Análisis experimental de la producción de biodiésel a través de la tecnología de radiación por microondas.

En este trabajo se presenta el proceso de producción y caracterización de un biocombustible, tipo biodiesel a partir de etanol y aceite de palma africana (Elaeis Guineensis) del Norte de Santander. Se desarrolló un banco de pruebas experimental, debidamente instrumentado, para el monitoreo de las va...

Full description

Autores:
Romano Torres, Wilson Norbey
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Francisco de Paula Santander
Repositorio:
Repositorio Digital UFPS
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.ufps.edu.co:ufps/7154
Acceso en línea:
https://repositorio.ufps.edu.co/handle/ufps/7154
Palabra clave:
Etanol
Microondas
Banco experimental
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Diseño factorial
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openAccess
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Derechos Reservados - Universidad Francisco de Paula Santander
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description En este trabajo se presenta el proceso de producción y caracterización de un biocombustible, tipo biodiesel a partir de etanol y aceite de palma africana (Elaeis Guineensis) del Norte de Santander. Se desarrolló un banco de pruebas experimental, debidamente instrumentado, para el monitoreo de las variables más significativas en el proceso de producción de biodiesel. La selección de la instrumentación se realizó a partir del Método de Decisión de Selección Binaria para las variables de temperatura de reacción, temperatura de condensación, condiciones ambientales, velocidad del agitador y detección de gases en el condensador. En la etapa experimental, se estableció un diseño factorial en estrella sobre la metodología de producción por radiación de microondas desarrollada en el grupo GIDPI de la UFPS en el 2019. Los resultados evidenciaron un rendimiento máximo de 81.32%, bajo condiciones de 4 minutos de reacción, relación 1:3 aceite:alcohol, 0.5% de catalizador KOH, temperatura de 72.2 °C, agitación de 500 RPM y 900W. Las pruebas de caracterización realizadas presentaron una densidad de 0.8630 g/ml, una viscosidad de 5.32 mm2 /s, índice de acidez de 0.3366 mgKOH/g, índice de yodo de 52.15 gYodo/100g e índice de refracción de 1.36720, cumpliendo con los valores exigidos por las normas.
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La selección de la instrumentación se realizó a partir del Método de Decisión de Selección Binaria para las variables de temperatura de reacción, temperatura de condensación, condiciones ambientales, velocidad del agitador y detección de gases en el condensador. En la etapa experimental, se estableció un diseño factorial en estrella sobre la metodología de producción por radiación de microondas desarrollada en el grupo GIDPI de la UFPS en el 2019. Los resultados evidenciaron un rendimiento máximo de 81.32%, bajo condiciones de 4 minutos de reacción, relación 1:3 aceite:alcohol, 0.5% de catalizador KOH, temperatura de 72.2 °C, agitación de 500 RPM y 900W. Las pruebas de caracterización realizadas presentaron una densidad de 0.8630 g/ml, una viscosidad de 5.32 mm2 /s, índice de acidez de 0.3366 mgKOH/g, índice de yodo de 52.15 gYodo/100g e índice de refracción de 1.36720, cumpliendo con los valores exigidos por las normas.Pág. Introducción 20 INGENIERÍA CONCEPTUAL 23 1. Descripción del problema 24 1.1 Título 24 1.2 Planteamiento del problema 24 1.3 Formulación del problema 26 1.4 Objetivos 26 1.4.1 Objetivo general 26 1.4.2 Objetivos Específicos 26 1.5 Justificación 27 1.5.1 Beneficios ambientales 29 1.5.2 Beneficios tecnológicos 29 1.5.3 Beneficios Institucionales 30 1.5.4 Beneficios de Desarrollo Social 30 2. Marco referencial 31 2.1 Antecedentes 31 2.1.1 Antecedentes Regionales 31 2.1.2 Antecedentes Nacionales 32 2.1.3 Antecedentes Internacionales 33 2.2 Marco teórico 35 2.2.1 Combustibles Fósiles 35 2.2.1.1 Diesel 36 2.2.1.2 Emisiones producto de la combustión del Diésel 36 2.2.1.2.1 Acuerdo de París 37 2.2.2 Biocombustibles 37 2.2.2.1 Beneficios de los biocombustibles 38 2.2.2.2 Tipos de Biocombustibles 39 2.2.3 Biodiesel 39 2.2.3.1 Transesterificación 41 2.2.4 Materia Prima para la Transesterificación 42 2.2.4.1 Aceite 42 2.2.4.2 El Alcohol 43 2.2.4.3 Catalizador 43 2.2.5 Radiación de microondas 43 2.2.6 Instrumentación 43 2.2.6.1 Sensores 43 2.2.6.2 Tarjeta de desarrollo 44 2.2.6.2.1 Tecnología Arduino, Software y Hardware 44 2.3 Marco conceptual 44 2.3.1 Biomasa 44 2.3.2 Biodiesel 45 2.3.3 Calentamiento Dieléctrico 45 2.3.4 Prototipo a Escala 45 2.3.5 Sistema de Monitoreo 46 2.3.6 Metodología 46 2.3.7 Radiación por Microondas 46 2.4 Marco legal 47 3. Diseño metodológico 49 3.1 Tipo de investigación 49 3.2 Limitaciones y delimitaciones 50 3.2.1 Limitaciones 50 3.2.2 Delimitaciones 50 3.2.2.1 Delimitación temporal 50 3.2.2.2 Delimitación espacial 50 3.3 Actividades y Metodologías 51 3.3.1 Objetivo 1. Revisar el estado del arte de la producción de biodiesel asistida por radiación de microondas. 51 3.3.1.1 Actividades 51 3.3.2 Objetivo 2. Implementar el sistema de monitoreo y adquisición de datos del prototipo para la obtención de biodiesel por radiación de microondas. 51 3.3.2.1 Actividades 51 3.3.3 Objetivo 3. Diseñar la metodología para la producción de biodiesel a partir de insumos producidos en la región. 52 3.3.3.1 Actividades 52 3.3.4 Objetivo 4. Determinar las características físico-químicas del biodiesel producido, verificando el cumplimiento de las diferentes normas nacionales (NTC 5444) e internacionales (ASTM-D6751 y EN-14214) 53 3.3.4.1 Actividades 53 INGENIERÍA BÁSICA 54 4. Revisión del estado del arte de la producción de biodiesel por radiación de microondas 55 4.1 Espectro de radiación de microondas 56 4.2 Mecanismo de calentamiento por radiación de microondas 57 4.3 Mecanismo Químico de la transesterificación 57 4.4 Resultados de investigaciones realizadas en la producción de biodiesel por radiación de microondas 59 4.5 Rutas alternas para la producción de biodiesel 61 4.5.1 Ruta por microemulsiones 61 4.5.2 Ruta por Pirolisis 62 4.5.3 Ruta por transesterificación NO catalizada con fluido supercríticos 62 5. Medición de variables en la producción de biodiesel 63 5.1 Variables más importantes durante el proceso de producción del biodiesel 63 5.2 Selección de la instrumentación requerida 64 5.2.1 Metodología del Método de Decisión de Selección Binaria 64 5.2.1.1 Construcción de la matriz de atributos 64 5.2.1.2 Construcción de la matriz de coeficientes de énfasis 66 5.2.1.3 Construcción de la matriz de decisión 66 5.2.2 Selección del sensor para medir la temperatura de reacción 67 5.2.3 Selección del sensor para medir la temperatura del agua del condensador 70 5.2.4 Agitador Mecánico 73 5.2.5 Selección del sensor para medir la temperatura y humedad en el laboratorio 74 5.2.6 Tarjeta de adquisición de datos 77 6. Diseño de la metodología para la producción de biodiesel a partir de insumos producidos en la región 79 6.1 Materia prima para la producción de biodiesel 79 6.1.1 Aceite 79 6.1.1.1 Aceite de Palma Crudo 79 6.1.1.1.1 Rendimiento de producción 81 6.1.1.1.2 Composición del aceite de palma y propiedades fisicoquímicas 82 6.1.2 Aceite de palma usado en este proyecto 83 6.1.3 Selección del Alcohol 85 6.1.4 Catalizador 86 6.2 Diseño de la metodología para la producción de biodiesel 87 6.2.1 Diseños experimentales estadísticos 87 6.2.2 Diseño factorial en estrella para la producción de biodiesel 89 INGENIERÍA DE DETALLE 92 7. Prototipo para la producción de biodiesel 93 7.1 Diseños en SolidWorks 93 7.1.1 Diseño del horno microondas 93 7.1.2 Diseño del sistema de reacción y agitación mecánica 94 7.1.3 Ensamble del banco de pruebas 94 7.2 Fabricación del prototipo 95 7.3 Instrumentación 96 7.3.1 Sensores de Temperatura, Humedad y Alcohol. 97 7.3.2 Sensores del agitador mecánico 98 7.4 Diseño e implementación del sistema de control para el agitador mecánico 100 7.4.1 Modelo matemático motor DC 101 7.4.2 Calculo experimental de los parámetros del modelo 103 7.4.3 Validación del modelo matemático 106 7.4.4 Sintonización del Controlador 108 7.4.4.1 Función de transferencia en el dominio discreto (Z) 108 7.4.4.2 Sintonización a través del PID tunner de Matlab 109 7.4.4.3 Sintonización por el método de Ziegler y Nichols 109 7.4.4.4 Sintonización empleando la Integral Absoluta del Error (IAE) 112 7.4.5 Respuestas de los controladores Sintonizados 112 7.4.6 Robustez del controlador seleccionado 115 7.4.7 Respuesta física del sistema de control 116 7.5 Programación de los sensores en la tarjeta de desarrollo Arduino UNO 116 7.5.1 Programación del sensor termocupla tipo K 117 7.5.2 Programación del sensor de temperatura DS18B20 118 7.5.3 Sensor de temperatura y humedad ambiental 118 7.6 Diseño de la interfaz para el monitoreo de las variables del proceso. 119 7.6.1 Panel frontal de la interfaz de monitoreo 120 7.6.2 Diagrama de bloques de la programación de la interfaz de monitoreo 124 7.6.2.1 Configuración de la comunicación con la tarjeta Arduino 125 7.6.2.2 Lectura y visualización de los datos 127 7.6.2.3 Botonera de pestañas, variables del experimento y generación de informes 127 7.6.2.3.1 Botones para el cambio de pestañas 128 7.6.2.3.2 Generación de Informes en Word 129 8. Producción de biodiesel 131 8.1 Desarrollo experimental 131 8.2 Análisis del diseño experimental factorial 133 9. Pruebas de caracterización físico-químicas para el biodiesel y el aceite de palma. 137 9.1 Pruebas de densidad y peso específico 139 9.1.1 Metodología de la prueba 139 9.2 Viscosidad Cinemática 141 9.2.1 Metodología de la prueba 142 9.3 Índice de acidez 143 9.4 Índice de Yodo 145 9.4.1 Metodología de la prueba 146 9.5 Cromatografía de capa fina (TLC) 149 9.5.1 Metodología de la prueba 150 9.5.2 Resultados de la Cromatografía de Capa Fina 154 9.5.2.1 Cálculo de la Relación de Frente de las muestras 155 9.6 Índice de Refracción 157 9.6.1 Metodología de la prueba 158 10. Conclusiones 160 11. Recursos Financieros 162 11.1 Presupuesto global por fuente de financiación 162 11.2 Gastos de personal 162 11.3 Equipos y software 163 11.4 Viáticos 163 11.5 Materiales e insumos 164 12. Referencias 165 13. Anexos 188PregradoIngeniero(a) Electromecánico(a)196 páginas. ilustraciones, (Trabajo completo) 6.505 KBapplication/pdfspaUniversidad Francisco de Paula SantanderFacultad de IngenieríaSan José de CúcutaIngeniería ElectromecánicaDerechos Reservados - Universidad Francisco de Paula Santanderinfo:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2http://catalogobiblioteca.ufps.edu.co/cgi-bin/koha/opac-retrieve-file.pl?id=ec8e9791649f1e23ad231474268e5f6bAnálisis experimental de la producción de biodiésel a través de la tecnología de radiación por microondas.Trabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/redcol/resource_type/TPinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85EtanolMicroondasBanco experimentalBanco experimentalBiodiéselDiseño factorialEtanolKOHMicroondasAbrar, I., & Bhaskarwar, A. 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