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Portada
Estudio del potencial de la cáscara de
Sacha Inchi (Plukenetia Volubilis Linneo) para la producción de
biocombustible vía gasificación con aire y vapor de agua como agentes
oxidantes.
Autor:
Andrés Gutiérrez Villaveces
201421830
Asesor:
Gerardo Gordillo Ariza Ph.D, M.Sc
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá D.C, Colombia
Mayo de 2019
Contenido Portada ................................................................................................................................. 1
Lista de Gráficas: ................................................................................................................ 3
Lista de Tablas: ................................................................................................................... 4
Lista de Ilustraciones:.......................................................................................................... 5
Introducción: ....................................................................................................................... 6
Objetivos: ............................................................................................................................ 7
Generales: ........................................................................................................................ 7
Específicos: ...................................................................................................................... 7
Revisión Bibliográfica y Marco Teórico:............................................................................ 7
Sector Energético Global: Combustibles fósiles y cambio climático: ............................. 7
Cambio climático: ............................................................................................................ 9
Biomasa: .......................................................................................................................... 9
Gasificación: .................................................................................................................. 10
Antecedentes & Sacha Inchi: ......................................................................................... 10
Metodología: ..................................................................................................................... 11
Modelo: .......................................................................................................................... 11
Caracterización Biomasa: .............................................................................................. 12
Fórmula Empírica & Peso Molecular: ........................................................................... 12
Poder Calorífico Superior libre de Cenizas y Humedad: ............................................... 13
Entalpía de formación de la biomasa: ............................................................................ 13
Simulación y Resultados: .................................................................................................. 14
Análisis de Resultados y Poder calorífico superior: ...................................................... 21
Conclusiones: .................................................................................................................... 23
Bibliografía ........................................................................................................................... 25
Lista de Gráficas: GRÁFICA 1: TEMPERATURA A LA CUAL SE ALCANZÓ LA COMBUSTIÓN ADIABÁTICA .............. 15
GRÁFICA 2: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-
COMBUSTIBLE =0 ............................................................................................................ 16
GRÁFICA 3: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-
COMBUSTIBLE =0.5 ......................................................................................................... 16
GRÁFICA 4: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-
COMBUSTIBLE =0.6 ......................................................................................................... 17
GRÁFICA 5: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-
COMBUSTIBLE =0.7 ......................................................................................................... 17
GRÁFICA 6: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-
COMBUSTIBLE =0.8 ......................................................................................................... 18
GRÁFICA 7: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-
COMBUSTIBLE =0.9 ......................................................................................................... 18
GRÁFICA 8: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE CO ....................................................... 19
GRÁFICA 9: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE CO2. .................................................... 20
GRÁFICA 10: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE CH4. .................................................. 20
GRÁFICA 11: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE H2. ..................................................... 21
GRÁFICA 12: PODER CALORÍFICO SUPERIOR NETO PARA LOS GASES GENERADOS. ................. 22
Lista de Tablas: TABLA 1: DIFERENTES ESCENARIOS PARA ER Y SF ............................................................... 11 TABLA 2: CONDICIONES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA PARA LOS REACTIVOS DE LA
GASIFICACIÓN. ................................................................................................................ 12
TABLA 3: RESULTADOS DEL ANÁLISIS PRÓXIMO Y ÚLTIMO PARA LA BIOMASA ...................... 12 TABLA 4: PESO MOLECULAR Y ECUACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA .............................................. 13 TABLA 5: VALORES PARA EL BALANCE DE LA REACCIÓN ESTEQUIMÉTRICA .......................... 14 TABLA 6: DENSIDAD ENERGÉTICA PARA CADA GAS COMBUSTIBLE ....................................... 22
TABLA 7: RESULTADOS PARA EL HHV NETO PRODUCTO DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN. ..... 22
Lista de Ilustraciones:
ILUSTRACIÓN 1: COMPARACIÓN ENTRE LOS VALORES DE MERCADO EN EL MUNDO. OBTENIDO
DE: [12] PG: 4 .................................................................................................................... 8
ILUSTRACIÓN 2: COMPARACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO POR FUENTE ENTRE EL MUNDO Y
EE.UU. Y COMPARACIÓN GRÁFICA ENTRE LA ENERGÍA QUÍMICA POTENCIAL POR FUENTE
DE ENERGÍA. OBTENIDO DE: [12] PG:6. ............................................................................. 8
ILUSTRACIÓN 3: RESERVAS PARA PETRÓLEO, CARBÓN Y GAS NATURAL Y LA TASA RESERVA-
PRODUCCIÓN REPRESENTANDO EL NÚMERO DE AÑOS DISPONIBLE AL ACTUAL RITMO DE
PRODUCCIÓN DE CADA FUENTE. OBTENIDO DE: [12] PG:8 .................................................. 9
ILUSTRACIÓN 4:DIAGRAMA TERNARIO C-H-O DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN. OBTENIDO DE:
[11] PG: 118 .................................................................................................................... 23
Introducción:
En la actualidad existe una importante dependencia en las fuentes de energías fósiles para el desarrollo de cada
aspecto de la sociedad humana. Está dependencia se dio debido a las ventajas que poseen estos combustibles
respecto a su alta densidad enérgica, bajo costo y relativa fácil obtención. Por otro lado, el impacto medio
ambiental que ha generado la combustión de estas fuentes de energía ha alcanzado un punto crítico en términos
del cambio climático generado por la liberación de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Debido a esta
situación se han fomentado, en primera instancia, tratados internacionales para reducir y minimizar el impacto
de las emisiones de estos gases y, en segunda instancia, desarrollar medios alternativos de obtención de energía
que tengan un impacto mínimo sobre el medio ambiente, que sean renovables y viables en comparación con los
combustibles fósiles. Como piedra angular de estos tratados internacionales está la Convención Marco de las
Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. En este se encuentran diferentes tratados y acuerdos que definen
una serie de metas fijas las cuales están atadas a leyes internacionales, como lo son el Protocolo de Kioto y el
acuerdo de París. [1] [2]
Por otro lado, la energía renovable y de bajo impacto es aquella que proviene de una fuente que estará disponible
de manera indefinida o por un tiempo tan largo que puede considerarse indefinido. El ejemplo más claro de esto
es el sol, el cual se estima que le queda 4-5 billones de años de brillo en la etapa principal de su recorrido. [3]
A excepción de unos casos puntuales (energía geotérmica y energía undimotriz, entre otras) la gran mayoría de
las fuentes de energía renovable en el planeta provienen de la radiación solar; ya sea de manera directa, como
lo es la energía térmica en forma de radiación solar, como también de manera indirecta como lo es la energía
eólica (las corrientes de aire se generan por gradientes de temperatura en la atmosfera generados por la
diferencia en incidencia solar a través del globo) y la energía hidráulica (generada a partir del movimiento de
vapor de agua en la superficie de lagos, mares y océanos hacia locaciones con una altura superior). Adicional a
estas formas de energía existe la bioenergía, aquella que se obtiene de biomasa.
La biomasa, en el contexto de bioenergía, está definida como toda materia de origen animal o vegetal que puede
aprovecharse para la producción de combustible y, por consiguiente, se puede considerar como una potencial
fuente de energía. Bajo esta definición se encuentra una enorme variedad de diferentes materias con una
composición única y un potencial enérgico muy variado. En términos generales, la biomasa que más se utiliza
a nivel global aquella obtenida de madera. Aproximadamente 2.6 billones de personas dependen de combustible
maderable, carbón vegetal y excremento animal, únicamente en EE.UU. del total de la energía producida de
biomasa 52.5 proviene de madera y combustibles derivados de esta. [4] El principal problema con esta fuente
específica de energía es que; se está consumiendo mucho más rápido de lo que se está generando lo cual, en
determinadas locaciones, está exacerbando las problemáticas de desertificación y sequías, causados a su vez,
por el mismo cambio climático. Por otro lado, respecto al actual sistema agroindustrial, podemos identificar
una enorme cantidad de biomasa sin aprovechar, residuo de la producción de alimentos tanto animal como
vegetal. En Colombia, dado la producción significativa de café, caña de azúcar y ganado, se han llevado a cabo
varios proyectos frente al aprovechamiento de los residuos de estas industrias; como lo es la cascarilla del café,
el bagazo de la caña y el estiércol del ganado.
La producción de bioenergía desde la biomasa se lleva a cabo por los siguientes métodos: combustión, procesos
bio-químicos o termoquímicos. Está bioenergía se obtiene como calor directamente de la combustión, o
también, como combustibles sólidos y líquidos por medio de los otros dos métodos. El proceso de gasificación,
en términos generales, convierte una combustible sólido (como lo es la biomasa) en un gas para combustión.
Esto le otorga una mayor versatilidad y capacidad de aprovechamiento al combustible obtenido a diferencia de
obtener solo calor por combustión. Para poder obtener una noción de la calidad de la biomasa y su potencial
como combustible en un proceso de gasificación es necesario un análisis último y próximo de la muestra por
medio de los cuales se llevará a cabo un estimado de la calidad del combustible obtenido y así determinar el
posible potencial de este tipo de biomasa en el contexto regional, nacional y global.
El propósito de este proyecto de grado es determinar el potencial de la cascara exterior de la nuez de Sacha
Inchi (Plukenetia volubilis) por medio de una simulación de un proceso de gasificación utilizando mezclas de
solo oxígeno y oxigeno-vapor como agentes oxidantes. Esto se hace tomando en cuenta el considerable aumento
de esta nuez en el contexto nacional agrícola para obtención de su aceite, proceso en el cual resulta la cascara
de la nuez como un residuo con potencial de aprovechamiento.
Objetivos:
Generales:
Determinar el potencial de la cascara de las semillas de Sancha Inchi para la producción de gases combustibles
por medio de un proceso de gasificación utilizando oxígeno y una mezcla oxígeno-vapor de agua como agentes
oxidantes.
Específicos:
• Revisión bibliográfica del proceso de gasificación, sus determinadas etapas y su relación con la
biomasa.
• Revisión bibliográfica de actual sector energético de bioenergía a nivel mundial y nacional.
• Revisión bibliográfica del sector agricultor que trabaja con la semilla de Sacha Inchi.
• Familiarización con el software EES (Engineering Equation Solver) y CEA (Chemical Equilibrium
with Applications) de NASA.
• Caracterización de la biomasa por medio de un análisis último y un análisis próximo.
• Obtención de la fórmula empírica para la biomasa, la entalpía de formación y el poder calorífico.
• Estimar y analizar los gases producidos por medio del proceso de gasificación para los diferentes
agentes oxidantes utilizados en la simulación llevada a cabo por el software CEA.
• Obtener y analizar el poder calorífico superior de los gases combustibles producidos y el valor de la
eficiencia energética de conversión.
• Comparar los resultados obtenidos contra los resultados de proyectos similares que utilicen otra
biomasa que sea también residuo de importantes procesos agrícolas en Colombia (cascarilla de arroz,
bagazo de caña y cascarilla de café).
Revisión Bibliográfica y Marco Teórico:
Sector Energético Global: Combustibles fósiles y cambio climático:
En la actualidad, se pierde noción de la incapacitante dependencia del estilo de vida contemporáneo en la
explotación de combustibles fósiles por energía. Es el pilar sobre el cual se edifica la sociedad moderna, ya sea
transporte, comunicaciones, alimentación, entretenimiento o trabajo, todo está fuertemente ligado al consumo
de combustibles fósiles ya sea indirectamente por el aprovechamiento de energía eléctrica o de manera directa
para motores de combustión interna o plásticos. Ejemplo de esto es el valor económico del mercado a nivel
global, en el cual este se posiciona como el primero de manera indiscutible con una ventaja considerable.
Dicho mercado ha crecido en gran manera a causa de dos factores principales. En primera instancia está el
exponencial aumento en la población mundial lo cual implica un aumento considerable en los requerimientos
energéticos a nivel mundial. En segunda instancia está el mejoramiento en términos de calidad de vida de la
actual población lo cual está, a su vez, ligado al consumo de
energías primarias. En la actualidad los combustibles
fósiles, conformados por carbón, petróleo y gas natural, son
utilizados para obtener un 87% del consumo de energía a
nivel global. Este dominio del mercado se da a raíz de dos
cualidades principales de estas fuentes de energía. Primero
está la alta densidad energética de estos combustibles la
cual reside en la naturaleza de su composición química,
principalmente en la intrínseca calidad enérgica en los
vínculos de carbono – hidrogeno en estos materiales.
Por otro lado, está el bajo costo que ha tenido la explotación
de estos combustibles históricamente. Estas dos cualidades
han propulsado la utilización de estas fuentes de energía de
tal manera que, en EE.UU. la diferencia en consumo de
carbón, gas natural y petróleo de 1950 al 2012 fue de
54.5%, 331.7% y 144.4% respectivamente para cada
combustible. De la misma forma, estas características
definieron el desarrollo de gran parte de la industria por lo
cual toda la tecnología creada es, a su vez, dependiente de los mismos combustibles.
De igual manera, mantener el actual ritmo de explotación y consumo se dificultaría en gran manera debido a la
intrínseca naturaleza finito de dichos recursos. El precio de estos combustibles varía principalmente en función
ILUSTRACIÓN 2: COMPARACIÓN ENTRE LOS
VALORES DE MERCADO EN EL MUNDO. OBTENIDO DE: [12] PG: 4
ILUSTRACIÓN 1: COMPARACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO POR FUENTE ENTRE EL MUNDO Y EE.UU. Y COMPARACIÓN GRÁFICA ENTRE LA ENERGÍA QUÍMICA POTENCIAL POR FUENTE DE ENERGÍA. OBTENIDO DE: [12] PG:6.
del mismo costo de extracción de los mismo. Yacimientos de petróleo de fácil extracción se están acabando,
esto implica una necesidad de encontrar otras fuentes de extracción como lo son las arenas bituminosas y el
petróleo de esquisto, fuentes que por sus características físico- químicas demandan una mayor infraestructura
y costo de energía, elevando de esta manera el costo medio por barril de petróleo. Costo que, debido a la finita
cantidad de combustible se alzará hasta llegar a un punto insostenible afectando profundamente la economía y
el desarrollo de la sociedad contemporánea. Tomando las actuales reservas de combustible que se estiman y
dividiéndolas por la presente tasa de consumo de los mismos se obtiene la tasa de reservas-producción la cual
representa el número de años que le quedan a una fuente de combustible manteniendo la actual tasa de consumo.
Dicho estimativo puede variar por dos aspectos a tener
en cuenta, en primera instancia entre más cerca estén
de acabarse los posibles yacimientos de gas natural y
petróleo la industria aumentará la explotación de
carbón para poder mantener su rentabilidad. Por otro
lado, se espera que se desarrollen nuevas formas de
producción y obtención de energía aliviando así, la
actual dependencia de consumo enérgico global sobre
los combustibles fósiles. Con base en lo anterior, es
necesario diversificar la producción y consumo de
energía de manera global desarrollando tecnologías y
procesos que sean tanto renovables como viables en
comparación con los actuales.
Cambio climático:
La explotación irresponsable y el consumo
inconsiderado de estos recursos a traído consigo un
impacto medio ambiental considerable a nivel global.
El proceso de combustión de estas fuentes de energía
ha liberado una serie de gases a la atmosfera,
principalmente dióxido de carbono, que ha resultado y
tiene como pronóstico un aumento te la temperatura
media del globo. Este leve cambio en temperatura tiene
y tendrá devastadoras consecuencias sobre el clima
generando una serie de cambios que resultaran en las
siguientes consecuencias: un aumento considerable en
frecuencia y magnitud de ciclones y huracanes,
temporadas de sequía e inundaciones más largas y con
mayor impacto, aumento del nivel del mar inundando
grandes áreas costeras, cambios en corrientes marítimas de la mano de un proceso de acidificación del mismo
océano devastando ecosistemas completos desde la base de la cadena trófica y por consiguiente el desarrollo de
toda la cadena. Científicos predicen que por cada aumento de un grado Celsius en la temperatura media global
la producción agrícola de granos se reducirá en un 10% lo que llevará a millones de personas a un estado de
hambruna. Es imperativo encontrar fuentes de energía sostenibles que sean compatibles con el correcto
desarrollo del medio ambiente y que tengan un impacto negativo mínimo sobre este.
Biomasa:
El carácter renovable de la biomasa vegetal se debe a la captura y transformación de la energía presente en la
luz solar en la estructura a base de carbono de la misma planta; sus hojas, tallo, ramas y flores por medio del
ILUSTRACIÓN 3: RESERVAS PARA PETRÓLEO, CARBÓN Y GAS NATURAL Y LA TASA RESERVA-PRODUCCIÓN REPRESENTANDO EL NÚMERO DE
AÑOS DISPONIBLE AL ACTUAL RITMO DE
PRODUCCIÓN DE CADA FUENTE. OBTENIDO DE:
[12] PG:8
proceso de fotosíntesis. Es con base en esto que la biomasa es considerada como un combustible neutro en
carbono. De la misma forma, entre las fuentes de energía renovables la biomasa es única entorno a que es la
única que puede almacenar de manera efectiva la energía solar y es la única fuente de energía a base de carbono
que puede convertirse, de manera conveniente, en una fuente gaseosa, liquida y sólida de combustible por medio
de diferentes procesos físico y termo-químicos. [5]
Gasificación:
Gasificación es el proceso mediante el cual se convierte biomasa sólida en combustible gaseoso a partir de un
proceso termo-químico. Este consiste en la combustión parcial de la biomasa en un ambiente de oxigeno
limitado. En términos de energía la eficiencia de conversión de energía está entre el 60 y 70 % [5]. En términos
generales, el proceso de gasificación por medio de lecho fluidizado ha sido el más común en torno al desarrollo
de la biomasa como fuente de energía renovable [6].
Entrando en detalle el proceso de gasificación está compuesto por 4 etapas principales:
1. Oxidación (Exotérmica): Proceso necesario para obtener la energía térmica para llevar a cabo el resto
de los procesos endotérmicos que siguen. Dicha oxidación se lleva a cabo en un ambiente controlado
y falto de oxígeno para oxidar solo parcialmente el combustible.
2. Secado (Endotérmica): consiste en la evaporación de la humedad presente en la biomasa. Se puede
considerar terminada esta fase cuando la temperatura de la masa alcanza los 150°C.
3. Pirolisis (Endotérmica): Consiste en la descomposición termo-química de la biomasa en moléculas de
un peso molecular menor. Descompone la biomasa sólida en fracciones sólidas, líquidas y gaseosas.
Generalmente ocurre entre 250-700°C.
4. Reducción (Endotérmica): Consiste en la formación del gas combustible mediante la reacción de la
fracción gaseosa y sólida del paso anterior. La calidad del gas y de los residuos son altamente
dependientes en la temperatura sobre la cual se lleva a cabo este paso. Altas temperaturas aumentan la
oxidación de la fracción sólida y disminuye la formación de la fracción líquida. De la misma forma
disminuyen el contenido energético del gas y aumentan la posibilidad de la sinterización de la ceniza.
[7]
Antecedentes & Sacha Inchi:
Una semilla oriunda de la amazonia colombiana que ha sido cultiva y utilizada de manera regular por
comunidades indígenas y que, según cifras del Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia, su
cultivo aumentó en un 300% del 2015 al 2017. Se ha popularizado por sus considerables ventajas nutritivas; su
alto porcentaje de aceite omega-3, alta cantidad de amino-ácidos y diferentes cualidades como adelgazante,
beneficioso para el corazón y funciones cerebrales ligadas a la memoria. [8] Del mismo modo, tomando en
contexto las actuales condiciones socio-políticas del país relacionadas con la sustitución de cultivos ilícitos y la
reintegración de excombatientes, el cultivo de esta semilla se ha posicionado como una de las mejores
alternativas por su facilidad de producción y las ganancias relacionadas a este.
Dado su potencial nutricional, el desarrollo de investigaciones alrededor de la biomasa ha sido bastante limitado
frente a sus capacidades como combustible tomando en cuenta el actual potencial en otros sectores de desarrollo.
De igual manera, con base en los resultados experimentales del trabajo realizado por C. Lakkhana, D. Atong y
V. Sricharoenchaikul, en «Fuel Gas Generation from Gasification of Sacha Inchi Shell using a Drop tube
reactor,» [9] se puede concluir que la cascara es una fuente viable de gas combustible por medio de un proceso
de gasificación y puede beneficiar la industria de energía siendo una fuente de energía alternativa y renovable
además de eficiente.
Metodología:
Modelo:
Para obtener la composición molar y la temperatura de gasificación adiabática de las especies principales
producidas se va a utilizar el software CEA® Chemical Equilibrium with Applications desarrollado por la
NASA. Dicho programa realiza un cálculo iterativo con base en la energía libre de Gibbs para obtener los
resultados deseados, además cuenta con una librería con más de 2000 especies diferentes y sus distintas
propiedades. Frente a lo que concierne el desarrollo de este proyecto se resolverán problemas de carácter
isobárico y adiabático lo que significa a entalpías y presiones constantes. Para efectuar dicha simulación son
necesarios dos aspectos característicos de la biomasa. Su entalpía de formación y su fórmula empírica. Este
proyecto tiene pretende analizar el potencial de la biomasa como combustible utilizando aire y vapor de agua
como oxidantes. Para determinar las condiciones óptimas de gasificación se van a variar tanto la relación de
equivalencia del agente oxidante, como también la relación vapor-combustible. Estas están definidas de la
siguiente manera:
𝐸𝑅 =𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙
𝑆𝐹 =𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
Se harán simulaciones para 30 relaciones diferentes. Estas serán los siguientes:
TABLA 1: DIFERENTES ESCENARIOS PARA ER Y SF
ER SF
1.12 0
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.24 0
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.36 0
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.48 0
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.60 0
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
De la misma forma las condiciones para los gases de entrada serán las siguientes:
TABLA 2: CONDICIONES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA PARA LOS REACTIVOS DE LA GASIFICACIÓN.
Condiciones para los gases de entrada
Presión atmosférica (Pa) 101325
Temperatura del aire (K) 298.15
Temperatura del combustible (K) 298.15
Temperatura del vapor de agua (K) 373
Caracterización Biomasa:
La caracterización de la biomasa se llevó a cabo a partir de los resultados obtenidos de un análisis próximo y
último realizados por CQR-Cotecna SAS. Estos resultados se encuentran en las siguientes tablas:
TABLA 3: RESULTADOS DEL ANÁLISIS PRÓXIMO Y ÚLTIMO PARA LA BIOMASA
Resultados Análisis Próximo y Último
Norma Valor Unidades
Humedad ASTM D3302/D3302M-15 12.90 % g/g
Cenizas (BS) ASTM D3174-12 6.22 % g/g
Carbono (BS) ASTM D5373-14 47.91 % g/g
Hidrogeno (BS) ASTM D5373-14 6.09 % g/g
Nitrógeno (BS) ASTM D5373-14 1.14 % g/g
Oxigeno (BS) ASTM D5373-14 38.64 % g/g
Poder Calorífico
Superior (BS) ASTM D5865-13 28.45 MJ / Kg
BS = Resultados obtenidos en Base Seca.
Fórmula Empírica & Peso Molecular:
Para poder obtener una fórmula empírica de los elementos principales del cual está constituida la cáscara de
Sacha Inchi toca primero obtener el número de moles para los elementos presentes con base en la siguiente
fórmula:
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑖 =%𝑔/𝑔𝑖
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖
A continuación, se obtiene la base molar seca y libre de ceniza (DAF) para cada i-ésimo elemento y por último
se normalizan el número de moles en función del número de moles de carbono. Como los resultados obtenidos
ya están en base seca solo hay que tener en cuenta el porcentaje de ceniza.
%𝐷𝐴𝐹 =1
1 − %ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 − %𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 (𝐷𝐴𝐹)𝑖 =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠(𝐵𝑆)𝑖
1 − %𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 (𝐷𝐴𝐹)𝑖 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 (𝐷𝐴𝐹)𝑖
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 (𝐷𝐴𝐹)𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜
TABLA 4: PESO MOLECULAR Y ECUACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA
Elemento Masa Molar
[g/mol]
Número de Moles
BS
Número de Moles
DAF
Normalizado
Carbono 12.0107 3.989 4.254 1
Hidrogeno 1.0079 6.042 6.443 1.1515
Oxigeno 15.9994 2.415 2.575 0.6054
Nitrógeno 14.0067 0.08139 0.08679 0.0204
Fórmula Empírica:
𝑪𝑯𝟏.𝟏𝟓𝟏𝟓𝑶𝟎.𝟔𝟎𝟓𝟒𝑵𝟎.𝟎𝟐𝟎𝟒
Masa Molar de la biomasa:
𝟐𝟑. 𝟓𝟏𝒈
𝒎𝒐𝒍
Poder Calorífico Superior libre de Cenizas y Humedad:
El poder calorífico superior representa el calor liberado en un proceso de combustión completa de una unidad
de combustible y se mide hasta el momento que todos los productos generados por la misma vuelven a la
temperatura de los reactivos antes de la reacción, por consiguiente, el vapor de agua producido por la
combustión logra condensarse.
Dado que el valor obtenido del poder calorífico superior se encuentra en base seca (Higher Heating Value por
sus siglas en inglés) toca solo hay que tener en cuenta el porcentaje de ceniza, tal cual se hizo con las masas
molares anteriormente. Por otro lado, se representa el HHV en unidades de moles por lo que es necesario
multiplicarlo por la masa molar.
𝐻𝐻𝑉𝐷𝐴𝐹𝑀 = 𝐻𝐻𝑉 ∗1
1 − %𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟 = 713221
𝐾𝐽
𝐾𝑚𝑜𝑙
Entalpía de formación de la biomasa:
Para la reacción de combustión el poder calorífico superior representa el valor absoluto de la entalpía de
combustión de la misma. De la misma forma, la entalpía de combustión de una reacción es la resta de la
sumatoria de la entalpía de los productos por la cantidad de moles y la sumatoria de los reactivos por sus
respectivas moles.
𝐻𝐻𝑉𝐷𝐴𝐹𝑀 = |ℎ𝐶|
ℎ𝐶 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑. − 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐. = ∑ 𝑁𝑝ℎ̅°𝑓,𝑝 − ∑ 𝑁𝑟ℎ̅°
𝑓,𝑟
Para obtener las moles de los productos es necesario equilibrar la ecuación química para la combustión
completa:
𝐶𝐻1.1515𝑂0.6054𝑁0.0204 + 𝑎𝑡ℎ(𝑂2 + 3.76 ∗ 𝑁2) → 𝑎𝐶𝑂2 + 𝑏𝐻2𝑂 + 𝑐𝑁2
Obteniendo un sistema de 4 ecuaciones para 4 incógnitas obteniendo los valores necesarios para calcular la
entalpía de formación de la biomasa.
C:
1 = 𝑎
H:
1.515 = 2𝑏
O:
0.6054 + 2 ∗ 𝑎𝑡ℎ = 2𝑎 + 𝑏
N:
0.0204 + 2 ∗ 3.76𝑎𝑡ℎ = 2𝑐
TABLA 5: VALORES PARA EL BALANCE DE LA REACCIÓN ESTEQUIOMÉTRICA
𝒂𝒕𝒉 1.076
a 1
b 0.7575
c 4.056
Tomando en cuenta que la entalpía de formación de todos los elementos estables (𝑁2 𝑦 𝑂2 en este caso) es igual
a cero, la ecuación resultante sería la siguiente:
ℎ𝐶 = 𝑎 ∗ ℎ̅°𝑓,𝐶𝑂2
+ 𝑏 ∗ ℎ̅°𝑓,𝐻2𝑂 − 𝑁𝑝ℎ̅°
𝑓,𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎
Dado que es una reacción de combustión ℎ𝐶 se sabe que es negativo de entrada al igual que ℎ̅°𝑓,𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 . Con
base en lo anterior, la entalpía de formación de la biomasa es equivalente al siguiente valor:
ℎ̅°𝑓,𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 = −103267.352
𝐾𝐽
𝐾𝑚𝑜𝑙
Simulación y Resultados:
Siendo que ya se tiene caracterizada la biomasa en función de su composición química al igual que su entalpía
de formación, es posible utilizar el software CEA (Chemical Equilibrium with Applications) para determinar la
fracción molar de las especies que se generan en un proceso de combustión delimitado por definidas
características.
Un proceso de gasificación se caracteriza por tener ningún tipo de interacciones de trabajo y donde, en
condiciones óptimas, no haya perdida de calor con los alrededores si no que, ese calor se utiliza para elevar la
temperatura de los productos hasta un máximo. Este punto se conoce como temperatura de combustión
adiabática. Para simular estas condiciones se escoge, con base en la disponibilidad del programa CEA, un
problema tipo hp que significa entalpía y presión asignada. De los resultados se graficó la fracción molar de
las 5 especies principales encontradas y de principal interés (𝐶𝑂2, 𝐶𝑂, 𝐻2, 𝐻2𝑂 𝑦 𝐶ℎ4) además de las
temperaturas de llama adiabática para cada condición de prueba
.
GRÁFICA 1: TEMPERATURA A LA CUAL SE ALCANZÓ LA COMBUSTIÓN ADIABÁTICA
GRÁFICA 2: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-COMBUSTIBLE =0
GRÁFICA 3: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-COMBUSTIBLE =0.5
GRÁFICA 5: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-COMBUSTIBLE =0.7
GRÁFICA 4: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-COMBUSTIBLE =0.6
GRÁFICA 7: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-COMBUSTIBLE =0.9
GRÁFICA 6: FRACCIÓN MOLAR DE GASES GENERADOS CON UNA RELACIÓN VAPOR-COMBUSTIBLE =0.8
De la gráfica 1 se expone la relación entre la temperatura de reacción y la relación de equivalencia como la de
vapor combustible. La temperatura es inversamente proporcional tanto a la relación de equivalencia como a la
relación vapor-combustible. El aumento en relación de equivalencia implica una disminución en la cantidad de
exógeno presente y por consiguiente una disminución en la temperatura. De la misma forma, adicionando el
vapor de agua cómo reactivo implica que la entalpía de los productos tiene que ser mayor y de esta manera
disminuye la temperatura adiabática de combustión.
De los resultados anteriores es evidente como la relación vapor-combustible afecta de manera negativa la
generación de monóxido de carbono en gran manera. Comparando la gráfica 2 y la 7 es claro como paso, con
una relación de equivalencia de 1.6, de una fracción molar muy cercana a 0.14 a una cercana a 0.9, del mismo
modo, una comparación entre la gráfica2 y la 3 es suficiente para ver el impacto de la presencia de vapor de
agua sobre la presencia de esta especie.
Por otro lado, la presencia de H2O aumenta en función del incremento de la relación vapor combustible de
manera considerable tomando en cuenta, como referencia las gráficas 2 y 7 nuevamente, donde, en la primera
se tiene una fracción molar cercana a 0.13 pasando a un valor por encima de 0.25 en la gráfica 7. Por otro lado,
respecto a la presencia de H2 se puede distinguir un muy leve aumento de la mano con el aumento en la relación
vapor-combustible. Esto se debe principalmente al aumento en moléculas de hidrogeno a causa del vapor de
agua en la reacción. Por último, se resalta que no hay cambios distinguibles frente a la presencia de metano ya
sea en función de la relación de equivalencia o la de vapor-combustible y que, además, en comparación con las
otras especies tiene una cantidad insignificante.
En segunda instancia, analizando las gráficas desde el impacto de la relación de equivalencia sobre la presencia
de las diferentes especies se puede decir que fomenta la presencia tanto del monóxido de carbono cómo de
hidrógeno. Además, el aumento en la relación de equivalencia disminuye la presencia de dióxido de carbono
en el resultado. Esto es predecible teniendo en cuenta que el mismo proceso de gasificación demanda una
relación de equivalencia mayor a 1 para limitar la combustión y, por consiguiente, disminuyendo el dióxido de
carbono producido, con el fin de generar hidrogeno y monóxido de carbono. Adicionalmente, no parece haber
un impacto significativo sobre la fracción molar del agua o metano.
GRÁFICA 8: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE CO
GRÁFICA 9: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE CO2.
GRÁFICA 10: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE CH4.
De las gráficas anteriores se puede evidenciar el comportamiento de la fracción molar de cada especia frente al
cambio de la relación de equivalencia y la relación vapor-combustible. En la gráfica 9 se puede ver como el
aumento en la relación de equivalencia disminuye la fracción molar de dióxido de carbono en las especies
generadas y, de la misma forma, como el incremento en la relación vapor-combustible lo que hace es atenuar
este decrecimiento generado por el cambio en relación de equivalencia.
Por otra parte, en la gráfica 10 se puede aclarar que, aunque tanto el aumento en la relación vapor-combustible
como en relación e equivalencia tienen un impacto importante en la fracción molar de metano. Este aumento,
en comparación con la presencia de las otras especies no tiene un impacto significativo.
Análisis de Resultados y Poder calorífico superior: El proceso de gasificación tiene como finalidad transformar un combustible sólido en uno gaseoso con un
poder calorífico superior siendo que se rechaza productos que no combustionan como el agua y nitrógeno. El
aspecto que se está estudiando presentemente es el impacto de la cantidad de los agentes gasificantes sobre la
proporción de las especies generadas. Este impacto pude observarse de manera gráfica en la ilustración 4. Con
base en la figura se puede identificar el impacto de la presencia tanto el aire como el vapor de agua. Respecto
al aire se puede decir que, dado su proporción con respecto a la biomasa, va a promover la oxidación parcial de
esta. Como se observó con los resultados el incremento en la relación de equivalencia implica una cantidad de
oxigeno presente menor, esto disminuye la cantidad de energía liberada y por consiguiente genera una tendencia
a producir más CO que CO2 por la diferencia en entalpías de formación de ambas reacciones. De manera
paralela a esto, la presencia de vapor de agua promueve una mayor generación de H2 y, dado la adición de
oxigeno nuevamente a la mezcla, tiende a favorecer la producción de CO2 sobre la de CO. En términos
generales, se favorece una mayor presencia de H2 dado los productos de su combustión y su poder calorífico
superior al del CO, pero, como muestran los resultados, la relación vapor combustible limita en de mayor forma
la creación de CO que el aumento de H2 y de esta manera disminuye el poder calorífico neto del total de los
gases. Esto se puede identificar de manera clara tanto en la tabla 7 cómo en la gráfica 12.
GRÁFICA 11: FRACCIONES MOLARES GENERADAS DE H2.
Para el cálculo del poder calorífico neto se utilizó la densidad energética del monóxido de carbono, hidrogeno
y metano y su respectiva fracción molar por medio de la siguiente ecuación:
𝐻𝐻𝑉𝑁𝑒𝑡𝑜 = ∑ 𝑁𝑖 ∗ 𝐻𝐻𝑉𝑖
Y utilizando los siguientes valores de referencia para la densidad energética de cada gas:
TABLA 6: DENSIDAD ENERGÉTICA PARA CADA GAS COMBUSTIBLE
Especie HHV [MJ/m3]
CH4 39,9
CO 12,6
H2 12,8
TABLA 7: RESULTADOS PARA EL HHV NETO PRODUCTO DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN.
HHV neto de los gases producto de la Gasificación [MJ/m3]
SF=0 SF=0.5 SF=0.6 SF=0.7 SF=0.8 SF=0.9
ER
1,12 0,54 0,47 0,46 0,46 0,45 0,44
1,24 0,98 0,89 0,88 0,86 0,85 0,84
1,36 1,41 1,29 1,27 1,25 1,23 1,21
1,48 1,82 1,66 1,63 1,60 1,57 1,55
1,6 2,37 2,13 2,08 2,04 2,00 1,97
GRÁFICA 12: PODER CALORÍFICO SUPERIOR NETO PARA LOS GASES GENERADOS.
ILUSTRACIÓN 4:DIAGRAMA TERNARIO C-H-O DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN. OBTENIDO DE: [11] PG: 118
Conclusiones:
• Se encontró que la cascara de la nuez de Sacha Inchi tiene un poder calorífico bruto de 103.27
MJ/Kmol o 4.39 MJ/Kg lo cual indica que tiene un potencial energético comparativo con otras
biomasas comunes en Colombia, como lo son el bagazo de caña y la cascarilla de arroz. [10]
• En términos generales, el aumento de la relación vapor-combustible en los rangos propuestos no es
benéfico para la producción de gas sintético por medio de la gasificación de la biomasa, siendo que
disminuye en mayor medida la presencia de monóxido de carbono que la que aumenta la de hidrogeno.
Obteniendo así un poder calorífico neto menor.
• La variación de la relación de equivalencia hacia el valor máximo propuesto (1,6) y sin presencia de
vapor de agua es la combinación con el poder calorífico superior mayor en las 30 posibles
combinaciones de ambas características.
• Los rangos utilizados para la variación, tanto de la relación vapor-combustible como relación
equivalencia, no son lo suficientemente amplios para determinar de manera segura una combinación
óptima para producción de biogás sintético. Esto se refleja en la comparación de las temperaturas de
llama adiabática obtenidas con las presentes en la literatura siendo estas últimas mucho menores. Esto
implica una variación mucho mayor en la relación de equivalencia, valores que también, según la
literatura, alcanzan su punto óptimo entre 3-5. Valores muy lejanos a los utilizados [11].
• El modelo expuesto es netamente de carácter termodinámico y por consiguiente no toma en cuenta
ningún parámetro de carácter hidrodinámico o geométrico relacionados con el tipo de gasificador y las
características del mismo. Este modelo no toma en cuenta la cinética, el calor o la transferencia de
masa y asume una velocidad infinita de reacción y que efectivamente todas las reacciones posibles se
llevarán a cabo y en su defecto se completarán.
• Para poder obtener una predicción más completa es necesario obtener un análisis estadístico de las
propiedades obtenidas por medio del análisis último y próximo y, de esta manera, tener una perspectiva
más amplia de las propiedades de la biomasa y por consiguiente de su potencial para la producción de
biocombustible.
Bibliografía
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[Último acceso: 12 03 2019].
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[13] Y. A. Cengel y M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach Sixth Edition, New
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Available: https://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/.