Modelo de un proceso de oxidación supercrítica con fines de aprovechamiento energético

Abstract

En el presente trabajo se realiza un estudio de viabilidad técnico sobre la oxidación supercrítica (OSC) de aguas residuales mediante un modelo estacionario multizona. En dicho modelo se realizará una optimización de las condiciones de operación del proceso buscando un equilibrio entre la conversión de materia orgánica de la reacción y el aprovechamiento energético de los excedentes del proceso. En primer lugar se han estudiado las características del agua supercrítica y se ha observado que gracias a sus propiedades tiene mucho potencial como medio donde realizar diferente tipo de reacciones. En estado supercrítico el agua es capaz de disolver diferentes gases como el O2, H2 y CO2 además de compuestos orgánicos como hidrocarburos formándose una única fase. Además, debido al valor del producto iónico del agua en estado supercrítico se favorecen las reacciones de radicales libres. A raíz de estudiar estas propiedades se conocieron los parámetros principales que condicionan el proceso. Después se realizó una revisión bibliográfica del estado del arte de la tecnología de la oxidación supercrítica de aguas residuales. En esta revisión se examinaron las características de la tecnología de la OSC de aguas residuales, las diferentes tipologías de reactor que existen en el mercado y los métodos de aprovechamiento energético más comunes. Tras analizar el estado actual de la tecnología se pasó a realizar el modelo de una planta real. Lo primero que se programó fue el reactor con sus ecuaciones de gobierno, cinética química de la reacción y las pérdidas de calor del equipo. Se fijó un objetivo de destrucción de la materia orgánica y se calculó con ello la longitud necesaria que debía tener el reactor para alcanzarlo. Se realizaron las correcciones necesarias hasta obtener resultados veraces antes de pasar a comprobar si el proceso era autosostenible térmicamente. Para esta tarea se emplearon recuperadores de calor que precalentaban la carga con el efluente del reactor. Una vez comprobado que en efecto se podía autoabastecer térmicamente el proceso debido a que la reacción de oxidación es exotérmica, se realizaron una serie de estudios para ver cómo afectaba la modificación de ciertas condiciones de operación al proceso. Por último se examinaron diferentes alternativas para aprovechar la energía térmica del efluente. Con unas condiciones fijas para todos los métodos se estudiaron cualitativa y cuantitativamente cada unas de las vías tanto de generación de energía térmica como de generación de energía eléctrica, y se sacaron conclusiones sobre qué métodos son más apropiados para aprovechar la energía del efluente dada la baja temperatura de la fuente de calor. No se consiguió abastecer el consumo eléctrico de la instalación, pero no se ha descartado que sea posible dadas otras condiciones de operación.

In the present work, a technical feasibility study is performed on the supercritical oxidation (SCO) of wastewater using a multizone stationary model. In this model, an optimization of the operating conditions of the process will be carried out, seeking a balance between the conversion of organic matter of the reaction and the energy use of the process surpluses. In the first place, the characteristics of supercritical water have been studied and it has been observed that thanks to its unique properties it has great potential as a medium to carry out different types of reactions. In the supercritical state, water is capable of dissolving different gases such as O2, H2 and CO2 as well as organic compounds such as hydrocarbons, forming a single phase. Furthermore, due to the value of the ionic product of water in the supercritical state, free radical reactions are favoured. As a result of studying these properties, the main parameters that affect the process were identified. Afterwards, the published literature of the state of the art of the technology of the supercritical oxidation of wastewater was reviewed. In this evaluation, the characteristics of the SCO of wastewater technology, the different types of reactors that exist in the market and the most common energy utilisation methods were examined. After analysing the current state of technology, the model of a real SCO plant was developed. The first thing that was programmed was the reactor with its governing equations, chemical kinetics of the reaction and the heat losses of the equipment. A target of destruction of the organic matter was then set, and the needed length of reactor to achieve it was calculated. Necessary corrections were made till accurate results were obtained before going on to test if the process was thermally self-sustaining. Heat recovery units were used for this task to preheat the load with the reactor effluent heat. Once it was verified that the process could indeed be thermally self-sufficient due to the fact that the oxidation reaction is exothermic, a series of studies were conducted to analyse how the modification of certain operating conditions affected the process. Last but not least, different alternatives were examined to take advantage of the thermal energy of the effluent. Fixing the same conditions for all the methods, each of the routes of both thermal energy generation and electrical energy generation were studied qualitatively and quantitatively, and conclusions were drawn about which methods are more suitable to utilise the energy of the effluent given the low temperature of the heat source. It was not possible to supply the electricity consumption of the installation, however, it has not been ruled out that it is possible given other operating conditions.