CARACTERIZACION Y MODELAMIENTO DEL PERFIL DE TEMPER ATURA AL INTERIOR DE UN HORNO DE PIRLISIS PARA BIOMASA

HERNAN HIPOLITO RAMIREZ GONZALEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLIN

FACULTAD DE MINAS

MEDELLIN

2009

CARACTERIZACIN Y MODELAMIENTO DEL PERFIL DE TEMPER ATURA AL INTERIOR DE UN HORNO DE PIRLISIS PARA BIOMASA

HERNAN HIPOLITO RAMIREZ GONZALEZ

Autor

TRABAJO DIRIGIDO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO

DE INGENIERO QUIMICO

ALEJANDRO MOLINA OCHOA

Asesor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLIN

FACULTAD DE MINAS

MEDELLIN

2009

TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ i

LISTA DE TABLAS ............................................................................................................. ii

INTRODUCCION ............................................................................................................... 1

JUSTIFICACION................................................................................................................ 2

PARTE I: MARCO TERICO ............................................................................................ 3

ESTADO DEL ARTE ...................................................................................................... 3

GENERALIDADES DE LA PIRLISIS FLASH ............................................................... 6

Temperatura ............................................................................................................... 6

Velocidad de calentamiento ........................................................................................ 6

Tiempo de residencia de los gases en el medio de reaccin ...................................... 6

Cantidad de muestra y tamao de partcula ................................................................ 6

Tipo de reactor utilizado .............................................................................................. 7

PARTE II: DESARROLLO DE LA SIMULACIN ............................................................... 8

Generacin de la malla de cmputo ............................................................................... 8

Condiciones de operacin y propiedades termofsicas del fluido y de los materiales ..... 9

Condiciones de frontera. .............................................................................................. 10

Calculo de la velocidad dentro del reactor .................................................................... 14

PARTE III: RESULTADOS ............................................................................................... 17

PARTE IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 20

CONCLUSIONES ........................................................................................................ 20

RECOMENDACIONES ................................................................................................ 20

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 21

i

LISTA DE FIGURAS

1. Dimensiones de la parte superior del horno 8

2. Dimensiones de la parte inferior del horno 9

3. Distribuciones de velocidad y densidad de flujo de cantidad de movimiento para el flujo en tubos cilndricos ...14

4. Flujo a travs de una rendija15

5. Contornos de temperatura para las simulaciones ..17

6. Perfil de temperatura para las simulaciones 18

7. Comparacin de la distribucin de velocidades para la parte real y la simulacin hecha en Fluent .18

ii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Propiedades del nitrgeno....9

Tabla 2. Propiedades a 300 K Acero y Cuarzo.9

Tabla 3. Propiedades a varias temperaturas Acero y Cuarzo...10

Tabla 4. Coeficientes convectivos usados en la simulacin..11

Tabla 5. Caractersticas de las corrientes de entrada a la malla..12

Tabla 6. Caractersticas de las paredes de la malla12

Tabla 7. Relaciones msicas de la 1era simulacin AR13

Tabla 8. Caractersticas de las simulaciones13

Tabla 9. Caractersticas de las corrientes de entrada a la malla para la simulacin

hecha con las reas de Fluent AF13

Tabla 10. Relaciones msicas de la 2da simulacin AF14

Tabla 11. Determinacin de Re...16

1

INTRODUCCION El actual modelo de consumo energtico, basado en la quema de combustibles fsiles (petrleo, carbn y gas), es insostenible debido a que los yacimientos de stos combustibles se estn agotando y su utilizacin ocasiona graves trastornos ambientales, los cuales comienzan a tener severas repercusiones en todo el planeta. El hombre ha venido buscando la forma de sustituirlos por combustibles ms amigables con el ambiente y de naturaleza renovable, como el biodiesel y el bioetanol, los ms estudiados hasta el momento. En este ltimo (bioetanol) se concentra el desarrollo de innumerables proyectos, algunos de los cuales ya estn en funcionamiento, como son los de los ingenios azucareros del Valle del Cauca, cuya materia prima es la caa de azcar y algunos para producir el alcohol a base de frutas (banano) y hortalizas (remolacha). En Colombia, en el cultivo de banano se produce un excedente de fruta y desechos de la planta del orden de 2.400.000 ton/ao que tradicionalmente han sido destinados a procesos de compostaje. Debido al gran volumen de estos residuos, el proceso de compostaje se hace insuficiente generando una sobreproduccin que no se aprovecha en su totalidad [1]. En la produccin de bioetanol a partir de la planta de banano y su fruto se genera un subproducto, biomasa recalcitrante, la cual consiste en residuos slidos que no pueden ser convertidos a combustible. Recientemente, en Colombia se ha logrado convertir tanto la pulpa de banano (rica en almidn) como la cscara y pseudotallo (material lignocelulsico) en etanol, pero dependiendo del proceso y materia prima, entre el 10% y el 50% en peso seco pasa a ser biomasa recalcitrante [1]. Algunos de los usos que se le podra dar a esta biomasa es la de la produccin de gases para combustin as mismo como la obtencin de carbones activados mediante pirlisis cuyo medio inerte (nitrgeno gaseoso), proporcionan las condiciones ideales para la produccin de tales productos. Los carbones activados generados del pseudotallo y la biomasa recalcitrante producto de hidrlisis enzimtica presentan valores de adsorcin similares a carbones activados comerciales (reas superficiales de N2 (BET) de 2068 y 1385 m

2 g-1 respectivamente). Los rendimientos son similares a los obtenidos con este proceso en otros materiales lignocelulsicos. El uso de la biomasa recalcitrante como materia prima para la produccin de carbn activado aumentara el valor agregado del proceso de produccin de etanol [1]. La Universidad Nacional de Colombia, sede Medelln y en su nombre el grupo de investigacin de Bioprocesos y Flujos Reactivos viene desarrollando un proyecto junto con la Universidad de Alicante para el estudio detallado del proceso de pirlisis de biomasa recalcitrante. Este proyecto demanda la compra y puesta en marcha de equipos de laboratorio. De esta forma se abrieron las puertas para el desarrollo de varios trabajos de grado, en distintas reas o carreras pertenecientes a la universidad, como el montaje de un dispositivo para el control de entrada de biomasa y material inerte propios o necesarios para la pirlisis desarrollado por un estudiante de Ingeniera Mecnica, as mismo la compra e instalacin de un equipo de cromatografa de gases que permitir la caracterizacin de los gases producidos en el proceso de pirlisis trabajo desarrollado por

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un estudiante de Ingeniera Qumica y por ltimo el que pretende desarrollar este trabajo dirigido de grado que no es ms que la Caracterizacin y modelamiento del perfil de temperatura al interior de un horno de pirlisis para biomasa.

JUSTIFICACION La importancia de la simulacin de procesos en Ingeniera Qumica radica en la necesidad de comprender, caracterizar y describir lo que sucede dentro del proceso o hacer una aproximacin lo ms real posible a los fenmenos qumicos y fsicos que se presentan dentro de dichos procesos. En este trabajo de grado se estudia el horno vertical (reactor) en el cual ocurre la pirolisis (reaccin). Para entender bien el proceso en el horno se debe caracterizar el reactor de forma tal que se pueda entender lo que ocurre dentro de este. En particular se pretende caracterizar la temperatura a la cual se lleva a cabo la reaccin. Un conocimiento detallado del perfil de temperaturas. Para ello se simula el flujo utilizando un programa comercial de CFD (Dinmica de fluidos computacional) (Fluent) para obtener el perfil de temperatura dentro del horno. Se decide utilizar la simulacin debido a la imposibilidad de realizar la medicin directamente dada la dificultad de acceso dentro del reactor y a la falta de equipos precisos y aptos para tal fin.

3

PARTE I: MARCO TERICO

ESTADO DEL ARTE La utilizacin de herramientas computacionales para simular, analizar y entender las componentes bsicas y la posibilidad de mejorar o mirar otras opciones de los procesos ha venido siendo utilizada hace ya unos aos, tal es as que ya hay paquetes de software casi que para cada rama de la ciencia en donde sea necesaria la utilizacin de simulacin de procesos. En este trabajo de grado se utiliza una tcnica de computacin que se conoce por sus siglas CFD (Computational Fluid Dynamics) y que se refiere