Obtención y caracterización de un combustible obtenido a partir de los desechos del PET y polipropileno
Enviado por Alex Cajas • 23 de Abril de 2020 • Documentos de Investigación • 2.681 Palabras (11 Páginas) • 194 Visitas
ESTRUCTURA DE LA PROPUESTA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
1. TÍTULO DE LA PROPUESTA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN. | |
Obtención y caracterización de un combustible obtenido a partir de los desechos del PET y polipropileno. | |
2. NOMBRE DE LOS ESTUDIANTES | |
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3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN | Ciencias básicas, bioconocimiento y desarrollo industrial. |
3.1 SUB LÍNEA DE INVESTIGACIÓN | Energías renovables |
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA | |
En la actualidad en el país, la gestión de desechos sólidos da mucho que desear, los pocos esfuerzos y la falta de responsabilidad ambiental por parte de instituciones públicas y privadas han arrojado resultados poco satisfactorios. En el ámbito internacional[1] cuatro de cada cinco botellas PET son desechadas directamente en los sitios de disposición final de residuos, y el restante es reciclado. Los plásticos consumidos a diario son cada día más económicos, transparente y de bajo peso, pero dando lugar a una cantidad considerable de residuos que no tienen valor agregado. Los residuos plásticos representan una grave problemática ambiental por su gran disposición y cantidad en los actuales momentos, se han vuelto materiales indispensables y que aumentan sus aplicaciones a nivel industrial. El Pet y polipropileno poseen diversas aplicaciones[2], entre las principales; como envase de alimentos, bebidas, detergentes, productos de limpieza, en forma de filme en contenedores alimentarios, láminas, audio/video, aplicaciones eléctricas y electrónicas y en como componente de elementos como; fibra textil, alfombras, tuberías, construcción y automoción. Contaminación visual del medio ambiente, riesgos a la salud e inundaciones en épocas de lluvia son sin duda alguna, los problemas principales a causa del consumo desmedido del PET y polipropileno. La acumulación de envases PET y polipropileno desechados saturaran en corto tiempo rellenos sanitarios [3], esto a causa de su difícil degradación y por su forma, ya que este ocupará mucho espacio. Se han planteado diferentes métodos para el aprovechamiento de este tipo de residuos de tipo plásticos, ya sea por reciclaje mecánico, recuperación de energía, incineración sin recuperación de energía, eliminación en vertederos, reciclado químico [4]. Dentro de este último se contemplan diferentes procesos a realizar, estos son la hidrogenación, la gasificación o tratamiento con disolventes, la pirolisis [5]. En el campo de combustibles se buscan innovaciones, soluciones, modificaciones y nuevas alternativas a los combustibles existente en el mercado, se requiere que los nuevos combustibles sean más económicos y de una fuente menos contaminante, esto consecuencia de la dificultad que se presenta durante los momentos de la extracción y la contaminación que estos provocan. Frente a esta problemática se plantea la elaboración de un combustible a partir de la pirólisis y destilación de residuos de botellas plásticas tipo PET y polipropileno. | |
5. JUSTIFACIÓN E IMPORTANCIA. | |
5.1 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA | |
La pirólisis permite la ruptura de los enlaces carbono de la estructura del PET y Polipropileno que conformar las botellas y que generalmente son empleadas para almacenar agua para consumo humano, los gases generados de la pirólisis pueden ser destilados y recolectados mediante condensación, obteniéndose un nuevo producto con un valor agregado de tal forma que se evite la aglomeración en los rellenos sanitarios, ríos y mares. | |
5.2. JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA | |
Mediante la construcción de un prototipo piloto (unidad de pirólisis y unidad de destilación) se podrá obtener un producto aceitoso (combustible), el cual será caracterizado en sus propiedades: densidad, viscosidad, punto de inflamación, corrosión del cobre, contenido de cenizas y destilación para posteriormente con los datos obtenidos a nivel de laboratorio proceder a nivel industrial. | |
5.3. JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA | |
Mediante esta investigación utilizando los procesos de pirolisis y destilación se podrá diseñar un equipo industrial para el tratamiento de los desechos generados del PET y el polipropileno a nivel país, para que de esta forma los mencionados desechos tengan un mayor valor agregado y disminuyan el consumo de los combustibles tradicionales. | |
6. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN | |
6.1 Objetivo General | Obtener combustible mediante la pirolisis y destilación a partir de desechos de PET y Polipropileno |
6.2 Objetivo Específicos |
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7. MARCO DE REFERENCIA | |
7.1. MARCO TEÓRICO | |
7.1.1 POLIESTIRENO TEREFTARATO El PET (Poliestireno Tereftarato) es un polímero presente en los plásticos usados en alimentos e industria en general. Este material se produce a partir de una reacción de policondensación del etilenglicol y ácido tereftálico [6]. Es un polímero termoplástico [7] con ausencia de enlaces químicos entre sus cadenas, presenta atracciones electrostáticas que permiten que en su estructura se provoque un entrecruzamiento y liado de hileras. Se encuentra formado por 64% de petróleo crudo, 23% de gas natural y 13% de aire [8]. Empleado en el sector de los alimentos, por lo general se utiliza en las botellas de bebidas, agua y aditivos. En el sector de la industria [6], se lo usa comúnmente como empaques y contenedores de aceite para automotores, tuberías, productos de limpieza, productos médicos, entre otros. Estos son altamente reciclables. Presentan numerosas ventajas, entre estas, su transparencia, resistencia, es inerte, no tóxico e impermeables, otorgándole así buenas propiedades física, química y térmicas, además de ser totalmente reciclable. Dentro de sus desventajas, se puede considerar que este no se degrada con facilidad [6], es necesario cientos de años, tiene limitados ciclos de reciclado y que al ser sometido a temperaturas por encima de 230 °C desprenden sustancias tóxicas. 7.1.2 POLIPROPILENO El polipropileno (PP) es el polímero de tipo termoplástico obtenido a través de la polimerización del propileno (o propeno) [9]. Presenta buena resistencia química y un elevado punto de fusión, lo cual le otorga buenas propiedades para ser usado con líquidos calientes. Es de uso frecuente en el sector alimenticio en tapas de recipientes, botellas y cierres, además se encuentra presente en el embalaje de productos automotrices y de consumo masivo. Los artículos de polipropileno pueden ser esterilizados a temperaturas de hasta 140 °C sin mostrar deformación alguna gracias a su estabilidad térmica. Gráfico 1 Proceso de polimerización [pic 1] [10] 7.1.3 PIRÓLISIS Este proceso [11] consiste en la descomposición fisicoquímica y térmica de la materia en ausencia de oxígeno, con altas temperaturas, las mismas que oscilan entre 400◦ y 1000◦C, obteniendo un producto combustible, gas y residuos sólidos, generalmente el coque, los cuales son aprovechables. Es un mecanismo de las tecnologías alternativas usadas en la actualidad en la disposición de los RSU, el mismo que ha tenido resultados favorables y que ofrece innovadoras ventajas, en el uso de la pirólisis con materia de desecho como es el PET en la obtención de combustibles, por lo cual se sostiene que este se encuentra en desarrollo tecnológico. Este depende del tipo de plástico, condiciones del proceso y los diferentes mecanismos usados [12]. 7.1.4 CONDICIONES DEL PROCESO 7.1.4.1 TEMPERATURA: La temperatura determina que tan rápido se lleve a cabo la descomposición térmica de los plásticos, se encuentran en rangos de 400 a 600°C [9]. Dependiendo la temperatura a emplear se puede obtener líquidos más o menos viscosos. 7.1.4.2 PRESION A presiones altas se incrementan los puntos de ebullición de los productos de la pirólisis [11], es decir este tiene un efecto significativo dentro del proceso, en ambientes presurizados, los hidrocarburos pesados no se evaporan y son craqueados, aunque se requiera mayor cantidad de energía. 7.1.4.3 VELOCIDAD DE REACCION Esta se puede dar de manera rápida o flash y de manera lenta [13]. En la pirolisis lenta, la reacción química es la encargada de controlar el proceso de descomposición, obteniendo de una forma más fácil, la fracción sólida, aunque puede durar muchos días. Por el contrario, si esta se da de manera rápida, es la transmisión de calor la encargada de controlar el proceso, este aumenta la obtención de gases combustibles a mayor temperatura. 7.1.4.4 TIEMPO DE RESIDENCIA Este se encuentra relacionado con la temperatura, es decir a mayor temperatura el tiempo de residencia aumenta, dando así lugar a la formación de compuestos gaseosos, considerándose una de las variables más importantes del proceso [14]. 7.1.5 DESTILACIÓN Se conoce como destilación al proceso que tiene como objetivo la separación de una mezcla mediante condensación y evaporación. Este se fundamenta en la diferencia de temperaturas de ebullición de los componentes de la mezcla, gracias a esto se realiza la evaporación [15]. Para el caso puntual de los plásticos, los vapores condensables provenientes del reactor pasan a la columna de destilación para producir aceite ligero y diésel en bruto. Este último pasa a una columna de destilación al vacío para ser refinado y luego producir diésel, queroseno y aceite ligero [16]. 7.1.6 REACTORES DISCONTINUOS, SEMIDISCONTINUOS Y CONTINUOS El reactor de pirólisis de acuerdo a su alimentación y obtención de producto se clasifican en discontinuos, semidiscontinuos y continuos. En el caso del discontinuo, la alimentación ingresa al reactor pirolítico en lotes, es decir, hasta que no se lleve a cabo la reacción en su totalidad, no se vuelve a ingresar alimentación, el semidiscontinuo elimina los productos de pirólisis antes de que vuelva a iniciar el proceso nuevamente con ayuda de un gas portador inerte. En el reactor continuo, existe una alimentación constante, por un lado, ingresa el alimento y por el otra sale el producto obtenido del proceso [17]. Gráfico 2 Reactor de pirólisis [pic 2] [17] 7.1.7 TÉCNICA DE ANÁLISIS 7.1.7.1 DENSIDAD En términos generales la densidad es la relación que existe entre la masa de una sustancia y su volumen, se define como la masa por unidad de volumen. En el campo de los combustibles, como lo indica la ASTM D1298-99, se desprenden dos términos importantes, la gravedad específica y la gravedad API. La primera hace referencia a la relación entre la densidad absoluta de una sustancia y la densidad de una sustancia patrón, que por lo general es agua en los líquidos y aire en los gases. El segundo denota la relación entre el peso específico y de la fluidez de los crudos con respecto al agua. Para realizar este análisis se usa el método del hidrómetro, el mismo que está basado en el principio de que la gravedad de un líquido varía dependiendo la profundidad de inmersión que sufre un cuerpo al flotar [18]. 7.1.7.2 VISCOSIDAD CINEMÁTICA Es la característica esencial de todo lubricante. Se mide frecuentemente la viscosidad cinemática, cronometrando el tiempo de paso del aceite a través de un tubo capilar calibrado, descrito en la norma ASTM D88, en este caso se expresa en segundos Saybolt. (S.S.U.) [19]. Se utilizan tablas normalizadas de conversión entre las diferentes unidades contenidas en la norma ASTM D2161. [20] La viscosidad cambia con la presión, pero la temperatura tiene mayor influencia: la viscosidad disminuye rápidamente con el aumento de la temperatura [21], existe abundante bibliografía sobre fórmulas, ecuaciones y ábacos que relacionan estas dos magnitudes contenidas en la norma ASTM D 445 [22]. La variación de la viscosidad en función de la temperatura no es la misma para todos los crudos. La viscosidad de un crudo parafínico aumenta rápidamente si la temperatura baja; en cambio, para los crudos nafténicos o mixtos el aumento de la viscosidad es más progresivo. 7.1.7.3 PUNTO DE INFLAMACIÓN COPA CERRADA Se conoce como punto de inflamación copa cerrada, a la temperatura mínima, a presión atmosférica (1 atm), a la que una sustancia combustible que entra en contacto con el aire desprende la cantidad suficiente de vapor para que se produzca la infamación de la mezcla vapor - aire [23] mediante el aporte a la misma de una energía de activación externa, ya sea de origen térmico (llama), mecánico (fricción), eléctrico (chispa) o químico (reacción exotérmica). La norma ASTM D93, establece que el punto de inflamación es un parámetro definido muy importante para líquidos inflamables. Para sólidos se puede determinar su temperatura de inflamación en estado pulverulento, mientras que en gases inflamables tal parámetro tiene un mínimo interés, ya que se trata de temperaturas por debajo de 0°C [24]. 7.1.7.4 CORROSIÓN A LA LAMINA DE COBRE El petróleo crudo tiene comúnmente contenido de azufre, en su totalidad son eliminados durante el refinamiento[25]. No obstante, pueden permanecer pequeñas cantidades de azufre en el producto refinado de petróleo y estos puede conllevar a corroer varios metales no ferrosos. La concentración de aditivos en aceites son un factor cada vez más críticos, porque tienden a la corrosión del metal amarillo presente en las cajas de engranajes al ser estos cada vez más concentrados, este análisis es importante en modelos antiguos de cajas de engranajes que contienen partes de latón, bronce o cobre tales como cojinetes y sincronizadores. La norma ASTM D130 indica que la corrosión no simplemente está asociada con el contenido total de azufre. El efecto puede variar de acuerdo con los tipos químicos de los compuestos de azufre presentes en el aceite [26]. 7.1.7.5 CONTENIDO DE CENIZAS Las cenizas son un conjunto de sales minerales que se generan producto de la combustión de sustancias orgánicas, para el efecto combustible. Según la norma ASTM D482, en los combustibles los materiales que comúnmente forman cenizas son los sólidos abrasivos y los saponatos metálicos solubles. Los sólidos abrasivos forman depósitos de cenizas en los inyectores y bombas de combustibles, mientras que los saponatos metálicos solubles forman depósitos en la máquina [27]. 7.1.7.6 DESTILACIÓN En la industria petrolera es muy importante conocer la composición de los crudos, ya que esta varía dependiendo de su origen. Resulta factible y provechosa su separación industrial por destilación en fracciones de diferentes intervalos de ebullición para sus diferentes aplicaciones. Antes de llevar a cabo el proceso industrial es preciso determinar en el laboratorio la composición de cada fracción para su adecuación. Usualmente esto se realiza por destilación a presión atmosférica y reducida de la muestra de crudo [28]. La destilación normada bajo la ASTM D-86, es una técnica que se le aplica a las gasolinas naturales, de motores de avión, turbos combustibles de avión, naftas y otras fracciones proveniente de la destilación atmosférica. Este método es utilizado para determinar la volatilidad de un producto y determinar la tendencia de un hidrocarburo de producir vapores altamente explosivos [29]. 7.1.7.7 MÉTODO DE CARBÓN CONRADSON Es un método de prueba de tipo gravimétrico, que sirve para determinar la cantidad de residuo carbonoso producido luego de la destilación y pirólisis. Se encuentra normado bajo la ASTM D189 y es aplicable a los productos derivados de petróleo, los cuales pueden descomponerse en gran medida luego de la destilación a presión atmosférica. Este método es adecuado para derivados que presentan alta viscosidad a temperaturas inferiores a 90°C, tienden a la formación de coque [30]. Se expresa en términos de porcentaje peso [31]. 7.1.7.8 CROMATOGRAFÍA DE GASES La cromatografía es un proceso físico de separación para la caracterización de sustancias complejas, para este caso particular combustible [28]. Es un conjunto de técnicas basadas en el principio de retención selectiva, cuyo objetivo es separar los distintos componentes de una mezcla, permitiendo cuantificar y cualificar los componentes en ésta, por lo tanto, sirve para conocer los componentes del crudo y sus derivados. Este sistema está compuesto por una columna que contiene dos fases, una fase móvil y otra fase estacionaria. La fase móvil consiste en un fluido (gas, líquido o fluido supercrítico) que arrastra la muestra a través de la fase estacionaria, que se trata de un sólido o un líquido fijado en un sólido. Los componentes de la mezcla interaccionan en distinta forma con la fase estacionaria a distintas velocidades y se van separando[32]. 7.1.7.9 ESPECTROSCOPIA INFRARROJA Este método se utiliza con la finalidad de identificar la composición química de los plásticos, caracterizando así la materia prima, para lo cual la muestra será sometida a procesos de absorción y emisión de luz en el rango del infrarrojo sobre sus moléculas. Es una técnica sofisticada la cual nos permite conocer la composición cualitativa y cuantitativa de las formulaciones, permitiendo identificar aditivos, colorantes, plastificantes, estabilizantes e inclusive si esta se trata de una mezcla de plásticos [33].
Se fundamenta en la absorción de la radiación IR por las moléculas en vibración, la molécula comienza a vibrar de una determinada manera gracias a la energía que se le suministra mediante luz infrarroja. |
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