Obtención de aditivos oxigenados para combustibles a partir de glicerina

Resumen

La concienciación por la conservación del medio ambiente sumada al aumento de consumo de energía a nivel global, ha hecho que la producción de biocombustibles experimente una tendencia creciente en su volumen de producción. Uno de estos carburantes es el biodiésel, cuyo proceso de producción principal es la transesterificación de aceites y grasas vegetales y animales. Dicho proceso lleva asociado una producción de glicerina (en torno a 11 kg por cada 100 kg de biodiésel). Es por ello que en los últimos años la búsqueda de vías de reutilización y/o valorización de este subproducto cuyo mercado está prácticamente saturado ha ido adquiriendo importancia en el campo de la investigación [1]. Entre otras, la producción de aditivos para combustibles basados en glicerina ha cobrado un importante papel como ruta viable de conversión [2]. Por otro lado, en la industria petroquímica es posible encontrar un producto susceptible de participar en este proceso y cuya coyuntura de mercado podría resultar interesante para ello: la acetona. Este compuesto es un subproducto del proceso de producción del fenol vía oxidación de cumeno. Así, a través de la reacción de acetalización de la glicerina con acetona, es posible obtener un producto de nombre comercial solketal (2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-metanol). En la bibliografía disponible es posible encontrar algunos trabajos que estudian el comportamiento desde el punto de vista termodinámico y cinético de esta reacción [3], [4]. En este trabajo se ha abordado un análisis exhaustivo de la reacción de acetalización, desarrollando un modelo cinético a partir de datos obtenidos a escala laboratorio (en un reactor tipo batch y en presencia de etanol como disolvente). Tras esto, y como novedad principal de la primera etapa del presente trabajo, dicho modelo ha sido validado en una planta a escala bench con un reactor tubular en un proceso libre de disolvente. Para todo ello se ha desarrollado un método que incluye la recolección de datos en laboratorio, la propuesta de diferentes modelos típicos de la catálisis heterogénea y la determinación del modelo cinético que mejor se ajusta a los resultados experimentales. Finalmente, y mediante la integración de la ecuación de balance de materia en un reactor tipo tubular (suponiendo comportamiento ideal), se ha comprobado que dicho modelo predice de manera fiable los resultados obtenidos a una escala mayor y en ausencia de disolvente. Además de esto, se ha estudiado el efecto de las posibles impurezas que puedan presentarse en los reactivos: agua, sales disueltas y materia orgánica no glicerínica típicamente presentes tras el proceso de transesterificación de la glicerina, y productos de la condensación aldólica de la acetona en medio ácido, así como agua, solketal y glicerina, procedente de la posible recirculación de acetona. Estos estudios realizados en continuo hacen pensar en la acetalización como un proceso catalítico aparentemente robusto y estable. Tras el proceso de producción, es necesario el fraccionamiento del efluente. En este trabajo se ha abordado el estudio y caracterización de la destilación de esta corriente: (i) caracterizando las mezclas binarias principales mediante la determinación de sus coeficientes de interacción binarios del modelo non-random two liquids (NRTL) a partir de dos métodos diferentes y (ii) realizando la separación de los compuestos en equipos de destilación de una sola etapa (rotavapor). No obstante, aunque es posible encontrar numerosos trabajos que avalan el uso de este acetal como aditivo para combustibles [5] [6] [7], en estudios previos a esta tesis (resumidos en el Anexo I del presente documento) se ha podido comprobar que existen limitaciones de solubilidad en gasóleo. Así pues, se ha abordado un siguiente paso de modificación de esta molécula que solventaría dicho problema, dando lugar a una molécula, y sus isómeros, que no se encuentra descrita en la bibliografía consultada, por lo que se ha realizado un estudio en profundidad de esta nueva reacción de producción de acetales modificados. Dicho trabajo, sus resultados y principales conclusiones, y debido a que se encuentra protegido por una patente en curso, y por tanto es confidencial, será omitido de esta memoria pública. Finalmente, y a partir de los conocimientos adquiridos a lo largo del estudio, se ha realizado una simulación conceptual del proceso completo que permiten evaluar algunas posibles modificaciones en la configuración del proceso y características de los reactivos a utilizar. A partir de dicha simulación, y teniendo en cuenta los precios de mercado disponibles, se puede realizar un estudio económico del proceso de acetalización y modificación posterior basado en el precio de las materias primas y productos implicados en dicho proceso.