Análisis y evaluación del cambio de diseño en una...

Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

Análisis y evaluación del cambio de diseño en una planta de Bio-Combustible móvil

Seminario de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero de Ejecución en Mecánica.

Profesor Guía: Sr. Claudio Nabil Villegas Ulloa Ingeniero Supervisor: Sr. Larry Sidney Oliver Ampuero

Matías Ignacio Sebastián Avila Burgos Yohnny Fabián Remaggi Martínez

CONCEPCIÓN 2012

Universidad del Bío-Bío. Red de Bibliotecas - Chile

DEDICATORIAS

A mi madre, mis hermanos Antonio y Rebeca que siempre

me brindaron su apoyo y consejos cuando los necesité,

y en especial a mi hija Maite que me dio la

fuerza para luchar por mis metas y

querer ser mejor cada día.

Yohnny Fabián Remaggi Martínez

Para mi padre que desde el cielo me ha guiado y dado las

fuerzas para terminar este largo proceso, a mi madre,

hermana que me apoyaron desde un comienzo

y que nunca dudaron de mis capacidades,

a mis padrinos, que en todo momento me

brindaron su apoyo, a Tamara que en

esta última etapa fue un pilar

fundamental, por último a

mi familia y amigos

que confiaron

en mí.

Matías Ignacio Sebastián Avila Burgos


AGRADECIMIENTOS

A la empresa SICAO S.A por su colaboración y buena disponibilidad en el

desarrollo de este tema, en especial a don Larry Oliver que nos brindó su

confianza y apoyo en todo momento, por último a la Srta. Claudia Farías por su

paciencia y buena voluntad.

A nuestro profesor guía don Claudio Villegas por su amabilidad y consejos

para la realización de este seminario.

Gracias

.


RESUMEN

En este seminario de título se analizarán y evaluarán los cambios efectuados en el diseño y en la construcción de una planta de bio-combustible móvil, que desea producir bioaceite. Para esto se analizará la clasificación de los bio-combustibles, las que corresponden a cuatro generaciones, siendo la segunda generación la utilizada, debido a que dentro de ésta existe un proceso conocido como pirólisis que sirve para obtener este producto, por medio de materia prima que procede de los residuos agroindustriales o forestales compuestos por celulosa, que corresponden a la biomasa primaria. También se estudiará y analizará el funcionamiento de los equipos de proceso, para luego realizar una evaluación de los cambios en la planta. Producto de estos se producen alteraciones económicas, por lo que se determinarán los costos relacionados con los materiales para la construcción de la planta, incluyendo los equipos comerciales y los aspectos generales.

El proceso de pirólisis específicamente es el de “pirólisis rápida”, del cual se obtienen tres productos, el ya mencionado y principal que es el bioaceite, y dos subproductos que son el carbón y los gases no condensables; de estos se desea obtener 500 (kg/h) de bioaceite, 107,14 (kg/h) de carbón y de gases no condensables 107,14 (kg/h).

Al realizar las primeras pruebas de producción de bioaceite, se observó que al momento de ingresar los gases al intercambiador, que provienen del reactor de lecho fluidizado (donde ocurre la pirólisis), éstos debían cambiar de fase gaseosa a líquida, pero esto no sucedía, ya que pasaban directamente a una fase sólida, producto de un cambio brusco de temperaturas, formando una capa de alquitrán que obstruían los tubos del intercambiador, impidiendo el paso del bioaceite que se formaba, éste fenómeno es conocido como craqueo.

Por lo descrito anteriormente, se llegó a la conclusión que el intercambiador de paredes secas no era la mejor manera de hacer condensar los gases, por lo que se optó por diseñar un intercambiador de paredes húmedas (torre de enfriamiento) y modificar la función del intercambiador.

Al analizar los datos entregados por la empresa, para el funcionamiento de los equipos de procesos, se observó que no se incluía el calor latente en la condensación de los gases, debido a que el bioaceite que se obtenía, no cumplía con las expectativas, por lo tanto no se tenía claro la cantidad de componentes que lo formaban. Es por esto que se realizó un análisis de algunos componentes conocidos del bioaceite, para incluir el calor latente en el cálculo de los gases condensables, con el fin de llevar los resultados a lo teóricamente correcto. Al realizar estos cálculos se observa el gran aumento del flujo de bioaceite a recircular por el intercambiador, el calor a transferir en la torre de enfriamiento y el coeficiente global de transferencia, donde estos aumentan a un valor cercano al doble.


ABREVIACIONES

AIE Agencia Internacional de la Energía

AISI American Iron and Steel Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

Cap Capítulo

CNE Comisión Nacional de Energía

CORFO Corporación de fomento de la producción

EEUU Estados Unidos

ERNC Energías Renovables no Convencionales

Etc Etcétera

Fig Figura

INOX Inoxidable

IVA Impuesto Valor Agregado

Máx Máximo

Min Mínimo

MLDT Media Logarítmica de la Diferencia de Temperaturas

OMPI Organización Mundial de la Propiedad Intelectual

SAE Society of American Engineering

SI Sistema Internacional

TEMA Tubular Exchanger µManufacturers Association


SIMBOLOGIA DE UNIDADES DE MEDIDAS

°C Grados Celsius

°F Grados Fahrenheit

µm Micrómetro

Atm Atmósfera

BTU British Thermal Unit

CO2 Dióxido de carbono

cm Centímetro

Ft Pie

GWh Gigawatt hora

h Hora

Hp Caballo de fuerza (Horse Power)

Hz Hertz

J Joule

K Kelvin

kcal Kilocalorías

kg Kilogramo

kJ Kilo Joule

kPa Kilo Pascal

kW Kilowatt

L Litro

Lb Libra

m Metro

mm Milímetro


min Minuto

mmCA Milímetro columna de agua

MPa Mega Pascal

MW Megawatt

Pa Pascal

Pulg Pulgada ( “ )

RPM Revoluciones por minutos

s Segundo

T° Temperatura

W Watt

µ Viscosidad dinámica


GLOSARIO DE TERMINOS

A

Agente de fluidización Se le llama a una corriente ascendente de fluido, que puede ser líquido, gas o una mezcla de ambos, que se utiliza para suspender partículas sólidas. B

Bioenergía Es un tipo de energía renovable, que se obtiene al aprovechar la materia orgánica e industrial que se forman de algún proceso biológico o mecánico C

Caída de presión Diferencia de presiones en dos puntos distintos por donde circula el mismo flujo.

Calor específico Capacidad calorífica por unidad de masa, o sea la cantidad de calor que debe recibir o rechazar la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para provocar la variación de su temperatura en una unidad. Catalizador Sustancia que tiene la propiedad de acelerar o retrasar una reacción química, sin intervenir directamente en la reacción. Combustibles fósiles Se les llama de esta manera para designar a los depósitos geológicos de materiales orgánicos combustibles, que se forman por medio de la descomposición de plantas y animales hace miles de años, que al estar sometidos al calor y la presión de la corteza terrestre sufrieron transformaciones químicas y formaron el petróleo, carbón y gas natural. No son recursos renovables ya que no se reponen por procesos biológicos. Combustibles renovables Son los formados a través de biomasa inagotable a escala humana ya que pueden regenerarse naturalmente, como por ejemplo la madera. Combustión Es una reacción química de oxidación rápida que desprende una cierta cantidad de energía por medio de calor y luz, que se manifiesta visualmente como fuego.


Conducción Mecanismo presente en la transferencia de calor a través de un medio físico (sólido, líquido o gaseoso), en que la energía se transfiere molécula a molécula por efecto de gradientes internos de temperatura sin desplazamiento de esta en su interior. Para que exista conducción en los líquidos y los gases, estos deben estar totalmente en reposo. Conductividad térmica Propiedad física de la conducción, que define o representa si un material es buen o mal conductor del calor a través de dicho material. Si un material posee una alta conductividad térmica se habla de un buen conductor de calor, como por ejemplo los metales, pero si poseen una baja conductividad térmica se habla de malos conductores del calor y se les denomina aislantes térmicos, como por ejemplo la lana mineral. Convección Es el mecanismo de transferencia de calor que tiene lugar cuando ocurre el contacto entre una superficie sólida y un fluido en movimiento, donde ambos se encuentran a temperaturas distintas. Cuando el movimiento del fluido es provocado por algún agente externo (bomba, ventilador, etc) se trata de un problema de convección forzada. Si el movimiento del fluido es causado por fuerzas de empuje, provocando una diferencia de densidades a raíz de una diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido, se trata de un problema de convección natural. Corrosión Es una reacción química o electroquímica superficial que provoca el desgaste total o parcial que destruye, disuelve o ablanda cualquier material a partir de agentes del medio ambiente. Craqueo Fenómeno que le ocurre a un compuesto al cambiar de fase gaseosa a sólida al realizar un cambio importante de temperaturas en un corto período de tiempo, formando una capa de alquitrán. D

Decantación Método físico que se utiliza para separar mezclas heterogéneas, éstas pueden ser sustancias conformadas por un líquido y un sólido, o por dos líquidos. Densidad En física y química es una magnitud escalar que refleja cuanta masa de un cuerpo hay contenida en una cierta cantidad de volumen.


Degradación térmica Descomposición química de sustancias puras, que al calentarse antes de que se fundan se descomponen en otras sustancias puras con otras propiedades. Desperdicios orgánicos Es todo desecho de origen biológico que alguna vez estuvo vivo o fue parte de un ser vivo y que se desintegran o degradan rápidamente para transformarse en otra materia orgánica. Digestión Anaerobia Proceso biológico con el que se produce biogás, por medio de microorganismos que descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno. E

Efecto invernadero Fenómeno por el cual determinados gases, que forman parte de una atmósfera planetaria, retienen cierta cantidad de energía que la superficie planetaria emite por haber sido calentada por la radiación solar. Este fenómeno afecta a todos los cuerpos planetarios dotados de atmósfera. Eficiencia Capacidad o habilidad de disponer de alguien o algo para lograr un objetivo determinado. Energía Termino relacionado con la capacidad para transformar o poner en movimiento un cuerpo. En física se define como la capacidad de realizar un trabajo. F

Fluidización Proceso de contacto, que se utiliza para suspender partículas sólidas por medio de una corriente ascendente de un fluido líquido, gas o ambos. Flujo másico Magnitud que expresa la variación de masa por unidad de tiempo. Flujo volumétrico Magnitud que expresa la variación de volumen por unidad de tiempo.

Fotosíntesis Proceso metabólico por el cual algunas células vegetales transforman la materia inorgánica en materia orgánica, además de convertir la energía solar en energía química. Este proceso a través de los organismos fotosintéticos emiten oxígeno al ambiente el cual es fundamental para la mayoría de los seres vivos de este planeta.


Fuerzas centrífugas Es una fuerza ficticia que describe el movimiento de un cuerpo en un sistema de referencia en rotación, que le impide permanecer en reposo alejándolo del eje de rotación. Fuerzas gravitatorias Fuerza física que ejerce la masa de un cuerpo sobre otro objeto que contenga masa, dentro de un campo gravitatorio. G

Gas condensable Gases que al enfriarse cambian su fase a líquido. Gas inerte Gas químicamente no reactivo bajo ciertas condiciones de temperatura y presión. Gas no condensable Son gases que bajo condiciones normales no cambian su fase a líquido. Gasificación Proceso termoquímico que en presencia de un agente gasificante (oxígeno, aire o hidrógeno) convierte un material sólido, como residuos agroindustriales o forestales compuestos por celulosa en gas, para utilizarlo como combustible. H

Hidrólisis enzimática Proceso bioquímico que produce biogás a partir de residuos agroindustriales o forestales compuestos por celulosa. I

Inercia Físicamente es la resistencia que opone un cuerpo al modificar su estado de reposo o movimiento. L

Layout Término de la lengua inglesa que se utiliza para nombrar los esquemas dentro de un diseño. Lecho fluidizado Conjunto de partículas que conforman la corriente ascendente dentro la fluidización.


M

Mantenimiento Combinación de actividades tanto técnicas como administrativas con el fin de conservar y/o restaurar infraestructuras, sistemas, equipos y dispositivos, para que puedan desempeñar su función requerida. P

Partícula Porción de materia más pequeña de un cuerpo, que conserva sus propiedades químicas. Peso molecular Número que indica cuantas veces mayor es la unidad de masa de una molécula con respecto a la unidad de masa atómica. Presión Magnitud física que mide la fuerza que se aplica por unidad de superficie. Proceso bioquímico Proceso que se basa en la degradación de la biomasa por medio de microorganismos o enzimas que se añaden a los medios de reacción como catalizadores. Proceso termoquímico Proceso que se basa en la descomposición de la biomasa por medio de las transformaciones que sufre la energía calorífica en las reacciones químicas. Punto de ebullición Temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido iguala a la presión de vapor del medio en la que se encuentra, es decir es la temperatura con la que la materia cambia de fase líquido a gaseoso. R

Residuos agroindustriales Desechos generados por el sector agroindustrial, que se utilizan como materia prima para generar bio-combustibles. S

Sedimentación Operación de separar partículas sólidas de un fluido.


T

Transesterificación Proceso con el que se obtiene biodiesel, a partir de la combinación de aceite (en general aceite vegetal) con un alcohol liviano (normalmente el metanol). Transferencias de calor Traspaso de energía térmica de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. V

Viscosidad Resistencia de un fluido a fluir. Entre más resistencia presente el líquido más alta será la viscosidad. Vórtice Flujo turbulento en rotación espiral en una trayectoria cerrada. Se relaciona con la cantidad de rotación de un fluido.


TABLA DE CONTENIDOS

CAPITULO I: INTRODUCCION

1.1 Introducción 1

1.2 Objetivos 4

1.2.1 Objetivo general 4

1.2.2 Objetivos específicos 4

CAPITULO II: ANTECEDENTES GENERALES

2.1. Introducción 5

2.2 Bio-combustible 5

2.2.1. Clasificación de los bio-combustibles 5

2.3. Biomasa 7

2.3.1. Clasificación de las fuentes de la biomasa 8

CAPITULO III: PROCESO DE FABRICACION DEL BIO-COMBUSTIBLE


3.2. Pirólisis 9

3.2.1. Tecnologías de pirólisis 9

3.2.2. Proceso de la pirólisis 10

3.2.3. Productos obtenidos durante la pirólisis 11

CAPITULO IV: INGENIERIA CONCEPTUAL DE LA PLANTA


4.2. Detalle de los equipos de proceso 12

4.2.1. Detalle general de equipos 13

4.3. Descripción de los equipos de procesos 14

4.3.1. Secador 14

4.3.2. Reactor 16

4.3.3 Ciclón 19

4.3.4 Intercambiadores 25

CAPITULO V: ANALISIS Y EVALUACION DEL CAMBIO DE DISEÑO


5.2. Layout de ambas plantas 36


5.2.1. Planta original (Planta – A) 37

5.2.2. Planta modificada (Planta – B) 38

5.3. Análisis del cambio 1 39

5.3.1. Análisis de energía 39

5.3.2. Cálculos de energías sin calor latente 46

5.3.3. Cálculos de energías con calor latente 50

5.3.4. Comparación de resultados 54



5.5.1. Balance de materias (biomasa) 58

5.5.2. Balance de energías (calor) 59

5.5.3. Gas no condensable requerido 60

CAPITULO VI: ESTIMACION DE COSTOS


6.2. Costo de materiales para la fabricación 62

6.2.1. Materiales planta original (planta – A) 63

6.2.2. Materiales planta modificada (planta – B) 66

6.3. Costo de los equipos comerciales 67

6.3.1. Astillador de disco vertical 68

6.3.2. Triturador de martillos móviles 68

6.3.3. Ventilador centrífugo (V1) 69




6.3.7. Motor trifásico 71

6.3.8. Motoreductor 72

6.3.9. Bomba centrífuga 72

6.3.10. Variador de frecuencia 73

6.3.11. Remolque 2 ejes 73

6.3.12. Neumáticos 73

6.3.13. Generador de energía 74


6.4. Costos generales 74

6.5. Resumen total de costos 75

CONCLUSIONES 77

BIBLIOGRAFIA 79

LINKOGRAFIA 81

ANEXO A: Características de los ciclones convencionales 82

ANEXO B: Tablas SI y Conversión de unidades 83

ANEXO C: Calor específico y calor latente de vaporización 87


1

CAPITULO I: INTRODUCCION

1.1. INTRODUCCION

Según estudios realizados por el ministerio de energía de Chile, los grandes países desarrollados y en vías de desarrollo, poseen un alto porcentaje de generación hídrica doméstica; países como: Noruega poseen un 99%, Brasil un 80%, Venezuela un 73%, Canadá un 59% y Suecia un 46%, esto se debe a que estos países disponen de los recursos. A pesar que en Chile existe un potencial mayor o similar a algunos de los países mencionados, solo posee un 42% debiendo reemplazar la generación hídrica (renovable, económica y limpia) por recursos fósiles. Tabla N° 1.1 . Oferta hídrica, año 2008

Hoy en día la dependencia de los combustibles fósiles es elevada, pero en un futuro no muy lejano las reservas de éstos dejarán de existir, es por ello que se están desarrollando a nivel mundial estudios sobre energías renovables no convencionales (ERNC), como se muestra en la siguiente tabla:

Fuente: AIE


2

Tabla N° 1.2. ERNC: Realidad mundial

Como se puede ver en la Tabla N°1.2, las ERNC de b iomasa a nivel mundial es la que genera la mayor cantidad de GWh, por lo cual es viable desarrollar tecnologías para la generación de energía a partir de residuos de la biomasa forestal. Los estudios que ha realizado la comisión nacional de energía (CNE), estimó que el nivel de producción de la industria forestal en Chile es alrededor de 85 mil hectáreas anuales, lo cual gracias a una gran cantidad de información existente y un eficiente sistema de estadísticas, se evaluó un horizonte de 15 años un flujo de residuos del manejo forestal, por lo tanto se cálculo teóricamente el posible aprovechamiento energético de éstos residuos en MW. Considerando la necesidad de mantener en el bosque una parte de los residuos generados para efectos de mantención de las condiciones del suelo (25%); se estableció un factor de aprovechamiento o de extracción de la biomasa residual de un 75% como máximo y como mínimo un 50% para fines de generación eléctrica. El resultado fue un potencial eléctrico del orden de los 470 MW de potencia instalable factible como máximo y 310 MW como mínimo. [1] (Ver gráfico N°1.1).

Fuente: Elaborado por el Ministerio de Energía y el Centro de Energías Renovables en base a información de la Agencia Internacional de la Energía 2010 (data 2008).

[1] Estudio potencial biomasa forestal, José Bertran Spichiger,Eduardo Morales Verdugo, año 2008


3

Dada la información anterior, existe una gran cantidad de materia prima (biomasa) para realización de tecnologías para procesarlas y así obtener energía de los residuos, es por eso que se realizó el proyecto de una planta de bio-combustible móvil, la cual se dirige directamente a los bosques ya talados y procesa los desechos (ramas, hojas, etc) donde se obtiene bioaceite, el cual se puede usar para lo que se estime conveniente. Debido a que los fabricantes de este proyecto se encuentran en la octava región, la que tiene una gran cantidad de plantaciones de donde se puede obtener la biomasa necesaria para comenzar a trabajar, como se muestra en la siguiente tabla: Tabla N° 1.3. Superficie forestal por regiones en hectáreas.

Gráfico N°1.1 . Potencia eléctrica instalable factible. Fuente: Comisión nacional de energía, año 2008

Fuente: Instituto forestal, año 2005


4

Con la información obtenida en la tabla anterior, se aprecia que las regiones del Maule, Bio-Bio y Araucanía, son en las que se desarrolla la mayor parte de la industria forestal del país y donde se concentra la mayor cantidad de superficie de plantaciones forestales, lo que nos lleva a concluir que es factible la realización de este proyecto ya que existen potenciales compradores de la planta de bio-combustible y una gran cantidad de biomasa.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo general

� Analizar y evaluar los cambios efectuados en el diseño y la construcción de una planta móvil productora de bio-combustible.

1.2.2. Objetivos específicos

� Realizar un breve análisis de la clasificación de los bio-combustibles y la biomasa.

� Estudiar y analizar el proceso de fabricación que utiliza la planta de bio-combustible.

� Estudiar y analizar el funcionamiento de los equipos de proceso y evaluar

los cambios realizados a la planta. � Determinar los costos relacionados con los materiales para la construcción

de la planta, equipos comerciales y aspectos generales.


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CAPITULO II: ANTECEDENTES GENERALES

2.1. INTRODUCCION

Los bio-combustibles fueron la primera fuente de energía conocida por la humanidad, en su evolución a lo largo de los siglos hasta la llegada de la revolución industrial, y sigue siendo un recurso energético esencial en los países menos desarrollados.

Se ha observado un fuerte crecimiento del uso de combustibles renovables a nivel mundial, ya que hoy en día son una apuesta tecnológica de futuro a escala global, principalmente para disminuir nuestra gran dependencia de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de compuestos dañinos a la atmósfera.

El uso de combustibles amigables con la naturaleza resulta ser la mejor vía de continuar con un mejoramiento de la calidad de vida sin perjudicar más a la naturaleza y sus recursos. Una pieza clave para la bioenergía son los bio-combustibles líquidos, que inevitablemente han de constituir en el futuro un complemento a otras tecnologías energéticas sostenibles.

2.2. BIO-COMBUSTIBLE

Los bio-combustibles se definen como toda forma de energía procedente de la biomasa, siendo ésta todo ser viviente que existe sobre la tierra, incluyendo sus residuos. La finalidad de su generación es la de liberar energía contenida en sus componentes químicos, mediante una reacción de combustión.

2.2.1. Clasificación de los bio-combustibles

En la actualidad existen varios tipos de bio-combustibles, pero debido a que no

hay una definición técnica para cada uno de ellos se clasifican en 4 generaciones, las que se diferencian entre ellas por la materia prima con que se producen y los avances tecnológicos que se emplean.

A continuación se dará una pequeña explicación de cada generación, sin embargo en el presente seminario la planta de bio-combustible a analizar fabricará bio-combustible de la segunda generación.

� Primera generación

La materia prima es de procedencia agrícola. Principalmente se

producen de almidón, azúcares y aceites, que provienen de las partes alimenticias de algunas plantas tradicionales como caña de azúcar, trigo, soya, de palma aceitera y granos de maíz, también se pueden utilizar grasas animales, aceites de desecho doméstico y desperdicios sólidos orgánicos.

La tecnología utilizada para la producción de bio-combustible de primera generación, depende de la materia prima que se vaya a emplear, para azúcares y carbohidratos se recurre a la fermentación; para aceites y


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grasas se utiliza la transesterificación, y para los desperdicios orgánicos se usa la digestión anaerobia.

La bioenergía obtenida a partir de los azúcares es el etanol, metanol y n-butano y a partir de los aceites resulta el biodiesel.

En la actualidad los bio-combustibles de la primera generación ya han alcanzado la etapa de producción comercial en cantidades significativas por diversos países, ya que utilizan técnicas similares a las de las cosechas agrícolas alimenticias.

Las ventajas de los bio-combustibles de primera generación son su facilidad de procesamiento. Su gran desventaja es el hecho de utilizar recursos alimenticios para la producción de bio-combustible, lo que da como resultado el aumento de precios de la materia prima. Su rápida expansión, presenta cierto grado de preocupación, principalmente, debido al uso de la tierra.

� Segunda generación

Estos bio-combustibles también son llamados bio-combustibles

celulósicos, cuya materia prima procede de los residuos agroindustriales o forestales compuestos por celulosa, como la paja de trigo, el aserrín, el bagazo de la caña de azúcar, tallos, las hojas del maíz, las hojas y ramas secas de los árboles, raíces, madera, cáscaras, etc.

Su producción es significativamente más compleja, comparado con la producción de la primera generación. Se clasifican según el proceso utilizado en la transformación de la biomasa, teniendo dos tipos de procesos, bioquímicos y termoquímicos.

Para bioquímicos se recurre a hidrólisis enzimática y fermentación; para termoquímicos se utiliza pirólisis, gasificación y combustión. Estas tecnologías son existentes, pero todavía no aplicadas en la producción de gran escala, debido a su alto costo.

Las ventajas de los bio-combustibles de la segunda generación es su nulo efecto invernadero, además requieren menos recursos, desde agua y terrenos hasta fertilizantes y pesticidas, para ser producidos. También la energía producida es mucho mayor con respecto a los bio-combustibles de primera generación. Y por ultimo una ventaja importante es que al disponer de más materias primas no comestibles, no hay competencia con la industria alimenticia.

La planta de bio-combustible que analizaremos utiliza un proceso termoquímico llamado pirólisis, específicamente pirólisis rápida.

� Tercera generación

Esta generación es producida a partir de la materia prima modificada genéticamente, la que abarca vegetales no alimenticios de crecimiento rápido y de alta densidad energética almacenada en sus componentes químicos, estos son principalmente: Microorganismos, algas, árboles y plantas de crecimiento rápido.


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Se encuentran en una fase inicial de desarrollo, muy lejos de su producción a gran escala, y por tanto de su comercialización.

La ventaja de esta generación, es el uso CO2 para la producción de la materia prima. La desventaja que presenta es que necesita de tierras de cultivo de alimentos para sembrar las plantas, excepto las algas.

� Cuarta generación

Esta cuarta generación de bio-combustibles no ha adquirido gran relevancia, pero vale la pena hacer una pequeña reseña sobre su utilización.

Se producen a partir de bacterias genéticamente modificadas, creadas a partir de mezclas químicas. Al igual que en la tercera generación se requiere de CO2 o alguna otra fuente de carbono para la obtención del producto.

Esta generación se encuentra en pleno desarrollo, y por el momento se sabe que se puede obtener etanol.

2.3. BIOMASA.

Se entiende por Biomasa a cualquier materia que, directa o indirectamente, se obtiene de los vegetales y animales. Por tanto, quedan incluidos dentro de este concepto, los cultivos agrícolas en general, forestales, algas, residuos de animales y los residuos urbanos. La biomasa a utilizar en la planta de bio-combustible es principalmente residuos forestales (biomasa primaria), esta energía procede originalmente del sol, almacenada mediante el proceso de fotosíntesis y luego por combustión directa o mediante su transformación se puede recuperar (ver figura N° 2.1).

Figura N° 2.1. Proceso de generación de biomasa. Fuente: www.aven.es


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2.3.1. Clasificación de las fuentes de la Biomasa.

Las fuentes de biomasa se clasifican según su procedencia, atendiendo al origen es posible diferenciar en:

� Biomasa primaria: Es la materia orgánica formada directamente por los organismos que usan la fotosíntesis, tales como: algas, plantas verdes. Este grupo comprende toda la biomasa vegetal, incluidos los residuos agrícolas (paja o restos de podas) y forestales (leñas).

� Biomasa secundaria: Es la producida por los que utilizan en su nutrición la

biomasa primaria. Un ejemplo sería la carne o las deposiciones debidas a los animales herbívoros.

� Biomasa terciaria: Es la producida por los seres que se alimentan de

biomasa secundaria, como sería el caso de la carne de los animales carnívoros, que se alimentan de los herbívoros.

La biomasa se puede clasificar según el siguiente mapa conceptual:

La biomasa utilizada por la planta de bio-combustible de este seminario, será Biomasa vegetal de Residuos Industriales Forestales.

Figura N° 2.2 . Clasificación de las fuentes de biomasa. Fuente: ” Energía de la biomasa y de los residuos sólidos”, cap. 18.


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CAPITULO III: PROCESO DE FABRICACION DEL BIO-COMBUSTIBLE

3.1. INTRODUCCION

Como se dijo en el capítulo anterior, el proceso a utilizar para obtener bio-combustible, será la pirólisis, la que vendría a ser el método más simple y antiguo para procesar un combustible.

Los productos obtenidos a través de este proceso son carbón vegetal, combustible gas y combustible líquido, siendo este último el que se obtiene de la planta a analizar. Las características y los factores que determinan la composición de estos productos son la biomasa utilizada y las condiciones de operación del proceso (temperatura, presión, tiempos, etc.).

3.2. PIROLISIS

La pirólisis consiste en la descomposición físico-química de la materia orgánica bajo la acción del calor y en ausencia de un medio oxidante, para este caso en ausencia del oxígeno.

El proceso de pirólisis utilizado, se denominará pirólisis rápida, la que necesita el calentamiento del material original con la ausencia total de oxígeno. El proceso se inicia alrededor de los 260 °C y suele finalizar aproximadamente entre los 400 °C y los 600 °C.

3.2.1. Tecnologías de Pirólisis. Estudios realizados han demostrado que toda materia orgánica (biomasa) a

temperaturas superiores a los 200 °C, se degrada té rmicamente en productos sólidos (carbón vegetal), líquidos y gases como productos primarios (ver tabla N° 3.1). Producto de la descomposición térmica de la biomasa, aparecen vapores condensables que dan lugar a un líquido de color marrón oscuro formado por dos fases; una fase acuosa de bajo peso molecular y otra fase no acuosa de alto peso molecular (bioaceite). La calidad y proporción de los productos viene dado por el flujo de calentamiento; temperatura del proceso; tiempo de residencia de los productos; tamaño de la partícula; contenido de humedad y cenizas; presencia de aire, oxígeno u otro gas inerte; el tipo de catalizador; la presión y la geometría del reactor de lecho fluidizado.

Tabla N° 3.1. Características de los principales tipos de pirólisis.

Proceso de Tiempo de Tasa de Temperatura ProductosPirólisis resistencia calentamiento maxima (°C) princip alesCarbonizacion Horas- Días Muy pequeña 400 Carbón vegetal

Convencional 5-30 min Pequeña 600 Bio-aceite, carbón y gas

Rápida 0,5 - 5 s Intermediaria 650 Bio-aceite

Flash < 1 s Alta < 650 Bio-aceite, gas

Ultra -Rapida < 0,5 s Muy Alta 1000 Productos quimicos y gas

Vacio 2- 30 s Intermediaria 400 Bio-aceite

Hidropirólisis < 10 s Alta < 500 Bio-aceite y productos quimicos

Metanopirólisis < 10 s Alta > 700 Productos quimicos

Fuente: Luengo et al, 2008


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3.2.2. Proceso de pirólisis rápida

Este proceso comienza a partir de la recolección de la biomasa, la que es triturada y almacenada para su posterior secado lo cual elimina gran cantidad de humedad, esto ocurre por el calor que lleva el gas no condensable y por la combustión generada por el carbón, producto del mismo proceso. La biomasa es introducida al reactor por efectos de un tornillo rápido, donde la materia orgánica al entrar en contacto con el agente de fluidización entre 400 °C a 600 °C, provoca la formación de partículas de carbón y la formación de gases (condensables y no condensables), estos deben evacuar el reactor entre 0,5 a 5 segundos, para luego pasar al ciclón, donde ocurrirá la separación de gases condensables, que darán origen a líquidos combustibles, que en condiciones adecuadas el rendimiento puede ser entre un 70 a 75% de bioaceite, esto por medio de un sistema de enfriamiento que se encuentra a la salida del ciclón. El resto se divide en aproximadamente en un 15% de carbón y un 15% de gases no condensables (ver figura N° 3.1). Éste último se suele utilizar para aportar el calor necesario para la reacción y el secado.

Figura N° 3.1 . Esquema de proceso de pirólisis. Fuente: Energía de la biomasa y de los

residuos sólidos”, cap. 18.


3.2.3. Productos obtenidos durante la piró

Durante la pirólisis sporcentajes varían, todo depende de la temperatura y el tiempo que la biomasa permanezca en el reactoobtenidos según datos del fabricante.

15%

Principales productos obtenidos durante la

pirólisis rápida de la madera

Bioaceite

Gráfico N° 3.1 Porcentajes de productos obtenidos por pirólisis International”, Edición español.

obtenidos durante la pirólisis.

lisis se pueden obtener diferentes productos y por ende sus porcentajes varían, todo depende de la temperatura y el tiempo que la biomasa permanezca en el reactor. A continuación se un muestra gráfico de loobtenidos según datos del fabricante.

70%

15%


pirólisis rápida de la madera

Bioaceite Gas No Condensable Carbón

Porcentajes de productos obtenidos por pirólisis rápida. Fuente: “The Bioenergy International”, Edición español.

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obtener diferentes productos y por ende sus porcentajes varían, todo depende de la temperatura y el tiempo que la biomasa

de los porcentajes


Fuente: “The Bioenergy


12

CAPITULO IV: INGENERIA CONCEPTUAL DE LA PLANTA

4.1. INTRODUCCION.

Para una mejor comprensión del funcionamiento de la planta, la producción de bio-combustible y el ¿por qué? se llega hacer cambios, se debe hacer hincapié en los equipos principales que componen la planta y saber cómo funciona cada uno de ellos, para que no ocurran errores en el proceso productivo.

Cada uno de los componentes tiene roles específicos dentro del área de producción del bio-combustible.

Al conjunto de equipos que participan en procesos de producción, se les llama “Equipos de proceso”.

En el desarrollo de este capítulo se hará referencia a ellos.

4.2. DETALLE DE LOS EQUIPOS DE PROCESO. A continuación se dará un detalle de los equipos que intervienen en el proceso de producción del bioaceite, para luego realizar una descripción más detallada de éstos.


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4.2.1. Detalle general de equipos

(*): Estos equipos son creación del fabricante de la planta. (**): Equipos que se incluyen a la planta modificada.

N° DESIGNACION OBS.DE CARCASA YTUBOS LISOS

DE CARCASA YTUBOS LISOS

DE CARCASA YTUBOS LISOS

TORRE DE ENFRIAMIENTODE PAREDES HUMEDAS

DE CARCASA Y TUBOS LISOS(CONDENSADOR)DE CARCASA YTUBOS LISOS

7 REACTOR (*) DE LECHO FLUIDIZADO8 CICLON 1 (*) CONVENCIONAL TIPO LAPPLE9 SECADOR (*)

10 TOLVA 1 (*)11 TOLVA 2 (*)12 TOLVA 3 (*)13 ACUM. DE BIOACEITE (*)

ACUM. DE GASNO CONDENSABLE (*)

15 GAS PROPANO COMERCIAL16 DOSIFICADOR 1 (*)17 TORNILLO RAPIDO (*)18 QUEMADOR DE GAS (*)

DOSIFICADOR DECARBON (*)

20 DOSIFICADOR 2 (*)21 QUEMADOR DE CARBON (*)

VENTILADOR CENTRIFUGO 1 DE DESCARGA - 5,5Hp

VENTILADOR CENTRIFUGO 2 VARIABLE DE SUCCION - 50HpVENTILADOR CENTRIFUGO 3

DE DESCARGA - 12,5HpBOMBA CENTRIFUGA 1CAUDAL 100 - 750 L/minBOMBA CENTRIFUGA 2CAUDAL 100 - 750 L/min

27 CICLON 2 (*) CONVENCIONAL TIPO LAPPLE

4 INTERCAMBIADOR 4 (*) (**)

5

1 INTERCAMBIADOR 1 (*)



INTERCAMBIADOR 5 (*) (**)

6 INTERCAMBIADOR 6 (*) (**)

26

14

19

22 COMERCIAL

COMERCIAL

23 COMERCIAL

24 COMERCIAL

25 COMERCIAL


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4.3. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS DE PROCESO.

La planta de bio-combustible consta de un gran número de componentes, que permiten realizar los diferentes tipos de procesos. Sin embargo, en este seminario se destacarán los componentes principales. Se entiende por equipos de procesos a los que se encuentran directamente en la línea de producción del bio-combustible, es decir, los equipos donde ocurren las reacciones, secado, decantación y transferencias de calor.

4.3.1. Secador de biomasa.

El secado es uno de los tratamientos de gran importancia y complejidad, ya que al momento de cortar un árbol, éste posee un gran porcentaje de humedad; la cual varía según la época del año, la región, especie y densidad, entre otros. La planta de bio-combustible analizada es móvil, es decir, va directamente al bosque recién talado y utiliza sus desechos (raíces, ramas, hojas, etc) que luego son transformados en aserrín con un alto porcentaje de agua.

Para poder ingresar la biomasa (aserrín) al reactor, éste debe tener un bajo porcentaje de humedad, por lo tanto, gran proporción de agua debe ser removida de la madera para que pueda ser utilizada adecuadamente.

El proceso de secado de biomasa consiste en introducir a una cámara de secado, donde un flujo de aire, a cierta temperatura y humedad son controlados para proporcionar un secado tan rápido como pueda ser tolerado por la biomasa.

a) Criterios de clasificación de los secadores.

En el mercado existe una gran variedad de diseños para secadores. En la

tabla N°4.1 indica la clasificación más usada. Tabla N° 4.1. Criterio para clasificar secadores

Fuente: Rodrigo Urrutia Sánchez. “Diseño de un secador piloto de lecho fluidizado para biomasa forestal. Tesis (Ingeniería mecánica). Valdivia, Chile. Universidad Austral de Chile. Facultad de ciencias de la ingeniería. Escuela de Mecánica. 2006.


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b) Balances

� Balance de materia Según requerimientos de los fabricantes del secador:

• Salida Biomasa secador: 10% humedad en base seca

• Entrada Biomasa secador: Biomasa alimentación secador al 90% humedad en base seca

� Balance de calor

Qrequerido= Qaire (W) (4.1)

I. Qrequerido= Qbiomasa + Qevaporar agua (W) (4.2)

II. Qbiomasa= �� * Cpmadera * ∆T (W) (4.3)

III. Qevaporar agua= �� * (Cpagua * ∆T + �) (W) (4.4)

IV. Qaire= �� * Cpaire * ∆T (W) (4.5)

Donde: �: calor de vaporización del agua: 539 (

�� ), a presión atmosférica.

∆T: Diferencia de temperaturas efectiva (K.) Cp: Calor específico de la madera, agua y aire (

��∗�), a condiciones normales,

c) Esquema de flujos:

Figura N° 4.1 . Esquema del secador utilizado en la planta


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4.3.2. Reactor de lecho fluidizado Primero que todo un reactor de lecho fluidizado corresponde a un tipo de reactor químico, en cuyo interior se produce una o varias reacciones químicas.

Este reactor es el utilizado en la planta ya que cumple con los requerimientos necesarios para la obtención del bioaceite a través de la pirólisis rápida. Está diseñado y pensado para trabajar reacciones donde intervengan un sólido (biomasa) y un fluido (gas), básicamente es un recipiente cerrado en el cual no hay presencia de oxígeno (para efectos de la pirólisis rápida), el que posee ductos de entrada y salida para las sustancias químicas.

a) Principio de funcionamiento

El proceso consiste en introducir por un costado la materia sólida al reactor

por medio de un sistema de alimentación que es variable, puede ser una válvula rotatoria, un tornillo rápido, siendo este último el que se utilizará en la planta. Por la parte inferior se introduce una corriente de gas inerte (de forma ascendente) más conocido como agente de fluidización, el cual también puede ser aire, en este caso es el gas de recirculación (gas no condensable), que viene a una temperatura entre 450 – 500 °C. Para lograr que est a temperatura se mantenga constante, dentro del reactor se implementó un intercambiador, con la finalidad de mantener a una alta temperatura los tubos por donde circula el gas no condensable (este intercambiador es solo para efectos del diseño de esta planta). La corriente de gas ingresa con una velocidad necesaria para producir una fuerza de arrastre que logre mantener en suspensión las partículas sólidas, esta velocidad varía entre 0,15 m/s y 6 m/s. Una vez que la corriente gaseosa entra en contacto con la materia orgánica, comienzan las reacciones químicas del proceso, que consisten en la degradación térmica y pérdida de peso de la biomasa, y con esto se forman los gases condensables y no condensables, también se forman las partículas de carbón, para luego pasar a un ciclón y continuar con el proceso de producción del bio-combustible. (ver figura N° 4.2) .

Figura N° 4.2. Esquema del reactor de lecho fluidizado utilizado en la planta


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Para tener un mejor manejo en el funcionamiento de los reactores químicos es necesario referirse a lo que entra y a lo que sale de él. Existen dos métodos de relacionar las sustancias de entrada y las de salida: “Modelo de Contacto” y el otro está relacionado con la “Cinética”. El primero de ellos se refiere a como circulan y como se mezclan las partículas sólidas con la corriente gaseosa, también se debe mencionar el tiempo necesario que se requiere para la mezcla, debido a que es un proceso muy rápido. Además es importante saber las características y las condiciones en que se encuentra el material que entrará al reactor. El segundo método es el que se lleva a cabo en la planta, por lo que se detallará un poco más en explicar en qué consiste. Para este procedimiento se toma en cuenta el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad con que ocurre la o las reacciones químicas, haciendo referencia a balances de masa (�� ) y de energía (Q).

b) Balances

A continuación se darán a conocer los balances de masa y energía en relación a la planta:

� BALANCE DE MASA (�� ).

Lo que entra al reactor es la biomasa total, que corresponde a 785,7 �� ,

con 10% de humedad en base seca, la que deberá producir una cierta cantidad de bioaceite a través de los gases condensables.

�� = �� + �� (4.6) Donde:

�� = 0,1 * �� (4.7)

Lo que sale corresponde a un 15% de carbón, un 15% de gas no condensable y a un 70% de gas condensable, que pertenecen a lo que

produce el reactor con la biomasa seca �� (aserrín). Estos porcentajes

están estimados según lo que se espera del proceso de pirólisis (ver capítulo 3, en el punto 3.2.2).

�� = �� ó� + �� .+ �� . (4.8)

Donde: �� ó� = 0,15 ∗ �� (4.9)


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�� . = 0,15 ∗ �� (4.10) �� . = 0,7 ∗ �� (4.11)

� BALANCE DE ENERGIA (')

Este balance consiste en obtener el calor total �� requerido por el

reactor, el cual se obtiene de la suma del calor necesario para evaporar el agua más el calor que se requiere para calentar la biomasa. '��( �� = '�� + '�� (4.12)

Calor requerido para evaporar el agua ('*) '* = '�� + '�� +,-.ℎ � (4.13)

Donde: '�� = �� ∗ 01�� ∗ 23 (4.14) '�� = �� ∗ 4�� (4.15)

Donde:

4�� = ,-.56 78 89-156:;-,:ó< 78. -=>- 539 �� , a presión atmosférica

Calor requerido para calentar la biomasa ('A)

'A = �� ∗ 01�� ∗ 23 �� (4.16)

NOTA: Los valores de las energías (Q), de las masas (�� ) y de las temperaturas, corresponden a datos experimentales.

Los resultados de todos estos balances planteados se analizarán a fondo en el

capítulo 5. En este capítulo solo se busca ver un breve paso por el funcionamiento de estos equipos y cuáles son las operaciones o ecuaciones con la que se llegó a evaluar el reactor.


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4.3.3. Ciclón El ciclón es uno de los equipos que se utiliza con mayor frecuencia en operaciones de separación de partículas sólidas de una corriente gaseosa, además pueden emplearse para separar sólidos de líquidos. Son equipos de construcción simple, ya que no poseen partes móviles, lo que facilita su mantenimiento. El material de construcción es variado y pueden ser diseñados para altas temperaturas, pudiendo alcanzar los 1000 °C. Su estructura generalmente está compuesta de un cilindro vertical de fondo cónico, dotado de una entrada tangencial por un costado en la parte superior, o de una entrada axial.

a) Principio de funcionamiento

El funcionamiento del ciclón se basa en el uso de la inercia para remover las partículas del gas a través de fuerzas centrífugas en vez de fuerzas gravitatorias aplicadas a la corriente de gas, la velocidad de sedimentación de las partículas aumenta, haciendo la separación más efectiva. El gas entra de forma tangencial por un ducto, para comenzar a descender en forma de un espiral por el lado externo hasta la sección cónica, para luego empezar ascender por un segundo espiral de menor diámetro, y salir por la parte superior por medio de un tubo vertical que se encuentra centrado; las partículas sólidas durante el descenso se mueven hacia las paredes y se deslizan hacia la parte inferior por medio de la gravedad, ya que son más pesadas, y son recogidas por una tolva. (ver figura N°4.3).

Los ciclones, por lo general son adecuados para separar partículas de diámetros que varían entre 10 µm – 50 µm, y la velocidad de entrada del aire más el producto varía entre 6 m/s y 21 m/s.

Figura N° 4.3. Esquema general de un ciclón y el proceso de la operación unitaria.


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Se clasifican según el método de alimentación de la carga, y como sale la descarga. (ver figura N°4.4).

El esquema (a) corresponde: Entrada tangencial y descarga axial El esquema (b) corresponde: Entrada tangencial y descarga periférica El esquema (c) corresponde: Entrada y descarga axial El esquema (d) corresponde: Entrada axial y descarga periférica En la planta se utilizarán 2 ciclones del tipo (a).

Para ciclones de entrada tangencial y descarga axial, el diseño se basa en 3 tipos: - Ciclones de alta eficiencia - Ciclones convencionales - Ciclones de alta capacidad

Figura N°4.4. Esquema de entrada y descarga.


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b) Dimensiones a considerar en el diseño de un ciclón

“El diámetro del ciclón es la dimensión básica para el diseño, las otras

dimensiones son una proporción del diámetro del ciclón”. c) Eficiencia de un ciclón

Como se dijo anteriormente los ciclones a utilizar en la planta son de entrada

tangencial y descarga axial, por lo tanto a continuación se hará referencia al parámetro más importante para medir y diferenciar un ciclón (la eficiencia).

En la selección de estos equipos, la eficiencia de remoción de las partículas cumple un rol fundamental. La siguiente tabla muestra los diferentes intervalos de eficiencia, basados en los tres tipos de ciclones: convencional, de alta eficiencia y de alta capacidad.

Tabla N° 4.2. Eficiencia v/s tamaño de partícula.

En teoría no existe un método sencillo que permita realizar el cálculo de la

eficiencia en forma exacta, debido a la complejidad del flujo de fluidos con partículas en suspensión y el alto grado de turbulencia.

Dimensión Nomenclatura Diámetro ciclón Dc Diámetro salida Ds Diámetro salida de partículas B Altura salida S Altura total del ciclón H Altura entrada A Altura parte cilíndrica H Altura pare cónica Z Ancho entrada B

Fuente: “Revista de ingenierías universidad de Medellín”


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Para este cálculo la caída de presión es una limitación importante, ya que esto afecta a los costos de operación y la eficiencia de control, esto va directamente relacionado con el diámetro de los equipos y con la velocidad de entrada de la carga, que regulan el rendimiento de separación.

A continuación una tabla que muestra los rangos comunes de caídas de

presión para los ciclones: Tabla N°4.3. Rangos de caídas de presión

Caída de Presión (Kpa) Eficiencia Ciclón 0,5 – 1 Baja Alta capacidad 1 – 1,5 Mediana Convencional 2 – 2,5 Alta Alta eficiencia

Los equipos de diámetros pequeños tienen una eficiencia más alta, pero

deben trabajar varios ciclones en equipo, ya sea en serie o en paralelo, dependiendo del volumen de gas a tratar, esto como consecuencia trae una mayor caída de presión, por lo que aumentan los costos de operación y el consumo de energía, así mismo con velocidades de entrada más altas la fuerza centrífuga aumenta, provocando un mayor rendimiento, pero incrementando la caída de presión, lo que implica un alto consumo de energía. Cabe señalar que velocidades de entrada muy altas generan la dispersión del material particulado de las paredes internas del ciclón, lo cual disminuye la eficiencia del equipo.

Por último la eficiencia también se relaciona con el tamaño de las partículas. Existe la teoría de Leith y Licht que se adapta al comportamiento experimental.

Esta teoría consiste en relacionar las propiedades físicas del material particulado con el gas de arrastre, además de las proporciones del diseño del ciclón.

Bajo estos parámetros se construyeron los ciclones de la planta, por lo que a continuación se dará una descripción de las principales ecuaciones.

� Eficiencia fraccional por intervalos de tamaño (ɳi), en porcentaje (%).

Expresa el porcentaje de la masa de partículas entrante que es separado en el ciclón. ɳi = 1 − 8 E−2 ∗ GH∗I�∗J∗(�K*)L�M N O,PQRST (4.17)

Donde: G = Factor de configuración del ciclón (ver anexo A). Ti = Tiempo de relajación para cada partícula, (s). Calculado.

Q = Caudal de gas ��M� �. Dato experimental, del fabricante.


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Dc = Diámetro del ciclón (m). Dato experimental, del fabricante, siempre alrededor de 1 m. n = Exponente del vórtice del ciclón. Calculado.

� Exponente del vórtice del ciclón (n).

Análisis teóricos dicen que n debe ser igual a 1.

< = 1 − (1 − 0,67 ∗ V,W,*X) ∗ Y IAZ[\W,[ (4.18)

Donde: T = Temperatura del gas, (K). Dato experimental, del fabricante.

Dc = Diámetro del ciclón (m). Dato experimental, del fabricante, siempre alrededor de 1 m.

� Tiempo de relajación para cada partícula (Ti), en segundos (s).

Es el tiempo necesario para que una partícula alcance la velocidad final de caída. 3: = ]]∗L��^*Z∗_ (4.19)

Donde: `` = Densidad de la partícula ��M�. Dato que depende del tipo de partícula.

Dpi = Diámetro de la partícula (m). Calculado.

µ = Viscosidad del gas � ��∗��. Dato que depende de la temperatura T en °C.

� Diámetro de la partícula (Dpi), en metro (m).

V1: = a b∗_∗�c∗d∗]]∗e� (4.20)

Donde:

µ = Viscosidad del gas � ��∗��. Dato que depende de la temperatura T en °C.

b = Ancho entrada, el que se calcula de la siguiente manera:

L�X .


24 `` = Densidad de la partícula ��M�. Dato que depende del tipo de partícula.

N = Número de giros de la corriente gaseosa en el interior del ciclón (ver anexo A).

Vi = Velocidad de entrada �� .

� Velocidad de entrada (Vi), en �fg �.

h: = Jij (4.21)

a = Altura entrada, se calcula:

L�A .

� Estimación de la caída de presión ( ∆p), en (kl). Una de las formas de calcular la caída de presión es a través de las ecuaciones desarrolladas por Shepherd y Lapple. 21 = *A ∗ `´g ∗ nop ∗ qr (4.22)

Donde: `´s = Densidad del gas portador en ��M�. Dato que depende del tipo de

gas.

Vi = Velocidad de entrada �� . Calculado.

Nh = Número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón (ver anexo A).

En consecuencia con las ecuaciones planteadas se obtienen los datos de eficiencia para cada uno de los ciclones mencionados anteriormente. A continuación se presentan unas tablas que muestran los valores obtenidos.


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Tabla N°4.4 . Resumen ciclones.

Por los resultados obtenidos los ciclones de alta eficiencia presentan mejores resultados, sin embargo los ciclones seleccionados corresponden a los de tipo convencional, específicamente al ciclón Lapple, esto debido a que generan un ahorro económico dentro de la empresa, pues como se explicó en el concepto de “Eficiencia de un ciclón”, al tener mejor rendimiento hay una alta caída de presión lo que implica un mayor consumo de energía generando más gastos, en conclusión se recomienda el ciclón Lapple, por su menor caída de presión.

4.3.4. Intercambiadores

Un intercambiador tiene como principal misión transferir de manera eficiente

el calor entre dos corrientes o fluidos de un proceso, a distintas temperaturas, que fluyen sin mezclarse, con el objeto de enfriar una de ellas o calentar la otra. La transmisión de calor se lleva a cabo mediante mecanismos de conducción y convección.

Entre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de

calor se encuentran las siguientes:

• Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. • Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor

temperatura. • Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor

temperatura. • Condensar un fluido en fase gaseosa por medio de un fluido frío. • Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido

gaseoso con mayor temperatura. • Etc.

Lapple Swift Peterson-Whitby ZenzEficiencia total 87,8 87,661 87,373 87,938

Ciclones convencionales

Stairmand Swift EcheverriEficiencia total 88,569 89,107 88,71

Ciclones de alta eficienciaStairmand Swift

Eficiencia toal 78,784 78,883

Ciclones de alta capacidad


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Un esquema de un intercambiador de calor básico puede ser el siguiente:

T1 y T2= Temperaturas de entrada y salida de un fluido cálido. t1 y t2= Temperaturas de entrada y salida de un fluido frío. a) Clasificación de los intercambiadores

Se pueden clasificar según la siguiente tabla:

Tabla N° 4.5 . Clasificación de intercambiadores

Según el proceso de transferencia

Según su construcción

Según la disposición de flujos

Según el mecanismo de transferencia

Según la aplicación

Contacto directo Tubular (Tubos lisos): -Doble tubo. -Carcasa y tubos

Paso único: -Equicorriente -Contracorriente -Cruzado

Convección/ Cambio de fase

*Evaporadores *Vaporizador

Contacto indirecto: -Transferencia directa. -Con almacenamiento. -Lecho fluido.

*Flujo cruzado *Espiral. *Placas. *Superficie Aletada (tubular o de placas). *Regenerativo: -Estático. -Dinámico.

Paso múltiple *Cambio de fase / Cambio de fase *Convección / Radiación

*Condensadores *Torre de enfriamiento *Colección solar *Economizadores *Precalentadores *Recuperadores *Hornos *Generador de vapor

Figura N°4.5. Intercambiador básico


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b) Ecuaciones principales

Para seleccionar o fabricar un intercambiador, es necesario conocer el calor que se quiere transferir y saber el área de contacto entre la superficie y el fluido (área de transferencia de calor). Esto se puede aplicar de muchas maneras, pero para los efectos de la empresa se basaron en las siguientes ecuaciones:

� Ecuación básica.

El flujo térmico de calor transferido de un fluido a otro, a través de una superficie sólida es:

Q = A* U* ∆T (W) (4.23) Donde: Q: Flujo térmico transferido (W). A: Superficie de transferencia de calor (m2). U: Coeficiente global de transferencia de calor (W/ (m2* K)). ∆T: Diferencia de temperaturas efectiva (°C).

� Flujo térmico transferido, sin cambio de fase. Se hace referencia a estas ecuaciones para saber la cantidad de calor que se

requiere transferir. Cabe señalar que estas ecuaciones se pueden aplicar sólo cuando se tiene claro el tipo de fluido que se va a utilizar y las temperaturas que se desean.

1. Fluido 1 (caliente) Q= �� 1 * C1 * (T1 – T2) (W) (4.24)

2. Fluido 2 (Frío) Q= �� 2 * C2 * (t2 – t1) (W) (4.25)

Donde: Q: Flujo térmico transferido (W). �� 1: Gasto másico de fluido caliente (kg/s). �� 2: Gasto másico de fluido frío (kg/s). C1: Calor específico del fluido caliente (kcal/ (kg*C)). C2: Calor específico del fluido frío (kcal /kg*C). T1: Temperatura de entrada del fluido caliente (°C). t1: Temperatura de entrada del fluido frío (°C). T2: Temperatura de salida del fluido caliente (°C). t2: Temperatura de salida del fluido frío (°C).


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� Superficie de transferencia de calor.

Por medio de la ecuación (4.23) se obtiene la superficie de transferencia de calor necesaria para transferir el flujo térmico Q. El diseño térmico tiene como objetivo primordial el de calcular el área de esa superficie.

Se realiza este planteamiento para despejar el área de transferencia de calor, con el fin de obtener un diseño óptimo:

s = Jt∗ uv (�A) (4.26)

� Coeficiente global de transferencia de calor. Este coeficiente es complicado de calcular porque se deben tomar en cuenta

los mecanismos de convección de cada lado de la pared, así como las condiciones de ensuciamiento y las propiedades de conductividad térmica de los materiales que se usan.

Cuando no se dispone de elementos superficiales para calcular el coeficiente global de transferencia de calor, se pueden tomar en primera aproximación, valores típicos para diferentes aplicaciones, los cuales se encuentran en tablas

Como una pequeña definición podemos decir que representa un coeficiente de transferencia de Q unitario, por unidad de área y por unidad de ∆T entre ambos fluidos.

Este coeficiente depende de muchas variables, dentro de las más importantes está: la geometría de la superficie sólida, si es convección natural o forzada, de las propiedades físicas del fluido (densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica), del tipo de escurrimiento del fluido con la pared, si es laminar o turbulento y etc.

� Diferencia de temperaturas efectiva ∆T= FT * MLDT (°C) (4.27) Donde: ∆T: Diferencia de temperaturas efectiva. FT: Factor de corrección. MLDT: Media logarítmica de la diferencia de temperaturas (°C).

El factor de corrección FT se obtiene de la gráfica “factor de corrección” (ver Figura N° 5.2). Un valor de F T < 0,8 no es admisible por diseño, para ingresar al gráfico se necesita calcular S y R según las siguientes ecuaciones:

S= �^w �SISw�S , Coeficiente de efectividad. (4.28)


29

R= ISw I�^w�S , Relación de capacidad térmica. (4.29)

Por otra parte la MLDT se obtiene de:

MLDT= xyISz{^|wyI z{S| }��~Sz{^��~^z{S�

� (°C) (4.30)

En resumen se puede decir que para los intercambiadores, la incógnita es el

área de intercambio, que finalmente fija el tamaño del equipo, su peso en material y el número de tubos. A partir flujo térmico transferido (Q) a entregar, diferencia de temperatura efectiva (∆T) y del coeficiente (U), se calcula la superficie de transferencia de calor (A), de la cual se obtiene el número de tubos y por ende el diámetro de la carcasa. Como se conocen las características del tubo, se puede determinar el volumen de material y del conjunto de tubos.

c) Intercambiadores fabricados según clasificación.

La gran mayoría de los intercambiadores utilizados en la planta de bio-

combustible son de carcasa y tubos. Los tubos para intercambiadores no son de cualquier tipo, tienen tolerancias muy estrictas, éstos pueden ser de muchos metales, los que incluyen el acero, cobre, latón, aluminio-bronce, aluminio y aceros inoxidables. Los tubos que generan el intercambio se pueden distribuir de diferentes maneras entre ellos, pueden ser de forma cuadrada, cuadrada rotada, triangular.

Una configuración clásica para este tipo de intercambiador es el “triangular pitch”, la cual el fabricante utiliza para sus intercambiadores. Los tubos de acero inoxidable vienen con tamaño estandarizado de 4 m o 6 m de largo, con diámetro 1” y espesor de 0,065”. La distancia entre tubos p’ se llama pitch y vale 2,25” para el diámetro elegido.

Figura N°4.6. Disposición triangular de tubos


30

A.- Intercambiador de carcasa y tubos.-

Estos equipos tienen la ventaja de ser compactos, y soportar presiones mayores que otros, también se requieren grandes superficies de intercambio, donde se asocian a caudales muchos mayores.

Sin lugar a dudas, es el tipo de intercambiador más usado en la industria; los fluidos que pueden manejar son gases o líquidos, incluyendo cambio de fase. También resultan ser los equipos más estudiados y sobre todo existe una normalización como el TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).

Este consiste en que uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras que el otro fluido se ve forzado a circular entre la carcasa y la parte exterior de los tubos.

A.1) Intercambiador 1:

Tipo de intercambiador: Intercambiador de tubos lisos, específicamente de carcasa y tubos.

Aplicación: Este intercambiador tiene la función de calentar el gas no condensable (alrededor de 500 °C), para luego ser i ntroducido en el reactor para crear el lecho de fluidización. La temperatura t1 (ver fig.N°4.8) se origina de un pequeño intercambiador ubicado en el reactor, donde el quemador de gas (Propano o Bio-gas) calienta el aire a unos 650 °C y luego la temperatura t2 sale a la atmósfera.

Figura N°4.7 . Intercambiador básico de haz de tubos y coraza. Fuente: “Intercambiadores de calor”, Capitulo 18, Jorge A. Rodríguez.


31

Esquema de flujos:



Aplicación: Este intercambiador tiene la función de enfriar el bio-combustible, para luego ser introducido al intercambiador 4 o torre de enfriamiento. La temperatura t2 es introducida al intercambiador 3 para el secado de biomasa. En una primera instancia en este equipo se producía el craqueo. (Ver fig. N°4.9).

Esquema de flujos:



Figura N° 4.8 . Esquema intercambiador 1.

Figura N° 4.9 . Esquema intercambiador 2.


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Aplicación: Este intercambiador tiene la función de calentar el aire que proviene del intercambiador 2, para luego ser introducido al secador de biomasa. La temperatura t1 (ver figura N° 4.10.) se origina por un quemador d e carbón (obtenido de la pirólisis) y luego la temperatura t2 sale a la atmósfera.

Esquema de flujos:


Tipo de intercambiador: Intercambiador de tubos lisos, específicamente condensador.

Aplicación: Este intercambiador tiene la función de condensar el bio-combustible restante proveniente del intercambiador 4. La separación de los gases del bio-combustible sucede al momento de introducir la mezcla (bio-combustible y gases) al intercambiador, produciéndose un burbujeo, ya que se encuentra sumergido en bio-combustible al momento de ingresar al intercambiador; luego los gases condensables y no condensables se dirigen a los tubos, condensándose lo restante de bio-combustible y los gases no condensables sigue una trayectoria definida. (Ver figura N° 4.11).

Figura N° 4.11. Esquema intercambiador 5.

Figura N° 4.10 . Esquema intercambiador 3


33



Aplicación: Este intercambiador forma parte del reactor de lecho fluidizado (parte inferior) y tiene como función principal alcanzar y mantener las temperaturas adecuadas de los gases no condensables provenientes del intercambiador 1 (temperatura t1) para formar el lecho de fluidización. La temperatura T1 se introduce al reactor proveniente de la combustión de un quemador de gas (Propano o Gas no condensable), luego la temperatura T2 se dirige al intercambiador 1 con el objetivo de aumentar la temperatura del gas no condensable que circulan por los tubos de éste.

Foto N° 4.1 . Intercambiador ubicado en parte inferior del reactor Figura N°4.12 . Esquema intercambiador 6.


34

B.- Torre de enfriamiento.

Posiblemente la aplicación más notable es el contacto directo entre un gas y un líquido, donde una parte del gas se condensa ya que el líquido viene a una temperatura menor que el gas.

En los equipos de intercambio de calor que se mencionaron anteriormente, el flujo caliente y frío está separado por superficies impermeables, es decir, no se mezclan; también los tubos acumulan resistencias por la obstrucción o incrustación, lo que genera problemas de circulación de los fluidos.

Es por eso que una de las principales razones para emplear torres de enfriamiento es prevenir la contaminación de los fluidos, también las resistencias por obstrucción se eliminan automáticamente.

B.1) Intercambiador 4: Tipo de intercambiador: Torre de enfriamiento de paredes húmedas.

Aplicación: Este intercambiador tiene la función de condensar los gases procedentes del reactor (ver fig. 4.13), lo cual es posible por el bio-combustible previamente enfriado en el intercambiador 2, esto produce una mezcla entre los gases y bio-combustible.

Esquema de flujos:

� Balance de Figura N° 4.13 .Esquema de torre de enfriamiento según planta.


35 �� Total Gases = �� Gases Condensables + �� Gases No condensables (4.31)

� Balance de calor:

Qabsorbido= Qsensible + Qlatente (W) (4.32) Qsensible= �� * Cp * ∆T (W) (4.33) Qlatente = �� * 4��w��(W) (4.34) Donde: Qabsorbido= Calor absorbido (W) ∆T: Diferencia de temperaturas (K.) Cp: Calor específico del fluido (J/(kg K)). �� : Flujo másico de bio-combustible a recircular (kg/s). 4��w��: Calor latente de vaporización (kJ/kg).


36

CAPITULO V: ANÁLISIS Y EVALUACION DEL CAMBIO DE DISEÑO 5.1. INTRODUCCIÓN.

La principal motivación para la realización de este Seminario de Título es analizar las diferentes modificaciones que se implementaron en la planta de bio-combustible que se fabricó en primera instancia, lo que produjo un cambio en algunos equipos e integración de otros, pero siempre con el afán de mejorar la planta, a continuación se darán comentarios del por qué se hicieron estas modificaciones y preferentemente con ecuaciones como respaldo, para cuantificar las energías transferidas y los flujos de bioaceite a recircular.

5.2. LAYOUT DE AMBAS PLANTAS.

En esta sección se mostrarán los planos o layout de la planta original, la que se designará como “Planta A” y la planta modificada como “Planta B”, donde en esta última se indicará claramente donde se encuentra la modificación designándola con la palabra “cambio y un número” como se muestra a continuación:

Cambio 1: Para el cambio donde se incluye la torre de enfriamiento e intercambiador 2, debido al craqueo que ocurría en la planta original.

Cambio 2: Scrubber modificado como un intercambiador de calor (intercambiador 5), para asegurar que el bioaceite obtenido sea totalmente puro.

Cambio 3: Modificación en la parte inferior del reactor, donde se incluye un intercambiador, esto con el fin de mantener la temperatura del agente de fluidización (gas no condensable).


37

5.2.1 Planta original (planta – A)


38

5.2.2 Planta modificada (planta – B)


39

5.3 ANÁLISIS DEL CAMBIO 1.

Anterior al cambio, los gases condensables y no condensables se dirigían directamente al intercambiador 2, produciéndose el fenómeno de craqueo, lo que provocaba que los tubos de acero inoxidable se taparan completamente, impidiendo el paso de los gases mezclado con bio-combustible; es por esto que, luego del análisis, se llegó a la conclusión que el cambio de temperaturas era demasiado alto y los intercambiadores de paredes secas no eran la mejor manera de hacer condensar los gases; se optó por diseñar un intercambiador de paredes húmedas (Torre de enfriamiento) a la salida del reactor y de cambiar la función del intercambiador 2, la que consiste en aportar con el líquido (bioaceite) que le dará el golpe de enfriamiento a los gases condensables para que se produzca el bioaceite en la parte superior de la torre de enfriamiento; después de las respectivas pruebas, se cumple con el objetivo de producir bio-combustible. Para efectos de los cálculos de calor, a lo largo de este capítulo se debe mencionar que el calor específico de los gases no condensables obtenido por la empresa se obtuvo calculando el calor específico por componentes y el porcentaje gravimétrico que cada uno tiene en el gas, estos porcentajes se obtienen de datos bibliográficos. Por lo tanto como se trata de un producto poco estudiado, el valor del calor específico entregado por la empresa, es un dato estimativo. El calor específico de los gases condensables, posee un sin número de compuestos, por lo que obtener este calor es de alta complejidad, es por esto que se realizará un cálculo estimativo con algunos componentes conocidos, ya que no se tienen datos bibliográficos de todos sus compuestos.

5.3.1 Análisis de energía.

I. Planta A:

Aquí se analizará el calor absorbido por el intercambiador 2 que originalmente se encontraba a la salida del reactor, donde su función principal era hacer condensar los gases, para producir el bio-combustible, pero luego de pruebas y análisis se producía el craqueo, fenómeno químico que ocurre cuando el cambio de temperaturas es muy elevado y a una velocidad considerable, esto provoca que los gases pasen a una fase sólida, incrustándose en los tubos del intercambiador. (Ver figura N° 5.1).


40

� Datos obtenidos del fabricante:

• Flujo de gas (entrada intercambiador 2): h� = 1095 �M�

• Densidad Bio-Gas: ρ = 1,08 ��M

• Flujo másico: �� = 1095 * 1,08 = 1183 ��

• Calor específico del gas: C1=0,26 ��∗°�

Temperaturas de intercambiador 2: (Datos experimentales)

• Temperatura entrada gas: T1= 500 °C • Temperatura salida gas: T2= 150 °C • Temperatura entrada aire: t1= 10 °C • Temperatura salida aire: t2= 350 °C

Diferencia de temperatura (∆T):

- ∆TGases= T1 - T2 = 500 – 150 = 350 °C

- ∆TAire= t2 – t1 = 350 – 10 = 340 °C

INTERCAMBIADOR 2

Figura N° 5.1 . Posición de intercambiador 2


41

Se puede notar que la caída de temperaturas es elevada, donde los gases a la entrada del intercambiador está a 500 °C y cae a 15 0 °C, donde dicha diferencia de temperatura es absorbida por el aire que ingresa al intercambiador, que se eleva de 10 °C a 350 °C.

a) Flujo térmico transferido (cálculos con datos del fabricante sin incluir calor latente).

Balance de energía:

Q= �*� * C1 * (T1 - T2) = �A� * Ca * (t2 - t1)

� Fluido 1 ( caliente) : Gas

Q = �*� * C1 * (T1 - T2) = 1183 �� * 0,26

��∗°� * (500 – 150) °C = 107.653 ��

Q = 107.663 �� = 125,2 kW

Como se puede apreciar, el cálculo realizado no lleva incluido el calor latente como debería ser en un proceso donde se ven cambios de fase, en este caso de gaseoso a sólido (Craqueo), esto debido a que el cálculo del calor específico de los gases condensables es muy complejo, ya que es un producto desconocido, por lo que no se tienen datos de todos los compuestos de los gases condensables, además de no tener el calor específico en la fase sólida de los gases que forman alquitrán que se incrusta en las paredes de los tubos del intercambiador, es por esto que la empresa optó por no estimar el calor latente, debido a que en la práctica, esta estimación les da resultados.

Una vez obtenido el calor a transferir, se necesita saber el flujo de aire frío necesario.

� Fluido 2 (Frío) : Aire

Q = �A� * Ca * (t2 - t1), donde:

• Calor específico del aire seco (a 25°C y 1 Atm): C a= 0,24�� ∗°�

• Densidad aire: ρα =1,2 ��M

�A� = *W�.��[ kcalhW,AX kcalkg∗°C ∗([�Ww*W)°0 = 1.319,39 ��


42

�� 2 = Va * ρα h� a = �� ^]j =

*.[*b,[b +=ℎ*,A kgm3 = 1.099,49 �M�

Va representa el flujo de aire que se necesita para condensar los gases que provienen del reactor.

b) Coeficiente global de transferencia.-

A continuación se mostrará los datos más relevantes facilitados por los fabricantes de la planta de bio-combustible, con los cuales realizan el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor (U), el cual llevará a la obtención del área de transferencia de calor (A), y por ende, se determinan respectivas dimensiones del intercambiador 2.

Tabla N° 5.1 . Datos para obtención del coeficiente global de transferencia.

Datos de materiales Ancho ducto aire 2,3 (Pie) Alto ducto aire 2,69 (Pie) Diámetro tubo 1 (pulg) Espacio aleta 0,13 (pulg) Distancia entre tubos 2,24 (pulg) Distancia entre bancos 1,95 (pulg)

Flujo caliente (Gas) Flujo frío (Aire) Área 4,6 (Pie2) Área tubo 0,546 (Pulg2) Diámetro equivalente 0,08 (Pie) Área total banco 0,0720 (Pie2) Velocidad másica 572 (Lb/(h*Pie2)) Diámetro int. tubo 0,0695 (Pie) Viscosidad 0,06413 (Lb/(Pie*h)) Velocidad másica 39.851(Lb/(h*Pie2)) N° Reynold 714 Densidad aire 0,0275 (Lb/Pie 3) Conductividad térmica (k), aire a 572 °F

0,0265(BTU/(h*Pie*°F)) Velocidad aire 402,5 (Pie/s)

Viscosidad 0,0629 (Lb/(Pie*h)) N° Reynold 44.018

Con los datos mencionados, se obtiene el coeficiente global de transferencia (U) que informa los fabricantes:

U= 11,4 �It�∗ ��^∗°� = 64,73

� �^∗�

Como se aprecia, para obtener este coeficiente (U) se necesitan muchos parámetros y ecuaciones, en el cual sólo se muestran los parámetros y no las ecuaciones, ya que en el caso particular de este Seminario de Título, no es un objetivo el de calcular el coeficiente (U), en forma rigurosa.


43

Existen coeficientes tabulados que se aproximan al deseado o nos dan una guía para los futuros cálculos, a continuación en la tabla N°5.2 se mostrarán algunos:

Tabla N°5.2. Valores representativos del coeficiente global de transferencia.

Se observa que el resultado obtenido por el fabricante está dentro de los valores representativos, ya que para enfriar los gases provenientes del reactor se requiere un flujo de aire, es decir, es una convección forzada por aire.

c) Diferencia de temperaturas efectiva.-

Tabla N° 5.3. Temperaturas planta original.

Fluido caliente Gas (°C)

Nivel de temperatura

Fluido frío Aire (°C)

Diferencia (°C)

500 (T1) Alta T° 350 (t 2) 150 150 (T2) Baja T° 10 (t 1) 140

350 Diferencia 340 10

� Diferencia media logarítmica de temperaturas (Contraflujo).


� (°C)

MLDT= �(�WWw[�W)w(*�Ww*W) }�(POOzMPO)(SPOzSO) � = 144,9 (°C) = 145 (°C)

Fuente: “Ingeniería térmica y de fluidos, Pedro Fernández Diez, http://libros.redsauce.net/


44

� Factor de corrección (FT).

S= �^w �SISw�S =

[�Ww *W�WWw*W = 0,693 = 0,7

R= ISw I�^w�S =

�WWw *�W[�Ww*W = 1,03 =1

Con estos resultados de S y R, se ingresa al siguiente gráfico:

Figura N° 5.2. Factor de corrección FT. Fuente: “ Procesos de transfería de calor” Donald Q. Kern, Pag. 629 caso B.

El factor de corrección es: FT= 1

Con el MLDT y FT se procede a calcular la diferencia de temperaturas efectiva.

∆T= FT * MLDT (°C)

∆T= 145 (°C) * 1 = 145 (°C)

d) Superficie de transferencia de calor. s = Jt∗ uv (�A) =

*W�.��[ �X,�[∗ *X� = 11,47 (m2)

Este valor corresponde a la superficie de transferencia de calor, con el que se diseña el intercambiador 2, el cual es el mismo que se utiliza en la modificación realizada, es decir, “planta B”.


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II. Planta B:

Aquí se analizará el calor absorbido por la torre de enfriamiento, luego que los gases condensables y no condensables salientes del reactor se introducen a dicha torre, con el aporte del líquido por el intercambiador 2, como se muestra en el siguiente diagrama.

� Datos obtenidos del fabricante:

Se considerará un comportamiento ideal en los gases.

•••• Calor específico gases no condensables y condensables: CG= 0,27 �� ∗°�

•••• Calor específico Bioaceite: CB= 0,46 �� ∗°�

•••• Densidad Bioaceite : ρΒ =1200 ��M

Figura N° 5.3. Diagrama de recirculación de Bio-Aceite, mezclas y aire de enfriamiento.


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Temperaturas de torre de enfriamiento: (Datos experimentales)

• Temperatura inicial: Tinicial= 350 °C • Temperatura final: Tfinal= 60 °C

Temperaturas de bio-aceite: (Datos experimentales)

• Temperatura inicial: Tinicial= 60 °C • Temperatura final: Tfinal= 40 °C

Temperaturas del aire: (Datos experimentales)

• Temperatura inicial: Tinicial= 10 °C • Temperatura final: Tfinal= 35°C

� Datos de elaboración propia:

• Calor específico gases condensables: CGC= 0,328 �� ∗°�

• Calor latente de vaporización del Bio-aceite: 4��w�� = 80,21 ��

Nota: Cálculos de estos últimos datos en anexo C.

Balance de masa: (salida del reactor hacia torre enfriamiento)

•••• �� Total Gases = �� Gases Condensables + �� Gases No condensables

•••• �� Total Gases = 500 �� + 107,14

�� = 607,14 ��

5.3.2 Cálculos de energías sin calor latente (datos del fabricante).

A continuación se mostrarán los cálculos obtenidos con los datos del fabricante, es decir, con el mismo calor específico para ambos gases, y sin considerar el calor latente de los gases condensables, asumiendo que en la teoría esto no corresponde debido que hay cambio fase, pero en la práctica a la empresa esta estimación cumple con lo esperado.

a) Cálculo de calor transferido por los gases al ingresar a la torre de enfriamiento.-

Balance de energía: (Entrada torre de enfriamiento)

QGases = QBioaceite


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QGases= �� Gases Condensables *CG * (Tinicia l-Tfinal) +�� Gases No Condensables* CG*(Tinicial -Tfinal)

QBioaceite= �� Bio-combustible * CB * (Tinicial – Tfinal)

De este balance se obtiene la masa (�� Bio-combustible) a recircular por el intercambiador 2 necesaria para que absorba el calor y condense los gases descritos anteriormente que ingresan a la torre de enfriamiento.

Calor a transferir de Gases condensables:

Q1= �� Gases Condensables * CG * (Tinicial - Tfinal)

Q1= 500 �� * 0,27

�� ∗°� * (350 - 60) °C= 39.150 ��

Q1= 39.150 �� = 45,53 kW

Calor a transferir de Gases No condensables:

Q2= �� Gases No Condensables * CG * (Tinicial - Tfinal)

Q2= 107,14 �� * 0,27

�� ∗°� * (350 - 60) °C= 8.389,06 ��

Q2= 8.389,06 �� =9,76 kW

Calor transferido por los gases:

QGases = Q1 + Q2 = 39.150 �� + 8.389,06

�� = 47.539,06 ��

QGases = 47.539,06 �� = 55,29 kW

QGases representa el calor que se debe transferir para que se produzca el cambio de fase de los gases a líquido.

b) Cálculo del Flujo de Bio-Aceite a recircular por intercambiador 2 (hacia la torre de enfriamiento):

QGases = �� Bio-combustible * CB * (Tinicial – Tfinal)


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�� Bio-combustible=J�j ¡ �¢∗( I£¤Qj¥w I¤Q¤¦¤j¥ )=

X�.�[b,W� §¦j¥¨W,X� §¦j¥§©∗°ª ∗ (�WwXW) °�= 5.167,29 ��

�� Bio-combustible = VB * ρΒ ; donde VB: Volumen de bio-combustible a recircular

VB1= (�� Bio-combustible / ρΒ ) = �.*��,Ab «¬ *AWW §©®M = 4,31

�3 �

VB representa el volumen de bio-combustible que se debe introducir a la torre de enfriamiento para que pueda absorber el calor que se requiere.

c) Cálculo del flujo de aire para enfriar bio-aceite de intercambiador 2

QBioaceite = �� aire * Ca * (Tfinal - Tinicial)

�� aire = J¢¤¯j¦¡¤{¡�j∗(I£¤Qj¥w I¤Q¤¦¤j¥) =

X�.�[b,W� kcalh W,AX kcal kg∗°C ∗([�w*W)°� = 7.923,18 ��

�� aire = Va * ρα Va = �� j¤°¡]j =

�.bA[,*Z +=ℎ*,A kgm3 = 6.602,65 m3h

h� a1 = 6.602,65 m3h

Va representa el volumen de aire que se necesita para enfriar el bio-combustible que pasa por el intercambiador 2.

d) Diferencia de temperaturas efectiva.-

Tabla N°5.4. Temperaturas planta modificada.




Diferencia (°C)

60 (T1) Alta T° 35(t 2) 25 40 (T2) Baja T° 10 (t 1) 30

20 Diferencia 25 5


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� (°C)

MLDT= �(�Ww[�)w(XWw*W) }�(±OzMP)(²OzSO) � = 27,42 °C



[�w *W�Ww*W = 0,5

R= ISw I�^w�S =

�Ww XW[�w*W = 0,8

Con estos resultados de S y R, se ingresa al gráfico de la fig. 5.2, pág. 44.

El factor de corrección es: FT= 0,92

Con el MLDT y FT procedemos a calcular la diferencia de temperaturas efectiva.


∆T= 27,42 (°C) * 0,92 = 25,23 °C

e) Coeficiente global de transferencia.-

Como se mencionó anteriormente, el intercambiador 2 es usado en la “planta B”, sólo se modificó su uso, por lo tanto su área de transferencia de calor es la misma, es decir; A=11,47 (m2), entonces se puede obtener el coeficiente global de transferencia despejando de la ecuación básica:

Q = A* U* ∆T ³ = J´∗ uv � � �^∗� � 5 � �It �∗ µ��^∗°� � Q = 47.539,06 (kcalh ) = 55,29 (kW)

A= 11,47 (m2)

∆T= 25,23 °C


50

³* = X�.�[b,W� (��/�)**,X� (�^)∗ A�,A[ °� = 164,27 �� ∗�^∗°� = 191,05

· fp∗¸

Como se aprecia, el coeficiente U está dentro de los rangos de convección forzada por aire, que se mencionaron anteriormente en la tabla N° 5.2, pág. 43.

5.3.3 Cálculos de energías con calor latente (datos de elaboración propia).

A continuación se mostrarán los cálculos obtenidos con los datos de elaboración propia, es decir, con el calor específico calculado para los gases condensables, y considerando el calor latente de éste. Se debe señalar que el calor específico y el calor latente de vaporización obtenidos, son calculados con algunos componentes conocidos, que se mencionan en el anexo C.

f) Cálculo de calor transferido por los gases al ingresar a torre de enfriamiento.-

Balance de energía: (Entrada torre de enfriamiento)

QGases = QBioaceite

QGases= Qsensible gas no condensable + Qsensible gas condensable + QLatente gas condensable

QGases= �� Gas no Condensable*CG*(Tinicial-Tfinal) +�� Gas Condensable(CGC*(Tinicial -Tfinal) + 4��w��)

QBioaceite= �� Bio-combustible * CB * (Tinicial – Tfinal)

De este balance se obtiene la masa (�� Bio-combustible) a recircular por el intercambiador 2 necesaria para que absorba el calor y condense los gases descritos anteriormente que ingresan a la torre de enfriamiento.

Calor a transferir de Gases condensables:

Q1= �� Gas Condensable(CGC*(Tinicial -Tfinal) + 4��w��)

Q1= 500 �� (0,328

�� ∗°� * (350 - 60) °C + 80,08)= 87.600 ��

Q1= 87.600 �� = 101,87 kW

Calor a transferir de Gases No condensables:

Q2= �� Gases No Condensables * CG * (Tinicial - Tfinal)


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Q2= 107,14 �� * 0,27

�� ∗°� * (350 - 60) °C= 8.389,06 ��

Q2= 8.389,06 �� =9,76 kW

Calor transferido por los gases:

QGases = Q1 + Q2 = 87.600 �� + 8.389,06

�� = 95.989,06 ��

QGases = 95.989,06 �� = 111,63 kW

QGases representa el calor que se debe transferir para que se produzca el cambio de fase de los gases a líquido.

g) Cálculo del Flujo de Bio-Aceite a recircular por intercambiador 2 (hacia la torre de enfriamiento):

QGases = �� Bio-combustible * CB * (Tinicial – Tfinal)

�� Bio-combustible=J�j ¡ �¢∗( I£¤Qj¥w I¤Q¤¦¤j¥ )=

b�.bZb,W� §¦j¥¨W,X� §¦j¥§©∗°ª ∗ (�WwXW) °�= 10.433,59 ��

�� Bio-combustible = VB * ρΒ ; donde VB: Volumen de bio-combustible a recircular

VB2= (�� Bio-combustible / ρΒ ) = *W.X[[,�b «¬ *AWW §©®M = 8,7

�3 �

VB representa el volumen de bio-combustible que se debe introducir a la torre de enfriamiento para que pueda absorber el calor que se requiere.

h) Cálculo del flujo de aire para enfriar bio-aceite de intercambiador 2

QT = �� aire * Ca * (Tfinal - Tinicial)

�� aire = J¢¤¯j¦¡¤{¡�j∗(I£¤Qj¥w I¤Q¤¦¤j¥) =

b�.bZb,W� kcalh W,AX kcal kg∗°C ∗([�w*W)°� = 15.998,18 ��


52

�� aire = Va * ρα Va = �� j¤°¡]j =

*�.bbZ,*Z +=ℎ*,A kgm3 = 13.331,82 m3h

h� a2 = 13.331,82 m3h

Va representa el volumen de aire que se necesita para enfriar el bio-combustible que pasa por el intercambiador 2.

i) Diferencia de temperaturas efectiva.-

Tabla N°5.5. Temperaturas planta modificada.




Diferencia (°C)

60 (T1) Alta T° 35 (t 2) 25 40 (T2) Baja T° 10 (t 1) 30

20 Diferencia 25 5



� (°C)

MLDT= �(�Ww[�)w(XWw*W) }�(±OzMP)(²OzSO) � = 27,42 °C



[�w *W�Ww*W = 0,5

R= ISw I�^w�S =

�Ww XW[�w*W = 0,8

Con estos resultados de S y R, se ingresa al gráfico de la fig. 5.2, pág. 44.

El factor de corrección es: FT= 0,92

Con el MLDT y FT procedemos a calcular la diferencia de temperaturas efectiva.


53


∆T= 27,42 (°C) * 0,92 = 25,23 °C

j) Coeficiente global de transferencia.-

Como se mencionó anteriormente, el intercambiador 2 es usado en la “planta B”, solo se modificó su uso, por lo tanto su área de transferencia de calor es la misma, es decir; A = 11,47 (m2), entonces se puede obtener el coeficiente global de transferencia despejando de la ecuación básica:

Q = A* U* ∆T ³ = J´∗ uv � � �^∗� �

Q = 95.989,06(kcalh )

A= 11,47 (m2)

∆T= 25,23 °C

³A = b�.bZb,W� (§¦j¥¨ )**,X� (�^)∗ A�,A[ °� = 331,7 ( ��∗ �^∗°�) = 385,77 � �^∗�

Como se aprecia, el coeficiente U está dentro de los rangos de convección forzada por aire que se mencionaron anteriormente en la tabla N° 5.2, pág. 43.


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5.3.4 Comparación de resultados

Los datos obtenidos están referidos al intercambiador 2, tanto para el calor (Q), el flujo másico (ṁ), temperaturas y flujo volumétrico que pasa por los tubos. También se hace referencia al aire necesario que circulan por la carcasa.

Tabla N° 5.5. Resumen de datos

Unidad Planta A Planta B

Tipo de fluido por tubos Gases Bio-combustible

Temperatura entrada (°C) 500 60

Temperatura salida (°C) 150 40

Diferencia ∆T Gases (°C) 350 20

Calor a transferir (kW) Q= 125,2 Q1= 55,29

Q2= 111,63* Flujo másico del fluido (kg/h) ṁG= 1.183 ṁB1= 5.167,29

ṁB2= 10.433,59* Volumen del fluido (m3/h) n� G= 1.095 n� B1= 4,31

n� B2= 8,7* Diferencia T° efectiva (°C) ∆T=145 ∆T=18,2

Superficie transf. De calor (m2) A=11,47 A=11,47

Coef. Global de transf. (W/m2*K) U=64,73 U1=191,05

U2= 385,77*

Datos para enfriamiento (Aire)

Temperatura entrada (°C) 10 10

Temperatura salida (°C) 350 35

Diferencia ∆T Aire (°C) 340 25

Flujo másico de aire (kg/h) ṁa= 1.319,39 ṁa= 7.923,18

ṁa2= 15.998,18* Volumen de aire (m3/h) n� a= 1.099,49 n� a1= 6.6602,65

n� a2= 13.331,82*

*Resultados obtenidos al incluir un calor latente en los gases condensables.


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Se puede notar la gran diferencia de calor a transferir entre una planta y la otra, así como también las temperaturas de entrada y salida; esto se debe a que en la planta A el intercambiador 2, tenía la función de hacer condensar los gases provenientes del reactor, esto se realizaba haciendo circular por el interior de los tubos del equipo y enfriarlos por medio de aire que provenía del ambiente, ocurriendo así una gran transferencia de calor dentro de él, en cambio en la planta B, como se dijo anteriormente se incluyo una torre de enfriamiento, donde ocurre la nueva transferencia, y se cambio la función del intercambiador, ya que ahora el fluido que circula por el interior de los tubos es bio-combustible a una baja temperatura, con el objetivo de enfriar los gases condensables que ingresan a la torre y que provienen del reactor a altas temperaturas. Al incluir un calor latente de vaporización en los gases condensables y un calor específico aumenta el calor a transferir por la torre de enfriamiento, lo que provoca un aumento en el flujo de bioaceite a recircular y por ende el fuljo de aire para enfriar el bioaceite. Los fabricantes no estimaron estas energías debido a su alta complejidad en el cálculo y poca información al respecto, es por eso que se estima un valor aproximado al posible real.


El Scrubber es modificado por un intercambiador de calor (intercambiador 5), con el fin de asegurar: Que se evaporen los residuos de agua que puedan haber quedado del proceso de pirólisis que viene del reactor, que el bioaceite obtenido no contenga gases condensables, y dirigir un porcentaje de bio-combustible al intercambiador 2. Por último sirve para obtener o modificar las temperaturas del flujo de aire que enfriaran los tubos del intercambiador 2 por donde circula el bioaceite que condensará a los gases. Básicamente este cambio se realiza para mejorar el proceso de producción, esto debido a que con el Scrubber también se obtenían los productos deseados, pero no con las características físicas que se necesitaban, en cambio al modificar el equipo por el intercambiador se obtiene todo lo requerido. Además se debe mencionar que esta modificación, va de la mano con la inclusión de la torre de enfriamiento y el cambio de función que sufre el intercambiador 2, ya que este necesitará bioaceite que circule por el interior de sus tubos en vez de aire, y el Scrubber no aporta con los requerimientos para el nuevo proceso, ya que actúa como un separador de partículas en la planta A, donde utiliza como agente de intercepción al bioaceite. La función del Scrubber consistía en que la mezcla de bio-combustible con gases no condensables y un pequeño porcentaje de gases condensables provenientes del intercambiador 2 ingresaran por la parte inferior del equipo y se juntarán con un supuesto bioaceite puro, produciéndose la separación de los gases con el líquido. Para lograr lo anteriormente dicho y obtener la condensación de los gases, estos se hacían circular por un intercambiador que se encuentra en el interior del Scrubber, que sería enfriado con aire proveniente del ambiente. Por último en caso de que quedara un resto de gases sin condensar, el equipo consta con un


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método de seguridad que consiste en que el bioaceite por medio de una bomba es distribuido hacia la parte superior del Scrubber, con el propósito de impactar a los gases no condensables y asegurarse de condensar el resto de los gases que provienen del intercambiador, y por medio de la gravedad el combustible líquido cae hacia la parte inferior del equipo y los gases no condensables fluyen hacia el exterior por la parte superior con la ayuda de un ventilador, para dirigirse al acumulador de gas. Con este proceso no se logró llegar al objetivo de obtener el bioaceite deseado, por lo que se optó por modificar el equipo, dejándolo solo como un intercambiador haciendo el proceso mucho más sencillo y eficiente. El funcionamiento del intercambiador 5, se encuentra explicado en capítulos anteriores, específicamente en el capítulo 4, página 32, por lo que no es necesario hacer referencia a ello. A continuación un esquema donde se explicará el proceso anteriormente descrito, con el fin de llegar a un mejor entendimiento de lo que ocurre dentro del Scrubber.

Figura N° 5.4 . Esquema del proceso que ocurre en el Scrubber.

Por lo tanto, se puede decir que se realiza esta modificación producto del cambio 1 que se menciona en el punto 5.3, específicamente la función que tiene el intercambiador 2 en la planta – B. La gran diferencia por la que se modificó el Scrubber, es debido la funcionalidad de cada equipo, según el proceso al que tienen que aportar. Para una claridad de lo mencionado se mostrará un pequeño cuadro comparativo:


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Tabla N° 5.6. Cuadro comparativo de plantas

PLANTA – A PLANTA – B Scrubber Intercambiador 5

• Trabaja como un separador de partículas con el fin de separar gases condensables y no condensables.

• El bioaceite recircula por el interior de él como un método de seguridad para condensar los gases.

• Del intercambiador 2 ingresa bio-combustible con gases condensables y no condensables.

• Evapora los residuos de agua provenientes del reactor y condensa los gases que salen de la torre de enfriamiento.

• Aporta con el bioaceite que circulará por el interior de los tubos del intercambiador 2.

• De la torre de enfriamiento ingresa bioaceite con gases no condensables.

A continuación se muestran unas fotos de los equipos descritos anteriormente:

Foto N° 5.1 . Scrubber Foto N° 5.2. Intercambiador 5


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Debido a los inconvenientes para mantener la temperatura requerida en el reactor y buscando una eficiencia energética donde se minimicen las pérdidas, se modifica la ubicación del quemador de gas a un punto más cercano al reactor, para alcanzar y mantener las temperaturas adecuadas en cada uno de los componentes. También se incluye un intercambiador en la parte inferior del equipo con la finalidad de que ocurra la transferencia de calor al gas no condensable. Para analizar esto, lo primero que se realizará será un balance de materia dentro del reactor y luego se hará un balance de energía.

En el capítulo 4 en el punto 4.3.2.b) se señala la forma en que se plantean estos balances, por lo tanto a continuación, bajo esos parámetros se llevarán a efecto los cálculos que fueron necesarios para realizar este cambio en la planta.

5.5.1 Balance de materia (biomasa)

Como se dijo en capítulos anteriores el fabricante se ha impuesto producir 500 kg/h de bio-aceite, lo que corresponde a un 70% de la biomasa seca, el 30% restante se divide en 15% de carbón y 15% de gases no condensables, por lo que obtiene 107,14 kg/h para carbón y para los gases no condensables, cabe señalar que la biomasa seca viene con un 10% de humedad que corresponde a 71,43 kg/h de agua.

- Lo que entra:

Del capítulo 4, punto 4.3.2.b) tenemos que: �� = �� + �� Donde: �� = 714,28 »kgh ¼

Como se dijo anteriormente �� = 71,43 [�� ] que corresponde al 10% de la

biomasa seca.

Por lo tanto �� = 785,71 [�� ]

- Lo que genera el reactor con respecto de la biomasa seca:

�� ó� = 0,15 ∗ �� = 107,14 Y�� \ �� . = 0,15 ∗ �� = 107,14 Y�� \


59

�� . = 0,7 ∗ �� = 500 Y�� \

Para generar estos productos la biomasa seca se debe calentar y el 10% de humedad de la biomasa se debe evaporar, para ello se realizan los balances de energía correspondientes, que darán como resultado el calor necesario para el reactor.

5.5.2 Balance de energías (calor)

El calor total (kcal/h) requerido por el reactor, se obtiene de la suma del calor necesario para evaporar el agua más el calor que se requiere para calentar la biomasa.

'��( �� = '�� + '��

- Calor requerido para evaporar el agua ('*)

'* = '�� + '�� ¿+,-.ℎ À

Donde:

'�� = �� ∗ 01�� ∗ 23 , �� = 71,43 ��

01�� = 1 � �� °�� 23 = (3Á − 3:) °0 '�� = 71,43 * 1 * (100 – 15) = 6.071,55 ��

'�� = �� ∗ 4��

4�� = ,-.56 .-Â8<Â8 78 9-156:;-,:ó< 78. -=>- 539 ��

A presión atmosférica.

Por lo tanto

'�� = 71,43 ∗ 539 [+,-.ℎ ]


60

'�� = 38.500,77 [+,-.ℎ ] Por lo tanto el Q requerido para evaporar el agua es: Q= 44.572,32 ��

- Calor requerido para calentar la biomasa ('A)

Q2 = Q sensible

'A = �� ∗ 01�� ∗ 23 ��

Donde:

�� = 714,28 ��

01�� = 0,324 � �� °�� 23 = (3Á − 3:) °0

'A = 714,28 * 0,324 * (500 – 15) = 112.241,95 ��

Por lo tanto el Q requerido por el reactor: Q= 44.572,32+ 112.241,95 ��

Q requerido por el reactor = 156.814,27 ��

5.5.3 Gas no condensable requerido (entrada del intercambiador 1)

Se realiza el cálculo de masa de gas no condensable que viene del intercambiador 1 y que ingresa al reactor, con el fin de mantener las temperaturas necesarias dentro del equipo, este flujo de gas entra a una temperatura de 550 °C y circula por el interior del intercambiador que se encuentra en el inferior del reactor; es por esto, que para lograr que esa temperatura se mantenga, el quemador de gas se cambia de posición, a una más cercana al reactor.

Por lo tanto:

'��(.�� = �� . ∗ 01�� . ∗ 23:<Â86,.1 ��


61

Donde:

'��(.�� = 156.171,41 ��

01�� . = 0,27 � �� °�� 23 = (3Á − 3:) °0

Despejando �� . tenemos que:

�� . = '��(.��01�� . ∗ ∆3 ¿+=ℎ À

�� . = 156.171,410,27 ∗ (650 − 100) ¿+=ℎ À

�� . = 1.051, 66 ¿+=ℎ À Este valor corresponde al flujo de masa de gas no condensable requerido por

el reactor, que actúa como agente de fluidización, para que se produzca la pirólisis y así obtener los productos deseados de la biomasa seca que ingresa al reactor.


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CAPITULO VI: ESTIMACIÓN DE COSTOS

6.1. INTRODUCCIÓN

Para llevar a cabo un proyecto de esta magnitud, es necesario realizar una estimación de la inversión. Para ello se hace un estudio de las tecnologías adecuadas, una evaluación económica de los procesos a utilizar, cálculos de equipos y balances de materiales.

En este capítulo se hará referencia a los 2 últimos puntos mencionados, debido la accesibilidad de los datos.

Parte de la inversión para la construcción de la planta es financiada por el área de innovación de INNOVA BIO BIO, que financian hasta un 50% del monto requerido para la ejecución del proyecto con un tope máximo a solicitar de 400 millones de pesos.

La inversión inicial de este proyecto se estima en 500 millones de pesos, aportando la empresa fabricante 250 millones y lo restante es aportado por INNOVA BIO BIO.

6.2. COSTO DE MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN (Equipos principales)

Se realizará una especificación de los equipos principales que se utilizaron tanto para la planta – A como para la planta modificada (planta – B). Dentro de los equipos principales, se hace referencia a equipos de procesos (mencionados en capítulos anteriores), las tolvas, estanques de almacenamiento, dosificadores y quemadores.

� Se incluirá los costos de soldadura en los casos que sea necesario.

� El costo de los materiales está dado en pesos y no incluyen IVA.


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A continuación se mostrarán unas tablas comparativas con la cantidad de equipos que se utilizan por cada planta. Tabla N° 6.1 Comparación de equipos de plantas

6.2.1. Materiales planta original (Planta – A)

� REACTOR – SCRUBBER – INTERCAMBIADOR 2 y 3

Para la fabricación de estos equipos se utilizó un tipo de plancha de acero inoxidable.

EQUIPO CANTIDADTOLVA 3CICLON 2

REACTOR DELECHO FLUIDIZADO

SCRUBBER 1INTERCAMBIADOR DE CARCASA

Y TUBOS LISOSACUM. DE GAS 1

ACUM. DE BIOACEITE 1QUEMADOR DE GAS 1

QUEMADOR DE CARBON 1TORNILLO RAPIDO 1

DOSIFICADOR DE ASERRIN 2DOSIFICADOR DE CARBON 1

SECADOR 1

1

3

PLANTA - AEQUIPO CANTIDADTOLVA 3CICLON 2

REACTOR DELECHO FLUIDIZADO

INTERCAMBIADOR DE CARCASAY TUBOS LISOSACUM. DE GAS 1

ACUM. DE BIOACEITE 1QUEMADOR DE GAS 1

QUEMADOR DE CARBON 1TORNILLO RAPIDO 1

DOSIFICADOR DE ASERRIN 2DOSIFICADOR DE CARBON 1

TORRE DE ENFRIAMIENTO DE PAREDES HUMEDAS

INTERCAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOSLISOS (CONDENSADOR)

SECADOR 1

1

1

PLANTA - B

1

4

ESPECIFICACIONES MATERIAL AISI 304 DIMENSIONES 1000x3000x6 mm CANTIDAD 8 VALOR UNITARIO $331.200 TOTAL $2.649.600


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� INTERCAMBIADOR 1

Para la carcasa se utilizó: Para los intercambiadores de carcasa y tubos, se usan tubos de acero inoxidable según las siguientes especificaciones:

� SECADOR – CICLONES – ACUMULADOR DE BIOACEITE El material de fabricación, para estos equipos también corresponde a un tipo

de plancha de acero inoxidable.

� TOLVAS

Para la fabricación de las tolvas se utiliza un acero al carbono, ya que por su uso, no se necesita un acero especial.

ESPECIFICACIONES

MATERIAL Cañería con costura 304 sch 10

DIMENSIONES 16” Diámetro nominal CANTIDAD 5,8 metros VALOR METRO $140.000 TOTAL $812.000

ESPECIFICACIONES NORMA ASTM A270 MATERIAL AISI 304 DIAMETRO EXT. 1" (25,4 mm) ESPESOR 1,65 mm CANTIDAD 360 metros VALOR METRO $10.475 TOTAL $3.771.000.

ESPECIFICACIONES MATERIAL AISI 304 DIMENSIONES 1000x3000x0,5 mm CANTIDAD 8 VALOR UNITARIO $42.000 TOTAL $336.000


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� TORNILLO RÁPIDO – QUEMADOR DE GAS Y DE CARBON -

DOSIFICADORES DE ASERRÍN – DOSIFICADOR DE CARBON

Estos equipos son construidos con un tipo de plancha de acero inoxidable.

Para el tornillo rápido se requiere de un eje, con las siguientes características:

� SOLDADURA

Se incluyen costos de soldadura para acero inoxidable y acero al carbono que se especifican en las siguientes tablas:

ESPECIFICACIONES MATERIAL Acero al carbono SAE 1010 DIMENSIONES 1000x3000x1,5 mm CANTIDAD 6 VALOR UNITARIO $30.000 TOTAL $180.000

ESPECIFICACIONES MATERIAL AISI 304 DIMENSIONES 1000x3000x6 mm CANTIDAD 3 VALOR UNITARIO $331.200 TOTAL $993.680

ESPECIFICACIONES MATERIAL AISI 304 macizo DIMENSIONES 50,8 mm CANTIDAD 1 metro VALOR UNITARIO $54.238 TOTAL $54.238

ESPECIFICACIONES SOLDADURA ELECTRODO INOX. 308L en 3/32” CANTIDAD 40 kg VALOR POR Kg $17.791 TOTAL $711.640


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La cantidad de soldadura, fue calculada por la empresa.

El valor total de los materiales de construcción, para la planta inicial (planta – A) corresponde a:

COSTO TOTAL MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN PLANTA INICIAL

$ 9.855.518

6.2.2. Materiales planta modificada (Planta – B) En este punto se especifican los equipos que fueron agregados a la planta inicial.

� INTERCAMBIADOR 4, 5 y TORRE DE ENFRIAMIENTO

La fabricación de estos equipos se realizó con la misma plancha con la que se construyeron el reactor, Scrubber y los intercambiadores 2 y 3. Para la construcción de estos intercambiadores no se incluyen los costos de los tubos, debido a que se utiliza lo adquirido de la primera compra.

ESPECIFICACIONES SOLDADURA ELECTRODO 7018 1/8” CANTIDAD 40 kg VALOR POR Kg $4.151 TOTAL $166.040

ESPECIFICACIONES SOLDADURA ELECTRODO 7018 3/32” CANTIDAD 40 kg VALOR POR Kg $4.533 TOTAL $181.320

ESPECIFICACIONES MATERIAL AISI 304 DIMENSIONES 1000x3000x6 mm CANTIDAD 4 VALOR UNITARIO $331.200 TOTAL $1.324.800


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� SOLDADURA Se incluyen costos de soldadura para estos equipos, que se especifican en la siguiente tabla:

Cabe señalar que la cantidad de soldadura utilizada, fue calculada por la empresa.

El valor total de los materiales de construcción, para la planta modificada (planta – B) corresponde a:

COSTO TOTAL MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN PLANTA MODIFICADA

$ 1.858.530

Este valor corresponde a un costo adicional, debido a que la planta inicial no cumplía con el proceso de producción deseado, por lo que se vio en la obligación de fabricar estos equipos.

Por lo tanto al adicionar estos equipos, el valor de los materiales de construcción de la planta actual asciende:

6.3. COSTO DE LOS EQUIPOS COMERCIALES

A continuación se hará una breve especificación técnica de los equipos comerciales que se utilizaron en la planta – A, como en la planta – B, con sus respectivos valores, al igual que en el punto 6.2 los valores están dados en pesos y no incluyen IVA.

ESPECIFICACIONES SOLDADURA ELECTRODO INOX. 308L en 3/32” CANTIDAD 30 kg VALOR POR Kg $17.791 TOTAL $533.730

COSTO TOTAL MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN PLANTA ACTUAL

PLANTA ORIGINAL $ 9.855.518 COSTO ADICIONAL $ 1.858.530 TOTAL $ 11.714.048


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6.3.1. Astillador de disco vertical

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA ECASO MODELO IE 600V - 3KB DIÁMETRO DEL DISCO 600 mm NÚMERO DE CUCHILLOS 2 DIÁMETRO MÁXIMO ADMISIBLE 150 mm VELOCIDAD DEL DISCO 900 RPM

ALIMENTACIÓN

MANUAL HORIZONTAL SIN ASISTENCIA

DESCARGA DE ASTILLAS POR IMPULSIÓN NEUMÁTICA POTENCIA 20 A 30 Hp TRANSMISIÓN POLEAS Y CORREAS EN V CAPACIDAD PRODUCCIÓN 4 A 7 m3/h

CANT. OBS. UNITARIO TOTAL

1 AMBAS PLANTAS $ 5.184.000 $ 5.184.000

6.3.2. Triturador de martillos móviles

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA ECASO MODELO IE 400 x 600/18 TrB DIÁMETRO DEL ROTOR 400 mm ANCHO DEL ROTOR 600 mm CORRIDAS DE MARTILLOS 3 N° DE MARTILLOS POR CORRIDA 6 MOTOR 20 A 30 Hp VELOCIDAD DE ROTACIÓN 1000 RPM ALIMENTACIÓN GRAVITACIONAL SUPERIOR DESCARGA GRAVITACIONAL

MALLA DE SALIDA PERFORADA DE 4 mm DE DIÁMETRO

CAPACIDAD PRODUCCIÓN 2 a 6 m3/h

CANT. OBS. UNITARIO TOTAL 1 AMBAS PLANTAS $ 5.472.000 $ 5.472.000


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6.3.3. Ventilador centrífugo (V1)

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA TETLAK CAUDAL 1695 m3/h PRESIÓN ESTÁTICA 603 mmCA ACOPLAMIENTO POLEAS / CORREAS MOTOR 12,5 Hp / 2900 RPM TEMPERATURA DE TRABAJO 200°C RODETE Y CARCAZA SS 316 SUCCIÓN 8" DESCARGA 8" Diámetro MOTOR SOBRE CAJA TIPO D POS DESCARGA 3


1 PLANTA - A $ 2.437.600 $ 2.437.600 6.3.4. Ventilador centrífugo (V2)

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA TETLAK CAUDAL 5184 m3/h PRESIÓN ESTÁTICA 653 mmCA ACOPLAMIENTO DIRECTO MOTOR 50 Hp / 2950 RPM TEMPERATURA DE TRABAJO AMBIENTAL ALABES RECTOS Y RADIALES SUCCIÓN 10" DESCARGA 10" Diámetro POS DESCARGA 2


1 AMBAS PLANTAS $ 1.494.300 $ 1.494.300


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6.3.5. Ventilador centrífugo (V3)

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA TETLAK CAUDAL 1695 m3/h PRESIÓN ESTÁTICA 603 mmCA ACOPLAMIENTO POLEAS / CORREAS MOTOR 12,5 Hp / 2900 RPM TEMPERATURA DE TRABAJO 150°C RODETE Y CARCAZA SS 316 SUCCIÓN 6" DESCARGA 6" Diámetro MOTOR SOBRE CAJA TIPO D POS DESCARGA 3


1 AMBAS PLANTAS $ 2.437.600 $ 2.437.600 6.3.6. Ventilador centrífugo (V4)

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA TETLAK CAUDAL 2044 m3/h PRESIÓN ESTÁTICA 292 mmCA ACOPLAMIENTO DIRECTO MOTOR 5,5 Hp / 2850 RPM TEMPERATURA DE TRABAJO AMBIENTAL SUCCIÓN 8" DESCARGA 8" Diámetro POS DESCARGA 1


1 AMBAS PLANTAS $ 1.287.000 $ 1.287.000


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6.3.7. Motor trifásico

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA TGC POTENCIA 12,5 Hp POLOS 2 POLOS FRECUENCIA 50 Hz IP 55 TENSIÓN 380 Volts.


2 AMBAS PLANTAS * $ 560.482 $ 1.120.970

(*): Estos motores se utilizan para los ventiladores de 12,5 Hp, pero como se especificó en el punto 6.3.2. el ventilador centrífugo V1 se utiliza sólo en la planta A, por lo tanto en ese caso se utilizan ambos motores, luego con las modificaciones hechas se usará sólo un motor de esta característica, para su respectivo ventilador, que para el caso es el ventilador centrífugo V3.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

MARCA TGC POTENCIA 5,5 Hp POLOS 2 POLOS FRECUENCIA 50 Hz IP 55 TENSIÓN 380 Volts.


3 AMBAS PLANTAS $ 217.730 $ 653.190

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA TGC POTENCIA 50 Hp POLOS 2 POLOS FRECUENCIA 50 Hz IP 55 TENSIÓN 380 Volts.


1 AMBAS PLANTAS $ 918.965 $ 918.965


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6.3.8. Motoreductor

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA SEW MODELO SAF57DRS80S4 POTENCIA 0,75 kW REDUCCIÓN 1400 / 60 RPM TENSIÓN 220 / 380 Volt FRECUENCIA 50 Hz PESO 26 kg


3 AMBAS PLANTAS $ 530.000 $ 1.590.000 6.3.9. Bomba centrífuga

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA EBARA TIPO DWO 200 CAUDAL 100 - 750 L/min ALTURA H 12,7 - 5,8 m H MÁXIMA 13,2 m H MÍNIMA 5,8 m V 230 – 240 POTENCIA 1 2 kW POTENCIA 2 2,5 kW FRECUENCIA 50 Hz


2 AMBAS PLANTAS $ 198.000 $ 396.000


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6.3.10. Variador de frecuencia

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MODELO MICROMASTER 420 POTENCIA 11 kW VOLTAJE 400 V, 10 kW

6.3.11. Remolque de 2 ejes

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA GOREN AÑO 2011 (SIN USO) LARGO 9000 mm CAPACIDAD 18 TON

6.3.12. Neumáticos

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

MODELO 11R22,5 POTENCIA ADVANCE

CANT. OBS. UNITARIO TOTAL 1 AMBAS PLANTAS $ 807.580 $ 807.580


CANT. OBS. UNITARIO TOTAL 18 AMBAS PLANTAS $ 125.000 $ 2.250.000


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6.3.13. Generador de energía.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS MARCA Pramac MODELO GBW200 RPM 1800 A/C SALIDA 200 kVa – 160kW A/C SALIDA EMERGENCIA 219 kVa – 175kW A/C FRECUENCIA 60 Hz AMPERAJE 769,23 ALTERNADOR Stamford VCL274G POTENCIA MOTOR 234,5 Hp ENCENDIDO Eléctrico PESO 2214 kg DIMENSIONES (Alto-Ancho-Largo) 167,9 – 125 – 340,1 (cm)


El valor total de los equipos comerciales, para la planta - A corresponde a:

COSTO TOTAL EQ. COMERCIALES PLANTA - A $ 63.449.205

Al realizar las modificaciones de la planta, se retiraron 2 equipos

EQUIPOS RETIRADOS VENTILADOR (V1) $ 2.437.600 MOTOR TRIFÁSICO $ 560.482 TOTAL $ 2.998.082

Este valor representa una pérdida para el proyecto, ya que estos equipos no serán utilizados dentro de la planta actual.

6.4. COSTOS GENERALES

En estos costos se estiman todos los extras que son necesarios para la fabricación de los equipos (no se incluyen materiales de construcción, debido a que ellos están especificados en el punto 6.2.1) y en general para la construcción de la planta, estos incluyen cañerías de acero inoxidable que son las que unen los


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trayectos entre los equipos de procesos, también se incluyen codos, ángulos, los accesorios del panel de control y etc. Para estos costos no se hace diferencia entre ambas plantas debido a que las piezas a utilizar no afectan en el proceso de la fabricación del bioaceite. El valor de estos es de: $ 11.164.183.- También se incluyen los costos de la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI), lo que corresponde a: $ 1.631.049.- Cabe señalar que cuando se inició este proyecto la empresa fabricante se asesoró de forma externa en dos oportunidades, estos gastos se incluyen solo para la construcción de la planta – A, su valor total es de: $1.050.000.- El total de los costos generales es de:

TOTAL COSTOS GENERALES $ 13.845.232

No se incluye los costos del acumulador de gas, debido que al momento de realizar este seminario este equipo no se encuentra construido ni comprado por la empresa.

6.5. RESUMEN TOTAL DE COSTOS

PLANTA INICIAL MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN $ 9.855.518 EQUIPOS COMERCIALES $ 63.449.205 COSTOS GENERALES $ 13.845.232 TOTAL $ 87.149.995

MODIFICACIONES

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN $ 1.858.530 EQUIPOS COMERCIALES $ 2.998.082 TOTAL $ 4.856.612

El valor total que se muestra en la primera tabla representa un costo

aproximado de lo que significó fabricar en un comienzo dicha planta, pero debido a que los resultados no fueron los esperados, se procedió a realizar ciertas modificaciones, que se ven representadas al agregar equipos de procesos y retirar algunos equipos comerciales, estos tienen un valor que se refleja en el total de la segunda tabla, lo que representa aproximadamente un 6% de lo que costó fabricar la planta.

Se debe señalar que la planta está en proceso de fabricación, afinando los últimos detalles para su puesta en marcha, por lo que puede estar expuesta a


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cambios económicos, que no afectarían en su proceso de producción. Es importante recalcar que la empresa se encuentra dentro de los plazos establecidos por CORFO, para dejar operativa la planta.


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CONCLUSIONES

Al realizar un análisis y un estudio detallado de cada cambio realizado en la planta, lleva a evitar ciertos márgenes de error para futuras construcciones de este tipo de planta, ya que como se dijo anteriormente al hacer un estudio de varios equipos de proceso, se hace posible un mejor entendimiento del funcionamiento de cada uno de ellos, por lo tanto los tiempos de construcción para cada equipo se reducen.

Se logra mejorar los tiempos de mantenimiento de los equipos, debido que al tener un manejo de estos, se hará más sencillo detectar las fallas.

Al ser una planta móvil, trabajará en terreno para abastecerse de la biomasa, lo que lleva a eliminar los residuos forestales de manera rentable y ambientalmente sustentable.

La planta está capacitada para trabajar con cualquier tipo de residuos de la segunda generación, lo que la hace sustentable para desarrollar un prototipo móvil a gran escala, para el aprovechamiento energético de residuos. Se observa que los principales cambios realizados y que se analizaron a lo largo de este proyecto, son exclusivamente producto del fenómeno de craqueo que se producía en el intercambiador 2, debido a que la caída de temperaturas es elevada, donde los gases a la entrada del intercambiador están a 500 °C y caen a 150 °C, donde dicha diferencia de temperatura es ab sorbida por el aire que ingresa al intercambiador, que se eleva de 10 °C a 350 °C. Se puede notar la gran diferencia temperaturas de entrada y salida, esto se debe a que en la planta A el intercambiador 2, tenía la función de hacer condensar los gases provenientes del reactor, esto se realizaba haciendo circular por el interior de los tubos del equipo y enfriarlos por medio de aire que provenía del ambiente, ocurriendo así una gran transferencia de calor dentro de él, en cambio en la planta B, como se dijo anteriormente se incluyo una torre de enfriamiento, donde ocurre la nueva transferencia, y se cambio la función del intercambiador, ya que ahora el fluido que circula por el interior de los tubos es bio-combustible a una baja temperatura, con el objetivo de enfriar los gases condensables que ingresan a la torre y que provienen del reactor a altas temperaturas.

Los equipos de proceso se fabrican de acero inoxidable, por dos motivos de suma importancia, el primero va relacionado con el proceso de fabricación del bioaceite, para evitar que este producto salga con impurezas el acero inoxidable es ideal, así se asegura que el bio-combustible sea puro, y por otro lado se reducen los costos de mantenimiento de los equipos, debido a varios factores, como: Los variados cambios de temperatura con que el proceso se lleva a cabo, a los fluidos que se hacen circular y al medio ambiente húmedo al que se expondrá la planta (bosques), ya que utilizando otro tipo de material se exponen a la corrosión, lo que lleva a un deterioro muy rápido de los equipos..


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Un aspecto importante a mencionar es que al incluir un calor latente a los gases condensables aumenta considerablemente el calor a transferir en la torre de enfriamiento, donde él Qsin calor latente= 55,29 (kW) y Qcon calor latente= 111,63 (kW) lo que lleva a que aumente el flujo de bioaceite a recircular por él intercambiador 2,

de �� * = 5.167,29 (kg/h) a �� A = 10.433,59 (kg/h) y el flujo de aire aumenta de �� * = 7.923,18 (kg/h) a �� A = 15.998,18 (kg/h), esto se explica debido a que el calor específico de los gases condensables y el calor latente de vaporización del bioaceite, son obtenidos a través de datos estimativos de algunos componentes conocidos, por lo que no se puede tener certeza del valor real del flujo de bioaceite a recircular por el intercambiador 2, pero se puede aproximar al valor teóricamente real. Los fabricantes no estimaron estas energías debido a su alta complejidad en el cálculo y poca información al respecto, es por eso que se estimaron un valor aproximado al posible efectivo. Respecto a lo económico no se habla de pérdidas al momento de realizar ciertas modificaciones, debido a que la maestranza es una empresa de servicios industriales, la que ofrece prestaciones de montaje, construcción y mantenimiento en obras civiles, en el área metalmecánica y electrocontrol, por lo que todo material o equipos comerciales que se dejaron de utilizar en este proyecto, pueden servir para otro trabajo o un futuro proyecto de la empresa

El costo de las modificaciones es de $ 4.856.612, el cual no es un valor muy elevado respecto al valor total de la fabricación de la planta, que corresponde a $ 87.149.995, y pensando en lo que se estimaba invertir este precio se encuentra dentro de los parámetros de la inversión, por lo que hace viable realizar estas modificaciones. Además se debe señalar que al efectuar ciertas alteraciones a la planta original, se logró obtener el producto deseado, lo que hace este proyecto rentable, por lo que se seguirán fabricando más plantas, para lograr abarcar la mayor cantidad de bosques que están en desuso.

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BIBLIOGRAFIA

• BRANAN, Carl R. Soluciones prácticas para el ingeniero químico. 2° ed. McGraw-Hill. ISBN: 970-10-2733-7.

• KERN, Donald Q. Procesos de transferencia de calor. México, Trigésima primera edición. McGraw-Hill. ISBN: 968-26-10040-0.

• PERRY & CHILTON. Manual del ingeniero químico. Sección 10. “Transferencia de calor”. Sección 11. “Equipos de transferencia de calor”. McGraw-Hill

• JARAMILLO, O.A. Intercambiadores de calor. Centro de investigación de energía. Universidad nacional autónoma de México, Noviembre 20, 2007.

• GELMI W, Claudio. Fundamentos de operaciones unitarias, serie de clases en ingeniería química. Pontificia Universidad católica de Chile, 2006.

• CERDA M, Luis. Apuntes de clases teóricas. Depto. Ingeniería Mecánica, Universidad del Bio-Bio, Chile, año 2012.

• SANCHEZ A, Reinaldo. Transferencia de calor. Depto. Ingeniería Mecánica, Universidad del Bio-Bio, Chile, año 2006.

• BELTRAN S, José y MORALES V, Eduardo. Potencial de generación de energía por residuos de manejo forestal, Santiago de Chile. Enero 2008. ISBN: 978-956-7700-10-3

• Comisión nacional de energía, área medio ambiente y energías renovables. Guía para evaluación ambiental energías renovables no convencionales, proyecto de biomasa. Santiago de Chile. Mayo 2007. ISBN: 978-956-7700-06-6.

• FERNANDEZ D, Pedro. Ingeniería térmica y fluidos. [en línea] <http://libros.redsauce.net/> [consulta: 15 Septiembre 2012].

• FERNANDEZ D, Pedro. Intercambiadores de calor. [en línea] <http://libros.redsauce.net/> [consulta: 15 Septiembre 2012].

• FERNANDEZ D, Pedro. Transmisión de calor. [en línea] <http://libros.redsauce.net/> [consulta: 26 Septiembre 2012].

• CORONEL, Juan francisco. Colección de tablas, graficas y ecuaciones de transferencia de calor. Depto. Ingeniería energética y mecánica de fluidos, Universidad de Sevilla, 2005.

• GARCIA, Francisco. Transformaciones termo-químicas de la biomasa. Depto. Ingeniería química y biotecnología, Universidad de Chile, 2010.

• Revista Ingenierías Diseño óptimo de ciclones. Universidad de Medellín, Colombia 5 (9), 2006.

• BAHAMONDES Santos, José L. Diseño y construcción de un separador ciclónico para la industria naval. Tesis (Ingeniero Naval Mención Maquinas


80

Marinas). Valdivia, Chile, Universidad Austral de Chile, Facultad de ciencias de la Ingeniería, Escuela de Ingeniería Naval, 2008.

• APARICIO, Ángel. ARBULU, Rodolfo. ARBULU, José. Separadores mecánico de partículas en gases. Lambayeque, Perú, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Escuela de Post Grado, 2000.

• LESME, René. Pirólisis de biomasa experiencias y aplicaciones. [diapositivas]. • MACHADO, Cristina. Situación de los bio-combustibles de 2da y 3era

generación en América Latina y Caribe, 2010. • Capitulo 18 Energía de la biomasa y de los residuos sólidos.

<http://comunidad.eduambiental.org/> [consulta: 15 junio 2012]. • Ciclones. [en línea].

<http://www.itescam.edu.mx/> [consulta: 5 agosto 2012]. • Capitulo 3, Principios de fluidización. [en línea].

<http://catarina.udlap.mx/> [consulta: 3 septiembre 2012]. • MORENO, Rogelio. Secado de aserrín en lecho fluidizado. • TECNOLOGIA QUIMICA, Reactores en lecho fluidizado. Edición especial

2009. • CONESA, Juan. Reactores de lecho fluidizado, diseño de reactores

heterogéneos. Universidad de Alicante, España. • ALVARADO, María del Rosario. Caracterización en frío de un reactor solar de

lecho fluidizado para la pirólisis de la biomasa. Tesis (Licenciatura en Ingeniería en Energía). México, D.F, Universidad Autónoma Metropolitana, División de ciencias básicas en Ingeniería. 2005.

• QUEZADA, Sergio. Distribución de tamaños de partículas en un reactor de lecho fluidizado. Tesis (Licenciatura en Ingeniería en Energía). México, D.F, Universidad Autónoma Metropolitana, División de ciencias básicas e Ingeniería. 2008.

• URRUTIA, Rodrigo. Diseño de un secador piloto de lecho fluidizado para biomasa forestal. Tesis (Ingeniero Mecánico). Valdivia, Chile. Universidad Austral de Chile. Facultad de ciencias de la Ingeniería. Escuela de Mecánica, 2006.

• Bio-combustibles líquidos: Situación Actual y oportunidades de futuro para ESPAÑA. España, 2010.


81

LINKOGRAFIA

• MINISTERIO DE ENERGIA: http://www.minenergia.cl/ • COMISION DE ENERGIA: http://www.cne.cl/ • BIO OIL Exploitation NV:

http://www.bio-oil-holding.eu/EN/bio-oil-spanish.pdf • Procesos de transformación de la biomasa en energía:

http://www.grupoblascabrera.org/ter/bioma/bioma03.htm • Servicios de agua y drenaje:

http://www.sadm.gob.mx/PortalSadm/jsp/prensa.jsp?id=313 • The Bioenergy international:

http://www.bioenergyinternational.es/noticias/News/show/pirlisis-rpida-466 • Procesos Bio:

http://procesosbio.wikispaces.com/Ciclaci%C3%B3n • Lavador de gases o Scrubber:

http://es.scribd.com/doc/59470391/24/Lavador-de-gases-o-Scrubber • Innova Bio Bio:

http://www.innovabiobio.cl/financiamiento/innovacion/innovacion-empresarial/ • Reactores Químicos:

http://www.galeon.com/hamd/pdf/reactorquimico.pdf • http://www.encyclopedia.airliquide.com


82

ANEXOS Anexo A

Tabla .1. Características de los ciclones convencionales

Fuente: “Revista de ingenierías universidad de Medellín” www.ingenieroambiental.com


83

Anexo B

• Sistema internacional de unidades (SI) Tabla B.1. Unidades base del SI Tabla B.2. Unidades derivadas con nombre propio del SI Tabla B.3. Prefijos del SI


84

• Tablas de conversión de unidades

Tabla B.4. Longitud Tabla B.5. Superficie Tabla B.6. Volumen Tabla B.7. Masa Tabla B.8. Velocidad


85

Tabla B.9. Presión Tabla B.10 . Energía Tabla B.11. Potencia Tabla B.12. Coeficiente global de transferencia


86

Tabla B.13. Caudal volumétrico


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Anexo C

• Cálculo del calor específico de los gases condensables y calor latente de vaporización del bioaceite.

Tabla C.1. Porcentaje de algunos componentes de los gases condensables (gas de síntesis) y no condensables (gas pobre).

Datos:

- Calor específico (C) de cada compuesto en fase gaseosa a condiciones normales (P=1 atm, T=25°C). CCO= 0,029 (kJ/mol K) CCO2= 0,037 (kJ/mol K) CH2= 0,029 (kJ/mol K) CCH4= 0,035 (kJ/mol K)

- Calor latente de vaporización del Bioaceite (�) de cada compuesto en fase liquida a presión atmosférica. 4�Ä= 214,85 (kJ/kg) 4�ÄA= 571,08 (kJ/kg) 4ÅA= 454,3 (kJ/kg) 4�ÅX= 510 (kJ/kg)

Fuente: Gutiérrez, M, Rodríguez, M. Conversión termoquímica de la biomasa. [pdf].


88

- Peso molecular (PM) de cada compuesto

PMCO= 28 g/mol W,WAb ( «ÆÇÈÉ Ê ) W,WAZ ( «¬ÇÈÉ) = 1,035( �Ë�� )

PMCO2= 44 g/mol W,W[� ( «ÆÇÈÉ Ê ) W,WXX ( «¬ÇÈÉ) = 0,841( �Ë�� )

PMH2= 2 g/mol W,WAb ( «ÆÇÈÉ Ê ) W,WWA ( «¬ÇÈÉ) = 14,5( �Ë�� )

PMCH4= 16 g/mol W,W[� ( «ÆÇÈÉ Ê ) W,W*� ( «¬ÇÈÉ) = 2,187( �Ë�� )

- Densidad (ρ) de cada compuesto en fase gaseosa a condiciones normales

(P=1 atm, T=25°C). ρCO = 1,184 (kg/m3) ρCO2 = 1,87 (kg/m3) ρH2 = 0,085 (kg/m3) ρCH4 = 0,68 (kg/m3)

- Densidad (ρ) de cada compuesto en fase líquida a condiciones normales

(P=1 atm, T=25°C). ρCO = 788,6 (kg/m3) ρCO2 = 1032 (kg/m3) ρH2 = 70,973 (kg/m3) ρCH4 = 422,62 (kg/m3)

Cálculos: Se estima un promedio del volumen seco para cada compuesto, quedando los

siguientes valores: CO en 45 % CO2 en 15 % H2 en 27 % CH4 en 6 %


89

Como se encuentran en porcentaje de volumen seco, se asume la cantidad de moles de cada compuesto, y con el peso molecular de cada uno se transforman a kilogramos, quedando de la siguiente manera:

CO: 45 moles * 28 (g/mol) = 1260 (g) = 1,26 (kg) CO2: 15 moles * 44 (g/mol) = 669 (g) = 0,66 (kg) H2: 27 moles * 2 (g/mol) = 54 (g) = 0,054 (kg) CH4: 6 moles * 16 (g/mol) = 96 (g) = 0,096 (kg)

� Cálculo del calor específico de los gases condensables Se obtiene de la siguiente manera: ÌÍÎÏ = (Ð�Ä ∗ 0�Ä) + (Ð�ÄA ∗ 0�ÄA) + (ÐÅA ∗ 0ÅA) + (Ð�ÅX ∗ 0�ÅX)

Como se observa en la tabla C.1, los porcentajes están dados de forma volumétrica, por lo tanto para obtener el calor específico se debe pasar cada compuesto a un porcentaje gravimétrico.

Ð = ÑÑ� ∗ Ò

Donde la densidad total se calcula utilizando la densidad en fase gaseosa de

cada compuesto: Ñ� = (Ò�Ä ∗ `ÌÓ ) + (Ò�ÄA ∗ `ÌÓp ) + (ÒÅA ∗ `Ôp) + (Ò�ÅX ∗ `ÌÔÕ ) Ñ� = (0,45 ∗ Ö, Ö×Õ) + (0,15 ∗ Ö, ×Ø) + (0,27 ∗ Ù, Ù×Ú) + (0,06 ∗ Ù, Û×) Ñ� = 0,87705 (+=�[)

Ahora se calcula la composición gravimétrica para cada compuesto:

Ð�Ä = 1,184W,Z��W� ∗ 0,45 Ð�Ä = 0,607

Ð�ÄA = 1,87W,Z��W� ∗ 0,15 Ð�ÄA = 0,319

ÐÅA = 0,085W,Z��W� ∗ 0,27 ÐÅA = 0,026

Ð�ÅX = 0,68W,Z��W� ∗ 0,06 Ð�ÅX = 0,046


90

Por lo tanto una vez obtenida la composición gravimétrica y sabiendo el calor específico de cada compuesto, se procede a calcular un supuesto calor específico de los gases condensables.

ÌÍÎÏ = (0,607 ∗ 1,035) + (0,319 ∗ 0,841) + (0,026 ∗ 14,5) + (0,046 ∗ 2,187) ÌÍÎÏ = 1,3753 ¿ +Ü+= ÝÀ = 0,328 ¿ +,-.+= °0À

� Cálculo del calor latente de vaporización del bioaceite.

Se obtiene de la siguiente manera: ÞßÌ = (Ð�Ä ∗ 4�Ä) + (Ð�ÄA ∗ 4�ÄA) + (ÐÅA ∗ 4ÅA) + (Ð�ÅX ∗ 4�ÅX)

Donde G se obtiene de la misma manera que en el cálculo de calor específico, pero utilizando las densidades en fase líquida. Ð = ÑÑ� ∗ Ò

Por lo tanto utilizando las densidades en fase líquida, se obtiene la densidad

total: Ñ� = (Ò�Ä ∗ `ÌÓ ) + (Ò�ÄA ∗ `ÌÓp ) + (ÒÅA ∗ `Ôp) + (Ò�ÅX ∗ `ÌÔÕ )

Ñ� = (0,45 ∗ Ø××, Û) + (0,15 ∗ ÖÙàp) + (0,27 ∗ ØÙ, áØà) + (0,06 ∗ Õpp, Ûp) Ñ� = 554,187 (+=�[)

Ahora se calcula la composición gravimétrica para cada compuesto:

Ð�Ä = �ZZ,��X,*Z� ∗ 0,45 Ð�Ä = 0,64

Ð�ÄA = 1032��X,*Z� ∗ 0,15 Ð�ÄA = 0,279

ÐÅA = 70,973��X,*Z� ∗ 0,27 ÐÅA = 0,034

Ð�ÅX = 422,62��X,*Z� ∗ 0,06 Ð�ÅX = 0,045


91

Sabiendo el calor latente de vaporización de cada compuesto, se procede a calcular un supuesto calor latente de vaporización del bioaceite.

ÞßÌ = (0,64 ∗ 214,85) + (0,279 ∗ 571,08) + (0,034 ∗ 454,3) + (0,045 ∗ 510) ÞßÌ = 335,23 ¿ +Ü+= À = 80,08 ¿Ý,-.+= À


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