METODOS ECONOMICOS Y ECOLOGICAMENTE

METODOS ECONOMICOS Y ECOLOGICAMENTE
VIABLES PARA PURIFICAR GASES
CONTAMINANTES.
Elina Fernández Santana*.
Silvio J. Montalvo Martinez**.
*Facultad de Ingeniería Química, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE),
Ave 127 s/n, Marianao, Ciudad de la Habana, Cuba. FAX: (53-7) 271574. E- mail:
[email protected]
** Centro de Estudio de Tecnología Energéticas Renovables (CETER), ISPJAE, Ave 127 s/n,
Marianao, Ciudad de la Habana, Cuba. FAX: (53-7) 272964.
E-mail:
[email protected]
Palabras claves:
H2S(g)
Método biológico
Carbón activado
Biogás
Gas acompañante
Residuales
INTRODUCCION.
El biogás, generado en el tratamiento anaeróbico de aguas residuales, así como el gas acompañante
del petróleo (GAP), son utilizados mundialmente con fines energéticos, debido a la presencia del
metano en ambos. Por ejemplo la composición más común en Cuba del biogás es (55-70)% CH4(g),
(30-45)% CO2(g), (0,5-3)% N2(g), 0,1% H2S(g) , (1-3)% H2(g) , trazas de vapor de agua y en el gas
acompañante del petróleo es de 73% CH4(g), 8% C2H6(g), 7% C3H8(g), 5% C4H10(g), 1% otros
hidrocarburos, 4% CO2(g), 2% H2S(g) , o sea, que en ambos casos aparece en mayor proporción el
CH4(g), que tiene un alto valor calórico 933 521, 85 kJ/ m3 (Taiganides, 1980). Sin embargo, en no
pocas ocasiones, como son los casos anteriores, estos gases combustibles contienen
concentraciones de H2S(g) que le dan un carácter contaminante a éstos disminuyendo además, el
valor de uso de los mismos, ya que aún en pequeñas concentraciones resulta muy tóxico y corrosivo,
constituyendo una agresión ambiental, lo que hace necesaria su eliminación.
La elección de un método para purificar un gas depende principalmente de la naturaleza química del
componente a eliminar, para este caso generalmente se aplican tres métodos fundamentales:
• Método de absorción
Este se basa en la transferencia de masa entre la sustancia gaseosa a depurar y un líquido
denominado adsorbedor que posee propiedades selectivas de absorción. En muchos casos la misma
se produce conjuntamente con una reacción química que “absorbe” una sustancia seleccionada
según las características químicas de ambos (Camargo, 1986).
Uno de los métodos más antiguo es la utilización de limallas de hierro (óxido de hierro (II)). Estas se
combinan con virutas de madera en proporciones de 60 % y 40 % respectivamente. La capacidad de
eliminación de las columnas es de 0,12 – 0,18 kg S/ kg Fe, siendo la duración de dichas columnas
de dos meses para un tiempo de contacto de tres minutos y una concentración de sulfuro de
hidrógeno en el gas de 0,3 % en volumen. Dicho método tiene como deventajas, que cuando se
quiere eliminar grandes cantidades de sulfuro de hidrógeno, el costo de la mano de obra resulta
excesivo, así como la cantidad de limallas dificil de obtener. Se han ideado procedimientos para
regenerar el óxido sin moverlo, adicionando aire de forma continua a la corriente que se quiere
purificar, o circulando de nuevo gas con aire sobre las capas de óxido, pero esto sólo ha encarecido
más el proceso debido a la necesidad de utilizar grandes columnas para la purificación del gas.
Otro de los procedimientos empleados para absorber el sulfuro de hidrógeno, consiste en la
utilización de soluciones de aminas, las cuales tienen el grupo amino (NH2) que se combina con
dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno para dar compuestos de hidrógeno carbonato, amoníaco
(RNH3)HCO3 y azufre con amoníaco (RNH3)S, pero tiene la dificultad de ser un método muy costoso.
En la columna tipo ducha se emplean soluciones de carbonato (carbonato de potasio o sodio), en
ellas se logra reducir el sulfuro de hidrógeno y aunque es un proceso menos costoso que el anterior,
no esta al alcance de países en vias de desarrollo. Kirk y Othmer, 1962.
También se han empleado las soluciones acuosas alcalinas. Su principal ventaja consiste en que los
problemas de corrosión y formación de espuma lo hacen menos costoso. Sin embargo, el agente
antiespumante hace que el equipamiento y la operación sean más complicados. Este método
consume mucha energía para el bombeo de la solución y de los gases. Kirk y Othmer, 1962.
Para el caso de la sepación de sulfuro de hidrógeno de gas natural y de los gases de refinería, se
utiliza el proceso Girbotol. En el mismo se emplea como absorbente una solución acuosa de
monoetanolamina o de dietanolamina, pero el costo relativamente alto de estas exige precauciones
especiales para evitar pérdidas físicas o químicas del absorbente, que encarecen la operación. Kirk y
Othmer, 1962.
Otros de los procesos utilizados es el de Fosfato de Shell, el cual es semejante al Girbotol, pero
emplea soluciones que contienen más del 40 % fosfáto tripotásico como absorbente. Este tiene
como desventaja que requiere mayor cantidad de vapor para la reactivación que la cantidad necesaria
en el proceso anterior, pero el material empleado es algo más estable químicamente lo que reduce
las pérdidas de absorbente.
Suelen emplearse otros procedimientos químicos, entre los que se encuentran el uso de soluciones
de sosa cáustica y lechada de cal, pero no se utilizan en gran escala por el costo de los compuestos
químicos. Kirk y Othmer, 1962.
O sea, existen varios procesos por los cuales se lleva a cabo este método. Algunos de ellos emplean
reactivos químicos y otros altos consumos de energía mecánica, siendo unos más costosos que
otros pero aún en el caso de los últimos están fuera del alcance económico de muchos países en
vías de desarrollo.
• Métodos de separación por membrana
Este proceso se basa en la difusión de algunos compuestos que pasan a través de una membrana
selectiva. Con el objetivo de facilitar la difusión se emplea un portador. La permeabilidad del gas a
través de la membrana es función de la solubilidad y difusividad del gas en el material de la misma.
Las membranas están hechas de polímeros porosos y son extremadamente finas (del orden de los
micrones). Se utilizan solamente en procesos en los cuales el flujo sea suficientemente grande para
justificar la inversión.
Diferentes filtros de membranas han sido probados para la separación de sulfuro de hidrógeno del
gas. Los equipos y la operación de este método son simples, sin embargo, la eficiencia de la
separación por membrana es baja y el costo de la misma elevado, además hay que aplicar grandes
presiones. Chuo y otros, 1986.
• Métodos de adsorción
Existen numerosas ventajas en el uso de métodos de adsorción para purificar gases. Estos se basan
en la captura selectiva de las impurezas del gas con ayuda de materiales sólidos granulados, los
cuales contienen una gran superficie específica. Estos procesos tienen una serie de ventajas, dentro
de las cuales se encuentran:
Gran estabilidad térmica.
Proporciona un servicio prolongado.
Para su ejecución se emplea un simple equipamiento.
Fácil operación del sistema de purificación.
Proporciona la posibilidad de una elevada selectividad en la eliminación de sulfuro de hidrógeno.
Sin embargo tiene como desventajas fundamentales:
Utilizar grandes volumenes de material granulado, para procesar mayores flujos de gases, así como
que el proceso de regeneración requiere de altas temperaturas, aunque esto no lo hace inoperante ni
económica, ni tecnológicamente. Fernández y Montalvo, 1996.
Además, existen los identificados como métodos biológicos los cuales se llevan a cabo mediante la
acción de determinados microorganismos tales como bacterias sulfuoxidantes que llevan el sulfuro a
azufre metálico. Fdez – Polanco y otros, 1996.
Se conoce que existen muchos microorganismos que habitan en lugares húmedos y que son
consumidores de H2S(g) como fuente nutricional, cubriendo sus alrededores con azufre elemental.
Estos tienen preferencia por las aguas residuales y nunca dejan de crecer y multiplicarse mientras
las condiciones ambientales lo permitan, pueden vivir tanto en presencia como en ausencia de
oxígeno aunque hay ciertos factores que favorecen su crecimiento y desarrollo como son: humedad,
presencia de oxígeno, existencia de H2S(g) y líquido residual como vector (transportador de bacterias).
Todos los estudios demuestran que el efecto biocatalítico en cuestión se debe al consumo de H2S(g)
por parte de dichos microorganismos disminuyendo así su concentración en el biogás.
De acuerdo con estos antecedentes, el objetivo central del presente trabajo es mostrar los
resultados alcanzados al utilizar como material adsorbente de H2S(g) el carbón activado cubano (CAC)
obtenido a partir de la cáscara de coco y un método biológico donde se pone en contacto el biogás
y/o el GAP con una mínima cantidad de O2(g) en presencia de una superficie líquida (albañales
domésticos o residuales porcinos).
MATERIALES Y METODOS.
• Biogás (Concentración de H2S(g) (0,1–3) % y CH4(g) (65-70) %).
• Gas acompañante del petróleo cubano (Concentración H2S(g) (1,3-8) % y CH4(g) (73) %).
• Carbón activado de cáscara de coco (0,25-0,8mm el tamaño de partículas)
• Torre de adsorción de vidrio.
• Residual albañal.
• Residual porcino.
• Bureta tutweiler.
• Cromatógrafo de gases
-Ensayos con carbón activado cubano (CAC).
El CAC se introduce en una torre de adsorción de vidrio de 0,025 m de diámetro y 0,15 m de altura
formándose un lecho de CAC. El gas a tratar, biogás o GAP, pasa a través del lecho de CAC a flujo
discontinuo o continuo, en dirección ascendente sin provocar la fluidización del lecho. Esta operación
se realiza hasta que el H2S(g) aparezca a la salida (parte superior) de la torre.
Las concentraciones de H2S(g) del biogás o GAP utilizadas en estas experiencias estuvieron entre 1 y
3 % (en volumen).
-Ensayos con el sistema biológico.
El biogás o el GAP se puso en contacto en una instalación a nivel de laboratorio, con una pequeña
cantidad de O2(g) (menos del 5% en volumen del gas a purificar) en presencia de una superficie líquida
(albañal doméstico) operándose en forma discontinua con 4 calidades de este líquido lo que
representa 4 concentraciones de microorganismos diferentes.
I.
Colectado de la alimentación de la planta de tratamiento de residuales en condiciones
atmosféricas normales.
II.
Colectado del mismo sitio luego de un día de abundante lluvia.
III.
Colectado del mismo sitio después de varios días de lluvias esporádicas.
IV.
Colectado en las condiciones I pero utilizado luego de cinco días de almacenamiento.
Los tiempos de contacto estuvieron entre 30 minutos y 24 horas; así como los % de H2S(g) en los
gases sometidos a estudio entre 0,1 y 8 en este caso.
Se trató el biogás a una escala mayor (de banco), alimentando el mismo de forma discontinua y
utilizando como medio, residual líquido porcino, con tiempos de residencia hidráulico de 20, 40 y 60
minutos.
Para las pruebas en continuo se siguió operando con residual líquido porcino, biogás obtenido del
mismo, con concentraciones de H2S(g) entre 0,05 y 3 % y tiempos de residencia de 30, 40 y 60
minutos, pero a escala piloto.
En ambos tipos de ensayos los análisis de gases se realizaron mediante el empleo de cromatografía
gaseosa, excepto el contenido de H2S(g) el cual se determinó utilizando la bureta Tutweiler.
RESULTADOS OBTENIDOS.
Ensayos con CAC.
El tratamiento de los gases combustibles ya sea con biogás o gas acompañante del petróleo (GAP)
con CAC arrojó los siguientes resultados.
Tabla No.1: Tratamiento del biogás y del gas acompañante con carbón activado de cáscara
de coco.
Gases
Q
(L/h)
% iniciales de gases
c(H2S)
c(CO2)
c(CH4)
Vts
% finales de gases
c(H2S)
c(CO2)
c(CH4)
(L)
Vtt
(L)
Biogás
120,0
1,09
26,37
71,97
462,25
0,007
25,44
70,39
526,75
Biogás
120,0
3,03
26,74
70,29
53,75
0,014
25,50
68,77
107,50
GAP
161,88
1,38
4,35
73,00
415,2
0,03
3,90
72,81
624,03
GAP*
*54,00
1,95
4,33
73,02
31,50
1,12
4,27
72,85
48,01
*Es el único combustible alimentado a la torre, a flujo continuo y sin el empleo de un medio de
enfriamiento.
Donde:
GAP: Gas acompañante
Q: Flujo de gases (L/h)
c(CH4(g)): Concentración de (CH4(g)) (%)
c(CO2(g)): Concentración de CO2(g) (%)
c(H2S(g) ): Concentración de H S (%)
Vts : Volumen tratado sin que se detecte presencia de H S (L)
Vtt : Volumen total procesado (L)
A partir de esta información, se lograron obtener los modelos que expresan la dependencia existente
entre el volumen del gas procesado (V) y la concentración de H2S(g) (C) en los gases a purificar con el
tiempo de operación de la torre de adsorción (t).
2
(g)
2
(g)
Tabla No.2: Resultados del ajuste de modelos.
Gases
Biogás
Biogás
GAP
GAP
GAP *
GAP *
Modelo
V = 6,43+2,33t
c= 21,73+0,27t-9,92t 2+3,78e-9t 4
V= 2,57t-6,57t
c= 0,054t-0,058t 2+3,21.10-4t3-9,36.
10-6t4+1,46.10-7t5-1,16.10-9t6+3,67.
10-12t7+0,064
V= 0,94t-0,011
c= 0,16t-0,042t 2+0,188
R
0,9997
0,9868
0,9995
0,9938
0,9987
0,8488
Siendo R, el coeficiente de correlacion lineal.
Teniendo en cuenta los parámetros físicos correspondientes al carbón activado así como la
similaridad geométrica, dinámica y térmica fue posible realizar el escalado del proceso y obtener el
modelo industrial, según Fernández y Montalvo, 1996; haciendo uso de la ecuación de Ergun.
Rosabal, 1989.
Tabla No. 3: Resultados del escalado.
Parámetro
HL (m)
dc (m)
∆P (Pa)
Q (m3/s)
Prototipo
0,9000
0,1500
300,30
6,12.10-4
Modelo
0,150
0,025
50,83
1,70.10-5
Donde :
HL : altura del lecho (m)
dc : diámetro de la columna (m)
∆P: caida de presión (Pa)
Q: flujo de gas acompañante (m3/s)
Estos resultados permiten obtener la información que se desee a escalas mayores de flujo a purificar.
Cuando se operó la torre a flujo continuo se procesaba una menor cantidad de GAP lo cual se debió a
que al ser el proceso de adsorción exotérmico, se producía un calentamiento del lecho lo que
dificultaba la operación por lo que, se hizo necesario utilizar en el modelo industrial un medio de
enfriamiento, que mantuviera la temperatura constante de la cama.
Torre de adsorción con medio de enfriamiento:
• Material-torre: acero 20.
• 4 serpentines de tubos de 1,27 cm (1/2 pulg.).
• material-serpentines: acero o aluminio.
• tapa y fondo planos.
Para realizar la valoración económica de este método, es necesario conocer los costos de inversión
del mismo, considerando un equipo de trabajo y otro en regeneración.
Tabla No. 4: Costo de inversión con CAC.
Equipos
Sepentínes
Carbón Activado
Total
Costo en USD
78,44
21,00
57,74
157,18
Es posible determinar el valor presente neto (NPV) correspondiente a esta inversión en 10 años si se
conoce que:
ATC: Gastos anuales de capital ( Costo de inversión) (USD) .
ATE: Costos totales anuales (USD); en este caso costo de regeneración del carbón.
As=0: Ventas anuales (USD).
ACI= As- ATE: Ingresos de cajas anuales (USD).
AIT=0: Importe anual porimpuesto (USD).
ANCI= ACI – AIT: Ingreso de cajas anuales netos (USD).
ACF= ANCI – ATE: Flujo de caja anual neto (USD).
n
NPV = ∑ ( ADCF)n = ACF0 + ACF1 + ACF2 + ....ACFn
n=0
(1+i)1
(1+i)2
(1+i)n
: Número de años.
NPV: Valor presente neto (USD).
i = 0,12 Tasa de interés (%).
n
Por tanto:
Tabla No. 5: NPV en USD en 10 años.
ATC
ATE
NPV
USD
157,18
1,116
192,16
Ensayos con el sistema biológico.
Para el caso de las experiencias con biogás en discontinuo se obtuvo:
Tabla No. 6: Resultados experimentales con biogás.
Tiempo de
Concentración de
Corrida
residencia
Caso
Entrada(%)
(h)
H2S(g)
CO2 (g)
O2 (g)
1
24
III
0,602 17,300 15,000
2
24
III
1,091 23,200
21,40
3
24
I
2,060 18,700 15,300
4
24
I
0,970 22,400 16,300
5
16
II
0,181 22,500 10,000
6
16
II
0,465 12,600 15,200
7
16
I
2,247 23,600 15,200
8
16
II
0,505 23,500 22,000
9
8
I
2,847 17,900 17,400
10
8
I
3,446 19,700 13,100
11
8
I
2,772 9,500
11,950
12
8
I
1,456 19,200 18,100
13
6
IV
1,455 35,660 20,850
14
6
IV
1,516 21,900 16,000
15
6
IV
1,213 19,500 18,500
16
6
IV
1,354 27,500 19,200
17
4
IV
2,871 28,500 22,100
18
4
IV
1,010 8,500
11,200
19
4
IV
1,498 20,100 16,300
20
4
IV
1,283 19,100 17,800
21
2
IV
1,050 19,000 17,000
22
2
IV
0,505 38,900 20,900
23
2
IV
2,224 17,500 17,900
24
2
IV
1,478 25,700 23,400
25
1
I
2,102 17,500 18,300
26
1
I
3,446 18,800 15,300
27
1
I
0,428 20,700 17,800
28
1
I
0,152 19,600 16,300
Concentración de
Salida(%)
H2S(g)
CO2 (g)
O2 (g)
0,039 11,700 12,100
0,057 21,800 15,400
0,049 13,100 12,000
0,035 16,900 15,700
0,049 23,000
8,000
0,091 12,500 14,400
0,035 18,730 13,130
0,053 18,600 19,100
0,071 11,900 14,200
0,625 10,500 12,400
0,264 8,000
11,200
0,028 12,70
15,000
0,032 25,470 22,600
0,035 18,400 14,400
0,028 16,000 16,500
0,030 24,500 17,300
0,278 26,000 20,000
0,039 5,700
10,700
0,060 15,000 13,900
0,039 17,300 16,200
0,049 10,800 13,200
0,042 30,900 20,800
0,071 13,000 15,600
0,028 21,600 20,100
0,058 8,700
12,900
0,140 15,000 12,650
0,049 17,100 15,400
0,032 16,900 12,700
%
Reducción
H2S(g)
93,47
94,78
97,57
96,32
72,58
80,43
98,41
89,44
97,49
81,87
90,47
98,04
97,79
97,65
97,65
97,72
90,31
96,12
95,96
96,94
95,25
91,55
96,79
98,07
97,20
95,93
88,36
97,21
Tomando como base los resultados obtenidos en el experimento con biogás y conociendo que el gas
acompañante presenta en su composición mayor concentración de H2S(g) , se hicieron unas corridas
de exploración con un tiempo de residencia de 30 y 40 min. y a partir de ahí se decidió trabajar con
los tiempos que se reportan en la tabla No. 7.
Tabla No. 7: Resultados experimentales con gas acompañante.
Tiempo de
Concentración de
Concentración de
Corrida residencia Caso
Entrada (%)
Salida (%)
(h)
H2S(g)
CO2 (g)
O2 (g)
H2S(g) CO2 (g)
O2 (g)
1
0,50
IV
4,695 14,400 24,000 3,064 10,800 20,000
2
0,50
IV
7,060 13,500 20,000 4,463 10,200 13,800
3
0,66
IV
8,209 12,930 19,470 5,519
7,700
12,000
4
1,00
IV
4,729 18,000 19,200 2,598
8,500
14,000
5
1,00
IV
0,059 12,900 19,500 4,396
7,500
12,000
6
1,50
IV
7,128 14,700 23,200 2,345
2,700
5,600
7
1,50
IV
6,760 12,500 19,500 3,311
7,800
12,400
8
1,50
IV
6,002 13,300 21,800 2,000
1,800
5,000
9
1,50
IV
5,795 14,600 26,100 2,759
0,800
3,000
10
1,50
IV
7,814 12,200 20,300 2,604
8,400
1,600
11
1,50
IV
6,347 11,200 17,000 3,035
4,500
8,700
12
2,00
IV
7,174 17,700 29,000 2,414
6,800
1,000
13
2,00
IV
5,588 23,800 29,300 2,483
1,000
24,500
14
3,00
IV
7,136 10,000 23,900 2,541 7,5000 10,000
15
3,00
IV
4,346 9,900
16,200 1,725
8,500
14,100
16
3,00
IV
7,154 13,500 19,900 2,426
4,400
5,000
17
3,00
IV
7,334 12,000 17,200 2,497
3,100
2,000
%
Reducción
H2S(g)
34,74
36,78
32,76
45,06
45,45
67,10
51,02
66,67
52,39
66,68
52,18
66,35
55,56
64,39
60,31
66,09
65,95
A partir de los resultados de las Tabla No. 6 y No. 7 se decide estudiar el proceso a una escala
superior; para ello se utiliza como superficie líquida, el residual porcino, el biogás obtenido del mismo
y se emplea como recipiente un tanque de 60 L de capacidad.
Tabla No.8:Tratamiento de biogás a una escala mayor.
Tiempo de
Concentración de
Concentración de
Corrida
residencia
Entrada (%)
Salida (%)
(h)
H2S(g)
CO2(g)
H2S(g)
CO2(g) O2(g)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
60
60
60
60
40
40
40
40
20
20
20
20
0,100
0,100
0,066
0,060
0,066
0,060
0,066
0,066
0,066
0,066
0,059
0,066
10,3
10,3
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,5
10,5
10,5
10,5
0,0070
0,0070
0,0070
0,0070
0,0040
0,0040
0,0070
0,0048
0,0040
0,0090
0,0070
0,0090
3,7
3,7
3,4
3,4
3,0
1,2
1,1
1,2
5,5
6,0
5,8
6,10
2,5
2,6
1,6
1,6
2,2
1,3
1,1
1,2
2,8
4,0
2,8
3,3
%
Reducción
H2S(g)
93,00
93,00
89,40
89,40
94,00
94,00
88,30
92,07
85,60
85,60
89,20
85,60
Los resultados obtenidos sugieren estudiar el proceso contiuno y a una escala que no sea de
laboratorio.
En la realización de las corridas se fijaron como tiempos de residencia 30, 40 y 60 minutos con las
siguientes combinaciones de flujo de biogás y aire: (4,66 y 0,23), (3,50 y 0,18) y (2,33 y 0,12) L / min
correspondientes a cada uno, se midió el pH del residual al inicio, el que se encontraba entre 7,9 y
8,1 y al finalizar las mismas, llegando a valores comprendidos entre 6,3 y 7,8; la temperatura de
estos varió desde 21 - 24 0C hasta 22,6 - 26 0C y se emplea como recipiente un tanque de 210 L de
capacidad.
A continuación se muestra una tabla que resume para cada tiempo de residencia, de seis a diez
corridas experimentales para las diferentes concentraciones por lo que , los valores reportados son
los promedios.
Tabla No. 9: Resultados con biogás alimentado a flujo continuo.
Tiempo
Concentración de
Concentración de
Corrida
de
Entrada (%)
Salida (%)
residencia
H2S(g)
CO2(g)
H2S(g)
CO2(g)
(min)
1
30
0,0642
10,8
0,0086
4,1
1*
30
0,0566
10,5
0,0068
3,8
2
40
0,0521
10,2
0,0069
3,7
3
60
0,0475
10,6
0,0059
4,1
3*
60
0,0500
10,4
0,0062
3,9
4
30
0,1570
10,4
0,0246
3,0
5
40
0,1499
10,3
0,0237
3,8
6
60
0,1249
10,4
0,0146
3,7
6*
60
0,0981
10,6
0,0110
3,6
7
30
0,5910
10,6
0,0637
4,8
7*
30
0,5012
10,7
0,0518
4,6
8
40
0,4280
10,6
0,0464
4,6
9
60
0,4700
10,6
0,0609
4,9
10
30
1,0000
10,7
0,0114
4,7
11
40
0,9800
10,6
0,0056
5,1
11*
40
1,1230
10,8
0,0072
4,8
12
60
1,0010
10,8
0,0059
5,2
13
30
2,9800
10,7
0,0511
4,7
14
40
3,2910
10,5
0,0681
5,1
15
60
3,0102
10,5
0,0800
4,8
15*
60
2,8902
10,4
0,0675
5,1
%
Reducción
H2S(g)
86,55
87,96
86,82
87,54
87,67
84,33
84,22
88,28
88,80
89,23
89,67
89,16
87,04
98,83
99,43
99,36
99,42
98,28
97,92
97,34
97,67
Para los ensayos con el sistema biológico se realizaron ajustes estadísticos que posibilitaron obtener
los modelos que relacionan el % de remoción de H2S(g) con el tiempo de residencia y la
concentración inicial de H2S(g) excepto para los resultados reportados en la tabla No 6 donde resulta
evidente que el tiempo no influye en dicho porciento.
Tabla No. 10: Modelos obtenidos para el sistema biológico.
Gases
Modelo
GAP
% Rem = 42,5609t - 8,4958t 2 + 1,9532C
Biogás (ME)
% Rem = 1329,7671C + 1,46998t – 21,4004Ct
*
Biogás
% Rem = 83,7278 + 15,5824C – 0,02981t – 3,7129C2
R
0,9883
O,9993
0,9167
Donde:
Biogás (ME) : Biogás a mayor escala.
Biogás * : Es el único gas alimentado a flujo continuo.
% Rem : % de remoción de H2S(g) (%).
t : Tiempo de residencia ( h o min ).
C : Concentración de H2S(g) inicial (%).
R : Coeficiente de correlación lineal.
Para la evaluación económica del sistema utilizado a flujo continuo, es preciso conocer el costo de
inversión dado por el tanque y la bomba que se corresponde con el NPV ya que no hay otro gasto.
Tabla No. 11: Evaluación del método biológico.
Equipos
ATC= NPV (USD)
Tanque
90,00
Bomba
25,00
Total
115,00
Donde:
ATC : Costo de inversión (USD ).
NPV : Valor presente neto (USD ).
A partir de estos resultados, se realizó el escalado del proceso para un flujo de biogás de 18 y 15 000
m3; considerando iguales en modelo y prototipo, la naturaleza del gas y el líquido, así como las
propiedades físicas en ambos fluídos y la existencia de similaridad geométrica, cinemática y
dinámica.
Tabla No. 12: Resultados del escalado ( Método biológico ).
Parámetros
Razón de escala
QB (m3 / día )
R(m)
D(m)
L(m)
AT ( m2 )
Modelo
6,720
0,282
0,565
0,837
0,447
Prototipo ( P –V )
2,762
18,000
0,392
0,785
1,189
1,250
Prototipo ( D- 7 )
334,815
15 000,000
1,943
3,886
5,900
22,073
Donde:
Prototipo ( P – V) : Prototipo para el biogás del residual porcino y vacuno.
Prototipo ( D-7 ) : Prototipo para el biogás de destilería distribuido en 7 unidades.
QB : Flujo de biogás ( m3 / día ).
R : Radio del equipo ( m ).
D : Diámetro del equipo ( m ).
L : Longitud del equipo ( m ).
AT : Area de transferencia de masa del equipo ( m2 ).
Los resultados anteriores pueden ser valorados económicamente y coincidiran, con la evaluación del
método biológico desarrollado, ya que no se requiere de ningún otro gasto.
Tabla No. 13: Evaluación económica del escalado.
ATC = NPV (USD)
Equipos
QB = 18 m3 / día
QB = 15 000 m3 / día
Tanque
242,50
77 035,00
Bomba
25,00
215,00
Total
267,50
77 250,00
Siendo:
ACT: Costo de inversión (USD )
NPV: Valor presente neto (USD )
Las bombas recomendadas para procesar:
18 m3 / día de biogás.
Bomba oxigenadora de pecera, de 110 V y Q = 1 L / min.
15 000 m3 / día de biogás.
Soplador COMET 2000, con 1,5 HP, 110 V y Q = 3397,87 L / min, silencioso con protección térmica.
ANALISIS DE LOS RESULTADOS.
De la Tabla No. 1 puede verse que el carbón activado de cáscara de coco puede ser utilizado para
purificar tanto el biogás como el gas acompañante ya que se logra procesar grandes volúmenes de
gases sin que se detecte sulfuro de hidrógeno a la salida de la columna.
Para un mismo flujo de biogás se logra tratar un volumen del combustible superior cuando la
concentración de sulfuro de hidrógeno es menor, lo que resulta lógico pues existirá una mayor
capacidad en los poros del carbón para que se deposite el azufre sólido que se obtiene producto de la
reacción química que se produce.
Con relación al gas acompañante puede verse que cuando se alimenta éste a flujo continuo se
procesa una menor cantidad del mismo que cuando no es así, esto se debe a que el proceso de
adsorción es exotérmico y se produce un calentamiento de la cama que dificulta esta operación, por
lo que se hace necesario utilizar un medio de enfriamiento.
De la tabla No.2 puede verse que el valor del coeficiente de correlación R, que todos los modelos
ajustan por lo que, es posible conocer la relación entre el volumen de gas y el tiempo de operación,
así como entre la concentración de sulfuro de hidrógeno y el tiempo que se trata el gas con el carbón
activado como adsorbente.
El escalado del sistema así como el diseño del equipo con un medio de enfriamiento permiten el
empleo del mismo en la Empresa de Perforación y Extracción de Occidente (EPEP) de Boca de
Jaruco en la provincia de la Habana, Cuba.
Si se tiene en cuenta que pequeñas concentraciones de sulfuro de hidrógeno, pueden provocar la
inconciencia de los seres humanos, corroer los materiales y contaminar el medio, entre otras cosas;
resulta evidente que los valores reportados en las tablas No. 4 y No. 5, son pequeños con relación a
los beneficios que su uso reporta. En la medida que se necesiten tratar mayores volumenes de gas,
se requerirá de la compra de cantidades superiores de CAC, lo que encarecería mucho más el
método, por ejemplo: si se desean tratar 15 000 m3 al día de gas, se necesitan 71, 41 m3 del
adsorbente, solamente para el equipo en operación, lo que implicaría un gasto de 136 391, 81 USD,
sólo por este concepto, sin considerar el correspondiente al equipamiento y la regeneración. De esta
forma queda demostrado que este método puede ser utilizado para pequeños volumenes de
combustible a tratar, pues de lo contrario en países en vías de desarrollo, no existiría la posibilidad
de usarlo.
Del análisis de la tabla No. 6, puede verse que:
• Para un tiempo de reacción de 24 horas, se reportan altos porcientos de reducción de H2S(g) en
todas las corridas aún cuando se ha empleado un residual más diluido (III) que otro (I), lo que
permite definir que la concentración del residual influye en el % de reducción.
• Para un tiempo de reacción de 16 horas, se reportan resultados correspondientes con la situación
anterior, viéndose más acentuado este efecto en las corridas 5, 6 y 8 en que el residual se
encontraba mucho más diluido.
• Para un tiempo de reacción de 8 horas, puede verse el incremento en el % de reducción en estas
corridas 9, 10, 11 y 12 comparadas con las de residual más diluido (5, 6 y 8).
• Para un tiempo de reacción de 6 horas, se pone de manifiesto en las corridas de la 13 a la 16 que
todos los % de reducción son elevados, alrededor de 97%, debido fundamentalmente a que se
utilizó el residual colectado en condiciones atmosféricas normales luego de varios días de
almacenamiento lo que permite una reducción eficiente del H2S(g) presente en el biogás.
• Para un tiempo de reacción de 4 horas, se obtienen % de reducción de H2S(g) más altos (corridas
de la 17 a la 20) con el mismo tipo de residual previamente almacenado que las corridas de la 9 a
la 12, con un tiempo de residencia que es el doble del anterior.
• Para un tiempo de reacción de 2 horas, también se obtienen buenos resultados, ya que los % de
reducción son relativamente altos.
• Para un tiempo de reacción de 1 hora se logran resultados muy buenos, ya que los % de
reducción se encuentran en el mayor número de corridas por encima de 95%.
Con relación a las experiencias realizadas con GAP puede decirse que:
Los resultados que se presentan en la Tabla No.7 reflejan que realmente existe una disminución de la
concentración de H2S(g) por la acción de la flora microbiana que existe en las aguas residuales
como planteó Sanz en 1988.
Cuando las concentraciones iniciales son similares, correspondientes a diferentes tiempos de
reacción (corridas 2, 5, 6, 12 y 16) se observa que para los casos donde el tiempo de contacto es
menor de 1,5 horas, existe una fuerte dependencia del porcentaje de remoción de H2S(g) con el
tiempo.
Para un mismo tiempo de residencia generalmente se alcanza un mayor porcentaje de remoción de
H2S(g) en aquellas mezclas gaseosas donde la concentración inicial del mismo es más alta y
viceversa; esto coincide con lo planteado por Bergey’s en 1974 y Bowen en 1970 ya que, los
microorganismos están más estimulados a consumir H2S(g) , el que utilizan como fuente de energía en
la síntesis de las sustancias necesarias para sus funciones vitales.
Comparando la tabla No. 6 con la No. 7 puede verse que existe una reducción lógica del CO2 debido a
la necesidad de los microorganismos autótrofos de consumir el carbono presente en dicha sustancia.
Con relación a la concentración del O2 (g), esta se reduce más cuando la del H2S(g) es mayor debido a
que las bacterias que utilizan el H2S(g) como parte de su metabolismo necesitan un mayor consumo
de energía la cual obtienen a través del carbono presente en el CO2 (g), de igual forma para balancear
estos consumos de carbono y sulfuro se necesita disminuir consecuentemente el contenido de
oxígeno del medio.
Además de la tabla No. 10, puede verse que el modelo correspondiente a estas experiencias ajusta
adecuadamente y que son variables significativas el tiempo, el tiempo al cuadrado y la concentración
inicial de sulfuro de hidrógeno.
Analizando la tabla No. 8 se puede plantear que:
♦ El método de desulfuración puede desarrollarse empleando el líquido sobrenadante obtenido de la
descomposición del residual porcino. (Hernández, 1994).
♦ Para tiempos de residencia de 40 minutos se alcanzan porcientos de reducción tan altos como
los obtenidos en 60 minutos.
♦ Para 20 minutos no se alcanza el 90 % de redución del H2S(g) , por lo que se trabajará el proceso
continuo por encima de este tiempo.
El modelo obtenido para estas experiencias que se reporta en la tabla No. 10 refleja, una mayor
influencia de la concentración inicial en el porciento de remoción que el tiempo y como el valor de R
es muy cercano a uno, se puede decir que este ajusta de forma adecuada.
Los resultados de la tabla No. 9 reflejan que para concentraciones de H2S(g) iniciales entre 0,05 y 0,5
aproximadamente el % de remoción de esta sustancia se encuentra entre 84 y 89, ya sea, para 30,
40 ó 60 minutos, y para concentraciones de alrededor de 1 y 3 % se alcanza una remoción de 98 o
más porciento.
Todo esto lleva a pensar que mientras mayor sea la concentración de sulfuro de hidrógeno en el
biogás, tambien se incrementará la remoción de este componente, aspecto que resulta lógico pues
ha aumentado el gradiente de concentración, posibilitando que los microorganismos presentes en el
residual tomen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos; en este caso del sulfuro, así
como también el carbono que necesitan para su metabolísmo, del CO2(g), dado por la disminución
sensible que muestra dicha sustancia en esta tabla.
El pH del medio se corresponde con el óptimo para el desarrollo de microorganismos, según lo
planteado por Bowen en 1970; encontrándose entre 6 y 8,5. Al mismo tiempo los valores de
temperatura registrados, permiten clasificar a los microorgamismos presentes en el residual como
mesófilos de acuerdo al intervalo de temperatura ( 15-45 )0C planteado por Bowen. Todo esto posibilita
establecer la necesidad de:
Un medio residual como vector ( trasportador de bacterias ), presencia de oxígeno, existencia de
H2S(g) y CO2(g) para favorecer el crecimiento y desarrollo de microorganismos capaces de garantizar la
efectividad del método biológico empleado.
A partir de estos resultados y conociendo que el método utilizado para la eliminación del sulfuro se
desarrolla en ausencia de luz, puede decirse que los microorganísmos encargados de dicha
reducción, no son fotosintéticos, son gramnegativos, encargados de oxidar S-2, que habitan en aguas
residuales, en un medio ligeramente alcalino (6,0 < pH < 8,5 ) y son autótrofos, de ahí que se puede
considerar que los mismos presumiblemente pertenecen a la especie de los thiobacillus, dentro de
las bacterias azufradas, según lo planteado por Frobisher en 1980.
De la tabla No. 11, puede verse que el método requiere de una determinada inversión, debida
fundamentalmente al tanque, pero su ejecución conlleva a reportar altos beneficios si se tiene en
cuenta su fácil construcción y manipulación, así como el acceso al medio para lograr la purificación.
Además en zonas rurales o pequeñas comunidades resulta de gran utilidad ya que, la purificación
pudiera lograrse en un equipo construído de forma similar a un digestor, o simplemente utilizando el
propio gasómetro de este, lo que haría extremadamente económico el método ya que, sólo se
necesitaría de la compra de la bomba oxigenadora de pecera.
Este método tiene como principal desventaja que para grandes volumenes de gases, se necesitan
equipos mayores, según la tabla No. 12 ( correspondiente al escalado), lo que implica que sean
mucho más costosos, como se refleja en la tabla No. 13, no obstante para 15 000 m3 al día, el NPV
es prácticamente un tercio del dinero necesario para comprar solamente el CAC correspondiente al
método físico – químico para grandes flujos de combustibles a tratar, de ahí que se haya encontrado
un método evidentemente más económico para tratar dichos gases.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Conclusiones.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Es posible utilizar el carbón activado de cáscara de coco cubano para la desulfuración del biogás
y del gas acompañante del petróleo.
El costo de adquisición del equipo ( torre de adsorción ) y el material adsorbente es relativamente
bajo con relación a los beneficios que reporta su empleo para pequeños flujos de gases.
La purificación del biogás, así como del GAP es posible utizando un método biológico.
Los mejores resultados del sistema biológico se obtienen utilizando el residual albañal colectado
en condiciones atmosféricas normales luego de ser almacenado durante 5 días.
La eficiencia de eliminación de H2S(g) del GAP es independiente de aumentos del tiempo de
contacto por encima de 1,5 horas.
Es posible obtener altas eficiencias de reducción de H2S(g) en sistemas continuos utilizando
residuales porcinos con tiempos de residencia de 30, 40 y 60 minutos, sobre todo para
concentraciones iniciales entre 1 y 3 %.
El método biológico desarrollado es evidentemente más económico que el físico químico para
tratar grandes volumenes de gases combustibles.
Recomendación.
-
-
Si se desea tener una remoción total de sulfuro, se recomienda realizar tratamiento combinado
del método biológico con el de CAC, fundamentalmente para el GAP a concentraciones elevadas
de H2S(g) ( 5 – 8 ) % y evaluarlos económicamente.
Modificar el equipo utilizado en el método biológico que posibilite un mejor aprovechamiento del
área de transferencia de masa, disminuyendo de esta forma el tiempo de residencia en el mismo
y haciendo más económico la inversión correspondiente a este.
BIBLIOGRAFIA.
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