diseño de procesos cíclicos de adsorción para la captura

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Diseño de procesos cíclicos de adsorción para la captura de CO2

en el contexto de una planta de gestión de residuos

Inés Durán Vera

26 de Noviembre de 2020

Programa de Doctorado en Energía y Control de procesos Instituto de Ciencia y Tecnología

del Carbono (INCAR)

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Asamblea General 2020

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Ventajas de los carbones activados:

✓ Elevada capacidad de adsorción de CO2

✓ Adsorción de CO2 completamente reversible

✓ Coste reducido comparado con otros adsorbentes

✓ Buena regenerabilidad

Captura de CO2

Tecnologías de separación de gases para captura de CO2

AbsorciónProcesos

criogénicos Membranas

Adsorcióncon sólidos

Zeolitas AlúminaCarbonesactivados

MOFs

Tecnologías de separación de gases para captura de CO2

AbsorciónProcesos

criogénicos Membranas

Adsorcióncon sólidos

Zeolitas AlúminaCarbonesactivados

MOFs

INTRODUCCIÓN

3

PSA

PTSA

TSA

T adsorción

T desorción

Presión

Pdesorción Padsorción

Can

tid

ad a

dso

rbid

a

q adsorción

q desorción

q' desorción

A

C

D

B

➢ PSA (Pressure Swing Adsorption)/VSA:

Procesos de adsorción con variación de presión

➢ TSA (Temperature Swing Adsorption): Procesos

de adsorción con variación de temperatura

➢ PTSA (Pressure Temperature Swing

Adsorption)/VTSA

Carbón activado

Gases

Poros

Adsorbente

Microporos < 2 nm

Mesoporos entre 2 y 50 nm

Macroporos > 50 nm

Proceso de adsorción

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

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Separación de CO2 de las distintas corrientes gaseosas generadas en un proceso de gestión integral de residuos mediante adsorción con

carbones activados de origen biomásico

Biogás

CH4/CO2

Incineración de residuos

N2/CO2

• Fuente renovable de metano• La presencia de CO2 en el biogás

reduce su valor energético

• Aprovechamiento energético• Reducción de las emisiones de CO2 a

la atmósfera

Economía verde

ESTRUCTURA DE LA TESIS

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Precursores biomásicos

➢ Serrín de pino

➢ Microalgas

Corrientes gaseosas

representativas de:

➢ Biogás (CH4/CO2)

➢ Incineración (N2/CO2)

Preparación y caracterización de

carbones activados

Evaluación dinámica de los

adsorbentes

Diseño de procesos cíclicos

✓ Análisis paramétrico

experimental

✓ Modelización y simulación

con Aspen Adsorption

Efecto de la presencia de vapor de agua

Serrín de pino

Serrín de pino-brea

de alquitrán de hulla

Carbones activados a partir de serrín de pino

Carbones activados

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PREPARACIÓN DE LOS ADSORBENTES

Carbón activadoPélets

“CO₂ adsorbent pellets produced from pine sawdust: Effect of coal tar pitch addition”, Applied Energy 2015, doi: 10.1016/j.apenergy.2014.12.090

Activación

BreaSerrín de pino

Mezcla y conformado

Tamaño de partícula < 212 μm

Tamaño de partícula < 1 mm

Diámetro pélets = 4,1 mm

Conformado Activación

Carbón activado

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Activación con CO2

Control de Temperatura

Termopar

MuestraReactor de cuarzo

Controladores de Flujo Másico

Salida de gases

CO2

Horno vertical

Pélets de serrín de pino activados con CO2 a 800 °C, 1 h

Pélets de mezclas serrín de pino-brea (10:5) oxidados a 300°C 1 hora yactivados con CO2 a 800°C 2 h

Capacidad de captura de CO2

Exterior

IH2

Interior

IH3

500 µm

500 µm


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Variedades de microalgas estudiadas

Carbonizaciónhidrotermal(180-220°C,

1 h)

Peletización

Carbonizaciónhidrotermal(180-220°C,

1 h)

Secado

Activación con CO2

(800°C, 1 h)

Microalgas en pasta Microalgas liofilizadas

Agua

Secado

Secado

Serrín de pino

Peletización

Activación con CO2

(800°C, 1 h)

Serrín de pino

Serrín de pino

Chlorella

Spirulina

AcutodesmusObliquus

Coelastrella sp.


“Microalgae: Potential precursors of CO₂ adsorbents”, Journal of CO2 utilization 2018, doi: 10.1016/j.jcou.2018.06.001

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Comparación mezclas serrín de pino-microalgas

Capacidad de captura de CO2


M

CO2CH4

N2/He

H2O

Bomba de vacío

Campana extractora

Termopar

P

PCM

Carbón activado

Columnadesecante

Medidor de flujo másico

Cromatógrafo de gases

T

TC

Resistencia eléctrica

Válvula BPR

Sonda de humedad

Mez

cla

do

r

Sistema SCADA

Columna

EVALUACIÓN DE LOS ADSORBENTES

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Dispositivo experimental

HT

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Experimentos con mezclas representativas de biogás

Experimentos secos

Experimentos húmedos

CO2/CH4Lecho fresco

Lecho saturado en H2O(v)

Mezclas cuaternarias CO2/CH4/N2/H2O(v)

Mezclas binarias CO2/CH4

Distintas presiones

Distintas composiciones de la mezcla

Distintos caudales totales alimentados


“Biogas purification by means of adsorption on pine sawdust-based activated carbon: Impact of water vapor” Chemical Engineering Journal 2018, doi: 10.1016/j.cej.2018.07.100

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Experimentos con mezclas representativas de biogás

AdsorciónMezcla CO2/CH4

T = 30 °C

Acondicionamiento con He

Regeneración => con He a 180 °C y presión atmosférica

1 2 3

1 2 3


Curvas de ruptura vs isotermas de adsorción

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Capacidad de CH4 => por debajo de la isoterma de adsorción (adsorbato débil)Capacidad de CO2 => buena concordancia con la isoterma de adsorción

Experimentos secos


Lecho regenerado: no se ve afectado por la co-adsorción de H2O(v)

Lecho saturado: ambas capacidades se reducen drásticamente


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Experimentos con gases representativos de chimenea de incineración

Experimentos secos


CO2/N2Lecho fresco

Lecho saturado en H2O(v)

Mezclas ternarias 8% vol. CO2

90% vol. N2

2% vol. H2O(v)

Mezclas binarias 8% vol. CO2

92% vol. N2

Distinta humedad relativaBaja = 22%Elevada = 60%


“Separation of CO₂ in a solid waste management incineration facility using activated carbon derived from pine sawdust” Energies 2017, doi:10.3390/en10060827

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Elevada humedad relativa

• qCO₂ se reduce en más de un 50% cuandoel lecho se encuentra inicialmentesaturado con H₂O en comparación con losexperimentos secos


Baja humedad relativa

• La adsorción de CO2 apenas se ve afectada

por la adsorción de H2O

Configuración de ciclos de adsorción-desorción de CO2 con mezclas representativas de gases de incineración

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✓ Efecto del número de lechos

✓ Efecto de la adición de etapas

✓ Efecto del caudal de purga

✓ Efecto de la presión de vacío

✓ Efecto de la temperatura de

regeneración

Adsorbente: IH3 (serrín de pino activado con CO2 a 800 °C 1 hora)

Corriente a separar: 8% CO2, 92% N2

Alimentación

Gas de chimenea (CO₂ y N₂ )

Corriente rica en N₂

Corriente rica en CO₂

Bomba de vacío

Compresor

DISEÑO DE CICLOS DE ADSORCIÓN

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Configuraciones analizadas

Alimentación CO₂Alimentación

R BAP

Alimentación Alimentación CO₂

BRP A Pu

N₂

5 etapas

R Purga con CO2 (Rinse)

Alimentación Alimentación

P A B

3 etapas

P Presurización con alimentación

A Adsorción

B Regeneración a vacío (Blowdown)

Pu Purga con N2

4 etapas


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Resultados experimentales


3 etapas 5 etapas4 etapas

2 lechos 4 lechos3 lechos

Menor caudal de purga con producto (rinse)

VTSATemperatura de adsorción= 30 °C

VTSAVSAMenor nivel

de vacío

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Modelización con Aspen Adsorption

1. Validación de los modelos con los

resultados experimentales

2. Diseño y optimización de un proceso

cíclico de adsorción-desorción

Lecho de adsorbente

Volumen muerto después del reactor

Volumen muerto antes del reactor

Volumen muerto en la línea de vacío


20

21 3 4 5 21 3 4 5

1 Presurización

Adsorción2

3

4

5

Purga con producto o Rinse

Regeneración con vacío o Blowdown

Purga con N2

Configuración IVB

Pureza de

refinado

(% vol. N2)

Pureza de

producto

(% vol. CO2)

Recuperación

de producto

(% vol. CO2)

Experimental 99,4 39,4 96,0

Simulación 97,8 36,6 95,4

Símbolos: datos experimentalesLíneas continuas: resultados modelización

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Pre

sió

n (b

ar)

Con

cen

trac

ión

(%)

tiempo (s)

Configuración IVB

N₂

CO₂

P

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Pre

sió

n (

bar

)

Co

nce

ntr

ació

n (%

)

tiempo (s)

Configuración IVB

N₂

CO₂

P



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CO₂

N₂

R BAP Pu

Alimentación Alimentación

P Presurización con alimentación

A Adsorción

R Purga con CO2 (Rinse)

B Regeneración a vacío (Blowdown)

Pu Purga con N2

➢ Configuración con las etapas de regeneración en contra-corriente

CO₂ N₂

R BAP PuEq Eq

AlimentaciónAlimentaciónEq Ecualización de presiones

➢ Configuración con etapas de igualación de presiones



“Vacuum swing CO2 adsorption cycles in Waste-to-Energy plants“, Chemical Engineering Journal 2020, doi: 10.1016/j.cej.2019.122841


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Instalación de 4 lechos

CO2

Gas de combustión

Lecho 1

CO2

productoBomba de vacío

Soplante

Corriente descarbonizada

Lecho 2 Lecho 3 Lecho 4

TC TC TC

PC PC PC PC

TC

CONCLUSIONES

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Los carbones activados a partir de serrín de pino, y mezclas de éste con brea, son fundamentalmente

microporosos y tienen propiedades adecuadas para su uso como

adsorbentes de CO2

La producción de carbones activados a partir de microalgas es viable

añadiendo una biomasa lignocelulósica

En una corriente de biogás húmeda, la presencia de H2Ov pre-adsorbido en el lecho disminuye la capacidad de adsorción de CO2 y de

CH4, pero favorece la selectividad del adsorbente hacia el CO2

Para gases de chimenea de

incineración en condiciones de

baja humedad relativa (50 °C),

la capacidad de captura de CO2

no se ve afectada por la

presencia de H2Ov y N2

Mediante configuraciones VSA

relativamente simples con un máximo de4 lechos, es posible

recuperar un 95% del CO2 de los gases de

incineración y obtener una pureza del 40%

2426 de Noviembre de 2020

Programa de Doctorado en Energía y Control de procesos Instituto de Ciencia y Tecnología

del Carbono (INCAR)

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Muchas gracias por su atención

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