Diseño de un reactor para la producción de biodiésel con base en las propiedades fisicoquímicas de la reacción de transesterificación

Abstract

RESUMEN: Este trabajo describe la producción de biodiesel por medio de la reacción de transesterificación utilizando hidróxido de sodio (NaOH) como catalizador homogéneo y como materias primas de la reacción se utilizaron aceite de cocina usado (recolectado de la cafetería de UPIITA-IPN) y metanol grado reactivo. Se estudiaron los parámetros que afectan la reacción de transesterificación a escala de nivel laboratorio. Asimismo, se analizaron las variables que deben controlarse para escalar el proceso a nivel de planta piloto. Los parámetros fueron la relación molar metanol-aceite de 5: 1 y la concentración de NaOH de 0.5% en peso. La temperatura y la agitación fueron las principales variables a modificar cuando el proceso se escaló. La temperatura se varió entre 45 °C y 60 °C, asimismo la agitación de la mezcla de reacción también se estudió en dos niveles a 300 RPM con agitación magnética y 600 RPM con agitación mecánica. El aceite y los productos de reacción se caracterizaron por espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier, resonancia magnética nuclear del protón, ionización por electrospray y el perfil de viscosidad y densidad. Esto permitió determinar las condiciones de reacción óptimas para llevar a cabo el escalamiento del proceso. El mayor rendimiento de biodiesel fue del 98,94% y se obtuvo a una temperatura de reacción de 45 °C y agitación mecánica a 600 RPM. Con la información experimental encontrada, se propuso el diseño de un reactor de lotes a escala piloto, para el cual se dimensionaron cada una de las partes que conforman al reactor, considerando una producción de biodiesel de 1000 litros por lote. El diámetro interior fue el parámetro más importante para dimensionar el reactor, ya que está directamente relacionado con la geometría de las turbinas y el tipo de fondo del tanque. Se propuso una geometría del fondo del reactor torisférico para mantener una agitación homogénea de la mezcla de reacción, favoreciendo el contacto entre las especies lo que permite alcanzar altos rendimientos de biodiesel. Las dimensiones de las turbinas del sistema de agitación y las posiciones de aquellas para lograr una agitación óptima también se calcularon con el diámetro del tanque. Los cálculos del espesor del reactor se validaron realizando un análisis de esfuerzo y deformación por medio de SolidWorks Simulation. Por otro lado, la agitación de la mezcla de reacción se validó con un análisis computacional de la dinámica de fluidos con SolidWorks Flow Simulation. La novedad del trabajo consistió en el diseño conceptual de un reactor por lotes para la producción de biodiesel a escala de planta piloto a partir de información de laboratorio con base en el código ASME, sección VIII, división 1. ABSTRACT: This work describes the production of biodiesel by means of the transesterification reaction using sodium hydroxide (NaOH) as homogeneous catalyst and as raw materials cooking oil (collected from the UPIITA-IPN coffee shop) as well as methanol were used. We studied the parameters that affect the transesterification reaction on a laboratory scale and the variables that must be controlled when scaling the process at the pilot plant level. These parameters were methanol-oil molar ratio of 5: 1 and NaOH concentration of 0.5 wt%. Temperature and stirring are the main variables when the process is scaled-up. The temperature was varied at 45 °C and 60 °C also the stirring of the reaction mixture was studied in two levels (300 RPM with magnetic stirring and 600 RPM with mechanical stirring). The oil and the reaction products were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance, electrospray ionization and the viscosity and density profile were also obtained. To determine the optimal reaction conditions, the scaling-up of the process was carried out. The highest yield of biodiesel was 98.94% and it was obtained at a reaction temperature of 45 °C and mechanical stirring at 600 RPM. With the experimental information found, the design of a pilot-scale batch reactor was proposed. The parts of reactor were sized, considering a biodiesel production of 1000 liter per batch. The inner diameter was the most important parameter to size the reactor since it is directly related to the geometry of the turbines and the type of bottom of the tank. A geometry of the bottom of the torispheric reactor was proposed to maintain a homogeneous agitation of the reaction mixture, favoring the contact between the species which allows to reach high biodiesel yields. The dimensions of the turbines of the stirring system and the positions of those to achieve optimum stirring were also calculated with the diameter of the tank. The calculations of the thickness of the reactor were verified by performing a stress-strain analysis and the stirring of the reaction mixture was validated with a computational analysis of fluid dynamics. The novelty of this work consisted of the conceptual design of a Batch reactor for the biodiesel production at pilot plant scale from laboratory level information in agreement with the ASME code section VIII division 1.