UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN ...
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE PETROQUÍMICA
TEMA: “ESTUDIO PARA LA SIMULACIÓN DE UNA PLANTA DE BIOREFINACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA PARA
PRODUCIR AMONIACO MEDIANTE EL PROCESO HABER BOSCHY DIMETIL ÉTER (DME) A PARTIR DE DESECHOS
AGROINDUSTRIALES EN LA PROVINCIA DE COTOPAXI”AUTOR: DIAS CEVALLOS, ROGER SAUL
DIRECTOR: LUNA ORTIZ, DAVID EDUARDO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
DESARROLLO EXPERIMENTAL
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
DESARROLLO EXPERIMENTAL
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
2
3
Grupo intergubernamental de expertos sobre el cambio climático
2°C
Nivel del mar
Mar ártico
Barrera de coral
Planteamiento del problema
4
1)Combustión sin humo
1)Mayor volumen
2)Mayor compresión
3)Fugas internas
Ventajas
Desventajas
DME alternativo al diésel
2)Vaporización instantánea
3)Rápida evaporación
SYNGAS
Agroindustria en el Ecuador
012
010
009
009
008
008
007
006
006
006
004
004
003
002
001
001
001
000
0,072
0,070
0,008
0,007
0,006
0,006
0,006
0,006
0,005
0,005
0,005
0,004
0,003
0,003
0,002
0,002
0,001
0,001
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080
000 002 004 006 008 010 012 014
Manufactura (excepto refinación de petróleo)
Comercio
Enseñanza
Petróleo y minas
Construcción
Agricultura
Transporte
Actividades profesionales
Otros Servicios (*)
Administración pública
Correo y Comunica-ciones
Servicios financieros
Suministro de electricidad y agua
Alojamiento y servicios de comida
Acuicultura y pesca de camarón
Refinación de Petróleo
Pesca (excepto camarón)
Servicio doméstico
USD MM
Participación (%)
Participación de los sectores y actividades económicas
007%
008%
010%
028%
003%
043%
002%
Producción de cultivos agrícolas (2019)
Arroz
Maíz Duro Seco
Palma Aceitera
Banano
Plátano
Caña de Azúcar
Papa
23,68Mton
5
Maíz Árbol de Navidad
Caña de azúcar
Camote
Vegetales Viñedos
Ventajas Alto contenido en N 45-46%
Bajo costo de logística
Menos explosivo
Sólido o líquido
Estable al transportar
Urea
Residuos agrícolas
6
Biomasa
7
Gasificación
Oxidación
C + O2 → CO2
C +1
2O2 → CO
H2 +1
2O2 → H2O
Reacción de Boudouard C + CO2 → 2CO
Gas de aguaPrimaria: C + H2O → CO + H2
Secundaria: C + 2H2O → CO2 + H2
Metanación C + 2H2 → CH4
Cambio de agua-gas (WGSR) CO + H2O → CO2 +H2
Reformado de vapor CH4 + H2O → CO + 3H2
biomasa ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎
↓biomasa 𝑠𝑒𝑐𝑎 + 𝐻2𝑂 𝑔
↓H2 + CO + CO2 +H2O + HL + alquitrán l + carbón s
HL: Hidrocarburos ligeros
8
Usos del gas de síntesis
Tomado de Preliminary Screening -- Technical
and Economic Assessment of Synthesis Gas to
Fuels and Chemicals with Emphasis on the
Potential for Biomass-Derived Syngas (p.3), por
Spath & Dayton, 2003, National Renewable
Energy Laboratory.
Producción de dimetil éter(DME)
CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O
CO + 2H2 ↔ CH3OH2CH3OH ↔ CH3OCH3 + H2O
CO + H2O ↔ CO2 + H2
9
Fuente de carbón para la síntesis de metanol
• Fuente de carbón para la síntesis de metanol. Tomado de Kinetics of low-pressure methanol synthesis (p.3186), por Graaf et al., 1988, Chemical EngineeringScience.
AutoresFuente de
Carbón Adsorción de 𝐂𝐎𝟐 Catalizador
Natta (1955) CO - Zn-Cr
Bakemeier et al. (1970) CO Si Zn-Cr
Leonov et al. (1973) CO No Cu-Zn-Al
Schermuly and Luft (1977) CO Si Cu-?
Denise and Sneeden
(1982)CO+CO2 - Cu-Zn-Al
Klier et al. (1982) CO+CO2 Si Cu-Zn
Monnier et al. (1984) CO Si Cu-Cr
Chinchen et al. (1984) CO2 Si Cu-Zn-Al
Villa et al. (1985) CO Si Cu-Zn-Al
Liu eC al. (1985) CO+CO2 Si Cu-Zn
Seyfert and Luft (1985) CO Si Cu-Zn-Al
Dybkjaer (1985) CO2 Si Cu-Zn-Cr
CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O
CO + 2H2 ↔ CH3OH
10
Producción de urea(1) 2NH3 + CO2 ↔ NH2COONH4
2 NH2COONH4 ↔ 𝐍𝐇𝟐𝐂𝐎𝐍𝐇𝟐 + H2𝑂
Haber-Bosch
13 − 15 MPa170 − 200°C
11
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
DESARROLLO EXPERIMENTAL
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
12
13
Objetivo generalProponer un esquema tecnológico de una biorrefinería, utilizando balances de materia y
energía para modelar y diseñar las operaciones unitarias necesarias para la refinación de biomasa a partir de los principales desechos agroindustriales
existentes en la provincia de Cotopaxi.
●Desarrollar un diagrama de flujo del proceso para establecer un diseño de las operaciones unitarias en una planta de producción de dimetil éter (DME) y de urea a partir de la refinación de biomasa.
●Modelar y simular el diseño de una planta de refinación de biomasa a partir de desechos agroindustriales tanto para la producción de urea como para la producción de dimetil éter (DME).
●Presentar y recomendar un diseño de una planta de producción de amoniaco y dimetil éter a partir de biomasa lignocelulósica.
Diseñar una planta de producción de urea a partir del amoniaco obtenido.
Objetivo específicos
14
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
DESARROLLO EXPERIMENTAL
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Diagrama de flujo
1era Etapa
2da Etapa
3ra Etapa4ta Etapa
15
Primera Etapa : Unidad de gasificación
100 lb/h
5% Gasificación (650°C)
Secado
Regeneración del
catalizador(900°C)
Separación de sólidos y de líquidos
100 lb/h
16 lb/h
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
CaO(s) + CO2(g) → CaCO3(s)
biomasa ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎
↓biomasa 𝑠𝑒𝑐𝑎 + H2O g
PALMA AFRICANA,CAÑA DE AZUCAR
CACAO, TALLO DE ROSAS, BANANO
Análisis elemental (%) Análisis inmediato (%)
Carbono, C 38,18 Humedad 5,46
Hidrógeno, H 6,35 Materia volátil 87,09
Nitrógeno, N 0,90 Carbono fijo 3,64Oxígeno,O 45,30 Cenizas 9,27
Cenizas 9,27
16
Segunda etapa: Unidad de síntesis de amoniaco
75%
N2 + 3H2↔ 2NH3
500°C 200 atm
Reciclo
Compresión a 200 atm
Amoniaco
𝐾𝑝 =𝑃𝑁𝐻3
2
𝑃𝑁2𝑃𝐻2
3
7
Tercera etapa: Unidad de síntesis de dimetil éter (DME)
Reacción220°C, 40bar Absorción
Destilación
rA3 =
kA3′KCO PCOPH2
Τ3 2 −PCH3OH
PH2
Τ1 2Keq1
1 + KCOPCO + KCO2PCO2 PH2
Τ1 2 +KH2O
KH2
Τ1 2 PH2O
rB2 =
kB2′KCO2 PCO2PH2−PCOPH2O
Keq2
1 + KCOPCO + KCO2PCO2 PH2
Τ1 2 +KH2O
KH2
Τ1 2 PH2O
rC3 =
kC3′KCO2PCO2PH2
Τ3 2 −PCH3OH
PH2O
PH2
Τ3 2Keq3
1 + KCOPCO + KCO2PCO2 PH2
Τ1 2 +KH2O
KH2
Τ1 2 PH2O
rDME =
k4KCH3OH2 CCH3OH
2 −CH2OCCH3OCH3
Keq4
1 + 2 KCH3OHCCH3OH + KH2O′CH2O4
CO + 2H2 ↔ CH3OH
CO2 + H2 ↔ CO + H2O
CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O
2CH3OH ↔ CH3OCH3 + H2O
A
C
D
BN°:4
N°:15
N°:8
DME99%
LHHW Graaf (1988)
Bercic & Levec, (1993)
90% CO2
18
Cuarta etapa: Unidad de síntesis de urea
Reacción338°F y 2005 psia
2NH3 + CO2 ↔ NH4COONH2
NH4COONH2 ↔ NH2CONH2 + H2OUrea 99%
Unidad de síntesis de amoniaco
Unidad de gasificación:
Etapa de regeneración del
catalizadorReacción170,4°F
(1)
60%.
90%.
(2)
19
20
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
DESARROLLO EXPERIMENTAL
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Efecto del catalizador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900
Co
mp
osi
cón
de
hid
róge
no
(%
mo
l)
Temperatura de gasificación (°C)
Banano
Concatalizador
Sincatalizador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900C
om
po
sici
ón
de
hid
róge
no
(%m
ol)
Temperatura de gasificación (°C)
Cacao
Concatalizador
Sincatalizador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900
Co
mp
osi
ció
n d
e h
idró
gen
o (
%m
ol)
Temperatura de gasificación (°C)
Caña de azúcar
Concatalizador
Sincatalizador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900
Co
mp
osi
ció
n d
e h
idró
gen
o (
%m
ol)
Temperatura de gasificación (°C)
Palma africana
Concatalizador
Sincatalizador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900
Co
mp
osi
ció
n d
e h
idró
gen
o (
%m
ol)
Temperatura de gasificación (°C)
Tallo de rosas
Concatalizador
Sincatalizador
Biomasa
CaO= 1,5
vapor
CaO= 1
P=14,7 psia
Condiciones:
-50
0
50
100
150
200
250
300
400 500 600 700 800 900
Flu
jo m
ásic
o (
lb/h
)
Temperatura de gasificación (°C)
CaO
CaCO3
Etapa de gasificación
650°C
21
Efecto de la temperatura de gasificación
Biomasa
CaO= 1,5
vapor
CaO= 1
P=14,7 psia
Condiciones:
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900Co
mp
oo
sici
ón
del
gas
(%
mo
l)
Temperatura de gasificación (°C)
Banano
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900Co
mp
oo
sici
ón
del
gas
(%
mo
l)
Temperatura de gasificación (°C)
Cacao
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900Co
mp
oo
sici
ón
del
gas
(%
mo
l)
Temperatura de gasificación (°C)
Caña de azúcar
CH4
CO2
CO
H2
-20
0
20
40
60
80
100
120
400 500 600 700 800 900Co
mp
oo
sici
ón
del
gas
(%
mo
l)
Temperatura de gasificación (°C)
Palma africana
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
400 500 600 700 800 900
Co
mp
oo
sici
ón
del
gas
(%
mo
l)
Temperatura de gasificación (°C)
Tallo de rosas
CH4
CO2
CO
H2
C + CO2 → 2CO + 162 KJ/mol
C + H2O → CO + 131,5 KJ/mol
C + 2H2O → CO2 + 2H2 + 90 KJ/mol
CO + H2O → CO2 +H2 − 41 KJ/mol
C + H2 → CH4 − 74,8 KJ/mol
CH4 + H2O → CO + 3H2 + 206 KJ/mol
CH4 + H2O → CO2 + 4H2 + 165 KJ/mol
CH4 + CO2 → 2CO+ 2H2 + 260 KJ/mol
Etapa de gasificación
22
Efecto de la relación
de vapor/biomasa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5
Co
mp
osi
cio
n d
el g
as (
% m
ol)
Relación vapor/biomasa
Banano
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5
Co
mp
osi
cio
n d
el g
as (
% m
ol)
Relación vapor/biomasa
Cacao
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
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90
100
0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5
Co
mp
osi
cio
n d
el g
as (
% m
ol)
Relación vapor/biomasa
Caña de azúcar
CH4CO2CO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5
Co
mp
osi
cio
n d
el g
as (
% m
ol)
Relación vapor/biomasa
Palma africana
CH4CO2CO
0
10
20
30
40
50
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70
80
90
100
0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5
Co
mp
osi
cio
n d
el g
as (
% m
ol)
Relación vapor/biomasa
Tallo de rosas
CH4CO2CO
CO + H2O → CO2 + H2
C + 2H2O → CO2 + 2H2
Etapa de gasificación
Condiciones:
Biomasa
CaO= 1,5 T = 650°C
P=14,7 psia
23
Efecto de la relación de CaO /biomasa
Condiciones:
T = 650°Cvapor
biomasa= 1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
Co
mp
osi
ció
n d
el g
as (
mo
l%)
Relación CaO/biomasa
Caña de azúcar
CH4
CO2
CO
H2
0
20
40
60
80
100
120
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
Co
mp
osi
ció
n d
el g
as (
mo
l%)
Relación CaO/biomasa
Palma africana
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
Co
mp
osi
ció
n d
el g
as (
mo
l%)
Relación CaO/biomasa
Banano
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
Co
mp
osi
ció
n d
el g
as (
mo
l%)
Relación CaO/biomasa
Cacao
CH4
CO2
CO
H2
0
10
20
30
40
50
60
70
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90
100
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
Co
mp
osi
ció
n d
el g
as m
ol%
Relación CaO/biomasa
Tallo de rosas
CH4
CO2
CO
H2
Etapa de gasificación
P=14,7 psia
24
Efecto del flujo de agua en la absorción de DME
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6
Co
mp
osi
ció
n m
ola
r d
e D
ME
(%
)
Flujo molar de agua (lbmol)
Efluente líquido
Efluente gaseoso
Absorción
Flujo molar (lbmol/h)
Componente AlimentaciónEfluente liquido
Efluente gaseoso
Recuperación (%)
DME 0,0605 0,0605 6,5E-06 99,9816
CO2 0,2059 0,0161 0,1897 92,1398
2,7 lbmol
25
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Co
mp
osi
ció
n D
ME
(m
ol%
)
Número de plato de la que se extrajo DME
Efecto de la etapa de extracción de DME
Destilación
12 lb/hDME99%
Flujo molar
Componente Alimentación INCON DEST FONDO
DME 0,2672 0,0001 0,2636 0,0029
CO2 0,0358 0,0349 0,0008 0
CH4 0,0034 0,0034 2,82E-5 0
CH3OH 0,1039 0 0,0022 0,1016
H2O 3,5905 0 0,0001 3,5903
26
Efecto de la temperatura en la purificación de urea
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
Flu
jo m
ásic
o d
e u
rea
(lb
/h)
Temperatura del bloque SEP-09 (°F)
280-SEP-08
300-SEP-08
320-SEP-08
340-SEP-08
340°F
320°F
350°F
16,43 lb/hUrea99%
27
CONCLUSIONES Los resultados indicaron que la temperatura favorable de gasificación está entre los 600-750°C, con una relación de
vapor-biomasa entre 0,8-1,2; además la adición de carbonato de calcio aumentó considerablemente la cantidad de
hidrógeno producido.
Los resultados obtenidos muestran que para las gasificación catalítica de las muestras analizadas: banano, cacao, caña
de azúcar, palma africana y el tallo de rosas se produjo un gas de síntesis rico en hidrógeno por encima del 85 %, la
palma africana mostró el mayor contenido molar de hidrógeno en la composición del gas de síntesis, alcanzando un
máximo de 94,75 %.
Se determinó que la fuente de carbono mayoritaria, involucrada en la síntesis de metanol que ocurre en un reactor de
lecho empacado utilizando un catalizador hibrido mixto de Cu/ZnO/Al2O3, y γ − Al2O3 es el monóxido de carbono.
Los resultados muestran que el flujo de agua ingresado en la columna de absorción influye en el contenido de DME en
el efluente líquido, alcanzando un 99% de recuperación de DME en condiciones óptimas.
La extracción de una corriente lateral en la columna de destilación óptima para maximizar la recuperación de dimetil
éter se encuentra entre los platos 4-8. Siendo el 8vo plato la etapa que alcanza un contenido del 99,28% mol de DME.
El proceso diseñado para la producción de urea a partir del hidrógeno sometido al proceso Haber-Bosch generado en la
etapa de gasificación de la biomasa permitió obtener un producto del 99% de urea liquida.
28
RECOMENDACIONES
29
Utilizar datos reales sobre la composición de los desechos agroindustriales para la gasificación de los mismos y comparar
esos resultados con la investigación elaborada.
Se recomienda aplicar los resultados obtenidos de esta simulación en la industria, para aprovechar los gases producidos por
la gasificación de la biomasa en la obtención de otros productos químicos.
El simulador empleado permite trabajar con cualquier tipo de biomasa, por ello es recomendable modelar el mismo proceso
para otras biomasas residuales que se encuentran en nuestro país.
Es recomendable diseñar una red de intercambiadores de calor con el fin de aprovechar al máximo la energía producida y
reducir los requerimientos de las utilidades.
Con el modelo cinético propuesto para cada etapa, es recomendable realizar un estudio a escala de laboratorio para poder
extrapolar los resultados a una escala piloto.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN