Trabajo de grado - Pregrado
Diseño de reactor cilíndrico para producción de biogás, aprovechando el estiércol bovino en la finca la esperanza municipio de Pupiales. Y reducir el hidróxido de azufre
Registro en:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereira
Autor
Moreno Jiménez, Alex Yovanny
Moreno Cordoba , Jaime Francisco
Institución
Resumen
Este trabajo tiene como objetivo el diseño de un reactor para generar gas con estiércol bovino y la
reducción de H2S. Se investiga en el mercado nacional la oferta de reactores existentes y su viabilidad de
instalación en la finca la esperanza, observando algunas falencias de estos para la aplicación requerida se
procede a realizar el diseño del reactor teniendo en cuenta las especificaciones pertinentes para la finca
la esperanza. Se programa una hoja de cálculo para facilitar a las personas que les puede interesar este
tipo de biodigestores. Dado que el biogás contiene impurezas se estudia instalar unos filtros para evitar
este problema. The objective of this work is the design of a reactor to generate gas with bovine manure and the
reduction of H2S. The supply of existing reactors and their feasibility of installation in the Esperanza farm
are investigated in the national market, observing some shortcomings of these for the required
application, the design of the reactor is carried out taking into account the relevant specifications for the
Esperanza farm. A spreadsheet is programmed to facilitate people who may be interested in this type of
biodigester. Since the biogas contains impurities, some filters are studied to avoid this problem Pregrado Ingeniero(a) Mecánico(a) CONTENIDO
1. TABLAS................................................................................................................................................... 5
1.1. Tabla de ilustraciones.................................................................................................................... 5
1.2. Contenido de tablas ...................................................................................................................... 6
2. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................... 1
2.1. Planteamiento del problema......................................................................................................... 2
2.2. Objetivo general............................................................................................................................ 3
2.3. Objetivos específicos..................................................................................................................... 3
3. MARCO TEÓRICO................................................................................................................................... 4
3.1. Antecedentes ................................................................................................................................ 4
3.1.1. Biogás en Colombia ............................................................................................................... 4
3.1.2. Biogás a nivel mundial........................................................................................................... 4
3.2. Historia de los biodigestores......................................................................................................... 5
3.3. Biomasa ......................................................................................................................................... 6
3.4. Tipos de biomasa........................................................................................................................... 6
3.4.1. Biomasa natural..................................................................................................................... 6
3.4.2. Biomasa residual ................................................................................................................... 6
3.4.3. Biomasa producida................................................................................................................ 6
3.5. Conversión de biomasa en energía ............................................................................................... 7
3.5.1. Método termoquímico.......................................................................................................... 7
3.5.1.2. Pirólisis............................................................................................................................... 7
3.5.1.3. Gasificación ....................................................................................................................... 7
3.5.1.4. Co-combustión .................................................................................................................. 8
3.6. Métodos bioquímicos.................................................................................................................... 8
3.6.1. Fermentación alcohólica ....................................................................................................... 8
3.6.2. Fermentación metánica ........................................................................................................ 8
3.7. Procesos de biodigestión............................................................................................................... 8
3.8. Digestión aerobia .......................................................................................................................... 8
3.8.1. Digestión anaerobia .............................................................................................................. 9
3.9. Fuentes de energías renovables.................................................................................................... 9
3.9.1. Tipos de fuentes de energía renovable................................................................................. 9
3.10. Biogás ...................................................................................................................................... 10
3.11. Biogás vs gas natural (ventajas y desventajas)........................................................................ 11
3.12. Biodigestor .............................................................................................................................. 11
3.13. Clasificación biodigestores...................................................................................................... 12
3.13.1. Digestor continúo................................................................................................................ 12
3.13.2. Digestor discontinuo ........................................................................................................... 12
3.14. Tipos de biodigestores............................................................................................................. 13
3.14.1. Biodigestor tubular (taiwanés-flexible)............................................................................... 13
3.15. Partes de un biodigestor ......................................................................................................... 14
3.15.1. Reactor ................................................................................................................................ 14
3.15.2. Pileta de carga ..................................................................................................................... 14
3.15.3. Almacenamiento y sistema de gas...................................................................................... 15
3.15.4. Pozo de descarga................................................................................................................. 15
3.16. Criterios de diseño................................................................................................................... 15
3.16.1. Tipo de sustrato................................................................................................................... 15
3.16.2. Temperatura del sustrato.................................................................................................... 16
3.16.3. Presión de operación........................................................................................................... 17
3.16.4. Densidad.............................................................................................................................. 17
3.16.5. Nivel de acidez (pH)............................................................................................................. 17
3.16.6. Tiempo de retención ........................................................................................................... 18
3.16.7. Sistema de mezclado........................................................................................................... 19
3.16.8. Propiedad de los materiales................................................................................................ 21
3.17. Diseño de recipientes a presión .............................................................................................. 22
3.17.1. Presión de diseño ................................................................................................................ 22
3.17.2. Presión hidrostática............................................................................................................. 22
3.17.3. Presión de empuje lateral ................................................................................................... 23
3.17.4. Espesor de casco cilíndrico. (t) ............................................................................................ 23
3.17.5. Propiedad de los materiales................................................................................................ 23
3.17.6. Esfuerzo del material........................................................................................................... 24
3.17.7. Deformación del material.................................................................................................... 24
3.17.8. Diseño de anillos atiesadores.............................................................................................. 25
3.17.9. Ubicación de anillos atiesadores......................................................................................... 26
3.17.10. Selección de bombas....................................................................................................... 26
3.18. Cálculo del NPSH disponible.................................................................................................... 27
3.19. Purificación del biogás............................................................................................................. 27
3.19.1. Reducción del H2S................................................................................................................ 28
3.19.2. Reducción de agua. ............................................................................................................. 28
4. METODOLOGÍA Y EXPERIMENTOS. ..................................................................................................... 29
4.1. Delimitación geográfica............................................................................................................... 29
4.2. Dimensionamiento del biodigestor............................................................................................. 30
4.3. Materia prima para experimentación en la finca........................................................................ 30
4.4. Mezcla de la materia prima......................................................................................................... 31
4.4.1. Densidad de la mezcla......................................................................................................... 32
4.4.2. Tiempo de retención ........................................................................................................... 32
4.4.3. Espacio para producción de biogás..................................................................................... 32
4.5. Volumen Total requerido para biodigestor................................................................................. 33
4.6. Producción de biogás.................................................................................................................. 33
4.7. Elección del tipo de biodigestor.................................................................................................. 34
4.8. Biodigestores en el mercado....................................................................................................... 34
4.8.1. Tanque de tratamiento anaeróbico .................................................................................... 35
4.9. Diseño de biodigestor para la finca............................................................................................. 35
4.9.1. Presión interna de trabajo................................................................................................... 35
4.9.1. Presión hidrostática............................................................................................................. 35
4.9.2. Presión de trabajo interna requerida.................................................................................. 35
4.9.3. Espesor del reactor para el biodigestor .............................................................................. 36
4.9.4. Diseño de anillos atiesadores.............................................................................................. 36
4.9.5. Cálculo de tornillos sujetadores de tapa............................................................................. 41
4.9.6. Selección de bomba ............................................................................................................ 42
4.9.7. Purificación de biogás.......................................................................................................... 43
4.10. Planos...................................................................................................................................... 43
4.11. Simulación ............................................................................................................................... 44
4.11.1. Primera etapa: Simulación de cargas estáticas sobre la tapa del reactor........................... 44
4.11.2. Segunda etapa: Simulación de cargas estáticas sobre el tanque reactor........................... 47
4.12. Manejo de la base de datos .................................................................................................... 50
4.12.1. Paso 1. ................................................................................................................................. 50
4.12.2. Paso 2 .................................................................................................................................. 52
4.12.3. Paso 3 .................................................................................................................................. 54
4.12.4. Paso 4 .................................................................................................................................. 55
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................................................................................... 60
6. RECOMENDACIONES ........................................................................................................................... 63
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................................... 64
8. BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................... 65
9. ANEXOS................................................................................................................................................ 68