Diseño, construcción y ensayo básico de equipo de purificación utilizando scrubber para mejorar el biogás reduciendo su contenido de dióxido de carbono en el distrito de Majes - Arequipa

Abstract

El presente trabajo de investigación se centró en el diseño, construcción y la elaboración de las evaluaciones básicas iniciales de un equipo optimizador de la calidad del biogás. La calidad de biogás medida por su contenido neto en porcentaje de metano se consigue centralmente por la extracción del contenido de dióxido de carbono de alrededor de 45% en volumen presente en su composición. En esta investigación se utilizó el método Scrubber de absorción de gases utilizando agua, dicho procedimiento utiliza el control de presión de lavado para lograr el retiro de los gases deseados y así mejorar la calidad del gas. Para la concepción del diseño se utilizó el modelo de caja negra y caja transparente con el objetivo de analizar las estructuras funcionales que conforman el equipo, de este análisis resultó la torre vertical de tres secciones con empaquetamiento aleatorio como el tipo de columna de absorción que mejor se adapta a los requerimientos de diseño. Luego mediante la ayuda de hojas de cálculo diseñadas a partir de fórmulas analíticas y empíricas se pudo determinar parámetros tales como el punto de inundación del sistema, la cantidad de líquido retenido en el equipo, el tipo de relleno o empaquetamiento así como el flujo de líquido que asegura la transferencia de materia entre el agua y el biogás. Asimismo utilizando la teoría de la doble película para procesos de transferencia se pudo obtener el diámetro mínimo de la torre, la altura mínima de transferencia de materia y la caída de presión a través del sistema. Se utilizó el programa Solidworks con su complemento flow simulation para dimensionar el espesor de la carcasa del equipo así como simular el comportamiento del flujo del gas a través del empaquetamiento interior del sistema de absorción. También se realizó la selección de los equipos de impulsión necesarios para movilizar tanto el biogás (Compresor) como el agua (Bomba hidráulica) a la columna de absorción. A continuación se seleccionó los instrumentos de medición necesarios para medir tanto la cantidad de flujo, la temperatura y la presión de operación del equipo. Después de la fase de diseño se construyó el equipo para ello se organizó todos los proceso productivos participantes en la fabricación del sistema, al final de dicha fase se obtuvo la torre de purificación construida, dicho equipo se instaló en el Centro de Investigación Enseñanza y Producción Agrícola de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ubicado en el distrito de Majes. A continuación se elaboró los protocolos de ensayo de las pruebas iniciales del purificador. Tales pruebas comprendían la comprobación de estanqueidad hidráulica de la torre, la comprobación del punto de inundación y la prueba del prototipo de equipo de medición de gases. Como equipo complementario se diseñó un equipo secador de gas que opera con sílica gel como adsorbente, con un tiempo de saturación de 1,1 mes, dicho elemento opera con una presión absoluta de 6 bares y está construido en acero inoxidable A304. Al final de la investigación se obtuvo una columna de purificación tipo Scrubber de absorción de CO2 con agua, que posee 6 bares como presión de operación y 30°C como temperatura de operación. El equipo funciona con una alimentación de 3,12 LPM (Litros por minuto) de agua para un caudal de 1 Nm3/h (Metros cúbicos a condiciones normales por hora) de biogás crudo. Dicho equipo es una torre vertical de empaquetamiento aleatorio que posee monturas Berl de cerámico con tamaño nominal 12 mm. La torre se puede separar en tres secciones gracias a sus uniones bridadas. Asimismo la torre posee un diámetro de 6” y cédula 10, está construida en acero inoxidable A304. Posee una altura total de 1,97 metros. El costo de construcción del equipo fue S/. 11 499 y tiene costo de operación de 1,31 soles/Nm3 de biogás. Se concluye que es posible diseñar un equipo de mejoramiento de calidad de biogás, se espera que en trabajos futuros se lleven a cabo pruebas de evaluación de biogás tratado en sistemas que normalmente utilizan gas natural metano.