«PROGRAMA CURSO FORTALECIMIENTO INSTITUCIONAL SISTEMAS DE BIODIGESTIÓN» II.- Diseño, Dimensionamiento y Construcción de Sistemas de Biodigestión Abril.

«PROGRAMA CURSO FORTALECIMIENTO INSTITUCIONAL SISTEMAS DE BIODIGESTIÓN»
II.- Diseño, Dimensionamiento y Construcción de Sistemas de Biodigestión Abril 2013

Diseño, Dimensionamiento y Construcción de Sistemas de Biodigestióno gás
Temario 2.5 .-Aspectos Geográficos y de ubicación del biodigestor 2.6.- Selección del Tiempo de Retención Hidráulico 2.7.- Cálculo del Volumen del Biodigestor 2.8.- Metodologías para el cálculo de la producción de biogás 2.9.- Obra Civil (Excavación, cálculo del talud adecuado, compactación, formación de coronas) Diseño de tuberías de conducción de influentes, efluentes y biogás Instalación de Geomembrana en Biodigestores (Principios, Tecnologías y Operación) Diseño de quemadores de biogás y filtros de retención de H2S Sistemas Auxiliares (Separador de Sólidos, Agitadores, Fosa de Mezclado)

ASPECTOS GEOGRÁFICOS Y DE UBICACIÓN DEL BIODIGESTOR
Depende de la ubicación del agronegocio Las condiciones geográficas inciden en la temperatura La temperatura incide en los procesos de degradación de los sólidos volátiles y la producción del biogás.

Restricciones para la Ubicación del Sitio Evitar la cercanía de aeródromos de servicio público o aeropuertos. No ubicarlo dentro de áreas naturales protegidas. Se deberá instalar a una distancia mínima de 500 m de cualquier núcleo poblacional. No ubicarlo en zonas de marismas, manglares, esteros, pantanos, humedales, estuarios, planicies aluviales, fluviales, recarga de acuíferos, zonas arqueológicas, fracturas o fallas geológicas.

Restricciones para la Ubicación del Sitio La distancia con respecto a cuerpos de aguas superficiales con caudal continuo, lagos y lagunas, debe ser de 500 m como mínimo. Se deberá localizar fuera de zonas de inundación. La distancia entre el límite del sistema y cualquier pozo de extracción de agua, deberá ser de al menos 500 m. El manto freático o aguas subterráneas, deberán encontrarse a una profundidad de al menos 7 metros, para asegurar una distancia mínima entre estas y el fondo del biodigestor de al menos 3 metros.

CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR
Cálculo del volumen del biodigestor El volumen de operación nominal, estará basado en dos parámetros: La tasa de carga diaria de sólidos volátiles (VS) por 1000 m3 El tiempo de retención hidráulica mínima (TRH) adecuada para alcanzar el 60% de destrucción de los sólidos volátiles Aplicar el que sea mayor

La tasa máxima de carga diaria de sólidos volátiles (Kg VS/1,000 m3/dia)

CALCULO DEL TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA
El HRT mínimo se selecciona entre los valores listados en el mapa

Cálculo del volumen del biodigestor Considerar la relación existente entre el flujo volumétrico del influente (carga orgánica) y el tiempo de Retención determinado. El volumen del digestor debe ser igual al volumen del material a degradar, multiplicado por el tiempo de retención necesario y un volumen adicional para el almacenamiento del biogás, que puede ser el recomendado y comúnmente utilizado en diseño de reactores, el cual indica un 20% adicional al volumen de operación.

Ejemplo: Material: 10 m3/día de estiércol fresco Disolución: 1:9 Material a biodegradar: 100 m3 Tiempo de digestión: 30 días Volumen: 100 x 30 = 3,000 m3 El volumen adicional para el gas (20 a 30%) en el caso de tipo laguna cubierto, lo da la geomembrana.

Para realizar el proyecto técnico-ejecutivo, el cálculo se debe de efectuar de acuerdo a los resultados obtenidos de pruebas de laboratorio. Diseñar por: Tiempo de digestión Cargo orgánica aplicada al sistema.

En el primer caso se obtiene, mediante la expresión: Volumen del Biodigestor = θ x Q Ó Tiempo de digestión (θ) = V/Q Donde: θ = Tiempo de digestión en días V = Volumen del digestor (m3) Q = Cantidad diaria de estiércol suministrada al digestor (m3/d.).

En el segundo caso se obtiene, mediante la expresión: Carga (kg. SV/ m3 d.) = Q. So V Donde: So = Concentración de SV en el estiércol (Kg./ m3) SV = Sólidos volátiles Q = Cantidad diaria de estiércol suministrada al digestor (m3/d.). V = Volumen del digestor (m3)

Ejemplo de cálculo: No de Cerdos: 5000 animales Producción de estiércol : 3.55 Kg/animal – día Cantidad de estiércol total (Kg/día) = 5000 x 3.55 = 17,750 Kg/día Densidad del estiércol: 961 Kg/m3 Volumen de estiércol total = 17,750/961 = 18 m3/día

Ejemplo de cálculo: Disolución: 1:9 Volumen de material a biodegradar: 18/0.1 = m3/día Tiempo de digestión: 30 días Volumen del biodigestor = 30 x = 5,541.1 m3 Volumen de seguridad = 20% Volumen final del biodigestor = 5,541.1 x 1.2 = 6, m3

Cálculo del volumen del biodigestor El dimensionamiento geométrico del sistema se calcula a partir del volumen total del biodigestor, Utilizando la ecuación con la que se estima el volumen de un cuerpo geométrico de forma trapezoidal (pirámide invertida).

METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
A) De manera general, para determinar la producción de biogás, se podrá utilizar la siguiente ecuación*. Donde: Yv = Producción diaria de metano por volumen de influente l/l. VS = Concentración de Sólidos Volátiles Totales (TVS) en g/l de influente por día. Bo = Ultimo rendimiento de metano, l/g de TVS en % R = Tiempo de retención en días. M= Velocidad máxima de crecimiento microbiano t-1 (µmax). K = Parámetro cinético relacionado al consumo de sustrato (adimensional). *Que recomienda el Panel Intergubernamental de Cambio Climático, en su documento “2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories

B).- Utilizar el resultado del análisis cuantitativo de Carbono Orgánico Total. Las variables involucradas: COU = Carbono Orgánico Utilizable [=] mg/L ᵖbio = Densidad del biogás [=] kg/m3 VI = Volumen de Influente [=] m3 RS = Relación de Agua en Función a los Sólidos [=] Partes COI = Carbono Orgánico Utilizable capaz de convertirse en biogás, presente en el Influente [=] kg VBM = Volumen Máximo de Biogás [=] m3

Se deberá de realizar la estimación del volumen del influente Considerar el volumen del agua requerida por el proceso de limpieza y traslado al biodigestor Utilizar ese dato en la siguiente ecuación: COI = COU VI El Volumen de Producción de Biogás Máximo (VBM) se estima de acuerdo a la ecuación que a continuación se indica: VMB = COI/ ᵖbio

C).- Utilizar La metodología MDL que determina las emisiones en TCO2e/año y despejar el biogás. By = ((UFb )(B0LT)(NLTy)(VSLTY)(MS%BLJ))/%CH4 Donde: By = Biogas producido anual (m3/año) UFb = Factor de corrección del modelo para calcular el modelo de incertidumbre (0.941) B0LT = Pot de prod. max. de metano de sólidos volatiles generados por tipo de animal (m3 CH4/Kg) NLTy = Promedio anual de animales tipo LT en el año MS%BLJ = Fracción de manejo de estiércol en la línea base del sistema de manejo de estiércol por animal %CH4 = Porcentaje de contenido de metano en el biogás

Análisis para vacas, considerando factores de Norteamérica, tomados de las tablas 10A-4 a 10A-9, del volumen 4 de la Guía para inventarios nacionales de gases de efecto invernadero.

Geometría del biodigestor tipo laguna Tipo pirámide trunca invertida
OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Geometría del biodigestor tipo laguna Tipo pirámide trunca invertida CUBIERTA

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN,
OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Antes de iniciar cualquier actividad, se recomienda realizar un estudio de mecánica de suelos que debe contener al menos: La capacidad de carga del suelo La estratigrafía del subsuelo Cálculo para la estabilidad de taludes Sondeos del subsuelo, no menores a 10 m, para la determinación del nivel del manto freático. Lo anterior permite conocer el tipo de suelo para la excavación

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) También se deberá determinar : Desnivel del último registró a la tubería de influente. Para ahorrar energía y si el sitio lo permite, se utilizarán desniveles para aprovechar la gravedad ( considerar como mínimo el 1% de desnivel).

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Excavaciones Se deberá iniciar a construcción con los trazos y nivelaciones del terreno y líneas de influente y efluente. En caso de ser necesario, se deberá localizar el banco de material, lo mas cerca posible al sitio de excavación Se recomienda excavar por capas , con un máximo de hasta 3 m. El material retirado se deberá acarrear a sitios ubicados a no mas de 1,500 m

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Calculo de Taludes El talud de las paredes del biodigestor deberá de ser 1:3 y no mayor de 1:1 para la colocación de geomembrana. Si los taludes aumentan a 1:1 las paredes se volverán inestables aun teniendo una compactación del 80% proctor; Si es menor de 1:3 por el espacio que se requerirá. Se recomienda que el talud interno del digestor sea de 1:1.5 y el exterior de 1:2.

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Calculo de Taludes 1 1 1 1 1.5 3

Compactación de plantillas y taludes
OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Compactación de plantillas y taludes La plantilla se deberá compactara mediante bailarinas. Cuadrando perfectamente en ángulos de 90 grados. Sin ningún tipo de bordo o piedra para evitar problemas en la colocación de liner.

Compactación de plantillas y taludes
OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Compactación de plantillas y taludes La parte superior del digestor estará cuadrado sin hacer medios círculos en las esquinas para mejor calidad en las uniones de liner y evitar mayor merma en el plástico. Los taludes se compactaran mediante medios manuales, mojando la superficie, compactándola con barras de acero y cepillando con rastrillo para pavimentos dejando la superficie sin bordos o piedras que puedan lastimar la geomembrana en su colocación.

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS)

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) La corona Tendrá una compactación del 85% al 90% proctor, Se dará el compactado mediante bailarinas. El ancho será de un mínimo de 3.5 mts (libre de tuberías, registros, salida de gas, etc.,) a cada lado para el transito de maquinaria.

OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Zanja perimetral para anclaje de la Geomembrana A un metro de distancia del inicio del talud, con un ancho de 50 cms y 90 cms de profundidad Ahogada en concreto de f`c = 150kg/cm2, con un espesor de 40 cms. Se rellenara con tierra producto de la misma excavación y se compactara con medios mecánicos.

DISEÑO DE TUBERIAS DE CONDUCCIÓN DE:
INFLUENTES EFLUENTES BIOGÁS

De especificaciones técnicas (influente y efluente)
La tubería del influente será instalada para conectar el tanque de mezclado con la entrada de alimentación del biodigestor. La tubería será dimensionada en función a las características: Gasto diario del influente (m3/hr, l/hr). De acuerdo a propiedades: Termodinámicas, Físicas, (Tamaño de partículas), Cálculo del diámetro de la tubería, para permitir el flujo deseado en el diseño del biodigestor.

El material de la tubería será PVC, cedula 40”.
Deberá contar con un registro que permita verificar el flujo y proporcione acceso al interior de la tubería en caso de taponamientos. Cuando la instalación de la tubería, requiera de cambios de dirección, no se deberá colocar codos mayores a 45°. Si fuera necesario hacer giros de 90°, se deberán colocar dos codos de 45°, con una separación de 50 cm como mínimo entre cada codo (caídas de presión).

Se deberá hacer un registro, en cada desviación o conexión, fabricado de 1m x 1m x 1m de block pulido en el interior, con base de concreto y deberá contar con una tapa de concreto de f`c = 150 kg/cm , en dos hojas para su fácil manejo para la supervisión. La instalación de la tubería se deberá colocar dentro de una zanja sobre una cama de arena nivelada perfectamente, con una pendiente mínima del 1% Se protegerá y se rellenará la zanja con material producto de la excavación para la protección de la tubería. y como acabado final se realizará una adecuada compactación.

La conexión de la tubería con la geomembrana o sistemas de soporte deberán ser impermeabilizadas con el mismo material de la geomembrana para lograr su fijación y sellado. Para asegurar el sello hidráulico dentro la laguna del digestor, la tubería deberá de tener una inclinación necesaria, la cual es posible hacer poniendo un tubo con una inclinación de 45°, en la parte final, colocándolo 1 metro por debajo del espejo del fluido.

De especificaciones técnicas (biogás)
La tubería se debe seleccionar con el espesor de pared suficiente para soportar la presión de diseño del digestor, y en su caso, resistir cargas externas previstas. Cada componente de la tubería deberá de ser diseñada para resistir las presiones de operación y las características termodinámicas del gas, a efecto de que estas operen adecuada y eficientemente en el momento de máxima demanda de biogás. Para el caso de las tuberías de conducción de biogás, en específico por el contenido de metano que tendrá el sistema, se considerará lo establecido en el apartado 5.1 de la NOM-003-SECRE-2002.

Como referencia, la tubería de conducción de biogás será de PVC, polietileno de alta densidad, polipropileno o cualquier otro material que resista la corrosión con RD 26 o equivalente en diámetros de 3” a 12” dependiendo del volumen de biogás. Dependiendo del material de estas tuberías, se seguirá lo establecido en los lineamientos considerados en la NOM-003-SECRE-2002, para cada uno de estos materiales. El diámetro de la tubería también estará en función de la distancia a recorrer desde el punto en el que se origine el biogás hasta el punto en el que se la dará el uso final.

Se deben instalar soportes adecuados que garanticen la inmovilidad de la tubería y en zonas con alto flujo de personal o equipo se deben instalar tuberías subterráneas con la debida señalización. Se deberán identificar la tubería con color amarillo e indicar el sentido del flujo del biogás. Se deberán instalar trampas de humedad para remover el agua en todos los puntos bajos o tiros verticales de tubo de conducción de gas.

De especificaciones técnicas (biosólidos)
Se deberá instalar la tubería de extracción de sólidos, para remover el material sedimentado en el interior del digestor debido al proceso, para evitar que se llegue a azolvar y que disminuya el volumen de operación del biodigestor. Se localizará a 60 cm de profundidad sobre la corona y a 1 m del inicio del talud. Será de tubería PVC hidráulico de céd 40.

Correrá paralelamente a la pared interior del biodigestor llegando a la plantilla para poder extraer los sólidos de la parte inferior. Todas las tuberías de extracción de sólidos estarán desplantadas en la plantilla sobre soportes que no dañen la geomembrana de la base. Sobre la corona se dejará una conexión roscada para la colocación de una bomba de preferencia eléctrica, con una capacidad de acuerdo al volumen de lodos a extraer.

Para el bioproceso (digestión anaerobia en digestores tipo laguna)
Objetivos del Diseño de Tuberías: Diseñar sistemas de transporte de cierta cantidad de algún fluido desde el punto fuente hasta el destino deseado con las especificaciones de los conductos, válvulas, accesorios y sistema de bombeo adecuado. Especificar el tamaño deseado de las tuberías o tubos para transportar una tasa de flujo de un fluido a una velocidad especifica.

Definir: El tipo de fluido que circula. El propósito del sistema. La clase de conducto o tubo que se emplea y el material con que esta hecho. El tamaño del conducto o tubo y sus eventuales cambios. Cualquier cambio en la elevación del fluido. Información acerca de la presión en el fluido en cualquier punto.

Tasas comunes de flujo volumétrico para distintas clases de sistema.
(m3/h) (L/h) (Gal/min) 15-125 Bombas recíprocas que manejan fluidos pesados y compuestos acuosos de lodo. 4-33 10-100 Sistemas hidráulicos de aceites industriales. 3-30 6.0-36 Sistemas hidráulicos para equipos móviles. 30-150 Bombas centrifugas en procesos químicos. 12-240 Bombas para control de flujos y drenajes. Bombas centrifugas para manejar desechos de minería. Bombas centrifugas de sistemas contra incendios.

Cómo determinamos el flujo volumétrico, másico y en peso:
Q = Flujo volumétrico (=) m3/s Q = (A)() Donde: A = Área de la sección (Tubería) (=) m2  = Velocidad promedio del flujo (=) m/s M = Flujo másico (=) kg/s M = ()(Q)  = Densidad del Fluido (=) kg/m3 W = Flujo en peso (=) N/s W = ()(Q)  = Peso Especifico del Fluido (=) N/m3

Ecuación de Continuidad:
1 A1 1 = 2 A2 2

Tuberías y Tubos Disponibles Comercialmente:
Es responsabilidad del diseñador especificar los ductos y tubería para una aplicación en particular, debido a que esto tendrá una influencia significativa en: El costo. En la duración. En la seguridad. En el rendimiento del sistema.

El diseñador puede hacer uso de herramientas normativas, códigos y estándares establecidos por instituciones u organizaciones gubernamentales como: American Water Works Association (AWWA) American Fire Sprinkler Association (AFSA) National Fire Protection Association (NFPA) ASTM International (ASTM) Intenational Association of Plumbing and Mechanical Officials (IAMPO) International Organization for Standardization (ISO)

Tipos de Tubería Comerciales (Selección):
Tubería de Acero. Tubos de Acero. Tubos de Cobre. Tubos de Hierro Dúctil. Tuberías y Tubos de Plástico. Manguera Hidráulica.

Tubos de cobre (posibilidad para conducción de biogás)
Existen seis tipos de tubos de cobre, la selección de alguno de ellos depende de: La aplicación. Consideraciones ambientales. Presión del fluido. Propiedades del fluido.

Tipos de Tubos de Cobre:
Tipo K: Se emplea para el servicio con agua, combustibles, gas natural y aire comprimido. Tipo L: Similar al tipo K, pero con un espesos de pared menor. Tipo M: Similar a los tipos K y L, pero con espesor de pared más pequeño; es preferible para la mayoría de servicios hidráulicos y aplicaciones de calor a presiones moderadas. Tipo DWV: Se utiliza en drenaje, desechos y ventilación en sistemas de plomería. Tipo ACR: Acondicionamiento de aire, refrigeración, gas natural, gas licuado de petróleo (LP) y aire comprimido. Tipo OXI/MED: Se emplea para la distribución de oxigeno o gases medicinales, aire comprimido en la medicina y aplicaciones de vacio. Hay disponibles tamaños similares a los tipo K y L, pero con procesamiento especial para poseer una limpieza mayor.

Características de los Tubos de Cobre:
Estirado en frio (el más rígido y fuerte) . Conserva una forma recta. Soporta mayores presiones. Tubería Recocida: Utilizada en serpentines y adopta incluso otras formas especiales. Los tamaños nominales o estándar de los tipos K, L, M, y DWV son de 1/8 de pulgada menor que el diámetro exterior real.

(Apéndice H del MOTT; 2006):
Los espesores de pared son diferentes para cada tipo, de modo que varían el diámetro interior y las áreas de flujo (Suele conocerse a este sistema como Tamaños de tubo de cobre; CTS, por sus siglas en inglés). El tamaño nominal para la tubería tipo ACR es igual al diámetro exterior. (Apéndice H del MOTT; 2006): Dimensiones de los tubos de acuerdo a tipo, con diámetros interiores y exteriores. B) Espesor de pared y área de flujo en unidades del SI.

Tuberías y tubos de plástico (opción para influentes y efluentes; agua y biosólidos)
Versátiles aplicaciones debido a: Peso ligero Facilidad de instalación Resistencia a la corrosión y a los productos químicos Características de flujo sobresalientes.

Usos: Distribución de agua, gas, drenaje y aguas residuales. Producción de petróleo y gas. Minería y muchas más aplicaciones industriales. Variedades de Plástico: Polietileno (PE) Polietileno Trenzado (PEX) Poliamida (PA) Polipropileno (PP)

Cloruro de Polivinilo (PVC) Cloruro de Polivinilo Clorado (CPVC)
Polivinilo Fluorado (PVDF) Vinilo y Nylon. Este tipo de tuberías, también se adecua a los estándares de tamaño especial, existentes para tuberías de hierro y cobre del mercado como: Tubería de Hierro (IPS) Tubería de Hierro Dúctil (DIPS) Tubería de Cobre (CTS) Para lo anterior es necesario confirmar los datos específicos del fabricante, para los diámetros exterior (OD), interior (ID), espesor de pared y área de flujo.

Sin embargo, otros sistemas de tubos de plástico utilizan:
Relación de Dimensión interior Estándar (SIDR) Relación de Dimensión Estándar (SDR). SIDR Se basa en la razón del diámetro interior promedio especificado al espesor de pared mínimo especificado (ID/t). Se utiliza donde el diámetro interior es crucial para la aplicación. El ID permanece constante y los cambios del OD, y con el espesor de pared se adecuan a presiones diferentes y a consideraciones estructurales y de manejo.

El OD permanece constante y varían el ID y el espesor de la pared.
SDR Se basa en la especificación del diámetro exterior promedio especificado al espesor de pared mínimo especificado (OD/t). El OD permanece constante y varían el ID y el espesor de la pared. Este sistema es útil, debido a que la calificación de la presión del tubo se relaciona de manera directa con esta relación. Ejemplo: Para las tuberías de plástico con régimen de esfuerzo de diseño hidrostático 1250 psi (11 MPa), los regímenes de presión para distintos grados SDR son los siguientes: SDR Regímenes de Presión 26 50 psi (345 kPa) 21 62 psi (427 kPa) 17 80 psi (552 kPa) 13.5 100 psi (690 kPa)

Estos regímenes de presión son para agua a 73 °F (23 °C)
Estos regímenes de presión son para agua a 73 °F (23 °C). En general, las tuberías y tubos de plástico se especifican hasta 250 psi (1380 kPa).

Velocidad de flujo recomendable en tuberías y ductos
Factores que influyen para lograr una velocidad de flujo satisfactoria en los sistemas de fluido: Tipo de tubería o tubo. La caída de presión que puede tolerarse. Los dispositivos (Bombas, válvulas y accesorios), que han de conectarse a la tubería o tubo. Temperatura. Presión. Ruido.

Cómo funciona: La velocidad de flujo se incrementa conforme disminuye el área en la trayectoria del flujo. Las perdidas de energía y la caída de presión correspondiente aumentan en forma espectacular conforme se incrementa la velocidad de flujo (mantener bajas las velocidades). Establecer limites de velocidad de flujo de acuerdo a costos.

Para Líneas de Succión y Descarga:
Especificar el tamaño de las tuberías, como función del flujo volumétrico para sistemas comunes de distribución de fluidos por medio de bombas. Considerando: Datos de un análisis de flujo volumétrico especificado para muchas bombas volumétricas disponibles comercialmente, cerca de su punto de eficiencia mayor, y teniendo en cuenta el tamaño de las conexiones de toma y descarga. (Figura 6.2, Pág.. 162, Moot; 2006)

Líneas de Succión, Descarga y Retorno
Las líneas de succión que abastecen una bomba, es necesario mantener un perfil de velocidad baja. Garantizar un llenado apropiado de los pasajes en la entrada de la succión. Se limitaran perdidas de energía en la línea de succión. Se mantendrá elevada la presión de la bomba. Buen paso del fluido. Las presiones bajas pueden provocar un daño conocido como cavitación, que origina ruido excesivo, rendimiento muy degradado y erosión acelerada de la bomba y las superficies impulsoras.

Lo anterior a menos que existan dificultades como: Espacio disminuido.
Costo o compatibilidad con una conexión dada de la bomba. Si especificamos un tamaño ligeramente mayor o menor de que planteamos originalmente, no se afectara demasiado el rendimiento del sistema; en general debe preferirse el tamaño más grande de tubería para lograr una velocidad baja.

Descarga: La línea de descarga conduce un fluido a alta presión de la salida de la bomba a componentes de trabajo como los actuadores o los motores de fluido. Retorno: La línea de retorno, transporta de regreso al deposito el fluido de los actuadores, válvulas de alivio de presión o motores de fluido.

Rango Recomendado de Velocidad
Velocidades de Flujo Recomendables para sistemas de fluidos de potencia de acuerdo a tipo de servicio: Tipo de Servicio Rango Recomendado de Velocidad pie/s m/s Líneas de Succión 2-4 Líneas de Retorno 4-13 1.5-4 Líneas de Descarga 7-18 2-5.5

Es responsabilidad del proyectista especificar los tamaños finales del ducto para lograr un rendimiento razonable bueno al tomar en cuenta: Las perdidas de energía. Las presiones en puntos críticos del sistema. La energía requerida en la bomba Costo de ciclo de vida.

Las velocidades de flujo que resultan de los tamaños recomendados, por lo general son más pequeños para tuberías chicas que para grandes, como se muestra a continuación: Flujo Volumétrico Línea de Succión Línea de Descarga gal/min m3/h Tamaño de tub. (pulg) Velocidad Pies/s m/s 10 2.3 1 3.7 1.1 6.0 1.8 100 22.7 2 ½ 6.7 2.0 2 9.6 2.9 500 114 5 8.0 2.4 3 ½ 16.2 4.9 2000 454 8 12.8 3.9 6 22.2 6.8

Ecuación de Bernoulli

P/ = Carga de la presión z = Carga de la elevación
La dinámica de los fluido a través de conductos o tuberías, resulta de suma importancia en los procesos ingenieriles de diseño. La ecuación de Bernoulli, basada en el principio de conservación de la energía, es la herramienta fundamental para tomar en cuenta los cambios en el flujo volumétrico o másico de algún sistema. P1/ + z1+ 12/2g = P2/ + z2 + 22/2g Donde: P/ = Carga de la presión z = Carga de la elevación 2/2g = Carga de la velocidad CARGA TOTAL Cada termino de la ecuación es una forma de energía que posee el fluido por unidad de peso del fluido que se mueve en el sistema.

De acuerdo al fluido que circula a través de la tubería.
La ecuación se utiliza para determinar los valores de: Carga de Presión. Carga de Elevación. Cambio de la Carga de Velocidad. De acuerdo al fluido que circula a través de la tubería. La ecuación toma en cuenta los cambios en la carga de elevación, presión, y carga de velocidad entre dos puntos en un sistema de flujo de fluidos. Se supone que no hay perdidas adicionales de energía entre los dos puntos, por lo que la carga total permanece constante.

Condiciones en Cuanto a Presión:
Las presiones en los dos puntos de referencia, deben expresarse ambas como presiones absolutas o manométricas (misma presión de referencia). Es recomendable utilizar la presión manométrica, debido a que algunas partes del sistema de fluidos expuesta a la atmosfera tendrán una presión manométrica igual a cero. Así mismo, a la mayoría de las presiones se les mide por medio de un medidor con respecto a la presión atmosférica local.

Restricciones de la ecuación de bernoulli
Aunque la ecuación es aplicable a bastantes problemas prácticos, hay limitaciones que debemos conocer, a fin de aplicarla con propiedad: Es valida solo para fluidos incompresibles, porque se supone que el peso especifico del fluido es el mismo en las dos secciones de interés. No puede haber dispositivos mecánicos que agreguen o retiren energía del sistema entre las dos secciones de interés, debido a que la ecuación establece que la energía en el fluido es constante. No puede haber trasferencia de calor hacia el fluido o fuera de este. No puede haber perdida de energía debido a la fricción.

Procedimiento para aplicar la ecuación de bernoulli
Decidir cuáles son los términos conocidos y cuáles deben calcularse. Determinar cuáles son las dos secciones del sistema que se usarán para escribir la ecuación. Una de ellas se elige porque se concentran varios datos conocidos. En la otra, por lo general, algo habrá de calcularse. Es importante que la ecuación se escriba en la dirección del flujo. Es necesario ser explicito en la denominación de los subíndices de los términos de la carga de presión, carga de elevación y carga de velocidad de la ecuación (Dibujar sistema). Simplificar la ecuación, si es posible, con la cancelación de los términos que valgan cero o de los que aparezcan como iguales en ambos lados de la ecuación.

Despejar la ecuación, en forma algebraica, el término que se busca.
Sustituir cantidades conocidas y calcular el resultado, con unidades consistentes en todos los cálculos.

Características de la Geomembrana
La geomembrana debe ser de polietileno de alta densidad (HDPE) . Se colocará para otorgar la hermeticidad del biodigestor, deberá cumplir con las normas descritas en los estándares GM13 y GM 17 del Instituto de Investigación de Geosintéticos (GRI por sus siglas en inglés).

La geomembrana, que se considere utilizar para la implementación de los proyectos, deberá cumplir como mínimo con las siguientes propiedades:

El espesor de la geomembrana que cubrirá la base del biodigestor deberá ser de al menos 60 milésimas de pulgada (1.5 mm) El espesor de la de la cubierta debe ser igual , para evitar rupturas en el material más débil, en caso de incrementos de presión por acumulación de biogás. La vida útil de estas geomembranas deberá ser de más de 20 años, y se deberá garantizar por al menos 10 años.

Proceso de colocación de la geomembrana

Se reviste esta laguna con esta geomembrana de polietileno de alta densidad (HDPE).

Se comienza a llenar la laguna con los residuos animales previamente mezclados

Se distribuye la tubería de polietileno de alta densidad en todo el perímetro para la captación directa del gas metano

Una vez llena la laguna, se instala la cubierta,

Se coloca la geomembrana sobre la base y taludes, bien conformados y compactados; Se utiliza una barra mecánica para agilizar el tendido, traslapando los lienzos adyacentes 5 pulgadas para su termofusión.

Ajustar la máquina Wedge Welder (o cuña caliente) para iniciar los trabajos de Termofusión (soldadura) entre los lienzos adyacentes. se ajusta la maquina al calibre o espesor del material y se programa a una temperatura de 650º F aproximadamente, dependiendo de la temperatura ambiente. Se regula a una velocidad entre 3.0 y 4.0 metros lineales por minuto

Ajuste de la máquina X-truder (o de extrusión) para continuar los trabajos de reparación y/o detalles de soldadura. Se ajusta a una temperatura de alrededor de 600º F y un precalentado a 450º F dependiendo de la temperatura del medio ambiente al momento de realizar las soldaduras. La soldadura por extrusión se utiliza para realizar reparaciones y detalles en cárcamos, salidas de tubería (fundas o botas), esquinas, soldaduras defectuosas en la termofusión, entre otras.

PRUEBAS DE SOLDADURA DE WEDGE WELDER Se introduce en el canal una presión de aire de 30 a 35 libras/pulgada2 durante 5 minutos bloqueando ambos lados del mismo con la misma soldadura, si esta presión llega a tener una caída del 10% (3 libras/pulgada2 aproximadamente) se procede a detectar la fuga para realizar posteriormente la reparación correspondiente con soldadura por extrusión.

PRUEBAS DE SOLDADURA PARA LA EXTRUSION Se utiliza una caja de vacío (vacuum box) para succionar la soldadura extrusionada en la geomembrana, para llevar a cabo dicha prueba se necesita una combinación de agua y jabón como testigo dando una presión de -5 libras/pulgada2. En caso de que exista alguna fuga se puede detectar debido a la existencia de burbujas continuas en el área de la soldadura defectuosa, la cual se procede a reparar por medio de extrusión..

DISEÑO DE QUEMADORES DE BIOGÁS Y FILTROS DE RETENCIÓN DE H2S

DE ESPECIFICACIONES: FILTROS PARA H2S.
En aquellos sistemas que realicen el aprovechamiento del biogás para generar energía eléctrica o térmica, se deberá instalar un filtro para la retención del ácido sulfhídrico, debido a que éste ácido es precursor de ácido sulfúrico, mismo que corroe las partes metálicas y acorta el tiempo de vida útil de los equipos. El tamaño del filtro y su capacidad estará en función del volumen de biogás producido y de la concentración en partes por millón (ppm) del ácido sulfhídrico y se instalará antes del medidor del flujo de biogás y la línea de alimentación en donde se ubique el equipo de generación de electricidad y/o el aprovechamiento térmico (motogenerador, caldera, entre otros).

El filtro se deberá reemplazar con cierta periodicidad, conforme a las indicaciones del fabricante para asegurar que la retención y la concentración del ácido sulfhídrico (ppm) que contiene el gas que está entrando a los equipos de aprovechamiento sea inferior al indicado por los fabricantes de estos equipos

DE ESPECIFICACIONES: QUEMADOR DE BIOGÁS
El quemador será diseñado en función al flujo de biogás que se considere disponer en este sistema. Tendrá una capacidad de al menos igual a la producción máxima de biogás prevista. Deberá ser fabricado de preferencia con placa de acero inoxidable (no usar acero al carbón), con un diámetro mínimo de 18”. Contendrá un elemento aislante en el interior de la cámara de combustión que resista temperaturas superiores a las que se puedan alcanzar durante la combustión del gas. La combustión dentro del quemador se debe llevar a cabo en una cámara cerrada que garantice eficiencias superiores al 90%.

Deberá estar equipado con un sistema de encendido automático tal como bujías o electrodos, alimentados por un sistema permanente con suministro de energía eléctrica, como pueden ser paneles solares equipados con baterías y en su caso conectado directamente a la red de suministro convencional. Dichos sistemas deberán garantizar el encendido constante al emitir chispas para ignición del gas de cada 2 a 5 segundos. Además contará con boquillas de alta eficiencia y detectores de flama que aseguren que, en caso de extinción de la flama, se corte el suministro de biogás y se evite así, la posibilidad de explosión.

El quemador que se considere instalar dentro de la unidad productiva, tendrá que estar diseñado para cumplir con los Límites Máximos Permisibles de emisión a la atmósfera de humos, partículas suspendidas totales, bióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que establece la NOM-085-SEMARNAT-1994. Estos Límites estarán en función de la capacidad del quemador (MJ/h), y de la localización geográfica del proyecto.

Capacidad del Equipo de Combustión (Mj/h) Tipo de Combustible Empleado
Densidad del Humo Partículas (PST) mg/m3 (Kg/106Kcal) Bióxido de Azufre ppm V (Kg/106Kcal) Óxidos de Nitrógeno ppm V (Kg/106Kcal) Exceso de Aire Combustión % Volumen Número de mancha u opacidad ZMCM ZC RP Hasta 5,250 Combustóleo o gasóleo 3 NA 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) 50 Otros Líquidos 2 Gaseosos De 5,250 a 43,000 Líquidos 75 (0.106) 350 (0.426) 450 (0.568) 190 (0.507) 375 (1.0) 40 190 (0.486) 375 (0.959) De 43,000 a 110,000 60 (0.805) 300 (0.426) 400 (0.568) 110 (0.294) 30 110 (0.281) Mayor de 110,000 Sólidos 60 (0.090) 250 (0.375) 350 (0.525) 550 (2.16) 1,100 (4.31) 110 (0.309) 375 (1.052) 25 60 (0.085) 250 (0.355) 350 (0.497) 110 (0.234)

PROBLEMÁTICA DE LA PRESENCIA DEL H2S EN EL BIOGÁS:
Toxicidad, Corrosión, Durante la combustión se puede formar SO2 (Compuesto altamente toxico y corrosivo), Disminución de poder calorífico del biogás, Olores desagradables y problemas de composición por compuestos sulfurados como: Mercaptanos (RSR) Sulfuros de carbonilo (SCO) Disulfuro de carbono (CS2)

TIPOS DE PROCESOS Proceso de absorción química: Procesos con aminas y carbonato de potasio. La regeneración se hace con incremento de temperatura y decremento de presión. Proceso de absorción física: La regeneración no requiere calor. Procesos híbridos: Utiliza una mezcla de solventes químicos y físicos. El objetivo es aprovechar las ventajas de los absorbentes químicos en cuanto a su capacidad para remover ácidos y de los absorbentes físicos en cuanto a bajos requerimientos de calor para regeneración.

Procesos de conversión directa: El H2S es convertido directamente a azufre.
Procesos de absorción en lecho seco (Adsorción): El gás agrio se pone en contacto con un sólido que tiene afinidad por los gases ácidos. Se conoce también como proceso de adsorción.

Este proceso también es capaz de retener moléculas de agua.

LA REACCIÓN DE ADSORCIÓN POR LIMADURA DE HIERRO:
FeO + H2S → FeS + H2O ; 2FeS + O2 → FeO + 2S↓

VENTAJAS Económicamente favorables para limpieza de gases con bajo contenido de H2S. Pueden ser muy selectivos. Cuando hay presente agua pueden limpiar y deshidratar simultáneamente.

DESVENTAJA Se puede formar COS en el filtro molecular por reacciones entre el CO2 y H2S, y por lo tanto en el proceso de regeneración se va a obtener un gas de salida que no estaba presente en el gas agrio.

SELECCIÓN DEL MÉTODO APLICABLE
Composición del gas de entrada. Consideraciones del proceso. Disposición final del gas. Composición del gas residual. Costos: de equipo, de potencia, de solvente, de combustible, de adicionales.

RENDIMIENTO Hasta 4 ppm de H2S. No existe degradación.
Pero si taponamiento, perdiendo capacidad y eficiencia de remoción, de esta forma, obliga a su periódica sustitución (esponja de hierro).

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Dimensionamiento apropiado. Acondicionamiento del gas de entrada. Selección de materiales. Filtrado de Solución. Perdidas y degradación de las aminas. Formación de espumas. Operación del regenerador. Corrosión.

OTRAS OPCIONES Filtros biológicos.
Uso de membranas de filtración selectiva en el tratamiento de gases.

Cotización con proveedor:
El caudal Q (mínimo-mediano-máximo) en m3/h del biogás, H2S de entrada (mg/l o ppm) al filtro, H2S de salida del filtro y Ubicación del proyecto.

DISEÑO DE QUEMADORES DE BIOGÁS
Uno de los principales requerimientos en el diseño de un sistema de quemado es la combustión 100% sin humo para sistemas de desfogues que son frecuentes y vayan a ser localizados en zonas pobladas. La operación sin humo debe ser en todo el rango de flujo de desfogue del quemador.

Para promover la distribución uniforme del aire de combustión, y así prevenir la formación de humo, se requiere de energía para crear turbulencia y mezclar el aire de combustión con el gas a quemar. Esta energía está presente en los gases, en forma de presión o bien, ser suministrada por otros medios, tales como la inyección de vapor de alta presión, aire comprimido o soplado de aire a baja presión a los gases de salida de la boquilla del quemador.

La eliminación de humo en los quemadores, se consigue por medio de las siguientes técnicas:
Para gases de desfogue de alta presión, 1.05 kg/cm2 (15 psig), se debe contar en la boquilla del quemador con un poder calorífico mínimo kcal/m3 (200 BTU/ft3). • Para fluidos con baja presión en la boquilla del quemador [0.35 kg/cm2 (5 psig)] y un poder calorífico mínimo de kcal/m3 (300 BTU/ft3) debe disponerse de servicios auxiliares (agua, aire o vapor). • Los fluidos con poder calorífico bajo, requieren inyección de gas combustible.

PROCEDIMIENTOS PARA LA ELIMINACIÓN DE HUMO
Inyección de vapor. Inyección de aire a baja presión Inyección de aire a alta presión. Gases de desfogue a alta presión.

SELECCIÓN DEL TIPO DE QUEMADOR
Estado físico del fluido a quemar. Masa relevada. Límites de radiación térmica. Límites de concentración de contaminantes. Emisión de humo. Emisión de ruido. Espacio disponible para su instalación. Costos de instalación y operación.

CUANDO Y PORQUE OCUPO UN QUEMADOR
Cuando el fluido manejado esté en estado gaseoso, sea tóxico y/o corrosivo e inflamable. Dispersión con mayor efectividad de los productos de la combustión. Reduce la radiación de calor al nivel de piso, debido a que la boquilla en donde se lleva a cabo la combustión se monta en el extremo superior de la chimenea. Es apropiado para quemar grandes cantidades de gas.

FACTORES DE DISEÑO. Requisitos para determinar el diámetro.
• Un quemador debe ser capaz de mantener una flama estable durante el mayor flujo posible, los vapores deben estar libres de líquidos y la formación de humo debe minimizarse con el fin de cumplir con las regulaciones ambientales establecidas en el articulo 12 del reglamento para la prevención y control de la contaminación atmosférica originada por la emisión de humos y polvos. • Debe mantener un encendido continuo. • El diámetro del quemador se debe seleccionar con base en la velocidad de salida de los gases y la caída de presión a través de la boquilla.

• Se debe estimar una velocidad adecuada de salida de los gases a quemar para mantener una flama estable. • Para seleccionar la boquilla de quemado se debe determinar la presión máxima, la temperatura máxima, la composición de los gases a quemar y considerar que en las descargas de desfogue mas frecuentes, se debe operar sin emisión de humo. Se permite la emisión de humo, solo en caso de las descargas de emergencia por periodos de tiempo muy cortos. • El quemador debe diseñarse para la condición de flujo máximo.

• Las cargas de relevo afectan grandemente el tamaño requerido de los cabezales del quemador y la línea ascendente. La carga total de relevo al quemador, se obtiene por adición de las cargas de relevo que ocurran simultáneamente. • La velocidad de salida de los gases a quemar no debe ser mayor de 0.5 Mach para los máximos flujos, manteniendo una velocidad de 0.2 Mach para las condiciones de operación normal para sistemas de desfogue de baja presión. • La caída de presión a través de la boquilla, debe tener un valor aproximado de KPa (2 psig).

b) Requisitos para determinar la altura
b) Requisitos para determinar la altura. • La altura del quemador se debe seleccionar con base en la intensidad del calor radiante generado por la flama y en la distancia requerida de la base del quemador al punto en el cual se requiera tener la intensidad de radiación máxima permisible. • La estructura del quemador se debe diseñar con un valor de intensidad de radiación de kW/m2, (5000 BTU/h-pie2). • El nivel de radiación permisible está en función del tiempo de exposición del personal; por lo que debe considerarse el tiempo en que tarden las personas de percatarse de una situación de emergencia y el tiempo que requieren para movilizarse.

c) En las emisiones de emergencia se considera que las personas reaccionan en un tiempo de 3 a 5 segundos y se requieren 5 segundos más para que el personal se retire del área, por lo que resulta un tiempo total de exposición de 8 a 10 segundos. El nivel de intensidad de radiación permisible en la base del quemador es de 4.73 kWm² (1 500 BTU/h-pie²) para un tiempo máximo de exposición de 9 segundos. d) Cuando se manejen gases tóxicos debe considerarse también, que el quemador tenga la altura suficiente para que la concentración de los mismos a nivel del piso no exceda el límite aceptable de toxicidad en caso de que se extinguiera la flama del quemador.

e) Para el diseño de la estructura de los quemadores se debe considerar la temperatura de los gases desfogados, la resonancia producida por el viento y la temperatura ambiente. • Los valores recomendados de nivel de ruido en función del tiempo de exposición se muestran en tabla 10. • El nivel de ruido, producido en el quemador no debe exceder de 85 db a nivel de piso para desfogues frecuentes y no debe exceder de 105 db a nivel de piso para desfogues esporádicos.

• No todo el calor generado por la reacción de combustión es transmitido por radiación, por lo que debe determinarse la fracción de calor radiado. Los valores de la fracción de calor radiado (F´), según Oenbring y Sifferman, dependen del peso molecular del gas : M de 16.8, F´ = 0.25 M de 40 sin inyección de vapor, F´ = 0.5 M de 40 con inyección de vapor, F´ = 0.4 • El efecto del viento se debe considerar para determinar el centro de flama y calcular la distancia a la cual se debe instalar el quemador. Una flama bajo influencia de viento se inclina en la dirección que el viento está soplando, esta se relaciona con el desplazamiento horizontal y vertical del centro de la flama con la relación de velocidades del viento lateral y de salida de los gases.

SEPARADOR DE SÓLIDOS AGITADORES FOSA DE MEZCLADO
SISTEMAS AUXILIARES: SEPARADOR DE SÓLIDOS AGITADORES FOSA DE MEZCLADO

DE ESPECIFICACIONES (SEPARADOR DE SÓLIDOS)
La instalación de esta operación accesoria, dependerá del sistema de manejo de excretas y estiércoles, y de la calidad del influente que se alimentará al digestor. Se considerará la instalación de un separador de sólidos antes de ingresar al digestor y/o un separador de partícula. Lo anterior a efecto de que por el tamaño del sólido se eviten taponamientos en las tuberías, velocidades de reacción disminuidas, por lo tanto mayor tiempo de retención, y mayor tamaño del digestor.

DE ESPECIFICACIONES (FOSA DE MEZCLADO)
Se considerará la instalación de una fosa de mezclado que concentre los influentes provenientes de la unidad productiva, ya sea, aprovechando la gravedad o mediante sistemas de bombeo. Dicha fosa, servirá para monitorear y controlar la relación agua-sólidos que ingresarán al biodigestor. Las dimensiones de la fosa de mezclado se definen en función del tamaño del proyecto que se desea instalar.

DE ESPECIFICACIONES (SISTEMA DE AGITACIÓN)
Se instalarán sistemas de agitación que prevengan la sedimentación y acumulación de sólidos, el taponamiento de tuberías, así como para garantizar perfiles de temperatura constantes dentro del biodigestor, y una eficiente interacción entre los microorganismos y el sustrato. El sistema de agitación será definido una vez conociendo la magnitud del proyecto del sistema de disposición y aprovechamiento de residuos agropecuarios.

SISTEMA GENERAL:

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