Proiect [PDF]

Zitiervorschau

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE 1.1. Tema de proiectare. Date inițiale Să se elaboreze proiectul tehnologic al unei instalații de purificare a biogazului prin absorbție în apă. Se dau următoarele date de proiectare: - Debitul de biogaz, G = 850 Nm3/h (condiții normale, T=0oC, P= 1 atm) - Instalația funcționează în regim continuu, 3 schimburi (8 h pe schimb) - Fondul anual de timp: 355 zile (se prevăd 5 zile pentru eventuale reparaţii) - Compoziția biogazului: CH4 = 60 %vol. CO2= 39 %vol. H2S = 0,03 %vol. N2= 0,62 %vol. O2 = 0,35 % vol. - Condiții de lucru: presiunea p= 10 bar și temperatura T= 10oC Utilaje ce vor fi proiectate: - Coloana de absorbție - Pompa centrifugă

1

1.2. Memoriu tehnic Memoriul justificativ este ca o oglinda a lucrarii de licenta. Este de fapt o introducere in tematica aleasa, fiind o parte importanta a proiectului deoarece aici este expusa situatia existenta, ce s-a dorit prin realizarea proiectului, prezentarea pe scurt a tematicii alese, importanta lucrarii. Trebuie sa se observe foarte clar importanta studiului!!!!!

Proiectul tehnologic cuprinde 3 părţi:  Partea scrisă cuprinde totalitatea informaţiilor referitoare la procesul de îmbunătățire a calității biogazului, domenii de utilizare, proprietăţi, alegerea variantei optime cât şi caracterizarea materiilor prime.  Partea de calcul se referă la dimensionarea tehnologică a utilajelor.  Partea desenată cuprinde planşele utilajelelor care au fost proiectate anterior.

2

CAPITOLUL 2. CONSIDERAȚII GENERALE PRIVIND TEHNOLOGIA DE SPĂLARE A GAZELOR LA PRESIUNE RIDICATĂ (HIGH PRESSURE WATER SCRUBBING - HPWS) APLICATĂ LA ÎMBUNĂTĂŢIREA CALITĂŢII BIOGAZULUI 2.1. Dioxidul de carbon (CO2) şi mediul 2.1.1. Structura şi proprietăţile CO2. Surse şi comportarea în mediu. Aplicații Dioxidul de carbon (CO2), format dintr-un atom de carbon (C) şi doi atomi de oxigen (O2) este o anhidridă labilă a acidului clorhidric (H2CO3), compus chimic rezultat din oxidarea carbonului, de obicei de origine organică. Acesta este un gaz la temperatura si presiunea standard şi este prezent în atmosferă ca o urmă de gaz având o concentraţie de 0,039% din volum. Dioxidul de carbon (CO2) a fost considerat ca fiind o substantă diferită de aer. În secolul al XVII-lea, chimistul Jan Baptist van Helmont a observat în timpul unui experiment că în momentul în care arzi un cărbune într-un recipient închis, masa cenuşii rezultate este mult mai mică decât cea a carbunelui original. El a optat pentru o interpretare proprie a acestui experiment şi anume că restul cărbunelui a fost transmutat într-o substanţă invizibilă pe care a numit-o “gaz” sau “spirit sălbatic”. În anul 1750, fizicianul scoţian Joseph Black a studiat mai amănunţit proprietăţile dioxidului de carbon. Acesta a constatat că, calcarul (carbonatul de calciu-CaCO3) ar putea fi încălzit sau tratat cu acizii pentru a obţine un gaz numit “aer stabil”. Black a descoperit că atunci când este barbotat printr-o soluţie apoasă de var, aceasta precipitează carbonat de calciu. Acest fenomen l-a folosit pentru a arăta oamenilor că dioxidul de carbon este produs de respiraţia animală şi de fermentarea microbilor. În anul 1772, chimistul englez Joseph Priestley a publicat o lucrare în care a descris procesul de picurare a acidului sulfuric (H 2SO4) pe cretă, cu scopul de a produce dioxid de carbon, forţând gazul să se dizolve prin agitarea unui vas cu apă în contact cu gazul. În acest fel a apărut apa minerală carbogazoasă. Dioxidul de carbon se găseşte cu precădere în aer dar şi în apă, ca parte a ciclului carbonului în natură. Are un rol important în procesele vitale care se desfăşoară la nivelul plantelor si al celulelor animale (fotosinteză şi respiraţie). Plantele verzi convertesc apa şi dioxidul de carbon în glucoză şi oxigen, proces care poartă numele de fotosinteză. Compuşii alimentari, la rândul lor, în reacţie cu oxigenul, eliberează energia atât de necesară creşterii si dezvoltării organismelor. Fotosinteza este mai intesă în perioadele mai calde ale anului, în timp ce respiraţia este cea care domină în anotimpul rece. Pentru ca anotimpurile din emisfera nordică se manifestă invers în raport cu emisfera sudică, întotdeauna, cantitatea de dioxid de carbon, atunci când este mai ridicată în nord, scade în sud şi invers. Din cauza activităţilor desfăşurate de om, concentraţia de dioxid de carbon din atmosferă a crescut considerabil în ultimii 150 de ani, cantitatea de biomasă şi din oceane fiind peste limita superioară admisă. De la valoarea de 280 ppm din anii 1850, la sfarşitul anilor 1990, s-a ajuns la o cantitate de dioxid de carbon de 364 3

ppm. Creșterea nivelului de dioxid de carbon din aer a început odată cu revoluţia industrială din secolul al XIX-lea şi ritmul s-a accelerat pe măsura trecerii timpului. Principalele cauze sunt arderea combustibililor fosili, producţiilor enorme de ciment, care au poluat zone altadată curate, defrişările excesive şi necontrolate, arderile de lemn în exces şi altele.

Fig. 2.1. Circuitul carbonului în natură

În atmosferă conţinutul de dioxid de carbon variază intre 0,03-0,04% şi înglobează circa 765×109 tone de carbon. Acesta este considerat un component natural al aerului atmosferic, dar în acelaşi timp este un agent poluant în zonele cu creştere semnificativă ale populaţiei, cu mult peste cele naturale admise, cu antrenare de efecte tipice de poluare atmosferică. În mod normal în atmosferă există un echilibru între producerea şi consumul de dioxid de carbon. Suplimentarea conţinutului acestuia poate fi datorată unor surse principale generatoare de emisii în atmosferă, fie acestea naturale sau artificiale. Dioxidul de carbon este un gaz incolor, inodor, cu un gust acrisor sau slab acid, înţepător. Este mai greu decat aerul si relativ solubil în apă (la presiunea atmosferică şi temperatura de 0ºC, într-un litru de apă se dizolvă circa 1,7 litri de CO 2 sau la 100 volume de apă se dizolvă 88 volume de CO2) tinzând să se acumuleze în părţile inferioare ale încăperilor. La dizolvare, o parte din dioxidul de carbon se combină cu apa şi formează acidul carbonic : CO2 + H2O = H2CO3

Principalele proprietăți chimice și fizice ale CO2 sunt prezentate în tabelul 2.1 4

Tabelul 2.1. Principalele proprietăți chimice și fizice ale CO2 CO2

Formula moleculară Masa molară Densitatea Inflamabilitatea Punct de topire Punct de fierbere Solubilitatea în apă Vâscozitatea Aspect

44,01 g/mol Solid: 1600 g/L; Gaz: 1.98 g/L Nu este inflamabil -57,7 ° C (sub presiune) −78,2°C 1.53 g/L 0.07 cP at −78°C Gaz incolor, inodor

CO2 se lichefiază uşor sub presiune (56,5 atm) iar dacă se revine brusc la presiunea normală se produce o răcire puternică care conduce la solidificarea lui într-o masă albă numită “zapadă carbonică”. Caracteristicile specifice sunt evidenţiate şi prin masa moleculară de 44,01 g/mol; punctul de topire de -57,7 ºC ; punctul de fierbere de -78,2ºC şi densitatea vaporilor în aer de 1,53 g/L. În domeniul IR, dioxidul de carbon prezintă un spectru de absorbţie caracteristic care face posibilă dozarea lui. Dixidul de carbon nu arde şi nu întreţine arderea. Ca anhidridă a acidului carbonic, dioxidul de carbon reactionează cu bazele cu formare de săruri. Prin barbotarea lui într-o soluţie de Ba(OH)2 se formează un precipitat alb de carbonat de bariu, conform reacţiei: CO2 +Ba(OH)2 → BaCO3 ↓ + H2O Această reacţie este folosită la identificarea şi dozarea dioxidului de carbon. Reacționează cu oxizii bazici formând carbonaţi. Dioxidul de carbon este o combinaţie stabilă în condiţii normale iar la temperaturi ridicate se descompune în prezenţa unor metale puternic reducătoare până la carbon (carbune). Proprietăţi biochimice ale dioxidului de carbon (CO2) Prin asimilaţie clorofiliană în prezenţa energiei solare, plantele verzi absorb dioxidul de carbon din atmosferă şi elimină oxigen formând carbohidraţi. Procesul de asimilaţie clorofiliană a CO2 în plante este un proces deosebit de complicat si este considerat a fiind un proces endoterm, energia necesară fiind furnizată de lumina solară. Fotosinteza este un element cheie în ciclul carbonului în natură care actionează şi se înterpătrunde cu ciclul oxigenului, mai bine spus cele două cicluri se contrabalansează unul pe celălalt în natură iar, fără ele viaţa pe Pământ nu ar fi posibilă. 5

Dioxidul de carbon nu este toxic, dar, poate deveni toxic în concentraţii mari în aerul inspirat deoarece împiedică eliminarea normală a dioxidului de carbon provenit din activitatile metabolice. Se dizolvă în sânge şi este transportat în ţesuturi. La concentraţii mici, dioxidul de carbon este un stimulator al centrului respirator şi un toxic pentru miocard. La concentraţii de 34 % CO2 în aerul inspirat apar primele tulburări evidenţiate prin accelerarea respiraţiei , dureri de cap , manifestări digestive. La o concentraţie de 8% CO2 în aerul inspirat, posibilitatea de supraveţuire este foarte limitată în timp iar la o concentraţie de 20 % CO2 survine moartea. Efecte globale de poluare atmosferică datorate dioxidului de carbon Dioxidul de carbon este inclus în grupa compuşilor gazoşi care fac parte din gazele cu efect de seră alături de metan (CH4) , protoxidul de azot (N2O), clorofluorocarbonii (CFC) şi care manifestă un efect global considerabil asupra echilibrului termic al Pământului.Captarea energiei termice emisă de pe suprafaţa terestră în troposferă de către gazele cu efect de seră asigură încălzirea aerului troposferic şi permite întreţinerea vieţii pe Pământ (în lipsa efectului de seră , suprafaţa terestră ar fi prea rece pentru a întreţine viaţa). Atmosfera este cel mai larg vector de propagare a poluanților, ale căror efecte se resimt la nivel local, regional, contribuind chiar și la schimbări climatice la nivel global. Un risc ridicat de poluare o constituie poluarea de impact. Poluarea de impact este produsă în zonele aflate sub impactul direct al surselor de poluare: surse de poluare cu gaze și vapori și surse de poluare cu particule solide. Principalii factori de poluare atmosferică care contribuie la schimbările climatice la nivel regional și nu numai sunt emisiile rezultate din activitatea economică și traficul rutier intern și de tranzit. Analizând cantitatea de emisii de CO2 la nivelul Uniunii Europene, s-a constatat că cea mai mare cantitate este rezultată în urma producerii de energie electrică și termică. De exemplu, producția de energie bazată pe cărbune în statele UE a generat aproximativ 950 milioane de tone de emisii de CO 2 în anul 2005, ceea ce reprezintă 24% din totalul emisiilor de CO2 din UE.

4%

0%

12%

5%

10%

9%

15%

Alte activitati

20% Industrie

8%

25% Constructii

13%

30%

35%

Transport

40%

Electricitate

Fig. 2.2. Emisiile globale de CO2 in Europa pe sectoare (Sursa datelor : CO2 Emissions Statistics, International Energy Agency)

6

45%

50%

Emisiile de CO2 generate din diferite sectoare de activitate la nivel european sunt reprezentate în Fig. 2.2. În ceea ce priveşte România, emisiile de CO 2 generate din diferite sectoare de activitate evidenţiază de asemenea contribuţia majoră a sectorului energetic şi a transporturilor, ceea ce înseamnă că acestea sunt domeniile asupra cărora sunt necesare implementarea unor măsuri și acțiuni de reducere a emisiilor de CO2 (Fig. 2.3).

9%

0%

8%

22%

20%

13%

40% Alte activitati

48%

60% Industrie

Constructii

80%

100%

Transport

120%

Electricitate

Fig. 2.3. Ponderea emisiilor de CO2 pe sectoare de activitate în România (Sursa datelor: International Energy Agency – IEA)

Aplicaţii ale dioxidului de carbon (CO2) Dioxidul de carbon alimentar, într-o formă extrem de purificată, are proprietăţi şi calităţi unice, fiind utilizat pe scară largă în industria băuturilor carbogazoase, la prelucrarea şi ambalarea produselor alimentare, în industria de transport frigorific, etc.

Industria chimică

CO2

Industria alimentară

Industria medicamentelor

-producția de metanol, uree, soda caustică, carbonați, bicarbonați - CO2 lichid sau solid utilizat pentru înghețarea, răcirea și refrigerarea în transportul produselor alimentare - pentru carbonarea băuturilor răcoritoare, a berii și a vinului -pentru producerea cafelei (decofeinizare)

- aditiv la oxigen pentru uz medical ca stimulant al respirației

Fig. 2.4. Principalele aplicații ale CO2 (Cozma și Gavrilescu, 2010)

Bogăţia României în resurse de ape minerale de masă sau terapeutice, este recunoscută în toată lumea. Apele minerale naturale din România conţin diferite minerale si săruri şi sunt de 7

multe ori impregnate natural cu dioxid de carbon (CO2), în funcţie de izvor. Caracterul carbogazos se obţine prin dizolvarea dioxidului de carbon (CO 2) întâlnit in calea de circulaţie subterană a apelor (conţinutul natural de CO 2 este în proporţie de 40 – 70% din mineralizarea totală, în funcţie de izvor) şi ulterior, prin impregnarea controlată cu dioxid de carbon (CO 2) alimentar pe parcursul îmbutelierii. Un proces asemănător are loc şi pentru producerea apei carbogazoase de masă (sifon). Industria chimică utilizează CO2 ca materie primă pentru creşterea randamentului de producere a ureei. Ureea reprezintă aproape 50% din producţia mondială de îngrăşământ azotat, fiind obţinută din reacţia chimică a amoniacului cu dioxidul de carbon la temperatură şi presiune ridicate. Procesul de obţinere este un proces în două etape în care amoniacul reacţionează cu dioxidul de carbon formând carbanatul de amoniu, care apoi este deshidratat obţinându-se uree. Atunci când gazul natural este materia primă pentru producţia de uree există un surplus redus de amoniac (aproximativ 5÷10%) care poate reacţiona cu CO2 asigurat din afara instalaţiei (CO2 non captiv) pentru producerea suplimentară a ureei. Industria produselor alimentare atrage dupa sine o responsabilitate considerabilă şi este esenţial ca toate aspectele legate de producţie sa fie urmărite foarte riguros. Dioxidul de carbon (CO2) alimentar are un rol important în asigurarea calităţii alimentare pe parcursul întregului lanţ de producţie. Temperatura în timpul prelucrării sau transportului este asigurată destul de simplu prin folosirea dioxidului de carbon lichid (LIC) sau a gheţii uscate. Dioxidul de carbon (CO 2) alimentar asigură un mediu de îngheţare blând, versatil şi eficace pentru industria alimentară. Dioxidul de carbon (CO2) este folosit frecvent ca agent refrigerent în congelarea criogenică (răcire rapidă) în industria alimentară, aspect care îmbunatăţeşte atât calitatea produselor cât şi termenul de valabilitate. Ambalarea sub atmosferă a dioxidului de carbon (CO 2) poartă şi denumirea de MAP – atmosfera modificată de ambalare. Utilizarea acesteia pentru produsele alimentare are ca rezultat imediat prelungirea termenului de valabilitate şi consecutiv menţinerea calităţii produselor când vor fi consumate. Gheaţa carbonică se obţine prin destinderea dioxidului de carbon (CO2) lichid formându-se zăpada de CO2 şi prin comprimarea acesteia se formează blocurile de gheaţă uscată. Acestea se pot redimensiona în funcţie de necesităţi în placi şi/sau pelete. Gheaţa carbonică are un grad mare de puritate, nu este toxică şi nici inflamabilă Este lipsită de gust şi miros şi are un efect de răcire de două ori mai mare decât gheaţa obţinută din apă. Transportul frigorific de mărfuri perisabile este un sector în continuă creştere care a suferit schimbări majore din cauza legislaţiei actuale cu privire la protecţia mediului şi conformitatea produselor. Dioxidul de carbon (CO2) sub formă de gaz şi/sau gheaţa carbonică este capabil să menţină temperatura necesară pe parcursul întregului lanţ de distribuţie, de la producător la consumatorul final. În toate aceste etape există un control excelent al temperaturii. Utilizarea dioxidului de carbon (CO2) ca agent refrigerent, oferă o mare flexibilitate logistică prin faptul că nu este nevoie de instalaţii speciale, care produc poluare, zgomot şi necesită investiţii suplimentare. În industria de medicamente, dioxidul de carbon are diverse destinaţii medicale. Poate fi utilizat ca gaz pentru insuflare în chirurgia minim invazivă (laparoscopie, endoscopie şi 8

artroscopie), pentru a mări şi stabiliza cavităţile corporale pentru o vizibilitate mai bună a câmpului chirurgical. De asemenea, în stare lichidă, poate fi utilizat pentru a furniza temperaturi de până la -76 °C, în crioterapie sau ca analgezic local, prin aplicare externă pe suprafaţa pielii.Alte aplicaţii medicale includ stimularea respiratorie tranzitorie şi încurajarea respiraţiei profunde şi a tuşitului pentru a preveni sau trata atelectazia. Alte aplicaţii ale dioxidului de carbon: utilizarea CO2 ca fluid de lucru pentru sistemele geotermale avansate; utilizarea CO2 pentru recuperarea avansată a petrolului; utilizarea CO2 ca materie primă pentru mineralizarea carbonaţilor; utilizarea CO2 pentru carbonatarea reziduurilor de bauxită.

2.2. Îmbunătăţirea calităţii biogazului (biogas upgrading) utilizând tehnologia HPWS 2.2.1. Privire de ansamblu asupra compoziţiei biogazului şi a tehnologiilor aplicate pentru tratarea acestuia

 Compoziția generală a biogazului Prin termenul de biogaz, acceptat pe plan internaţional se întelege produsul gazos ce rezultă în cursul fermentării anaerobe a materiilor organice de diferite provenienţe. S-au vehiculat şi alte denumiri cum ar fi „biometan”, „gaz de baltă” sau „gaz de fermentare” dar nici una dintre aceste denumiri nu a întrunit accepţiunea majoritară a specialiştilor, întrucât nu exprimă suficient de exact natura sau provenienţa produsului: un gaz obţinut prin mijloace biologice. Cert este că biogazul este un amestec de gaze. Principalele sale componente sunt: •Metanul (CH4), în proporţie de 55-70%; •Dioxidul de carbon (CO2), în proporţie de 28-43%; •Alte gaze ca hidrogenul sulfurat (H 2S), azotul (N2), oxidul de carbon (CO), oxigenul (O2) care împreună, nu depăşesc, în general 2%. Biogazul se obţine în principal din produse secundare şi reziduale din agricultură: dejecţii proaspete de animale, deşeuri vegetale, reziduuri din industria agro-alimentară, de prelucrare a fructelor şi legumelor şi industria celulozei şi hârtiei, precum şi din nămolul de la staţiile de epurare a apei uzate. Acesta este un produs obţinut prin conversie biologică, în urma fermentării anaerobe, printr-o oxidare parţială (cu accesul foarte scăzut al aerului) şi în prezenţa bacteriilor metanogene, a biomasei. Biomasa este substanţa organică a tuturor plantelor şi animalelor precum şi a deşeurilor şi rezidurilor. Utilizarea energetică a biomasei este datorată conversiei bioenergetice. Compoziția tipică a biogazului produsă în depozitele de deșeuri și prin digestia anaerobă este prezentată în tabelul 2.5. În acest tabel este prezentată compoziția biogazului înainte de curățarea și modernizarea gazului și compoziția gazului natural după curățarea gazului. Gazele 9

naturale brute sunt prelucrate în mod normal, pentru a îndepărta umiditatea, hidrogenul sulfurat, hidrocarburi gazoase grele și alte urme de elemente. Tabelul 2.5. Compoziția și parametrii gazului din diferite surse (Persson et al., 2006) Parametru

Unitate

Gazul din depozit

Valoarea inferioara de incalzire Densitatea Indicele wobbe superior Numarul de metan Metan Metan,variatie Hidrocarburi superioare Hidrogen

MJ/nm3 kWh/nm3 MJ/kg Kg/nm3 MJ/nm3

16 4,4 12,3 1,3 18

Oxid de carbon Dioxid de carbon Dioxid de carbon Azot Azot,variatie Oxigen Oxigen,variatie Sulfat de hidrogen Sulfat de hydrogen,variati e Amoniac Clor total (sub formă de Cl-)

130

Gaz natural Marea Nordului

Biogaz din AD

Gaz natural olandez

23 6,5 20,2 1,2 27

40 11 47 0,84 55

31,6 8,8 38 0,8 43,7

>135

70

-

Vol-% Vol-% Vol-%

45 35-65 0

63 53-70 0

87 12

81 3,5

Vol-%

0-3

0

0

-

Vol-% Vol-% Vol-% Vol-% Vol-% Vol-% Vol-% ppm

0 40 15-50 15 5-40 1 0-5