Selección de factores

Dentro del proceso de la pirólisis existen distintos parámetros que pueden afectar de manera directa el proceso y los resultados deseados en la caracterización del producto como, por ejemplo:

 Presencia o no de catalizadores.  Temperatura de pirolisis.

 Velocidad de calentamiento empleada.  Tamaño de partícula.

 Mezcla

 Tipo de atmosfera.

Los parámetros seleccionados se tomaron de acuerdo a las investigaciones y documentación técnica realizadas sobre materiales poliméricos, teniendo en cuenta los factores que se pueden controlar dentro de la Universidad Libre debido a la estructura de los equipos que hay dentro de esta.

6.4.1.1. Factores constantes

Los factores se seleccionaron basados en la bibliografía consultada, las cuales permiten obtener valores que mejoren la eficiencia del proceso de pirolisis en CD residuales.

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 Gas inerte: Como atmósfera inerte se seleccionó Dióxido de Carbono (CO2),

debido a las características que este brinda a un proceso como lo es la pirólisis, llegando a ser una opción muy probable a la hora de generar CO. El CO2, juega un papel muy importante en el momento de la desvolatilización

de los compuestos que dan origen al producto sólido y líquido, puesto que investigaciones realizadas con anterioridad muestras que cuando la materia prima se somete a este tipo de gas o atmósfera se da un aumento significativo en la degradación de los compuestos, logrando así un mayor rendimiento del alquitrán. [20] [33]

 Tamaño de partícula: Las investigaciones han demostrado que este factor es de los más influyentes a la hora de realizar un proceso de descomposición térmica. En vista que este determina en la pirólisis si será controlado mediante la reacción química (temperatura de partícula homogénea) o por la transferencia de calor (temperatura de partícula heterogénea). Cuando el tamaño de partícula es pequeño se logra tener un calentamiento constante y la pirólisis ocurre de forma homogénea, además se logra evitar reacciones secundarias debió a los gases generados pues estos pueden salir fácilmente. Para el desarrollo de las pruebas se utilizó el tamiz de malla 40, la cual tienen un tamaño aproximado de 0,425 mm. [9][12] [18] [33]

 Masa: Dado el diseño que el reactor de lecho fijo con que cuenta la Universidad Libre, se utiliza un aproximado de 152 g de materia prima para cada prueba, con el fin de garantizar un proceso eficiente en la pirólisis y así obtener resultados óptimos que sirvan para el desarrollo de la investigación.  Tiempo de residencia: Teniendo en cuenta el interés de esta investigación,

la cual está dedicada a la producción de líquidos, se decidió tomar 30 minutos para el tiempo de residencia, considerando el diseño del reactor, temperatura y consumo del gas inerte en el proceso; Dado que los tiempos altos generan una mayor producción de char. [33] [44]

 Velocidad de flujo: La velocidad de flujo seleccionada para el desarrollo de esta investigación es de 1,89 l/min de CO2, controlada por medio de un

flujometro que esta acoplado a la bala del gas inerte, con el fin de garantizar un paso constante de este. Esta condición de velocidad de flujo fue seleccionada estrictamente por circunstancias económicas para los gastos de insumos de la Universidad Libre. [33]

54 6.4.1.2. Variables de estudio

 Temperatura de reacción: La temperatura final a la cual será llevado el proceso determina en gran medida la formación de los compuestos deseados, pues según investigaciones realizadas las temperaturas bajas promueven la formación de menos gases y más líquidos, ya que no se alcanzan las temperaturas que producen reacciones secundarias, mientras que las altas favorecen la formación de gases más livianos, por lo tanto, hay mayor carbonizado. Además, que se debe tener en cuenta que cada material tiene una composición diferente, por ello su reacción será distinta en los diferentes niveles de temperatura. Para el desarrollo de este estudio se tiene en cuenta los valores teóricos analizados con anterioridad con respecto al análisis termogravimétrico (TGA), con el fin de determinar los niveles de temperatura ideales, los cuales son 400°C y 600°C, seleccionados de acuerdo a la pérdida de peso y los límites con que cuenta el horno a utilizar en las pruebas. [44] [47]

 Velocidad de calentamiento: Este factor es muy importante debido que está relacionado con el tiempo que el material le toma en alcanzar la temperatura de reacción, además debido a este factor ocurren efectos trascendentales sobre la composición y el rendimiento de los productos dentro de la pirólisis, pues este parámetro favorece la formación de líquidos o sólidos, ya que una tasa de calentamiento alta aumenta el rendimiento de la producción de líquidos mientras que bajas tasas favorecen la formación de sólidos. Teniendo presente las condiciones de funcionamiento del horno a utilizar dentro de la Universidad Libre, las tasas de calentamiento son de 5 °C/min y 10 °C/min. [39] [44] [47]

6.4.1.3. Variable de respuesta

 Poder Calorífico: Este parámetro es el principal a la hora de realizar la caracterización energética de un material, ya que este representa que cantidad de calor se genera por combustión de una unidad de masa en condiciones normalizadas (presión y volumen constante). Por lo cual, el producto líquido y sólido obtenidos se evaluaron directamente pues esta característica determina que tan viable es este material para ser fuente de energía. Además, dentro de esta investigación este será el factor de respuesta, ya que sus resultados serán los más afectados por las demás variables de estudio. [33]

55 6.4.1.4. Diseño de experimentos

Para este diseño experimental los niveles de los factores de estudio se pueden observar en la tabla 2.

Tabla 2. Niveles diseño de experimentos.

Fuente: Autor proyecto, 2020.

Se generan cuatro combinaciones de las variables de estudio con tres repeticiones cada una, esto genera 12 pruebas aleatorias las cuales se pueden observar en la

tabla 3.

Tabla 3. Diseño Factorial.

Fuente: Autor proyecto, 2020.

Nivel bajo (-) Nivel alto (+)

Tamaño de partícula

Temperatura final de pirólisis 400 °C 600 °C

Velocidad de calentamiento 5 °C/min 10 °C/min

DOMINIO EXPERIMENTAL VARIABLES DE RESPUESTA Número de factores 2 Malla 40

56 6.4.1.4.1. Hipótesis

Tendrá alguna influencia la velocidad de calentamiento en el poder calorífico en cuanto a los compuestos resultantes del proceso de pirolisis.

Bajo esta hipótesis se realiza el análisis de varianza ANOVA para el cual se utilizó el software STATGRAPHICS Centurion cuyo diseño factorial 22 _{se muestra en la} tabla 4.

Tabla 4. Análisis ANOVA.

Fuente: Autor proyecto, 2020.

Gráfica 1. Graficas de efectos principales sobre la variable de respuesta.

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Con el análisis ANOVA (véase Tabla 4) y la gráfica de efectos principales sobre la variable de respuesta (véase Gráfica 1) se logra determinar que el factor B, en este caso la velocidad de calentamiento no genera efectos trascendentales en el proceso, puesto que el valor P proporcionado por esta variable es superior a 0,1; Por el contrario, la temperatura final de pirólisis genera un valor P inferior al nivel de significación α= 0,05; El cual es menor a 0,0001 lo que indica que la hipótesis tomada es rechazada, pues el factor A es el único estadísticamente significativo para obtener un mayor poder calorífico en los compuestos obtenidos.

Gráfica 2. Superficie de respuesta.

Fuente: Autor proyecto y STATGRAPHICS Centurion, 2020.

Aplicando el modelo de superficie de respuesta a los datos resultantes del diseño de experimentos, se obtuvo el comportamiento mostrado en la Gráfica 2, donde en el eje lateral derecho se ubicaron los datos de velocidad de calentamiento y en el eje horizontal izquierdo la variable A (temperatura final de pirólisis).

En la Gráfica 3 se puede observar la superficie de respuesta desde una vista superior, revelando que el mejor comportamiento se presenta hacia la parte superior derecha con una relación a la temperatura final de pirólisis de 600°C y una velocidad de calentamiento de 10°C/min, siendo esta la mejor combinación de las variables para la obtención de un mejor poder calorífico.

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Gráfica 3. Vista superior superficie de respuesta.

Fuente: Autor proyecto y STATGRAPHICS Centurion, 2020.

Adicionalmente con ayuda del software se pudo obtener la ecuación ajustada al modelo (véase Ecuación 1), la cual permite obtener resultados del poder calorífico muy aproximados a los obtenidos experimentalmente.

Ecuación 1. Modelo ajustado poder calorífico.

PC = 9489,81 + 42,4707 ∗ (𝑇. 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑟ó𝑙𝑖𝑠𝑖𝑠) + 708,61 ∗

(𝑉. 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜) − 1,03464 ∗ (𝑇. 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑟ó𝑙𝑖𝑠𝑖𝑠) ∗ (𝑉. 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜)

Fuente: Autor proyecto y STATGRAPHICS Centurion, 2020.