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Diseño e implementación de un sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel utilizando la tecnología de radiación por microondas

dc.contributor.advisorBermúdez Santaella, José Ricardo
dc.contributor.advisorHerrera Susa, Daniel Andrey
dc.contributor.authorÁlzate León, Michael Andrés
dc.date.accessioned2025-03-12T14:36:22Z
dc.date.available2025-03-12T14:36:22Z
dc.date.issued2024
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufps.edu.co/handle/ufps/9201
dc.description.abstractEn este trabajo se presenta el diseño e implementación de un sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel utilizando tecnología de radiación por microondas. En el cual se desarrolló un modelo matemático del sistema, abarcando tanto el reactor como el proceso de producción, para predecir su comportamiento y optimizar los parámetros operativos. A partir de este modelo, se construyó un sistema mecánico que permite la producción continua de biodiésel, aprovechando la eficiencia de la radiación por microondas. El sistema fue instrumentado para monitorear en tiempo real los parámetros clave del proceso, asegurando un control preciso. Finalmente, se llevó a cabo la producción de biodiésel mediante transesterificación, seguido de la caracterización físico química del producto, verificando su calidad según los estándares establecidosspa
dc.description.tableofcontentsIntroducción ...................................................................................................................... 27 INGENIERÍA CONCEPTUAL ........................................................................................ 31 1. Descripción del problema ....................................................................................... 32 1.1 Titulo .......................................................................................................... 32 1.2 Planteamiento del problema ...................................................................... 32 1.3 Formulación del problema ......................................................................... 34 1.4 Justificación ............................................................................................... 34 1.4.1 Objetivos general................................................................................................. 35 1.4.2 Objetivos Específicos .......................................................................................... 35 1.5 Alcances ..................................................................................................... 36 1.6 Limitaciones y Delimitaciones .................................................................. 37 1.6.1 Limitaciones ........................................................................................................ 37 1.6.2 Delimitaciones ..................................................................................................... 38 1.6.2.1 Delimitación espacial .............................................................................................. 38 1.6.2.2 Delimitación temporal ............................................................................................ 38 2. Marco Referencial ................................................................................................... 38 2.1 Antecedentes .............................................................................................. 39 2.2 Marco Teórico ............................................................................................ 41 2.2.1 Combustible Diesel ............................................................................................. 41 2.2.2 Acuerdos Internacionales Ambientales ............................................................... 42 2.2.2.1 Conferencia De Las Naciones Unidas Sobre el Medio Ambiente y El Desarrollo (CNUMAD) “Cumbre Para La Tierra” .................................................................................... 43 2.2.2.2 Protocolo De Kioto (PK) ........................................................................................ 43 2.2.2.3 Acuerdo De Paris .................................................................................................... 44 2.2.3 Biodiesel y Biocombustibles ............................................................................... 44 2.2.3.1 Biocombustibles ...................................................................................................... 44 2.2.3.2 Importancia De Los Biocombustibles ..................................................................... 45 2.2.3.3 Biodiesel ................................................................................................................. 47 2.2.3.4 Métodos Químicos Para La Producción De Biodiesel ............................................ 48 2.2.3.4.1 Microemulsiones ................................................................................................. 48 2.2.3.4.2 Pirolisis ............................................................................................................... 49 2.2.3.4.3 Transesterificación .............................................................................................. 49 2.2.4 Parámetros En La Producción De Biodiesel ....................................................... 51 2.2.4.1 Tipo de aceite o Matéria Prima ............................................................................... 51 2.2.4.1.1 Propiedades y Características De Las Materias Primas ...................................... 52 2.2.4.2 Tipo de alcohol ........................................................................................................ 52 2.2.4.3 Relación molar Alcohol: Aceite .............................................................................. 53 2.2.5 Tecnología De Radiación de microondas ............................................................ 53 2.2.6 Reactores De Transesterificación ........................................................................ 54 2.2.7 Modelo Matemático ............................................................................................ 55 2.2.8 Instrumentación y Sistemas De Control .............................................................. 56 2.2.8.1 Sensores .................................................................................................................. 56 2.2.8.2 Acondicionadores de señal ..................................................................................... 56 2.2.8.3 Estrategia De Control .............................................................................................. 56 2.2.8.4 Control Clásico ....................................................................................................... 57 2.3 Marco conceptual ....................................................................................... 58 2.3.1 Radiación Por Microondas .................................................................................. 58 2.3.2 Sistemas De Flujo Continuo ................................................................................ 58 2.3.3 Transesterificación .............................................................................................. 58 2.3.4 Biodiesel .............................................................................................................. 58 2.3.5 Diseño Experimental ........................................................................................... 58 2.3.6 Estrategia De Control .......................................................................................... 59 2.3.7 Eficiencia ............................................................................................................. 59 2.3.8 Reactor ................................................................................................................ 59 2.3.9 Modelo Matemático ............................................................................................ 59 2.4 Marco contextual ....................................................................................... 60 2.5 Marco Legal ............................................................................................... 60 3. Diseño Metodológico .............................................................................................. 62 3.1 Tipo de investigación ................................................................................. 62 3.2 Actividades y metodología ........................................................................ 62 3.3 Técnica De Recolección De Datos ............................................................ 67 3.3.1 Fuentes ................................................................................................................ 67 INGENIERIA BÁSICA .................................................................................................... 68 4. Revisión del estado del arte .................................................................................... 69 4.1 Tipos de reactores y características técnicas de los sistemas de producción de biodiésel 71 5. Modelo Matemático del sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel 76 5.1 Estructura del modelo matemático para el sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel. ............................................................................................................... 76 5.1.1 Condiciones generales del modelo matemático del sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel. .............................................................................................. 77 5.1.2 Esquema general del modelo matemático ........................................................... 78 5.1.3 Descripción del modelo matemático del proceso de transesterificación en flujo continuo ........................................................................................................................... 81 5.1.4 Mecanismo de la cinética de reacción en el proceso de transesterificación ........ 81 5.2 Balance de masa y energía del reactor ....................................................... 84 5.2.1 Balance de masa .................................................................................................. 85 5.2.1.1 Balance de masa global ................................................................................... 85 5.2.1.2 Balance de masa por componentes .................................................................. 86 5.2.2 Sistema de ecuaciones diferenciales para la dinámica temporal de la concentración de cada especie química en el reactor .............................................................................. 88 5.2.3 Ecuaciones cinéticas de reacción en el proceso de transesterificación ............... 89 5.2.4 Balance de energía .............................................................................................. 92 5.2.5 Determinación de las condiciones iniciales del modelo matemático del sistema en flujo continuo ................................................................................................................... 97 5.2.5.1 Análisis molar de los reactivos en el proceso de transesterificación ............... 97 5.3 Implantación del modelo matemático en Simulink ................................. 104 6. Instrumentación y control del sistema de producción de biodiesel en flujo continuo 115 6.1 Parámetros del sistema de producción y geometría del reactor ................115 6.2 Selección de la instrumentación dentro del sistema en flujo continuo .....116 6.2.1 Metodología del método de decisión de selección binaria .................................118 6.2.1.1 Condiciones para la selección y comparación de los sensores .......................118 6.2.1.2 Asignación de pesos a los criterios establecidos para el sistema ...................119 6.2.1.3 Elaboración de la matriz de coeficientes de ponderación de los instrumentos ................................................................................................................... 121 6.2.1.4 Construcción de la matriz de decisión para la selección de los instrumentos 122 6.2.2 Selección de los sensores de temperatura ......................................................... 122 6.2.3 Selección de los sensores de flujo o caudal....................................................... 128 6.3 Diseño e implementación del sistema de precalentamiento para el aceite crudo de palma 131 6.3.1 Diseño del circuito de control para cargas en AC .................................... 133 6.3.2 Modelamiento del sistema calefactor a partir de datos experimentales .. 134 6.3.2.1 Cálculo de los parámetros necesarios para definir la función de transferencia de la planta 136 6.3.2.1.1 Respuestas de los controladores sintonizados para el sistema de precalentamiento ............................................................................................................ 141 6.2.2.2 Algoritmo de programación para el control PID del sistema de precalentamiento de aceite crudo de palma ................................................................................................ 144 6.2.2.3 Respuesta física del controlador para el sistema de precalentamiento de aceite 145 6.3 Diseño e implementación del sistema flujo para los reactivos del sistema continuo 146 6.3.2 Selección de los componentes para el control de flujo de los reactivos en el sistema continuo para la producción de biodiésel ...................................................................... 146 6.3.3 Diseño del circuito de control para el sistema de control de flujo de reactivos 148 6.3.4 Caracterización del sistema de flujo para reactivos ................................. 149 6.3.2.1.2 Respuestas de los controladores sintonizados para el sistema de flujo de reactivos 152 6.3.4.2 Algoritmo de programación para el control PID del sistema de flujo de reactivos 153 6.3.4.3 Lectura del sensor de flujo ............................................................................. 153 6.3.4.4 Control de flujo para la bomba ...................................................................... 154 6.3.4.5 Respuesta física del controlador para el sistema de flujo de reactivos .......... 155 INGENIERÍA DE DETALLE ......................................................................................... 157 7 Diseño del banco de pruebas del sistema en flujo continuo para la producción de biodiesel 158 7.2 Diseño y selección de los componentes del sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel .............................................................................................................. 158 7.2.2 Reactor Continuo............................................................................................... 159 7.2.3 Tanques de almacenamiento de aceite .............................................................. 160 7.2.3.2 Cálculo del volumen de los tanques de aceite ............................................... 162 7.2.4 Tanque de almacenamiento de alcóxido ............................................................ 163 7.2.4.2 Cálculo del volumen del tanque de alcóxido ................................................. 164 7.2.5 Mezclador del alcóxido (motor del agitador) .................................................... 164 7.2.5.2 Cálculo del número de Reynolds ................................................................... 166 7.2.5.3 Cálculo del número de potencia (Np) ............................................................ 168 7.2.5.4 Cálculo de la potencia del motor para el mezclador ...................................... 172 7.2.6 Sistema de precalentamiento del aceite ............................................................. 173 7.2.6.2 Resistencia eléctrica de calentamiento del aceite .................................................... 173 7.2.6.2.1 Cálculo de potencia eléctrica de la resistencia calefactora..................................... 174 7.2.7 Diseño del sistema de calentamiento para la reacción a partir del horno microondas ..................................................................................................................... 176 7.2.8 Diseño del ensamble del banco de pruebas ....................................................... 178 8 Producción de biodiésel a través del sistema en flujo continuo según la metodología propuesta y caracterización físico-química ................................................................................. 179 8.2 Aceites vegetales ..................................................................................... 179 8.3 Clasificación de los aceites vegetales en la producción de biodiésel ...... 180 8.4 Materia prima a partir de aceites vegetales en la producción de biodiésel 181 8.5 Fuente principal de aceite para la producción de biodiésel en Colombia 183 8.6 Aceite de palma utilizado en este proyecto ............................................. 185 8.7 Alcohol utilizado en este proyecto .......................................................... 187 8.8 Catalizador utilizado en este proyecto ..................................................... 188 8.9 Costo de producción por litro de biodiésel .............................................. 189 8.10 Diseño experimental para la producción de biodiésel en flujo continuo . 190 8.11 Caracterización físico-química del biodiésel y el aceite de palma en el sistema de flujo continuo ............................................................................................................ 193 8.12 Caracterización de la densidad y peso específico del biodiésel y el aceite 196 8.12.2 Metodología de la prueba de caracterización de densidad y peso especifico 196 8.12.3 Caracterización del índice de acidez del biodiésel y el aceite de palma crudo 198 8.12.4 Metodología de la prueba de caracterización del índice de acidez .......... 198 8.13 Caracterización de la viscosidad cinemática ........................................... 201 8.13.2 Metodología de la prueba de caracterización de la viscosidad cinemática 202 8.14 Caracterización del índice de refracción .................................................. 204 8.14.2 Metodología de la prueba de caracterización del índice de refracción .... 205 9 Conclusiones ............................................................................................................. 208 10 Marco Administrativo ........................................................................................... 210 10.2 Recursos Humanos .................................................................................. 210 10.2.2 Director Del Proyecto.................................................................................... 210 10.2.3 Co-Director Del Proyecto.............................................................................. 210 10.2.4 Autor Del Proyecto ........................................................................................ 210 10.3 Recursos Financieros ............................................................................... 210 10.3.2 Presupuesto global por fuentes de financiación ............................................ 210 10.3.3 Gastos en personal ..........................................................................................211 10.3.4 Equipos y software .........................................................................................211 10.3.5 Gastos en materiales y suministros ................................................................ 212 10.3.6 Gastos en infraestructura ............................................................................... 212 11 Referencias Bibliográficas .................................................................................... 213 12 Anexos .................................................................................................................. 233spa
dc.format.extent245 páginas. ilustraciones, (Trabajo completo) 7.238 KBspa
dc.format.mimetypeapplication/pdfspa
dc.language.isospaspa
dc.publisherUniversidad Francisco de Paula Santanderspa
dc.rightsDerechos Reservados - Universidad Francisco de Paula Santander, 2024spa
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/spa
dc.sourcehttps://catalogobiblioteca.ufps.edu.co/cgi-bin/koha/opac-retrieve-file.pl?id=89d5f130bef014baad7363cf189bc6d2spa
dc.titleDiseño e implementación de un sistema en flujo continuo para la producción de biodiésel utilizando la tecnología de radiación por microondasspa
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dc.contributor.juryVera Rozo, Edwin José
dc.contributor.juryEugenio López, José Rafael


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Proyecto de Pregrado
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Derechos Reservados - Universidad Francisco de Paula Santander, 2024
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