Este segundo artículo versará acerca del dimensionado del tanque biodigestor y sus accesorios básicos, basándonos en los previamente calculados (ver artículo del mes anterior): Volúmenes de biomasa y gas, Presión máxima de diseño, Diámetro y altura.
Haremos una clasificación previa de los tanques, de acuerdo a su capacidad o volumen:
• Tendremos un “tanque biodigestor pequeño” para volúmenes de hasta 20 metros cúbicos.
• Un tanque biodigestor de “mediana capacidad” tendrá un volumen de entre 20 y 150 metros cúbicos.
• Tanque biodigestor de “gran capacidad” será aquel cuyo volumen sea superior a los 150 metros cúbicos.
De acuerdo a la posición, el tanque biodigestor puede ser vertical (en cualquiera de los 3 tamaños) u horizontal (para los 2 primeros). En esta ocasión daremos las pautas básicas de diseño para los dos primeros ítems y algunos referentes aplicables para el tercero .
Biodigestores Verticales de "gran capacidad"
Biodigestor Horizontal de "mediana capacidad"
CALCULO DE ESPESORES DE PLANCHAS:
Lo próximo a calcular serán los espesores de planchas óptimos. Utilizaremos los criterios de la ASME, que también se encuentran expuestos en el libro de E.Megyesy (Manual de Recipientes a Presión).
Sea horizontal o vertical, nuestro tanque biodigestor contará con un cuerpo (o casco) cilíndrico y tapas. Para ello primero tenemos:
Para la forma de las tapas o cabezas tenemos diferentes alternativas, pero debe considerarse en todo momento el factor costo de planchas y manufactura, además de resistencia a presiones:
Las cabezas ASME o toriesféricas, que suelen ser las más comunes a nivel industrial por su costo de manufactura relativamente más asequible y su capacidad de resistir altas presiones manométricas. Comercialmente podemos encontrarlas disponibles con diámetros de hasta 6 metros. Recomendables para tanques horizontales.
Las cabezas elípticas tienen la bondad de ser las más eficientes para estos casos máxima resistencia a presiones extremas accidentales; se recomiendan para proyectos pequeños y medianos, en posición horizontal o vertical, cuando el espesor de las tapas toriesféricas resulte oneroso en costo. Comercialmente podemos encontrarlas en diámetros de hasta 3m.
Las cabezas cónicas (como base) son muy recomendables para proyectos verticales medianos y pequeños, dado que garantizan una muy eficiente forma de manejo de los efluentes, ahí donde además de la producción de biogás se piense en producción de abono agrícola.
Biodigestor de base cónica
Escogeremos el mayor espesor obtenido en el casco y las tapas seleccionadas, pero no olvidar considerar sumar un factor de corrosión en el caso descrito en el artículo anterior: si no empleamos aceros inoxidables de calidad o con protección galvánica, de resina epóxica o bien recubrimiento GFK.
Para el caso de proyectos de "gran capacidad", adaptaremos las normas API a nuestros requerimientos. Se trata de un tanque de almacenamiento con presión interna. El espesor de plancha se calculará de la siguiente manera, en términos del radio del recipiente, la altura H variable, el esfuerzo de fluencia Sfl o esfuerzo admisible del acero, el margen de corrosión M.C. y la presión de la campana Qd :
Nótese que Qd puede representar no solamente la presión debido al gas, puesto que, en caso de que tengamos un techo “flotante”, debemos sumar el peso de este techo a Qd.
El espesor de planchas irá disminuyendo con la altura.
No obstante los espesores obtenidos pueden compararse con las respectivas especificaciones API.
Tanto el diseño de la base, cimientos y techo en estos proyectos grandes serán tema de discusión de otro próximo artículo.
TUBOS DE ALIMENTACIÓN Y DESCARGA, BOQUILLAS DE GAS Y REGISTROS:
El diámetro interno de la tubería de alimentación del biodigestor se calcula a partir de la tasa diaria de producción de biomasa G (en unidades de volumen por día). Anotaremos referencialmente que la velocidad de flujo “V” mínima recomendada en tuberías de sustrato o biomasa de estiércol para biodigestores es 5 pies/s (1.5 m/s) y los tubos no deben tener un diámetro inferior a 6” para impedir obstrucciones.
Podemos emplear también el nomograma de Wilson (consignado en manuales de bombeo de estiércol como el de las firmas METSO o WEIR) que nos permite conocer, a partir del tamaño promedio de las partículas en suspensión de la biomasa y la gravedad específica de la misma, el diámetro del tubo o la velocidad de flujo que necesitamos saber. Este nomograma también podremos encontrarlo en nuestra página de Facebook.
El diámetro del tubo de salida de metano, se estimará de manera análoga, a partir del volumen diario esperado de producción del biogás y el consumo del mismo. Con una gráfica como la adjunta en nuestra página de Facebook (teniendo en cuenta la longitud de la instalación o la caída de presión), tendremos el dato buscado.
El espesor mínimo de tuberías de conexión para nuestro tanque biodigestor lo calcularemos por medio de la siguiente expresión:
En el caso de los registros, se requieren agujeros-hombre con 15” (diámetro) o dos aberturas con boquilla roscada de 2” para diámetros de recipientes entre 18” y 36”; para mayores diámetros los boquillas deben tener 6”. Estas boquillas se ubicarán preferentemente en las cabezas de los recipientes.
CHAQUETAS TÉRMICAS:
El funcionamiento óptimo de un biodigestor dependerá de que no haya fluctuaciones bruscas de temperatura en su interior. Se hace necesario por ello un revestimiento o aislante térmico.
A nivel técnico-comercial, los materiales recomendados son:
• Lana mineral, se presenta granulada, en manta o en paneles rígidos. Sólo podría servir la presentación en mantas. Sin embargo, este material tiene un buen comportamiento térmico cuando es dispuesto en superficies horizontales o con algún grado de inclinación, pero en superficies verticales se produce una "decantación" de la lana mineral.
• Lana de vidrio, al igual que la lana mineral la opción es usar las mantas, con el mismo inconveniente antes descrito.
• Vidrio celular o expandido, su presentación es en paneles rígidos por lo que no es viable para la aplicación.
• Espuma celulósica, es de fácil aplicación, pero su adherencia no es buena por lo que, para nuestro caso no es recomendable.
• Espuma de polietileno, es económico e hidrófugo y de fácil aplicación. Su rendimiento es de carácter medio.
• Espuma de poliuretano, comparable con la espuma de polietileno, pero con mejor rendimiento, una mayor resistencia a la compresión y menores coeficientes de conductividad térmica.
• Espuma elastomérica, posee excelentes propiedades aislantes, buen rendimiento y es ignífugo. Sus presentaciones están orientadas a aislamiento de ductos y similares por lo que no es un producto que sirva para la aplicación del aislamiento del digestor.
El espesor óptimo se calculará multiplicando por 100 el cociente de los coeficientes globales de transferencia de calor (con y sin aislamiento) y probando diferentes espesores con el material elegido por conveniencia técnico-económica. De esta forma obtenemos en forma porcentual la pérdida de calor y se puede hacer la comparación.
Siendo q la pérdida total de calor sin aislamiento, A el área exterior del tanque h1 la resistencia térmica de la biomasa (que para fines prácticos puede considerarse despreciable, dado que por lo general es inferior al 1% del aislante); h2 la resistencia térmica del aire; XH/KH y Xais/Kais las resistencias térmicas del acero y el aislante respectivamente.
Algunos productos especializados como los de la casa BASF nos proveen de soluciones mucho más prácticas como tablas y nomogramas, pero aplicables únicamente a tales productos (Disponible también en Facebook).
ESPECIFICACIONES PARA SOLDADURA:
Aplicables a proyectos pequeños y medianos.
Electrodos: Para planchas de acero inoxidable se utilizarán electrodos AWS E-308–16 (acero AISI 304); E-316-16 (AISI 316), según el tipo de acero que hayamos empleado.
Para planchas de acero convencional, usaremos electrodos AWS E-6010 ó E-6011 para el cuerpo, agujeros-hombre o agujeros-mano y las tapas. Para empalmes en ángulo (tapas con cuerpo), se recomiendan electrodos AWS E-6012. Para elementos estructurales, es suficiente el E-6011.
Juntas: El código ASME las establece en forma jerárquica con 4 categorías: A, B, C ó D.
Las uniones del tipo A y B, son a tope, con doble cordón de soldadura.
Se considerará además una eficiencia de 1.0 considerando que la junta debe ser completamente radiografiada. Recuérdese que estas juntas corresponden a la zona de almacenamiento de gas y estamos considerando a la biomasa como un producto tóxico.
Para las uniones del tipo C tendremos el mismo tipo de cordón y eficiencia que en los casos A y B.
Las uniones del tipo D son de soldadura de penetración total a través de la pared del tanque, boquilla o registro.
Continuaremos un tercer artículo haciendo énfasis en elementos estructurales, agitación mecánica, calefacción y más detalles para proyectos grandes. Muchas gracias por la atención.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
*BIOGAS HANDBOOK - Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen - University of Southern Denmark Esbjerg - año 2008.
*MANUAL DE RECIPIENTES A PRESIÓN/DISEÑO Y CÁLCULO - Eugene F. Megyesy - Editorial Limusa S.A. de C.V. - México - 1989.
*API 620: Design and Construction of Large Welded Low Pressure Storage Tanks - American Petroleum Institute - 2002.
* SLURRY PUMPING MANUAL - Weir Group PLC - Warman International - 2002.
*THERMAL INSULATION OF BIOGAS PLANTS - Styrodur C - BASF Corporation - BASF Germany.
*FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR, 4ta Edición – Frank P. Incropera y David P. DeWitt - Ed. Prentice Hall - 2008.
