Diseño y Simulación de Una Torre de Absorción Empacada Para Remover Co2 Del Biogás Proveniente...
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1 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN EMPACADA PARA REMOVER CO 2 DEL BIOGÁS PROVENIENTE DE UN DIGESTOR ANAEROBIO DE GLICEROL RESIDUAL Sergio Alejandro Cáceres 1, a ; Lorena Catherine Cifuentes 1, b ; Jose Jaime Daza 1, c ; Edith Johanna Díaz 1, d ; Ana María Gómez 1, e 1 Operaciones Unitarias II, Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander Agosto 5 de 2015 a 2112511; b 2112843; c 2112517; d 2114002; e 2112494 RESUMEN El objetivo de este estudio, es utilizar el simulador Aspen Hysys 8.2. para realizar el diseño operativo de una torre de absorción para remover el dióxido de carbono (CO 2 ) de una corriente de biogás. Este proceso con el fin de aumentar el poder calorífico y la capacidad energética de este producto principal de la digestión anaerobia. El biogás se obtuvo en un bioreactor a razón de 1.289 Kmol/h, y utilizó como sustrato glicerol residual proveniente de una planta de biodiesel, diluido al 30% que operó 39°C. Para la torre de absorción se utilizó monoetanolamina (MEA) diluida al 30% como solvente, que fue alimentado por la parte superior de la torre, y se evaluó la composición de CO 2 absorbido frente a variaciones de temperatura, presión del gas ácido, presión en el fondo de la torre y flujo molar de solvente. La torre empacada fue dimensionada de 1 m de diámetro, 5 m de altura, y el empaque consistió en anillos Pall de plástico de 25 mm. Se logró la disminución del CO 2 en el gas desde un 35,76% hasta un 0.00798%. 1. INTRODUCCIÓN Una alternativa sostenible al tratamiento de residuos orgánicos tanto industriales como urbanos es la digestión anaerobia, pues en ella más del 90% de la energía disponible en esta materia se transforma por oxidación directa en biogás, consumiéndose sólo un 10% de la energía en el crecimiento bacteriano frente a un 50% consumido en el proceso aerobio (Acosta et al, 2005) y los productos principales –biogás y biol- son de alta utilidad. El biogás es una fuente energética renovable, segura y de fácil manejo compuesta principalmente de metano -CH 4 - con porcentajes entre 70 y 50%, y dióxido de carbono -CO 2 - entre 30 y 50%, y que contiene pequeñas cantidades de N 2 , O 2 , H 2 y H 2 S. El biol consiste en un lodo estabilizado con mayor contenido
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Endulzamiento de biogás con aminas
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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN EMPACADA PARA
REMOVER CO2 DEL BIOGÁS PROVENIENTE DE UN DIGESTOR ANAEROBIO DE
GLICEROL RESIDUAL
Sergio Alejandro Cáceres1, a
; Lorena Catherine Cifuentes1, b
; Jose Jaime Daza1, c
; Edith Johanna Díaz1, d
;
Ana María Gómez1, e
1Operaciones Unitarias II, Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander
Agosto 5 de 2015
a2112511;
b2112843;
c2112517;
d2114002;
e2112494
RESUMEN
El objetivo de este estudio, es utilizar el simulador Aspen Hysys 8.2. para realizar el diseño operativo de
una torre de absorción para remover el dióxido de carbono (CO2) de una corriente de biogás. Este
proceso con el fin de aumentar el poder calorífico y la capacidad energética de este producto principal de
la digestión anaerobia. El biogás se obtuvo en un bioreactor a razón de 1.289 Kmol/h, y utilizó como
sustrato glicerol residual proveniente de una planta de biodiesel, diluido al 30% que operó 39°C. Para la
torre de absorción se utilizó monoetanolamina (MEA) diluida al 30% como solvente, que fue alimentado
por la parte superior de la torre, y se evaluó la composición de CO2 absorbido frente a variaciones de
temperatura, presión del gas ácido, presión en el fondo de la torre y flujo molar de solvente. La torre
empacada fue dimensionada de 1 m de diámetro, 5 m de altura, y el empaque consistió en anillos Pall de
plástico de 25 mm. Se logró la disminución del CO2 en el gas desde un 35,76% hasta un 0.00798%.
1. INTRODUCCIÓN
Una alternativa sostenible al tratamiento
de residuos orgánicos tanto industriales
como urbanos es la digestión anaerobia,
pues en ella más del 90% de la energía
disponible en esta materia se transforma
por oxidación directa en biogás,
consumiéndose sólo un 10% de la
energía en el crecimiento bacteriano
frente a un 50% consumido en el
proceso aerobio (Acosta et al, 2005) y
los productos principales –biogás y biol-
son de alta utilidad. El biogás es una
fuente energética renovable, segura y
de fácil manejo compuesta
principalmente de metano -CH4- con
porcentajes entre 70 y 50%, y dióxido de
carbono -CO2- entre 30 y 50%, y que
contiene pequeñas cantidades de N2,
O2, H2 y H2S. El biol consiste en un lodo
estabilizado con mayor contenido
2
mineral y menor contenido de materia
orgánica, que tiene principal aplicación
como bio-abono debido al alto contenido
de nutrientes (Acosta et al, 2005).
A pesar de que todas las fuentes de
energía renovables combinadas
contabilizan sólo el 17,6% de la
producción de energía en el mundo
(Goswami y Kreit, 2007), en Colombia el
aumento en el uso de fuentes
renovables de energía fue del 1,5%
entre 2008 y 2013 (Severiche et al,
2013) lo que hace que la opción del
biogás sea llamativa debido a la
autonomía y autosuficiencia de las
plantas de tratamiento, a que su
combustión no produce humos visibles,
su carga es infinitamente menor que el
humo proveniente de la quema de
madera y sólo genera monóxido de
carbono (CO) y vapor de agua (Martí,
2008).
1.1. Producción de biogás a partir
de glicerol residual
El glicerol, también conocido como
glicerina, es un compuesto líquido a
temperatura ambiente, incoloro y
viscoso. Antiguamente, el glicerol
utilizado a nivel mundial procedía de la
saponificación de las grasas en la
industria jabonera, pero hoy en día,
también se obtiene como subproducto
en la elaboración del biodiesel (Indiveri
et al, 2011).
La glicerina pura se utiliza como materia
prima para la elaboración de un amplio
rango de productos químicos, pero para
esto debe cumplir con un alto grado de
pureza y calidad (Indiveri et al, 2011).
Es por esta razón, que la glicerina cruda
proveniente de la elaboración del
biodiesel debe ser tratada y purificada
mediante procesos altamente costosos,
situación que no hace rentable su
utilización.
Debido a que la implementación de
procesos biotecnológicos se hace con el
fin de utilizar cada uno de los recursos
disponibles, la producción de biodiesel
sería más completa si se utilizaran todos
los subproductos. Además, para elevar
su viabilidad económica se ha propuesto
convertir las plantas de biodiesel en
biorefinerías, en donde cada fracción de
materia prima es utilizada para un
producto final específico (Montoya et al,
2010). Una de las alternativas más
llamativas para el tratamiento del
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glicerol residual es la digestión
anaerobia, ya que representa una buena
fuente de carbono para este proceso,
además, el biogás es un producto
valioso si se considera su utilización
como combustible para la generación de
energía eléctrica (Indiveri et al, 2011).
1.2. Absorción de CO2 con aminas
Existe una gran necesidad de aumentar
el contenido energético del biogás
debido a que éste es utilizado en
muchas ocasiones para producir
energía a través del uso de motores de
combustión interna, lo cual se logra
removiendo el CO2 y los contaminantes
(Salazar et al, 2012). La eliminación del
dióxido de carbono también se hace
imprescindible debido a que es un gas
soluble en agua, y la solución que se
genera puede ser ácida como resultado
de la formación de ácido carbonilo, de
ahí su propiedad corrosiva en presencia
de agua que puede ocasionar daños a
los equipos (Erdmann et al, 2012).
Es muy importante, a la hora de
remover el CO2 del gas, que las
pérdidas de metano sean mínimas, por
razones económicas y sobre todo
ambientales, pues el CH4 es un gas de
efecto invernadero 21 veces más
contaminante que el dióxido de carbono
(Salazar et al, 2012).
Se ha demostrado que la absorción
química aumenta la velocidad de
remoción de gases ácidos (Salazar et al,
2012) y como las aminas han sido
ampliamente estudiadas por muchos
años para remover las impurezas del
gas natural (Morero et al, 2013) son
frecuentemente utilizadas en sistemas
de tratamiento de gas natural y biogás,
producción de CO2 puro, producción de
H2, etc. por su alta efectividad (Salazar
et al, 2012).
Este estudio describe el proceso de
endulzamiento del biogás que consiste
en eliminar los componentes ácidos que
se encuentran en mínimas
proporciones, y en la remoción del CO2
mediante una simulación de una torre
empacada utilizando ASPEN HYSYS
8.2. La absorción se llevará a cabo
utilizando una solución acuosa de
monoetanolamina (MEA) al 30% como
solvente, y será preciso determinar las
condiciones de operación de la torre
empacada que trata el biogás obtenido
de un biodigestor que opera a 39°C, con
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5000g/h de glicerol residual diluido al
30% como sustrato.
2. SIMULACIÓN
2.1. Bioreactor Para la simulación del reactor se
escogió el paquete de fluidos General
NRTL (ideal), ya que este paquete se
aplica a sistemas que tengan un amplio
rango de puntos de ebullición entre
componentes.
La alimentación de glicerol diluido al
reactor fue de 108 Kmol/h y de agua
253,35 Kmol/h.
Tabla 1. Presión, Temperatura y flujos de
entrada y salida del bioreactor.
Tabla 2. Composiciones molares de entrada y
salida del reactor.
Los resultados obtenidos de la
simulación son los mostrados en las
tablas 1 y 2.
Del bioreactor sale una corriente líquida,
biol, que es el efluente y una corriente
de gas ácido que será alimentado a la
torre de absorción para ser purificado.
La cantidad de gas que sale del
bioreactor es de 1.289 Kmol/h, éste gas
tiene 57,71% de metano, 35,76% de
dióxido de carbono y 6,53% de agua
(fracciones mol), en cuanto al glicerol
que sale en esta corriente es
prácticamente cero.
2.2. Torre de Absorción
2.2.1. Amina Escogida
La MEA es usualmente usada en la
absorción de CO2, en concentración
másica en solvente en una variación del
15-35% (Dinca et al, 2014). Teniendo en
cuenta las condiciones de mayor
eficiencia de la amina escogida y las
restricciones del programa de
simulación Aspen Hysys
(concentraciones inferiores al 30%), se
opta por alimentar la torre de absorción
con una concentración del 30% de
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acuerdo con los datos obtenidos en la
gráfica 1.
Gráfica 1. Concentraciones de CO2 absorbidas
para diferentes concentraciones de solvente
MEA. (Dinca et al, 2014)
Gráfica 2. Absorción de CO2 para MEA al 30% a
40 y 60°C. (Dinca et al, 2014)
En cuanto a la temperatura
seleccionada, la MEA en concentración
de 30%, tiene una mejor absorción de
CO2 en un rango de temperaturas
comprendidas entre 40-60 °C, como se
puede apreciar en la gráfica 2 (Dinca et
al, 2014).
Se decide entonces trabajar a 30°C
dadas las condiciones del proceso y
restricciones de programa simulador
Aspen Hysys.
2.2.2. Tipo de Empaque
De acuerdo con los resultados
obtenidos usando diferentes empaques
en la simulación de la absorción de CO2
con MEA, se observó que, es apropiado
utilizar empaques con un factor de
espacio vacío de 90%, con lo anterior, la
literatura describe que los anillos Pall
tienen una fracción de vacío de este
porcentaje (McCabe, 2007). De igual
forma en modelos matemáticos usados
en plantas piloto, para una gran
eficiencia en captura de CO2 con una
concentración del 30% en MEA, se
observa que los anillos de plástico Pall
son recomendados por su bajo costo y
alta eficiencia. Otro motivo para utilizar
este empaque es la disponibilidad
comercial del mismo y la variedad de
diámetros que este tipo de empaque
presenta (Dinca et al, 2014). Se realiza
la simulación entonces, con empaques
Pall de plásico de 25 mm (1in).
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2.2.3. Altura y Diámetro de la
Torre
De la misma forma por medio de prueba
y error utilizando el simulador Aspen
Hysys 8.2., a 30% de concentración de
MEA y 30ºC, se observó que la mejor
captura de CO2, se daba cuando la
altura de la torre se encontraba en el
rango de los 3.5 a 6 metros de longitud
y el diámetro oscilaba entre los 1 a 1.5
metros de longitud; Por tanto apoyados
en los resultados observados en el
simulador y en pruebas piloto
encontrados en la literatura, se
determina que el diseño de la torre
consiste en una altura de 5 metros y un
diámetro de 1 metro. Algunos resultados
de plantas piloto graficados se observan
a continuación (Dinca et al, 2014):
Figura 1. Altura de la columna acorde al tipo de
empaque. (Dinca et al, 2014)
2.3. Simulación
En cuanto a la torre de absorción, el
paquete de fluidos empleado fue el
NRTL “PR” (Peng Robinson) el cual es
para soluciones de compuestos
orgánicos en presencia de agua y Peng
Robinson por su gran aproximación con
Hidrocarburos, en este caso Metano.
Figura 2. Diagrama de flujo del proceso.
Junto a la corriente de gas que sale del
bioreactor, se alimenta una corriente de
solución Amina-agua, con
concentraciones mencionadas
anteriormente.
El diagrama del proceso está indicado
en la figura 2.
En cuanto a la tabla 4, las
concentraciones en la corriente rica en
Amina que se obtuvieron fueron de:
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MEA 25,98%, 6,84% de CO2, 5,47%
CH4 y 61,71% de agua (fracciones mol).
Tabla 3. Temperatura, Presión y flujos de entrada y salida de la torre de absorción.
Tabla 4. Fracciones mol en tope y fondo de la
torre de absorción.
En la corriente de interés, gas dulce, las
concentraciones en fracción mol al final
del proceso fueron: 0.0212% MEA,
0.00798% de CO2, 97,22% CH4 y 2,75%
de agua.
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Se hacen un estudio de resultados con
el fin de evaluar los efectos de las
variables más representativas. En todos
los casos, se graficó la concentración
molar de metano, junto con la
concentración molar de CO2 en la
corriente de gas dulce, como variables
dependientes; mientras que se
mantenían constantes los parámetros
que se nombraron en la descripción de
la simulación.
Gráfica 3. Fracción molar en el gas dulce vs
Temperatura en el flujo de solución amina pobre.
Para la gráfica 3, se observa que entre
mayor sea la temperatura de la solución
de amina a la entrada de la torre de
absorción, la cantidad de CO2 en la
corriente rica en metano, aumenta, lo
cual no es conveniente, puesto que lo
ideal es que la corriente de metano
salga con baja concentración de CO2 o
idealmente que no salga nada de este.
Para esta simulación la solución amina-
agua en la entrada, tenía una
temperatura de 30°C, en la gráfica se
puede observar que es una temperatura
óptima, y aunque a temperaturas
menores la transferencia de masa es
mejor, enfriar la amina por debajo de
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30°C no representa una disminución
considerable en la concentración de
CO2 a la salida de la torre en la
corriente de metano, por lo tanto sería
un gasto innecesario de energía.
Gráfica 4. Fracción molar en el gas dulce vs
Flujo molar de solución amina pobre.
En cuanto a la gráfica 4, se puede
observar que el flujo de entrada de la
solución amina es adecuado para
purificar el metano, ya que si el flujo de
solución amina aumenta, la cantidad de
CO2 removido es prácticamente el
mismo, esto representa una gran
ventaja también en términos de costos,
ya que aumentar el flujo representa un
mayor gasto económico y no se
remueve más de lo que se está
absorbiendo con el flujo trabajado que
fue de 5.842 kg-mol/h.
Gráfica 5. Fracción molar en el gas dulce vs
Presión en el fondo de la torre.
En la gráfica 5, se puede concluir que la
torre no necesita presiones muy altas a
la entrada para lograr una eficiente
absorción de CO2 para purificar el
metano, ya que si aumenta la presión en
el fondo, la transferencia de masa será
prácticamente la misma, por lo tanto no
es viable económicamente aumentar la
presión, ni necesario.
Gráfica 6. Fracción molar en el gas dulce vs
Presión del gas ácido de entrada.
De la gráfica 6, se puede observar que
la variación de la presión del gas a la
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entrada, no afecta en mayor medida la
concentración de metano a la salida del
gas, por lo tanto sería recomendable
ingresar el gas a presión atmosférica,
para evitar gastos energéticos.
4. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
El proceso de endulzamiento de biogás,
se puede simular de manera simple. Un
proceso real contendría muchos más
equipos que ayudarían a una
recuperación del solvente y una posible
reutilización del mismo y de la sustancia
absorbida, en este caso CO2.
De acuerdo a la simulación realizada y
los datos obtenidos, se puede observar
que, a concentraciones no muy altas de
la amina, el proceso de remoción de
CO2, es muy eficiente esto se ve
reflejado en la concentración rica en
metano.
La amina MEA es un solvente óptimo
para este tipo de separaciones porque
trabaja a condiciones ambientales, y
bajo estas el CO2 tiene un alto grado de
solubilidad con la amina. Sin embargo
valdría la pena probar una combinación
de aminas con el fin de aumentar la
eficiencia del proceso.
Durante el proceso hay presencia de
agua tanto en la corriente rica en
metano, como en la corriente de amina
con CO2. Para la corriente de amina, no
hay interés si sale agua, pero para
utilizar la corriente de metano, es
necesario retirar el agua, ya que como
combustible, el metano necesita estar lo
más puro posible, y el agua le quita
potencia a la combustión.
Dependiendo del paquete de fluidos
utilizado, la pureza del metano puede
llegar a variar esto ocurre por el modelo
matemático que utiliza cada paquete y
las consideraciones que maneje éste.
La simulación puede llegar a tener
problemas de convergencia porque el
paquete no abarca las especificaciones
del problema.
5. BIBLIOGRAFÍA
ACOSTA, Y., ABREU, M. La digestión
anaerobia: Aspectos teóricos. Parte I.
Red de Revistas Científicas de América
Latina, el Caribe, España y Portugal.
2005.
DINCA, C., BADEA, A., STOICA, L.,
PASCU, A. Absorber design for the
10
improvement of the efficiency of post-
combustion CO2 capture. The Romanian
Academy of Scientists. Bucharest,
Romania, 2014.
ERDMANN, E., RUIZ, L., MARTÍNEZ, J.,
GUITIERREZ, J., TARIFAS, E.
Endulzamiento de gas natural con
aminas. Simulación del proceso y
análisis de sensibilidad paramétrico.
Instituto de Investigaciones para la
Industria Química. Buenos Aires,
Argentina, 2012.
GOSWAMI, D., KREITH, F. Global
Energy System. In Handbook of Energy
Efficiency and Renewable Energy, Ed.
D. Yogi Kreith and Frank Goswami,
1560, United States of America: CRC
Press. 2007.
INDIVIERI, M.E., PÉREZ, P.S., VAN
STRALEN, N., OLIVA, A., NÚÑEZ, M.J.,
LLAMAS, S. Utilización de glicerina
residual de producción de biodiesel
como co-substrato para la producción
de biogás. IV Congreso Nacional – III
Congreso Iberoamericano de Hidrógeno
y Fuentes Sustentables de Energía. Mar
del Plata, Argentina, 2011.
MARTÍ, J. Biodigestores familiares: Guía
de diseño y manual de instalación. GTZ-
Energía. La Paz, Bolivia, 2008.
McCABE, M. Operaciones Unitarias en
Ingeniería Química. McGraw-Hill.
México, 2007.
MONTOYA, D., CAYCEDO, O.
Bioprocesos aplicados a la valorización
del glicerol residual en la producción de
biodiesel. Instituto de Biotecnología,
Universidad Nacional de Colombia.
Bogotá, Colombia, 2010.
MORERO, B., CAMPANELLA, E.
Simulación del proceso de absorción
química con soluciones de aminas para
la purificación de Biogás. Universidad
Nacional del Litora. Santa Fé, Argentina,
2012.
SALAZAR, J., HUERTAS, J. Evaluación
de la eliminación de CO2 y H2S por
endulzamiento de biogás usando
soluciones acuosas de alcanolaminas.
XIX Simposio Peruano de Energía Solar
y del Ambiente (XIX-SPES), Puno, Perú,
2012.
11
SEVERICHE, C., ACEVEDO, R. Biogás
a partir de residuos orgánicos y su
apuesta como combustible de segunda
generación. Universidad Tecnológica de
Bolívar. Cartagena, Colombia, 2013.
