Biodigestores Con Ingenieria

7/31/2019 Biodigestores Con Ingenieria

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ESTUDIO Y DISEO DE UN BIODIGESTOR PARA APLICACION ENPEQUEOS GANADEROS Y LECHEROS

MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVILMECANICO

JAVIER ANDRES PEREZ MEDEL

PROFESOR GUIA:SR. ROBERTO CORVALAN PAIVA

MIEMBROS DE LA COMISION:SR MARCO ANTONIO BEJAR VEGA

UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICASDEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA


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INDICE

1. Introduccin....................................................................................................................11.1. Objetivo general ..................................................................................................... 31.2. Objetivos especficos.............................................................................................. 3

2. Antecedentes...................................................................................................................42.1. Antecedentes econmicos....................................................................................... 4

2.1.1. Ruralidad ........................................................................................................ 42.1.2. Situacin Energtica del sector involucrado .................................................. 42.1.3. Distribucin de cabezas en el pas.................................................................. 62.1.4. Distribucin de pequeos ganaderos y lecheros en el pas............................ 72.1.5. Nmero de animales (Bovinos) por predio .................................................... 7

2.2. Biomasa .................................................................................................................. 82.2.1. Estircol lquido y co-substratos..................................................................... 82.2.2. Legislacin Aplicable a la ganadera y los purines derivados........................ 9

2.2.3. Tratamientos aplicables a los purines........................................................... 112.3. Biogs...................................................................................................................112.3.1. Biogs comparado con otros gases basados en metano................................ 122.3.2. Componentes presentes en el biogs y sus efectos....................................... 132.3.3. Efectos del CO2 en el biogs ........................................................................ 142.3.4. N2 y O2 presente en el biogs. ...................................................................... 152.3.5. Amoniaco presente en el biogs................................................................... 152.3.6. Acido sulfhdrico presente en el biogs........................................................ 16

2.3.7. Siloxenos presentes en el biogs. ................................................................. 182.4. Biodigestores ........................................................................................................ 18

2.4.1. Biodigestor del domo flotante (India) .......................................................... 192.4.2. Biodigestor de domo fijo (China)................................................................. 192.4.3. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cpula depolietileno.....................................................................................................................202.4.4. Instalaciones industriales de biodigestin .................................................... 20

2.5. Reacciones bioqumicas en la generacin de biogs............................................ 212.6. Reacciones biolgicas (Digestin Anaerbica).................................................... 22

2.6.1. Hidrlisis ...................................................................................................... 232.6.2. Fase Acetognica.......................................................................................... 252.6.3. Fase metano gnica....................................................................................... 26

2.6.3.1. Bacterias presentes en la etapa metanognicas..................................... 272 7 Parmetros en la produccin de biogs 27


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3. Seleccin de la instalacin............................................................................................ 343.1. Criterio de seleccin de tamao del proyecto....................................................... 34

3.1.1. Potencial energtico y ahorros esperados..................................................... 343.1.2. Inversin esperada en el estanque de biodigestin....................................... 363.1.3. Inversin esperada en instalaciones.............................................................. 373.1.4. Inversin esperada en sistemas de bombeo y piping.................................... 393.1.5. Inversin esperada en equipo de generacin elctrica.................................. 39

3.1.6. Curva de tiempo de recuperacin del proyecto vs tamao de plantel .......... 403.2. Proyecto abordado................................................................................................ 423.2.1. Criterio de tiempo de recuperacin .............................................................. 423.2.2. Diagrama de flujos de la instalacin............................................................. 423.2.1. Balance msico de la instalacin.................................................................. 433.2.2. Biomasa y Produccin de biogs.................................................................. 443.2.3. Produccin de slidos y lquidos.................................................................. 443.2.4. Manejo de residuos slidos y lquidos.......................................................... 44

3.2.4.1. Aplicacin de purines al suelo.............................................................. 454. Diseo bsico de la instalacin..................................................................................... 474.1. Layout de la instalacin........................................................................................ 474.2. Diseo del estanque de biodigestin .................................................................... 48

4.2.1. Parmetros de diseo.................................................................................... 494.2.1.1. Volumen requerido del biodigestor ...................................................... 494.2.1.2. Substrato:..............................................................................................504.2.1.3. Condiciones de operacin: ................................................................... 50

4.2.1.4. Geometra: ............................................................................................ 514.2.1.5. Espesor del estanque............................................................................. 51

Espesor de diseo ......................................................................................................... 51Espesor hidrosttico......................................................................................................51Espesor seleccionado....................................................................................................524.2.2. Soporte del estanque..................................................................................... 52

4.2.2.1. Criterio de diseo ................................................................................. 54Espesor del nervio del soporte para esfuerzo equivalente............................................54

4.3. Diseo del sistema de bombeo ............................................................................. 564.3.1.1. Parmetro de diseo.............................................................................. 564.3.1.2. Clculo dimetro de tuberas................................................................ 574.3.1.3. Espesor mnimo de tuberas.................................................................. 574.3.1.4. Clculo potencia de operacin de la bomba......................................... 584 3 1 5 Seleccin de la bomba 58


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6. Bibliografa...................................................................................................................66A. Anexo I, Estndar API 650, Construccin de estanques de acero soldados..... 68B. Anexo II, Calculo balance de masas, Balances.xls........................................... 71C. Anexo III, Bombas Calpeda. ............................................................................ 74D. Anexo IV, Generador elctrico a biogs. ......................................................... 76


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Abreviaciones

UH = Poder calorfico superior [kcal/m3].

LH = Poder calorfico inferior [kcal/m3].

UnW = ndice de Wobbe superior [kJ/m3].

LnW = ndice de Wobbe inferior [kJ/m3].

sM = Flujo msico del substrato [Ton/da].

s = Densidad del substrato [kg/m3].

Tt = Tiempo de residencia en el estanque [H].

1btV = Flujo msico bomba desde el estanque [ton/H].

1TP = Presin de operacin bombeo estanque [bar].

1BTP

= Potencia diseo bomba estanque [kW].atD = Dimetro del agitador [m].

atN = Nmero de Newton agitador [-].

atn = Velocidad de giro agitador estanque [rpm].

atotP

= Potencia consumida por el agitador del estanque [kW].

att = Tiempo de actuacin del agitador [m].

maxtT = Temperatura termoflica [C].

entnorT = Temperatura ambiente normal [C].

TT = Variacin temperatura entorno - estanque [C].

ti = Coef. transf. de calor pared interna del estanque [W/(m2K)].

te = Coef. transf. de calor pared externa del estanque [W/(m2K)].

est = Coeficiente de transmisin de calor del poliestireno [W/(mK)].


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1. Introduccin

Chile es considerado un pas con alto nivel de desarrollo con el ranking No 40 a nivelmundial del ndice de desarrollo humano[1], dado lo anterior es preponderante cubriradecuadamente las reas que envuelven dicho desarrollo tales como salud, educacin,vivienda, seguridad o suministros bsicos (Agua, Luz y calefaccin).

Un factor importante para la calidad de vida y por ende un aceptable nivel de desarrollohumano, es la pertenencia o no a los centros urbanizados, debido a que los recursos y lasmejoras se concentran en estos centros en medidas considerablemente mayores que en lasreas rurales. En Chile la presencia de habitantes en el sector rural es mucho menor que enla urbana (14,5% del total), sin embargo, comparativamente, la poblacin rural en la zonasur, representa porcentajes importantes del total de la poblacin chilena. Si el enfoque es enel nivel de electrificacin se observa que en las zonas urbanas se cumple totalmente la

prestacin del servicio (100%). Lo anterior ha motivado la creacin de programas quepromuevan la electrificacin rural como el PER1.

Una va comn de solucin al problema de la falta de electrificacin es la autogeneracin.Esto comnmente se propone en reas lejanas a los tendidos elctricos (como muchas zonasrurales), en las cuales los costos y los impedimentos tcnicos dificultan la pertenencia a unsistema domiciliario comn con el resto del pas. En la actualidad existen variadasalternativas para la autogeneracin a pequea escala, tales como:

Molinos de aprovechamiento de energa elica. Celdas fotovoltaicas para aprovechamiento de energa solar. Utilizacin de biomasa.

La realidad rural del pas crea la inquietud de aprovechar una de las principales actividadeseconmicas de este grupo demogrfico, la crianza de bovinos para engorda y el

aprovechamiento de la leche y la carne. El desecho ms abundante generado por losanimales utilizados en esta actividad son las heces (materia fecal). Estos residuos orgnicoshan tenido amplio estudio a travs del tiempo para su utilizacin como biomasa, es decircomo materia prima que permite la obtencin de energa y particularmente la generacin debiogs.


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La produccin de biogs depende, principalmente, de los materiales utilizados, de latemperatura y del tiempo de descomposicin. El proceso consiste en la descomposicinanaerbica, donde se puede obtener entre otros, etanol, metanol y gas metano. Esto noocurre en un proceso de descomposicin aerbica donde el producto final es dixido decarbono y agua (esto ocurre cuando, por ejemplo, se esparce el desecho en los predios).

Lo anteriormente sealado, a pesar de ser datos generales, permite concluir cuales seran las

soluciones al problema de electrificacin que actualmente poseen los sectores rurales deChile; la presente memoria pretende disear un equipo que permita la obtencin de biogsde manera segura, barata y confiable.


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1.1. Objetivo general

El objetivo general es:

Disear un biodigestor que cumpla con las necesidades energticas de los pequeosganaderos y lecheros presentes en las zonas rurales del sur de Chile y que seatcnica y econmicamente viable.

1.2. Objetivos especficos

Los objetivos especficos son:

Disear una instalacin tipo para un productor ganadero/lechero de un tamaosustentable.

Efectuar el clculo y diseo bsico de los componentes principales de la instalacin.

Evaluar la factibilidad econmica en trminos del perodo de recuperacin de lainversin.


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2. Antecedentes

2.1. Antecedentes econmicos

2.1.1. RuralidadSegn el Instituto Nacional de Estadsticas (INE)[18] y el Ministerio de Planificacin(MIDEPLAN), se define la ruralidad de la siguiente manera:

Conjunto de viviendas concentradas o dispersas con 1.000 habitantes o menos o en sudefecto entre 1.001 y 2.000 donde menos del 50% de la poblacin econmicamente activa,

se dedica a actividades secundarias y/o terciarias.

2.1.2. Situacin Energtica del sector involucrado

La realidad energtica de Chile difiere si se habla de los centros urbanizados o de loscentros rurales, es as como existe un porcentaje considerable de personas que carecen deelectrificacin en los entornos rurales y en particular un sector de la zona sur del pas serestudiado en esta memoria, las regiones comprendida son:

Regin del Maule VII. Regin del Bio Bio VIII. Regin de la Araucana IX.

Regin de los lagos X. Regin de los ros XIV2.

Es importante destacar que muchos datos pertenecen a censos, encuestas y estudios previosa la creacin de las dos nuevas regiones en Chile, es por esto que los anlisis sern referidosa la designacin anterior entendindose que se cubre el total de habitantes de inters.

Las regiones identificadas como zonas de estudio corresponden al 68% de las viviendas sin

energa elctrica del pas y a su vez al 9% del total de viviendas rurales (con y sin energa)de la zona comprendida, todos estos segn datos[2] del ao 2005.

Un paso importante fue la implementacin gradual del Programa de Electrificacin Rural(PER), el cual tena como objetivo en sus orgenes la electrificacin del 90% de lapoblacin del pas la evolucin de este programa[2] durante el periodo 1999 - 2005 se


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Tabla2.1: Distribucin de viviendas sin electrificacin

ReginNmero de Viviendas sin

EnergaNmero de Viviendas sin

energa

1999 2005

I 689 704II 195 11

III 610 1.008IV 9.369 6.751

V 4.019 2.109VI 9.860 3.448

VII 17.836 4.872VIII 24.027 6.399

IX 25.903 9.621X 36.417 9.080

XI 1.944 87XII 560 263

RM 5.422 6Total 136.851 44.359

Fuente [2]: Censo 2007

75%

77%

79%

81%

83%

85%

87%

89%

91%

93%

95%

2004 2005 2006 2007Ao

Porcentaje

deviviendasconEnerga


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1,2%

5,9%

0,0% 0,3%

0,0%

1,0%

2,0%

3,0%

4,0%

5,0%

6,0%

7,0%

2004 2005 2006 2007

Aos

Porcentajedeelectr

ificacinautogenerad

respectoaltotal.

Figura 2.2: Porcentaje de electrificacin en viviendas mediante autogeneracin en Chile.

Como se observa en el Figura 2.2, la utilizacin de mtodos de autogeneracin cada ao quese electrific fue del orden del 1% salvo el ao 2006 que super el 5%, esto ilustra laparticipacin histrica que han tenido las alternativas de energa renovable frente a lastradicionales.

2.1.3. Distribucin de cabezas en el pasLa distribucin de cabezas en el pas se concentra en las regiones VII, VIII, IX, X y XV;estas regiones estn por sobre la media estadstica, ver figura 2.3.

Distribucin de cabezas de Bovinos en el pas

150,000

300,000

450,000

600,000

750,000

900,000

1,050,000

Nmerodecabezas


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2.1.4. Distribucin de pequeos ganaderos y lecheros en elpas

La distribucin de cabezas bovinas en el pas y la distribucin de pequeos ganaderos secorrelacionan, en la figura 2.4 se muestra la distribucin de AFC3 en el pas.

Figura 2.4: Distribucin de cabezas de Bovinos en las regiones de Chile[3]

2.1.5. Nmero de animales (Bovinos) por predio

A travs de informacin del INE, se puede verificar el nmero de cabezas presentes en cadapredio que se caracteriza como de pequea economa agropecuaria, esto se observa en latabla 2.2.

Tabla 2.2: Nmero de animales por predio en las regiones de intersRegin Valor Vaca Vaquilla Novillo Ternero Toro Buey

Media animales por predio 12 3 2 6 1 1Moda animales por predio 10 2 2 4 0 0VII

desv. estndar 2,1 1,13 1,05 1,68 - -

Media animales por predio 18 4 1 9 7 1

Moda animales por predio 12 4 0 5 5 0VIII

desv. estndar 2,67 0,56 0,63 1,54 1,89 -

Distribucin de pequeos explotadores ganaderos en el pas

050

100150200250300350400450500550600

Tara

pac

Antofa

gas

ta

Ataca

ma

Coqu

imb

o

Valpa

ras

o

O'Hi

ggins

M

aule

Bo-B

o

LaArau

can

a

LosRo

s

LosL

agos

XIA

ysen

Mag

alla

nes

yAnt

rtic

a

Metro

polit

ana

Ari

cay

Parin

acota

Regiones

Nmerodepersonas


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2.2. BiomasaEn general cualquier substrato puede ser utilizado como biomasa en cuanto contengancarbohidratos, protenas, grasas, celulosa y hemicelulosa como componentes principales.Para seleccionar la biomasa se deben tener en cuneta los siguientes puntos.

El contenido de substancias orgnicas debe ser el apropiado para el tipo defermentacin elegido.

El valor nutricional de la sustancia orgnica se relaciona directamente con lepotencial de formacin de biogs, por ende se busca que sea lo ms alto posible.

El substrato debe estar libre de agentes patgenos que puedan inhibir el procese defermentacin.

El contenido de sustancias perjudiciales o toxicas debe ser controlado para permitiruna tranquila evolucin de la fermentacin.

Es importante que el resultado final del substrato (despus de haber aprovechado lafermentacin para generar biogs) sea un desecho utilizable como por ejemplofertilizante.

2.2.1. Estircol lquido y co-substratosComo el principal substrato disponible en el sector econmico involucrado se refiere a losanimales de aprovechamiento (carne, leche, engorda) se presenta una tabla con las

equivalencias de excremento producido y potencial de generacin de gas, ver tabla 2.3.


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Tabla 2.3: Potencial de produccin de biogs por animal[4].Estircol liq.[M3/animal]

UAE4 Da Mes Ao

Produccin degas

M3/UAE/da

Vacas, vacunos de engorda 1 0,05 1,5 18,00 0,56 - 1,5

Vacas de produccin lechera 1,2 0,055 1,65 19,80 0,56 - 1,5

Toro de reproduccin 0,7 0,023 0,69 8,28 0,56 - 1,5

Vacunos jvenes < 2 aos 0,6 0,025 0,75 9,00 0,56 - 1,5

Ternero de crianza 3 aos 1,1 0,033 0,99 11,88 -

Pollo de engorda < 1200 gr. 0,0023 0,0001 0,003 0,04 3,5 - 4

Gallina < 1200 gr. 0,0023 0,0001 0,003 0,04 3,5 - 4

Pollo < 800 gr. 0,0016 0,0001 0,003 0,04 3,5 - 4

Aves de

criaderoGallina < 800 gr. 0,0016 0,0001 0,003 0,04 3,5 - 4

2.2.2. Legislacin Aplicable a la ganadera y los purinesderivados

Actualmente no existe normativa que seale explcitamente el deber de tratar los purines,sin embargo, su acumulacin y disposicin puede provocar daos a los suelos o los cursossuperficiales y subterrneos, con lo cual se infringen algunas normas de la legislacinchilena, esto incentiva indirectamente a que las empresas agropecuarias implementen algn


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D.F.L. N 725 de 1967 del Ministerio de Salud, Cdigo Sanitario. Diario Oficial,31.01.1968. Artculos 71, 72, 73 y 75.

Norma Chilena Oficial NCh.1.333, Requisitos de Calidad de Agua para DiferentesUsos.

Decreto Supremo N 351 de 1992 del Ministerio de Obras Pblicas. Diario Oficial,17.02.1998. Reglamento para la Neutralizacin y Depuracin de los Residuos LquidosIndustriales a que se refiere la Ley N 3.133. Modificado por el Decreto Supremo N1.172/98.

Decreto con fuerza de ley N294. Establece funciones y estructuras del ministerio deagricultura. Ministerio de hacienda. Diario Oficial del 5 de abril de 1960.

Decreto Supremo N 90/01. Establece norma de emisin para la regulacin decontaminantes asociados a las descargas de residuos lquidos a aguas marinas ycontinentales superficiales. Se debe tener especial cuidado en el destino de las descargas delagua tratada, la cual solo puede ser depositada a los cursos superficiales cercanos conconcentraciones inferiores a las que establece la norma.

Norma NCh 1.333/Of. 87. Requisitos de Calidad de Agua para Diferentes Usos.Esta norma es directamente aplicable a todos los predios.

Decreto Supremo N 46/2002. Norma de emisin de residuos lquidos a aguassubterrneas. Esta norma, en el artculo 2 establece que no es aplicable a las labores deriego, se debe cuidar el rebalse de los sistemas de tratamiento o almacenamiento y todo tipode escurrimiento superficial que pueda ser potencial contaminante de los cursossuperficiales.

Decreto Supremo N 745/92, art. 16. Prohibicin de Descarga de Residuos enCursos de Agua. Esta prohibicin de descarga de residuos en cursos de agua, esta contenidaen uno de los principales decretos que deben ser considerados y evaluados durante eldesarrollo de este proyecto ya que una de los problemas que presenta el Fundo Santa Teresaes el rebalse de los purines hacia cursos de agua superficiales y por ende se encuentrainfringiendo la ley


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2.2.3. Tratamientos aplicables a los purines

Los purines pueden considerarse de manera similar al agua residual domestica, con unacarga orgnica de 15 a 80 veces mayor y alta generacin de lodos, donde el tratamiento yeliminacin de los residuos animales es ms complicado por su naturaleza y por los grandesvolmenes en son generados.

Para el tratamiento de los purines es posible utilizar tanto los sistemas anaerobios comoaerobios, sin embargo, segn el aumento de la materia orgnica no permite mantener lascondiciones aerbicas durante las pocas de invierno[5], lo que implica al menos seis a ochosemanas para estabilizar los sistemas aerbicos durante la primavera, tiempo durante el cualla generacin de olores es un problema significativo, que es casi imposible de eliminar.

El purn por si solo o mezclado con agua durante la limpieza de los alojamientosgeneralmente se encuentra con una concentracin demasiado alta para ser descompuesto

aerbicamente en una estructura de tratamiento o almacenamiento de estircol, debido aque el oxigeno no se puede disolver lo suficientemente rpido para soportar las bacteriasaerbicas. Por lo tanto, el estircol se descompone secuencialmente en grupos de bacteriasanaerbicas[6]

En estudios se ha logrado establecer que el tratamiento y eliminacin de los residuosorgnicos animales (ganado) es complicado por su naturaleza y por el volumen a manejar.

Se ha concluido en estudios[7] que el tratamiento anaerobio en lagunas ofrece unaposibilidad para tratar grandes cantidades de purines que se originan en las locacionesdonde se ubica el ganado en terrenos cerrados. En 1974 se concluy por estudios [7] quecuando las concentraciones de componentes orgnicos exceden de 4000 mg/L en lo que serefiere a la Demanda Qumica de oxgeno, los mtodos anaerobios son ms baratos que losmtodos aerobios. En este mbito se reafirma que para el tratamiento de residuos agrcolasganadero el uso de sistemas anaerobios, sobre todo el de digestin son los procesosunitarios que ms han contribuido a la reduccin de la contaminacin agrcola.

2.3. Biogs

El biogs[8] est constituido principalmente de Metano (CH4), dixido de carbono (CO2) y


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Tabla 2.4, Propiedades de una composicin estndar de biogs55-70% metano

30-45% Dixido de carbonoComposicin

Trazas de otros elemento

Energa contenida 6,0 6,5 Kwh./m3Equivalente en combustible 0,6 0,65 L petrleo/m

3biogs

Limite de explosin 6 - 12 % biogs en el aireTemperatura de ignicin 650 - 750 C (segn metano contenido indicado)

Presin crtica 75 89 bares.Temperatura crtica -82.5 C

Densidad normal 1,2 Kg./m3Olor Huevos en mal estado

Masa molar 16,043 Kg./kmol

2.3.1. Biogs comparado con otros gases basados en metanoEn general el metano posee las caractersticas que se muestran en la tabla 2.5.

Tabla 2.5, Caractersticas del metanoTemperatura [C] Temperatura K Presin [bar.] Densidad [Kg./L]

Punto crtico (-82,59) 190,56 45,98 0,162Punto de ebullicin a

1,013 bar.(-161,52) 11,63 - 0,4226

Punto triple (-182,47) 90,68 0,117 -

Fuente [4]

El gas ms conocido que posee metano es el biogs, existen muchas variantes de gasnatural dependiendo de su lugar de origen y se diferencian en su composicin qumica, ensu razn de elementos qumicos y por ende en sus propiedades.

Internacionalmente Alemania lidera la utilizacin de Biogs, este procede en un 51% deEuropa del Oeste (Dinamarca, Holanda, Noruega y Reino Unido) y un 31% se importadesde Rusia. Dependiendo del pas de origen se pueden distinguir 5 diferentes calidadesagrupadas segn:

H Gases


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Las diferencias radican en el ndice de Wobbe5, poder calorfico y contenido de metano

A su vez se puede establecer 4 niveles de calidad en la cadena de suministro del biogs: Local Regional Nacional Internacional

En la tabla 2.6, se muestran las caractersticas segn el nivel de la cadena de distribucindel biogs.

Tabla 2.6, Nivel de distribucin del biogsNivel depresin

Presin[bar.]

Dimetro de tubera [mm] Flujo[M/s]

Baja presin


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Tabla 2.7, Componentes del biogs y su efecto en las propiedades.Baja el poder calorfico

Incrementa el nmero de metano

Causa corrosinCO2 25 - 50 % vol

Daa celdas alcalinas de combustible

Corrosin en equipos y piping

Emisiones de SO2 despus de los quemadores

Emisin de H2S en combustin imperfectaH2S 0 - 0,5 % volInhibicin de la catlisis

Emisin de NoxNH3 0 - 0,05 % vol

Dao en las celdas de combustibles

Corrosin en equipos y piping

Daos de instrumentacin por condensadoVapor de agua 1 - 5 % volRiesgo de congelar y bloquear tuberas y vlvulas

Polvo > 5m Bloquea las boquillas y celdas de combustibles

N2 0 - 5 % vol Baja el poder calorfico

Siloxenos 0 - 50[mg/m3]

Actan como abrasivos, dao en motores

Fuente [4]

2.3.3. Efectos del CO2 en el biogs

La presencia de CO2 en el gas se mide en la razn de CO2/metano [%vol] y puede sercontrolada parcialmente debido a que es esencial en la formacin de metano en el gas por loque no se busca hacerlo desaparecer.

Los factores que afectan la composicin de CO2 son:

1) La presencia de compuestos con largas cadenas de hidrocarburos por ejemplocompuestos con alto contenido en grasas ayudan a mejorar la calidad del gascuidando de no afectar la acidez, la cantidad de tomos de Carbono presentes en elsubstrato se relaciona directamente con el porcentaje en volumen de metanopresente en el biogs, ver figura 2.5.

2) Generalmente la descomposicin anaerbica de la biomasa mejora con el tiempo de6


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4) Un alto contenido de lquido en el reactor influye en una alta concentracin de CO2disuelto en el agua, lo que disminuye el nivel de CO2 presente en la fase gaseosa.

5) A mayor temperatura de fermentacin, disminuye la cantidad de CO2 disuelto en elagua

6) Una alta presin durante el proceso lleva a una mayor concentracin de CO2presente en el agua, esto se pude aprovechar si se purga material con alto contenidoen CO2 disuelto en el agua (claramente una vez iniciado el proceso de proliferacinbacteriana).

Correlacion entre Carbono y metano

0

20

40

60

80

100

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

# Atomos de Carbono

%

voldemetanoenel

gas

Figura 2.5, Correlacin entre tomos de carbono de la cadena

y % Vol. de metano en el gas

2.3.4. N2 y O2 presente en el biogs.

El nitrgeno y oxgeno presente en el biogs se encuentran normalmente en proporcin 4:1y usualmente se incorporan en las etapas de ventilacin que tienen como objetivo eliminar

Acido frmico

Acido acticoEtanol

GlicerinaAcido bencnico

cidos grasos


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2.3.6. Acido sulfhdrico presente en el biogs.

La cantidad de H2S presentes en los gases de escape depende principalmente del procesoutilizado para la obtencin del biogs y del tipo de substrato involucrado, si no existe unpaso de desulfurizacin, la concentracin de H2S puede exceder el 0.2% vol.Cuando el substrato fermentado es viscoso el contenido de H2S es menor que en el caso deun substrato lquido.

Un objetivo primordial es mantener el contenido de acido sulfhdrico a los niveles msbajos posibles, porque aguas abajo la mayora de los componentes sufren daosirreversibles debido al alto potencial de corrosin del H2S, usualmente el biogs esdesulfurizado an mientras permanece en el reactor.

A travs de un proceso de pre-desulfirizacin se pude ayudar a mantener un nivel inferior a70 mg/m3 cuando se utilizan co-substratos o por debajo de 310 mg/m3 en planta que

utilizan excretas lquidas para la fermentacin. A pesar de los esfuerzos, el H2S siempreest presente en niveles altos.

El sulfuro de hidrgeno contenido en el biogs, junto a la humedad de ste, se convierte encido sulfrico (H2SO4), el cual es nocivo para ciertos equipos como calentadores de agua,motores o refrigeradores[9]. Por lo tanto, la reduccin del sulfuro de hidrgeno se hacenecesaria cuando el biogs presenta sobre 2% en volumen de este compuesto[9]. Sinembargo, la desulfuracin no es necesaria si el biogs contiene menos de 1% de este

compuesto.

Figura 2 8 Disociacin de H2S en funcin del pH


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Otra alternativa para la remocin de H2S consiste en Biofiltros de lecho fijo, donde la fasemvil corresponde al gas, con soporte orgnico/sinttico para la biomasa que se encuentrafija. Corresponde a uno de los sistemas de tratamiento ms utilizado debido a sus bajoscostos de operacin, al bajo costo del material del medio filtrante y a los bajos consumos deagua, adems de poseer una alta eficacia en la eliminacin de distintos contaminantes, enparticular el H2S. No generan desechos como lodo y agua contaminada. Dentro de susdesventajas se encuentra el poco control frente a los fenmenos de reaccin, la dificultad decontrol de pH ya que se trata con contaminantes que generan productos cidos, eltaponamiento generado por el exceso de biomasa y los grandes requisitos de espacio.

Los biofiltros consisten en una columna que contiene un material de empaque de elevadaporosidad cuya funcin es dar soporte y en algunos casos servir como fuente de nutrientes alos microorganismos. Los microorganismos se encuentran formando parte de una capa querodea al material filtrante denominada biopelcula.

A medida que el gas atraviesa el lecho poroso, los contaminantes solubles, son transferidosa los microorganismos debido a la existencia de un gradiente de concentracin generadoentre la fase gas y la biopelcula. Una vez en la biopelcula, los contaminantes sondegradados por la biomasa activa, que los utiliza para su metabolismo como fuente denutrientes y/o energa. Los cidos que son generados degradarn rpidamente al medioorgnico, por lo que este debe ser reemplazado al poco tiempo de operacin. Debido a loanterior, el medio filtrante debe tener una buena capacidad buffer con lo finalidad quepueda consumir el cido generado y no inhibir a la actividad bacteriana. Es usual el uso de

carbonato de calcio en forma de conchas marinas molidas como buffer para prevenir lasbajas de pH dentro del biofiltro. Con el tiempo las conchas marinas molidas se disolverndebiendo ser reemplazadas. Una relacin tpica de mezcla es de 25 [kg] de conchas marinaspor cada metro cbico de material filtrante[12].

Las bacterias incoloras del azufre son las ms ampliamente usadas para la oxidacin delH2S y azufre elemental a sulfatos usando oxgeno como aceptor de electrones. Sonbacterias aerbicas quimioauttrofas, cuyo proceso de oxidacin da lugar a la formacin de

iones hidrgeno, produciendo una acidificacin del medio. Algunos de losmicroorganismos identificados como bacterias incoloras del azufre corresponden a unaserie de especies del gnero Thiobacillus, que son capaces de oxidar sulfuro de hidrogenoutilizando oxigeno como aceptor de electrones. Son bacterias autotrficas, por lo que usanel dixido de carbono del biogs para cubrir sus necesidades de carbono bajo pH=3 lossistemas estarn dominados por Thiobacillus thiooxidans que oxida el sulfuro rpidamente


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2.3.7. Siloxenos presentes en el biogs.

Los siloxenos son variantes de la silicona y se presentan como grupos separados en elbiogs, estos componentes pueden ser hallados principalmente en cosmticos, detergentes,tintas de impresin y en materiales de construccin, es por esto que en los desechosdomsticos, que son substrato principal para el biogs obtenido de plantas de tratamientosde agua o de vertederos, se encuentran muchos de los compuestos derivados de la silicona.

Sin embargo el contenido de siloxenos puede ser alto en plantas que fermentan mezclas desubstratos (con una parte proveniente de fangos de cloaca).

Concentraciones aceptables d estos compuestos son de 0.2 mg/m3, cuando se quema biogscon siloxenos presentes se forma SiO2 lo que se deposita en la superficie de partes ymaquinas, pero en motores que queman biogs puede producir abrasin de la superficie depistones.

2.4. Biodigestores

Un digestor de desechos orgnicos o biodigestor[11] es, en su forma ms simple, uncontenedor cerrado, hermtico e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se depositael material orgnico a fermentar (excrementos de animales y humanos, desechos vegetales,etctera) en determinada dilucin de agua para que se descomponga, produciendo gasmetano y fertilizantes orgnicos ricos en nitrgeno, fsforo y potasio.

Este sistema tambin puede incluir una cmara de carga y nivelacin del agua residualantes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogs y cmaras de presinhidrosttica y postratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida delreactor.

Hay muchos tipos de plantas de biogs[12] pero los ms comunes son el dosel flotante y el domo fijo,los cuales sern descritos a continuacin. La baja aceptacin de muchos de estos biodigestores hasido principalmente debida a los costos altos, la dificultad de instalacin y problemas en laconsecucin de las partes y repuestos.

Principales Biodigestores existentes:


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2.4.1. Biodigestor del domo flotante (India)

Este biodigestor consiste en un tambor, originalmente hecho de acero pero despusreemplazado por fibra de vidrio reforzado en plstico (FRP) para superar el problema decorrosin. Normalmente se construye la pared del reactor y fondo de ladrillo, aunque aveces se usa refuerzo en hormign. Se entrampa el gas producido bajo una tapa flotante quesube y se cae en una gua central. La presin del gas disponible normalmente vara entre 4 a8 cm. de columna de agua. El reactor se alimenta semi-continuamente a travs de unatubera de entrada.Este modelo se observa en la figura 2.9.

Figura 2.9: Esquema biodigestor de domo flotante.

2.4.2. Biodigestor de domo fijo (China)

Consiste en una firme cmara de gas construida de ladrillos, piedra u hormign. La tapa yla base son semiesferas y son unidos por lados rectos. La superficie interior es sellada pormuchas capas delgadas para hacerlo firme. Hay un tapn de inspeccin en la cima deldigestor que facilita el limpiado. Se guarda el gas producido durante la digestin bajo eldomo con presiones entre 1[m] y 1.5 [m] de columna de agua. Esto crea fuerzasestructurales bastante altas y es la razn para la forma semiesfrica. Se necesitan materiales


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Figura 2.10: Esquema biodigestor de domo fijo.

2.4.3. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional ycpula de polietileno

Otro tipo de planta de produccin de biogs que ha logrado disminuir los costos hasta 30%con respecto a los prototipos tradicionales, es la que se caracteriza por tener una estructurasemiesfrica de polietileno de pelcula delgada en sustitucin de la campana mvil y lacpula fija y un tanque de almacenamiento de piedra y ladrillo como los empleados en losprototipos tradicionales.

Este tipo de instalacin posee a su favor que resulta ms econmica que los sistemastradicionales; por ejemplo, una instalacin de 4 m3 puede costar, aproximadamente, $550USD y la estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez aos de vidatil.

2.4.4. Instalaciones industriales de biodigestin


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biofertilizante de los digestores hacia los tanques de almacenamiento. Tambin se utilizansistemas de compresin en los tanques de almacenamiento de biogs con el objetivo delograr que ste llegue hasta el ltimo consumidor.

Para evitar los malos olores se usan filtros que separan el gas sulfhdrico del biogs, ademsde utilizarse vlvulas de corte y seguridad y tuberas para unir todo el sistema y hacerlofuncionar segn las normas para este tipo de instalacin.

La tendencia mundial en el desarrollo de los biodigestores es lograr disminuir los costos yaumentar la vida til de estas instalaciones, con el objetivo de llegar a la mayor cantidad deusuarios de esta tecnologa.

2.5. Reacciones bioqumicas en la generacin de biogs

La produccin de metano responde a la siguiente ecuacin:

22342 )( COxcSHsNHnCHxOHySNOHC snohc ++++

Con:

)23204(8

1snhcx +=

)33204(41 snhcy ++=

Los productos generalmente obtenidos son se observan en la tabla 2.8:

Tabla 2.8: Productos en la generacin de biogsCarbohidratos:

426126 33 CHCOOHC +

Grasas:42262412

5.75.43 CHCOOHOHC ++

Protenas: SHNHCHCOOHSNOHC 23422372513 35.65.66 ++++

En trminos generales los sulfuros permanecen en los residuos, el CO2 se une con el NH3,por lo tanto el gas resultante es principalmente CH4 y CO2 en proporcin:


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2.6. Reacciones biolgicas (Digestin Anaerbica)

El proceso unitario de tratamiento de digestin anaerobia se emplea en todo el mundo parala depuracin de aguas residuales y fangos procedentes de la industria, la agricultura y deorigen urbano[13].

Utilizando el proceso de digestin anaerobia es posible convertir gran cantidad y variedad

de desechos, residuos vegetales, estircol, efluentes de la industria alimentara yfermentativa, de la industria papelera y de algunas industria qumicas, en subproductostiles.

En la digestin anaerbica ms del 90% de la energa disponible por oxidacin directa setransforma en metano, consumindose slo un 10% de la energa en crecimiento bacterianofrente al 50% consumido en un sistema aerbico[13]. La digestin anaerbica es uno de losprocesos ms utilizados, para el tratamiento de purines, en el que la materia orgnica es

transformada biolgicamente, bajo condiciones anaerbicas, en metano y Dixido decarbono.

Adems de esta corriente gaseosa, se produce tambin una suspensin acuosa de materialesslidos (lodos), en los que se encuentran los componentes ms difciles de degradar, lamayor parte del nitrgeno y el fsforo y la totalidad de los elementos minerales (K, Ca, Mg,etc).

El gas producido puede ser recogido y utilizado como combustible. El fango finalestabilizado, que se extrae no es putrescible y su contenido en organismos patgenos esnulo o muy bajo. Esta conversin biolgica del sustrato complejo, en el que se encuentramateria orgnica en suspensin o disuelta, se realiza a travs de una serie de reaccionesbioqumicas que transcurren tanto consecutiva como simultneamente. Este procesobiolgico natural, es realizado por grupos o comunidades de bacterias en recipientescerrados (reactores).

Generalmente despus del digestor anaerobio se incorpora una laguna de almacenamiento,en la cual se acumula el efluente tratado en el digestor [14]

La permanencia de las aguas en la laguna de almacenamiento proporciona un tratamientoadicional al purn, debido a que en ella disminuye el contenido de nitrgeno y otros


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La fermentacin metnica es un proceso complejo que se divide en 3/4 etapas dedegradacin:

Hidrlisis y acido gnesis Acetognesis Metanizacin

Esquemticamente esto se observa en la figura 2.11.

Figura 2.11: Etapas de degradacin de la biomasa

2.6.1. Hidrlisis

En esta etapa (hidroltica) un amplio grupo de microorganismos indisolubles hidrolticoscomo la celulosa, protenas y grasas son fragmentados en monmeros (ver figura 2.12) porenzimas (hidrolasa), estas enzimas provienen exclusivamente de bacterias de metabolismoanaerbico y actan sobre los polmeros orgnicos u otros materiales complejos

Hidrlisis Acido gnesis Aceto gnesis Metano gnesis

Hidratos de C.ProtenasGrasas

Acido carbnico, alcoholes, acetato

Reduccin de sulfatos

Reduccin de nitratos

CH4, CO2, H2O

H2S

NH3, NH4+

CO2+H2

Homo-

aceto-

gnesis

Etapa 1 Etapa 2

En solucin:CC de azcaresAmino cidoscidos GrasosGlicerina

CC de cidosAlcoholesCO2, H2

Hidrlisis Acido gnesis Aceto gnesis Metano gnesis

Hidratos de C.ProtenasGrasas

Acido carbnico, alcoholes, acetato

Reduccin de sulfatos

Reduccin de nitratos

CH4, CO2, H2O

H2S

NH3, NH4+

CO2+H2

Homo-

aceto-

gnesis

Etapa 1 Etapa 2

En solucin:CC de azcaresAmino cidoscidos GrasosGlicerina

CC de cidosAlcoholesCO2, H2


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Figura 2.12: Formacin de los monmeros en la hidrlisis

Posteriormente estos compuestos experimentan un proceso de fermentacin que originadiferentes cidos orgnicos. Esta etapa resulta indispensable para lograr la ruptura de losbiopolmeros complejos en polmeros solubles o monmeros, puesto que losmicroorganismos que realizan la depuracin solamente son capaces de actuar sobre materiaorgnica disuelta.

La etapa hidroltica puede ser la etapa limitante de la velocidad del proceso global, sobretodo tratando residuos con alto contenido en slidos. Incluso en casos donde las fasesacidognicas o metanognicas son consideradas como pasos limitantes, la hidrlisis puedeafectar el conjunto del proceso[15].

El grado de hidrlisis y la velocidad del proceso depende de muchos factores, entre otrosdel pH, de la temperatura, de la concentracin de biomasa hidroltica, del tipo de materia

orgnica particulada[15]

y del tamao de partcula[15]

.

La hidrlisis de los carbohidratos toma lugar en algunas horas, para las protenas el procesotoma algunos das y en el caso de la ligno celulosa el proceso es muy lento e incompleto.

La sostenibilidad de esta etapa se basa en que la presencia de microorganismos anaerbicosconsumen el oxgeno disuelto en el agua y por ende bajan el potencial redox 8, lo que es labase para la proliferacin de ms microorganismos anaerbicos.

La concentracin intermedia de iones de hidrgeno afecta los productos de la fermentacin,un ejemplo de degradacin acidognica (del Pirubato) se muestra en la figura 2.13.


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Figura 2.13: Degradacin acidognica (del Pirubato)

2.6.1.1 Bacterias presentes en la hidrlisis y acido gnesis

En esta etapa encontramos bacterias anaerobias facultativas como las enterobacterias,bacterias aerotolerantes como las bacterias del cido lctico y bacterias anaerobias estrictascomo: Clostridium, Propionibacterium, Selenomona.

2.6.2. Fase Acetognica

Los productos de la fase acido gnica sirven de substrato para la formacin de otrasb i l i d d i ( i l


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Tabla 2.9: Reacciones acetognicas

Las bacterias de esta etapa producen necesariamente H2 y estn en simbiosis constante conlos organismos que producen metano. Los organismos metagnicos pueden sobrevivir solo

a altos niveles de presin parcial de hidrgeno, si este nivel baja, el H2, CO2 y acetato sonproducidos por bacterias acetogenicas en el caso contrario predomina la formacin de acidopropionico, butrico, valrico y etanol (entre otros).

Un esquema que muestra la degradacin acetognica y la simbiosis con los organismosmetano gnicos se muestra en la figura 2.14.

Figura 2.14: Degradacin acetognica

2 6 3 Fase metano gnica


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Cuando la metano gnesis funciona, la etapa acetognica tambin funciona sin problemas,en el caso contrario comienza una sobre-acidificacin.

Figura 2.15: Formacin de metano a partir de acetato, esto para el mecanismo generado porlas coenzimas A y M

2.6.3.1. Bacterias presentes en la etapa metanognicas

Las bacterias metanognicas pertenecen al reino de las arquebacterias. De acuerdo a lossustratos que pueden degradar se dividen en: Hidrogenotrficos, capaces de producirmetano a partir de hidrgeno y anhdrido carbnico, Aceticlsticos, producen metano yanhdrido carbnico a partir de acetato, Metiltrofos, metabolizan compuestos comometilaminas y metilsulfuros.


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Los parmetros que regulan cada una de las etapas se resumen en la tabla 2.8.

Tabla 2.8: Parmetros presentes en las etapas principales de degradacinParmetro Hidrlisis / acidognesis Formacin de metano

Mesoflico ( 32 - 42 C )Temperatura 25-35 C

Termoflico ( 50 - 58 C )Valor del pH 5,2-6,3 ( 6,7-7,5 )Razn C/N ( 10 45 ) ( 20 30 )

Contenido MS


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Tabla 2.9: Tiempos de retencin recomendados para el diseo de digestores demezcla completa

Temperatura deFuncionamiento C

Tiempo de retencinhidrulico, (das)

Tiempo de retencinrecomendado, (das)

18 11 2824 8 2030 6 14

35 4 1040 4 10

(Fuente[16])

2.7.2. pH

La concentracin de iones de Hidrgeno y el pH sigue la siguiente ecuacin:pH

H+ =10

Dependiendo del tipo de bacteria elegida para la metano gnesis se debe cuidar el valor delpH desde 5.2 hasta 7.5.

El pH en los digestores anaerobios se relaciona con la actividad realizada por las bacterias,el pH normalmente se encuentra entre 6-8, con un valor prximo a 7 para la actividad

ptima. Los cidos grasos disminuyen la alcalinidad a menos que la alcalinidadbicarbonatada sea suficiente para neutralizar dichos cidos.

El bicarbonato se forma a partir de CO2, iones bicarbonato, HCO3, es importante que hayasuficiente alcalinidad todo el tiempo, para mantener una amortiguacin suficiente.

Los microorganismos anaerobios necesitan un pH en torno a la neutralidad para su correctodesarrollo, aunque permiten cierta oscilacin[17]. Parece ser que el pH afectafundamentalmente a la actividad enzimtica de los microorganismos, mediante: cambios deestado de los grupos ionizables de las enzimas como el carboxil y amino; alteracin de loscomponentes no ionizables del sistema, como por ejemplo el substrato; y desnaturalizacinde la estructura proteica de las enzimas. Para que el proceso se desarrolle de formasatisfactoria, el pH debe estar en torno a la neutralidad, presentando problemas graves si el


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2.7.3. Potencial RedoxEn el bioreactor son necesarios potenciales redox bajos, por ejemplo para un monocultivode bacteria metano gnica se necesita un potencial redox entre [-300, -330] mV comooptimo. Para controlar este parmetro se pueden agregar agentes oxidantes por ejemplosulfatos, nitritos o nitratos.

2.7.4. Nutrientes (razn C/N/P)

La razn entre los nutrientes C/n debe estar en el orden 16:1-25:1, el carbono contenido en elestircol es lo que dar paso al metano y el nitrgeno aporta a la multiplicacin bacteriana y acatalizar el proceso de produccin de biogs.

2.7.5. Desintegracin

10

La produccin de biogs depende del tiempo de residencia en el reactor debido al cambiode etapa del tipo de digestin, ver figura 2.15.


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2.8. Ventajas y desventajas de los biodigestores anaerbicos

2.8.1. Ventajas de un biodigestor

a) Produccin de Energa

Por la accin de las bacterias metanognicas, gran parte del contenido orgnico de las aguasse transforma en gas metano; tericamente 1 Kg. de la DQO eliminada produce 350 litrosde metano a 35C. Este combustible posee un elevado poder energtico utilizable.

b) Produccin de Fangos

Por quedar convertida la mayor parte de la materia orgnica, en el proceso anaerobio, enbiogs, el slido restante queda bien estabilizado y utilizable previa deshidratacin.

c) Proceso ExteriorComo los reactores se construyen en ambientes cerrados, la produccin de malos olores esbaja en el proceso anaerobio, comparado con los olores desagradables que se desprenden enel sistema donde la depuracin se realiza en espacios abiertos. Los digestores cerradosdeben ubicarse a distancia mnima de 500 metros de las urbanizaciones.

2.8.2. Desventajas de un biodigestor

a) Puesta en MarchaDebido a la baja velocidad de crecimiento de los microorganismos, en el procesoanaerbico la puesta en marcha de este tratamiento es lenta.

b) TemperaturaEl tratamiento anaerobio a temperatura ambiente resulta demasiado lento, lo que supone unaporte externo de energa ya que requiere temperaturas de, al menos, 35 C, para que la

actividad de las bacterias sea ptima.

c) Costos

Los costos asociados a la construccin de los digestores anaerobios son altos, comparado


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2.9. Conclusiones de antecedentes

De los antecedentes se ha recopilado la siguiente informacin:

Sobre el sector econmico involucrado:

El usuario objetivo se encuentra concentrado en las regiones VII, VIII, IX, X, XIV, por loque se deben considerar las condiciones de estas regiones como parmetros de diseo.

Los planteles estudiados tienen una variedad de cabezas bovinas siendo la de mayorpreponderancia las vacas de engorda y de explotacin lechera, si bien es cierto las medias ymodas son cercanas a los 20 animales es posible encontrar predios pequeos con plantelescercanos a los 160 cabezas Bovinas.

Sobre la biomasa a utilizar

La biomasa a utilizar corresponde a excretas de bovinos las cuales no son las de mayorcapacidad de generacin de biogs ms an, por s solas tienen eficiencias de generacincercanas al 30[%], pero es el substrato ms abundante en este tipo de usuarios y existeninstalaciones en las cuales los purines son almacenados por lo cual la intervencin de estetipo de proyectos debe ser de acorde a las distribuciones existentes

Sobre la normativa vigente de manejo de purines

Principalmente el manejo de purines est regulado en cuanto al lugar de almacenamientocon el fin de evitar contaminacin de corrientes de agua, pero carece de una legislacinclara respecto al riego de praderas.

Es una prctica comn la utilizacin de los purines como fertilizante despus de unaestabilizacin de los niveles principalmente de nitrgeno, por lo que despus de seralmacenados en pozos de purines y homogeneizados, son utilizados en el riego de praderas

Sobre el biogs

El biogs generado a partir de biodigestin anaerbica de purines de bovino tiene unporcentaje de metano CH4 cercano al 60% y producto del su alto poder calorfico es un


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y para un bajo volumen de substrato existen alternativas artesanales que carecen de diseoy solo responden a necesidades pequeas y de baja regularidad y seguridad.

2.10. Metodologa de trabajo

La metodologa comprende los siguientes pasos.

1) Definir un anlisis que entregue el costo del proyecto en funcin del nmero de

cabezas a utilizar como base de generacin de biomasa.

2) Seleccionar un tamao de plantel que justifique la elaboracin del proyecto enfuncin de un criterio econmico (Importancia del periodo de recuperacin de lainversin).

3) Definir un Layout bsico de la instalacin.

4) Definir el manejo de los purines utilizados.

5) Realizar los clculos de generacin de biogs del proyecto.

6) Realizar los clculos de generacin energtica.

7) Realizar el dimensionamiento del estanque de biodigestin.

8) Realizar el diseo del estanque de biodigestin segn estndar API 650

9) Calcular los parmetros bsicos de los equipos complementarios de la instalacin


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3. Seleccin de la instalacinLa instalacin diseada debe estar de acorde a los objetivos de la memoria y por ende debeser una alternativa econmicamente viable por ende se utiliza el criterio de tiempo derecuperacin del proyecto basado en el costo de la inversin y en los ahorros que sepresentan por la metanizacin y consecuente generacin de energa elctrica como trmica.

3.1. Criterio de seleccin de tamao del proyecto

Los aspectos a considerar para generar el criterio de seleccin del tamao del proyectocomprenden los ahorros generados por la produccin de biogs y consiguiente obtencin demetano.

3.1.1. Potencial energtico y ahorros esperados

Los datos utilizados para la estimacin del ahorro energtico se presentan en la tabla 3.1.

Tabla 3.1: Parmetros de costos y generacin energticaCosto energia electrica 70 [$/kwHth]Costo energia termica 30 [$/kwHel]

Generacion electrica 0,22 [kwe/UAE]Generacion termica 0,32 [kwth/UAE]

Utilizacion ao 8000 [H/Ao]

La variable de inters para este proyecto corresponde al tamao de plantel adecuado para elcual el proyecto es viable, como cada cabeza bovina tiene un potencial energtico degeneracin elctrico y trmico es importante considerar los ahorros generados por ambosconceptos, en la tabla 3.2 se presenta los ahorros para un intervalo de cabezas de intersentre 6 y 100 [UAE]


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Tabla 3.2: Ahorros generados segn tamao de plantel considerado

6 1,92 1,32 3,24 1.200.0008 2,56 1,76 4,32 1.600.000

10 3,2 2,2 5,4 2.000.000

12 3,84 2,64 6,48 2.400.00014 4,48 3,08 7,56 2.800.000

16 5,12 3,52 8,64 3.200.00018 5,76 3,96 9,72 3.600.00020 6,4 4,4 10,8 4.000.00022 7,04 4,84 11,88 4.400.000

24 7,68 5,28 12,96 4.800.00026 8,32 5,72 14,04 5.200.00028 8,96 6,16 15,12 5.600.000

30 9,6 6,6 16,2 6.000.00032 10,24 7,04 17,28 6.400.000

34 10,88 7,48 18,36 6.800.00036 11,52 7,92 19,44 7.200.00038 12,16 8,36 20,52 7.600.00040 12,8 8,8 21,6 8.000.00042 13,44 9,24 22,68 8.400.00044 14,08 9,68 23,76 8.800.00046 14,72 10,12 24,84 9.200.000

48 15,36 10,56 25,92 9.600.00050 16 11 27 10.000.000

52 16,64 11,44 28,08 10.400.00054 17,28 11,88 29,16 10.800.00056 17,92 12,32 30,24 11.200.00058 18,56 12,76 31,32 11.600.000

60 19,2 13,2 32,4 12.000.00062 19,84 13,64 33,48 12.400.00064 20,48 14,08 34,56 12.800.000

66 21,12 14,52 35,64 13.200.00068 21,76 14,96 36,72 13.600.000

70 22,4 15,4 37,8 14.000.00072 23,04 15,84 38,88 14.400.00074 23,68 16,28 39,96 14.800.00076 24,32 16,72 41,04 15.200.000

78 24,96 17,16 42,12 15.600.00080 25,6 17,6 43,2 16.000.00082 26 24 18 04 44 28 16 400 000

Ahorro energticoanual [$]

Cabezas[UAE]

Energa trmicadisponible [kwh]

Energa elctricadisponible [kwh]

Energa totaldisponible [kwh]


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3.1.2. Inversin esperada en el estanque de biodigestin

La inversin en el estanque de biodigestin es un componente principal en el costo deinversin del proyecto de, la geometra recomendada es la cilndrica por lo que el clculode inversin por este concepto es simple de encontrar, en la tabla 3.3 se encuentran losdatos que apoyan la construccin de este costo.

Tabla 3.3: Parmetros relevantes para la configuracin de estanques

[1/4] [-]

7850 [kg/m3]2000 [$/kg]

0,00635 [m]

Volumen estanque equivalente por cabezabovina

1,075 [m3/cabeza]

Relacin radio/largoDensidad acero

Valor aceroEspesor planchas acero

El costo de inversin por estanque de biodigestin se presenta en la tabla 3.4.

Tabla 3.4: Costo de inversin del estanque en funcin del tamao de plantel

2 2,2 0,6 2,2 0,05 0,01 0,01 0,07 530,9 1.061.781

4 4,3 0,7 2,8 0,08 0,02 0,01 0,11 842,7 1.685.4726 6,5 0,8 3,2 0,10 0,03 0,01 0,14 1104,3 2.208.5948 8,6 0,9 3,5 0,12 0,03 0,02 0,17 1337,8 2.675.521

10 10,8 0,9 3,8 0,14 0,04 0,02 0,20 1552,3 3.104.66712 12,9 1,0 4,0 0,16 0,04 0,02 0,22 1753,0 3.505.92414 15,1 1,1 4,2 0,18 0,04 0,02 0,25 1942,7 3.885.382

16 17,2 1,1 4,4 0,20 0,05 0,02 0,27 2123,6 4.247.12418 19,4 1,2 4,6 0,21 0,05 0,03 0,29 2297,0 4.594.060

20 21,5 1,2 4,8 0,23 0,06 0,03 0,31 2464,2 4.928.35122 23,7 1,2 4,9 0,24 0,06 0,03 0,33 2625,8 5.251.66224 25,8 1,3 5,1 0,26 0,06 0,03 0,35 2782,7 5.565.30726 28,0 1,3 5,2 0,27 0,07 0,03 0,37 2935,2 5.870.349

28 30,1 1,3 5,4 0,29 0,07 0,04 0,39 3083,8 6.167.65930 32,3 1,4 5,5 0,30 0,07 0,04 0,41 3229,0 6.457.96732 34,4 1,4 5,6 0,31 0,08 0,04 0,43 3370,9 6.741.890

34 36,6 1,4 5,7 0,33 0,08 0,04 0,45 3510,0 7.019.95436 38,7 1,5 5,8 0,34 0,08 0,04 0,46 3646,3 7.292.61638 40,9 1,5 5,9 0,35 0,09 0,04 0,48 3780,1 7.560.27240 43,0 1,5 6,0 0,36 0,09 0,05 0,50 3911,6 7.823.27042 45,2 1,5 6,1 0,37 0,09 0,05 0,51 4041,0 8.081.92044 47,3 1,6 6,2 0,39 0,10 0,05 0,53 4168,2 8.336.49446 49,5 1,6 6,3 0,40 0,10 0,05 0,55 4293,6 8.587.239

48 51,6 1,6 6,4 0,41 0,10 0,05 0,56 4417,2 8.834.37550 53,8 1,6 6,5 0,42 0,11 0,05 0,58 4539,1 9.078.101

52 55,9 1,6 6,6 0,43 0,11 0,05 0,59 4659,3 9.318.59854 58,1 1,7 6,7 0,44 0,11 0,06 0,61 4778,0 9.556.03056 60,2 1,7 6,7 0,45 0,11 0,06 0,62 4895,3 9.790.548

58 62,4 1,7 6,8 0,46 0,12 0,06 0,64 5011,1 10.022.29160 64,5 1,7 6,9 0,47 0,12 0,06 0,65 5125,7 10.251.38462 66,7 1,7 7,0 0,49 0,12 0,06 0,67 5239,0 10.477.945

64 68,8 1,8 7,0 0,50 0,12 0,06 0,68 5351,0 10.702.083

V acero enManto [m3]

Valor aceroutilizado [$]

Cabezas[UAE]

V estanqueequivalente [m3]

Radioestanque [m]

Largoestanque [m]

V acero encabezales [m3]

V acero ensoporte [m3]

V acerototal [m3]

Masa totalacero [kg]


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3.1.3. Inversin esperada en instalaciones

Las instalaciones usuales para este tipo de aplicaciones son galpones definidos por el reade planta utilizada y quedan indexadas por un valor usual de proyectos, en la tabla 3.5 seencuentran los datos considerados para el costo por instalaciones.

Tabla 3.5: Datos utilizados en la confeccin de los costos por instalaciones

5 [-]

6 [UF/m2]

21.016 [$]

[m3/cabeza]Volumen estanque equivalente por cabeza

bovina1,075

Factor area efectiva vs area necesaria

Valor area de instalacionesValor UF

El tamao de plantel define la cantidad de substrato a utilizar y este a su vez define eltamao de estanque biodigestor, para que este estanque y sus elementos complementariosqueden a resguardo la instalacin de cobijo se considera de una seccin de planta de 5veces el espacio utilizado por el estanque.

La participacin en el costo total de inversin de las instalaciones corresponden a cerca del35[%] y por ende es importante considerar este concepto en el proyecto.

El rea efectiva de utilizacin se calcul como el espacio que utiliza el estanque en sudimetro y largo, luego el rea instalada fue calculada como 5 veces el rea efectiva.

Finalmente el costo de las instalaciones fue indexado por un valor de 6 UF por metrocuadrado, la tabla 3.6 muestra el costo de instalaciones en funcin del tamao de plantel.


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Tabla 3.6: Costo de inversin por concepto de instalacion en funcin del tamao de plantel

2 2,2 0,6 2,2 2,5 12,3 1.554.4634 4,3 0,7 2,8 3,9 19,6 2.467.5566 6,5 0,8 3,2 5,1 25,6 3.233.4138 8,6 0,9 3,5 6,2 31,1 3.917.001

10 10,8 0,9 3,8 7,2 36,0 4.545.27712 12,9 1,0 4,0 8,1 40,7 5.132.72314 15,1 1,1 4,2 9,0 45,1 5.688.255

16 17,2 1,1 4,4 9,9 49,3 6.217.85218 19,4 1,2 4,6 10,7 53,3 6.725.77020 21,5 1,2 4,8 11,4 57,2 7.215.17822 23,7 1,2 4,9 12,2 61,0 7.688.51024 25,8 1,3 5,1 12,9 64,6 8.147.69126 28,0 1,3 5,2 13,6 68,2 8.594.27528 30,1 1,3 5,4 14,3 71,6 9.029.54230 32,3 1,4 5,5 15,0 75,0 9.454.55732 34,4 1,4 5,6 15,7 78,3 9.870.22434 36,6 1,4 5,7 16,3 81,5 10.277.314

36 38,7 1,5 5,8 16,9 84,7 10.676.49538 40,9 1,5 5,9 17,6 87,8 11.068.34740 43,0 1,5 6,0 18,2 90,8 11.453.38142 45,2 1,5 6,1 18,8 93,8 11.832.04744 47,3 1,6 6,2 19,4 96,8 12.204.74846 49,5 1,6 6,3 19,9 99,7 12.571.84248 51,6 1,6 6,4 20,5 102,6 12.933.65350 53,8 1,6 6,5 21,1 105,4 13.290.47152 55,9 1,6 6,6 21,6 108,2 13.642.56254 58,1 1,7 6,7 22,2 110,9 13.990.166

56 60,2 1,7 6,7 22,7 113,7 14.333.50458 62,4 1,7 6,8 23,3 116,4 14.672.77960 64,5 1,7 6,9 23,8 119,0 15.008.17462 66,7 1,7 7,0 24,3 121,7 15.339.86364 68,8 1,8 7,0 24,9 124,3 15.668.00466 71,0 1,8 7,1 25,4 126,8 15.992.74468 73,1 1,8 7,2 25,9 129,4 16.314.22070 75,3 1,8 7,3 26,4 131,9 16.632.55972 77,4 1,8 7,3 26,9 134,4 16.947.87974 79,6 1,8 7,4 27,4 136,9 17.260.294

76 81,7 1,9 7,5 27,9 139,3 17.569.90678 83,9 1,9 7,5 28,4 141,8 17.876.81380 86,0 1,9 7,6 28,8 144,2 18.181.10982 88,2 1,9 7,7 29,3 146,6 18.482.87884 90,3 1,9 7,7 29,8 149,0 18.782.20486 92,5 1,9 7,8 30,3 151,3 19.079.16488 94,6 2,0 7,8 30,7 153,6 19.373.830

Inversin

instalaciones [$]

A efectiva

[m2]

A instalada

[m2]

L estanque

[m]

Cabezas

[UAE]

V estanque

eq. [m3]

R estanque

[m]


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3.1.4. Inversin esperada en sistemas de bombeo y piping

El sistema de Piping y bombeo utilizado para el criterio de seleccin del proyecto fuedefinido por intervalos en funcin de proyectos similares y tiene un mximo de $3.500.000para el plantel de mayor tamao considerado, en la tabla 3.7 se muestra el costo de esteconcepto por intervalos de tamao de plantel.

Tabla 3.7: Costo de inversin en piping y bombeo en funcin del tamao de plantel

1 10 1250000

11 20 150000021 30 175000031 40 2000000

41 50 225000051 60 250000061 70 275000071 80 3000000

81 90 325000091 100 3500000

IntervaloCabezas [UAE]

Costo[$]

3.1.5. Inversin esperada en equipo de generacin elctrica

Es de vital importancia considerar un equipo de generacin elctrica que utilice biogs paraaprovechar el ahorro por concepto de energa elctrica, se utiliz como base un equipogenerador encontrado en el mercado que entrega una potencia nominal de 5,4[kW] y tieneun valor de $2.340.648, los datos de este equipo se encuentran en el Anexo C.

Para hacer la interpolacin a todos los tamaos de planteles se consider que cada uno deestos equipos tiene un consumo de 2,5 [m3/H] de biogs, luego cada 25 cabezas se logra

este flujo de biogs y por ende se considera una equipo por cada intervalo, esto se observaen la tabla 3.8.

En la prctica esto es factible de optimizar en el caso de considerar un equipo de mayorconsumo y potencia nominal a generar mayor.


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3.1.6. Curva de tiempo de recuperacin del proyecto vstamao de plantelLa conjugacin de los ahorros encontrados con los costos de inversin considerados seresume en la tabla 3.9.

Tabla 3.9: Periodo de recuperacin dela inversin en funcin del tamao de plantel

6 1.200.000 2.208.594 1.250.000 3.233.413 NA NA -

8 1.600.000 2.675.521 1.250.000 3.917.001 NA NA -10 2.000.000 3.104.667 1.250.000 4.545.277 NA NA -12 2.400.000 3.505.924 1.500.000 5.132.723 NA NA -

14 2.800.000 3.885.382 1.500.000 5.688.255 NA NA -16 3.200.000 4.247.124 1.500.000 6.217.852 NA NA -18 3.600.000 4.594.060 1.500.000 6.725.770 NA NA -20 4.000.000 4.928.351 1.500.000 7.215.178 2.340.648 15.984.177 4,022 4.400.000 5.251.662 1.750.000 7.688.510 2.340.648 17.030.820 3,924 4.800.000 5.565.307 1.750.000 8.147.691 2.340.648 17.803.646 3,726 5.200.000 5.870.349 1.750.000 8.594.275 4.681.296 20.895.920 4,028 5.600.000 6.167.659 1.750.000 9.029.542 4.681.296 21.628.497 3,930 6.000.000 6.457.967 1.750.000 9.454.557 4.681.296 22.343.821 3,732 6.400.000 6.741.890 2.000.000 9.870.224 4.681.296 23.293.410 3,634 6.800.000 7.019.954 2.000.000 10.277.314 4.681.296 23.978.565 3,536 7.200.000 7.292.616 2.000.000 10.676.495 4.681.296 24.650.407 3,438 7.600.000 7.560.272 2.000.000 11.068.347 4.681.296 25.309.915 3,340 8.000.000 7.823.270 2.000.000 11.453.381 4.681.296 25.957.947 3,242 8.400.000 8.081.920 2.250.000 11.832.047 4.681.296 26.845.263 3,244 8.800.000 8.336.494 2.250.000 12.204.748 4.681.296 27.472.538 3,146 9.200.000 8.587.239 2.250.000 12.571.842 4.681.296 28.090.377 3,148 9.600.000 8.834.375 2.250.000 12.933.653 4.681.296 28.699.324 3,050 10.000.000 9.078.101 2.250.000 13.290.471 4.681.296 29.299.868 2,952 10.400.000 9.318.598 2.500.000 13.642.562 7.021.944 32.483.104 3,154 10.800.000 9.556.030 2.500.000 13.990.166 7.021.944 33.068.140 3,156 11.200.000 9.790.548 2.500.000 14.333.504 7.021.944 33.645.997 3,058 11.600.000 10.022.291 2.500.000 14.672.779 7.021.944 34.217.013 2,9

60 12.000.000 10.251.384 2.500.000 15.008.174 7.021.944 34.781.502 2,962 12.400.000 10.477.945 2.750.000 15.339.863 7.021.944 35.589.753 2,964 12.800.000 10.702.083 2.750.000 15.668.004 7.021.944 36.142.031 2,8

66 13.200.000 10.923.898 2.750.000 15.992.744 7.021.944 36.688.586 2,868 13.600.000 11.143.483 2.750.000 16.314.220 7.021.944 37.229.647 2,770 14.000.000 11.360.925 2.750.000 16.632.559 7.021.944 37.765.428 2,7

72 14.400.000 11.576.306 3.000.000 16.947.879 7.021.944 38.546.129 2,774 14.800.000 11.789.702 3.000.000 17.260.294 7.021.944 39.071.939 2,676 15.200.000 12.001.183 3.000.000 17.569.906 9.362.592 41.933.681 2,8

78 15.600.000 12.210.817 3.000.000 17.876.813 9.362.592 42.450.223 2,780 16.000.000 12.418.667 3.000.000 18.181.109 9.362.592 42.962.368 2,782 16.400.000 12.624.792 3.250.000 18.482.878 9.362.592 43.720.262 2,7

84 16.800.000 12.829.248 3.250.000 18.782.204 9.362.592 44.224.044 2,686 17.200.000 13.032.087 3.250.000 19.079.164 9.362.592 44.723.843 2,688 17.600.000 13.233.360 3.250.000 19.373.830 9.362.592 45.219.782 2,6

90 18.000.000 13.433.113 3.250.000 19.666.272 9.362.592 45.711.977 2,592 18.400.000 13.631.392 3.500.000 19.956.556 9.362.592 46.450.540 2,5

Inversin

proyecto [$]

Aos de

recuperacin

Cabezas

[u]

Ahorro energtico

anual [$/ao]Costo estanque [$]

Costo bombeo

y piping [$]

Costo

instalaciones [$]

Costo equipo

generador [$]


47/83

TR Proyecto v/s Cabezas

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

0 20 40 60 80 100 120

Cabezas [UAE]

Tiempoderecupe

racin[Aos]

FiFigura 3.1: Curva de periodo de recuperacin de inversin vs Tamao de plantel


48/83

3.2. Proyecto abordado

El proyecto abordado se basa en la utilizacin del modelo mostrado en el subcaptuloanterior y en la conjugacin con los datos recopilados de los antecedentes.

3.2.1. Criterio de tiempo de recuperacin

Se selecciona el primer proyecto que en su tiempo de recuperacin (ver tabla 3.10) baja labarrera de los 3 aos, para este periodo el proyecto a desarrollar considera un plantel de 46animales y una inversin general de 28 [MM$].

Tabla 3.10: Extracto tabla 3.9, remarcando la barrera de 3 aos de tiempo de recuperacin

44 8.800.000 8.336.494 2.250.000 12.204.748 4.119.540 26.910.783 3,146 9.200.000 8.587.239 2.250.000 12.571.842 4.306.792 27.715.874 3,0

48 9.600.000 8.834.375 2.250.000 12.933.653 4.494.044 28.512.072 3,050 10.000.000 9.078.101 2.250.000 13.290.471 4.681.296 29.299.868 2,9

Cabezas [u]Ahorro

energticoCosto

estanque [$]Costo

bombeo yCosto

instalacionesCosto equipogenerador [$]

Inversinproyecto [$]

Aos derecuperacin

3.2.2. Diagrama de flujos de la instalacin

El sistema a disear consta de un estanque digestor anaerbicos de mezcla completa, en elcuales se realizan las etapas mesoflica, vale decir donde proliferan las primeras bacterias

que tendrn una baja produccin de biogs para luego dar paso a la etapa de alta generacinde biogs, etapa termoflica.

Figura 3.2, Corrientes del diagrama de flujos del equipo


49/83

(3)Corresponde a la mezcla homognea que se utiliza como substrato a biodigeriranaerbicamente en el estanque biodigestor en etapa mesoflica (15 das)

(4)Corresponde a la mezcla una vez alcanzada la etapa termoflica (10 das)

(5)Desde el reactor estanque despus del tiempo de residencia total de 25 das, seextrae a travs de una bomba la biomasa digerida la cual se ha estudiado y

documentado que es de alto valor en nitrgeno lo cual es de ptima utilizacincomo fertilizante de praderas.

(6)Finalmente el producto de inters es biogs con alto contenido en Metano y altopoder calorfico.

3.2.1. Balance msico de la instalacin

Dados los datos de la composicin biolgica y qumica presentes en la biomasa la dinmicadel proceso de digestin anaerbica puede ser identificada con las lneas de corriente de latabla 3.11.

Tabla 3.11: Balances msicos mensualesEtapas de

Fermentacin

Temperatura (C)

Presin (atm)

kg/

mes

kmol/

mes

kg/

mes

kmol/

mes

kg/

mes

kmol/

mes

kg/

mes

kmol/

mes

kg/

mes

kmol/

mes

kg/

mes

kmol/

mes

Compuesto

Slidos voltiles 1200 14 1200 14 4859 56 4859 56

Slidos no voltiles

30 0 30 0 26 0 26 0Nitrgeno (N2) 105 4 105 4 105 4 105 4

Potasio (K) 75 2 75 2 75 2 75 2

Fsforo (P) 68 2 68 2 68 2 68 2

Biomasa total 22,5 22,5 249 106 ---

(1)

1

(2) (3)

25 25

---

---

25

1

---

(5) (6)

---

---

(4)

30

1,071

---

60

1,1

50

1,1

---

---

------

---

---

Corriente


50/83

3.2.2. Biomasa y Produccin de biogsLa biomasa que da origen a la produccin de biogs es un porcentaje muy bajo del total desubstrato utilizado y en particular la produccin queda determinada por la cantidad demateria orgnica seca presente a continuacin se muestra la tabla 3.12 con los datos para elproyecto seleccionado, adems se muestra la generacin de biogs al ao, estos datos sonde vital importancia para conocer la energa disponible en la instalacin.

Tabla 3.12: Generacin de biogs

46 93,15 70,794 21238,2 49555,8 35397

UAE

Generacin promedio de

biogs [m3/a]

Generacin mnima de

biogas [m3/a]

Generacin mxima de

biogs [m3/a]odm [t/a]dm [t/a]

3.2.3. Produccin de slidos y lquidos

Los slidos y lquidos son calculados a partir de los datos de la tabla 3.13, donde secaracteriza el estircol generado por cada animal, adems muestran los porcentajescontenidos de biomasa til y la capacidad para generar metano.

Tabla 3.13: Caracterizacin del estircol utilizado.min max Priomedio unidad

Estiercol por cabeza 22,5 22,5 22,5 [m3/a]

Materia seca 0,085 0,095 0,09 [%]

Materia seca orgnica 0,71 0,81 0,76 [%]

Rendimiento biogas 300 700 500 [m3/T_odm]

Metano contenido 0,5 0,7 0,6 [%]

Tiempo de retencin 25 25 25 [d]

% mat seca ajustado 0,13 [%]

3.2.4. Manejo de residuos slidos y lquidos

Sobre el manejo de los purines en los establos se deben seguir las recomendaciones [19] deFEDELECHE11 que se resumen en lo siguiente:

1) Realizar un primer barrido en seco manual o mecnico de corrales y salas de


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3) En el caso de corrales con piso de tierra, se recomienda retirar el estircolperidicamente. Si existiese riesgo de escurrimientos hacia cursos de agua superficial, elretiro debe ser previo a la poca de lluvias.

4) Reutilizar el agua proveniente del lavado del sistema de enfriamiento de leche.

5) Se debe mantener un control estricto en el uso de detergentes y desinfectantes en ellavado de la sala de ordea, usando las dosis recomendadas por los fabricantes.

6) Desviar las aguas lluvia a travs de canaletas, prctica que cobra gran relevancia enlas explotaciones del sur del pas.

7) Mantener en ptimas condiciones las caeras e instalaciones del sistema de lavadoa fin de evitar prdidas de agua.

8) Evitar mantener mangueras con agua corriendo.

9) Para reducir la generacin de excretas de los animales en la sala de ordea y/o patiode alimentacin, se recomienda evitar situaciones que generen stress al rebao.

3.2.4.1. Aplicacin de purines al suelo.

Es necesario contar con sistema de homogenizacin del purn, previo a su distribucin en elsuelo. Para estos efectos se utilizan, entre otros sistemas, los pozos purineros, que sonestructuras en las que se almacena en forma transitoria el purn, a travs de un sistema deagitacin. Estos pozos se usan adems, para separar la fase slida y lquida. Al respecto, serecomienda considerar en su construccin y manejo, lo siguiente:

1) El terreno donde se ubiquen pozos purineros debera presentar una pendiente queimpida el escurrimiento superficial fuera de ste.

2) Evaluar la conveniencia de contar con ms de un pozo en base a la cantidad depurines que genere la explotacin, con el objeto de facilitar su manejo posterior.

3) Considerar la construccin de pozos circulares ya que facilitan la homogenizacind id L i d l d ( d i li d ) d d d l i d


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5) Desviar precipitaciones, a travs de canales o zanjas, para evitar su ingreso al pozopurinero.

6) Utilizar rejillas en los fosos o canales que conducen los purines al pozo, de forma deevitar el ingreso de materiales no deseados como trozos de madera, alambres, piedras,arena, etc.

7) Disponer de infraestructura necesaria, como lagunas o piscinas impermeabilizadas,

para la acumulacin de purines en la poca en que no es posible aplicarlos al suelo.

8) Realizar un anlisis qumico del contenido de nitrgeno de los purines y del suelo enque ser aplicado, y de acuerdo a las necesidades del cultivo, calcular la dosis deaplicacin.

9) Realizar la aplicacin cuando las condiciones del suelo y climticas lo permitan, noaplicar en pocas de lluvia intensa o cuando existan riesgos de saturacin del suelo.

10) Utilizar un sistema y tasa de aplicacin de purines que permita su distribucin en elsuelo en forma homognea.

11) Evitar la aplicacin de purines al atardecer o durante la noche ya que si existiesealguna falla en el sistema de aplicacin sera difcil detectarla.

12) No aplicar purines en suelos con una pendiente mayor al 15%.

13) En las aplicaciones de purines dejar una franja de proteccin no menor de 3 [m] dequebradas y de cuerpos y cursos de aguas naturales y artificiales.

14) No aplicar purines en suelos con inundacin frecuente y en suelos donde se puedanproducir lagunas.

15) No aplicar purines en cultivos de frutas y hortalizas que se desarrollan a ras de sueloy que habitualmente se consumen en estado crudo.


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4. Diseo bsico de la instalacinLa instalacin busca no interferir con las prcticas habituales de aprovechamiento lechero yde manejo de purines y por ende se debe acoplar a la configuracin clsica de manejo atravs de pozo de purines y tomar una fraccin de los purines en el caso de ser un plantel detamao mayor a 46[UAE] y la totalidad de los purines en el caso de ser un plantel detamao igual a 46[UAE].

4.1. Layout de la instalacin

En la figura 3.3, se muestra un Layout bsico de la instalacin y el flujo utilizadocorresponde a la corriente (3) del esquema, los resultados de esta utilizacin son biogs ybiofertilizante.

Figura 3.3, Layout bsico de la configuracin tradicional y la adhesin del proyecto

Donde:

(1) Purines de la estabulizacin(2) Fraccin de purines a no biodigerir(3) Fraccin de purines a biodigerir(4) Purines homogeneizados (proceso tradicional) para riego de praderas(5) Purines biodigeridos(6) Biogs producto del proceso de biodigestin

PozoPurines

PozoPurines

Biogs

Establos

(1)

Instalacin deBiodigestin

Riego de

praderas

(2)

(3)

(4)

(5)

(7)

(6)


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4.2. Diseo del estanque de biodigestin

La norma API 650 considera el diseo del manto del estanque, de cabezales, soportes,flanches y boquillas para la operacin de este componente, en la figura 4.1 se observan lasdimensiones bsicas del estanque y un diagrama simplificado que muestra la localizacinde los momentos mximos identificables en el eje del estanque.

Figura 4.1, Esquema de un estanque de almacenamiento

Donde:

H = Profundidad del cabezal [m]L = Largo tangencial del estanque [m]A = Distancia entre el centro del soporte y la lnea tangente [m]b = Ancho de la plancha de refuerzo [m]

QQ

Mc

Mq

Mc

A A

LH H

b b

t 2

R


55/83

4.2.1. Parmetros de diseo

4.2.1.1. Volumen requerido del biodigestorEl volumen requerido por el biodigestor debe ser considerado utilizando la cargavolumtrica (Volume Load, VL) a soportar o por el tiempo de retencin hidrulico

(Hydraulic retention time, HRT), ambos mtodos se muestran a continuacin:

Carga volumtrica:

La carga volumtrica representa el volumen necesario para biodigerir 1[kg] de materiaorgnica seca y se estima que del orden de 3,5 [kg] de odm utilizan 1 [ 3m ] del biodigestor,este mtodo es muy dependiente de la correcta estimacin de la carga volumtrica.

VL

odmV

=

Donde:

=V Volumen requerido del biodigestor

odm = Flujo de materia orgnica seca diaria [kg/d]

VL = Carga volumtrica considerada ][3 dm

kgodm

Estos datos y su resultado se resumen en la tabla 4.1.

Tabla 4.1: Resumen del clculo de volumen segn mtodo de carga volumtricaParmetro Valor UnidadFlujo odm anual 70,74 [t/a]Flujo odm diario 193,9 [kg/d]Carga volumtrica 3,5 kg d


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Tiempo hidrulico de retencin:

El estanque opera admitiendo 1,76 [m3] durante 25[das] la mezcla que contiene poseedensidad similar al agua 1000[kg/m3], dado esto el estanque debe cumplir con un volumende diseo segn alguno de los dos criterios presentados a continuacin:

HRTVs=

Donde:

s = Carga diaria ajustada a un contenido de materia seca del 13[%]

HRT= Tiempo hidrulico de retencin.

Estos datos y su resultado se resumen en la tabla 4.2.

Tabla 4.2: Resumen del clculo de volumen segn mtodo HRT

Parmetro Valor UnidadCarga diaria de substrato 2,83 [t/d]Porcentaje de materia seca 13,7 [%]Contenido deseado demateria seca

13 [%]

Suministro diario 1,96 [ dm /3 ]Tiempo de retencin 25 [d]Volumen del biodigestor 49,1 [ 3m ]

4.2.1.2. Substrato:

El estanque est en contacto directo con los purines que tienen un potencial corrosivo bajopero an as se debe cuidar esta interaccin, hay ausencia de oxgeno y existe proliferacin

de bacterias mesoflicas en la primera etapa de biodigestin y bacterias termoflicas en lasegunda etapa de biodigestin lo que disminuyen el ph de la mezcla y por ende implicaasegurar una tolerancia a la corrosin y verificarla en el clculo de espesor del manto delestanque.


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4.2.1.4. Geometra:Como se estudi en los antecedentes la geometra de este tipo de aplicaciones esesencialmente cilndrica y debe buscar una relacin

41=

HD

Donde:=D Dimetro del cilindro=L Largo del estanque

4.2.1.5. Espesor del estanque

El criterio utilizado corresponde a modelamiento por elementos finitos apoyado en lautilizacin del estndar API 650 (Anexo II) para la determinacin del espesor del estanque,este estndar utiliza nomenclatura y frmulas que operan con unidades del sistema inglspero los resultados obtenidos sern mostrados en unidades del sistema ingls y sistemainternacional para facilitar la comprensin.

Espesor de diseo

cES

dHe

d

d +

=

2144

)1(

[ ]ined

11,0=

[ ]mmed 9,2=

Espesor hidrosttico


58/83

Donde:

=de Espesor de diseo [in]

=t

e Espesor hidrosttico [in]

=d Dimetro nominal del tanque [in], =d 98 [in]=c Corrosin permitida [in], =c 1/16 [in]=:dS Esfuerzo de diseo permisible [psi], =:dS 15000 [psi]

=:tS Esfuerzo hidrosttico permisible [psi], =:tS 17500 [psi]=E Eficiencia de la junta [20], E=0,8

Espesor seleccionado

La norma API 650 recomienda utiliza como espesor mnimo en planchas de aceros alcarbono un valor de [in], esto equivale a 6,35[mm], como el valor calculado para elespesor de diseo es inferior a este mnimo se fija el espesor del manto del estanque en elvalor mnimo.

Tabla 4.3, Espesor seleccionado para el diseo del manto del estanqueParmetro ValorEspesor [in]Espesor 6,35[mm]

4.2.2. Soporte del estanque

a) Cargas a soportar:

El componente debe soportar la mitad de la carga de purines ms el peso del tambor estoequivale a:

4321: CCCCCT +++=

[ ]KgCT 3300:=


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][5,501

tC = Donde:r= Radio del estanque [m] = 1,25[m]L = Largo del estanque [m] = 10[m]

s = Densidad del substrato [kg/3m ] = 1000[kg/ 3m ]

sdC =3

2 000076,04536,0

][37,22 tC = Donde:d= dimetro del estanque [in] = 98,4[in]

s = Densidad del substrato [kg/3

m ] = 1000[kg/ 3m ]

4536,0172843

= acero

eLdC

][43 tC = Donde:d= dimetro del estanque [ft] = 8,2[ft]L = Largo del estanque [ft] = 33,8[ft]

acero = Densidad del acero ][ 3ft

lb = 490 ][ 3ftlb

=e Espesor del manto [in] = 0,25[in]

4536,017284

2

4

= acero

eq edC

][39,03 tC =

Donde:

eqd = dimetro equivalente cabezal [in] = 120[in]

acero = Densidad del acero ][ 3ftlb = 490 ][ 3ftlb

=e Espesor del manto [in] = 0,25[in]


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b) Geometra:

El componente debe conjugar con el manto del tambor y a su vez con el nivel donde seinstalar el equipo

c) Condiciones de operacin:

El componente opera a temperatura ambiente que oscila entre (-5 y 30 [C]), la humedadrelativa del ambiente es frecuentemente alta.

4.2.2.1. Criterio de diseoEl criterio utilizado corresponde al estndar API 650 apoyado en un criterio de diseo queconsidera esfuerzo normal y de corte sobre el nervio del apoyo (principal sostn de lascargas consideradas)

Espesor del nervio del soporte para esfuerzo equivalente

Se calcular el espesor del nervio para el caso que este est sometido a esfuerzo normal yesfuerzo de corte con un factor de seguridad n=4.

El arco donde ocurre el apoyo de la carga sobre el nervio corresponde a 161 del manto del

estanque soportado por ende el rea de apoyo a considerar es:

eLA = Donde:

=:A rea de apoyo [m2]=:L Arco de poyo [m], ][49.0 mL = =:e espesor del nervio [m]

El esfuerzo normal soportado por el nervio corresponde a.

[ ]paA

Fn =

La fuerza de corte V presente en la seccin corresponde a F1 vale decir a un tercio de


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[ ]PaAF

n =

A

V=

2

3

=:n Esfuerzo normal [Pa]

=: Esfuerzo de corte [Pa]=:eq Esfuerzo equivalente para este caso.

Se impone un factor de seguridad 4=n y se considera un esfuerzo de fluencia][240 MPa

y= , se puede calcular el espesor de la siguiente forma:

][0107.047

: mL

Fne

y

=

=

][10 mme =

Ubicacin del soporte y arco que sostiene

Los soportes


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La forma de utilizar la figura 4.2, es conjugando el espesor del manto con el radio de este ypor otra entrada el largo tangente del estanque con radio de este, la interseccin de laslneas cae en una zona que recomienda el arco donde debe actuar el soporte y la distanciaentre la lnea tangente y el centro del soporte, en la figura se observa un ejemplo para unespesor del manto de [in], con un radio de 5[ft] y un lago del manto cilndrico de 80[ft].

Para el proyecto seleccionado los datos a utilizar son:

Tabla 4.5: Datos generales del estanqueParmetro Valor UnidadEspesor 1/4 [in]Radio 4,1 [ft]Largo tangente 34 [ft]

De la figura 4.2 y los datos de la tabla 4.5 se obtiene el arco que subtiende el soporte es

][120= y se recomienda que la distancia entre el centro del soporte y la lnea tangencialcumpla la desigualdad siguiente:

5,00 R

A

Dado esto la distancia A se fija en 0,64[m]

4.3. Diseo del sistema de bombeo

4.3.1.1. Parmetro de diseo

a) Flujo msico:

Las bombas y sus tuberas operan entregando los purines bovinos lquidos al reactorsecundario, esto implica que cada 10 [das] debe bombea

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