Printer Friendly

Prediccion de los principales productos de la gasificacion del carbon.

RESUMEN

En este trabajo se ha elaborado un modelo de calculo de los balances de masa y energia en un gasificador basado en composiciones de equilibrio. Estas composiciones han sido calculadas para un sistema conformado por carbono, vapor, oxigeno, nitrogeno, monoxido de carbono, dioxido de carbono, hidrogeno y metano, mediante el uso del software HSC Outokumpu, el cual se basa en la minimizacion de la energia libre de Gibbs para calcular las concentraciones en el equilibrio quimico.

Con el modelo de calculo desarrollado es posible ensayar diferentes relaciones [O.sub.2]/C y [H.sub.2]O/C, con el proposito de encontrar valores en los cuales sea posible obtener la mayor cantidad de CO y [H.sub.2] en los gases producidos y la minima cantidad de energia adicional para llevar a cabo el proceso.

PALABRAS CLAVES

Gasificacion de carbon, equilibrio quimico, energia de Gibbs.

ABSTRACT

In this research a model based on equilibrium composition for mass and energy balance has been done. Compositions has been calculated for system of C, [H.sub.2]O, [O.sub.2], N, CO, C[O.sub.2], [H.sub.2] and C[H.sub.4] using the commercial software HSC Outokumpu which makes the calculations of the equilibrium composition based on the minimizafion of Gibbs free energy. With this model it is possible to try different [O.sub.2]/C, [H.sub.2]O/C relations to find the values that correspond to maximum CO and [H.sub.2] and the minimum additional energy from other sources different to combustion reaction.

KEYWORDS

Coal gasification, chemical equilibrium, Gibbs free energy.

[GRAFICO OMITIR]

1. INTRODUCCION

El carbon es una de las principales fuentes de energia utilizada por el hombre. Debido a la necesidad de usar los recursos energeticos en forma mas eficiente y con tecnologias mas limpias se han desarrollado diversos procesos para hacer un uso optimo de este energetico.

Aunque Colombia cuenta con grandes reservas de carbon, nuestro pais presenta mas de un siglo de atraso en materia de tecnologias para el carbon (1); por lo tanto, otros procesos diferentes a la combustion tambien deben ser estudiados con el proposito de adaptarlos en el futuro a nuestro medio.

Dentro de estos procesos se encuentra la gasificacion del carbon. Este consiste en la reaccion de un combustible solido, en este caso carbon, con aire, oxigeno, vapor, dioxido de carbono o una mezcla de estos para producir un gas apropiado para ser utilizado como fuente de energia o como materia prima para la obtencion de productos quimicos. Con el proposito de evaluar la influencia que tiene las relaciones carbono/vapor/ oxigeno y la temperatura sobre la composicion de los productos gaseosos y calcular los balances de materia y energia de un gasificador, se ha elaborado una hoja de calculo con la cual se puede obtener los balances con base en un software que calcula las composiciones de equilibrio de los gases.

2. EQUILIBRIO QUIMICO

Se dice que un sistema esta en equilibrio con sus alrededores a una temperatura y presion dadas, cuando no existe posibilidad de que ejecute algun trabajo, es decir si la energia de Gibbs alcanza su valor mas bajo posible. Por lo tanto para cualquier alejamiento del equilibrio ([DELTA]G).sub.T.P] > 0.

Cineticamente, un sistema esta en equilibrio si son iguales las velocidades directas e inversas de todas las reacciones elementales que ocurren en el sistema.

Considerese la siguiente reaccion:

[[ipsilon].sub.A]A + [[ipsilon].sub.B]B [flecha diestra y siniestra] [[ipsilon].sub.c]C + [[ipsilon].sub.D]D

para un sistema cerrado, es decir un sistema sobre el cual los alrededores no ejercen influencia alguna, con varios componentes ene el cual ocurre una reaccion quimica, el cambio en el numero de moles de la especie i esta definido como [dn.sub.1] = [[ipsilon].sub.i] d[xi] donde[xi] es el grado de avance de la reaccion y [[ipsilon].sub.i] es el coeficiente estequiometrico de i en la reaccion.

El cambio en la funcion de Gibbs, asociado con la reaccion quimica anterior viene dado por

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]

donde [[barra.G].sub.1] = ([derivada parcial])G/[derivada parcial][n.sub.i]).sub.T.P]. Sustituyendo [dn.sub.i] se obtiene

[dG.sub.T,P] = ([[ipsilon].sub.c][[barra.G].sub.c] + [[ipsilon].sub.D][[barra.G].sub.D] - [[ipsilon].sub.A][[barra.G].sub.A] - [[ipsilon].sub.B][[barra.G].sub.B]d[xi]

La funcion de Gibbs para un componente viene dada por

Gi = [[barra.g].sub.i.sup.o] + [[barra.R]TLna.sub.i]

donde [g.sub.i.sup.o] es la funcion de Gibbs del componente puro en el estado normal y al es la actividad del componente. Sustituyendo para cada componente y definiendo [DELTA]G = [v.sub.c][[barra.g].sub.c] + [v.sub.D][[barra.g.sub.D.sup.o] - [v.sub.A][[barra.g].sub.A.sup.o] - [v.sub.B][[barra.g].sub.B.sup.o], se obtiene la siguiente expresion:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]

Para una reaccion quimica, a temperatura y presion constante, la funcion de Gibbs de la mezcla decrece hasta un valor minimo (figura 1) que corresponde a la composicion de equilibrio, esto es, la pendiente de la curva en el punto de equilibrio, [dG.sub.T,P]=0.

[FIGURA 1 OMITIR]

Reemplazando [dG.sub.T,P] = 0 en la ecuacion anterior se obtiene:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]

donde K se conoce como la constante de equilibrio y depende solo de la temperatura.

3. REACCIONES DE GASIFICACION

En el caso de la gasificacion de combustibles solidos con oxigeno y vapor y/o hidrogeno, los principales productos gaseosos son CO, [H.sub.2], C[O.sub.2], [H.sub.2]O, pequenas cantidades de metano, nitrogeno y algunas trazas de compuestos de azufre.

Los principales compuestos del gas se forman mediante una combinacion de las siguientes reacciones:

1. Oxidacion

C + [O.sub.2] [flecha diestral] C[O.sub.2]

2. Gasificacion con vapor y dioxido de carbono

C + [H.sub.2]O [flecha diestral] CO + [H.sub.2]

C + C[O.sub.2] [flecha diestral] 2 CO

3. Reaccion Shift

CO + [H.sub.2]O [flecha diestral] C[O.sub.2] + [H.sub.2]

4. Hidrogenacion

C + 2[H.sub.2] [flecha diestral] C[H.sub.4]

4. BALANCES DE MASA Y ENERGIA EN UN GASIFICADOR

El modelo de calculo de los balances de un gasificador se ha elaborado con base en las composiciones de equilibrio para un sistema conformado por C, [O.sub.2], [N.sub.2], [H.sub.2]O, CO, C[O.sub.2], [H.sub.2] y C[H.sub.4], las cuales son calculadas mediante el software HSC Outokumpu. Estas composiciones se calcularon para los valores de entrada de moles de carbono, hidrogeno, vapor, oxigeno y nitrogeno presentados en la tabla 1.

Los valores de la tabla 1 fueron tomados con base en una recopilacion realizada por Gururajan et a1,1992 (2) sobre experimentos realizados en gasificadores de carbon y char en lecho fluidizado a nivel piloto.

Con estos valores el HSC Outokumpu calcula las composiciones en el equilibrio para diferentes temperaturas a una presion determinada, en este caso 1 atm.

[FIGURA 2 OMITIR]

Una vez conocidas estas composiciones para una temperatura especifica y con la cantidad y composicion del carbon, el vapor y el aire alimentados al gasificador se realizan los balances de masa. Para esto se utiliza el nitrogeno como elemento de enlace entre la entrada y los productos. Despues de realizado el balance de masa se efectua el balance de energia, para el cual es necesario conocer ademas del balance de masa, el poder calorifico del combustible, la entalpia del vapor alimentado, la temperatura de operacion del sistema que es la misma temperatura para la cual se realizaron los calculos de equilibrio quimico y las entalpias de los productos. En la figura 2 se presenta el diagrama de flujo del calculo de los balances de masa y energia.

5. RESULTADOS

Algunos de los resultados de los calculos de equilibrio quimico realizados para los valores de entrada presentados en la tabla 1 se presentan en las figuras 3 a 5.

[FIGURA 3 OMITIR]

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

De los resultados obtenidos, despues de correr el software para las diferentes relaciones presentadas en la tabla 1, se encontro que para una misma relacion [O.sub.2]/C, a mayores relaciones [H.sub.2]O/C, la temperatura en la cual reacciona completamente el carbono disminuye.

Igual ocurre en el caso de la variacion de la relacion [O.sub.2]/ C, a medida que aumenta la cantidad de oxigeno con respecto al carbono, la temperatura en la cual se consume completamente el carbono disminuye.

A continuacion se presentan algunos de los resultados obtenidos de los balances de masa y energia para algunas relaciones [O.sub.2]/C y [H.sub.2]O/C, para una temperatura de 805[grados]C, la cual es una temperatura apropiada para la gasificacion de carbon en lecho fluidizado.

La eficiencia se calcula como potencia calorica de los gases con respecto a la energia total que debe suministrarse al proceso.

En la tabla 2 puede observarse que a medida que disminuye la relacion [O.sub.2]/C, aumenta el contenido de [H.sub.2] y CO en los gases y por lo tanto su poder calorifico. Al aumentar la relacion [H.sub.2]O/C aumenta el contenido de [H.sub.2] pero disminuye la cantidad de CO y aumenta la cantidad de [H.sub.2]O, lo cual lleva a que el poder calorifico de los gases disminuya.

Una vez realizado el balance de masa, se efectua el balance de energia con base en las entalpias de formacion de los productos gaseosos y el calor sensible de estos y los residuos. Es importante mencionar que la reaccion C + [H.sub.2]O = CO + [H.sub.2] es altamente endotermica, el calor requerido por esta reaccion puede ser suministrado, en forma directa mediante la oxidacion del carbon, o en forma indirecta usando elementos calentadores como piedras o cenizas calientes o con sistemas de calentamiento electrico (3). Se ha encontrado que cuando la relacion [O.sub.2]/C es baja, es necesario suministrar energia adicional al reactor para que pueda llevarse a cabo el proceso. De forma similar cuando es alta la relacion [H.sub.2]O/C debe suministrarse energia al reactor.

6. CONCLUSIONES

Al disminuir la relacion [O.sub.2]/C es posible obtener un gas de mayor poder calorffico, sin embargo para que pueda llevarse a cabo el proceso en estas condiciones es necesario suministrar energia adicional tal como energia electrica u otras formas de calentamiento. Cuando aumenta la relacion [H.sub.2]O/C, disminuye el poder calorffico de los gases debido a que existe mas humedad en los gases.

De acuerdo a lo anterior, con esta hoja de calculo es posible ensayar diferentes relaciones [O.sub.2]/C y [H.sub.2]O/C con el proposito de encontrar valores en los cuales sea posible obtener la mayor cantidad de CO y [H.sub.2] en los gases producidos y se requiera la minima cantidad de energia adicional para llevar a cabo el proceso en la forma mas eficiente.

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a Colciencias y a Ecocarbon (Empresa Colombiana de Carbon Ltda.) por su apoyo financiero

7. BIBLIOGRAFIA

[1.] VANWYLEN, G.J, SONNTAG, R.E, Fundamentos de Termodinamica. Limusa. Mexico. 1986.

[2.] ELLIOT, M.A, VON FREDERSDORFF, C.G, Coal Gasification En: Chemistry of Coal Utilization.

[3.] HOUGEN et al. Principio de los Procesos Quimicos, Tomo I: Balances de Materia y Energia. Reverte. Barcelona. 1982.

[4.] SINGER, J.G, Combustion Fossil Power.Combustion Engineering Inc. Connecticut. 1991.

REFERENCIAS

(1.) POVEDA. G, La industrializacion del gas y el carbon. En: Integral Industrial. No 89.1996. p. 15-24.

(2.) GURURAJAN et al, Mathematical Modelling of Fluidized Bed Coal Gasifiers. En: Trans IChemE, vol 70.1992. p. 211-238.

(3.) WEN.C.Y, Optimization of Coal Gasification Processes. Research and Development Repon No 66. U.S. Department of the Interior.

Erika Arenas Castiblanco

Ingeniera Quimica

Farid. Chejne, Ph.D.

Ingeniero Mecanico

Alan F. Hill Betancourt

Ingeniero Quimico

Juan Carlos Rojas

Ingeniero Mecanico

Jorge Alberto Restrepo

Ingeniero Mecanico

Grupo de Energia y Termodinamica. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellin, Colombia

* La Revista recibio este texto en junio de 1998.

Erika Arenas Castiblanco

Ingeniera Quimica de la Universidad Pontifica Bolivariana de Medellin, Colombia, Estudiante de Maestria en Sistemas Energeticos de la misma institucion. CE:erikaa@janua.upb.edu.co

Farid Chejne Janna

Ingeniero Mecanico de la Universidad Pontifica Bolivariana de Medellin. Fisico de la Universidad de Antioquia, Ph.D. de la Universidad Politecnica de Madrid. Pasantia Posdoctoral con el Profesor Ilya Prigonine en el Instituto Solvay de Belgica.

Alan F. Hill Betancourt

Ingeniero Quimico de la Universidad Pontifica Bolivariana de Medellin, Colombia, Estudiante de la Maestria en Sistemas Energeticos de la misma institucion.

Juan Carlos Rojas Rodriguez

Ingeniero Mecanico de la Universidad Pontifica Bolivariana. Estudiante de la Maestria en Sistemas Energeticos de la misma institucion.

Jorge Alberto Restrepo

Ingeniero Mecanico. Estudiante de la Especializacion en Gases Combustibles de la Universidad Pontificia Bolivariana.

Los autores del articulo son integrantes del Grupo de Energia y Termodinamica de la Universidad Pontificia Bolivariana.
Tabla 1. Relaciones molares carbono/vapor/oxigeno.

          Carbono   Hidrog.   Oxigeno   Nitrogeno   Vapor

Ensayo1      1       0,45      0,30       0,79      0,50
Ensayo2      1       0,45      0,30       0,79      1,00
Ensayo3      1       0,45      0,30       0,79      1,50
Ensayo4      1       0,45      0,40       1,16      0,50
Ensayo5      1       0,45      0,40       1,16      1,00
Ensayo6      1       0,45      0,40       1,16      1,50
Ensayo7      1       0,45      0,50       1,53      0,50
Ensayo8      1       0,45      0,50       1,53      1,00
Ensayo9      1       0,45      0,50       1,53      1,50

Tabla 2. Composicion y poder calorifico de los gases a
805[grados]C para algunas relaciones [H.sub.2]O/C y [O.sub.2]/C.

[H.sub.2]   [O.sub.2]/C           Composicion gas [%]

                          [N.sub.2]   [H.sub.2]O    [H.sub.2]

0.5             0.5         43.98        6.75         20.52
0.5             0.4         37.34        4.53         25.94
0.5             0.3         29.03        1.85         32.38
1.0             0.5         38.45        14.53        21.89
1.0             0.4         32.14        12.78        27.36
1.0             0.3         24.4         10.67        34.03

[H.sub.2]          Composicion gas [%]           Poder    Efic.
                                                Caloric    [%]
            C[O.sub.2]     CO     C[H.sub.4]     kJ/kg

0.5            7.63       21.10      0.014      5100.5    80.53
0.5            5.18       26.96      0.055      6972.5    84.73
0.5            2.16       34.25      0.335      9759.5    88.30
1.0            10.6       14.50      0.006      4594.8    76.28
1.0            9.40       18.3       0.016      6159.1    80.39
1.0            7.91       22.94      0.045      9397.4    84.23
COPYRIGHT 1999 Universidad del Valle
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 1999 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Arenas Castiblanco, Erika; Chejne, Farid.; Hill Betancourt, Alan F.; Rojas, Juan Carlos; Restrepo, J
Publication:Energia y Computacion
Date:Jun 1, 1999
Words:2720
Previous Article:Analisis multivariado de la influencia del maquinado en la fuerza de corte.
Next Article:Editorial.

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2019 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters