DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN EMPACADA PARA REMOVER CO2 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
1, d
; Edith Johanna Díaz ;
1, e
Ana María Gómez 1
Operaciones Unitarias II, Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander Agosto 5 de 2015 a
b
c
d
e
2112511; 2112843; 2112517; 2114002; 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%.
proceso aerobio (Acosta et al, 2005) y
1. INTRODUCCIÓN
los productos principales –biogás y biolUna alternativa sostenible al tratamiento
son de alta utilidad. El biogás es una
de residuos orgánicos tanto industriales
fuente energética renovable, segura y
como urbanos es la digestión anaerobia,
de
pues en ella más del 90% de la energía
principalmente de metano -CH 4- con
disponible en esta materia se transforma
porcentajes entre 70 y 50%, y dióxido de
por
biogás,
carbono -CO2- entre 30 y 50%, y que
consumiéndose sólo un 10% de la
contiene pequeñas cantidades de N 2,
energía en el crecimiento bacteriano
O2, H 2 y H2S. El biol consiste en un lodo
frente a un 50% consumido en el
estabilizado
oxidación
directa
en
1
fácil
manejo
con
mayor
compuesta
contenido
mineral y menor contenido de materia
saponificación de las grasas en la
orgánica, que tiene principal aplicación
industria jabonera, pero hoy en día,
como bio-abono debido al alto contenido
también se obtiene como subproducto
de nutrientes (Acosta et al , 2005).
en la elaboración del biodiesel (Indiveri et al, 2011).
A pesar de que todas las fuentes de energía
renovables
combinadas
La glicerina pura se utiliza como materia
contabilizan sólo el 17,6% de la
prima para la elaboración de un amplio
producción de energía en el mundo
rango de productos químicos, pero para
(Goswami y Kreit, 2007), en Colombia el
esto debe cumplir con un alto grado de
aumento
fuentes
pureza y calidad (Indiveri et al, 2011).
renovables de energía fue del 1,5%
Es por esta razón, que la glicerina cruda
entre 2008 y 2013 (Severiche et al,
proveniente
2013) lo que hace que la opción del
biodiesel debe ser tratada y purificada
biogás sea llamativa debido a la
mediante procesos altamente costosos,
autonomía y autosuficiencia de las
situación que no hace rentable su
plantas de tratamiento, a que su
utilización.
en
el
uso
de
de
la
elaboración
del
combustión no produce humos visibles, su carga es infinitamente menor que el
Debido a que la implementación de
humo proveniente de la quema de
procesos biotecnológicos se hace con el
madera y sólo genera monóxido de
fin de utilizar cada uno de los recursos
carbono (CO) y vapor de agua (Martí,
disponibles, la producción de biodiesel
2008).
sería más completa si se utilizaran todos los subproductos. Además, para elevar su viabilidad económica se ha propuesto
1.1. Pro du cc ión d e bio gás a p artir
convertir las plantas de biodiesel en
de glicerol residual
El glicerol, también conocido como
biorefinerías, en donde cada fracción de
glicerina, es un compuesto líquido a
materia prima es utilizada para un
temperatura
y
producto final específico (Montoya et al ,
glicerol
2010). Una de las alternativas más
viscoso.
ambiente,
Antiguamente,
incoloro el
utilizado a nivel mundial procedía de la
llamativas 2
para
el
tratamiento
del
glicerol
residual
es
la
digestión
efecto
invernadero
21
veces
más
anaerobia, ya que representa una buena
contaminante que el dióxido de carbono
fuente de carbono para este proceso,
(Salazar et al, 2012).
además, el biogás es un producto valioso si se considera su utilización
Se ha demostrado que la absorción
como combustible para la generación de
química
energía eléctrica (Indiveri et al, 2011).
remoción de gases ácidos (Salazar et al,
aumenta
la
velocidad
de
2012) y como las aminas han sido 1.2. 1.2. A bso rción de CO c o n a m i n a s 2 2
ampliamente estudiadas por muchos
Existe una gran necesidad de aumentar
años para remover las impurezas del
el contenido energético del biogás
gas natural (Morero et al, 2013) son
debido a que éste es utilizado en
frecuentemente utilizadas en sistemas
muchas
producir
de tratamiento de gas natural y biogás,
energía a través del uso de motores de
producción de CO 2 puro, producción de
combustión interna, lo cual se logra
H2, etc. por su alta efectividad (Salazar
removiendo el CO 2 y los contaminantes
et al, 2012).
ocasiones
para
(Salazar et al, 2012). La eliminación del dióxido de carbono también se hace
Este estudio describe el proceso de
imprescindible debido a que es un gas
endulzamiento del biogás que consiste
soluble en agua, y la solución que se
en eliminar los componentes ácidos que
genera puede ser ácida como resultado
se
de la formación de ácido carbonilo, de
proporciones, y en la remoción del CO 2
ahí su propiedad corrosiva en presencia
mediante una simulación de una torre
de agua que puede ocasionar daños a
empacada utilizando ASPEN HYSYS
los equipos (Erdmann et al, 2012).
8.2. La absorción se llevará a cabo
encuentran
en
mínimas
utilizando una solución acuosa de Es muy importante, a la hora de
monoetanolamina (MEA) al 30% como
remover el CO 2 del gas, que las
solvente, y será preciso determinar las
pérdidas de metano sean mínimas, por
condiciones de operación de la torre
razones económicas y sobre todo
empacada que trata el biogás obtenido
ambientales, pues el CH 4 es un gas de
de un biodigestor que opera a 39°C, con 3
5000g/h de glicerol residual diluido al
Los
resultados
obtenidos
de
la
30% como sustrato.
simulación son los mostrados en las tablas 1 y 2.
2. SIMULACIÓN 2.1.
Del bioreactor sale una corriente líquida,
Bioreactor
biol, que es el efluente y una corriente
Para la simulación del reactor se
de gas ácido que será alimentado a la
escogió el paquete de fluidos General
torre de absorción para ser purificado.
NRTL (ideal), ya que este paquete se aplica a sistemas que tengan un amplio
La cantidad de gas que sale del
rango de puntos de ebullición entre
bioreactor es de 1.289 Kmol/h, éste gas
componentes.
tiene 57,71% de metano, 35,76% de
La alimentación de glicerol diluido al
dióxido de carbono y 6,53% de agua
reactor fue de 108 Kmol/h y de agua
(fracciones mol), en cuanto al glicerol
253,35 Kmol/h.
que
sale
en
esta
corriente
es
prácticamente cero. 2.2. 2.2. Torre de Abso rción 2.2. 2.2.1. 1. A min a Esco gid a
La MEA es usualmente usada en la absorción de CO2, en concentración másica en solvente en una variación del Tabla 1. Presión, Temperatura y flujos de
15-35% (Dinca et al, 2014). Teniendo en
entrada y salida del bioreactor.
cuenta
las
condiciones
de
mayor
eficiencia de la amina escogida y las restricciones simulación
del
programa Aspen
de Hysys
(concentraciones inferiores al 30%), se opta por alimentar la torre de absorción Tabla 2. Composiciones molares de entrada y
con una concentración del 30% de
salida del reactor.
4
acuerdo con los datos obtenidos en la
comprendidas entre 40-60 °C, como se
gráfica 1.
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. 2.2.2. 2. Tipo de Empaqu e
De
acuerdo
con
los
resultados
obtenidos usando diferentes empaques en la simulación de la absorción de CO 2 con MEA, se observó que, es apropiado Gráfica 1. Concentraciones de CO2 absorbidas
utilizar empaques con un factor de
para diferentes concentraciones de solvente
espacio vacío de 90%, con lo anterior, la
MEA. (Dinca et al, 2014)
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 CO 2 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
Gráfica 2. Absorción de CO2 para MEA al 30% a
este empaque es la disponibilidad
40 y 60°C. (Dinca et al, 2014)
comercial del mismo y la variedad de
En
cuanto
a
la
diámetros que este tipo de empaque
temperatura
presenta (Dinca et al, 2014). Se realiza
seleccionada, la MEA en concentración
la simulación entonces, con empaques
de 30%, tiene una mejor absorción de
Pall de plásico de 25 mm (1in).
CO2 en un rango de temperaturas 5
2.2.3. A ltu ra
y
Diám etro
de
2.3.
la
Simulación
En cuanto a la torre de absorción, el
Torre
De la misma forma por medio de prueba
paquete de fluidos empleado fue el
y error utilizando el simulador Aspen
NRTL “PR” (Peng Robinson) el cual es
Hysys 8.2., a 30% de concentración de
para
MEA y 30ºC, se observó que la mejor
orgánicos en presencia de agua y Peng
captura de CO2, se daba cuando la
Robinson por su gran aproximación con
altura de la torre se encontraba en el
Hidrocarburos, en este caso Metano.
soluciones
de
compuestos
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 encontrados
y
en en
pruebas la
literatura,
piloto se
determina que el diseño de la torre consiste en una altura de 5 metros y un diámetro de 1 metro. Algunos resultados
Figura 2. Diagrama de flujo del proceso.
de plantas piloto graficados se observan Junto a la corriente de gas que sale del
a continuación (Dinca et al, 2014):
bioreactor, se alimenta una corriente de solución
Amina-agua,
concentraciones
con
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:
Figura 1. Altura de la columna acorde al tipo de empaque. (Dinca et al, 2014) 6
MEA 25,98%, 6,84% de CO 2, 5,47%
corriente de gas dulce, como variables
CH4 y 61,71% de agua (fracciones mol).
dependientes;
mientras
que
se
mantenían constantes los parámetros que se nombraron en la descripción de la simulación.
Tabla 3. Temperatura, Presión y flujos de entrada y salida de la torre de absorción.
Gráfica 3. Fracción molar en el gas dulce vs Temperatura en el flujo de solución amina pobre. Tabla 4. Fracciones mol en tope y fondo de la
Para la gráfica 3, se observa que entre
torre de absorción.
mayor sea la temperatura de la solución de amina a la entrada de la torre de
En la corriente de interés, gas dulce, las concentraciones en fracción mol al final
absorción, la cantidad de CO 2 en la
del proceso fueron: 0.0212% MEA,
corriente rica en metano, aumenta, lo cual no es conveniente, puesto que lo
0.00798% de CO 2, 97,22% CH 4 y 2,75%
ideal es que la corriente de metano
de agua.
salga con baja concentración de CO2 o idealmente que no salga nada de este.
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Para esta simulación la solución aminaagua
Se hacen un estudio de resultados con
óptima,
los casos, se graficó la concentración metano,
junto
con
entrada,
tenía
una
puede observar que es una temperatura
variables más representativas. En todos de
la
temperatura de 30°C, en la gráfica se
el fin de evaluar los efectos de las
molar
en
y
aunque
a
temperaturas
menores la transferencia de masa es
la
mejor, enfriar la amina por debajo debajo de
concentración molar de CO 2 en la 7
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 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 Gráfica 4. Fracción molar en el gas dulce vs
absorción de CO2 para purificar el
Flujo molar de solución amina pobre.
metano, ya que si aumenta la presión en el fondo, la transferencia de masa será
En cuanto a la gráfica 4, se puede
prácticamente la misma, por lo tanto no
observar que el flujo de entrada de la
es viable económicamente aumentar la
solución amina es adecuado para
presión, ni necesario.
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
Gráfica 6. Fracción molar en el gas dulce vs
fue de 5.842 kg-mol/h.
Presión del gas ácido de entrada.
De la gráfica 6, se puede observar que la variación de la presión del gas a la 8
entrada, no afecta en mayor medida la
Durante el proceso hay presencia de
concentración de metano a la salida del
agua tanto en la corriente rica en
gas, por lo tanto sería recomendable
metano, como en la corriente de amina
ingresar el gas a presión atmosférica,
con CO2. Para la corriente de amina, no
para evitar gastos energéticos.
hay interés si sale agua, pero para utilizar la corriente de metano, es
4 . DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
necesario retirar el agua, ya que como combustible, el metano necesita estar lo
El proceso de endulzamiento de biogás,
más puro posible, y el agua le quita
se puede simular de manera simple. Un
potencia a la combustión.
proceso real contendría muchos más equipos
que
ayudarían
a
Dependiendo del paquete de fluidos
una
utilizado, la pureza del metano puede
recuperación del solvente y una posible
llegar a variar esto ocurre por el modelo
reutilización del mismo y de la sustancia
matemático que utiliza cada paquete y
absorbida, en este caso CO2.
las consideraciones que maneje éste.
De acuerdo a la simulación realizada y
La simulación puede llegar a tener
los datos obtenidos, se puede observar
problemas de convergencia porque el
que, a concentraciones no muy altas de
paquete no abarca las especificaciones
la amina, el proceso de remoción de
del problema.
CO2, es muy eficiente esto se ve 5. BIBLIOGRAFÍA
reflejado en la concentración rica en metano.
ACOSTA, Y., ABREU, M. La digestión
La amina MEA es un solvente óptimo
anaerobia: Aspectos teóricos. Parte I.
para este tipo de separaciones porque
Red de Revistas Científicas de América
trabaja a condiciones ambientales, y
Latina, el Caribe, España y Portugal.
bajo estas el CO 2 tiene un alto grado de
2005.
solubilidad con la amina. Sin embargo valdría la pena probar una combinación
DINCA, C., BADEA, A., STOICA, L.,
de aminas aminas con el fin de aumentar la
PASCU, A. Absorber design for the
eficiencia del proceso. 9
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11
