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Joaquín Reina HernándezEnergy & Waste. Condorchem Group

Del biogás al gas natural Estudio de la absorción del co2 en columnas empacadas

En el nº 43 de nuestra publicación Industria Química (febrero 2017, pág. 34-41) el autor expone las diferentes tecnologías para la producción de biometano a partir del biogás como sustituto del gas natural.En esta nueva entrega se presenta un estudio a escala de Planta Piloto de la Absorción del CO2 de una corriente de biogás con reacción química. Este aspecto constituye la base de la tecnología de lavado químico con aminas para la producción de biometano.

Palabras clave: Biogás, CO2, Columna empacada, Vertedero

In nº 43 of our publication Industria Química (February 2017, pag. 34-41) the author exposes the different technologies for the production of biomethane from biogas as a substitute for natural gas.In this new installment, a scale study of the CO2 Absorption Pilot Plant of a biogas stream with chemical reaction is presented. This aspect forms the basis of chemical washing technology with amines for the production of biomethane.

Keywords: Biogas, CO2, Packed Column, Landfill

El biogás está formado principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Otros componentes que puede incluir son: vapor de agua (H2O), sulfuro de hi-drógeno (H2S), hidrocarburos y, en algunos casos, siloxa-no. Para poder utilizar el biogás como combustible de vehículo o para su inyección en redes de gas natural, el biogás debe limpiarse y enriquecerse en metano (CH4). El enriquecimiento del biogás se produce, por tanto, eliminando principalmente el dióxido de carbono (CO2) para aumentar el poder calorífico y crear un gas con características similares al gas natural (GN). Existen dife-rentes técnicas de enriquecimiento del biogás (produc-ción de biometano). Una de las técnicas para eliminar el CO2 del biogás a bajas presiones, con alta eficiencia de separación y bajas perdidas de metano (CH4), es la absorción con reacción química usando, por ejemplo, una alkanoamina como la MEA.

En el presente trabajo se estudió la absorción del CO2 de una corriente de biogás de un vertedero de Barcelona en una columna empacada. Para desarrollar esta inves-tigación, se construyó una planta piloto que cuenta con todos los elementos necesarios para el enriquecimiento del biogás (biometano) vía reacción química y el acondi-cionamiento de este para su uso en vehículos.

Las características del proceso de absorción, bajo di-ferentes condiciones de operación (altura de columna, caudal y presión), se estudiaron utilizando un empaque de anillo de plástico. La solución absorbente utilizada en este estudio fue agua con un 20 % en peso de MEA.

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El resultado muestra que el caudal de biogás, el nivel de CO2 (% v / v) y su presión influyen en el coeficiente glo-bal de transferencia de masa KOGa, así como en el rendimiento de la eli-minación de CO2.

Los resultados de este trabajo sir-vieron como base para el desarrollo de una planta industrial con una ca-pacidad media de tratamiento de 100 Nm3/h de biogás, una de las primeras plantas de producción de biometano de España.

IntroduccIónEl desarrollo actual de los biocombus-tibles como alternativa al convencio-nal ha ganado cada vez más interés en la industria del transporte urbano, donde su aplicación ha sido probada y muestra una promesa interesante para el futuro.

El biogás es adecuado como com-bustible para la mayoría de los propó-sitos después de su limpieza. Sin em-bargo, para ser utilizado como com-bustible para vehículos o su inyección a red de GN, requiere una disminución adicional de su nivel de CO2, por las siguientes razones:

1. Reduce la potencia de salida del motor.

2. Ocupa espacio en los cilindros de almacenamiento, reduciendo así el al-cance del vehículo.

3. Puede causar problemas de con-gelación en la válvula y en los puntos de medición, donde el gas comprimi-do se expande, durante la ejecución, en el reabastecimiento de combusti-ble, así como en el procedimiento de compresión y almacenamiento.

Por lo tanto, todo o la mayoría del CO2 contenido en el biogás debe eli-minarse para prepararlo para su uso como combustible para vehículos.

Actualmente existen diferentes tec-nologías para la enriquecer el biogás (biometano); por ejemplo, lavador químico, lavador con agua a presión, adsorción por oscilación de presión (PSA), etc. Este estudio se basa en el

enriquecimiento del biogás por absor-ción química utilizando aminas.

SeccIón experImentalMaterialesLa Figura 1 muestra la planta piloto construida para este estudio. El pro-ceso seleccionado fue el proceso de absorción química para eliminar el CO2 (reacción ácido-base) similar al endulzamiento del gas natural, pero con concentraciones de CO2 mucho más elevadas. Las condiciones de operación fueron temperatura 30 °C y presión 240 mbar. La columna em-paquetada funciona con un patrón de flujo contracorriente.

La columna tiene un diámetro de 84 mm (DN80) y una altura de empaque de 1.000 mm. El empaque utilizado para los experimentos fue un anillo de plásti-co tipo Pall ring de 10 mm. La solución utilizada en cada uno de los experimen-tos fue agua con 20 % de MEA en peso. El líquido absorbente se introduce por la parte superior de la columna mediante una boquilla rociadora para garantizar una buena distribución del líquido en el material de empaque. La boquilla de pulverización se coloca 25 mm por encima del empaque. La entrada de la corriente de biogás se realiza desde la parte inferior y se distribuye para la co-lumna del paquete por medio de una

rejilla perforada y tiene una salida en la parte superior de la columna.

Tanto el líquido absorbente como el caudal de biogás se miden con sendos rotámetros como medidor de flujo. Se utilizó un analizador de CO2 infrarro-jo (IR) para medir la concentración de CO2 de forma continua. La concen-tración de CO2 se midió en diferentes puntos de la columna empacada, a lo largo de este equipo a través de di-ferentes puntos de muestreo. La con-centración de CO2 en la corriente de biogás se midió, a su vez, tanto en la entrada como en la salida también.

La Figura 1 muestra la planta pi-loto construida para este estudio en la que se desarrollaron las diferentes pruebas.

Las partes que componen esta tec-nología son:

1. Depósito para alimentación de solución y sistema de bombeo.

2. Torre de absorción con empaque tipo Pall ring.

3. Torre de secado por adsorción sobre gel de sílice con sistema de re-generación.

4. Torre de destilación empacada con 316 mallas de acero inoxidable.

5. Cromatógrafo.6. Sistema de control e instrumenta-

ción de la planta.

Figura 1. Planta piloto construida para este estudio

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Este trabajo se llevó a cabo en un vertedero de Barcelona ubicado en Vacarisses durante el período 2001-2002. El biogás utilizado para este estudio es un biogás limpio que pro-viene de la planta de limpieza del bio-gás con que cuenta esta instalación. La Tabla 1 muestra la composición del biogás utilizado para el desarrollo de las pruebas:

teoríaPara eliminar el CO2 de una corriente de gas, cuando la concentración de CO2 es alta, el enfoque de proceso más adecuado es la absorción con sol-ventes químicos. El proceso de absor-ción química se basa en una reacción entre el CO2 y el líquido absorbente. Los absorbentes químicos, como la alkanoaminas, incluida la monoetano-lamina (MEA), la dietanolamina (DEA) y la metildietanolamina (MDEA), son adecuados para este tipo de proceso.

Este trabajo se basa en eliminar el CO2 del biogás con una solución de MEA por absorción química.

La reacción química que toma lugar entre la solución acuosa de monoeta-nolamina y CO2 está representada por la siguiente reacción reversible.

C2H4OHNH2 + CO2 + H2O ↔

↔ C2H4OH NH3+ + HCO3

- (1)

Esta es una reacción exotérmica en la que se liberan 72 kJ de energía tér-mica por mol de CO2 absorbido por la solución de MEA.

La altura de la columna necesaria para hacer una separación deseada se rige por la “línea de equilibrio” del sistema o por la concentración como fuerza impulsora de este proceso, y su tasa de transferencia de masa (coefi-ciente de transferencia de masa).

Las tasas de transferencia del equili-brio y de masa funcionan por tempe-ratura, presión, concentración, tasas de flujo, área de contacto interfacial y propiedades del fluido.

El flujo del componente A a través de la interfaz gas-líquido se puede ex-presar en términos del coeficiente de transferencia de masa kG del lado del gas y el coeficiente de transferencia de masa total KOG. Este se puede expre-sar de esta manera:

NA = kG P (yA - yA,i) = KOG P (yA - yA*) (2)

Dónde:P: presión total. yA: fracción molar del componente

A en el gas crudo. yA, i: fracción molar del componente

A en el lado del gas de la interfaz gas-líquido.

yA*: la fracción molar del compo-nente A en el gas Fase en equilibrio con la concentración de A en el líqui-do crudo.

Considerando un elemento de una columna empaquetada con altura dZ, el balance de masa del elemento se puede presentar como: yANAadZ = KOG aP (yA - yA*)dZ = Gi d (——) 1 - yA

(3)

Donde:Gi: tasa de flujo molar de gas inerte

por área de sección transversal de la columna, y a: área interfacial.

Cuando el soluto se absorbe en presencia de concentraciones mode-radas o altas, es necesario considerar la disminución del flujo de gas y el aumento del flujo de líquido en el ba-lance de masa. Por este motivo, debe incluirse un factor de corrección para la difusión en una dirección. Por otro lado, los coeficientes de transporte de masa no serán constantes debido

Tabla 1.

ComposiCión del biogás Crudo utilizado para haCer los ensayos. CálCulos basados en 1.000 nm3 / h

ComponentsComposition Rate

(% Vol) (t/day) (t/year)

Methane (CH4) 54 9,26 3.378,85

Carbon dioxide (CO2) 38 17,91 6.538,71

Oxynen (O2) 0,8 0,27 100,11

Nitrogen (N2) 7,2 2,16 788,4

Figura 2. Perfil de CO2 frente al tiempo para diferentes caudales de biogás a 30 °C

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a la variación de la velocidad de flujo y del gradiente de temperatura en la columna. Esto producirá un cambio en la línea de equilibrio.

La cantidad de soluto absorbido en una altura diferencial dZ es d(Vy), ya que tanto V como y disminuyen a medida que el gas pasa a través de la columna. Por eso, se puede expresar:

dNA = d(Vy) = Vdy + ydV (4)

Si solo se transfiere el componente A, dNA es igual a dV, de manera que la ecuación (4) se convierte en:

dNA = Vdy + y(dNA) (5)

o VdydNA = ——— (6) 1 - yA

Dejando de lado el efecto de la difu-sión en una sola dirección, se obtiene la siguiente expresión:

VdydNA = ——— = KOG a S dZ (yA – yA*) (7) 1 - yA

Por otro lado, la reacción en la fa-se líquida reduce la presión parcial de equilibrio del soluto en la disolución, lo que da lugar a un gran aumento de la fuerza motriz de la transferencia de masa. Si la reacción es esencialmente irreversible para las condiciones de ab-sorción, la presión parcial de equilibrio es cero y el número de unidades de transferencia se puede calcular a partir de la variación de la composición del gas, para y* = 0.

Por esa razón, la ecuación (7) se puede reescribir como.

VdydNA = ——— = KOG a S dZ (yA ) (8) 1 - yA

reSultadoS y dIScuSIónLa Figura 2 muestra el resultado de las diferentes pruebas realizadas a diferen-

tes caudales de biogás y cómo el perfil de CO2 cambia con el tiempo a diferen-tes flujos de biogás. Al mismo tiempo, se puede observar que la eliminación máxima de CO2 se alcanza cuando el flujo de biogás es de 200 Nl / h.

Los resultados experimentales se representaron en términos de KOGa. Para observar el comportamiento del empaque de anillo Pall ring. También se consideraron los efectos de los pa-rámetros operativos, incluido el caudal de gas, la altura del empaque y la pre-sión parcial de CO2.

Los efectos del caudal de gas en el coeficiente de transferencia de masa en diferentes condiciones se muestran en las Figuras 3 y 4, respectivamente. La Figura 3 muestra que el valor de KOGa disminuye cuando aumenta el caudal de gas. Si la velocidad de flujo del gas aumenta a 0,5 Nm3 / h, el valor de KOGa permanece casi constante. El rendimiento de absorción de CO2 sigue

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el mismo comportamiento de la KOGa.La Tabla 2 muestra la composición

del biometano producido. Como se observa a través de esta técnica (de-purador químico), la mayor parte del CO2 se elimina del biogás, lo que au-menta la concentración de metano

(CH4) cerca del 90 %. Debido a la presencia de oxígeno (O2) y nitrógeno (N2) en el biogás bruto, no es posible alcanzar una mayor concentración de metano (CH4) en el biometano.

Este biometano podría considerarse de calidad estándar. Para lograr una

alta calidad de biometano, sería nece-sario eliminar parte o todo el conteni-do de O2 y N2 en el biometano actual.

concluSIoneSEn el presente trabajo, se investigó la absorción del CO2 de una corriente de biogás por reacción química en una columna empacada.

1. Los resultados muestran que el lavado por aminas es una técnica ade-cuada para el enriquecimiento del bio-gás para cualquier caudal de biogás y concentración de CO2.

2. Que la temperatura optima de trabajo para el desarrollo del proceso se encuentra alrededor de los 25 °C. Trabajar con una temperatura más alta puede afectar la calidad del biometano dado la ruptura de algunos enlaces.

3. La prueba de absorción reveló que la presión del biogás tiene una gran in-fluencia en el coeficiente de transferen-cia de masa global KOGa, así como en el rendimiento de eliminación debido a la absorción física que tiene lugar.

4. La presencia de O2 y N2 en la com-posición del biogás reduce la calidad del biometano producido. Esto sugiere el uso de otra técnica para la elimina-ción de estos dos componentes.

REFERENCIAS[1] Jönsson, O. y Dahl, A.; “Adding gas fom biogas to the gas grid”. Report SwedishGas Center 118. Julio 2001, Schweden.[2] Persson. M. (2003). Evaluation of upgrading techniques for biogas. School of Enviromental Engineering. Sweden.[3] Persson, M. “Evaluation of upgrading tecniques for biogas” Report Swedish GasCenter 142. Noviembre 2003, Schweden .[4] Persson, M. Jönsson, O y Wellinger, A.” Biogas Upgrading to Vehicle FuelStandards and Grid Inyection”. Swedish Gas Center (SGC). 2006, Schweden.[5] Reina, J. (2002). Plant for biogas treatment for its use as biofuel. 9º Congreso Mediterraneo de Ingeniería Química. Barcelona- Spain.[6] Reina, J. (2002). Study of the biogas production from organic fraction of the MSW. 9º Congreso Mediterraneo de Ingeniería Química. Barcelona- Spain.[7] Reina, J (2005).; “From the biogas to vehicle fuel. Study of CO2 absorption in a packed column”. 10º Congreso Mediterráneo de ingeniería Química., Barcelona- Spain.[8] Reina J. (2007).; “Biogás para la automoción o su inyección en la red de gas natural”. Revista de la industria medioambiental Infoenviro, Julio/Agosto [9] Yeh., J and Pennline, H. Study of CO2 absorption and desorption in a Packed Column. National Energy Technology Laboratory. U.S.[10] Hernández J. L, López. I , Wéry. A. Instalación de inyección de biogás a la red de gas natural. 10 º Congreso Nacional del Medio Ambiente. CONAMA.

Tabla 2.

Calidad del biometano produCido

Components Inlet (% V) Outlet (% V) Yield (%)

CH4 54 87,1 61,3

CO2 38 0 100

O2 0,8 1,29 61,3

N2 7,2 11,61 61,3

Figura 3. Comportamiento de KOGa y η con la presión (0.24-0.3 bar) a diferentes caudales

Figura 4. Comportamiento de KOGa y η con la altura de la columna (Hc = 0.5-1 m) a diferentes caudales