UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN ...

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




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




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




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


Τ1 2 +KH2O

KH2

Τ1 2 PH2O

rC3 =

kC3′KCO2PCO2PH2

Τ3 2 −PCH3OH

PH2O

PH2

Τ3 2Keq3


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




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)


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)


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)


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)


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

)


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)


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)


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)


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)


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)


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


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)


Cacao

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)


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)


Palma africana

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)


Tallo de rosas

CH4CO2CO

CO + H2O → CO2 + H2

C + 2H2O → CO2 + 2H2


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%)


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%)


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%)


Cacao

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 m

ol%


Tallo de rosas

CH4

CO2

CO

H2


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

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