ANLISIS EXERGTICO Y

ENERGTICO DEL USO DE LA

JATROPHA CURCAS COMO

AGENTE ENERGTICO.

EXERGETIC AND ENERGETIC ASSESSMENT OF THE USE OF JATROPHA CURCAS AS

ENERGETIC AGENT.

Daniel Gallego Posada.

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Departamento de Procesos y Energa

Medelln, Colombia

2013

ANLISIS EXERGTICO Y

ENERGTICO DEL USO DE LA

JATROPHA CURCAS COMO AGENTE

ENERGTICO.

Daniel Gallego Posada.

Tesis presentada como requisito parcial para optar al ttulo de:

Magister en Ingeniera Qumica.

Director:

Ph.D Hctor Ivn Velsquez Arredondo.

Lnea de Investigacin:

Anlisis Energtico

Grupo de Investigacin:

Bioprocesos y Flujos Reactivos.

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Departamento de Procesos y Energa

Medelln, Colombia

2013

Toda nuestra ciencia,

comparada con la realidad,

es primitiva e infantil

y sin embargo es lo ms preciado

que tenemos.

Albert Einstein.

Agradecimientos

Agradezco al profesor Hctor Ivn Vlasquez Arredondo profesor asociado de la Universidad

Nacional de Colombia Sede Medelln quien como director de tesis brindo sus conocimientos y

acompaamiento para llevarla a cabalidad, de igual forma agradezco al Departamento

Administrativo de Ciencia, Tecnologa e Innovacin COLCIENCIAS quien con su apoyo

econmico a travs del programa Jovenes Investigadores permiti el curso y desarrollo de este

trabajo.

Resumen y Abstract V

Resumen

Debido al acelerado crecimiento poblacional a nivel mundial y por ende el alto consumo de

insumos energticos, la mayora de ellos de origen fsil, surge la posibilidad de usar

alternativas como la Jatropha curcas como insumo para procesos de conversin a

biocombustibles. En este trabajo se desarroll un anlisis energtico y exergtico de cada una

de las etapas de produccin de biodiesel a partir del aceite de Jatropha y el uso de la biomasa

en un ciclo Rankine para la produccin de vapor y trabajo con el fin de determinar sus

eficiencias y visualizar las irreversibilidades cada uno de ellos obteniendo resultados de

eficiencia exrgetica de 29.49%, 99.43%, 87.6%, 62.14% y 71% para los proceso de

extraccin, esterificacin, transesterificacin, combustin de biomasa y proceso global

respectivamente, as mismo se obtienen de indicadores de renovabilidad de 0.78, 0.99, 0.83,

0.55 y 0.55 para cada uno de ellos.

Palabras claves: Jatropha, exerga, biodiesel

Resumen y Abstract VI

Abstract

Due to the rapid worldwide population growth and hence the high consumption of energy

sources, most of them of fossil origin, raises the possibility of using alternatives such as

Jatropha Curcas as input for biofuel conversion processes. This thesis develops an energy and

exergy analysis of each stage of production of biodiesel from Jatropha oil and biomass

combustion in a Rankine cycle for steam and work production in order to determine their

efficiencies and display irreversibilities, exergetic efficiency results of 29.49%, 99.43%, 87.6%,

62.14% and 72% for extraction process, esterification, transesterification, biomass combustion

and overall process respectively, also are obtained renewability indicators of 0.78, 0.99, 0.83,

0.55 and 0.55 for each of them.

Keywords: Jatropha, exergy, biodiesel.

Contenido VII

Contenido

Resumen ......................................................................................................................................... V

Abstract .......................................................................................................................................... VI

Introduccin..................................................................................................................................... 2

1. Marco Terico. ......................................................................................................................... 2

1.1. Jatropha Curcas. .............................................................................................................. 2

1.2. Extraccin ......................................................................................................................... 7

1.3. Esterificacin. ................................................................................................................... 7

1.4. Transesterificacin. .......................................................................................................... 9

1.5. Conservacin de energa para un volumen de control. ................................................ 10

1.6. Anlisis energtico de mezclas reactivas en rgimen estacionario. ............................. 12

1.7. El concepto de exerga. ................................................................................................. 12

1.8. Exerga en la naturaleza. ............................................................................................... 14

2. Descripcin del proceso ........................................................................................................ 17

3. Propiedades termodinmicas de los compuestos orgnicos usados en la produccin de

biodiesel. ....................................................................................................................................... 17

3.1. Peso molecular y formula qumica de las sustancias ................................................... 17

3.2. Calculo de la entalpia de las sustancias. ....................................................................... 20

3.3. Clculo de la entropa. ................................................................................................... 24

3.4. Clculo del poder calorfico de las compuestos biomsicos. ........................................ 24

3.5. Clculo de la entalpia de formacin de los compuestos biomsicos. ........................... 25

3.6. Clculo de la exerga qumica........................................................................................ 26

4. Evaluacin exergetica de los procesos. ................................................................................ 19

Contenido VIII

4.1. Evaluacin exergtica de la etapa de cultivo. ............................................................... 19

4.2. Evaluacin exergtica del proceso de extraccin de aceite. ........................................ 30

4.3. Evaluacin exergtica del proceso de esterificacin. ................................................... 34

4.4. Evaluacin exergetica del proceso de transesterificacin. ........................................... 38

4.5. Evaluacin exergtica de los procesos de purificacin. ................................................ 41

4.6. Evaluacin exergtica del proceso de utilidad de la biomasa residual......................... 47

5. Indicadores exergeticos. ....................................................................................................... 30

6. Conclusiones y recomendaciones. ....................................................................................... 60

Bibliografa. ................................................................................................................................... 63

Contenido IX

Lista de tablas.

Tabla 3-1: Porcentaje de cidos grasos y su frmula qumica. .............................................. 19

Tabla 3-2: Composicin molar, grupos constitutivos y de TG que componen el aceite de

Jatropha. 19

Tabla 3-3: Grupos constitutivos, composicin molar y nmero de tomos de los esteres de

biodiesel de Jatropha. ................................................................................................................... 19

Tabla 3-4: Grupos constitutivos de la glicerina [30]................................................................. 20

Tabla 3-5: Peso molecular y formula qumica de las sustancias. ........................................... 20

Tabla 3-6: Cp de cada grupo molecular [32] ............................................................................ 21

Tabla 3-7: Valores de coeficiente de Cp y entalpia de formacin para TG, AGL, biodiesel y

glicerina. 22

Tabla 3-8: Constantes para el clculo de TC y PC. .................................................................. 23

Tabla 4-1: Balance de masa en la etapa del cultivo .................................................................... 29

Tabla 4-2: Balance de exerga en el cultivo ................................................................................. 30

Tabla 4-3: Balance de masa en el proceso de extraccin. .......................................................... 32

Tabla 4-4: Composicin elemental de la biomasa de Jatropha. .................................................. 33

Tabla 4-5: Resultados de exerga qumica para las corrientes en el proceso de extraccin. .... 33

Tabla 4-6: Balance de exerga en el proceso de extraccin........................................................ 34

Tabla 4-7: Balance de masa del proceso de esterificacin. ........................................................ 36

Tabla 4-8: Balance de exerga en el proceso de esterificacin. .................................................. 37

Tabla 4-9: Balance de masa en el proceso de transesterificacin. ........