XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS LUGO 26-28 de SEPTIEMBRE,2007

DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN DE UNA PLANTA PILOTO PARA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL

Julio Terrón Gutiérrez, J. Rómulo T. PerníaP

Abstract

This Project starts focusing on the design of a batch process for producing biodiesel, from both raw and wasted oils, and the design of the pilot plant used for this purpose. Furthermore, its complete automation is studied and developed in three different ways of performance: automatic, semiautomatic and manual. PLCs are needed. This project pursues some main targets such as industrial process research, performance demonstration, seek of sustainable solutions based in renewable energies and chances for educational purposes in the university.

Firstly, the production of biodiesel, via acid sterification– transesterification, and the raw materials are described. Mass and energy balances and pilot plant dimensions are also included, as well as the selection of the equipment; vessels, pumps, automatic valves, sensors and safety compounds needed in the process.

Once the basic design of the plant is made, the text continues with an integral automation of the process using programmable logic controllers. The programming is developed with the state logic languages “GRAFCET” and “GEMMA” and completed in the ladder language. The operation and sinopsis supervision SCADA of the system is possible thanks to the detailed control panel. All these elements allow different actions, such as manual stops for changing some parameters and returns to the process in automatic performance after emergency stops or production mistakes. Besides, the programming is always open and enough explained for making additional modifications.

Despite the pilot plant has reduced dimension, the design is completely scalable taking in account some additional aspects. Extended multimedia documentation for pilot plant usage has been included.

Key Words: Biodiesel, Automatization, PLC, Pilot Plant

RESUMEN

Este proyecto comprende el diseño del proceso de fabricación discontinuo de biodiesel a partir de aceites usados y nuevos, así como el diseño de la planta piloto y su automatización completa en modos de funcionamiento automático, semiautomático y manual mediante autómatas programables. Persigue varios objetivos: Investigación sobre el proceso, demostración de funcionamiento, posibilidades y formación en la universidad y fomento de las energías renovables.

Comprende, por una parte, la descripción completa de las materias primas necesarias y del proceso de obtención de biodiesel por esterificación ácida y transesterificación, los balances de materia y energía, el dimensionamiento y la selección de los equipos; tanques, bombas, válvulas automáticas, sensores y elementos de seguridad necesarios para la producción y la seguridad.

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En segundo lugar, incluye el diseño integral de la automatización mediante autómatas programables con su programación en lenguaje de contactos a partir de GRAFCET y GEMMA detallados, el cuadro de mando y control con los elementos de señalización de temperaturas y parámetros de control, la acometida eléctrica y un sinóptico del proceso para su posterior control mediante SCADA. Permite paradas voluntarias de producción para tomar medidas o cambiar criterios, el reenganche en los máximos tramos posibles, después de una parada de emergencia o de error del proceso de producción. La programación está abierta y suficientemente detallada, permitiendo incorporar modificaciones, tanto en código como en parámetros.

El diseño es escalable y se ha generado una documentación multimedia para la formación y uso de la planta, que por sus reducidas dimensiones es fácilmente transportable.

Palabras clave: Biodiesel, Automatización, Autómatas programables, Planta Piloto

1. Introducción

La producción automática de biodiesel como combustible alternativo, se ha visto incrementada y potenciada en los últimos años. Son numerosas las investigaciones sobre este tema y para ello suelen necesitar una pequeña planta piloto, cuyos resultados sean escalables a producciones industriales. En cuanto a la filosofía de automatización es deseable que pueda pararse el proceso en cualquier momento, tanto para investigar resultados como para toma de decisiones sobre variables y pasar a producción de nuevo, sin que se tenga que desechar material intermedio producido. Es importante también que incorpore al menos en primera instancia el control por autómatas programables, programación Grafcet, cuadro de control y supervisión HMI SCADA, y en un futuro comunicaciones por Red Ethernet y control a distancia por Internet. Y por supuesto que incorpore la máxima seguridad para los operarios y el entorno.

2. Objetivos

El objetivo fundamental de este proyecto es diseñar y automatizar una planta piloto de pequeñas dimensiones, destinada a la investigación práctica y producción a pequeña escala de biodiesel a partir de aceites de girasol. Las dimensiones pretendidas para la misma están regidas por su carácter móvil transportable en remolque para coches. Esto hace que se deba integrar en un volumen reducido. Con ello se pretende :

-Contribuir al desarrollo sostenible local (acción base).

-Generar equipo didáctico para formación y demostración.

-Obtener un sistema a pequeña escala transportable y automático.

-Investigar y optimizar las variables en la producción de biodiesel.

-Permitir reproducibilidad en la producción.

-Facilitar las condiciones de manejo y aumentar la seguridad.

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3. Planta piloto

3.1 Descripción y diseño1

La planta diseñada puede procesar tanto aceites nuevos como usados en discontinuo. Se opta por dos alternativas de producción diferentes; Para la producción a partir de aceites nuevos se opta por la transesterificación básica y tres fases de lavado con agua. Con aceites usados es algo más complejo y comprende una fase de pretratamiento para eliminación de agua y acidez libre, una fase de reacción de dos pasos (esterificación ácida y

transesterificación básica) y tres fases de lavado con agua.8,9,3

(Ver figura 1.)

Figura 1: Alternativas de producción seleccionadas

La planta permite desarrollar ambas alternativas de producción, obteniéndose volúmenes de biodiesel de unos 62 L/lote, e incluye los depósitos y tanques necesarios para ello: de pretratamiento, de reacción, de lavado, de metanol, mezclador, de ácido sulfúrico, de ácido ortofósforico y de agua, siendo los tres primeros los principales. Estos depósitos son los de mayor volumen de la planta piloto y no superan los 120 litros de capacidad. La razón es garantizar la movilidad de la planta. Por otra parte, sirven de referencia para calcular los volúmenes del resto de depósitos teniendo en cuenta la cantidad de reactivos necesarios para lote. Todos los depósitos están interconectados por conducciones para trasvase de líquidos, tareas de mezclado y recirculaciones. La planta, además, está equipada con las válvulas y equipos descritos en la memoria. Estos han sido seleccionados atendiendo a los balances de materia y energía, resistencia a la corrosión, potencias requeridas, dimensiones de los depósitos y otros. Los equipos se clasifican en bombas, resistencias calefactoras, mezcladores/agitadores, etc. Con el objetivo de detallar las partes de la planta, ésta puede dividirse en diferentes zonas, tal como muestra la Figura 2:

• Área de pretratamiento1

: El elemento central es el tanque de pretratamiento TP fabricado en acero inoxidable, con un volumen de 85 litros, una altura de 75,5 cm. y un diámetro de 41,6 cm. Este tanque es el receptor de los aceites usados y en el se lleva a cabo el proceso de secado de los mismos. Para ello posee dos resistencias calefactores de 1,5

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kW. Incluye, además, un filtro de 40 µm en la conducción de evacuación del aceite ya pretratado. Este evita el paso de partículas en suspensión al reactor.

Figura 2: Esquema general de la planta piloto

• Áreas “de Reacción” y “de metanol y metóxido”1,7

: Configuran el núcleo de la planta y es donde se lleva a cabo los tratamientos y reacciones necesarias para transformar el aceite en biodiesel. Consta del tanque reactor TR, tanque de metanol TME, tanque de metóxido TMX, tanque de ácido sulfúrico TS y elementos de agitación, bombeo y calentamiento. Todos están construidos en materiales resistentes a los líquidos y componentes que manejan. Sus características principales se describen a continuación en la tabla 1 y la tabla 2.

Tanque Volumen (l) Ø (cm) H(cm.)

TR (Reacción) 100 40 85

TME (Metanol) 75 40 60 TMX(Metóxido) 25 30 45

TS (Sulfúrico) 2

Tabla 1: Tanques Tabla 2: Elementos

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Elemento Potencia

Bomba MB1 0,5 Hp / 0,37 KW

Bomba MB2 0,75 Hp / 0,55 KW

Bomba MB3 0,5 Hp / 0,37 KW

Resistencia RTR 2 x 1,5 KW

Agitador MMTMX 1/6 Hp / 0,125 KW

• Área de lavado1: En ella se lleva a cabo el lavado del biodiesel bruto producido en el

área de reacción. El elemento principal es el tanque de lavado TB secundado por el depósito de agua de lavado TA y el depósito de ácido ortofosfórico para regular el pH del biodiesel antes de comenzar el proceso. Las características principales de los mismos están incluidas en las tablas 3 y 4.

Tanque Volumen (l) Ø (cm) H(cm)

TB (Biodiesel) 120 42 90

TA (Agua) 30 30 45

TO (Ortofosfórico) 2

Tabla 3: Tanques

Elemento Potencia

Agitador MMTB 0,25 Hp / 0,17 KW

Resistencia RTA 2 x 1,5 KW

Tabla 4: Elementos

La conducción de evacuación de biodiesel lavado al exterior posee un filtro de 10 µm que retira las impurezas remanentes.

3.2 Automatización de la planta piloto

Una vez definida la planta piloto, se procede a su automatización, núcleo central de proyecto. El objetivo de la misma, es que ambas alternativas de producción puedan llevarse a cabo de forma automática, semiautomática y manual. Esto supondrá comodidad, reducirá las posibilidades de errores de operación, permitirá reproducibilidad en las características del biodiesel producido y la detección de fallos y errores, y aumentará la seguridad del operador. Por otra parte el sistema debe poder actuar frente a posibles incidencias como escapes de metanol o paradas de emergencia.

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Figura 3: Lazo de control y interface y cuadro de mando y control

Se opta por una automatización en bucle cerrado de primer nivel con autómatas programables (PLCs), controladores externos, sensores y actuadores. Todos estos elementos se interconectan en lazo cerrado y ciclo continuo de scan, de manera que los sensores detectan y miden variables, los controladores y el PLC las gestionan, toman decisiones y secuencian maniobras, y ordenan a los actuadores operar sobre el sistema. Ver Figura 3. Estos autómatas permiten la conexión en red Ethernet y el control a distancia tanto por mensajes SMS, como a través de MODEM y a través de red Internet.

3.2.1. Diseño de la automatización y programación del PLC.

El diseño de la automatización de un proceso se nutre del mismo proceso, es decir, las maniobras necesarias para la producción de biodiesel dictan criterios importantes en la selección del tipo de control y regulación a instaurar y consecuentemente, los elementos e instrumentación que deben integrar el sistema de automatización, ya sean electroválvulas, sensores, controladores de temperatura… A su vez, estos elementos definen el tipo de autómata con el número de entradas y salidas que debe poseer. A continuación, el PLC, que es el cerebro del proceso, debe ser programado. Su programación se realiza mediante lenguaje de expresión de maniobras GRAFCET y GEMMA, y mediante la programación en

lenguaje de contactos o LADDER con ordenador.4

Ésta debe ser revisada y corregida mediante simulación en ordenador y puesta en práctica. Los eventuales errores se identifican y depuran para llegar al listado final del programa. Ver Figura 4.

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Figura 4: Pasos del diseño de la automatización

El lenguaje GRAFCET permite expresar de forma clara y entendible para diferentes colectivos científico-técnicos las maniobras de un proceso mediante etapas y acciones., y así todos pueden participar en el seguimiento y mejoras. Cada grupo de maniobras constituyen un proceso y estos se integran en otra estructura más grande utilizando la plantilla GEMMA, la cual permite pasar de un proceso a otro y gestionar errores en la producción y paradas voluntarias o de emergencia. Para finalizar toda esta información hay que expresarla en un lenguaje de programación específico para el autómata: lenguaje LADDER y programación de macros en alto nivel. Ver Figura 5.

El autómata programable, una vez está instalado el programa, para actuar físicamente sobre sistema necesita de una serie de sensores, actuadores y dispositivos de control extra para hacer posible físicamente el programa instalado en su interior.

3.2.2 Hardware de control del proceso e instrumentación asistente.

La filosofía general de la automatización ha seguido los siguientes criterios:

-Uso de equipos de control robusto, fácilmente programable como es el PLC modular, Estos ampliables mediante módulos con unidades de E/S independientes.

-Control futuro a distancia.

-Facilitar el trabajo del operador-investigador, permitiéndolo llevar el control de la marcha de cada subproceso en tiempo, temperatura, nº de veces….

-Tres tipos de control: Automático, semiautomático y manual.

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-Visualización de los parámetros más importantes independiente del autómata programable.

-Control analógico de las temperaturas de fácil ajuste.

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-Uso de sensores fiables, de calidad y estudiada colocación.

-Fácil mantenimiento y reparación, tanto en programación como en ajuste de equipos.

-Facilidad de seguir mejorando la instalación en futuros proyectos fin de carrera.

-Máxima seguridad contra el riesgo de incendio y explosión con cuadro hermético a vapores de metanol: Esto implica un sobredimensionamiento de equipos en capacidad de soportar temperatura de trabajo y diseño antideflagrante y sus componentes están clasificados a tal efecto.

Para ello se han empleado los siguientes elementos que le acompañan en su misión y que

responden a la filosofía general de los que se han utilizado son2

: Ver Fig. 6.

a) Temporizadores digitales con visualización en display: Son fundamentales para mostrar el tiempo transcurrido en cada subproceso, poder pararlo y reiniciarlo a voluntad.

b) Contadores cuya misión es llevar la cuenta del número de veces que se repite una determinada acción o las que faltan para terminar.

c) Controlador analógico de temperatura con autoajuste de parámetros y autosintonía. (On-Off en los depósitos de agua y pretratamiento, y PID en el reactor),

d) Fuente de alimentación de sensores y aparatos sobredimensionados.

Fig. 6: Elementos y conexionado del Hardware de control

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Fig. 7: Controlador ON-OFF de temperatura del tanque sedimentación

Tanto el autómata, como los controladores y los demás elementos de control y alimentación y protección eléctrica en circuitos independientes, se sitúan en el cuadro de control dentro de un armario estanco equipado con un panel de control o interface mediante el cual el operador puede interactuar con el proceso. Desde él salen conductores de acometida a todos los sensores y actuadores del sistema.

Fig. 8: a) Interior de cuadro control y protección, b) Acometida a elementos c) Distribución espacial de la planta d) Detalle reactor

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4. Consideraciones constructivas generales.

Para su transportabilidad se han dispuesto los depósitos, reactor y tanques en el volumen de la fig. 8a). En esta disposición se han tenido en cuenta las siguientes consideraciones:

a) Facilidad de acceso a los elementos de control y producción. b) Los conductores bajo tubo de protección transcurren por el eje central superior einferior, estando separados los circuitos de fuerza de los de señalización. Fig. 8b) c) El tanque de metanol por su peligrosidad está dispuesto en una esquina y aislado por paneles verticales y dispone de un sensor de metanol. d) En la parte superior se puede disponer de tanques para sucesivos lavados para economizar agua. e) No necesita motores de aire comprimido, pues el grado de protección permite motores de 24 v. f) Los elementos de control y señalización se han dispuesto en los tanques de forma óptima, en relación a influencias mutuas. g) El cuadro de control y protección está ubicado en la zona menos peligrosa para el operador, con todas sus partes accesibles para su manejo y reparación.

5. Resultados

Se ha proyectado una planta piloto de producción discontinua de biodiesel a partir de aceites vegetales. Cubre varias cuestiones importantes en estos temas, como son la formación y el aprendizaje al crear material de laboratorio, demostración de funcionamiento y posibilidades, investigación, y docencia teórica.

Integra varias tecnologías de la ingeniería: Química, electricidad, control y regulación, mecánica, informática donde el alumno puede comprobar sus posibilidades y obtener una visión global. Incorpora material actual en los diseños industriales. Se ha realizado una ingeniería de detalle en todos los diseños necesarios.

La información generada, los planos, imágenes, esquemas y animaciones constituirán la base de una multimedia formativa en la producción de biodiesel.

Constituye el inicio de una serie de proyectos fin de carrera de mejoras futuras. Se tiene previsto el diseño del sistema de calentamiento mediante paneles solares.

6. Conclusiones.

Las actividades de proyectos fin de carrera en temas reales, actuales y de sostenibilidad ecológica constituyen un interesante camino de formación, investigación y demostración de posibilidades que ayuda a la universidad, alumnos y sociedad.

Se ha comprobado que al alumno le produce un gran beneficio el diseño desde el origen, el plantearse cuestiones reales a solucionar, la integración de conocimientos de diferentes disciplinas y la visión global que obtiene. 6. Referencias

1 Delgado Perez T. (2005):”Diseño de una planta de producción de biodiesel a partir de

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aceites de fritura usados procedentes de procesos industriales y de hostelería”, Proyecto Fin de Carrera. Universidad de Cádiz. España.2 Omron Electronics Iberia, SA. “Catálogo virtual de automatización industrial “Omron” (www.omron-industrial.com). 2007, Madrid, España.3 Van Gerpen J., (2007), Manual “Biodiesel Production Technology” (Iowa State University),

D. Clements (Renewable Products Development Laboratory), G. Knothe (USDA/NCAUR). National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado

1 Balcells J. y Romeral J. L., (2005),“Autómatas Programables”. Marcombo, Boixreu Editores. Barcelona.2 Castro Gil M. y Sánchez Naranjo C., (1997), “Monografías Técnicas de Energías Renovables. Nº3 Biocombustibles” . Progensa , Sevilla, España. 3 H. Peri R. (2001). “Manual del Ingeniero Químico” .7º Edición. .Editorial Mc GRAN-Hill, Barcelona España.4 Erguido J., (2002). “Ingenieria de Reactores” Editorial Síntesis.

1 www.biodiesel.org. (2006)2 www.journeytoforever.com (2006)

7. Agradecimientos

A profesores del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Cádiz (http://www2.uca.es/dept/isa-tee/) y al grupo de investigación GAPSIS de la Universidad de Cádiz (http://www2.uca.es/grup-invest/automat_sistemas/) por su ánimo y aporte de conocimientos y a la empresa Omron S.A. (http://www.omron-industrial.com/es_es/home/) por su colaboración.

8. Correspondencia

Julio Terrón Gutiérrez Universidad de Cádiz. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. Facultad de Ciencias Náuticas, C/ Polígono Río San Pedro s/n. 11510 Puerto Real. Cádiz. Spain. Phone:+34 956 016544 ext. 6000, Fax: +34 956 016031

E-mail: julio.terron@gmail.com

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