1. Aplicaciones de los líquidos iónicos en los procesos de refinado
El refinado del petróleo ha sido una de las tecnologías clave que han impulsado el desarrollo económico mundial y el avance tecnológico durante más de un siglo. Aunque gran parte de la tecnología utilizada en las refinerías se considera madura, la industria siempre está buscando formas de introducir mejoras en los procesos, reducir el impacto medioambiental, aumentar la seguridad y lograr reducciones de costes. En particular, se ha prestado mucha atención a la mejora de la tecnología existente para la hidrodesulfuración (HDS), la hidrodesnitrificación (HDN), la hidrodesoxigenación (HDO) y la alquilación. Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas y a sus ventajas medioambientales frente a los disolventes o catalizadores utilizados tradicionalmente, el interés por los líquidos iónicos para estos procesos de refinería ha aumentado exponencialmente en los últimos años. [1]. Se ha demostrado que los catalizadores de alquilación basados en IL facilitan una alquilación eficaz al tiempo que evitan los principales problemas de corrosión (como: el agrietamiento por corrosión bajo tensión), seguridad y operatividad asociados a la tecnología tradicional basada en HF. La alquilación suele utilizar un catalizador como el ácido sulfúrico o el HF para crear gasolina de alto octanaje. Sin embargo, el uso de HF se ha asociado a explosiones en la refinería de Filadelfia. La Junta de Seguridad Química de Estados Unidos (CSB) ha pedido que se actualicen las normas de seguridad en torno al uso del HF. La desulfuración extractiva (EDS) de fuelóleos mediante líquidos iónicos (LI) se ha estudiado intensamente en las últimas décadas y tiene un buen futuro como método alternativo o complementario al HDS. Este proceso funciona en condiciones duras, como alta temperatura, alta presión y necesidad de un catalizador noble e hidrógeno. Al utilizar esta tecnología existente, los tubos de acero pueden ser propensos al fallo por ataque de hidrógeno a alta temperatura (HTHA). El HTHA (a veces denominado «reacción del metano») se produce a altas temperaturas entre el hidrógeno molecular gaseoso contenido en el interior del recipiente a presión de acero y los átomos de carbono situados en la matriz de acero o en los carburos. Durante esta reacción se producen moléculas de metano. Este fenómeno puede provocar una pérdida de propiedades mecánicas debido a la descarburación de la superficie y a la formación de defectos causados por burbujas de metano localizadas principalmente en los límites de grano. El accidente del Tesoro Anacortes se produjo durante la puesta en marcha de la «unidad de hidrotratamiento de nafta» de la refinería tras una parada de mantenimiento.
Se han aplicado metodologías de simulación robustas para analizar aplicaciones IL clave: captura física y química de CO2, separación de gases, extracción líquido-líquido, destilación extractiva, ciclos de refrigeración y biorrefinería. [2].
2. Simulaciones numéricas de la producción de biodiésel
Se han realizado simulaciones de dinámica de fluidos computacional de la producción de biodiésel aplicando el modelo de disipación de remolinos (EDM) acoplado al modelo de tensión de Reynolds (RSM). El rendimiento de biodiésel calculado se comparó bien con los resultados experimentales [3]. Mekala aplicó el código ANSYS Fluent para resolver las ecuaciones de transporte de flujo de fluidos, calor y transferencia de masa en reactores de lecho compacto [4]. Este trabajo contiene un diseño multifísico de un reactor de esterificación para la transformación de ácido oleico y metanol en FAME empleando un fluido de alto punto de ebullición. Es probablemente la primera vez que se propone que el fenilnaftaleno suministre el calor necesario para mantener la reacción de esterificación para obtener FAME [5]. En el marco de este trabajo de investigación, los líquidos iónicos se han aplicado en reacciones orgánicas como disolventes y catalizadores de la reacción de esterificación. Las grandes cualidades de los fluidos de alta temperatura de ebullición, junto con los avances en las industrias del petróleo y el gas, hacen que el concepto orgánico sea más adecuado y seguro (el agua en contacto con el metal líquido puede provocar un riesgo de explosión por vapor) para calentar el reactor de esterificación. Se ha empleado el código COMSOL Multiphysics, que resuelve simultáneamente las ecuaciones de continuidad, flujo de fluidos, transferencia de calor y difusión con cinética de reacción química.
3. Sección de resultados
La figura 1 muestra el campo de temperatura tridimensional en el interior del reactor de esterificación a t = 20.000 s.
Figura 1: Gráfico 3D del campo de temperatura en el interior del reactor de esterificación a t=20.000 seg.
En la figura 1 puede observarse que la temperatura en la parte inferior del reactor es superior a la temperatura en la parte superior. Esto se debe a que la reacción endotérmica de esterificación consume el calor proporcionado por el líquido de fenilnaftaleno. Cabe señalar que la conductividad térmica del líquido iónico y de los reactivos (ácido oleico y metanol) tiene un valor inferior. La figura 2 muestra el campo de concentración de FAME en 3D en el interior del reactor.
Figura 2: Gráfico 3D del campo de concentración de los FAME en el interior del reactor de esterificación..
La figura 2 muestra que la conversión de FAME es de aproximadamente el 100%. Un valor similar se ha obtenido en la Ref. [6] para T = 130 °C y 5,6 h. La figura 3 muestra la concentración axial de FAME a lo largo de la altura del reactor.
Figura 3. Gráfico axial de la concentración de FAME a lo largo de la altura del reactor de esterificación para el líquido de fenilnaftaleno a una temperatura de 160 °C.
La figura 3 muestra que la concentración de FAME aumenta con el tiempo. Hay una ligera disminución del FAME desde y = 0,1 m hasta y = 0,4 m. Esto se debe a que las conductividades térmicas del líquido iónico y de los reactantes (ácido oleico y metanol) tienen valores más bajos.
4. Conclusiones
En este trabajo se presentó una simulación CFD avanzada de la producción de biodiésel aplicando líquido iónico de imidazolio. El software COMSOL resuelve simultáneamente la conservación de la masa (continuidad), el flujo de fluidos (Navier-Stokes), la transferencia de calor y la difusión con las ecuaciones de transporte de la reacción de esterificación. Se ha demostrado que el flujo de calor puede proporcionar el flujo de calor necesario para mantener el proceso de esterificación. Se ha comprobado que las concentraciones de metanol y ácido oleico disminuyen a lo largo del eje del reactor. La fracción másica de FAME aumenta a lo largo del eje del reactor de esterificación. Esto se debe a que las reacciones endotérmicas consumen el calor. Las superficies internas y externas del reactor están expuestas al calor suministrado por el fluido fenilnaftaleno de alto punto de ebullición. Para evitar la ebullición y la evaporación del agua generada dentro de la reacción de esterificación, la presión dentro del reactor de esterificación se fija en 700 kPa. Cabe señalar que la presión saturada del agua a T = 160 °C es de 620 kPa. Como las gotitas de agua generadas durante la reacción de esterificación son más pesadas que el gas, caen y se extraen del fondo. Pueden reaccionar con el líquido iónico, sobre todo a la entrada del reactor. Además, si el sistema de calentamiento falla (debido a un fallo en el suministro de energía eléctrica o a un problema técnico en el interior de la bomba de líquido de fenilnaftaleno), el vapor puede condensarse en el interior del reactor de esterificación, lo que provoca la generación de burbujas de agua y disminuye aún más la transferencia de calor al reactor de esterificación. Así, puede resultar difícil reanudar el funcionamiento normal del reactor de esterificación. Aplicando una presión elevada, es más fácil reanudar el funcionamiento de este reactor. En algunos casos, se producen reacciones secundarias entre el agua y los líquidos iónicos. Para combatir este problema, se elimina el agua. Un quemador de coque de petróleo puede proporcionar el flujo de calor necesario para el reactor de esterificación. Es posible aplicar este reactor cerca de la unidad de coquización retardada (DCU) para producir combustibles diésel y biodiésel.
Encontrará más información sobre esta investigación en Referencia [5].
5. Referencias
[1] Haifa Ben Salah, Paul Nancarrow, Amani Al-Othman, Ionic liquid-assisted refinery processes – A review and industrial perspective, Fuel, volumen 302, 2021, https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] Jose Palomar, Jesús Lemus, Pablo Navarro, Cristian Moya, Rubén Santiago, Daniel Hospital-Benito y Elisa Hernández Chemical Reviews, 2024 124 (4), 1649-1737, https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] Mohiuddin, A.K.M.; Adeyemi, N. Simulación numérica de la producción de biodiésel utilizando aceite de cocina usado. En Proceedings of the ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition IMECE2013, San Diego, CA, EE. UU., 15-21 de noviembre de 2013, https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] Mekala, S.J. CFD Studies of Reactive Flow with Thermal and Mass Diffusional effects in a Supercritical Packed Bed Catalytic Reactor. Tesis doctoral, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, España, 2016, https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] Davidy, A. Thermal Hydraulics and Thermochemical Design of Fatty Acid Methyl Ester (Biodiesel) Esterification Reactor by Heating with High Boiling Point Phenyl-Naphthalene Liquid. Fluidos 2022, 7, 93, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.