resultados de biocombustible a partir de la

ar
RESULTADOS DE BIOCOMBUSTIBLE
ra
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el
A PARTIR DE LA CÁSCARA DE COPOAZÚ
'"
(SEGUNDA PARTE)
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el
3S
•n
EMILIO DELGADO TOBON
1ngl!n1ero Mecánico. Magist01 en 1ngen1efÍ.a Mecánica. C>Qcent.e lnvesti¡¡ador Univers;dad L·bre
MARBY BARÓN - ANDRÉS VILLADA
l.
/
f$tudiantes lngenieria Quim1ca. Un1vefs!dad América
MARCELA PIEDAD CARRILLO
In¡ Químico Msc. Instituto Amazónico de Investigaciones Científicas StNCHI
Orupo frvttile$ promisorios de la amazonia colombiana
RESUMEN
constructed and was st ar ted up constituted by a
En este trabaj o se estudió la producción de una
mezcla gaseosa de al t a potencialidad energética
med iante el proceso de gasificación d e cáscara de
copoazú fruto típico de la amazonia colombiana. Para
la realiz aci ón de las pruebas se diseñó. con struyó y
fue puesto en marcha un equip o de gasificación a
escala de laboratorio
constituido por un reactor en
contracorriente de lecho f1io. En el estudio se analiza
el comportamiento del material b1omásoco al modificar
la altura de lecho. el agente gaSthcante y el diámetro
de pa rt íc u l a como variables experimentales de
proceso.
PALABRAS CLAVE
Biocombustibles. Reciclaje. Gasificación.
ABSTRACT
reactor
in crosscurrent of fixed bed. In the study one
analyzes the behavlor of the material when modlfying
the heigt of bed and the diameter of partlcle llke
experi ment al variables of process.
KEY WORDS
Bio-oil, recycling, gasificacion.
INTRODUCCIÓN
La amazonia colombiana es la región con mayor
blodiversldad y por lo tanto se presenta como
la zona
más promisoria del país; sin embargo, presenta una
diferencia considerable con respecto a tas zonas
centrales del país, la
naci o nal
falta de interconexión a la red
de energía. los altos
combustibles como:
costos
de
los
la gasolina y de los sistemas de
generación actual que presentan grandes deficiencias.
In this work stud1ed the production of gaseous
des ve n taj as y poca calidad en el serv1c10. hacen
mixture of high power po tenti allty by means of the
ev ide nte
process of ga sifica clon of rind of copeazu typ1cal fru1t
energétic as . La amazonia colombiana cuenta con una
of amazonia Colombian. For the accomplishment of
variada producción de frutos exóticos utilizados en su
the test an equipmen t of gasificación w as des1g ned .
m ayoría en la realización de productos allmentlclos
fecha de recepción del &l'ticuto: 23 de septiembre de 2005.
fecha de a ceptación del a rtrculo: 29 do soptlembte de 2005.
la
búsqueda
de
nuevas
s o luci o n es
•
•
•
como es el caso de mermeladas. dulces. helados y
pasar 20 minutos se da ingreso al agente gas1ficante
otros. Durante la fabricación de estos productos se
(vapor de agua). Luego de l a reacción entre el
ha dejado de aprovechar la consbtución total del fruto:
material carbonizado y el agente gas1ficante, la
así durante el proceso de adecuación del maraco y
mezcla gaseosa obtenida pasa a través de un sistema
3
3
el copoazú con fines alimenticios se ha desechado la
de recolección en donde se toma una muestra que
E
cáscara que repr esenta cerca del 46. 7% del fruto: la
es analizada mediante cromatografía gaseosa a fin
d
de conocer la cantidad de H2, CO, CH,. C2H,. C2H6•
co, pres ente en la mezcla para evaluar la Influencia
"
lecho) al igual que la incidencia de estos factores
d
en la pérdida de masa y en la producción de material
u
impacto en el medio ambiente. y a su vez. aumentar
sólido carb o n izado .
d
su valor agregado en la cadena productiva, creando
Para el estudio de la gasificación de cásca ra de
ca n t i dad total de producción por cosecha es de
144.000 Kg/coseclla en 20 h ectáreas de plantación.
esto sugiere la necesidad de evaluar la utili1aclón de
estos r esiduos como biocombustibles mediante un
proceso de gasificación que permita d ismi n u ir su
una
alternativa
que
permitirá
satisfacer
los
requerimientos energéticos de los procesos y de ser
posible de la región.
1. MATERIALES Y MÉTODOS
de los factores (diámetro de par t ícul a y altura de
copoazú y maraco en el equipo anteriormente, se
requiere la implementaetón de un plan experimental
d e copoazú por medio de vapor de agua como agente
gas1ficante, fue realizado en un reactor de lecho fijo
en contracorriente construido en material refractario
o
realizar las modificaciones necesarias para conseguir
experimentación.
n
m ue stra n los
tratamientos
empleados e n la
q
en e l diseño experimental
E
2
1
C1M2H1A2
Copoazú
Malla100
altura 1
2
C2M2H1A2
Maraco
MallalOO
attura 1 Aire
3
C1M1H1A2
Copoazú
Mana 20
altura 1 Aire
4
C2M2H2A1
Maraco
MallalOO
altura 2 Agua
5
C1M1H2A2
Copo azú
Malla 20
altura 2
Aire
6
C1M1H1A1
Copoazú
Malla 20
altura 1
Agua
contenido total de Carbono. Hidrógeno. Nitrógeno.
7
C 2M2H2A2
Maraco
Ma11a100
altura
ceniza. material volátil, carbón fijo correspondiente
8
C2M1H2A2
Maraco
Mana 20
altura 2 Air e
9
C2M1H2A1
Maraco
Malla
2. EXPERIMENTACIÓN
10
C2M1H1A2
M ar aco
Malla 20
altura 1
Para la recolección de la muestra gaseosa de interés
11
C1M2H1A1
Copoaiú
Ma11a100
altura 1 Agua
energético se introducen 15 gramos de cáscara de
12
C1M2H2A2
Copoazu
Malla100
altura 2 A;re
20 o malla 100 en la canasta de alimentación d e
13
C1M2H2A1
Copoazu
Malla100
altura 2 Agua
14
C1M1H2Al
Copoazú
Mana 20
15
C2M2H1A1
Maraco
Malla lOO
altura 1 Agua
16
C2M1 H1A1
Maraco
Malla 20
altura 1 Agua
obteniendo u n a mezcla gaseosa de calidad
adecuada que e s analizada por cromatografía
gaseosa. Previamente fue realizado un anáhs1s
f1sicoquímico de la muestra por mecho de los análisis
elemental y
pró x i m o
que
permiten conocer
cu a n ti ta tivamen te los porcen t aj e s en peso d el
Oxígeno. Azufre y las cantidades de 110m edad ,
para cada prueba .
copoazú según el tratamiento a aplicar ya sea malla
acuerdo co n l a altura a analizar de 1 (3 cm) o altura
2 (5 cm). Posteriormente. se realiza un calentamiento
progresivo
del
temperatura
material
de
hasta
1ooo•c.
alcanzar u n a
t e m p erat ura
de
gasificación. Una vez alcanzada los lOOOºC y tras
p
r1
Tabla 1 Tratami entos aplicados
Desc r i p ción
son recogidos por un sistema que permite l a
e
e
Tratamiento
separación de las fases liquidas. sólida y gaseosas
tr
una experimentación satisfactoria en la Tabla 1 se
No
un proceso d e dos pasos. Los gases resultantes
s
2
E
a la temperatura por medio de una balanza analítica
de calent ami e n to de 8 ºC/min llevados a cabo en
d
reconocer las variables operacionales que pueden
que permite medir la pérdida de masa con respecto
a temperaturas cercanas a los 1100 ºC y una razón
a
que permita tener un adecuado manejo del equipo.
tener influencia en el rendimiento del proceso y
El estudio del proceso de gasificación de cáscara
l<
a
20
Aire
2 A ir e
altura 2 Agua
altura 2
Aire
¡l,gua
e
n
3
L
e
de lecho 1 y 2 reaccionan a temperaturas inferiores
3. RESULTADOS
(208.33°CJ y tiempos tempranos (30 minutos) pero
3.1 Efe cto del diámetro de partícula
difieren en la pérdida de masa alcanzada durante el
en la pérdida de masa
proceso. Como puede observarse, la altura de lecho 1
En la Gráfica 1, se observa que para este estudio, el
proporciona mayor pérdida de masa comparada con
diámetro de partícula dado por la malla 20 inicia su
el empleo de la altura de lecho 2. Este comportamiento
reacción en tiempos más cortos (20 minutos) y
obedece a los fenómenos de masa y de calor que se
temperaturas más. bajas (208.33•C) en comparación
presentan en los reactor es de lecho f1¡0 indicando cual
e
al diámetro dado por la malla 100. en la cual. el tiempo
es la etapa controlante durante el proceso'. Un cambio
·s
de reacción se presenta hacia los 30 minutos y a
una te mpe r at u ra de 291.66°C, esto indica u n a
t emperatura en la dirección perpendicular al flujo de
••
a
31
e
e
ll
).
n
y
diferencia de temperatura de 83.33ºC entre e l inicio
calor en el sistema. este efecto ocasiona que en el
de la reacción para estos tratamientos.
mterior del lecho algunas partículas no alcancen el
Sin embargo. el empleo del diámetro dado por la malla
20 al ca nza una pérdida de masa menor que la
observada en la aplicación del diámetro malla 100.
Este efecto p ued e atribuirse a los fenómenos de
transporte de masa y calor que provocan un retardo
en la pérdida de masa para aquellos tratamientos que
emplean un diámetro de partícula mayor. debido
3
1
en la altura de lecho, puede generar un gradiente de
principalmente a que en diámetros mayores existe un
equilibrio térmico necesario para su reacción y sólo
reaccionen de forma parcial gen e rando menor pérdida
de masa. Además. el área superf1C1al en la cual bene
lugar la transferencia tanto de masa como de calor
influye en el desarrollo de la experie ncia puesto que
una mayor área superficlal indica mayor contacto e ntre
los reactivos y por tanto mayor pos1b1hdad de reacción
entre ellos.
mayor gradiente de temperatura en la partícula, lo que
Así. la canasta 1. ocasiona la mayor pérdida d e masa
retarda el proceso de descomposición de los elementos
en este estudio puesto que proporciona la mayor área
que constituyen el material biomásico de este estudio.
superficial y ge nera el menor gradiente de temperatura
El hecho de que la reacción al utílízar el diámetro malla
interno si se considera la dirección de flujo radial en
20 se genere en tiempos más cortos se puede asociar
el sistema. De esta manera se evidencia que el efecto
a los efectos del transporte de calor que se presentan
en las zonas amorfas del material d a ndo lug ar a
de la altura de lecho es similar al encontrado en el
diámetro de partícula.
reacciones en la superficie de la partícula.
3.3 Efecto de las interacciones
3.2 Efecto de la altura de lecho
El estudio de la acción ind1v1dual de los factores que
en la pérdida de masa
afectan el proceso de gas1f1cac16n. permite tener
La Gráfica 2. muestra la influencia de la altura de lecho
en el desarrollo de las reacciones, es así. como la altura
proceso para predecir posibles r esultados; sin
Gráfica 1. Comportamiento de la pérdida
Gráfico 2. Comportamincto de la pérdida
conocimiento acerca de su origen e incidencia en el
de masa en función de la temperatura
de masa en función de la temperatura.
tratamiento número 12. 13 y 14
Tratamiento número, 11. 12 y 13
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lOOb No. 4
29
embargo los factores individuales interactúan entre sí
generando nuevos efectos que no pueden atribuirse
a propiedades independientes. Se infiere que el uso
de los diferentes diámetros de partícula ocasiona un
marcado efecto en el llempo y temperatura de iniciación
de la etapa de descomposición térmica del material:
se puede decir que en el presente estudio el tJempo y
la temperatura en las cuales se presenta la etapa de
pirolisls está determinado por el uso del diámetro de
partícula en tanto que la pérdida de masa durante el
proceso está influenciada por la altura de lecho.
Gráfico 3 . Cromatogramas
agente gasificante vapor de agua.
•
0863
•
0943
2 517
l.3e1
ª'"'
=- 3.645
1671
6.484
3712
ITif!'ltl8bht SIOD
-===- a.947
3.4 Resulta dos producto carbonizado
De los resultados obtenidos se a nal izaron las pasibles
interacciones entre los factores que pueden afectar
l a producción de carbonizado en el proceso de
gas1f1cac1ón. Es así como se estudiaron los efectos
producidos por la altura de lecho y el diámetro de
partícula. Al analizar el efecto que puede ocurrir a l
modificar l a altura del lecho e n e l proceso d e
gasificación puede advertirse, como e l factor afecta
las ca ntidade s de carbonizado producido.
°"'""'_...._
�� .........
importantes y mucha mayores que la de 02 (1.06%).
C ,H, y C2H6 son
4
En la Gráfica
cantidades registradas en la altura de lecho l. No
elevada de N 2
c a n ti d a d muy
obstante. este efecto no puede atribuirse ún icam en te
al empleo de una altura determi nada también deben
considerarse las relaciones que existen e n tr e este y
los otros factores.
De acuerdo con lo expresado anteriormente. puede
observarse que los resultados reportados, 1nd1can que
al emplear indistintamente la altura de lecho se olXJene
mayor producto carbonizado con el diámetro de
part í cula dado por la malla 20 siempre que se mantenga
el mismo agen te gasificante en el p roceso.
de CH, (0.06%) con (0.26%) de
muy pequeñas.
las concentraciones
En general, el
empleo de la altura de lecho 2 fa vorece
las proporciones de carbonizado con respecto a las
(bJ, se
observa, una
concentración
(62.88 %) así mismo existe una
importante de H, (20.98%) y 02
(11.92%). Las con c e ntrac i one s de los otros
comp onentes co (0.68%). co (1.20%) c,H. (1.10%)
,
y 1.25% para l a mezcla compuesta de CH, y C2H6•
son cantidades relativamente pequeñas.
En la
Gráfica
4 (c) se observa la presencia de N2
(16.82%), C02 (14.14lli) e H (63.14'l<o) representan
la mayor compasición de la mezcla. existen cantidades
relativamente pequeñas de los gases CO (4.07%). CH,
(0.28%), 02 (1.56%) y un 0.01% de C 2H6 y c,H,. El
C•
c.
o
o
o
porce nt aje de H, obtenido en la
01
Asimismo, cuando se utiliza la altura
tratamiento
g.
importar el diámetro de partícula se obtiene
hacia su producción.
cantidad de carbonizado al
como agente gasificante.
de lecho 1 si n
mayor
i ntroducir vapor de agua
3.5 Resultados cromatografía de gases para
el agente gaslflcante agua
contonuac1on se presentan los cromatogramas
obtenidos del proceso de gasificación con vapor de
agua (Gráfica 3) y los porcenta¡es de los gases que
componen la mezcla (Gráfica 4).
A
En la Gráfica 4 (a), se evidencia una co nc e n tr ación
considerable de H2 (41.60%) y de N, (30 %), las
cantidades de co, (17.93%) y CO (9.61%) son
10
'24l<
--
12176
1\Vr\Nt(' llh'C!th)Yluun
en
ln�eniería
•
200(, No •I
a p li cación de este
permite ver la inclinación de la reacción
a
4 (d), se
observan altos valores en la pr od u c ción de H2
(63.01%) las conce ntr acion es de N (21.29%) y 02
2
(3.74%) favorecen el aumento de las concentraciones
d e CO (6.15%) y co, (11.75%) Tanto las
concentra ci o nes de CH, (0.04"4) y con (0.008%) de
C2 H6 y C2H, no representan un aporte considerable
en la composición de la mezcla.
En la aplicación de este
tratamiento, Gráfica
o'
SI
d
d
e
e
o
K
CONCLUSIONES
En este caso el ingreso
1-1
de vapor de agua al sistema,
producción de un gas
favorece considerablemente l a
s
Gráfico 4. PorcentaJe de los diferentes gases en la mezcla.
(a) Malla 20- Altur a 1
(b) M alla 100 Altura 1
Composición (%volumenl de la mezcla
de gpses obtenida. Tratamiento 11
•
Compo&coón {%wlumen) de la melda
de gases obtenida. Tratamiento 6
,61%
62,88%
0.68%
17,93%
J•tt, •o, !IN, •co •co, •CH, •C,H. DC,H.j
(c) Malla 20-Altura 2
Composoón (!!.VOiumen) de la mezcla
de gases obtenida. Tratamiento 14
(d) Malla 100- Altura 2
Composición (\IOlumen) de la mezcla
de gases obtenida. Tratamiento 6
•),
le
n
a
.:·, '
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s
ó)
••
1,
n
$
1,
:1
e
n
.
�
.
'''
;; .
l•tt, •o, DN, •co •co, •CH, •c,H, OC,H.1
combustible, puesto Que permite la aparición de
cantidades importantes d e H, Que elevan
ostensiblemente el poder calorif1co de la mezcla
obtenida.
Durante el desarrollo de esta experi m en t a ción . se
observó Que al em plea r vapor de agua como agente
gaslflcante no solamente se presentaba un flujo
amp li o de mezcla gaseosa. también e l tiempo de
obtención del producto fue considerablemente men or .
situación que pu ed e
generarse por la alta reactividad
de copoazú en atmósferas de vapor
de agua según las condiciones proporcionadas por
el eq uipo empleado.
del carbonizado
;
;
J•tt, •o, l!IN, •co •CO, •CH, •C,H, flC,H,¡
En este caso la obtención de niveles elevados de H2•
en la mezcla gaseosa. indica la potencialidad de las
cáscaras d e copoazú como combustible e n el
desarrollo del proceso de gasificación. No obstante.
los bajos val ores de o tros gases como C2H6, C,H,. CO
y CH, su g i ere n Que en el proceso existe una
direccionalid ad de reacción deftnida, hechO que pued e
atribuirse a las con diciones de operación e mpl eadas
durante este estudio en d onde los gases producid os
son rápidamente removidos del sistema. situación que
i mposib il ita la ocurren ci a d e r eacci on es entre los
pr in cipa les gases obtenidos que pueden generar un
ca mbi o en la concenlración de los productos
favoreciendo la presencia de olros gases en la me zcla .
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