Diseño y evaluación de un dispositivo de filtración poroso para la purificación de biogás de uso doméstico - Morales-Sánchez, Roger Esteven (Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2023)
Este proyecto de investigación se enfocó en el diseño y evaluación experimental de un dispositivo de filtración poroso para analizar el flujo y la caída de presión en un filtro al variar la geometría de los materiales filtrantes. Excluyendo la complejidad del biogás y su contenido de H2S, se llevaron a cabo pruebas de laboratorio centradas en aspectos fluidodinámicos bajo flujo de aire. Se completó un circuito experimental con instrumentación para medir flujo y caída de presión en los materiales filtrantes. Se desarrollaron tres dispositivos de purificación de biogás para entornos domésticos, diferenciados por materiales y capacidad de filtración. Dos filtros se fabricaron con PVC, mientras que el tercero utilizó policarbonato, permitiendo la visualización directa del material filtrante debido a su transparencia. Las pruebas se realizaron con el primer filtro (300 mm de largo y 44 mm de diámetro) con diferentes geometrías de material filtrante: esferas de vidrio (16,48 mm de diámetro), cilindros de plástico ingenieril (12,4 mm de largo y 6,35 mm de diámetro) y cilindros de arcilla (13,76 mm de largo y 5,74 mm de diámetro). Los resultados destacan que la geometría del material tiene un impacto significativo en la caída de presión. En el caso de la geometría esférica, la caída de presión es lineal y aumenta con el incremento de presión del manómetro y el caudal; mientras que, para los cilindros de plástico ingenieril como material filtrante, la caída de presión es lineal, pero disminuye al aumentar la presión del manómetro y el caudal. Por otro lado, los cilindros de arcilla mantuvieron una caída de presión constante, independientemente de las variaciones en la presión o caudal. Este estudio destaca la influencia directa de la geometría del material filtrante en el comportamiento de la caída de presión, brindando información valiosa para el diseño y optimización de dispositivos de filtración porosos.

This research project focused on the experimental design and evaluation of a porous filtration device to analyze flow and pressure drop in a filter by varying the geometry of the filtering materials. Excluding the complexity of biogas and its H2S content, laboratory tests were conducted focusing on fluid dynamic aspects under airflow. An experimental setup with instrumentation to measure flow and pressure drop in the filtering materials was completed. Three biogas purification devices for domestic environments were developed, differentiated by materials and filtration capacity. Two filters were made of PVC, while the third used polycarbonate, allowing direct visualization of the filtering material due to its transparency. Tests were carried out using the first filter (300 mm long and 44 mm in diameter) with different geometries of filtering material: glass spheres (16.48 mm in diameter), engineering plastic cylinders (12.4 mm long and 6.35 mm in diameter), and clay cylinders (13.76 mm long and 5.74 mm in diameter). The results highlight that the material's geometry significantly impacts pressure drop. In the case of spherical geometry, pressure drop is linear and increases with the manometer pressure and flow rate. Meanwhile, for engineering plastic cylinders as filtering material, pressure drop is linear but decreases with an increase in manometer pressure and flow rate. On the other hand, clay cylinders maintained a constant pressure drop, regardless of variations in pressure or flow rate. This study emphasizes the direct influence of filtering material geometry on pressure drop behavior, providing valuable information for the design and optimization of porous filtration devices.
Proyecto de Graduación (Licenciatura en Ingeniería en Materiales) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 2023.
Esta tesis cumple con el objetivo ODS 7: energía asequible y no contaminante. Meta 1: de aquí a 2030, garantizar el acceso universal a servicios energéticos asequibles, fiables y modernos. Meta 2: de aquí a 2030, aumentar considerablemente la proporción de energía renovable en el conjunto de fuentes energéticas. Meta 3: de aquí a 2030, duplicar la tasa mundial de mejora de la eficiencia energética. Meta a: de aquí a 2030, aumentar la cooperación internacional para facilitar el acceso a la investigación y la tecnología relativas a la energía limpia, incluidas las fuentes renovables, la eficiencia energética y las tecnologías avanzadas y menos contaminantes de combustibles fósiles, y promover la inversión en infraestructura energética y tecnologías limpias. Meta b: de aquí a 2030, ampliar la infraestructura y mejorar la tecnología para prestar servicios energéticos modernos y sostenibles para todos en los países en desarrollo, en particular los países menos adelantados, los pequeños Estados insulares en desarrollo y los países en desarrollo sin litoral, en consonancia con sus respectivos programas de apoyo. Objetivo ODS 12: producción y consumo responsable. Meta 2: de aquí a 2030, lograr la gestión sostenible y el uso eficiente de los recursos naturales. Meta 5: de aquí a 2030, reducir considerablemente la generación de desechos mediante actividades de prevención, reducción, reciclado y reutilización. Meta 6: alentar a las empresas, en especial las grandes empresas y las empresas transnacionales, a que adopten prácticas sostenibles e incorporen información sobre la sostenibilidad en su ciclo de presentación de informes. Meta 8: de aquí a 2030, asegurar que las personas de todo el mundo tengan la información y los conocimientos pertinentes para el desarrollo sostenible y los estilos de vida en armonía con la naturaleza. Meta a: ayudar a los países en desarrollo a fortalecer su capacidad científica y tecnológica para avanzar hacia modalidades de consumo y producción más sostenibles. Objetivo ODS 13. Meta 2: incorporar medidas relativas al cambio climático en las políticas, estrategias y planes nacionales. Meta 3: mejorar la educación, la sensibilización y la capacidad humana e institucional respecto de la mitigación del cambio climático, la adaptación a él, la reducción de sus efectos y la alerta temprana. Meta b: promover mecanismos para aumentar la capacidad para la planificación y gestión eficaces en relación con el cambio climático en los países menos adelantados y los pequeños Estados insulares en desarrollo, haciendo particular hincapié en las mujeres, los jóvenes y las comunidades locales y marginadas. Objetivo 17. Meta 16: mejorar la Alianza Mundial para el Desarrollo Sostenible, complementada por alianzas entre múltiples interesados que movilicen e intercambien conocimientos, especialización, tecnología y recursos financieros, a fin de apoyar el logro de los Objetivos de Desarrollo Sostenible en todos los países, particularmente los países en desarrollo. Meta 17: fomentar y promover la constitución de alianzas eficaces en las esferas pública, público-privada y de la sociedad civil, aprovechando la experiencia y las estrategias de obtención de recursos de las alianzas.
Keywords: Biogás; Materiales filtrantes; Caudales; Filtros; Caídas -- Presión; Dispositivos de filtración; Optimización; Dispositivos de purificación; Filtering materials; Flow rates; Filters; Drops -- Pressure; Filtering devices; Optimization; Purification devices; Research Subject Categories::TECHNOLOGY::Materials science