Estimación del potencial del caucho de llantas para la producción de gases combustibles mediante gasificación usando O2, vapor de agua y mezcla de O2 con vapor de agua como agente oxidante

Texto completo

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

PROYECTO DE GRADO

Estimación del potencial del caucho de llantas para la producción de gases

combustibles mediante gasificación usando 𝑂

2

, vapor de agua y mezcla de

𝑂

2

con vapor de agua como agente oxidante

ESTUDIANTE:

Santiago Rodríguez Merchán (200922227)

s.rodriguez58@uniandes.edu.co

ASESOR:

Gerardo Gordillo Ariza

g.gordillo43@uniandes.edu.co

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2

Contenido

Índice de Ilustraciones: ... 3

Índice de Tablas: ... 4

1. Introducción y Motivación ... 5

2. Marco Teórico ... 6

a. Gasificación ... 6

b. Relación de Equivalencia ... 7

c. Relación de Vapor – Combustible ... 7

d. Modelos Cinéticos de Reacción: ... 7

3. Objetivos ... 10

a. Objetivo General: ... 10

b. Objetivos específicos: ... 10

4. Metodología ... 11

a. Proceso Experimental ... 11

b. Simulación ... 12

5. Procedimiento ... 13

a. Procedimiento Experimental: ... 13

I. Análisis Próximo: ... 13

II. Análisis Último: ... 14

a) Caracterización del neumático: ... 15

b) Entalpía de formación: ... 16

III. Análisis Termogravimétrico:... 17

b. Procedimiento de Simulación: ... 22

6. Resultados ... 25

I. Gasificación con Oxígeno: ... 25

i) Especies Generadas: ... 25

II. Gasificación con Vapor: ... 26

III. Gasificación con mezcla de Oxígeno y Vapor: ... 29

IV. Temperatura adiabática: ... 33

7. Conclusiones... 33

8. Referencias ... 35

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3

Índice de Ilustraciones:

Ilustración 1 Esquema del proceso Experimental ... 13

Ilustración 2 TG, TDG y TDA del caucho a 20°C/min ... 18

Ilustración 3 Degradación Termogravimétrica a varias tazas de calentamiento ... 19

Ilustración 4 Regresión lineal isoconversional bajo el método de Friedman ... 20

Ilustración 5 Regresión lineal isoconversional bajo el método de KAS ... 21

Ilustración 6 Regresión lineal isoconversional bajo el método de FWO ... 21

Ilustración 7 Esquema del proceso de Simulación ... 23

Ilustración 8 Especies generadas con Oxígeno Puro ... 25

Ilustración 9 Especies generadas con Vapor de Agua ... 26

Ilustración 10 Fracción molar de Hidrógeno ... 27

Ilustración 11 Fracción molar de Monóxido de Carbono ... 28

Ilustración 12 Fracción molar de Dióxido de Carbono ... 29

Ilustración 13 Simulación con mezcla de oxígeno y vapor ... 29

Ilustración 14 Producción de Hidrógeno con mezcla de oxígeno y vapor ... 30

Ilustración 15 Producción de CO con mezcla de vapor y oxígeno ... 31

Ilustración 16 Producción de CO2 con mezcla de vapor y oxígeno ... 32

Ilustración 17 Temperatura adiabática de Reacción ... 33

Ilustración 18 Certificado de Análisis de Laboratorio Univalle ... 37

Ilustración 19 Resultado Análisis TGA Tasa de calentamiento de 10°C/min ... 38

Ilustración 20 Resultado Análisis TGA Tasa de calentamiento de 20°C/min ... 38

Ilustración 21 Resultado Análisis TGA Tasa de calentamiento de 30°C/min ... 39

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4

Índice de Tablas:

Tabla 1 Composición de las Llantas según el tipo de transporte (Domingo J., Salazar Doreen) .. 5

Tabla 2 Composición Química de las Llantas (Domingo J., Salazar Doreen) ... 5

Tabla 3 Modelos Isoconversionales. Tomado de [8] ... 9

Tabla 4 Análisis Próximo del Neumático ... 14

Tabla 5 Resultados Experimentales del Análisis Último ... 14

Tabla 6 Determinación de fórmula empírica del neumático ... 15

Tabla 7 HHV del neumático ... 16

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5

1.

Introducción y Motivación

En los últimos años, la economía global ha generado un crecimiento significativo en cuanto a la producción de vehículos comerciales y vehículos de carga pesada. Según la Organización Internacional de Constructores de Automóviles (OICA) en el periodo 2011-2012, la producción de vehículos tuvo un crecimiento del 5,3% [1], llegando a los 84.1 millones de unidades producidas en el mundo. En Colombia, de acuerdo a los estudios del Ministerio de Ambiente (MAVDT), el parque automotriz tiene un total de 3’945.829 vehículos y se espera que para el 2014 se vendan 325.000 vehículos [2].

La alta demanda de vehículos producidos está directamente relacionada con la producción de neumáticos o llantas. Dicha producción consta de ocho (8) etapas para la elaboración de una llanta que a su vez contiene una composición de diversos materiales para lograr las condiciones deseadas por el fabricante. La manufactura del neumático está principalmente compuesta con cauchos naturales, cauchos sintéticos, carbono y acero. A continuación se presenta una tabla donde muestra la composición de las llantas según el tipo de transporte. Cabe resaltar que los porcentajes varían de acuerdo al fabricante del neumático.

Tabla 1 Composición de las Llantas según el tipo de transporte (Domingo J., Salazar Doreen)

Por otro lado, los elementos químicos asociados a estos materiales son presentados en la siguiente tabla:

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6 De acuerdo a las tablas 1 y 2, es claro que la composición de los neumáticos consta de una gran diversidad de elementos que se encuentran en cadenas poliméricas unidas por azufre en el proceso de vulcanización1.

Con base a la complejidad de la composición química del neumático y a la alta demanda del mercado, el exceso de llantas usadas presenta un problema a gran escala. Se estima que anualmente se desechan alrededor de 13.5 millones de toneladas de neumáticos desgastados. De acuerdo con la EUROPEAN TYRE & RUBBER MANUFACTURERS ASSOCIATION (ETRMA) solamente Estados Unidos generan 4.4 millones de toneladas, mientras que la Unión Europea genera 3.4 millones [3]. En Colombia, existe una producción alrededor de las 190.000 toneladas al año las cuales el 71.9% de los neumáticos son quemados, el 17.2% son reencauchados, el 6.2% son para uso artesanal, el 2.3% son para regrabado y el 2.3% son para otros usos [2]. Debido al alto porcentaje de combustión realizado actualmente, la incineración de llantas generan gases tóxicos como: monóxido de carbono (CO), monóxido de azufre (SO), monóxido de nitrógeno (NO) y el peroxiacetilnitrato (PAN) [4], que afectan directamente la salud de los humanos y el medio ambiente dentro del territorio nacional.

De esta forma, el propósito de este proyecto de grado se centra en la simulación de un proceso de gasificación usando neumáticos desechados como fuente de energía bajo ciertas condiciones y parámetros iniciales. Lo anterior, con el fin de estimar los productos obtenidos debido al proceso de combustión y analizar bajo qué condiciones se puede alcanzar menores niveles de gases tóxicos producidos.

2.

Marco Teórico

a. Gasificación

El proceso de gasificación es un método termoquímico en el cual se realiza una combustión incompleta para la producción de gases combustibles a partir de una fuente sólida como la biomasa. Esto con el fin de transformar la energía químicamente potencial almacenada de un material en energía. En dicho proceso se pueden implementar diversos agentes oxidantes y/o la combinación de estos que potencializan la producción de gases combustibles y gases nocivos para el medio ambiente.

1 Durante el proceso de vulcanización de un neumático, los materiales poliméricos deben lograr unos enlaces

termoquímicamente estables para lograr una alta durabilidad, resistencia al ataque químico, rangos de temperatura de operación altas, propiedades mecánicas, entre otros características requeridas.

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7

b. Relación de Equivalencia

La relación de equivalencia ER (Equivalence Ratio) muestra la cantidad de aire (u oxígeno) implementada en una reacción química con respecto a al aire estequiométrico de reacción. A medida que aumente la relación de equivalencia, disminuye la cantidad de aire actual en una reacción. Lo anterior se conoce como un proceso de combustión incompleta, el cual es característico para lograr un proceso de gasificación. A continuación se muestra la ecuación que define la relación de equivalencia en términos del número de átomos o moles presentes:

𝐸𝑅 = 𝑛𝑜2𝐸𝑠𝑡

𝑛𝑜2𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 [𝐸𝑞. 1]

Cuando los valores de ER son mayores a 1, significa que se le está suministrando más aire del necesario para realizar una combustión completa. Si el valor de ER es igual a 1 significa que el aire suministrado es utilizado por completo que genera la reacción. Para valores de ER menores a 1, se le conoce como un proceso de combustión incompleta debido a que no existe aire suficiente para realizar una combustión completa, por lo que existen subproductos que permiten interactuar con otros elementos para la formación de gases combustibles.

c. Relación de Vapor – Combustible

La relación de vapor combustible W:F (Water – Fuel ratio) muestra la proporción entre la cantidad de agua en estado gaseoso y la cantidad de combustible (biomasa) que entran a una reacción química. Si no hay presencia de vapor de agua en una reacción química la relación W:F es 0. Al aumentar la W:F aumenta la cantidad de vapor de agua que puede llegar a un valor de 1. A continuación se muestra la expresión de la relación de equivalencia en términos de número de moles o átomos:

𝑊: 𝐹 = 𝑛𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑛𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 [𝐸𝑞. 2]

d. Modelos Cinéticos de Reacción:

El estudio del comportamiento de reacción entre las partículas de una sustancia ha llevado a la simplificación de modelos matemáticos y métodos que permiten tener una aproximación de los factores dependientes en una reacción química. Dentro de los factores se encuentra la presión, temperatura, tipo de fase de los reactivos, entre otros. Existen modelos que reducen el número de factores en términos de la energía de activación E y la temperatura.

(8)

8 De acuerdo con Vyazovkin [10], algunos métodos isoconversionales permiten determinar la relación entre la energía de activación y el modelo de degradación. El modelo más sencillo es la variación de la degradación de una sustancia con respecto al tiempo de acuerdo a la siguiente expresión:

𝑑𝛼

𝑑𝑡 = 𝐾𝑓(𝛼) [𝐸𝑞. 18]

Donde 𝑑𝛼𝑑𝑡 es la variación conversional con respecto al tiempo, 𝐾 es una constante cinética y 𝑓(𝛼) es un modelo cinético de reacción. Si se reemplaza el factor de K en la ecuación 18 con la

ecuación de Arrhenius, se tiene que: 𝑑𝛼

𝑑𝑡 = 𝐴𝑒

− 𝐸𝑅𝑇𝑓(𝛼) [𝐸𝑞. 19]

Dado que la tasa de calentamiento 𝛽 =𝑑𝑇𝑑𝑡 = 𝐶𝑡𝑒, se simplifica la ecuación 19 en términos de la temperatura y la energía de activación (E):

𝑑𝛼 𝑑𝑇=

𝐴 𝛽𝑒

− 𝐸𝑅𝑇𝑓(𝛼) [𝐸𝑞. 20]

Los métodos presentados a continuación tienen como base la expresión de la ecuación 20. Cabe resaltar que dicha expresión asume que el facto pre exponencial A, 𝑓(𝛼) 𝑦 𝛼 son

independientes de la temperatura y a su vez, A y E son independientes del grado de conversión 𝛼. Si se realiza la integración de la ecuación 20 y se implementa el logaritmo natural a ambos lados de la ecuación, se tiene que:

𝑔(𝛼) = ∫ 𝑑𝛼 𝑓(𝛼)=

𝐴 𝛽 ∫ 𝑒

− 𝐸𝑅𝑇 𝑇

𝑇0

𝑎

0

𝑑𝑇 =𝐴𝐸 𝛽𝑅𝑓 (

𝐸

𝑅𝑇) [𝐸𝑞. 21]

𝐼𝑛(𝑔(𝛼)) = 𝐿𝑛 (𝐴𝐸𝑅) − 𝐿𝑛(𝛽) + 𝐿𝑛 (𝑓 (𝑅𝑇𝐸 )) [𝐸𝑞. 22]

Implementando la aproximación numérica propuesta por Doyle la ecuación 22 se simplifica: 𝐼𝑛(𝑔(𝛼)) = 𝐿𝑛 (𝐴𝐸𝑅) − 𝐿𝑛(𝛽) − 5,331 − 1.052 (𝐸

𝑅𝑇) [𝐸𝑞. 23]

Este modelo se conoce como el método de Flynn-Wall-Osawa (FWO). Si se deriva la expresión de la ecuación 23 para (𝛼) la pendiente queda en términos de E, R y T.

La siguiente tabla permite realizar una simplificación de los modelos isoconversionales graficando la variable independiente que es la temperatura y algunos factores conocidos:

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9

Tabla 3 Modelos Isoconversionales. Tomado de [8]

Con el análisis termogravimétrico se conocen la tasa de calentamiento 𝛽 y la temperatura T y

𝑑𝛼

(10)

10

3.

Objetivos

a. Objetivo General:

Estimar la producción de gases combustibles producto de la gasificación de llantas usadas utilizando oxigeno (𝑂2), vapor de agua y la mezcla de oxigeno

con vapor de agua como agentes oxidantes.

b. Objetivos específicos:

 Caracterización termoquímica del caucho sintético mediante un análisis termogravimétrico (TGA), Análisis próximo (PA) y Análisis último (UA)

 Determinar la calidad de los productos de la gasificación del neumático variando la relación de equivalencia (ER) y la relación de vapor-combustible (W:F) en la gasificación utilizando el software CEA de la NASA.

 Identificar los puntos de operación del proceso de gasificación que potencialicen la producción de gases combustibles y disminuyan la emisión de productos contaminantes (CO, NOx, SOx y PAHs).

(11)

11

4.

Metodología

La metodología implementada para el desarrollo del proyecto se basa en dos (2) procesos principales:

a. Proceso Experimental

Este primer proceso consiste en la caracterización del neumático combustible. Dicho proceso se realiza mediante un análisis próximo (PA), análisis ultimo (UA) en la Universidad del Valle (Cali, Colombia) y un análisis termogravimétrico (TGA) en la Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia).

El PA se realiza mediante las normas ASTM D3173-5 las cuales entregan los siguientes análisis:

% de Humedad 2: ASTM D3173-03

% de Cenizas: ASTM D3174-04

% de Materia Volátil: ASTM 3175-02

% de Carbón Fijo: ASTM 3172-89

El UA se realiza bajo las normas ASTM D5373 y ASTM D129-00 (2005) las cuales entregan los siguientes análisis:

% de Azufre3: ASTM D129-00 (2005)

% de Nitrógeno: ASTM D5373-08

% de Carbono: ASTM D5373-08

% de Hidrógeno: ASTM D5373-08

Dado que los resultados experimentales se encuentran reportados en base húmeda, es necesario asignarlos en base seca (DAF) para determinar la fórmula empírica del material. Adicionalmente, el análisis experimental entrega el poder calorífico del neumático de acuerdo a la norma ASTM D5865-04 en calorías por unidad de gramo.

Con lo anterior, es posible determinar la entalpía de formación del neumático, la fórmula empírica normalizada en DAF, masa molar y el poder calorífico superior (HHV) demostrados más adelante.

2 Los porcentajes de humedad, cenizas, material volátil y carbón fijo se encuentran con respecto a la

masa del neumático.

3 Los porcentajes de azufre, hidrógeno, carbón y nitrógeno se encuentran con respecto a la masa total

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12

Termogravimetría (TG), DTA, DTG

El análisis del TGA se desarrolla bajo la norma ASTM E 914-83 bajo las siguientes condiciones:

 Tasa de calentamiento constante de 10, 20, 30, 40 °C/min

 Atmósfera de Nitrógeno-60 ml/min

 Temperatura final de 800°C.

Con estos análisis se pretende determinar la energía de activación del material bajo las condiciones descritas anteriormente. Se implementan tres (3) modelos isoconversionales los cuales permiten aproximar los parámetros cinéticos de degradación pirolítica del material en función de la temperatura. Los modelos implementados son: Kissinger-Akahira-Sunose (KAS), Flynn-Wall-Osawa (FWO) y Friedman. Con los modelos isoconversionales libres se realiza un ajuste gráfico, cuya pendiente permite calcular la energía de activación del material.

b. Simulación

La segunda parte del proyecto consiste en utilizar herramientas computacionales para simular un proceso de gasificación adiabático del neumático caracterizado. Para tal fin, es necesario implementar dos (2) software: CEA de la Nasa e EES. A continuación se hace una breve descripción del alcance de cada software y la finalidad de los mismos para el proyecto.

2.1) CEA de la NASA (Chemical Equilibrium with Applications) es una herramienta computacional que calcula las composiciones de equilibrio químico y las propiedades de mezclas para diferentes procesos reactivos. El fundamento termodinámico del programa CEA se basa en la Mínima Energía de Gibbs del proceso de combustión (mínima entropía de reacción). En dicho programa, permite simular procesos de combustión y arroja como resultado los productos de dicho proceso de acuerdo a diversos parámetros de entrada (Presión, entalpía de formación del combustible, relación de equivalencia (ER), relación de vapor-combustible (WF)). Se define analizar la producción de 𝐶𝑂, 𝐶𝑂2, 𝐻2, 𝐶𝐻4, 𝐻2𝑂 y la producción de 𝑁𝑂𝑥 y 𝑆𝑂𝑥.

2.2) EES (Engineering Equation Solver) es una herramienta computacional que permite solucionar un sistema de ecuaciones (lineales, no lineales y diferenciales) en problemas de ingeniería. También tiene una base de datos con las propiedades termo físicas como lo son la entropía, entalpía y volúmenes específicos. En dicho programa, se van a determinar las cantidades molares del proceso de combustión junto con la entalpía de la mezcla para cada caso.

(13)

13 Con base a los objetivos planteados, se desarrollan los siguientes procesos de simulación:

Oxígeno Puro: Variación de ER entre 1 – 6 cada 0.5. Temperatura 25°C y presión de 1 atmósfera.

Vapor Puro: Variación de temperatura entre 100 – 1000°C cada 100°C y la relación WF, presión constante de 1 atm.

Oxígeno y vapor de agua: Variación de ER entre 1 -6 cada 0.5 y variación de WF entre 0.2 y 1 cada 0.2. Temperatura de oxígeno a 25°C y 1 atm. Temperatura del vapor a 100°C y 1 atm.

En la siguiente sección se va a realizar una descripción más detallada de la metodología descrita.

5.

Procedimiento

a. Procedimiento Experimental:

Para el desarrollo de la primera parte del proyecto, se muestra un resumen esquemático de la metodología planteada a continuación:

Ilustración 1 Esquema del proceso Experimental

I. Análisis Próximo:

El desarrollo de este análisis se realiza en los laboratorios industriales de la Universidad del Valle. El procedimiento se encuentra regido por las normas ASTM mencionadas anteriormente. Este análisis permite determinar el porcentaje en masa de carbono fijo, material volátil, cenizas y el poder calorífico superior del neumático. En primera instancia se pesa la muestra; posteriormente el material se calienta a una temperatura a 750°C durante 1.5 horas y se pesa

Procedimiento

Experimental

Análisis Próximo

Análisis Último

Termogravimétrico

Análisis

Fórmula Empírica y

Caracterización

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14 nuevamente por la pérdida de humedad. Luego la temperatura aumenta durante 8 minutos a los 950°C y se vuelve a pesar la muestra para registrar la pérdida de material volátil. El carbono fijo se calcula mediante la diferencia de peso entre las dos (2) medidas anteriores y el peso inicial.

A continuación se muestran los resultados del análisis próximo:

Tabla 4 Análisis Próximo del Neumático

Como se puede observar la humedad mostrada es muy baja pero corresponde con la humedad descrita por el proveedor del neumático. Los valores de CV corresponde a la covarianza de la muestra y el factor n hace referencia al número de experimentos realizados para la medición de cada elemento. De la tabla 3 se van a requerir los valores de la humedad y cenizas para el análisis último.

II. Análisis Último:

Este análisis permite la determinar la composición química que presenta una sustancia. Dentro de los elementos que registra dicho análisis, se encuentra el Carbono, Nitrógeno, Hidrógeno, Azufre y Oxígeno los cuales son determinados por las normas ASTM mencionadas anteriormente. En la siguiente tabla se ven los resultados obtenidos:

Tabla 5 Resultados Experimentales del Análisis Último

Los resultados obtenidos fueron entregados en base húmeda. Debido a que el análisis se pretende realizar en base seca, se debe implementar la siguiente ecuación:

% 𝐵𝑎𝑠𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑎 (𝐷𝐴𝐹) = % 𝐵𝑎𝑠𝑒 𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑎

1 − %𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 − %𝐶𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠 [𝐸𝑞. 3]

CV

n

Humedad %(m/m)

1,02

5,38

2

Cenizas %(m/m)

3,85

1,46

2

Materia Volátil %(m/m)

64,6

0,27

2

Carbón Fijo %(m/m)

30,56

0

2

Resultado (BH)

CV

n

Azufre S%(m/m)

1,41

1,5

2

Nitrógeno Total N %(m/m)

0,3

12,94

2

Carbono C %(m/m)

84,1

0,63

2

Hidrógeno H %(m/m)

7,6

0,43

2

Oxígeno O %(m/m)

1,72

2

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15

a)

Caracterización del neumático:

Para definir la fórmula empírica del neumático se debe calcular el número de moles de cada elemento. Lo anterior se determina con la masa molar y el porcentaje de masa de cada elemento mostrado en la tabla 4 utilizando la siguiente ecuación:

# 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 = % 𝑚 𝑚

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝐸𝑞. 4]

Se desea definir la fórmula empírica normalizada con respecto al carbón para ingresar los valores a la parte de simulación. Lo anterior se realiza mediante la siguiente ecuación:

# 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 = # 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠

# 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑏ó𝑛 [𝐸𝑞. 5]

Utilizando las ecuaciones 3 al 5 y la tabla 4, se muestra a continuación los siguientes valores:

Tabla 6 Determinación de fórmula empírica del neumático

De acuerdo con la tabla 5, la fórmula empírica que representa el neumático es:

𝐶𝐻

1.0844

𝑂

0.0153

𝑁

0.0031

𝑆

0.0063

[𝐸𝑞. 6]

Una vez definida la fórmula empírica, se requiere calcular la masa molar del neumático mediante la siguiente ecuación:

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑁𝑒𝑢𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑜 = ∑ # 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠𝑖∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖 [𝐸𝑞. 7]

Donde el subíndice i representa cada elemento que constituye la fórmula empírica del neumático con su respectiva masa molar. Implementando la ecuación 7, la masa molar de la llanta es:

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑁𝑒𝑢𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑜 = 13,574 𝑘𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙

Elemento Masa Molar [gr/mol] # de Moles # Moles DAF # Moles Normalizada

S 32 0,044 0,046 0,0063

N 14 0,021 0,023 0,0031

C 12 7,008 7,367 1,0000

H 1 7,600 7,989 1,0844

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16 Finalmente se determina el poder calorífico superior (HHV) en unidades de kilojulios por kilomol (kJ/kmol) dado que este valor se encuentra en BTU por libra. Adicionalmente se realiza el mismo procedimiento de conversión de base húmeda a base seca usando la ecuación 3. Los resultados se muestran a continuación:

Tabla 7 HHV del neumático

Se realiza un resumen de la caracterización termoquímica del material: 𝐹ó𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎 𝐸𝑚𝑝í𝑟𝑖𝑐𝑎: 𝐶𝐻1.0844𝑂0.0153𝑁0.0031𝑆0.0063

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟: 13,574 𝑘𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟: 509772,1 𝑘𝐽 𝑘𝑚𝑜𝑙

b)

Entalpía de formación:

Para calcular la entalpía deformación del material, se parte de la ecuación representativa del proceso de gasificación mostrada a continuación:

𝐶𝐻

1.0844

𝑂

0.0153

𝑁

0.0031

𝑆

0.0063 + 𝒙𝑂2 → 𝒂𝐶𝑂2 + 𝒃𝐻2𝑂 + 𝒅𝑁2+ 𝒆𝑆𝑂2 [𝐸𝑞. 8]

La parte de la izquierda de la ecuación 8 hace referencia a los reactantes de la gasificación y la parte derecha de la ecuación, son los productos derivados de la reacción. Los coeficientes a, b, d y e representan la cantidad molar necesaria para que bajo ciertas condiciones de frontera (presión, temperatura, cantidad de reactantes, entre otros) se logre un balance estequiométrico de la reacción. En condiciones estado de referencia (temperatura de 25°C y presión de 101,32 kPa) se realiza el balance estequiométrico para el caso de una oxidación completa en flujo estable, es decir, cuando todo el oxígeno reacciona con el combustible para la formación de los productos mostrados en la ecuación 8. Utilizando el software de EES, se resuelve el sistema de ecuaciones para calcular los coeficientes x,a, b, d y e de la ecuación 8:

𝑥 = 1,27

𝑎 = 1

𝑏 = 0,542

𝑑 = 0,00155 𝑒 = 0,0063

HHV [BTU/lb]_DAF 16146,2

HHV [kJ/kg]_DAF 37555,5

(17)

17 Con los valores calculados, se reordena la ecuación 8 ya balanceada:

𝐶𝐻

1.0844

𝑂

0.0153

𝑁

0.0031

𝑆

0.0063+ 𝟏, 𝟐𝟕

(

𝑂2

)

→ 𝐶𝑂2+ 𝟎, 𝟓𝟒𝟐

(

𝐻2𝑂

)

+ 𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟓𝟓

(

𝑁2

)

+

𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟑

(

𝑆𝑂2

)

[𝐸𝑞. 9]

Una vez calculados los coeficientes de los productos y el oxígeno estequiométrico, se procede a determinar la entalpía de formación del neumático mediante una relación energética entre los reactantes, los productos y el poder calorífico superior:

𝑁𝑛𝑒𝑢𝑚𝐻𝐻𝑉𝑁𝑒𝑢𝑚= ∑ 𝑁𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠𝑓° − ∑ 𝑁

𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 ℎ𝑓° [𝐸𝑞. 10]

Donde 𝑁𝑛𝑒𝑢𝑚 es el número de moles del neumático, 𝑁𝑝𝑟𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 es el número de moles de cada producto de la reacción, 𝑁𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 es el número de moles de cada reactante y ℎ𝑓° es la

entalpía de formación de cada sustancia. Para las condiciones de 25°C y 101,32 kPa, la entalpía de formación del 𝑂2, 𝑁2, 𝐻2 𝑦 𝑒𝑙 𝐶 es cero (0). Utilizando nuevamente EES y la entalpia de

formación del agua en estado líquido, la ecuación 10 queda simplificada de la siguiente forma: 𝑁𝑁𝑒𝑢𝑚𝐻𝐻𝑉𝑁𝑒𝑢𝑚= 𝑁𝐻2𝑂 𝑓° + 𝑁

𝐶𝑂2 ℎ𝑓° − 𝑁𝑛𝑒𝑢𝑚ℎ𝑓°𝑁𝑒𝑢𝑚 [𝐸𝑞. 11]

𝑓°

𝑁𝑒𝑢𝑚= −67 304

𝑘𝐽 𝑘𝑔

Ahora se procede a realizar el análisis correspondiente para calcular la energía de activación del neumático.

III. Análisis Termogravimétrico:

Los resultados arrojados por la Universidad de los Andes son presentados a continuación. En la ilustración 2 se puede ver varias curvas superpuestas. La curva que se encuentra en verde sólido hace referencia al comportamiento de degradación pirolítica, es decir el TG o Termogravimetría del material; la curva verde que se encuentra punteada hace referencia a la primera derivada del TG, es decir, el cambio termogravimétrico del neumático con respecto al tiempo; por último se encuentra la curva en azul que hace referencia al análisis del DTA que muestra si el comportamiento pirolítico se encuentra en un estado endotérmico o exotérmico bajo un marco de referencia estándar.

(18)

18

Ilustración 2 TG, TDG y TDA del caucho a 20°C/min

Para el análisis del material a una tasa de calentamiento de 20°C por minuto, se puede observar que para un rango entre los 200°C y 520°C el material presenta una pérdida en masa cercana al 62% de su masa inicial. Esto corresponde a la pérdida en humedad y material volátil del neumático en un ambiente controlado. El eje del DTA muestra únicamente valores mayores a cero (0). Con lo anterior se puede afirmar que la reacción pirolítica del neumático es únicamente una reacción endotérmica y por ende el comportamiento no es usual como otros tipos de biomasa. Adicionalmente, se puede observar que el DTG muestra unos mínimos locales cuyos valores representan los puntos donde se realizan las reacciones con mayor rapidez en el calentamiento constante. Estos valores son importantes ya que a dichas temperaturas, se puede analizar la producción de sustancias y la volatilidad de los resultados. Adicionalmente, se pueden registrar dichas temperaturas para optimizar los procesos reactivos de la gasificación y evaluar la calidad de los gases. El comportamiento del TG es el esperado para un proceso de degradación de biomasa común: el material tiene inicialmente un peso equivalente al 100% a temperaturas bajas y luego tiene una disminución leve a temperaturas entre los 120°C y 200°C por la pérdida de humedad. Luego, se presenta una pérdida importante ya mencionada que hace referencia a la liberación de material volátil del

(19)

19 neumático y finalmente hay una estabilidad en la masa registrada que hace referencia a las cenizas y carbón fijo remanente en el calentamiento del material. Si se compara el valor registrado en la tabla 3, se puede ver que existe una similitud considerable entre el material volátil del análisis próximo y la pérdida en masa del TGA equivalente al 62%. La humedad presenta este mismo efecto con una pérdida mínima del 2% frente al análisis próximo que es del 1%.

De acuerdo con las diferentes tasas de calentamiento implementadas, todas presentan un comportamiento similar, por lo que se anexan al final del documento.

Ahora se procede a realizar el análisis del TG para las cuatro (4) tasas de calentamiento definidas anteriormente. Esto con el fin de calcular experimentalmente la energía de activación promedio del neumático. Los tres (3) métodos implementados permiten determinar la energía de activación mediante la regresión lineal de cada método.

Ilustración 3 Degradación Termogravimétrica a varias tazas de calentamiento

Se definen los valores conversionales del 80%, 70%, 60% y 50% de material restante, es decir, la pérdida de masa equivalente al 20%, 30%, 40% y 50% respectivamente. Estos valores son seleccionados de acuerdo a la investigación de varios autores como Juma y Daniel Sánchez [8][9] .

(20)

20

Ilustración 4 Regresión lineal isoconversional bajo el método de Friedman

Como se puede observar en la ilustración 4, el modelo de Friedman implementa la derivada de degradación del material con respecto al cambio en temperatura. Lo anterior genera una distorsión en los resultados puntuales y por ende la regresión lineal de cada conversión determinada. Para los grados de conversión al 20% y 30% se puede observar un comportamiento más estable que para los siguientes tres (3) grados de conversión. Esto hace referencia a que en dichos valores la variación de degradación es más controlada que a rangos mayores. Adicionalmente todas las pendientes son negativas de acuerdo al método, cuya aproximación numérica tiene un signo negativo que cambia el signo de la energía de activación.

(21)

21

Ilustración 5 Regresión lineal isoconversional bajo el método de KAS

Con base a la ilustración 5, la aproximación numérica del método de KAS es más lineal que el método de Friedman. Esto se debe al modelo implementado cuya tasa de calentamiento es constante y la temperatura es medida con precisión. Los puntos tiene un comportamiento lineal y el cálculo de la pendiente presenta una menor varianza en sus resultados.

(22)

22 El método de FWO es el más implementado en el estudio de la energía de activación, ya que es un modelo relativamente sencillo de implementar. Esto se debe a la relación entre la temperatura registrada en el experimento y la tasa de calentamiento únicamente. Como el experimento se realizó con una tasa de calentamiento constante, queda entonces realizar la regresión con los datos de temperatura y la constante del logaritmo natural de cada tasa beta. Los datos se ajustan a un comportamiento lineal y una varianza baja.

Se muestra a continuación los resultados obtenidos para los tres (3) modelos con sus respectivas pendientes:

Tabla 8 Estimación de la Energía de Activación

Grado de Conversión (α)

Modelo 20% 30% 40% 50% Promedio

FWO 76,373 79,961 84,874 91,868 83,269

KAS 76,025 79,474 85,334 92,777 83,4025

Friedman 89,471 96,306 99,489 102,08 96,8365

Para cada modelo se obtiene el promedio de los diferentes grados de conversión y se promedian los tres (3) modelos para estimar la energía de activación del neumático:

E [kJ/kmol] 87,836

Como se puede ver en la tabla 7 los métodos de FWO y KAS, en cuanto a magnitud, presentan valores similares. Cosa contraria ocurre con el método de Friedman el cual presenta unas pendientes con mayor valor. Esto puede ser debido a que dicho método no utiliza la tasa de calentamiento como aproximación de la energía, sino que implementa la variación de la degradación del material.

El valor de la energía de activación de 87,836 kJ/kg calculado es relativamente bajo a comparación de otros tipos de biomasa completamente caracterizados cuyos valores se encuentran entre los 100 y los 200 kJ/kg.

b. Procedimiento de Simulación:

Para el desarrollo de este capítulo, se utiliza el software CEA de la NASA. A continuación se muestra el esquema a efectuar:

(23)

23

Ilustración 7 Esquema del proceso de Simulación

Los parámetros necesarios para la simulación varían de acuerdo a la configuración de cada mezcla. La relación de equivalencia, la relación de vapor combustible, la temperatura, la presión y la entalpía normalizada son tomadas en cuenta. Más adelante se explica con mayor énfasis.

En la sección de la caracterización del neumático se determinó que el oxígeno estequiométrico tiene un valor de 1,27. Si se toma la definición de relación de equivalencia y se buscan valores entre 1 y 6, se despeja la cantidad de oxigeno actual de la mezcla:

𝐸𝑅 = 1,27

𝑂𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜 𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙[ 𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑘𝑚𝑜𝑙] ∴ 𝑂𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙= 1,27

𝐸𝑅 [𝐸𝑞. 12]

La variación de este parámetro afecta la entalpía de la mezcla por el número de átomos y la producción de especies en el proceso de simulación. Del mismo modo ocurre para la configuración con vapor de agua, en el cual los valores determinados modifican la mezcla de los reactivos de la siguiente manera. Dado que el número de moles del neumático se define con valor de uno (1) se tiene que:

𝑊: 𝐹 =𝑁𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑁𝑁𝑒𝑢𝑚 ∴ 𝑊: 𝐹 = 𝑁𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 [𝐸𝑞, 13]

Para definir la entalpía de la mezcla se utiliza la ecuación de conservación de energía:

∑(𝑁𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 ℎ°

(24)

24 Dado que se asume la temperatura de los productos y los reactantes es igual y reordenando los factores en términos de la sumatoria de los reactantes (la mezcla) se tiene que:

𝑁𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ℎ𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎° = ∑(𝑁𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 ℎ°𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠) [𝐸𝑞. 15]

𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎° =∑(𝑁𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 ℎ°𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠)

𝑁𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 [𝐸𝑞. 16]

Para calcular la entalpía de la mezcla normalizada se divide el valor de la ecuación 16 por la constante universal de los gases 𝑅 = 8,314 𝐽

𝑚𝑜𝑙 𝐾 . Con lo anterior se tiene que:

𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐶𝐸𝐴° =ℎ𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎°

𝑅 [𝐸𝑞. 17]

Dadas las ecuaciones 12 y 13, se utiliza nuevamente el software EES para calcular la entalpía normalizada de la mezcla para las condiciones de simulación descritas en la metodología. Para los casos de simulación de Oxígeno Puro y mezcla de oxígeno con vapor de agua el tipo de problema implementado en el software CEA de la NASA es la configuración (hp) donde se ingresa principalmente la entalpía de la mezcla (h) y la presión (p=1 atmósfera). Para el caso de simulación con vapor puro, la configuración (tp) es seleccionada para que las variables de ingreso sean la temperatura (t) y la presión (p= 1 atmosfera). El vapor de agua se ingresa con una temperatura de 373°K y la biomasa a temperatura estándar.

(25)

25

6.

Resultados

I. Gasificación con Oxígeno:

i) Especies Generadas:

Ilustración 8 Especies generadas con Oxígeno Puro

De acuerdo con la gráfica anterior, se puede observar la formación de monóxido de carbono e hidrogeno principalmente. Para este primer producto, la fracción molar se encuentra entre 0,5 y 0,6. Para una relación de equivalencia de 0,2 existe una producción máxima de monóxido de carbono. En este punto predomina las reacciones de 𝐶 +12𝑂2→ 𝐶𝑂 y 𝐶 + 𝐶𝑂2→ 2𝐶𝑂. De la

misma forma, la producción de dióxido de carbono para una relación de equivalencia superior a 1 comienza a disminuir desde una fracción molar de 0,65 hasta 0,12. Dicha estabilidad corresponde a una tendencia similar a la formación de monóxido de carbono. La producción de hidrógeno comienza a aumentar con una relación de equivalencia entre 1,5 y 3; para valores superiores comienza a disminuir su formación. A su vez, la producción de metano aumenta debido a la reacción de 𝐶 + 𝐻2→ 𝐶𝐻4 el cual requiere mayores fracciones de

hidrógeno y menor entalpía de reacción que la formación de hidrógeno puro. La presencia de 𝑆𝑂4, 𝑦 𝑁𝑂2 son mínimas cuyos valores alcanzan fracciones inferiores a una parte por millón. Lo anterior se debe a la composición química del neumático.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Fr

ac

ci

ó

n

M

o

lar

Relación de Equivalencia

Gasificación con Oxígeno Puro

(26)

26

II. Gasificación con Vapor:

Ilustración 9 Especies generadas con Vapor de Agua

De acuerdo con la variación de vapor combustible y la temperatura, para una relación de W:F entre 0,2 y 0,5 la tendencia es muy similar. Por lo anterior a partir de una relación de W:F entre 0,5 y 1 fueron considerados en la presentación del documento. De acuerdo con la gráfica mostrada se puede observar que para una relación de vapor combustible de 0,8, la formación de hidrogeno y monóxido de carbono tienen un crecimiento positivo para un rango de temperatura entre los 400°C y los 800°C. De la misma forma, la producción de metano y dióxido de carbono disminuyen en los rangos de temperatura mencionados anteriormente. Para el punto en el cual la temperatura se encuentra en los 600°C, tanto la producción de monóxido, hidrógeno y metano tienen la misma fracción molar. Existe una pequeña fracción de vapor de agua inferior a 0,1 que no reacciona por completo entre los 100°C y los 300°C; para temperaturas superiores sí reacciona debido al aumento de átomos de hidrógenos en el reactor y los altos niveles de carbono presentes en el neumático. Los niveles de producción de 𝑆𝑂4 y 𝑁𝑂2 son muy bajas, del mismo orden de magnitud a la producción con oxígeno puro.

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 200 400 600 800 1000 1200

Fr

ac

ci

ó

n

M

o

lar

Temperatura [°C]

Gasificación con Vapor WF=0.8

(27)

27

i. Producción de H2

Ilustración 10 Fracción molar de Hidrógeno

La producción de hidrógeno puro comienza a ascender cuando la temperatura del gasificador se encuentra por encima de los 220°C. A su vez, a mayor relación de vapor combustible mayor es el incremento de fracciones molares del hidrógeno. Lo anterior se debe a la poca cantidad de átomos de hidrógeno presente en el combustible. Cuando la temperatura se encuentra por encima de los 800°C la producción de hidrógeno se estabiliza para todas los rangos de W:F. Si la proporción de vapor ingresado al reactor es equivalente a la cantidad de combustible implementado, los niveles de hidrógeno que se pueden alcanzar se encuentran entre 0,5 y 0,6 fracción molar. Por otro lado, si la relación de vapor combustible es menor a 0,5, la producción de hidrógeno tendría valores por debajo de las 0,05 fracciones molares. De acuerdo con la gráfica, entre los 300°C y los 800°C se recomienda operar el proceso de gasificación con vapor puro para obtener mayores fracciones de hidrógeno en la combustión incompleta del neumático.

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 200 400 600 800 1000 1200

Fracción

M

o

lar

Temperatura [°C]

H2

0,5 0,6 0,8 1

(28)

28

ii. Producción de CO

Ilustración 11 Fracción molar de Monóxido de Carbono

Como se puede ver en esta gráfica la producción de monóxido de carbono para una relación W:F de 0,5 es casi constante variando la temperatura. Cuando se aumenta la cantidad de vapor, el monóxido a bajas temperaturas (100°C – 400°C) presenta el mismo fenómeno y al aumentar la temperatura, las fracciones molares se aumentan. Lo anterior puede ser debido al aumento de oxígeno en el reactor, dado que la biomasa presenta pocos átomos de oxígeno para que reaccionen con el aumento de la temperatura. De acuerdo con la ilustración 12, la producción de dióxido de carbono es más favorable que la producción de monóxido, el cual es más deseado para la implementación de gases combustibles. Los niveles entre los 400°C y los 800°C a altas relaciones de equivalencia generan fracciones molares entre los 0,3 y 0,4.

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0 200 400 600 800 1000 1200

Frac

ci

ón

Molar

Temperatura [°C]

CO

0,5 0,6 0,8 1

(29)

29

iii. Producción de CO2

Ilustración 12 Fracción molar de Dióxido de Carbono

La producción de dióxido de carbono tiene un comportamiento decreciente en términos del aumento de temperatura. Para una relación de vapor combustible de 0,5 su producción es mínima. Cuando aumenta dicha relación, los niveles de fracción molar aumentan hasta 0,35 para temperaturas entre los 100°C y los 600°C. A mayores temperaturas, con cualquier relación W:F la producción de CO2 disminuye, lo que es deseable para la producción de gases contaminantes.

III. Gasificación con mezcla de Oxígeno y Vapor:

Ilustración 13 Simulación con mezcla de oxígeno y vapor -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

0 200 400 600 800 1000 1200

Fr ac ci ó n M o lar Temperatura [°C]

CO

2 0,5 0,6 0,8 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

1 2 3 4 5 6

Fr ac ci ó n M o lar ER

Gasificación con Oxígeno y Vapor de Agua

(WF=0,6)

(30)

30 Para esta configuración se tuvo en cuenta la mejor producción de monóxido de carbono e hidrógeno y a su vez, la menor producción de dióxido de carbono. La simulación que presentó los mejores resultados se logra variando la relación de equivalencia a una relación de vapor combustible de 0,6. Como se puede observar en la ilustración 13, a una ER de 1,5 hay un aumento de producción de CO y H2. Lo anterior también corrobora la disminución de producción de CO2 y de agua ya que a valores de ER = 1 la producción de CO2 es máxima y existe un proceso de combustión, no de gasificación. Adicionalmente, el vapor tiene un papel importante en la mezcla ya que aumenta la disponibilidad de oxígeno para la producción de monóxido de carbono e hidrógeno y a su vez, baja la temperatura de fusión para la reacción de dichos elementos. Las reacciones que más predominan son 𝐶 + 𝐶𝑂2→ 2𝐶𝑂 para una relación de equivalencia entre 1 y 3. Adicionalmente la pérdida de fracciones molares de agua se debe a la reacción de 𝐶 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂 + 𝐻2 para una relación de equivalencia entre 1 y 2,5. De la

anterior gráfica también se puede observar que al tener una ER de 4, el hidrógeno supera su fracción molar con respecto al monóxido de carbono. Lo anterior es de suma importancia para cumplir con los objetivos planteados. La producción de metano, óxidos de azufre y óxidos nitrosos son mínimas debido a la composición de la biomasa y a la implementación de oxígeno y vapor de agua como agentes oxidantes.

i. Producción de H2

Ilustración 14 Producción de Hidrógeno con mezcla de oxígeno y vapor

De acuerdo a la ilustración se puede observar la variación de producción de hidrógeno en términos de la relación de equivalencia y la relación de vapor combustible. Para un W:F de 0,2 y 0,4 se puede observar un comportamiento atípico de acuerdo a las curvas para las siguientes

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 1 2 3 4 5 6 7

Fr ac ci ó n M o lar ER

H

2 0,2 0,4 0,6 0,8 1

(31)

31 relaciones de vapor. Para las siguientes relaciones de W:F ya se presenta un comportamiento normal. A medida que aumenta la relación de vapor combustible y la ER las fracciones molares llegan hasta 0,5 en promedio. Para este análisis se puede evidencia que la selección del punto con 0,6 de W:F es máxima sin requerir de vapor adicional.

ii. Producción de CO

Ilustración 15 Producción de CO con mezcla de vapor y oxígeno

La producción de monóxido de carbono variando la W:F y ER se puede observar que aumenta a medida que aumenta ER pero a su vez disminuye su producción cuando aumenta la relación de vapor combustible. Para una relación de equivalencia entre 1 y 2 se puede decir que el crecimiento de producción es acelerado hasta llegar a cierta estabilidad de fracción molar entre 0,6 y 0,35. Del mismo modo de análisis que la producción de hidrógeno, se busca seleccionar un valor promedio de producción de monóxido de carbono que mejore la formación de gases combustibles. Si se aumenta el valor de W:F disminuye la producción de CO y de H2, lo cual no es deseado.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 1 2 3 4 5 6 7

Fr

acc

ión

M

ola

r

ER

CO

0,2 0,4 0,6 0,8 1

(32)

32

iii. Producción de CO2

Ilustración 16 Producción de CO2 con mezcla de vapor y oxígeno

De acuerdo con la ilustración 16, la producción tiene un comportamiento muy similar variando la relación de vapor combustible. Es de esperarse que para valores de ER cercanos a 1 la producción de dióxido de carbono sea elevado. Esto se debe a que los procesos de combustión se realizan cuando el oxígeno o aire estequiométrico realicen la reacción en su totalidad. Cuando se aumenta la relación de equivalencia, la producción de CO2 disminuye notablemente llegando a valores de 0,1 fracciones molares. Para una relación de equivalencia de 1,6 se observa que la cantidad de moles de vapor en la mezcla no afecta con la reacción para la producción de CO2 y para valores superiores de ER dicha producción se estabiliza hasta llegar a 6. Por lo anterior, se puede decir que la mezcla de oxígeno con vapor mejora la producción de CO y H2 mientras que en ausencia de oxígeno y el aumento de vapor disminuye la producción de dióxido de carbono. Adicionalmente, ya se había descrito que la producción de otros gases nocivos para el medio ambiente tiene una producción mínima durante el proceso de gasificación. -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 1 2 3 4 5 6 7

Fr ac ci ó n M o lar ER

CO

2 0,2 0,4 0,6 0,8 1

(33)

33

IV. Temperatura adiabática:

Ilustración 17 Temperatura adiabática de Reacción

Con base a la ilustración 17, se puede decir que la caída de temperatura de reacción es evidente a medida que aumenta la relación de equivalencia y la relación vapor combustible. Los rangos de temperatura se encuentran entre los 2500°K y los 1000°K los cuales son ligeramente mayores que otras biomasas al poseer grandes concentraciones de carbono. La ausencia de oxígeno en la mezcla disminuye la reacción 𝐶 + 𝑂2→ 𝐶𝑂2 cuya entalpía de

reacción es exotérmica y elevada. Del mismo modo se evidencia que la producción de dióxido de carbono es baja.

7.

Conclusiones

 El neumático desechado puede servir como fuente productora de gases combustibles debido a su poder calorífico de 509772,1𝑘𝑚𝑜𝑙𝑘𝐽 , el cual se encuentra dentro de los rangos de otras biomasas convencionales.

 Los niveles de producción de neumáticos desechados en Colombia son elevados, teniendo una gran capacidad de materia prima para la extracción de gases combustibles como fuente alternativa de energía.

 De acuerdo con las tres (3) configuraciones de estudio, la mejor alternativa es la implementación de una mezcla de vapor y oxígeno como agentes oxidantes. La producción de dióxido de carbono y otros agentes contaminantes son bajas y se permite la producción elevada de hidrógeno principalmente y fracciones de monóxido de carbono.

 La mejor configuración que permite potencializar la producción de hidrogeno puro y a su vez una producción mínima de dióxido de carbono es una mezcla de vapor con

500 1000 1500 2000 2500 3000

0 1 2 3 4 5 6 7

Tem p e ratu ra K] ER

Temperatura Adiabática de Reacción

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

(34)

34 oxígeno con una relación de equivalencia de 4 con una relación de vapor combustible de 0,6. En este punto, la producción de hidrógeno supera la producción de monóxido de carbono utilizando la menor cantidad de vapor de agua para el proceso de gasificación.

 No es recomendable utilizar únicamente oxígeno como agente oxidante, ya que la producción de monóxido de carbono es al menos dos (2) veces mayor que la producción de hidrógeno. Para ER superiores a 4, la producción de hidrógeno comienza a disminuir mientras que aumenta la producción de metano.

 Los rangos de temperatura deseados para el proceso de gasificación se encuentran entre los 400°C y 800°C. En dicho rango, el material volátil comienza a reaccionar a altas tasas conversionales y es donde las partículas de las sustancias tiene mayor interacción entre sí para la formación de productos.

 De acuerdo con los análisis del TGA se evidencia que el comportamiento pirolítico del neumático no es similar a otro tipo de biomasas. Las fluctuaciones del DTA se encontraban con valores positivos, haciendo de esto un material netamente endotérmico.

 Se calcula la energía de activación experimental del caucho cuyo valor es de 87,836 kJ/kmol. A comparación de otras biomasas como la cascarilla de arroz o el bagazo, la energía de activación calculada es inferior a estas (entre 100 y 200 kJ/kmol).

(35)

35

8.

Referencias

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http://www.minambiente.gov.co/contenido/contenido.aspx?catID=1189&conID=7018. [Accessed: 22-Apr-2014].

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(37)

37

9.

Anexos

(38)

38

Ilustración 19 Resultado Análisis TGA Tasa de calentamiento de 10°C/min

(39)

39

Ilustración 21 Resultado Análisis TGA Tasa de calentamiento de 30°C/min

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