UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS...

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS” - FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA

FORMATO DE PROYECTOS DE GRADO

Nº DE RADICACIÓN: ______________

INFORMACIÓN EJECUTORES

Ejecutor 1

Nombre (s): Manuel Alexander

Apellido (s): Cañón Acosta

Código: 20162375052

E-mail: [email protected]

Teléfono fijo: 3719934

Celular: 3197063020

Ejecutor 2

Nombre (s): Oscar Fabián

Apellido (s): Alba Cruz

Código: 20162375053

E-mail: [email protected]

Teléfono fijo: 6081802

Celular: 3219429509

INFORMACIÓN DEL PROYECTO

Título del Proyecto: Evaluación del potencial, como biocombustible, de los residuos orgánicos alimentarios secos obtenidos en el secador solar de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica.

Duración (estimada):

Tipo de Proyecto: (Marqué con una “x”)

Innovación y Desarrollo Tecnológico X

Prestación y Servicios Tecnológicos

Otro

Modalidad del Trabajo de Grado:

Desarrollo tecnológico local e industrial

Línea de Investigación de la Facultad*:

Energías alternativas, transferencia de calor, termodinámica y diseño

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA

Director: (Vo. Bo.) PhD. Camilo Andrés Arias Henao

mailto:[email protected]

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL COMO BIOCOMBUSTIBLE DE LOS

RESIDUOS ORGÁNICOS ALIMENTARIOS SECOS OBTENIDOS EN EL

SECADOR SOLAR DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE

CALDAS - FACULTAD TECNOLÓGICA.

CAÑÓN ACOSTA MANUEL ALEXANDER

20162375052

ALBA CRUZ OSCAR FABIAN

20162375053

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2017

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL COMO BIOCOMBUSTIBLE DE LOS

RESIDUOS ORGÁNICOS ALIMENTARIOS SECOS OBTENIDOS EN EL

SECADOR SOLAR DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE

CALDAS - FACULTAD TECNOLÓGICA.

MANUEL ALEXANDER CAÑÓN ACOSTA - 20162375052

OSCAR FABIAN ALBA CRUZ - 20162375053

TRABAJO DE TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

PhD D. CAMILO ANDRÉS ARIAS HENAO

DIRECTOR

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2017

5

A Dios, mis padres, mi familia, mi novia, mis amigos, docentes, tutores y personas

que me acompañaron en el camino de manera directa e indirecta.

Y también a la música que me hizo compañía en las altas horas de la noche y me

mantuvo despierto para poder hacer de esta tesis algo posible y real.

A Dios, a mis padres que siempre me han apoyado y creído en mí, mi novia Karen

Campos que ha estado a mi lado y a mi compañero de tesis quien fue el principal

promotor del proyecto.

6

TABLA DE CONTENIDO

Listado de abreviaciones

Índice de tablas

Índice de figuras

1. CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1. Descripción del problema

1.2 Estado del arte

1.2.1. ¿Qué son los residuos orgánicos?

1.2.2. Residuos orgánicos y su clasificación

1.2.3. Residuos orgánicos en Colombia y el mundo

1.2.4. Propiedades físicas, químicas y Biológicas de los Residuos Sólidos

Urbanos (RSU)

1.2.4.1. Propiedades físicas

1.2.4.2. Propiedades químicas de los residuos

1.3. Producción de combustible a partir de desechos orgánicos

1.3.1. Deshidratación solar de residuos

1.3.2. Biodrying

1.3.3. Gasificación

1.4. Estudios para la obtención de propiedades de los residuos orgánicos

1.4.1. Caracterización de los residuos alimentarios dentro de la Universidad

Distrital

1.4.2. Caracterización de los residuos alimentarios a nivel global

1.4 JUSTIFICACIÓN

1.5 OBJETIVOS

1.5.1. Objetivo general

7

1.5.2. Objetivos específicos

2. CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1. Combustión

2.1.1. Reacciones de combustión básicas

2.2. Poder Calorífico

2.2.1. Determinación del poder calorífico

2.3. Análisis de gases

3. CAPÍTULO III: METODOLOGÍA

3.1. Fase de fabricación

3.2. Fase de documentación

3.3. Fase de elaboración de productos finales

3.4. Fase de instalación y pruebas

4. CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y ANÁLISIS

5. CAPÍTULO V: CONCLUSIONES

7. CAPÍTULO VII: BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA

8

LISTADO DE ABREVIACIONES

𝐶 Carbono monoatómico

𝐻 Hidrógeno monoatómico

𝑂 Oxígeno monoatómico

𝑁 Nitrógeno monoatómico

𝑆 Azufre monoatómico

𝐶𝑂2 Dióxido de carbono

𝐶𝑂 Monóxido de carbono

𝑚𝑎 Masa del aire

𝑚𝑑𝑔 Masa de productos gaseosos secos

𝑚𝑓 Masa del combustible

𝑚𝑠 Masa del material sólido

𝑚𝑣 Masa del vapor de agua

𝑃𝐶𝐼 Poder Calorífico Inferior

𝑃𝐶𝑆 Poder Calorífico Superior

𝐸 Energía

𝑄𝑅𝐴 Potencial energético de los residuos alimentarios

𝑄𝑆𝑀 Potencia requerida para el secado mecánico

𝑄𝑆𝑇 Potencia requerida para el secado térmico

𝑚𝑆𝑀 Cantidad de residuos alimentarios después del secado

𝑚�� Flujo de agua durante el secado térmico de residuos alimentarios

𝑛 Número de moles

𝑀𝑖 Peso molecular de cada componente

𝑋𝑖 Fracción estimada

9

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Clasificación de los residuos orgánicos

Tabla 2. Datos típicos del contenido de humedad de algunos residuos orgánicos.

Tabla 3. Valores generales del análisis físico para los componentes combustibles

de los RSU.

Tabla 4. Resultados obtenidos del análisis elemental de materiales combustibles

individuales.

Tabla 5. Datos representativos para los componentes típicos de los RSU.

Tabla 6. Normas internacionales para el estudio de muestras de MSW.

Tabla 7. Valores típicos de rechazos inertes y contenido energético de los RSU

domésticos.

Tabla 8. Poderes caloríficos superior e inferior de los residuos húmedos.

Tabla 9. Poderes caloríficos superior e inferior de los residuos secos.

Tabla 10. Consolidado de propiedades durante las diferentes etapas.

Tabla 11. Mediciones del PCS de los RA.

Tabla 12. Análisis Elemental de los RA (En base seca y fracción másica).

Tabla 13. Composición elemental vista parcial.

Tabla 14. Cálculos teóricos de análisis elemental y poder calorífico.

Tabla 15 Análisis último, próximo y de PCS de los RA y madera.

Tabla 16. Composición del aire seco.

Tabla 17. Datos generales obtenidos en la Prueba 1.

Tabla 18. Resultados obtenidos según muestra en el secador, día 1.

Tabla 19. Datos generales obtenidos en la Prueba 2.

10

Tabla 20. Resultados obtenidos según muestra en el secador, día 2.

Tabla 21. Reducción de masa total.

Tabla 22. Cantidad de humedad retirada en porcentaje.

Tabla 23. Disposición general de las tablas 23, 24, 25.

Tabla 24. Fotografías del proceso de obtención, molienda, secado y tamizado de

residuos clasificados en color café.


residuos clasificados en color naranja.


residuos clasificados en color verde.


residuos clasificados en la mezcla.

Tabla 28. Resultados obtenidos de la bomba calorimétrica.

Tabla 29. Resultados de los cálculos para la energía del sistema.

Tabla 30. Datos obtenidos del analizador elemental para residuos, unidades en

porcentaje de fracción másica.

Tabla 31. Número de moles teóricos obtenidos a partir de los cálculos.

Tabla 32. Resultados de los cálculos para el calor liberado en la combustión según

el método analítico.

Tabla 33. Datos obtenidos del analizador de gases para residuos clasificados en

color café.


color naranja.


color verde.


color mezcla.

11

Tabla 37. Resultados de los cálculos para el calor liberado en la combustión según

el método práctico.

Tabla 38. Comparación de los resultados obtenidos teórica y prácticamente.

Tabla 39. Poder Calorífico de los combustibles comunes.

12

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Distribución de municipios por tipo de sistema de disposición final.

Figura 2. Cantidad de residuos sólidos presentados al servicio público de aseo por

departamento y Distrito Capital (Ton/día).

Figura 3. Diagrama de la combustión.

Figura 4. Relación entre potencia, consumo y el coeficiente Lambda.

Figura 5. Bandejas de disposición modificadas.

Figura 6. Marcos para vidrios.

Figura 7. Termómetros utilizados en la lectura de medidas.

Figura 8. Construcción del horno de combustión.

Figura 9. Adaptación del molino.

Figura 10. Bomba Calorimétrica tipo Isoperibol marca IKA de la Facultad de

Ciencias y Educación de la Universidad Distrital.

Figura 11. Peletizadora manual marca IKA de la Facultad de Ciencias y Educación

de la Universidad Distrital.

Figura 12. Hilos de ignición.

Figura 13. Vaso de descomposición de la bomba calorimétrica marca IKA de la

Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad Distrital.

Figura 14. Balanza y muestra peletizada para su respectiva medición.

Figura 15. Partes de la bomba calorimétrica tipo Isoperibol marca IKA de la

Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad Distrital Fuente: Manual

Bomba calorimétrica.

Figura 16. Analizador Elemental CHNO de la Facultad de Ciencias y Educación de

la Universidad Distrital.

Figura 17. Analizador de gases conectado al horno de combustión.

13

CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1. Descripción del problema

El secador solar de residuos orgánicos alimentarios como paso previo del proceso

de combustión, de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, fue diseñado

en semestres anteriores como proceso de grado para la culminación de la

Tecnología en Mecánica. Allí se obtuvieron resultados interesantes en cuanto al

funcionamiento principal de éste. Sin embargo, quedaron aspectos por mejorar y

estudiar, no solo respecto al dispositivo de secado (disposición de los residuos

dentro del secador, eficiencia, pruebas adicionales de funcionamiento), sino al

producto final, es decir la masa como biocombustible. Al querer encontrar las

aplicaciones de éste, es necesario saber primeramente sus características físicas

y químicas como lo es el poder calorífico y el potencial energético.

Para encontrar la solución al problema existen también cierto tipo de limitaciones

categorizadas de la siguiente manera:

- Limitación espacial: Las pruebas se desarrollan en la ciudad de Bogotá D.C.,

en la terraza del cuarto de motores de emergencia para producción de

energía eléctrica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital, en la

localidad de Ciudad Bolívar. Esto significa que se deben tener en cuenta las

condiciones climáticas, cantidad de irradiación solar incidente, entre otros

aspectos físicos del lugar.

- Limitación temporal: Con base en la tesis anteriormente realizada (Diseño de

un secador solar para residuos orgánicos como paso previo del proceso de

combustión), se sabe que habrán resultados de tiempo de secado de 8 horas

con temperaturas ambientales de 27°C. Siendo así, existirá un período de 2

a 5 días en cuanto a secado de los residuos según las diferentes condiciones

físicas de la masa a deshidratar, y las características climáticas que se

presenten al momento de realizar las pruebas.

- Limitación social: La obtención de los residuos orgánicos sigue siendo una

limitante ya que este proceso es bastante manual, lo que incluso, conlleva a

retrasar el tiempo para realizar las respectivas pruebas.

14

1.2 Estado del arte

1.2.1. ¿Qué son los residuos orgánicos?

Según el Decreto 838 de 2005 del Ministerio de desarrollo económico, en el artículo

1 Definiciones, se encuentra que un residuo “Es cualquier objeto, material, sustancia

o elemento sólido resultante del consumo o uso de un bien en actividades

domésticas, industriales, comerciales, institucionales o de servicios, que el

generador abandona, rechaza o entrega y que es susceptible de aprovechamiento

o transformación en un nuevo bien, con valor económico o de disposición final.”

Para Western Australian Local Government Association, un residuo orgánico es

aquel desperdicio biológico originado como papel, cartón, alimentos, desperdicios

de jardín, de animales, biosólidos y lodos o sedimentos. Hay cierta confusión acerca

de los términos de desechos orgánicos. Al aclarar, primero, el término no incluye

plásticos o cauchos, que se pueden pensar como químicos orgánicos. Segundo, los

desechos biodegradables son orgánicos, pero se pueden clasificar en dos según el

tiempo de descomposición ya que puede suceder esto de manera rápida (alrededor

de una semana) como lo son los trozos de alimentos, mientras que para el papel o

el cartón, es necesario de un tiempo mayor (alrededor de más de un mes).

1.2.2. Residuos orgánicos y su clasificación

Una cartilla publicada por la Unicef para Argentina aclara la clasificación de los

residuos orgánicos de la siguiente manera:

ORGÁNICOS INORGÁNICOS

- Residuos de cocina

- Residuos de jardines

- Residuos de poda, de arbolado

urbano, parques y plazas

- Estiércol

- Papel y cartón

- Vidrio

- Plástico y goma

- Metales

- Materiales poli acoplados

- Materiales textiles

- Materiales inertes

Se caracterizan por ser fácilmente

degradables ante la actividad

bacteriana.

Su degradación puede llevar años. Integran

la cadena de comercialización y reciclaje.

Tabla 1. Clasificación de los residuos orgánicos. Fuente: Informe de la Evaluación Regional del Manejo de Residuos Sólidos Urbanos en América Latina y el Caribe.

15

1.2.3. Residuos orgánicos en Colombia y el mundo

Se han desarrollado informes acerca de los residuos orgánicos no sólo en Colombia,

sino también en el mundo entero. Por ahora, la Superintendencia de Servicios

Públicos Domiciliarios es la encargada de realizar estos informes en Colombia. La

información presentada allí con respecto a las cantidades de residuos sólidos, se

relaciona estrictamente con aquellos que son recolectados y transportados a través

del servicio público de aseo, y que posteriormente son contabilizados en los

diferentes sistemas de disposición final y/o aprovechamiento, operados también por

prestadores del servicio público de aseo.

En su último informe hay solo datos para 21 municipios ya que no fue posible

establecer el total de residuos sólidos dispuestos debido a los prestadores del

servicio público de aseo de 186 municipios que no suministraron información, sin

embargo, con estos datos se puede notar que la distribución de los residuos sólidos

presentados para disposición final por departamento durante el año 2014, en orden

descendente son: La capital (Bogotá D.C.), Antioquia, Valle del Cauca, Atlántico,

Cundinamarca, Bolívar, Santander y Norte de Santander. (Disposición Final de

Residuos sólidos. Informe Nacional Elaborado 2015. Capítulo 2: Residuos sólidos

presentados para disposición final. Superintendencia de Servicios Públicos

Domiciliarios; p, 13-14).

La Figura 1 fue extraída de dicho informe, en donde se pudo encontrar la distribución

de municipios por tipo de sistema de disposición final. Se observa que el 81% de

los 1102 municipios del país (886) se encuentra disponiendo en rellenos sanitarios.

Adicional a esto, en el mismo informe, se encontró una Tabla con la cantidad de

residuos sólidos presentados al servicio público de aseo por departamento y Distrito

Capital (Ton/día) para el año 2014:

16

Figura. 1 Distribución de municipios por tipo de sistema de disposición final. Fuente: Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios

Sin embargo, en los últimos años se ha dado una importancia mayor en el mundo

por la búsqueda de nuevas tecnologías y políticas limpias para evitar el

calentamiento global. Colombia se ha sumado a esta ideología y el 22 de noviembre

del año 2016, aprobó un Conpes que establece los lineamientos de la Política

Nacional de interés social, económico, ambiental y sanitario para la Gestión Integral

de Residuos Sólidos, liderada por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible

y el Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio.

“Lo que busca la Política es constituirse en la base inicial para avanzar hacia una

economía circular desde la gestión integral de residuos sólidos. Lo que buscamos

es lograr que el valor de los productos y materiales se mantenga durante el mayor

tiempo posible en el ciclo productivo, que los residuos y el uso de recursos se

reduzcan al mínimo, y que los recursos se conserven dentro de la economía cuando

un producto ha llegado al final de su vida útil. Esto, para seguirlos utilizando

repetidamente y seguir creando valor”, dijo al respecto el ministro de Ambiente y

Desarrollo Sostenible, Luis Gilberto Murillo.

17

Figura 2 Cantidad de residuos sólidos presentados al servicio público de aseo por departamento y Distrito Capital (Ton/día). Fuente: Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios

18

1.2.4. Propiedades físicas, químicas y Biológicas de los Residuos Sólidos

Urbanos (RSU)

1.2.4.1. Propiedades físicas

Las características físicas más importantes de los residuos son el peso específico,

contenido de humedad, tamaño de la partícula y su distribución, capacidad de

campo y porosidad de los residuos compactados.

Peso Específico: Se define como el peso de una sustancia por unidad de volumen

(ejemplo Kg/m3). El peso específico muchas veces se refiere a residuos sueltos,

compactados, no compactados, etc., la base para los valores presentados debe ser

citada siempre. Dichos datos son necesarios para valorar la masa y el volumen total

de los residuos a gestionar.

Contenido de Humedad: Se puede expresar de dos formas: En el método de

medición de peso-húmedo se expresa un porcentaje del peso del material húmedo;

en el método dos peso-peso se expresa como el porcentaje del peso del material

seco. El primer método se expresa de la siguiente forma:

𝐻 = (𝑊 −𝑑

𝑊) ∗ 100 (1)

Donde

H = contenido de humedad

W = Peso inicial de la muestra (Kg)

d = Peso de la muestra después de secar

Los datos típicos del contenido de humedad de algunos residuos se encuentran en

la Tabla 2. Para la mayoría de los residuos, el contenido de humedad varía entre el

15 y el 40 %, según la composición, las condiciones ambientales, meteorológicas,

particularmente de la lluvia.

19

Tabla 2. Datos típicos del contenido de humedad de algunos residuos orgánicos. Fuente: Servicio

Nacional de Aprendizaje “SENA”

Capacidad de campo: Es la cantidad total de humedad que puede ser retenida por

una muestra sometida a la acción de la gravedad. La capacidad de campo es de

gran importancia para determinar la formación de lixiviados. El exceso de agua

sobre la capacidad de campo en los residuos se transformara en forma de lixiviados.

La capacidad de campo varía con el estado de descomposición de los residuos y la

presión aplicada. Para los residuos no seleccionados y no compactados domésticos

y comerciales la capacidad de campo está dentro del 50 al 60 %

1.2.4.2. Propiedades químicas de los residuos

Las propiedades químicas de los residuos sólidos es importante para determinar las

diferentes opciones de procesamiento, por ejemplo para la incineración es

20

necesario saber la composición química de los residuos sólidos. Si dichos residuos

van a utilizarse como combustible, las cuatro propiedades a tener en cuenta son:

- Análisis Físico

- Punto de fusión de las cenizas

- Análisis elemental

- Contenido energético

Análisis físico: El análisis físico para los componentes combustibles de los RSU

(Residuos Sólidos Urbanos) incluye los siguientes ensayos:

1. Humedad (pérdida de humedad cuando se calienta a 105 °C durante una

hora).

2. Materia volátil combustible (pérdida de peso adicional por ignición a 950°C

en crisol cubierto).

3. Carbono fijo (rechazo combustible dejado después de retirar la materia

volátil).

4. Ceniza (peso del rechazo después de la incineración en un crisol abierto).

A continuación se presenta una Tabla 3 con valores generales del análisis físico

para los componentes combustibles de los residuos. Es importante resaltar que el

ensayo utilizado para determinar las materias combustibles volátiles en un análisis

físico (ignición a 950°C) es diferente del ensayo de sólidos volátiles utilizado en las

determinaciones biológicas (ignición a 550°C).

21

Tabla 3. Valores generales del análisis físico para los componentes combustibles de los RSU.

Fuente: Servicio Nacional de Aprendizaje “SENA”

22

Punto de fusión de la ceniza: se define como la temperatura en que la ceniza

resultante de la incineración se transforma en solido o escoria por fusión y

aglomeración. Las temperaturas típicas se encuentran entre 1100°C y 1200°C.

Análisis elemental de los componentes de residuos sólidos: El análisis elemental de

un residuo consiste en la determinación del porcentaje de C (carbono), H

(hidrógeno), O (oxígeno), N (nitrógeno), S (azufre) y ceniza. Los resultados se

utilizan para caracterizar la composición química de la materia orgánica y para

definir la mezcla correcta de materiales residuales necesaria para conseguir

relaciones C/N aptas para los procesos de conversión biológica.

Tabla 4. Resultados obtenidos del análisis elemental de materiales combustibles individuales.

Fuente: Servicio Nacional de Aprendizaje “SENA”

23

Tabla 5. Datos representativos para los componentes típicos de los RSU. Fuente: Servicio Nacional

de Aprendizaje “SENA”

Existen diferentes normas a nivel internacional para realizar un correcto estudio de

los residuos entre ellas se encuentran las siguientes

Tabla 6. Normas internacionales para el estudio de muestras de MSW. Fuente: Servicio Nacional

de Aprendizaje “SENA”

Contenido energético de los componentes de los residuos sólidos: El contenido

energético de los componentes orgánicos en los RSU se puede determinar 1)

utilizando una caldera a escala real como calorímetro, 2) utilizando una bomba

calorimétrica de laboratorio, y 3) por cálculo, si se conoce la composición elemental.

Por las dificultades que existen para instrumentar una caldera a escala real, la

mayoría de los datos sobre el contenido de energía de los componentes orgánicos

de los RSU están basados en los resultados de ensayos con una bomba

24

calorímetro. Los datos típicos del contenido energético y de los rechazos inertes de

los componentes de residuos domésticos se representan en la Tabla 7.

Tabla 7. Valores típicos de rechazos inertes y contenido energético de los RSU domésticos. Fuente: Servicio

Nacional de Aprendizaje “SENA”

Como se puede observar, los valores del contenido energético están en una base

referida a residuos desechados. Los valores kJ/kg dados en la Tabla 7 pueden

convertirse a una base seca mediante la ecuación 2:

kJ

kg(base seca)=

kJ

kg(residuos desechados) (

100

100-% humedad) (2)

La ecuación correspondiente para kJ/kg en una base seca y libre de cenizas es:

kJ

kg(base seca)=

kJ

kg(residuos desechados) (

100

100-% humedad-% ceniza) (3)

1.3. Producción de combustible a partir de desechos orgánicos

1.3.1. Deshidratación solar de residuos

La tesis titulada “Modelado y construcción de un secador solar híbrido para residuos

biomásicos” y elaborada por la estudiante Irene Montero Puertas para optar por el

grado doctoral da a conocer ciertos aspectos relacionados con la deshidratación de

25

residuos orgánicos en el proceso de obtención de aceite de oliva, donde se tienen

3 residuos en específico: Alperujo, orujo y alpechín.

El alperujo, subproducto obtenido en la mayoría de almazaras, aunque

eminentemente contaminante, cuenta con diversas tecnologías para su

aprovechamiento. Entre las más importantes se encuentra la operación de repaso

tres fases, en la que se obtienen los residuos orujo y alpechín. Por su parte, el orujo

dispone de tecnologías muy desarrolladas y conocidas para su aprovechamiento,

destacando el secado térmico, extractado y posterior utilización como combustible.

No obstante, el secado convencional conlleva costes de inversión y operación muy

elevados. Por último, el alpechín, subproducto que presenta, por sus características

fisicoquímicas, repercusiones medioambientales muy severas, no cuenta en la

actualidad con una tecnología adecuada y viable de tratamiento-eliminación. [2]

En esta tesis se desarrolló un secador solar tipo armario para el secado de estos

residuos cuyas pruebas se implementaron en la ciudad de Extremadura, España,

en el período de agosto a octubre de 2005, donde se registraron temperaturas

ambiente medias de 27 °C. Además, se caracterizaron estos desechos para obtener

propiedades físicas, químicas y energéticas resultando en que “los residuos, por un

lado, presentan elevados contenidos de C, H y O, del mismo orden al de otros

residuos biomásicos concentrados o combustibles convencionales y, por otro,

respecto al contenido de N, Cl y S, destaca el reducido nivel de azufre y en

contrapartida los altos porcentajes de nitrógeno y cloro.” [3]

También se realizó una prueba para determinar el PCS (Poder Calorífico Superior)

y el PCI (Poder Calorífico Inferior) siguiendo la norma ASTM D 5865-04

(actualización de la ASTM D 2015-96); allí, se utilizó un calorímetro Parr 1351

ubicado en el Laboratorio de Termodinámica de la Escuela de Ingenierías

Industriales de la Universidad de Extremadura y se obtuvieron los siguientes

resultados:

Orujo Alperujo Alpechín

P.C.S. (MJ/kg) wb. 9,53 8,44 2,51

P.C.S. (MJ/kg) db. 21,18 28,14 25,14

P.C.I. (MJ/kg) wb. 7,77 6,68 0,75

P.C.I. (MJ/kg) db. 17,26 22,26 7,50

Tabla 8. Poderes caloríficos superior e inferior de los residuos húmedos. Fuente: Modelado y construcción de un secador solar híbrido para residuos biomásicos.

26

Orujo Seco Alperujo seco Alpechín seco

P.C.S. (MJ/kg) wb. 20,68 19,07 21,59

P.C.S. (MJ/kg) db. 22,98 22,43 26,98

P.C.I. (MJ/kg) wb. 18,91 17,30 19,82

P.C.I. (MJ/kg) db. 21,02 20,36 24,78

Tabla 9. Poderes caloríficos superior e inferior de los residuos secos. Fuente: Modelado y construcción de un secador solar híbrido para residuos biomásicos.

1.3.2. Biodrying

Hernández Cid Ángel presenta en su tesis para optar al grado de Ingeniero Industrial

de la Facultad de Ingeniería – División de ingeniería Mecánica e Industrial de la

Universidad Autónoma de México, nuevas tecnologías para el tratamiento de

residuos sólidos en el D.F. para el año 2010. Allí expone algo que se conoce como

Biodrying, en donde los residuos biodegradables se calientan rápidamente a través

de las etapas iniciales de compostaje para eliminar la humedad de un flujo de

residuos. En el proceso las tasas de secado se ven aumentadas por el calor

biológico, además de aireación forzada. La mayor parte del calor disponible a través

de la degradación aeróbica de la materia orgánica, se utiliza para evaporar el agua

superficial y de la envolvente asociado con la mezcla de lodos. Esta generación de

calor ayuda a reducir el contenido de humedad de la biomasa, sin necesidad de

suplementarios de combustibles fósiles, y con un consumo mínimo de electricidad.

Puede tomar tan sólo ocho días para el secado. Esto permite reducir los costos de

eliminación, si los vertederos se cargan en una base de costo por tonelada. [6]

Sin embargo, este proceso no está tan avanzado y es necesario de su posterior

estudio ya que lo que se hace en un vertedero es obtener gas de los desechos por

medio del proceso de gasificación que será desarrollado más adelante en este

documento.

1.3.3. Gasificación

Impulsados por la situación energética y medioambiental mundial y la generación

de energía mediante sistemas basados en energías renovables Juan Pérez, David

Borge y John Agudelo estudiantes de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad

de Antioquia de Medellín realizaron el proyecto Proceso de gasificación de biomasa:

una revisión de estudios teórico – experimentales, donde realizaron diversos

experimentos para producir combustible a partir de la biomasa y dan un concepto

de lo que es la gasificación. La gasificación es un proceso termoquímico en el que

se transforma un combustible sólido en uno gaseoso. El proceso está conformando

27

por varios fenómenos complejos que van desde los mecanismos de transferencia

de masa y energía en un sistema reactivo heterogéneo, derivando las etapas de

secado y de volatilización del combustible, para dar paso a la oxidación de los

volátiles y el carbón, con el consecuente cambio del diámetro de las partículas y las

pérdidas de presión en el lecho. La gasificación permite la generación tanto de

energía térmica como eléctrica incluyendo la combinación de ambos procesos

(mediante sistemas de cogeneración), utilizando tecnologías de bajo costo como los

gasificadores de lecho fijo (potencias medias – bajas), o reactores de lecho

fluidizado con tecnología más exigente y con mayor capacidad de generación.

La transformación de la biomasa en un combustible gaseoso, aprovechable en

motores de combustión interna alternativos o en turbinas de gas como combustible,

exige que la biomasa atraviese varios procesos termoquímicos, compuestos por

reacciones endotérmicas (secado, de volatilización y reducción) y exotérmicas

(oxidación de volátiles y carbón). La selección de un gasificador requiere conocer

las propiedades de la biomasa, mientras que el diseño del mismo exige conocer el

fenómeno termoquímico por completo (Proceso de gasificación de biomasa: una

revisión de estudios teórico – experimentales. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N.° 52

pp. 95-107. Marzo, 2010).

1.4. Estudios para la obtención de propiedades de los residuos orgánicos

1.4.1. Caracterización de los residuos alimentarios dentro de la Universidad

Distrital

Dentro de los estudios realizados a los residuos orgánicos se pudo encontrar la tesis

titulada como “Análisis de la recuperación in-situ de los Residuos Alimenticios por

combustión directa en un micro CHP para la generación de potencia y secado de

los residuos” realizada por Carlos Romero y David Mayorga, egresados de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. En esta tesis se determinó el

potencial de recuperación energética a partir de los residuos alimenticios producidos

en el conjunto residencial Sabana Grande II SL3 ubicado en la ciudad de Bogotá

D.C. para la generación de potencia y secado.

Desde este punto, se realizaron los objetivos específicos establecidos citados a

continuación:

1. Estimar la cantidad de RA disponibles para recuperación energética en el

conjunto residencial.

28

2. Determinar el análisis elemental (i.e. Contenido de C, H, N, S y O), poder

calorífico, contenido de humedad y contenido de cenizas de los RA.

3. Analizar el proceso de combustión directa de los RA para aprovechar su

potencial energético.

4. Seleccionar el sistema de cogeneración a partir del calor de combustión de los

RA en base seca.

5. Evaluar la eficiencia global, potencia generada y potencia consumida del micro

CHP seleccionado.

Para esto, entonces se realizó una obtención de los residuos para pasarlos

entonces a una molienda para un posterior secado. Estos datos se registraron en la

siguiente Tabla:

Propiedades Antes de la molienda

Después de la molienda

Después del secado

Humedad Superficial 67,73% 68,05% 0,00%

Producción por casa (Kg/día) 0,336 0,273 0,037

Producción del conjunto (Kg/día) 139,948 113,459 15,392

Contenido de Humedad retirado (% wt)

- 18,93% 70,07%

Tabla 10. Consolidado de propiedades durante las diferentes etapas. Fuente: Universidad Distrital

A partir de estos resultados se realizó una posterior medición de las propiedades

como análisis elemental y poder calorífico para así estimar el potencial energético

previo al análisis de combustión.

Para la medición del potencial energético se utilizó una bomba calorimétrica C2000

tipo isoperibol marca IKA del laboratorio de química de la Facultad de Ciencias y

Educación de la Universidad Distrital. El método de utilización de esta bomba se

desarrollará más adelante en este documento. De allí se obtuvieron los siguientes

resultados:

PCS (Poder Calorífico Superior)

Muestra Masa (g) PCS (J/g)

1 0,8093 14048

2 0,9657 14158

3 0,9651 13796

4 0,9401 14371

Media - 14093,25

Tabla 11. Mediciones del PCS de los RA. Fuente: Universidad Distrital

29

Seguido de esto se realizó el análisis elemental de los residuos alimentarios para lo

cual hubo uso del analizador orgánico elemental serie FLASH 2000 marca Thermo

Scientific del laboratorio de química de la Facultad de Ciencias y Educación de la

Universidad Distrital. Este procedimiento será descrito también a lo largo del

documento. De allí se obtuvieron los siguientes resultados:

ANÁLISIS ELEMENTAL

MUESTRA N (% dw) C (% dw) H (% dw) S (% dw) CENIZAS (%

dw) O (% dw)

Biomasa M1

0 35,011 5,003 0 39,37 20,615

Biomasa M2

0 32,783 4,211 0 35,075 27,932

Biomasa M3

0 36,852 4,683 0 20,69 37,776

Media 0 34,882 4,632 0 31,711 28,774

Tabla 12. Análisis Elemental de los RA (En base seca y fracción másica). Fuente: Universidad Distrital

A partir de este punto, se desarrolla un estudio para poder seleccionar la mejor

tecnología micro CHP, es por esta razón que sólo tomamos esta parte como estudio

del arte.

1.4.2. Caracterización de los residuos alimentarios a nivel global

Komilis, Evangelou, Giannakis, & Lymperis (2012) desarrollaron una ecuación para

estimar el PC de los Residuos Sólidos Orgánicos (RSO) en función del análisis

elemental (i.e. contenido de C, N, H, S, y O) a partir de los datos obtenidos

experimentalmente.

Establecieron un conjunto de 24 componentes agrupados en 4 categorías: RA,

residuos de poda, papel y cartón, y plásticos. Luego recolectaron una muestra por

separado de cada componente antes de ser arrojado al contenedor. Adicionalmente

se tomaron dos muestras de RSO mezcladas, a la entrada y salida de un sistema

de secado en el lugar de disposición final.

El contenido de humedad fue medido por diferencia de peso hasta alcanzar una

magnitud constante durante un proceso de secado a una temperatura de 75°C. El

material seco fue molido tamizado a 1.5 mm y homogeneizado para determinar el

análisis elemental y poder calorífico de las muestras. Después de tener preparadas

las muestras, procedieron a determinar el análisis elemental, análisis próximo y

poder calorífico. El análisis próximo se obtuvo al registrar la pérdida de masa en la

30

ignición a 550°C en un horno durante 2 horas. El análisis elemental fue medido en

un analizador elemental CE instruments, CHNS-O modelo EA1110 (Thermo

Electron, Milán, Italia).

El poder calorífico fue medido en una bomba calorimétrica producida por Parr®

(modelo 1341EE con bomba de oxigeno 1108). Las temperaturas fueron registradas

(con un termómetro digital 4000 fabricado por la compañía Control Company, Texas,

USA) cada minuto durante los primeros 5 con el fin de establecer un valor de

referencia. Después de la ignición las temperaturas fueron registradas cada 15s por

los primeros 2 min y cada 30 s durante los próximos 2 min. Durante el análisis de

cada muestra se desarrollaron de 3 a 5 réplicas. Al final se organizaron en una Tabla

como sigue:

RESIDUOS DE COMIDA

C (%dw) N (%dw) H (%dw) S (%dw) O (%dw)

Carne cruda 52,5 ± 6,3 11,3 ± 8,2 8,35 ± 7,6 0,79 ± 15 23,0 ± 1,6

Carne cocinada 51,7 ± 4,2 11,2 ± 6,4 7,85 ± 3,2 0,76 ± 1,0 22,0 ± 6,5

Pasta cocinada 42,8 ± 3,9 1,75 ± 12 7,11 ± 2,6 0,2 46,9 ± 0,7

Vegetales 38,5 ± 12 3,05 ± 9,3 5,92 ± 3,2 0,66 ± 3,1 40,0 ± 1,0

Frutas 40,0 ± 5,5 0,58 ± 15 7,33 ± 3,2 0,16 ± 61 47,3 ± 1,2

Residuos de grasas 62,6 ± 4,7 6,61 ± 26 9,41 ± 5,8 0,56 ± 42 17,1 ± 8,4

Tabla 13. Composición elemental vista parcial (Komilis et al., 2012a). Fuente: Universidad Distrital

A partir de un modelamiento matemático de los resultados obtenidos en los ensayos

dedujeron la formula química que representa los RSO (C33NH55O16) y la ecuación

empírica de PC en función del análisis elemental (Ecuación 4).

𝑃𝐶 = 81,8(6,99)𝐶 + 304,2(43,9)𝐻 − 35,8(3,18)𝑂 (4)

En una de sus conclusiones afirman que la ecuación 1 es más cercana a los

resultados del experimento a comparación con la fórmula de Dulong modificada que

fue también utilizada dentro de sus mediciones.

En la Tabla 14 se muestran los resultados de los cálculos teóricos del análisis

elemental y PC.

31

Tipo de Residuo

Composición dentro de los RSO

(%ww)

Contenido de humedad (%

ww)

Composición dentro de los RSU

(% dw)

C (%

dw)

N (%

dw)

H (%

dw)

S (%

dw)

O (%

dw)

Poder calorífico ( kJ/kg % dw)

Residuos de

comida 51,6 71,2 24,1 48 5,75 7,66 0,52 32,7 20929,8

Residuos de papel

26,3 5,93 40,1 39,4

0,11 5,99 0 42,2 15126,9

Plásticos 22,1 0,444 35,8 74,9

0,14 11,1 0,04

5 5,78 39351,7

RSO 100 38,4 100 59,4

1,57 9 0,15 29,9 25208,7

Tabla 14. Cálculos teóricos de análisis elemental y poder calorífico. Fuente: Universidad Distrital

Caton, Carr, Kim, & Beautyman (2010) plantearon la posibilidad de implementar un

sistema de deshidratación regenerativa para secar los RA utilizando como fuente

de energía las perdidas por calor sensible inherentes a la combustión de RA, en un

restaurante de la Academia Naval en los EU. Para el desarrollo de la investigación

ejecutaron las siguientes actividades:

- Determinación de la cantidad de RA producidos en el restaurante. - Medición del análisis elemental, análisis próximo y poder calorífico de

los RA recolectados. - Comparación del comportamiento de la combustión directa de RA y

madera para evaluar su eficiencia.

En primer lugar, realizaron una descripción detallada del restaurante especificando

su funcionamiento y el número de usuarios al que está dirigido. Posteriormente se

recolectaron de cada comida (desayuno, almuerzo y comida) e inmediatamente

fueron pesados durante un periodo de 10 días. A continuación se homogenizaron

los residuos de cada comida para 3 días seleccionados aleatoriamente. De cada

mezcla homogénea se tomaron muestras cuyo tamaño fue determinado a partir del

Fractional Sampling Method, con el propósito de medir análisis próximo (ASTM

D3174/ D3173/ D2492), análisis elemental (ASTM D3176 / D2492), poder calorífico

superior (ASTM E711) y contenido de humedad (ASTM E1756).

Es allí donde peletizaron la mitad de la porción deshidratada (utilizando la

peletizadora Pellet Pros PP220) y la cantidad restante se dividió en pequeños trozos

de 1.0 a 1.5 cm aprox. Para medir la eficacia de la combustión de los tres diferentes

tipos de combustible. La Tabla 15 muestra el análisis elemental, análisis próximo y

PCS de las 3 muestras de RA (una de cada comida).En particular el contenido de

humedad y el PCS tiene una variación máxima del 2.3% y 8.2% respectivamente.

32

Día 1 Día 2 Día 3 Pellet

madera

C (% dw) 520,7 50,44 49,55 48,84

H (%dw) 7,09 7,18 6,91 5,94

O (%dw) 33,01 29,38 32,2 44,65

N (%dw) 3,33 4,6 3,41 <0,5

S (%dw) 0,24 0,34 0,23 <0,05

Cl (%dw) 0,92 1,13 1,37 0,018

Ceniza 3,34 6,93 6,33 0,55

Carbón fijo (%dw) 12,9 12,1 13,1 13,6

Volátiles (%dw) 84,9 82,8 82 85,7

Humedad 71,4 70,4 72 5,85

PCS (MJ/kg) 21,9 22,42 20,64 18,7

Tabla 15 Análisis último, próximo y de PCS de los RA y madera (Caton et al., 2010).

Como conclusión, se observó que en todas las secciones de la estufa las

temperaturas alcanzaron los valores más elevados al utilizar RA no peletizados

como combustible; comportamiento que atribuyen al tamaño de los RA que

componían las muestras, ya que estas incluían fragmentos muy pequeños dentro

de su composición. En cuanto a la emisión de NO y HC los autores encontraron que

sus magnitudes son independientes de la forma del combustible.

33

1.4 JUSTIFICACIÓN

El diseño del secador solar para residuos orgánicos necesita de más pruebas con

diferentes variables de entrada como lo es temperatura ambiente, espesor de la

capa de basura a deshidratar, entre otros aspectos. Además de eso, es necesario

identificar factores energéticos importantes del producto obtenido que servirán en

estudios futuros de combustión. Esto último permitirá encontrar diferentes

aplicaciones del producto final como biocombustible llegando incluso a beneficiar

sectores que dependen de combustibles fósiles comunes.

1.5 OBJETIVOS

1.5.1. Objetivo general

● Evaluar el potencial como biocombustible de los residuos orgánicos

alimentarios secos obtenidos en el secador solar de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica.

1.5.2. Objetivos específicos

● Determinar los productos orgánicos alimentarios a evaluar por medio de una

justificación en función de las variables predominantes en el proceso de

secado.

● Realizar puesta a punto del secador solar de la universidad mediante la

realización de pruebas de funcionamiento.

● Obtener una caracterización del potencial energético de los residuos

obtenidos en función de la quema directa.

34

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1. Combustión

La combustión es una reacción química de oxidación, relativamente rápida, que

consiste en la unión de una materia combustible con el oxígeno, con

desprendimiento de calor, que se desarrolla en fase gaseosa o heterogénea. [1]

Sin embargo, los grados de combustión pueden llegar a variar ampliamente

hablando de su velocidad e integridad de la reacción o incineración ya que depende

de la afinidad que presente el elemento combustible con el oxígeno además de las

condiciones como tiempo, temperatura y turbulencia.

Es por eso que es muy importante encontrar elementos de carbono, hidrógeno y

azufre en los combustibles ya que ellos cumplen con la mencionada afinidad.

2.1.1. Reacciones de combustión básicas

Al quemar (oxidación rápida de los elementos para producir calor) carbono,

hidrógeno y azufre se obtienen 3 reacciones fundamentales, con las cuales

definimos también una combustión completa porque los productos en las reacciones

no se quemarán más.

𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 (4)

𝐻2 +1

2𝑂2 → 𝐻2𝑂 (5)

𝑆 + 𝑂2 = 𝑆𝑂2 (6)

En las reacciones de combustión es necesario el oxígeno que en su mayoría está

directamente asociada al aire. En el aire se encuentran más elementos dadas por

las siguientes bases, tomando al argón y al bióxido de carbono como nitrógeno

adicional ya que son inertes y aparecen en baja cantidad:

35

Base molar Base de masa

0.21 moles de 𝑂2+0.79 moles de 𝑁2= 1

mol de aire

0.232 kg de 𝑂2+ 0.768 kg de 𝑁2= 1 kg

de aire

1 mol de 𝑂2+ 3.76 moles de 𝑁2= 4,76

moles de aire

1 kg de 𝑂2+ 3.31 kg de 𝑁2= 4.31 kg de

aire

Tabla 16. Composición del aire seco. Fuente: Dugan

Es necesario recordar que la combustión ideal siempre es completa, la real es

incompleta. Por esta razón, los balances de masa para procesos de combustión

reales, aunque idénticos en principio, normalmente requieren algunos datos

relativos a los productos.

En el caso de esta tesis, se procederá a estudiar una combustión ideal y real,

utilizando la teoría dispuesta por R.E. Dugan (1997), ya que se conocerá la cantidad

de aire requerida para quemar el combustible. En esta teoría se indica la ecuación

general para describir la combustión:

𝑀𝑎𝑠𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 (7)

𝑎𝐶

𝑏𝐻

𝑐𝑂 + 𝑥[0,232𝑂2 + 0,768𝑁2] = 𝑓𝐻2𝑂 + 𝑔𝐶𝑂2 + ℎ𝑂2 + 𝑖𝑁2 + 0,1 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎

𝑑𝑁

Primeramente se obtiene el análisis elemental del combustible y, como hay que

utilizar aire en exceso (el que, valga la redundancia, excede al necesario para

quemar por completo el combustible) se deberá en cuenta.

Lo que se determinará en este caso es la cantidad de aire a utilizar para una

combustión completa, es decir, hallar el valor de x, esto es hacer un balance de

masas sobre los elementos individuales, con eso se obtendrán los subíndices a, b,

c, d y e. Seguido de esto, se asume una combustión estequiométrica, es decir, 𝑐 =

0 y el multiplicador de x igual a 1. Con esto, un balance de energía para el oxígeno

podrá realizarse y así, llegar a encontrar el valor de x.

36

Después de esto, ya se podrá resolver toda la ecuación y encontrar el verdadero

valor de c, dejando todo el balance de masa correctamente.

Se puede encontrar el caso de la combustión real en donde un balance de masas

se desarrollará primeramente como sigue:

𝑚𝑓 + 𝑚𝑎 = 𝑚𝑑𝑔 + 𝑚𝑣 + 𝑚𝑠 (8)

1 +𝑚𝑎

𝑚𝑓=

𝑚𝑑𝑔

𝑚𝑓+

𝑚𝑣

𝑚𝑓+

𝑚𝑔

𝑚𝑓 (9)

Sabiendo que los subíndices indican:

𝑓 = combustible

𝑎 = aire

𝑑𝑔 = productos gaseosos secos

𝑣 = vapor de agua

𝑠 =material sólido

Al analizar un carbón, por ejemplo, se pueden seguir casi los mismos pasos que

con la combustión ideal, sin embargo, después de obtener el análisis elemental y

volumétrico del combustible, se utilizará solo el carbón que aparece en el

combustible, en los productos gaseosos secos y en los residuos, para así encontrar

la masa de los productos gaseosos secos por libra de combustible:

[

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑒𝑛 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠

𝑚𝑓] = [

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

𝑚𝑓] − [

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠

𝑚𝑓] (10)

Utilizando los resultados del análisis volumétrico se encontrará la masa del carbón

por unidad de masa de gas seco 𝑚𝑑𝑔

𝑚𝑓.

Por último entonces, utilizando el balance de masa total:

𝑚𝑎

𝑚𝑓=

𝑚𝑑𝑔

𝑚𝑓+

𝑚𝑣

𝑚𝑓+

𝑚𝑔

𝑚𝑓− 1 (11)

Y con esto, se ha obtenido la cantidad de kg de aire por cada kg de combustible.

Ahora bien, es fundamental observar el modelo matemático a trabajar el cual

representa un proceso de combustión adiabática, cuando se asume que no hay

desarrollo de trabajo y se desprecian los cambios de energía cinética y potencial.

37

Está constituido por la siguiente ecuación que indica la ecuación de cantidad de

calor transferido durante la combustión (diferencia de entalpías de entrada y salida):

𝑄 = ∑ 𝑁(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 ) − ∑ 𝑁(ℎ1

− ℎ°𝑟𝑒𝑓

𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 ) (12)

Donde el significado de cada componente se da como sigue:

- Una barra superior indica una cantidad molar.

- El subíndice R se refiere a una reacción.

- El subíndice f denota una reacción de formación.

- El subíndice Ref. indica que la cantidad se evalúa en la temperatura de

referencia, normalmente, 25°C.

- El superíndice ° indica que la cantidad se evalúa a la presión estándar,

normalmente a 100 KPa.

2.2. Poder Calorífico

Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cubico, de combustible

al oxidarse en forma completa. Sus unidades son Kcal/Kg, Kcal/m3, BTU/lb,

BTU/pie3

El poder calorífico de un combustible puede ser de dos tipos:

Poder calorífico superior (PCS): Se define suponiendo que todos los

elementos de la combustión (combustible y aire) son tomados a 0°C y los productos

(gases de combustión) son llevados también a 0°C después de la combustión. Por

lo que el vapor de agua se encontrara totalmente condensado. Dicho vapor de agua

proviene tanto de la humedad propia del combustible y del agua formada por la

combustión del hidrogeno del combustible. Por lo tanto se tendrán 597 Kcal/Kg

vapor de agua condensado

Poder calorífico inferior (PCI): Este considera que el vapor de agua contenido

en los gases de combustión con condensa. Por lo tanto, no hay aporte adicional de

calor por condensación del vapor de agua, solo dispondría del calor de oxidación

del combustible.

38

2.2.1. Determinación del poder calorífico

Existen dos procedimientos para la determinación del poder calorífico de los

combustibles: Método analítico y Método práctico.

El método analítico consiste en aplicar el principio de la conservación de la energía,

por lo tanto para la aplicación del presente procedimiento es necesario efectuar

previamente el análisis elemental del combustible para determinar el porcentaje de

carbono, hidrogeno, oxigeno, azufre.

Es necesario diferenciar en un combustible el poder calorífico inferior (PCI) y el

superior (PCS). La diferencia entre ambos radica básicamente en la energía

asociada a la condensación del vapor de agua contenido en los gases de la

combustión.

Dado que por condiciones medioambientales no se puede alcanzar una temperatura

de los gases de 0 °C, donde se aprovecharía el calor de cambio de estado del agua

(597 kcal / kg vapor de agua condensador), el PCI tiene un significado mayor para

el cálculo del potencial energético de los residuos

El método analítico consiste en sumar los poderes calóricos de los elementos

principales que forman la muestra de basura, ponderados por su fracción en peso,

descontando de la cantidad de hidrógeno total la que se encuentra ya combinada

con el oxígeno. Para ello se utilizan los datos provistos por el análisis último. Por

ejemplo, si se tiene la composición de un combustible en base seca, el PCI se puede

calcular de la siguiente manera [1]:

PCI (Kcal

kg) =8140*C+29000 (H-

O

8) +2220*S-600*H2O (16)

El método práctico consiste en calcular el PCI a partir del valor del PCS hallado

mediante el ensayo de poder calórico. Para poder hallar el PCI basta con restarle el

calor de cambio de estado del agua. Para ello se precisa conocer la cantidad de H

del combustible (se obtiene del análisis último) y la humedad (análisis próximo). La

ecuación resultante es la siguiente [1]:

PCI (kcal

kg) =PCS (

kcal

kg) -597(9*H+H2O) (17)

Típicamente un valor aproximado del PCI de los RSU es de 9-11 MJ/kg [9].

39

2.3. Análisis de gases

Cuando las reacciones de combustión no aparecen completamente pueden

aparecer sustancias contaminantes o no deseadas a la salida del proceso. Además

de ser particularmente conocidas, estas sustancias deben estar controladas a nivel

mundial, por lo cual, se requiere de un dispositivo y teoría fundamental para medir

estos gases y su porcentaje.

Recordemos que el proceso de combustión es algo ideal y es necesario de una

buena relación estequiométrica para obtener una adecuada oxidación, cuando esto

no pasa, se producen sustancias “inquemados”, ya sean en estado sólido o gaseoso

como lo son carbono e hidrocarburos; razones más exactas son las siguientes:

- No se consigue la adecuada uniformidad de la mezcla del combustible y el

aire.

- No se atomiza el combustible lo suficiente.

- La viscosidad del combustible líquido es incorrecta.

- La intensidad de fuego y las dimensiones de la llama no son adecuadas a la

cámara de combustión.

- Insuficiente aire de combustión.

- Mal funcionamiento del quemador.

- Quemador inadecuado.

Es por eso que el análisis de los gases consiste en la detección de gases y vapores

relacionados con el control de procesos químicos y metalúrgicos, en el control del

medio ambiente y en el área de control de seguridad. Se dispone de una gama

completa de instrumentos analíticos basados en métodos físicos o físico-químicos.

[2]

Al realizar el proceso de medición de la proporción de oxígeno en los gases de

escape de estos motores, se pueden controlar sus emisiones. Esta proporción se

da en la prueba de la ITV mediante la medida del coeficiente Lambda λ (se obtiene

de la relación del aire implicado en la combustión de la mezcla de gasolina). Para

una instalación y un combustible dado, se puede determinar a partir con las lecturas

del análisis de gases usando lo que se llama el diagrama de combustión (figura 1).

𝜆 =𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 (18)

40

Figura 3. Diagrama de la combustión. Fuente: Informes Femeval

Figura 4. Relación entre potencia, consumo y el coeficiente Lambda. Fuente: DEEEA.

Lo ideal es que el coeficiente λ sea igual a 1 (en todo el centro de la gráfica), a su

derecha el volumen de exceso de aire aumenta y a su izquierda aumenta el rango

de insuficiencia de aire. [3]

El analizador de gases entregará, en porcentaje, los productos como monóxido de

carbono, dióxido de carbono, oxígeno; y en pm, hidrocarburos; todo esto con la

ayuda de filtros o sensores cuya funcionalidad se basa en un principio físico o

41

fisicoquímico definido como la absorción, adsorción, transmisión, ionización,

conductividad, magnetismo, etc.

Los sensores reaccionan a las variaciones de la propiedad en cuestión de la

muestra con la variación correspondiente de su propiedad (mayor absorción de luz

o menor conductividad eléctrica, por ejemplo) y con ello se obtiene una señal de

medición. [2]

En este marco teórico se dará una interpretación de los resultados obtenidos en un

analizador de gases para motores de combustión interna.

Para el 𝐶𝑂

El valor correcto está entre 0,5 y 2%, siento la unidad de medida el porcentaje en

volumen.

- Menor a 5%: Combustión incompleta, falta de aire o exceso de combustible

(mezcla rica).

- Mayor a 5%: alto nivel de hidrocarburos y bajo de oxígeno = combustión

incompleta.

Para el 𝐶𝑂2

El motor funciona correctamente cuando el CO2 está a su nivel más alto, este valor

porcentual se ubica entre el 12-15%

- CO2 alto = eficiencia en la combustión y buen funcionamiento del motor.

- CO2 bajo = fallas en la combustión o mezcla pobre

Por regla general, lecturas bajas iniciativas de un proceso de combustión malo,

representa mala mezcla o un encendido defectuoso.

- Combustión a %CO2

12% Regular

14% Muy buena

15% Excelente

16% Óptima

Para los HC

Los hidrocarburos que salen del motor sin quemar. Deben estar entre 100 y 400

ppm.

42

- HCx alto = Exceso de combustible y falta de oxígeno en la mezcla

- HCx alto = Mezcla rica, si el CO también da un valor alto. Mala combustión

de mezcla pobre. Escape o aceite contaminado.

- HCx bajo = poco combustible y sobra oxígeno

Para el Oxígeno

Es el oxígeno que sobró en el proceso de combustión y debe ubicarse debajo del

2%.

- Oxigeno alto puede deberse a una mezcla pobre, combustiones que no se

producen o un escape roto

- O alto = mezcla pobre, fallas en la combustión = aumento de HCx y CO +

válvulas de escape descalibradas

- O bajo = mezcla rica

- Oxigeno = 0% significa que se ha agotado todo el oxígeno, si el CO es alto

es indicativo de una mezcla rica.

43

CAPÍTULO III: METODOLOGÍA

3.1. Fase de fabricación

Mantenimiento correctivo del secador solar:

Durante la última visita al secador solar se notaron ciertos daños superficiales en la

estructura debido principalmente, a la corrosión. Además de esto, las mallas, que

servían como bandejas de disposición para los residuos orgánicos alimentarios se

encontraban en mal estado (oxidado y deformado), así que fue necesario buscar

otro tipo de bandeja o realizar una recomposición de dicho sistema de disposición.

Para esto entonces se realizaron los siguientes cambios:

- Bandejas de disposición: Cada una de las mallas utilizadas anteriormente

fueron pintadas nuevamente y, en adición, se incorporaron marcos de

madera que facilitan no solo la acomodación interna en el secador, sino

también evitan cierta deflexión de la superficie de disposición de los residuos

alimentarios.

Figura 5. Bandejas de disposición modificadas. Fuente: Propia

- Marcos para vidrios: Se añadieron tres marcos para los vidrios lo que brinda

una seguridad al realizar la disposición de los residuos y evita pérdidas de

calor, ya que permiten un mejor cierre con el secador.

44

Figura 6. Marcos para vidrios. Fuente: Propia

- Introducción de termómetros: Se añadieron tres dispositivos de medición de

temperatura para tener una lectura más fácil de esta magnitud dentro del

secador solar, además evita que se tenga que destapar el secador solar para

realizar el mencionado procedimiento.

Figura 7. Termómetros utilizados en la lectura de medidas. Fuente: Propia

3.2. Fase de documentación

Tomando como guía el marco teórico, se da a conocer el proceso de realizar dos

balances de masa: uno ideal y uno real. Con el primero se podrá determinar la

cantidad de aire (u otro oxidante) requerida para quemar completamente el

combustible y, determinar la composición de los productos resultantes; con el real,

a partir de un análisis de productos de un proceso de combustión se determinará la

cantidad de aire realmente suministrada.

Se sabe entonces que los combustibles se analizan sobre una base de masa, se

conoce ya el análisis aproximado el cual, separa en componentes arbitrarios que se

45

designan como humedad, materia volátil, carbón fijo y ceniza; y se obtiene el análisis

elemental que nos muestra la composición del combustible en términos de sus

componentes químicos, excepto para ceniza, la cual es reportada como tal y

consiste en varios óxidos.

Esto es fundamental para el combustible a analizar, ya que las mediciones del

análisis elemental y el poder calorífico ayudarán a encontrar el potencial energético

que como se verá más adelante, se complementa con un análisis de combustible.

El PCS se puede medir con ayuda de la bomba calorimétrica C2000 tipo isoperibol

marca IKA del laboratorio de química de la Facultad de Ciencias y Educación de la

Universidad Distrital, sin embargo, es necesario tener una homogeneidad en los

residuos orgánicos alimentarios, por ende se pueden tamizar después de haberlos

secado para poder cumplir este objetivo.

Una vez calculados el PCS, la producción neta de RA, y el contenido de humedad

correspondiente a la molienda y el secado se puede realizar el balance energético

del sistema, que para este caso de estudio corresponde a la Ecuación 19,

𝐸 = ��𝑅𝐴 − ��𝑆𝑀 − ��𝑆𝑇 (19)

E corresponde al balance energético del sistema donde ��𝑅𝐴 es el potencial

energético de los residuos alimentarios mientras que ��𝑆𝑀 y ��𝑆𝑇 son las potencias

requeridas para el secado mecánico y térmico.

El 𝑄𝑅𝐴 es el resultado de multiplicar la producción de sólidos totales ��𝑆𝑇 (cantidad

de Residuos Alimentarios después del secado en Kg/s) y el PCI [2], como se

observa en:

��𝑅𝐴 = ��𝑆𝑇 ∗ 𝑃𝐶𝐼 (20)

El cálculo del 𝑄𝑆𝑀 se puede realizar con base en el consumo de potencia promedio

de unidades para el secado mecánico como el molino, en este caso, la referencia

indica un valor de 18,93%, es decir, se debe multiplicar la masa antes de la molienda

en Kg/s por dicho porcentaje.

A diferencia del secado mecánico, la ��𝑆𝑇 está conformada por dos cargas térmicas

[2]:

- El calor sensible para elevar la temperatura del agua desde condiciones

atmosféricas hasta la temperatura de saturación a Patm (116,36°C)

46

- El calor de evaporación a presión constante, tal como se observa en la

Ecuación 36:

QST=mW(CpΔT+hfg) (21)

Donde, ��𝑤 es el flujo másico de agua durante el secado térmico de residuos

alimentario (el valor de la masa sin molienda multiplicado por el porcentaje después

de secado), Cp calor especificó a presión constante y ℎ𝑓𝑔 entalpia de evaporización

a Patm.

Ahora bien, como se realizará el análisis elemental, es necesario utilizar el

analizador orgánico elemental serie FLASH 2000 marca Thermo Scientific del

laboratorio de química de la Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad

Distrital para realizar su medición.

Teniendo estos datos, se retoma la ecuación de cantidad de calor transferido

durante la combustión (diferencia de entalpías de entrada y salida):

𝑄 = ∑ 𝑁(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓





+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 ) (12)

Donde N es el número de moles, y h entalpía, recordando los índices y subíndices

mencionados anteriormente.

Para calcular el número de moles, tanto de los reactantes como de los productos se

requiere desarrollar el balance molar correspondiente a la combustión de los RA

como se mencionó al comienzo de este subtítulo.

Esto se da con ayuda de las ecuaciones 7 y 12.

𝑎𝐶

𝑏𝐻

𝑐𝑂 + 𝑥[0,232𝑂2 + 0,768𝑁2] = 𝑓𝐻2𝑂 + 𝑔𝐶𝑂2 + ℎ𝑂2 + 𝑖𝑁2 + 0,1 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎 (7)

𝑑𝑁

ni =mST*Xi

Mi (22)

Los índices a, b, c y d, se obtendrán del análisis elemental, 𝑛𝑖 es el número de

moles, 𝑀𝑖 es el peso molecular de cada componente y 𝑥𝑖 es su fracción másica

estimada (también a partir del análisis elemental), seguido de esto se podrá realizar

el balance molar de la reacción. Con esto, las entalpías faltantes en la ecuación de

47

combustión (Ecuación 12) podrán encontrarse dando cumplimiento a los objetivos

de esta tesis.

3.3. Fase de elaboración de productos finales

Ya que es necesario obtener el potencial energético de los residuos alimentarios se

requerirá una bomba calorimétrica. Igualmente, con el propósito de hacer el análisis

de gases a los productos de la combustión de los residuos alimentarios, se fabricó

una cámara de combustión que permite llevar dicho residuos al punto de ignición

ayudados con un caudal de aire suministrado por un ventilador, además de la

disposición de un tubo de escape que permite la fácil ubicación de la sonda de

extracción de gases del analizador Brain Bee AGS688 disponible en el Laboratorio

de Ciencias Térmicas de la Universidad Distrital, con esto, se realiza una manera

teórica y real el análisis volumétrico de los residuos. Esta parte se amplía en el

marco teórico.

Se realizó la creación de este horno con elementos básicos como un recipiente

circular, una resistencia eléctrica y cemento refractario como se puede apreciar en

la Figura 7.

48

Figura 8. Construcción del horno de combustión. Fuente: Propia

Fue necesaria la creación de un ducto de alimentación de oxígeno mediante un

ventilador controlado por un potenciómetro para facilitar el control de masa de aire

que entra al sistema y obtener así varios datos del proceso de combustión, como

se describió en el marco teórico. Además, para realizar la disposición de los

residuos dentro del horno se realizó un tipo de crisol en donde se depositaban 100

gr de producto a analizar. De igual manera, una de las recomendaciones hechas en

la tesis anterior [1] fue el proceso de molienda, ya que manualmente, se pierde

bastante tiempo y energía. Para corregir esto se optó por realizar un acople de polea

y motor con el molino, dejando un proceso de molienda más efectivo.

Figura 9. Adaptación del molino. Fuente: Propia

49

3.4. Fase de instalación y pruebas

Obtención de los desechos orgánicos

Como se realizó en la tesis “Diseño de un secador solar para residuos

orgánicos como paso previo del proceso de combustión” se dispuso de los

restaurantes cercanos a la Universidad para dicha obtención.

Selección y clasificación de los desechos orgánicos para su posterior molienda

Dentro de los residuos obtenidos se decidió hacer una clasificación de

acuerdo al color, con base en la ecuación 23, ya que es desde allí que el

índice 𝛼𝑐 o absortividad de la capa de basura depende de la longitud de onda

𝜆, que básicamente nos define el color.

[∝𝐶 𝜏𝐼(𝑡)]𝐴𝐶 = 𝑀𝐶𝐶𝐶

𝑑𝑇𝐶

𝑑𝑡+ ℎ(𝑇𝐶 − 𝑇𝐶ℎ)𝐴𝐶 (23)

Esta ecuación proviene de la tesis titulada como Diseño de un secador solar

para residuos orgánicos alimentarios como paso previo del proceso de

combustión, desarrollada anteriormente en el año 2015.

Siendo así, los residuos se clasificaron en tres grupos generales:

- Color verde: Residuos de cebolla larga, cáscara de pepino, lechuga, limón,

cilantro, arracacha.

- Color café: Cáscaras de papa y yuca, raíces de cebolla.

- Color naranja: En realidad se optó por dejar un rango desde el color rojo

hasta el amarillo, obteniendo entonces cáscaras de manzana, papaya,

melón, tomate, lulo.

- Mezcla: Se dejó también cierta cantidad en donde se dejaban todos los

residuos sin clasificar, decisión tomada para resultados posteriores en la

quema del producto seco.

.

50

CAPÍTULO IV: RESULTADOS

Se realizaron nuevamente pruebas de secado, pero como se mencionó

anteriormente, se decidió agrupar en 4 grupos los residuos alimentarios. Fueron

nuevamente dispuestos en el secador solar durante dos días para un secado

óptimo, obteniendo así los diferentes resultados.

Día 1

Tiempo (min)

Temp. Ambiente (°C)

Temp. Interna (°C)

Velocidad viento (m/s)

0 17,20 32,20 2,53

30 16,50 29,60 3,46

60 16,90 30,10 3,20

90 17,90 34,50 2,92

120 17,40 32,30 3,64

150 17,60 34,40 2,71

180 20,50 40,10 2,49

210 20,60 40,10 2,85

240 17,00 32,20 3,53

270 17,00 32,30 2,85

300 16,50 28,00 2,93

330 16,00 24,70 2,46

Tabla 17. Datos generales obtenidos en la Prueba 1. Fuente: Propia

CAFÉ NARANJA

Temp. Superficial (°C)

Contenido de humedad (%)



27,60 78,20 17,20 78,20

23,00 80,70 16,50 73,40

23,50 75,20 26,80 73,00

28,30 70,10 27,50 72,00

26,60 68,20 27,00 69,70

27,20 63,40 28,90 68,20

29,40 60,70 24,80 63,70

29,20 55,30 25,80 63,60

24,80 54,10 20,60 60,10

22,50 51,20 18,50 58,30

51

20,20 48,40 15,60 54,10

16,40 44,40 14,00 52,20

VERDE MEZCLA





23,70 82,1 16,50 78,10

23,10 80,60 16,50 73,40

25,90 78,20 17,20 72,00

25,60 76,20 26,80 69,70

28,20 70,70 27,50 68,20

31,10 67,70 27,00 63,70

26,80 66,40 28,90 63,60

24,20 62,50 24,80 60,10

22,00 55,60 25,80 57,20

17,30 53,10 20,60 57,10

14,60 49,20 18,50 50,20

14,80 45,50 15,60 48,10

Tabla 18. Resultados obtenidos según muestra en el secador, día 1. Fuente: Propia

Ya que no fue suficiente el secado en el primer día, se realizó una segunda

prueba, hasta que en la medición de humedad pudiéramos registrar menos del

10% o la humedad de equilibrio.

Día 2

Tiempo (min)

Temp. Ambiente (°C)

Temp. Interna (°C)

Velocidad viento (m/s)

0 20,10 42,20 3,29

30 18,10 36,90 3,22

60 21,20 44,70 2,65

90 17,00 32,80 2,74

120 21,10 37,50 2,59

Tabla 19. Datos generales obtenidos en la Prueba 2. Fuente: Propia

52

CAFÉ NARANJA





37,10 34,40 17,20 42,20

24,90 25,30 16,50 34,50

34,20 19,70 26,80 22,30

22,70 14,70 27,50 14,30

22,50 8,60 27,00 8,50

VERDE MEZCLA





23,70 35,5 26,50 38,10

23,10 31,20 26,50 34,70

25,90 23,50 27,20 27,00

25,60 16,20 36,80 19,70

28,20 7,70 37,40 8,20

Tabla 20. Resultados obtenidos según muestra en el secador, día 2. Fuente: Propia

Ahora bien, se registró un cambio en la masa de las muestras, ya que se ha retirado

humedad:

Muestra Masa sin

molienda (gr/día)

Masa después de molienda (gr/día)

Masa después del secado

(gr/día)

Café 2000,00 1500,00 325,00

Naranja 15000,00 8000,00 4000,00

Verde 1000,00 500,00 150,00

Mezcla 5000,00 2300,00 1500,00

TOTAL 23000,00 12300,00 5975,00

Tabla 21. Reducción de masa total. Fuente: Propia

53

Cantidad de humedad retirada (%)

Muestra Después de molienda Después del secado

Café 25,00 58,75

Naranja 46,67 26,67

Verde 50,00 35,00

Mezcla 42,50 20,00

TOTAL 44,09 28,75

Tabla 22. Cantidad de humedad retirada en porcentaje. Fuente: Propia

Como se menciona en el marco teórico, ��𝑠𝑡 es la cantidad de Residuos Alimentarios

después del secado, es decir, la última columna de la Tabla 22. Para poder hallar el

potencial energético es necesario hallar el PCI que, mencionado anteriormente

(Ecuación 20), se obtiene de la prueba de la bomba calorimétrica de la Facultad de

Ciencias y Educación de la Universidad Distrital.

Ahora bien, para realizar esta prueba fue necesario tamizar las diferentes muestras

dejándolas con un diámetro de 6 micrómetros, gracias a una Malla No. 20 de

tamizado dejando el proceso como sigue:

MUESTRA

OBTENIDO MOLIDO

SECADO TAMIZADO

Tabla 23. Disposición general de las tablas 23, 24, 25. Fuente: Propia

A continuación podemos ver el proceso de cada una de las 4 muestras:

54

CAFÉ

Tabla 24. Fotografías del proceso de obtención, molienda, secado y tamizado de residuos clasificados en

color café. Fuente: Propia

NARANJA

55


color naranja. Fuente: Propia

VERDE

56


color verde. Fuente: Propia

MEZCLA

Tabla 27. Fotografías del proceso de obtención, molienda, secado y tamizado de residuos clasificados en la

mezcla. Fuente: Propia

57

Al tener las muestras tamizadas, se realizó la prueba en la bomba calorimétrica

sabiendo que el proceso de combustión toma lugar allí bajo condiciones definidas.

Figura 10. Bomba Calorimétrica tipo Isoperibol marca IKA de la Facultad de Ciencias y Educación de la

Universidad Distrital .Fuente: Propia

Es allí que se debe realizar el siguiente procedimiento:

1. Preparar la muestra con ayuda de peletizadora manual marca IKA – Werke

GmbH & Co, disponible en el mismo laboratorio de la Facultad de Ciencias y

Educación.

Figura 11. Peletizadora manual marca IKA de la Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad

Distrital .Fuente: Propia

58

2. Desmontar el vaso de descomposición y amarrar el hilo de algodón

específico (50 Joules). Este hilo será conductor, y a la vez, permitirá la

ignición a la muestra ya que irá amarrado a un alambre que será inducido

con energía eléctrica.

Figura 12. Hilos de ignición. Fuente: Propia

3. Cerrar el vaso de descomposición y montarlo en la bomba calorimétrica.

Figura 13. Vaso de descomposición de la bomba calorimétrica marca IKA de la Facultad de Ciencias

y Educación de la Universidad Distrital .Fuente: Propia

4. Introducir las propiedades de la muestra previamente pesada con ayuda de

una balanza digital RADWAG Referencia AS 66/220 C2.

59

Figura 14. Balanza y muestra peletizada para su respectiva medición. Fuente: Propia

5. Puesta en marcha del equipo.

En las bombas calorimétricas la medición del PCI (Poder Calorífico Inferior) tiene

lugar en la transferencia del calor de combustión a través de la capsula de acero

inoxidable, elevando la temperatura del agua contenida en el recipiente, cuya

temperatura exterior para el caso de calorímetros isoperibol permanece constante.

Esa diferencia de temperatura junto con la cantidad en masa de agua contenida y

su calor específico a presión constante permite el cálculo del calor de combustión

por unidad de masa (J/g) [2].

Figura 15. Partes de la bomba calorimétrica tipo Isoperibol marca IKA de la Facultad de Ciencias y Educación

de la Universidad Distrital Fuente: Manual Bomba calorimétrica.

60

Se hizo primero la prueba con ácido benzoico siguiendo el manual del equipo, esto

para saber el rango en el que está trabajando la máquina. Estas pastillas de ácido

benzoico tienen registrado un poder calorífico de 26460, y según los resultados

(Tabla 28), hay un desfase de aproximadamente 59 Joules, que está dentro del

rango impuesto por el manual de usuario.

Es así que se obtuvieron los siguientes resultados:

MUESTRA TIEMPO (mm:ss)

PESO (gr)

LHV (J/gr)

Referencia 26:27:00 1,01439 26519

Café 21:54 1,45494 15754

Naranja 22:50 1,45129 16800

Verde 21:22 1,44058 15410

Mezcla 20:30 1,47103 15231

Tabla 28. Resultados obtenidos de la bomba calorimétrica. Fuente: Propia

Ahora bien, siguiendo los pasos de la fase de documentación, en encontraron

primero las diferentes incógnitas de las ecuaciones postuladas allí para obtener la

energía del sistema. Esto queda registrado en la Tabla 29 a continuación:

Muestra ��𝑺𝑴 (Kg/s) ��𝑾 (Kg/s) 𝑸𝑹𝑨 (W) 𝑸𝑺𝑴 (KW) 𝑸𝑺𝑻 (KW) E (KW)

Café 0,0000038 0,0000136 99,75 0,004381944 0,04 0,14

Naranja 0,0000463 0,0000463 729,35 0,032864583 0,13 0,89

Verde 0,0000017 0,0000041 29,17 0,002190972 0,01 0,04

Mezcla 0,0000174 0,0000093 267,53 0,008763889 0,03 0,30

Tabla 29. Resultados de los cálculos para la energía del sistema. Fuente: Propia

Como se puede observar, la energía total del sistema es alrededor de 1,30 KW

sabiendo entonces que el mayor PCI lo pudimos obtener de las muestras color

naranja (residuos de papaya, zanahoria, naranja, tomate, pimentón, entre otros).

Ahora bien, retomando la ecuación 7 que describe el proceso de combustión se

adapta al sistema como sigue:

61

𝑎𝐶

𝑏𝐻

𝑐𝑁 + 𝑥[0,232𝑂2 + 0,768𝑁2] = 𝑓𝐻2𝑂 + 𝑔𝐶𝑂2 + ℎ𝑂2 + 𝑖𝑁2 + 0,1 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎

𝑑𝑂

Los coeficientes a, b, c y d se hallan realizando la prueba en el Analizador Elemental

CHNS-O serie TermoFlash C2000 marca Thermo Scientific de la Facultad de

Ciencias y Educación de la Universidad Distrital. Allí se disponen las muestras en

cápsulas de estaño que irán dentro de una cámara de combustión (que llegará a

aproximadamente a 1000°C) ubicada dentro del analizador. Los gases de escape

producidos por el proceso de oxidación pasan a través de columnas de separación

con detectores tipo TCD que ayudarán a determinar la concentración de C, H, N y

O que, para este caso, se ven reflejados en la Tabla 29.

Figura 16. Analizador Elemental CHNO de la Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad Distrital

Fuente: Propia

ANÁLISIS ELEMENTAL

Muestra C (%) H (%) N (%) O (%)

Café 40,01371002 5,678285122 2,128831863 52,179173

Naranja 42,71831894 5,860716343 1,532758117 49,8882066

Verde 40,24855042 5,856125832 1,585736513 52,30958724

Mezcla 48,12743357 5,835493282 2,082923871 43,95414928

Peso atómico 12,01 1,01 14,01 16

Tabla 30. Datos obtenidos del analizador elemental para residuos, unidades en porcentaje de fracción másica.

Fuente: Propia

62

Con estas incógnitas se tiene la ecuación de combustión estequiométrica siguiente

para la muestra café por ejemplo:

0,4001𝐶

0,0568𝐻

0,0213𝑁 + 𝑥[0,232𝑂2 + 0,768𝑁2] = 𝑓𝐻2𝑂 + 𝑔𝐶𝑂2 + ℎ𝑂2 + 𝑖𝑁2 + 0,1 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎

0,5218𝑂

Para hallar los coeficientes de f, g, h, i, y j se utilizó el metodo del ejemplo 11.2 del

libro de Ingeniería Termodinámica de Dugan [3] como sigue:

Prueba apriori:

Realizar un balance de ecuaciones para cada uno de los elementos:

Balance de Hidrogeno (H):

0,0568 𝐾𝑔 𝐻2𝑂 = 𝑓 (2 𝐾𝑔 𝐻

18 𝐾𝑔 𝐻2𝑂)

𝑓 = 0,5065 𝐾𝑔 𝐻2𝑂

Balance de Carbono (C):

0,4001 𝑙𝑏𝑚 𝐶𝑂2 = 𝑓 (12 𝐾𝑔 𝐶

44 𝐾𝑔 𝐶𝑂2)

𝑔 = 1,4663 𝐾𝑔 𝐶𝑂2

Para una combustión estequiométrica, c=0, el multiplicador de x es 1. Entonces,

un balance de masa del oxígeno es:

Balance de Oxigeno (O):

0,5218 𝑙𝑏𝑚 𝑂 + 𝑥 (0,232 𝐾𝑔 𝑂

𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒) = 0,5065 (

16 𝐾𝑔 𝑂

18 𝐾𝑔 𝐻2𝑂) + 1,4663 (

32 𝐾𝑔 𝑂

44 𝐾𝑔 𝐶𝑂2)

𝑥 = 4,2850 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

63

Se puede resolver para c, la masa de 𝑂2 libre en los productos, h =

(1)(4,2850)(0.232) = 0.9941 Kg de 𝑂2.

Balance de N:

0,0213 + 1(4,2850)(0,768) = 𝑖

𝑖 = 3,3122 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑁2

Es entonces que se obtuvo la ecuación final que modela la combustión:

0,5218𝑂

0,4001𝐶

0,0568𝐻

0,0213𝑁 + 4,2850[0,232𝑂2 + 0,768𝑁2]

= 0,5065𝐻2𝑂 + 1,4663𝑂2 + 0,9941 𝑂2 + 3,3122 𝑁2 + 0,1 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎

Este procedimiento se realizó con cada una de las muestras dejándolas registradas

en la siguiente tabla:

No de moles teórico

MUESTRA C H N O H2O CO2 O2 N2

Café 0,4001371 0,056782851 0,021288319 0,52179173 0,5065 1,4663 0,9941 3,3122

Naranja 0,427183189 0,058607163 0,015327581 0,498882066 0,5228 1,5654 1,1035 3,6684

Verde 0,402485504 0,058561258 0,015857365 0,523095872 0,5224 1,4749 1,0132 3,3698

Mezcla 0,481274336 0,058354933 0,020829239 0,439541493 0,5206 1,7636 1,3050 4,3408

Tabla 31. Número de moles teóricos obtenidos a partir de los cálculos. Fuente: Propia

Gracias a estos datos, se pudo completar la Ecuación 12 reemplazando el valor del

número de moles N por cada uno de los elementos.

𝑄 = ∑ 𝑁(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓





+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 ) (12)

Q=H2-H1

64

𝑄 = ∑ 𝑁𝐻2𝑂(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓


+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝐻2𝑂 + 𝑁𝐶𝑂2

(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝐶𝑂2

+ 𝑁𝑂2(ℎ2

− ℎ°𝑟𝑒𝑓 + Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓

)𝑂2+ 𝑁𝑁2

(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝑁2

− 𝑁𝐶(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝐶− 𝑁𝐻(ℎ2


)𝐻− 𝑁𝑂(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝑂− 𝑁𝑁(ℎ2


)𝑁− 𝑁𝑂2(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝑂2

− 𝑁𝑁2(ℎ2 − ℎ°𝑟𝑒𝑓

+ Δℎ°𝑓𝑟𝑒𝑓 )𝑁2

Para resolver esta ecuación, se utilizaron las tablas de datos A15 y A17 del libro de

Ingeniería Termodinámica de J.B. Jones y R. Dugan, con el dato de temperatura de

salida de los gases de aproximadamente 604,85°K, temperatura de los reactantes

es la temperatura ambiente de la ciudad (287,15°K) y la Temperatura de referencia

es de 298,15°K. Los resultados se registran en la Tabla 32.

MUESTRA Q = H2 - H1 q (KJ/Kg)

Café -791927,5863 -18404,08056

Naranja -816584,4434 -18977,09606

Verde -787550,8276 -18302,36643

Mezcla -871158,2059 -20245,36848

Tabla 32. Resultados de los cálculos para el calor liberado en la combustión según el método analítico.

Fuente: Propia

Prueba posteriori:

Se utilizó el analizador de gases Brain Bee AGS688 de la Facultad Tecnológica de

la Universidad Distrital el cual funciona con una sonda que es introducida al tubo de

escape de la cámara de combustión a revisar. En el equipo hay una bomba de vacío

que ayuda a recoger los gases de combustión correctamente los cuales son

pasados por diferentes filtros encargados de captar CO, CO2, O2, HC y NoX.

65

Figura 17. Analizador de gases conectado al horno de combustión. Fuente: Propia.

Es entonces que al final del proceso, el analizador muestra el porcentaje de estos

gases obteniendo para las muestras los siguientes resultados:

Residuo color café

Tiempo (min) Temperatura

(°C) CO (% Vol)

CO2 (% Vol)

O2 (% Vol) HC (ppm)

1 300 0,1 0,4 20,12 20

5 326 0,16 0,8 20,11 91

10 325 0,08 0,3 20,54 24

Tabla 33. Datos obtenidos del analizador de gases para residuos clasificados en color café. Fuente: Propia

Residuo color naranja


(°C) CO (% Vol)

CO2 (% Vol)

O2 (% Vol) HC (ppm)

1 301 0,21 1 19,49 171

5 329 0,18 1 19,43 122

10 316 0,14 0,7 20,04 24

Tabla 34. Datos obtenidos del analizador de gases para residuos clasificados en color naranja. Fuente: Propia

66

Residuo color verde


(°C) CO

(% Vol.) CO2

(% Vol.) O2 (% Vol.) HC (ppm)

1 303 0,07 0,3 20,66 25

5 328 0,21 1,3 19,52 110

10 326 0,16 0,8 20,11 91

Tabla 35. Datos obtenidos del analizador de gases para residuos clasificados en color verde. Fuente: Propia

Residuo mezcla


(°C) CO (% Vol.)

CO2 (% Vol.)

O2 (% Vol.) HC (ppm)

1 301 0,11 0,40 20,45 35

5 326 0,22 0,90 20,05 116

10 323 0,14 0,70 20,04 103

Tabla 36. Datos obtenidos del analizador de gases para residuos clasificados en mezcla. Fuente: Propia

Como estos valores están en fracción volumétrica es necesario pasarlos a fracción

molar dejando las correspondientes unidades, esto lo podemos hacer con ayuda

de la fórmula 22 para cada una de las muestras.

ni =mST*Xi

Mi (22)

Ahora bien, para los respectivos cálculos se tomaron los datos del minuto 5 en el

proceso de análisis de gases, gracias a que la combustión está en su punto estable.

Seguido de esto, se volvieron a reemplazar los datos en la Ecuación 12 y así

quedaron registrados los resultados en la Tabla 37 sabiendo que para este caso,

la ecuación de la combustión queda de la siguiente manera:

𝑎𝐶 𝑏𝐻 𝑐𝑁 + 𝑥[0,232𝑂2 + 0,768𝑁2] = 𝑒𝐶𝑂2 + 𝑓𝐶𝑂 + 𝑔𝑂2 + 0,1 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎 𝑑𝑂

67

MUESTRA Q=H2-H1 (KJ) q (KJ/Kg)

Café -692787,6959 -16100,10913

Naranja -680935,0609 -15824,65863

Verde -687138,0549 -15968,81373

Mezcla -654900,7481 -15219,63161

Tabla 37. Resultados de los cálculos para el calor liberado en la combustión según el método práctico.

Fuente: Propia

Por último, se compararon los resultados obtenidos en ambos métodos (para mayor

facilidad de lectura se anexa la Tabla 38).

PRUEBA APRIORI PRUEBA POSTERIORI

MUESTRA q (KJ/Kg) q (KJ/Kg)

Café -18404,08056 -16100,10913

Naranja -18977,09606 -15824,65863

Verde -18302,36643 -15968,81373

Mezcla -20245,36848 -15219,63161

Tabla 38. Comparación de los resultados obtenidos teórica y prácticamente. Fuente: Propia

Ahora bien, como se puede observar la diferencia es alrededor de 100000 KJ en

cada una de las muestras, aproximadamente, lo que quiere decir que hay un error

que se debe considerar. Este error puede ser debido a diferentes factores tales

como la composición del aire de entrada al sistema de combustión, ya que no era

aire seco como se planteaba en la combustión estequiométrica; igualmente, las

pérdidas de calor no fueron tomadas en el modelo teórico lo que suma a ese desfase

en la práctica.

68

CAPÍTULO V. CONCLUSIONES

En cuanto al funcionamiento del secador solar se puede deducir que las mejoras

incluidas como la disposición de los productos, en verdad corrigió el tiempo de

secado ya que por ejemplo, anteriormente (tesis anterior) fue necesario disponer de

18 horas aproximadamente para secar 46 Kg, mientras que en estas nuevas

pruebas, fueron necesarias 7,5 horas para deshidratar 22 Kg de residuos

alimentarios, lo que significa una reducción de tiempo aproximadamente de 3 horas.

En sí los valores principales que se obtuvieron en esta tesis fueron dos resumidos

en la Tabla 28 y Tabla 38.

MUESTRA LHV

(J/gr)

Referencia 26519

Café 15754

Naranja 16800

Verde 15410

Mezcla 15231

Tabla 28. Resultados obtenidos de la bomba calorimétrica. Fuente: Propia

PRUEBA APRIORI PRUEBA POSTERIORI

MUESTRA q (KJ/Kg) q (KJ/Kg)

Café -18404,08056 -16100,10913

Naranja -18977,09606 -15824,65863

Verde -18302,36643 -15968,81373

Mezcla -20245,36848 -15219,63161

Tabla 38. Comparación de los resultados obtenidos teórica y prácticamente. Fuente: Propia

Como se observa, uno de los mayores poderes caloríficos fue el de la muestra color

naranja (residuos de papaya, zanahoria, tomate, naranja, pimentón, entre otros)

debido a su composición elemental, ya que el 40% de la muestra es carbono. Sin

embargo, vemos que la mayor cantidad de calor liberado se produce en la muestra

café (con la cantidad mayor de oxígeno en su análisis elemental), lo que puede

69

indicar que el equilibrio entre carbono y oxígeno en una muestra puede interferir al

momento del liberar calor.

Ahora bien, el potencial energético de los residuos orgánicos alimentarios como

biocombustible es bueno dependiendo de su aplicación. Se puede comprobar

comparando los resultados obtenidos en la Tabla 38, con investigaciones realizadas

a nivel global (Tabla 39), en donde se encuentra que el poder calorífico de las

muestras obtenidas en esta tesis se acopla para trabajarse entre el papel y la

madera seca.

Combustible LHV (KJ/Kg)

Gas Natural 39900,00

Fuel Oil 40600,00

Hidrógeno 120011,00

Gasolina 43950,00

Coque 29300,00

Carbón de madera 31400,00

Papel 17500,00

Madera seca 19000,00

Tabla 39. Poder Calorífico de los combustibles comunes. Fuente: Biblioteca Central de la Universidad

Nacional del Sur - UNS

La diferencia entre la prueba a priori (método teórico) y posteriori (método práctico)

es significativa y puede deberse a las suposiciones tomadas entre cada una de

ellas, como por ejemplo el contenido de humedad del aire entrante a la cámara de

combustión y las pérdidas de calor en el proceso. Sin embargo, se obtendrán

aproximadamente 15000 KJ por Kilogramo de residuo alimentario deshidratado, que

en realidad es algo importante a la hora de buscar sus aplicaciones en la industria

o en el hogar, lugares donde sobretodo, se generan este tipo de residuos.

La cantidad de humedad retirada de los productos es significativamente alta (de 22

Kg de residuos orgánicos alimentarios, 16 Kg es humedad o agua retirada, es decir,

un 72% de la muestra, véase Tabla 21). Si se lleva esto a mayor escala, es decir,

no a sólo un restaurante sino a los 6 que hay en la zona, serían 95 Kg de agua que

se van directamente al botadero. Esa agua, generalmente se transforma en

lixiviados que pueden filtrarse en las aguas del río más cercano, lo que indica una

contaminación importante. Ahora bien, son solamente 6 restaurantes en alrededor

de 4 cuadras de la ciudad de Bogotá. La cifra es alarmante al llevar esta suposición

a nivel regional, y peor aún, departamental o nacional.

70

CAPÍTULO VI: BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA

Manuel Alexander Cañón Acosta. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Facultad Tecnológica. [2015]. Diseño de un secador solar para residuos orgánicos

alimentarios como paso previo del proceso de combustión.

Carlos Andrés Romero Ariza, David Leonardo Mayorga Céspedes. Universidad

Distrital Francisco José de Caldas. Facultad Tecnológica. [2015]. Análisis de la

recuperación in-situ de los residuos alimenticios por combustión directa en un micro

CHP para la generación de potencia y secado de los residuos.

Tiwari G. N., Solar Energy: Fundamentals, Design, Modelling and Applications.

Editorial Narosa Publishing House. [2012] California, Estados Unidos.

Jones G.B., Dugan R.E., Ingeniería Termodinámica, Capítulo 11: Reacciones

químicas – combustión. Editorial Prentice Hall, A Simon & Shuster Company.

[1997]. Impreso en México.

Gladys Jaramillo Henao, Liliana María Zapata Márquez. Posgrados de Ingeniería

Ambiental. Aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos en Colombia. [2008].

Universidad de Antioquia - Facultad de ingeniería. Antioquia, Colombia.

María del Mar Esperanza Quintana. Combustión y pirolisis de residuos orgánicos:

análisis de contaminantes. Tesis doctoral de la Universitat d'Alacant. [2000].

Alicante, España.

Irene Montero Puertas. Modelado y construcción de un secadero solar híbrido para

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Industriales. [Noviembre de 2005]. Extremadura, España.

Superintendencia de servicios públicos. Disposición Final de Residuos Sólidos.

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Elías Javier. Capítulo 3: La incineración y destrucción térmica. Departamento de

Incineración y destrucción térmica de la ciudad de México. [2006] Ciudad de México,

México.

Hernández, Cid Ángel. Nuevas tecnologías para el tratamiento de residuos sólidos

en el D.F. Universidad Nacional Autónoma de México. [Octubre de 2010]. México.

71

Sepúlveda Villada, Luis Aníbal. Modelo tecnológico para el aprovechamiento de

residuos orgánicos biodegradable en complejos residenciales y turísticos. ACODAL.

[2014] Colombia.

Organización Panamericana de Salud. Capítulo 3: La incineración y destrucción

térmica. Biblioteca Virtual especializada en Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental.

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