DISEÑO MECANICO DE BIODIGESTORES DISCONTINUOS DE ACERO (1° PARTE)

Después de 6 años vengo a retomar el tema de la producción de Biogás. Los artículos del 2010 hacían referencia a consideraciones de diseño en general para una planta de biogás. Sin embargo, se han dirigido a mí, durante mucho tiempo, numerosas personas haciéndome consultas relativas a proyectos de biogás del tipo “discontinuo” (Batch) para uso industrial, como el que se aprecia en la figura de abajo. El presente artículo viene a ser pues, un resumen de las respuestas a todas aquellas inquietudes, y al mismo tiempo, un referente para quienes realicen nuevos trabajos, sean investigaciones teóricas o proyectos concretos reales.

Puede requerirse y evaluarse “a priori” la conveniencia técnico-económica de una planta de biogás para una empresa pesquera, agroindustrial en general o bien de tratamiento de aguas residuales, inclusive un laboratorio. Hablamos en este caso de muy alta demanda energética, por lo cual la evaluación ha de ser minuciosa (Ver artículo de Mayo del 2010 como referente). Esto es, necesariamente, lo primero que debe hacerse: demostrar con números por qué se debe instalar una planta de biogás: Si la biomasa disponible en la empresa puede producir un gas de calidad, y si este gas puede cubrir rentablemente una necesidad energética.

CÁLCULO DE VOLÚMENES: Lo segundo importante para calcularse, a saber, es el volumen global (V) de nuestro biodigestor, que se estima por medio de la fórmula: V = G x Tr, donde G es la producción de biomasa (en unidades de volumen por dia) y Tr el tiempo de retención (en días). De este volumen V entre el 15 y 20% estará asignado a nuestro “espacio colector de gas”, así podemos estimar: Vg = 0,2 x V (siendo Vg el volumen de gas).

PRESIÓN MÁXIMA DE DISEÑO: Lo tercero importante a calcular es la Presión máxima de diseño (Pmaxd), para lo cual estimaremos antes la Presión máxima interna (Pmax) en nuestro biodigestor, que dependerá de la posición del biodigestor: Horizontal o Vertical, dependerá de la temperatura de operación (la cual debe situarse entre los 30 y 35°C) y del tipo de agitación (si se inyecta aire comprimido para producir burbujas por ejemplo, en biodigestores aeróbicos, método que poco se recomienda) de la biomasa.
Si usamos agitación mecánica: Pmax = Ph + Pg; donde Ph es la presión en el fondo del recipiente debido a la altura de la biomasa, (Ph = densidad de la biomasa x gravedad x altura de biomasa, pudiendo suponerse la altura de forma tentativa); Pg es la presión debida al gas, que puede calcularse con la Ley de Gay-Lussac para un proceso isócoro (a volumen constante), desde Presión y temperatura atmosféricos hasta la temperatura de 35°C.

Si usamos agitación mediante aire comprimido o recirculación de biogás, de acuerdo a la Ley de Dalton, debemos sumarle a la Pmax anterior, la presión de aire o gas empleada. Obsérvese, eso sí, que la Pmax. resultante no esté excediendo la presión crítica del biogás (básicamente metano).

Esta presión máxima, según E.Megyesy (Manual de Recipientes a Presión), no debe ser inferior a los 30 PSI (abs.) ó 207 KPa. , caso contrario multiplíquese Pmax por 1.1 (ó 10% más). Así obtenemos Pmaxd, o nuestra Presión máxima de diseño.

ACEROS RECOMENDADOS: Los aceros más convenientes para estos dispositivos son los inoxidables (de estructura austenítica, como el AISI 304, 304L, y mejor aún, AISI 316 y 316 L) dado que garantizan una mayor durabilidad de las instalaciones frente a altos niveles de corrosión interna y externa. No obstante, el coste de un proyecto superior a los 300 pies cúbicos podría resultar tremendamente oneroso con dicho material. Para estos casos podemos contar con aceros “convencionales” como el A-283 y el A-285 (Grado C) de manera alternativa, pero para estos, en caso de no contar con una protección galvánica o revestimiento, debe considerarse un “margen adicional” en el espesor de planchas considerando el progreso de la corrosión en el tiempo. De este margen hablaremos a continuación.

TAMAÑO ÓPTIMO DEL BIODIGESTOR: Si bien ningún código importante de diseño nos limita en cuanto a la relación que debe existir entre la altura o largo y el diámetro de nuestro tanque biodigestor, siempre existe la preocupación de cuáles son las dimensiones óptimas para economizar el número planchas de acero. Así podemos basarnos en el criterio E. Megyesy (limitado a P menor de 1000 PSI y tapas elipsoidales), el cual establece que, una vez conocido el volumen (en pies cúbicos) se debe calcular un factor “F” del siguiente modo:

Con estos dos valores entraremos a la gráfica siguiente y tendremos el diámetro óptimo de nuestro recipiente.

Para el cálculo de F, debe asumirse una eficiencia de junta (o unión de tapas y cuerpo) alrededor del 90 a 100%.  El margen por corrosión “C” no puede asumirse arbitrariamente dado que depende de “cuánto tiempo de vida queremos” para nuestro recipiente, la tasa de corrosión (pulg/año ó mm/año, que puede medirse experimentalmente) se multiplicará por la expectativa de vida (en años); pero también podemos utilizar la siguiente tabla como referencia:

 

Conocidos el diámetro y el volumen, podemos fácilmente despejar la altura óptima real de nuestro tanque biodigestor.  Podemos ahora hacer una refinación recalculando la altura real de la biomasa, la presión de diseño y verificar el tamaño óptimo obtenido más arriba.

Estas tablas están también disponibles en nuestra página para quien tenga necesidad de ellas con una mejor visualización. Continuaremos los artículos siguientes con los cálculos de espesores de planchas, recomendaciones de soldaduras y dimensionado de accesorios.

Cualquier inquietud o comentario es bienvenido por este medio o vía Twitter o vía Facebook. En base a ellos es que se hizo este artículo. Un cordial saludo para todos.