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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

 

Confecção e avaliação de um sistema de remoção do CO2 contido no biogás

 

Confection and appraisal of performance of a remotion CO2 system from biogas

 

 

Samuel Nelson Melegari de SouzaI; Guilherme NeitzkeII; Edney A. MagalhãesIII; Adriano D. de Lima AfonsoIII

IEngenheiro Mecânico, Professor Adjunto, CCET, Campus de Cascavel, UNIOESTE, Cascavel, PR. e-mail: ssouza@unioeste.br
IIAluno Bolsista PIBIC/UNIOESTE-CCET, Acadêmico de Engenharia Agrícola, Cascavel, PR. e-mail: guilherme_neitzke@yahoo.com.br
IIIMestrando em Engenharia Agrícola, CCET, Campus de Cascavel, UNIOESTE, Cascavel, PR

 

 


RESUMO

O biogás é um combustível alternativo produzido a partir da digestão anaeróbia de biomassa (dejetos orgânicos) e é constituído basicamente de metano e dióxido de carbono. A mudança na composição do biogás é de grande importância, pois aumenta a sua viabilidade de utilização como biocombustível. A remoção do dióxido de carbono (CO2) faz com que o percentual de metano (CH4) no biogás se eleve tornando seu poder calorífico maior. Uma diminuição na concentração de ácido sulfídrico (H2S) reduz a corrosão causada pelo biogás nos sistema térmicos de geração de energia secundária. Este trabalho visou desenvolver um mecanismo físico químico de remoção do CO2 contido no biogás. O equipamento elaborado foi uma coluna de absorção recheada, com 250 cm de altura e 30 cm de diâmetro, utilizando tubos de PVC rígido de 20 mm de diâmetro como recheio e água como solvente. Realizaram-se ensaios com as pressões internas da coluna variando entre 300 e 500 kPa e a vazão de biogás entre 190 e 670 cm3/s. O biogás possuía, originalmente, uma concentração de CO2 de 33%. Com a utilização da coluna de absorção conseguiu-se que essa concentração se reduzisse para 15%, o que representou um aumento de 57% a mais no poder calorífico por unidade de massa.

Palavras-chave: Coluna de absorção, metano, energia renovável, gás natural


ABSTRACT

The biogas is an alternative fuel produced by the biomass anaerobic digestion (organics wastes) and is composed by methane and carbon dioxide. The shift the composition of biogás is very important because increases its viability of use as biofuel. The remotion of carbon dioxide (CO2) to result in an increasing the concentration of methane (CH4) in biogas composition and became the lower heating value higher. One decreasing the concentration of acid hydrosulphide (H2S) reduce the corrosion produced during the use of biogas in thermal systems for the secondary energy production. This work aimed to develop a phisical and chemical mechanism for remotion of CO2 from biogas. The device has made, was a absorption column stuffed, with 250 cm of high and 30 cm of diameter, using pipe of PVC rigid of 20 mm of diameter as stuff and water as solvent. It has been done test with inside pressure and gas flow in the column betweem 300 and 500 kPa and 190 and 670 cm3/s. The original biogas has a concentration the 33%% of CO2. With the utilization of the column´s absorption was obtained reduction in CO2 concentration of 15%, which showed an increasing of 57% in the lower heating value of biogas per unit of mass.

Key words: Column of absorption, methane, renewable energy, natural gas


 

 

INTRODUÇÃO

A enorme participação das fontes não-renováveis na oferta mundial de energia coloca a sociedade diante de um desafio: a busca por fontes alternativas de energia. E isso não pode demorar a ocorrer, sob o risco de o mundo, literalmente, entrar em colapso, pelo menos se for mantida a atual matriz energética, na qual o petróleo tem uma importância vital. A biomassa pode ser encontrada na natureza em diversas formas. As mais conhecidas são: a lenha, resíduos gerados pelas culturas agrícolas, agroindústrias e criação animal, florestas energéticas e resíduos sólidos municipais (VOIVONTAS, et al. 2001).

SOUZA et al. (2003), estudando a disponibilidade de resíduos gerados pela a suinocultura estimou que a produção de dejetos na Região Oeste do Paraná é cerca de 870.137 ton/ano, com um potencial de geração de energia elétrica de aproximadamente 155 GWh/ano. SORDI et. al. (2003), estimaram que a disponibilidade de resíduo da avicultura nesta mesma região chega a 382.021 ton/ano, o que corresponde um potencial energético teórico de aproximadamente 142 MWh/ano. Desta forma, a utilização de biodigestores para o tratamento e produção de biogás apresenta-se como uma solução ecológica e energética para pólos agroindustriais. A digestão anaeróbia de resíduos vegetais e animais em biodigestores produzem o biogás e o biofertilizante, sendo que o último tem aplicação na fertirrigação e o biogás é utilizado como fonte alternativa de energia na propriedade rural ou agroindústria na qual o sistema está implantado. Uma das formas de se melhorar o aproveitamento do biogás é reduzir a concentração de substancias corrosivas como o ácido sulfídrico e aquelas que reduzam seu poder calorífico como o CO2 (dióxido de carbono).

Propriedades do Biogás

Os principais constituintes do biogás são o metano (CH4) de 50% a 75% e o dióxido de carbono (CO2) de 25% a 40%. Outros gases, como o sulfeto de hidrogênio (H2S), o nitrogênio (N2), o hidrogênio (H2) e o monóxido de carbono (CO), estão também presentes na mistura, embora em quantidades bastante reduzidas (PINHEIRO, 1999). Essas propriedades são importantíssimas para a engenharia de equipamentos adequados ao biogás (CCE, 2000). Dentre elas estão: o poder calorífico e densidade.

O poder calorífico do biogás depende da porcentagem de metano (CH4) nele existente. O metano puro, em condições normais (pressão a 1,0 atm e temperatura de 0ºC), possui um poder calorífico de 9,9 kWh/m3, ao passo que o biogás com concentração de metano variando entre 50% e 80% tem um poder calorífico inferior de 4,95 a 7,9 kWh/m3 (CCE, 2000). Segundo o MME (2000), citado por MAGALHÃES (2000), o poder calorífico médio do biogás é equivalente a 5,5 kWh/m3.

A densidade é um parâmetro muito útil para projetos de equipamento, armazenamento e compressão do biogás. Pode ser obtido por meio da equação:

onde,

% CH4 = percentual de metano (CH4) no biogás.

FONTE: CCE (2000).

Remoção de CO2

Além da energia elétrica, o biogás pode ser utilizado em todas as aplicações destinadas ao gás natural. Os principais componentes a serem removidos do biogás são: a água, o ácido sulfídrico (H2S), as partículas e o dióxido de carbono (CO2) (AD-NETT, 2002). A remoção do dióxido de carbono ou de qualquer outro gás por absorção é uma operação unitária onde um componente de uma mistura é dissolvido num líquido. Esta operação pode envolver reações químicas ou ser essencialmente física.

As colunas recheadas são muito utilizadas nos processos de separação de gases por absorção. É um dispositivo relativamente simples em relação à coluna de bandeja. Normalmente de constituição simples, estas colunas consistem em um casco cilíndrico, uma placa perfurada para suporte do recheio e distribuição do solvente.

O recheio é o principal componente da coluna recheada, cuja função é promover uma maior superfície de contato entre o liquido e o gás, aumentando a taxa de absorção do sistema. Existem diversos tipos de recheios estudados que são citados por FAIR et al 1980. O recheio também é um fator importante no custo de construção da coluna, onde, as colunas com diâmetros acima de 60 cm são inviáveis quando recheadas. Os recheios são colocados nas colunas ao acaso ou ordenados, sendo constituídos de materiais como: cerâmicas, carbono, aço e polietileno (MADDOX, 1980).

É possível que as variáveis e os parâmetros mais importantes no projeto de um sistema de absorção sejam os mais difíceis de descrever exatamente por meio matemático. O tipo de equipamento a utilizar, a estrutura interna do equipamento, a razão líquido-gás, o solvente, o diâmetro e altura da coluna é escolhido em geral, com base em experiências obtidas da construção de outras colunas (MADDOX, 1980).

Escolha do Solvente

Segundo MADDOX, 1980, o solvente ideal deve ser não-volátil, puro, não corrosivo, estável, com baixa viscosidade, não espumante, não inflamável e que dissolve infinitamente o soluto. Infelizmente, este solvente raramente se encontra e a escolha se faz com base na alternativa mais desejável, como por exemplo, o custo. Preferencialmente dá-se prioridade na dissolução do soluto no solvente. No caso do CO2, existem diversos solventes que podem ser utilizados. Em se tratando de solubilidade, o polietileno glicol vem sendo bastante utilizado, devido à alta solubilidade do CO2 e do H2S. Quando o fator a ser analisado é o custo do solvente em processos de remoção de CO2 a água consiste num dos melhores produtos.

Razão líquido/gás

A razão líquido/gás é um dos fatores mais importantes do processo de absorção de CO2. É definida a quantidade (x) de solvente necessária para absorver uma quantidade (y) de soluto. Em se tratando de biogás e água a solubilidade dos componentes existentes no biogás em água estão apresentados na Tabela 1.

Por meio da solubilidade e da composição do gás a ser purificado pode-se determinar a circulação de solvente necessária no sistema pela equação:

onde:

VL = vazão de água necessária (L/min);

VB = vazão de biogás (cm3/min);

S = solubilidade do CO2 em água (cm3/L/ atm);

P = pressão de operação (atm);

N = nível de CO2 no biogás (%).

Pressão de serviço

A pressão de serviço é a pressão em que a coluna de absorção de CO2 irá operar durante o processo de absorção. Quando são utilizadas pressões elevadas, obrigatoriamente utiliza-se equipamentos e peças de maior porte, sendo normalmente onerosas, o que acarreta na dificuldade de implantação de sistemas de pequeno porte. Desta forma, buscou-se neste trabalho desenvolver um equipamento capaz de absorver o CO2 contido no biogás, que trabalhe em pressões menores e que utiliza água como solvente, objetivando que o biogás atinja uma concentração de metano próxima ou igual ao do gás natural, e ainda determinar os fatores que influenciam no processo de absorção, a eficiência de absorção do sistema e as propriedades finais do biogás.

 

MATERIAIS E MÉTODOS

A experimentação consistiu na criação e avaliação de uma coluna recheada de absorção de CO2 existente na mistura gasosa do biogás, utilizando água como solvente. Este método físico de absorção foi idealizado em virtude das necessidades e da importância da remoção do CO2 do biogás, seguindo o bom senso e a intuição no que diz respeito ao tipo de equipamento a utilizar, a estrutura interna do equipamento, a razão líquido-gás, o solvente, o diâmetro e altura de uma coluna recheada.

Construção da Coluna de Absorção

A coluna de absorção foi construída levando em consideração as características principais de uma coluna, descritas anteriormente, no que se refere aos componentes e ao método de funcionamento de uma coluna recheada. Os materiais constituintes do protótipo da coluna de absorção seguiram os parâmetros que envolvem segurança de operação, corrosão dos equipamentos e custos de aquisição e operação.

O cilindro vertical da coluna de absorção possui diâmetro de 300 mm por 2500 mm de altura. Sua constituição é de aço galvanizado, com chapa de espessura de 3 mm. O fechamento das extremidades do cilindro foi feito em formato de "chapéu chinês".

O recheio constituiu-se de tubos de PVC com diâmetro de 20 mm e comprimento de 1500 mm em número suficiente para preencher toda a área da base do cilindro. Nesses tubos foram feitas cavidades inclinadas (Figura 1.B), no intuito de melhorar a distribuição e homogeneidade do molhamento dos tubos pelo solvente. Note, nesta mesma figura, a posição das cavidades, onde estão dispostas da mesma maneira na coluna. A distribuição (Figura 1.A), foi feita de forma ordenada e homogênea, para que o recheio, em toda sua extensão, seja molhado igualitariamente, fazendo com que o gás que entrar na coluna tenha o maior contato possível com o solvente.

 

 

O suporte do recheio foi construído por meio de uma chapa cilíndrica totalmente perfurada de aço galvanizado, com orifícios de diâmetro aproximado de 3 mm e distantes aproximadamente 5 mm uns dos outros. Este suporte está afixado a 150 mm acima da entrada do gás para que este possa expandir-se e distribuir-se antes de passar pelas furações do suporte, assim a passagem do gás pelo recheio da coluna ocorre de forma uniforme (Figura 2).

O conjunto moto-bomba utilizado para o bombeamento do solvente na coluna deve ter uma potência suficiente para recalcar o solvente, maior que a pressão de trabalho da coluna. A vazão também deve ser levada em consideração, pois este conjunto deve possuir capacidade de bombear uma quantidade de solvente maior que mínima necessária para absorção do CO2 contido na mistura gasosa. O conjunto moto-bomba utilizado foi o da marca Schneider, com potência de 2 cv, trifásico. De acordo com o fabricante do equipamento, a capacidade máxima de recalque de água é igual a 74 mca, com vazão máxima de 1,67 l/s.

A entrada do solvente ocorreu por meio de um tubo de aço galvanizado de 20 mm de diâmetro, localizado a 50 mm do topo da coluna (Figura 2). O solvente ao entrar na coluna deve ser distribuído de forma que molhe uniformemente o recheio. Para isto, faz-se necessário à utilização de um sistema de distribuição capaz de suprir esta necessidade e que atenda a vazão de solvente demandada pelo conjunto moto-bomba. Vale ressaltar que uma vazão muito pequena torna a questão da eficiência de distribuição impraticável. Para este projeto, idealizou-se como sistema de distribuição de solvente, a utilização de um crivo de aço galvanizado semelhante a um chuveiro para o molhamento uniforme do recheio.

Sistemas de controle

A medida da vazão de solvente foi efetuada por um hidrômetro, fornecido pela Companhia de Abastecimento do Paraná (SANEPAR), possuindo uma precisão de 0,0001 m3. O controle da vazão foi feito por meio de um registro de esfera, mas nada impede que se utilize qualquer outro modelo de registro, desde que este suporte a pressão interna do sistema.

O sistema de saída solvente (Figura 2) é composto de uma tubulação de 20 mm de diâmetro de aço galvanizado, soldada na parte inferior da coluna a cerca de 50 mm da extremidade da coluna, controlada por uma válvula de alívio. Esta válvula permite a saída do solvente assim que a pressão ou o nível desejado do solvente no interior do cilindro vertical seja atingido. Desta forma, a válvula de controle da saída do solvente, instalada na tubulação de saída da mistura, era do tipo mola, a qual controlava e mantinha estabilizado o nível interno de solvente no cilindro vertical, visualizado pelo medidor de nível de solvente que ligava a entrada de gás com a saída de solvente. Visualiza-se ainda na Figura 2, um dreno, que é responsável pela eliminação das impurezas que possam sedimentar no fundo da coluna

A entrada do gás na coluna foi efetuada por meio de uma tubulação de aço galvanizado com 20 mm de diâmetro, situada a 420 mm da base da coluna (Figura 2). O compressor utilizado para injetar biogás na coluna de absorção foi o mesmo responsável pelo abastecimento de biogás às granjas de suínos da propriedade. Foi por meio da injeção do biogás que a coluna atingiu as pressões de serviço desejadas.

O controle da pressão do interior do cilindro vertical acontece por meio da instalação de uma válvula reguladora de pressão, onde permite controlar a pressão interna mantendo-a constante, independente da pressão a montante. Acoplada a esta válvula está um manômetro com precisão de 0,25 kgf/cm3, que indica a pressão desejada a ser trabalhada.

O controle da vazão do biogás foi realizado por um equipamento que regula e mede o fluxo de vazão de gás. Este equipamento, da marca Cole-Parmer, tem precisão de 6,7 cm3/s e foi instalado logo após a válvula reguladora de pressão.

A saída do gás é constituída de uma tubulação de aço galvanizado de 20 mm de diâmetro localizada no ápice da coluna, ou seja, no extremo do fechamento em forma de "chapéu chinês". Nessa tubulação, instalou-se uma válvula igual àquela do sistema de entrada do gás, para que possibilite controlar a saída do gás metano. Acoplado a esta válvula encontra-se um manômetro que mede a pressão de saída do gás metano. Também foi instalada uma válvula de segurança, no intuito aumentar a segurança do sistema caso a válvula venha a falhar e causar uma explosão. A Figura 3 mostra detalhadamente o protótipo da coluna de absorção de CO2 do biogás com a distribuição e a nomenclatura de todos seus componentes, com exceção do conjunto moto-bomba e do compressor.

Local da Construção, da Montagem e dos Ensaios da Coluna de Absorção

A construção e a montagem da coluna de absorção foram realizadas na empresa Metal Arte, localizada na cidade de Cascavel - PR e nos laboratórios de Energia e Hidráulica da Universidade Estadual do Oeste do Paraná - UNIOESTE.

O experimento foi instalado numa das propriedades da empresa GLOBOAVES onde esta leva o nome de GLOBOSUÍNOS. Está localizada na Estrada Melissa a 8 km do bairro Jardim Melissa da cidade de Cascavel - PR. Esta propriedade possui granjas responsáveis pelo fornecimento de leitões aos produtores de suínos vinculados a empresa.

Funcionamento da Coluna de Absorção

Inicia-se o funcionamento da coluna pelo acionamento do sistema de bombeamento do solvente, controlando o fluxo de solvente pelo hidrômetro e registro instalados na tubulação de recalque e, a pressão do solvente, pelo manômetro e registro de gaveta do conjunto moto-bomba. Ao mesmo tempo, acompanha-se o nível interno de solvente no cilindro vertical, regulando a válvula de saída da mistura solvente e dióxido de carbono. Simultaneamente, é injetado o biogás à pressão e vazão desejadas, sendo esse controle da pressão efetuado pelo manômetro e válvula de controle de pressão e, o controle da vazão pelo medidor de vazão e registro de agulha. O acompanhamento da estabilidade da pressão interna é feito pelo manômetro instalado no corpo do cilindro vertical. Depois de estabilizada a pressão interna desejada de trabalho, é regulada a válvula de saída de gás metano, procurando manter a pressão interna do cilindro vertical constante.

Testes Realizados

Os testes realizados com a coluna de absorção foram no intuito de avaliar a capacidade de absorção de CO2 em diferentes níveis de pressão de serviço e em diferentes vazões de biogás, verificando os fatores que influenciam no processo de absorção e, se possível, encontrando as condições de operação de melhor eficiência de absorção de CO2 pela coluna.

Para isto, foram feitos ensaios variando-se: a vazão de biogás (de 190 a 650 cm3/s), vazão de solvente média 0,200 L/s, a uma temperatura de 25 °C e as pressões de serviço dentro de uma faixa de 300 a 500 kPa. Esta faixa de pressão foi escolhida devido a algumas restrições de alguns equipamentos utilizados como a potência do conjunto moto-bomba e a resistência do cilindro vertical. Os níveis de CO2 foram determinados utilizando o aparelho medidor de nível de CO2 "ORSAT".

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 4 apresenta a coluna de absorção de dióxido de carbono e seus diversos componentes, desenvolvida e avaliada. A coluna de absorção é constituída de um cilindro vertical, um sistema de bombeamento hidráulico, tubulações, válvulas, manômetros, medidores e registros.

 

 

Dados coletados

O biogás provindo diretamente do biodigestor possuía um teor médio de CO2 de 33%, estando condizente com os níveis de 25 a 40% de CO2, citado por PINHEIRO (1999). Foram realizados 5 ensaios com 4 repetições cada, gerando os seguintes resultados médios apresentados na Tabela 2, que mostra também a respectiva análise de comparação de médias.

Pode-se perceber na Tabela 1 que, para uma mesma vazão de biogás quanto maior a pressão de serviço da coluna maior a absorção de CO2 (ensaios 2, 4 e 5). Isto se deve ao fato de que a solubilidade do CO2 em água está em função da pressão em que se encontram os componentes. Percebe-se também nesta tabela que para uma mesma pressão, uma menor vazão de biogás proporciona um maior poder de absorção do sistema. Isto provavelmente estar relacionado com o tempo de retenção do biogás na coluna devido a vazão do biogás, onde uma menor vazão propicia um maior tempo de contato entre a água e o CO2.

A vazão de solvente não foi considerada um fator influenciador no processo de absorção, pois a vazão utilizada nos testes está muito acima da vazão mínima necessária calculada pela equação 2. Esta vazão utilizada foi a mínima conseguida com o equipamento utilizado.

Para melhor visualizar construiu-se gráficos que apresentam a influencia dos fatores que afetam o processo de absorção de CO2. Estes gráficos foram construídos comparando-se ensaios de mesma pressão de serviço para diferentes vazões de biogás e vice-versa, apresentando as quatro repetições dos ensaios.

Pode-se perceber na Figura 5 que o ensaio 2 por possuir uma menor vazão de biogás proporcionou uma maior absorção de CO2 pela coluna do que o ensaio 1. Percebe-se também que, dentro de um mesmo ensaio, a diminuição da vazão propicia um maior poder de absorção pela coluna. Isto pode ser também visualizado na Figura 6, onde o ensaio 4 proporcionou uma maior absorção do que o ensaio 3 por possuir uma vazão de biogás menor.

 

 

 

 

As diferenças encontradas dentro de um mesmo ensaio para situações idênticas de pressão e vazão de solvente, apresentados nos ensaios, podem estar relacionadas a operação do equipamento medidor do nível de CO2, pois trata-se de um equipamento não eletrônico passível de erro. Mas estatisticamente estes valores podem ser considerados iguais ao nível de 5% de significância.

Essas reduções possuem diferença significativa ao nível de 5% de significância, ou seja, a variação da vazão de biogás possui influencia significativa no processo de absorção de CO2 do biogás. Possivelmente, isto se deve ao fato de que quanto menor a vazão de biogás que entra no cilindro vertical maior o tempo de retenção do biogás, o que promove, conseqüentemente, um maior tempo de contato entre o CO2 e a água, aumentando assim a eficiência de absorção. Comparando-se agora a influência da pressão no processo de absorção de CO2 as Figuras 7 e 8 apresentam influência das diferentes pressões para uma mesma vazão.

 

 

 

 

Observa-se nas Figuras 7 e 8 que o aumento da pressão de serviço influenciou no processo de absorção de CO2, onde o ensaio 5 por possuir maiores pressões obtive melhor resultado no processo de absorção, ou seja, menor nível de CO2 que o ensaio 2 e 4. Desta forma verifica-se que quanto maior a pressão de serviço maior a eficiência de absorção, podendo ser visualizado até mesmo dentro de um mesmo ensaio.

Propriedades Estimadas do Biogás Purificado

O poder calorífico foi estimado levando em consideração que ele depende da porcentagem de metano existente no biogás e que o metano puro apresenta um poder calorífico de 9,9 kWh/m3. Desta forma, 10% de CO2 na mistura gasosa do biogás representa aproximadamente 1 kWh/m3 a menos no poder calorífico. Com isso, estimou-se um aumento do poder calorífico de 6,6 kWh/m3 para 8,4 kWh/m3, o que representa um acréscimo de aproximadamente 27% no poder calorífico com a purificação do biogás.

A estimativa da densidade do biogás foi feita por meio da equação 1, que leva em consideração os níveis de CH4 existente na mistura gasosa. Por meio desta equação estimou-se uma redução da densidade de 0,88 kg/m3 para 0,71 kg/m3 o que representa 20% a menos na densidade do biogás purificado.

Em termos de poder calorífico por unidade de massa o biogás que provinha do biodigestor (67% de CH4) teria um poder calorífico de 7,53 kWh/kg, enquanto que com o biogás purificado (85% de CH4) este teria um poder calorífico de 11,86 kWh/kg. Desta forma, com o aumento do poder calorífico e a diminuição da densidade do biogás ocorre um aumento de 4,33 kWh/kg, o que representa um aumento aproximado de 57% no poder calorífico por unidade de massa.

 

CONCLUSÃO

Os fatores que influenciaram no processo de absorção foram à pressão de serviço e a vazão de biogás. Quanto maior a pressão de serviço e quanto menor a vazão de biogás que entra na coluna maior a taxa de absorção, ou seja, melhor a eficiência de absorção.

O ponto ótimo de funcionamento da coluna foi operando com pressão média de aproximadamente 480 kPa e vazão média de 207 cm3/s, obtendo uma concentração de CO2 de 15,25%, o que esta dentro do patamar estabelecido pela ANP em relação ao nível de metano que o gás natural deve possuir, tornando o biogás apto a ser utilizado nos mesmos usos finais, com exceção do GNV (gás natural veicular).

Para o biogás com concentração de CO2 de 15,25% estimou-se um aumento de aproximadamente 57% no poder calorífico por unidade de massa, com o conseqüente aumento no teor de metano (67% para 85%) e diminuição da densidade de 0,88 kg/m3 para 0,71 kg/m3.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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