Trabajo Hy Sys

7/23/2019 Trabajo Hy Sys

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Simulacin del proceso de produccin de biogs a partir deglicerol residual y purificacin del mismo mediante absorcin

qumica con soluciones de aminas

Lina Mara Abril Moreno; Silvia Juliana Flrez Yepes; Walter Jess Rivera Morad; Felipe Sanabria

Martnez; Oscar Humberto Sierra Castaeda

Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia

Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas, Escuela de Ingeniera Qumica

Operaciones Unitarias II

RESUMEN

La bsqueda de alternativas energticas de origen renovable y la disminucin de gases

de efecto invernadero provenientes de la descomposicin de desechos orgnicos hacen

del biogs una prometedora alternativa para la sustitucin de combustibles fsiles y para

la valorizacin energtica de residuos orgnicos (Severiche & Acevedo, 2013). El biogses un valioso combustible renovable y sus principales componentes son metano (CH4),

agua (H2O), dixido de carbono (CO2) y cido sulfhdrico (H2S); estos dos ltimos

generan un problema ya que son perjudiciales para los diferentes equipos de

procesamiento de biogs y pueden conducir a la produccin de emisiones contaminantes.

Debido a esto, existen diversas tecnologas para su purificacin y una de ellas es la

absorcin con aminas. En este trabajo, se simul una planta de endulzamiento de biogs

con aminas, con el objetivo de comparar las concentraciones de metano y anhdrido

carbnico en el gas purificado.

Palabras clave:Purificacin con aminas, dixido de carbono, metano, torre de absorcin,simulacin.

INTRODUCCIN

Las necesidades energticas de nuestro planeta son satisfechas hasta en un 90% con la

utilizacin de combustibles fsiles (petrleo, gas licuado de petrleo, carbn), todos ellos

extinguibles en un futuro cercano, fuertemente contaminantes y utilizados en forma

ineficiente (Severiche & Acevedo, 2013). Por esta razn, en los ltimos aos ha surgido la

necesidad de sustituir la utilizacin de dichos combustibles fsiles por fuentes alternativas

de generacin de energa.

El biogs es un biocombustible producido por la digestin anaerobia de residuosorgnicos, que pueden provenir de fuentes industriales, municipales o agrcolas; la

composicin aproximada del biogs es 60% de metano, 35% anhdrido carbnico, 4%

vapor de agua y un mximo de 1% de cido sulfhdrico. El metano es el nico compuesto

con propiedades combustibles, mientras que los dems constituyentes causan problemas

de corrosin y disminuyen la eficiencia del equipo; por esta razn es necesaria la

purificacin del gas con el fin de eliminar o disminuir la concentracin de dichos

compuestos indeseados.


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El dixido de carbono es un gas incoloro e inodoro, que a concentraciones bajas no es

txico pero en concentraciones elevadas incrementa la frecuencia respiratoria y puede

llegar a producir sofocacin. El dixido de carbono es soluble en agua, y la solucin

generada puede ser cida como resultado de la formacin de cido carbonilo, de aqu la

propiedad corrosiva que el CO2 presenta en presencia de agua (Martnez & Velzquez de

Bermdez, 2006).

Las aminas han sido ampliamente estudiadas por muchos aos para remover las

impurezas del gas natural (Kohl y Nielsen, 1997), principalmente CO2 y H2S,

demostrando buenos resultados para tal fin. Tambin se han utilizado en los ltimos aos

en la captura de CO2 de los gases de combustin eliminados en las plantas de

generacin de energa a partir de combustibles fsiles (Abu-Zahra, et al., 2007;

Nuchitprasittichai y Cremaschi, 2011). Aunque esta tecnologa ya se aplica en muchas

plantas industriales, an no se ha profundizado su estudio para el caso particular del

biogs, puesto que el biogs contiene concentraciones de CO2 cercanas al 40% mientras

que las concentraciones en el gas natural y en los gases de combustin son inferiores al

15%.

Las aminas ms comunes para el proceso de purificacin de biogs son:

- La MEA (Monoetanolamina), es la ms corrosiva de las aminas, debido a esto la

carga de gas cido se debe limitar entre 0,3- 0,35 moles de gas cido por moles

de amina. Sin embargo siguen siendo el solvente preferido gracias a su bajo peso

molecular, su baja alcalinidad y la facilidad con que se pueden regenerar las

soluciones contaminadas.

- La DEA (Dietanolamina), es menos corrosiva que la MEA, es normalmente

utilizada en concentraciones entre 25- 35% en peso. Las desventajas de esta

pueden ser, para recuperar la solucin contaminada puede requerir una destilacin

al vaco y se forman productos de degradacin corrosivos.

- La MDEA (Metildietanolamina), son aminas terciarias, las cuales pueden absorberselectivamente H2S bajo condiciones apropiadas de operacin a bajos tiempos de

contactos; se utilizan principalmente cuando la proporcin de CO2 con H2S es

muy alta. Puede ser usada en concentraciones entre 20-50% en peso, debido a

que son solventes poco corrosivos.

Este trabajo describe el desarrollo de una simulacin estacionaria para un proceso de

endulzamiento de biogs con aminas y, en particular, se realiza la absorcin de dixido de

carbono. Su objetivo es comparar la eficiencia de distintos tipos de aminas y estudiar la

influencia de los principales parmetros operativos en la purificacin de biogs. Las

variables utilizadas para comparar el comportamiento de las aminas fueron: la

concentracin de metano, dixido de carbono, y agua en el gas endulzado. Adems se

analiz el papel de la temperatura y la presin en la torre de absorcin. Para realizar lasimulacin se emple el simulador HYSYS V8.0.

METODOLOGA

Para llevar a cabo la simulacin, se dise el proceso mostrado en la Figura 1. Seeligieron dos paquetes de fluidos, teniendo en cuenta los componentes que se iban a usar


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durante el proceso; primero se utiliz NRTL para la etapa de reaccin, teniendo en cuentaque se requiere el manejo de reacciones qumicas que involucran electrolitos (Gutirrez,Benitez, Ruiz, Erdmann, & Tarifa, 2012), luego en la etapa del absorbedor se trabaj con

Amine-PKG, el cual permite operar con distintos tipos de aminas en rangos de presin,temperatura y concentracin de aminas determinados.Inicialmente se introdujo una corriente de glicerol residual (anteriormente diluida)

proveniente del proceso de produccin de biodiesel de composicin 0.3 de glicerol y 0.7de agua, es decir con un flujo molar de 4.149 kmol/h de glicerol puro (Figura 2.). Lascondiciones de temperatura y presin fueron obtenidas a partir de la literatura, teniendoen cuenta procesos de simulacin ya existentes (Cern & Cardona, 2010).

Figura 1. Proceso de produccin de biogs a partir de glicerol.

Figura 2. Corriente glicerol residual.

Se us un intercambiador de calor, con el fin de llevar la temperatura de la corriente queentrar al reactor, de los 29C hasta los 39C. La cantidad de glicerol en ste instante esde 5.04546 kmol/h (Figura 3.).

Se us un reactor de conversin, para llevar a cabo la siguiente reaccin anaerobia,tomando como sustrato el glicerol y una conversin del 80% (Figura 4.):


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Figura 3. Corriente entrada al reactor.

Figura 4. Informacin del reactor.

De esta manera se producen 7.06647 kmol/h de metano, 4.23792 kmol/h de agua y 5.047

kmol/h de CO2 en la fase gaseosa (Figura 5.), y 1.008 kmol/h de glicerol, 74.7744 kmol/hde agua y 0.0007579 de CO2 en la fase liquida (Figura 6.).

Se observa que la cantidad de agua que sale por la corriente lquida del reactor essignificativa, por lo que se decidi implementar un sistema de reciclo con el fin deaprovechar este flujo, adems de utilizar el glicerol que no reaccion.

Para disminuir la cantidad de agua del biogs que entra a la torre de absorcin, seimplement un separador con el fin de eliminar parte de esta (Figura 7.).


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Figura 5.Corriente gaseosa que sale del reactor.

Figura 6. Corriente lquida que sale del reactor.

Figura 7. Corrientes en el separador.

Ahora para la torre de absorcin fue necesario cambiar el paquete de fluidos para poder

trabajar con las respectivas aminas, por lo que se insert un stream cutter que permitimodificar el paquete de la corriente de entrada a la torre. Adems el paquete de fluidos

amine-PKG, trabaja en un rango de temperaturas de 25C-125C, por lo que fue

necesario insertar un intercambiador de calor antes de la torre de absorcin, para

aumentar la temperatura de la corriente de salida gaseosa del separador de 5C hasta

40C.


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En la torre de absorcin se aliment la corriente de biogs cido por la parte inferior, y por

la parte superior se ingres la solucin de amina, con un flujo de 276.5 kmol/h, y una

fraccin molar de 0.1 de MEA (monoetanolamina), garantizando una relacin de 0.442

mol de amina/mol de biogs cido (Figura 8.). Inicialmente se mantuvo la torre con una

cada de presin igual a 0, para observar su comportamiento a condiciones ideales (Cern

& Cardona, 2010).

Lo anterior se repiti para los otros dos tipos de amina; para la DEA se utiliz un flujo de

solucin de 339.4 kmol/h con una fraccin molar de 0.1 de DEA, garantizando una

relacin de 0.36 mol de amina/mol de biogs cido (Figura 9.); finalmente para el MDEA

se utiliz un flujo de solucin de 601.97 kmol/h con una fraccn molar de 0.1 de MDEA,

garantizando una relacin de 0.203 mol de amina/mol de biogs cido (Figura 10.).

Figura 8. Corrientes torre de absorcin utilizando MEA.


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Figura 9. Corrientes torre de absorcin utilizando DEA.

Figura 10. Corrientes torre de absorcin utilizando MDEA.

RESULTADOS Y DISCUSIN

Usando la herramienta Caso de Estudio que ofrece el software Aspen HYSYS 8.0 se pudoobservar grficamente la relacin entre diferentes variables dentro del proceso:


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Figura 11. Grfica de fraccin molar en la corriente de gas endulzado Vs. Presin, usando MEA

(monoetanolamina) como solvente.

En este grfica se observa que la fraccin molar de metano es directamente proporcional

a la presin mientras que la fraccin molar de CO2 se comporta como una parbola,

disminuyendo hasta alcanzar los 300 kPa y creciendo junto con la presin a partir de este

punto; Una presin de 300 KPa permite obtener una mnima fraccin molar de CO2 en la

corriente de gas endulzado y al mismo tiempo alcanzar una composicin de metano

adecuada.


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Figura 12. Grfica de fraccin molar en la corriente de gas endulzado Vs. Presin, usando DEA(dietanolamina) como solvente.

A pesar de usar un solvente distinto se observa que la fraccin molar de metano en la

corriente de gas endulzado contina siendo directamente proporcional a la presin pero la

relacin con la fraccin molar de CO2 pasa a ser inversamente proporcional. Usando este

solvente encontramos que operar a presiones altas genera un aumento en la composicin

de metano y mantiene libre de CO2 la corriente.


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Figura 13. Grfica de fraccin molar en la corriente de gas endulzado Vs. Presin, usando MDEA

(metildietanolamina) como solvente

Al usar como solvente la metildietanolamina (MDEA) se observa que el comportamiento

de la fraccin molar de metano contina siendo directamente proporcional a la presin,

mientras que la fraccin molar de CO2 aumenta de manera parablica hasta que la

presin llega a los 200KPa y disminuye cuando la presin aumenta a partir de este punto.

Trabajando con MDEA y presiones altas se consigue aunmentar la fraccin molar de

metano en la corriente de gas endulzado, sin embargo la presencia del CO2 en la

corriente no es adecuadamente controlada, debido a que su concentracin es muy alta en

comparacin a lo que ocurre cuando se usan las otras dos aminas.

Figura 14. Grfica de fraccin molar en la corriente de gas endulzado Vs. Temperatura, usando MDEA(metildietanolamina) como solvente.


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En este diagrama se observa claramente que la temperatura de operacin no tiene

influencia alguna sobre la composicin de la corriente de gas endulzado. El anlisis fue el

mismo para los dems solventes y se puede sacar esta misma conclusin al observar los

resultados.

CONCLUSIONES

- Al usar una solucin acuosa de metildietanolamina se observa que la remocin deCO2 es mucho menos eficaz respecto a los dems solventes analizados. Lo cualresulta coherente con los datos encontrados acerca de ste proceso en laliteratura, donde encontramos que esta amina resulta ms eficiente al endulzargases con alta presencia de H2S debido a su selectividad (Morero, Croquer-Martinis, Groppelli, & Campanella, 2012).

- En cuanto a la simulacin, al implementar un reciclo en el efluente del reactor,cuya composicin comprende reactivos de la reaccin que no reaccionaron en sutotalidad, se produce mayor cantidad de biogs, siendo esta una alternativa viable

para mejorar el diseo del proceso.

- A condiciones ideales, es decir, sin cadas de presin en la torre de absorcin, lamejor remocin de CO2 se presenta cuando se usa como solvente la MEA, debidoa que existe solubilidad de esta con respecto al CO2 y adems cuenta con unaalta velocidad de reaccin (Huertas, Diez, & Rache, 2006). Esto no slo ocurre alas condiciones ideales, se observa que en general la MEA cuando se trabaja conuna presin de 300 kPa en la corriente de gas endulzado, logra remover la mayorcantidad de CO2 obtenida en la simulacin, en comparacin a los demssolventes, sin afectar de manera significativa la concentracin de metano, por loque se concluye que esta es la presin de operacin que genera mejoresresultados.

- Con respecto a las variables de la operacin en la torre de absorcin, latemperatura no influye de manera significativa en las concentraciones del gasendulzado.

BIBLIOGRAFA

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purificacin de biodiesel a partir de aceite de palma y etanol usando el simulador

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Morero, B., Croquer-Martinis, M., Groppelli, E., & Campanella, E. (2012). Comparacin de

diferentes soluciones de aminas para la purificacin de biogs. Buenos Aires:

Minera sustentable.

Severiche, C., & Acevedo, R. (2013). Biogs a partir de residuos orgnicos y su apuesta

como combustible de segunda generacin. INGENIUM, 6-15.

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