PLAN DE TESIS DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERO EN ELECTROMECÁNICA

1. TÍTULO DEL PROYECTO

“DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRANSPORTE DE BIOGAS PARA

USO DOMÉSTICO EN LA HACIENDA SAN FRANCISCO.”

2. UNIDAD RESPONSABLE

Carrera de Ingeniería Electromecánica

3. RESPONSABLE DEL PROYECTO

Julio Cesar Cunalata Moran.

4. COLABORADORES CIENTÍFICOS

Ing. Pablo Mena (ESPE-Latacunga)

Ing. Oscar Artiaga (ESPE-Latacunga)

5. ÁREA DE INFLUENCIA

Área Medioambiental

Sector Agroindustrial

Región Central del País

6. ANTECEDENTES

La Hacienda San Francisco se encuentra ubicada al norte de la Provincia

de Cotopaxi a 400 metros de la piedra Colorada, la Hacienda tiene como

actividad la producción de leche y de rosas para exportación y cuenta

con 300 personas que elaboran, en sus instalaciones cuenta con un

biodigestor que tiene una capacidad de producir 1200 m3/dia de biogás,

el cual podría ser utilizado como sustituto del GLP, la empresa consume

9 cilindros de 45 Kg semanales para la elaboración de alimentos y

actualmente tiene un costo 29 USD c/u, es decir mensualmente tienen un

egreso de 1000 dólares, estos gastos podrían ser evitados mediante la

implementación de un sistema de transporte de biogás.

El biogás es un combustible natural, no fósil, de alto poder calorífico

dependiendo el contenido de gas metano. El aprovechamiento de biogás

comprende básicamente su uso como combustible para la generación

eléctrica en generadores, turbinas, calderas, para la alimentación a la red

de gas natural y como combustible para vehículos.

El biogás no se quema ni explota con facilidad. No se puede quemar solo,

sino que necesita una mezcla de aire-biogás para que se encienda.

Para el transporte y aprovechamiento de biogás se requiere de la

instalación de un tren de calibración de biogás para controlar la presión,

medir el caudal del biogás, medir la concentración de CH4, calibrar la

presión de servicio , cierre automático del paso del biogás, corta llamas,

etc.

7. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La empresa AGROGANA utiliza considerables cantidades de GLP

diariamente, para la cocción de alimentos, que son consumidos por el

gran número de personal que laboran en sus instalaciones, incurriendo

en pagos elevados, los cuales repercuten en la economía de la empresa.

Al contar con un biodigestor el cual se encuentra actualmente

produciendo biogás se plantea la posibilidad de transportarlo para poder

de esta manera reducir los gastos que se generan al consumir el GLP.

DESCRIPCIÓN RESUMIDA DEL PROYECTO

El presente proyecto tiene como finalidad el diseño de la línea de

conducción de biogás la cual debe cumplir ciertos requerimientos

mínimos como son la válvula de cierre, filtro de biogás, sensor de

presiones mínimas, manómetro, válvula check (para biogás-bajas

presiones), compensadores, soplador atex (antideflagrante-antichispa),

reguladora de recirculación y descarga, control de temperatura, sensor de

presión máxima, medición de presiones máxima y mínimas, válvula anti

explosión.

El biogás o gas metano, que resulta menos peligroso que el Propano

utilizados en las ciudades, se produce en un digestor o biodigestor, es

importante que la instalación esté en el exterior o si no en un sitio con

ventanas o puertas siempre abiertas.

A continuación se muestra un esquema básico.

La cocina utilizadas en la Hacienda San Francisco deberán ser adaptadas

para funcionar a biogás, para esto se diseñara diferentes sistemas que

permitan que la cocina funcione a biogás.

8. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

Debido a la producción de biogás que se obtiene del biodigestor de la

hacienda San Francisco se puede implementar un sistema para el

transporte del biogás, el cual permitirá aprovechar el biogás y poderlo

sustituir por el GLP.

Los beneficios son varios, tanto económicos como de ayuda a la

conservación del medio ambiente, además de poner en la mira a la

Escuela Politécnica del Ejército como pionera en la investigación de este

tipo de tecnologías.

9. PROYECTOS RELACIONADOS

Ninguno

10.OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema de transporte de biogás para uso doméstico en la

Hacienda San Francisco.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Recopilar el sustento teórico necesario para el desarrollo del proyecto.

Diseñar el sistema de manejo de biogás.

Diseñar la red de tuberías para el transporte del biogás.

Diseñar el filtro de H2S

Realizar el levantamiento topográfico para la línea de conducción.

11.METAS

Sustento teórico de los biodigestores y de los gases durante el primer

mes.

Sustento teórico de la combustión de los gases y conducción del

biogás durante el segundo mes.

Sustento teórico de selección de tuberías de conducción de gases

durante el tercer mes.

Sistema de conducción y manejo de biogás durante el cuarto y quinto

mes.

Diseño del sistema de tren de calibración para el biogás durante el

sexto y séptimo mes.

Diseño de las tuberías de conducción del biogás durante el séptimo y

octavo mes.

Manual de operación y mantenimiento durante el noveno mes.

12.HIPÓTESIS:

¿Mediante el diseño de un sistema para conducción de biogás se

puede reducir el consumo de Gas Licuado de Petróleo en la Hacienda

San Francisco?

13.VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN:

VARIABLES INDEPENDIENTES:

Reducción del consumo del Gas Licuado de Petróleo.

VARIABLES DEPENDIENTES:

Diseño del sistema de conducción de biogás.

Transporte de biogás.

14.MARCO TEÓRICO

“DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRANSPORTE DE BIOGAS PARA

USO DOMESTICO EN LA HACIENDA SAN FARNCISCO.”

1. BIOGAS

2. TRANSPORTE Y MANEJO DEL BIOGAS.

1. BIOGÁS.

El biogás es un producto del metabolismo de ciertas bacterias que

participan en la descomposición de tejidos orgánicos en ambiente húmedo

y carente de oxígeno. A su vez, durante el proceso de descomposición,

algunos compuestos orgánicos son transformados a minerales, los cuales

pueden ser utilizados fácilmente como fertilizantes para los cultivos.

Composición del Biogás

El biogás lo constituye una mezcla de gases y su composición (Tabla 1)

depende del tipo de residuo orgánico utilizado para su producción y de las

condiciones en que se procesa.

La mezcla debe purificarse, si va a ser utilizada como combustible en

motores de explosión. Se eliminan: El gas carbónico haciendo burbujear el

biogás a través de agua, el ácido sulfhídrico haciéndolo burbujear a través

de una solución de soda cáustica en agua que contiene sulfato de cobre

disuelto o pasándolo por una trampa de limadura de hierro (esponjilla de

alambre), o con la introducción de pequeñas cantidades de aire (3% a 5%

del volumen del depósito del biogás) reduciendo así hasta en un 95% el

ácido sulfhídrico producido. La humedad se elimina circulando el biogás

entre cloruro de calcio o silica gel.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS

Componentes Fórmula Química Porcentaje

Metano CH4 60-70

Gas Carbónico CO2 30-40

Hidrógeno H2 1.0

Nitrógeno N2 0.5

Monóxido de carbono CO 0.1

Oxígeno O2 0.1

Ácido Sulfhídrico H2S 0.1

Fuente: Adaptado del Instituto de Investigaciones Eléctricas de México.

2. TRANSPORTE Y MANEJO DE BIOGAS.

El campo de los gases es muy amplio y diverso, estando presentes en el

mundo industrial como materia prima, producto intermedio, producto

acabado o residuo. Sin las medidas adecuadas de Seguridad, estas

sustancias pueden dar lugar a intoxicaciones, incendios y explosiones.

Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y

presión se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy

baja o la presión muy alta, las propiedades de los gases reales se

desvían en forma considerable de las de gases ideales.

El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las

moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho

mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resuelta

entonces, que el volumen ocupado por el gas (V) depende de la

presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o número de moles ( n).

Se puede empezar definiendo los gases como aquellas sustancias cuya

temperatura de ebullición es inferior a la temperatura ambiente.

Atendiendo a su forma de almacenamiento, los gases se pueden dividir

en:

Gases permanentes: no se pueden licuar a temperatura

ambiente.

Gases licuados: se pueden licuar a temperatura ambiente.

Gases disueltos: gases disueltos a presión en un disolvente, que

puede estar absorbido por un material poroso.

Gases permanentemente licuados: refrigerados a temperaturas

muy bajas.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS PRINCIPALES:

Las principales características físicas de los gases son las siguientes:

Densidad relativa: Es la relación entre la densidad del gas y del aire

en las mismas condiciones de presión y temperatura. Si es mayor que

uno indicará la tendencia del gas a acumularse en zonas bajas; en

caso contrario tenderá a ascender.

Presión de vapor: Es la presión a la cual se encuentran en equilibrio

las fases líquidas y gas.

Temperatura crítica: Es la temperatura a partir de la cual no es

posible licuar un gas por compresión isoterma.

CARACTERÍSTICAS DE RIESGO

Las características de riesgo más relevantes de los gases son las

siguientes:

Inflamabilidad: Son gases inflamables aquellos que, a la presión

normal y mezclados con el aire, pueden entrar en combustión al

aplicar una fuente de ignición.

Toxicidad: Son gases tóxicos aquellos que por inhalación, ingestión o

penetración cutánea, pueden entrañar riesgos graves, agudos o

crónicos e incluso la muerte.

Reactividad: Son gases reactivos aquellos que por sus propiedades

químicas pueden reaccionar consigo mismos o con otros productos,

de forma no deseable. Hay varios tipos:

Comburentes.

Combustibles/inflamables.

Corrosivos.

Inestables.

DISTRIBUCIÓN DE GASES

Existen tres sistemas para la distribución de gases:

Gases canalizados.

Gases envasados.

Gases a granel.

Gases Canalizados

Este sistema de distribución está caracterizado por una distribución

continua del gas. Se clasifica a su vez en función de la presión máxima:

Baja presión (0.05 bar).

Media presión (0.4 - 4 bar).

Alta presión (16 - 45 bar).

Los elementos característicos que configuran este tipo de sistemas son los

siguientes:

Tuberías

Uniones soldadas o mecánicas.

Reguladores y contadores.

Filtros.

Válvulas manuales y automáticas

Gases envasados

Las especificaciones de los envases para la distribución de gases se

encuentran reflejadas en la ITC-MIE-AP7 "Botellas y Botellones de Gases

Comprimidos, Licuados y Disueltos a Presión" del Reglamento de

Aparatos a Presión. Por su parte, el transporte de estos envases por

carretera está sujeto a las condiciones fijadas en el Reglamento de

Transporte de Mercancías Peligrosas por Carretera.

Para procurar centrar el desarrollo del tema en los riesgos asociados a la

manipulación durante la situación y uso de los envases y en los centros de

consumo, se darán una serie de recomendaciones generales:

Se considera conveniente consultar con el proveedor cualquier tipo de

duda.

El propietario de la instalación de consumo ha de designar a una

persona encargada de la manipulación de los envases, que ha de

poseer una formación y experiencia adecuados.

No conectar los envases a instalaciones eléctricas y mantenerlos

alejados de cualquier fuente de calor.

No se trasvasará gas de una botella a otra si no es por personal

cualificado.

Ante cualquier fuga situar la botella en el exterior, señalizando la

incidencia y avisando inmediatamente al proveedor.

Se verificará un mantenimiento preventivo con objeto de mantener el

equipo empleado en perfecto estado.

En las instalaciones receptoras para este tipo de distribución se utilizan

equipos comunes a los descritos para el caso de distribución por

canalizaciones.

ALMACENAMIENTO DE GASES

Las características de los almacenamientos de materias gaseosas

dependen mucho de la naturaleza y la forma de distribución de éstas. La

principal norma en la que nos basaremos es la siguiente:

ITC-MIE-APQ-005. "Almacenamiento de botellas y botellones de

gases comprimidos, licuados y disueltos a presión".

15. METODOLOGÍA DE DESARROLLO DEL PROYECTO

Para la elaboración de este proyecto se realizará una investigación de tipo

Bibliográfica/Documental, de donde se obtendrá y analizará la información

de diversos tipos de documentos técnicos, tesis, libros, revistas, papers,

enlaces electrónicos, etc., para conocer los fundamentos teóricos de

transporte del biogás, así como sus componentes y funcionamiento,

además sobre la producción de biogás para el uso doméstico y para

producir energía calorífica.

Se empleará un método inductivo-deductivo, para buscar y seleccionar la

mejor alternativa de transporte del biogás, dependiendo de un análisis

costo-beneficio y se desarrollara experimentalmente la implementación.

16.PLAN ANALÍTICO

CAPÍTULO I

1. MARCO TEÓRICO

1.1. BIODIGESTORES

1.2. PRODUCCION DE BIOGAS

1.3. MANEJO DE BIOGAS

1.4. SISTEMA DE TRANSPORTE DE BIOGAS

1.5.REQUERIMIENTOS PARA EL ACONDICIONAMIENTO DEL

SUMINISTRO DE BIOGAS A LA COCINA

1.6.DIFERENTES APLICACIONES DE USO DOMESTICO CON

BIOGAS.

CAPÍTULO II

2. DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE BIOGAS

2.1.PARAMETROS DE DISEÑO

2.2.ESPECIFICACIONES TECNICAS

2.3.DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DEL

BIOGAS.

2.4.DISEÑO Y/O SELECCIÓN DE COMPONENTES

2.5.DISEÑO DE SEGURIDAD DE ALIMENTACION PARA LA COCINA.

CAPÍTULO III

3. ANÁLISIS FINANCIERO DE COSTOS.

3.1.COSTO DEL PROYECTO.

3.2.RENTABILIDAD DEL PROYECTO.

CAPÍTULO IV

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

4.1. CONCLUSIONES

4.2. RECOMENDACIONES

17.CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

CONTENIDO/TIEMPOMESES Y SEMANAS

NOVIEMBRE

DICIEMBRE ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4Recopilar el sustento teórico de biodigestores

Recopilar el sustento teórico de los gases

Recopilar el sustento teórico de la colección del biogásObservación de plantas de manejo de gases

Recopilar el sustento teórico de selección de tuberías

Diseñar el sistema de colección del biogas

Diseñar el sistema de manejo de biogásDiseñar el sistema de conducción del biogásDiseño del sistema de tren de calibración del biogásDiseño de las tuberías de conducción del biogás

Elaboración del manual de operación

Preparación del trabajo escrito

Finalización del

proyecto

18.PRESUPUESTO:

FINANCIAMIENTO

Los costos serán solventados directamente por la “Hacienda San Francisco”.

DESCRIPCIÓN COSTO ($)

Transporte 300

Alimentación 350

Suministros y Papelería 300

Gastos Varios 400

TOTAL 1350

19.BIBLIOGRAFÍA Y ENLACE :

MONCAYO, G., ROMERO. Dimensionamiento, diseño y

construcción de biodigestores y plantas de biogás. Aqualimpia

Beratende Ingenieure, 2008.

MOTT,ROBERT L. Mecánica de Fluidos sexta Edición, Cap. 10,

Cap. 12, Cap. 18, Cap. 19.

JOSEPH EDWARD SHIGLEY. Diseño de Ingeniería Mecánica de

Shigley. Cap. 2, Cap. 8, Cap.9.

Guardado Chacón, J. A. “Diseño, Construcción, Operación y

Mantenimiento de Pequeñas Plantas de Biogás”. Curso Postgrado.

UNAICC. Villa Clara. 2000.

20.DURACIÓN DEL PROYECTO:

Ocho meses aproximadamente a partir de la aprobación del proyecto.

21.FECHA DE INICIACIÓN:

A partir de la aprobación del proyecto.

22.FECHA DE PRESENTACIÓN DEL PROYECTO:

Julio del 2013.

FIRMA DE COLABORADORES CIENTÍFICOS:

Ing. Pablo Mena Ing. Mario Jiménez

DIRECTOR CODIRECTOR

FIRMA DEL EJECUTOR DEL PROYECTO:

Sr. Julio Cunalata

CI: 180420507-6