UNIVERSIDAD MAYOR, REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA FACULTAD DE TECNOLOGÍA INGENIERÍA QUÍMICA
OBTENCION DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS A PARTIR DE RESIDUOS PLÁSTICOS PL ÁSTICOS UNIVERSITARIOS
: Colque Condori Dayana Llanes Carreon Lilian
Materia
: Diseño y Simulación de Procesos Industriales
Docente
: Ing. Maximiliano Churata
Fecha
: 05/07/2017 Sucre – Bolivia 2017
OBTENCIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS A PARTIR DE RESIDUOS PLÁSTICOS CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1.
ANTECEDENTES
Desde hace unos años atrás, mediante ensayos experimentales, se comenzó a estudiar el proceso de pirolisis de plásticos, el cual se puede aplicar al tratamiento de estos residuos para producir una mezcla de hidrocarburos. En relación al reciclado de plásticos para generar combustibles, los primeros estudios, los encaró el empresario japonés Akinori Ito el año 2011, quien viendo el problema causado por los vertederos, busco un proceso para producir diésel a partir de los residuos plásticos y patento un equipo, denominado “Blest Machine”, el mismo que permite procesar polietileno, poliestireno y polipropileno, logrando convertir un kilogramo de plástico en un kilogramo de combustible con solo un kilovatio de energía. [UPSOCL, (2015)]. A partir de esto se ha realizado investigaciones investigaciones más detalladas detalladas de de este proceso. proceso. En el año 2015, el Ingeniero Javier Camacho y el Universitario Luis Miguel Saavedra, realizaron un estudio experimental del proceso de producción de combustibles líquidos a partir de residuos plásticos. Mediante el proceso de pirolisis de residuos plásticos para el PEAD, PEBD, PP, PS y de la mezcla de estos, obteniendo un combustible líqui do con los siguientes porcentajes: 47 % de gasolina 33 % de diésel, 11 % de kerosén y un residuo del 9 % que puede servir como base de lubricantes.
1.2.
BREVE RESEÑA HISTÓRICA
La empresa Cynar PLC Green, que se encarga de regenerar aceites industriales usados, estuvo investigando esta tecnología en Europa, con el fin de implementar plantas en las ciudades para convertir los residuos plásticos en combustibles líquidos. [La razón.es, (2012)] La empresa es líder en el mercado de producción de energía a base de residuos, quien actualmente adjudico un contrato por 11 millones USD a Rockwell Automation para diseñar y construir una nueva planta de conversión de residuos plásticos en combustible. La planta tiene una capacidad de convertir aproximadamente 6000 toneladas de distintos
tipos de residuos plásticos por año, para producir más de 4 millones de litros de combustible diésel de especificación. Cynar PLC Green, presenta una forma única y rentable de reducir significativamente la cantidad de residuos plásticos que se desechan en vertederos e incineradores, además de generar más de 100 fuentes de trabajo por planta.
1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Realizar un estudio del proceso de producción de combustibles líquidos a partir de residuos plásticos.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Estudiar el proceso proceso de pirolisis de residuos plásticos como el PEAD, PEBD, PP, PS y la mezcla de estos.
Determinar la cinética de la reacción de pirolisis de plásticos.
Caracterizar Caracteri zar la mezcla de hidrocarburos líquidos resultante del proceso de pirolisis de los residuos plásticos
Efectuar un análisis preliminar de costos que sirva de base para determinar la factibilidad del proceso.
Realizar un estudio del tamaño y localización de la planta.
Realizar la simulación del proceso óptimo en el programa (Aspen Hysys).
1.3 JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN 1.3.1 JUSTIFICACIÓN ACADÉMICA Desde el punto de vista académico, la investigación es uno de los pilares fundamentales en nuestra formación profesional. Además se pretende profundizar los conocimientos en el manejo del simulador Aspen HYSYS. Como objetivos personales:
Aplicar los conocimientos adquiridos durante los años de formación en la carrera de ingeniería química,
1.3.2 JUSTIFICACIÓN TÉCNICA En cuanto los aspectos técnico- científicos, la reacción de pirolisis es una alternativa eficiente para el tratamiento de los desechos plásticos, porque es un proceso que se lleva a cabo en un sistema hermético. En el ámbito científico, es un proceso nuevo para el tratamiento de residuos plásticos, generando como producto una mezcla de hidrocarburos que, por su poder energético y escases en nuestro país, tiene un valor económico apreciable. La investigación de la reacción de pirolisis como proceso alternativo para el tratamiento de residuos plásticos, permite aportar al medio científico datos que en futuro podrían servir para tomar decisiones, diseñar e implementar una planta beneficiadora de éstos residuos, y dar solución al problema ocasionado por los residuos plásticos
1.3.3 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA Y SOCIAL En lo social y económico, el estudiar y plantear nuevos métodos para el tratamiento de residuos plásticos y aliviar el problema de la contaminación con estos desechos, es el punto de partida para que en un futuro se pueda implementar una planta que use estos procesos en la región, y por qué no, en diferentes ciudades del país, de esta manera reducir el impacto y la contaminación ambiental ocasionada por los plásticos, contribuyendo así al desarrollo de la región y del país, y por tanto a mejorar la calidad de vida de la población. Además de reducir la contaminación ambiental por los residuos plásticos, el proceso de pirolisis de estos polímeros da como producto una mezcla de hidrocarburos, que son útiles como fuente de energía y su demanda es cada vez mayor en nuestro país, adicionalmente se pude generar recursos económicos por la venta de combustibles.
1.3.4 ALCANCE DEL PROYECTO La finalidad inmediata es la comprensión del proceso de pirolisis de los residuos plásticos para la obtención de combustibles líquidos, para esto se realizara un estudio detallado del proceso, para lo cual debemos entender el comportamiento de variables como: La temperatura, tiempo, rendimiento, energía utilizada, costo de producción, entre otros, todo esto para mejorar el proceso. El conocimiento adquirido en el estudio nos permitirá el dominio del proceso de generación de hidrocarburos líquidos a partir de residuos plásticos, el cual puede ser el punto de partida
para que a futuro se diseñe y construya una planta de tratamiento, que genere beneficios ambientales al reducir la contaminación, generar recursos económicos por la producción de combustibles, crear fuentes de trabajo, y por tanto socialmente mejorar la calidad de vida de la población.
CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1.
Marco Teórico Conceptual
2.1.1. Generalidades de los Plásticos. Los plásticos son materiales no biodegradables, denominados polímeros sintéticos, que son cadenas largas, y están formados por la unión de muchas moléculas más pequeñas, denominados monómeros, son producidos principalmente a partir de derivados del petróleo. La ventaja de los plásticos radica en la gran cantidad de aplicaciones que se les puede dar, por lo que son el material más usado en las industrias, debido a sus propiedades como: Bajo costo, reducido peso, alta resistencia, flexibilidad, permeabilidad, propiedades aislantes, que los hace perfectos para envasar alimentos, envolver y almacenar todo tipo de productos, reemplazando a muchos materiales convencio nales como los metales y fibras naturales. La principal desventaja observada del uso de los plásticos, es la contaminación que generan al tener elevada resistencia a la descomposición por agentes medioambientales y su corta utilidad, por lo que pueden pasar centenas de años antes de degradarse, sumado la disposición final de estos residuos, causa su acumulación en el medio ambiente, convirtiéndolo en un material peligroso para la vida tanto marina como terrestre, al degradar los ecosistemas. 2.1.2. Clasificación de los Plásticos
TIPO DE PLÁSTICO
CARACTERÍSTICAS Tienen una estructura molecular tridimensional rígida, producida durante
Termoestables
su
proceso
de
fabricación,
por
entrecruzamiento
molecular, entre los que se cita al poliuretano. Este tipo de plásticos no pueden ser reblandecidos y procesados nuevamente por tratamiento térmico. (Ferrer, 1996). No tienen una estructura molecular rígida, son fácilmente deformables cuando se eleva la temperatura, sus moléculas en las
Termoplásticos
cadenas de polímeros son libres de moverse y adoptar nuevas posiciones, por estas propiedades pueden ser reutilizados o reciclados con relativa facilidad (Ferrer, 1996).
El presente trabajo trata exclusivamente del craqueo térmico de los termoplásticos, los cuales fueron identificados como los principales causantes de la contaminación medioambiental. Los termoplásticos con los que se trabajó son residuos de polietileno de alta y baja densidad, siendo uno de los polímeros más utilizados en la industria para envasar productos, por lo tanto, los más abundantes entre los residuos urbanos, los mismos que no son reciclados, ni reutilizados. 2.1.3. Clasificación Principal de los Termoplásticos. Los termoplásticos se dividen en subclases en función a su composición y son:
Tabla 2.1: Código de Identificación de los Materiales Plásticos Material Tereftalato
Código Usos más Frecuentes de
Polietileno Polietileno alta densidad
Botellas de refrescos de bebidas carbonatadas, recipientes para comida, embalaje, aislantes eléctricos, etc.
de
Botellas de lácteos, botellas de detergentes, productos laminados, recipientes para lubricantes, etc.
Policloruro
de
Tarjetas de crédito, tuberías, accesorios de sanitarios,
vinilo
cubierta aislante de cables, etc.
Polietileno
de
Bolsas
baja densidad
para
lácteos,
jugos,
refrescos,
envases,
películas finas para envoltorio, etc. Cajas para botellas de vidrio, sillas, mesas, tapas,
Polipropileno
vasos y platos desechables, tanques de agua, etc. Envases
Poliestireno
descartables,
laminas,
materiales
para
construcción, espumas aislantes, etc.
Otros plásticos Fuente:
Todas las demás resinas de plásticos o mezclas. Código de identificación de los plásticos “NORMA IRAM 137OO”.
2.1.4. Propiedades Térmicas de los Plásticos Los valores de más interés para el presente trabajo son: la temperatura de fusión y la temperatura de descomposición de los plásticos, que están expresados en la siguiente tabla.
Tabla N° Error! No text of specified style in document..2 Propiedades Térmicas de los Plásticos Sometidos a Pirolisis
Material
Tfusión (°C) Tdescomposición (°C)
Polietileno de Alta Densidad (PEAD o HDPE) 130 – 137
290-310
Polietileno de Baja Densidad (PEBD o LDPE)
98 – 115
250-280
Polipropileno (PP)
150 – 175
220-300
Poliestireno (PS)
150 - 243
250-300
Fuente: Datos
(Barcelona, 2015) (Estrucplan, 2016) (INSHT) .
2.1.5. Presencia de los Plásticos en los Residuos Sólidos Urbanos. Un gran porcentaje de los desechos plásticos proviene de productos envasados, una menor cantidad de residuos industriales, piezas de automóviles, juguetes, que al final son desperdicios que llegan a los botaderos municipales.
Tabla N° Error! No text of specified style in document..3 Composición de Residuos Sólidos en Bolivia
Materia
Detalle
Orgánica
Porcentaje 55,2 Fuente:
Plásticos Papel y Cartón Metales Vidrio Otros Total 10,2
6,5
2,5
2,9
22,7
100
MMAyA Resumen ejecutivo diagnóstico de la gestión de residuos sólidos en Bolivia.
2.1.6. Generación de Residuos Sólidos en Bolivia por Departamento. Los departamentos que generan mayor cantidad de residuos sólidos son Santa Cruz y La Paz, superando las 1300 Ton/día, el total de este residuo va a parar a botaderos municipales, por la ausencia de centros especializados en la separación, reciclaje y tratamiento de residuos sólidos.
Tabla N° Error! No text of specified style in document..4 Generación Promedio de Residuos Sólidos en Bolivia (Ton/día)
DEPTO.
Santa La
Cochabamba
Cruz Paz
Potosí Chuquisaca Tarija Oruro Beni Pando
Urbano 1.344 1.160
697
187
193
219
152
173
23
Rural
126
91
56
29
29
24
6
823
278
249
248
181
197
29
Total
120
151
1.464 1.311
Fuente: MMAyA
Resumen ejecutivo diagnóstico de la gestión de residuos sólidos en Bolivia.
Del total de residuos generados a nivel nacional, aproximadamente el 45 % es dispuesto en rellenos sanitarios, el 18 % en botaderos controlados y el 37 % en botaderos a cielo abierto, del cual cerca del 30 % están próximos a cuerpos de agua de consumo humano. (MMAyA, 2011).
Grafico N° Error! No text of specified style in document..1 Tipos de Disposición Final a Nivel Nacional
Botaderos a Cielo Abierto 37%
Rellenos Sanitarios 45%
Botaderos Controlado s 18%
Fuente: Información
Ministerio de Medio Ambiente y Aguas, 2011.
Se estima que, del total de residuos sólidos generados en el país, se aprovecha de manera formal e informal el 4,6 %, de los cuales el 0,91 % corresponde a aprovechamiento de residuos orgánicos y el 3,7 % al aprovechamiento de residuos inorgánicos reciclables. Del total de residuos orgánicos generados, se aprovecha el 1,6 % y del total de residuos inorgánicos reciclables generados se aprovecha el 16,6 %. (Ministerio de Medio Ambiente y Aguas, 2011). 2.1.7. Tipos de Reciclado de los Residuos Plásticos. Se define como “reciclado” a cualquier tipo de proceso en el que los materiales o artículos fabricados se recuperan y tratan a fin de conseguir algún producto o beneficio adicional. (Ferrer, 1996). 2.1.7.1.
Reciclado Primario o Re Extrusión.
Consiste en la incorporación de los descartes industriales en un ciclo de extrusión, para producir nuevos materiales semejantes, dicho proceso utiliza materiales similares a los productos originales. Este tipo de reciclaje solo es factible cuando se tiene materiales de descarte limpios. 2.1.7.2.
Reciclado Secundario o Reciclado Mecánico.
Consiste en el uso de los materiales reciclados, para la fabricación de productos que tienen menores exigencias en sus propiedades, en este proceso los desechos plásticos son usados para la manufactura de productos plásticos a través de procesos mecánicos. El reciclaje mecánico sólo puede ser realizado en materiales compuestos por un solo polímero, mientras más complejo y contaminado esté el desecho, más difícil será reciclarlo mecánicamente, la separación, lavado y preparación de los desechos son esenciales para la obtención de un producto final de alta calidad, claro, limpio y homogéneo. (Contreas, 2014). 2.1.7.3.
Reciclado Terciario o Reciclado Químico.
Es un proceso de tecnología avanzada, que transforman materiales plásticos en moléculas más pequeñas, habitualmente ceras, hidrocarburos líquidos y gases, adecuados para su uso como materias primas de otros procesos petroquímicos, o como fuente de energía. Se le llama reciclaje químico puesto que produce un cambio en la estructura molecular del polímero, obteniendo productos que son útiles como combustibles, de acuerdo a esta definición hay una amplia gama de procesos que han sido catalogados como reciclaje químico, entre los que se encuentran: Despolimerización, oxidación parcial, pirólisis o craqueo térmico, craqueo catalítico, entre otros. (Oswaldo Proaño, Sara Crespo, 2009) Por su naturaleza, varios polímeros son apropiados para este tipo de tratamiento, como el polietileno de alta y baja densidad, el polipropileno y el poliestireno, los mismos que fueron identificados como materia prima para tecnologías productoras de combustibles como gasolina querosén y diésel y que se sometieron a pruebas experimentales. 2.1.7.4.
Reciclado Cuaternario o Recuperación Energética.
Consiste en la recuperación energética mediante la combustión de desechos para obtener energía en forma de calor, vapor y electricidad, los materiales plásticos tienen un alto poder calorífico, puesto que son derivados del petróleo. En la Tabla 2.4 se ilustra el poder calorífico de algunos polímeros comparados con combustibles y desechos plásticos domésticos, dado que poseen un alto poder calorífico, son una fuente de energía conveniente, sin embargo, este tipo de reciclaje tiene asociadas
algunas desventajas ambientales, principalmente por la producción de contaminantes atmosféricos como CO2, NOx y SOx entre otros.
Tabla N° Error! No text of specified style in document..5 Poder Calorífico de Algunos Plásticos y Combustibles Comunes
Descripción
Poder Calorífico[MJ/Kg ]
Polietileno Polipropileno
43,3 – 46,5 46,5
Poliestireno
41,9
Mezcla de Desechos Plásticos Domésticos
31,8
Querosén
46,5
Diésel
45,2
Petróleo
42,3
Fuente:
Francisco Eduardo Contreras Canteros “Estudio de la Pirólisis Catalítica de Polietileno en
un Reactor Semi-Batch”. 2.1.8. Proceso de Reciclado Propuesto En este proyecto se realizó un reciclado terciario o químico de los residuos plásticos, por procedimiento termoquímico, por el método de pirolisis o craqueo térmico, con este proceso se transformó químicamente los residuos plásticos en hidrocarburos líquidos, los mismos que pueden ser aprovechados por su capacidad energética y ser usados como combustibles. 2.1.8.1.
Proceso Termoquímico.
Los procesos termoquímicos consisten en tratamientos de la materia a altas temperaturas en presencia o ausencia de gases como el oxígeno, hidrogeno, aire, entre otros para su descomposición química, entre estos están: el craqueo térmico, catalítico y la combustión 2.1.8.1.1. Pirolisis o Craqueo Térmico. Es un proceso endotérmico de alta energía que requiere temperaturas entre 350 a 550°C, para generar hidrocarburos líquidos, dependiendo del polímero a degradar, una de las ventajas de la pirolisis sobre la combustión, es la generación de productos químicos de interés como hidrocarburos, aunque resulta difícil incrementar la selectividad del proceso, al contrario de la combustión directa de residuos plásticos que genera gases contaminantes que van directo a la atmosfera.
Diagrama N° Error! No text of specified style in document..1 Ciclo de los Plásticos Petróleo Crudo Proceso: Extracción Proceso: Separación
Combustibles y Energia
Polimerización Polímero Virgen
Fundido y Procesado del Plástico Clasificación y Lavado
Productos Plásticos
Re Extrusión
Uso en la Industria (recipientes contenedores bolsas, etc.)
Reutilizar
Reciclaje Mecánico
Basureros, Botaderos.
Recuperación Energética
Reciclado Químico Contaminación
Se describió cuatro formas de reciclado, que son: reciclado primario, secundario, terciario, y reciclado cuaternario.
Diagrama N° Error! No text of specified style in document..2 Proceso de Pirolisis o Craqueo Térmico Flujo de Calor al Ambiente Fuente de Energía GN o GLP
Gases
Generación de Calor
Productos Finales de la Pirolisis
Precalentamiento
Acumulación de Calor en el Reactor
Difusión y Flujo de los gases y Reacciones Adicionales
Mezcla de Hidrocarburos Líquidos
Degradación de los Materiales por Absorción de Calor
Desprendimiento de gases y vapor de pirolisis
La Pirolisis es la descomposición química de los materiales en nuestro caso de estudio residuos plásticos, se da por acción del calor, en ausencia de un componente oxidante como aire u oxígeno, promoviendo reacciones que producen una mezcla de hidrocarburos. La composición de hidrocarburos obtenido, dependen íntimamente de las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo la reacción, las variables influyentes son: la temperatura de reacción, la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, entre otros. A medida que la temperatura y el tiempo de residencia se incrementa la composición de los productos se desplaza hacia compuestos termodinámicamente más estables con mayor contenido de compuestos líquidos, a mayores temperaturas de operación se incrementan la producción de hidrógeno, metano, acetileno, aromáticos y coque, mientras que, a bajas temperaturas y menor tiempo de residencia, aumentan la producción de compuestos con peso molecular elevado como ceras. (Contreas, 2014) Para el tratamiento por pirolisis, todos los residuos plásticos que se procesan, pueden ser mezclados sin importar, en principio, el tipo de polímero o mezcla de estos, dado que el proceso es similar para todos, y son introducidos para su tratamiento en una cámara cilíndrica (reactor). En el equipo dicha mezcla de plásticos es sometida a altas temperaturas, cerca de los 500 ºC, y los gases generados, llamados gases pirolíticos, se recuperan y condensan obteniendo así un destilado que podría ser denominado petróleo por los hidrocarburos presentes en la mezcla. 2.1.9. Mecanismo de Reacción de los Plásticos. Las reacciones pueden llevarse a cabo de dos maneras, con rupturas de enlace de forma aleatoria o de fin de cadena simultáneamente en cada uno de los polímeros, así como en la mezcla. Murata y otros, mostraron que el corte de fin de cadena se lleva a cabo en la interface gaslíquido al interior del reactor, dada la naturaleza heterogénea de esta reacción (reactantes líquidos y productos gaseosos), identifico que la reacción es causada por una transferencia de radicales intramoleculares, además concluyó que al disminuir la interface gas-líquido en un reactor se reducen los productos volátiles obtenidos por degradación térmica para PE, PP y PS. (Murata, Hirano, & Sakata, 2002). Los mecanismos de degradación están expresados en las siguientes ecuaciones, la vía de corte de fin de cadena en las Ecuaciones (2.1) y (2.2), y la vía de corte aleatorio en la Ec. (2.3).
T * * P V P m m 1 n
Ec. N° Error! No text of specified style in document. .1
T * * P P V m m2 n
Ec. N° Error! No text of specified style in
document. .2 T P M m x
Dónde:
*
P m
y
Ec. N° Error! No text of specified style in document. .3
V
y
P es m
el polímero en una etapa inicial,
* P m 1
y
* son P m2
después de haber perdido una o dos moléculas de los extremos, V y
M
polímeros
son moléculas de
hidrocarburos vaporizadas. 2.1.9.1.
Mecanismo de Corte de Fin de Cadena.
Este mecanismo se expresa por las ecuaciones 2.1 y 2.2, se descompone el polímero liberando unidades de moléculas en forma progresiva desde un extremo de la cadena, esta forma de degradación también es conocida como reacción de despolimerización, involucra la sucesiva liberación de monómeros desde el fin de la cadena, en este tipo de rompimiento, el peso molecular del polímero decrece lentamente, liberando simultáneamente, gran cantidad de monómero. 2.1.9.2.
Mecanismo de Reacción de Corte Aleatorio.
La Ecuación 2.3, ocurre en un sitio al azar a lo largo de la cadena de polímero, de ahí su denominación, en este caso el polímero se degrada para generar fragmentos de menor peso molecular y prácticamente no se liberan monómeros, para que el corte aleatorio ocurra no se requiere que la cadena de polímero contenga un sitio activo. Rodríguez, Vázquez y otros, observaron que durante la degradación térmica de PEBD a 400 °C la principal ruta de degradación correspondía a una separación intra-molecular de hidrógeno, menciono que la reacción era iniciada por un corte homogéneo de la cadena de polímero lo que formaba dos fragmentos de radicales que posteriormente pueden sufrir separación de hidrógeno o una reacción de corte de fin de cadena.
2.1.10. Mecanismo de Reacción del Polietileno de Alta y Baja Densidad. Polietileno (PE) de alta y baja densidad, su fórmula molecular es [C2H4]n, tiene (C, 85.7 %; H, 14.3 %) y un peso molecular igual a [28.05316 gr/mol]n, es clasificado como categoría dos y cuatro respectivamente. En ausencia completa de oxígeno, el polietileno es estable hasta 290 ºC, entre 290 °C y 550 ºC, se descompone y da polímeros de peso molecular más bajo, a temperaturas superiores a 550 ºC, se producen productos gaseosos en cantidad creciente. Su estructura molecular compacta es la siguiente: H
H C
C H
H
n
Se representan mediante la siguiente formula desarrollada de la siguiente manera: H
H
H
H
H
H
H
H
H
HC
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
t CH3
H
H
H
H
H
H
H
HC
C
C
C
C
CH
H
H
H
H
H
H
o
H
+
HC H
H CH H
Ec.N°Error! No text of specified style in document. .4 Estas macromoléculas (polímeros), sometidas a temperaturas mayores o iguales al punto de descomposición, reaccionan para formar cadenas de hidrocarburos pequeñas que van desde el etileno hasta isómeros correspondientes al carbono veinte o incluso treinta dependiendo de la temperatura del proceso. H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H H pentadecane
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H H H dodecane
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H
decane
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H
H
H
hexane
H H
H
H
octane
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
butane
pentane H
H
H
H H
H
H
propane
H
H
H
H
H H ethane
Dependiendo de la temperatura de reacción y el tiempo de residencia, se beneficiará más la producción de líquidos que comprenden desde el carbono cinco al carbono veinte o gases como el etileno hasta los isómeros del butano, el residuo de reacción de los polímeros que queda es coque, carbón y cenizas.
MECANISMO: Si −(22) −∗ 48 → 1004 8
→
→
→
5 → 2 = − 2 − 2 ≠ 3 5 → 2 = − 2 = 2 + 2 = ≠ 2 = 2 → 2 = ° + ° = 2 2 = ≠ 2 = 2 → ≡ + ≡ + 2
Mecanismo de Reacción del Polipropileno. Polipropileno (PP) es clasificado como categoría cinco, su fórmula molecular es [C3H6]n y su peso molecular corresponde a [42.07974 gr/mol]n. su fórmula es la siguiente:
H
H C H
C
H
C
H
H
n
Su estructura molecular desarrollada es: CH3
CH3
CH3
CH3 +
CH2 +
H2C
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
+
CH2
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
t
o
H3C
+
CH2
H3C
+
H
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Ec.
N°
Error! No text of specified style in document. .5 Al reaccionar y romper los enlaces se tiene como resultado cadenas de moléculas más cortas. CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
H3C CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
2,4,6,8,10,12,14-heptamethylhexadiene
2,4,6 - trimethyloctane
CH3 H3C
H3C
CH3
2-methylpropane
Mecanismo de Reacción del Poliestireno.
CH3
CH3 propane
Poliestireno (PS), clasificado como categoría seis, su formula molecular es representada como [C8H14]n y su peso molecular es [110.19676 gr/mol] n, su estructura molecular desarrollada es la siguiente: H
H
C
C H
n
A partir de la estructura principal del polímero, comienza la ruptura de enlaces del poliestireno, formándose nuevos enlaces y compuestos de menor peso molecular que son hidrocarburos.
H H
H
C
C
C
H
H
H
H C
t
CH3
o
H
H H3C
CH3
+
H
C
CH
H
H
Ec.N°
n
Error! No text of specified style in document. .6 A partir de la primera ruptura de enlaces se forman nuevos compuestos los mismos que a la vez se siguen descomponiendo en moléculas cada vez más simples.
H H
C H
t CH H
H
o
H
H
H3C
C
CH2
H
H
+ H2C
Ec.
N°
Error! No text of specified style in document. .7
3. Mercado, Tamaño y Localización 3.1.
Caracterización de la Materia Prima
Las pruebas experimentales que se realizaron fueron con cuatro tipos de plástico y son: El polietileno de alta densidad (PEAD), el polietileno de baja densidad (PEBD), Polipropileno
(PP) y poliestireno (PS), que son los principales componentes de los residuos. No se tomó en cuenta el PET y el PVC por la formación de productos no deseados. Para la simulación de este proceso se eligió el polietileno de baja densidad (PEBD).
Polietileno de Baja Densidad “Categoría 4”
3.2.
Disponibilidad de la Materia Prima
Para el proceso de pirolisis, fue identificado como materia prima los residuos plásticos de la ciudad de Santa Cruz.
Tabla N° Error! No text of specified style in document..1 Generación Promedio de Residuos Sólidos en Bolivia (Ton/día)
DEPTO. Urbano
Fuente: MMAyA
3.3.
Santa Cruz 1.344
Rural
120
Total
1.464
Resumen ejecutivo diagnóstico de la gestión de residuos sólidos en Bolivia.
Análisis de la oferta y demanda del producto
Según a datos experimentales se pudo realizar una comparación de los costos actuales de los combustibles en Bolivia, para la gasolina especial está en 3,74 Bs/l la gasolina Premium a 4,79 Bs/l, el querosén a 2,72 Bs/l y el caso especial de diésel a 3,72 Bs/l tomando en cuenta la subvención del estado, y costo sin subvención del diésel sería de 8,8 Bs/l.
Observando los precios de los hidrocarburos en el mercado, los cuales son establecidos y controlados por la ANH, y haciendo una relación con los costos de producir los mismos hidrocarburos por pirolisis de plásticos, se estima un margen de utilidad en promedio de más del 50 %.
Tabla N° Error! No text of specified style in document..2 Comparación de Precio Comercial de Carburantes en el Mercado y Consto de Producción a Partir de Pirolisis de Residuos Plásticos
Precio comercial Costo producción Costo producción (Bs/L) con GN (Bs/L) con GLP (Bs/L)
Detalle
Gasolina Especial 3,74 Gasolina Premium 4,79 Querosén 2,72 1,89 3,81 Diesel 3,72 Promedio 3,74 Fuente: Datos de Precio Comercial ANH y Datos Experimentales
Tabla N° Error! No text of specified style in document..3 Costo de Producción de un Litro de Hidrocarburos de Plásticos Puros con GN
Tipo de Plástico
P
P
P
E
B
D
P
E
A
D
N° de Prue ba
Peso Materi a Carga da (gr)
Precio de Mater ia Prima
Volum en de Produc to (ml)
1 2 3 4
520 511 532 317
0,78 0,77 0,80 0,48
Total
1880
1 2 3
Residu os (gr)
Consu mo de Gas (lb)
Energí a Usada (Kcal)
Costo del GN (Bs/L )
591 581 589 364
9 8 12 6
0,6 1,2 1,2 0,8
3105,9 6211,8 6211,8 4141,2
0,79 0,78 0,81 0,48
2,82
2125
35
3,8
19670,6
2,85
500 445 900
0,75 0,67 1,35
424 332 771
70 44 50
0,6 1 1,2
3105,9 5176,5 6211,8
0,76 0,68 1,36
Total
1845
2,77
1527
164
2,8
14494,1
2,79
1 2 3 4
500 557 360 1000
0,75 0,84 0,54 1,50
471,5 466 295 1013
33 48 28 17
0,6 0,8 0,4 0,4
3105,9 4141,2 2070,6 2070,6
0,76 0,84 0,54 1,50
Total
2417
3,63
2245,5
126
2,2
11388,2
3,64
Costo Producci ón con GN (Bs/L)
1,73
2,21
2,01
P
S
1 2 3 4
200 100 500 850
0,30 0,15 0,75 1,28
195 96 495 849
14 8 28 40
1,12 0,2 0,8 1
5784,7 1035,2 4141,1 5176,5
0,31 0,15 0,76 1,28
Total
2330
3,50
2315
128
4,52
23384,7
3,53
Fuente: Datos
Experimental
1,91
3.4.
Tamaño de la Planta
El tamaño o capacidad de producción de la planta, depende de diversos factores que influyen en el incremento o la disminución de la misma. En esta parte del capítulo se pretende estimar la capacidad de producción de la planta a nivel industrial. Los factores a considerar para establecer la capacidad de la planta a nivel industrial son: La demanda nacional de hidrocarburos líquidos en el país, y la facilidad de generar residuos plásticos. Se determinó que se requieren 20000 kg/hr de materia prima (P.E.B.D.) para obtener una producción de:
3.5.
Localización (Micro localización y Macro localización)
La macro localización de la planta, se definió en Santa Cruz por las siguientes razones: -
La generación de residuos plásticos es de mayor porcentaje en comparación a otros departamentos de nuestro país, ya que implementar una planta en la misma ubicación de la materia prima conlleva a evitar los costos de transporte que limitan la localización de la planta.
La micro localización de la planta, se definió en el radio urbano por las siguientes razones: -
Se eligió el radio urbano porque asi se reduciría los costos de inversión en el trasporte de los hidrocarburos debido a la demanda de los mismos.
4. Ingeniería del Proyecto 4.1.
Flujo de Alimentación
La materia prima o alimentación al proceso serán los residuos plásticos (polietileno) que se genera en el departamento de Santa Cruz. Solo se dispone de datos experimentales sobre las condiciones de operación de estos residuos y se puede asumir la siguiente condición de temperatura (T = 298.15 K), comúnmente utilizadas. 4.2.
Selección del Proceso
(Por lo menos tres procesos para seleccionar uno)
PROCESO N°1 Tabla N° Error! No text of specified style in document..4. Costo de Producción de un Litro de Hidrocarburos
Detalle
Mezcla Mezcla Promedio <5°C >5°C 3 3,89 3,41 4,94 3,8083
PEAD PEBD PP
Costo con GLP (Bs/L) 3,54
4,07
PS
PROCESO N°2 Tabla N° Error! No text of specified style in document..5. Costo de Producción de un Litro de Hidrocarburos
Detalle
Costo Con GN (Bs/L) 1,73
4.3.
Descripción del Proceso
PROCESO ÓPTIMO:
Mezcla Mezcla Promedio <5°C >5°C 2,21 2,01 1,91 1,71 1,79 1,8928
PEAD PEBD PP
PS
Tabla N° Error! No text of specified style in document..6. Costo de Producción de un Litro de Hidrocarburos
Detalle
Mezcla Mezcla Promedio <5°C >5°C 2,21 2,01 1,91 1,71 1,79 1,8928
PEAD PEBD PP
Costo Con GN (Bs/L) 1,73
PS
Tabla N° Error! No text of specified style in document. .7 Costo de Producción de un Litro de Hidrocarburos de Mezcla de Plásticos con GN o ci a P
ur
r
ál e
et ° N
al C° c M
4.4.
a
d T
<
5
oi
o
o
e
d
e
1 2 3
Total
s e P
a C
500 500 500 1500
ul
d
di
er P
0,75 0,75 0,75 2,25
g(
a V
o
(
P
a
R
e
s C
o
)
a ot
B( ot
e n D
E
e
G
C
ói L
e as U
550 24 1,6 8282,4 542 27 1,8 9317,7 537 32 1,7 8800,0 1629 83 5,1 26400,0 Fuente: Datos Experimentales.
c
/s d
d
G n
l
gr
s
n
c K( aí
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e
)l
mi r
g( a
e
z
)r
b
ip
a
ai
s
t
s o C
N
0,76 0,77 0,76 2,29
(Diagramas de flujo y diagramas de balance de materia)
c u d s o
1,71
P
or
Generación de combustibles líquidos a partir de residuos plásticos
Acopio de residuos plásticos Clasificación y picado de residuos plásticos Cargado de los residuos plásticos al reactor Reacción de pirolisis
Residuo de reacción (carbón y cenizas)
Condensado de la mezcla de hidrocarburos líquidos Caracterización del producto (petróleo)
Destilación simple del petróleo
Gasolina
no
Querosén
Diésel
¿Cumple especificación normalizadas? si Combustibles líquidos aptos para para el mercado
4.5.
Caracterización de equipos
Residuos de fondo
Otros
(Condiciones de Operación, caracterización de sustancias y flujos, reacciones, modelos matemáticos, etc.)
5. Análisis Económico – Financiero 5.1.
Costo de Equipos
(Cuadro resume de costo de cada equipo utilizado en el proyecto)
Equipos
Dimensiones
Cantidad
Precio c/u
Precio total
Reactor de lecho empacado Intercambiador de calor
4
Columnas de destilación
5.2.
Inversión de Capital
(Costos directos, costos indirectos)
1 150000
costos directos
4 160000
materia prima (bs/kg)
36000
37000
37000
40000
mano de obra directa
54000
55000
56000
50000
materiales directos
60000
55000
65000
70000
costos directos
90000
90500
92800
93500
mano de obra indirecta materiales directos
30000
32000
33000
35000
50000
49000
50000
49000
costos generales
5000
5000
5000
5000
costos administrativos
5000
4500
4800
4500
240000
237500
250800
253500
costos total inversión total
5.3.
OPERACIÓN 2 3 147000 158000
100000
Aproximación de Costo Total del Producto
(Costo de la materia prima, costo de servicios auxiliares, costo de mano de obra,etc)
Tipo de Plástico
D B E P
N° de Prue ba
Peso Materi a Carga da (gr)
Precio de Mater ia Prima
Volum en de Produc to (ml)
1 2 3
500 445 900
0,75 0,67 1,35
Total
1845
2,77
Residu os (gr)
Consu mo de Gas (lb)
Energí a Usada (Kcal)
Costo del GN (Bs/L )
424 332 771
70 44 50
0,6 1 1,2
3105,9 5176,5 6211,8
0,76 0,68 1,36
1527
164
2,8
14494,1
2,79
Costo Producci ón con GN (Bs/L)
2,21
Tabla N° Error! No text of specified style in document..8 Gastos de Producción de Hidrocarburos
Detalle
Costo
Unidad
Conversión Unidad
Materia Prima 1,5 Bs/Kg GLP (Gas Licuado de Petróleo) 2,25 Bs/Kg 11440 KCal GN (Gas Natural) Cat. industrial 0,41 Bs/m3 251995,761 Kcal Refinación 41,1546 Bs/Barril 0,258833962 Bs/L Transporte de petróleo 9,9126 Bs/Barril 0,062343396 Bs/L Transporte y distribución de combustibles 9,9126 Bs/Barril 0,062343396 Bs/L Fuente: Datos www.hidrocarburosbolivia.com/refinacion-de-petroleo-importado-.html
5.4.
Evaluación Económica y Rentabilidad
(Flujo de caja, TIR, VAN)
N°
FLUJO DE CAJA
1 Ingresos efectivos 2 Egresos totales inversiones c. variables c.fijos 3 Util. Imp. (1-2) 4 I.P.(3%) 5 Util. Imp. (3-4) 6 Imp. Ut. 25% 7 Flujo Neto de Caja
preoperación
1
OPERACIÓN 2 3
4
285714
282738,1
298571,43
301785,71
100000
240000
237500
250800
253500
-100000
45714,3
45238,1
47771,429
48285,714
8571,43
8482,143
8957,1429
9053,5714
37142,9
36755,95
38814,286
39232,143
9285,71
9188,988
9703,5714
9808,0357
27857,1
27566,96
29110,714
29424,107
-100000
-100000
I VAN TIR
5%
28%
888,8767687
-36568,7
0,066004372
6,60044%
6. Conclusiones y Recomendaciones Después de culminar con las pruebas experimentales y haciendo el análisis respectivo de los ensayos realizados, se puede sacar como conclusiones lo siguiente:
Se verificó que es posible convertir los residuos plásticos en hidrocarburos líquidos mediante el proceso de pirolisis, proceso que además de ser ambientalmente beneficioso, puede ser económicamente rentable.
Se ha determinado que el proceso óptimo es aquel que usa una velocidad de calentamiento menor a 5 ºC/min, ya que así se maximiza la producción de combustibles líquidos, cuyo único inconveniente es el tiempo de proceso que en la práctica se duplica.
Una ventaja del proceso es que es posible trabajar con una mezcla de plásticos, ya que, en los residuos urbanos, estos no se encuentran clasificados.
Considerando el precio de la materia prima, los costos del proceso de pirolisis, calculados
a
partir
de
datos
experimentales,
los
costos
de
refinación,
almacenamiento, transporte y distribución, obtenidos de datos publicados por YPFB Refinación y comercialización, el costo de producción de hidrocarburos, a partir de residuos plásticos, es en promedio menor a 2 Bs/l que está cerca del 50 % por debajo del precio de estos hidrocarburos en el mercado, lo que nos indica que este proceso sería rentable y sostenible para invertir de una planta a nivel industrial, previo un estudio de factibilidad económica más profundo.
Recomendaciones. Es importante dar las siguientes recomendaciones a los que desean realizar este tipo de ensayos experimentales, para no tener ningún inconveniente o accidente y lograr replicar los valores obtenidos.
En el proceso de la reacción de pirolisis o craqueo térmico, se debe estar consciente de los riesgos de trabajar con sustancias altamente inflamables, por
tanto, se deben tomar las medidas de seguridad y resguardo de las personas que operan el equipo y de las que se encuentras cerca.
Para evitar fugas de los gases de pirolisis al medio ambiente, se recomienda que todas las conexiones del equipo estén selladas herméticamente, en lo posible soldadas.
El uso de equipos de protección personal, es indispensable pues se trabaja a altas temperaturas y con substancias muy inflamables.
Por precaución se debe tener siempre a mano un equipo contra incendios puesto que los gases que no son condensados como el etileno son fácilm ente inflamables, además que se está trabajando con llama directa para calentar el equipo.
Evitar sobrepasar los volúmenes de carga del equipo, puesto que a temperaturas cercanas los 400 °C se puede generar un taponamiento de los ductos por la repentina expansión del plástico líquido y explosión a causa del incremento de presión en el sistema.
7. BIBLIOGRAFÍA
Angulo, L. (15 de Marzo de 2013). Contaminacion po Bolsas Plasticas. (L. J. Ecologica, Ed.) Obtenido de Contaminacion po Bolsas Plasticas: www.jornada.unam.mx Barcelona, U. d. (4 de Octubre de 2015). Materials. Obtenido de Polietileno de Baja densidad: http://www.ub.edu/cmematerials/es/materials Bevilacqua, R. (22 de Marzo de 2015). UPSOCL. Obtenido de Plastico en Petroleo: www.UPSOL.com Bolivianos, Y. P. (2015). Boletín Estadístico Gestión Enero a Junio 2015. BOLETÍN
ESTADÍSTICO YACIMIENTOS PETROLÍFEROS FISCALES BOLIVIANOS , 17-27. Contreas, F. E. (2014). Estudio de la Pirólisis Catalitica de Polietileno en un Reactor SEMI-
BATCH. Santiago de Chile: Departamendo de Ingeniria Quimica y Biotecnologia. Demetrio Marcos Santamaria, Mirian Adela Amezcua y Teresa de Jesus Carrillo. (2009). generacion de petroleo mediante experimentos de pirolisis. Voletin de la sociedad geologica
Mexicana, 357-364.
ECOGAIA. (26 de Febrero de 2015). ECOGAIA.com. Obtenido de Plasticos Transformados en Diesel: www.ecogaia.com ECOPLAS. (2013). Sistema de Codificacion de los Plasticos (NORMA IRAM 137OO).
ECOPLAS, Boletín Técnico Informativo Nº 42 , 4-6. Espinoza M, J. E., & Naranjo C, T. M. (16 de Julio de 2014). Estudio de viabilidad técnica
preliminar para la obtención de combustibles mediante la pirólisis de residuos plásticos generados en la Universidad Politécnica Salesiana. (U. Saleciana, Ed.) Recuperado el 3 de Abril
de
2016,
de
dspace.ups.edu.ec:
http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/7014/1/UPS-CT003680.pdf Estrucplan. (15 de 01 de 2016). Estrucplan On Line. Obtenido de Degradación Térmica de los Plásticos: http://www.estrucplan.com.ar/Producciones Ferrer, J. A. (1996). Estudio de la Pirolisis de Residuos Plasticos de Polietileno y neumaticos
Usados. España. Gonzalez, M. P. (2015). Analisis Termogravimetrico de la Pirolisis de Biosolidos de la Planta
de Tratamiento de Agua Residual El Salitre. Bogota, D.C., Colombia. Informacion, C. d. (2009). Recuperacion Energetica de los Residuos Plasticos. CIT Boletin
Tecnico Infomativo, 32 , 14-17. Ing. Llaugel, F. (15 de Mayo de 2015). DISEÑO DE EXPERIMENTOS. Obtenido de SlidePlayer: http://slideplayer.es/slide/143415 INSHT. (s.f.). INSHT (Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo). Recuperado el
20
de
Octubre
de
2016,
de
http://www.insht.es/portal/site/Insht/menuitem.32fa381e28b6c8a6b5c6b9c350c08a0c/?vgn extoid=25d44a7f8a651110VgnVCM100000dc0ca8c0RCRD Ministerio de Medio Ambiente y Aguas, I. V. (2011). Diagnóstico de la Gestión de Residuos Sólidos en el Departamento de Chuquisaca. Viceministerio de Agua Potable y Saneamiento
Básico, Dirección General de Gestión Integral de Residuos Sólidos , 10- 50. Murata, K., Hirano, Y., & Sakata, Y. (2002). Basic study on a continuous flow reactor for. Ichihara, Japon: Elsevier.