Captura de co2 mediante absorción no dispersiva con líquidos iónicos y desorción a vacío
- Autores: Jose Manuel Vadillo Abascal
- Directores de la Tesis: Lucía Gómez Coma (codir. tes.), Ángel Irabien Gulías (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Arturo Romero Salvador (presid.), Inmaculada Ortiz Uribe (secret.), Juan José Rodríguez Jiménez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química, de la Energía y de Procesos por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: UCrea
- Resumen
- español
El aumento de las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera se presenta como el principal causante del calentamiento global y consecuentemente, del cambio climático. En el presente año 2021, el CO2 en la atmósfera ha superado en un 60 % los valores previos a la revolución industrial, llegando a alcanzar los 420 ppm, debido, principalmente, a la elevada demanda de energía y a la dependencia de los combustibles fósiles como consecuencia del aumento de la población, de la industrialización y del transporte. Por este motivo, en la actualidad, gran parte de los esfuerzos de investigación se centran en el desarrollo de tecnologías eficaces para mitigar el cambio climático y adaptar el estilo de vida de la sociedad a esta problemática ambiental. En este contexto, la captura, utilización y almacenamiento de dióxido de carbono (CCUS, por sus siglas en inglés), se presenta como una de las opciones actuales de mitigación más prometedoras para minimizar las emisiones en grandes focos industriales en un corto periodo de tiempo.
De las tecnologías existentes para la captura de CO2, el sistema convencional basado en grandes columnas de absorción-desorción y disoluciones de aminas, está recibiendo la mayor atención por su capacidad para operar en grandes industrias ya existentes (retro-fitting). Sin embargo, aún son necesarios grandes esfuerzos para lograr un mejor rendimiento del proceso que reduzca el consumo de energía y el impacto ambiental. Por ello, el objetivo de esta Tesis Doctoral es contribuir al desarrollo de procedimientos innovadores alternativos para la intensificación del proceso captura de CO2, principalmente, en corrientes de gases de combustión provenientes de plantas de generación de energía y sectores de difícil descarbonización como la industria cementera, siderúrgica y química. En particular, y en base al estado del arte actual y los resultados obtenidos dentro del grupo de investigación DePRO, donde se ha desarrollado la presente Tesis Doctoral, este trabajo se ha centrado en el estudio de la desorción a vacío con contactores de membrana (Membrane Vacuum Regeneration, MVR) y líquidos iónicos (ILs, por sus siglas en inglés) como agentes absorbentes, así como en el estudio de la influencia de esta etapa de desorción en el sistema completo de captura no dispersiva de CO2.
En primer lugar, se ha elaborado, utilizando el software Aspen Custom Modeler v11 (ACM), un modelo matemático en dos dimensiones de la etapa de desorción a vacío en estado estacionario, basado en la tecnología MVR y líquidos iónicos. Este modelo flexible, permite diseñar contactores de membrana de fibras huecas con herramientas de simulación convencionales como Aspen Plus (AP), que, en la actualidad, no cuentan con este tipo de unidad de operación en su biblioteca, y por tanto, no es posible simular de forma adecuada un proceso con módulos de membrana de fibras huecas. Además, el modelo se ajusta experimentalmente con resultados del comportamiento de dos líquidos iónicos representativos de distintas naturalezas de absorción de CO2, el IL químico 1-ethyl-3- methylimidazolium acetate [emim][Ac] y el IL físico 1-ethyl-3- methylimidazolium methylsulphate [emim][MS]. Para ello, se diseña y se construye el sistema experimental de separación de gases llevando a cabo el proceso continuo de absorción-desorción con contactores de membrana comerciales de polipropileno de 0.18 m2 de área de contacto, los cuales presentan la flexibilidad necesaria para evaluar diferentes condiciones de operación tanto de temperatura (289 y 313 K) como de presión de vacío (0.04, 0.2 y 0.5 bar). Como resultado, el modelo elaborado es capaz de predecir el resultado del proceso con una de desviación dentro del ±15 % entre los resultados estimados y experimentales. Además, se valida el modelo con otros tres líquidos iónicos similares al [emim][Ac] en términos de mecanismo de reacción, el 1- butyl-3-methylimidazolium acetate [bmim][Ac], 1-butyl-3- methylimidazolium isobutyrate [bmim][i-but] y el 1-butyl-3-methylimidazolium glycinate [bmim][GLY].
En segundo lugar, se desarrolla la aplicación del software COSMO-RS para estimar a priori las propiedades termodinámicas de los líquidos iónicos utilizados y con ello, facilitar la simulación del proceso, ya que los ILs no estén presentes actualmente en las bases de datos de las herramientas comerciales de simulación. En este contexto, se plantea la metodología COSMO/ Aspen Plus para importar el modelo creado de la etapa de desorción a la herramienta de simulación comercial Aspen Plus (AP) y así, mediante la simulación del proceso, estimar el rendimiento y el flujo de CO2 desorbido a partir de un análisis paramétrico de las condiciones de operación: caudal de líquido iónico, temperatura, presión de vacío y longitud del módulo. De esta manera, las eficiencias máximas de desorción simuladas en este trabajo, usando un contactor de membrana comercial de 0.18 m2, siguen la tendencia que se muestra a continuación: 91 % [emim][Ac] > 75 % [emim][MS] > 65 % [bmim][Ac] > 60 % [bmim][i-but] > 50 % [bmim][GLY]. A partir de esta tendencia, se puede destacar que la mejora en el rendimiento del proceso está determinada principalmente por la baja viscosidad y la mayor capacidad de absorción del líquido iónico, que resulta en mayor gradiente a través de la membrana.
En tercer lugar, se evalúa el consumo de energía del proceso de desorción a vacío con contactores de membrana, con el fin de realizar una comparación con el sistema de regeneración convencional. En este sentido, se consideran el IL químico [emim][Ac] y el IL físico [emim][MS], ya que, además de ser los líquidos iónicos que han presentado mejores rendimientos, permiten evaluar la influencia de la naturaleza de la absorción química o física en términos de consumo de energía. A pesar de que el objetivo típico de eficiencia de la etapa de desorción es de 90 %, para el cálculo de los requerimientos energéticos, se considera la eficiencia del 75 % como un valor admisible y competitivo con los procesos convencionales. Así, para una eficiencia de proceso del 75 %, el consumo total de energía de la tecnología MVR para los líquidos iónicos [emim][Ac] y [emim][MS] es de 0.46 MJe·kg_CO2-1 y 0.34 MJe·kg_CO2-1, respectivamente. Comparando con el consumo de energía del sistema de desorción convencional basado en aminas, cuyo valor es de 1.55 MJe·kg_CO2-1, se demuestra el potencial para reducir los costes energéticos empleando esta nueva tecnología basada en contactores de membrana y líquidos iónicos.
Finalmente, se discute la influencia de la desorción a vacío en el rendimiento global del proceso de captura de CO2 mediante absorción no dispersiva. Para ello, se seleccionan de nuevo los líquidos iónicos [emim][Ac] y [emim][MS] y se comprueba que, la tecnología MVR puede aumentar el rendimiento global de la captura en un 26 % y un 9 %, respectivamente, en comparación con un sistema de absorción no dispersiva único (sin etapa de desorción integrada).
Adicionalmente, se evalúa de nuevo el proceso de absorción-desorción, pero con disoluciones acuosas (30 % en volumen) de los ILs utilizados previamente, para analizar la influencia de la viscosidad en el rendimiento del sistema completo de captura y la capacidad de absorción de los ILs. En este sentido, el uso de una disolución acuosa del IL físico [emim][MS] aumenta la eficiencia del proceso alrededor de un 10 %, mientras que el uso de una disolución acuosa de [emim][Ac], pese a que en la etapa de absorción presenta resultados prometedores, resulta en una reducción en el rendimiento en el proceso absorción-desorción debido a la pérdida de potencial de la reacción química por la adición de agua.
Los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral ponen de manifiesto el interés que suscita la mejora de la etapa de regeneración convencional mediante un nuevo sistema basado en la desorción a vacío con contactores de membrana y líquidos iónicos, así como su influencia en el sistema completo de captura de CO2. En este sentido, el reto actual es garantizar la competitividad de esta novedosa estrategia para conseguir la viabilidad tecno-económica de esta tecnología y acercar el proceso a una escala comercial.
- English
The capture, utilization and storage of carbon dioxide is presented as one of the most promising current mitigation strategies to minimize CO2 emissions in large industrial sites in a short period of time. In this sense, this Doctoral Thesis contributes to the development of innovative procedures for the intensification of the conventional capture process, using non-dispersive absorption technology with ionic liquids and vacuum desorption. For this purpose, on the one hand, a two-dimensional mathematical model of a membrane module has been designed and experimentally validated. On the other hand, the thermodynamic properties of the ionic liquids used as adsorbents have been estimated by means of predictive molecular models. All this allows a parametric analysis of the desorption performance and the CO2 desorbed flux, a calculation of the energy requirements and an evaluation of the influence of desorption process on the total CO2 capture performance. The results obtained achieve a regeneration efficiency of 91% and manage to reduce the energy requirements of the conventional system by 1 MJe-kg_CO2-1. These results highlight the interest of the novel intensification technology studied for the improvement of the conventional regeneration stage.
- español
