INTEGRANTES : HUACHOPOMA HUANAY, CESAR HUARINGA RAMOS, KIEFER MEZA CARDENAS, GARY

SEMESTRE : “ IX”

HUANCAYO – PERÚ2011

DISEÑO Y SIMULACION DE UN BIODIGESTOR DE POLIETILENO

“AÑO DEL CENTENARIO DE MACCHU PICCHU PARA EL MUNDO”

UNIVERSIDAD ALAS PERUANASFACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

“PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

1.

Con

cept

o

2

. Im

port

anci

a

3

. C

ausa

s

4.

Eta

pas

5.

For

mas

6. C

onse

cuen

cias

INTRODUCCION Las expresiones matemáticas

mediante las cuales, se trata de estimar la cantidad total de metano generado por diferentes restos orgánicos usados como materia prima. Pero resulta necesario contar con información más específica respecto del proceso de generación de biogás.

“PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

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OBJETIVOSObjetivo general

Diseñar y simular la producción de metano en un biodigestor. Objetivos específicosRealizar un ejemplo de aplicación

sobre la producción de metano en un biodigestor

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

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Biodigestor

sistema que se utiliza para convertir desechos orgánicos

gas metano y fertilizantes naturales con alto contenido de N ,P y K.

Basado en la digestión sin

oxígeno (anaerobia)

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

PROCESOS BIOQUÍMICOS

a. BIODIGESTIÓN ANAEROBIA

proceso de fermentación en ausencia de oxígeno

Generando una mezcla de gases

biogás.Etapa

s

• Hidrólisis: proceso extra-celular donde bacterias hidroliticas excretan enzimas que catalizan las moléculas orgánicas complejas

• Acidogenesis: La formación de ácidos es llevada a cabo por bacterias fermentativas acidogenicas que convierten los compuestos orgánicos solubles producidos en la hidrolisis

• Acetogenesis: se convierten los ácidos grasos y alcoholes en acido acético, hidrogeno y CO2

• Metanogenesis: formación de metano por microbios; es el paso final de la descomposición de la biomasa

CH3CH2OH + H2O CH3OOH + 2H2O CH3CH2COOH + 2H2O CH3OOH + CO2 + 3H2

CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3OOH +

2H2CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

características del digestor

Para una buena operación, es necesario que el digestor reúna las siguientes características:

• Hermético, para evitar fugas del biogás o entradas de aire.

• Térmicamente aislado, para evitar cambios bruscos de temperatura.

• El contenedor primario de gas deberá contar con una válvula de seguridad.

• Deberán tener acceso para mantenimiento.

• Deberá contar con un medio para romper las natas que se forman.

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

Diseño y Capacidad del

BiodigestorLos datos para calcular el volumen de biogás que podemos obtener de un biodigestor son:

• Fuente de la materia orgánica• Materia orgánica total obtenible• Contenido de sólidos volátiles• Potencial de producción de metano• Tiempo de retención• Temperatura de la reacción

Fuente de la materia orgánica:

Es el animal o cultivo del que

proviene el residuo

majada o el

estiércol El

sustrato

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

Diseño y Capacidad del Biodigestor . . .

Cantidad total de residuo (T): Es la cantidad de residuo

orgánico que produce la fuente en kg por día

Contenido total de sólidos (TS):

materia orgánica seca Para determinar el TS de un sustrato se lo debe secar durante 5 horas a 105 ºC

Contenido de sólidos volátiles (VS):

parte del total de sólidos que se puede transformar en biogás

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

Potencial de producción de metano (BO):

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

Donde:W = Peso promedio del animal en kg.T = Cantidad total de residuo (estiércol) promedio en kg por cada 1000 kg de peso del animal.TS = Contenido promedio total de sólidos en kg por cada 1000 kg de peso del animal.VS = Contenido promedio de sólidos volátiles en kg por cada 1000 kg de peso del animal.N = Contenido promedio de nitrógeno en gramos por kilo de sustancia.P = Contenido promedio de fósforo gramos por kilo de sustancia.K = Contenido promedio de potasio en gramos por kilo de sustancia.TS/T = Porcentaje de TS sobre T.VS/TS = Porcentaje de VS/TS.

El tiempo de retención (RT) y la temperatura (TC)

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Productividad de metano

Este parámetro se define como la cantidad de metano generado en la unidad de tiempo respecto de la materia dispuesta en el reactor.Donde:

V CH4: es el volumen de metano generadoVreactor :es el volumen de materia dispuesta en el recinto fermentadort :es el tiempo considerado 

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

3.2

.bio

gas

3

.3.P

roduct

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3.4

.Modela

ción

3

.5.d

iseño

El volumen del metano:

El volumen del digestor es:

Donde los factores han sido ya explicados y K y U se obtienen de las expresiones :

K es la descomposición de los sólidos volátiles en el tiempo y es adimensional.U es el crecimiento de producción de metano con el cambio de temperatura por día.

• D = Volumen del digestor en m3• TS = Contenido total de sólidos que ingresan al digestor en kg o litros por día• FD = Factor de dilución del residuo: 2 = 1 de agua + 1 de residuo; 3 = 2 de agua +

1 de residuo, etc.• RT = Tiempo de retención en días

PROCESO DE FORMACION DE METANO EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO

APLICACIONES

A pequeña y mediana escala, el biogás ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, para calefacción y como reemplazo de la gasolina o el combustible diesel en motores de combustión interna.

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para: - Generar 1.25 kw/h de electricidad.- Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.- Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.- Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.- Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas.

DISEÑO

CONSIDERACIONES PARA EL DIMENSIONADO Y DISEÑO- Necesidades de biogás. Tiempos a usarse en cocción o en iluminación.- Necesidades de biol. Cantidad de fertilizante foliar requerido.- Necesidades medioambientales. Tipo de problema ambiental a solucionar.- Limite de materia prima. Cantidad de estiércol a tratar diariamente.

El propietario de una granja agrícola tiene 6 vacas y desea construir un digestor anaeróbico de flujo semicontinuo con el residuo del estiércol de estos animales.Encontrar:

a. La producción de metano que obtendría para un tiempo de retención de

30 días y temperatura de 25°C.

b. Calcular el volumen del digestor para una mezcla de estiércol y agua de

1 a 2,

c. Si la composición del biogás es de un 70% CH4 y un 30% CO2 ¿cuáles

son las cantidades de biogás, de CH4 y de CO2?

Para poder hacer un cálculo adecuado de balance de materia y energía proponemos un ejercicio de aplicación en el cual vamos a poder hallar el dimensionamiento y también el diseño:

Solución:

Peso de cada animal W = 500 kgPeso total de los animales = 6 x 500 kg = 3000Producción de estiércol por día T = 1500 kg x 86 kg/1000 kg de animal = 258 kg / díaTotal de sólidos por día TS = 3000 kg x 12 kg/1000 kg de animal = 36 kg /díaSólidos volátiles por día VS = 3000 kg x 10 kg/1000 kg de animal = 30 kg /díaBO = 0,2 [m3CH4/kgVS]

a) Producción de metano Aplicando las fórmulas de VCH4, K y U del texto tenemos: K= 0,6 + 0,0006 x Exp (0,1185 x 15) = 0.60U para 25°C = 0,013 x 25 -0,129 = 0,196VCH4 para RT = 30 días y TC = 25 ºCVCH4,30,25 = 0.2 x 30 x (1-(0.60/(0,196 x 30-1+ 0.60))) = 5.32[m3CH4/día]

b) Volumen del digestorMateria a digerir - Para obtención de biogás: La mezcla de estiércol y agua deberá ser de 1:4.- Para la obtención de biol primordialmente: La mezcla deberá ser 1:3TS/día= 18 kg/díaFactor de dilución: 4 a 1, es decir uno de agua por uno de residuo, entoncesTotal sustrato = 5 x 18 kg/día = 90 kg/día, como 1 kg de substrato ≈ 1 litro, y 1 m3 =1000 litros, entonces Total sustrato en m3 = 0,090 m3 / díaTiempo de retención = 30 díasVolumen del digestor = Total substrato x tiempo de retención= 0,090 m3 x 30 = 2,7m3

c) CANTIDADES DE CH4, CO2 Y BIOGÁS Cantidad de CH4 = 5.32 [m3CH4/día]Cantidad de CO2 = 5.32 x 0,3/0,7 = 2.29 [m3CO2/día]Cantidad de biogás = CH4 + CO2 = 5.32 + 2.29 = 7.6038 [m3biogás/día]d) Volumen del tanque de almacenamiento de biogásLa relación

entonces volumen

Tomando como referencia el Volumen Del tanque= 3000 lts (3 m3):Para un radio comercial de r= 0.45 mTendríamos una longitud de : L= 3.75 m y la relación es de 1:9

VD/VG = 1/9

VD = 2.70 / 0.9 [m3]

VD = 3 [m3]

Donde:Pf = perímetro.Df = Diámetro de la membrana de plástico.Despejando D en la ecuación anterior y remplazando valores se tiene:

DIAMETRO DEL BIODIGESTOR

LONGITUD DEL BIODIGESTOR

Realizando el arreglo necesario se tiene:

Donde:VDR = Volumen real del digestor.AD = Área de una sección circular del digestor.LD = Longitud del digestor

RESULTADOS OBTENIDOS

n = 6; W = 3000; VS = 30; K = 0.6210; Tc = 25; U = 0.1960; BO = 0.2000; Ts = 36; Fd = 3; T = 30; Vr = 3.2400

INTRODUCCIÓN DE DATOS

Aplicación de Labview

Figura 4: tabla para rellenar datos

RESULTADO EN LAS SIGUIENTES TABLAS:

Figura 5: tabla de resultados

Gráficos del volumen y producción de metano.

CONCLUSIONES:

A TRAVES DE ECUACIONES DE DISEÑO SE PUEDEN OBTENER EL DIMENSIONAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS PARA LA ELABORACION DEL BIODIGESTOR

FIN