Recibido: febrero/2004 Aprobado: agosto/2004 Centro Azúcar 32(1): 50-56, enero-marzo, 2005
*Dr. de la Facultad de Química y Farmacia de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara, Villa Clara. E-mail: [email protected].
Diseño de una planta de producción de
biogás
José Antonio Fabelo Falcón,* Vicente González Rodríguez, Alfredo
Curbelo Sánchez, Yailety Bello Rosa; Facultad de Química y
Farmacia, Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Con los datos obtenidos en la Granja Estatal “Remate Ariosa”, que pertenece a la “Empresa Porcina Villa Clara”, se realizó este trabajo que aquí se expone. El objetivo principal fue el diseño de una Planta de Producción de Biogás utilizando como materia prima parte del estiércol generado en el centro y ampliar este estudio por medio de la simulación del proceso a otras capacidades hasta emplear toda la materia prima disponible. En el estudio realizado se parte de la documentación preparatoria para el proyecto y se realiza un balance entre la capacidad de producción y el mercado. Además, contiene la selección, dimensionamiento y los balances de masa, los resultados obtenidos de la disposición en planta de los equipos y el diagrama de flujo. En este trabajo también se pueden encontrar los costos de inversión y de producción y el cálculo de la ganancia y el período de pago, tanto para la capacidad fijada como para otras capacidades de producción obtenidas por la simulación.
Palabras claves: Biogás, proceso anaeróbico, digestores
Designing a Biogas Production Plant
The present work has been carried out with the data obtained from the “State Farm Remate Ariosa”, belonging to the “Empresa Porcina Villa Clara”. The main objective of the study was the design of a Plant of Production of Biogas using as raw material part of the manure generated in the center; and to extend this study to other capacities by means of the simulation of the process until the whole raw material available is used. The carried out study starts with the preparatory documentation for the project and is achieved a balance between the production capacity and the market. It also contains the selection, dimensioning and the balances of mass, as well as the obtained results of the disposition of the equipment in the plant and the flowchart. In this work also the investments costs and of production are included, and the estimation of the profit and payback period, both for the capacity fixed as for other production capacities obtained by the simulation.
INTRODUCCIÓN
Los desechos porcinos pueden ser tratados por di-gestión anaerobia para obtener biogás, el que se em-plea como combustible. El biogás que se producirá estará destinado a satisfacer las necesidades energéti-cas de parte de la población de la localidad.
Las plantas de producción de biogás pueden utilizar diferentes alternativas tecnológicas, entre las que se encuentran:1,2.3,4
a) Utilizar un biodigestor anaerobio de cúpula fija. b) Utilizar un biodigestor anaerobio de campana
flo-tante.
c) Utilizar un biodigestor anaerobio tubular de bolsa de polietileno.
d) Utilizar un biodigestor UASB.
e) Realizar el proceso en un solo digestor en donde ocurra la acidogénesis y la metanogénesis. f) Realizar el proceso en dos digestores de forma
que estas dos etapas no se afecten mutuamente. El digestor que brinda mayor eficiencia es el UASB, pero se utiliza solo para la digestión de residuales líqui-dos. El biodigestor de campana flotante es adecuado para estas plantas y brinda buenos valores de pro-ducción, calidad y eficiencia. Los reactores de cúpula fija son difíciles de operar por las altas presiones que alcanzan y requieren un control estricto y la especiali-zación de los operarios para que no se produzcan accidentes fatales.3
DESARROLLO
En este trabajo se analiza el diseño de una planta de producción de biogás utilizando como materia prima el estiércol de cerdos de una empresa porcina. La des-cripción de las etapas del proceso se realiza a partir de los balances de masa en las etapas fundamentales. En esta etapa se realiza una dilución de la DQO, DBO, SST y SSV para facilitar la acción de los microorganismos sobre la materia orgánica (ver figura 1).
En la digestión ocurre la conversión anaerobia (ver figura 2) de un material orgánico en metano y dióxido de carbono, en reacciones en que están implicadas un número considerable de especies bacterianas. En la primera, la acidogénica, las bacterias degra-dan la materia orgánica formando ácidos de bajo peso molecular, y en la segunda, la metanogénica, donde se produce la mayor parte del metano.8,9
Figura 2
La etapa de purificación del biogás se realiza para eliminar el H2S(g), por resultar muy agresivo para los materiales de construcción, el hombre y el me-dio ambiente (ver figura 3).
Figura 3
La selección del equipamiento se realizó a partir de los resultados del balance de materiales y de las características de las sustancias a procesar. Como resultado se seleccionaron dos bombas centrífugas, ya que se van a tratar fluidos poco viscosos, poco corrosivos y que pueden tener sólidos en suspen-sión. Para el disolutor se escogió un tanque de fon-do cilíndrico, ya que son menos costosos y se ajus-tan a las exigencias del proceso.10,11,12,13
Se seleccionó el agitador de paletas que es clásico en la industria química, que produce agitación mo-derada y cubre un amplio rango de viscosidades, por lo que es adecuado para esta planta.
Los digestores anaerobios pueden ser de cúpula fija y de campana flotante, entre otros. En la tabla 1 se muestran las principales características de dos ti-pos de estos reactores.
Se seleccionó el digestor de campana flotante porque ofrece una mayor seguridad en la operación y un manejo fácil y razonable. En la figura 4 aparece el diagrama de flujo de la planta.
Tabla 1
Figura 4. Diagrama de flujo de la Planta de Producción de Biogás
Tabla 2. Resumen de los resultados del dimensionamiento de los equipos
Dimensionamiento de los equipos
En la tabla 2 se puede ver un resumen de los resultados del dimensionamiento de los equipos y al final de la misma la designación de cada equipo que se ha dimensionado.
Tabla 2. Continuación ...
El proceso de simulación permite co-nocer cómo se comporta la producción de biogás, el costo de cada kilogramo de biogás, el costo del equipamiento, el costo total de producción, la ganan-cia y el período de pago de la planta si se cambia considerablemente su capa-cidad al aumentar la cantidad de mate-ria prima a procesar.6,7 En las tablas 3
a), b), c) y d) se muestran los resul-tados de la simulación realizada.
Tabla 3 a)
Del análisis de la simulación se puede apreciar que al aumentar la cantidad de materia prima a proce-sar aumenta la producción de biogás de forma equi-tativa, lo que permitiría abastecer una mayor canti-dad de núcleos familiares.
Para aumentar la capacidad de producción de la planta es necesario aumentar el número de digestores y de tanques colectores, así como la capacidad de los demás equipos de la planta, aumentando con esto su costo de inversión. Al aumentar la produc-ción aumenta la ganancia y el costo por kilogramo de biogás se mantiene constante. Al analizar la ga-nancia en función del ahorro de los combustibles que el biogás sustituye no se obtienen ganancias. Si se analiza la ganancia como la suma del ahorro, más el valor de la producción, menos el costo de producción, es necesario vender el biogás a 0,9 $/ kg para obtener ganancias y que el período de pago para cualesquiera de las capacidades estudiadas, menos para el procesamiento del estiércol de me-nos de 800 cerdos, sea menor de cinco años. Si se quiere que una planta procese los desechos de menos de 800 cerdos, el período de pago será de seis años o más, o tendría que aumentarse el precio de venta para recuperar en menor tiempo. Si se analiza la ganancia como el valor de la pro-ducción menos el costo de propro-ducción, sin tener en cuenta el ahorro, para que la planta recupere la
inversión en cinco años, es necesario vender el biogás a 1,25 $/kg, lo que corresponde a que una familia de tres personas debe pagar por su cuota del mes $ 51,00. En cualquiera de los dos casos en que se analiza la ganancia el precio de venta del kilogramo de biogás para recuperar la inversión en menos de cinco años es superior al precio de venta del gas embotellado que es de 0,77 $/kg.
CONCLUSIONES
1) Para una población que tenga como promedio tres personas por núcleo con el biogás produ-cido con los desechos de 800 cerdos se pue-den abastecer 61 núcleos, disminuyendo el con-sumo en 115 L de alcohol y 549 L de kerosén, que equivalen a un ahorro de 7 954,28 $/año. 2) Si se disminuye la capacidad de la planta a me-nos de 1 600 kg/d de estiércol procesado para un precio de venta de 0,9 $/kg, y analizando el ahorro, el período de pago aumenta por enci-ma de cinco años.
3) Si se disminuye la capacidad de la planta a me-nos de 1 600 kg/d de estiércol procesado, para un precio de venta de 1,25 $/kg, y no analizan-do el ahorro, el períoanalizan-do de pago es menor de cinco años.
4) Para los aumentos de capacidad estudiados, con cualesquiera de los dos estudios, el perío-do de pago es menor de cinco años.
Tabla 3 d) Tabla 3 c)
FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS
1) Anónimo: El biogás: construcción de unidades perfeccionadas, Roma, 1986. 2) Anónimo: El biogás: producción y utilización, Roma, 1983.
3) Conde Díaz, Y. A.: “Estudio técnico económico de la planta de biogás de la destilería ‘Heriberto Duquesne’”, 2001.
4) Fernández Santana, Elina: “Metodología de bajo costo para disminuir la concentración de H2S (g) en el biogás”, tesis doctoral, 1999.
5) González Rodríguez, V. y otros: Análisis de inversiones y proyectos en la
ingeniería química. Primera parte, Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, Santa Clara, 1987.
6) http://europa.eu.int/comm/energy_transport/atlas/htmlu/adint.html
7) h t t p : / / w w w. e l h a b a n e r o . c u b a w e b . c u / 2 0 0 3 / s e p t i e m b r e / n r o 7 6 3 _ 0 3 s e p t / econ_03sep200.html
8) Kasatkin, A. G.: Operaciones básicas y aparatos en tecnología química, t. I y II, Ed. Pueblo y Educación, Ciudad de La Habana, Cuba, 1986.
9) Levenspiel, O.: Ingeniería de las reacciones químicas, Ed. Pueblo y Educación, 1985.
10) Perry, R.: Chemical Engineering Handbook, Edición Revolucionaria, Cuba, 1970. 11) Rosabal, J. M.: Hidrodinámica y separaciones mecánicas, t. I y II, Ed. Pueblo
y Educación, Cuba. 1990.
12)Tiunderjj, H.: “Producción de biogás siempre más atrayente”, Agro-Holanda IBVL 6, 1981.
13)Treybal, R. E.: Operaciones con transferencia de masa, t. II, Ed. Pueblo y
