Optimización energética de redes de intercambio de calor : aplicación a la síntesis del proceso de producción de biodiesel a partir de aceites vegetales usados

• Autores: Laborde, María Fernanda
• Año de publicación: 2020
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Pagano, Ana M.; Serna gonzález, Medardo
• Materia: Metanol; Biodiesel; Aceite vegetal usado; Aspen Plus; Optimización energética; Ingeniería; Software; AVUs; Química; Proceso de esterificación; Proceso de transesterificación; Redes de Intercambio de Calor; RIC
• Institución: Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires

En esta Tesis Doctoral se realizó la síntesis y análisis del proceso de esterificación y transesterificación con metanol para la obtención de biodiesel a partir de aceites vegetales usados (AVUs). Para realizar los diseños y análisis de alternativas tecnológicas se utilizó la herramienta de simulación que constituye el software Aspen Plus®, utilizando el paquete de propiedades NRTL. Los AVUs se consideraron compuestos principalmente por trilinoleina, trioleina y ácido oleico provenientes del aceite de soja y de girasol. Se estimó una composición de estos triglicéridos de un 75% y 25% para el aceite de girasol y de un 66% y 34% para el aceite de soja, respectivamente, con una acidez libre del 5-6% p/p (expresada en ácido oleico). Para la síntesis de la planta se utilizó un caudal másico de AVUs de 680,7 kg/h. La planta diseñada puede tratar AVUs con un máximo de 14,66% de ácidos grasos libres (AGL). Se diseñaron dos opciones de Redes de Intercambio de Calor (RIC) para el proceso completo de obtención de biodiesel. Opción 1: Aplicar redes de intercambio de calor al proceso de Esterificación y al de Transesterificación por separado, Opción 2: Aplicar integración energética al proceso completo de obtención de biodiesel. La RIC se diseñó, en ambos casos, a partir de dos metodologías diferentes: el método Punto de Pliegue y un modelo de programación no lineal entera mixta. Ambos diseños aportan un ahorro energético de aproximadamente 12%. Se analizó la posibilidad de incorporar una Bomba de Calor y/o un Ciclo Rankine Orgánico; estas alternativas no fueron factibles debido a las temperaturas de la fuente y el sumidero de calor. La mejor alternativa de diseño de Red de Intercambio de Calor se seleccionó mediante un análisis económico diferencial entre las alternativas con y sin RIC. Ambas opciones con integración de calor presentaron un valor VAN mayor que aquellas en las que no se aplicó integración energética, debido fundamentalmente a la disminución en los costos operativos. El valor de VAN para las opciones 1 y 2 fue de US$ 29.821.901 y US$ 26.004.006, respectivamente. Por lo tanto, la Opción 1 resultó ser la alternativa tecnológica económicamente más conveniente.
Fil: Laborde, María Fernanda. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.
Fil: Pagano, Ana M. Universidad Nacional del Centro de la provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería, Argentina.
Fil: Serna González, Medardo. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; México.
The present Doctoral Thesis synthesizes and analyzes the process of esterification and transesterification with methanol to produce biodiesel from waste cooking oils (WCO). Aspen Plus® software, applying the NTRL properties package, was used to design and analyze different technological alternatives. WCO from soybean and sunflower oil were considered mainly composed by trilinolein, triolein and oleic acid. The composition of these triglycerides was respectively estimated at 75% and 25% in sunflower oil, and at 66% and 34% in soybean oil, while the free acidity was considered at approximately 5-6% w/w (expressed in oleic acid). For the synthesis of the biodiesel plant, a mass flow of 680.7 kg/h WCO of was considered. The designed plant can treat WCO with a maximum of 14.66% free fatty acids (FFA). Two options of Heat Exchange Networks (HENs) were designed for the entire biodiesel production process. Option 1: apply heat exchange networks to the Esterification and Transesterification process separately; Option 2: Apply energy integration to the complete process of obtaining biodiesel. The HEN was designed, in both cases, from two different methodologies: the Pinch method and a mixed integer non-linear programming model. Both designs provide energy savings of approximately 12%. The possibility of incorporating a heat pump and / or an organic Rankine cycle was analyzed; these alternatives were not feasible due to the temperatures of the source and the heat sink. The best heat exchange network design alternative was selected through a differential economic analysis between the alternatives with and without HEN. Both options with heat integration presented a value of NPV greater than those in which no energy integration was applied due to the decrease in operating costs. The value of the VPN for options 1 and 2 was US$ 29,821,901 and US$ 26,004,006, respectively. Therefore, Option 1 proved to be the most economically convenient technological alternative for the process of obtaining biodiesel from WCO.