Facultad de Ingeniera Qumica.DISEO DE PROCESOS.PROYECTO PARA LA INSTALACIN DE UNA PLANTA DE BIOGS A PARTIR DE EXCRETAS DE CERDOS. Integrantes. Abisai Ruiz Cruz. Diego Perera Sols. Laura Alejandra Pech Poot. Daro A. Guilln Duarte. Karina Limn Long. Nidia Aracely Cisneros Crdenas. lvaro Garca Moreno. Fernando Prez Carrillo. Andrs Gmez.Semestre: 9 Grupo: UProfesores: Dr. Juan Enrique Ruiz Espinoza.I.Q.I Carlos Peraza Lizama.Mrida, Yucatn 8 de Diciembre del 2014.ndiceResumen ejecutivo.2Introduccin.5Justificacin.5Marco Terico.7Antecedentes.9Mtodo de absorcin:10Mtodos de separacin por membrana:11Mtodos de adsorcin12Mtodo de purificacin:12Lay out en un plano 001-P115Lay out en un plano 001-P2.16Diagrama de Tuberas e Instrumentacin.17Dimensionamiento del biodigestor18Balances de Materia.20Esquema energtico de la planta productora de biogs21Calentamiento del flujo de alimentacin y enfriamiento22Unidad de CHP23Balance Energtico final.23Diagrama de flujo de procesos.25Referencias.26

Resumen ejecutivo

Hoy en da, el aumento en los precios de los combustibles fsiles y su efecto en el medio ambiente y el cambio climtico son problemas globales y focos de atencin para los organismos internacionales. Como resultado de esta preocupacin, diferentes alternativas en materia energtica estn siendo estudiadas y desarrolladas. Una de estas alternativas es la biomasa.Dado que en Yucatn la porcicultura es una actividad de suma importancia, la poblacin de cerdos ha tenido un crecimiento acelerado y por consiguiente un aumento en las excretas y aguas residuales provenientes de granjas, pudiendo ser esta una fuente de biomasa rica en materia orgnica y nutrientes, ideal para un proceso de digestin en un esquema de biorrefinera.Sabemos que mucha biomasa es desperdiciada cada ao, perdiendo la oportunidad de transformarla en energa o biocombustible. Siguiendo el objetivo de utilizar al mximo cada fuente de biomasa y la produccin de mltiples subproductos de acuerdo a la situacin del mercado, surge la idea de la biorrefinera, con la cual se fundamentar presentar una propuesta de lo que podra ser una planta de produccin de biogs a partir de las excretas de cerdo.

Especificaciones de diseo Para el diseo de la planta se usarn dos biodigestores con agitacin mecnica para contener la carga alimentada en el tiempo establecido, el volumen de cada biodigestor individual para contener la mezcla de porquinaza ser de 7016 m^3 que es la mitad del volumen total de la mezcla porquinaza-agua. El biogs se almacena en un domo inflable que se encuentra ubicado en la parte superior del biodigestor y cuando la presin en el domo supera los 3 mBar se activan los sistemas de seguridad (as como un sistema de alerta de mensajes SMS si la presin sobrepasa los 4 mBar para notificar a los operadores) el exceso de gas es enviado a un quemador de seguridad y se retiran lodos al tanque de almacenamiento de bioabono hasta que la presin este entre 1.5 y 3 mBar. Si por el contrario la presin en el interior del biodigestor disminuye se activan los controles de seguridad para bombear bioabono hacia el interior del biodigestor, si la presin contina bajando se alerta a los operadores de una fuga, estos deben asegurarse de que se aplica la correccin adecuada al problema. De 7016 m^3 de biogs en el domo del biodigestor, se envan 4534.24 m^3 de biogs/da a la cmara de cogeneracin, siendo que 2482 mts^3 de biogs restantes permanecen en el biorreactor. La densidad del biogs es de 1.16 kg/m^3, por lo que la masa de biogs enviada al generador es de 5259.71 kg.

Para los balances energticos tenemos que la eficiencia de la unidad CHP es 36.6 % de electricidad y 54.1 % de Calor (GE Power & Water, 2014), la produccin total de energa elctrica y de calor por la combustin del metano es 9449.38 GJ de Electricidad 13967.538 GJ de Calor.

Como aspecto fundamental fue primordial identificar las fronteras del sistema y tomar en cuenta los flujos de energa que se usan en el proceso, es decir, la energa para procesar la biomasa y convertirla en bioenerga.Con respecto al material del que se construir nuestro biodigestor son todos de chapas de acero inoxidable de 4 mm de espesor, abulonadas, permitiendo un fcil armado y transporte en contenedor para su traslado o exportacin. El techo ser de una lona polipropileno especialmente resistente para que de esta forma la campana retenga el gas a baja presin. Para el aislamiento trmico se utilizar un poliestireno de alta densidad (densidad 15) de unos 80 mm entre las placas. Esto es para evitar todo tipo de fugas trmicas en las plantas ya que son productoras y no consumidores de energa. Los resultados son un tanque de 31 mts de dimetro y 9.30 mts de altura para soportar la carga del biodigestor. El tanque de almacenamiento del bioabono ser de 4 mts de dimetro por 2 mts de altura.Para lograr una buena purificacin del biogs se seleccionaron dos mtodos y as obtener la pureza del gas a combustionar. Del proceso mencionado anteriormente, en el digestor se inyectan pequeas cantidades de oxigeno atmosfrico mediante un impulsor, el sistema de control automtico regula la cantidad de aire en funcin de las necesidades, que se correlaciona con la cantidad de gas, el oxgeno es empleado como reductor del sulfuro de hidrogeno de forma natural.Otra alternativa a la generacin de electricidad, es la produccin del biogs a biometano, inyectndolo a la red de gas natural existente. Esto se realiza mediante una presurizacin con agua, con este mtodo la mayor parte del dixido de carbono se elimina del biogs, por el cual primero se condensa y despus se enfra. El gas resultante contiene entre un 97 y un 99 % de metano dependiendo de la calidad del gas. Este gas puede ser almacenado en tanques y tuberas.

Introduccin

Hoy en da, el aumento en los precios de los combustibles fsiles y su efecto en el medio ambiente y el cambio climtico son problemas globales y focos de atencin para los organismos internacionales. Como resultado de esta preocupacin, diferentes alternativas en materia energtica estn siendo estudiadas y desarrolladas (Elica, Solar, etc) para evitar el uso de combustibles fsiles. Una de estas alternativas es la biomasa.Mucha biomasa es desperdiciada cada ao, perdiendo la oportunidad de transformarla en energa o biocombustible. Siguiendo el objetivo de utilizar al mximo cada fuente de biomasa y la produccin de mltiples subproductos de acuerdo a la situacin del mercado, surge la idea de la biorrefinera.Una biorrefinera integra procesos de conversin de biomasa para producir combustibles, energa elctrica y qumicos, de manera anloga a una refinera petrolera (Luo, et al., 2001).El objetivo de una biorrefinera es maximizar la produccin de combustible, para as sustituir a los combustibles fsiles con fuentes renovables de energa con una mnima huella ecolgica (Luo, et al., 2001).En una biorrefinera de plataforma bioqumica, la biomasa puede ser sometida a procesos de digestin anaerobia para su degradacin, con el objetivo de producir biogs. La produccin de biogs est enfocada en el proceso de digestin anaerobia. Las fuentes de biomasa. La biomasa se puede definir como toda aquella materia orgnica, con excepcin del petrleo, que se genera en el planeta; est formada principalmente por carbono, oxgeno, hidrgeno y nitrgeno (Saxena, et al., 2009).Dado que en Yucatn la porcicultura es una actividad de suma importancia, la poblacin de cerdos ha tenido un crecimiento acelerado y por consiguiente un aumento en las excretas y aguas residuales provenientes de granjas, pudiendo ser esta una fuente de biomasa rica en materia orgnica y nutrientes, ideal para un proceso de digestin en un esquema de biorrefinera.El tratamiento anaerobio es una de las opciones ms utilizadas y ms redituables en el agua residual porccola, debido a la produccin de biogs y a las eficiencias de remocin para las altas cargas de materia orgnica (Aragon Briceo, 2012).Debido a esto se presentara una propuesta de lo que podra ser una planta de produccin de biogs a partir de las excretas de cerdo.

Justificacin

En Mxico durante el 2010 se produjeron 1160,502 toneladas de carne de cerdo donde Yucatn se encuentra en el 5 lugar a nivel nacional en produccin porcina con un total de 91,410 toneladas (8% del producto total a nivel nacional), lo cual indica la importancia de este mercado en la economa de la regin (SAGARPA, 2010).Segn Mndz et al., (2009) existen en Yucatn 470 granjas de las cuales solo 166 estn registradas en la SAGARPA; del total de las granjas, 393 son chicas, 27 medianas, 40 grandes y 10 megas. Se producen diariamente un total de 3884.78 toneladas de excretas porcinas y 9,428.37 m3d-1 de aguas residuales.Ramayo, (2010) seala que las excretas porcinas tratadas pueden ser aprovechadas para la generacin de metano como fuente de energa y como mejorador de suelos, ya que por sus enormes cantidades de materia orgnica representan una va natural para enriquecer los suelos compuestos por capas superficiales de tierra muy escasa y afloramiento de roca.Un esquema de biorrefinera que aproveche las aguas residuales provenientes de granjas porccolas podra ser una solucin a la gran cantidad de desechos tanto slidos como lquidos generados debido al crecimiento intensificado que ha mostrado la porcicultura a nivel mundial en los ltimos aos, utilizando un sistema anaerobio de digestin (como una de las opciones ms utilizadas y ms redituables) en virtud a alcanzar una adecuada produccin de biogs y adems lograr altas eficiencias de remocin de cargas orgnicas.

Marco Terico

La digestin anaerobia a partir de polmeros naturales y en ausencia de compuestos inorgnicos, se realiza en tres etapas: 1) hidrlisis y fermentacin, en la que la materia orgnica es descompuesta por la accin de un grupo de bacterias hidrolticas anaerobias que hidrolizan las protenas y carbohidratos, y las transforman en monmeros y compuestos simples solubles; 2) acetognesis y deshidrogenacin, donde los alcoholes, cidos grasos y compuestos aromticos se degradan produciendo cido actico, bixido de carbono e hidrgeno que son los sustratos de las bacterias metanognicas; 3) metanognesis, en la que se produce metano a partir de bixido de carbono e hidrgeno con la actividad de bacterias metanognicas (Marty, 1984).La concentracin de hidrgeno juega un papel fundamental en la regulacin del flujo del carbono en la biodigestin. Los microorganismos que en forma secuencial intervienen en el proceso son: 1) bacterias hidrolticas y fermentadores; 2) bacterias acetonognicas obligadas reductoras de protones de hidrgeno (sintrficas); 3) bacterias sulfato reductoras (sintrficas facultativas) consumidoras de hidrgeno; 4) bacterias homoacetognicas; 5) bacterias metanognicas; 6) bacterias desnitrificantes. (Soubes, 1994).Para que las bacterias aseguren su ciclo biolgico en el proceso de digestin anaerobia es necesario que se presenten condiciones ptimas de operacin. A continuacin se mencionan dichos factores: la temperatura, la presin el tiempo de retencin, la relacin C/N, el porcentaje de carbono orgnico, el porcentaje de nitrgeno total, el pH, el porcentaje de slidos totales y el porcentaje de materia orgnica. En una publicacin realizada (Determinacin qumica en excretas de cerdo sometidas a biodigestin anaerbica en el laboratorio, Fernando Nez S, Felipe Urrutia S, Ema Gonzlez Z, Santiago Urcelay V. Mayo de 1987) se encontraron varias conclusiones que son de apoyo durante el desarrollo de este proyecto. El experimento fue realizado a nivel laboratorio en un biorreactor anaerobio de tipo batch a diferentes condiciones a fin de encontrar la ideal para este proceso. Se probaron dos temperaturas, la primera de 15C la cual se considera una temperatura ideal para bacterias psicrofilicas, lo que conlleva tambin mayor tiempo de retencin para que se realice el proceso adecuadamente.

Los datos que se obtuvieron en esta condicin, no fueron sobresalientes al ser comparados con la segunda temperatura, la cual era de 35C (mesoflica) y con la que se obtuvo un mayor porcentaje de produccin de biogs en un menor tiempo de retencin, una mayor reduccin de slidos, materia orgnica y carbono orgnico. Por lo anterior, se concluy que la temperatura deseable para este proceso es la mesoflica. Adems de la temperatura, se tomaron en cuenta los factores mencionados anteriormente.Algunas de las ventajas que presentan los biodigestores anaerobios es que se optimiza el material orgnico utilizado, ya que se captan todos los productos y subproductos (gases y lquidos con slidos disueltos) generados en la degradacin, por lo cual existe poca prdida de elementos nutritivos, lo cual no sucede durante la biodigestin aerobia. Los residuos orgnicos obtenidos despus de la biodegradacin anaerobia tienen mayor riqueza nutricional que los obtenidos en la biodegradacin aerobia. (Noyola y Monroy, 1994). Aunque dichos biodigestores anaerobios presentan algunas complicaciones como el hecho de que el material orgnico obtenido de este tipo de biodegradacin es lquido, lo que implica que al aplicarse en forma lquida a suelos permeables existe mucha prdida por lixiviacin de alguno de sus componentes. (Feigin, 1991).El biogs es empleado fundamentalmente en la generacin elctrica, en motores para bombas de agua, alumbrado, en la coccin de alimentos y equipos de refrigeracin. El tratamiento de excremento de animales y humanos en sistemas de Biogs mejora las condiciones de saneamiento para los propietarios de la planta, sus familias y la comunidad entera ya que el contenido inicial de patgenos del excremento se reduce apreciablemente debido a los procesos de fermentacinEl mecanismo predominante para la conversin de la biomasa en biogs es la conversin bioqumica o digestin de biomasa orgnica que debe entenderse como un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos y enzimticos simultneamente (Silva, Universidad del Valle).

A continuacin se presentan tablas sobre las composiciones y caractersticas del biogs.Componente% molar, ref Banquedano (1979)% molar, ref. Deublein

CH440-7055-70

CO230-6030-45

H2S0-3Otros gases

H20-1

Tabla 1. Composicin de biogs (Juan Pablo Silva Velazco, Universidad del Valle)

Parmetro

Contenido energtico6-6.5 kWh/m3

Temperatura de Ignicin650 a 750 C

Densidad1.2 kg/m3

Masa molar16.043 kg/kgmol

Tabla II. Caractersticas del biogs (Juan Pablo Silva Velazco, Universidad del Valle)

Antecedentes

El biogas est llamado a convertirse en una alternativa energtica de futuro. La produccin de electricidad por medio de motores de Cogeneracin es hoy por hoy en Alemania una fuente de energa para el pas sumamente importante. Esta alternativa de utilizacin del biogs es efectiva pues todo el calor necesario para los calentamientos dentro de la planta as como el consumo energtico en trminos elctricos pueden cubrirse en su totalidad utilizando las unidades de congeneracin (CHP) y aun as tener electricidad sobrante para suministrar a la red pblica. Otra alternativa a la generacin de electricidad y calor es la conversin del biogs a biometano para su inyeccin en la red de gas natural por medio de procesos de purificacin; sin embargo, en Mxico, la ausencia de un marco regulatorio y productivo est impidiendo su potencial desarrollo. El biometano es el resultado de la purificacin del biogs generado a partir de la fermentacin anaerobia de residuos orgnicos. El biogs est formado por CO2 y por metano, de tal manera que cuando ese CO2 es eliminado, se consigue el biometano, un gas similar al gas natural, aunque se diferencian en el origen: mientras que el biometano procede de materias orgnicas fermentadas en vertederos, depuradoras, digestores anaerobios de residuos de las basuras orgnicas, o residuos de la agricultura y ganadera, el gas natural se obtiene mediante el uso de fuentes fsiles.

Metano (CH4)45- 65%

Dixido de Carbono (CO2)50- 35 %

Nitrgeno (N2)2 3%

cido Sulfhdrico (H2S)1.2 - %

Tabla III: Composicin del biogs.

Figura 1: Biogs y sus aplicaciones.* Fraccin Orgnica de Residuos Slidos Orgnicos.

El biogs es un producto muy verstil desde el punto de vista de usos energticos porque su utilizacin ms habitual es quemarlo en un motor y producir electricidad y calor, lo que se conoce como cogeneracin. Sin embargo, est ms que comprobado que el biometano tambin es vlido para otro tipo de aplicaciones las mismas que pueda tener el gas natural- y, desde hace varios aos, muchos pases europeos lo inyectan en la red de gas natural. Un claro ejemplo lo encontramos en Alemania. La legislacin de este pas obliga a las redes de distribucin de gas natural a aceptar la inyeccin del biogs en la red, si tanto tcnica como econmicamente es posible llevarlo a cabo. Segn el Informe anual sobre los efectos del rgimen especial del biogs, presentado por la Agencia Federal de Redes a finales de mayo del presente ao, un total de 77 instalaciones de biometano produjeron 275 millones de metros cbicos a finales de 2011 en este pas, cifra que supone un incremento del 54% respecto al ao anterior, pero lejos del objetivo de 6.000 millones de metros cbicos marcado para 2020, y ms lejos an de los 10.000 m3 previstos en 2030. La eleccin de un mtodo para purificar un gas depende principalmente de la naturaleza qumica del componente a eliminar, para este caso generalmente se aplican tres mtodos fundamentales:Mtodo de absorcin: Este se basa en la transferencia de masa entre la sustancia gaseosa a depurar y un lquido denominado adsorbedor que posee propiedades selectivas de absorcin. En muchos casos la misma se produce conjuntamente con una reaccin qumica que absorbe una sustancia seleccionada segn las caractersticas qumicas de ambos (Camargo, 1986).Uno de los mtodos ms antiguo es la utilizacin de limallas de hierro (xido de hierro (II)). Estas se combinan con virutas de madera en proporciones de 60 % y 40 % respectivamente. La capacidad de eliminacin de las columnas es de 0,12 0,18 kg S/ kg Fe, siendo la duracin de dichas columnas de dos meses para un tiempo de contacto de tres minutos y una concentracin de sulfuro de hidrgeno en el gas de 0,3 % en volumen. Dicho mtodo tiene como desventajas, que cuando se

quiere eliminar grandes cantidades de sulfuro de hidrgeno, el costo de la mano de obra resulta excesivo, as como la cantidad de limallas difcil de obtener. Se han ideado procedimientos para regenerar el xido sin moverlo, adicionando aire de forma continua a la corriente que se quiere purificar, o circulando de nuevo gas con aire sobre las capas de xido, pero esto slo ha encarecido ms el proceso debido a la necesidad de utilizar grandes columnas para la purificacin del gas. Otro de los procedimientos empleados para absorber el sulfuro de hidrgeno, consiste en la utilizacin de soluciones de aminas, las cuales tienen el grupo amino (NH2) que se combina con dixido de carbono y sulfuro de hidrgeno para dar compuestos de hidrgeno carbonato, amonaco (RNH3)HCO3 y azufre con amonaco (RNH3)S, pero tiene la dificultad de ser un mtodo muy costoso. En la columna tipo ducha se emplean soluciones de carbonato (carbonato de potasio o sodio), en ellas se logra reducir el sulfuro de hidrgeno y aunque es un proceso menos costoso que el anterior, no est al alcance de pases en vas de desarrollo (Kirk y Othmer, 1962).Tambin se han empleado las soluciones acuosas alcalinas. Su principal ventaja consiste en que los problemas de corrosin y formacin de espuma lo hacen menos costoso. Sin embargo, el agente antiespumante hace que el equipamiento y la operacin sean ms complicados. Este mtodo consume mucha energa para el bombeo de la solucin y de los gases (Kirk y Othmer, 1962). Para el caso de la separacin de sulfuro de hidrgeno de gas natural y de los gases de refinera, se utiliza el proceso Girbotol. En el mismo se emplea como absorbente una solucin acuosa de monoetanolamina o de dietanolamina, pero el costo relativamente alto de estas exige precauciones especiales para evitar prdidas fsicas o qumicas del absorbente, que encarecen la operacin (Kirk y Othmer, 1962).Suelen emplearse otros procedimientos qumicos, entre los que se encuentran el uso de soluciones de sosa custica y lechada de cal, pero no se utilizan en gran escala por el costo de los compuestos qumicos (Kirk y Othmer, 1962). De lo anterior se concluye que existen varios procesos por los cuales se lleva a cabo este mtodo. Algunos de ellos emplean reactivos qumicos y otros altos consumos de energa mecnica, siendo unos ms costosos que otros pero an en el caso de los ltimos estn fuera del alcance econmico de muchos pases en vas de desarrollo.

Mtodos de separacin por membrana:Este proceso se basa en la difusin de algunos compuestos que pasan a travs de una membrana selectiva. Con el objetivo de facilitar la difusin se emplea un portador. La permeabilidad del gas a travs de la membrana es funcin de la solubilidad y difusividad del gas en el material de la misma. Las membranas estn hechas de polmeros porosos y son extremadamente finas (del orden de los micrones). Se utilizan solamente en procesos en los cuales el flujo sea suficientemente grande para justificar la inversin. Diferentes filtros de membranas han sido probados para la separacin de sulfuro de hidrgeno del gas. Los equipos y la operacin de este mtodo son simples, sin embargo, la eficiencia de la separacin por membrana es baja y el costo de la misma elevado, adems hay que aplicar grandes presiones (Chuo, et al 1986).

Mtodos de adsorcin

Existen numerosas ventajas en el uso de mtodos de adsorcin para purificar gases. Estos se basan en la captura selectiva de las impurezas del gas con ayuda de materiales slidos granulados, los cuales contienen una gran superficie especfica. Estos procesos tienen una serie de ventajas, dentro de las cuales se encuentran:Gran estabilidad trmica, Proporciona un servicio prolongado, Para su ejecucin se emplea un simple equipamiento, Fcil operacin del sistema de purificacin, Proporciona la posibilidad de una elevada selectividad en la eliminacin de sulfuro de hidrgeno. Sin embargo tiene como desventajas fundamentales: Utilizar grandes volmenes de material granulado, para procesar mayores flujos de gases, as como que el proceso de regeneracin requiere de altas temperaturas, aunque esto no lo hace inoperante ni econmica, ni tecnolgicamente. Fernndez y Montalvo, 1996. Adems, existen los identificados como mtodos biolgicos los cuales se llevan a cabo mediante la accin de determinados microorganismos tales como bacterias sulfuoxidantes que llevan el sulfuro a azufre metlico. Fdez Polanco y otros, 1996. Se conoce que existen muchos microorganismos que habitan en lugares hmedos y que son consumidores de H2S(g) como fuente nutricional, cubriendo sus alrededores con azufre elemental. Estos tienen preferencia por las aguas residuales y nunca dejan de crecer y multiplicarse mientras las condiciones ambientales lo permitan, pueden vivir tanto en presencia como en ausencia de oxgeno aunque hay ciertos factores que favorecen su crecimiento y desarrollo como son: humedad, presencia de oxgeno, existencia de H2S (g) y lquido residual como vector (transportador de bacterias). Todos los estudios demuestran que el efecto biocataltico en cuestin se debe al consumo de H2S (g) por parte de dichos microorganismos disminuyendo as su concentracin en el biogs.Mtodo de purificacin:Para lograr una buena purificacin del biogs se seleccionaron dos mtodos y as obtener la pureza del gas a combustionar. Del proceso mencionado anteriormente, en el digestor se inyectan pequeas cantidades de oxigeno atmosfrico mediante un impulsor, el sistema de control automtico regula la cantidad de aire en funcin de las necesidades, que se correlaciona con la cantidad de gas, el oxgeno es empleado como reductor del sulfuro de hidrogeno de forma natural.Principio qumico de remocin:1.- Oxidacin de sulfuro de hidrogeno a sulfato:H2S + 2O2 H2SO4 2.- Oxidacin de sulfato como azufre elemental como producto intermedio:2H2S+O2 S2+2H2O2H2S + O2 2S + 2H2O

2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4

Figura 2: Inyeccin de Oxigeno al biodigestor para reduccin del H2S

Despus de este proceso el biogs pasa por tuberas hasta llegar a un filtro de carbn activo, el cual elimina los residuos de sulfuro de hidrogeno que pueda quedar tras la desulfuracin.Figura 3: Flujo de gas por filtro de carbn activo.

Despus de este proceso de purificacin se obtiene un biogs que es apto de ser combustionado en el generador en el cual se produce electricidad y calor, el cual tiene la siguiente composicin.

Composicin tpica a la salida del digestor.

MetanoVol. %53 %

Dixido de Carbono (CO2)Vol. %48 %

Oxigeno (O2)Vol. %