Proceso de captura de CO2 mediante absorción química con aminas: Modelado y optimización utilizando programación matemática

PATRICIA L. MORES; NICOLÁS J. SCENNA; SERGIO F. MUSSATI

Buenos Aires

Jornada; Primeras Jornadas de Intercambio y Difusión de los Resultados de Investigaciones de los Doctorandos en Ing.; 2010

FRBA - UTN - Rectorado

Las emisiones crecientes de CO2 procedentes de la combustión de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) son causantes en gran medida de los efectos de calentamiento global del planeta (efecto de los gases de invernadero) y en consecuencia, del cambio climático, por lo que su captura es una de las principales metas propuestas por casi la totalidad de los organismos oficiales a nivel mundial. La captura del CO2 presente en los gases de combustión puede realizarse eficientemente mediante procesos de absorción química con solventes, adsorción física, separación por membranas, entre otros. De estos procesos, la absorción química con aminas es el más desarrollado y con mayores potenciales en el futuro.Este trabajo presenta un modelo matemático del proceso de captura de CO2 mediante la absorción química con MEA (Monoetanolamina) que permite determinar las condiciones operativas que maximicen la cantidad de CO2 absorbida.Básicamente, el proceso de captura consiste en el contacto y reacción de los gases de combustión con una solución acuosa de MEA en una torre de absorción, y la posterior recuperación del solvente en una unidad de regeneración.Para el modelado, las columnas se han dividido en una serie de etapas en contracorriente asumiendo mezcla perfecta entre la fase líquida y fase gas.El modelo matemático se desarrolló a partir de balances de materia y energía,relaciones de equilibrio químico debido a las reacciones y disociación de las especies en la fase líquida y relaciones de equilibrio liquido-gas asumiendo que solo el CO2 y el H2O pueden ser transferidos entre fases. Por otro lado, se estimó la eficiencia de cada etapa a fin de considerar el estado real de no-equilibrio. Dicha eficiencia depende de las velocidades de reacción CO2-amina, de las propiedades del líquido y del gas (densidad, viscosidad, difusividad y tensión superficial) y del tipo y dimensiones globales del relleno.El modelo resultante, no lineal y no convexo, fue implementado en GAMS (GeneralAlgebraic Modeling System). CONOPT, un algoritmo de optimización ?local? basado en el método del gradiente reducido generalizado fue utilizado como resolvedor no-lineal. Los resultados obtenidos de la validación y optimización del sistema han sido discutidos mediante varios casos de estudio. En todos los casos la validación mostró una concordancia satisfactoria con datos experimentales y aquellos obtenidos utilizando simuladores comerciales. Por otro lado y con el objetivo de maximizar la eficiencia de remoción usando un requerimiento mínimo de servicios auxiliares, dadas las condiciones de los gases de combustión y las dimensiones globales de las columnas, se han obtenido las condiciones operativas óptimas así como los perfiles internos de temperatura, composición y caudal a lo largo de las columnas permitiendo una evaluación detallada de todas las variables del proceso.