UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE UNA
PLANTA PARA REGENERAR ACEITES USADOS CON
PRODUCTOS BIODEGRADABLES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
GONZÁLEZ SAMPEDRO ALEXIS GUILLERMO
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1715720569
APELLIDOS Y NOMBRES: González Sampedro Alexis Guillermo
DIRECCIÓN: Llano Grande Conjunto Pueblo Blanco I
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: (02)3510563
TELÉFONO MOVIL: 0995822185
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE UNA PLANTA PARA REGENERAR ACEITES USADOS CON PRODUCTOS BIODEGRADABLES
AUTOR O AUTORES: González Sampedro Alexis Guillermo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: Febrero 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Alex Guzmán
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Para el presente trabajo se realizó una
investigación en donde se analizó las diferentes tecnologías de regeneración para los aceites usados de motor, además se identificaron los productos biodegradables que se pueden utilizar en estos procesos. Se diseñó un prototipo de planta en donde se aplicó un proceso de regeneración en base a la investigación realizada Se realizó un análisis de ingeniería mecánica con el fin de elegir las operaciones que deben cumplir cada componente que debe ser instalado en la planta prototipo, se usó el programa de diseño SolidWorks para obtener un análisis de cada uno de ellos para poder determinar el más adecuado que cumpla los requerimientos de funcionalidad y seguridad. Para el proceso de regeneración después de estudiadas las alternativas tecnológicas existentes, se eligió la tecnología acido-arcilla en la cual se modificaron ciertos parámetros con el propósito de que se puedan introducir los productos biodegradables en el tratamiento del aceite usado. Los productos biodegradables fueron elegidos de acuerdo a sus propiedades físico-químicas y en base a su historia en la industria, dando como resultado de la búsqueda entre varias alternativas los siguientes: esponja natural para ser utilizada como medio filtrante, vicia faba granulada y aserrín de igual forma como medio de filtración y absorción. Los
materiales con los cuales se construyeron los diferentes equipos que deben conformar la planta prototipo, los cuales son para cañerías el cobre, para tanques el aluminio, fueron elegidos después de haber realizado primero pruebas de esfuerzos a su diseño informático realizado en SolidWorks, comprobando de esta manera que estos materiales son los óptimos para el buen funcionamiento de la planta. Al final se realizaron varias pruebas de funcionamiento y de aceite regenerado resultante se tomó una muestra para que sea enviada a ser analizada en un laboratorio para determinar qué calidad de base lubricante se obtuvo.
PALABRAS CLAVES: Regeneración de aceites usados
Procesos de regeneración Productos biodegradables Planta prototipo
Aceite regenerado
ABSTRACT: For the present work an investigation was
carried out in which the different
regeneration technologies for the used oils of motor were analyzed, in addition the
biodegradable products that could be used in these processes were identified. A prototype of a plant was designed in which a
regeneration process was applied based on the research carried out. A mechanical engineering analysis was performed in order to choose the operations that must comply with each component that must be installed in the prototype plant, it was used The SolidWorks design program to obtain an analysis of each of them in order to determine the most suitable that meets the requirements of functionality and security. For the regeneration process after studying the existing technological alternatives, acid-clay technology was chosen in which certain parameters were modified so that
biodegradable products could be introduced in the treatment of used oil. The
DEDICATORIA
Los resultados del presente proyecto están dedicados para todas aquellas personas que de alguna y otra manera fueron partícipes de la culminación de mi carrera.
En especial a mis padres y hermana por su paciencia, amor y cariño incondicional en cada una de las etapas de mi vida,
A mi novia Sylvia por ser la persona que me motiva a alcanzar todas mis metas, por su amor y paciencia.
A mi amigo Hermel por su valiosa amistad y consejos para el desarrollo de la presente tesis.
Y a todos los docentes de la carrera por su ardua labor de impartir conocimientos y formar grandes profesionales de calidad y en especial a mi director de tesis.
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme guiado con la sabiduría suficiente para tomar decisiones correctas en la vida.
A mi hermosa familia por su apoyo incondicional, por creer en mí y motivarme por ser cada día mejor persona.
A la prestigiosa Universidad Tecnológica Equinoccial y sus docentes por abrirme las puertas y formarme como profesional.
Y Finalmente, a mi director de tesis el ing. Alex Guzmán por guiarme con los lineamientos para el desarrollo del presente proyecto.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. METODOLOGÍA ... 8
3. RESULTADOS Y DISCUCIÓN ... 10
3.1 SELECCIÓN DEL PROCESO DE REGENERACIÓN ... 10
3.1.1 ALTERNATIVA DE PROCESO PLANTA PROTOTIPO N°1 ... 10
3.1.2 ALTERNATIVA DE PROCESO PLANTA PROTOTIPO N°2 ... 11
3.1.3 EVALUACIÓN DE MEJOR ALTERNATIVA DE PROCESO ... 13
3.1.3.1 Disponibilidad de solventes ... 13
3.1.3.2 Implementación de productos biodegradables ... 14
3.1.3.3 Efectividad del proceso de regeneración ... 14
3.1.3.4 Costo ... 14
3.1.4 DESCRIPCIÓN DE LAS FASES DEL PROCESO ... 14
3.1.4.1 Pre-tratamiento ... 15
3.1.4.2 Tratamiento químico ... 15
3.1.4.3 Acabado ... 16
3.1.5 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO ... 16
3.2 PRODUCTOS BIODEGRADABLES Y NO DEGRADABLES ... 17
3.2.1 SELECCIÓN DE PRODUCTOS BIODEGRADABLES ... 17
3.2.1.1 Esponja natural vegetal ... 17
3.2.1.2 Aserrín granulado ... 18
3.2.1.3 Vicia faba granulada ... 18
3.2.2 PRODUCTOS NO DEGRADABLES ... 19
3.2.2.1 Ácido sulfúrico ... 19
3.2.2.2 Óxido de calcio ... 20
3.3 DISEÑO DEL PROTOTIPO DE PLANTA ... 21
3.3.1 DISEÑO DE FASE DE PRE-TRATAMIENTO ... 21
3.3.2 PRESIÓN QUE EJERCE EL ACEITE EN REPOSO ... 22
3.3.2.1 Selección del tanque de almacenamiento de aceite usado ... 22
3.3.3 PRESIÓN QUE SE EJERCE EN TUBERÍAS ... 23
3.3.4 SELECCIÓN DE LA TUBERÍA DE CIRCULACIÓN ... 25
3.3.4.1 Flujo de aceite por la tubería ... 25
ii
3.3.5.1 Selección del cono de sedimentación ... 26
3.3.6 CORRIENTE CALORÍFICA NECESARIA ... 27
3.3.7 SELECCIÓN DE LA FUENTE DE CALOR (CALDERA) ... 28
3.3.8 PRESIÓN EN EL TANQUE DE DESTILACIÓN ... 29
3.3.8.1 Diseño del tanque de destilación ... 29
3.3.9 DISEÑO DE FASE DE TRATAMIENTO QUÍMICO ... 30
3.3.10 SELECCIÓN DE LA BOMBA DE TRANSFERENCIA ... 31
3.3.11 PRESIÓN EN EL TANQUE REACTOR ... 31
3.3.11.1 Selección del tanque reactor ... 32
3.3.12 DISEÑO DE FASE DE ACABADO ... 33
3.3.11 DISEÑO DEL FILTRO DE ACABADO ... 33
3.3.13 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO ... 34
3.4 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE PLANTA ... 35
3.4.1 MONTAJE FASE DE PRE-TRATAMIENTO ... 35
3.4.2 MONTAJE FASE DE TRATAMIENTO QUÍMICO ... 37
3.4.3 MONTAJE FASE DE ACABADO ... 38
3.4.4 INSTALACIÓN ELÉCTRICA ... 39
3.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA PROTOTIPO 39 3.5.1 NUMERO DE PRUEBAS REALIZADAS ... 40
3.5.2 ESTADO DE BOMBA DE TRANSFERENCIA Y PRESIÓN ... 41
3.5.2.1 Bomba de transferencia ... 41
3.5.2.2 Bomba de transferencia de alta presión ... 42
3.5.3 COMPORTAMIENTO DE LOS TANQUES ... 42
3.6 RESULTADOS OBTENIDOS EN EL PROCESO ... 43
3.6.1 COMPARACIÓN CON NORMA NTE INEN 2029:1995 ... 43
3.6.2 COMPROBACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL PROCESO ... 44
3.6.3 PERDIDAS DE ACEITE Y RESIDUOS GENERADOS ... 45
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 46
4.1 CONCLUSIONES ... 46
4.2 RECOMENDACIONES... 47
5. BIBLIOGRAFÍA ... 48
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Diagrama de flujo de proceso de extracción por solvente ... 10
Figura 2. Diagrama de flujo de proceso de regeneración acido-arcilla ... 12
Figura 3. Diagrama esquemático de las fases del proceso seleccionado .. 15
Figura 4. Diagrama de flujo de proceso ... 16
Figura 5. Diagrama de flujo de proceso (Continuación) ... 17
Figura 6. Esponja natural utilizada en el proceso de regeneración ... 18
Figura 7. Aserrín granulado utilizado en el proceso de regeneración ... 18
Figura 8. Vicia faba granulada utilizada en el proceso de regeneración .... 19
Figura 9. Ácido sulfúrico para el tratamiento de aceite usado ... 20
Figura 10. Oxido de calcio para el tratamiento de aceite usado ... 20
Figura 11. Modelado en SolidWorks de los componentes ... 21
Figura 12. Cono de sedimentación utilizado en la planta prototipo ... 26
Figura 13. Diagrama de cuerpo libre ... 27
Figura 14. Diseño del tanque de destilación en SolidWorks ... 30
Figura 15. Diseño de los componentes de la fase de tratamiento químico 30 Figura 16. Bomba de transferencia de alta presión ... 31
Figura 17. Diseño del tanque reactor en SolidWorks ... 32
Figura 18. Diseño de los componentes de la fase de acabado ... 33
Figura 19. Diseño del filtro de acabado en SolidWorks ... 34
Figura 20. Diagrama eléctrico del prototipo de planta ... 34
Figura 21. Montaje de la bomba de transferencia ... 35
Figura 22. Montaje del cono de sedimentación ... 36
Figura 23. Unión de componentes con masilla epóxica ... 36
Figura 24. Filtro de separación de contaminantes solidos ... 36
Figura 25. Sistema de refrigeración ... 37
Figura 26. Bomba de transferencia de alta presión ... 37
Figura 27. Fugas de aceite por uniones de la tubería ... 38
Figura 28. Torre de madera para reacción química ... 38
Figura 29. Filtro de acabado ... 38
Figura 30. Montaje del tanque de almacenamiento ... 39
Figura 31. Conexión eléctrica del panel de control ... 39
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Listado de materiales necesarios para extracción con solvente .... 11
Tabla 2. Listado de materiales necesarios para proceso acido-arcilla ... 13
Tabla 3. Matriz de evaluación de mejor alternativa ... 13
Tabla 4. Listado de productos biodegradables ... 17
Tabla 5. Listado de productos no degradables ... 19
Tabla 6. Propiedades físicas del ácido sulfúrico ... 19
Tabla 7. Propiedades físicas del óxido de calcio ... 20
Tabla 8. Listado de equipos necesarios para la construcción del prototipo . 21 Tabla 9. Especificaciones del tanque de almacenamiento ... 22
Tabla 10. Especificaciones del cono de sedimentación ... 26
Tabla 11. Conductividad térmica de materiales ... 28
Tabla 12. Especificaciones de la fuente de calor que se utilizó ... 28
Tabla 13. Especificaciones para el tanque de destilación ... 29
Tabla 14. Especificaciones para el tanque reactor ... 32
Tabla 15. Especificaciones técnicas del filtro de acabado ... 33
Tabla 16. Pruebas realizadas en la planta prototipo ... 40
Tabla 17. Porcentaje de uso de cada producto ... 40
Tabla 18. Relación de porcentaje final para la regeneración ... 41
Tabla 19. Resultados del informe realizado al aceite regenerando ... 43
Tabla 20. Comparación con norma NTE INEN 2029:1995 ... 43
Tabla 21. Comparación con norma NTE INEN 2029:1995 (Continuación) .. 44
Tabla 22. Pérdidas producidas en el proceso de regeneración ... 44
v
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1 Hoja de seguridad del acido sulfúrico ... 49
Anexo 2 Hoja de seguridad del oxido de calcio... 54
Anexo 3 Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2029:1995 ... 58
Anexo 4 Autorizacion de la universidad para compra ... 66
1
RESUMEN
En el presente trabajo se realizó una investigación de análisis de las diferentes tecnologías de regeneración para los aceites usados de motor, además de identificar los productos biodegradables que se pueden utilizar en estos procesos. Se diseñó un prototipo de planta en donde se aplicó un proceso de regeneración en base a la investigación realizada Se realizó un análisis de ingeniería mecánica con el fin de elegir las operaciones que deben cumplir cada componente que debe ser instalado en la planta prototipo, se usó el programa de diseño SolidWorks para obtener un análisis de cada uno de ellos para poder determinar el más adecuado que cumpla los requerimientos de funcionalidad y seguridad. Para el proceso de regeneración después de estudiadas las alternativas tecnológicas existentes, se eligió la tecnología acido-arcilla en la cual se modificaron ciertos parámetros con el propósito de que se puedan introducir los productos biodegradables en el tratamiento del aceite usado. Los productos biodegradables fueron elegidos de acuerdo a sus propiedades físico-químicas y en base a su historia en la industria, dando como resultado de la búsqueda entre varias alternativas los siguientes: esponja natural para ser utilizada como medio filtrante, vicia faba granulada y aserrín de igual forma como medio de filtración y absorción. Los materiales con los cuales se construyeron los diferentes equipos que deben conformar la planta prototipo, los cuales son para cañerías el cobre, para tanques el aluminio, fueron elegidos después de haber realizado primero pruebas de esfuerzos a su diseño informático realizado en SolidWorks, comprobando de esta manera que estos materiales son los óptimos para el buen funcionamiento de la planta. Al final se realizaron varias pruebas de funcionamiento y de aceite regenerado resultante se tomó una muestra para que sea enviada a ser analizada en un laboratorio para determinar qué calidad de base lubricante se obtuvo.
Palabras clave: Regeneración de aceites usados, procesos de regeneración,
2
ABSTRACT
In the present work an investigation was carried out in which the different regeneration technologies for the used oils of motor were analyzed, in addition the biodegradable products that could be used in these processes were identified. A prototype of a plant was designed in which a regeneration process was applied based on the research carried out. A mechanical engineering analysis was performed in order to choose the operations that must comply with each component that must be installed in the prototype plant, it was used The SolidWorks design program to obtain an analysis of each of them in order to determine the most suitable that meets the requirements of functionality and security. For the regeneration process after studying the existing technological alternatives, acid-clay technology was chosen in which certain parameters were modified so that biodegradable products could be introduced in the treatment of used oil. The biodegradable products were chosen according to their physico-chemical properties and based on their history in the industry, resulting in a search among several alternatives: natural sponge to be used as a filter medium, granulated flakes and sawdust The same way as filtration and absorption medium. The materials with which the different equipment to be built by the prototype plant, which are for copper pipes, for aluminum tanks, were chosen after having first performed stress tests on their computer design in SolidWorks, This way that these materials are the optimal ones for the good operation of the plant. At the end several performance tests were performed and the resulting regenerated oil was sampled to be sent to be analyzed in a laboratory to determine what quality of lubricant base was obtained.
Keywords: Regeneration of waste oils, regeneration processes,
3
1. INTRODUCCIÓN
Uno de los elementos más importantes para el buen funcionamiento del motor de un automóvil es el aceite lubricante. Este crea una película separadora entre las superficies metálicas de los componentes que están en movimiento en el motor, para reducir hasta cierto nivel que se desgasten entre sí por la fricción que se produce. Debido a los constantes cambios de temperatura y el desgaste de las piezas, el aceite lubricante va perdiendo sus propiedades por esta razón es muy importante que el mismo sea renovado periódicamente. El aceite lubricante está desarrollado para evitar el contacto directo entre componentes y proteger de la corrosión, se compone principalmente de una base aceitosa acompañada de aditivos.
La base puede ser obtenida de la refinación directa del petróleo o recibir un tratamiento en laboratorio para obtener una base sintética, representa entre el 80% a un 90% del total de la mezcla y los aditivos los cuales mejoran sus propiedades físicas y químicas para un desempeño optimo en el motor están entre el 10% al 20% del total del aceite lubricante. Estos aditivos son compuestos químicos que se aplican a la base lubricante para mejorar las propiedades naturales de la misma, ya que esta por sí sola no cumple con todas las exigencias que requieren los motores en la actualidad.
Durante el funcionamiento del motor se generan diversos factores como la temperatura, altas presiones y el estado mecánico de las piezas, son los más influyentes para que el aceite se deteriore y tenga un periodo de uso limitado. Debido a esta transformación química es necesario remplazarlo por un nuevo lubricante después de determinado tiempo.
Esta transformación del aceite es el proceso por el cual se va reduciendo la capacidad del aceite para cumplir las funciones para las que se diseña, esto es: lubricar, proteger, refrigerar, limpiar y sellar. Todo esto originado por la propia alteración de las propiedades físicas y químicas.
- Aumento de la Viscosidad, si está más alta (más espeso el aceite) que el grado original, suele significar que ha ocurrido oxidación del aceite. La oxidación excesiva puede ser causada por:
Sobrecalentamiento debido a un funcionamiento irregular del sistema de enfriamiento.
Aireamiento (aire mezclado dentro del aceite) debido a un aceite muy agitado por las partes móviles del motor, esto ocurre generalmente si el nivel del aceite esta debajo del recomendado.
Presencia de pequeñas partículas metálicas, originadas normalmente por desgaste del motor.
4 - Humedad, la contaminación de aceite del motor por este factor pude traer como resultado mala lubricación y formación de sedimentos. El contenido normal de agua en un aceite según los ensayos preliminares es del 0.05%. Los valores más altos del 2% se consideran excesivas por la mayor parte de laboratorios de pruebas. El agua también actúa como catalizador para promover oxidación en la presencia de metales como hierro, cobre y plomo. - Formación de espuma, esta formación se ve favorecida por el aumento de la viscosidad del aceite, la espuma provoca problemas en los sistemas hidráulicos y de lubricación.
- Metales pesados que se presentan en la composición final de un aceite lubricante usado obedecerán principalmente al desgaste del motor por las condiciones de uso.
- Coloración, el aceite usado durante su funcionamiento debe limpiar los componentes metálicos de residuos de la combustión lo que le da un aspecto negro al aceite usado.
- Punto de fluidez, esta característica determina la mínima temperatura a la cual puede ser perturbado bajo una condición específica de la prueba, en los aceites usados esta fuera de los rangos permisibles.
El aceite usado de motor pasa a ser un residuo peligroso tanto para las personas como para el medio ambiente si no recibe un tratamiento adecuado, a nivel mundial se generan millones de toneladas que generan un problema para su uso posterior, por esta razón en muchos países se han desarrollado tecnologías de regeneración de la base lubricante.
En análisis y estudios realizados al aceite usado se ha determinado que lo único que se degenera son los aditivos, la base mineral permanece en cierta forma intacta por lo que es posible la regeneración de la misma. Según las máximas autoridades reconocidas a nivel mundial en aspectos técnicos del petróleo, API (American Petroleum Institute), se ha manifestado que los aceites bases obtenidos por la regeneración son iguales a los que surgen de la refinación del crudo.
La industria de regeneración de aceites lubricantes ha tenido crecimientos significativos en la mayoría de países industrializados, han estimado que en el refinado tradicional de 100 litros de petróleo produce 2 litros de aceite base mineral, mientras que 3 litros de aceite usado de motor permite la producción de 2 litros de base mineral con la misma calidad.
5 cantidades de este residuo, justificando la implementación de una planta regeneradora. Así mismo, abastecer la planta con grandes cantidades de estos aceites usados podría suplir la necesidad del mercado de la base mineral necesaria para la producción de lubricante para motor, de esta forma se aprovecha una sustancia contaminante que pasa a convertirse en materia prima sustituible para productos derivados del petróleo.
Se resume brevemente las tecnologías más utilizadas en el mundo para la regeneración, el método convencional acido-arcilla que utiliza ácido sulfúrico con una temperatura de entre 30°C a 40°C en el tratamiento para luego ser filtrado con arcilla y cal, tiene un rendimiento global del 70% y se considera una desventaja la generación del residuo de la arcilla ácida y aceite contaminado final; el proceso MEINKEN es el proceso más difundido globalmente por su eficiencia, dado a que el porcentaje de recuperación corresponde a un 70% en peso con relación a la carga, sin tomar en cuenta el 12% de gas-oil y un 7.5% de combustible pesado, comprende de una etapa de deshidratación donde se elimina el agua existente, luego pasa a una unidad de termocraking donde se trata con ácido sulfúrico; la tecnología selecto propano ácido-arcilla se considera una modificación del proceso tradicional, el mismo que incluye nuevas unidades para contrarrestar el consumo de ácido sulfúrico y por ende la producción de desechos, el rendimiento del proceso es de un 65%; el proceso propano-hidroterminado produce bases de alta calidad, se destila el aceite usado, se lo trata con propano y posteriormente es hidrogenado, nuevamente se lo destila y filtra, su rendimiento representa el 83.2%; la destilación en vacío e hidroterminado el aceite usado es deshidratado para eliminar hidrocarburos livianos, luego pasa a una torre de destilación al vacío donde se separa los contaminantes pesados, su desventaja es el alto costo de elaboración; el proceso BERK utiliza la deshidratación para eliminar restos de agua e hidrocarburos livianos, para posteriormente pasar por una precipitación de lodos que se consigue con el solvente 2-propanol, metilcetona y 1-butanol con una relación de aceite de 3:1, su ventaja es que mediante este proceso se puede generar un mínimo de subproductos pero su costo es de los más elevados de producción; el proceso PROP utiliza un tratamiento con una solución de fosfato di-amónico, de esta forma los metales junto con el fosfato produce insolubles en el aceite y agua, luego pasa a una fase térmica donde el aceite es deshidratado y desmetalizado con hidrógeno, esta tecnología de regeneración es una de las que no produce contaminación; la extracción por solvente es una de las técnicas más económicas y eficientes que puede existir, este proceso mezcla el aceite usado con el solvente en proporciones similares que hace que retenga los aditivos e impurezas orgánicas, las cuales floculan y sedimentan por la acción de la gravedad, que finalmente es recuperado por la destilación que sirve para reciclaje.
6 operaciones que se realizan en la misma de forma general se utiliza ciertas ecuaciones que son la base de cálculo y diseño de los diferentes equipos para la construcción de una planta en donde debe circular un fluido.
Para la presión que ejerce un fluido en el recipiente que lo contiene se utiliza:
𝑃ℎ = 𝑑 𝑥 𝑔 𝑥 ℎ [1]
Para la presión necesaria de un fluido en movimiento en una tubería se utiliza:
𝑃2 = 𝑃1+
1
2𝑑 𝑥 𝑣12− 1
2𝑑 𝑥 𝑣22
[2]
Para la presión en relación a la superficie se utiliza:
𝑃 =𝐹
𝑆
[3]
Para la velocidad del fluido se utiliza:
𝑣 =𝐷
𝑡
[4]
Para el caudal de un fluido se utiliza:
𝑄 = 𝑣 𝑥 𝑆 [5]
Ecuación de continuidad:
𝑄1 = 𝑄2 [6]
Para la densidad de un fluido se utiliza:
𝑑 =𝑚
𝑉 [7]
Para la corriente calorífica se utiliza:
𝐻 =𝑘 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇
𝐿
[8]
7 La importancia de esta investigación radica en que el tratamiento debe incluir productos biodegradables, se considera biodegradable a todos aquellos materiales que pueden ser destruidos por microorganismos, en la industria automotriz se trata de desarrollar el uso de materiales biodegradables como rellenos de puertas en interiores de autos a base de lino y fabricantes ya están considerando hacer parachoques de fibras vegetales reforzadas por una resina biodegradable. En la industria petrolera y producción de aceites lubricantes la inclusión de materia biodegradable para el tratamiento y acondicionamiento en las diferentes etapas es prácticamente nulo, se están investigando y desarrollando materiales de tratamiento pero su consto es excesivo y esto se ve reflejado en el precio final del producto.
En Ecuador se registran proyectos que se vinculan a este campo, pero con capacidades de tratamiento relativamente pequeñas y con tecnologías que en la industria están prácticamente obsoletas, el trabajo presente trabajo pretende ser el primer escalón en el desarrollo de tecnología de regeneración de aceites usados de motor con productos que sean más amigables con el medio ambiente, pero obteniendo máxima eficiencia y calidad de producto. En esta investigación se plantea como objetivo general: Diseñar y construir un prototipo de una planta para la regeneración de aceites usados con productos biodegradables.
Para complementar el objetivo general se plantean los siguientes objetivos específicos:
Identificar los aceites lubricantes usados del motor de un automóvil y
sus características físico químicas.
Investigar los procesos de regeneración de aceites lubricantes usados
en el motor de combustión interna del automóvil.
Establecer las alternativas de plantas prototipos y seleccionar la más
adecuada.
Diseñar y construir la planta prototipo que utilice un proceso de
regeneración de aceites usados del motor de un automóvil, con productos biodegradables.
Realizar pruebas de funcionamiento de la planta de regeneración de
8
2. METODOLOGÍA
Como primer paso para el desarrollo de este trabajo se realizó una exhaustiva investigación acerca de los lubricantes usados en motores de automóviles y las características del mismo después de que ya ha cumplido su tiempo de uso y es necesario su cambio generando un aceite usado sin ningún uso aparente.
Se usaron fuentes de información como libros, artículos científicos, tesis de otros autores que contenían conocimientos acerca de la regeneración de aceites, productos biodegradables utilizados en las industrias, diseños de plantas, termodinámica, hidrodinámica, química del petróleo, y otras características que se aplicaron en el prototipo para que pueda funcionar de manera satisfactoria y pueda cumplir las expectativas tanto de producto final obtenido, como de eficiencia.
Se tomó en cuenta principalmente los procesos de regeneración que existen de tal forma que fue el pilar para el desarrollo de la misma y construcción del prototipo de planta, ya que este fue la guía que indicó que tipos de equipos y fases se debieron utilizar para poder regenerar un aceite usado.
Al proceso seleccionado se le modificaron ciertas etapas para poder introducir los productos biodegradables.
Se realizaron entrevistas a expertos para conocer a cerca de la regeneración del aceite usado así como también del diseño y construcción de plantas industriales, todo lo que se necesita para que el aceite puede regenerarse en una base lubricante útil, además de aprovechar la experiencia también se pudo obtener sugerencias o algún tipo de cambio que se pueda realizar al prototipo para obtener un máximo desempeño.
Se realizó un análisis a diferentes materiales biodegradables con la finalidad de determinar cuáles eran los más aptos para ser introducidos en el proceso de regeneración.
Una vez establecidos el proceso, los métodos y los productos que deben utilizarse se procedió a realizar cálculos para establecer valores que debían considerarse en el diseño de la planta prototipo.
Para el cálculo de presión que ejerce un fluido en el recipiente que lo contiene se utilizó la ecuación 1, se necesitaba saber que presión ejercía la bomba manual respecto a la superficie de su embolo por lo que se utilizó la ecuación 2, la ecuación 3 fue necesaria para calcular la presión que se obtendría en la tubería en el primer fase del proceso. Las ecuaciones 4, 5, 6, 7, fueron necesarias para despejar variables en la ecuación 3.
Fue necesario utilizar la ecuación 8 para saber qué cantidad de corriente calórica era necesaria en la caldera para la destilación del aceite usado en la fase de pre-tratamiento.
9 producen en los ya mencionados, permitió evaluar el rendimiento y si el diseño es correcto para la construcción del prototipo.
Ya determinado el diseño de los componentes se procedió a realizar la construcción y montaje de los mismos para dar forma a la planta prototipo. Se hizo un análisis de todos los elementos que conformaron la planta prototipo, se tomó en cuenta los factores más importantes que se presentaron en los mismos, como son esfuerzos, temperaturas y presiones que se producen cuando la planta prototipo se encuentra en funcionamiento.
Se desarrollaron pruebas de funcionamiento de la planta prototipo para determinar que el diseño sea el adecuado y obtener un desempeño óptimo de la misma dando como resultado una buena base lubricante.
10
3. RESULTADOS Y DISCUCIÓN
3.1 SELECCIÓN DEL PROCESO DE REGENERACIÓN
Para la selección del proceso a utilizarse en el prototipo de planta adecuado se analizan dos alternativas, las cuales están basadas en tecnologías ya existentes a las cuales se les modifica ciertas etapas en el proceso y se les añaden otros métodos, específicamente en la fase de pre-tratamiento y acabado con la finalidad de que se pueda introducir los productos biodegradables.
3.1.1 ALTERNATIVA DE PROCESO PLANTA PROTOTIPO N°1
Para este caso se toma como opción la tecnología de regeneración de extracción por solventes, en la figura 1 se especifica el diagrama de flujo del proceso.
11 En esta propuesta de proceso el aceite usado debe pasar primero por una etapa de sedimentación por un aproximado de ocho días, mientras más tiempo se realice esto pueden asentarse en el fondo del tanque la mayor cantidad de contaminantes sólidos, el aceite pasa luego a una filtración en la cual se utiliza un material orgánico con la finalidad de retener impurezas y limpiar el mismo mejorando el color; una vez tratado el aceite de esta forma pasa a la fase de limpieza en la cual se mezcla el aceite con los solventes n-hexano, 1-butanol y 2-propanol y se los debe mezclar a una velocidad de 280 RPM durante 15 minutos, seguido a esto se reposa la mezcla durante 24 horas. Como fase final el aceite ya recuperado se somete a una destilación atmosférica para recuperar el solvente y dejar el aceite libre de contaminantes. Los insumos necesarios para el desarrollo de este prototipo se enlistan en la tabla 1.
Tabla 1. Listado de materiales necesarios para extracción con solvente
MATERIAL DESCRIPCIÓN
Material orgánico Producto biodegradable
n-Hexano Solvente
1-Butanol Solvente
2-Propanol Solvente
Tanque de almacenamiento Equipo
Tanque de residuos Equipo
Tanque de tratamiento Equipo
Motor mezclador Equipo
Tanque de reposo Equipo
Columna de destilación Equipo Tanque de recuperación de solvente Equipo Tanque de residuos pesados Equipo
3.1.2 ALTERNATIVA DE PROCESO PLANTA PROTOTIPO N°2
12
Figura 2. Diagrama de flujo de proceso de regeneración acido-arcilla
13 Los materiales necesarios para el desarrollo de este prototipo se enlistan en la tabla 2.
Tabla 2. Listado de materiales necesarios para proceso acido-arcilla
MATERIAL DESCRIPCIÓN
Material orgánico Producto biodegradable Material orgánico Producto biodegradable Material orgánico Producto biodegradable
Ácido sulfúrico Solvente
Óxido de calcio Neutralizador
Tanque de almacenamiento Equipo
Filtro Equipo
Columna de destilación Equipo
Tanque de almacenamiento de residuos Equipo
Horno Equipo
Bomba de refrigerante Equipo
Tanque para recirculación de refrigerante Equipo Tanque de tratamiento ácido Equipo
Tanque de neutralización Equipo
Tanque de clarificación Equipo
Tanque de residuos pesados Equipo
3.1.3 EVALUACIÓN DE MEJOR ALTERNATIVA DE PROCESO
Se realiza una evaluación mediante una matriz para determinar que prototipo es el más viable. En la valoración se procedió a calificar de la siguiente manera, siendo 1 una calificación baja, 3 una calificación intermedia y 5 una calificación alta, se presentan los resultados obtenidos en la tabla 3.
Tabla 3. Matriz de evaluación de mejor alternativa
Disponibilidad de solventes Implementación de productos biodegradables Efectividad del proceso de regeneración
Costo Total
PROTOTIPO 1 1 1 3 1 6
PROTOTIPO 2 5 3 3 5 16
De acuerdo a los parámetros utilizados para evaluar las alternativas presentadas, se obtiene que el prototipo N° 2 es el que se debe desarrollar. A pesar de que el método de extracción por solventes tiene grandes ventajas, la dificultad para conseguir los solventes lo hacen inviable para el presente trabajo de titulación.
3.1.3.1 Disponibilidad de solventes
14 solvente principal más importante, ácido sulfúrico, que es un producto controlado por la Secretaria Técnica de Drogas, al igual que los otros tres solventes que se utilizan en el otro prototipo pero con la diferencia que la Universidad Tecnológica Equinoccial tiene permiso y un cupo disponible para adquirir esta sustancia, mas no las otras tres, por lo cual es factible que se pueda tener disponibilidad de un litro de ácido sulfúrico para el presente trabajo de titulación.
3.1.3.2 Implementación de productos biodegradables
En el caso de la propuesta de prototipo N° 2 tiene una calificación de 3, que no la más alta pero supera a la otra alternativa de planta. La introducción de productos biodegradables en procesos como regeneración, re refino o incluso refinado para la producción de aceites base tiene limitantes que hacen que por sus características físico químicas no puedan ser incluidos en estas actividades.
3.1.3.3 Efectividad del proceso de regeneración
En cuanto a efectividad del proceso tanto con el prototipo N° 1 como con el prototipo N° 2 se estiman obtener aceites base de la misma calidad, por lo tanto obtienen el mismo puntaje. El aceite regenerado debe ser analizado para determinar si cumple con los requerimientos necesarios para ser utilizado como base lubricante.
3.1.3.4 Costo
Para el prototipo de planta N° 1 se necesitan menor infraestructura para el proceso pero mayor cantidad de solventes, especialmente el butanol muy importante para el proceso, los comerciantes del mismo en ecuador lo venden solamente al por mayor, sumando a que son sustancias controladas hacen que el costo para la construcción de este prototipo sea mayor por lo cual se le da el valor más bajo. Mientras que para la opción N° 2 se requiere un solo solvente el cual se lo puede conseguir por litros haciendo que esta opción sea muy viable para el presente trabajo de titulación por lo cual se le otorga la estimación más alta.
3.1.4 DESCRIPCIÓN DE LAS FASES DEL PROCESO SELECCIONADO
15
Figura 3. Diagrama esquemático de las fases del proceso seleccionado
3.1.4.1 Pre-tratamiento
Esta fase es en donde se pueden eliminar gran parte de los contaminantes del aceite usado, tiene las siguientes operaciones:
Sedimentación: Se debe tratar el aceite durante tres días en un estado de sedimentación en un equipo con forma cónica, se asentaran partículas grandes en el fondo del mismo, este lodo resultante debe ser almacenado como residuo.
Filtración: El aceite debe pasar por un filtro en el cual se retienen partículas más finas que no se hayan sedimentado en la operación anterior.
Destilación: Se eleva la temperatura hasta los 180°C para eliminar del aceite agua, gasolinas, entre otros. El agua obtenida en la destilación se debe ser almacenada como residuo tóxico.
3.1.4.2 Tratamiento químico
Se eliminan metales pesados, aditivos y se obtiene una base lubricante sin contaminantes pero con una fuerte coloración, consta de las siguientes operaciones:
Mezcla con ácido sulfúrico: El aceite debe pasar al tanque reactor en el cual se le agrega ácido sulfúrico en una cantidad aproximada del 10% con respecto a la cantidad de aceite tratado, debe permanecer en agitación y a una temperatura constante de 50°C durante una hora.
Mezcla con óxido de calcio: Para neutralizar la acidez del aceite tratado se agrega óxido de calcio, en una cantidad aproximada al 10% en peso, esta operación se lleva en conjunto con la de clarificación.
ACEITE USADO Pre-tratamiento • Sedimentación • Filtración • Destilación Tratamiento químico
• Ácido sulfúrico • Óxido de calcio
Acabado • Clarificación• Filtración
16
3.1.4.3 Acabado
Fase final en donde se puede obtener una mejor coloración y olor de la base lubricante, la cual puede ser comercializada, tiene las siguientes operaciones: Sedimentación: Se debe dejar el aceite tratado en reposo durante veinte y cuatro horas para que los lodos generados se asienten en el fondo del tanque reactor.
Clarificación: En el tanque reactor una vez agregado el óxido de calcio, se agrega el producto biodegradable de igual manera en una cantidad aproximada al 10% en peso, con esta operación se consigue mejorar el color y olor del aceite tratado, debe permanecer a 80°C y en agitación durante una hora.
Filtración: El aceite tratado se deja reposar por un día, se eleva nuevamente a una temperatura de 50°C, luego pasa por un filtro en el cual se retienen los lodos generados, de esta esta forma se obtiene ya la base lubricante regenerada.
3.1.5 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
El diagrama de flujo de proceso que es utilizado en la planta prototipo para regenerar aceites usados describe de forma gráfica cada uno de los pasos que deben realizarse así como las especificaciones que deben cumplirse en el mismo, en las figuras 4 y 5 se detalla el mismo.
17
Figura 5. Diagrama de flujo de proceso (Continuación)
3.2 PRODUCTOS BIODEGRADABLES Y NO DEGRADABLES
3.2.1 SELECCIÓN DE PRODUCTOS BIODEGRADABLES
Los productos presentados a continuación se les realizo un estudio basado en sus propiedades y uso cotidiano en la industria.
En la tabla 4 se enlistan los productos biodegradables seleccionados.
Tabla 4. Listado de productos biodegradables
PRODUCTO APLICACIÓN EN PROCESO
Esponja natural vegetal Filtración - acondicionamiento Aserrín granulado Filtración – acabado Vicia Faba granulada Tratamiento químico – acabado
3.2.1.1 Esponja natural vegetal
En el estudio realizado se seleccionó este producto por su gran capacidad de absorción además de su estructura en sí que permite ser utilizada como filtro, por lo cual se la puede introducir en una primera etapa de filtración en la que se requiere retener contaminantes solidos de gran tamaño presentes en el aceite usado.
18 Figura 6. Esponja natural utilizada en el proceso de regeneración
3.2.1.2 Aserrín granulado
Este producto es un desperdicio del serrado de la madera, se decidió utilizar este producto en el presente trabajo de titulación basado en el uso común que tiene en los talleres, por su gran capacidad de absorbencia se lo aplica para limpiar derrames de aceite en el suelo.
En la figura 7 se observa su aplicación en el prototipo de planta, el cual va de la mano con otro producto biodegradable para la construcción del filtro utilizado en la etapa de acabado del proceso de regeneración del aceite usado.
Figura 7. Aserrín granulado utilizado en el proceso de regeneración
3.2.1.3 Vicia faba granulada
19
Figura 8. Vicia faba granulada utilizada en el proceso de regeneración
En la figura 8 se observa la vicia faba que es utilizada para el tratamiento del aceite usado.
3.2.2 PRODUCTOS NO DEGRADABLES
Al ser la modificación de un proceso los productos que se mencionan a continuación son parte fundamental del proceso de regeneración tanto del original como para la modificación del presente trabajo de titulación, en la tabla 5 se enlista cada uno.
Tabla 5. Listado de productos no degradables
PRODUCTO APLICACIÓN EN PROCESO
Ácido sulfúrico Tratamiento químico Óxido de calcio Tratamiento químico
3.2.2.1 Ácido sulfúrico
Este solvente es un compuesto químico en extremo corrosivo es muy utilizado en la industria especialmente en la refinación del petróleo, para el proceso de regeneración es el solvente más importante ya que separa los contaminantes del aceite usado. En la tabla 6 se especifican algunas de sus propiedades.
Tabla 6. Propiedades físicas del ácido sulfúrico Fórmula molecular H2SO4
Punto de ebullición 340°C Punto de fusión 10°C Densidad relativa 1.8 g/cm³ Solubilidad en agua Miscible
Coloración Transparente
El ácido sulfúrico debe ser tratado con mucha precaución por la peligrosidad y efectos nocivos contra la salud, en la figura 9 se observa el envase que contiene el ácido.
20 respalda con el Anexo 4, este solvente debe ser utilizada solamente para propósitos de esta investigación.
Figura 9. Ácido sulfúrico para el tratamiento de aceite usado
3.2.2.2 Óxido de calcio
En el fase de tratamiento la acides del aceite es demasiado alta, por lo cual el óxido de calcio es el producto encargado de volver a neutralizar el mismo. Este debe mezclarse con el ácido sulfúrico que ha separado las cadenas carbonosas del aceite usado. En la tabla 7 se presentan sus propiedades físicas.
Tabla 7. Propiedades físicas del óxido de calcio Fórmula molecular CaO
Punto de ebullición 2850°C Punto de fusión 2572°C Densidad relativa 3.35 g/cm³ Solubilidad en agua Miscible
Coloración Blanca
En la figura 10 se observa el óxido de calcio utilizado en el proceso de regeneración de aceites usados de motor.
21
3.3 DISEÑO DEL PROTOTIPO DE PLANTA
Para el diseño de la planta prototipo se toma en cuenta la geometría y dimensiones que necesitan cada uno de los equipos de acuerdo a las capacidades que se necesitan para el tratamiento del aceite usado de motor la cual es de 1 litro, se modelaron en el programa SolidWorks dichos equipos de tal manera que se cumpla con requerimientos de seguridad y buen funcionamiento de la planta prototipo.
En la tabla 8 se especifican cada uno de los equipos necesarios.
Tabla 8. Listado de equipos necesarios para la construcción del prototipo
EQUIPO DESCRIPCIÓN
Tanque de almacenamiento aceite usado Por modelamiento Bomba de transferencia manual Diseño comparativo
Cono de sedimentación Diseño comparativo
Filtro de contaminantes Diseño constructivo Tanque de destilación Diseño constructivo
Tubo enfriador Diseño comparativo
Tanque almacenamiento refrigerante Diseño comparativo Bomba recirculación refrigerante Diseño comparativo
Calderas Diseño comparativo
Bomba de trasferencia eléctrica Diseño comparativo
Tanque reactor Diseño constructivo
Mezclador Diseño constructivo
Filtro de terminado Diseño constructivo
Tanque de almacenamiento aceite regenerado Diseño comparativo
Panel de control Diseño eléctrico
3.3.1 DISEÑO DE FASE DE PRE-TRATAMIENTO
La fase de pre-tratamiento está conformada por varios equipos que permiten que el aceite fluya desde el tanque de almacenamiento hasta el tanque de destilación. Integra el ya mencionado tanque de almacenamiento, la bomba de transferencia, el cono de sedimentación, filtro de contaminantes y sistema de destilación.
Los componentes se los representa en tres dimensiones modelado en el programa SolidWorks como se muestra en la figura 11.
22
3.3.2 PRESIÓN QUE EJERCE EL ACEITE EN REPOSO
El aceite genera una presión en el recipiente que lo contiene, para determinar la misma se utiliza la ecuación 1.
𝑃ℎ = 𝑑 𝑥 𝑔 𝑥 ℎ
Donde:
𝑃ℎ: Presión hidrostática [Pa]
𝑑: Densidad del aceite usado [Kg/m³] 𝑔: Gravedad [m/s²]
ℎ: Altura [m]
Entonces reemplazando con datos la ecuación se obtiene:
𝑃ℎ = 903𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 9.8
𝑚
𝑠2 𝑥 0.40 𝑚
𝑃ℎ = 3539.76 𝑃𝑎
3.3.2.1 Selección del tanque de almacenamiento de aceite usado
El tanque de almacenamiento debe contener el aceite usado de motor recolectado de distintos establecimientos, para que la planta prototipo este en constante funcionamiento, tomando en cuenta perdidas, que la misma tiene capacidad para un litro y la duración del proceso, el tanque de almacenamiento debe tener una capacidad constante de mínimo 4 litros. Para garantizar la materia prima y evitar paras de producción entre periodos de abastecimiento la capacidad del tanque por factores de seguridad se eleva a 7 litros.
Las características que debe cumplir el tanque de almacenamiento se detallan en la tabla 9.
Tabla 9. Especificaciones del tanque de almacenamiento
ESPECIFICACION MEDIDA
Capacidad 7 litros
Forma Cilíndrica
Altura 40 cm
Diámetro 30cm
23
3.3.3 PRESIÓN QUE SE EJERCE EN TUBERÍAS
Para calcular la presión máxima en las tuberías que conducen el aceite en el primer tramo, es decir, del tanque de almacenamiento al cono de sedimentación se usa la ecuación 2.
𝑃2 = 𝑃1+1
2𝑑 𝑥 𝑣12 − 1 2𝑑 𝑥 𝑣22
Donde:
𝑃2: Presión del aceite usado en la tubería [Pa]
𝑃1: Presión del aceite usado de la bomba de transferencia [Pa]
𝑑: Densidad del aceite usado [Kg/m³]
𝑣12: Velocidad del aceite usado de la bomba de transferencia [m/s]
𝑣22: Velocidad del aceite usado en la tubería [m/s]
Para calcular 𝑃1, se mide con un dinamómetro una fuerza de 0.018N, la cual
es aplicada sobre el émbolo de la bomba el mismo que tiene una superficie
de 0.000962 m², con estos datos se puede calcular 𝑃1 usando la ecuación 3.
𝑃 = 𝑃1 =𝐹
𝑆
𝑃1 = 0.018𝑁
0.000962 𝑚2
𝑃1 = 18.71
𝑁 𝑚2
𝑃1 = 18.71 𝑃𝑎
Al conocerse la distancia y el tiempo en que recorre el aceite en la bomba, se
puede calcular 𝑣1 con la ecuación 4.
𝑣1 =𝐷 𝑡
Donde:
D: Distancia que recorre el embolo de la bomba que es 0.1 m
t: Tiempo en el que el embolo recorre la distancia antes mencionada que es 5s.
Entonces:
𝑣1 = 0.1𝑚
24 𝑣1 = 0.02
𝑚 𝑠
Para 𝑣2 mediante la ecuación 6 de continuidad se puede obtener el valor
correspondiente.
𝑄1 = 𝑄2
𝑣1 𝑥 𝑆1 = 𝑣2 𝑥 𝑆2 𝑣2=𝑣1 𝑥 𝑆1
𝑆2
Donde:
𝑆2: Superficie de la tubería es igual a 0.00051m²
Entonces:
𝑣2=
0.02 𝑚𝑠 𝑥 0.000962 𝑚2
0.00051𝑚2
𝑣2=0.038
𝑚 𝑠
La densidad del aceite usado se calcula con la siguiente ecuación:
𝑑 = 𝑚
𝑉
Donde:
m: Es la masa del aceite usado que es igual a 0.903 kg V: Es el volumen del aceite usado que es igual a 0.001m³
𝑑 = 0.903 𝑘𝑔
0.001𝑚3
𝑑 = 903 𝑘𝑔
𝑚3
Obtenidos los datos correspondientes se puede calcular la presión a la cual estará el aceite en la tubería que conducirá el mismo en la fase de pre-tratamiento, como ya se mencionó utilizando la ecuación 2.
𝑃2 = 𝑃1+1
25 𝑃2 = 18.71
𝑁
𝑚2+
1
2 𝑥 903 𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 (0.02
𝑚 𝑠)2−
1
2 𝑥 903 𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 (0.038
𝑚 𝑠)2
𝑃2 = 18.71 𝑁
𝑚2+ 0.181
𝑁
𝑚2− 0.652
𝑁 𝑚2
𝑃2 = 18.23 𝑁
𝑚2
𝑃2 = 18.23 𝑃𝑎
Mediante los resultados obtenidos se determina que al accionar la bomba en la tubería de transporte del aceite usado se genera una presión de 18.23 Pa
3.3.4 SELECCIÓN DE LA TUBERÍA DE CIRCULACIÓN
En base al análisis realizado se elige una tubería de caucho flexible de una pulgada la cual puede mantener sin ningún inconveniente la presión que genera la bomba de transferencia y cumple con los requisitos de seguridad para mantener un funcionamiento confiable y eficaz en la planta prototipo.
3.3.4.1 Flujo de aceite por la tubería
Al tener una tubería con diámetro interior de 2.54 cm se puede calcular el flujo de aceite usado que pasó por la misma con la ecuación 5.
𝑄 = 𝑣 𝑥 𝑆
Donde:
𝑄: Caudal del aceite usado a través de la tubería [m³/s] 𝑣: Velocidad del aceite usado en la tubería [m/s]
𝑆: Área de la tubería [m²]
Despejando con datos la ecuación se obtiene el caudal que pasa por la tubería hasta el cono de sedimentación:
𝑄 = 0.038𝑚
𝑠 𝑥 5.07𝑥10−4𝑚2 𝑄 = 1.93 𝑥 10−5𝑚3
𝑠
3.3.5 PRESIÓN EN EL CONO DE SEDIMENTACIÓN
El aceite genera una presión en el recipiente que lo contiene que para este caso es cónico, pero se aplica para cualquier forma de recipiente, para determinar la misma se utiliza la ecuación 1.
26 Donde:
𝑃ℎ: Presión hidrostática [Pa]
𝑑: Densidad del aceite usado [Kg/m³] 𝑔: Gravedad [m/s²]
ℎ: Altura [m]
Entonces reemplazando con datos la ecuación se obtiene:
𝑃ℎ = 903
𝑘𝑔 𝑚3 𝑥 9.8
𝑚
𝑠2 𝑥 0.60 𝑚
𝑃ℎ = 5309.64 𝑃𝑎
3.3.5.1 Selección del cono de sedimentación
La sedimentación es una parte del proceso de suma importancia para eliminar contaminantes sólidos y aguas presentes en el aceite usado, debe ser de una capacidad de 1 litro que es en si la capacidad operativa de la planta. Las características que se necesitan se establecen en la tabla 10.
Tabla 10. Especificaciones del cono de sedimentación
ESPECIFICACION MEDIDA
Capacidad 1 litros
Forma Cilíndrica-cónica
Material Plástico
Temperatura del aceite 22°C – 26°C
Según las especificaciones necesarias para esta operación, se decide utilizar un cono de sedimentación de laboratorio de química, se muestra en la figura 12.
27
3.3.6 CORRIENTE CALORÍFICA NECESARIA EN EL TANQUE DE DESTILACIÓN
El aceite usado dentro del tanque de destilación debe elevar su temperatura hasta los 180°C, por lo que es necesario calcular la corriente calórica que se debe generar para que se pueda llegar a esa temperatura.
Mediante la ecuación 8 se puede determinar los vatios que se necesitan.
𝐻 =𝑘 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇
𝐿
Donde:
H: Corriente calorífica necesaria [kW]
k: Conductividad térmica del material del tanque de destilación [w/m°C] A: Área superficial del tanque de destilación [m²]
∆𝑇: Diferencia de temperatura [°C]
L: Grosor del material del tanque de destilación [m]
La ecuación 8 se aplica para cuerpos planos, por lo cual al tanque de destilación se tomó para el cálculo solamente la base, que es la que está en contacto directo con la caldera.
En la figura 13 se observa el diagrama de cuerpo libre representando el recipiente de destilación.
Figura 13. Diagrama de cuerpo libre
28 en un aproximado de 0.2m, en cuanto al espesor del material según los recipientes disponibles en el mercado es de 0.003m.
En cuanto al material de igual forma los recipientes disponibles que se adaptan fácilmente para la construcción del prototipo de planta son hechos de aluminio, y la forma de saber la conductividad térmica del mismo se lo localiza en la tabla 11 que contienen estos datos.
Tabla 11. Conductividad térmica de materiales
Material C. Térmica W/(m.°C) Material C. Térmica W/(m.°C)
Acero 47-58 Zinc 106-140
Aire 0.02 Aluminio 237
Agua 0.58 Oro 308.2
Alcohol 0.16 Plata 406.1
Bronce 116-186 Estaño 64
Conocidos todos los datos se procede a utilizar la ecuación 8.
𝐻 =𝑘 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇
𝐿
𝐻 =237
𝑊
𝑚°𝐶 𝑥 0.031𝑚2 𝑥 (180°𝐶 − 0°𝐶)
0.003𝑚
𝐻 =1322.46𝑊𝑚
0.003𝑚 𝐻 = 440820𝑊 𝐻 = 440.82𝑘𝑊
Mediante los resultados obtenidos se determina que es necesario una corriente calorífica de 440.82 kW
3.3.7 SELECCIÓN DE LA FUENTE DE CALOR (CALDERA)
De acuerdo al análisis realizado se elige una fuente de calor que sobrepasa el valor necesario para elevar el aceite hasta los 180°C, para la realizar la adaptación en la planta prototipo se eligió una cocineta que se encuentra disponible en el mercado, cuyas características se presentan en la tabla 12.
Tabla 12. Especificaciones de la fuente de calor que se utilizó
CARACTERÍSTICA ESPECIFICACIÓN
Potencia de salida 600 kW
Tensión 110 V
Frecuencia 60 Hz
Material Acero inoxidable
Largo 24 cm
Ancho 24 cm
29
3.3.8 PRESIÓN EN EL TANQUE DE DESTILACIÓN
El aceite genera una presión el tanque de destilación, para determinar la misma se utiliza nuevamente la ecuación 1.
𝑃ℎ = 𝑑 𝑥 𝑔 𝑥 ℎ Donde:
𝑃ℎ: Presión hidrostática [Pa]
𝑑: Densidad del aceite usado [kg/m³] 𝑔: Gravedad [m/s²]
ℎ: Altura [m]
Entonces reemplazando con datos la ecuación se obtiene:
𝑃ℎ = 903𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 9.8
𝑚
𝑠2 𝑥 0.20 𝑚
𝑃ℎ = 1769.88 𝑃𝑎
3.3.8.1 Diseño del tanque de destilación
El sistema de destilación debe separa el agua e hidrocarburos livianos del aceite usado, el componente encargado de contenerlo y al cual se le elevara la temperatura debe estar construido de tal forma que cumpla con ciertos parámetros tanto para su funcionamiento como de seguridad. En la tabla 13 se detalla las características del mismo.
Tabla 13. Especificaciones para el tanque de destilación
ESPECIFICACION MEDIDA
Capacidad 2 litros
Forma Cilíndrica
Altura 15 cm
Diámetro 20 cm
Material Metálico
Sellado Hermético
Presión máxima 15 PSI Temperatura máxima 200 °C
30
Figura 14. Diseño del tanque de destilación en SolidWorks
3.3.9 DISEÑO DE LOS COMPONENTES DE LA FASE DE TRATAMIENTO QUÍMICO
La fase de tratamiento químico está conformada por equipos específicos que tienen la finalidad de mezclar el aceite usado con los solventes para eliminar los contaminantes presentes en el mismo. Integra la bomba de transferencia de alta presión, el tanque reactor, la caldera y el mezclador.
Los componentes se los representa en tres dimensiones modelado en el programa SolidWorks como se muestra en la figura 15.
31
3.3.10 SELECCIÓN DE LA BOMBA DE TRANSFERENCIA DE ALTA PRESIÓN
En esta parte del proceso el aceite debe fluir desde el tanque de destilación hasta el tanque reactor, no es posible utilizar una bomba de iguales características que en la fase de pre-tratamiento ya que el aceite en este punto se encontrara a una temperatura de 50°C centígrados por lo que es necesario que para esta etapa la bomba sea de estructura metálica para garantizar el funcionamiento de la planta prototipo.
Mediante un análisis de distintas bombas existentes en el mercado que pueden ser utilizadas para adaptar a la planta, se elige una bomba de combustible que es capaz de generar una presión de 206800 N/m², con esto se garantiza que el aceite recorra la distancia y la altura determinada hasta el tanque reactor.
En la figura 16 se observa la bomba para transportar el aceite.
Figura 16. Bomba de transferencia de alta presión
De acuerdo a las características de la bomba seleccionada la presión que se genera esta dentro de los parámetros que permite la tubería que fue seleccionada para el pre-tratamiento, por lo cual será también utilizada en esta fase y para el acabado final que exige prestaciones aun menores de presión.
3.3.11 PRESIÓN EN EL TANQUE REACTOR
El aceite genera una presión en el tanque reactor, para determinar la misma se utiliza nuevamente la ecuación 1.
32 Donde:
𝑃ℎ: Presión hidrostática [Pa]
𝑑: Densidad del aceite usado [Kg/m³] 𝑔: Gravedad [m/s²]
ℎ: Altura [m]
Entonces reemplazando con datos la ecuación se obtiene:
𝑃ℎ = 903
𝑘𝑔 𝑚3 𝑥 9.8
𝑚
𝑠2 𝑥 0.15 𝑚
𝑃ℎ = 1327.41𝑃𝑎
3.3.11.1 Selección del tanque reactor
El tanque reactor debe ser construido de tal forma que soporte la temperatura a la que debe ser elevado el aceite tratado, la cual es menor a la de proceso de destilación por lo cual el material debe ser de menor espesor y no es necesario que soporte altas presiones, pero debe cumplir con las especificaciones que esta operación requiere para garantizar la seguridad y el funcionamiento de la planta prototipo.
En la tabla 14 se detallan las características para el tanque reactor.
Tabla 14. Especificaciones para el tanque reactor
ESPECIFICACION MEDIDA
Capacidad 2 litros
Forma Cilíndrica
Altura 12 cm
Diámetro 15 cm
Material Metálico
Espesor 1 mm
Temperatura máxima 100°C
El plano del tanque de reactor se lo observa en la figura 17.
33
3.3.12 DISEÑO DE LOS COMPONENTES DE LA FASE DE ACABADO
La fase de acabado está conformada por dos equipos los cuales deben separar el aceite regenerado de residuos sólidos y almacenar el mismo, integra el filtro de acabado y el tanque de almacenamiento de aceite tratado. Los componentes se los representa en tres dimensiones modelado en el programa SolidWorks como se muestra en la figura 18.
Figura 18. Diseño de los componentes de la fase de acabado
3.3.11 DISEÑO DEL FILTRO DE ACABADO
El aceite tratado con ácido es neutralizado con oxido de calcio y vicia faba granulada, de este tratamiento químico se obtienen formaciones de yeso, el filtro de acabado debe separar estas partículas sólidas del aceite. Se considera que el aceite en este punto se encuentra a 50°C aproximadamente por lo cual en la tabla 15 se detallan las características que debe cumplir el equipo que vaya a ser seleccionado para la adaptación en la plata prototipo.
Tabla 15. Especificaciones técnicas del filtro de acabado
ESPECIFICACION MEDIDA
Capacidad 1 litros
Temperatura máxima 60°C
Forma Rectangular
Material Plástico
34 El plano del filtro de acabado se lo observa en la figura 19.
Figura 19. Diseño del filtro de acabado en SolidWorks
3.3.13 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PLANTA PROTOTIPO
El funcionamiento y automatismo de la planta prototipo es en un 70% de forma eléctrica. Los componentes eléctricos de la planta debe estar conectados de tal forma que se funcionamiento sea el más óptimo y seguro. Para facilidad de operación se instala un panel de control de donde se operan estos equipos y todo el cableado eléctrico será subterráneo.
El diagrama eléctrico para este prototipo se representa en la figura 20.
35
3.4 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE PLANTA
La construcción de la planta prototipo es todo un proceso el cual debe ser realizado de forma ordenada tomando en cuenta cada una de las fases, los parámetros de diseño establecidos y características físicas de cada componente, de tal forma que cumpla con requerimientos de seguridad cuando se opera la planta.
Los diferentes análisis y cálculos que se realizaron deben ser los pilares para la construcción, ya que de estos se determinan los esfuerzos, presiones y diferentes temperaturas que se obtienen durante el proceso de regeneración, los cuales deben ser tomados muy en cuenta.
3.4.1 MONTAJE DE LOS EQUIPOS PARA LA FASE DE PRE-TRATAMIENTO
Como ya se han mencionado esta fase está conformada por el tanque de almacenamiento del aceite usado, la bomba de transferencia, el cono de sedimentación, el filtro de contaminantes sólidos y el sistema de destilación. Todos estos serán colocados sobre una superficie de madera que será anclado de distintas formas de acuerdo a su capacidad de adaptación. La bomba de transferencia es colocada de forma vertical para facilitar su accionamiento ver figura 21.
Figura 21. Montaje de la bomba de transferencia
36
Figura 22. Montaje del cono de sedimentación
Para construcción del tanque de destilación se emplean varios componentes y en este caso para unir los materiales metálicos se utiliza masilla epóxica que garantiza su rigidez, ver figura 23.
Figura 23. Unión de componentes con masilla epóxica
El filtro de separación de contaminantes solidos se suspende en las cañerías que se mantienen rígidas en el tanque de destilación así como en el cono de sedimentación, ver figura 24.
37 Los gases generados pasan al tubo enfriador en el cual condesaran para convertirse nuevamente en líquidos, el material de este tubo refrigerante es de vidrio, se mantiene fijo en el respiradero del tanque de destilación y hermético mediante un caucho ver figura 25.
Figura 25. Sistema de refrigeración
Para la recirculación de agua se instala un recipiente y una bomba en el subsuelo de la superficie de madera.
3.4.2 MONTAJE DE LOS EQUIPOS PARA LA FASE DE TRATAMIENTO QUÍMICO
La bomba de transferencia de alta presión se fija en la superficie de madera, se le colocan las tuberías por las cuales circula el aceite en proceso de regeneración, ver figura 26.
Figura 26. Bomba de transferencia de alta presión
38
Figura 27. Fugas de aceite por uniones de la tubería
Para lograr una altura determinada en donde se colocara el tanque de tratamiento químico se instala una torre de madera, en la cual también en su interior se ensamblara la caldera de calentamiento para la reacción química, ver figura 28.
Figura 28. Torre de madera para reacción química
3.4.3 MONTAJE DE LOS EQUIPOS PARA LA FASE DE ACABADO
El filtro se fija por su parte inferior en una estructura de madera y por la parte superior mediante tubería se conecta al tanque reactor, ver figura 29.
39 El tanque de almacenamiento de aceite regenerando se fija en la superficie de madera, se instala la tubería por la cual se conducirá el aceite regenerando, ver figura 30.
Figura 30. Montaje del tanque de almacenamiento
3.4.4 INSTALACIÓN ELÉCTRICA
Todo el circuito eléctrico como ya se mencionó será en el subsuelo, se realizan las uniones necesarias y se utiliza los componentes eléctricos necesarios y de acuerdo al diagrama, el panel de control se fija en la parte superior, ver figura 31.
Figura 31. Conexión eléctrica del panel de control
