Cálculo y diseño de un destilador solar para la producción de Pisco

Gonzalo Chávez Oblitas

Alex Ventura Luis

CÁLCULO Y DISEÑO

DE UN DESTILADOR

SOLAR PARA LA PRODUCCIÓN

DE PISCO

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Gonzalo Chávez Oblitas &Alex Ventura Luis

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0457

Editor: Víctor López Guzmán

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PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

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Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

1

“CALCULO Y DISEÑO DE UN DESTILADOR SOLAR PARA LA

PRODUCCION DE PISCO”

(Autores: M Sc. Gonzalo Chávez Oblitas;

Bach. Alex Ventura Luis)

Institución: Universidad Nacional de San

Agustín

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación,

titulado “CALCULO Y DISEÑO DE UN

DESTILADOR SOLAR PARA LA

PRODUCCION DE PISCO” se da a conocer

la importancia de la energía solar, como

fuente alternativa de energía en la actualidad

y así evitar el uso de combustibles fósiles,

como el petróleo. La energía solar es una

alternativa en muchos lugares del mundo,

este trabajo se desarrolla con datos de

radiación solar en la zona sur del Perú, los

altos índices de radiación y la cantidad de

días soleados al año, hacen que este

proyecto sea técnicamente factible, se ha

tenido que fabricar un modelo de destilador

solar a escala para las pruebas en esta zona

privilegiada en el mundo y se debe

realizar este tipo de proyectos y estudios

para demostrar que el proceso tradicional

peruano de elaborar el Pisco en las

legendarias Falcas, se lo puede reemplazar

con el uso de la energía solar.

Se determina el modelo más adecuado y

eficiente para el propósito de elaborar 100

litros de Pisco al día de alta concentración.

Se calcula el área de concentradores solares

y se diseña la planta, que estará ubicada en

la localidad de Majes ,Arequipa, Perú.

Se analiza la factibilidad económica

encontrando un alto costo de inversión

inicial con una planta solar, pero también

se demuestra que el periodo de

recuperación de esta inversión es

relativamente corto de acuerdo al tiempo de

vida del proyecto.

Por último, se analiza la importancia de este

tipo de proyectos para atenuar el cambio

climático actual, ocasionado por el efecto

invernadero, se dejara de producir una

cantidad de Ton de CO2, con el proceso

convencional de quemar petróleo por usar

la energía limpia del sol.

1.- ANTECEDENTES.-

Cada vez la aplicación de la energía solar

es más amplia en el mundo, en nuestra

región se tiene una de las radiaciones

solares más altas a nivel mundial, así

mismo la necesidad de energía para la

elaboración de variados productos

agroindustriales a veces es limitante por

los altos costos de los combustibles,

sobre todo los hidrocarburos líquidos

como el petróleo o kerosene, que hacen

no competentes a nuestros productos por

sus altos costos de producción.

La energía eléctrica es costosa para

aplicaciones industriales, dado que los

costos operativos en nuestras centrales

térmicas de la región llegan a valores

entre 90 a 120 $/MW-h, esto se traduce

2

en las altas tarifas de la E.E. para el

sector industrial.

Existen diversas experiencias aisladas en

la aplicación de la energía solar para fines

de destilación, algunas exitosas y

sostenibles, se han desarrollado

diferentes modelos físicos para lograr el

objetivo del presente trabajo.

2.- NECESIDAD.-

La producción de Pisco, licor tradicional

peruano que se realiza a partir del mosto

de la uva, por un proceso de destilación,

está en aumento, habiendo más de 500

fabricantes en la zona sur del Perú. El

grado de competitividad es cada vez

mayor y la necesidad de bajar los costos

de producción así como mejorar la calidad

es una preocupación del productor.

El proceso mayormente usado es por

destilación, en alambiques o falcas de

cobre, usando energéticos como el

petróleo, GLP y kerosene para procesos

industriales y carbón o leña para procesos

artesanales, los primeros tienen un alto

costo y contribuyen con el efecto

invernadero y el cambio climático

FIG 1.- PROCESO TRADICIONAL

3.- JUSTIFICACION DE INVESTIGAR.-

- Se justifica la investigación por

realizarse para fines industriales de

producción, con una capacidad de

producción entre 90 a 100 litros/día

de producto.

- El desarrollo de las energías

renovables en nuestra región, esta

aplicación se proyecta para la

localidad de Majes, lugar de

producción de la materia prima,

donde se registra un buen nivel de

radiación solar durante el año.

- Debe lograrse un modelo físico

eficiente y con materiales resistentes

a las condiciones ambientales de la

zona y con características sanitarias.

- La producción de Pisco aumenta

considerablemente cada año.

CUADRO 1.- PRODUCCION DE PISCO EN

Año

Volumen (Millones

de Litros)

2000 1.64

2001 1.83

2002 1.5

2003 2.36

2004 2.9

2005 3.96

2006 5.00

2007 6.13

2008 6.59

2009 6.67

3

EL PERU (PRODUCE)

CUADRO 2.- ENERGIA SOLAR POR DEPARTAMENTO

FIG. 2.- MAPA SOLAR PERUANO

4.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION.- 4,1.- OBJETIVO PRINCIPAL.-

Obtener un diseño eficiente de

destilador de capacidad industrial,

que use la energía solar como

fuente de energía.

4,2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS.-

- Usar las energías renovables

para reemplazar la combustión

de los combustibles fósiles.

- Desarrollar la innovación

tecnológica y competitividad entre los

productores.

- Reducir los costos de fabricación de

productos como el pisco para fines de

comercialización y exportación.

- Desarrollar la industria de

maquinaria agroindustrial para

dar el valor agregado a nuestras

materias primas

5.- HIPOTESIS DE LA INVESTIGACION.-

La aplicación de un destilador solar

con un diseño adecuado, reducirá

los costos de producción del Pisco.

6.- ALTERNATIVAS DE DISEÑO

6,1.- DESTILADOR SOLAR TIPO INVERNADERO-

Este es un modelo de destilador solar de

gran tamaño. Se trata de estructuras de

invernaderos que en su interior

4

albergan un estanque de agua de poca

profundidad y con el fondo de color

negro. El agua evaporada se condensa

en las paredes del invernadero y se

desliza hacia los receptáculos situados

en la base de las paredes. En esencia

es el mismo modelo que el destilador

solar de dos vertientes pero de grandes

proporciones.

FIG.3.- DESTILADOR INVERNADERO

6.2.- DESTILADOR SOLAR DE CASCADA-

Modelo de destilador en forma de

terrazas. En la parte superior de cada

una de las terrazas se disponen los

estanques con fondo de color negro

llenos de agua para destilar. Cuando la

radiación solar incide en el destilador

comienza la evaporación. El agua en

estado gaseoso se condensa en una

superficie transparente dispuesta de

forma inclinada sobre las terrazas y se

desliza hacia el receptáculo situado en

la parte baja del destilador.

El nombre de cascada le viene dado

por los momentos en los que se

repone agua para destilar o en los que

se efectúan labores de limpieza. En

estos procesos se deja correr el agua

desde una cañería en la parte superior

provocando el efecto cascada

conforme esta se desliza por las

terrazas. En la base del destilador hay

un desagüe para recoger la salmuera o

otros residuos dejados por el agua al

evaporarse.

FIG. 4.- DESTILADOR EN CASCADA

6,3.- DESTILADOR SOLAR ESFÉRICO DE BARREDERA-

La particularidad de este modelo se

basa en la forma esférica del material

transparente así como en la

introducción de una barredera que

lame su cara interna y que está

accionada por un pequeño motor. En

una bandeja con fondo de color oscuro

situada en la parte central de la esfera

se coloca el agua a destilar.

Este modelo tiene forma esférica

buscándose favorecer la captación

solar al evitarse las sombras que

alguna parte del destilador pueda

5

provocar en otra. Además la forma

esférica logra mantener una mayor

inercia térmica facilitando un mayor

aprovechamiento del calor producido

por la energía solar.

Por su parte la barredera arrastra las

pequeñas gotas que se van formando

en el interior de la esfera juntándolas y

provocando que se precipiten por

gravedad a la parte baja donde se

acumulan. Con el sistema de

barredera se evita que las gotas

reflejen la radiación solar y se permite

que el agua en estado gaseoso se

condense con mayor facilidad en las

paredes. Estos factores aumentan el

rendimiento del equipo si bien como

contrapartida se tiene que es

necesario suministrarle energía

eléctrica para hacer posible el

movimiento de la barredera.

FIG. 5.- DESTILADOR ESFERICO

6,4.- ALTERNATIVA MÁS CONVENIENTE.-

DESTILADOR TIPO INVERNADERO.-

- Diseño sencillo y de buena eficiencia

- Diseño económico para la ejecución y de fácil operación. - Requiere un área considerable para el proyecto, que se la dispone.

7.- CALCULO DEL DESTILADOR.- 7,1.- PARAMETROS INICIALES.-

PARAMETRO CANTIDAD

CAPACIDAD 100 Litros/día

AREA DISPON. 2 000 m2

RADIACION (p/a) 6 Kw-h/m2

TEMP. EVAPOR. 76 ° C

EFICIENCIA DEST. 30 %

Cp PICSO (Etanol) 2,2 kJ/kg K

TEMP. AMBIENTE 20 ° C

NUMERO DE HORAS 6 (9 a 15)

AREA COLECTOR 9,00 m2

7,2.- PARAMETROS A DETERMINAR.-

PARAMETRO CANTIDAD

PORCENT. EVAPORAD ? litros

CANT. DE MOSTO ? litros

AREA DE COLECTOR ? m2

NUMEROS DE COLECT ? unds

7,3.- PORCENTAJE DE EVAPORADO.

Para determinar el porcentaje de

evaporado se tuvo que realizar

experiencias de laboratorio con un

modelo físico de evaporador

fabricado a escala.

Por datos de experiencia en otros

lugares este valor está entre 4 a

8%

6

7,4.- DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL PORCENTAJE DE EVAPORACION.-

Se realizaron tres pruebas en

diferentes fechas, logrando un

promedio de 6% de evaporación, con

una película de tres cm. en el

concentrador. (Ver protocolo de pruebas en anexo)

7,5.- DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE MOSTO PARA EL PROCESO.-

De acuerdo a las experiencias

realizadas se obtiene 120 ml de licor a

partir de 2 litros de mosto en el modelo

para obtener los 100 litros de producto

se requerirán de:

X = Cantidad de mosto para evaporar

100 litros de Pisco.

7,6.- AREA DEL COLECTOR POR CAPACIDAD.-

7,7.- NUMERO DE COLECTORES.-

Cada colector propuesto es de 9 m2,

por lo tanto el numero de colectores

será:

Se consideran 7 colectores de 9 m2 cada

uno.

7,8.- CANTIDAD DE ENERGÍA REQUERIDA PARA EL PROCESO.-

E = Energía en kJ

m = masa en kg

Cp = Coeficiente de calor especifico

Δt = Variación de la temperatura

7,9.- AREA DEL COLECTOR SOLAR POR ENERGIA.-

A = Área de colector en m2

E = Energía requerida en kJ

R = Radiación promedio 6 kW-h/día

n = Eficiencia 0,30 (Asumido por

experiencias publicadas)

7

Se considera el Área por capacidad.

CONCLUSION: Por la disposición en planta se corrige a:

Numero de colectores: 8

Área de cada colector: 8 m2

Área del colector: 64 m2

8.- DISEÑO DEL DESTILADOR.- 8,1.- CONSIDERACIONES.-

- Material de fabricación acero

inoxidable 304-2B

- Área efectiva de 8 m2

- Acabado sanitario, pulido.

- Aislante térmico de poliuretano

- Vidrio de 4 mm. a dos aguas

- Drenaje sanitario

FIG. 6.- SECCION DEL DESTILADOR

FIG.7.- SECCION DEL COLECTOR

FIG.8.- DISPOSICION EN PLANTA (1 500 m2)

9.- COSTO DEL ENERGETICO EQUIVALENTE.- Normalmente los alambiques o las Falcas

usan:

- Petróleo D2

- GLP

- Energía eléctrica

Con cualquiera de estos energéticos

tenemos que lograr 204 512 kJ

9,1.- COSTO CON PETROLEO D2.-

8

C = Cantidad de petróleo D2

E = Energía necesaria kJ

PC = Poder calorífico del combustible.

Costo del Petróleo D2 = 4,20 $/gl

COSTOpetroleo = 18,50 $/día

COSTOpetroleo = 554 $/mes

9,2.- COSTO CON GLP.-

Costo del kg de GLP = 1,4 $

COSTOglp = 5,2 * 1,4

COSTO glp = 7,3 $/dia

COSTOglp = 220 $/mes

9,3.- COSTO CON E.E..-

ENERGIA (kW) = E (Kj)/28800 s

ENERGIA (kW) = 7,10 kW

1 Kw-h = 0,3 $

COSTOee = 7,10 * 8 * 0,3

COSTOee = 17 $/día

COSTOee = 510 $/mes

RESUMEN:

RECURSO COSTO OP.

$/mes

Petróleo D2 554,00

GLP 220,00

E.E. 510,00

Energ. Solar 00,00

10.- EVALUACION ECONOMICA.- El tiempo de recuperación de la inversión

T.R.I. = ?

Costo de alambique a GLP = $ 15 000

Ahorro neto mensual: $ 220,00

El costo de fabricación de los ocho

colectores con la instalación de los

tanques para el mosto y recepción del

Pisco en acero inoxidable, sin considerar

obras civiles asciende a la suma de

$ 34 000,00

Resulta 19 000 dólares más caro, esta

inversión se recupera en:

T.R.I = 19 000/ 220 = 87 meses.

T.R.I = 7 años

9

FIG. 9.- ALAMBIQUE A GAS 11.- IMPACTO AMBIENTAL DEL PROYECTO.-

La Energía Solar Térmica tiene dos

grandes ventajas ambientales en

comparación con otras energías no

renovables.

• Emplea un recurso inagotable: la

radiación solar.

• Su impacto sobre el medio

ambiente es mínimo. Los posibles

impactos medioambientales en la fase

de instalación no tienen un carácter

permanente, y desaparecen en la fase

de explotación.

• No emite gases contaminantes a la

atmósfera, ni gases de efecto

invernadero. Un elemento favorable de

la energía solar térmica es que su

aplicación suele tener lugar en el

entorno urbano, en donde la

concentración de contaminantes

atmosféricos es más elevada.

• No afecta a la calidad de las aguas ni

al suelo. No produce ruidos molestos.

• El principal impacto de los sistemas

solares térmicos sobre el medio físico es

el efecto visual sobre el paisaje, por lo

que se ha de poner especial atención

en su integración cuidadosa en el

entorno, así como en su adaptación a

los edificios.

• No existen efectos negativos sobre

flora y fauna, aunque sí se ha de prestar

especial atención en aquellas

instalaciones que ocupen una gran

extensión de terreno

12.- CONCLUSIONES.-

1.- Se ha logrado un diseño adecuado de

destiladores solares para la elaboración de

Pisco en la localidad de Majes.

2.- Si bien el costo de inversión es alto, el

tiempo de recuperación de la inversión es

de siete años, periodo relativamente corto

según la vida de 20 años del proyecto.

3.- Con este proyecto de innovación

tecnológica y uso de la energía solar

térmica para fines agroindustriales, se

muestra al empresario que esta

tecnología que ha dado resultado en otros

países como España y Chile también resulta

en el sur peruano por la alta radiación con la

que contamos.

4.- Se debe tomar conciencia del cambio

climático y los perjuicios que esto puede

traer para el mundo, sino desarrollamos

10

estos proyectos que son una alternativa

limpia y económica para muchos sectores

BIBLIOGRAFIA

ENERGIA SOLAR TERMICA…… Cámara

de Comercio de Madrid – 2010

DESTILACION INDUSTRIAL ……Revista

industrial volumen 4 México.

QUÍMICA INDUSTRIAL ORGÁNICA por

Silvia Álvarez Blanco 2005 Madrid España

Estadísticas del MINISTERIO DE AGRICULTURA – Perú 2009