“DISEÑO Y EVALUACIÓN DE LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE ESTIÉRCOL DE GANADO”

a. Ubicación de Planta

- Departamento: Arequipa - Provincia: Caylloma - Distrito: El Pedregal – Majes - Ubicación: A 95 Km de la ciudad de Arequipa - Coordenadas del terreno:

Latitud Sur: 16°20'35.44"S Longitud Oeste: 72° 9'9.26"W”

- Extensión Territorial: 67 Ha - Altitud: 1270 m.s.n.m. - Clima: Árido - Vías de Comunicación: Terrestre

Grafico 1. Fotografía que muestra las características geográficas del Pedregal (Fuente Satelital. Google Earth, 2010)

Grafico 2. Fotografía que muestra la localización de la planta de Biogás (Fuente Satelital Google Earth 2010)

Características del Terreno

• Dimensiones: - 127.76 m

- 115.4 m - Área total: - 14,743.504 m2 - Área construida: - 6,540 m2 - Área libre: - 8,203.504 m2

b. Datos Meteorológicos

Altura: 1270 m.s.n.m. Suelos: Llanura desértica de relieve uniforme ligeramente ondulado, con inclinación de este a oeste inferior al 3%.Textura arenosa o arenosa gravosa, con escasez de limo y ausencia casi total de arcilla. Recurso hídrico e infraestructura: El agua de riego proviene actualmente de la cuenca alta y media del río Colca, las cuales son reguladas en la represa de Condoroma y conducidas a través de la infraestructura hidráulica del Proyecto Especial Majes -Siguas. El recurso hídrico recorre 88 km por túneles y 40 km por canales revestidos. Verano: Temperatura media anual de 19°C Radiación solar de 3,396.7 hrs/año Promedio de Precipitación Anual (mm): 7 Velocidad del Viento (km/h): 0,9 Dirección del Viento: SN Promedio de Humedad Relativa (%): Relativa máxima de 81.3% y mínima de 36.4%. Evaporación media de 2,129.8 mm/año.

c. Datos Zona sísmica A continuación se muestran los sismos que presentaron mayor relevancia durante los últimos seis meses del año en curso.

Fecha Tiempo Localidad Coordenadas Profundidad (km)

Escalas de Ritcher Latitud Longitud

27/06/2010 6:28:21 Caravelí 15.84 73.64 58 4.0

26/06/2010 23:38:39 Tacna 19.02 69.26 81 4.9

21/06/2010 0:54:31 Ica 14.72 75.92 44 4.0

19/06/2010 2:54:26 Atico-Chala

16.09 73.85 64 4.2

16/06/2010 14:48:17 Arequipa 16.11 72.85 88 4.2

08/06/2010 6:32:20 Camana 17.39 72.81 37 4.7

05/06/2010 4:20:00 Camana 16.73 72.76 40 3.9

27/05/2010 04-13-29 Vitor 16.62 71.56 62 3.9

26/02/2010 7:36:41 Pisco 13.63 76.30 55 4.3

22/04/2010 23:20:32 Caraveli 15.55 73.75 83 4.2

d. Diseño del Producto

El producto final consiste en una mezcla de gases conocido como BIOGAS el cual está compuesto de la siguiente manera:

Metano (CH4) 55 a 70 %

Dióxido de carbono (CO2) 30 a 40 %

Hidrogeno 1 a 3 %

Gases diversos 1 a 5 %

Entre sus atributos encontramos:

- Permite una combustión completa - Fuente de energía renovable - Puede ser empelado para la producción de electricidad o como energía calorífica - Ayuda a reducir la contaminación a la atmosfera por la producción de metano de las heces. - El biogás es extremadamente inflamable debajo de los 25°C.

Grafico 3. Aplicación del Rombo NFPA para el estiércol y biogás (en su mayoría metano) Lesión grave que requiere atención inmediata.

- Muy irritante o con efectos irreversibles en piel o córnea (opacidad). - Inhalación: CL50mayor que 0.2 hasta 2 mg/l o mayor que 20 hasta 200 ppm - Causan daños serios o permanentes bajo condiciones de emergencia. - Sustancias corrosivas para ojos, piel y aparato respiratorio.

Sustancias que vaporizan rápida o completamente a presión atmosférica y a temperatura ambiente normal, o que se dispersan con facilidad en el aire y que arden fácilmente.

- Gases inflamables - Sustancias criogénicas inflamables. - Punto de ignición < 22.8°C - Punto de ebullición < 37.8°C - Sustancias que arden espontáneamente o cuando se exponen al aire.

Sustancias que son estables normalmente, aún bajo condiciones de fuego.

- Sustancias que no reaccionan con el agua. - Sustancias que no exhiben una reacción exotérmica a temperaturas menores o iguales

a 500°C cuando son probadas por calorimetría diferencial.

- Sustancias que son estables normalmente, pero que pueden convertirse en inestables a ciertas temperaturas y presiones.

- Sustancias que reaccionan vigorosamente con el agua, pero no violentamente. - Sustancias que cambian o se descomponen al exponerse al aire, la luz o la humedad.

Composición y características Se llama biogás a la mezcla constituida por metano CH4 en una proporción que oscila entre un 50% a un 70% y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. Sus características han sido resumidas en él.

CARACTERISTICAS CH4 CO2 H2-H2S OTROS BIOGAS 60/40

Proporciones % Volumen 55-70 27-44 1 3 100

Valor Calórico MJ/m3 35,8 - 10,8 22 21,5

Valor Calórico kCal/m3 8600 - 2581 5258 5140

Ignición % en aire 5-15 - - - 6-12

Temp. ignición en ºC 650-750 - - - 650-750

Presión crítica en Mpa 4,7 7,5 1,2 8,9 7,5-8,9

g/l 0,7 1,9 0,08 - 1,2

Densidad relativa 0,55 2,5 0,07 1,2 0,83

Inflamabilidad Vol. en % aire

5-15 - - - 6-12

Características metano

Generales

Formula química CH4

Peso atómico 16.043 uma

Densidad 0.717 kg/m3 (gas)

Otras denominaciones Hidruro de metilo

Numero CAS 74-82-8

Cambios de fase

Puntos de fusión 90.6 K (-182.5°C)

Punto de ebullición 111.55 K (-161.6°C)

Punto triple 90.67 K (-182.48°C) 0.117 bar

Punto critico 190.6 K (-82.6°C) 46 bar

ΔfusH 1.1 kj/mol

△vapH 8.17 kj/mol

Propiedades del gas

△fH° gas -74.87 kj/mol

△fG° gas -50.828 kj/mol

S° gas 188 J/(mol . K)

Cm 35.69 J/(mol . K)

Seguridad

Efectos agudos - Asfixia en algunos casos - Inconsciencia ataque cardiaco o

lesiones cerebrales. - El compuesto se transporta como

liquido criogénico Su exposición causara obviamente la congelación.

Limite explosivos 5 a 15 %

e. Diseño del Proceso

• Recolección

Se obtiene la materia prima, recolectándola de los establos vacunos situados alrededor de la planta, en el distrito de pedregal. Y el agua es tomada de los canales de regadío.

• Esterilización de la materia prima Se realiza utilizando un caldero para calentar el agua y luego agregarla al tanque de mezcla donde esterilizara la materia prima, la cual será triturada y transportada por tornillos sinfín.

• Biorreacción

Se realiza dentro del biodigestor en condiciones anaeróbicas. De tal manera que se produzca biogás, el cual será almacenado en una cúpula elástica para su posterior extracción.

• Compresión del biogás.

Extraemos el biogás de la cúpula, para luego comprimirlo para que obtenga determinada presión para pasar por los siguientes procesos.

• Filtración del Biogás.

El biogás pasa a través de filtros para poder purificar el metano a partir de este.

• Almacenamiento del metano. El metano es almacenado en tanques especiales a altas presión, a partir de los cuales será utilizado.

• Combustión del metano.

El metano es inyectado a motores electrógenos, de tal manera que a partir de estos obtengamos electricidad para luego enviarla al transformador y finalmente inyectarla en el sistema de electricidad.

f. Diseño del Equipo

Camiones de recolección: camiones diseñados para la recolección y compactado de la

materia prima, estos vehículos están debidamente señalizados y pintados según los

estándares de seguridad, la coordinación con los propietarios del establo para el

vaciado del contenedor por camiones especiales de la planta de biogás.

Grafico 4. Camiones compactadores de materia prima.

Tanques de recolección: son pequeños tanques de recolección los cuales están

ubicados en los diferentes establos, estos tanques son de polietileno de alta densidad,

debidamente marcados y señalizados, una vez llenados con la materia prima los

tanques de recolección son recogidos por los camiones.

Grafico 5. Tanques de recolección de materia prima

Tornillo sin fin de Arquímedes: está diseñado para que cumpla doble función, una es la

homogenizar la materia prima, para aumentar el área superficial y la otra función en la

de transporte, esta equipo viene con un motor el cual mueve todo el tornillo, las

revoluciones son controladas y varían desacuerdo al flujo que uno desee. El material

de construcción es de acero inoxidable reforzado con acero al carbón.

Grafico 6. Tornillos sin fin de Arquímedes

Caldero industrial: Caldero industrial destinado a calentar el agua para esterilizar la

materia prima, este caldero está construido a base de acero inoxidable.

Grafico 7. Caldero industrial

Tanque de mezclado: está diseñado para el mezclado de la materia prima y el agua

caliente, construido a base de material noble (cemento), presenta una hélice de acero

inoxidable el cual mezcla ambos componentes.

Grafico 8. Tanques de mezcla

Biodigestor: está diseñado para llevar a cabo la digestión anaeróbica, construido a

base de material noble, presenta una cubierta de de polipropileno flexible la cual se va

expandiendo mientras se de la fermentación.

Grafico 9 Biodigestor anaeróbico

Compresor: está diseñado para comprimir los gases que salen del tanque de

fermentación, estos gases son conducidos por tuberías, este compresor consta de

válvulas especiales para evitar cualquier fuga, presenta un recubrimiento especial de

acero fino.

Grafico 10 Compresor de biogás

Biofiltro de biogás: diseñado para la purificación de biogás, construido a base de acero

inoxidable, con depósitos de filtro de polietileno , el biofiltro está compuesto de

corteza de pino, remueve gases que son contaminantes para el medioambiente.

Grafico 11. Biofiltro

Grupo eléctrico: equipo encargado de transformar el gas energía eléctrica, está

construido de aluminio, grupo electrógeno trifásico y monofásico, reparte trifásico a la

planta, y monofásico para la venta.

Grafico 12. Grupo electrógeno

c

cc

S-101

S-102

S-103

S-104

S-105

S-106

S-107

S-108

S-109

S-110

S-111

S-112

S-114

S-113

P-1/TruckP-2/Tr-101Tanque de recoleccion

P-3/Tsa-101Tornillo transportador

P-4/C-101Caldero

P-5/Tk-101Tanque de mezcla

P-6/Tsa-102Tornillo transportador

P-7/BR-101Biodigestor

P-8/C-101Compresor

P-9/F-101Filtro

P-10/C-101Compresor P-11/Ta-101

Tanque de almacenamiento

P-12/Ta-101Tanque de

almacenamiento

P-13/M-101Motor

Grafico 13: DSP PARA EL PROCESO DE ELABORACIÓN DE BIOGAS

g. Superficie de Planta La planta está compuesta por diferentes estructuras y equipos, los cuales están descritos en la tabla 1. Y a partir de la área requerida, de desenvolvimiento y de almacenamiento de cada una es que llegamos a un área total construida de 2784 m2 y un área libre de 4000 m2, lo cual suma el área total del terreno que es de 6780 m2.

Infraestructura

Infraestructura

(m2)

Área Desenvolvimiento

(m2)

Área de Almacenamiento

(m2)

Área total (m2)

Estacionamiento 2000 m2 2000 m2

Oficinas 15m2 4 m2 4 m2 23 m2

Banos de oficina 9 m2 2m2 1 m2 12 m2

Cafetería 200 m2 2m2 4 m2 206 m2

Banos planta 20 m2 2m2 2 m2 24 m2

Laboratorios control calidad

36 m2 3m2 5 m2 44 m2

Vestidores 9 m2 3m2 5 m2 17 m2

Area no construida

4000 m2 4000 m2

EQUIPO

Biodigestor anaeróbico

79 m2 15 m2 30 m2 124 m2

Tanque de mezcla

17 m2 5 m2 10 m2 32 m2

Tanque de almacenamiento

8 m2 5 m2 10 m2 23 m2

Caldero 2 m2 10 m2 5 m2 17 m2

Sedimentador 20 m2 10 m2 3 m2 33 m2

Tornillo sin fin A 3 m2 2 m2 5 m2

Tornillo sin fin B 3 m2 2 m2 5 m2

Grupo electrogeno

22 m2 5 m2 3 m2 30 m2

Compresor AyB 20 m2 3 m2 2 m2 25 m2

Filtro 90 m2 15 m2 2 m2 107 m2

Tanque de gas 10 m2 30 m2 15 m2 55 m2

Antorcha 1 m2 1 m2 2 m2

TOTAL 6784 m2

Grafico 14: Dibujo de distribución en planta.