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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL - DEL GAS NATURAL Y ENERGÍA

LA OBTENCIÓN DE BIOGÁS POR FERMENTACIÓN ANAEROBIA A PARTIR DE ESTIÉRCOL DE PORCINO A NIVEL DE LABORATORIO EN LA URBANIZACIÓN PIO PATA CÁTEDRA:

TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS I

CATEDRÁTICO:

Ms. Sc. Walter S. FUENTES LÓPEZ

INTEGRANTES: Apellidos y nombres

Código

Correo electrónico

E.A.P

HUALLULLO CRISOSTOMO, Royer

2013200721J

[email protected]

I.Q.A

MERINO CRISPIN, Michael

2014200545A

[email protected]

I.Q.G.N.E

MUÑOZ ORCADA, Cristian Aaron

2013200328C

[email protected]

I.Q.A

ROJAS MOYA, Mayruth

2015101179J

[email protected]

I.Q.G.N.E

Semestre:

V

19 de Octubre del 2017 HUANCAYO – PERÚ

INTRODUCCION Basándose en el estudio de procesos de descomposición natural de biomasa que llevan a la producción de biogás, el hombre ha desarrollado tecnologías que le permiten, por un lado, deshacerse de cantidades importantes de residuos orgánicos y por otro, aprovechar el biogás generado, como bio combustible. La generación y uso de este biocombustible permite, al sustituir parte de los energéticos fósiles, reducir la emisión neta de dióxido de carbono en forma directa y en forma equivalente por la combustión del metano contenido en el biogás. La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogás, mezcla de dióxido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno o sus precursores. En todos los procesos físicos y químicos, siempre se cumple la primera y segunda ley de la termodinámica. El principio que rige los balances de energía es la primera ley de la termodinámica (la ley de conservación de la energía), que establece que la energía no puede crearse ni destruirse. Por lo cual nosotros hacemos la aplicación de las leyes en el siguiente trabajo que tiene como objetivo general aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en el biodigestor, para la obtención de biogás a partir de estiércol de porcino y como objetivos específicos se tiene describir las características del estiércol porcino antes de la producción de biogás, diseñar un biodigestor que tenga características óptimas para la obtención de biogás, realizar el balance de materia y energía en el birreactor anaeróbica

y obtener biogás a partir de estiércol porcino por fermentación

RESUMEN El objetivo del presente trabajo fue la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica para la obtención de biogás a partir de estiércol porcino, por fermentación anaeróbica. Así como también realizar el balance de materia y energía. La experimentación se llevó a cabo en la urbanización Pio Pata. Se utilizó un biodigestor de dos tanques, cada una con una altura de 80 cm, ancho 30 cm y largo 50 cm, con una capacidad de 60 L para realizar en ella la fermentación, el diámetro del tubo de alimentación es 6 cm así como también el de salida. También consta de una llave superior para extraer el biogás al tanque de almacenamiento. La temperatura se registró en tres ambientes: Ambiente externo fue de 17°C, ambiente interno de 21 °C y dentro del biodigestor es 28°C, estos datos fueron leídos con un termómetro, el sistema construido es abierto. En los cálculos matemáticos se encontró una masa de 0.1064𝑘𝑔 de biogás seguidamente se determinó el calor de 𝑄 − 318.37875𝑘𝐽 lo cual nos indica que el biodigestor cede calor al entorno

INDICE RESUMEN ......................................................................................................... 3 I.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 6 1.1.

CARACTERIZACIÓN ............................................................................................ 6

1.2.

FORMULACION DEL PROBLEMA ....................................................................... 6

1.2.1.

Problema general ....................................................................................... 6

1.2.2.

Problemas específicos ................................................................................ 6

1.2.3.

HIPOTESIS ................................................................................................... 7

1.3.

VARIABLES ......................................................................................................... 7

1.3.1.

Variable dependiente ................................................................................. 7

1.3.2.

Variable independiente .............................................................................. 7

1.4.

JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION ............................................................. 7

1.4.1.

Ambiental ................................................................................................... 7

1.4.2.

Social ........................................................................................................... 7

1.4.3.

Económico .................................................................................................. 7

1.5.

OBJETIVOS ......................................................................................................... 8

1.5.1.

Objetivos generales .................................................................................... 8

1.5.2.

Objetivos específicos .................................................................................. 8

II.FUNDAMENTO TEORICO ............................................................................. 9 2.1.

ANTECEDENTES DEL PROBLEMA ....................................................................... 9

2.2.

MARCO TEORICO ............................................................................................. 11

2.2.1.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA .................................................... 11

2.2.2.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA ................................................... 12

2.2.3.

BALANCE DE MATERIA .............................................................................. 14

2.2.4.

BALANCE DE ENERGIA .............................................................................. 14

2.2.5.

BIOGAS ...................................................................................................... 18

2.2.6.

BIOMASA .................................................................................................. 21

2.2.7.

ESTIERCOL DE VACUNO ............................................................................ 22

2.2.8.

BIODIGESTOR ............................................................................................ 23

2.3.

MARCO CONCEPTUAL ..................................................................................... 35

III.PROCESO METODOLOGICO..................................................................... 37 3.1.

METODO .......................................................................................................... 37

3.2.

PROCEDIMIENTOS ........................................................................................... 37

3.3.

MATERIALES .................................................................................................... 38

3.4.

EQUIPOS .......................................................................................................... 38

3.5.

INSTRUMENTOS .............................................................................................. 38

IV.CALCULOS ................................................................................................. 38 V.CONCLUSIONES ......................................................................................... 45 VI.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................... 46 VII.ANEXOS ..................................................................................................... 47

I. 1.1.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

CARACTERIZACIÓN

Actualmente se tiende cada vez más a una agricultura y ganadería intensivas que producen una gran cantidad de residuos, que de no ser tratados adecuadamente contribuyen a la contaminación del medio ambiente. Muchos de estos residuos son ricos en sustancias nutritivas que pueden reciclarse y ser utilizados de diferentes maneras. Una de estas alternativas se ha vuelto la fermentación del estiércol animal donde destaca la obtención de biogás obtenida del estiércol de porcino ya que se ha comprobado que es una fuente abundante de energía. El uso frecuente de estiércol de porcino es como abono natural y al mezclarse con agua genera fermentación creando metano, que se va al medio ambiente propiciando el incremento del efecto invernadero.

1.2. 1.2.1. 

FORMULACION DEL PROBLEMA Problema general ¿Cuál será el volumen de biogás producido a partir de excretas de porcino, al aplicar la primera y la segunda ley de la termodinámica en un biodigestor?

1.2.2. 

Problemas específicos ¿A qué temperatura es más eficiente la obtención de biogás a partir del estiércol de porcino?



¿Cuál es el modelo de biodigestor más óptimo para la producción de biogás?



¿Qué proporción de estiércol y agua se debe de mezclar para obtener

biogás?

1.2.3. 

HIPOTESIS Los residuos agrícolas pueden ser tratados enzimáticamente y anaeróbicamente para la obtención de metano y dióxido de carbono componentes del BIOGAS

1.3. 1.3.1.

VARIABLES Variable dependiente

 Volumen de producción de biogás.

1.3.2.

Variable independiente

 Desechos de estiércol de porcino.

1.4. 1.4.1.

JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION Ambiental



Contaminación mínima



Disminución de residuos solidos



Obtener energía de fuentes renovables

1.4.2.

Social



Ambiente saludable.



Reducción de enfermedades infecciosas.



Mejora de la calidad de vida.

1.4.3.

Económico



La contribución a la economía generada por la elaboración de Bio-gas es favorable por las diversas aplicaciones de esta en forma de energía, además del bajo costo de la materia prima.

1.5.

OBJETIVOS

1.5.1.

Objetivos generales

 Aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en el biodigestor, para la obtención de biogás a partir de estiércol de porcino 1.5.2.

Objetivos específicos

 Diseñar un biodigestor que tenga las características óptimas para la obtención de biogás.  Realizar el balance de materia y energía en el biodigestor.  Obtener biogás a partir de estiércol de porcino por fermentación anaeróbica.

II. 2.1.

FUNDAMENTO TEORICO

ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

En la tesis titulada “Obtención de biogás como fuente de energía renovable a partir de los subproductos del café” realizada por Romero Loaiza, Ricardo (2013) El trabajo de investigación se realizó en la cuenca del valle de yanatile, distrito de Yanatile, provincia de Calca, región de Cusco, 2012. En la zona realizan el proceso beneficiado vía húmedo de café, los residuos orgánicos de esta actividad son arrojados a los cursos de agua y/o terrenos agrícolas, sin tratamiento alguno, causando graves problemas de contaminación ambiental. para su alimentación se usan la pulpa humectada y mucílago de café y como instrumentos de medición se utilizan los sensores de temperatura, sensor de gas dióxido de carbono, los resultados encontrados fueron los siguiente; 6,430.65 m3 de biogás y se utilizó biodigestores de modelo tipo Taiwán de forma tubular. En la siguiente tesis “Obtención de Etanol y Biogás a Partir de Banano de Rechazo” realizada por Carlos A. Guevara- Héctor A. Arenas- A. M y C. A, Universidad de Antioquia en el 2012 en ella se desarrolló un proceso fermentativo mediante hidrólisis endógena inducida para producir etanol a partir de banano verde no apto para exportación. Con la hidrólisis endógena se obtuvo los mayores rendimientos y con esta metodología se realizaron fermentaciones a 15 litros Los rendimientos de etanol en promedio fueron 0.065 litros por kilogramo de banano verde y los del biogás fueron 2.24 litros por litro de vinaza. La metodología utilizada fue la siguiente: En la hidrólisis endógena, una cámara de maduración equipada con sistema de humidificación, calentamiento y medidores de temperatura y humedad, fue usada para la hidrólisis por inducción de enzimas endógenos. Para la inducción, la concentración de etileno en la cámara fue de 50 ppm, la temperatura de 25°C y la humedad relativa de 85% todo esto se mantuvo por 96 horas, según una estandarización cinética realizada previamente (Paull, 2000; Margossian et al 1988). En la fermentación la levadura empleada fue Saccharomyces cerevisiae activada en agua a 37° C por un periodo de 48 horas.

En la Universidad Nacional de San Martin (Tarapoto - Perú), En el presente trabajo Cornejo Ramírez, Erik (2012), se estudió la obtención de biogás con el estiércol de ganado vacuno y los residuos agroindustriales (torta de piñón, cascarilla de arroz y rumen de ganado bovino). Los biodigestores fueron botellas de plástico de 1750 ml (biodigestores tipo batch). El biogás producido se colectó por desplazamiento de agua, en botellas calibradas de plástico de 260 ml, durante 35 días. El objetivo principal fue determinar el rendimiento óptimo de la mezcla de estiércol y residuos agroindustriales en la producción de biogás. Además de evaluar la producción de biogás generado por las mezclas de estiércol con los residuos agroindustriales. Dicho trabajo se realizó en las instalaciones de la E.E.A. El PORVENIR – INIA, ubicada en el distrito de Juan Guerra, Provincia de San Martín. La mayor producción de metano obtenida con la torta de piñón fue de 20.7%, con la mezcla, estiércol: torta de piñón (20:80) y la relación de dilución, mezcla: agua (25:75), con una producción 1248 ml de biogás/ kg de mezcla, resultando un biogás de baja calidad, no siendo factible para la combustión y/o producción de energía.

Producción potencial de biogás empleando excretas de ganado porcino en el estado de Guanajuato, Martínez Lozano Miguel (2015) En este trabajo, se presenta un estudio, empleando estadísticas locales, conducente a evaluar el potencial energético disponible a partir del uso de las excretas de ganado porcino, para producir Biogás utilizando biodigestores anaeróbicos y de ahí, establecer una valoración de la energía eléctrica anual obtenible, el ahorro en equivalente a barriles de petróleo que se podría manejar y la cantidad de gases que se dejarían de añadir a la atmósfera. El estudio se realiza dividiendo el estado por municipios y estableciendo los totales de cada variable de interés en el proceso. La producción de biogás depende de varios factores de control dentro del biodigestor, como la temperatura del proceso, el contenido de agua y aditivos. El biogás obtenido necesita convertirse de energía química a energía calorífica, para poder tener un uso actual (en calderas, estufas o motores de combustión interna). Asumiendo un control de las variables del proceso de biodigestión. Los resultados de proyecto es que, se puede observar que la cantidad potencialmente obtenible de biogás debido a excretas de ganado porcino en

Guanajuato, alcanza la cifra de 34 millones de metros cúbicos, con una producción diaria que rondaría los 100 mil metros cúbicos En la Obtención de biogás de estiércol porcino y restos vegetales por fermentación semi continua, el objetivo de la presente investigación fue producir biogás a partir de estiércol porcino y residuos orgánicos, por fermentación semicontinua. La experimentación se llevó a cabo en el INPREX; Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de Tacna. Se utilizó un biodigestor tipo chino modificado de fibra de vidrio de 250 cm3 de capacidad para realizar la fermentación. Se pre fermento el substrato fermentativo formado por excremento de cerdo, restos de vegetales del mercado, hojas de pecana y agua para obtener un compost que constituyo el material fermentativo que se encargó al biodigestor para la producción de biogás. La fermentación se realizó a temperatura ambiente durante cuatro meses (octubre 2009 - enero 2010). Se obtuvo una producción promedio diario de biogás de 14.864 Cm3 a partir de los 18 días de iniciada la fermentación y una producción acumulada, hasta los 58 días en que termino la fermentación. Se obtuvo un volumen total de biogás de 644.668 cm3 durante la etapa del experimento.

2.2.

MARCO TEORICO

2.2.1. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA (Inzunza, 2013) La primera ley de la termodinámica es una generalización de la ley de conservación de la energía que incluye los posibles cambios en la energía interna. La primera ley de la termodinámica, conocida también como el principio de conservación de la energía, brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas de interacción de energía. La energía se puede intercambiar entre un sistema y sus alrededores de dos formas. Una es realizando trabajo por o sobre el sistema, considerando la medición de las variables macroscópicas tales como presión, volumen y temperatura. La otra forma es por transferencia de calor, la que se realiza a escala microscópica.

𝑬(𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂) + 𝑬(𝒂𝒍𝒓𝒆𝒅𝒆𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔) = 𝟎.......................(1)

La variación de la energía interna de un sistema es la suma del calor absorbido por el sistema, de su entorno, y el trabajo realizado sobre él, cuando la masa del sistema es constante y solo participan cambios en las energías interna, cinética y potencial tendremos. ∆𝑬(𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂) = ∆𝑼 + ∆𝑬𝑪 + ∆𝑬𝑷 ………………… (2)

También puede definirse como: “aunque la energía adopta numerosas formas, la cantidad total de energía es constante y cuando ésta desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otra”. Considerando los cambios que se suceden en el sistema y los alrededores, se tiene:

Q  W  U o

Q  W  dU

…….………………... (3)

Dónde: Q  Q : Representa la energía térmica que absorbe el sistema (+). U  dU : Es el cambio, de la energía interna del sistema.

W  W

: Es el trabajo externo efectuado por el sistema (-).

2.2.2. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA (astro, 2010)La segunda ley de la termodinámica expresa, que "La cantidad de entropía

de

cualquier

sistema

aislado

termodinámicamente

incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo”.

tiende

a

Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico. Esta ley indica las limitaciones existentes en las transformaciones energéticas en un sistema aislado, es decir, que no intercambia materia ni energía con su entorno, la entropía (expresión relacionada con el número de posibles estados de un sistema, entendida como el desorden en un sistema) siempre habrá aumentado (nunca disminuido), desde que ésta se mide por primera vez hasta otra segunda vez en un momento distinto. En otras palabras: El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde una temperatura más alta a una más baja. Enunciados de la segunda ley:  Es imposible, mediante un proceso cíclico, tomar calor de un depósito y convertirlo en trabajo sin que al mismo tiempo no exista transferencia de calor desde un depósito caliente a otro frío (Lord Kelvin).  Es imposible transferir calor desde un depósito frío a uno caliente sin que al mismo tiempo se convierta cierta cantidad de trabajo en calor (Clausius).  Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus alrededores) sea convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema.  No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro de mayor. En términos más o menos sencillos se diría lo siguiente: existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas:

Primero, la segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente. Segundo, la segunda ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor.

2.2.3. BALANCE DE MATERIA (Rodriguez, 2014)Un Balance de Materia consiste básicamente en la aplicación de la Ley de la conservación de la masa ‘’La materia no se crea ni se destruye’’. En un proceso químico, podemos observar cuanto entra, sale y se usa de cada componente que interviene en la reacción. Podemos generalizar para este caso como el total de la masa que entra en un proceso o unidad de proceso, es igual al total de la que sale de ese proceso. Ley de la conservación de la masa (Lavoisier). ∑ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = ∑ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎.......................(4)

El balance de materia es derivado de la ley de la conservación y energía en sistemas abiertos donde hay entrada y salida de materia en cualquier estado. Las ecuaciones correspondientes al balance de materia constituyen una de las herramientas matemáticas más útiles de la Ingeniería Química. En forma más general, el balance de materia se puede representar por medio de la siguiente ecuación: 𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴 − 𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴 + 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼Ó𝑁 = 𝐴𝐶𝑈𝑀𝑈𝐿𝐴𝐶𝐼Ó𝑁...............................(5) 2.2.4. BALANCE DE ENERGIA (mdp edu, 2009)“Ley de conservación de la energía”, en esta definición se usa “Balance de Energía”, la cual es definida como un principio físico tan fundamental que usamos varias clases de energía para asegurar que la ecuación quede realmente balanceada.

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑙 ℎ𝑎𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 { 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 } = { }−{ }+ 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑠 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 {𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜} − {𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 }........................(6) 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 La “ley de conservación de la energía” que establece que ésta no se crea ni se destruye. ∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊 … … … … … … . . (7)…

Sistema Abierto: Sí intercambia materia con los alrededores. Sistema Cerrado: No intercambia materia con los alrededores. Sistema Aislado: No intercambia materia ni energía.

ENTRADA - SALIDA: Energía neta transferida al sistema a través de los alrededores. [ENTRADA]-[SALIDA] = Q +W................................. (8) Dónde:…………………….. Q: calor transmitido hacia el sistema desde los alrededores. W: trabajo realizado por el sistema sobre los alrededores.

ACUMULACIÓN: incremento de energía total del sistema: energía final del sistema –energía inicial del sistema. 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = (𝑈𝑓 + 𝐸𝑐𝑓 + 𝐸𝑝𝑓 ) − (𝑈𝑖 + 𝐸𝑐𝑖 + 𝐸𝑝𝑖 ) … … … … … … . . (9)… ……. 𝑈, 𝐸𝑐 , 𝐸𝑝 : Energía interna, cinética y potencial

Balance:

(𝑄 + 𝑊) = ∆𝑈 + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 … … … … … … . . (10)

FiguraBALANCE N° 1: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA DE ENERGIA

Fuente:http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operacionesbasicas/contenidos1/tema13/images/pic036.jpg 𝑼 𝟏 + 𝑷 𝟏 𝑽𝟏 +

𝒖𝟐𝟏 𝒖𝟐𝟏 + 𝒛𝟏 𝒈 + 𝑸 = 𝑼𝟐 + 𝑷𝟐 𝑽𝟐 + + 𝒛𝟐 𝒈 − 𝑾 … … … … … (𝟏𝟏) 𝟐 𝟐

TIPOS DE ENERGIA

El balance de materia y energía se basa en la ley de la conservación de la

Energía potencial

gzm

energía que, en un proceso, la energía no se crea, ni se destruye, solo se

Energía cinética 1/2mV*V transforma. En un balance total de energía se toma en cuenta las transferencias Energía interna U =sistema. f(T) de energía a través de los límites del Ciertos tipos de energía están asociados a la masa que fluye, otrosF*d tipos de energía como el calor y el trabajo Trabajo son solo formas de transmisión de energía. Calor mCΔT Balance eléctrica general para energía: Energía

VI



Sistemas abiertos: se cambia materia con los alrededores.



Sistemas cerrados: no intercambian atería con los alrededores.



Sistemas aislados: no intercambia materia ni energía.

2.2.4.1. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIS, ENTRADA Y SALIDA La energía se puede transferir hacia o desde un sistema en tres formas: calor, trabajo y flujo másico. Las interacciones de energía se reconocen en las fronteras del sistema cuando lo cruzan, y representan la energía que gana o pierde un sistema durante un proceso. Las únicas dos formas de interacción de la energía relacionadas con una masa fija o sistema cerrado son las transferencias de calor y de trabajo.

2.2.4.2. TRANSFERENCIA DE CALOR (Q) La transferencia de calor hacia un sistema (ganancia de calor) incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema; asimismo, la transferencia de calor desde un sistema (pérdida de calor) la disminuye, ya que la energía transferida como calor viene de la energía de las moléculas del sistema.

2.2.4.3. TRANSFERENCIA DE TRABAJO (W) Una interacción de energía que no es causada por una diferencia de temperatura entre un sistema y el exterior es trabajo. Un émbolo ascendente, un eje rotatorio y un alambre eléctrico que cruzan la frontera del sistema se relacionan con interacciones de trabajo. La transferencia de trabajo a un sistema (es decir, el trabajo realizado sobre un sistema) incrementa la energía de éste, mientras que la transferencia de trabajo desde un sistema (es decir, el trabajo realizado por el sistema) la disminuye, puesto que la energía transferida como trabajo viene de la energía contenida en el sistema. Los motores de automóviles y las turbinas hidráulicas, de vapor o de gas, producen trabajo mientras que los compresores, las bombas y los mezcladores consumen trabajo. 2.2.4.4. FLUJO MASICO El flujo másico que entra y sale del sistema funciona como un mecanismo adicional de transferencia de energía. Cuando entra masa a un sistema, la energía de éste aumenta debido a que la masa lleva consigo energía (de hecho, la masa es energía). De igual modo, cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía de éste disminuye porque la masa que sale saca algo de energía consigo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua caliente sale de un calentador y es reemplazada por agua fría en la misma cantidad, el contenido de energía del tanque de agua caliente (el volumen de control) disminuye como resultado de esta interacción de masa.

El flujo másico que entra y sale del sistema funciona como un mecanismo adicional de transferencia de energía. Cuando entra masa a un sistema, la energía de éste aumenta debido a que la masa lleva consigo energía (de hecho,

la masa es energía). De igual modo, cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía de éste disminuye porque la masa que sale saca algo de energía consigo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua caliente sale de un calentador y es reemplazada por agua fría en la misma cantidad, el contenido de energía del tanque de agua caliente (el volumen de control) disminuye como resultado de esta interacción de masa.

2.2.5. BIOGAS

(Zusammenarbeit, 2010) El biogás es una combinación de gases constituida principalmente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), junto con vapor de agua y gases traza. El más importante de estos es el metano, ya que es el componente combustible del biogás y, de este modo, influye directamente en su valor calorífico. Existe una oportunidad limitada de influir en la composición del biogás por medio de un control selectivo de procesos. Primero que nada, la composición del biogás depende de la composición del material de insumo. Además, el contenido de metano es afectado por los parámetros del proceso como la temperatura de digestión, la carga del reactor y el tiempo de retención hidráulica, así como por cualquier interrupción del proceso y por el método de desulfuración biológica que se utilice. El rendimiento de metano que se puede lograr está determinado esencialmente por la composición del sustrato, en otras palabras, por las proporciones de grasa, proteínas y carbohidratos. Los rendimientos de metano específicos de estos grupos de sustancias decrecen en el orden presentado anteriormente. Respecto de su masa, se puede lograr un rendimiento más alto de metano con grasas que con carbohidratos. Respecto de la calidad de la combinación de gases, la concentración de sulfuro de hidrógeno (H2S) como gas traza desempeña un papel importante. No debe ser muy alta porque incluso concentraciones más bajas de sulfuro de hidrógeno pueden tener un efecto inhibitorio en el proceso de degradación. Al mismo tiempo, las altas concentraciones de H2S en el biogás causan daño de corrosión cuando éstas se utilizan en una unidad que combina calor y electricidad o en un caldero de calefacción. TABLA Nº1: Composición promedio del biogás

Constituyente

Concentración

Metano

50-75 vol. %

Dióxido de carbono

25-45 vol. %

Agua

2-7 vol. % (20-40 °C)

Sulfuro de hidrógeno

20-20.000 ppm

Nitrógeno

< 2 vol. %

Oxígeno