Modelación y simulación de un dispositivo de refinación del biogás empleado para la eliminación del sulfuro de hidrógeno mediante el software COMSOL Multiphysics

Abstract

En este proyecto se trabajó en el desarrollo de un modelo y una simulación para la eliminación del sulfuro de hidrógeno (H2S) del biogás; debido a lo peligroso que es este compuesto tanto para las personas, como el ambiente y los dispositivos donde se emplea el biogás. Para generar el modelo se escogió como base un filtro de carbón activado previamente implementado en los biodigestores del programa “Biogás para Todos” y se estudió el mecanismo mediante que rige la filtración del H2S con el carbón activado. Se decidió utilizar el software de COMSOL Multiphysics para llevar a cabo el proyecto; se analizaron 2 tutoriales diferentes. Se realizaron varias modificaciones a los modelos base de los tutoriales con el fin de entender el efecto de los diferentes parámetros requeridos, Se procedió a realizar un primer modelo al cual posteriormente se realizaron diversas modificaciones para adaptarlo lo más posible a la realidad del mecanismo de desulfuración mediante las propiedades obtenidas experimentalmente y de la literatura. Adicionalmente, se cambió de geometría para contemplar la ubicación de los filtros en el sistema de generación del biogás. Se emplearon las “Ecuaciones de Brinkman” para estudiar la mecánica del fluido y “Transporte de Especies Diluidas en Medios Porosos” para la filtración del biogás. Se obtuvo para el modelo final una caída de presión de aproximadamente 26.87 Pa a lo largo del filtro. Respecto al campo de velocidad, se observó que cuando el fluido llega al filtro disminuye su valor considerablemente y se vuelve constante y homogéneo a lo largo del filtro; a la salida de este, el campo de velocidad aumenta nuevamente sin llegar al valor máximo original. Finalmente, se obtuvo una baja efectividad teórica del filtro usando el modelo planteado, ya que esté logra eliminar una cantidad mínima del sulfuro de hidrógeno que entra al filtro. Este resultado se pudo deber a que no se cuenta con datos experimentales básicos para la simulación adecuada del mecanismo, como lo es la constante de velocidad de reacción de la oxidación del H2S y la concentración de oxígeno presente en el carbón activado.

In this project, a model and simulation for the removal of hydrogen sulfide (H2S) from biogas was developed, considering its hazardous nature for humans, the environment, and the devices used in biogas applications. An activated carbon filter was chosen as the basis for the model, which had been previously implemented in the biodigesters of the "Biogas for All" program. The mechanism governing the filtration of H2S using activated carbon was studied. It was decided to use COMSOL Multiphysics software to deploy the project and two different tutorials were analyzed for guidance. To understand the effect of the different required parameters, several modifications were made to the base models from the tutorials. Initially, a first model was generated, and then various adjustments were made to it to align it as closely as possible with the reality of the desulfurization mechanism by using experimentally obtained properties and relevant literature data. Additionally, the geometry was changed to account for the placement of the filters in the biogas generation system. The "Brinkman Equations" were used to study fluid mechanics and "Transport of Diluted Species in Porous Media" for biogas filtration. The final model showed a pressure drop of approximately 26.87 Pa across the filter. Regarding the velocity field, it was observed that when the fluid enters the filter, its value decreases significantly and becomes constant and homogeneous along the filter. At the filter outlet, the velocity field increases again without reaching the original maximum value. Ultimately, a low theoretical effectiveness was obtained for the filter using the proposed model, as it only managed to remove a minimal amount of H2S entering the filter. This result may be attributed to the lack of basic experimental data required for an accurate simulation of the mechanism, such as the reaction rate constant for H2S oxidation and the concentration of oxygen present in the activated carbon.