DISEÑO DE UN REACTOR PIROLÍTICO PARA OBTENER UN LECHO
FLUIDIZADO MEDIANTE LA EXPERIMENTACIÓN POR MEDIO DE UN
MODELO DE FLUJO FRÍO TRANSPARENTE
Proyecto de grado Por
LAURA SOLER BEJARANO y BRAYAN GUERERRO NARANJO
Presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de
INGENIERO QUÍMICO
Departamento de Ingeniería Química Octubre 2015
Diseño de un reactor pirolítico para obtener un lecho fluidizado mediante la experimentación por medio de un modelo de flujo frío transparente Copyright 2015 Laura Soler Bejarano y Brayan Guererro Naranjo
DISEÑO DE UN REACTOR PIROLÍTICO PARA OBTENER UN LECHO
FLUIDIZADO MEDIANTE LA EXPERIMENTACIÓN POR MEDIO DE UN
MODELO DE FLUJO FRÍO TRANSPARENTE
Proyecto de grado
LAURA SOLER BEJARANO y BRAYAN GUERERRO NARANJO
Presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes
En cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de
INGENIERO QUÍMICO
Aprobado por:
Asesora, Rocío Sierra Ramírez, Ph.D.
Co-Asesor, Gerardo Gordillo, Ph.D.
Jurado, Pablo Ortiz Herrera, Ph.D.
Director del Departamento, Oscar Alvarez Solano, Ph.D.
Departamento de Ingeniería Química Octubre 2015
ABSTRACT
Design of a pyrolytic reactor for a fluidized bed through experimentation by a transparent cold flow model (October 2015).
Laura Soler Bejarano y Brayan Guererro Naranjo, Universidad de los Andes, Colombia Advisors: Rocío Sierra Ramírez, Ph.D, Gerardo Gordillo, Ph.D.
Pyrolysis is a process through which the organic matter (preferably waste) is thermally decomposed in an inert atmosphere, resulting in products come in three phases: solid (char or char, RC), liquid (fuel oil, FO) and gas (gas). To understand the phenomena associated with the pyrolysis Aspen Plus® simulations were performed.
Given a particular interest in the FO within the research group to which this work contributes, and that has been reported to FO conversion is highest in fluidized bed reactors, this work focused on determining whether there is a possibility of achieve some degree of fluidization bed severe space constraints given in the laboratory where the experiments can be performed.
For this, we designed and built a transparent cold model reactor, sized according to the considerations established in the literature and available space in the laboratory, which allowed visualize hydrodynamic and determine the effects on it are operating parameters. 25 factorial design was applied considering the following factors: raw materials (tire rubber and bagasse), airflow pressure (0.125 to 0.25 bar), air distribution devices (and vertical conical device), size of rhe particle (0.25 to 0.42 mm), supply volume (50 to 100 mL). The response variable was established in terms of the observed pressure drop across the bed. The results demonstrate the importance of reactor design to
achieve and maintain a relatively constant pressure drop. It was established that the five assessed factors significantly influence the pressure drop, and thus the fluidization.
It was found that the conditions that resulted in a lower pressure drop and a good visualization of hydrodynamics were tapered Device for distributing air, the tire raw material, a volume of 50 mL, a particle size of 0.25 mm and a pressure in the feed flow 0.125 bar.
RESUMEN
Diseño y construcción de un reactor pirolítico para obtener un lecho fluidizado mediante la experimentación por medio de un modelo de flujo frío transparente (Octubre 2015).
Laura Soler Bejarano y Brayan Guererro Naranjo, Universidad de los Andes, Colombia
Advisors: Rocío Sierra Ramírez, Ph.D, Gerardo Gordillo, Ph.D.
La pirólisis es un proceso a través del cual la materia orgánica (preferiblemente residuos) se descompone térmicamente en una atmósfera inerte, resultando en productos que se presentan en tres fases: sólida (char o residuo carbonoso, RC), líquida (fuel oil, FO) y gaseosa (gas). Para entender la fenomenología asociada con la pirólisis, se realizaron simulaciones en Aspen Plus®.
Teniendo en cuenta un particular interés por el FO dentro del grupo de investigación al cual este trabajo contribuye y el hecho de que se ha reportado que la conversión a FO es máxima en reactores de lecho fluidizado, este trabajo se enfocó en determinar si hay posibilidad de lograr algún grado de fluidización de lecho dadas limitaciones importantes de espacio en el laboratorio en el que se puede realizar la experimentación.
Para esto, se diseñó y construyó un modelo frio transparente del reactor, dimensionado de acuerdo con las consideraciones establecidas en la literatura y el espacio disponible en el laboratorio, que permitió visualizar la hidrodinámica y determinar los efectos que sobre ésta tienen los parámetros de operación. Se aplicó un diseño factorial 25 considerando los siguientes factores: materias primas (caucho de llanta y bagazo de caña), presión del flujo de aire (0.125 y 0.25 bar), dispositivos de
distribución de aire (dispositivo cónico y vertical), tamaño de la partícula (0.25 y 0.42 mm), volumen de alimentación (50 y 100 mL). La variable de respuesta se estableció en términos de la caída de presión observada a través del lecho. Los resultados obtenidos demuestran la importancia del diseño del reactor para lograr y mantener una caída de presión relativamente constante. Se estableció que los cinco factores evaluados influencian significativamente la caída de presión, y por ende, en la fluidización.
Se encontró que las condiciones que resultaron en una menor caída de presión y una buena visualización de la hidrodinámica fueron el Dispositivo cónico para la distribución de aire, la llanta como materia prima, un volumen de 50 mL, un tamaño de partícula de 0.25 mm y una presión en el flujo de alimentación de 0.125 bar.
Palabras clave: Pirólisis, Fluidización, Reactor, Modelo de flujo frío transparente y
AGRADECIMIENTOS
Dedicacion de Laura
Agradezco en primera medida a Dios, que siempre ha estado presente para ayudarme, guiarme por un buen camino y así mismo me ha ayudado a forjar mi carácter y a ser un buen ser humano.
Quiero dar un agradecimiento a mi familia que esta conformada por Alfonso Soler, Maria Clemencia Bejarano, Francisco Soler y Gregorio Soler por todo el apoyo que me brindaron durante esta etapa de vida, por darme aliento en los momentos que más los necesitaba, por estar siempre listos para ayudarme y apoyarme en todo momento. Por últmo, quiero agradecerles por todos los sacrificios que han realizado a lo largo de la vida.
A su vez, le doy graciasa aquellas personas que han marcado mi vida, con las cuales tengo recuerdos únicos y que siempre los llevaré en mi corazón. Agradezco a mi asesora, Rocio Sierra, por su acompañamiento, dedicacion, paciencia y consejos durante el desarrollo de este proyecto. De igual manera agradezco a John Ortiz y a los técnicos de laboratorio, por habernos brindado un apoyo incondicional en la realización de este trabajo.
Dedicacion de Brayan
Agradezco en primera medida a Dios, que siempre ha estado presente para guiarme y orientarme por el buen camino, y para asi poder tomar las mejores decisiones en mi vida. Quiero dar un fuerte agradecimiento a mis padres Miguel Guerrero y Cilia Naranjo y a mis hermanos Yeison Guerrero y Edwin Guerrero por todos sus consejos, apoyos y sacrificios incondicionales que me han brindado siempre.
A su vez, le doy gracias Said Mendoza, puesto que siempre ha estado apoyandome en este proceso de formacion, dandome sus palabras de aliento y consejos. Agradezco a mi asesora, Rocio Sierra, por su acompañamiento, dedicacion, paciencia y consejos durante todo el proyecto. De igual manera agradezco a John Ortiz y a los tecnicos de laboratorio, los cuales siempre nos brindaron una mano ayuda para la realizacion de este proyecto.
NOMENCLATURA
!! Altura de expansión del lecho
!"#! Altura de mínima fluidización
ℎ! Altura del lecho
!%! Altura del reactor
&'! Área transversal del reactor
∆)*! Caída de presión a través del lecho
∆)+! Caída de presión de distribución
∆),! Caída de presión de resistencia
-*! Diámetro de burbuja
-.! Diámetro de partícula
-/#! Diámetro del reactor
-*0! Diámetro mínimo de burbuja
-*"! Diámetro máximo de burbuja
1'! Densidad del sólido
12! Densidad del gas
Ψ! Esfericidad
3"#4 Fracción de vacío a la mínima fluidización
54 Gravedad
674 Número de Reynolds
8*4 Velocidad de burbuja
8"#4 Velocidad mínima de fluidización
894 Velocidad superficial
8:! Velocidad terminal
;! Viscosidad del gas
6< Residuo Carbonoso => Fuel Oil
TABLA DE CONTENIDOS
Pág.
ABSTRACT/ RESUMEN ... iii
AGRADECIMIENTOS ... viii
NOMENCLATURA ... x
TABLA DE CONTENIDOS ... xiii
LISTA DE FIGURAS ... xv
LISTA DE TABLAS ... xvi
INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. Reactor de lecho fluidizado ... 2
1.2. Fenómeno de la fluidización de lechos ... 3
1.3. Tipos de lecho fluidizado ... 4
1.4. Pirólisis ... 6
1.4.1. Tipos de pirólisis ... 7
1.4.2. Pirólisis de biomasa ... 8
1.5. Materia prima para la pirólisis a realizar en este estudio ... 8
1.5.1. Caucho de llanta ... 8
1.5.2. Bagazo ... 9
1.6. Estudios anteriores dentro del grupo de investigación ... 9
1.7. Caída de presión del sistema ... 9
1.8. Consideraciones para el diseño del reactor ... 12
1.9. Modelos empíricos ... 13
1.10.Diseño de “modelos fríos” ... 14
OBJETIVOS DEL PROYECTO ... 16
2.1. Objetivo Principal ... 16
2.2. Objetivos Secundarios ... 16
METODOLOGÍA ... 17
3.1. Simulación en Aspen Plus® ... 17
3.2. Materiales a utilizar ... 19
3.2.1. Materia Prima ... 19
3.3. Diseño del “modelo en frío” ... 21
3.4. Experimentación ... 24
3.4.1. Tamizado ... 24
3.4.2. Densidad real ... 25
3.4.3. Estimación de velocidades ... 25
3.4.4. Experimentación en el reactor de lecho fluidizado ... 25
3.4.5. Relación de la caída de presión y el flujo del aire ... 26
3.4.6. Diseño de plato de distribución ... 27
RESULTADOS Y ANÁLISIS ... 29
4.1. Simulación en Aspen Plus® ... 29
4.2. Tamaño de partícula a pirolizar ... 32
4.3. Densidad Real ... 34
4.4. Velocidades de Fluidización teóricas ... 35
4.5. Relación entre la presión del flujo de aire y caída de presión ... 36
4.6. Diseño Factorial ... 38
CONCLUSIONES ... 44
TRABAJO FUTURO ... 47
REFERENCIAS ... 48
ANEXO 1. Código Fortran para la simulación en Aspen Plus® ... 50
ANEXO 2. Densidades reales ... 51
ANEXO 3. Resultados de la simulación ... 52
ANEXO 4. Velocidades Teoricas ... 55
ANEXO 5. Registro Fotografico ... 59
ANEXO 6. Estudio estadístico (ANOVA) por el software Minitab® ... 66
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1. Regímenes de fluidización en un reactor de lecho fluidizado con
diferentes formas de contacto entre las fases gaseosa y sólida ... 4
Figura 2. Variación de la caída de presión en los diferentes regímenes de fluidización. ... 5
Figura 3. Correlación para el cálculo del TDH ... 13
Figura 4. Diagrama de flujo de la simulación en Aspen Plus ® ... 19
Figura 5. Elementos individuales para la construcción del modelo en frío ... 21
Figura 6. Montaje del reactor de lecho fluidizado basado en la literatura ... 22
Figura 7. Montaje del reactor de lecho fluidizado vista lateral ... 23
Figura 8. Equipo de Pirólisis ubicado en el laboratorio ML 041 ... 24
Figura 9. Platos de distribución para un lecho fluidizado ... 27
Figura 10. Dispositivos utilizados en la práctica ... 28
Figura 11. Conversión a fases sólida, líquida y gaseosa como función de la temperatura y la materia prima ... 31
Figura 12. Composición de la fase gaseosa como función de la temperatura y la materia prima ... 32
Figura 13. Distribución acumulada ... 33
Figura 14. Distribución diferencial ... 34
Figura 15. Perfil de caída de presión ... 37
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Ventajas y desventajas del reactor de lecho fluidizado ... 3
Tabla 2. Proceso de pirólisis ... 6
Tabla 3. Reacciones de pirólisis ... 7
Tabla 4. Tipos de pirólisis ... 7
Tabla 5. Proyectos de grado en pirólisis realizados dentro del contexto del grupo de investigación en el que este trabajo se desarrolla ... 10
Tabla 6. Análisis último y próximo de la materia prima ... 19
Tabla 7. Tamaño de partícula ... 25
Tabla 8. Niveles de diseño y factores a estudiar ... 26
Tabla 9. Densidades reales de las materias primas utilizadas ... 35
Tabla 10. Velocidades de Fluidización ... 36
Tabla 11. Variables evaluadas y niveles evaluados ... 39
INTRODUCCIÓN
La fluidización ocurre cuando pequeñas partículas sólidas son suspendidas por una corriente de un fluido que se dirige de abajo hacia arriba venciendo el peso de las mismas (Kunii, Levenspiel, & Brenner, 2013). Este fenómeno se presenta cuando la velocidad del fluido es lo suficientemente alta para suspender las partículas sólidas, a su vez éstas, rotan en el lecho creando rápidamente un excelente mezclado. El material que se fluidiza es casi siempre un sólido y el medio que fluidiza puede ser tanto líquido como gas. Las características y comportamiento de los lechos fluidizados dependen fuertemente de las propiedades del sólido y del fluido (Muroyama & Fan, 1985).
La fluidización se lleva a cabo con distribuir correctamente las partículas y poder llevar a cabo el proceso deseado. En los reactores de lecho fijo, las partículas se encuentran estáticas debido a que la fuerza de arrastre es más pequeña que la fuerza de gravedad. Por otro lado, en los rectores de lecho fluidizado, estas dos fuerzas se igualan, generando el movimiento de las partículas sólidas en suspensión.
De acuerdo a la versatilidad que han presentado, en los últimos años, los reactores de lecho fluidizado se han posicionado entre los más utilizados en la industria química, farmacéutica, petroquímica y para masificadoras (Ruud Van Ommen & Naoko, 2010).
Por otro lado en el desarrollo de las tecnologías actuales, se está considerando como un aspecto importante la conservación del medio ambiente. Para esto, se están realizando políticas de desarrollo sostenible, en donde se tienen en cuenta reducción en las emisiones industriales y de cualquier tipo de desecho.
En el proceso de pirólisis existe una ventaja del reactor de lecho fluidizado sobre el reactor de lecho fijo, la cual es fundamental y es la velocidad de transferencia de masa entre
las partículas y el fluido de lecho, la cual es alta comparada a otros medios de contacto. (Williams, 2013).
El reactor de lecho fijo es un reactor compuesto de un tubo hueco lleno de un sustrato confinado dentro del tubo. Se hace uso de resistencias eléctricas externas para el calentamiento del sistema (Burhenne, Damiani, & Aicher, 2013). Los reactores de lecho fijo disminuyen la presencia de compuestos aromáticos en la fase líquida, lo que favorece la producción de compuestos en la fase gaseosa como CH4 y CO2, entre otros, esto se explica por los tiempos de residencia más largos de los sólidos en el reactor con otros tipos de reactores (Aylón et al., 2008).
! Reactor de lecho fluidizado
Los reactores de lecho fluidizado se utilizan para reacciones químicas donde intervienen un sólido y un fluido generalmente gaseoso. En la Tabla 1 se presentan algunas ventajas y desventajas del reactor de lecho fluidizado. En estos reactores, la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas. Esto resulta en un alto grado de uniformidad en la temperatura (Warnecke, 2000) con lo cual se puede lograr la operación es en estado estacionario.
Dadas las altas tasas de transferencia de calor y masa y la baja caída de presión, los reactores de lecho fluidizado son ampliamente utilizados en la industria química en procesos de secado, absorción y filtración, ya que permiten trabajar en condiciones isotérmicas, lo que ayuda al escalamiento y controlabilidad del proceso. En la actualidad, una de las aplicaciones más importantes de los reactores de lecho fluidizado es el craqueo catalítico del petróleo, en el cual se busca el rompimiento de cadenas largas de hidrocarburos en presencia de catalizadores (Warnecke, 2000).
Tabla 1. Ventajas y desventajas del reactor de lecho fluidizado (Warnecke, 2000).
Ventajas Desventajas
Temperatura uniforme Destrucción del catalizador a causa de la fuerte agitación.
El catalizador puede ser generado con el laso de un lazo axial
Alta conversión por unidad de masa del catalizador
!Fenómeno de la fluidización de lechos
En la Figura 1 se observa el fenómeno de la fluidización de un lecho vertical. Se ve que de acuerdo a la interacción que existe entre el sólido y el gas de fluidización, tendrá diferentes comportamientos.
a)! El sistema se puede comportar como un lecho fijo, si la velocidad del gas de fluidización es muy baja y no contrarresta el peso de las partículas (Figura 1.(a)). b)! Punto en el cual el sistema alcanza la velocidad mínima de fluidización, permitiendo
que exista un lecho fluidizado (Figura 1.(b)).
c)! Si existen velocidades mayores, producirá una fluidización homogénea si existen partículas livianas y gas denso (Figura 1.(c)).
d)! La formación de fluidización burbujeante, producida por el aumento de la velocidad mínima de fluidización y produciendo burbujas y canalizaciones de gas (Figura 1.(d)).
e)! El tamaño de las burbujas pueden crecer a lo largo y ancho del reactor a medida que ascienden por el lecho (Figura 1.(e)).
f)! En lechos de pequeños diámetros los sólidos se reintegran al lecho a través de los paquetes formados por el gas (Figura 1.(f)).
g)! Existe un movimiento turbulento de los paquetes sólidos a altas velocidades, cuando llega a la velocidad terminal (Figura 1.(g)).
Figura 1. Regímenes de fluidización en un reactor de lecho fluidizado con diferentes formas de contacto entre las fases gaseosa y sólida (Kunii et al., 2013).
En esta figura la fluidización se presenta como función de la velocidad del gas con (a) a una velocidad tan baja que no se logra la fluidización y (h) a una velocidad tan alta que se obtiene un transporte neumático del sólido. En el texto se encuentra una explicación detallada de los fenómenos observados en cada una de estas ilustraciones.
h)! Si la velocidad se aumenta más aun los sólidos son arrastrados fuera del lecho, generando un transporte neumático de los sólidos (Figura 1.(h)).
i)! Si la velocidad se aumenta más aún, los sólidos son arrastrados fuera del lecho, generando un transporte neumático de los sólidos (Figura 1.(i)).
!Tipos de lecho fluidizado
El régimen de fluidización dentro el sistema se ve directamente relacionada por la caída de presión a través del lecho de partículas sólidas, tal como se evidencia en la Figura 2.
Con aumentos en la velocidad del gas, la caída de presión en el lecho fijo aumenta, comenzando a formar una región gobernada por la ecuación de Ergun, representada en la Ecuación 1 (Kunii et al., 2013).
∆)
ℎ = 1289
150(1 − 3"#)
F67 +
7 4
1 − 3"#
Figura 2. Variación de la caída de presión en los diferentes regímenes de fluidización (Kunii et al., 2013). El lecho fluidizado se alcanza cuando la caída de presión comienza a ser constante a lo largo del reactor, logrando así la velocidad mínima de fluidización. Se ha comprobado de manera experimental, que las propiedades de las partículas tales como la densidad, el tamaño y las condiciones de presión y de temperatura en la que se llevan a cabo el proceso, afecta de manera significativa la calidad de la fluidización. Para tal fin, se realiza la clasificación de la partícula. A continuación se presenta el método de clasificaciones propuesto por Geralt (Visser, 1989).
Grupo A: Tamaño de partículas pequeño y/o baja densidad (<1.4 g/cm3). Son partículas aeréables, flotan y fluidizan con facilidad, sin formación de burbujas incluso a velocidades de gas alta (Visser, 1989).
Grupo B: (tipo arena) Sólidos con un tamaño de partícula entre 40 µm y 500 µm. Fluidizan bien con fuerte borboteo y de gran tamaño de burbujas (Visser, 1989). Grupo C:(harina) Son partículas muy finas con un tamaño de partícula entre 10µm y 40 µm. Estas son cohesivas o polvos muy finos, son extremadamente difíciles de fluidizar (Visser, 1989).
Grupo D: (piedras o grava) Son sólidos grandes y/o pesadas, los cuales son difíciles de fluidizar (Visser, 1989).
En el reactor de lecho fluidizado, la distribución debe ser uniforme y estable, para evitar regiones no fluidizadas, minimizar el roce de las partículas sólidas por falta de aire y poder soportar el peso del lecho durante la reacción. Para lograr esta distribución, se implementan los denominados platos de distribución tales como difusores, platos perforados y cuerpos cónicos laterales. En las industrias de gasificación, pirólisis y combustión, el diseño más común es el de distribución de platos perforados, debido a que es el más económico, es fácil de construir y escalar, permitiendo así una buena fluidización de las partículas sólidas (Kirby & Cummings, 1998).
! Pirólisis
La pirólisis es un proceso químico el cual consiste en la descomposición térmica de la materia orgánica en ausencia de oxígeno u otras sustancias oxidantes. Como resultado, se generan cantidades variables de gases (gases de síntesis), líquidos (alquitranes y aceites) y un residuo carbonoso. El rango de temperaturas en las que oscila este proceso es de 150-900°C con un promedio de 600°C (Cuevas, 2004). Se ha afirmado que la pirólisis no es eficiente desde el punto de vista energético porque requiere de mucha energía para alcanzar esos rangos de temperaturas, por lo tanto, se combina con el proceso de gasificación y de combustión. A pesar de esto, es justificable dado el valor agregado que se le puede dar a la materia prima y el amplio rango de productos útiles potenciales.
El proceso por etapas y las reacciones que se llevan a cabo, se muestra a en las Tablas 2 y 3 respectivamente.
Tabla 2. Proceso de pirólisis (Cuevas, 2004).
Etapa Proceso Tratamiento térmico
Secada Pirólisis Gasificación Combustión
Etapa 1 Secado Secado Secado Secado
Etapa 2 Pirólisis Pirólisis Pirólisis
Etapa 3 Gasificación Gasificación
Etapa 4 Combustión
Tabla 3. Reacciones de pirólisis (Cuevas, 2004).
Rango de
temperatura (°C) Reacción química
100-120 Deshidratación.
250 Desoxigenación y desulfuración. Inicio de liberación de sulfuro de hidrógeno
340 Roturas de enlaces en compuestos alifáticos. Liberación de metano y otros compuestos alifáticos. 380 Fase de carbonización. Concentración de carbón en residuos.
400 Rotura de enlaces C-O y C-N
400-600 Descomposición de materiales bituminosos. Se generan aceites y alquitranes.
Rango de
temperatura (°C) Reacción química
600 hidrocarburos gaseosos de cadena corta e hidrocarburos aromáticos. Cracking de los materiales bituminosos. Generación de >600 Dimerización de las olefinas; reacción de etileno a ciclohexano; generación de compuestos aromáticos volátiles.
1.4.1.! Tipos de pirólisis
La pirólisis se puede clasificar en varios tipos considerando las condiciones de operación. Variables que normalmente se consideran son: velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, y la presión entre otros. Estas variables influyen significativamente en la distribución de los productos que se obtienen. En la Tabla 4 se observan una clasificación de la pirólisis como función de la velocidad de calentamiento.
1.4.2.! Pirólisis de biomasa.
La carbonización de biomasa normalmente se realiza en ausencia de oxígeno y a temperaturas cercanas a 500°C. El producto resultante tiene una densidad energética mayor
que la biomasa común y podría usarse en la obtención de calor o electricidad en motores a combustión con potencias hasta 10 MW y eficiencias de 60-70%, o en turbinas a gas con eficiencias superiores y mediante ciclos combinados de alta eficiencia. El factor de planta se encuentra entre 80 y 90% (Bastidas, Buelvas, Márquez, & Rodríguez, 2010).
Tabla 4. Tipos de pirólisis (Klug, 2012).
La biomasa conduce pobremente el calor, por lo que la influencia del tamaño y forma afectan el tiempo de residencia de los materiales volátiles al interior de la partícula. Por esta razón, se favorece las reacciones de craqueo. Las cuales pueden disminuir el rendimiento de los gases condensables. Si la partícula de biomasa es muy fina, habrá una menor resistencia a que las partículas volátiles se escapen, por lo que habrá mayor FO recuperado. Finalmente, el tamaño de partícula está directamente relacionado con la tasa de calentamiento para el proceso de pirólisis rápida, a mayor tasa de calentamiento se obtiene más cantidad de FO (Arbeláez et al., 2013).
!Materia prima para la pirólisis a realizar en este estudio
1.5.1.!Caucho de llanta
En Colombia, los residuos generados por el caucho de las llantas son aproximadamente 61,000 toneladas por año, siendo depositadas en lugares clandestinos, generando así daños ambientales y sanitarios para el entorno, puesto que se transforma en el hábitat para
Tipo de Pirólisis Condiciones Velocidad de calentamiento Liquido (%) Carbón (%) Gas (%) Flash/Rápida 500°C, 1 s de tiempo de
residencia de vapor caliente 500ºC/s
75 12 13
Intermedio 500°C tiempo de residencia
de vapor caliente 10-30 s 17 a 50ºC/s
50 25 25
Carbonización Lenta
400°C tiempo de residencia
del vapor en horas o días. <<1ºC/s
30 35 35
Torrefacción Lenta
290°C tiempo de residencia
de sólidos ~30 min <<1ºC/s
roedores produciendo enfermedades patogénicas a los ciudadanos (Betancur, Martínez, & Murillo, 2009).
1.5.2.!Bagazo
El bagazo, es el residuo que proviene de la caña de azúcar y tiene un potencial muy grande en las nuevas tecnologías de generación de energía limpia, puesto que se soluciona el problema de colocación y/o disposición del residuo. En Colombia, se produce alrededor de 24 millones de Tm de caña de azúcar anualmente, de estas el 25% son 6 millones de Tm bagazo (Pandey, Soccol, Nigam, & Soccol, 2000). Este bagazo se usa en la industria azucarera para la generación de la energía de proceso, sin embargo en este caso se genera un residuo contaminante de este material, pues se produce en exceso a requerimientos energéticos.
!Estudios anteriores dentro del grupo de investigación
Los resultados más relevantes de cada uno de los trabajos que se han realizado en pirólisis dentro del contexto del grupo de investigación donde este estudio se realiza, se resumen en la Tabla 5. Hasta el momento se han obtenido resultados de pirólisis en reactor por lotes, tratando en algunos casos de incrementar la velocidad de calentamiento y en otros de usar catalizadores, usando como materias primas residuos lignocelulósicos y caucho de llantas. Debido a que los porcentajes de conversión a FO son bajos comparados con los que se reportan en la literatura, y que los factores que se han estudiado no han tenido influencia importante en la conversión, se ha detectado la importancia de explorar reacciones en reactores de lecho fluidizado.
!Caída de presión del sistema
A la hora de modelar el reactor de lecho fluidizado, es necesario tener en cuenta el tiempo de residencia del gas en las burbujas que se forman cuando el gas entra al reactor, y también la reacción que se genera con las partículas sólidas. Debido a que en el presente trabajo sólo se observa la hidrodinámica del sistema, la influencia de la reacción en la fluidización del lecho queda sin explorar.
Para calcular la velocidad mínima y máxima de operación del lecho para lograr la fluidización se deben tener en cuenta ciertos aspectos. La caída de presión se asocia con la velocidad de fluidización, cuando esta es muy baja las partículas están estacionarias; pero al aumentarse, la fuerza gravitatoria será igual a la fuerza de caída de presión y el fluido comenzará a moverse. Este comportamiento está relacionado con la ecuación de Ergun, representada en la Ecuación 2 y Ecuación 3 (Kunii et al., 2013).
∆)#
K" = 150
(1 − 3"L)
3"J
M80
NO -O.PL
+ 1.75(1 − 3") 3"J
1280
NO -O.P44444444444444444444(2)
∆)#
K" = 5 1 − 3"# 1O − 12 44444444444444444444444444444444444444444444444444(3)
Es importante tener en cuenta el valor del Reynolds al usar estas dos ecuaciones, si este es mayor o menor a 20. Al combinar estas dos ecuaciones, se obtienen las Ecuaciones 4 y 5.
1.75 F3"#J
-.8"#12
M
L
+150 1 − 3"# FL3
"#J
-.8"#12
M =
12 5 1' − 12 -.J
ML 444467 > 204444 4 !
448"# = F-.
L
150M 5 1' − 12
3"#J
1 − 3"#44444444444467 < 204444444444444444444444444444(5)!
!
Tabla 5. Proyectos de grado en pirólisis realizados dentro del contexto del grupo de investigación en el que este trabajo se desarrolla.
Autor del trabajo
Nombre del proyecto de grado
Objetivo Resultados destacados
Miguel Páez Determinación
experimental del proceso de pirólisis utilizando como materia prima caucho de llanta y bagazo de caña de azúcar
Cuantificar experimentalmente la composición del efluente gaseoso, a través de mediciones hechas en neumáticos de desecho y la mezcla neumático+bagazo de caña de azúcar para recomendar condiciones de operación que resultarían en la producción de gas combustible.
Entre las condiciones de operación probadas, el gas con mayor valor calorífico superior se obtuvo para una
mezcla 50 % -50 % de
neumático+bagazo de caña, en un rango de temperatura de pirólisis de 472-727°C. El aumento en la producción de CO y CH4 y la disminución del CO2 permite que el gas producido para ser utilizado como un combustible de calidad, alternativo al gas de síntesis. Aida
Maldonado y Sandra Sánchez
Determinación
experimental de las proporciones másicas en las que se obtienen las fases sólida, líquida y gaseosa de mezclas de bagazo de caña de azúcar-caucho de llanta por pirólisis rápida y flash
Cuantificar experimentalmente las cantidades de las Corrientes sólida, líquida y gaseosa obtenidas usando diferentes proporciones de una mezcla de bagazo de caucho de llantas en procesos de pirólisis rápida y flash realizados entre 400 y 900ºC
Las tasas de calentamiento aumentan conforme aumenta la temperatura final del proceso pirolítico, así mismo se pudo observar que éstas dependen de la composición de la mezcla inicial ya que a mayor cantidad de bagazo mayor es la tasa de calentamiento
Daniel Sánchez
Producción diésel
sintético a través de pirólisis catalítica de biomasa de residuos mezclas de llantas
Evaluar la viabilidad de utilizar el FO producido por la pirólisis catalítica de mezclas de neumático y bagazo de caña en la producción de combustible diésel segunda generación.
Se pudo observar que el FO producido por la pirólisis en las mezclas de neumático y bagazo de caña reduce con la adición de SCB el rendimiento y aumenta la cantidad de agua. El gas resultante fue más oxidado y con menor capacidad calorífica. La temperatura tuvo un efecto mayor en la pirólisis.
Alejandra Cortés
Exploración de la obtención del FO a partir de pirólisis de desechos
de neumáticos en
presencia de
catalizadores básicos
Obtener y caracterizar FO a partir de desechos de neumáticos mediante pirólisis catalítica.
Los rendimientos y las composiciones de las tres fracciones dependen de los valores de los parámetros del proceso
(temperatura, velocidad de
calentamiento, presión, tiempo de residencia, material de granulometría, materia de partida) y para la fracción líquida, la temperatura de condensación.
Para calcular el valor de 3"#, que es la fracción de vacío al punto de mínima fluidización, se usa la Ecuación 6.
3"# = 0.586FX9.YL ML
12 5 1' − 12 -.J
9.9LZ
El tamaño del lecho se ve afectado por de la velocidad del gas, esta genera que las partículas se separen, y así, permite la formación de las burbujas. Para calcular la velocidad y el diámetro de burbuja se hace uso de las Ecuaciones 7 y 8.
8*= 89− 8"# + 0.71 5-* L4444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444(7)
7X9.JP[\] = -*"− -*
-*" − -*044444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444(8)
Donde -*0y -*"4 son los diámetros de burbuja mínimo y máximo respectivamente; y se calculan utilizando las siguientes expresiones que se muestran en las Ecuaciones 9 y 10.
-*0 = 0.00376 89 − 8"# L444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444(9)
-*" = 0.652 &' 89− 8"# 9._44444444444444444444444444444444444444444444444444444(10)
Si la velocidad terminal 8:, es mayor a la velocidad del gas, este desplaza las partículas. Para determinar 8:, es necesario tener en cuenta de nuevo el valor del Reynolds (Kunii et al., 2013). El cálculo se muestra en las Ecuaciones 11 y 12.
8: = 5(1' − 12) -.
L
18M 44444444444467 < 0.4444444444444444444444444444444444444444444(11)
8: =
1.78`10XL 5(1
' − 12) L
12M
a J
-.444444444440.4 < 67 < 50044444444444444444444444444444(12)
!Consideraciones para el diseño del reactor
Para saber la altura indicada del reactor se usa la Ecuación 13; sin embargo se debe tener en cuenta que las dimensiones de altura mínima y expansión del lecho cumplan la expresión de la Ecuación 14 (Ramírez, Martínez, & Petro, 2007).
1.2 < !
!"# < 1.44444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444(14)
Donde d
de] se calcula en la Ecuación 15. !
!"# = 1 +
10.978 89− 8"# 9.YJf1'9.JYg -.a.99g
8"#9.ZJY1
29.aLg 44444444444444444444444444444444444(15) El factor TDH se calcula con la correlación presentada en la Figura 3, en la cual se relaciona el diámetro del reactor y la velocidad de fluidización
Figura 3. Correlación para el cálculo del TDH(Ramírez et al., 2007).
El diámetro del reactor depende de la velocidad del aire y el área en la que se logra una fluidización; para que esta sea segura se debe cumplir la siguiente relación, expresada en la Ecuación 16 (Ramírez et al., 2007).
∆), < ∆)*∆)+
100 4444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444(16)
Para calcular ∆),, ∆)* y ∆)+, se usan la Ecuación 17, Ecuación 18 y Ecuación 19.
∆), = 12
25 8"#&'
L
444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444(17)
∆)+ = 0.01 + 0.2 1 − 7`i
X_jk
Lde] 44444444444444444444444444444444444444444444444444444 19
!Modelos empíricos
Los modelos empíricos son ampliamente utilizados cuando se desconoce el modelo teorico para un proceso en funcionamiento, planteando ensayos de cambio en alguna o algunas condiciones de operación y registrando la variación de la variable de proceso que es afectada. Un análisis de los resultados obtenidos, experimentalmente, dan la posibilidad de poder ajustar un modelo matemático. Esta clase de modelos se utilizan especialmente para verificar la consistencia del modelo matemático planteado teóricamente para el sistema.
! Diseño de “modelos fríos”
El diseño y construcción de reactores en “modelos fríos” han sido ampliamente utilizados y desarrollados para los procesos de gasificación y pirólisis, sin tener en cuenta los efectos calóricos que produce el sistema. Tal como se mencionó en la Sección 1.2, 1.3 y 1.4, el reactor de lecho fluidizado se ha implementado en la pirólisis a temperaturas elevadas para obtener altos rendimientos del estado líquido combustible. El principal objetivo de la construcción de los reactores en “modelo frio” es poder visualizar la hidrodinámica del sistema, que esta conjuntamente relacionado con conocer los parámetros de operación y las restricción que presente el modelo (Boukis, Grammelis, Bezergianni, & Bridgwater, 2007).
Por otro lado se han implementado este tipo de modelos para visualizar la dispersión de algunos componentes en los perfiles de transporte; dando paso a la determinación de los parámetros adecuados para obtener una mejor distribución de partículas en el lecho
fluidizado, lo cual conlleva a garantizar una adecuada y eficiente transferencia de calor (Zhang et al., 2013).
Un modelo de flujo en frío simula con precisión un dispositivo mecánico que es crítico para el funcionamiento de una unidad particular. Típicamente, el modelo está diseñado y fabricado de acero y / o plástico en un tamaño que es lo suficientemente grande para minimizar los efectos de transferencia de masa y de la pared. El uso de estos modelos, las mediciones cualitativas y cuantitativas se pueden hacer para ayudar a verificar y optimizar los criterios de diseño para una variedad de sistemas de gas-sólido-líquido y gas. Estas mediciones incluyen la mezcla, la separación, la caída de presión, la erosión y / o densidad.
Hay que tener en cuenta que lo que se espera con el modelo empírico frio es encontrar las condiciones de operación que garanticen un lecho fluidizado y posteriormente, implementarlo en un modelo empírico caliente, en donde existirá un efecto calórico que cambiara las condiciones de operación, sin embargo se realizara el cálculo de las velocidades y de los parámetros con las nuevas condiciones de operación y esperando que en este sistema caliente también se genere un lecho fluidizado.
OBJETIVOS DEL PROYECTO
2.1. Objetivo Principal
Diseñar un reactor de lecho fluidizado para la realización de reacciones pirolíticas considerando, restricciones de tamaño del reactor dadas por el espacio disponible y datos experimentales de hidrodinámica (caída de presión y observación de fluidización) obtenidos a partir de un modelo frío.
2.2. Objetivos Secundarios
1.! Simular el proceso de pirólisis usando el software Aspen Plus®, con el fin de explicar la fenomenología del proceso en las condiciones de equilibrio.
2.! Diseñar y construir un reactor de lecho fluidizado en modelo frío que sirva como base para establecer las condiciones de operación (flujo de aire, materia prima, dispositivos de distribución de aire, tamaño de la partícula y volumen de alimentación) que podrían resultar en un lecho fluidizado.
METODOLOGÍA
3.1. Simulación
Con el fin de entender teóricamente el proceso de pirólisis se llevaron a cabo simulaciones en el software Aspen Plus® realizando las siguientes suposiciones:
•! El sistema opera bajo condiciones de estado estable. •! El sistema es isotérmico.
•! Las cenizas son material inerte, lo que quiere decir no tendrán ningún papel en las reacciones químicas que se llevan a cabo.
•! Las reacciones de gasificación se encuentran en equilibrio. Por ende, no se encontrará
presente ningún producto que se genere en reacciones que no se encuentren en el equilibrio.
La simulación realizada en el software Aspen Plus®, tiene en cuenta que la biomasa que está presente en la corriente de alimentación está definida como sólidos no convencionales. El diagrama de flujo correspondiente a esta simulación se encuentra en la Figura 4. La primera parte de la simulación corresponde a la entrada de la alimentación en el primer reactor (R-101) de tipo yield, en donde la materia prima se transforma en los elementos más simples que la componen, estos son: hidrógeno, oxígeno, carbón, nitrógeno, azufre y cenizas (CHONS), para este reactor fue necesaria el uso del rendimiento de la reacción, los cuales se obtuvieron por medio del código Fortran que se encuentra en el Anexo 1 y el análisis próximo y último que se encuentra en la Tabla 6. Luego los productos del reactor R-101 entran en un segundo reactor (R-102) de tipo Gibbs, en donde se calculán las
especies que minimicen la energía libre de Gibbs. Finalizando la corriente de producto del reactor R-102 entran en un proceso de separación de fases, este proceso consta de dos equipos, los cuales cumplen con la función de separar las fases que se encuentran presentes. A continuación se explicara cada uno de los equipos utilizados y su funcionamiento:
•
!
Reactor DECOMP (RYIELD): Este equipo se utiliza cuando se llevan a cabo reacciones con materiales no convencionales como lo son: desechos de comida, aceites para convertirlos en sus compuestos más simples como lo son H2, O2, N2, S2 y cenizas. Este tipo de reactor permite que se defina la reacción por medio del de rendimiento sin necesidad de tener todas las reacciones químicas que definan el sistema (Yahuassain, 2015).•
!
Reactor de Pirólisis (RGIBBS): Este equipo tiene el propósito de llevar a cabo las reacciones de pirólisis, debido a que las cinéticas de cada una de las reacciones se desconoce, se prosigue a seleccionar los posibles productos que se pueden obtener tanto gaseosos como bio-oil, esta selección de productos se hace por medio de reportes de literatura en donde se escogen los que tienen un mayor porcentaje de producción.•! Ciclón: Este equipo se encarga de separar la fase gaseosa de la fase sólida, la cual corresponde al producto carbonoso resultante durante las reacciones llevadas en los reactores R-101 y R-102.
•! Separador Flash: Este equipo se encarga de separar la fase gaseosa en los
productos condensables y los no condensables.
Los análisis próximos y últimos que se introducirán en el software se encuentran reportados por (Rezaiyan & Cheremisinoff, 2005) para el caucho de llantas y por
(Mavukwana, Jalama, Ntuli, & Harding, 2013) para el bagazo de caña. Estos se encuentran presentes en la Tabla 6.
!
Figura 4. Diagrama de flujo de la simulación en Aspen Plus ®Tabla 6. Análisis último y próximo de la materia prima (Mavukwana et al., 2013) (Rezaiyan & Cheremisinoff, 2005).
Bagazo de caña Caucho de llanta Análisis Próximo
Humedad 6.8 0.92
Cenizas 5.6 3.49
Material Volátil 82.5 64.9
Carbón fijo 11.9 30.6
Análisis último (Base seca %peso %peso)
Carbón 47.5 74.2
Hidrógeno 5.9 7.26
Nitrógeno 0.29 0.32
Sulfuro 0.07 1.53
Cenizas 5.6 3.49
3.2. Materiales
3.2.1.! Materia prima
La caña de azúcar fue donada por un productor de panela, el cual se localiza en Barbosa, Santander (Colombia), mientras que el caucho de llanta fue suministrado por la compañía Renovadora de llantas “Renboy” S. A, con un diámetro de partículas entre 4750 a 180 µm.
El tratamiento realizado para la obtención de bagazo consistió en colocar la materia prima en un MERMET UFB 700 a una temperatura de 45ºC durante dos semanas, esto se hizo hasta que se obtuvo un porcentaje de humedad menor al 10%.
El segundo paso se basó en triturar la caña por medio de un molino Fritsch pulverizette 19 y finalmente se realizó un tamizado utilizando una torre Pinzuar PS-35 para separar los diferentes diámetros de partículas obtenidos en la producción de bagazo de caña.
3.2.2.! Construcción del modelo frío
Para la construcción del modelo frio en transparente, se utilizaron básicamente cinco elementos, como se observa en la Figura 5. El modelo en frio se construyó en acrílico transparente con un grosor de 0.2 mm (Figura 5.(1), Figura 5.(3) y Figura 5.(5)), una válvula con un diámetro de 4.6 cm (Figura 5.(2)) y una malla de acero de mallado 0.25 mm (Figura 5.(4)). El elemento 1 funciono para la medición del volumen de las materias primas, el elemento 2 es la válvula y funciono para regular la entrada de la materia prima al elemento 3. El elemento 3 funcionaba para modelar la hidrodinámica del sistema y sus desprendimientos laterales para la medición de la caída de presión. El elemento 4 era la malla que no permitía que la materia prima llegara al elemento 5, y permitía crear un mejor perfil de distribución. Finalmente el elemento 5 tiene una perforación inferior por la cual llegaba el flujo del aire, y este a su vez tenía el dispositivo de distribución compuestos a
partir de pellets, los cuales permiten obtener un mejor perfil de distribución de la corriente del aire que entra al reactor.
Figura 5. Elementos individuales para la construcción del modelo en frío.
3.3. Diseño del modelo en frío.
Para el diseño del modelo en frío, se tuvo en cuenta la relación diámetro: longitud que se recomienda en la literatura. A este respecto, de acuerdo con esta relación debe ser de 5 a 1, respecto a la longitud del diámetro. Adicionalmente, se tuvieron en cuenta las restricciones de espacio disponible en el laboratorio. Debido a que el reactor que este modelo quiere simular, se usará para el calentamiento una mufla de la marca Thermo Scientific modelo numero: F30420C-60-80 que tiene 36cm, la altura máxima del reactor sería de 30 cm con lo que el diámetro del modelo frio quedó fijo en 29 cm.
En la Figura 6 se ilustra el montaje. Las dimensiones y planos del modelo del reactor se encuentran en la Figura 7.
El modelo frío del reactor consta de varias partes, la primera de ella tiene como función la medición de materias prima, que se debe realizar para poder alimentar el reactor a medida que pasa el tiempo sin necesidad de apagar, limpiar, sacar y volver a alimentar el reactor.
Figura 6. Montaje del reactor de lecho fluidizado basado en la literatura
Por otro lado el volumen de entrada de materia prima fue uno de los factores que se analizaron en este estudio; el segundo elemento es una válvula que regula la entrada del alimento al reactor, en tercer lugar se encuentra el modelo del reactor el cual se encarga de modelar la hidrodinámica del sistema.
Este consta de dos partes en donde se observa que hay una diferencia de diámetro, la parte inferior con un diámetro superior se localizara dentro de la mufla que se encuentra en la Figura 8, mientras que la parte superior con menor diámetro se encontrara por fuera de la
Medición!de!materias!primas
Válvula
Tubería!de!
recolección!de!gases
Modelo!del!reactor
Malla!de! Dispositivo!de!
distribución Tubería!de!entrada! del!flujo!del!aire!
mufla e irán conectadas por un orificio que se encuentra en la parte superior de la mufla, debido a este orificio es por el cual existe un cambio de diámetro en la estructura.
En cuarto lugar existe la tubería de recolección de gases que se encuentra unida a la parte con menor diámetro del modelo del reactor en donde esta se unirá por fuera de la mufla para la recolección de bio-oil y medición de gases. Luego sigue la malla de acero, la cual cumple con la función de tener separada la materia prima del dispositivo de distribución de gases que se encuentra en el sexto lugar, por último se tiene la tubería de entrada del aire la cual se conecta por la parte inferior del reactor.
Figura 7. Montaje del reactor de lecho fluidizado vista lateral
El modelo en frio consta de diferentes partes como se mencionó anteriormente, por lo tanto se realizaron diferentes mediciones, manteniendo una relación entre diámetro y longitud del reactor que se encuentra en la literatura para poder obtener un lecho fluidizado.
Estas medidas se realizaron a partir del Equipo de pirólisis que se encuentra en el laboratorio ML 041 de la Universidad de los Andes (Figura 8), en donde el reactor tenía que encajar perfectamente dentro de la mufla, para que la parte inferior del reactor tuviera en el centro un orificio que conectara con la tubería del flujo de entrada.
! Figura 8. Equipo de Pirólisis ubicado en el laboratorio ML 041
Para cumplir este requerimiento era necesario que tuviese de alto una altura de 36 cm teniendo en cuenta tanto el dispositivo de distribución como el modelo, por lo tanto se obtuvo que el reactor tuviera una altura de 29 cm y el dispositivo una altura de 7 cm con un diámetro de 1 in para ambos casos.
Luego se encuentra que la parte superior de la mufla tiene un orificio de ¾ in que comunica con el exterior. Es en esta parte donde el modelo en frío obtiene una disminución de diámetro y se incorporan 10 cm más de altura. Por último se encuentra que en la parte derecha se conecta para la recolección de gases, por lo tanto se realiza una tubería horizontal con 10 cm de largo y ¾ in de diámetro.
Para finalizar se añade una válvula para regular la alimentación de materia prima al reactor por medio de un dispositivo de alimentación el cual debe tener el mismo diámetro que la tubería del reactor externa. Las dimensiones del reactor se encuentran explicitas en la Figura 7.
3.4.! Experimentación
3.4.1.! Tamizado
Tanto el bagazo como el caucho de llanta que se usaron en este estudio fueron tamizados para controlar el tamaño de partícula. Este tamizado se realizó usando una torre de tamices Pinzuar (Tabla 7).El procedimiento se inició colocando una muestra de la materia prima de 300 g en el tamiz superior de la torre. La agitación se permitió por un tiempo de 300 s. !
Tabla 7. Tamaño de partícula
No Tamiz Diámetro de partícula (mm)
4 4.75
20 0.84
40 0.42
60 0.25
80 0.18
3.4.2.! Densidad real
De acuerdo al protocolo BCL 1116 (Explicado de manera detallada en el Anexo 2), se procedió a pesar 0.4 g de la muestra para cada una de las materias primas en el picnómetro. Se agregó agua destilada hasta que se completó el volumen total del picnómetro, posteriormente se tapó con el tapón de vidrio, y se pesó en la balanza electrónica con una desviación de ±0.0014g.
3.4.3.! Estimación de velocidades
Para estimar las velocidades de fluidización teóricas, velocidad de burbuja y velocidad terminal en función del tamaño de partícula de cada una de las materias primas, se aplicaron las ecuaciones de las Secciones 1.7 y 1.8.
3.4.4.! Experimentación en el reactor de lecho fluidizado
Debido a que se trataba determinar la influencia de los parámetros de operación (factores) listados en la Tabla 8 sobre la fluidización del sistema, se realizó inicialmente un
diseño factorial 27, usando la caída de presión como variable de respuesta. Sin embargo, a través de la realización de experimentos preliminares, pudo determinarse que ni el modo de alimentación de la materia prima ni el sistema de recolección de gases tienen influencia sobre la caída de presión (ver detalles en la Sección 3.3), por lo que estos dos factores se eliminaron. Esto implica que el diseño experimental fue reducido a 25, por lo que se realizaron un total de 64 corridas experimentales (incluyendo las réplicas). La importancia de aplicar el diseño experimental radica en que permite conocer cuáles de los factores de control tiene incidencia sobre la variable de respuesta, si existe interacción entre los factores y con cuál(es) combinación(es) se logra cumplir con el objetivo de obtener algún grado de fluidización en el reactor. Además se puede establecer cuál combinación de los parámetros de operación resulta en la menor caída de presión (medición indirecta de la fluidización del sistema).
Tabla 8. Niveles de diseño y factores a estudiar
Factores Niveles del diseño factorial
Dispositivos de distribución de flujo Dispositivo1, Dispositivo 2 Materias primas Bagazo de caña; Caucho de llanta
Diámetro de partícula (mm) 0.42; 0.25
Presión de flujo (Bar) 0.125; 0.250
Cantidad de alimentación (ml) 50; 100
Modo de alimentación de materia prima Carga inicial ; Carga Durante Sistema de recolección de gases Válvula abierta ; Válvula cerrada
Durante el diseño experimental se midió la caída de presión con un manómetro modelo 407910 (con un error ∓3%) en el sistema a tres alturas (7, 14 y 21 cm) puntos fijos dentro del reactor.Por otra parte se realizó un registro fotográfico usando una cámara Samsung HD WB15OF, que permitió determinar las condiciones adecuadas para la obtención de un lecho fluidizado.
3.4.5.! Relación de la caída de presión y el flujo del aire
Se realizaron pruebas para determinar la influencia del flujo de aire en la caída de presión en diferentes puntos del reactor entre el punto de entrada del aire a 7 cm, 14 cm y 21 cm de altura. Esto es importante porque si la caída de presión no permanece dentro de un rango constate o es demasiado grande (> 0.14 bar) el dispositivo de distribución de aire debe cambiarse.
3.4.6.! Diseño de plato de distribución
El diseño del plato de distribución determina la caída de presión del sistema, por esta razón un diseño cuidadoso de este dispositivo es de primordial importancia. Cinco de los platos más usados en la industria que se caracterizan por producir una buena fluidización que además es estable en todo el lecho, minimizan la penetración de sólidos, soportan el peso del lecho y que tienen una buena durabilidad se muestran en la Figura 9.
Para la construcción de del platos se deben tener muy en cuenta aspectos como la limpieza, durabilidad, costos, construcción y caída presión. Los platos perforados poseen una alta caída de presión y el sólido muchas veces se escurre dentro de los orificios (Figura 9.(a)).Las láminas perforadas poseen agujeros semielípticos dentro del plato, requieren un esfuerzo mecánico (Figura 9.(b)).Los platos de boquillas son difíciles de construir, pero el sólido casi nunca ingresa al platos, por otra parte son costosos (Figura 9.(c)).Los tubos burbujeadores son aquellos que poseen un tubo sistema de tubos integrados para la distribución del gas, son costosos y difíciles de construir (Figura 9.(d)). Por último los platos de distribución de grillas cónicas laterales poseen una pérdida de carga alta, sin embargo promueven un buen mezclado (Figura 9.(e))(Bucalá, 2005). Los dos sistemas de distribución de aire implementados en este estudio se ilustran en la Figura 10.
Figura 9. Platos de distribución para un lecho fluidizado (Bucalá, 2005).
En donde la variable de respuesta es la caída de presión en tres puntos distintos dentro del modelo en frío, esta caída de presión se debe mantener en un rango constante para lograr garantizar la fluidización del sistema.
! Figura 10. Dispositivos utilizados en la práctica
Dispositivo 1 Dispositivo 2
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación se encuentran los resultados obtenidos del estudio realizado, primero se encuentran los resultados correspondientes a la simulación realizada por medio del software Aspen Plus®, luego se encuentran todos los resultados correspondiente a la parte experimental.
4.1.! Simulación
La simulación realizada en el software Aspen Plus®, permite realizar un análisis de sensibilidad, en donde las variables que se tienen en cuenta son la temperatura de funcionamiento del reactor, la entrada del flujo de aire al proceso y el tipo de alimentación. Esto se realiza con el fin de observar y comprender el comportamiento de los productos en fase gaseosa, líquida y sólida que se obtienen después de llevar a cabo la reacción pirolítica, estos perfiles se encuentran en la Figura 11 y así mismo también se realiza un análisis para los perfiles de comportamiento de los compuestos gaseosos que se van formando a medida que la reacción se va llevando a cabo, este comportamiento se encuentra en la Figura 12. Es importante recalcar que los resultados obtenidos en la simulación representan composiciones si se alcanza el equilibrio. Por último los resultados completos de la simulación se encuentran recopilados en el Anexo 3.
Por medio de los resultados obtenidos se pueden inferir, una diferencia importante en las fracciones que se obtienen en las tres fases, las cuales dependen de la composición de la alimentación ingresada a la simulación. La presencia de biomasa permite un mayor rendimiento en la fase gaseosa y líquida, dando paso al aumento en los productos de FC y gaseoso. Esto se atribuye a que el bagazo de caña utilizado como materia prima posee una
mayor cantidad de humedad y material volátil con respecto al caucho de llanta (Tabla 6) (Figura 11).
Así mismo se observa claramente un aumento en los productos gaseosos con respecto al aumento de la temperatura del proceso, esto se ocasiona debido a que a mayor temperatura se promueve mayor generación de productos como lo son dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano, entre otros ( Figura 12).
Por otro lado existe un aumento en la cantidad del producto carbonoso cuando no se encuentra presente como materia prima el bagazo de caña, esto se debe a que el caucho de llanta contiene una mayor cantidad de carbón fijo, como se encuentra en el análisis ultimo realizado por Rezaiyan para el caucho de llanta y Mavukwana para el bagazo de caña que se encuentra en la Tabla 6. También se evidencia que la fase gaseosa posee un pico entre 500 hasta 800ºC, mientras para la fase líquida posee un mejor rendimiento a temperaturas bajas entre 100-400ºC y si se ingresa una materia prima compuesta principalmente por bagazo de caña se obtiene un mayor rendimiento de la fase líquida.
Al realizar un análisis de sensibilidad con respecto a la temperatura de pirólisis que varía entre 100-900°C y con la materia prima ingresada a los procesos se forma un producto que contiene tres fases (sólida, líquida y gaseosa).
Se evidencia que la producción de fase gaseosa es favorecida a medida que la temperatura del proceso de pirólisis va aumentando, por otro lado se observa que los productos en estado líquido bajan el rendimiento a medida que la temperatura aumenta, para lograr mantener el equilibrio después de la pirólisis en cada uno de los productos. Las diferencias que se encuentran presentes en la Figura 11, corresponden al tipo y cantidad de materia prima que se utiliza, esto es ocasionado por la composición de cada uno de los desechos que se están tratando, ocasionando que cuando se utiliza como materia prima
caucho de llanta Figura 11.(b) la fase sólida es mayor, debido a que posee un porcentaje mayor en carbón fijo con respecto a la otra materia prima (Tabla 6), mientras si se utiliza solamente bagazo de caña Figura 11.(a) se favorece la producción en fase gaseosa y líquida debido a que esta posee mayor cantidad en porcentaje de material volátil y humedad.
Figura 11. Conversión a fases sólida, líquida y gaseosa como función de la temperatura y la materia prima. a) Caucho de llanta. b) Bagazo de caña c) Mezcla de Caucho de llanta y bagazo de caña.
La Figura 12, se observar que la corriente gaseosa se compone principalmente por los siguientes compuestos: metano, dióxido de carbono y monóxido de carbono. Teniendo en cuenta que estamos trabajando sobre el supuesto de equilibrio químico.
Los compuestos gaseosos formados a temperaturas bajas favorecen la producción de agua, esto se debe ya que las reacciones de producción de agua presentan una energía libre de Gibbs baja. Así mismo se observa que la generación de metano y agua están dadas por
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 150 300 450 600 750 900
F lu jo [k g/ h ] Temperatura [ºC] 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 150 300 450 600 750 900
F lu jo [k g/ h ] Temperatura [ºC] 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 150 300 450 600 750 900
F lu jo [k g/ h ] Temperatura [ºC] b) a) c)
las Ecuaciones 20 y 21. Por ende mayor producción de metano también se obtendrá a menores temperaturas.
<> + 3!L ↔ <!_+ !L>4444444444444444444444444444444444444444444444444(20)!
4<>L+ 4!L ↔ <!_+ 2!L>444444444444444444444444444444444444444444444444(21)
Adicionalmente se tiene que a temperaturas altas se produce mayor cantidad monóxido de carbono y dióxido de carbono, esto se debe a que en el equilibrio químico a alturas temperaturas se tienden a formar moléculas de bajo peso molecular, ocasionando mayor cantidad de producción de gases no condensables.
Figura 12. Composición de la fase gaseosa como función de la temperatura y la materia prima. a) Caucho de llanta. b) Bagazo de caña c) Mezcla de Caucho de llanta y bagazo de caña.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 150 300 450 600 750 900
F rac ci ón M ol ar Temperatura [ºC] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 150 300 450 600 750 900
F rac ci ón M ol ar Temperatura [ºC] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 150 300 450 600 750 900
F rac ci ón M ol ar Temperatura [ºC] b) a) c)
4.2.! Tamaño de partícula a pirolizar
Después del tamizado explicado en la Sección 2.4.1, se procedió a hacer un análisis granulométrico tanto del caucho de llanta como del bagazo. Los resultados de distribución acumulada y diferencial se presentan en las Figuras 13 y 14 respectivamente.
Figura 13. Distribución acumulada a) Caucho de llanta, b) Bagazo de caña
El tamiz 60 con un diámetro de partícula de 420-250 µm, retiene aproximadamente entre el 90-95% de la muestra total (Figura 13). Por otro lado, se observa la que la distribución diferencial es del tipo chi cuadrado (Figura 14), en donde el punto más alto de
0
20
40
60
80
100
> 4750
4750 - 850 850 - 420
420 - 250
250 - 177
< 177
%
R
et
en
ci
ón
ac
u
m
u
lad
a
Rangos del diámetro de partícula [nm]
0
20
40
60
80
100
>4750
4750-850
850-420
420-250
250-177
<177
%
R
et
en
ci
ón
A
cu
m
u
lad
a
Rangos del diámetro de partícula [nm]
a)
la distribución corresponde al tamiz con mayor cantidad de materia prima retenido. El tamiz 20 con un diámetro de partícula equivalente a 4750-850 µm, retiene aproximadamente 469 g de caucho de llanta y 152 g de bagazo de caña.
Figura 14. Distribución diferencial a) Caucho de llanta, b) Bagazo de caña
4.3.! Densidad Real
Siguiendo el procedimiento experimental explicado en la Sección 2.4.2, se aplicó la Ecuación 22. 0 10 20 30 40 50 60 70
> 4750 4750 - 850 850 - 420 420 - 250 250 - 177 < 177
% Reten ci ón A cu m u lad a
Rangos del diámetro de partícula [nm]
0 10 20 30 40 50 60 70
>4750 4750-850 850-420 420-250 250-177 <177
% Reten ci ón A cu m u lad a
Rangos del diámetro de partícula [nm] a)
1,pj/
5
qK =
1jrsj∗ (uv− uw)
uv− uj+ uvx− ux4444444(22)
Donde uv4corresponde a la masa del picnómetro con la materia prima, uw corresponde a la masa del picnómetro vacío, 1jrsj corresponde a la densidad del agua a la temperatura en la cual se realiza la medición (tomada de valores reportados en la literatura (Nelson Smith, Pierce, & Gayoso Andrade, 1991), uxv corresponde a la masa del picnómetro con la materia prima y el agua destilada y ux corresponde a la masa del picnómetro con el agua destilada (mediciones en gramos), Los resultados obtenidos se observan en la Tabla 9.
Con respecto a las densidades obtenidas se evidencia que el caucho de llanta posee una mayor densidad con respecto al bagazo de caña, siendo cinco veces mayor a la densidad del bagazo de caña. Al implementar un tamaño de partícula menor, la densidad real fue mayor para los dos casos, esto se debe a la relación de densidad con respecto a masa y volumen, sin embargo es importante aclarar que su cambio fue mínimo para ambas materias primas.
Tabla 9. Densidades reales de las materias primas utilizadas
Parámetros
1,pj/ g mL
Diámetro de
partícula uv uj uvx ux 1jrsj
Llanta 0.25 (mm) 18.68 18.28 28.21 28.32 0.99840 1.36 Llanta 0.42 (mm) 18.64 18.24 28.23 28.33 0.99840 1.27 Bagazo 0.25 (mm) 18.66 18.26 29.65 28.32 0.99840 0.23 Bagazo 0.42(mm) 18.64 18.24 29.66 28.32 0.99840 0.21 Las densidades reales obtenidas mediante el procedimiento experimental son bastante cercanas a las reportadas en la literatura, (debido a que las densidades reales reportadas son 1.4 y 0.25 para la llanta y para el bagazo de caña respectivamente (Guillermo A. Alarcon, Caio Glauco Sanchez, Edgardo Olivares Gomez, & Et.al., 2006) lo cual significa que el