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Curso de doctorado: “ Aplicaciones energéticas de la Biomasa” B IODIESEL G ASIFICACIÓN   DE LA   B IOMASA Departamento de ...
BIODIESEL 1. Introducción:  Definición, especificaciones y aspectos socioeconómicos y medioambientales. 2. Materias primas...
1. INTRODUCCIÓN:  Definición, especificaciones y aspectos socioeconómicos y medioambientales. “ Biocombustible sintético l...
 
<ul><li>países en vías de desarrollo:  </li></ul><ul><ul><li>objeto de  debate  entre los especialistas y los diferentes a...
efecto de competencia entre la producción de comida y la de biocombustibles:  Argentina, México. </li></ul></ul><ul><li>co...
2. MATERIAS PRIMAS   “ triglicéridos  “ Aceites vegetales convencionales:   Aceite de girasol  (España),  aceite de colza...
3. REACCIONES Transesterificación (o alcohólisis) de triglicéridos:    reacción de triglicéridos (de entre C15 y C23)   ...
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Variables que afectan a la transesterificación   <ul><li>Acidez y humedad:  los aceites y grasas deben tener un valor de á...
Tipos y concentración del catalizador :  si el aceite de partida tiene un elevado contenido de ácidos grasos y elevada hum...
Relación molar alcohol/aceite y tipo de alcohol :   La conversión máxima se alcanza con una relación alcohol aceite de 6:1...
Tiempo de reacción y temperatura :   (Freedman, 1984) indican transesterificación de aceite de cacahuete, semilla de algod...
4. PROCESOS INDUSTRIALES <ul><li>proceso químico central:   </li></ul>“ transesterificación de los triglicéridos en tres e...
4.1.  Proceso Discontínuo <ul><li>reactores de carga  (Batch), sellados o equipados con un condensador de reflujo, y agita...
proporción alcohol triglicérido  está en 4:1.
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Habitualmente se usa NaOH como  catalizador,  y también KOH, de entre 0,3% y 1,5%.
Resultados de entre el 85% y 94% de  conversión.   Este rendimiento puede aumentarse llevando a cabo la reacción en dos et...
El  tiempo de reacción  suele ser de entre 20 minutos a 1 hora. </li></ul>
4.2.  Proceso Contínuo:   <ul><li>reactores contínuos de tipo tanque agitado  (CSTR: Continuos Stirred Tank Reactor) mayor...
Con decantación intermedia del glicerol: la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, llegando fácilmente al 98% de...
Una forma de intensificar la mezcla para favorecerla reacción de esterificación es utilizar  reactores de flujo de pistón ...
4.3.  Proceso de Esterificación:   <ul><li>aceites o grasas con cierto grado de acidez  debido a la presencia de ácidos gr...
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Biodiesel y gasificación

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Aprovechamiento energétido de la Biomasa: características y procesos de fabricación del biodiesel, gasificación

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  1. 1. Curso de doctorado: “ Aplicaciones energéticas de la Biomasa” B IODIESEL G ASIFICACIÓN DE LA B IOMASA Departamento de Ingeniería Química Universidad de Extremadura José Félix García Zapata Badajoz, Septiembre 2.007
  2. 2. BIODIESEL 1. Introducción: Definición, especificaciones y aspectos socioeconómicos y medioambientales. 2. Materias primas 3. Reacciones 4. Procesos industriales 5. Aplicaciones 6. Algunas notas sobre la industria del Biodiésel en España y Europa. Situación en Extremadura.
  3. 3. 1. INTRODUCCIÓN: Definición, especificaciones y aspectos socioeconómicos y medioambientales. “ Biocombustible sintético líquido compuesto de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, empleados en los motores de ignición de compresión”. ASTM (American Society for Testing and Material Standard) <ul><li>mezcla diferentes proporciones con el gasóleo para su uso en motores: B100, B30, B10, B5. </li></ul><ul><li>Legislación: EN 14214 , Real Decreto 1700/2003 </li></ul>
  4. 5. <ul><li>países en vías de desarrollo: </li></ul><ul><ul><li>objeto de debate entre los especialistas y los diferentes agentes sociales y gubernamentales: IMPACTO MEDIAMBIENTAL…
  5. 6. efecto de competencia entre la producción de comida y la de biocombustibles: Argentina, México. </li></ul></ul><ul><li>contexto europeo: desarrollo del mercado de biocarburantes  - creación de empleo en el sector primario </li></ul>- la fijación de la población en el ámbito rural - el desarrollo industrial y de actividades agrícolas - reducción de los efectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energéticos.
  6. 7. 2. MATERIAS PRIMAS  “ triglicéridos “ Aceites vegetales convencionales: Aceite de girasol (España), aceite de colza (norte de Europa), aceite de soja (Estados Unidos), aceite de coco (Filipinas) y aceite de palma (Malasia e Indonesia). Aceites vegetales alternativos: Aceite de Brassica carinata,, aceite de Camelina sativa, aceite de Crambe abyssinica, y aceite de Jatropha curcas. Aceites de semillas modificadas genéticamente: modificaciones genéticas han hecho posible reducir el elevado número de insaturaciones, obteniendo el aceite de girasol de alto oleico. Aceites de fritura usados: grandes dificultades logísticas, por su recogida, control y trazabilidad Aceites de otras fuentes: aceites de producciones microbianas, y aceites de microalgas. Grasas animales: el sebo de vaca y sebo de búfalo se han utilizado,
  7. 8. 3. REACCIONES Transesterificación (o alcohólisis) de triglicéridos:  reacción de triglicéridos (de entre C15 y C23)  con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol)  en presencia de un catalizador,  para producir ésteres y glicerina (propanotriol o glicerol).
  8. 9. <ul><li>La reacción de transesterificación tiene lugar en tres etapas consecutivas y reversibles: </li></ul><ul><li>formación de glicerina (propanotriol o glicerol): desplazamiento del equilibrio hacia la derecha, por ser inmiscible con los ésteres metílicos
  9. 10. catalizador más utilizado es del tipo homogéneo básico (KOH, NaOH,MetONa, MetOK) . Precaución : glicéridos (aceites) y alcohol que sean anhidros (contenido inferior al 0,06 % v/v de humedad). </li></ul>
  10. 11. Variables que afectan a la transesterificación <ul><li>Acidez y humedad: los aceites y grasas deben tener un valor de ácidos grasos libres (FFA) inferior al 3% y la presencia de humedad disminuye el rendimiento de la reacción por saponificación. Muchos aceites de bajo costo y grasas animales, con un elevado contenido en ácidos grasos libres, podrían ser utilizados si previamente se trataran con un catalizador ácido para convertir los ácidos grasos libres en esteres metílicos.
  11. 12. Tipos y concentración del catalizador : si el aceite de partida tiene un elevado contenido de ácidos grasos y elevada humedad se deberán emplear catalizadores ácidos (H2SO4, HCl, H3PO4, R-SO3 ). En caso contrario, los catalizadores más usados son KOH o NaOH en concentraciones que van de 0,4 a 2 % v/v de aceite.
  12. 13. Relación molar alcohol/aceite y tipo de alcohol : La conversión máxima se alcanza con una relación alcohol aceite de 6:1. Para proporciones superiores de alcohol se tendrían problemas en la separación de la glicerina debido al incremento de su solubilidad .
  13. 14. Tiempo de reacción y temperatura : (Freedman, 1984) indican transesterificación de aceite de cacahuete, semilla de algodón, girasol y soja, con metanol (6:1), catalizador metóxido sódico al 0,5 % a 60 ºC, después de 1 minuto el rendimiento era del 80% para la soja y el girasol, y después de una hora la conversión era del 93% para los cuatro aceites. </li></ul>
  14. 15. 4. PROCESOS INDUSTRIALES <ul><li>proceso químico central: </li></ul>“ transesterificación de los triglicéridos en tres etapas “ <ul><ul><ul><ul><li>REACTOR </li></ul></ul></ul></ul><ul><li>etapas de separación, estabilización y purificación. </li></ul><ul><li>PROCESO CONTÍNUO </li></ul> vs. PROCESO DISCONTÍNUO
  15. 16. 4.1. Proceso Discontínuo <ul><li>reactores de carga (Batch), sellados o equipados con un condensador de reflujo, y agitados.
  16. 17. proporción alcohol triglicérido está en 4:1.
  17. 18. temperatura de operación más habitual es de 65 ºC.
  18. 19. Habitualmente se usa NaOH como catalizador, y también KOH, de entre 0,3% y 1,5%.
  19. 20. Resultados de entre el 85% y 94% de conversión. Este rendimiento puede aumentarse llevando a cabo la reacción en dos etapas, con eliminación de la glicerina entre ellas.
  20. 21. El tiempo de reacción suele ser de entre 20 minutos a 1 hora. </li></ul>
  21. 22. 4.2. Proceso Contínuo: <ul><li>reactores contínuos de tipo tanque agitado (CSTR: Continuos Stirred Tank Reactor) mayores tiempos de residencia logran aumentar el rendimiento de la reacción.
  22. 23. Con decantación intermedia del glicerol: la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, llegando fácilmente al 98% de rendimiento.
  23. 24. Una forma de intensificar la mezcla para favorecerla reacción de esterificación es utilizar reactores de flujo de pistón (PFR: Plug Flow Reactor) </li></ul>
  24. 25. 4.3. Proceso de Esterificación: <ul><li>aceites o grasas con cierto grado de acidez debido a la presencia de ácidos grasos libres, se debe optar por la reacción de esterificación con superácidos , para después realizar la transesterificación en un reactor posterior .
  25. 26. Proceso: calentamiento de una mezcla de alcohol y del ácido graso correspondiente con el catalizador ácido, que suele ser ácido sulfúrico, que además absorbe parte del agua producida. </li></ul>
  26. 27. 4.4. Proceso combinado Esterificación-Transesterificación: - refina los ácidos grasos de la alimentación en un tratamiento diferenciado previo de esterificación con catálisis ácida, para posteriormente añadir catalizadores cáusticos a los aceites refinados y secados, para realizar la transestericación , separando el producto final mediante centrifugación (Caustic Stripping). - En este proceso se podrían aprovechar los ácidos grasos obtenidos como subproductos para alimentar un reactor anexo de esterificación.
  27. 28. 4.5. Proceso en condiciones supercríticas - En ciertas condiciones de presión y temperatura necesarias no es necesaria la presencia de catalizador. <ul><li>condiciones supercríticas: </li></ul>alcohol:aceite (42:1), 350ºC a 400ºC presión superior a 80 atm  la reacción de completa en 4 minutos. <ul><li>los costes de instalación y operación hace que el escalado de estas instalaciones a nivel industrial sea todavía difícil. </li></ul>
  28. 29. 5. APLICACIONES <ul><li>El biodiesel puede ser mezclado con el gasoil en cualquier proporción y ser usado en los vehículos diésel convencionales, además de sustituir al gasóleo C de calefacción, y limpiar vertidos de hidrocarburos. Los ésteres metílicos son también intermedios en la síntesis de muchos productos utilizados en química fina.
  29. 30. ventajas que ofrece la utilización del BDP10 frente al gasóleo convencional son: </li></ul><ul><ul><li>Ventajas medioambientales: se reducen las emisiones de CO, partículas, hidrocarburos, CO2 y óxidos de azufre. Es biodegradable (98,3% en 21 días). No es tóxico.
  30. 31. Ventajas técnicas: mayor lubricidad (alarga la vida del motor y reduce el ruido), mayor poder disolvente (no deja que la carbonilla obstruya los conductos, manteniendo limpio el motor). </li></ul></ul><ul><li>inconvenientes técnicos pueden resumirse en: </li></ul><ul><ul><li>Punto de congelación del biodiésel puro entre 0ºC y -5ºC: con la mezcla BDP10 baja la temperatura de congelación adecuándose a la norma española para el periodo de invierno.
  31. 32. La primera vez que se utiliza BDP10 puede implicar que haya que cambiar los filtros antes de lo normal, por su gran poder disolvente. </li></ul></ul>
  32. 33. 6. Datos sobre la Industria del Biodiésel <ul><li>sector del transporte es, de entre todos los sectores de actividad, el que presenta un futuro más problemático en un futuro próximo debido a su dependencia casi exclusiva (98%) del petróleo
  33. 34. Plan de Energías Renovables (PER) 2.005. En dicho plan se fija como objetivo el valor del 12 % de contribución de las energías renovables para el 2.010, de los que el 5,75 % deberán ser biocombustibles para el transporte, lo que supone multiplicar casi por diez la producción (de 2.005). </li></ul>
  34. 36. EXTREMADURA: 4 estaciones de servicio (128 en toda España, 1.800 sólo en Alemania) <ul><li>“ Bioenergética Extremeña 2020, S.L.” , Valdetorres . Capacidad de producción anual de esta planta es de 250.000 toneladas.
  35. 37. “ Green Fuel Corporation” . Los Santos de Maimona (Badajoz) . 35.000 toneladas de producto anuales. </li></ul>
  36. 38. GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA 1. Introducción. 2. Proceso de Gasificación. Características del gas obtenido. 3. Tipos de Gasificadotes. Ejemplo de instalación.
  37. 39. 1. INTRODUCCIÓN La gasificación es un proceso en el que un sólido se convierte mayoritariamente en gas por la acción del calor y de un agente gasificante (aire, O2, H2O) en una atmósfera reductora (en defecto de oxígeno), obteniendo un gas combustible que contiene principalmente monóxido de carbono e hidrógeno . <ul><li>Se denomina gas pobre si ha sido obtenido con aire, teniendo en este caso una importante proporción de N2, y un poder calorífico bajo (4 - 7 MJ/m3). </li></ul><ul><li>En caso de haber utilizado O2 o bien H2O obtendremos el denominado gas de síntesis , con un poder calorífico mayor (10 - 12 MJ/m3). </li></ul>
  38. 40. 2. PROCESO DE GASIFICACIÓN <ul><li>Secado : el agua contenida en la biomasa se elimina, a una temperatura superior a 100 ºC.
  39. 41. Pirólisis: descomposición térmica de la biomasa en ausencia de oxígeno. Se divide en pirólisis lenta y pirólisis rápida.
  40. 42. Oxidación: se introduce aire en el proceso (O2, vapor de agua), y algunos gases inertes. Esta etapa tiene lugar entre los 700 – 2000 ºC.
  41. 43. Reducción: se producen numerosas reacciones. </li></ul> El gas producido contiene una mezcla de gases combustibles y no combustibles, agua, polvo y compuestos de azufre (H2S) y de nitrógeno (NH3, HCN) que son indeseables por los condensados corrosivos y contaminantes en los gases de escape.
  42. 44. 3. TIPOS DE GASIFICADORES. 3.1. Gasificación en lecho móvil en contracorriente (Gasificador Updraft): <ul><ul><li>movimiento descendente del sólido y ascendente del gas. Este tipo de gasificador tiene bien definidas las zonas de combustión parcial, reducción y pirólisis.
  43. 45. Como desventajas de este sistema, citar el alto contenido de alquitrán del gas producido y la escasa capacidad de carga. </li></ul></ul>3.2. Gasificación en lecho móvil en corrientes paralelas (Gasificador Downcraft): <ul><ul><li>el aire es introducido dentro del lecho de biomasa. Los flujos de gas y del aire son descendentes.
  44. 46. El gran inconveniente de este sistema es el contenido de cenizas y humedad en el gas producido, además del elevado tiempo de encendido (20 – 30 minutos).
  45. 47. Este tipo de funcionamiento es más aplicable a motores de combustión interna y turbinas de gas. </li></ul></ul>3.3. Gasificación en lecho fluidizado (Gasificador Crossdraft) : <ul><ul><li>no existen unas zonas definidas del reactor donde se lleven a cabo los diferentes procesos. Estos se dan simultáneamente en todos los lugares del gasificador.
  46. 48. Ventajas con respecto a los dos sistemas anteriores: el tiempo de arranque es de unos 5 minutos, puede funcionar con combustibles húmedos y secos, y la temperatura del gas producido es relativamente alta.
  47. 49. La desventaja es la necesidad de utilizar combustibles con bajo contenido en cenizas, como la madera y el carbón mineral. </li></ul></ul>
  48. 50. <ul><li>Los reactores de lechos móviles(updraft o downdraft): </li></ul><ul><ul><li>son adecuados para pequeñas capacidades de procesamiento (inferiores a 1 – 4 MW)
  49. 51. uno de los aspectos críticos de este tipo de reactores la densidad, el tamaño, la distribución de tamaños, y la forma de las partículas de biomasa, que deben cumplir unos requerimientos concretos . </li></ul></ul><ul><li>El reactor de lecho fluidizado: </li></ul><ul><ul><li>es apropiado para capacidades de procesamiento medianas y grandes (5 – 10 MW)
  50. 52. ventajas frente a los anteriores: flexibilidad en cuanto a las cantidades y calidades de biomasa alimentada, posibilidad de usar catalizadores y aditivos, control del proceso relativamente sencillo y escalado fiable. </li></ul></ul>
  51. 53. Instalación de gasificación de Biomasa: producción de biocombustibles y energía (Ducente AB, Suecia)
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