Energas Alternativas OPTIMIZACIN DE LA PRODUCCIN DE BIOGS
Energías Alternativas OPTIMIZACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS GENERADO A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE CÁSCARA DE NARANJA EN COMBINACIÓN DE GALLINAZA Y BOVINAZA PRESENTADO POR: JONATHAN CAMILO ROMERO ÁVILA DIRECTOR: MSC. GABRIEL CAMARGO VARGAS INGENIERÍA AMBIENTAL 2019
TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 3. JUSTIFICACIÓN 4. OBJETIVOS 5. METODOLOGÍA 6. RESULTADOS 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 8. CONCLUSIONES 9. RECOMENDACIONES 10. BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN “ Las fuentes de energía renovables ofrecen el potencial para transformar la calidad de vida y mejorar las perspectivas económicas de miles de millones de personas” WWF Alternativa Residuos Energética Orgánicos Gas Metano MSR Poder calorífico 5 1 2 3 4
DESCRIPCION DEL PROBLEMA 6 6000 toneladas de residuos/día 2000 Mm 3 de CH 4/año 9 70% es aprovechable CH 4 CO 2 GEI Doña Juana NH 3 H 2 O (v)
JUSTIFICACIÓN MDL 7 8 Potenciales generadores de metano Consumo nacional total= 8500 millones de m 3 CH 4/año Conil, 2011
OBJETIVOS General: Optimizar la producción de biogás generado mediante digestión anaeróbica a partir de residuos orgánicos de cáscara de naranja en combinación con excretas de ave de corral y bovino. 1 • Caracterizar la materia prima, el sustrato de cáscara de naranja y excretas de ave de corral, y bovino. 2 • Construir biodigestor tipo discontinuo (batch) con base al modelo de volumetría. 3 • Optimizar la producción de biogás por medio de un análisis estadístico del diseño experimental mediante la metodología de superficie de respuesta. 4 • Reproducir los mejores resultados del biogás mediante análisis volumétrico para cuantificar la cantidad de metano producido.
METODOLOGIA Poder calorífico del residuo del sustrato usado
RESULTADOS 1. Caracterización Materia Seca Sólidos volátiles y materia seca obtenidos del análisis de las materias primas. ITEM NARANJA BOVINO AVE DE CORRAL Peso total de muestra (g) 15, 07 15, 01 15, 08 Sólidos volátiles (SV) en g y % 14, 42 14, 12 95, 70% 94% 82, 3% 0, 6548 0, 8972 2, 676 4, 35% 5, 98 % 17, 7 % Materia seca (g) y % Preparación de la mezcla para alimentar el biorreactor de tipo discontinuo 40% a 60% Total, sustrato: 45, 1612 g ST%(diluida) Excreta Materia seca: 4, 228 g 12, 40 % ST de la mezcla: 9, 36 Fuente: Autor 1 kg excreta fresca 1 kg %ST excreta fresca 0, 0936 Agua para agregar Fuente: Autor Fuente: FAO 0, 5 Fuente: Autor 1 L
RESULTADOS 1. Caracterización nitrógeno orgánico total Determinación de N total en mg por el método de Kjheldar. Gallinaza Valor de titulación Prueba 1 Bovinaza Promedio Valor de titulación Cascara de naranja Promedio 5, 7 ml 3, 25 ml 1, 2 ml 1, 1 ml 0, 8 ml 10, 7 ml 5, 45 ml 3, 5 ml 1, 9 ml 0, 2 ml 0, 3 ml Valor de nitrógeno obtenido 4, 55 mg N 1, 54 mg N 7, 63 mg N 2, 66 mg N 6, 09 mg N 2, 1 mg N Prueba 2 resultado 1 resultado 2 resultado 3 Peso de la muestra 0, 5 g Normalidad 0, 1 Fuente: Autor Fuente: Selecta Valor de titulación Promedio 1, 5 ml 0, 2 ml 1, 3 ml 0, 1 ml 0, 85 ml 1, 19 0, 98 1, 085 mg N 0, 7 ml Nitrógeno valorado por titulación. Cascara de Gallinaza Bovinaza naranja Cantidad de muestra (mg) 500 500 Cantidad de nitrógeno valorado 6, 09 2, 1 1, 085 Porcentaje de materia seca 17, 7 % 5, 98 % Porcentaje de N primer valor 14. 5 % 7, 02 % 4, 98 % Porcentaje de N segundo 1, 3 % 1, 6 % 3% Fuente: Autor 4, 35 %
RESULTADOS 1. Caracterización valores finales Valores obtenidos de relación carbono/nitrógeno Total, Sustrato C% N Lab% N% R C/N Primera Segunda prueba Lab materia Relación C/N Bovino g Gallina g Naranja g orgánica 615 K 23: 1 Q 1(g) 600 Q 2 10 Q 3 5 Bovinaza 30 1, 3 7, 02 4, 27350427 23, 0769231 K 24: 1 Q 1(g) 300 Q 2 500 Q 3 50 850 Gallinaza 35 1, 6 14, 5 2, 4137931 21, 875 K 26: 1 Fuente: Autor Q 1(g) 180 Q 2 180 Q 3 70 430 44, 4 3 4, 98 8, 91566265 14, 8 Cáscara de naranja Fuente: Autor Fuente: FAO de
RESULTADOS 2. Construcción digestor batch Combinaciones de condiciones de temperatura, relación C/N y p. H para determinar el número de experimentos Número de T C/N g Na. HCO 3 experimento Número de T C/N experimento g Fuente: Autor Na. HCO 3 Variables que intervienen en el proceso 1 1 11 -1 0 -1 2 1 0 1 12 -1 -1 0 3 1 1 0 13 -1 -1 1 4 0 1 1 14 -1 1 -1 5 0 0 0 15 -1 -1 1 6 0 16 -1 0 1 7 0 0 1 17 1 0 -1 8 1 0 0 18 0 1 -1 9 -1 -1 -1 19 0 -1 1 -1 -1 20 -1 1 0 21 1 -1 0 10 Fuente: 0 Autor Valor de control para p. H Temperatura Valor de T Relación C/N Valor de C/N p. H gramos de Na. HCO 3 1 25 ° C 1 23: 1 1 5 g 0 35° C 0 24: 1 0 10 g 45° C -1 26: 1 -1 15 g -1 Fuente: Autor Montaje experimental para obtención de biogás Fuente: Autor
RESULTADOS 3. Optimización por medio de la superficie de respuesta Resultados experimentales N. º T ºC R C/N g Na. HCO 3 p. H final V de gas V inicial V final 1 25 23 5 7, 39 31 26 57 2 25 23 10 7, 61 34 11 45 3 25 24 5 6, 48 66 43 109 4 35 23 5 7, 55 78 14 92 5 35 24 10 6, 4 3 77 43 120 6 35 24 5 6, 45 68 48 116 7 35 23 10 7, 56 22 10 32 8 25 24 10 6, 98 60 38 98 9 45 26 15 7, 62 134 48 182 10 45 26 10 7, 09 51 71 122 11 45 24 15 6, 95 111 75 186 12 35 26 15 7, 08 55 60 115 13 35 24 15 6, 96 88 52 140 14 25 26 5 6, 89 89 29 118 15 25 26 10 7, 15 99 71 170 16 25 24 15 6, 97 98 32 130 17 45 23 5 7, 60 43 11 54 18 45 23 10 7, 57 117 25 142 19 45 23 15 7, 61 58 18 76 20 45 26 5 6, 93 93 57 150 21 35 26 5 6, 83 58 44 102 Fuente: Autor Resultado actual de datos obtenidos Fuente: Autor
RESULTADOS 3. Modelo estadístico ANOVA para reducir al modelo cubico Design Expert ANOVA for Reduced Cubic model Response 1: Response 1 Dispersión de los datos obtenidos Fuente: Realizada en programa Design-Expert 11 Autor Sum of Source Squares df Model 13757, 03 16 859, 81 0, 8925 0, 6186 A-Temperatura 60, 56 1 60, 56 0, 0629 0, 8144 B-C/N 916, 4 1 916, 4 0, 9512 0, 3846 C-NAHCO 3 122, 03 1 122, 03 0, 1267 0, 7399 AB 3080, 69 1 3080, 69 3, 2 0, 1483 AC 2, 72 1 2, 72 0, 0028 0, 9602 BC 2028, 09 1 2028, 09 2, 11 0, 2204 A² 3107, 41 1 3107, 41 3, 23 0, 1469 B² 2385, 93 1 2385, 93 2, 48 0, 1907 C² 460, 58 1 460, 58 0, 4781 0, 5273 ABC 908, 76 1 908, 76 0, 9433 0, 3864 A²B 2143, 22 1 2143, 22 2, 22 0, 2101 A²C 1991, 41 1 1991, 41 2, 07 0, 2239 AB² 15, 85 1 15, 85 0, 0164 0, 9041 AC² 240, 47 1 240, 47 0, 2496 0, 6436 B²C 662, 4 1 662, 4 0, 6876 0, 4536 BC² 2937, 01 1 2937, 01 3, 05 0, 1557 Residual 3853, 55 4 963, 39 Cor Total 17610, 57 20 Fuente: Autor Mean Square F-value p>0, 1 no significativo p<0, 05 significativo f <1 indica ruido no significante
RESULTADOS 3. Resultados de optimización Soluciones obtenidas por Design-Expert 11 40 Solutions Solución número 1 de 40 found Temperatur Number a C/N Na. HCO 3 Response 1 1 44, 961 24, 957 13, 877 134, 171 1 2 25, 386 25, 995 14, 166 168, 408 1 3 44, 836 24, 981 14, 606 141, 278 1 4 44, 877 24, 721 14, 502 140, 81 1 5 25, 286 25, 931 13, 255 144, 974 1 6 27, 282 25, 944 14, 429 140, 921 1 7 44, 873 25, 605 14, 905 134, 14 1 8 44, 722 24, 576 14, 308 136, 148 1 9 44, 927 25, 084 14, 676 142, 508 1 10 44, 617 24, 626 14, 699 138, 883 1 11 Fuente: 27, 172 Autor 25, 648 14, 74 154, 892 1 12 14, 754 142, 25 1 44, 747 24, 811 Fuente: Autor
RESULTADOS 3. Poder calorífico Comportamiento de la biomasa para hallar el poder calorífico. Muestra #6 20 19, 8 Temperatura (ºC) 19, 6 19, 4 19, 2 19 18, 8 18, 6 18, 4 0, 00 2, 00 Fuente: Autor 4, 00 6, 00 Tiempo (min) 8, 00 10, 00 12, 00 14, 00
RESULTADOS 3. Poder calorífico de cada relación carbono nitrógeno Resultados poder calorífico para cada mezcla. Fuente: Autor
RESULTADOS 4. Volumen Obtenido Temperatura 45ºC, Relación C/N: 24, 957 y 15 g Na. HCO 3. V de gas Nº T ºC R C/N g Na. HCO 3 p. H final CH 4 (ml) V inicial V final A 45 24, 957 15 6, 58 90 160 250 B 45 24, 957 15 7, 32 120 240 C 45 24, 957 15 6, 45 125 110 235 Poder calorífico de la mezcla final B C Materia seca y solidos volátiles de análisis final Relación C/N A Promedio Btu/lb= 4605, 46976 5553, 53939 3032, 635338 4397, 21483 Hg (Caloría / g) = 2558, 59431 3085, 29966 1684, 79741 2442, 89713 Hg (J / g) = 10705, 1586 12908, 8938 7049, 192364 10221, 0816 Hg (KJ / g) = 10, 7051586 12, 9088938 7, 049192364 10, 2210816 Hg (KJ / kg) = 10705, 1586 12908, 8938 7049, 192364 10221, 0816 Peso Materia A seca (MS)g Cantidad agua (SV)g % B 0, 07885 0, 101 de 7 3 C 0, 09090 0, 121 0, 92114 1, 1798 % 91 0, 09820 0, 1316 0, 90909 1, 21 09 % 9 0, 90179 1, 2084 1
4. Moles de metano RESULTADOS Calculo de presión atmosférica 0, 028964 4 µ - Masa molar del aire terrestre 0. 0289644 kg/mol 9, 80665 g - Aceleración de la gravedad, 9. 80665 m/(s*s) 2630 h - Diferencia de altura, m R - Constante universal de gas para el aire, 8. 31432 8, 31432 N·m /(mol·K) 288, 15 T - Temperatura del aire, К 760 P 0 556, 4094 48 Presión en mm. Hg 0, 732 Atmosferas Calculo moles de Metano por ecuación de Van Der Waals P= 0, 73211769 Atm V= 0, 1133 L n= 0, 00351708 Mol L*atm/mol* R= 0, 08205746 K T= 288, 15 K L^2 a= b= atm 2, 2725 mol^-2 0, 043067 L mol^-1
ANALISIS DE RESULTADOS Mejor resultado 134 ml Volumen de Biogas Optimización - T: 45°C - R C/N: 24, 957 - Manejo de p. H: 15 g Na. HCO 3 C/N: 23. 23, 24. 24, y 26. 26 Cp S: 1500, 1600, y 1900 Replica de optimización propuesta por el programa 111, 6 de volumen de CH 4. 24. 9 de R C/N Cp S: 2500 kcal/kg
Conclusiones y recomendaciones Optimización Energía alternativa Poder calorifico R C/N: Variable mas importante Análisis anova Menos GEI Mas CO 2
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