| PONENCIA N° 43 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS TECNOLÓGICOS,

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE SECADOR QUE EMPLEA BIOGÁS PARA EL SECADO DE

HORTALIZAS Y FRUTAS EN EL DISTRITO DE MAJES, PROV. CAYLLOMA –AREQUIPA

MAGISTER ING. GUSTAVO MIGUEL PACHECO PACHECO UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA DE AREQUIPA

UBICACION DE MAJES

IRRIGACION MAJES

NEGOCIOS INDUSTRIALES

PRINCIPAL ACTIVIDAD

DONDE ESTA MAJES IRRIGACION

ECONOMIA MUNDIAL Y ACTIVIDAD PECUARIA MUNDIAL

• El ganado no representa un elemento de gran peso en la economía mundial ya que genera poco menos del 1,5% del total del PIB. Pero el sector pecuario tiene gran importancia social y política en los países en desarrollo porque proporciona ingresos y alimento a mil millones de personas pobres, sobre todo en las zonas áridas, donde el ganado es muchas veces el único medio de sustento.

PRODUCCION PECUARIA EFECTOS

• la FAO estima que el ganado es responsable del 18% de las emisiones de gases que producen el efecto invernadero, un porcentaje mayor que el del transporte.

• El sector pecuario produce el 9% de las emisiones antropogénicas de CO2,

• emisiones de otros gases que tienen más potencial de calentar la atmósfera: hasta un 37% del metano antropogénico, casi todo procedente de la fermentación entérica de los rumiantes, y el 65% del óxido nitroso antropogénico, la mayor parte procedente del estiércol.

EMISIONES DE METANO

LA FAO DICE QUE HACER

• Emisiones de gases: intensificación sostenible de la producción pecuaria y de cultivos forrajeros para reducir las emisiones de CO2 producidas por la deforestación y la degradación de los pastizales, mejor nutrición de los animales y tratamiento del estiércol para reducir las emisiones de metano y nitrógeno. Contaminación del agua: mejor tratamiento de los desechos animales en las unidades industriales de producción, mejor alimentación para incrementar el aprovechamiento de los nutrientes, mejor tratamiento del estiércol y mejor uso del abono de estiércol en los cultivos. FUENTE: Livestock's long shadow (FAO, 2006) – pdf, http://www.fao.org/ag/esp/revista/0612sp1.htm

TRATO DE RESIDUOS-ESTIERCOL

PRODUCCION DE BIOGAS

PRODUCTOS

• El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dióxido de carbono. Cuando el biogás tiene un contenido de metano superior al 45% es inflamable

PODER ENERGETICO COMPARACION

APLICACIONES DEL BIOGAS

El secado

• DEFINICION: El secado es una operación unitaria la cual consiste en separar liquidos volátiles, a relativamente pequeñas cantidades,de los solidos. En general, el secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material. La evaporación se refiere a la eliminación de cantidades de agua bastante grandes; además, ahí el agua se elimina en forma de vapor a su punto de ebullición. En el secado, el agua casi siempre se elimina en forma de vapor con aire

• Fuente:figurahttps://loquevemosdespacito.wordpress.com/2012/01/29/enfoque-295-toma-49-secado-de-cacao/

SECADORES

Estático: éste es un lecho denso de sólidos

en el cual cada partícula descansa sobre

otras, debido a la densidad de la masa de la

fase sólida. Es decir, no existe movimiento

relativo entre las partículas sólidas.

Móvil: este es un tipo de lecho de sólidos

ligeramente restringido en el cual las

partículas están separadas apenas lo

suficiente para fluir o deslizarse unas sobre

otras. Por lo común el flujo es descendente

por acción de la fuerza de gravedad; pero

también se puede registrar un movimiento

ascendente debido a la elevación mecánica o

a la agitación, generadas dentro del equipo

de proceso.

Fluidizado: las partículas sólidas se

sostienen por medio de fuerzas de arrastre

provocadas por la fase gaseosa que pasa por

los intersticios de las partículas, con una

velocidad crítica dada.

Diluido: ésta es una condición de expansión

total en la cual las partículas sólidas están

tan separadas entre sí que prácticamente no

ejercen ninguna influencia unas sobre otras.

OTRA CALIFCACION DE SECADORES

• • El método de transmisión de calor a los sólidos húmedos • Secadores directos. • Secadores indirectos. • Secadores diversos. • Las características de manejo y las propiedades físicas del material

mojado • Secadores discontinuos o por lote. • Secadores continuos. • Secadores para sólidos granulares o rígidos y pastas semisólidas. • Secadores que pueden aceptar alimentaciones líquidas o

suspensiones

ELECCION

• Secadores Directos Por lotes: se diseñan para operar con un tamaño específico de lote de alimentación húmeda, para ciclos de tiempo dado. En los secadores por lote las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto del equipo.

• Tipos de secadores directos por lotes. • Circulación directa: el material s coloca en bandejas con

base tamiz a través. de las cuales se sopla aire caliente. • Bandeja y compartimiento: el material se coloca en

bandejas que pueden o no montarse en carretillas removibles. El aire se sopla sobre el material contenido en las bandejas.

CARACTERISTICAS DEL SECADOR

• Tipo de Secador elegido para nuestro proyecto,para frutas y hortalizas es, un secador de bandejas, de cabina y por lotes que consiste en una cabina aislada provista interiormente de un ventilador para forzar el aire frio del ambiente y que atraviesa un intercambiador de calor; el aire caliente saliente es direccionado con deflectores ó láminas ajustables, horizontalmente entre bandejas cargadas de alimento ó producto a secar

CARACTERISTICAS DEL SECADOR

• Temperatura: menor a 70 °C (de acuerdo a las temperaturas máximas usadas en el secado de alimentos).

• Velocidad de aire: de 1 a 4,1 m/s (promediando las velocidades de aire usadas por secadores comerciales empleados industrialmente).

• Tipos de flujo: radial y transversal.

CARACTERISTICAS DEL SECADOR

CARACTERISTICAS DEL SECADOR

CARACTERISTICAS DE LOS BIOREACTORES

Fuente: Fabricantes Cidelsa,2014

MANOS A LA OBRA PROCESO DE SECADO

SECADO DE OREGANO

• Decremento en el tiempo del contenido de agua en el producto

• Para determinar experimentalmente la velocidad de secado se procedió al secado de orégano Humedad inicial del Orégano, 55.6%.

• Se colocó 1,15 Kg /bandeja y se evaluó el peso cada 30 minutos hasta obtener peso constante, el ratio de peso por área expuesta es 2,4 Kg/m2.

-Decremento en el tiempo del contenido de agua en el producto

CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO • Obtención de curva de velocidad de secado

• Se procede al cáLculo del contenido de masa total del agua por masa total del solido

• Xt= W-Ws = Masa Total de agua

• Ws Masa total del solido seco

•

• Donde,

• W= Peso del solido húmedo (masa total del agua + solido seco) a diferentes tiempos de (t) horas de secado

• Ws= Peso del solido seco (cuando el peso de la muestra se mantiene constante,es decir ya no Pierde humedad

• Habiendo establecido las condiciones de velocidad constante,se determino el contenido de humedad de equilibrio,X * cuyo valor es 10.26%

• X*= Masa de Humedad de equilibrio

• Masa de solido seco

• Con esto se procede a calcular el valor del contenido de humedad libre X en masa de agua libre/masa de solido seco para cada valor de -Xt

• X= Xt- X*

• Usando los datos calculados con la ecuación anterior se traza una grafica del contenido de humedad libre en función del tiempo t en horas.

CURVA DE VELOCIDAD DE SECADO

• Los datos previos obtenidos en laboratorio de humedad de equilibrio para el orégano 10.26%

• X*= 1.15 Kg x 0.1026= 0.118 Kg

• La humedad del Orégano también fue obtenido en laboratorio y fue 55.6%

• Presencia de agua: Considerando un peso en bandeja de 1. 15 Kg de Orégano, tenemos

• 1.15 Kg x 0.556 = 0.6394 Kg de agua

• La materia seca es:

• 1.15 Kg-0,6394 Kg = 0.5106 Kg, que se denomina Ws

Grafica de la Humedad libre en relación al tiempo obtenida en el

secado de Orégano

VELOCIDAD DE SECADO

• El paso siguiente es efectuar los cálculos para obtener una curva de velocidad se secado se miden las pendientes de las tangentes de la curva lo que proporciona los valores dx/dt para ciertos valores de tiempo(t).Se calcula entonces, la velocidad R para cada punto con la expresión:

• • R= - Ls dx • A dt • • Donde • R= Velocidad de secado, masa de agua/tiempo x área • Ls= Masa del solido seco, 0,5106 • A= Área superficial expuesta al secado, 0,48 m2

VELOCIDAD DE SECADO EN FUNCION DE HUMEDAD LIBRE

El contenido de humedad libre que corresponde al valor 0.889, hasta el punto 0.649, a temperatura de la superficie alcanza digamos valores parecidos o constantes, es decir hasta aquí es el periodo de velocidad constante de secado, de allí la velocidad de secado empieza a disminuir es decir estaría en el periodo de velocidad decreciente hasta llegar al punto 0.034 de Humedad Libre. De donde deducimos que el tiempo de secado es 4.5 horas. para el Orégano

ANALISIS TECNICO ECONOMICO

• • Los Biodigestores con los que se trabajó son tubulares y de 10 m3 de

capacidad cuya producción real en Biogás es de 1 metro cubico (m3)/día. • Para la evaluación económica se tomó como referencia el comparar el

Biogás con el Gas Licuado de Petróleo (GLP) que una mezcla de propano y butano, que sería el combustible que se podría usar en lugar del biogás, por ello se asume el precio de 38.00 soles por 10 Kg de GLP, y en base a ello se menciona el ahorro generado al uso del biogás en lugar de GLP

• Así mismo en la producción de Biogás el biodigestor produce Biol(Biofertlizante), cuyo precio es de 12.50 soles /100 litros, lo que incrementa el ingreso y el beneficio que se tiene al desarrollar la biodigestión de la heces del ganado.

• El Biol es un biofertilizante producido en la fermentación anaerobia de las heces de animales, en este caso de vacunos, rico en potasio, fosforo, nitrógeno capaz de reemplazar a los fertilizantes químicos, que son más caros y dañan al medio ambiente

IMPACTO AMBIENTAL

• Potencial de Calentamiento Global (PCG). • El Potencial de Calentamiento Global (PCG) es utilizado para medir

la capacidad que tienen diferentes gases de efecto invernadero en la retención del calor en la atmósfera. El dióxido de carbono (CO2) es la base para todos los cálculos y su potencial de calentamiento global es medido en 1. Cuanto más alto sea el PCG que produce un gas, mayor será su capacidad de retención del calor en la atmósfera. Entonces podemos afirmar que cuantos más altos sean los índices de PCG en la atmósfera más rápido se producirá el cambio climático.

• La siguiente tabla se indica la capacidad de retención del calor de los gases de efecto invernadero en comparación con el dióxido de carbono (CO2) en un período de 20 y 100 años.

POTENCIAL CALENTAMIENTO GLOBAL

Fuente: Climate Change 2007: the Fourth Assessment Report (AR4), Intergovernmental Panel on Climate Change

CALCULEMOS PARA NUESTRO PROYECTO

• Nuestro proceso involucre tener un aproximado de 50% de metano en nuestro biogás

• Del cual se produce para el proceso de secado 2.4 m3 /hora por un aproximado de 5 horas se ha logrado evitar el 12.0 m3 de metano, es decir el impacto positivo es el usar el metano para el secado y no liberarlo al medio ambiente.

• El impacto negativo es que al combustionar el metano también liberamos dióxido de carbono CO2

• En base a la ecuación o reacción química siguiente:

• metano + oxígeno = dióxido de carbono + agua CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O (1)

• es decir por cada mol de metano se forma 1 mol de CO2, de manera que el

impacto ambiental neto tomando en consideración solo el metano por ser el gas que está presente en mayor proporción, se representa en la tabla siguiente

CALCULEMOS PARA NUESTRO PROYECTO

• Utilizando la ecuación general de los gases: • • P x V = N x R x T (2) • • Dónde: P=Presión, V= Volumen, N= Número de moles, R= constante Universal de

los gases ideales, T=Temperatura en ° Kelvin. • P= 855.7 presión en majes • V= 1 m3 de biogás donde el 50% es metano es 500 litros • R= 62. 4 mmHg x litros/mol kelvin • T= 25 °C, temperatura promedio en Majes. • N= Número de moles • Reemplazando y despejando moles en la ecuación (2): • N= 23 moles • Al combustionar también se genera 23 moles de CO2, pero de acuerdo a la tabla

N° 11, el impacto es mucho menor • Asimismo la producción de biogás involucra un 40% de CO2 que aplicando la

ecuación anterior (2) tenemos N=18.4 moles

CALCULEMOS PARA NUESTRO PROYECTO

CALCULEMOS PARA NUESTRO PROYECTO

• De acuerdo al cuadro anterior el impacto de la aplicación en el secado tiene un Potencial de Contaminación Global (PCG) expresado en moles de 41.4 mucho menor que un PCG de 1426 en 20 años y expresado en 100 años también es menor pues tiene un PCG con 529 y un PCG de 41.4 si lo usamos en el secador , de donde apreciamos el beneficio de atenuar el impacto de PCG cuando lo aplicamos en el secado .

• Existe entonces una reducción del PCG para después de 20 años de 1384.6 y para 100 años un PCG de 487.6, si es que se aplica el secado

GASES DE EFECTO INVERNADERO

• Aplicamos la ecuación siguiente para el metano • RE= ELB-EP (3) • Donde:

• RE= Reducción de emisiones de Gases de Efecto

invernadero GEI, Toneladas/año • ELB=Emisiones Línea Base de GEI ton/año • EP=Emisiones con proyecto ton/año

CONCLUSIONES

• Se logró la construcción y el diseño de un secador de flujo forzado cuyas características principales son:

• Material de Construcción: Revestimiento interno de Acero Inoxidable, de aproximadamente 3.80 m de largo, 1.72 m de altura y 0,88 m de ancho. Mallas de acero inoxidable de 9.6 m2, de área de secado, dispone asimismo de ducto de recirculación para optimizar el secado con válvula para su regulación de acceso opcional.

• El combustible que se emplea es Biogas.lo que también lo hace diferente a sus similares con un gasto de 2.4 m3 /hora, la distribución de quemadores en la zona de calefacción es en 03 puntos, lo que hace que el aire que logre ingresar al equipo tenga una temperatura ideal para el proceso de secado.

• Periodo de recuperación de capital en años solo con venta de Biol(abono producido en el Biodigestor) y el empleo de biogás en el secador es de 1.09 años para compra de un biodigestor.

CONCLUSIONES

• Potencial de Contaminación Global (PCG) expresado en moles de 41.4 mucho menor que un PCG de 1426 en 20 años y expresado en 100 años también es menor pues tiene un PCG con 529 y un PCG de 41.4 si lo usamos en el secador , de donde apreciamos el beneficio de atenuar el impacto de PCG cuando lo aplicamos en el secado

• El impacto ambiental considerando el potencial de calentamiento global de los gases invernadero (PCG), emitidos evaluados a 20 años y 100 años tenemos que al aplicar el biogás en secado expresado en moles de CO2 es 41.4 moles de CO2 /metro cubico de biogás a 20 y 100 años , y el impacto en términos de PCG si es que no se efectúa el proyecto es 1326 moles de CO2 /m3 de biogás en 20 años y 529 moles de CO2/ m3 de biogás en 100 años

• El Impacto ambiental consideración la emisión de gases de efecto invernadero ,si es que no se efectúa el proyecto de 1.59 toneladas de metano /año y si se efectúa es de cero toneladas de metano /año

• Respecto al dióxido de carbono es de 7.86 toneladas de CO2/año ,si es que se efectúa el proyecto y de 3.49 toneladas de CO2/año si es que no se efectúa esto se explica por la combustión del metano en el secador ,sin embargo se sabe que el metano es varias más incidente e las causas del calentamiento global .

BIBLIOGRAFIA

1. J. Ocon Garcia y G. Tojo Barreiro(1974) ,Problemas de Ingeniería Química – Operaciones Básicas –Tomo II...Capitulo Secado Editorial Aguilar, Mexico 2.- Robert Perry y Cecil Chitón(1986),Biblioteca del Ingeniero Químico-Volumen V, Editorial Mc Graw Hill, México... 3.- Martí, J. (2008) Biodigestores Familiares. Guía de diseño y manual de instalación. Cooperación Técnica Alemana - GTZ. Bolivia. ISBN: 978-99954-0-339-3. http://www.upc.edu/grecdh/cas/energia/publicacions.htm 4.- Ferrer, I., Gamiz, M., Almeida, M., Ruiz, A. (2009) Pilot project of biogas production from pig manure and urine mixture at ambient temperature in Ventanilla (Lima, Perú). Waste Management 29(1), 168-173 5.- Paz, A. y Cristóbal, S. (2008) Estudio de biogás en Biodigestores tubulares unifamiliares de bajo costo en el Departamento de Cajamarca.

MUCHAS GRACIAS

PONENCIA N° 43 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS TECNOLÓGICOS,

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE SECADOR QUE EMPLEA BIOGÁS PARA EL SECADO DE

HORTALIZAS Y FRUTAS EN EL DISTRITO DE MAJES, PROV. CAYLLOMA –AREQUIPA

GUSTAVO MIGUEL PACHECO PACHECO UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA