Dialnet-AnalisisTermodinamicoDelProcesoRealDeExtraccionDeA-4212089[1]

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Prospect. Vol. 10, No. 1, Enero - Junio de 2012, pgs. 61-7

Anlisis termodinmico del proceso real de extraccin de aceitede palma africana

Thermodynamic analysis to a real palm oil extraction processWilmer A. Jaimes M.1, Stefany Rocha2, Jenier N. Vesga2y Viatcheslav Kafarov3

1Ing. Qumico (Estudiante de Maestra). Universidad Industrial de Santander.Centro de Investigacin para el Desarrollo en Industria y Energa.

E-mail: [email protected]. Auxiliar de Investigacin. Universidad Industrial de Santander.

Centro de Investigacin para el Desarrollo en Industria y Energa3Ph.D. Ingeniera Qumica. Docente Investigador. Universidad Industrial de Santander.

Faculta de Fisicoqumica. Escuela Ingeniera Qumica

Recibido 30/11/11, Aceptado 23/06/2012

RESUMEN

En este estudio se estimaron las irreversibilidades del proceso de extraccin de aceite de palma africana llevado

a cabo en la planta real ubicada en el municipio de San Alberto (Cesar). Esto se hizo con el n de identicar lalocalizacin y magnitud de los principales sumideros de exerga (relacionados con mayores prdidas de energatil) en el proceso mediante el uso de la primera y segunda ley de la termodinmica. Adems, con los resultadosencontrados es posible implementar futuras mejoras en dichas etapas con el n de hacer ms eciente el procesode extraccin de aceite.

La metodologa llevada a cabo se desarroll en 3 pasos: primero, se realiz la simulacin del proceso en el cualentran 30.000 kg/h de racimos de fruto fresco y son sometidos mediante efectos de presin y temperatura a lasetapas de esterilizacin, desfrutamiento, digestin, prensado, claricacin y secado, para obtener un total deaceite extrado de 6.756 kg/h, con la ayuda del simulador Aspen Plus 2006.5TM. Posteriormente, se realizaron los

balances de energa, entropa y exerga para estimar las irreversibilidades durante el proceso, las cuales fueron de993,1 GJ/h. Tambin se identic que el prensado y la digestin son las etapas que presentan las mayores prdidasexergticas con un valor de 388,7 y 225,7 GJ/h respectivamente.

Se calcularon las eciencias exergticas para cada etapa del proceso, entre las cuales sobresalieron el secado conun 99% y la claricacin con un 97%. Finalmente, se compararon los valores obtenidos mediante el teorema deGouy-Stodola con los resultados del balance exergtico, encontrndose un alto grado de precisin entre ellos.

Palabras claves: Gouy-Stodola, Exerga, Anlisis Exergtico.

ABSTRACT

In this work, the irreversibilitiesof african palm oil extraction process, that takes place in a real extraction planton San Alberto (Cesar), was estimated. This was done in order to identify the location and magnitude of the mainsinks of exergy (related to the highest losses of useful energy) in the process by using the rst and second lawof thermodynamics; Besides, with the found results it is possible the implementation of future improvements atthose stages in order to make more ecient the extraction process.

The methodology undertaken was developed in 3 steps: First of all, 30.000 kg/h of fresh fruit bunches enter theprocess and they are submied under pressure and temperature eects in the stages of sterilization, strippingor threshing, digestion, pressing, clarication and drying to obtain a total of 6.756 kg/h of extracted oil, it wassimulated using Aspen Plus 2006.5. After that, energy, entropy and exergy balances were done to estimate theirreversibilities through the process, equal to 993,1 GJ/h. Additionally, it was identied that pressing and diges-tion steps have the highest exergy losses with values of 388,7 and 225,7 GJ/h respectively.

Subsequently, exergy eciency was calculated for each stage in the process, in which drying with 99% and clari-cation with 97%, were the most outstanding results. Finally, the values obtained by the Gouy-Stodola theoremwere compared with the results of the exergy balance, nding a high degree of accuracy between them.

Keywords: Gouy-Stodola, Exergy, Exergy Analysis.



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Anlisis termodinmico del proceso real de extraccin de aceite de palma africana

LISTA DE ABREVIATURAS

PM Peso molecularTAGs TriacilglicerolesC Cprico

La LuricoM MirsticoP PalmticoS EstericoO OleicoL Linolico

NOMENCLATURA

B Exerga [kJ/h]m Flujo msico [kg/h]Q Flujo de calor [kJ/h]W Potencia [kJ/h]S Entropa [kJ/h]

H Entalpa [kJ/h]T Temperatura [K]V Volumen [m3]P Presin [kPa] Factor acntricoZ Factor de compresibilidad

Energa libre de Gibbs estndar de formacin [kJ/ kmol] Nmero de tomos La exerga qumica del elemento [ kJ/kmol] La exerga qumica del compuesto [kJ/kmol] La fraccin molar de la sustancia

La constante de los gases Eciencia exergticaExerga asociada a la transmisin de energa enforma de calor [kJ/h]

Exerga asociada al trabajo [kJ/h]Subndices0 Ambiente Estable de Referencia (AER ; T0=303.15

K ; Po=101,325 kPa)m Mezclai Elemento ic Criticod Destruida

gen Generada

Superndicesf Fsicac Cinticap Potencialq Qumica

1. INTRODUCCIN

La agroindustria de la palma africana en Colombia ocupael quinto lugar en produccin en el contexto mundial y elprimero en el continente americano. El producto principal

que se deriva de la palma elaeis guineensis Jacq; es la pro-duccin de aceite a partir de la pulpa de los frutos y de lasalmendras. Tambin se obtienen otros importantes subpro-ductos derivados comestibles y no comestibles [1]. Las pers-pectivas del mercado de aceite de palma y sus derivadosson promisorias puesto que el consumo de aceites y grasasvegetales, la produccin de biocombustibles y la industriaoleoqumica ha venido aumentando en Colombia y en elmundo en los ltimos aos. Cada vez se diversica mas eluso y se abren mayores perspectivas para ampliar el mer-cado de las exportaciones, por ejemplo, la produccin depalma en Colombia ha alcanzando rcords en toda la histo-

ria, de acuerdo con cifras de Fedepalma, en efecto, la pro-duccin de dicha oleaginosa ascendi a 170,700 toneladasen enero y febrero de 2011, en comparacin con los mismosmeses de 2010, cuando la produccin aument en 30,500toneladas es decir en 22% [2]. La evidente demanda en au-mento del aceite de palma africana es una consecuencia dela creacin y expansin de plantas productoras de biodieselcon variadas tecnologas las cuales sirven como una alterna-tiva para suplir la actual demanda energtica a nivel nacio-nal y mundial, obteniendo un producto de buena calidad,producido a partir de una fuente renovable y respetandolas normas de preservacin del medio ambiente.

En la actualidad, los estudios realizados en la industria dla palma de aceite, estn enfocados principalmente en balances de masa y energa, los cuales permiten identicapuntos del proceso en donde existan prdidas de materiy/o un uso inadecuado de la energa, y de esta forma me

jorar el proceso de produccin.

Al hacer uso del balance energtico a travs de la primerley de la termodinmica, se tiene una limitacin importante, ya que al analizar un proceso real, es complejo cuanticar el grado de aprovechamiento de la energa sumnistrada al proceso, debido a que no se tienen en cuentlas irreversibilidades generadas en los equipos [3]. Consecuencia de esto, surge la necesidad de aplicar otro tipde evaluacin, en este caso el anlisis exergtico el cual autilizar la primera y la segunda ley de la termodinmicapuede resolver las limitaciones anteriormente nombrada

[4]. Adems es considerada una herramienta de estudiy diagnstico de sistemas, til en el diseo de solucionealternativas que busquen reducir la utilizacin innecesaride recursos, y por ende los impactos potenciales generados por la misma, orientando as hacia la bsqueda del desarrollo sostenible [5]. Es importante tener en cuenta queste anlisis se puede utilizar en cualquier proceso de lindustria puesto que en ellos siempre existirn igualmentirreversibilidades en el sistema.

Este trabajo tiene como objetivo principal el uso de la evaluacin exergtica del proceso de extraccin de aceite d



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palma africana. Con el propsito de obtener resultados ate-rrizados al contexto nacional, se utiliz como base el proce-so llevado a cabo en un planta extractora real del munici-pio de San Alberto (Cesar), teniendo en cuenta condicionestales como ujos msicos, temperaturas, presiones, entreotras variables que son de vital importancia para el proce-

so en estudio. Posteriormente se plante la simulacin delproceso de extraccin llevado a cabo all mediante el usodel software comercial ASPEN PLUS TM2006.5 (Aspen te-chnologies Inc., USA) con el propsito de realizar el balanceenergtico en cada etapa del proceso y estimar magnitudestermodinmicas tales como entalpa, entropa, etc., datosque son necesarios para la posterior evaluacin exergtica.

1.1 Proceso de Extraccin de Aceite de Palma

A continuacin se harn una breve descripcin las princi-pales etapas que se llevan a cabo para el proceso de extrac-cin de aceite de palma:

Cosecha. Los racimos al cumplir su proceso de madu-racin deben ser cosechados o cortados y llevados a laplanta de benecio rpidamente, con el n de evitar queaumente el contenido de cidos grasos libres (AGL) delaceite dentro de los frutos, esto como subproducto de unareaccin qumica en la cual acta como catalizador unaenzima llamada lipasa [1].

Esterilizacin. Una vez los racimos llegan a la planta debenecio, se descargan en una tolva. sta alimenta las va-gonetas que luego se introducen en los autoclaves, en don-

de se le realiza un proceso de cocimiento a los racimos pormedio del ingreso de vapor saturado en un ciclo de trespicos de presin, con el principal objetivo de inactivar laenzima responsable de la acidicacin del aceite[6].

Desfrutamiento. Una vez esterilizados los racimos, pasanal desfrutador donde se separan los frutos del raquis otusa. El desfrutador es un tambor a manera de jaula quegira sobre un eje central; los racimos a desfrutar pasan alinterior del tambor y golpean repetitivamente los barroteslongitudinales del mismo, accin que produce el despren-dimiento de los frutos [1].

Digestin. Despus de que los racimos han sido desfruta-dos, los frutos son recalentados y la pulpa es desprendidade las nueces por un proceso de maceracin con ingresode vapor, que en conjunto, producen que las paredes delas celdas que contienen el aceite en el fruto se rompan, detal manera que pueda ser fcilmente expulsado o extradofuera de las celdas rotas durante el proceso de extraccinpor prensado en la etapa siguiente [1, 6].

Prensado: Los frutos digeridos son prensados dentro deuna canasta perforada horizontal de forma cilndrica, en

donde, por la accin mecnica de dos tornillos sinfn dpaso regresivo y girando paralelamente en sentido contrario, a travs de los huecos de la canasta, sale un licor mezcla con alto contenido de aceite mejor conocido comlicor de prensa y por la parte superior de los tornillos salla masa slida tambin conocida como torta de prensado

compuesta bsicamente por bras, nueces, y agua [6].

Claricacin. Posterior al prensado, al licor de prensa sle agrega agua para lograr una dilucin, sta misma faclita la separacin y puricacin del aceite en la etapa conocida como claricacin, este licor, contiene aceite, agulodos livianos (compuestos por pectinas y gomas) y lodopesados (compuestos por tierra, arena y otras impurezasPara lograr dicha separacin, se aprovecha la caracterstca de inmiscibilidad entre el agua y el aceite [1]. El procesde claricacin se divide en dos partes:

1.1.6.1. Claricacin esttica: en esta etapa se logra separar hasta el 90% del aceite contenido en el licor. Esto slogra por la decantacin, en condiciones de temperaturque faciliten el desplazamiento de las partculas por la dferencia de densidades. El aceite se recoge por rebose y e

bombeado hacia un proceso de secado [6].

1.1.6.2. Claricacin Dinmica: en esta etapa se requierpara la separacin un movimiento producido por unfuerza centrfuga, en el caso particular, haciendo uso paresto de una centrfuga deslodadora operando a altas velocidades. Durante esta etapa se logra una recuperacide alrededor del 10% de aceite contenido en el lodo ex

claricado. El aceite y los lodos livianos, tambin conocdo como recuperado de centrfuga, se recirculan hacia lclaricacin esttica junto con el licor de prensa; el aguy los lodos pesados (euentes en esta etapa) salen por la

boquillas o toberas y van hacia una etapa de tratamientposterior [6]

1.1.7. Secado. El aceite sale de la etapa anterior con un porcentaje de humedad e impurezas residuales que deben sereducidas o eliminadas en lo posible; para lograr esto esometido a una ltima etapa de secado en la cual se debreducir la humedad del aceite (como mnimo entre 0,1 0.2%); para esto se utiliza un secador al vaco que oper

entre 343,15 y 353,15 K. All se evapora la humedad deaceite mediante un vaco de alrededor de 27,5 in Hg. Eaceite de palma se bombea de esta etapa como productnal a su respectivo almacenamiento [6].

1.1.8. Palmistera. En esta etapa se realiza la recuperaciy acondicionamiento de la almendra o palmiste, contendo en la torta despus del prensado, esta etapa se realizen una planta de procesamiento de almendra ubicada poterior al proceso de obtencin del aceite de palma y no stuvo en cuenta dentro del desarrollo del presente trabajo



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1.2 Exerga y anlisis exergtico

Cuando dos sistemas en diferentes estados entran en con-tacto, existe una oportunidad de generar trabajo al pasardesde sus respectivos estados iniciales a un estado deequilibrio mutuo. Si el proceso ocurre de manera rever-

sible, entonces el trabajo generado tiene el valor mximo.Cuando hay irreversibilidades presentes durante el pro-ceso, entonces parte del potencial de generar trabajo queexista originalmente es disipado. Cuando uno de los sis-temas es el ambiente y el otro es el sistema de inters, en-tonces, se conoce como exerga al trabajo mximo que enteora pudiera obtenerse al pasar el sistema de su estadoinicial al estado de equilibrio con el ambiente al entrar am-

bos en contacto. Una vez especicado el Ambiente Establede Referencia (AER), la exerga puede considerarse unapropiedad del sistema de inters [7].

El balance exergtico en estado estacionario de manera ge-

neral se puede escribir como la exerga que entra al sistemaigualndola a la suma de las exergas que salen, se destruyeny se pierden del sistema respectivamente (ecuacin 1) [8].

(1)

En ausencia de efectos nucleares, magnticos, elctricos yde tensin supercial, la exerga total de un sistema puededividirse en cuatro componentes: exerga fsica, cintica,potencial y qumica [7-9] (Ecuacin 2).

(2)

En el presente trabajo no se tuvo en cuenta las energas nilas exergas cintica y potencial respectivamente ya quese consideran despreciables, de manera que la exerga es-pecca total de un ujo de materia se dene por mediode dos componentes: la exerga qumica y fsica como sepuede ver en la ecuacin 3 [10-12].

(3)

La exerga fsica de un sistema se obtiene mediante la si-guiente ecuacin 4 [6, 7, 9, 12-16].

(4)

La exerga qumica del sistema es el potencial de generartrabajo que posee ste respecto al ambiente al pasar del es-tado ambiental a un estado no slo de equilibrio termo-mecnico sino tambin qumico [7].

La exerga estndar de cualquier compuesto puede ser en-contrada en la literatura, sin embargo, cuando este datono est disponible, es posible calcularlo por medio de laaproximacin expresada en la ecuacin 5 [9 - 11, 17, 18].

(5

La exerga qumica de una mezcla es denida como lsuma de la exergas qumicas de las sustancias que la componen, ms la contribucin exergtica debido a la mezclde las sustancias en condiciones ideales; como se pued

observar en la ecuacin 6, usada por Pellegrini L., y otroautores en sus trabajos [6,9,10,17,19].

(6

Es importante resaltar que para las fuentes de energa sdenen los coecientes de conversin de exerga. En ecaso de los combustibles (carbn, petrleo, gas naturalel contenido exergtico es estimado multiplicando el poder calorco neto por un coeciente apropiado. Este coeciente puede ser usado para estimar la exerga qumicde cualquier combustible a partir de su poder calorco entalpa. El coeciente exergtico de la electricidad es considerado igual a 1; por lo tanto, 1 KJ de energa elctriccorresponde a 1 KJ de ujo exergtico [10, 16].

La exerga asociada a la transferencia de energa en formde calor depende de la temperatura a la que se produce erelacin con la temperatura del AER (ecuacin 7) [8, 15, 20

(7

La destruccin de la exerga se debe a la presencia de irreversibilidades durante el proceso y tambin est relacionada con la generacin de entropa por la siguiente ecua

cin conocida como teorema de Gouy-Stodola(ecuacin 8[7, 21].

(8

Se dene la eciencia exergtica () como la proporcin entre el producto y el recurso de un sistema expresados etrminos de la exerga (ecuacin 9) [7, 9, 11, 12, 14].

(9

El producto BPse reere al resultado deseado producidpor el sistema y el recurso Brse reere precisamente a lorecursos utilizados para generar el producto.

En las siguientes secciones se evidenciar la aplicacide los conceptos tericos presentados anteriormente y sidenticar la importancia de los mismos en el desarrolldel trabajo.

2. METODOLOGA

La metodologa implementada para la realizacin de esttrabajo consisti en tres etapas que son explicadas a continuacin. Cabe resaltar que esta metodologa es aplica



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ble a cualquier planta de benecio ya que el proceso deextraccin de aceite de palma africana est altamente es-tandarizado y es muy similar para las diferentes plantasextractoras en Colombia, diriendo principalmente en lacapacidad de procesamiento y disponibilidad de fruto.

2.1. Recopilacin de Datos del Proceso

Con el n de realizar la simulacin del proceso, se tuvie-ron en cuenta los siguientes pasos previos a sta:

Composicin de la materia prima. En primera instanciase denieron los componentes que conforman la materiaprima. Con base en la literatura se caracteriz el Racimode Fruto Fresco (RFF) con una composicin en peso demesocarpio 50%, racimos vacos 25%, nuez 14% y hume-dad 11% [6, 22, 23]. Cuyas composiciones se pueden verms detalladas en la gura 1.

Condiciones de operacin de la planta extractora. Se rea-liz una visita tcnica a una de las plantas que opera en laregin de San Alberto, Cesar, con el n de recopilar la ma-yor cantidad de informacin posible. Entre los datos brin-dados por la empresa, sobresalen los siguientes (Tabla 1):

Tabla 1. Generalidades de la planta extractoraTable 1. Overview of the extraction plant

DESCRIPCIN VALOR

Capacidad de procesamiento 30.000 kg/h

Sistema de recuperacin de calor y vapor NO

Sistema de co-generacin NO

Produccin promedio mensual de aceite de palma 2.100.000 kg*

Cantidad de vapor saturado requerida 12.000 kg/h

Energa elctrica que consume / ton RFF procesado 23 kW**

*Cantidad sujeta a disponibilidad de materia prima.**Incluyendo el proceso de palmistera.Fuente: Personal de la planta

Durante la visita, se hizo el reconocimiento del proceso,junto con las etapas llevadas a cabo all y sus respectivascondiciones de operacin: ujos msicos, temperaturas y

presiones que se encuentran resumidas en la gura 2. Sepuede apreciar que se cumple el principio de la conserva-cin de la masa.

El porcentaje de aceite de palma promedio en un racimode fruto fresco es del 24%. Sin embargo, en esta planta de

benecio se logra extraer el 22,5%.

2.2. Simulacin del Proceso

Se integraron los datos obtenidos durante la visita a la ex-tractora con las herramientas ofrecidas por el simulador

ASPEN PLUSTM. Para este proyecto, se trabaj en modSMS (Simulador Modular Secuencial por sus siglas eingles) ya que resuelve los balances de masa y energequipo a equipo, dividiendo el sistema en mdulos qucorresponden a las diferentes operaciones bsicas. Adems, trabaja en estado estacionario, estimando las caracte

rsticas del proceso, parmetros fsicos, requerimientos denerga y parmetros de los equipos para un caso especide diseo.

Para el ingreso de los componentes al simulador se us lbase de datos de Aspen PlusTMpara introducir los compuestos que intervienen en el proceso, sin embargo, funecesario crear algunos componentes hipotticos porquno estaban disponibles en el programa, tales como (hemcelulosa, celulosa, lignina, cenizas y todos los triglicridotanto del aceite de palma como de palmiste).

Figura 1. Composicin msica del racimo de fruto frescoFigure 1. Mass composition of fresh fruit bunch

Fuente: Los autores

2.2.1. Componentes hipotticos. Para crear cada componente fue necesario introducir tanto su estructura moleculacomo ciertas propiedades de las sustancias. Cuantos ms datos se introduzcan, ms datos generar Aspen PlusTM. Parcada uno de los triglicridos (TAGs) se introdujo su estructura molecular, posteriormente se calcularon sus propiedades termodinmicas a travs del mtodo de estimacin d



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Ambrose, nalmente se ingresaron estos valores al simula-dor. Dichos parmetros se reportan en la tabla 2 [24].

Figura 2. Diagrama del proceso de extraccin de aceite depalmaFigure 2. Scheme of palm oil extraction process

Fuente: Datos suministrados por la planta extractora.

2.2.2. Propiedades Termodinmicas. El modelo utilizadopara el clculo de los coecientes de actividad en la faselquida fue el NRTL (Non-Ramdom Two Liquid) y parala fase vapor se emple el modelo de la ecuacin de SRK (Soave-Redlich-Wrong) debido a la naturaleza de los com-puestos que intervienen en el proceso simulado [25].

2.2.3. Puesta en marcha.Habiendo especicado todas lacorrientes y sus condiciones de operacin, se procedi a smular cada una de las etapas del proceso, teniendo en cuenta para cada una las condiciones mostradas en la tabla 3.

Finalizada la simulacin, se utilizaron los datos del balance energtico arrojados por el software en el siguiente pasque se explica a continuacin:

2.3. Balance de Entropa y Exerga

Se deni el sistema identicando los ujos de entrada salida de cada etapa del proceso con sus respectivas condiciones de operacin. Se identic como producto principal el aceite de palma, como subproductos: las tusas la torta, como desechos: los lodos pesados, la descarga dvapor y los condensados. Cada etapa del proceso se analz de forma independiente.2.3.1. Balance de Entropa. Se aplic la segunda ley de ltermodinmica (SLT), (ecuacin 10), para calcular la entropa generada por etapa, seguido de esto se hall la exerg

destruida en cada una de ellas, utilizando el teorema dGouy-Stodola (ecuacin 8), con el n de comparar los resutados con los valores obtenidos de la evaluacin exergtica

(10

2.3.2. Evaluacin exergtica. Se calcul la exerga fsicpara cada corriente del proceso teniendo en cuenta sucondiciones de operacin y en el AER (ecuacin 4). Stom como temperatura y presin de referencia 298.15 K 101,325 kPa, respectivamente.

Tabla 2. Propiedades termodinmicas calculadas por el mtodo de AmbroseTable2. Thermodynamic properties calculated by Ambrose method

Propiedad TAGs PPP POP POO POL PLP OOO PSP LaLaM LaLaLa LaLaO LaMM CCLa

PM 807,3 833,3 859,3 857,3 831,3 885,4 861,4 667,0 639 721,1 695,1 582,8

Tc (K) 899 900 905 905 900 910 905 866 859 878 872 866Pc (bar) 5,09 4,94 4,81 4,84 4,98 4,68 4,77 6,24 6,54 5,77 5,97 7,23

Vc(cm3/mol) 2920 3015 3105 3085 2995 3195 3125 2373 2263 2574 2484 2043

W 1,67 1,7 1,72 1,72 1,7 1,74 1,72 1,55 1,52 1,6 1,58 1,45

Zc 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,21 0,21 0,2 0,2 0,2

Tabla 3. Condiciones de operacin para cada etapa del proceso.Table 3. Operating conditions for each stage.

Esterilizacin Desfrutamiento Digestin Prensado Decantacin Centrifugacin SecadoPresin 275,79 kPa 101,3 kPa 101,3 kPa 111,3 kPa 101,3 kPa 101,3 kPa -27,5 inH

Temperatura 443,15 K 343,15 K 368,15 K 368,15 K 365,35 K 358,15 K 363,15 K

Fuente: [6, 22,23]



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Las exergas qumicas especcas de algunas de las sus-tancias puras que intervienen en el proceso se encontraronreportadas en la literatura [19, 26, 27]. Para los compuestosque no se encontr esta informacin, se emple el mtodode contribucin de grupos de Joback [24] para el clculo dela energa libre de Gibbs de formacin necesaria para apli-

car la ecuacin 5 descrita anteriormente. Para el clculo dela exerga qumica de cada una de las corrientes se emplela ecuacin 6. Posterior a esto se hall la exerga especcatotal de cada ujo, para la cual se utiliz la ecuacin 3. Setuvo en cuenta la transferencia de exerga asociada al tra-

bajo, la cual es igual al trabajo mecnico suministrado poretapa y se calcul la exerga asociada a la transferencia deenerga en forma de calor (ecuacin 7).

Se encontr la eciencia exergtica para cada etapa delproceso por medio de la ecuacin 9. Teniendo en cuenta lasalida deseada que contiene el producto principal de cadaetapa y que contina el ujo del proceso (ver gura 3).

Finalmente, se calcul la exerga destruida en cada unidadde proceso por medio del balance exergtico general enestado estacionario (ecuacin 1) y asumiendo la exergaperdida y destruida como un todo (ecuacin 11) [7 - 9].

(11)

3. RESULTADOS

La evaluacin exergtica provee una alternativa de me-joramiento al proceso de extraccin de aceite de palma,

la cual puede ser utilizada como una herramienta paraidenticar prdidas de materia y energa, detectar reasque necesiten mejoras tecnolgicas mediante el clculode eciencias exergticas, entre otros. En este captulo sepresentan los resultados obtenidos en cada uno de los

pasos nombrados en el captulo anterior, junto con surespectivos anlisis.

3.1. Exerga Qumica

Se valid el uso de la ecuacin 5 comparando las exergaqumicas encontradas en la literatura para compuestocomo el cido palmtico, el vapor de agua, entre otros. Ltabla 4 presenta los valores de las exergas qumicas parvarios de los compuestos utilizados durante el proceso.

Tabla 4. Exerga qumica de algunos compuestosTable 4. Chemical exergy of some compounds

Compuesto kJ/mol Compuesto kJ/molAgua (Liquida) a 0,9 cido Oleico e 11239,16

Vapor b 9,5 Slice d 1,9Vapor e 9,34 Slice e 2,2

cido Palmtico b 10031,62 Tripalmitina e 31948,55

cido Palmticoc

10277,39 Trilaurinae

889,62cido Palmtico e 10089,06 Celulosa e 2749,9

Fuente: a Exergy analysis of sugarcane bagasse gasication [19], b Handbook of Chemistry and Physics [27], c Standard chemical exergy of elments updated [28], d Prediction of standard chemical exergy by a thredescriptors QSPR model [26], e Calculado por la ecuacin 5.

3.2. Exerga Asociada a Flujos de Masa

Los resultados arrojados por el programa, tales como entalpas y entropas a condiciones de operacin (tabla 5sirvieron como base para calcular las exergas asociadas ujos de materia para cada etapa del proceso y se encuen

tran reportadas junto con el esquema de la simulacin ela gura 3. En esta gura se puede ver claramente que lexerga no se conserva como ocurre en el caso de la enega, y contrario como ocurre con la entropa que se generasta se pierde y/o se destruye.

Figura 3. Simulacin del proceso de extraccin de aceite de palma en Aspen PlusFigure 3. Simulation of palm oil extraction process in Aspen Plus

Nota: valores de exerga en MJ/kg aceite



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Tabla 5. Propiedades reportadas por el simulador de las corrientes ms importantesTable 5. Properties of main currents reported by the simulator

CORRIENTES PRESIN(kPa)TEMPERATURA

(K)

ENTALPAESPECFICA

(kJ/kmol)

ENTROPAESPECFICA (kJ/

kmol*K)

RFF 101,35 303,2 -262.759,5 -133,19

VAPOR SATURADO 420,85 420,8 -23.769,2 -44,98

RAQUIS 101,35 343,2 -234.943,4 -116,69

TORTA DE PRENSA 101,35 368,2 -270.294,9 -142,08

ACEITE DE PALMA 101,35 365,4 -65.122,39 83,27

Fuente: Aspen PlusTM.

De igual forma, en la gura 3 se observa que la exergaincorporada a una sustancia durante el proceso es tambinuna medida de la calidad del material. En este caso, semejora la calidad del RFF (123,89 MJ/kg aceite) para pro-ducir aceite de Palma (191,42 MJ/kg aceite). Tambin esposible apreciar que la exerga contenida en las corrientesde descarga de vapor y condensados no se aprovecha en laplanta de benecio, emitindose al ambiente.

Los lodos pesados resultantes de la claricacin tienenun contenido exergtico de 1,55 MJ/kg de aceite, el cuales aprovechado en un proceso posterior de tratamiento de

euentes para la recuperacin de aceite residual. ste seejecuta con el propsito de disminuir la carga orgnicaque es emitida al ambiente y cumplir con la normatividadambiental aplicable para esta industria.

De los subproductos del proceso el que presenta el mayorvalor exergtico son los raquis o tusas, el cual es de 44,22MJ/kg de aceite, como se puede ver en la gura 3. Siendoaproximadamente la mitad de la exerga de la corriente defrutos que contina en el proceso. Aunque estos son trata-dos (proceso posterior) y utilizados como acondicionadorde suelos, es posible estudiar la posibilidad de utilizar esetrabajo til para la produccin de bioetanol, teniendo encuenta que estn constituidos de material lignocelulsico(celulosa, hemicelulosa y lignina); es decir, se evidencia supotencial uso para producir azcares simples.

3.3. Evaluacin Exergtica por Etapas

A travs del anlisis exergtico fue posible determinar lasirreversibilidades o la exerga perdida para cada una de

las etapas del proceso y estimar el porcentaje de cada unsobre la exerga total destruida, como se puede apreciaen la tabla 6.

Tabla 6.Exerga destruida de las principales etapasTable 6.Irreversibilities of the main stages

Etapadel proceso

Exerga des-truida MJ/kg

aceite

% de exergadestruida

EcienciaExergtica

(%)Esterilizacin 31,57 21% 80

Desfrutamiento 18,13 12% 57

Digestin 33,40 23% 71

Prensado 57,52 39% 57

Claricacin 3,69 3% 97

Secado 2,68 2% 99

Total 146,99 100%

Fuente: Los Autores

3.4. Estimacin de la Exerga Destruida por Medio deTeorema de Gouy-Stodola

A lo largo de este captulo, se presentaron los resultadoobtenidos para el proceso de extraccin de aceite de pama a travs de la evaluacin exergtica, adicionalmentese us teorema de Gouy-Stodola, el cual relaciona la exega destruida con la entropa generada en cada etapa deproceso. En la gura 4 se pueden observar los valores parcada uno de los mtodos de estimacin empleados locuales son muy similares, de esta forma es posible validael correcto uso de la herramienta de anlisis exergtico.



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Figura 4. Comparacin entre anlisis exergtico y teoremade Gouy-StodolaFigure 4. Comparison between exergy analysis and Gouy-Stodola theorem

Discusin de los resultados

A continuacin se har una pequea discusin sobre los resulta-dos obtenido durante el estudio realizado.

Como primera instancias, en la tabla 6 se evidencia que en laetapa de esterilizacin se pierde el 21% de la exerga totaldestruida durante el proceso, adems se aprecia que estaetapa tiene una eciencia exergtica del 80%, esto podraindicar a groso modo que se cumplen de manera aceptablelos objetivos de la esterilizacin, a pesar de que exista undesperdicio de energa til considerable. De manera quees importante tener en cuenta que las autoclaves se cierrenhermticamente, evitar cualquier tipo de fuga y darle al-

gn uso alternativo a las corrientes de descarga de vaporresidual y condensados, para as minimizar las prdidasde energa hacia los alrededores. La mejora de esta eta-pa podra aportar una reduccin del consumo de vapor,ya que esta etapa demanda aproximadamente el 50% deltotal que requiere la planta, aproximadamente 400 kg va-por/ton de fruto.

El desfrutamiento es la etapa presenta la ms baja ecien-cia exergtica junto con el prensado, a causa del conteni-do de aceite que puede estar impregnado en el raquis y/oen los frutos que no se logran separar. Adicionalmente, esposible estimar que la exerga destruida es debida no solo

a la prdida de producto sino tambin a las prdidas portransferencia de calor hacia el exterior y al impacto de losracimos en el tambor rotatorio. Por otro lado la clarica-cin es la etapa que presenta una eciencia exergtica del97%. Este valor es debido a que se logra puricar correc-tamente el licor de prensa de los compuestos no deseadosy as recuperar la mayor cantidad de aceite posible. Lasirreversibilidades son tan solo el 3% del total de exergadestruida en el proceso, evidencindose que la clarica-cin junto con el secado sobresalen como las dos etapasms ecientes del proceso.

4. CONCLUSIONES

En este estudio se realiz la evaluacin exergtica dproceso de extraccin de aceite de palma africana (Elae

guineensisJacq) llevado a cabo en una planta extractora real y que opera en la regin de San Alberto (CesarSe estimaron las irreversibilidades del proceso en 993GJ/h teniendo como base 6.756 kg/h de aceite extradopartir de 30.000 kg/h de racimo de fruto fresco.

A partir del anlisis exergtico se identic la localizacin y magnitud de los principales sumideros de exega (relacionados con mayores prdidas de energtil) siendo el prensado y la digestin las etapas qupresentan las mayores prdidas exergticas de 388,7 225,7 GJ/h respectivamente.

Mediante la metodologa aplicada, se evalu la ecien

cia exergtica para cada una de las etapas del processiendo el secado y la claricacin las que sobresalecon un 99 y 97% respectivamente. Se compararon lovalores obtenidos mediante el teorema de Gouy-Stodola con los resultados del balance exergtico, encontrndose un alto grado de convergencia entre ellos.

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