Modelado De Membrana De Separacion CO2 Y CH4

INTRODUCCIÓN

El uso eficiente de los recursos naturales es el objetivo de muchas investigaciones y de nuevas tecnologías que se desarrollan hoy en día.

En cuanto al petróleo y el gas natural, el posible agotamiento de estos recursos ha conducido las investigaciones a tratar de encontrar fuentes alternativas al uso de materias primas no renovables a través de procesos que sigan siendo rentables.

El metano es un compuesto orgánico, es el alcano más sencillo dentro de los hidrocarburos. A temperatura ambiente es un gas y está presente en fósiles de desechos orgánicos que se obtiene de los gases en los yacimientos de origen fósil, pero también puede obtenerse de los desechos orgánicos.

Asimismo, las grandes cantidades de estiércol o materia fecal animal que se producen en el sector agrícola originan una mezcla de gases combustibles conocida como biogás. El biogás está compuesto aproximadamente por 55 a 70% de metano, 30 a 45% de dióxido de carbono y 1 a 3% de otros gases, y tiene una capacidad calorífica que oscila en las 5.500 Kcal/m3. El proceso de obtención del mismo es a partir de desechos orgánicos que pasan por un proceso de digestión anaeróbica, en el cual la materia prima se descompone en ausencia de oxígeno gracias a la acción biológica de un conjunto de bacterias. Este proceso de obtención de Metano y Dióxido de Carbono requiere de un proceso selectivo de separación.

La separación por medio de una membrana permeable se muestra como una de las elecciones más eficiente en comparación con otros procesos. La separación de estos dos compuestos permitiría a su vez la obtención económica de CO2 que puede ser usado en el proceso de inyección en yacimientos de petróleo para aumentar la movilidad del mismo1.

El objetivo de este trabajo se basa en desarrollar la simulación de un separador selectivo para llevar a cabo la separación CH4-CO2, y así estudiar los efectos producidos por el espesor de la membrana utilizada, a través del lenguaje de programación de ANSYS CFX.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

El metano en los últimos años ha sido aplicado como fuente de energía alternativa a pequeña escala, por ejemplo como combustible en las turbinas de gas o en generadores de vapor. En muchas ciudades, el metano es empleado para la calefacción y para cocinar. De allí la rentabilidad de su extracción a partir del biogás.2

Una vez obtenido el biogás es necesario extraer el dióxido de carbono presente; de esta manera el metano contenido puede ser atrapado y utilizado para combustible y a su vez permite obtener el dióxido de carbono para su posterior uso.

Los procesos de separación con membrana proporcionan dos ventajas importantes. En primer lugar, es una alternativa de ahorro de energía para la separación de CO2 ya que no requiere ningún cambio de fase. En segundo lugar, el equipo necesario para el proceso es muy simple, sin partes móviles, compactos y relativamente fáciles de manejar y controlar, además de ser de fácil dimensionamiento.2

Las membranas han sido ampliamente utilizadas en diversas aplicaciones industriales de separación para las dos últimas décadas. Se estima que los ingresos anuales de la industria por este concepto a nivel mundial son de más de mil millones de dólares con una tasa de crecimiento anual de alrededor del 10%.

El proceso de permeación se basa en que las moléculas más pequeñas, o las de mayor afinidad con la membrana, pasen atreves de ella por acción de alguna fuerza impulsora, (presión, concentración, características de las moléculas), y las moléculas que no permean forman el retenido. De tal manera que se logra la separación de grupos de moléculas por la selectividad de la membrana.

La permeación implica una absorción de moléculas del producto químico en la superficie de contacto (externa) del material, difusión de las moléculas absorbidas en el material, y desorción de las moléculas por la superficie opuesta (interna) del material.

Se conoce como Permeabilidad (P), a la capacidad de la membrana para permitir el paso del flujo de un compuesto. Al dividir esta propiedad entre el espesor de la membrana, se obtiene la Permeancia (PM), el cual tiene las mismas características que la permeabilidad.

Por lo general, en la literatura aparece reportada la permeancia de la membrana respecto a un componente, y una propiedad adicional, denominada Factor de separación ideal (PS), el cual se define como3:

PS_a= P_(M,a)/P_(M,b) (Eq. 1)

En la permeación de gases la fuerza impulsora para la separación es el delta de presión. En donde el fluido de arriba (la alimentación) tiene una presión alta o al menos mayor a la presión del otro lado de la membrana para favorecer el movimiento del fluido. Como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Esquema general del proceso de separación por membranas.

La selectividad es un parámetro característico de cada membrana, y depende de propiedades tales como el tamaño de la molécula, su forma, la adsorción o solubilidad, la difusividad, y porosidad de la membrana3. La selectividad puede ser calculada empleando la Ec. (1), para una mezcla binaria:

Sa= (Y_aP/Y_aF)/(Y_bP/Y_bF ) (Eq.2)

La porosidad de la membrana es la fracción del volumen de espacios vacíos en un material sobre el volumen total.

En algunos casos favorece añadir una corriente de barrido para el permeado, de manera que la presión parcial de este siempre se mantenga siempre baja y el delta de presión sea constante en todo momento, de tal manera que la velocidad en que se permea el componente se mantenga al menos constante. Figura 2.

Figura 2. Esquema general de separación por membranas, con una corriente de barrido.

La difusión es parte del proceso de permeabilidad y se denomina difusión simple al proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía5.

La difusión en los poros se puede llevar a cabo por medio de tres o más mecanismos, dentro de los cuales resaltan:

Difusión de Fick: Si los poros son grandes y el gas relativamente denso, la transferencia de masa se llevará a cabo por medio de la difusión de Fick.

Difusión Knudsen: Ocurre cuando el tamaño de los poros son muy pequeños por lo que la trayectoria media libre de la molécula en difusión es mayor que el diámetro del poro del catalizador; las colisiones ocurrirán principalmente

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