ESTUDIO CINETICO POR TERMOGRAVIMETRIA DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR

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2 ESTUDIO CINETICO POR TERMOGRAVIMETRIA DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR Torres Manríquez Marahaí, Miranda Guardiola Rosa del Carmen Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ingeniería Química, UANL Introducción En la actualidad uno de los principales problemas es la dependencia y el aumento en el consumo de los combustibles fósiles, la naturaleza de dichos combustibles provoca un fuerte impacto ambiental y económico. Para minimizar estos problemas se han investigado tecnologías para la obtención de energía (biocombustible) a partir de residuos sólidos agrícolas. Dentro de estos residuos se encuentra el bagazo de caña de azúcar que es el subproducto de los molinos de la producción de azúcar. Uno de los primeros usos del bagazo a parte de ser usado para cocinar, para calentar el hogar fue el de emplearlo como combustible industrial, debido a que al quemarlo puede generarse la energía suficiente para que los molinos de caña funcionen totalmente con el vapor resultado de la combustión. La producción mundial anual en el 3 de azúcar fue de 4. millones de toneladas, de 44 millones de toneladas en el 4 (FAOSTAT). En México en el 5 la producción de azúcar fue de 45.6 Mt (FAOSTAT). Por cada kg. molidos de caña de azúcar se producen aproximadamente 5 kg. de bagazo húmedo (5% en peso aproximadamente en contenido de humedad) (García-Pérez et al. ). El uso de la biomasa de desechos agrícolas como el bagazo de la industria azucarera presenta una solución atractiva para mitigar las necesidades de energía del Tercer Mundo. Puede contribuir a la reducción global de emisiones de CO. Típicamente, una tonelada de caña de azúcar cruda puede producir kg. de azúcar, 35 kg. de melaza y 7 kg. de bagazo seco, el resto son extractos solubles en agua (Drummond et al. 996). El bagazo de caña de azúcar seco es un combustible sólido con un valor de calentamiento de aproximadamente 8 MJkg - (Zandersons et al. 999). Existen diversos procesos de conversión de biomasa en energía. Para la biomasa húmeda (mayor de 6%) se encuentran los procesos físicos y procesos bioquímicos para la obtención de aceites vegetales y biogas; para la biomasa menor de 6% de humedad (biomasa seca) se usan los procesos termoquímicos de conversión que son combustión directa, pirólisis y gasificación (Energías Renovables, 4). El proceso de pirólisis consiste en el rompimiento de una estructura polimérica por medio de ausencia de oxígeno, obteniendo productos de menor peso molecular (líquido, gases y carbón residual).

3 Objetivo El objetivo de este estudio es determinar los parámetros cinéticos de la pérdida total de masa durante la pirólisis de biomasa utilizando bagazo de caña y simular el comportamiento pirolítico usando los parámetros determinados. Se usara un modelo matemático de tres reacciones en paralelo y reacciones en serie para estudiar la cinética del bagazo de caña de azúcar. Materiales El bagazo de caña de azúcar fue proporcionado por Ingenio el Mante S. A. de C. V. situado sobre la carretera nacional México-Nvo. Laredo, a la altura del km. 56, Cd. Mante, Tam. Se obtuvieron muestras con un tamaño de partícula de 5 μm utilizando un molino de anillo BENCHMILL, modelo A con capacidad de a 4 gramos (ROCKLABAS). Metodología Los experimentos de análisis térmico fueron desarrollados con un microprocesador controlador de termogravimetría TG/DTG Modelo TA Q5 (Perkin Elmer). El peso de la muestra fue de 4 mg para cada experimento usando nitrógeno a 6 ml /min como gas acarreador. La muestra fue calentada de temperatura ambiente hasta C a presión atmosférica, donde la descomposición de la biomasa es completa, las velocidades de calentamiento utilizadas en la experimentación son, 5,, Y 4 C/min. Resultados y Discusión El análisis último del bagazo de caña de azúcar lavado y no lavado se muestra en la tabla, observándose un alto contenido de carbono y oxígeno. La figura presenta la curva de TG del bagazo lavado con un tamaño de partícula no mayor a 5 μm. a diferentes velocidades de calentamiento. A mayor velocidad de calentamiento, mayor desplazamiento de la curva hacia mayores temperaturas. Indicando mayor requerimiento de energía para alcanzar una misma conversión. La figura 3 representa las curvas DTG (Diferencial de Termogravimetrica) que reflejan la evolución de volátiles definida por tres picos máximos que ocurren entre las temperaturas de 5 y 45 ºC. El DTG muestra que a mayor velocidad de calentamiento la temperatura del pico se incrementa y representa las etapas de descomposición. A cada etapa se asigna a una reacción global. Tabla. Análisis elemental y Fórmula empírica

4 Muestra C H O a N S Cl Fórmula Empírica BCA C.5HO BCAL >. C.5H.9O C=Carbono; H=Hidrógeno; O=Oxígeno; N=Nitrógeno; S=Azufre; Cl=Cloro BCA= Bagazo de caña de azúcar en polvo sin lavar, BCAL= Bagazo de caña de azúcar lavado en polvo, a Obtenido por diferencia 9 ºC/min 8 5 ºC/min TG (wt.% ) ºC/min ºC/min 4 ºC/min Temperature (ºC) Figura. Curva TG para el bagazo de caña de azúcar lavado a diferentes velocidades de calentamiento C/min 3 DTG, % peso/min 5 5 C/min C/min 5 5 C/min C/min Temperatura, C Figura. Curva DTG para el bagazo de caña de azúcar lavado a diferentes velocidades de calentamiento. La tabla se presenta una comparación entre los dos bagazo en estudio (lavado y no lavado), los valores de temperatura inicial y final, así como temperaturas de máxima velocidad de

5 descomposición para diferentes velocidades de calentamiento. Los resultados muestran el bagazo de caña de azúcar presenta tres etapas de degradación. Tabla. Resultados TGA a diferentes velocidades de calentamiento Muestra HR % Hum % VT Tp Tp Tp3 Ti/Tf WR W BCA / / / / BCAL BCASM / / / / / / / / HR: Velocidad de calentamiento en ºC/min; %Hum: porcentaje de humedad eliminada; %VT: Porcentaje de volátiles totales; TP, TP y TP3: Temperaturas de pico en las etapas, y 3 respectivamente en ºC; Ti: Temperatura de inicio del proceso, en ºC; Tf: Temperatura de fin del proceso en ºC; WR: Peso de residuo final a la Tf, en %peso; WR: Peso de residuo final a la temperatura de ºC, en %peso; BCA: Bagazo de caña de azúcar sin lavar en polvo; BCAL: Bagazo de caña de azúcar lavado en polvo; BCASM: Bagazo de caña de azúcar sin moler y sin lavar. Parámetros Cinéticos Los parámetros cinéticos se obtuvieron con el modelo de tres reacciones en paralelo y el modelo en serie para la simulación de la curva experimental. El modelo supone que no existe interacción entre los productos de reacción, El TGA proporciona la información general de los parámetros cinéticos sobre la reacción global en lugar de las reacciones individuales. Modelo cinético en serie BCA bi ei K av + bi K cv K 3 fv + ei 3 + gr Modelo cinético de tres reacciones en paralelo HE V + R CE V + R L V + R 3

6 Modelo de tres reacciones en paralelo Tabla 3. Parámetros Cinéticos del BCA HR Ea A C/min Etapa kj/mol min- 5.E E E E E E E E E+ BCA: Bagazo de caña de azúcar n: orden de reacción n DTG, % p eso/min Temperatura, C Experimental Hemicelulosa Celulosa Lignina Simulación Figura 4. Curvas de DTG simulada contra experimental.modelo en paralelo ( ºC/min). La evolución de volátiles es dividida en tres picos. Ea, kj/mol H R, ºC/min Etapa Etapa Etapa 3 Figura 3. Energía de Activación en función de la velocidad de calentamiento. 4 Modelo de reacción en serie Tabla 8. Parámetros Cinéticos del BCA HR Ea A C/min Etapa kj/mol min- N 5.E E E E E E E E E+ BCA: Bagazo de caña de azúcar n: orden de reacción

7 Ea, kj/mol Etapa 5 5 Etapa Etapa H R, ºC/min Figura 3. Energía de Activación en función de la velocidad de calentamiento. DTG, % p eso/min Temperatura, C Figura 4. Curvas de DTG simulada contra experimental. Modelo en paralelo ( ºC/min). La evolución de volátiles es dividida en tres picos. Conclusiones La cinética del bagazo de caña de azúcar se modela satisfactoriamente por medio de descomposición térmica utilizando un esquema el cual consiste en tres reacciones independientes de de descomposición de primer orden de los tres principales componentes. El primer y segundo componentes corresponden a las fracciones de hemicelulosa y celulosa. El tercer componente es la lignina, presenta una descomposición térmica a un rango mayor de temperatura. El contenido de celulosa, 4 Experimental Hemicelulosa Celulosa Lignina Simulación hemicelulosa y lignina en el bagazo fueron determinados por el TGA. El peso total perdido de todas las reacciones fue de entre -9% en peso de residuo final El ajuste de datos experimentales a los modelos de degradación de 3 reacciones en paralelo proporciona una excelente simulación cinética. Bibliografía. Drummond F., I. Drummond, 996, Pyrolysis of sugar cane bagasse in a wire-mesh reactor, Ind. Eng. Chem. Res, 35, Energías Renovables, Secretaría de Energía, Argentina, FAOSTAT, Datos Agrícolas (6), Servlet3?Areas=38&Items=56&Elem ents=5&years=5&format=table &Xaxis=Years&Yaxis=Countries&Aggr egate=&calculate=&domain=sua&it emtypes=production.crops.primary&l anguage=es, Acceso: 3 de Marzo (6). 4. García-Pérez M., A. Chaala, J. Yang, C. Roy,, Co-pyrolysis of sugarcane bagasse with petroleum residue. Part I: thermogravimetric analysis, Fuel, 8, Zandersons J., J. Gravitis, A. Kokorevics, A. Zhurinsh, O Bikovens, 999, A.Tardenaka, B Spince, Studies of the Brazilian sugarcane bagasse

8 carbonization process and products properties, Biomass and Bioenergy,7, 9-9.

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