������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������

 

Dise�o de un prototipo de reactor de pir�lisis t�rmica para la descomposici�n y aprovechamiento de residuos pl�sticos fabricados a partir de: PP, PE, Y PS

 

Design of a prototype of a thermal pyrolysis reactor for the decomposition and use of plastic waste manufactured from: PP, PE, and PS

 

Projeto de um prot�tipo de reator t�rmico de pir�lise para a decomposi��o e aproveitamento de res�duos pl�sticos fabricados a partir de: PP, PE e PS

 

 

�

 

 

 

 

Correspondencia: otto.balseca@espoch.edu.ec

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 16 de marzo de 2021 *Aceptado: 22 de abril de 2021 * Publicado: 05 de mayo de 2021

 

                               I.            Magister en Sistemas de Transporte de Petr�leo y Derivados, Ingeniero Mec�nico, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.�

                            II.            Magister en Dise�o Producci�n y Automatizaci�n Industrial, Ingeniero Mec�nico, Formaci�n de Formadores, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.�

                         III.            Investigador Independiente, Ecuador.

                         IV.            Investigador Independiente, Ecuador. �

Resumen

El incremento exponencial en el uso de pol�meros ha dado lugar a problemas de contaminaci�n; por lo que se requiere un estudio y aplicaci�n de diversos m�todos de reciclaje. En el presente trabajo se present� el dise�o de un prototipo de reactor de pir�lisis t�rmica, para la descomposici�n y aprovechamiento de residuos pl�sticos fabricados a partir de Polipropileno (PP), Polietileno (PE), y Poliestireno (PS). Para el dise�o se establecieron los par�metros requeridos por el reactor, haciendo uso del m�todo de an�lisis de alternativas que permitieron encontrar la mejor soluci�n, la cual garantice una degradaci�n eficiente de los residuos pl�sticos. El prototipo con capacidad 1 kg posee; un recipiente a presi�n, dise�ado seg�n la norma ASME VIII Divisi�n I; una resistencia de tipo banda cer�mica la cual otorga la temperatura necesaria para el proceso, misma que oscila entre 450 y 550 �C; instrumentos de media para presi�n y temperatura; y un sistema de condensaci�n de gases. El modelado del prototipo se lo realiz� mediante el software SolidWorks. Para la simulaci�n se us� el software ANSYS, el mismo que permiti� verificar el comportamiento t�rmico, estructural, as� como tambi�n de flujo de gases; adem�s se analiz� mediante el software SAP 2000, deformaciones y esfuerzos presentes en la estructura met�lica para soporte del equipo; La temperatura �ptima para el proceso de pir�lisis es de 550�C, adem�s se recubri� el recipiente del reactor con una manta aislante de fibra de cer�mica que garantice una temperatura segura al exterior, entre 40 y 50 �C seg�n especifica el reglamento de permiso de trabajo. Los valores determinados anal�ticamente fueron contrastados mediante la simulaci�n, en donde se obtuvo los m�rgenes de error bajos en todos los resultados por lo que se pudo verificar que el dise�o realizado se comporta en �ptimas condiciones de trabajo para realizar el proceso.

Palabras claves: Reactor de Pir�lisis; Pol�meros; Recipientes a Presi�n; Aprovechamiento de Residuos Pl�sticos; Ansys; An�lisis T�rmico.

 

Abstract

The exponential increase in the use of polymers has led to contamination problems; Therefore, a study and application of various recycling methods is required. In the present work, the design of a thermal pyrolysis reactor prototype was presented, for the decomposition and use of plastic waste made from Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), and Polystyrene (PS). For the design, the parameters required by the reactor were established, making use of the alternative analysis method that allowed finding the best solution, which guarantees an efficient degradation of plastic waste. The prototype with capacity 1 kg has; a pressure vessel, designed in accordance with the ASME VIII Division I standard; a ceramic band type resistance which provides the necessary temperature for the process, which ranges between 450 and 550 � C; measuring instruments for pressure and temperature; and a gas condensation system. The prototype was modeled using SolidWorks software. For the simulation, the ANSYS software was used, which allowed to verify the thermal and structural behavior, as well as the gas flow; In addition, the deformations and forces present in the metallic structure to support the equipment were analyzed using the SAP 2000 software; The optimum temperature for the pyrolysis process is 550 � C, in addition the reactor vessel was covered with an insulating ceramic fiber blanket that guarantees a safe temperature outside, between 40 and 50 � C as specified in the permitting regulations of job. The analytically determined values were contrasted by simulation, where the low error margins were obtained in all the results, so it was possible to verify that the design carried out behaves in optimal working conditions to carry out the process.

Keywords: Pyrolysis Reactor; Polymers; Pressure Vessels; Use of Plastic Waste; Ansys; Thermal Analysis.

 

Resumo

O aumento exponencial no uso de pol�meros tem levado a problemas de contamina��o; Portanto, � necess�rio um estudo e aplica��o de v�rios m�todos de reciclagem. No presente trabalho foi apresentado o projeto de um prot�tipo de reator t�rmico de pir�lise, para a decomposi��o e aproveitamento de res�duos pl�sticos de Polipropileno (PP), Polietileno (PE) e Poliestireno (PS). Para o projeto, foram estabelecidos os par�metros exigidos pelo reator, valendo-se do m�todo alternativo de an�lise que permitiu encontrar a melhor solu��o, o que garante uma degrada��o eficiente dos res�duos pl�sticos. O prot�tipo com capacidade de 1 kg possui; um vaso de press�o, projetado de acordo com o padr�o ASME VIII Divis�o I; uma resist�ncia do tipo fita cer�mica que fornece a temperatura necess�ria ao processo, que varia entre 450 e 550 � C; instrumentos de medi��o de press�o e temperatura; e um sistema de condensa��o de g�s. O prot�tipo foi modelado usando o software SolidWorks. Para a simula��o, foi utilizado o software ANSYS, que permitiu verificar o comportamento t�rmico e estrutural, bem como a vaz�o do g�s; Al�m disso, as deforma��es e for�as presentes na estrutura met�lica de sustenta��o do equipamento foram analisadas por meio do software SAP 2000; A temperatura �tima para o processo de pir�lise � de 550 � C, al�m disso o vaso do reator foi coberto com uma manta isolante de fibra cer�mica que garante uma temperatura externa segura, entre 40 e 50 � C conforme especificado no regulamento de licen�a de trabalho. Os valores determinados analiticamente foram contrastados por simula��o, onde as baixas margens de erro foram obtidas em todos os resultados, de forma que foi poss�vel verificar que o projeto realizado se comporta em condi��es �timas de trabalho para a realiza��o do processo.

Palavras-chave: Pyrolysis Reactor; Pol�meros; Vasos de press�o; Uso de Res�duos Pl�sticos; Ansys; An�lise t�rmica.

 

Introducci�n

La producci�n mundial de pl�stico ha alcanzado alrededor de 360 millones de toneladas en 2018 y ha aumentado en un 3,3% con respecto al a�o 2017 (Europe y EPRO, 2019, p.14) . El aumento constante de la demanda de pl�stico conduce a la acumulaci�n de mayor cantidad de residuos cada a�o. El mercado m�s grande de los pl�sticos es el empaque, abarcando el 42% entrando en la fase de un solo uso. (Geyer, Jambeck y Law, 2017, p.1). Debido a que se ha incrementado la demanda y uso de pl�sticos ha producido que se genere inter�s de muchos investigadores para descubrir y desarrollar nuevos modelos de energ�a (Castells y de Gracia, 2012, p.999). La conversi�n de energ�a a partir del uso de residuos pl�sticos ha sido considerada como una alternativa, debido a que son derivados de una fuente petroqu�mica, la cual posee un alto poder calor�fico.

El proceso de pir�lisis es la descomposici�n qu�mica, ya sea de materia org�nica o todo tipo de materiales, excepto los metales y vidrios, causada por el calentamiento a temperaturas altas en ausencia de ox�geno. (Scheirs y Kaminsky, 2006, p.12). A partir del proceso se puede generar tanto aceites como gases, lo cual puede ser conveniente para obtener petroqu�micos y a su vez generar energ�a a partir de residuos s�lidos. (Kiran, Ekinci y Snape, 2000, p.1).

En Ecuador, seg�n datos del INEC, en el a�o 2018 se produjeron 12739.01 toneladas de basura a nivel nacional; de las cuales el 11.43% corresponde a pl�sticos, es decir una cifra de 531.461 toneladas (INEC, 2018). Existen estudios como los realizados por (Crespo y Proa�o, 2013), en donde se indica como los residuos pl�sticos provenientes del sector bananero, fabricados a partir de polietileno de alta densidad permiten obtener di�sel, gasolina y kerosene. Los pl�sticos fabricados a partir de poliestireno se pueden aprovechar mediante el uso de un reactor de tipo batch, en donde se obtiene un 95% de producto l�quido, a una temperatura de 350�C (Intriago Molina y Rodr�guez Velarde, 2017, p.5).� El estudio e implementaci�n de este tipo de tecnolog�a permite solucionar un problema de contaminaci�n de manera rentable.

 

Desarrollo de contenidos

�         Pir�lisis

El proceso de pir�lisis tambi�n conocida como term�lisis, es un proceso de degradaci�n de los materiales org�nicos que involucra la ruptura de enlaces, principalmente endot�rmicos mediante el efecto del calor y en ausencia de ox�geno produciendo mol�culas m�s peque�as de cadenas carbonadas. El proceso de pirolisis est� comprendido generalmente entre temperaturas de 300 �C a 800 �C, obteniendo productos l�quidos, s�lidos y gaseosos aprovechables. (Qureshi et al., 2020, p.2).

�

 

Figura 1: Proceso de pirolisis

 

�         Tipos de pir�lisis

El proceso de pir�lisis puede clasificarse en lenta y r�pida, d�nde est� relacionado directamente con la velocidad de calentamiento (�C/s o K/s).

�         Lenta

los residuos se calientan con valores menores o iguales a 30 �C/min, ayuda mayormente a la formaci�n de carb�n y fracci�n gaseosa (Brown, Collard y G�rgens, 2019, p.2). Dicha de otra manera, el tiempo necesitado para calentar el combustible a temperatura del proceso de pirolisis es muy superior al tiempo de reacci�n de la pirolisis (Guevara y Pablo, 2016, p.24).

�         R�pida

Los residuos se calientan con valores superiores a 150 �C/min; en d�nde el vapor de pirolisis resultante se elimina muy r�pido de la zona de reacci�n, promoviendo la obtenci�n de una fracci�n liquida en mayor porcentaje (Brown, Collard y G�rgens, 2019, p.1).

 

�         Par�metros que influyen en el proceso de pir�lisis

�         Temperatura

Seg�n (Hern�ndez, 2007, p.2), existen 3 etapas de temperatura en un proceso de pirolisis y estas son:

En la primera etapa, entre 220�C - 330 �C la mayor cantidad de producto obtenido a partir de la degradaci�n de los residuos es la fracci�n s�lida (coque, ceniza). Seguido de 330 �C � 450�C los productos l�quidos obtenidos tienen un elevado rendimiento y consecuentemente los gases se obtienen en menor cantidad. Finalmente, temperaturas sobre los 500 �C en esta instancia los residuos pl�sticos superan su punto de ebullici�n, generando gases con mayor rendimiento� (Hern�ndez, 2007, p.2).

�         Tiempo de�� residencia

Mientras m�s largos sean los tiempos de residencia, favorecen mayoritariamente a la obtenci�n de coque, alquitr�n y tambi�n productos que son estables t�rmicamente (Jord�n y Zurita, 2018, p.22). Por otra parte, si el tiempo de residencia es menor, la cantidad de vol�tiles obtenidos ser�n mayor.

�         Presi�n de funcionamiento

Es un par�metro primordial para el dise�o mec�nico del reactor, ya que a trav�s de este par�metro se calcular� el espesor del recipiente a presi�n.

�         Velocidad de calefacci�n

La velocidad de calefacci�n puede ser lenta y flash. En un proceso de pir�lisis lenta, la fracci�n solida eleva su rendimiento descendiendo el de los l�quidos y gases. Mientras que en una pir�lisis flash, ayuda a la formaci�n mayoritaria de productos l�quidos y gaseosos, empleando velocidades de calefacci�n superiores a 250 K/s (Hern�ndez, 2007, p.4).

�         Densidad y humedad de la muestra

Si la muestra tiene un elevado contenido de agua, una parte del calor entregado para la degradaci�n de los pl�sticos ser� consumido para el secado de la muestra, por lo que la temperatura de degradaci�n se reducir�, as� obteniendo favorablemente la fracci�n liquida y s�lida (Hern�ndez, 2007, p.5).

 

�         Reactor de pir�lisis tipo batch

Es un reactor que se caracteriza por tener un recipiente de almacenamiento cubierto con una periferia calefactora y en muchos casos un agitador mec�nico. Adem�s, este tipo de reactor no posee flujos inertes que ayudan al desplazamiento de vol�tiles producidos por la reacci�n, por esta raz�n se originan reacciones secundarias (aromatizaciones) que influyen en el correcto desempe�o del equipo, produciendo elementos no requeridos (Basu, 2010, p.4)

�

Figura 2: Reactor tipo batch

 

Metodologia�

�         Necesidades del usuario

La m�quina tiene como objetivo cubrir la necesidad de tener buen rendimiento y eficiencia, los usuarios establecieron los siguientes requerimientos, que servir�n para el desarrollo de la casa de la calidad (QFD):

�         F�cil de usar

�         Cumplimiento y aprovechamiento de los residuos pl�sticos

�         Componentes adaptables y reemplazables

�         Durabilidad de componentes

�         Bajo costo

�         Eficiente

�         Capacidad �ptima

�         Ligero

�         Rentable

 

�         Voz del ingeniero

�         Tama�o del equipo (Dimensiones)

�         Costo de venta del producto

�         Peso de los componentes

�         Capacidad

�         Tipos de pl�sticos a degradar

�         Material de los componentes

�         Eficiencia de degradaci�n

�         Consumo energ�tico

 

�         Componentes de dise�o del prototipo de reactor de pirolisis

Este dise�o est� formado por los siguientes componentes:

�         Microcontrolador Arduino

�         Resistencia el�ctrica de bandas flexibles � Aislamiento de fibra de cer�mica

�         Tuber�as y accesorios de acero inoxidable

�         Condensador con agua de enfriamiento � V�lvula de seguridad para gases.

�         Recipiente fijo a la estructura con v�lvula de paso

 

�         Dimensiones del recipiente a presi�n

La densidad de los residuos pl�sticos en estudio, para obtener un volumen tentativo del recipiente que va a contener dichos residuos:

Densidad del polietileno (baja y alta):��� 0, 92 a 0,96 g/cm3

Densidad del polipropileno:� 0,9 g/cm3

Densidad del poliestireno:� 1, 06 g/cm3

Entonces, el volumen se hallar� con la siguiente relaci�n, teniendo en cuenta la capacidad del prototipo de 1 kg.

Donde:

ρ-Densidad [kg/m³]

m-Masa [kg]

V-Vol�men [m³]

Si despejamos el volumen:

Para obtener las dimensiones del reactor, se utilizar� la f�rmula para encontrar el volumen de un cilindro:

Donde:

A-�rea de la base del cilindro [m²]

h-Altura del cilindro [m]

 

Considerando una altura aleatoria de 14 cm, el di�metro obtenido es:

Por �ltimo, se aument� dichas medidas, obteniendo finalmente:

 

�         Dise�o del cuerpo cil�ndrico (junta principal)

Para el dise�o del cuerpo cil�ndrico se hace uso de las expresiones para esfuerzos circunferenciales (Junta longitudinal).

�

Figura 3: Cuerpo cil�ndrico

 

Donde:

t: espesor m�nimo de pared. in [mm]

P: Presi�n interna de dise�o. Psi [MPa]

R: Radio interno. In [mm]

S: Esfuerzo m�ximo del material a la temperatura deseada. Psi [MPa]

E: Eficiencia de la junta.

 

Si despejamos P:

 

La temperatura m�xima a la que va a estar sometido el reactor es de 550 �C, y la presi�n de dise�o es de 0.3861 MPa. Adem�s, se tom� en cuenta la junta a tope 100% radiografiado.

S=12,9 MPa (ASME secci�n VIII divisi�n 1)

P=56 Psi=0,3861 MPa

E=1 (ASME secci�n VIII divisi�n 1)

𝐷=200 𝑚𝑚

𝑅=100 𝑚𝑚

Reemplazando:

El factor recomendado es de entre 5 al 10% como m�ximo del espesor calculado.

Entonces el espesor nominal o est�ndar en cat�logos es:

La presi�n m�xima de trabajo es:

�         Dise�o del cuerpo cil�ndrico (conjunto de abastecimiento)

La temperatura m�xima a la que va a estar sometido el reactor es de 550 �C, y la presi�n de dise�o es de 0.3861 MPa. Adem�s, se tom� en cuenta la junta a tope 100% radiografiado.

S=12,9 MPa

P=56 Psi=0,3861 MPa

E=1

𝐷=80 𝑚𝑚

𝑅=40 𝑚𝑚

Reemplazando:

El factor recomendado es de entre 5 al 10% como m�ximo del espesor calculado.

Entonces el espesor nominal o est�ndar para utilizar el mismo espesor de plancha del cat�logo es:

La presi�n m�xima de trabajo es:

�         Dise�o de las tapas (junta principal)

Las tapas se dise�ar�n como toriesf�ricas, debido a que dicha geometr�a soporta mayor presi�n interna y concentraci�n de esfuerzos que una tapa plana.

�

Figura 4: Dise�o de tapa toriesf�rica

 

Condiciones de dise�o

Para el an�lisis se debe conocer:

L: radio interior de la corona (no debe ser mayor al di�metro) [mm]

r: radio interior de transici�n o de rodilla [mm]

M: factor de forma del domo toriesf�rico

 

Cuando L⁄r=16 2/3� (Tapas toriesf�ricas est�ndar)

Cuando L⁄r� <16 2/3 (Tapas toriesf�ricas no est�ndar)

Se va a dise�ar con tapas toriesf�ricas ASME no est�ndar, ya que su espesor es inferior a la est�ndar, entonces:

L=175 mm, debe ser menor o igual al di�metro interior D = 200mm

Se agrega un factor de seguridad para dicho espesor entre el 5 a 10 % como m�ximo, entonces:

En efecto el espesor nominal o est�ndar es:

La presi�n m�xima de trabajo:

�         Dise�o tapa plana

Como la tapa plana circular, va a colocarse en la parte superior mediante una junta bridada, la relaci�n est� dada por:

�

Figura 5: Tapa plana

 

Donde:

D: Di�metro. in [mm]

C: Factor para el tipo de uni�n de la tapa (soldada u empernada). Para placas empernadas el factor C es de 0,162.

P: Presi�n de dise�o. Psi [MPa]

S: Esfuerzo m�ximo del material a la temperatura deseada. Psi [MPa]

E: Eficiencia de la Junta. Si no existen soldaduras longitudinales el valor es de 1

t: espesor de la tapa. in [mm]

Entonces remplazando:

Se agrega un factor de seguridad del 5 % para dicho espesor por efectos de corrosi�n y condiciones ambientales:

El espesor nominal o est�ndar es:

Entonces, la presi�n m�xima de trabajo es:

Dise�o de pernos (brida principal)

�

 

 

Figura 6: Sujetador

 

La carga aplicada a los pernos, mediante el uso de la siguiente expresi�n:

Donde:

Pi: Presi�n Interna del recipiente [MPa]

F: Fuerza ejercida sobre los pernos [N]

A: �rea Interna del recipiente [mm2]

Despejamos la fuerza ejercida sobre los pernos de la ecuaci�n.

Como el recipiente est� sometido a presi�n interna, entonces se har� el an�lisis a tracci�n primaria.

Se va a asumir 6 pernos paso grueso, M14x2 y grado 5.8 para un proceso iterativo.

La fuerza aplicada a cada perno es:

Como no existe tracci�n secundaria, entonces la carga en un perno es:

�

Se va a calcular la pretensi�n o precarga del perno, tomando en cuenta una junta reutilizable:

Entonces, la constante de rigidez es:

Carga que soporta el perno

Carga que soporta el material

Carga total en el perno

Carga total en el material

Una vez obtenido las cargas, se calcula el esfuerzo de tensi�n en el perno

Se determina el factor de seguridad a la fluencia para verificar si el perno soporta estructuralmente.

La carga necesaria para separar la junta bridada es:

Por �ltimo, el factor de seguridad ante la separaci�n de la junta es:

�

�         Dise�o de pernos (abastecimiento)

En primera instancia, se requiere determinar la carga aplicada a los pernos.

Como el recipiente est� sometido a presi�n interna, entonces se har� el an�lisis a tracci�n primaria.

Se va a asumir 6 pernos paso grueso, M8x1,25 y grado 5.8.

La fuerza aplicada a cada perno es:

Como no existe tracci�n secundaria, entonces la carga en un perno es:

�

Se va a calcular la pretensi�n o precarga del perno, tomando en cuenta una junta reutilizable:

Entonces, la constante de rigidez de la junta es:

Carga que soporta el perno

Carga que soporta el material

Carga total en el perno

Carga total en el material

Una vez obtenido las cargas, se calcula el esfuerzo de tensi�n en el perno.

Se determina el factor de seguridad a la fluencia para verificar si el perno soporta estructuralmente.

La carga necesaria para separar la junta bridada es:

Por �ltimo, el factor de seguridad ante la separaci�n de la junta es:

 

�         Dise�o del di�metro para toma de vapores

La toma de vapores tiene la comunicaci�n directa con los gases generados de la c�mara de pirolisis y se ubica en la parte superior del prototipo. El di�metro m�ximo del agujero se calcula a partir:

Donde:

D: di�metro interior del cilindro

t: espesor calculado

t_n: espesor nominal o ejecutivo

c=C_b: Adici�n al espesor calculado

�         Calor necesario o calor de aporte

Donde:

T_i: Temperatura interior del cilindro [�C]

T_amb: Temperatura del ambiente o del aire [�C]

r_e: Radio exterior del cilindro [m]

ri: Radio interior del cilindro [m]

L: Longitud del cilindro [m]

h_aire: Coeficiente de transferencia de calor por convecci�n del aire� []

K_acero: Conductividad t�rmica del acero� []

Entonces:

�

�

�

�

�

�

 

Reemplazando:

 

Figura 7: Boceto del reactor de pir�lisis y sus componentes

En base al boceto presentado se tiene el siguiente circuito t�rmico.

 

Figura 8: Circuito t�rmico Real

El calor que se va a aportar al sistema en funci�n de la resistencia seleccionada.

Temperatura exterior del recipiente a presi�n

Se calcula con la ayuda de ecuaci�n por conducci�n con un an�lisis estable.

De la expresi�n planteada se despeja la resistencia t�rmica del acero.

Reemplazando el valor obtenido en la expresi�n de calor de aporte, se encuentra la temperatura exterior del recipiente a presi�n.

 

Temperatura exterior del prototipo de reactor

El calor por convecci�n del aire es igual al calor por conducci�n en cualquier punto del circuito t�rmico.

En donde, las resistencias en el circuito t�rmico se determinan a continuaci�n.

Reemplazando los valores de resistencias t�rmicas, se determina la temperatura en la superficie exterior del acero inoxidable

�         Dise�o Conceptual de la M�quina

Con los par�metros obtenidos se llega a concretar el posible modelo.

�

Figura 9: Reactor de pirolisis

Se hizo necesario el an�lisis de las variables posibles para el dise�o de un reactor de pirolisis �ptimo, que sea f�cil de usar y a un costo accesible para el p�blico en general que permita que su uso sea rentable.

�         Validaci�n del prototipo a trav�s de ANSYS Workbench

An�lisis t�rmico del prototipo

Para el sistema t�rmico intervienen los siguientes materiales que se muestran en la siguiente tabla:

 

Tabla 1: Propiedades t�rmicas de los materiales

 

Distribuci�n de temperatura

 

Figura 10: Distribuci�n de temperatura en el reactor de pirolisis

 

An�lisis estructural del prototipo

Para el an�lisis estructural se consideran los siguientes elementos: el cuerpo cil�ndrico del recipiente a presi�n y las tapas toriesf�ricas.

El material usado es el acero SA-516 Gr 70, en la tabla 42-3 se muestran sus propiedades:

 

Tabla 2: Propiedades del acero sa 516 gr 70

 

Factor de seguridad

 

Figura 11: Resultados factor de seguridad del reactor

 

An�lisis estructural de los pernos de la brida principal

Para el an�lisis de pernos se va a utilizar 3 tipos de materiales, para el perno, empaque, tapa toriesf�rica y brida inferior.

 

Tabla 3: Propiedades del acero sa 516 gr 70

 

Tabla 4: Propiedades del perno grado m�trico 5.8

 

Tabla 5: Propiedades del empaque de asbesto

 

Factor de seguridad

 

Figura 12: Resultados factor de seguridad en los pernos

 

An�lisis estructural de la alimentaci�n de los pl�sticos

Para este an�lisis se considera los mismos materiales utilizados anteriormente.

Factor de seguridad

�

Figura 13: Resultados factor de seguridad en la alimentaci�n

 

An�lisis de la velocidad de flujo en la tuber�a

Para este an�lisis se va a considerar las tuber�as por donde transporte el gas (Di�xido de Carbono).

Las condiciones iniciales para el an�lisis del flujo se muestran en la siguiente tabla:

 

Tabla 6: Condiciones iniciales para an�lisis de velocidad del flujo

 

Velocidad del fluido

 

Figura 14: Resultados de velocidades del fluido

 

An�lisis de la estructura de soporte mediante SAP 2000

Para el f�cil acceso y manipulaci�n del equipo se hace necesario el dise�o de una estructura que permita soportar todo el peso del reactor y sus componentes.

 

Tabla 7: Especificaciones de los perfiles estructurales

 

Demanda capacidad

 

Figura 15: An�lisis Demanda/Capacidad de la estructura en SAP2000

 

�         An�lisis de costo de producci�n

Seg�n la regulaci�n establecida por la Agencia de Regulaci�n y Control de Electricidad (Arconel, 2020), en Ecuador el costo de la tarifa plana es de 10,5 ctvs por Kwh.

El costo de producci�n de combustible a partir de un kilogramo de residuos pl�sticos:

Por cada kg de residuo pl�stico se genera aproximadamente un litro de combustible aprovechable (Anuar Sharuddin et al., 2016).

Seg�n la C�mara Nacional de Distribuidores de Derivados del Petr�leo del Ecuador (Camddepe, 2021), el precio de venta del combustible gas oil est� establecido en $1,358 por gal�n.

 

Figura 16: Comparaci�n-Precios de venta de platic oil vs Gas oil

 

�         An�lisis de impacto ambiental

Caracterizaci�n de desechos s�lidos en Riobamba

En Riobamba (Porl�n) se recolectan alrededor de 1839.81 toneladas de residuos s�lidos al d�a. (INEC; 2001-2010).

�

Figura 17: Caracterizaci�n de residuos s�lidos espec�ficos

 

Entonces 21 144 kg de residuos pl�sticos al d�a. Los desechos son depositados en rellenos sanitarios o botaderos a cielo abierto.

 

Figura 18: Cantidad de desechos pl�sticos seg�n sus diferentes tipos

 

El 66% del total de residuos pl�sticos corresponde aquellos fabricados a partir del PP, PE y PS. Se dispondr�a de 13955.04 kg de materia prima para nuestro reactor, equivalente a 13955.04 litros de combustible.

Impacto ambiental e Riobamba

La capacidad del prototipo del reactor es de 1 kg (Su uso puede considerarse, para pruebas de caracterizaci�n a escala de laboratorio, o para uso dom�stico).

Seg�n datos del INEC en Riobamba existen 264048 de habitantes. Entonces:

N�mero de personas a las que cada reactor ayudar�a:

Cada prototipo ayudar� a eliminar los desechos pl�sticos generados por 19 personas.

El equipo est� en condiciones de procesar 4 lotes de residuos pl�sticos al d�a. Entonces, el n�mero total de personas que podr�an eliminar sus residuos pl�sticos generados diariamente es de 76.

 

Resultados y discusi�n

�         An�lisis de resultados del sistema t�rmico

En la tabla se muestra un resumen de los par�metros obtenidos a distintas calidades de mallas, para realizar un an�lisis de convergencia de elementos finitos.

 

Tabla 8: Resumen de resultados �an�lisis t�rmico�

 

En base a los resultados obtenidos de la simulaci�n y al an�lisis de convergencia, la temperatura exterior del recipiente se encuentra en un rango de 553,67 a 553,84 �C, donde se observ� la estabilizaci�n r�pida de los resultados debido a la utilizaci�n de un an�lisis bidimensional, el cual nos garantiza mejor calidad de mallado y geometr�as m�s f�ciles de analizar. Como se puede apreciar la variaci�n es m�nima de apenas 0,17 �C.

La temperatura exterior del acero inoxidable se encuentra en un rango de 43,428 a 43,429 �C, as� asegurando que los usuarios no est�n expuestos a riesgos laborales o posibles quemaduras y a su vez cumpliendo con el reglamento del trabajo INSHT. Del rango obtenido, la variaci�n es m�nima de apenas 0,001 �C, ya que los resultados se estabilizaron r�pidamente.

�         An�lisis de totales del estudio estructural

En la tabla se muestra un resumen de los par�metros obtenidos a distintas calidades de mallas, para realizar un an�lisis de convergencia de elementos finitos.

 

Tabla 9: Resumen de resultados �an�lisis estructural�

 

En base a los resultados obtenidos de la simulaci�n y al an�lisis de convergencia, el esfuerzo m�ximo se encuentra en un rango de 19,416 a 19,476 MPa, donde se observ� la estabilizaci�n r�pida de los resultados debido a la utilizaci�n de un an�lisis bidimensional, el cual nos garantiza mejor calidad de mallado y geometr�as m�s f�ciles de analizar. La variaci�n del rango obtenido es de 0,06 MPa.

La deformaci�n total se encuentra en un rango de 0,036293 a 0,036333 mm, esta deformaci�n m�xima es aceptable ya que es muy peque�a y se encuentra ubicada en tapa superior del reactor. Por consiguiente, la variaci�n m�nima en el rango obtenido es de 0,000037 mm, debido a que los resultados se estabilizaron r�pidamente.

Con respecto al factor de seguridad del recipiente a presi�n, se encuentra en un rango de 13,35 a 13,391, donde se observ� la estabilizaci�n r�pida de los resultados debido a la utilizaci�n de un an�lisis bidimensional, el cual nos garantiza mejor calidad de mallado y geometr�as m�s f�ciles de analizar. La variaci�n del rango obtenido es de 0,041. Este coeficiente de seguridad es conversador, ya que para el dise�o del recipiente a presi�n se tom� un material exclusivo para este tipo de aplicaciones y un espesor comercial de 4 mm, es decir aproximadamente 1 mm adicional al espesor requerido para una presi�n de 0,3681 MPa.

 

�         An�lisis de resultados del estudio estructural de pernos de la brida principal

En la tabla se muestra un resumen de los par�metros obtenidos a distintas calidades de mallas, para realizar un an�lisis de convergencia de elementos finitos.

 

Tabla 10: Resumen de resultados �an�lisis estructural pernos�

 

En base a los resultados obtenidos de la simulaci�n y al an�lisis de convergencia, el esfuerzo m�ximo se encuentra en un rango de 281,78 a 282,07 MPa, donde se realiz� una optimizaci�n de la geometr�a para facilitar el an�lisis de los pernos. La variaci�n del rango obtenido es de 0,29 MPa.

La deformaci�n total se encuentra en un rango de 0,007788 a 0,007927 mm, d�nde la deformaci�n m�xima en los pernos es aceptable ya que es muy peque�a. Por consiguiente, la variaci�n en el rango obtenido es m�nima, con un valor de 0,00014 mm, debido a que los resultados se estabilizaron r�pidamente.

El factor de seguridad m�nimo se encuentra en un rango de 1,1581 a 1,1593, teniendo una variaci�n de 0,0012, as� garantizando un factor de seguridad �ptimo en los pernos y evitando la separaci�n de las bridas en el caso de presentarse sobrecargas en el reactor. En el caso de requerir el aumento del factor de seguridad, lo m�s viable es el aumento en el tama�o y numero de pernos.

�         An�lisis de resultados del estudio estructural del conjunto de alimentaci�n

En la tabla se muestra un resumen de los par�metros obtenidos a distintas calidades de mallas, para realizar un an�lisis de convergencia de elementos finitos

 

Tabla 11: Resumen de resultados �conjunto de alimentaci�n�

 

En base a los resultados obtenidos de la simulaci�n y al an�lisis de convergencia, el esfuerzo m�ximo se encuentra en un rango de 324,54 a 324,55 MPa, donde se realiz� una optimizaci�n de la geometr�a para facilitar el an�lisis de los pernos. La variaci�n del rango obtenido es de 0,01 MPa.

La deformaci�n total se encuentra en un rango de 0,0241 a 0,02415 mm, d�nde la deformaci�n m�xima es aceptable ya que es peque�a. Por consiguiente, la variaci�n en el rango obtenido es m�nima, con un valor de 0,00005 mm, debido a que los resultados se estabilizaron r�pidamente.

El factor de seguridad m�nimo se encuentra en un rango de 1,1551 a 1,1558, teniendo una variaci�n de 0,0007, siendo este coeficiente m�nimo correspondiente al de los pernos de sujeci�n; sin embargo, se garantiza un factor de seguridad �ptimo en los pernos y evitando la separaci�n de las bridas en el caso de presentarse sobrecargas en el reactor. Con respecto al factor de seguridad del cuello cil�ndrico y tapa plana son los que mayor valor tienen, 15. En el caso de requerir el aumento del factor de seguridad, lo m�s viable es el aumento en el tama�o y numero de pernos.

�         An�lisis de resultados del soporte estructural

La raz�n demanda/capacidad, donde SAP2000 otorga una referencia de que tan segura es la estructura en funci�n de un c�digo de colores, en donde el color rojo significa que la estructura colapsar�a, y el resto de gama de colores presentan buena resistencia. En efecto, se apreci� que ning�n miembro de la estructura supera el valor de uno, por lo que se comprueba que la mesa estructural es segura para soportar el peso del prototipo e incluso cuando se cargue con peso adicional.

La deformaci�n que sufren los elementos estructurales; el elemento con mayor deformaci�n es el se�alado, en donde el U3 representa la deformaci�n en mm en la direcci�n que se aplica la carga, por lo que se puede afirmar que la deformaci�n m�xima en la estructura es baja e imperceptible con un valor de 2.0744 mm.

El esfuerzo m�ximo presente en la estructura tiene un valor de 11,43 Kgf/mm2, por lo que la estructura no falla a causa de ninguno de estos esfuerzos como se analiz� en la raz�n demanda capacidad.

An�lisis de resultados del flujo en la tuber�a

En la tabla se muestra un resumen de las velocidades obtenidas, a distintas calidades de mallas.

 

Tabla 12: Resumen de resultados �an�lisis velocidad de flujo�

 

En base a los resultados obtenidos de la simulaci�n y al an�lisis de convergencia, la velocidad m�xima se encuentra en un rango de 0,3451 a 0,3619 m/s, obteniendo una variaci�n peque�a de 0,0168 m/s. Estos resultados son confiables ya que la calidad de malla obtenida (Skewness) se encuentra en el rango de excelente calidad (0 � 0.25) muy cercano a cero.

 

Figura 19: Simulaci�n de la velocidad del flujo en la tuber�a.

Finalmente, en la figura 19 se aprecia que la velocidad del gas en la pared interior de la tuber�a es cero y mientras m�s se acerca al centro, la velocidad va en aumento. Adem�s, se logr� visualizar que la velocidad ligeramente va aumentando hasta llegar al codo con un valor alto, y al descender la velocidad es incrementa debido al efecto de la gravedad.

 

Conclusiones

Se concluye que el prototipo dise�ado cumple con los par�metros fundamentales requeridos para el correcto proceso de pirolisis, ya que se obtuvo datos referenciales de un compendio bibliogr�fico altamente confiable y adem�s los elementos incorporados de control y monitoreo permitir� el buen funcionamiento del reactor de pirolisis una vez implementado.

Se apreci� que las tapas toriesf�ricas le bridan una mejor resistencia estructural al dise�o del prototipo debido a que soportaron mayores cargas de presi�n interna y concentradores de esfuerzos.

Los conjuntos brida-pernos, que une el cuerpo y las tapas del recipiente a presi�n son altamente eficiente, ya que se necesita alrededor de 49 veces la carga del perno en estudio para poder separar la junta principal.

Al someter el prototipo de reactor pirol�tico a una simulaci�n estructural, se concluye que la deformaci�n m�xima del equipo no excede el valor permisible ya que se encuentra aproximadamente en un rango de 0,00786 a 0,0364 mm, siendo la deformaci�n m�s alta la del recipiente a presi�n. El factor de seguridad de todos los elementos estructurales involucrados var�a entre 1,155 a 15, donde el valor m�nimo concierne a los pernos del abastecimiento y el m�ximo de todo recipiente a presi�n, de tal manera se evidenci� y garantiz� que el recipiente a presi�n soporta sobrepresiones altas debido a que su valor de seguridad es mayor a 4, valor m�nimo recomendado por el c�digo ASME secci�n VIII divisi�n 1. En definitiva, el reactor en conjunto si soportar� estructuralmente una vez puesta en marcha el proceso de pir�lisis.

Al efectuar el estudio t�rmico del prototipo de reactor pirol�tico, se llega a la conclusi�n�� que no existe grandes deformaciones por efecto de la elevada temperatura en las paredes del cuerpo cil�ndrico y tapas, ya que su valor es tan solo de 0,0364 mm. Adem�s, se garantiz� una temperatura baja en la �ltima superficie externa del reactor con un valor de 43,428 �C, as� asegurando que los usuarios no est�n expuestos a posibles quemaduras y a su vez cumpliendo con el reglamento del trabajo INSHT.

El costo del prototipo es de $1334,98, obteniendo un precio relativamente accesible para el usuario y competitivo en el mercado, ya que comercialmente el valor m�nimo de un reactor de pirolisis de similar capacidad es de $2000, sin embargo, no existe proveedores en el pa�s, por lo que se deber�a importar. El costo de producci�n del combustible que se obtendr� a partir del proceso de pir�lisis ser� rentable, comparado con el precio de venta de un combustible de similares propiedades qu�micas �gas o�l�, ya que el costo de cada litro de combustible de gas oil es de 0,36 ctvs de d�lar mientras que para el combustible derivado del pl�stico es de 0,31 ctvs de d�lar, 5 ctvs inferior al combustible disponible en el mercado.

El dise�o del equipo propuesto tiene la capacidad de procesar 1kg por lote, de residuos pl�sticos fabricados a partir de Polietileno, Polipropileno y Poliestireno; que ayudar�a a la reducci�n� de desechos pl�sticos y disminuci�n de la contaminaci�n ambiental en Riobamba, tomando en cuenta que la producci�n Per-C�pita de este tipo de �residuos es de 0,0528 kg al d�a, por lo que se concluye que el reactor ayudar�a a procesar el pl�stico diario producido por 19 personas, en cada lote; pero si se toma en cuenta, que el equipo trabaja 4 lotes al d�a, es decir 4kg; el n�mero de personas beneficiadas ser�a de 76.

 

Recomendaciones

�         Seleccionar materiales e instrumentos en cat�logos normalizados disponibles en el mercado nacional, para que al momento de hacer el mantenimiento o remplazar alg�n componente del prototipo se pueda adquirir f�cilmente en distribuidoras locales.

�         Considerar un condensador con tuber�a de serpent�n para mejorar la trasferencia de calor entre el gas y el agua de enfriamiento y adem�s obtener la fracci�n l�quida sin presencia de part�culas de agua.

�         Priorizar los materiales a utilizar de acuerdo a su grado de importancia, ya que en algunos puede cambiarse por materiales de menores costos y no repercuta significativamente en los par�metros deseados. Adem�s, utilizar una resistencia de banda el�ctrica de menor precio para optimizar costos, pero a su vez garantizar el calentamiento del equipo a la temperatura deseada.

�         Se recomienda dise�ar el reactor con una mayor capacidad que permitir� tener una perspectiva m�s amplia de como ayudar� a la reducci�n de los residuos pl�sticos a trav�s de la obtenci�n de productos aprovechables.

�         Se recomienda leer el manual de operaci�n, seguridad y mantenimiento una vez implementado el prototipo para prevenir riesgos laborales y asegurar la durabilidad de la m�quina.

 

Referencias

1.      Acosta, M. 2012. Estudio experimental y simulaci�n de la saponificaci�n del acetato de etilo en tres reactores CSTR en serie. 2012. S.l.: Universidad de Cartagena.

2.      Anuar, S. A review on pyrolysis of plastic wastes. Energy Conversion and Management [en l�nea], 2016. vol. 115, pp. 308-326. ISSN 01968904. DOI 10.1016/j.enconman.2016.02.037. Disponible en: http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.037.

3.      AraciL, I, Formaci�n de contaminantes y estudio cin�tico de la pir�lisis y combusti�n de pl�sticos (PE, PVC y PCP). Universidad de Alicante [en l�nea], 2008. pp. 414. Disponible en: http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/9608/1/tesis_doctoral_ignacio_aracil.pdf.

4.      Arandes, E. Reciclado de residuos pl�sticos. Revista Iberoamericana de Pol�meros, 2004. vol. 5, no. 1, pp. 3. ISSN 0121-6651.

5.      Artero, O. Curso pr�ctico de formaci�n. 2013. S.l.: RC libros. ISBN 8494072501.

6.      Barnes, D. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2009. vol. 364, no. 1526, pp. 1985-1998. ISSN 14712970. DOI 10.1098/rstb.2008.0205.

7.      Basu, P, Biomass Gasification and Pyrolysis. 2010. S.l.: s.n. ISBN 9780123749888.

8.      Billmeyer jr, F. Ciencie de los Polimeros, Editorial Revert�, S. A., Barcelona/Spain, 1975.

9.      Bridgwater, A. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. En: Overcoming Barriers to Bioenergy: Outcomes of the Bioenergy Network of Excellence 2003 � 2009, Biomass and Bioenergy [en l�nea], 2012. vol. 38, pp. 68-94. ISSN 0961-9534. DOI https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.01.048. Disponible en: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953411000638.

10.  Brown, L. Fast pyrolysis of fibre waste contaminated with plastic for use as fuel products. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis [en l�nea], 2019. vol. 138, no. October 2018, pp. 261-269. ISSN 01652370. DOI 10.1016/j.jaap.2019.01.007. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.jaap.2019.01.007.

11.  Budynas, R. Shigley�s mechanical engineering design. 2008. S.l.: McGraw-Hill New York.

12.  Carrera, J. Modelaci�n num�rica de la uni�n de dos conducciones a presi�n de diferente geometr�a, aplicando el programa ANSYS CFX. 2019. S.l.: Quito, 2019.

13.  Castells, X. Los pl�sticos residuales y sus posibilidades de valoraci�n: Reciclaje de residuos industriales [en l�nea]. 2012. S.l.: Editorial D{\�\i}az de Santos, S.A. ISBN 9788499693712. Disponible en: https://books.google.com.ec/books?id=F0BeFOmQpnwC.

14.  Castro M. 2015. Estudio del dise�o para la construcci�n de un tanque a�reo normado para almacenamiento de GLP liquido de 8m3 de capacidad. S.l.: Espol.

15.  Conesa, J. Dise�o de reactores heterog�neos. Dise�o de Reactores II, 2010. ISSN 8479086521.

16.  Contreras, F. Estudio De La Pir�lisis Catal�tica De Polietileno En Un Reactor Semi-Batch. Tesis Para Optar Al Grado De Mag�ster En Ciencias De La Ingener�a Menci�n Qu�mica [en l�nea], 2014. no. Universidad de Chile, pp. 1-81. Disponible en: http://repositorio.uchile.cl/bitstream/handle/2250/116264/cf-contreras_fc.pdf?sequence=1&isAllowed=y.

 

� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)