simulaciÓn de un sistema de tratamiento de biogÁs …
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SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE BIOGÁS GENERADO EN EFLUENTES DE PLANTAS DE EXTRACCIÓN DE ACEITE
DE PALMA PARA SU UTILIZACIÓN COMO COMBUSTIBLE EN CALDERAS
LAURA MELISSA GONZÁLEZ PARRA
PAULA ANDREA GONZÁLEZ CASTRO
TRABAJO DE GRADO PRESENTADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE
INGENIERO EN ENERGÍA
DIRECTOR
LEONARDO ESTEBAN PACHECO SANDOVAL
CO-DIRECTOR
CARLOS ALIRIO DÍAZ GONZÁLEZ
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS
BUCARAMANGA
2019
NOTA DE ACEPTACIÓN
Firma Director Proyecto de Grado
Firma de Co-director Proyecto de Grado
Firma Calificador Firma Calificador
Bucaramanga 2019
AGRADECIMIENTOS
En primera instancia doy gracias a Dios por permitirme llegar hasta este punto
de mi vida, permitiéndome cumplir uno de mis sueños, culminando este ciclo
como profesional.
A la virgencita María, nuestra protectora e intercesora ante nuestro padre
celestial.
A mis padres, Elsa Castro y Mario González por su constante apoyo, amor y
enseñanza, los cuales me forjaron como la persona y profesional que soy y seré.
A mis hermanas Laura, Silvia y Estefanny, quienes con su alegría logran sacar
día a día mis mejores sonrisas.
A Nicoll, colega, compañera de vida y hermana. Gracias por todas las aventuras
vividas y por vivir.
A mis amigos, con quienes compartimos incontables noches de estudio y
diversión. Forman parte de esa familia que encontramos y elegimos durante
nuestra existencia. Especialmente a Laura Melissa González Parra por su
entereza y dedicación para lograr sacar adelante este proyecto de grado
A la Universidad Autónoma de Bucaramanga y todo su personal docente, en
especial a nuestros directores Leonardo Pacheco y Carlos Díaz, por su
orientación y colaboración durante la realización del presente proyecto.
Paula Andrea González Castro
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por darme la sabiduría y la oportunidad de próximamente
culminar mi carrera como profesional, permitiéndome disfrutar de este proceso.
A mis padres, Carmen Rosa y Ernesto quienes me han inculcado valores y se
han esforzado por hacer de mí una persona íntegra. Han sido un excelente
ejemplo a seguir, agradezco por su amor y dedicación incondicional en cada
momento.
A mi familia, en especial a mis tíos en quienes siempre he encontrado voz de
aliento y apoyo durante mi vida.
A mis amigos y compañeros que me han acompañado durante mi carrera, largas
jornadas de estudio y momentos agradables que se quedarán para siempre en
la memoria, especialmente a Paula Andrea González Castro por su entereza y
dedicación para lograr sacar adelante este proyecto de grado.
Gracias al programa ser pilo paga que me dio la oportunidad de llevar a cabo mis estudios universitarios, a la Universidad Autónoma de Bucaramanga, a mis profesores que nos compartieron sus conocimientos para sacar adelante futuros ingenieros en energía, en especial a mi director de proyecto de grado Leonardo Pacheco y co director Carlos Días González, por su incondicional apoyo.
El valor de la vida esta en servir a los demás, por eso invito a mis futuros colegas a aportar nuestros conocimientos en las diferentes áreas que nos podemos desempeñar y lograr un mejor futuro.
Laura Melissa González Parra
INDICE 2. OBJETIVOS ........................................................................................................ 11
2.1. Objetivo general ........................................................................................... 11
2.2. Objetivos específicos .................................................................................... 11
3. METODOLOGIA .................................................................................................. 11
4. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 12
4.1. Proceso de extracción de aceite de palma.................................................... 12
4.2. Biogás .......................................................................................................... 13
4.3. Aprovechamiento energético de la biomasa en Colombia ............................. 14
4.4. Usos del biogás ............................................................................................ 15
4.5. Tecnologías para la limpieza del biogás ....................................................... 19
4.5.1 Lavado con agua ............................................................................................ 20
4.5.2 Absorción física .............................................................................................. 20
4.5.3 Absorción química .......................................................................................... 21
4.5.4 Separación criogénica .................................................................................... 22
4.5.5 Adsorción por oscilación de presión ............................................................... 22
4.5.6 Tecnología de membrana ............................................................................... 23
4.6. Análisis de características de las tecnologías ............................................... 24
4.6.1 Ventajas y desventajas de las tecnologías ..................................................... 24
4.6.2. Costos de inversión y operación de las tecnologías ...................................... 26
4.6.3 Selección de tecnologías a simular ................................................................ 27
5. SIMULACIONES EN EL SOFTWARE ASPEN-HYSYS .......................................... 29
5.1 Simulación con absorción química .................................................................... 29
5.1.1 Equipos utilizados en la simulación ................................................................ 30
5.2 Simulación lavado con agua .............................................................................. 34
5.2.1 Equipos utilizados en la simulación ................................................................ 35
5.3 Simulación de escenarios .................................................................................. 38
5.3.1 Escenarios absorción química ........................................................................ 38
5.3.2 Escenarios lavado con agua........................................................................... 39
6. RESULTADOS ....................................................................................................... 41
6.1 Absorción química ............................................................................................. 41
6.1.1 Selección de parámetros óptimos .................................................................. 49
6.1.2 Selección de flujo de amina/agua ................................................................... 50
6.2 Resultados de escenarios lavado con agua ...................................................... 50
6.2.1 Selección de parámetros óptimos................................................................... 56
6.3 Análisis de número de platos ............................................................................ 57
6.4 Análisis energético ............................................................................................ 59
6.5 Selección de tecnología de limpieza de biogás ................................................. 66
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 70
7.1 conclusiones ..................................................................................................... 70
7.2 Recomendaciones............................................................................................. 71
Bibliografía ................................................................................................................ 72
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.Composición del biogás según su fuente de obtención .................................. 13
Tabla 2. Características del Biogás Vs Gas Natural .................................................... 14
Tabla 3. Oferta anual de biomasa residual y Biogás por sector ................................... 15
Tabla 4. Parámetros requeridos de calidad para el Biogás en calderas ...................... 16
Tabla 5. Parámetros de calidad del biogás para turbinas y pequeñas turbinas ........... 17
Tabla 6. Requerimientos para el Biogás en dos motores de combustión interna ......... 18
Tabla 7. Cantidades requeridas de calidad para el Biogás en sistemas aislados ........ 18
Tabla 8. Cantidades mínimas y máximas de calidad para sistema gasista ................. 18
Tabla 9. Ventajas y desventajas de tecnologías de limpieza de biogás ...................... 25
Tabla 10. Costos de inversión y mantenimiento por tecnología ................................... 26
Tabla 11. Energía consumida por tecnología .............................................................. 27
Tabla 12. Composición de biogás proveniente de POME ........................................... 29
Tabla 13. Parámetros de operación torre de absorción química ................................. 30
Tabla 14. Parámetros de operación unidad torre de absorción, obtenida por Aspen-
HYSYS ....................................................................................................................... 31
Tabla 15. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad torre de
regeneración obtenida por Aspen-HYSYS .................................................................. 32
Tabla 16. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad torre de recirculación
obtenida por Aspen-HYSYS ........................................................................................ 33
Tabla 17. Parámetros de operación torre de absorción con lavado de agua ............... 34
Tabla 18. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad torre de absorción
obtenida por Aspen-HYSYS ........................................................................................ 36
Tabla 19. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad separador flash
obtenida por Aspen-HYSYS ........................................................................................ 37
Tabla 20. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad de recirculación
obtenida por Aspen-HYSYS ........................................................................................ 38
Tabla 21. Escenarios Absorción química .................................................................... 39
Tabla 22. Escenarios de lavado con agua .................................................................. 39
Tabla 23. Resultados de escenario 1 .......................................................................... 41
Tabla 24. Resultados de escenario 2 .......................................................................... 44
Tabla 25. Resultados de escenario 3 .......................................................................... 47
Tabla 26. Parámetros óptimos para operar absorción química ................................... 50
Tabla 27. Composición del biogás con diferentes flujos de amina/agua ...................... 50
Tabla 28. Composición Biogás escenario 1 lavado con agua ..................................... 51
Tabla 29. Composición Biogás escenario 2 lavado con agua ..................................... 52
Tabla 30. Composición Biogás escenario 3 lavado con agua ..................................... 53
Tabla 31. Composición Biogás escenario 4 lavado con agua ..................................... 54
Tabla 32. Composición Biogás escenario 5 lavado con agua ..................................... 56
Tabla 33. Parámetros óptimos lavado con agua ......................................................... 57
Tabla 34. Comparación tecnologías simuladas ........................................................... 66
Tabla 35. Propiedades de combustión del gas natural ................................................ 67
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Proceso de extracción de aceite de palma...... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 2. Tratamiento de limpieza de Biogás, Lavado con agua ................................. 20
Figura 3. Tratamiento de limpieza de Biogás, Absorción Física. ................................. 21
Figura 4. Tratamiento de limpieza de Biogás, Absorción Química .............................. 22
Figura 5. Tratamiento de limpieza de Biogás, separación Criogénica ......................... 22
Figura 6. Tratamiento de limpieza de Biogás, PSA ..................................................... 23
Figura 7. Tratamiento de limpieza de Biogás, Separación por membrana................... 24
Figura 8. Simulación absorción química con amina .................................................... 30
Figura 9. Torre de absorción ....................................................................................... 31
Figura 10. Unidad torre de regeneración ..................................................................... 32
Figura 11. Unidad de recirculación .............................................................................. 33
Figura 12. Simulación de absorción por lavado con agua ........................................... 35
Figura 13. Unidad torre de absorción lavado con agua ............................................... 35
Figura 14. Unidad separador flash .............................................................................. 36
Figura 15. Unidad de recirculación de agua ................................................................ 37
Figura 16. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en
escenario 1 ................................................................................................................. 42
Figura 17. Concentración de Amina MDEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en
escenario 1 ................................................................................................................. 43
Figura 18. Concentración de Amina DEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en
escenario 1 ................................................................................................................. 44
Figura 19. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario2 .................................................................................................................. 45
Figura 20. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario 2 ................................................................................................................. 46
Figura 21. Concentración de Amina MDEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario 2 ................................................................................................................. 46
Figura 22. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario 3 ................................................................................................................. 48
Figura 23. Concentración de Amina MDEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario 3 ................................................................................................................. 48
Figura 24. Concentración de Amina DEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario 3 ................................................................................................................. 49
Figura 25. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
1 ................................................................................................................................. 51
Figura 26. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
2 ................................................................................................................................. 52
Figura 27. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
3 ................................................................................................................................. 54
Figura 28. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
4 ................................................................................................................................. 55
Figura 29. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
5 ................................................................................................................................. 56
Figura 30. Composición biogás Vs Número de platos ................................................. 58
Figura 31. CH4 y CO2 Vs Número de platos ................................................................ 59
Figura 32. Composición H2S Vs Número de platos ..................................................... 59
RESUMEN
Este estudio contempla la evaluación de las diferentes tecnologías de limpieza
de biogás evaluando su funcionamiento, características y a su vez los
parámetros de operación, eficiencia, energía y costos de cada tecnología, con el
fin de hacer una comparación entre éstas, identificando las ventajas y
desventajas que tiene cada una. Por medio del estudio realizado se seleccionan
las dos mejores tecnologías, las cuales se llevan a la etapa de simulación por
medio de la herramienta Aspen HYSYS donde la composición y la cantidad
producida del biogás, utilizada para llevar a cabo las simulaciones de las
tecnologías seleccionadas es proporcionada por la empresa Extractora de Aceite
Oro Rojo, la cual va permitir determinar la tecnología adecuada para obtener la
calidad más óptima del biogás teniendo en cuenta la recuperación de metano, el
poder calorífico inferior y el índice de wobbe conocido como factor de
intercambiabilidad de gases. Es por esto que el biogás obtenido del proceso de
limpieza a partir de la tecnología seleccionada se implementará como
combustible en caldera para darle un uso y contribuir con el medio ambiente
disminuyendo la emisión de gases de efecto invernadero a la atmosfera.
ABSTRACT
This study contemplates the evaluation of the different biogas cleaning
technologies evaluating their operation, characteristics and at the same time the
operation, efficiency, energy and costs parameters of each technology, in order
to make a comparison between them, identifying the advantages and
disadvantages what each one has Through the study carried out, the two best
technologies are selected, which are taken to the simulation stage by means of
the Aspen HYSYS tool, where the composition and quantity produced from the
biogas used to carry out the simulations is provided by the company. Extractor of
Red Gold Oil, which will allow to determine the adequate technology to obtain the
most optimal biogas quality taking into account the recovery of methane, the
lower calorific power and the wobbe index known as the gas exchangeability
factor. That is why the biogas obtained from the cleaning process from the
selected technology will be implemented as fuel in the boiler to use it and
contribute to the environment by reducing the emission of greenhouse gases into
the atmosphere.
9
INTRODUCCIÓN
El procesamiento de extracción de aceite de palma genera grandes cantidades
de residuos orgánicos y efluentes, los cuales se llevan a tratamiento mediante
digestión anaerobia produciendo lodos y biogás, este último obtenido contiene
gases contaminantes que afectan al medio ambiente, como son el metano,
dióxido de carbono y ácido sulfhídrico (CH4, CO2 y H2 S) , donde el gas metano
tiene un grado de agresividad para el calentamiento global 21 veces mayor
respecto al dióxido de carbono cuyo factor es 1. [1]
Los compromisos internacionales a los cuales Colombia se ha adherido en los
últimos años, como lo es el COP21, conllevan al planteamiento de una política
pública construida con base a los lineamientos de sostenibilidad. Es por esto que
el Ministerio de Ambiente y Desarrollo plantea la reducción del 20% de las
emisiones al 2030. Actualmente, Colombia es responsable del 0.46% de las
emisiones de GEI a nivel mundial y se proyecta que, al ritmo actual de
crecimiento, estas podrían aumentar hasta en un 50% para el año 2030. [2]
Debido a la problemática ambiental que se genera debido al tratamiento de los
efluentes de extracción de aceite de palma donde se emiten contaminantes a la
atmosfera y teniendo en cuenta que el metano tiene un alto potencial de
calentamiento global, la agro-industria debe afrontar retos tecnológicos donde
por medio de la captura del metano se disminuyan las emisiones dando la
aplicación de este como combustible. Actualmente, existen diferentes
tecnologías de limpieza de biogás que permiten dar un uso al metano en
diferentes aplicaciones, es por esto que el proyecto selecciona la tecnología de
limpieza adecuada por medio de la comparación de resultados obtenidos en el
software Aspen HYSYS.
Además del acuerdo de París mencionado anteriormente - COP21, el país tiene
el deber de cumplir los objetivos de desarrollo sostenible planteados por la ONU,
donde algunos de estos se evidencian en el proyecto dando cumplimento a lo
establecido por la ONU, estos son: Agua limpia y saneamiento, debido al
tratamiento que se realiza a los efluentes obtenidos del proceso de extracción de
aceite de palma para evitar que estos sean vertidos en aguas limpias y
contaminen; Energía asequible y no contaminante, ya que es posible obtener
energía por medio de la aplicación del biogás obtenido de la digestión anaerobia
realizada en los efluentes de extracción de aceite de palma, el cual es no
contaminante ya que es una energía limpia; Industria, innovación e
infraestructura debido a la innovación que tiene el proyecto en el sector industrial
al dar aprovechamiento a un recurso obtenido de los procesos de extracción de
aceite de palma para darle un uso y obtener de este beneficios económicos y
10
ambientales, y Acción por el clima, ya que disminuye los gases de efecto
invernadero emitidos a la atmósfera por medio de la implementación de limpieza
del biogás. [3]
11
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
Determinar el proceso de limpieza de biogás proveniente de los efluentes del
proceso de extracción de aceite de palma de acuerdo con su uso final utilizando
la herramienta ASPEN-HYSYS.
2.2. Objetivos específicos
● Identificar las tecnologías existentes y sus parámetros de operación para
la limpieza de biogás proveniente de POME (Palm Oil Mill Effluent).
● Simular las tecnologías seleccionadas en la herramienta ASPEN-HYSYS.
● Determinar las condiciones de producción y de uso final del biogás.
● Determinar la tecnología adecuada para el uso final seleccionado,
mediante análisis técnico.
3. METODOLOGIA
Para culminar este trabajo de grado se desarrollaron las siguientes fases:
Fase 1: En esta fase se realiza una revisión bibliográfica de las tecnologías
existentes para la limpieza de bio-gas. Esta revisión permite determinar los
parámetros de operación, ventajas y desventajas, costos de inversión y
mantenimiento. De este análisis se seleccionan dos tecnologías a simular; una
según los bajos costos de inversión y mantenimiento, y otra por alta recuperación
de metano.
Fase 2: En esta fase se realizan las simulaciones contemplando los parámetros
de operación de las dos tecnologías seleccionadas en el software comercial
ASPEN HYSYS. Se realizan las simulaciones en diferentes escenarios
planteados, donde se varían los parámetros con el fin de corroborar lo expuesto
por literatura o encontrar condiciones óptimas para la limpieza del biogás.
Fase3: En la fase final se muestran los resultados obtenidos, es decir la calidad
de biogás alcanzado en cada uno de los escenarios para cada tecnología, se
realiza un análisis de cada resultado para poder determinar la tecnología
adecuada para la aplicación en estudio y desarrollo del informe final.
12
4. MARCO TEÓRICO
4.1. Proceso de extracción de aceite de palma
Es de importancia tener una descripción detallada del proceso de extracción de aceite de palma para así determinar los efluentes que están siendo generados en el proceso [4]. En la Figura 1 se encuentra el diagrama del proceso con las etapas en donde salen efluentes.
Recepción
Se lleva a cabo el recibimiento del fruto donde el camión es pesado con y sin fruto para saber el peso del fruto que está ingresando. Luego de realizar este proceso se tiene que evaluar la calidad del fruto con parámetros establecidos por cada empresa extractora de aceite con el fin de saber la cantidad de fruto de buen y mal estado que está ingresando. [5]
Esterilización
El fruto se introduce en autoclaves donde es sometido a elevadas temperaturas y presión de vapor saturado durante un tiempo determinado con el fin de ablandar el fruto para permitir una buena extracción del aceite [4].En este proceso salen los primeros efluentes los cuales son los condensados del proceso de esterilización. [5]
Desfrutamiento
Es un proceso de separación del fruto de la tusa o raquis por medio de un tambor desfrutador [4]. El fruto es transportado a los digestores y la tusa o raquis se lleva a los suelos donde se descompone y sus nutrientes son absorbidos por las palmas [5].
Digestión y prensado
Fruta es macerada a una temperatura de 90° C hasta formar una masa homogénea blanda para llevar a cabo el prensado [4] .Después de la digestión se pasa por una prensa que se encarga de separar la torta (fibra, cuesco y nueces) del aceite. El aceite obtenido es bombeado al proceso de clarificación y la torta enviado al proceso de palmisteria [5]
Clarificación
El aceite obtenido es filtrado, decantado y centrifugado con el fin de retirar el agua y las impurezas lodosas del aceite para alcanzar un alto rendimiento de aceite con un mínimo de impurezas sólidas. Las aguas eliminadas de este proceso junto con las impurezas y lodos son llevados al tratamiento de efluentes.
13
Palmisteria
La torta obtenida del proceso de prensado se lleva a un proceso de secamiento, separación física nuez-fibra, molinería y limpieza con el objetivo de obtener la almendra para ser aprovechada en la sección de extracción de aceite de palmiste para extraer el aceite y la torta de palmiste. [1]
Figura 1. Proceso de extracción de aceite de palma.
Fuente: Autores
4.2. Biogás
Los líquidos y lodos producidos del proceso de extracción de aceite de palma
son enviados a piscinas donde se lleva a cabo el tratamiento de efluentes y
mediante la digestión anaerobia las bacterias metanogénicas contenidas
producen biogás [6]. Este está compuesto por una mezcla de gases,
principalmente de metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y gases en menor
cantidad como el oxígeno (O2) y el ácido sulfhídrico (H2S) [7]. La composición del
biogás varía según su origen de obtención como se observa en la Tabla 1Tabla 1
y se considera de buena calidad aquel que está compuesto por un 65% de
metano y 35% de dióxido de carbono.
14
Tabla 1.Composición del biogás según su fuente de obtención
Componente
Unidad
POME (palm oil
mill effluent)
Planta de
aguas residuales
Rellenos
CH4 Vol% 60-70 55-65 45-55
CO2 Vol% 30-40 35-45 30-40
O2 Vol% <1 <1 5-15
H2S ppm 10-2000 10-40 50-300
Fuente: [8]
El biogás se considera de gran potencial energético y su utilización contribuye
con la disminución de gases de efecto invernadero debido a que el metano que
contiene puede usarse en diferentes aplicaciones donde el combustible usado
sea el gas natural, y de esta manera evitar que este sea emitido a la atmósfera.
Para dar un aprovechamiento al metano este debe ser limpiado para así dar
cumplimiento a las condiciones de calidad del gas natural y de esta manera ser
utilizado en equipos. En la Tabla 2 se evidencian las características del biogás sin
limpieza y las del gas natural [9].
Tabla 2. Características del Biogás Vs Gas Natural.
Parámetros Unidad Gas natural
Biogás sin limpieza
Poder calorífico (inferior) MJ.m-3 40 21.48
Densidad relativa
0.6 0.7
Índice Wobbe (inferior) MJ.m-3 50 19.5
Densidad kg.m-3 0.7 0.8
Punto de rocío °C 59 60-160
Fuente:[9]
4.3. Aprovechamiento energético de la biomasa en Colombia
Colombia es un país rico en recursos energéticos renovables, presentando una
matriz energética mayoritariamente hídrica (70% aproximadamente), aun así
sigue utilizando combustibles fósiles para su generación eléctrica, producción
industrial y movilidad [10].
El país cuenta con un gran potencial para el desarrollo de aplicaciones a base
de biogás debido a la gran oferta de generación de biomasa residual que se
15
genera a partir de estos desechos finales. En el año 2018 se tuvo un potencial
energético de 3.000 GBTU/año a partir de los efluentes obtenidos de las plantas
de extracción de aceite de palma los cuales tienen gran contenido de materia
orgánica [10]. La producción anual de biomasa en toneladas en diferentes
sectores industriales y el biogás que se produce a partir de ésta se muestra en
la Tabla 3.
Tabla 3. Oferta anual de biomasa residual y Biogás por sector
Oferta Anual de Biomasa Residual y Biogás por Sector
Sector Biomasa residual T/año Biogás TJ/año
Avícola Pecuario 4.263.929 3.601
Porcícola 1.409.497 2.120
Bovino 501.392 431
Arroz 1.351.912 7.393
Banano 211.920 14
Café 248.181 226
Maíz Agrícola 559.006 4.940
Palma de aceite 4.982.192 3.073
Plátano 95.750 6
caña de azúcar 6.549.226 22.660
caña panelera 237.957 818
RSU Urbanos 4.278.348 2.608
Lodos PTAR 1.165.359 2.355 Fuente: [11]
El departamento de Santander tiene una alta participación en el sector palmero,
ya que cuenta con 87.095 ha sembradas en palma de aceite de las cuales 78.637
ha están en producción, estas se encuentran distribuidas en 7 plantas de
beneficio a lo largo del departamento. En el primer semestre de 2018 la
producción de aceite de palma crudo alcanzó las 110.956 toneladas, que
corresponden al 13,2% de la producción nacional [12]. Santander cuenta con un
potencial factible de generación de biogás a partir de residuos líquidos de plantas
de extracción de aceite de palma con un valor de 18.198.204 [m3/año],
permitiendo así una potencia de energía de 291.717 [GJ/año] [12].
4.4. Usos del biogás
El biogás tiene diversas opciones para su utilización, entre las más destacas se
encuentran la producción de calor o vapor en calderas, generación de energía
eléctrica y combustible para motores y/o equipos. Para cada uno de estos usos
el biogás debe cumplir con unas características mínimas, por lo cual debe ser
16
conducido por un sistema de limpieza para aumentar la calidad del metano y de
esta manera eliminar o bajar la concentración de gases contaminantes que
causen un daño a los equipos en donde se quiere dar una aplicación a este.
Es importante mencionar que el uso final del gas obtenido de la limpieza de
biogás es la implementación de este en la caldera para la producción de vapor y
de esta manera ser usado en algunas de las etapas del proceso de extracción
de aceite de palma, como el proceso de esterilización el cual requiere vapor para
su proceso; es por esto que se da una explicación más detallada de este uso,
pero sin embargo se mencionan los demás usos en los cuales se podría llegar a
implementar y sus debidos parámetros para su utilización.
● Producción de calor o vapor en caldera:
El uso del biogás como combustible en calderas es uno de los más comunes en
la agro-industria ya que además de producir vapor en la misma cantidad y
eficiencia que el gas natural también conlleva a un ahorro de combustible, para
llevar a cabo este uso final de biogás es importante llevar este a unos parámetros
requeridos para usarlo como combustible en caldera [13]. Esto con el fin de evitar
problemas en la caldera como reducción del desempeño, inestabilidad de llama,
corrosión en las paredes de la caldera y combustión incompleta por producción
de CO [14].
Tabla 4. Parámetros requeridos de calidad para el Biogás en calderas.
Especificaciones Cantidad Unidad
Poder calorífico inferior
5500 Kcal/Nm3
Índice de Wobbe >18 MJ/m3
CH4 >50 mol%
H2S <0,1 %Vol
H2O 0 mol%
Presión de entrada
40-50 mbar
Compuestos halogenados
<1 Mg(Cl)/m3
Fuente: [13]
Para realizar una correcta intercambialidad de dos gases combustibles es
necesario aplicar el método del índice de Wobbe más conocido como factor de
intercambiabilidad, el cual se basa en el poder calorífico, la gravedad especifica
17
del gas y su relación con la entrada de energía [15] La Ecuación 1 muestra el
cálculo del índice de Wobbe [14].
Ecuación 1. Índice de Wobbe
𝑊 =𝑃𝐶𝐼
√𝐺
Donde,
W: Índice de Wobbe
PCI: Poder calorífico inferior
G: Densidad relativa
Para poder dar uso al gas obtenido del proceso de limpieza de biogás es
necesario aplicar este método y así evaluar si es posible realizar
intercambiabilidad entre el gas natural y el biogás; de igual forma es relevante
contar con un alto poder calorífico inferior del gas para lograr un buen
desempeño de combustión en la caldera.
● Generación de electricidad:
Para este uso se combina gas y aire, donde el gas es quemado y permite que se
dé la combustión para así generar electricidad por medio de un generador
eléctrico. Si el biogás es implementado en las turbinas sin haber sido limpiado,
el equipo presentará problemas, como el incremento en las emisiones
contaminantes, deterioro de los componentes del mismo y reducción de la
confiabilidad.
Tabla 5. Parámetros de calidad del biogás para turbinas y pequeñas turbinas
Parámetros Turbinas Pequeñas turbinas
Presión de entrada (mbar) Aplicación en específico 3.44 - 5.17
Poder calorífico (MJ/Nm3) 14.9 - 44.7 13.1- 44.7
Temperatura de entrada (°C) -40 - 93.3 0.6 - 46.1
Siloxanos (ppm) 0.068 0.005
Fuente: [9]
● Como combustible en automóviles:
Para darle uso al biogás como combustible en automóviles es importante que
este tenga calidad similar a la del gas natural, para usarlo en motores de
18
combustión interna el gas debe tener un octanaje entre 100 y 110.
Tabla 6. Requerimientos para el Biogás en dos motores de combustión interna
Parámetro Rolls-Royce GE Jenbacher
Poder calorífico Min (MJ/Nm3) 18 - Temperatura del gas(°C) 20 - 40 0 - 40 Azufre máximo (mg/m3) 1520 455 Amoníaco máximo (mg/m3) 50 32
Fuente: [9]
Servicio público domiciliario de gas combustible con biogás
La Resolución CREG 240 de 2016 en donde se encuentran las normas que
deben ser aplicadas para llevar a cabo el servicio público domiciliario de gas
combustible con biogás, establece las reglas a seguir en cuanto calidad del
biogás para la prestación del servicio público domiciliario a través del biogás [15].
A continuación, se muestran los parámetros permitidos en la resolución.
Tabla 7. Cantidades requeridas de calidad para el Biogás en sistemas aislados
Especificaciones Cantidad Unidad
Poder calorífico inferior
>16 MJ/m3
Índice de Wobbe >18 MJ/m3
CH4 >50 mol%
H2S <20 mg/m3
CO2 <45 mol%
Siloxanos <10 mg/m3
Compuestos halogenados
<1 Mg(Cl)/m3
Fuente: [16]
Tabla 8. Cantidades mínimas y máximas de calidad para sistema gasista
Propiedad Cantidad Unidad
Poder calorífico máx 42,8 MJ/m3
Poder calorífico mín 35,4 MJ/m3
H2S máx 6 mg/m3
CO2 2 mol%
O2 máx 0,1 mol%
Contenido de agua 97 mg/m3
19
Temperatura de entrega máx 49 °C
Temperatura de entrega min 4,5 °C
Contenido máx de polvos 1,6 mg/m3
Fuente: [16]
Aprovechar el biogás obtenido de los efluentes de la producción de aceite de
palma trae consigo beneficios ambientales, energéticos y económicos [17]:
Ambientales: El biogás por ser derivado de la biomasa se considera una
energía renovable, permitiendo reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero.
Energético: El biogás obtenido del proceso de limpieza cuenta con un
importante poder energético el cual puede ser utilizado con fines
energéticos
Económicos: Al darle un uso al biogás como fuente energética en el sector
agro-industrial dedicado a la extracción de aceite de palma permite la
reducción de costos al momento de implementarlo como combustible en
algún equipo de la planta.
4.5. Tecnologías para la limpieza del biogás
El biogás obtenido a partir de efluentes de extracción de aceite de palma contiene
diferentes contaminantes como el dióxido de carbono (CO2), ácido sulfhídrico
(H2S) y metano (CH4), los cuales son perjudiciales para el medio ambiente ya
que aportan al calentamiento global. Los gases H2S y CO2 forman corrosión en
la caldera, la cual es el equipo en donde se quiere implementar el bio-metano, y
este debe llevarse a unos parámetros de calidad ya que si no se cumplen se
presenta no solo corrosión sino problemas en la combustión haciendo que se
presente una inestabilidad de llama y combustión incompleta por producción de
CO [14]. Es por esto que se dan a conocer las tecnologías de limpieza de biogás,
las cuales se encargan de retirar o disminuir la concentración de los gases ácidos
que se desean eliminar del biogás obtenido a partir del tratamiento de efluentes
de extracción de aceite de palma, estas tecnologías son:
● Lavado con agua
● Absorción física
● Absorción química
● Adsorción por oscilación de presión
● Separación con membrana
● Separación criogénica
20
4.5.1 Lavado con agua
Es un proceso en contracorriente donde el disolvente es el agua y se inyecta a
alta presión de 20-25 bar y con temperatura de 20-30°C por la torre de lavado;
el biogás se introduce por la parte inferior de la torre con una presión de 12-15
bar para así eliminar el CO2 y H2S contenido [18]. Los contaminantes retirados
quedan en el agua al momento de terminar el proceso y se llevan a la torre flash
para permitir extraer el metano que haya podido quedar contenido en el agua y
así hacer el proceso más eficiente. El agua utilizada puede ser regenerada por
medio de una torre separadora para permitir eliminar los gases contaminantes
que estén contenidos en el agua y de esta forma recircular el agua a la torre de
absorción para un mejor aprovechamiento. El lavado con agua permite obtener
CH4 del 97% de pureza [9].
Figura 1. Tratamiento de limpieza de Biogás, Lavado con agua.
Fuente: Autores
4.5.2 Absorción física
La absorción física es un proceso en el que se pone en contacto el biogás con
presión de 6-10 bar por la parte inferior de la torre de absorción con disolventes
orgánicos que son introducidos por la parte superior de la torre con presión de 1-
2 bar, se utilizan disolventes como metanol (CH3OH), N-metil pirrolodina (NMP) y
éteres de polietilenglicol (PEG) para eliminar CO2 y H2S de la corriente de Biogás.
Para dar un aprovechamiento de los disolventes orgánicos el proceso se lleva a
regenerar con una temperatura de 50°C y presión de 1 bar permitiendo eliminar
los contaminantes que quedan contenidos en la solución y hacer uso
21
nuevamente de los disolventes en la torre de absorción [20]. Eficiencias del 97%
en recuperación del metano [9].
Figura 2. Tratamiento de limpieza de Biogás, Absorción Física.
Fuente: Autores
4.5.3 Absorción química
Proceso en el cual se pone en contacto el biogás con presión y temperatura
ambiente con una mezcla de Agua-Amina con presión de 1-2 bar y temperatura
de 25-40 °C en una torre de absorción [19]. Las aminas más comunes utilizadas
como disolventes para la eliminación de gases ácidos (CO2 y H2S) son
dietanolamina (DEA), Monoetanolamina (MEA) y metildietanolamina (MDEA). En
el momento de eliminar las impurezas del biogás se lleva a un proceso de
regeneración a una temperatura de 100°C-160°C por medio de una torre de
desorción para evitar que se pierdan las aminas utilizadas en el proceso y así
hacer una reutilización de éstas para disminuir gastos en el proceso [21].
Eficiencias del 99%. [9]
22
Figura 3. Tratamiento de limpieza de Biogás, Absorción Química
Fuente: Autores
4.5.4 Separación criogénica
Separación de la mezcla de gases por condensación fraccionada y destilaciones
a baja temperatura. Debido a que el CO2 se condensa a una presión más baja y
a temperaturas más altas que el metano, los gases se pueden separar. Este
proceso es adecuado cuando el producto final es biometano líquido, funciona
mejor a presión elevada para evitar que el CO2 Se vuelva hielo seco que obstruye
el proceso. Esta separación se da a bajas temperaturas cerca de -90°C y alta
presión aproximadamente 80 bar. Si se condensa el CH4 también se puede
eliminar el N2. Se logra obtener una pureza del 94% metano al finalizar el proceso
[20].
Figura 4. Tratamiento de limpieza de Biogás, separación Criogénica
Fuente: Autores
4.5.5 Adsorción por oscilación de presión
Esta tecnología permite obtener un metano muy puro (90-95%) y se basa en el
hecho de que, bajo ciertas presiones, los gases tienden a ser atraídos hacia
superficies sólidas (adsorbidos). Cuando la presión se reduce, el gas es liberado,
23
se puede utilizar como adsorbentes: Carbón activado, zeolitas, tamices
moleculares de zeolitas y tamices moleculares de carbón. El sistema opera a
temperaturas cercanas a la ambiental. A altas presiones adsorbe CO2 y luego se
cambian las condiciones para extraer el CO2 del material adsorbente [22]
Parámetros de operación:
Carbón Activado
● Presión: 7-8 bar
● Temperatura: 50-70 °C
Tamices Moleculares
Estos pueden usarse para eliminar H2S, mercaptanos, agua y un buen número de otras impurezas. Los tamices moleculares compuestos de zeolitas con alta afinidad por las moléculas polares, presentan un área superficial de hasta 590
cm2/g teniendo tamaños de poros bien definidos lo que permite una remoción selectiva de diferentes compuestos.
● Presión: 3-7 bar
● Temperatura: 50-60°C
Figura 5. Tratamiento de limpieza de Biogás, PSA
Fuente: Autores
4.5.6 Tecnología de membrana
El biogás ingresa a una presión de 40 bar y pasa a través de una membrana de
1 mm donde unos componentes quedan atrapados en esta. Para el proceso de
24
separación de CO2, H2S y CH4 es necesaria una alta permeabilidad del material
de la membrana para una alta purificación y es necesario de varias unidades
para hacer una adecuada separación. La membrana es sólida y está constituida
por polímeros de celulosa-acetato y tiene una permeabilidad para el CO2 y H2S
de 20 y 60 veces respectivamente superiores al CH4. Los componentes del
biogás separados son absorbidos en una solución, por lo que el proceso se
denomina tecnología de diagrama húmedo. Para estos fines, se utiliza una
solución de soda cáustica como solvente para H2S y soluciones de amina para
CO2. Este procedimiento opera a bajas presiones y tiene una recuperación del
96% del metano [22].
Figura 6. Tratamiento de limpieza de Biogás, Separación por membrana
Fuente: Autores
4.6. Análisis de características de las tecnologías
Para dar una selección adecuada de la tecnología con mayor recuperación de
metano y otra con el menor valor de inversión y mantenimiento se lleva a cabo
un análisis de las ventajas y desventajas tecnológicas que tiene cada proceso
de limpieza de biogás, posteriormente se presentan los costos de inversión y
mantenimiento para cada una de las tecnologías descritas anteriormente
permitiendo de esta manera determinar cuáles son las dos tecnologías
adecuadas a simular en el Software Aspen HYSYS.
4.6.1 Ventajas y desventajas de las tecnologías
Es de importancia conocer las ventajas y desventajas que trae consigo cada una
de las tecnologías que actualmente se implementan en la limpieza de biogás,
con el fin de evidenciar la cantidad de recuperación de metano, gases que
permiten eliminar, problemas en los equipos, requerimiento de energía e
inversiones altas o bajas; todo esto con el objetivo de determinar las dos
25
tecnologías de limpieza adecuadas para llevar a cabo la simulación. En la Tabla
9 se encuentran cada uno de estos aspectos mencionados anteriormente.
Tabla 9. Ventajas y desventajas de tecnologías de limpieza de biogás
Tecnología Ventajas Desventajas
Se requiere de mayor energía para
97% CH4 concentración. comprimir el gas y para bombear el agua.
Lavado con Agua
Eliminación de CO2 y H2S.
No se requiere manipulación especial ni productos químicos.
Requiere gran cantidad de agua, incluso con la regeneración.
Obstrucción debido al crecimiento bacteriano.
Tolerante para impurezas. Problema de la corrosión debido a H2S.
La regeneración de agua es posible.
Retira componentes tales como H2S, NH3, HCN, CO2 y H2O.
Baja flexibilidad hacia la variación del gas de entrada.
Operación compleja con alta inversión y costos operativos.
Absorción Física
Baja pérdida de CH4. Necesidad de alta energía para Regenerar el disolvente. La regeneración del disolvente se
Absorción Química
97% CH4 concentración.
Se puede operar a bajas presiones.
Eliminación de CO2 y H2S.
99% CH4 concentración.
Dificulta si no se elimina primero el H2S.
Costoso para pequeñas aplicaciones.
Se requiere alto costo de inversión.
Problemas de corrosión y descomposición de amina contaminante.
Los desechos químicos pueden requerir tratamiento.
Adsorción por oscilación de presión
Separación con
Membrana El proceso es más rápido que lavado con agua.
90-95 % Concentración de CH4.
Gas limpio y libre de agua.
Instalación rápida y fácil puesta en marcha.
Elimina N2 y O.
Alta recuperación de CH4, hasta 96%. Requisitos de espacio pequeño
26
Necesidad d
e alta energía para regenerar el disolvente.
Alta inversión de capital y de costos operativos. El paso de eliminación del H2S es
necesario. El agua debe eliminarse antes del proceso de PSA.
Pérdidas de CH4 por mal funcionamiento en las válvulas. Para obtener alta pureza se requieren múltiples etapas membranas.
Bajo CH4 en un solo paso. Disponible para capacidades bajas.
No es adecuado para necesidades de alta pureza.
27
Fácil mantenimiento sin químicos peligrosos.
Baja selectividad de membrana.
Rápida instalación y puesta en marcha.
Consume más electricidad por unidad de gas producido.
Proceso sencillo y ecológico.
Alta pureza de CH4, hasta el 94%.
Alta inversión.
Separación Criogénica
Alto costo de mantenimiento y costos Operativos.
Técnica amigable con el medio ambiente.
Altos requerimientos de energía.
Equipos costosos para el proceso.
Fuente: [20], [21], [22], [23]
Teniendo en cuenta la Tabla 9 se puede determinar que las tecnologías que son
asertivas para llevar a cabo el proceso de limpieza del biogás de acuerdo a las
ventajas y desventajas que presentan son la de absorción química ya que es la
tecnología que permite una mayor recuperación de metano con un 99% lo cual
significa que permite eliminar casi por completo los gases ácidos contenidos (H2S
y CO2), la tecnología de separación criogénica de igual forma presenta ventajas
como su poca pérdida de metano con un porcentaje del 6% , es una técnica
amigable con el medio ambiente y presenta un fácil mantenimiento. Por último,
la tecnología que se basa en lavado con agua cuenta con importantes ventajas
ya que no requiere manipulación especial ni de productos químicos, también
presenta una aceptable recuperación de metano del 97% y elimina impurezas
como dióxido de carbono y ácido sulfhídrico.
4.6.2. Costos de inversión y operación de las tecnologías
Otro de los parámetros para dar elección a la mejor tecnología de biogás son los
costos de inversión y mantenimiento que utilizan cada una de las tecnologías, de
igual forma se evidencia la energía que se consume por tecnología para la
limpieza de biogás. A continuación, se muestra la Tabla 10 con los respectivos
valores de inversión y mantenimiento por tecnología.
Tabla 10. Costos de inversión y mantenimiento por tecnología
Tecnologías Costos (€/año) para 1000 m3
Costo inversión Costo mantenimiento Lavado con agua 10,000,000 15,000 Absorción física 10,000,000 39,000 Absorción química 20,000,000 59,000 Presión por oscilación de presión 17,50,000 56,000
28
Separación por membrana 20,00,000 25,000 Separación criogénica 20,000,000 75,000
Fuente: [23], [ [24], [25]
Tabla 11. Energía consumida por tecnología
Tecnologías Energía consumida kWh/Nm3
Lavado con agua 0.2-0.5 Absorción física 0.10-0.33 Absorción química 0.5-0.8 Presión por oscilación de presión 0.16-0.43 Separación por membrana 0.18-0.35 Separación criogénica 0.18-0.25
Fuente: Autores [23], [26], [27]
Realizada la revisión bibliográfica de costos de inversión y mantenimiento para
llevar a cabo el proceso de limpieza de biogás se determina que la tecnología de
lavado con agua es la que presenta menor costo en comparación a las otras
tecnologías.
4.6.2 Selección de tecnologías a simular
Los criterios contemplados para la selección de las dos tecnologías para llevar a cabo las simulaciones y análisis energético de los sistemas de limpieza de biogás se basaron en la alta recuperación de metano y en los costos de inversión y mantenimiento por cada una de las tecnologías. Es por esto que se realiza la matriz presentada continuación donde se realiza una calificación a estos criterios contemplados para dicha selección, donde 5 es excelente ya sea para la recuperación de metano o costos de inversión y mantenimiento no tan elevados y 1 baja recuperación y muy altos costos de inversión y mantenimiento.
PARAMETRO TECNOLOGIAS
Lavado con agua
Abs. Física
Abs. Química
PSA Sep.
Criogenica Sep. por
membrana
Recuperación de metano
4 4 5 2 1 3
costos de inversión
5 5 1 3 1 1
Costos de mantenimiento
5 3 2 3 1 4
Las tecnologías seleccionadas, las cuales serán simuladas en la herramienta
Aspen HYSYS son:
29
● Absorción química
Realizada la revisión bibliográfica se tuvo en cuenta esta tecnología para llevarla
a la fase de simulación por la ventaja que presenta en eficiencia, teniendo una
recuperación del 99% de metano, haciéndola atractiva para su puesta en
marcha. Se realizó una revisión de las diferentes aminas que se pueden usar
para así determinar cuál sería la adecuada para el caso de limpieza de biogás.
MEA (Monoetanolamina)
Es el solvente preferido en corrientes de gas que contienen concentraciones bajas
de ácido sulfhídrico (H2S) y dióxido de carbono (CO2), si se encuentran altas concentraciones de CO2 se requiere de un alto consumo energético en la regeneración. Las soluciones de monoetanolaminas se consideran corrosivas DEA (Dietanolamina)
Las soluciones de dietanolamina se utilizaron por muchos años en el tratamiento
de gases de refinería que normalmente contienen cantidades apreciables de
COS y CS2, además de H2S y CO2. Se utilizan en concentraciones entre 25-35%
y se puede utilizar con altas concentraciones de H2S, pero no se considera buena
opción para el tratamiento de gases que contenga altas concentraciones de CO2
debido a que tiene numerosas reacciones lo que forma degradación. Es un
solvente de bajo costo [26].
MDEA (Metildietanolamina)
Las soluciones de metildietanolamina pueden absorben selectivamente H2S bajo
condiciones de operación aAutoresdas y se utiliza cunado se tienen
concentraciones altas de H2S y CO2. Se considera de mayor costo que la MEA
y es viable utilizarla en concentraciones entre 20-50% [26].
● Lavado con Agua
Esta tecnología se seleccionó gracias a la ventaja que presenta en los bajos
costos de inversión y mantenimiento frente a las demás tecnologías debido a que
el solvente utilizado para la absorción de CO2, H2S y demás contaminantes es
agua a alta presión, haciendo que sea de gran interés para su implementación
ya que si se realiza una debida recirculación del agua lo haría un proceso
sostenible. Es importante destacar que permite alcanzar alta concentración del
97% de metano, aun así, realizada la simulación en la herramienta Aspen-
HYSYS se podrá demostrar la eficiencia frente a la recuperación de metano y de
esta manera evaluar que tan viable puede llegar a ser su implementación.
30
5. SIMULACIONES EN EL SOFTWARE ASPEN-HYSYS
La construcción de una simulación de línea base en la herramienta Aspen
HYSYS, demanda como primer paso la creación de la lista de componentes
utilizados en el proceso. La Tabla 12 presenta la composición del biogás con sus
concentraciones, las cuales fueron proporcionadas por la empresa Extractora de
Aceite Oro Rojo. [27]
Tabla 12. Composición de biogás proveniente de POME
Componente
Unidad
POME (palm oil mill effluent)
CH4 Vol% 57,7333
CO2 Vol% 41,7
O2 Vol% 0
H2S Vol% 0,5667
Fuente: [27]
La planta extractora de aceite de palma Oro Rojo produce 24 [m3/h] de efluentes
líquidos, lo que lleva a una generación de 742,5 kg/h de biogás [27]. Este dato
es de suma importancia para llevar a cabo las simulaciones ya que este es el
flujo másico de biogás que se tiene en cuenta para realizar el proceso de limpieza
del mismo.
5.1 Simulación con absorción química
Una vez creada la lista de componentes para realizar la simulación, se deberá
asociar con un paquete de fluidos; Aspen Hysys ofrece tres paquetes de
propiedades diseñados específicamente para la limpieza de gases ácidos:
disolventes químicos, disolventes físicos y tratamiento de líquidos. Debido a que
el tratamiento a realizar es por medio de aminas, el paquete termodinámico
utilizado es GAS ACIDO- DISOLVENTES QUÍMICOS.
Los parámetros de operación del tratamiento de limpieza de biogás a partir de
absorción química fueron tomados de fuentes bibliográficas y se tomaron como
31
base para realizar la simulación. A continuación, se muestran cada uno de los
parámetros que se tuvieran en cuenta para llevar a cabo esta.
Tabla 13. Parámetros de operación torre de absorción química
Parámetro Amina/Agua Biogás
Temperatura [°C] 30,18 30
Presión [bar] 1 1
Flujo amina/agua [kg/h] 4200 742,5
Fuente: [19]
La Figura 7 muestra el esquema de la tecnología de limpieza de biogás por medio
de absorción química, este es un proceso en contracorriente donde se
encuentran las corrientes de biogás y amina/agua; donde esta última corriente
por medio de la absorción retira las impurezas contenidas en el biogás. Las
impurezas contenidas en la corriente de amina/agua se llevan a un proceso de
regeneración para dar un aprovechamiento de la amina y el agua empleada, pero
antes se deben llevar a los parámetros requeridos para realizar el proceso, es
por esto que se eleva su presión por medio de una bomba y su temperatura por
medio de un intercambiador de calor. Finalmente, la amina y agua recuperada
se enfrían y se agrega la cantidad de amina y agua necesaria para llevar a cabo
el proceso de absorción.
Figura 7. Simulación absorción química con amina
Fuente: Autores
32
5.1.1 Equipos utilizados en la simulación
Unidad torre de absorción
La Figura 8 muestra la torre de absorción utilizada en la tecnología de absorción
química y en la Tabla 14 se encuentran los parámetros utilizados en el equipo. Por
medio de la torre de absorción se lleva a cabo el proceso de limpieza de biogás
por medio de absorción, permitiendo separar el ácido sulfhídrico y dióxido de
carbono (H2S y CO2) del metano. Esto es posible gracias a que las aminas tienen
propiedades absorbentes atrayendo y llevándose consigo las impurezas
mencionadas al final de la torre de absorción.
Esta torre cuenta con cuatro corrientes, dos de entrada y dos de salida. En las
corrientes de entrada se encuentra la corriente número 1, la cual ingresa y
desciende por los platos encontrándose con la corriente de entrada número 2 la
cual asciende por la torre permitiendo así la absorción de las impurezas que
contiene el biogás. Las impurezas que se eliminan del biogás se reflejan en el
corriente número 4 y el biogás dulce, el cual es libre de impurezas en la número
3. Figura 8. Torre de absorción
Fuente: Autores
Tabla 14. Parámetros de operación unidad torre de absorción, obtenida por Aspen-HYSYS
Corriente Presión [bar]
Temperatura [°C]
Flujo másico [Kg/h]
1 1 30,18 4200
2 1 30 742,5
3 1,992 30,14 250,8
4 1,848 95,53 4692
Fuente: Autores
33
Unidad torre de regeneración
La torre de regeneración mostrada en la Figura 9 se utiliza para llevar a cabo la
separación de gases ácidos de la corriente de amina-agua (corriente 4) para
aprovechar el solvente que es utilizado en la torre de absorción. Debido a que
los parámetros de operación de la corriente 4 no son los óptimos para llevar a
cabo la regeneración se implementa una bomba y un intercambiador de calor
para alcanzar la presión y temperatura deseadas para regenerar la amina y el
agua y de esta manera eliminar los gases ácidos contenidos en la corriente 4. La
torre de regeneración consta de tres equipos: la columna (T-101), el condensador
(E-100) y el rehervidor perteneciente a la torre de regeneración (T- 101); donde
la corriente 6 entra en el plato cuatro y desciende encontrándose con el vapor
generado por el rehervidor el cual permite separar los gases ácidos de la corriente
amina-agua; estos gases ingresan al condensador donde salen condensados
que son ingresados nuevamente en la torre para hacer un mejor
aprovechamiento del proceso.
Figura 9. Unidad torre de regeneración
Fuente: Propio
Tabla 15. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad torre de regeneración obtenida por Aspen-HYSYS.
Corriente Presión [bar]
Temperatura [°C]
Flujo másico [kg/h]
5 2,10 95,54 4692
6 2 110 4692
7 2 77,99 554
8 2 127,9 4138
9 1,9 114,3 4138
Fuente: Autores
34
Unidad recirculación
La unidad de recirculación representada por la Figura 10 está conformada por un
condensador (E-101) el cual se encarga de disminuir la temperatura de la
corriente que viene del rehervidor (número 9), válvula (VLV-100) para lograr la
presión requerida para su utilización en la torre de absorción y un mezclador
(MIX-100) de corrientes para agregar flujo másico de amina/agua (corriente 12)
necesario para asegurar el flujo de entrada (Corriente 1) requerido para la
correcta absorción.
Figura 10. Unidad de recirculación
Fuente: Autores
Tabla 16. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad torre de recirculación
obtenida por Aspen-HYSYS.
Corriente Presión [bar]
Temperatura [°C]
Flujo másico [kg/h]
10 1,85 30 4138
11 1 30 4138
12 1 30 62,06
13 1 30,18 4200
Fuente: Autores
35
5.2 Simulación lavado con agua
Para realizar la limpieza de biogás por medio de la tecnología de lavado con agua
se ingresó la composición del biogás que ingresa al sistema el cual esta descrito
anteriormente, realizado esto se procede a elegir el paquete termodinámico con
el que va a contar la simulación, para este casi el seleccionado es ACID GAS-
LIQUID TREATING teniendo en cuenta que la tecnología a simular busca
eliminar gases ácidos por medio de lavado con agua.
Al igual que la tecnología de absorción química los parámetros utilizados para
realizar la simulación fueron tomados por fuentes literarias. A continuación, se
muestran cada uno de ellos.
Tabla 17. Parámetros de operación torre de absorción con lavado de agua
Parámetros Agua Biogás Temperatura [°C] 25 25 Presión [Bar] 22 15 Flujo de agua [kg/h] 50000 742,5
Fuente: Autores
La simulación realizada para la tecnología de lavado con agua se encuentra en
la Figura 11, consta de tres unidades de operación en las cuales se lleva a cabo
la correcta limpieza de biogás llevándolo a los valores de eficiencia indicados por
la literatura, es decir 97% de recuperación de metano y realizando la
regeneración del agua para hacer el sistema más económico y eficiente. Dichas
unidades, son la torre de absorción donde ingresa el solvente que en este caso
es agua a alta presión y por la parte inferior de la torre ingresa el biogás que se
desea limpiar, en este equipo ocurre la recuperación de metano, tomadas las
impurezas generadas en este proceso se da continuidad a la segunda unidad la
cual consta de una válvula y un intercambiador de calor los cuales son
encargados de entregar las impurezas a las condiciones necesarias en la torre
de destilación flash para lograr separar el agua de las impurezas y de esta
manera conducir el agua por la tercera unidad de recirculación donde por medio
de una bomba y un intercambiador se lleva el solvente a las condiciones
necesarias para encontrarse con un segundo flujo de agua para completar la
cantidad requerida de agua y así lograr una correcta recirculación de agua y darle
continuidad al proceso.
36
Figura 11. Simulación de absorción por lavado con agua
Fuente: Autores
5.2.1 Equipos utilizados en la simulación
Unidad torre de absorción
La Figura 12 muestra la unidad de torre de absorción. En este equipo se realiza
la limpieza de biogás gracias a la absorción que es posible por el agua que
ingresa por la corriente número 1 a alta presión logrando separar del biogás que
ingresa por la corriente número 2 el ácido sulfhídrico y dióxido de carbono (H2S
y CO2) del metano. Finalizado el proceso de limpieza de biogás por la corriente
número 3 sale el gas dulce, es decir el biogás limpio y por la corriente número 4
el agua con las respectivas impurezas atrapadas en el agua por el proceso
realizado.
Figura 12. Unidad torre de absorción lavado con agua
Fuente: Autores
37
Tabla 18. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad torre de absorción obtenida por Aspen-HYSYS.
Corriente Presión [bar]
Temperatura [°C]
Flujo másico [kg/h]
1 22 25 75000
2 15 25 742,5
3 10 25,53 399,3
4 12 25,86 50344
Fuente: Autores
Unidad de separador flash
La Figura 13 representa la unidad de separador flash. El separador flash (V-100)
es el encargado de separar el agua de las impurezas para así lograr recircularla
y de esta manera disminuir los costos por re-utilización del agua. La corriente
número 4, es decir las impurezas del sistema no cuenta con los parámetros
adecuados para llevar a cabo la debida separación en el equipo, es por esto que
esta es conducida por una válvula (VLV-100) con el fin de disminuir la presión.
Al contar con una presión óptima esta corriente es sometida a un intercambiador
de calor (E-100) con el fin de alcanzar una temperatura permisible para ingresar
al separador. Ingresada la corriente al separador flash se lleva a cabo la
respectiva separación de impurezas con el agua. Por la corriente número 7 salen
las respectivas impurezas al medio ambiente y por la corriente número 8 sale a
circular el agua limpia para pasar por el proceso de recirculación.
Figura 13. Unidad separador flash
Fuente: Autores
38
Tabla 19. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad separador flash obtenida por Aspen-HYSYS.
Corriente Presión [bar]
Temperatura [°C]
Flujo másico [kg/h]
5 12 25,52 50344
6 11 100 50344
7 11 100 2050
8 11 100 48294
Fuente: Autores
Unidad de recirculación de agua
La Figura 14 muestra la unidad de recirculación de agua, esta es la encargada de
llevar el agua regenerada nuevamente a la corriente número 1 para volver a darle
uso solvente. Una vez salida el agua del separador flash ingresa a una bomba
(P) con el fin de aumentar la presión y llevarla a la óptima del sistema, cumplido
esto, el enfriador (E-101) se encarga de disminuir la temperatura de la corriente
de agua y finalmente se encuentra con la unidad de mezclado (MIX-100) donde
ingresa la corriente número 11 para suplir al sistema con la cantidad de agua
necesaria requerida para continuar con el proceso de limpieza de biogás. Una
vez mezcladas estas dos corrientes son ingresadas con el flujo y las condiciones
de operación óptimas al sistema.
Figura 14. Unidad de recirculación de agua
Fuente: Autores
39
Tabla 20. Parámetros de operación de las corrientes de la unidad de recirculación obtenida por Aspen-HYSYS
Corriente Presión [bar]
Temperatura [°C]
Flujo másico [kg/h]
9 22 100 48294
10 22 25 48294
11 22 25 1708
12 22 25 50000
Fuente: Autores
5.3 Simulación de escenarios
A continuación, se plantean los escenarios que se llevan a cabo para determinar
los mejores parámetros de operación para obtener la calidad del biogás
requerida para su uso final. Las pruebas consisten en variar las condiciones de
operación encontradas por literatura para determinar si son óptimas o si es
necesario hacer un cambio de éstas con el fin de optimizar el proceso.
5.3.1 Escenarios absorción química
En estos escenarios se realizó una variación de la concentración de amina con
porcentajes de 10%, 20% y 30% para las aminas MEA, MDEA y DEA con las
presiones y temperaturas encontradas en literatura, de igual forma se hizo una
variación en la presión de entrada del solvente, es decir de la corriente
amina/agua con una variación del 25% por encima y debajo, tomando como
referencia la presión de 1 bar la cual fue tomada por literatura, ver Tabla 21.
Dichos escenarios se realizaron con el fin de realizar una comparación de la
composición del biogás de salida y de esta manera determinar la amina y
parámetros con los que es mejor llevar a cabo la simulación.
40
Tabla 21. Escenarios Absorción química
MEA MDEA DEA
Escenarios 1, 2 y 3 10% - 20% - 30% 10% - 20% - 30% 10% - 20% - 30%
0,75 0,75 0,75
Presión entrada solvente (bar) 1 1 1
1,25 1,25 1,25
Presión biogás de salida (bar) 1,992 1,992 1,992
Presión impurezas (bar) 1,848 1,848 1,848
Temperatura solvente (°C) 30,18 30,18 30,18
Fuente: Autores
5.3.2 Escenarios lavado con agua
Es de importancia encontrar los parámetros de operación óptimos para obtener
la mejor calidad de biogás, es por esto que a partir de los parámetros de
operación tomados por literatura se realizan diferentes escenarios para
determinar las mejores condiciones a operar el sistema de limpieza con agua.
A estos parámetros se les realizó una variación aumentando y disminuyendo un
25% y 50% para la presión de entrada del solvente, es decir agua y biogás, ver
Tabla 22 Adicional a esto se llevó a cabo la variación del flujo de agua tomando
como base 50000 [kg/h], a este se le realizó un aumento y disminución del 25%
y 50% para determinar que flujo de agua es el más eficiente para llevar a cabo
el sistema de limpieza de biogás.
Tabla 22. Escenarios de lavado con agua
Escenarios
Flujo másico agua [kg/h]
25000 37500 50000 62500 75000
11 11 11 11 11
Presión entrada solvente
(bar)
16,50
22
27,50
16,50
22
27,50
16,50
22
27,50
16,50
22
27,50
16,50
22
27,50
33 33 33 33 33
7,5 7,5 7,5 7,5 7,5
Presión biogás de entrada 11,25 11,25 11,25 11,25 11,25
(bar) 15 15 15 15 15
18,75 18,75 18,75 18,75 18,75
41
22,5 22,5 22,5 22,5 22,5
Presión impurezas (bar) 12 12 12 12 12
Temperatura solvente (°C) 25 25 25 25 25
Fuente: Autores
42
6. RESULTADOS
A partir de los escenarios realizados se obtuvieron diferentes concentraciones
de calidad de biogás, las cuales van a permitir determinar los parámetros óptimos
de operación. A continuación, se muestran los resultados de las simulaciones
como se describe en el Capítulo 5, parágrafo 5,3.
6.1 Absorción química
Para dar una mejor muestra de los resultados, estos se distribuyen de la
siguiente manera:
Escenario 1. Resultados de la variación de MEA, MDEA Y DEA en
concentraciones del 10%,20% y 30% con parámetros encontrados en
literatura, es decir con una presión de entrada tanto del solvente como del
biogás de 1 bar y temperatura de 30,18 °C para el solvente y 30°C para
el soluto.
Escenario 2. Resultados de la variación de las aminas y concentraciones
anteriormente mencionadas con una disminución de presión de entrada
del solvente en un 25%, es decir con un valor de 0,75 bar y a una
temperatura de 30,18°C con las mismas condiciones para el biogás.
Escenario 3. Resultados de la variación de las aminas y concentraciones
mencionadas con un aumento de presión de entrada del solvente en un
25%, es decir una presión de 1,25 bar con una temperatura de 30,18 ° C
y mismas condiciones del biogás.
Resultados de escenario 1
Tabla 23. Resultados de escenario 1
Composición biogás dulce X%
CH4 H2O H2S O2 CO2 Amina
MEA 10% 66,76 29,30 0,31 0 3,55 0,08
20% 98.36 1.6 0 0 0.03 0
30% 95.98 3.99 0 0 0 0.03
10% 70.54 2.15 0 0 27.31 0
MDEA 20% 67.85 1.84 0.57 0 41.87 0
30% 62.15 1.52 0.03 0 36.29 0
10% 76.26 2.53 0.39 0 20.85 0
DEA 20% 77.24 6.93 0.49 0 15.35 0
30% 78.56 4.87 0.55 0 16.02 0
43
En las Figura 15, Figura 16 y Figura 17 se observan los resultados obtenidos del
escenario 1. Por medio de este análisis se puede identificar cual amina permite
obtener la mejor calidad de metano (CH4) lo que significa una buena eliminación
de los gases contaminantes.
Figura 15. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en escenario 1
Fuente: Autores
En la Figura 15 se observa que el metano tiene una alta recuperación con un valor
de 98,36% usando la amina MEA en una concentración del 20%. De igual forma
se contempla que si la amina se lleva a una concentración del 10% su calidad
disminuye con un de 66,76% y si se da un aumento del 30% la calidad disminuye
un poco con un valor de 95,98% haciendo que se presente mayor cantidad de
agua con un valor de 3,99%, cabe resaltar que es recomendable no exceder una
concentración del 20% de amina MEA debido a que presenta corrosión en los
equipos en los que implementa.
5 10 15 20 25 30 35
Concentración amina MEA [%molar]
3,5
3
2,5
0,5
100
90
70
60
50
40
30
20
Co
nce
ntr
ació
n C
H4, y
H2O
[%m
ola
r]
Co
nce
ntr
ació
n C
O2
[%
mo
lar]
44
Figura 16. Concentración de Amina MDEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en escenario 1
Fuente: Autores
De la Figura 16 se observa que la amina MDEA obtiene una recuperación
considerablemente buena del metano, pero no la esperada por literatura, se
observa que la recuperación más alta de metano se da con un valor del 70,54%
con una concentración del 10% de amina, pero se observa que tiene una
concentración alta de CO2 con un valor de 27,31%. Al momento de aumentar la
concentración de amina al 20% y 30% disminuye la recuperación del metano con
valores de 67,85% y 62,15% respectivamente; por lo tanto, la mejor
concentración para operar con la amina MDEA es con un 10% de concentración.
70
60
50
40
30
20
5 10 15 20 25 30 35
Composición amina MDEA [%molar]
Co
nce
ntr
ació
n C
H4,
CO
2 y
H2O
[%m
ola
r]
45
Figura 17. Concentración de Amina DEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en escenario 1
Fuente: Autores
Se contempla que la DEA tiene una buena recuperación del metano, obteniendo
la mayor concentración con un 78,56% en una concentración del 30% de amina.
Se observa que la amina DEA opera mejor a concentraciones altas, haciendo
que se dé una alta conservación de metano.
Del escenario 1 se observa que la amina MEA con una concentración del 20%
obtiene una alta calidad de metano del 98,36% en comparación a las aminas
MDEA y DEA que obtienen 70,54% y 67,85% respectivamente. Es por esto que
en el primer escenario la amina seleccionada para realizar la limpieza de
contaminantes en el biogás es la amina MEA con una concentración del 20%.
Resultados de escenario 2
Tabla 24. Resultados de escenario 2
Composición biogás dulce [X%]
CH4 H2O H2S O2 CO2 Amina
MEA 10% 66,72 29,33 0,31 0 3,57 0,08
20% 97.78 2.17 0 0 0.03 0
30% 95.98 3.99 0 0 0 0.03
10% 70.46 2.14 0 0 27.40 0
MDEA 20% 67.89 1.85 0 0 30.27 0
30% 62.18 1.52 0.03 0 36.27 0
90
70
60
50
40
30
20
5 10 15 20 25 30 35
Composición amina DEA [%molar]
Co
nce
ntr
ació
n C
H4,
CO
2 y
H2O
[%m
ola
r]
46
10% 15.37 77.94 0.13 0 6.47 0.09
DEA 20% 77.24 6.93 0.49 0 15.35 0
30% 22.23 67.66 0.20 0 9.83 0.08
Fuente: Herramienta de simulación Aspen Hysys
Figura 18. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario2
Fuente: Autores
Se observa en la figura 19 que se obtiene una alta recuperación de metano en las
concentraciones con la amina MEA del 20% y 30% con valores de 97,78% y
95,98% cuando se opera a una presión de 0,75 bar, lo contrario a lo ocurrido
cuando se tiene una baja concentración de la amina del 10% que se obtiene
66,72% haciendo que se presente una alta concentración de dióxido de carbono
de 29,33%. Por lo tanto, se contempla que para operar a dicha presión es
recomendable usar una concentración de amina mayor o igual al 20%.
100 30
25
20
60
40
20
5 10 15 20 25 30 35
Concentración de amina MEA [%molar]
Co
nce
ntr
ació
n C
H4
y C
O2[%
mo
lar]
Co
nce
ntr
ació
n d
e H
2O
[%
mo
lar]
47
Figura 19. Concentración de Amina MDEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 2
Fuente: Autores
Se contempla que respecto al análisis anterior con la amina MEA se da una
recuperación más baja del metano con esta amina MDEA, obteniendo la mayor
concentración con un valor de 70,46% con una concentración de amina del 10%.
Es por esto que se concluye que la amina MDEA tiene una mejor operación
cuando tiene concentraciones bajas del 10% cuando se requiere de una
recuperación de metano.
Figura 20. Concentración de Amina DEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
2
Fuente: Autores
70
60
50
40
30
20
5 10 15 20 25 30 35
Concentración amina MDEA [%molar]
5 10 15 20 25 30 35
Concentración amina DEA [%molar]
90
70
60
50
40
30
20
Co
nce
ntr
ació
n C
H4,
H2O
y C
O2
[%
mo
lar]
C
on
cen
trac
ión
CH
4,
H2O
y C
O2
[%
mo
lar]
48
En la figura 21 se observa una baja recuperación de metano al momento que se
opera con una presión de 0.75 bar, se observa que en el mejor caso se obtiene
una recuperación del 77,24% de metano con una concentración del 20% de
amina y que cuando se opera a una concentración del 10% y 30% de amina DEA
se obtiene una muy baja recuperación del metano con valores de 15,37% y
22,23% respectivamente con una alta cantidad de concentración de agua.
A partir de los resultados del escenario 2 se da elección a la amina MEA
nuevamente con una concentración del 20%, la cual permite obtener una alta
recuperación de metano del 97,78% con bajas concentraciones de dióxido de
carbono y agua.
Resultados de escenario 3
Tabla 25. Resultados de escenario 3
Composición biogás dulce [X%]
CH4 H2O H2S O2 CO2 Amina
MEA 10% 66.74 29.32 0.31 0 3.55 0.08
20% 89.37 10.57 0 0 0 0.06
30% 95.97 3.99 0 0 0 0.06
10% 11.02 80.86 0.10 0 7.88 0.14
MDEA 20% 17.32 69.96 0.16 0 12.41 0.15
30% 25.99 55.05 0.25 0 18.60 0.12
10% 10.42 85.55 0.08 0 3.90 0.05
DEA 20% 16.41 77.33 0.14 0 6.07 0.06
30% 25.09 65.27 0.21 0 9.37 0.05
Fuente: Herramienta de simulación Aspen Hysys
49
Figura 21. Concentración de Amina MEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 3
Fuente: Autores
Se puede observar en la figura 22 que se obtiene una recuperación buena a partir
de la concentración del 20% de amina MEA, mostrando que el valor más alto de
obtención de metano es de 95,97%, la cual se da cuando se opera con una
concentración del 30% de amina; por lo tanto, no es recomendable que se opere
esta amina en una concentración del 10% cuando se utiliza una presión de 1,25
bar.
Figura 22. Concentración de Amina MDEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el
escenario 3
Fuente: Autores
100
60
40
20
20 25 30
90
70
60
50
40
30
20
5 10 15 20 25 30 35
Concentración amina MDEA [%molar]
Co
nce
ntr
aci
ón
CH
4, H
2O
y C
O2
[%
mo
lar
Co
nce
ntr
aci
ón
CH
4, H
2O
y C
O2
[%
mo
lar
50
Se observa que se un cambio bastante drástico al momento de operar con una
presión de entrada del solvente de 1,25 bar, teniendo una muy baja recuperación
del metano y presentándose en gran cantidad la humedad. La mayor
recuperación de metano tiene un valor del 25,99% en una concentración del 30%
de amina.
Figura 23. Concentración de Amina DEA Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario
3
Fuente: Autores
Al igual que el escenario 3 de la amina MDEA se observa que se tiene una baja
recuperación de metano teniendo el valor más alto con un 25,09% en una
concentración del 30% de la amina DEA, haciendo que se presente en gran
cantidad el agua.
6.1.1 Selección de parámetros óptimos
Anteriormente se observó que cuando se opera con una presión de 0,75 bar para
el solvente la recuperación de metano obtenida es buena pero no es la mejor con
dicha presión y que cuando se opera a una presión de 1,25 bar la recuperación
de metano es muy baja y se obtiene en alta concentración agua.
Es por esto que de los resultados obtenidos por medio de los tres escenarios
realizados la amina que se selecciona es la amina MEA en una concentración
del 20% con una presión de 1 bar y temperatura de 30,18°C para el solvente;
debido a que permite obtener la mayor recuperación de metano en comparación
a las aminas MDEA y DEA con un valor de 98,36%.
90
70
60
50
40
30
20
5 10 15 20 25 30 35
Concentración amina DEA [%molar]
Co
nce
ntr
aci
ón
CH
4, H
2O
y C
O2
[%
mo
lar]
51
Tabla 26. Parámetros óptimos para operar absorción química
Amina MEA 20%
Presión de entrada amina/agua [bar] 1
Temperatura de entrada amina/agua [°C]
30,18
Presión de entrada del biogás[bar] 1 Temperatura de entrada agua [°C] 30
Fuente: Autores
6.1.2 Selección de flujo de amina/agua
A partir de los parámetros de operación óptimos encontrados se lleva a cabo
este escenario donde se da la variación de flujo de la corriente amina/agua para
así encontrar el flujo adecuado que permita obtener la mejor recuperación de
metano. Tabla 27. Composición del biogás con diferentes flujos de amina/agua
Composición biogás dulce [X%]
CH4 H2O H2S O2 CO2 MEA
Flujo amina/agua [kg/h]
3150 60,16 39,47 0 0 0,36 0,01
4200 98,36 1,60 0 0 0.03 0
5250 98,38 1,62 0 0 0 0
Fuente: Autores
Se observa que a mayor flujo de amina/agua es mejor la recuperación de
metano, pero aun así no es recomendable usar flujos muy altos por incremento
de costos es por esto que el flujo seleccionado es el flujo de 4200 kg/h, ya que
permite obtener una alta recuperación de metano con un 98,36%.
6.2 Resultados de escenarios lavado con agua
A continuación, se realiza una descripción de los resultados de los 5 escenarios
simulados para la tecnología de limpieza de biogás por medio de lavado con
agua en los cuales se realizó una variación en la presión de entrada del solvente
y del biogás en un 25% y 50% superior e inferior de lo propuesto por fuentes
bibliográficas lo que corresponde a una presión de entrada del solvente de 22 y
bar y del biogás de 15 bar, así mismo para cada uno de estos valores se realiza
la variación de flujo de agua requerido para la realización del proceso teniendo
en cuenta que se toma como base 50000 kg/h. Cabe resaltar que en cada
escenario se mantuvo contaste la temperatura de entrada del solvente y biogás
de 25°C.
52
Resultados de escenario 1
En la simulación de este escenario se llevó a cabo la variación de flujo de agua
tomando como base 50000 [kg/h], a este valor se le aumento y disminuyó el flujo
en un 25% (62500-37500 kg/h) y 50% (75000-25000 kg/h) con los parámetros
de operación encontrados en literatura, es decir presión de entrada del solvente
de 22 bar, presión de entrada del biogás de 15 bar y una temperatura de
operación de 25°C. En el escenario presentado a continuación se realizó. La
composición obtenida para este escenario se observa detalladamente en la Tabla
28.
Tabla 28. Composición Biogás escenario 1 lavado con agua
Composición biogás dulce [X%] CH4 H2O H2S O2 CO2
25000 67,46 0,35 0,07 0 32,12
Flujo agua [kg/h]
37500 73,47 0,35 0 0 26,17
50000 80,69 0,35 0 0 18,96
62500 89,36 0,34 0 0 10,29
75000 97,96 0,34 0 0 1,7
Fuente: Autores
Figura 24. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 1
Fuente: Autores
100
80
60
40
20
20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Flujo de agua [Kg/hl]
CH
4-C
O2
[ %
mo
l]
H2O
[ %
mo
l]
53
De la Figura 24 se puede concluir que al operar con las condiciones descritas
anteriormente se obtiene bajas cantidades de impurezas y humedad con un total
de 2,04% y una buena recuperación de metano de 97,96% con un flujo de agua
de 75000[kg/h].
Resultados de escenario 2
La simulación de este escenario se realizó con presión de entrada del agua de
16,5 bar y del biogás de 11,25 bar. A continuación, en la Tabla 29 se muestra la
composición obtenida con estos parámetros para cada cantidad de flujo de agua
y por medio de la Figura 26 se observa el comportamiento del flujo másico de agua
contra la composición final de biogás obtenida después del proceso de limpieza
a las condiciones mencionadas anteriormente. Tabla 29. Composición Biogás escenario 2 lavado con agua
Composición biogás dulce [X%] CH4 H2O H2S O2 CO2
25000 67,45 0,35 0,07 0 32,13
Flujo agua [kg/h]
37500 73,44 0,35 0 0 26,21
50000 80,49 0,35 0 0 19,06
62500 89,55 0,34 0 0 10,11
75000 97,54 0,34 0 0 2,12
Fuente: Autores
Figura 25. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 2
100
60
40
20
0
20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Flujo de agua [Kg/hl]
CH
4-C
O2
[ %
mo
l]
H2O
[ %
mo
l]
54
Fuente: Autores
De acuerdo a la Figura 25, se puede concluir que al realizar una disminución del
25% en las presiones de entrada a la torre de absorción no ocurre un cambio
significativo en la composición del biogás, ya que a partir del flujo de agua de
25000 [kg/h] se obtiene una recuperación de metano del 67,45 % y a medida que
se aumenta el flujo másico de agua este continua en aumento hasta obtener una
recuperación de 97,54%.
Resultados de escenario 3
Para observar los resultados del escenario 3, las condiciones de operación de
presión fueron aumentadas 25%, es decir el agua entra a la torre de absorción
con una presión de 27,50 bar y el biogás ingresa a 18,75 bar, adicional a esta
variación también se realizaron pruebas variando el flujo del solvente entre 25%
y 50% tomando como base 50000 kg/h. La composición del biogás obtenido del
proceso de limpieza se muestra en la Tabla 30.
Tabla 30. Composición Biogás escenario 3 lavado con agua
Composición biogás dulce [X%] CH4 H2O H2S O2 CO2
25000 67,41 0,36 0,07 0 32,16
Flujo agua [kg/h]
37500 73,43 0,36 0 0 26,21
50000 80,62 0,35 0 0 19,03
62500 89,25 0,35 0 0 10,40
75000 97,90 0,34 0 0 1,76
Fuente: Autores
55
Figura 26. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 3
Fuente: Autores
En la Figura 26 se muestra el comportamiento de la composición del biogás
respecto al flujo variado de agua, por medio de esta grafica podemos analizar el
comportamiento de la composición a medida que se aumenta la cantidad de flujo
de agua. Se observa que a las presiones mencionadas anteriormente con un
flujo de 25000[kg/h] se obtiene una recuperación de metano del 67,41% y con
un flujo de 75000[kg/h] el metano alcanza a recuperarse 97,90%. En cuanto a la
humedad que saldría con la corriente de biogás dulce, varía entre el 0,36% y
0,34%, siendo el 0,36% cuando se realiza el proceso de limpieza con un flujo
másico de agua de 25000 [kg/h] y 0,34% cuando el flujo de agua es de
75000[kg/h].
Resultados de escenario 4
En la Tabla 31 y la Figura 27 se muestran los resultados obtenidos del escenario 4
donde las condiciones de operación de presión son aumentadas 50%, por lo
tanto, el agua de entrada aumenta su presión a 33 bar y la corriente de biogás
ingresa a 22,5 bar. Por lo tanto, para observar el cambio en la composición al
varias la presión estas pruebas se realizan variando los flujos entre 25 y 50%
partiendo de 50000 kg/h. Tabla 31. Composición Biogás escenario 4 lavado con agua
Composición biogás dulce [X%]
Flujo agua [kg/h]
CH4 H2O H2S O2 CO2
25000 67,37 0,36 0,07 0 32,19
37500 73,36 0,36 0,01 0 26,27
100
80000
Flujo de agua [Kg/hl]
CH
4-C
O2
[ %
mo
l]
H2O
[ %
mo
l]
56
50000 80,46 0,35 0 0 19,19
62500 89,09 0,34 0 0 10,56
75000 97,81 0,34 0 0 1,84
Fuente: Autores
Figura 27. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 4
Fuente: Autores
Analizada la Figura 27 se puede concluir que al aumentar la presión el sistema
de limpieza es menos eficiente, ya que en este escenario es donde se ha
obtenido la menor cantidad de recuperación de metano, ya que al contar con
un flujo de agua de 25000 [kg/h] se tiene metano en un 67,37% y con un flujo
de solvente de 75000[kg/h] recuperación de metano del 97,81%.
Resultados de escenario 5
En el último escenario mostrado en la Tabla 32 y la Figura 28 simulado para la
tecnología que realiza la limpieza de biogás por medio de lavado con agua se llevó a
cabo una disminución del 50% en las presiones de entrada. El agua que es tomada
como solvente para este proceso ingresó a la torre de absorción con una presión de 11
bar, y el biogás a una presión de 7,5 bar. En este escenario también se varió la cantidad
de flujo másico de entrada de agua entre 25% y 50% asumiendo como base 50000 kg/h.
En la tabla 32 se tienen los resultados de la composición de biogás dulce obtenido en
este escenario.
100
60
40
co2
20
0
20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Flujo de agua [Kg/hl]
CH
4-C
O2
[ %
mo
l]
H2O
[ %
mo
l]
57
Tabla 32. Composición Biogás escenario 5 lavado con agua
Composición biogás dulce [X%] CH4 H2O H2S O2 CO2
25000 67,40 0,35 0,07 0 32,18
Flujo agua [kg/h]
37500 73,40 0,35 0 0 26,25
50000 80,51 0,34 0 0 19,15
62500 89,65 0,34 0 0 10,01
75000 97,89 0,33 0 0 1,78
Fuente: Autores
Figura 28. Flujo másico de agua Vs Concentración de CH4, CO2 y H2O en el escenario 5
Fuente: Autores
Por medio de la Figura 28 se determinó que al hacer una disminución de 50% en las
presiones de entrada se obtiene una mayor recuperación de metano cuando el flujo es
de 75000[kg/h] con un valor de 97,89 %.
6.2.1 Selección de parámetros óptimos
Analizados los escenarios anteriores, se realiza la selección de los parámetros óptimos
para la simulación de la tecnología de limpieza de biogás por medio de lavado con agua
en la herramienta Aspen-HYSYS. Para esta selección se tuvo en cuenta el escenario
que obtuviera la mayor recuperación de metano, los parámetros seleccionados se
presentan en la Tabla 33. Seleccionados los parámetros de operación, se procede a
elegir el flujo de solvente, para esta selección se tuvo en cuenta lo encontrado en fuentes
bibliográficas en cuanto a la eficiencia de la tecnología, es por esto que se escoge un
100
60
40
20
0
20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Flujo de agua [Kg/hl]
CH
4-C
O2
[ %
mo
l]
H2O
[ %
mo
l]
58
flujo de 75000 [kg/h] ya que con este flujo a las condiciones óptimas se alcanza una
recuperación de metano del 97,96%
Tabla 33. Parámetros óptimos lavado con agua
Parámetros óptimos
Presión de entrada agua [bar] 22 Presión de entrada del biogás[bar] 15 Temperatura de entrada agua [°C] 25 Temperatura de entrada Biogás [°C] 25
Flujo solvente [kg/h] 75000
6.3 Análisis de número de platos
En las Figura 29, Figura 30 y Figura 31 se muestra el número de platos seleccionado
en las torres de absorción de cada tecnología para llevar a cabo el proceso de
limpieza de biogás.
Esta selección se realizó variando el número de platos de las torres de absorción
de cada una de las tecnologías simuladas y así observar el comportamiento de
la composición del biogás respecto a la recuperación de metano.
Selección número de platos de la torre de absorción de la tecnología
lavado con agua.
El número de platos óptimo para alcanzar la eficiencia requerida son 11 platos,
donde se observa que la mayor cantidad de metano se reposa en el plato número
1 lo que significa que se está recuperando efectivamente este, lo que permite
evidenciar que las impurezas se están eliminando correctamente quedando en
el plato número 11.
Estas variaciones se iniciaron con 20 platos, en los cuales mostraba que en los
9 primeros platos no estaba ocurriendo ningún tipo de limpieza, lo cual generaba
mayor gasto económico al necesitar una torre de mayor tamaño.
59
Figura 29. Composición biogás Vs Número de platos
Fuente: Autores
Selección número de platos de la torre de absorción de la tecnología
absorción química
En esta tecnología se realizaron diferentes escenarios para determinar el número
de platos adecuados para operar la torre de absorción y lograr una alta
recuperación de metano.
El número de platos seleccionado fueron 8, ya que con esta cantidad se logró
obtener una alta eficiencia de la tecnología, teniendo una recuperación de
metano de un 98.38% el cual se evidencia queda en el plato número 1 y las
impurezas generadas por el proceso se encuentran en el plato número 8.
Los escenarios
Estas variaciones se iniciaron con 20 platos, en los cuales mostraba que en los
10 primeros platos no estaba ocurriendo ningún tipo de limpieza, lo cual
generaba mayor gasto económico al necesitar una torre de mayor tamaño.
0,1
0,003
0,002
0,001
Número de platos
Fra
cció
n m
ásic
a d
e C
H4
y C
O2
Fra
cció
n m
ásic
a d
e H
2S
60
1,2
Número de platos
Figura 30. CH4 Vs Número de platos
Fuente: autores
Figura 31. Composición H2S Vs Número de platos
Fuentes: Autores
6.4 Análisis energético
A continuación, se encuentra cada uno de los consumos de energía que tienen
los equipos de cada una de las tecnologías simuladas.
Análisis energético absorción química
0 2 4 6 8 10
Número de platos
0,15
0,1
Fra
cció
n m
ási
ca d
e C
O2
F
racc
ión
más
ica
de
CH
4
Fra
cció
n m
ásic
a H
2S
61
La simulación de absorción química requiere equipos que consumen energía
para poder llevar a cabo el proceso, estos son, la bomba para aumentar la
presión que se requiere en la torre de desorción, el intercambiador para lograr la
temperatura adecuada en la torre de desorción y finalmente el rehervidor
utilizado en la torre de desorción para generar los vapores que se encargan de
contener los gases ácidos que se desean eliminar.
Es por esto que para realizar el consumo total de la tecnología de absorción
química se hace una sumatoria de cada uno de los consumos que tienen los
equipos anteriormente mencionados.
Ecuación 2. Energía total en tecnología de Absorción química
𝐸 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝐸𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 + 𝐸𝑅𝑒ℎ𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟
Donde, el cambio en la energía interna de un sistema ∆E es igual al calor neto
que se le transfiere Q menos el trabajo W que se está efectuando en este.
Ecuación 3. Primera ley de termodinámica
𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
𝑄 − 𝑊 = ∆𝐸
𝑄 − 𝑊 = �̇�∆𝐻
𝑄 − 𝑊 = �̇�∆𝐻
La corriente número 4, la cual es la resultante del proceso de absorción y
contiene las impurezas del biogás se envía a una bomba para elevar su presión
y así permitir una correcta regeneración de la amina y el agua. A continuación,
se muestra el consumo de energía que requiere dicha bomba.
Datos tomados de software Aspen HYSYS:
Q = 0 = 75% 𝑚 ̇ = 4692[kg/ℎ]
H4 = 10460[kJ/kg]
62
H5 = 10460,024[kJ/kg]
Debido a que no se presenta ninguna transferencia de calor, esta es cancelada de la fórmula, quedando de la siguiente manera:
−𝑊 = �̇�∆𝐻
Donde, el trabajo efectuado en la bomba es igual al flujo másico el cual es el que se desea elevar su presión por la entalpía de salida menos la de entrada.
−𝑊 = �̇�(𝐻5 − 𝐻4)
−𝑊 = −112,608 [kJ/h]]]
𝑊𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 112,608 kJ/ℎ
𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 =𝑊𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎
𝑾𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝟏𝟓𝟎, 𝟏𝟒𝟒 kJ/ℎ
𝐸𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
Es de importancia tener en cuenta que para llevar a cabo una correcta
regeneración tanto como de la amina y el agua se debe llegar a una temperatura
de 110 °C, A continuación, se muestra el consumo que tiene este equipo.
Datos tomados de software Aspen HYSYS:
W = 0
𝑚 ̇ = 4692[kg/ℎ]
H5 = 10460[kJ/kg]
H6 = 10420[kJ/kg]
Debido a que es un proceso donde hay es un cambio de temperatura se elimina el trabajo realizado ya que no existe.
𝑄 = �̇�∆𝐻
Dando lugar a que el calor es flujo másico al cual se le desea elevar su
temperatura por la entalpía de salida del intercambiador menos la entalpía de
entrada a este.
63
𝑄 = �̇�(𝐻6 − 𝐻5)
𝑸 = 𝟏𝟖𝟕𝟔𝟖𝟎 [𝐤𝐉/𝐡]
Para realizar el proceso de regeneración se necesita una producción de vapor,
el cual es el encargado de contener las impurezas que vienen contenidas de la
corriente de amina/agua y de esta forma permitir un aprovechamiento de la
amina y el agua.
𝐸𝑅𝑒ℎ𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟
Datos tomados de software Aspen HYSYS:
W = 0
𝑚 ̇ 1= 4692[kg/ℎ]
𝑚 ̇ 2= 4138[kg/ℎ]
𝑚 ̇ 3= 554[kg/ℎ]
H1 = 10420[kJ/kg]
H2 = 10210[kJ/kg]
H3= 9279[kJ/kg]
Para la producción de vapor es necesario que el equipo opere a altas temperaturas permitiendo así un correcto funcionamiento de este re hervidor, a continuación, se muestra el calor de este proceso.
𝑄 = �̇�∆𝐻
𝑄 = �̇�1. 𝐻1 − (�̇�2. 𝐻2 + �̇�3. 𝐻3)
𝑸 = 𝟏𝟓𝟎𝟏𝟎𝟗𝟒 [𝐤𝐉/𝐡]
64
A partir de cada uno de los datos de consumo de los equipos, se puede realizar
la sumatoria de energía total por los equipos mencionados en este capítulo.
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 150,144[kJ/h] + 187680[kJ/h] + 1501094[kJ/h]
𝑬𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟏𝟔𝟖𝟖𝟗𝟐𝟒, 𝟏𝟒𝟒 [𝐤𝐉/𝐡]
Análisis energético lavado con agua
Durante el proceso de absorción con agua los equipos que requieren de un
consumo de energía son, el calentador el cual se utiliza para elevar la
temperatura de la corriente de impurezas que sale de la torre de absorción con
el fin de lograr una correcta separación de los gases ácidos del agua y la bomba
la cual se utiliza para aumentar la presión para alcanzar las condiciones
requeridas a la entrada de la torre de absorción. Los datos tomados de energía
fueron obtenidos a partir de la simulación realizada en Aspen Hysys.
Ecuación 4. Energía total en tecnología de Lavado con agua
𝐸 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝐸𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
Donde, el cambio en la energía interna de un sistema ∆E es igual al calor neto
que se le transfiere Q menos el trabajo W que se está efectuando en este.
𝑄 − 𝑊 = ∆𝐸
𝑄 − 𝑊 = �̇�∆𝐻
𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
La corriente número 8, la cual es la resultante del proceso de absorción y contiene las impurezas del biogás se envía a una bomba para elevar su presión y así permitir una correcta separación del agua de los gases ácidos. A continuación, se muestra el consumo de energía que requiere dicha bomba
65
Datos tomados de software Aspen HYSYS:
Q = 0 = 75%
𝑚 ̇ = 72550[kg/ℎ]
H8 =15540,029[kJ/kg]
H9= 15540[kJ/kg]
Donde, el trabajo efectuado en la bomba es igual al flujo másico por la entalpía de salida menos la de entrada.
−𝑊 = �̇�∆𝐻
−𝑊 = �̇�(𝐻9 − 𝐻8)
−𝑊 = −2103,95 [kJ/h]
𝑊𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 2103,95 [kJ/h]
𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 =𝑊𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎
𝑾𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝟐𝟖𝟎𝟓, 𝟐 kJ/ℎ
𝐸𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
El calentador es de importancia para lograr una temperatura adecuada para la
separación de los gases ácidos del agua y de esta manera hacer un
aprovechamiento del agua.
66
Datos tomados de software Aspen HYSYS:
W = 0
𝑚 ̇ = 75490[kg/ℎ]
H5 = 15820[kJ/kg]
H6 = 15430[kJ/kg]
Debido a que es un proceso donde hay un cambio de temperatura se elimina el
trabajo realizado ya que no existe. Dando lugar a que el calor es flujo másico al
por la entalpía de salida del calentador menos la entalpía de entrada a este.
𝑄 = �̇�∆𝐻
𝑄 = �̇�(𝐻6 − 𝐻5)
𝑸 = 𝟐𝟗𝟒𝟒𝟏𝟏𝟎[𝐤𝐉/𝐡]
A continuación, se realiza la sumatoria del consumo de la tecnología con lavado
de agua y de esta manera observar cual es la tecnología que requiere de un
mayor consumo.
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2805,2[kJ/h] + 2944110[kJ/h]
𝑬𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟐𝟗𝟒𝟒𝟑𝟗𝟎𝟓[𝐤𝐉/𝐡]
Realizado el balance descrito anteriormente, se verifica si el consumo de energía
por parte de los equipos utilizados en el proceso de limpieza de biogás por medio
de la simulación en la herramienta Aspen-HYSYS corresponde y/o se asemeja
al entregado por el simulador para cada una de las tecnologías, es por esto que
a continuación se muestra la energía consumida en cada uno de los equipos
entregado por el software Aspen-HYSYS. Es importante mencionar que si existe
alguna variación en los resultados es debido al número de decímales tomado por
la herramienta de simulación, ya que este toma el valor completo y los tomados
a la hora de realizar el balance anterior solo fueron 2 decimales.
Análisis energético entregado por Aspen-HYSYS para la tecnología de
absorción química
𝐸 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝐸𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 + 𝐸𝑅𝑒ℎ𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 148,144[kJ/h] + 189632[kJ/h] + 1501287[kJ/h] 𝑬𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟏𝟔𝟗𝟏𝟎𝟔𝟕[𝐤𝐉/𝐡]
67
Análisis energético entregado por Aspen-HYSYS para la tecnología
lavado con agua
𝐸 = 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝐸𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2911[kJ/h] + 29420000[kJ/h]
𝑬𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟐𝟗𝟒𝟐𝟐𝟗𝟏𝟏[𝐤𝐉/𝐡]
Realizado el balance de energía y verificado su resultado por medio de la
herramienta de simulación Aspen-HYSYS se conoce el consumo de energía para
cada una de las tecnologías simuladas para llevar a cabo el proceso de limpieza
de biogás. Conocer el consumo de la energía es fundamental a la hora de realizar
un análisis de costos en caso de que se desee implementar alguna de estas
tecnologías y así determinar cuál sería la más adecuado dependiendo de los
criterios a tener en cuenta.
6.5 Selección de tecnología de limpieza de biogás
Para realizar la correcta selección de la tecnología de limpieza de biogás, se tuvo
en cuenta el criterio técnico, el cual se basa en la recuperación más alta de
metano por medio del análisis de resultados realizado. A continuación, se
muestra un cuadro comparativo de cada una de las tecnologías simuladas con
los parámetros óptimos, es decir con los que se obtuvo la mejor eficiencia en
cada caso.
Tabla 34. Comparación tecnologías simuladas
TECNOLOGÍAS
Parámetros de operación
Absorción química
Lavado con agua
Presión entrada solvente [bar] 1 22 Presión entrada biogás [bar] 1 15
Temperatura entrada solvente[°C]
30,18 25
68
Temperatura entrada biogás [°C] 30 25 Flujo másico solvente [kg/h] 4200 75000 Flujo másico del biogás [kg/h] 742,5 742,5 CH4 98,36 % 97,96%
Composición biogás dulce [% mol]
CO2 0,03% 1,7% H2S 0 0% O2 0 0% H2O 1,60% 0,34%
MEA 20% 0,01% - CH4 0,04 0,48% CO2 76,88 7,3%
Composición biogás ácido [% mol]
H2S 0 0,1%
O2 0 0%
H2O 1,05 92,13%
Amina 0 -
PCI [ kJ/kg] 49120 47610
Índice de Wobbe [kJ/kg] 65611 63373
Potencia [kW] 469,14 8185,87
Fuente: Autores
Para llevar a cabo la selección de la mejor tecnología para realizar el proceso de
limpieza de biogás se tuvo en cuenta el criterio técnico, es decir que el biogás
obtenido de la limpieza sea óptimo para implementarlo como combustible en la
caldera, para esto se comparó el poder calorífico inferior, el índice de Wobbe y
la calidad del biogás obtenido de las dos tecnologías de limpieza simuladas en
la herramienta Aspen-HYSYS. Teniendo en cuenta las propiedades del gas
natural utilizado como combustible en la caldera, estas se evidencian en la Tabla
35. Por lo tanto, es importante seleccionar la tecnología que lleve el biometano a
estas propiedades.
Tabla 35. Propiedades de combustión del gas natural
Parámetro Valor
PCI [MJ/kg] 48,56 Índice de Wobbe [MJ/kg] 61,87
A continuación, se realiza el cálculo del índice de Wobbe. Para calcular este
índice es necesario conocer el poder calorífico del gas el cual es obtenido por
medio del software de simulación Aspen-HYSYS y la densidad relativa. El índice
de Wobbe se calcula por medio de la Ecuación 1 mostrada a continuación.
𝑊𝑜 =𝑃𝐶𝐼
√𝐺
69
Donde,
W= Índice de Wobbe
PCI= Poder calorífico inferior
G= Densidad relativa
Para el cálculo de la densidad relativa es necesario conocer la densidad del gas
a condiciones absolutas (0°C - 1,01 bar) y la densidad del gas de referencia en
este caso el aire a estas mismas condiciones el cual tiene un valor de 1,293
kg/m3 [28].
Ecuación 5. Ecuación para calcular la densidad relativa
𝐺 =𝜌𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠
𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒
A continuación, se muestra el cálculo realizado para cada tecnología utilizando
la Ecuación 1.
Índice de wobbe para tecnología de lavado con agua
PCI= 47610 kJ/kg
biogás= 0,7298 kg/m3
G= 0,5644 Kg/m3
𝑾𝒐 = 𝟔𝟑, 𝟑𝟕 𝑴𝑱/𝒌𝒈
Índice de wobbe para tecnología de absorción química
PCI= 49120 kJ/kg
biogás= 0,7247 kg/m3
G= 0,56047 Kg/m3
𝑾𝒐 = 𝟔𝟓, 𝟔𝟐 𝑴𝑱/𝒌𝒈
70
Una vez conocido el poder calorífico y calculado el índice de wobbe, se procede
a realizar la selección de la tecnología óptima para realizar el proceso de limpieza
de biogás proveniente de los efluentes de la extracción de aceite de palma.
A partir de la comparación realizada anteriormente se puede afirmar que la mayor
recuperación de metano utilizando menor presión y flujo de solvente es la
tecnología de limpieza de biogás por medio de absorción química, debido a que
permite una recuperación de metano (CH4) de 98,36%, el biogás obtenido de
este proceso de limpieza cuenta con un alto poder calorífico inferior de 49120
kJ/kg y un índice de wobbe con un valor de 65,62 MJ/kg lo cual lo hace atractivo
para el uso final como combustible en caldera ya que cumple con los parámetros
requeridos para este uso.
En cuanto al biogás obtenido del proceso de limpieza por medio de la tecnología
de lavado con agua también cuenta con las condiciones que se requieren para
el uso final como combustible en caldera con un poder calorífico inferior de 47610
kJ/kg y un índice de Wobbe de 63,37 MJ/kg. Por medio de esta tecnología se
logra obtener una recuperación de metano del 97,96%.
Mencionado y analizado lo anterior se realiza la selección de la tecnología
óptima, esta es la tecnología de absorción química. Las ventajas frente a la
tecnología de lavado con agua son la alta y mejor recuperación de metano
haciendo que se presenten cantidades mínimas de gases ácidos y humedad. De
igual forma se evidencia que el gas obtenido por la absorción química tiene un
alto poder calórico inferior y permite una alta intercambiabilidad de gases, lo cual
lo evidencia el índice de wobbe frente lo cual lo hace viable para su aplicación
como combustible en la caldera del proceso.
71
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 conclusiones
I. Mediante el análisis de los resultados obtenidos de las simulaciones
realizadas por medio del software Aspen HYSYS se concluye que la
tecnología óptima para llevar a cabo la limpieza del biogás obtenido de los
efluentes de extracción de aceite de palma es la tecnología de absorción
química, obteniendo una alta recuperación de metano del 98,36% frente a
la tecnología de lavado con agua que recupera un 97,96% de metano.
II. De acuerdo con los escenarios simulados para cada una de las
tecnologías seleccionadas en el software Aspen HYSYS se pudo
determinar los parámetros de operación óptimos para obtener la mejor
recuperación de metano en cada tecnología y de esta manera dar
cumplimiento a uno de los objetivos que fue planteado al inicio del
proyecto.
III. Por medio de los resultados obtenidos de la tecnología de absorción
química se observa que los parámetros con los que se obtiene el metano
se asemejan a los del gas natural lo que permite la aplicación de este
como combustible en caldera. Donde el índice de Wobbe del biometano
obtenido del proceso de limpieza es de 65,62 MJ/kg lo cual permite la
intercambiabilidad con el gas natural el cual es inyectado como
combustible a la caldera y cuyo índice de Wobbe es 61,87 MJ/kg.
IV. Como respuesta al planteamiento del problema se concluye que por
medio de la implementación de un sistema de limpieza de biogás es
posible disminuir los gases de efecto invernadero emitidos a la atmosfera
generados del proceso de extracción de aceite de palma, ya que
inicialmente estaban siendo emitidos 742,5 kg/h de biogás a la atmosfera.
Al momento de darle una adecuada limpieza por medio de la tecnología
de absorción química se evidencia una reducción del 34%, es decir 496
kg/h en la emisión de gases de efecto invernadero en el proceso de
extracción de aceite de palma.
72
7.2 Recomendaciones
I. Debido a los grandes flujos másicos en el sistema de lavado con agua, se
recomienda analizar la viabilidad del sistema mediante un
dimensionamiento técnico de los elementos de este. Así como evaluar las
tecnologías de limpieza de biogás para diferentes flujos de biogás.
II. La tecnología de limpieza de biogás por lavado con agua necesita grandes
flujos de agua para llevar a cabo este proceso y lograr una aceptable
recuperación de metano ya que se evidenció que a mayor flujo agua es
posible alcanzar una buena recuperación de metano.
III. Es importante realizar un análisis de platos al momento de utilizar torres
de absorción ya que implementar un número de platos indebido afectara
en un mal desempeño y costos innecesarios.
73
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CO2 removal using various techniques, 2014.
74
[23] A. A. Olajire, CO2 capture and separation tecnologies for ed of pipe applications -
A review, 2010.
[24] P. Y. Hoo, Biogas from palm oil mill effluent (POME) in malasya, 2017.
[25] A. Mohtar, Palm Oil Mill Effluent (POME) biogas techno-economic analysis
utilisation as bio compressed natural gas, 2018.
[26] B. M. E. G. Enrique A Campanella, Comparación de diferentes soluciones de
aminas para la purificación de biogás, 2011.
[27] M. J. B. Medina, Estudio del aprovechamiento del vapor generado en caldera en
la planta extractora de aceite de palma oro rojo basado en análisis exergético,
2017.
75
ANEXOS
ANEXO 1.
ANÁLISIS DE NÚMERO DE PLATOS
Se realizaron variaciones del número de platos para las torres de absorción de
cada una de las tecnologías simuladas y así observar el comportamiento de la
composición del biogás y de esta manera determinar el número de platos
adecuado para llevar a cabo el proceso. Este análisis se llevó a cabo con los
parámetros óptimos encontrados para cada una de las tecnologías.
Tecnología de absorción química.
Se realizó el análisis con diferente número de platos variando la cantidad de
estos desde 15 hasta 7 platos, se tomó los resultados de las gráficas del software
Aspen HYSYS que muestran el comportamiento de cada uno de los
componentes del biogás en función del número de platos.
15 platos
Número de platos vs composición molar de H2S
76
Número de platos vs composición molar de CO2
Número de platos vs composición molar de CH4
77
14 Platos
Número de platos vs composición molar de CO2
Número de platos vs composición molar de H2S
78
Número de platos vs composición molar de CH4
13 Platos
Número de platos vs composición molar de H2S
79
Número de platos vs composición molar de CO2
Número de platos vs composición molar de CH4
80
12 Platos
Número de platos vs composición molar de CH4
Número de platos vs composición molar de CO2
81
Número de platos vs composición molar de H2S
11 Platos
Número de platos vs composición molar de CH4
82
Número de platos vs composición molar de H2S
Número de platos vs composición molar de CO2
83
10 Platos
Número de platos vs composición molar de CO2
Número de platos vs composición molar de H2S
84
Número de platos vs composición molar de CH4
9 Platos
Número de platos vs composición molar de CH4
85
Número de platos vs composición molar de CO2
Número de platos vs composición molar de H2S
86
7 Platos
Se observa que a partir del plato 7 la torre de absorción no converge, es decir
no permite que se lleve a cabo el proceso de absorción.
87
Tecnología lavado con agua
Inicialmente se inició con 20 platos, pero al observar que en los 9 últimos platos
no se estaba dando un uso a estos, por lo cual se realizó el análisis variando la
cantidad de platos desde 10 hasta 8 platos, se tomó captura de pantalla de las
gráficas que muestran el comportamiento de cada uno de los componentes del
biogás en función del número de platos
11 platos
Número de platos vs composición molar de CH4-CO2-H2S
12 platos
Número de platos vs composición molar de CH4-H2S-CO2
88
13 platos
Número de platos vs composición molar de H2S