,
200
Cocina, 200
Coco,
112
Cocina, 100
Coco,
100
Cocina, 100
Cocina, 50
Cocina, 100
Coco, 100
Coco, 100
Coco, 100
Coco, 100
Coco, 100
Coco, 100
Coco, 100
Soya,
100
Higuerilla, 100
Coco,
100
Coco,
200
Alcohol
(ml)
Metanol, 40
Metanol, 120
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol, 40
Metanol, 50
Metanol, 40
Metanol, 40
Etanol,
40
Etanol,
60
Etanol,
40
Metanol, 40
Metanol, 40
Etanol,
60
Etanol,
60
Etanol,
60
Metanol, 50
Etanol,
60
Etanol,
60
Metanol, 10
Metanol, 10
Metanol, 10
Metanol, 10
Etanol,
60
Etanol,
42
Etanol,
60
Metanol,
40
Etanol,
80
Etanol,
60
Etanol,
56
Etanol,
30
Metanol,
20
Etanol,
30
Etanol,
15
Etanol,
30
Etanol,
30
Etanol,
40
Etanol,
40
Metanol, 20
Metanol, 20
Metanol, 20
Metanol, 20
Metanol, 20
Metanol, 20
Metanol, 20
Metanol, 40
Catalizador
(g)
Sosa, 0.7
Sosa, 2.1 **
Sosa, 0.7
Sosa, 0.7
Sosa, 0.7 **
Sosa, 1
Sosa, 1
Sosa, 0.875
Sosa, 1
Sosa, 0.875
Sosa, 1
Sosa, 1
Sosa, 1
Sosa, 0.875
Sosa, 1
Sosa, 0.875
Sosa, 1
Sosa, 1
Sosa, 1
Sosa, 1
Sosa, 1.125
Sosa, 0.250
Sosa, 0.250
Sos GR 0.250
Sos GR 0.250
Sosa, 1.250
Sosa, 0.6
Sosa, 0.75
Sosa, 0.875
Sosa, 1.25
Sosa, 1
Sosa, 0.7
Sosa, 0.5
Sosa, 0.437
Sosa,
0.5
Sosa,
0.25
Sosa,
0.5
KOH, 1.125
KOH, 1.125
KOH, 1.687
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.4375
Sosa, 0.875
Producto obtenido
Biodiesel
Glicerina
(ml)
(ml)
600
201
203
208
200
201
207
138
206
200
210
220
Si
Si
Si
Si
203
105
55
101
100
102
98
101
104
102
207
65
24
23
28
26
21
35
25
21
23
30
28
Si
Si
Si
Si
25
12
7
10
12
11
12
11
10
12
16
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
*
*
*
*
0.88
0.875
*
0.875
0.875
0.885
*
*
*
*
*
0.88
“
“
“
0.89
0.885
0.88
0.88
n/d
11.1
9.1
8.9
12.3
8.9
9.3
9.1
8.6
9.1
9.4
9.1
9.1
9.1
9.0
“
“
“
9.1
Amb
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“
“
55 - 60
57 - 60
Amb
58 - 60
Amb
Amb
Amb
Amb
80
80
80
80
Amb
Amb
Amb
Amb
Amb
60 – 64
Amb
50 – 55
55 – 60
55 – 60
Amb
55 – 60
Amb
Amb
Amb
Amb
“
“
“
“
“
“
“
* Los valores de densidad del biodiesel, fueron medidos del volumen acumulado de biodiesel obtenido, con cada uno de los aceites.
** La cantidad real de sosa que se usó fue mayor a la presentada en la tabla. En la prueba 2, la balanza no era confiable y en la prueba 5, se añadió
un poco más de sosa a los 0.7g, no se pudo determinar la cantidad total, por no contar con una balanza de alta sensibilidad.
83
Anexo B
Diseño general del prototipo
84
Anexo C
Diseño del reactor
85
Anexo D
Diseño del recipiente del aceite
86
Anexo E
Diseño del recipiente del metóxido
87
Anexo F
Diseño de la válvula solenoide
88
Anexo G
Diseño de la armadura de soporte
89
Anexo H
Cálculo de potencia
de la resistencia
Las ecuaciones y datos utilizados en el siguiente cálculo, se obtuvieron del catálogo de
resistencias eléctricas de la compañía Tempco®, México [27].
La potencia se calcula:
P=
M ⋅ c p ⋅ ∆T
3.412 ⋅ t
(1.1)
Donde:
P = Potencia (W)
M = Peso del material a calentar (lbs)
⎛ btu ⎞
cp = Calor específico del material ⎜
⎟
⎝ lb ⋅ ° F ⎠
∆T = Incremento de temperatura (°F)
⎛ btu ⎞
3.412 = Constante de conversión ⎜
⎟
⎝ w⋅h ⎠
t = Tiempo en alcanzar la temperatura (h)
Cálculo del peso del material a calentar (M)
Debido al uso de una resistencia eléctrica externa tipo banda, para el calentamiento de la mezcla
reaccionante, se conciben dos materiales a calentar. Uno es el material de construcción del
reactor y el otro, la mezcla aceite-metóxido.
1. Peso del material de construcción del reactor
Las dimensiones del reactor se aprecian en la figura I.1
Figura H.1 Dimensiones del reactor, en mm
90
Anexo H: Cálculo de potencia de la resistencia
Cenidet
Para obtener el peso del material de construcción del reactor, es primordial conocer el volumen
del material, por tal motivo, se considera al reactor en dos partes, la cilíndrica y la parte cónica.
El espesor de la lámina de acero inoxidable, material de construcción del reactor, es de 1.21 mm.
Es necesario realizar las conversiones correspondientes al sistema inglés.
a) Peso de la parte cilíndrica del reactor:
Se calcula el volumen, V=A*h, en este caso h representa el espesor del material.
⎡
⎛ 1in ⎞⎤ ⎡
⎛ 1in ⎞⎤
2
Acil = π ⎢(250mm )⎜
⎟⎥ ⎢(170mm )⎜
⎟⎥ = 207.1189in
⎝ 25.4mm ⎠⎦ ⎣
⎝ 25.4mm ⎠⎦
⎣
⎡
⎛ 1in ⎞⎤
3
Vcil = 207.1189in 2 ⎢(1.21mm )⎜
⎟⎥ = 10.35in
⎝ 25.4mm ⎠⎦
⎣
El peso se obtiene mediante la ecuación 1.2
M =V ⋅ρ
(1.2)
Donde:
M = peso (lb)
V = volumen (in3)
ρ = densidad (lb/in3)
El valor de la densidad para el acero inoxidable es 0.280 lb/in3
lb ⎞
⎛
M cil = 10.35in 3 ⎜ 0.280 3 ⎟ = 2.9lb
in ⎠
⎝
b) Peso de la parte cónica del reactor:
⎡
⎛ 1in ⎞⎤ ⎡
⎛ 1in ⎞⎤
2π ⎢(250mm )⎜
⎟⎥ ⎢(116mm )⎜
⎟⎥
⎝ 25.4mm ⎠⎦ ⎣
⎝ 25.4mm ⎠⎦
⎣
= 69.55in 2
Acon =
4
⎡
⎛ 1in ⎞⎤
3
Vcon = 69.55in 2 ⎢(1.21mm )⎜
⎟⎥ = 3.47in
⎝ 25.4mm ⎠⎦
⎣
lb ⎞
⎛
M con = 3.47in 3 ⎜ 0.280 3 ⎟ = 0.973lb
in ⎠
⎝
Peso del material del reactor = 2.9 lb + 0.9737 lb = 3.8737 lb
2. Peso de la mezcla aceite-metóxido a calentar en el reactor
Usando la ecuación 1.2, se supone que el reactor contiene un volumen de 6 litros de la mezcla
aceite-metóxido. Además, se considera utilizar la densidad del aceite (7.75 lb/gal), debido a ser la
91
Cenidet
mayor entre el aceite y el metóxido. Las conversiones de unidades se presentan en la ecuación
empleada.
lb ⎞
⎛ 1gal ⎞⎛
⎟ = 12.2853lb
M mezcla = 6 L⎜
⎟⎜⎜ 7.75
gal ⎟⎠
⎝ 3.785L ⎠⎝
Cálculo de la potencia
En la ecuación 1.1, intervienen los siguientes datos que son necesarios especificar:
∆T = Incremento de temperatura. Si se considera una temperatura ambiente de 20 °C, en la etapa
de precalentamiento del aceite existirá un incremento de 20 °C, con ello se alcanzará una
temperatura de 40 °C, misma que será la temperatura inicial para el calentamiento de la mezcla
aceite-metóxido. Estableciendo una temperatura máxima de 60 °C en el calentamiento de la
mezcla, se determina un incremento máximo de 20 °C en esta etapa del proceso del biodiesel.
t = Tiempo en alcanzar la temperatura. El tiempo en alcanzar la temperatura, se estima de 12
minutos, la mitad del tiempo de agitación. 12 minutos equivale a 0.2 horas.
La conversión de unidades para la temperatura:
⎛ (20 )9 ⎞
20°C = ⎜
⎟° F + 32° F = 68° F
⎝ 5 ⎠
1. Potencia requerida para calentar el material de construcción del reactor
⎛ btu ⎞
El calor específico del acero inoxidable es 0.12 ⎜
⎟
⎝ lb ⋅ ° F ⎠
btu ⎞
⎟(68° F )
lb ⋅ ° F ⎠
⎝
= 46.3209 W
btu ⎞
⎛
⎟(0.2h )
⎜ 3.412
W ⋅h⎠
⎝
(3.8737lb )⎛⎜ 0.12
Pacero =
2. Potencia requerida para calentar la mezcla aceite-metóxido en el reactor
⎛ btu ⎞
El calor específico del aceite es 0.43 ⎜
⎟
⎝ lb ⋅ ° F ⎠
(12.2853lb )⎛⎜ 0.43 btu ⎞⎟(68° F )
lb ⋅ ° F ⎠
⎝
= 526.41 W
Pac − met =
btu ⎞
⎛
⎜ 3.412
⎟(0.2h )
W ⋅h⎠
⎝
Potencia requerida = 46.3209 W + 526.41 W = 572.731 W
92
Anexo I
Mediciones del sensor LM35,
precalentamiento del aceite
Las mediciones se realizaron cada 60 segundos.
Referencia
°C
LM35
°C
Error
absoluto
Error
relativo
23
23
23
29
31
31
31
31
32
33
33
33
36
37
38
38
39
40
41
41
42
43
43
43
43
43
43
43
44
44
43
43
42
43
42
42
41
41
43
43
43
43
39
34
34
23
23
23
24
27
28
28
29
31
30
32
32
35
35
36
37
38
39
40
41
42
42
43
43
43
43
42
43
43
42
42
42
43
43
43
41
41
40
43
42
42
42
39
35
35
0
0
0
5
4
3
3
2
1
3
1
1
1
2
2
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
2
1
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0.00
0.00
0.00
17.24
12.90
9.68
9.68
6.45
3.13
9.09
3.03
3.03
2.78
5.41
5.26
2.63
2.56
2.50
2.44
0.00
0.00
2.33
0.00
0.00
0.00
0.00
2.33
0.00
2.27
4.55
2.33
2.33
2.38
0.00
2.38
2.38
0.00
2.44
0.00
2.33
2.33
2.33
0.00
2.94
2.94
93
Anexo I: Mediciones del sensor LM35, precalentamiento del aceite
94
Referencia
°C
LM35
°C
Error
absoluto
Error
relativo
34
34
34
34
34
34
34
34
31
31
30
31
31
31
31
30
30
30
30
30
30
31
32
39
40
35
35
35
34
35
35
35
34
32
31
31
31
31
31
31
30
30
30
30
30
30
31
32
39
39
1
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2.94
2.94
2.94
0.00
2.94
2.94
2.94
0.00
3.23
0.00
3.33
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
2.50
Cenidet
Anexo J
Mediciones del sensor LM35,
calentamiento en el reactor
Las mediciones se realizaron cada 30 segundos.
Referencia
°C
LM35
°C
Error
absoluto
Error
relativo
27
28
28
28
29
30
30
31
31
32
33
35
35
35
36
37
38
39
40
40
41
42
43
43
45
45
46
47
48
49
49
50
51
51
52
53
53
54
55
56
56
57
58
59
59
60
27
27
28
28
29
30
30
30
31
32
33
35
35
35
36
36
37
38
39
40
40
42
42
44
44
44
46
46
47
48
49
50
50
51
52
52
54
54
54
55
55
56
57
58
58
59
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0.00
3.57
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
3.23
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
2.70
2.63
2.56
2.50
0.00
2.44
0.00
2.33
2.33
2.22
2.22
0.00
2.13
2.08
2.04
0.00
0.00
1.96
0.00
0.00
1.89
1.89
0.00
1.82
1.79
1.79
1.75
1.72
1.69
1.69
1.67
95
Anexo J: Mediciones del sensor LM35, calentamiento en el reactor
96
Referencia
°C
LM35
°C
Error
absoluto
Error
relativo
60
61
61
61
62
62
62
62
62
62
62
62
62
61
61
61
61
61
61
61
60
60
60
60
60
60
60
59
59
59
59
59
59
58
58
58
58
58
58
58
57
57
57
57
56
56
56
56
55
55
56
56
57
58
58
59
60
61
61
59
60
61
61
61
61
61
61
61
61
61
61
61
61
61
61
60
60
60
60
60
60
60
60
60
59
59
59
59
58
59
59
58
58
58
58
57
57
57
56
57
57
57
56
56
56
55
55
54
55
55
56
56
57
58
58
59
60
60
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
2
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1.67
1.64
0.00
0.00
1.61
1.61
1.61
1.61
1.61
1.61
1.61
1.61
1.61
0.00
0.00
0.00
1.64
1.64
1.64
1.64
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.67
1.67
0.00
0.00
1.69
0.00
0.00
1.69
0.00
0.00
0.00
1.72
1.72
1.72
3.45
0.00
0.00
0.00
1.75
0.00
0.00
1.79
1.79
1.82
0.00
1.79
0.00
1.75
1.72
0.00
1.69
1.67
1.64
1.64
Cenidet
Anexo K
Programa general
__CONFIG _CP_OFF&_WDT_OFF&_LVP_OFF &_PWRTE_ON&_HS_OSC ;Configuración para el grabador
LIST p=16F877A
INCLUDE<P16F877A.INC>
; Zona de datos oscilador de 20 MHz
; Este programa es para realizar todo el proceso de obtención del biodiesel, lo que va a hacer es sensar la cantidad de
aceite, la cantidad de alcohol, mezclar durante 25 minutos y drenar después de 8 horas, ademas debe controlar y
sensar la temperatura a la que se tenga el aceite y a la que se va a realizar la agitación
;=====================================================================
;Especificar condiciones de operación y cantidad de reactivos
;======================================================================
Temprec
EQU
d'40'
;Especifica Temperatura del precalentamiento
Temreac1
EQU
d'58'
;Temperatura máxima de calentamiento de la reacción
Temreac2
EQU
d'56'
;Temperatura mínima de calentamiento de la reacción
Volaceite
EQU
d'118'
;Volumen de aceite, datos según la tabla 4.8 de la tesis
Volmetoxido
EQU
d'68'
;Volumen de metóxido, datos según tabla 4.4 de la tesis
Tiemagit
EQU
d'25'
;Tiempo de agitación en minutos
Tiemsep
EQU
d'16'
;Tiempo de reposo para separación, en horas (16-12)
;-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------min
EQU
02h
hora
EQU
04h
dia
EQU
07h
mes
EQU
08h
año
EQU
09h
segalarm
EQU
01h
minalarm
EQU
03h
horaalarm
EQU
05h
registroA
EQU
0Ah
registroB
EQU
0Bh
registroC
EQU
0Ch
registroD
EQU
0Dh
MaximaDistancia
EQU
d'255'
;máxima distancia es 255mm
TMR0_Carga6micros
EQU
d'236'
;valor para tardar 6 microseg por cada mm de distancia
TMR0_Carga6micros_m
EQU
d'236'
;Valor para 6 microseg para el metóxido
CBLOCK
0x21
Distancia
R_contA
R_contB
R_contC
Conversion
Diezmas
Diezmas1
Cuenta
Muestra
Dir
Escr
;se expresará en mm
;contadores para los retardos
;Se almacenará la temperatura y lo del drenado
;Para saber cuanto va a dejar pasar de volumen
ENDC
;Zona de codigos
ORG
goto
ORG
goto
0x00
Inicio
0x04
ServicioInterrupcion
Inicio
bsf
STATUS,RP0
;Banco-1
97
Anexo K: Programa general
clrf
movlw
movwf
clrf
movlw
movwf
movlw
OPTION_REG
b'00010101'
TRISB
TRISD
b'10000000'
INTCON
b'10000100'
movwf
clrf
movlw
movwf
ADCON1
TRISE
b'00001011'
TRISA
bcf
bsf
bsf
bsf
bsf
movlw
STATUS,RP0
PORTD,3
PORTD,4
PORTD,5
PORTD,6
b'01111000'
Cenidet
;Indicando un prescaler de 2 para el TMR0
;Señalando los bits de entrada y salida del Puerto B
;PORTD como salida
;Habilita todas las interrupciones en general
;Configuración del ADC usando alineación a la izquierda y 3 entradas
;analogicas por 5 digitales
;Configurando al puerto E como salidas
;RA0, RA1, RA3 son entradas analógicas y RA2, RA5 como salidas
;digitales
;Banco-0
;Configurando las salidas por el Puerto D para mantener cerradas las
;valvulas
;Para iniciar en bajo todos los bits del puerto D
;Limpia todo el puerto B
;Para acceder a los registros del RTC
;Limpia el puerto A
;Limpia el puerto E
;Inicializa línea de disparo en bajo sensor aceite
;Inicializa línea de disparo en bajo sensor metóxido
movwf
PORTD
clrf
PORTB
clrf
PORTC
clrf
PORTA
clrf
PORTE
bcf
PORTB,1
bcf
PORTB,3
clrf
Diezmas
clrf
Diezmas1
clrf
Cuenta
bsf
PORTB,7
;Manda a encender la resistencia eléctrica para el precalentamiento
;=====================================================================================
;A través de estas rutinas va a estar sensando el nivel del aceite y checar si hay suficiente para hacer la prueba
;=======================================================================================
Principal_1
clrf
Distancia
;Inicializa el registro
bsf
PORTB,1
;Comienza el pulso de disparo
call
Retardo_15micros
;Duración del pulso de disparo
bcf
PORTB,1
;Final del pulso de disparo
Espera_Eco1_1
btfss
goto
movlw
movwf
bsf
PORTB,2
Espera_Eco1_1
TMR0_Carga6micros
TMR0
INTCON,T0IE
;Si ECO=0 espera el flanco de subida de la señal
;de la salida del sensor
;Ya se ha producido el flanco de subida
;Cargar el Timer 0
;Habilita las interrupciones por desbordamiento del TMR0
Espera_Eco1_0
btfsc
goto
bcf
call
PORTB,2
Espera_Eco1_0
INTCON,T0IE
Retardo_50ms
;Espera flanco de bajada de la señal de la salida
;del SRF05
;Se ha producido el flanco de bajada. Prohíbe interrupción
;Espera un tiempo para la siguiente medición
SensarVol_1
movf
addlw
btfsc
goto
movwf
movlw
addwf
movlw
subwf
btfsc
goto
goto
Distancia,0
Volaceite
STATUS,C
Ledfac_
Diezmas
.1
Cuenta,F
.10
Cuenta,0
STATUS,Z
Checarmet
Principal_1
;Manda lo que hay en Distancia a W
;Suma 118 al valor de la Distancia, para 4 litros de aceite
;Checa si hubo acarreo, esto es cuando la suma sea > 255
;Manda a encender el led para avisar que hace falta aceite
;Lo almacena en el registro Diezmas
;Ejecuta 10 mediciones, antes de continuar
;========================================================================================
;Se va sensar el nivel del metoxido para checar si hay suficiente metoxido para hacer la prueba
;================================================================================================
Checarmet
98
Cenidet
clrf
clrf
clrf
Principal_2
clrf
bsf
call
bcf
Espera_Eco2_1
btfss
goto
movlw
movwf
bsf
Espera_Eco2_0
btfsc
goto
bcf
call
SensarVol_2
movf
addlw
movwf
movlw
addwf
movlw
subwf
btfsc
goto
;
bcf
goto
Diezmas
Diezmas1
Cuenta
Distancia
PORTB,3
Retardo_15micros
PORTB,3
;Comienza el pulso de disparo del sensor del metóxido
;Final del pulso de disparo del sensor del metóxido
PORTB,4
Espera_Eco2_1
TMR0_Carga6micros_m
TMR0
INTCON,T0IE
;de la salida del sensor del metóxido
;Cargar el Timer 0
;Autoriza interrupción del TMR0(TOIE)
PORTB,4
Espera_Eco2_0
INTCON,T0IE
Retardo_50ms
;del SRF05
;Espera un tiempo de 50 ms para la siguiente medición
Distancia,0
Volmetoxido
Diezmas1
.1
Cuenta,F
.10
Cuenta,0
STATUS,Z
Faltac
PORTD,4
Principal_2
;Almacena lo de distancia en W
;Suma 68 a distancia para espec cuando sean 800 ml de metoxi
;Lo guarda en el registro Diezmas
;Ejecuta un ciclo de 10 mediciones
;Manda a abrir la válvula de metóxido
;Regresa a seguir sensando
;============================================================================================
; Realiza una valoración para saber si hace falta algo de aceite o metóxido y no llevar a cabo la prueba
;============================================================================================
Faltac
movlw
d'220'
;Medida máxima para el nivel de aceite, recipiente vacío
subwf
Diezmas
;Resta Diezmas - W
btfss
STATUS,C
;Checa si Diezmas es igual o mayor que W, significa q no hay
;aceite suficiente
goto
Faltmet
;Al haber suficiente aceite manda a checar para el metóxido
Ledfac_
bsf
PORTE,1
;Manda una señal para indicar q hace falta aceite
bcf
PORTB,7
;Manda a apagar la resistencia de precalentamiento
goto
$
Faltmet
movlw
d'150'
;Medida máxima para el nivel de metóxido, recipiente vacío
subwf
Diezmas1
;Resta Diezmas - W
btfss
STATUS,C
;Checa si Diezmas es igual o mayor que W, significa que no hay
;aceite suficiente
goto
Precalen
;Regresa hacer todo el programa
bsf
PORTE,2
;Manda una señal para indicar que hace falta metóxido
bcf
PORTB,7
;Manda a apagar la resistencia de precalentamiento
goto
$
;=========================================================================================
;Subrutina para estar sensando el precalentamiento del aceite
;========================================================================================
Precalen
clrf
Conversion
;Limpia el registro Conversión
movlw
b'10000000'
;Configurando a reloj para 20 MHz y entrada en RA3
movwf
ADCON0
;en el registro ADCON0
bsf
STATUS,RP0
;Pasamos al banco1
movlw
b'00001011'
;Bits RA0,RA1 y RA3 como entradas analógicas
movwf
TRISA
movlw
b'10000100'
;Configuración del ADC usando alineación a la izquierda y 3
;entradas analógicas por 5 digitales
movwf
ADCON1
bcf
STATUS,RP0
;Pasa a banco 0
bsf
ADCON0,0
;Se pone a 1 el bit0 del registro ADCON0 para activar el ADC
convertir_
99
Cenidet
call
bsf
espera20u
ADCON0,2
;Llama al retardo de 20 micro para establecer la señal
;Pone a 1 el bit2 del registro ADCON0 para iniciar la conversión
btfsc
goto
ADCON0,2
espera_
bsf
movf
bcf
movwf
movlw
subwf
btfss
goto
STATUS,RP0
ADRESL,0
STATUS,RP0
Conversion
Temprec
Conversion
STATUS,C
convertir_
;Va a estar ciclándose mientras el bit2 del registro ADCON sea 1
;cuando termina la conversión y se ponga a cero continuara para
;mostrar el resultado
;Se cambia al banco 1
;Carga lo que hay en el registro ADRESL en w
;Regresa al banco 0
;Almacena la temperatura en el registro conversion
;Condición si la temperatura es de 40°C
;Resta a Conversion - w
;Checa el bit C de STATUS, si es 1 es porque Conversion > 40
;Regresa a seguir convirtiendo
bcf
bcf
clrf
clrf
clrf
PORTB,7
ADCON0,0
Diezmas
Cuenta
Diezmas
espera_
;Apaga la resistencia de precalentamiento e inicia el proceso
;Desactiva el ADC
;=====================================================================================
;A traves de estas rutinas va a estar sensando el nivel del aceite ya seguro de que si hay suficiente aceite
;=======================================================================================
Principal_1_
clrf
Distancia
bsf
PORTB,1
;Comienza el pulso de disparo
call
Retardo_15micros
bcf
PORTB,1
;Final del pulso de disparo
Espera_Eco1_1_
btfss
goto
movlw
movwf
bsf
PORTB,2
Espera_Eco1_1_
TMR0_Carga6micros
TMR0
INTCON,T0IE
;de la salida del sensor
;Cargar el Timer 0
Espera_Eco1_0_
btfsc
goto
bcf
call
PORTB,2
Espera_Eco1_0_
INTCON,T0IE
Retardo_50ms
;del SRF05
;Espera un tiempo para la siguiente medición
btfss
PORTD,3
btfsc
goto
goto
PORTD,3
SensarVol_1_
Cumplido_1_
;Checa si la válvula del aceite está cerrada para especificar el
;nivel deseado
;Checa si esta abierta para hacer la comparación
;Especifica cuanto aceite se va a poner en el reactor
;Hace la comparación para saber si ya se tiene cumplido el nivel
SensarVol_1_
movf
addlw
movwf
movlw
addwf
movlw
subwf
btfsc
goto
goto
Abrvalv
bcf
bsf
goto
Cumplido_1_
movf
subwf
btfsc
btfsc
goto
100
Distancia,0
Volaceite
Diezmas
.1
Cuenta,F
.10
Cuenta,0
STATUS,Z
Abrvalv
Principal_1_
;Manda lo que hay en Distancia a W
;Suma 118 al valor de la Distancia, para 4 litros de aceite
;Lo almacena en el registro Diezmas
PORTD,3
PORTD,7
Principal_1_
;Manda a abrir la válvula del aceite
;Señal que indica que se esta vertiendo el aceite
Diezmas,0
Distancia,0
STATUS,C
PORTD,3
Principal_1_
;Manda lo que hay en Diezmas al registro W
;Resta Distancia - Diezmas (f-W)
;Checa el bit C=1 solo cuando Distancia = o > Diezmas
;Salta para mandar a cerrar la válvula del aceite
;Si C=0 es porque Distancia < Diezmas y regresa a sensar
Cenidet
Fin_1
bsf
bcf
clrf
clrf
clrf
clrf
PORTD,3
PORTD,7
Diezmas1
Cuenta
Diezmas1
Cuenta
;Manda a cerrar la válvula del aceite
;Manda a apagar la señal de vertiendo el aceite
;Limpia el registro Diezmas1
;Limpia el registro Cuenta
;================================================================================================
;A través de estas rutinas va a estar sensando el nivel del metóxido y poniendo la medición en el registro distancia
;================================================================================================
Principal_22
clrf
Distancia
bsf
PORTB,3
;Comienza el pulso de disparo del sensor del metóxido
call
Retardo_15micros
bcf
PORTB,3
;Final del pulso de disparo del sensor del metóxido
Espera_Eco2_12
btfss
goto
movlw
movwf
bsf
PORTB,4
Espera_Eco2_12
TMR0_Carga6micros_m
TMR0
INTCON,T0IE
;de la salida del sensor del metóxido
;Cargar el Timer 0
;Autoriza interrupción del TMR0(TOIE)
Espera_Eco2_02
btfsc
goto
bcf
call
PORTB,4
Espera_Eco2_02
INTCON,T0IE
Retardo_50ms
;del SRF05
;Espera un tiempo de 50 ms para la siguiente medición
btfss
btfsc
goto
PORTD,4
PORTD,4
SensarVol_22
goto
Cumplido_22
;Checa si la válvula del metóxido está cerrada
;Checa si la válvula del metóxido esta abierta
;Manda a especificar el nivel deseado para la cantidad de
;metoxido
;Manda a comparar si ya se ha cumplido con el volumen
SensarVol_22
movf
addlw
movwf
movlw
addwf
movlw
subwf
btfsc
goto
goto
Abvalmet
bcf
bsf
goto
Cumplido_22
movf
subwf
btfsc
btfsc
goto
Fin_2
bsf
bcf
clrf
clrf
bsf
bsf
Distancia,0
Volmetoxido
Diezmas1
.1
Cuenta,F
.10
Cuenta,0
STATUS,Z
Abvalmet
Principal_22
;Almacena lo de distancia en W
;Suma 68 a distancia para especificar 800 ml de metox
;Lo guarda en el registro Diezmas
;Regresa a seguir sensando
PORTD,4
PORTA,2
Principal_22
;Manda a abrir la válvula de metóxido
;Manda señal de que se esta vertiendo el metóxido
Diezmas1,0
Distancia,0
STATUS,C
PORTD,4
Principal_22
;Almacena lo q hay en Diezmas1 al registro W
;Resta Distancia-Diezmas1 (f-W)
;Checa el bit C=1 solo cuando Distancia = o > Diezmas1
PORTD,4
PORTA,2
Dir
Escr
PORTB,5
PORTB,6
;Manda a cerrar la válvula del metóxido
;Manda a apagar la señal de q se esta vertiendo el metóxido
;Si aun no se cumple que Distancia = Diezmas regresa sensar
;Manda a encender el motor para iniciar la agitación
;Manda a encender la resistencia eléctrica
;===============================================================
; Aquí se esta midiendo el tiempo a través del RTC para manejar los 25 minutos de agitación
;===============================================================
;
Configuracion inicial del reloj
13:00:00
101
bcf
STATUS,RP0
call
ret_5s
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
;*************
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
102
Cenidet
;Regreso al banco 0
registroC
;Accede al registro C para leerlo y apagar la interrupción
Dir
Rdato
registroA
;Para configurar el modo de trabajo del reloj
Dir
Direccion
.0
;Se esta metiendo un b'00000000'
Escr
Wdato
registroB
;Se configura el registroB del RTC
Dir
Direccion
b'00100110'
;Se habilita la interrupción por alarma, binario y 24 hrs
Escr
Wdato
año
;Se accede a la dirección del año para poner la fecha
Dir
Direccion
.7
;Año del 2007
Escr
Wdato
mes
;Se accede a la dirección del mes para la fecha
Dir
Direccion
.7
;Mes de julio (07)
Escr
Wdato
dia
;Se accede a la dirección del dia para la fecha
Dir
Direccion
.17
;Dia 11 de julio del 2007
Escr
Wdato
hora
;Ahora le metemos la hora que sea de 12:00:00
Dir
Direccion
.12
Escr
Wdato
min
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
00h
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
Ahora se va a poner la alarma a 25 minutos **************************
horaalarm
; Se accesa a la dirección de la alarma de hora
Dir
Direccion
.12
;La alarma será a las 12 horas
Escr
Wdato
minalarm
;Se accesa a la dirección de alarma de minutos
Dir
Direccion
Tiemagit
;La alarma será a las 12:25:00
Escr
Wdato
segalarm;
Se accesa a la dirección de alarma de segundos
Dir
Cenidet
call
movlw
movwf
call
Direccion
.0
Escr
Wdato
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
registroA
Dir
Direccion
b'00100000'
Escr
Wdato
bsf
movlw
movwf
bcf
STATUS,RP0
b'10010000'
INTCON
STATUS,RP0
;Para que la alarma sea a los 25 minutos
;Habilita el oscilador en el registro A
;Habilitando las interrupciones por señal en RB0
;================================================================================================
;Lineas para sensar la temperatura de la reaccion
;=================================================================================================
clrf
Conversion
;Limpia el registro Conversion
movlw
b'10011000'
;Configurando a reloj para 20 MHz y entrada en RA3
movwf
ADCON0
;en el registro ADCON0
bsf
STATUS,RP0
;Pasamos al banco1
movlw
b'00001011'
;Bits RA0,RA1 y RA3 como entradas analógicas
movwf
TRISA
movlw
b'10000100'
;Configuración del ADC usando alineación a la izquierda y 3
;entradas analógicas por 5 digitales
movwf
ADCON1
bcf
STATUS,RP0
;Pasa a banco 0
bsf
ADCON0,0
convertir
call
espera20u
;Llama al retardo de 20 micro para que el convertidor realice su
;funcion
bsf
ADCON0,2
btfsc
goto
ADCON0,2
espera
bsf
movf
bcf
movwf
movlw
subwf
btfss
goto
STATUS,RP0
ADRESL,0
STATUS,RP0
Conversion
Temreac1
Conversion,0
STATUS,C
encres
;cuando termina la conversión y se ponga a cero continuara para
;mostrar el resultado
;Regresa al banco 0
;Almacena la temperatura en el registro conversion
;Condición si la temperatura es de 40°C
;Resta a Conversion - w
;Checa el bit C de STATUS, si es 0 es porque Conversion < 40
;Salta a encender resistencia
movlw
subwf
btfsc
bcf
goto
Temreac2
Conversion,0
STATUS,C
PORTB,6
Fin_temp
;Condicion para que se apague a los 32°C
;Resta a Conversion los 42 °C (f-W)
;Checa el bit C de STATUS, si es 1 es porque Conversion > 42
;Manda a apagar la resistencia eléctrica
btfss
bsf
goto
PORTB,6
PORTB,6
convertir
;Checa si aun esta encendida la resistencia
;Manda a encender la resistencia
Fin_temp
btfsc
goto
PORTB,5
convertir
;Cuando se apague el motor terminará la conversión
bcf
ADCON0,0
;Desactiva el ADC
bsf
bcf
PORTA,5
PORTB,6
;Manda a señalar que esta en la etapa de separación
;Manda a apagar la resistencia de calentamiento
bsf
STATUS,RP0
espera
encres
;
103
bcf
bcf
clrf
call
INTCON,4
STATUS,RP0
PORTC
ret_5s
Cenidet
;Deshabilito las interrupciones por RB0
;==============================================================================================
;Se van a esperar 5 minutos para apreciar que ya hay glicerina a través de la mirilla
;================================================================================================
;
12:00:00
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
;*************
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
104
registroC
;Accede al registro C para leerlo y apagar la interrupción
Dir
Rdato
registroA
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
registroB
Dir
Direccion
b'00100110'
;Se habilita la interrupción por alarma, binario y en formato de 24 hrs
Escr
Wdato
año
;Se accesa a la dirección del año para poner la fecha
Dir
Direccion
.7
;Año del 2007
Escr
Wdato
mes
;Se acceca a la dirección del mes para la fecha
Dir
Direccion
.7
;Mes de julio (07)
Escr
Wdato
dia
;Se acceca a la dirección del dia para la fecha
Dir
Direccion
.17
Escr
Wdato
hora
Dir
Direccion
.12
Escr
Wdato
min
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
00h
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
Ahora se va a poner la alarma a 1 minutos
**************************
horaalarm
Dir
Direccion
.12
Escr
Wdato
minalarm
Dir
Direccion
Cenidet
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
bsf
movlw
movwf
clrf
bcf
sleep
bsf
bcf
bcf
call
bcf
clrf
.3
Escr
Wdato
segalarm
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
registroA
Dir
Direccion
b'00100000'
Escr
Wdato
STATUS,RP0
b'10010000'
INTCON
OPTION_REG
STATUS,RP0
;Se accesa a la dirección de alarma de segundos
;Para que la alarma sea a los 3minutos con 0 segundos
;Manda a dormir el PIC para que no gaste energía
STATUS,RP0
INTCON,4
STATUS,RP0
ret_5s
PORTD,6
PORTC
;Deshabilito las interrupciones por RB0
;Manda a abrir la válvula de la mirilla visualizar la separación
;============================================================================================
;Lineas para esperar el tiempo para la separacion de los productos, biodiesel y glicerina
;======================================================================================
;
12:00:00
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
formato de 24 hrs
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
registroC
Dir
Rdato
registroA
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
registroB
Dir
Direccion
b'00100110'
Escr
Wdato
año
Dir
Direccion
.7
Escr
Wdato
mes
Dir
Direccion
.7
Escr
Wdato
dia
Dir
Direccion
.17
Escr
Wdato
hora
Dir
Direccion
.12
;Accesa al registro C para leerlo y apagar la interrupción
;Se habilita la interrupción por alarma, que trabaje con binario y en
;Se accesa a la dirección del año para poner la fecha
;Año del 2007
;Se acceca a la dirección del mes para la fecha
;Mes de julio (07)
;Se acceca a la dirección del dia para la fecha
105
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
;*************
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
movlw
movwf
call
bsf
movlw
movwf
clrf
bcf
sleep
call
bcf
bcf
Cenidet
Escr
Wdato
min
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
00h
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
Ahora se va a poner la alarma a 1 minutos
**************************
horaalarm
Dir
Direccion
Tiemsep
Escr
Wdato
minalarm
Dir
Direccion
.0
Escr
Wdato
segalarm
;Se accesa a la dirección de alarma de segundos
Dir
Direccion
.0
;Para que la alarma sea a las 4 horas
Escr
Wdato
registroA
Dir
Direccion
b'00100000'
Escr
Wdato
STATUS,RP0
b'10010000'
INTCON
OPTION_REG
STATUS,RP0
;Manda a dormir el PIC para que no gaste energía
ret_5s
PORTD,5
PORTA,5
;Manda a abrir la válvula a la salida del reactor para empezar a drenar
;Manda a apagar la señal de separación
;==============================================================================================
;Para sensar el drenado de los productos glicerina y biodiesel
;==============================================================================================
call
ret_1s
call
ret_1s
bcf
STATUS,RP0
;Asegurarse que se trabaja en el banco 0
clrf
Conversion
movlw
b'10001000'
;Configura al CAD para que sea en RA1 el canal de entrada al
;CAD
movwf
ADCON0
;a través del registro ADCON0 y con osc de 20 Mhz
bsf
ADCON0,0
convertir1
call
bsf
espera20u
ADCON0,2
;Llama al retardo de 20 micro para que el convertidor realice su función
btfsc
goto
ADCON0,2
espera1
bsf
STATUS,RP0
;cuando termina la conversión y se ponga a cero continuara para mostrar
;el resultado
espera1
106
Cenidet
movf
bcf
movwf
movlw
ADRESL,0
STATUS,RP0
Conversion
d'100'
;Regresa al banco 0
;Almacena lo de la glicerina en el registro conversión
;Dato que indica cuando se ha alcanzado la parte de la glicerina q se une
;con el biodiesel
;Resta el dato de Conversion - 110
;Checa el bit C que es 0 cuando Conversion < 110
subwf
btfsc
goto
Conversion
STATUS,C
convertir1
bcf
bsf
bsf
ADCON0,0
PORTD,5
PORTE,0
call
call
call
call
ret_30s
ret_30s
ret_30s
ret_30s
bcf
PORTD,5
;Manda a abrir la válvula a la salida del reactor para q salga biodiesel
bcf
PORTE,0
;Manda a apagar el led para indicar que hay que apagar cuando se
;termine de drenar el biodiesel
call
bsf
call
goto
ret_1s
PORTE,0
ret_1s
Ledsal
;Desactiva el ADC
;Manda a cerrar la válvula a la salida del reactor
;Manda a encender señal de que se debe de cambiar de recipiente para
;recibir el biodiesel
;Esperamos un tiempo de 1 minuto para que la glicerina se precipite
Ledsal
;Lo hace intermitente
;Mantiene encendida la señal de la válvula cerrada
;===============================================================================================
;Subrutina servivio_interrupcion
;================================================================================================
ServicioInterrupcion
btfsc
INTCON,INTF
;¿Interrupción por activación de la línea RB0?
call
Interrupcion_RB0
;Llama la subrutina de interrupción causada por RB0
btfsc
INTCON,T0IF
;¿Interrupción por desbordamiento del TMR0?
call
Interrupcion_TMR0
;Llama a la subrutina de atención del TMR0
Interrupcion_TMR0
movlw TMR0_Carga6micros
movwf TMR0
movlw .1
addwf
Distancia,F
movlw MaximaDistancia
btfsc
STATUS,C
movwf Distancia
bcf
INTCON,T0IF
retfie
Interrupcion_RB0
btfss
PORTB,5
goto
bcf
bsf
bcf
bcf
bcf
retfie
Drenint
PORTB,5
STATUS,RP0
INTCON,1
INTCON,4
STATUS,5
;Carga el timer0
;Incrementa en cada interrupción, = a 1mm
;En caso q se desborde para cargar máximo valor
;En caso de que se desborde el bit de acarreo
;Limpia causa de interrupción
;Si aun sigue accionado el motor, lo manda a apagar, sino quiere decir q
;es el tiempo de 8 horas
;Manda a ejecutar la interrupción 2 causada por el tiempo de 8 horas
;Manda a apagar el motor
;Acceso a banco1
;Se borra la bandera de interrupción
;Regresa a banco0
Drenint
bsf
STATUS,5
;Acceso a banco1
bcf
INTCON,1
;Se borra la bandera de interrupción
bcf
INTCON,4
bcf
STATUS,5
;Regresa a banco 0
retfie
;==================================================================
;Subrutina para escribir la direccion en el RTC previamente cargada en W
;AS=0, DS=1, RW=2 que maneja el puertoD
Direccion
bsf
STATUS,RP0
;Pone a 1 el bit 5 del STATUS. Acceso al banco 1
clrf
TRISC
;Puerto C como salida
107
bcf
bsf
call
movf
movwf
call
bcf
return
STATUS,RP0
PORTD,0
Retardo
Dir,0
PORTC
Retardo
PORTD,0
Cenidet
;Pone a 0 el bit 5 de STATUS. Acceso al banco 0
;Indica escritura de dirección activa AS
;Lath la dirección en el RTC
;Subrutina para
Rdato
call
bsf
movlw
movwf
bcf
bsf
call
bsf
call
movf
movwf
call
bcf
bcf
return
leer Un registro especificado en W
;Subrutina para
Wdato
bsf
clrf
bcf
bsf
call
movf
movwf
call
bcf
return
escribir un dato cargado en W en la dirección cargada previamente
Direccion
STATUS,RP0
b'11111111'
TRISC
STATUS,RP0
PORTD,2
Retardo
PORTD,1
Retardo
PORTC,W
Muestra
Retardo
PORTD,2
PORTD,1
STATUS,RP0
TRISC
STATUS,RP0
PORTD,1
Retardo
Escr,0
PORTC
Retardo
PORTD,1
;PORTC como entrada
;Indica escritura en el bus activa RW
;activa el RTC para su para dato activa DS
;termina ciclo de lectura
;Puerto C como salida
;Indica escritura de dirección activa DS
;Lath el dato en el RTC
;=============================================================================================
;Subrutinas de retardos
;=============================================================================================
Retardo
movlw d'35'
;valor de K
RetardoMicros
movwf R_contA
;Para el registro de conteo
Rmicros_bucle
decfsz R_contA,F
;Para ignorar el regreso, hasta que llegue a 0
goto
Rmicros_bucle
return
Retardo_15micros
movlw d'25'
RetardoMicros1
movwf R_contA
Rmicros_bucle1
decfsz R_contA,F
goto
Rmicros_bucle1
return
;valor de K
;================================================================
Retardo_50ms
movlw d'100'
Retardos_ms
movlw R_contB
R1ms_BucleExterno
movlw d'249'
movwf R_contA
R1ms_BucleInterno
nop
108
Cenidet
decfsz
goto
decfsz
goto
return
R_contA,F
R1ms_BucleInterno
R_contB,F
R1ms_BucleExterno
;=============================================================
espera20u
movlw d'40'
;valor de K
RetardoMicros2
movwf R_contA
Rmicros_bucle2
decfsz R_contA,F
goto
Rmicros_bucle2
return
;================================================================
ret_5s
movlw d'150'
Retardo_1Decima
movwf R_contC
R1Decima_bucleexterno2
movlw d'100'
movwf R_contB
R1Decima_bucleexterno
movlw d'249'
movwf R_contA
R1Decima_bucleinterno
nop
decfsz R_contA,F
goto
R1Decima_bucleinterno
decfsz R_contB,F
goto
R1Decima_bucleexterno
decfsz R_contC,F
goto
R1Decima_bucleexterno2
return
;====================================================================
ret_30s
movlw d'200'
Retardo_1Decima_
movwf R_contC
R1Decima_bucleexterno2_
movlw d'200'
movwf R_contB
R1Decima_bucleexterno_
movlw d'249'
movwf R_contA
R1Decima_bucleinterno_
nop
decfsz R_contA,F
goto
R1Decima_bucleinterno_
decfsz R_contB,F
goto
R1Decima_bucleexterno_
decfsz R_contC,F
goto
R1Decima_bucleexterno2_
return
;=======================================================================
ret_1s
movlw d'50'
Retardo_1Decim
movwf R_contC
R1Decima_bucleextern2
movlw d'100'
movwf R_contB
R1Decima_bucleextern
movlw d'249'
movwf R_contA
109
R1Decima_bucleintern
nop
decfsz R_contA,F
goto
R1Decima_bucleintern
decfsz R_contB,F
goto
R1Decima_bucleextern
decfsz R_contC,F
goto
R1Decima_bucleextern2
return
;Fin del programa
Final
END
110
Cenidet
Anexo L
Artículo técnico
IEEE 5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo
Tecnológico, 10 al 12 de octubre de 2007, Cuernavaca, Morelos,
México
Obtención de biodiesel a partir de aceite vegetal comestible. Potencial de su producción
en México
R. Longoria Ramírez, F. Torres del Carmen y A. Uribe Escalante
Av. Palmira y Apatzingán s/n, Colonia Palmira,
C.P. 62 490; Cuernavaca, Morelos, México
Tel. 01 (777) 3 62 77 70, Ext. 112
e-mail: [email protected]
Resumen: En Europa y Estados Unidos, la producción
de biodiesel derivado de aceites de origen vegetal ha
tomado un lugar estratégico, en respuesta al incremento
exagerado del precio del petróleo y a la perspectiva
mundial de agotamiento de éste en un corto plazo. En
México, ha sido poco el interés para utilizar los
recursos renovables como fuentes alternativas de
energía. Sin embargo, en este trabajo se reportan
resultados de laboratorio para la obtención de biodiesel
a partir de aceite comestible comercial producido a
partir de semillas oleaginosas (una mezcla de aceite de
maíz, colza, soya, girasol).
El proceso de producción de biodiesel involucra,
como reactivos, el aceite vegetal comestible, metanol o
etanol y sosa cáustica. La experimentación se ha
realizado tanto a temperatura ambiente (25°C) como a
temperaturas entre 55 y 60°C, obteniéndose en ambos
casos velocidades de reacción y rendimientos
aceptables de acuerdo con reportes de la literatura. Se
ha obtenido biodiesel con una densidad dentro de lo
especificado por la norma ASTM D 6751-02 (0.86 a
0.90 g/cm3).
México, un país con amplias posibilidades para la
producción de semillas oleaginosas, puede resultar
enormemente beneficiado si las actividades agrícolas se
orientan hacia el incremento de la producción de aceites
de origen vegetal, que posteriormente sea trasformado a
biodiesel. El biodiesel puede ser utilizado en mezclas
con diesel del petróleo (BX) o puro (B100),
contribuyendo a reducir las emisiones contaminantes
de monóxido de carbono, hidrocarburos totales y
partículas.
Abstract: In Europe and The United States the
production of biodiesel derived from oils of vegetable
origin has taken a strategic place, in answer to the
exaggerated petroleum price increase and the world
perspective of its exhaustion in a short term. In Mexico,
there has been little interest in using the renewable
resources as alternative sources of energy. However, in
Número de referencia: 257
111
5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico,
10 al 12 de octubre de 2007, Cuernavaca, Morelos., México
this work, laboratory results are reported on the
biodiesel obtained from eatable commercial oil
produced from oleaginous seeds (a mixture of corn,
colza, soy and sunflower oils).
The biodiesel production process involves, as
reactants, the eatable vegetable oil, methanol or
ethanol, and sodium hydroxide. The experimentation
has been carried out at room temperature (25°C) and
temperatures between 55 and 60°C, obtaining in both
cases reaction rates and yields, in agreement with
reports of the literature. Biodiesel density has been
obtained within the Norma ASTM D 6751-02
specifications (0.86 to 0.90 g/cm3).
Mexico, a country with wide possibilities for
oleaginous seeds production can be vastly beneficiary if
agricultural activities are guided towards the increment
of the production of oils of vegetable origin that later
on could be transformed to biodiesel which could be
used in mixtures with petroleum diesel (BX) or at 100%
(B100), contributing with this to reduce the pollutant
emissions of carbon monoxide, total hydrocarbons and
particles.
Palabras clave: Biodiesel, aceite vegetal de comer,
copra, higuerilla, palma de aceite, jojoba
Introducción
El incremento en los precios internacionales del
petróleo y las perspectivas de su baja disponibilidad o
de agotamiento entre los próximos 50 o 100 años, hace
necesaria la búsqueda constante de fuentes alternas de
energéticos. De la misma forma, la degradación de la
calidad de vida en las grandes ciudades industriales, a
causa de los altos índices de contaminación alcanzados
en la biosfera y en la atmósfera de nuestro planeta, ha
impulsado la búsqueda constante de combustibles
amigables con el Medio Ambiente.
La Secretaría de Energía reporta que el consumo de
diesel derivado del petróleo aportó en el año 2005, al
consumo nacional de energía, 534.341 PJouls (1 PJoul=
1015 Jouls) dentro de los sectores de transporte,
industrial y residencial. Si se considera un poder
calorífico medio para el diesel del petróleo de 34 322
112
kJ/L y se toma en cuenta que tan sólo en el sector
trasporte se consumieron 490.377 PJ, se encuentra que
durante ese año se consumieron en el país 14 287
millones de litros diesel del petróleo (aproximadamente
39 millones de litros diarios) [1].
Este combustible ha demostrado sus bondades en
Alemania, Francia, Italia, Estados Unidos y otros
países, así mismo, se han realizado trabajos de
investigación sobre su producción, utilización y
almacenamiento en por lo menos veintiocho países
alrededor del mundo [3,7]. Sin embargo, para que la
economía de producción del biodiesel sea competitiva
con la del petrodiesel (diesel derivado del petróleo), se
requiere de incentivos gubernamentales y fiscales.
El biodiesel se obtiene de fuentes renovables, no es
tóxico, es biodegradable, seguro de manejar y
almacenar, de aroma agradable y alarga la vida del
motor [3,7,9]. Sus buenas cualidades son un fuerte
incentivo para impulsar crecientemente su uso, ya que
su producción a escala industrial no crearía una
dependencia tecnológica, generaría nuevas fuentes de
trabajo y promovería el desarrollo agroindustrial.
Definiendo, según la Norma ASTM D 6751-02
(American Standards for Testing and Materials), el
biodiesel está constituido por ésteres monoalquílicos de
ácidos grasos de cadena larga, derivados de lípidos
renovables, tales como, aceites vegetales o grasas de
origen animal. Este compuesto puede ser empleado en
motores de ignición a compresión (motores diesel) o en
calderas de calefacción [7,11].
Abundando sobre las ventajas que representa
introducir la producción y uso de biodiesel en México,
se debe tomar en cuenta lo siguiente:
•
•
•
Dejar de depender, en forma parcial, del
combustible fósil no renovable, es decir, del
petróleo.
Aprovechar las condiciones agrícolas favorables
de nuestro país para la producción de aceites
vegetales, y convertirlos en biodiesel.
Favorecer a la economía de la gente del campo,
generando más empleos.
•
•
Situarnos junto a otros países que están a la
vanguardia respecto a la producción de
combustibles de origen vegetal.
Reducir los volúmenes de gases y residuos
contaminantes, ya que, el biodiesel es
biodegradable y menos contaminante a partir de
la combustión; si se compara con el diesel del
petróleo.
Respecto al impacto de las emisiones contaminantes
en los gases de combustión, el biodiesel presenta
importantes reducciones, tanto si es usado en una
mezcla con petrodiesel en proporción del 20% (B20) o
biodiesel al 100% (B100), excepto por las emisiones de
óxidos de nitrógeno, donde compite en desventaja con
el petrodiesel, como se indica en la tabla siguiente [4].
Tabla 1: Emisiones promedio del biodiesel comparadas con las del
petrodiesel
TIPO DE EMISION REGULADAS B 100 B 20
Hidrocarburos Totales
-67% -20%
Monóxido de Carbono
-48% -12%
Partículas
-47% -12%
NOX
10%
2%
Los derrames de este combustible en ríos y mares
resultan mucho menos contaminantes ya que es
fácilmente biodegradable, se degrada biológicamente el
85% en sólo 4 semanas. Debido a lo anterior, el
biodiesel es ideal para emplearse en motores de barcos
y lanchas y transportes en parques nacionales, bosques
y, sobre todo, en las grandes ciudades [3].
Producción de aceites de origen vegetal en México
Para los países tropicales, la palma de aceite (Elaeis
guineensis Jacq) representa una alternativa de excelente
perspectivas para el futuro, respecto a la producción de
aceite vegetal.
México registra 43 mil hectáreas cultivadas con
palma de aceite, entre las que están en proceso
productivo, en desarrollo y en proceso de plantación.
Esta superficie se encuentra repartida en los estados de
Chiapas, Veracruz, Tabasco, Oaxaca, Campeche,
Quintana Roo y Guerrero. En promedio, los
productores tienen extensiones cultivadas de cuatro
hectáreas, aunque hay también propietarios que posee
entre 50 y 100 hectáreas.
La palma de aceite es la segunda fuente de aceite
vegetal después de la soya, con la diferencia de que esta
última sólo produce 350 kilogramos por ciclo, mientras
que con la palma es posible obtener más de cuatro
toneladas por hectárea al año [10].
La higuerilla (Ricinos conmunis) es una hierba
erecta, robusta; a menudo parecida a un árbol de 2 a 5
m de alto. Su Aceite se utiliza en la industria de
motores altamente revolucionados, en la producción de
pinturas, lacas, barnices, plásticos, fertilizantes, para
uso antiparasitario en humanos,
recubrimientos,
fungicidas, champú y cosméticos.
El aceite de ricino está contemplado para ser usado
como combustible en motores diesel. En las regiones de
Tierra Caliente y el Bajío se tiene proyectado el cultivo
de 12 mil hectáreas con esta planta.
La siembra de este arbusto, y la producción de
aceite a partir de la semilla de esta planta, representan
una alternativa para combatir la pobreza en zonas de
alta marginación con la generación de empleos, ya que
se requiere de mano de obra permanente en las zonas
de cultivo.
La palma de coco (cocos nucifera), según la tabla
2, es la segunda en rendimiento de aceite por hectárea,
después de la palma de aceite. El aceite de coco es una
grasa saturada lo que fue utilizado por compañías
productoras de aceites insaturados para hacer
propaganda en contra, argumentando que las grasas
saturadas eran perjudiciales a la salud. Esta propaganda
pudo haber sido la razón por la que, en México el aceite
de coco ha sufrido una considerable disminución en su
producción (la copra en general) [8].
113
Tabla 2: Rendimiento de kg de aceite por hectárea de planta
sembrada
Tabla 3: Producción nacional de aceites comestibles
PLANTA Kg. DE ACEITE/ HECTÁREA
(toneladas)
Aceite de
Soya
(toneladas)
Aceite de
Naboa y/o
Canola
(toneladas)
Otros
aceites
comestibles
(toneladas)
Aceite de Girasol
Año
Maíz
145
Algodón
273
2000
226 332
318 827
137 311
427 890
Cáñamo
305
2001
229 526
323 559
139 835
385 572
Soya
375
2002
190 064
300 953
132 557
419 730
2003
207 346
246 625
114 147
437 410
Linaza
402
2004
226 027
206 530
144 495
432 544
Mostaza
481
2005
206 711
125 537
153 437
471 748
Girasol
800
Cacahuate
890
Colza
1000
Ricino
1188
Jojoba
1528
Coco
2260
Palma
5000
Materiales y métodos
México importa 85% del aceite de origen vegetal
que consume (principalmente de soya), con un valor
cercano a mil millones de dólares al año [5].
Entre los años del 2000 al 2005, la producción
nacional de aceite de origen vegetal se mantuvo
aproximadamente en el mismo nivel, a excepción del
derivado de soya, el cual a partir del 2002 empezó a
mostrar una drástica disminución, como se puede
observar en la tabla 3, integrada con datos del INEGI
[2].
114
Materiales
Este trabajo de experimentación para la obtención de
biodiesel se realizó a partir de aceite vegetal de comer
que se expende en centros comerciales, compuesto de
una mezcla de diferentes aceites; el aceite que usamos
en la experimentación está refinado, es decir que no
contiene lecitina, sustancia que se encuentra en los
aceites vegetales no refinados. El biodiesel que se
obtiene a partir de aceites refinados, es menos propenso
a la degradación [9].
Las grasas de origen animal y los aceites de origen
vegetal, también llamados triglicéridos, son ésteres que
resultan de la reacción del glicerol con tres moléculas
de ácidos grasos. Su fórmula general puede ser CH2
(OOR1) CH (OOR2) CH2 (OOR3), donde R1, R2 y R3
pueden ser de diferente longitud de cadena [9].
Los tres ácidos grasos, típicamente son insaturados
de 16 a 18 átomos de carbono. Si el ácido graso es
saturado se denomina esteárico, si tiene un doble enlace
(posición 9 y 10) se denomina oleico y si tiene dos
dobles enlaces en las posiciones 9 y 10 y, 12 y 13, se
denomina linoleico.
pudiendo decantar la glicerina por la parte del
fondo del recipiente. El biodiesel obtenido puede
ser trasferido a otro recipiente para realizarle un
lavado, lo cual permitirá su almacenamiento con
pocas posibilidades de degradación en un tiempo
dado [7]. Además, se mide su densidad y pH.
Otra clasificación de los ácidos grasos insaturados
son los omega-6 y los omega -3, dependiendo en qué
lugar se encuentra el doble enlace empezando a contar
de derecha a izquierda. Por ejemplo el aceite de canola
contiene ambos tipos de aceites insaturados en una
relación de 2 a 1.
4.
Métodos
Para el lavado del biodiesel hemos implementado
un procedimiento consistente en los siguientes
pasos:
a)
La transesterificación, es la trasformación de un tipo de
éster en otro tipo de éster y en donde la viscosidad de
los aceites es drásticamente reducida, haciendo esta
propiedad muy semejante a la del diesel del petróleo
[6]. La reacción de esterificación puede llevarse a cabo
a temperatura ambiente (25-28 °C), con una relación
volumétrica de metanol a aceite de 1:5 y 4.37 g de
hidróxido de sodio por litro de aceite. En el caso de
utilizar etanol, la relación de aceite a alcohol se
incrementa a 1:7.5, así como la cantidad de hidróxido
de sodio aumentaría a 5.0 gramos por litro de aceite [7].
En términos generales se siguió el procedimiento
que se enumera en seguida, para llevar a cabo cada uno
de los experimentos, independientemente de que, de
acuerdo con el diseño experimental, se variaran o la
cantidad de sosa o la temperatura.
1.
Se trasfiere a un recipiente el volumen de metanol
proporcional al volumen de aceite que se vaya a
transesterificar, se agrega la proporción necesaria
de hidróxido de sodio al alcohol, se agita por el
tiempo necesario hasta que se disuelva la sosa
(reacción
exotérmica)
evitando
producir
salpicadura sobre la piel o el rostro y guardando los
cuidados o precauciones recomendadas para el
manejo de material corrosivo, ya que el hidróxido
de sodio tiene esta característica [7]. A la mezcla
de metanol-sosa, se le conoce como metóxido.
2.
En otro recipiente de mayor volumen, se transfiere
el volumen de aceite a transesterificar, se agita y se
le añade lentamente el volumen preparado de
metóxido, manteniendo la agitación por treinta
minutos.
3.
Se detiene la agitación y se deja reposar por el
tiempo necesario para que la mezcla obtenida de
biodiesel y glicerina se separe en dos fases,
Se obtienen el volumen y el pH del biodiesel
que se desee lavar.
b) Se mide un volumen de agua potable igual al
de biodiesel y se mide su pH.
c) A este volumen de agua se le agrega vinagre
para ajustarle el pH a un valor que, al ser
restado del pH original del agua, sea igual a la
diferencia obtenida entre la lectura de pH del
biodiesel menos 7. Ejemplo, si el pH del
biodiesel sea 8.5, implica que el agua
mezclada con vinagre sea de un pH 5.5
d) Se mezclan los volúmenes de agua y de
biodiesel, se agitan por 5 minutos y se dejan
reposar hasta que se obtenga una efectiva
separación de las fases.
e) Se decanta la fase acuosa dejando la fase
orgánica correspondiente al biodiesel libre de
sosa.
Diseño de experimento
El diseño experimental se hizo en base a mantener fijas
los volúmenes de aceite vegetal y de alcohol, variar las
cantidades de sosa cáustica de 1.5 a 0.7 gramos, la
temperatura se varió de temperatura ambiente
(aproximadamente 25 °C) a temperaturas de 60°C o
más (esto último cuando se contó con condensador de
metanol); y se midió, como variable dependiente, el
volumen de biodiesel o de glicerina. Cabe hacer la
observación que los intervalos de variación de las
variables independientes fueron escogidos de acuerdo
con información obtenida de la literatura, ya que en ella
se reportan diferentes propuestas para producción de
biodiesel.
115
La optimización de los resultados se hizo
considerando la menor cantidad de hidróxido de sodio
usado (0.875 g) a partir de la obtención de volúmenes
equivalentes de biodiesel (201 ml). Por ejemplo: con
0.7 g de sosa no se da la reacción pero con 1.0 y 1.2 g,
se obtienen volúmenes de biodiesel de 203 y 201,
respectivamente, todo ello a una misma temperatura.
Resultados
Tabla 4: Pruebas usando aceite de cocina y metanol, a temperatura
ambiente
Producto obtenido
Densi
dad
biodie
sel
pH
biod
-
-
-
Amb
200
16
*
n/d
“
0.7
-
-
-
-
“
40
1.2
201
24
*
11.1
“
200
40
1
203
23
*
-
“
200
40
0.875
201
21
0.875
12.3
“
Aceit
Cocia
Alcohol
Metanol
Catalizad
or Sosa
(ml)
(ml)
(g)
Biodiesel
(ml)
Glicerina
(ml)
1
200
40
2.0
-
2
200
40
1.5
4
200
40
5
200
7
10
Prueb
a
Tem
p
Aceite
Cocina
Alcohol
Metanol
Catalizador
Sosa
Catalizador
Sosa
(g)
(ml)
Producto
obtenido
Dens
Biod(ml)
Glic
(ml)
biod
pH
biod
Temp
Glicerina
(ml)
Densidad
biodiesel
pH
biod
Temp
°C
(ml)
(g)
14
200
40
0.875
206
21
0.87
-
55 –
60
22
200
40
1
Si
Si
ND
-
80
24
200
1 GR
Si
Si
ND
-
80
GR. Grado reactivo
ND. No determinado. En el caso de la densidad, por no tener volumen
suficiente.
200
40
1
-
-
-
-
Amb
12
200
60
1
207
35
*
8.9
“
13
133
40
1
138
25
0.875
9.3
“
16
200
60
0.875
-
-
-
-
Amb
20
200
60
1
220
28
*
8.6
Amb
36
50
15
0.25
55
7
*
-
Amb
Discusión
Los resultados mostrados en la tablas 4, 5 y 6 son
representativos de la variación de las variables
independientes según se detalla en el diseño
experimental.
Las pruebas 22 y 24 se llevaron a cabo con
condensador y reflujo ya que el metanol hierve, a
presión atmosférica, a 64.5 °C.
De acuerdo con los resultados, cuantificando el
porcentaje de glicerina obtenida, el rendimiento
aparente de la reacción de esterificación fue 95 a 98 %,
siendo este último valor el reportado en la literatura
[11], sin embargo se está en proceso de ser determinado
el
rendimiento
cuantitativamente
mediante
cromatografía de gases, lo cual nos dará un resultado
más preciso.
La cantidad óptima de reactivos para la
esterificación de aceite de cocina fue: sosa 0.875 g, y la
de metanol, 40 ml, para 200 ml de aceite de cocina.
Si la esterificación se va a realizar con etanol y
sosa, el volumen de etanol es requerido incrementarlo
116
°C
11
Producto obtenido
(ml)
40
(ml)
Alcohol
Metanol
La densidad del biodiesel obtenido en nuestro
laboratorio se mantuvo entre el rango que señala la
Norma ASTM D 6751-02, mostrada en la tabla 7.
Biodiesel
(ml)
•
•
Prueba
Aceite
Cocina
°C
Tabla 5: Pruebas empleando aceite de cocina y metanol a alta
temperatura
Prueba
Tabla 6: Experimentos usando aceite de cocina y etanol a
temperatura ambiente
en un 50% respecto al de metanol y la sosa se
incrementa en un 14% respecto a la esterificación
realizada con metanol.
Tabla 7: Especificaciones del biodiesel ASTM D 6751-02 [6]
Propiedad
Punto de ignición
Agua y sedimentos
Residuo Carbónico (muestra 100%)
Método ASTM
Valor
Unidad
D93
100.0 mín.
°C
D1796
0.050 máx.
vol. %
D4530 *
0.050 máx. % en peso
Ceniza Sulfatada
D874
0.020 max. % en peso
Viscosidad ( 40 °C )
D445
1.9-6.0
Cst
Densidad especifica
D1298
0.86 – 0.90
g/cm3
Azufre
D2622
Número de Cetano
D613
47 mín.
Punto de Enturbiamiento
D2500
por cliente
Número de Ácido
D664
0.80 máx. mg KOH/g
Glicerina Libre
G.C. **
Glicerina total
G.C. **
°C
* O el método de prueba equivalente de la ASTM.
** Actualización Australiana del método de prueba USDA (Departamento de Agricultura de
Estados Unidos)
Conclusiones
Dado que la materia prima principal es el aceite vegetal,
el biodiesel se convierte en un factor sobresaliente para
promover el desarrollo regional en México. Los aceites
vegetales que pueden emplearse son muy variados, de
tal forma que, dependiendo del lugar de producción que
se seleccione, puede encontrarse el cultivo idóneo para
el clima específico de la localidad, desde la jojoba para
climas desérticos hasta el aceite de coco y palma para
los climas tropicales.
Nuestro país es apto para la generación de
biodiesel, ya que cuenta con la superficie y las
condiciones para producir aceite vegetal, del cual se
puede generar biodiesel.
Es previsible que al incrementar significativamente
el consumo de biodiesel, la escala de producción de las
plantas se incremente, con lo que los costos fijos de
depreciación y retorno de capital por unidad de masa
disminuirán. De igual manera, el costo del aceite
vegetal producido en forma masiva podría disminuir
apreciablemente, lo que acercará los costos de
producción de ambos tipos de combustible.
El precio internacional del petróleo es un factor
determinante que impacta en el precio del diesel
derivado de él, y con ello la comparación económica
entre el biodiesel y diesel del petróleo.
No obstante la desventaja económica del biodiesel,
todavía es una opción que debe considerarse en función
de su gran cantidad de ventajas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Libre de contaminación-No contiene azufre.
Lubricante-duplica la vida del motor.
Producción
simple-No
hay
dependencia
tecnológica.
Promueve el desarrollo agroindustrial. Importante
para nuestro país.
Es biodegradable.
Materia prima renovable. Contribuye al desarrollo
sustentable.
Alto punto de inflamación. Seguridad en el manejo.
No genera dependencia energética. Planeación
estratégica segura.
Con este trabajo, se ha demostrado que es posible
obtener biodiesel a partir de aceite de origen vegetal
comestible. Los resultados han sido favorables tanto a
temperatura ambiente (25°C) como a temperatura entre
los 55 y 60°C.
Referencias
[1]
Balance de Energía 2005, Secretaría de Energía,
México
117
[2]
Instituto Nacional de Estadística, Geografía e
Informática (INEGI).311701 fabricación de
aceites y grasas comestibles.
[3]
R. J. Larosa, “Proceso Para la Producción de
Biodiesel,” (Mayo, 2006) [En linea]. Disponible:
http://www.biodieseluruguay.com/articulos/Biod-rev2.pdf
[4]
O. Probst, “El biodiesel como alternativa limpia
y renovable para el transporte,” Energía, No. 56,
Instituto Tecnológico de Monterrey.
[5]
Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,
Agrícolas y Pecuarias (INIFAP)
[6]
W. H. Kemp, “Biodiesel: basics an beyond. A
comprehensive Guide to Production and Use for
the home and Farm,” Aztext Press, 2006.
[7]
J. Tickell, K. Roman, “From the fryer to the fuel
tank. The complete guide to using vegetable oil
as an alternative fuel,” third edition.
[8]
La copra, su importancia y comercialización en
México. Claridades Agropecuarias. 95, pp. 3-24.
(Mayo, 2006). [En línea]. Disponible:
http://www.infoaserca.gob.mx/claridades/revista
s/095/ca095.pdf#page=1
[9]
J. Gerpen, B. Shanks, R. Pruszko, D. Clements
and G. Knothe, “Biodiesel Production
Technology,” National Renewable Energy
Laboratory (Agosto 2002 – Enero 2004).
[10]
http://iqtaniagarciaherrera.iespana.es/iqtaniaga
rciaherrera/aceites/aceite.htm?4& weborama=1#Contenido#Contenido
[11]
L.C. Meher, D. Vidya Sagar and S.N. Naik,
“Technical Aspects of Biodiesel Production by
Transesterification—A review,” Centre for Rural
Development and Technology, Indian Institute of
Technology Delhi, New Delhi, India. September
2004.
118