Modelamiento y simulación del proceso de pirólisis de polietileno para la obtención de diesel

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(1)Bi. bl. io te. ca. de. In g.. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. de. In g.. Q. uí m. ica. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. io te. ca. Modelamiento y simulación del proceso de pirólisis de polietileno para la obtención de diésel. Tesis. Bi. bl. Para optar el título de Ingeniero Químico. Autores: Br. TORRES VELÁSQUEZ, Andrés Br. ALTAMIRANO VARGAS, César Josué Asesor: Dr. MONCADA ALBITRES, Luis Orlando TRUJILLO – PERÚ 2019 N° de Registro_____. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. ica. A mis padres Maribel Velásquez y Andrés Torres por siempre estar presentes brindándome su amor y apoyo incondicional, son mis ídolos y ejemplo a seguir. Les estaré siempre agradecido.. In g.. A mi abuelo Ceferino Velásquez por su cariño y preocupación. Siempre lo tengo presente.. Q. uí m. A mi abuela Rosula Cabrera por siempre estar pendiente de mí, contribuyendo con su amor y cariño. Gracias, por tanto.. io te. ca. de. A mis abuelos Julio Torres (QEPD) y Corina Díaz (QEPD) por haberme dejado grandes enseñanzas, esto también es por ustedes.. Bi. bl. A mis hermanos Nancy Torres y Julio Torres, por siempre estar a mi lado. Son mi motivación.. Andrés Torres Velásquez. i. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. César Josué. Bi. bl. io te. ca. de. In g.. Q. uí m. ica. A mis padres Nelly Vargas y Mercedes Altamirano por haberme apoyado durante toda mi carrera como estudiante y por exhortarme a seguir adelante a pesar de las dificultades que se pudieron haber presentado en el camino, infinitas gracias desde lo más profundo de mi ser. A mis abuelos Juana Valderrama, Norberto Vargas y Dionicio Vargas por haberme brindando su más grande cariño y cuidado, este logro también es de ustedes ya que siempre fueron mi motivación y mi soporte en la vida. A mi hermana Ana Nell, por estar siempre a mi lado apoyándome y motivándome a ser una mejor persona cada día que pasa. A mis tíos Alex, Carlos, Luciano, Adriana y María del Rosario, por siempre haberme brindado su apoyo y porque siempre tuvieron las puertas de su hogar abiertas para poder recibir los consejos que me fueron ayudando y forjando como persona.. ii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. JURADO. ____________________________________________ Dr. Wilber Loyola Carranza. Q. uí m. ica. Presidente. In g.. ____________________________________________ Ing. Henry Esquerre Pereyra. bl. io te. ca. de. Secretario. Bi. ____________________________________________ Dr. Luis Moncada Albitres Asesor. iii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO. Solo queda agradecer a todas las personas que estuvieron involucradas en el desarrollo de este proyecto. El desarrollo de esta tesis conllevó un gran esfuerzo, sacrificio y dedicación y no hubiera sido posible sin el apoyo de las personas más cercanas a nosotros.. uí m. ica. Agradecer principalmente a mis familiares por siempre haberme apoyado en mi desarrollo tanto personal como profesional, realmente soy muy afortunado de tenerlos y estaré eternamente agradecido.. Bi. bl. io te. ca. de. In g.. Q. Andrés Torres Velásquez. iv. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO. La culminación de la presente tesis no hubiese sido posible sin la correcta guía de mi asesor y profesores que me inculcaron y supieron guiar a través del fascinante mundo de la Ingeniería Química, mi más eterno agradecimiento.. César Josué. Bi. bl. io te. ca. de. In g.. Q. uí m. ica. Así también todo profesional necesita el soporte de sus familiares y amigos que siempre están cuando uno más los necesita, quisiera agradecer en especial a mi compañero de tesis por su paciencia y dedicación al presente trabajo ya que sin su ayuda no hubiese podido culminar este trabajo.. v. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CONTENIDO. uí m. INTRODUCCIÓN REALIDAD PROBLEMÁTICA 1.1.1. Tipos de residuos plásticos 1.1.2. Generación de los residuos plásticos 1.1.3. Reciclado de los residuos plásticos 1.1.4. Presencia de plásticos en los residuos sólidos municipales 1.1.5. Aprovechamiento químico de los residuos plásticos (reciclado terciario) 1.1.5.1. Vías termoquímicas 1.1.5.2. Vías bioquímicas EL POLIETILENO 1.2.1. Concepto del polietileno 1.2.2. Estructura del polietileno 1.2.3. Clasificación del polietileno 1.2.3.1.Polietileno de baja densidad (LDPE) 1.2.3.2.Polietileno de baja densidad lineal (LLDPE) 1.2.3.3.Polietileno de alta densidad (HDPE) 1.2.3.4.Polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) 1.2.4. Polimerización del etileno para la obtención del polietileno EL PROCESO DE PIROLISIS 1.3.1. Principios del proceso de pirolisis 1.3.2. Naturaleza de los productos del proceso de pirolisis 1.3.3. La pirolisis de plásticos 1.3.4. Simulación del proceso de pirolisis del polietileno y otros polímeros 1.3.5. Productos del proceso experimental de pirolisis del polietileno 1.3.6. Reactor de conversión PROCESO DE SEPARACIÓN Y MODELOS MATEMÁTICOS 1.4.1. Tipos de procesos y métodos de separación 1.4.2. Relaciones de equilibrio entre fases 1.4.2.1.Regla de fases y equilibrio. 1.4.. Bi. 1.3.. bl. io te. ca. 1.2.. de. In g.. Q. I. 1.1.. i iii iv vi viii x xi xii. ica. Dedicatoria Jurado Agradecimiento Índice Lista de figuras Lista de tablas Resumen Abstract. 1 3 3 4 6 7 12 12 13 15 15 16 16 16 17 18 18 19 20 20 21 21 23 25 26 27 27 27 27. vi. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 28 28 29. II. 2.1. 2.2.. MATERIALES Y MÉTODOS MATERIALES MÉTODOS 2.2.1. Componentes 2.2.2. Sistema de unidades 2.2.3. Modelo termodinámico 2.2.4. Diagrama de flujo del sistema de pirolisis de polietileno 2.2.5. Alimentación 2.2.6. Especificaciones de equipos. 31 31 31 31 32 33 34 37 37. III.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 51. IV.. CONCLUSIONES. V.. RECOMENDACIONES. VI.. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 59. APÉNDICE. 65. uí m Q. In g.. 77. io te. 80. Bi. bl. ANEXOS. 58. 67. ca. APÉNDICE B. 57. 66. de. APÉNDICE A. APÉNDICE C. ica. 1.4.3. Ecuaciones de estado 1.4.3.1.Ecuación de estado de Peng-Robinson en Aspen Hysys 1.4.3.2.Métodos de cálculo de Peng-Robinson. vii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. LISTA DE FIGURAS. 8. Figura 2. Tendencia en el desarrollo de polímeros. 14. Figura 3. Importaciones de Polietileno. 16. Figura 4. Molécula de LLDPE.. 17. Figura 5. Molécula de UHMWPE. 18. Figura 6. Diferencias entre moléculas de a) LDPE, b) LLDPE, c) HDPE. 19. ica. Figura 1. Composición de los Residuos Sólidos generados en 2012. 24. Figura 8. Interface de Aspen HYSYS V8.8. 31. uí m. Figura 7. Conversión de Residuos Plásticos a Combustible Líquido.. 32. Figura 10. Selección del modelo termodinámico a utilizar en la simulación.. 33. Q. Figura 9. Selección de unidades del sistema internacional para la simulación.. 32. Figura 10. Determinación de la corriente de polietileno y sus propiedades.. 32. Figura 11. Parámetros de Interacción de la Ecuación de estado para los distintos. 34. In g.. Figura 9. Selección de componentes a utilizar en la simulación.. de. componentes.. 34. Figura 13. Sistema de Pirolisis del Polietileno para la Obtención de Diésel.. 35. ca. Figura 12. Selección del reactor de pirolisis en la paleta de trabajo.. 36. Figura 15. Set de Reacciones especificadas en el reactor asumiendo una conversión. 37. io te. Figura 14. Especificación de la alimentación.. del 79%.. 38. Figura 17. Geometría del reactor de pirolisis.. 38. Figura 18. Parámetros de diseño utilizados para la simulación del intercambiador. 42. Bi. bl. Figura 16. Parámetros en el diseño del reactor de pirolisis.. de calor. Figura 19. Dimensionamiento del intercambiador de calor.. 42. Figura 20. Configuraciones de los intercambiadores de calor de tubo y coraza. 43. establecidos por TEMA. Figura 21. Diseño general de una columna de separación simulada en Aspen HYSYS.. 44. Figura 22. Columna de separación ideal simulada en Aspen HYSYS.. 47. viii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 23 Geometría de una columna de separación.. 47. Figura 24. Componentes claves del diésel que son arrastrados en el producto. 48. gaseoso de la primera separación. Rendimiento de primer separador: 40.9%. Figura 25. Composición del líquido obtenido en la segunda separación. Rendimiento. 48. de segundo separador: 52.3%. Figura 26. Recolección de los condensados separados de los productos gaseosos de la. 55. pirolisis de polietileno y composición del producto final. 56. ica. Figura 27. Calentamiento de los gases no condensados provenientes del segundo. Bi. bl. io te. ca. de. In g.. Q. uí m. separador.. ix. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. LISTA DE TABLAS. 4. Tabla 2. Generadores y tipos de residuos sólidos.. 5. Tabla 3. Sistemas de eliminación de RSU en Perú (2012).. 7. Tabla 4. Destino de residuos segregados en el año 2012.. 9. Tabla 5. Avance al año 2012 en la meta del PLANAA.. 11. Tabla 6. Importaciones de polietileno en el Perú.. 15. ica. Tabla 1. Distribución de las fuentes de generación de residuos plásticos industriales.. Tabla 7. Productos de pirólisis para diferentes tipos de plásticos. Tratamiento y. uí m. valoración energética de residuos.. Tabla 8. Rendimientos expresados en tanto por ciento en peso de la pirólisis de. 23. 26. Q. polietileno de Repsol en un reactor de lecho fluidizado. (Conesa Ferrer, 1996). Tabla 8 (cont.). Rendimientos expresados en tanto por ciento en peso de la pirólisis de 26. In g.. polietileno de Repsol en un reactor de lecho fluidizado. (Conesa Ferrer, 1996). 32. Tabla 10. Condiciones de operación en el reactor de pirólisis.. 37. Tabla 11. Variables de Operación de los distintos equipos auxiliares.. 39. Tabla 12. Parámetros disponibles para el modelo Simple End Point.. 41. ca. de. Tabla 9. Lista de componentes y su relevancia en el proceso.. 47. io te. Tabla 13. Variables de operación de las columnas de separación T-101 y T-102.. 52. Tabla 15. Composiciones y condiciones a las cuales se obtiene el diésel como producto final.. 54. Tabla 16. Balance de Masa de reactantes y productos obtenidos en la pirolisis del Polietileno.. 54. Bi. bl. Tabla 14. Composición en fracción másica de los componentes que se van separando producto de la pirolisis del polietileno.. x. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN. El presente estudio busca el aprovechamiento de los residuos de plásticos, concretamente del polietileno, se desarrolló este trabajo presentando y analizando la simulación del proceso de pirólisis de polietileno para obtención de diésel usando como herramienta de simulación el programa Aspen Hysys. Con la finalidad de ejemplificar la aplicación de la simulación de procesos en la pirólisis de polietileno, se ha supuesto como alimentación polietileno, suponiendo. ica. una alimentación de 100 kg/h. A partir de ésta, se obtienen 70.07 kg/h de diésel, 2.42 kg/h de carbón y 27.51 kg/h de gases de combustión generados como subproductos que son. uí m. aprovechados para poder realizar un precalentamiento de la alimentación antes que ésta sea ingresada al reactor de pirólisis. Por lo tanto, mediante esta herramienta se puede predecir los. Q. productos y la composición que se obtendrán de la pirólisis del polietileno y los equipos y las condiciones de operación que son necesarios para poder obtener un rendimiento óptimo y que. In g.. pueda generar un beneficio a través del tiempo.. Bi. bl. io te. ca. de. PALABRAS CLAVES: Polietileno, Pirólisis, Simulación, Aspen HYSYS V8.8. xi. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT. Nowadays, solid waste processing alternatives are increasingly demanded. One of them is the process of pyrolysis. Pyrolysis is a process of thermal decomposition of matter in the absence of oxygen. In this process, carbon-based compounds, such as polyethylene, are decomposed to give gases, condensable hydrocarbons and a carbonaceous solid residue that can later be recovered by separation methods, obtaining products with higher added value, such as diesel. In. ica. the present study, a feed of 100kg/h of polyethylene was assumed, obtaining the following products after having found the most optimal operating conditions to obtain the highest. uí m. efficiency of the process: 70.07 kg/h of diesel, 2.42 kg/h of coal and 27.51 kg/h of combustion gases generated as sub products that are used to pre-heat the feed before it is admitted to the. Q. pyrolysis reactor. Predicting the products of this process and their compositions as well as finding the operating conditions to make the process the most optimal is very complicated, this. de. In g.. is why it is necessary to use process simulators such as Aspen Hysys.. Bi. bl. io te. ca. KEY WORDS: Polyethylene, Pyrolysis, Simulation, Aspen HYSYS V8.8. xii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO I: INTRODUCCIÓN. Hoy en día los plásticos se han convertido en un material indispensable en las industrias y en la vida cotidiana. Debido al incremento en la generación de ellos, los residuos plásticos se han convertido en el mayor efluente de residuos sólidos en las ciudades. Los plásticos no presentan biodegradabilidad y son componentes extremadamente problemáticos para los rellenos sanitarios. Su destrucción por. ica. incineración presenta serios problemas de polución, debido a la liberación de partículas en el aire y dióxido de carbono en la atmósfera. El reciclaje se ha convertido en la. m. mayor respuesta para los retos ambientales que presenta la industria del plástico.. Q uí. Desde un punto de vista de la protección ambiental y reducción de los recursos no regenerativos, la tecnología de reciclaje para convertir diésel y otros productos a partir. g.. de plásticos residuales, ha llamado mucho la atención alrededor de todo el mundo.. In. Algunas universidades e institutos han desarrollado las teorías y tecnologías para la industrialización de la licuefacción de plásticos.. de. Estos factores llevan a la innovación de métodos o procesos para el debido almacenaje. ca. y posterior tratamiento de estos residuos como degradación térmica, separación de los distintos componentes generados mediante esta y su posterior reutilización. Por lo. te. tanto, es preciso el uso de modelos (simulaciones) para predecir cuales componentes. io. serán obtenidos y el rendimiento del proceso.. Bi bl. La Pirolisis es una opción que está siendo concurrentemente investigada como un reemplazo para el simple almacenamiento de residuos plásticos. Estudios recientes han mostrado que la conversión de carbón y residuos plásticos a combustibles líquidos es posible a escala laboratorio. Semánticamente, el término termólisis es más apropiado que pirolisis, ya que el fuego implica la presencia de oxígeno por lo tanto ocurriría reacciones y productos intermedios. En la mayoría de procesos de pirolisis, sin embargo, se excluye el aire. Por razones de seguridad, calidad del producto y rendimiento (Cipet, 2009). El primer reporte de la conversión de plásticos residuales a diésel fue publicado el 2001 en la People’s Daily, un periódico chino escrito en inglés. Una refinería de 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. petróleo en la provincia de Hunan había procesado 30, 000 toneladas de plástico residual en 20, 000 toneladas de gasolina y diésel para satisfacer la demanda provincial. Wang Xu, quien construyó la refinería en 1999, empezó experimentando el procesamiento de plástico residual en los 80, después se asoció con el Tutor Doctoral de la Universidad de Hunan, Zeng Guangming, quien le proporcionó el asesoramiento científico en la descomposición de plásticos residuales. En los 80, el microbiólogo Paul Baskis procedente de Illinois en los Estados Unidos, modificó el proceso para producir combustibles ligeros, aceites más limpios, pero falló. ica. convenciendo a los inversionistas hasta 1996, cuando la compañía llamada Changing World Technologies empezó a desarrollar junto con Baskis el proceso para hacerlo. m. comercialmente viable. Ahora, plantas con una capacidad de 1000 ton/año han. Q uí. empezado a funcionar cerca a algunas ciudades en China (Zhang et al., 2007). El Craqueo Térmico o Pirolisis, consiste en la degradación de materiales poliméricos. g.. mediante calor en ausencia de oxígeno. El proceso se lleva a cabo usualmente a. In. temperaturas entre 350 °C y 900 °C y resulta en la formación de carbón (residuos sólidos) y una fracción volátil la cual debe ser separada en hidrocarburos condensables. de. cuya composición consiste de parafinas, isoparafinas, olefinas, naftenos y aromáticos, y un gas no condensable con alto poder calorífico. La proporción de cada fracción y. ca. su composición precisa depende principalmente en la naturaleza del plástico residual. te. pero también en las condiciones del proceso.. io. La extensión y la naturaleza de estas reacciones dependen de la temperatura de. Bi bl. reacción y también del tiempo de residencia de los productos en la zona de reacción, que se encuentra principalmente influenciado por el diseño del reactor.. 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA. En la actualidad, uno de los problemas de mayor importancia es la generación de residuos plásticos. Los residuos plásticos, están compuestos principalmente por polímeros. Estos materiales poliméricos pueden competir con los materiales tradicionales (metales, maderas y fibras naturales) no sólo en precio, sino también en rendimiento. Hoy en día es difícil concebir una esfera de vida doméstica o industrial que no dependa de los plásticos. De esta realidad problemática, podemos desglosar los siguientes puntos: el primer. ica. punto son los tipos de residuos plásticos, conocer las distintas categorías de plásticos nos permitirá identificar qué tan perjudiciales pueden ser para el medio ambiente;. m. como segundo punto, es importante conocer la generación de residuos plásticos para. Q uí. saber su procedencia; el tercer punto es el reciclado de estos residuos plásticos, encontrando alternativas para reducir o mitigar su impacto ambiental; como cuarto punto conoceremos la presencia de plásticos en los residuos sólidos municipales, lo. g.. que nos permitirá cuantificar la presencia del material en cuestión en distintas regiones.. In. Finalmente, en el quinto punto daremos a conocer el aprovechamiento químico de los. de. residuos plásticos – reciclado terciario, haremos énfasis en el reciclado terciario pues el material en mención puede ser considerado como una importante fuente de. ca. químicos, hidrocarburos principales, y como una fuente de energía y combustible.. te. 1.1.1. Tipos de residuos plásticos. io. Hay muchos tipos de residuos plásticos, los cuales podemos dividirlos en las siguientes. Bi bl. cuatro categorías:. 1.- Plásticos poco degradados y limpios. Una vez troceados pueden ser. incorporados al proceso donde se originan. 2.- Plásticos poco degradados que han sido contaminados y no pueden ser incorporados al proceso de donde se originan, y han de ser procesados para diferente uso final o aplicación. 3.- Mezclas de plásticos con composición conocida y esencialmente libre de contaminantes no poliméricos. 4.- Componentes de residuos sólidos urbanos que están contaminados con materiales no poliméricos. 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.1.2. Generación de residuos plásticos Los residuos plásticos son generados en todas las etapas del ciclo de los plásticos, incluyendo el productor, el mezclador, fabricante, transformador, mayorista, envasador y consumidor. Del total de residuos generados, alrededor del 60 % es residuo post-consumo, principalmente productos de envasado. Los residuos de plásticos procedentes de la industria, los llamados “residuos industriales”, son alrededor del 17 % del total. El resto consiste en materiales de larga vida, como tuberías, piezas de automóviles, cables, juguetes, que entran finalmente en la categoría. ica. de desperdicios municipales. Conesa (citado en Drain, 1981) destaca lo siguiente: “Los residuos plásticos son quizás. m. los más fácilmente reciclables, ya que es posible una separación por tipos en muchos. Q uí. casos”. La Tabla 1 muestra los principales procesos industriales donde se generan residuos plásticos.. In. g.. Tabla 1. Distribución de las fuentes de generación de residuos plásticos industriales.. % relativo. Polimerización. 21. Moldeado. 10. ca. de. Operación. Bi bl. io. te. Fabricación. 29. Conversión. 19. Distribución. 21. Los residuos plásticos forman una amplia gama. Mayormente se tratan de envases, láminas o “film”, bolsas de polietileno, recipientes moldeados por soplado y artículos moldeados rotos y desechados (Khushal, 2015). La gama de residuos es amplia e incluye: -. Zapatos de PVC desechados en variedad de colores y composiciones de material plástico.. -. Botellas de agua mineral fabricadas de PET, contenedores de helado fabricados de PS, platos, y PE para empaques. 4. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. -. Distintas envolturas de PP, tubos de PVC, bolsas de mercado de PE, recubrimientos, etc.. En la Tabla 2 se indican las principales fuentes de generación y tipos de residuos sólidos. Tabla 2. Generadores y tipos de residuos sólidos (Hoornweg & Bhada, 2012). Fuente. Generadores de residuos más. Tipos de residuos sólidos. comunes Residencial. Viviendas simples y multifamiliares. Residuos de comida, plásticos,. ica. cuero, madera, vidrio, metales,. m. baterías, pilas, aceites. Manufactura ligera y pesada, plantas de. Empaques, residuos de comida,. generación de energía y químicas. residuos peligrosos, residuos. Q uí. Industrial. mortales. Tiendas, hoteles, restaurantes, oficinas. Institucional. Escuelas,. g.. Comercial. prisiones,. In. hospitales,. y. demolición. Idéntico. a. los. residuos. edificios gubernamentales, aeropuertos. comerciales. Nuevos proyectos de construcción,. Madera,. reparaciones de carreteras, edificios. ladrillos, azulejos, mayólicas. de. Construcción. Papel, plásticos, madera, vidrio. fierro,. concreto,. Limpieza de calles, parques, áreas. te. Servicios Municipales. ca. demolidos. recreacionales, plantas de tratamiento. Residuos generales de parques, playas , lodos. Bi bl. Procesos. io. de aguas residuales Refinerías, plantas químicas, plantas de. Residuos. extracción. industriales, chatarra, relaves,. y. procesamiento. minerales. de. de. procesos. escorias, productos fuera de especificación. Residuos hospitalarios. Hospitales, clínicas, asilos. Residuos infectados (vendas, guantes, sangre coagulada). Agricultura. Viñedos, granjas, agroindustriales. Residuos agrícolas, tubos de irrigación que ya no se usan, pesticidas. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.1.3. Reciclado de los residuos plásticos Se define el “reciclado” como 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. Varios autores (Khushal, 2015; Aguado & Serrano, 2007) consideran diversos tipos de reciclado: El proceso de reciclado primario, consiste en el procesamiento de los plásticos residuales en el mismo tipo de producto o productos similares a partir de los cuales se generó, utilizando métodos estándar en el procesamiento de plásticos. El reciclaje. ica. secundario utiliza residuos de plástico no adecuados para la reprocesamiento directo a través de equipos estándar. El reciclaje terciario es la recuperación de diferentes. Q uí. m. productos químicos a partir de los residuos plásticos.. Los plásticos se pueden reciclar utilizando dos enfoques diferentes: el reciclaje mecánico y el de materias primas. En el primer caso los plásticos son reciclados como. In. productos químicos o combustibles.. g.. polímeros, mientras que, en el segundo, los residuos plásticos son transformados en. de. El reciclado permite que los residuos sean reintroducidos en el consumo, ciclo, generalmente en aplicaciones secundarias porque en muchos casos los productos. ca. reciclados son de menor calidad que los vírgenes. El reciclaje debe aplicarse solo. te. cuando la cantidad de energía consumida en el proceso de reciclaje es inferior a la requerida para la producción de nuevos materiales. Solo los residuos termoplásticos. io. pueden ser reprocesados directamente, se pueden usar solos o, más a menudo se. Bi bl. agregan a la resina virgen en varias proporciones. Los factores a considerar en el reciclado primario y secundario de residuos plásticos serían (Khushal, 2015): -. Degradación del material por repetidos procesos.. -. Contaminación.. -. Manipulación de residuos de baja densidad aparente.. -. Degradación de prestaciones mecánicas.. -. Contaminación de residuos plásticos.. -. Incompatibilidad de los plásticos.. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. -. Inconsistencia y no reproducibilidad de la composición de residuos plásticos.. -. Menos viabilidad económica.. -. Imposibilidades en la producción en masa.. -. Fuente desconocida, es decir, de dónde viene el plástico y, por lo tanto, es difícil determinar su composición.. La mayoría de los polímeros son incompatibles y no muestran adherencia entre ellos después de la plastificación. Al mezclarlos, se obtiene un producto más o menos. ica. heterogéneo que está lejos de ser capaz de ofrecer las cualidades que se encuentran en los componentes separados.. Q uí. m. 1.1.4. Presencia de plásticos en los residuos sólidos municipales. Los más de 7 millones de Tn/año de Residuos Sólidos Urbanos que se generan en Perú se distribuyen según destino tal como se muestra en la Tabla 3.. In. g.. Tabla 3.- Sistemas de eliminación de RSU en Perú (2012).. Sistema de. Tn/año. botadero. 2 736 000. ca. Relleno sanitario o. de. tratamiento. te. controlado. 38. segregados en la. Totales. autorizados. 3 655 110. 50.76. 57 308. 0.8. 751 582. 10.44. --. 7 200 000. 100. 259. fuente. No se tratan. tratamiento. oficialmente. sólidos. Bi bl. Residuos. N° de centros de. 10. io. Botaderos. %. -249 distritos involucrados. Fuente: Ministerio de Medio Ambiente en Perú, Gestión de los Residuos sólidos municipales y no municipales, 2014. Al año 2012 en el Perú, se estimó una Generación Per-cápita Nacional (GPC) de Residuos sólidos de 0.583 kg/hab/día, notándose una baja respecto al promedio del 2011 que fue 0.610 kg/hab/día. Esta baja de la GPC a nivel nacional, trae como consecuencia la disminución de la generación de residuos sólidos en el 2012, 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. registrándose 19 309 Tn/día que hacen un total de 7.2 millones de Tn/año de residuos sólidos urbanos. La mayor fuente de generación de residuos sólidos, la genera el departamento de Lima con un total aproximado de 2.05 millones de Tn/año, seguida del departamento de Arequipa 146 mil Tn/año. El departamento de La Libertad genera alrededor de 6900 Tn/año de residuos sólidos urbanos. En detalle la cantidad de residuos sólidos generados en el 2012 en todo el Perú tiene. Caucho y cuero, 1.6. Q uí. Telas y textiles, 1.8 Metales, 2.8. Huesos, tetrapack y aparatos electronicos, 1.7. g.. Vidrio, 3.2 Cartón, 3.3. In. Madera y restos de jardín, 3.4. de. Papel, 4.8. Materia Orgánica, 50.9. ca. Material inerte, 7.1. m. ica. la composición en porcentaje que se presenta en la Figura 1:. io. te. Residuos Peligrosos, 8.5. Bi bl. Plástico, 10.1. Figura 1. Composición de los Residuos Sólidos generados en 2012 (Ministerio del Ambiente, Viceministerio de Gestión Ambiental, 2014).. El reciclaje de residuos sólidos municipales en el año 2012, se realizó mediante el programa de segregación en la fuente, que es la selección de los residuos aprovechables de todo lo recolectado, establecida por el Ministerio del Ambiente y por la comercialización de residuos re aprovechables en los establecimientos comerciales y Empresas Comercializadores de Residuos Sólidos (EC-RS) registradas a nivel nacional.. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En el año 2012 se estima que se logró segregar en la fuente 57 308 toneladas de residuos sólidos domiciliarios, un aumento considerable, respecto al 2011, cuya cantidad total de residuos sólidos segregados fue 21 007 toneladas. Además, se observa que el destino final de los residuos sólidos domiciliarios que son segregados en la fuente, tienen como principal destino la comercialización de los mismos a través de Empresas Prestadoras de Servicios de Residuos Sólidos (EPS-RS) y Empresas Comercializadores de Residuos Sólidos (EC-RS), haciendo un total de 94 distritos que realizan esta acción; esta comercialización, en muchos casos se hace a través de recicladores, lo que conlleva a la formalización de los recicladores existentes. La Tabla. m. ica. 4 muestra lo mencionado líneas arriba.. Q uí. Tabla 4. Destino de Residuos segregados en el año 2012. % DE. DISTRITOS. DISTRITOS. 80. 32.13. 15. 6.02. 6. 2.41. Planta re aprovechable. 3. 1.20. 2. 0.8. Convenio Interinstitucional. 2. 0.8. Comercializado a través de EPS-RS y EC-RS. 94. 37.75. Comercializado a través de EC-RS y compostaje. 10. 4.02. Donación a instituciones. 3. 1.21. No especifican. 34. 13.66. TOTAL. 249. 100.00. g.. N° DE. io. DESTINO FINAL DE RESIDUOS SOLIDOS DOMICILIARIOS SEGREGADOS EN LA FUENTE. In. Comercializado a través de recicladores y. de. compostaje. ca. Comercializado directamente. te. Comercializado a través de subasta. Bi bl. Relleno sanitario, Botadero. Fuente: Programa de Modernización Municipal (PMM). 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Según el Plan Nacional de Acción Ambiental (PLANAA), la finalidad es lograr la disposición final adecuada del 100 % de los residuos sólidos municipales al 2021. Se tiene como objetivo reciclar el 30 % de residuos re aprovechables generados. En la Tabla 5, observaremos el cumplimiento respecto a la meta por región, teniendo a La Libertad con el 1 % de la meta establecida, reciclando el total de 1,994.88 Tn/año de. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. ica. residuos re aprovechables.. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla 5. Avance al año 2012 en la meta del PLANAA RESIDUOS RECICLADOS REGIÓN. RECICLADO. VALOR META 2012. (%). (%). (Tn/año). AMAZONAS. 471.24. 5.53. 30. 2558. ANCASH. 637.92. 0.78. 30. 24 548. APURIMAC. 475.80. 4.10. 30. 3485. AREQUIPA. 4,615.32. 4.49. 30. 30 862. AYACUCHO. 1,580.28. 3.28. 30. 14 456. CAJAMARCA. 188.40. 0.96. CALLAO. 2,941.92. 3.34. CUSCO. 3,644.04. 3.42. HUANCAVELICA. 2,001.96. ica. (Tn/año). 5890. 30. 26 389. 30. 31 930. 19.57. 30. 3069. 1.22. 30. 11 270. 6.49. 30. 28 386. 3.86. 30. 17 317. 1,994.88. 1.00. 30. 60 081. 1,572.12. 2.52. 30. 18 704. 10,003.56. 0.75. 30. 399 746. 5,340.36. 24.75. 30. 6472. S/D. S/D. 30. S/D. MOQUEGUA. 33.60. 0.18. 30. 5608. PASCO. 171.36. 4.09. 30. 1257. PIURA. 10,302.84. 6.00. 30. 51 484. PUNO. 812.52. 1.03. 30. 23 709. SAN MARTIN. 35.16. 0.12. 30. 8492. 1,237.92. 3.50. 30. 10 624. TUMBES. 159.84. 4.55. 30. 1054. UCAYALI. 259.20. 0.34. 30. 22 870. TOTAL. 57 308. 2.12. 30. 810 259. 458.04 6,139.80. JUNIN. 2,229.96. LA LIBERTAD. io. te. LIMA. ca. LAMBAYEQUE. LORETO. Bi bl. MADRE DE DIOS. TACNA. Q uí. de. In. ICA. g.. HUANUCO. m. 30. 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.1.5. Aprovechamiento químico de los residuos plásticos – reciclado terciario Se pondrá más énfasis a este tipo de reciclado de plásticos, ya que el objetivo de este trabajo es precisamente el estudio de la pirolisis de polietileno. El reciclado terciario se basa en la descomposición de polímeros mediante calor, agentes químicos y catalizadores para producir una variedad de productos que van desde los monómeros de partida para mezclas de compuestos, principalmente hidrocarburos, con posibles aplicaciones como fuente de productos químicos o combustibles. Los productos derivados de la descomposición plástica exhiben. ica. propiedades y calidad similares a las de sus homólogos preparados por métodos. m. convencionales (Aguado & Serrano, 2007).. Q uí. Se ha investigado una amplia variedad de procedimientos y tratamientos para el reciclaje de materias primas de residuos de plástico y caucho. En este proyecto de. 1.1.5.1. Vías Termoquímicas. In. termoquímicas y las bioquímicas.. g.. investigación consideraremos dos vías para el tratamiento de plástico residual: las vías. de. Conesa Ferrer (1996) indica que las vías termoquímicas comprenden tratamientos a alta temperatura en presencia de gases (nitrógeno, aire, oxígeno, hidrógeno, metano,. ca. vapor de agua…) y en ciertos casos en presencia de catalizadores.. te. El procesado termoquímico de plásticos incluye cinco tipos de procesos posibles. Bi bl. io. (Aguado & Serrano, 2007): -. Despolimerización química: por reacción con ciertos agentes para producir los monómeros de partida.. -. Gasificación: con oxígeno y/o vapor para producir gas de síntesis.. -. Descomposición térmica de los polímeros o Pirolisis: mediante calentamiento en una atmósfera inerte.. -. Craqueo catalítico o Pirolisis catalítica: las cadenas del polímero se descomponen por el efecto de un catalizador, que promueve reacciones específicas orientadas a ciertos productos.. -. Hidrogenación: el polímero se degrada por las acciones combinadas del calor, hidrógeno y en muchos casos catalizadores.. 12 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.1.5.2. Vías bioquímicas Las vías bioquímicas utilizan microorganismos (bacterias y levaduras) para transformar los residuos plásticos, en condiciones de presión y temperaturas mucho más suaves que las vías termoquímicas (Conesa, 1996). Sabemos que los plásticos en general no son biodegradables (PE, PS, PVC, PP…), pero hay algunos tipos de plásticos que pueden ser descompuestos. Se pueden considerar dos tipos de vías bioquímicas: -. Proceso aerobio: consiste en la descomposición de las materias orgánicas. ica. mediante la acción de microorganismos que consumen grandes volúmenes. m. de oxígeno y producen cantidades considerables de calor. Como principales. -. Q uí. productos se obtienen humus, CO2 y H2O.. Proceso anaerobio: la acción de microorganismos, sin consumo de oxígeno y en condiciones reductoras, sobre la materia orgánica, produce un gas rico. g.. en metano. La biodegradación de los plásticos se ha convertido en un tema. In. controversial, probablemente porque hasta hace algunos años la mayoría de los plásticos comerciales de gran volumen no eran biodegradables. Pero el. de. concepto es suficientemente claro debido a que, bajo ciertas condiciones,. ca. los microorganismos consumen el polímero, reduciéndolo a compuestos. te. gaseosos simples y naturales (Tolinski, 2012). La primera generación de plásticos degradables no tuvo como prioridad la. io. biodegradabilidad y su consecuencia ambiental ya que se enfocó solo en el ahorro de. Bi bl. espacio en vertederos. La mayoría de estos productos se basaron en compuestos con resinas convencionales, como las poliolefinas rellenas de almidón o activadas con óxido de metal o sales de transición, las cuales solo desintegraban en pequeñas partes con el tiempo debido a la biodegradación del almidón o la fotodegradación catalizada de las poliolefinas. Más tarde, una serie de polímeros sintéticos provenientes del petróleo, los cuales fueron denominados la segunda generación de plásticos degradables ya que eran realmente degradables, fueron desarrollados e introducidos al mercado. Estos polímeros biodegradables principalmente incluían poliésteres alifáticos como la policaprolactona (PCL), polibutilenosuccinato (PBS), entre otros (Andrew, 2012).. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La Figura 2 muestra la tendencia general en el desarrollo de polímeros a nivel global, evidenciando que con el transcurso de los años se ha puesto énfasis en priorizar la. In. g.. Q uí. m. ica. degradación de los polímeros, generando polímeros biodegradables.. de. Figura 2. Tendencia en el desarrollo de polímeros (Andrew, 2012).. ca. Una mezcla de poliéster y PLA, ha sido producido por BASF bajo el nombre de Ecovio. Es un poliéster de alta resistencia al derretimiento que puede ser directamente. te. procesado por soplado sin la incorporación de aditivos (Andrew, 2012).. io. El problema que presentan los polímeros biodegradables es su posible degradación. Bi bl. cuando aún están en uso, teniendo en cuenta que la estabilización y protección de los materiales poliméricos es muy importante económicamente. Conesa Ferrer (1996) indica que el tiempo en que tarda en degradarse un polímero depende de tres grupos de variables: su peso molecular y estructura, la población microbiana y varios factores ambientales como la temperatura, pH, humedad y disponibilidad de nutrientes.. 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.2. EL POLIETILENO. 1.2.1. Concepto del polietileno Los polietilenos son polímeros termoplásticos que se obtienen por polimerización del etileno. Por lo general, todos los polietilenos poseen propiedades eléctricas excelentes, una resistencia inmejorable a los disolventes orgánicos y a compuestos químicos, son de fácil fabricación y buenos aspectos económicos. Son materiales traslúcidos, de peso ligero, resistentes y flexibles. Dependiendo de las condiciones de operación a las cuales se realice la polimerización del etileno, se pueden obtener diversos tipos de. ica. polietileno cada uno con características muy diferentes de comportamiento y cualidades técnicas.. m. Por todas estas características, cada año alcanzan un crecimiento significativo. Jesús. Q uí. Salazar Nishi (2017) indica que solo en Perú, las importaciones de Polietileno en Toneladas Métricas, han evidenciado un crecimiento en los últimos 5 años de 17.5%. g.. aproximadamente y con tendencia a seguir aumentando. Esto se puede apreciar en la. de. In. Tabla 6 y Figura 3.. Tabla 6. Importaciones de polietileno en el Perú. Importaciones de Polietileno (Tm). 2012. 266,647. 2013. 265,965. 2014. 271,030. 2015. 284,030. 2016. 304’461. 207. 313,410 (proyectado). Bi bl. io. te. ca. Año. 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 320,000. 313,410 313,410. 310,000 304,461. 300,000 290,000 284,030. 280,000 271,030. 270,000 266,647. 260,000. 265,965. Crecimiento últimos 5 años = 17.5% aprox.. 250,000 240,000 2012. 2013. 2014. 2015. 2016. 2017. ica. Figura 3. Importaciones de Polietileno en el Perú. Q uí. m. Fuente: Sistema IMEX – ADUANA Elaboración: Comité de Plásticos S.N.I.. 1.2.2. Estructura del polietileno. g.. El polietileno está compuesto por dos átomos de carbono y 4 átomos de hidrógeno. In. unidos por enlaces de tipo covalente en su unidad estructural. Unidad que se repite indefinidamente para formar el polietileno. Dependiendo de las condiciones de. de. temperatura, presión y tipo de catalizador, esta unidad básica se repetirá n veces, por. -(CH2-CH2)n. te. ca. lo que su estructura química es de la siguiente manera:. io. 1.2.3. Clasificación del polietileno. Bi bl. 1.2.3.1. Polietileno de baja densidad – LDPE Este polietileno de baja densidad se hace comúnmente por polimerización del etileno a alta presión, para formar moléculas de polietileno. El resultado es un polímero termoplástico de cadena larga altamente ramificado, con una densidad de 0.915 a 0.925 g/cm3) y peso molecular de hasta 4 x 106 . La Ecuación 1 describe la obtención del LDPE.. ………………(1) 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El LDPE se produce por polimerización del etileno a través de radicales libres y a presión y temperatura elevadas. Las temperaturas varían de 150 a 300°C. Las presiones abarcan desde las 103 a 345 MPa. El iniciador de la polimerización usualmente es un peróxido, que se descompone térmicamente en radicales libres, los cuales reaccionan con el etileno. El LDPE se procesa fácilmente para fabricar bolsas para pan, el plástico estirable para envoltura, las bolsas para emparedados y las bolsas para prendas de vestir. Los sustratos recubiertos por extrusión con LDPE se usan en cartones para leche y muchas. ica. aplicaciones en el empacado de alimentos.. m. 1.2.3.2. Polietileno de baja densidad lineal – LLDPE. El polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) se puede describir como un copolímero. ca. de. In. g.. general de la molécula es la siguiente:. Q uí. de etileno/α-olefina, que tiene una estructura molecular lineal. Una representación. te. Figura 4. Molécula de LLDPE. io. Rubin (1998) refiere que n indica el número de carbonos en el monómero que se usan. Bi bl. para producir la resina. Los comonómeros más usados comercialmente son el buteno, el hexeno y el octeno. Las resinas LLDPE tienen pesos moleculares de 10 000 a 100 000 con grados variables de cristalinidad. Existen muchos tipos de LLDPE, el índice de fusión puede variar de 0.5 a 150 g/10min; la densidad de 0.905 a 9.45 g/cm3). Las resinas en el intervalo de densidad de 0.936 a 0.945 g/cm3) a menudo se conocen como resinas de polietileno lineal de densidad media, mientras que aquellos con densidades de 0.905 a 0.915 g/cm3 se consideran como polietileno de baja densidad de ultra baja linealidad. Dos tipos de sistemas a baja presión se usan principalmente en la producción de LLDPE: el proceso en lecho fluidificado en fase gaseosa y los procesos en disolución.. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El proceso en lecho fluidizado en fase gaseosa se da de la siguiente manera: se alimentan en forma continua etileno gaseoso, hidrógeno, un catalizador con titanio y un comonómero a un reactor de lecho fluidizado que opera a una presión de 2.1MPa y 80 a 100°C. El proceso en disolución, se da por otro lado, en un reactor bien agitado a temperaturas de 150 a 300°C y presiones de 3 a 5MPa. Se alimentan continuamente etileno frío, disolvente, un catalizador tipo Ziegler y el comonómero en un reactor. Dentro de sus aplicaciones se encuentran las películas para hielo, basura, prendas y. ica. bolsas para productos domésticos. Tienen tenacidad y son resistentes al punzamiento. Q uí. 1.2.3.3. Polietileno de alta densidad – HDPE. m. y al rasgado.. Los polietilenos de alta densidad son polímeros lineales con un peso molecular comprendido entre 200,000 y 500,000g/mol y una densidad comprendida entre 0.941. g.. a 0.967 g/cm3. El alto peso molecular se traduce en tenacidad, resistencia química,. In. resistencia al impacto y alta resistencia a la abrasión.. de. El HDPE se manufactura mediante un proceso a baja presión. La presión en la fabricación del HDPE está por debajo de los 14 MPa y a Temperatura ambiente. Los. ca. catalizadores usados en la fabricación del HDPE, por lo general, son o del tipo óxido. te. de un metal de transición o del tipo Ziegler/Natta.. io. Entre las aplicaciones más conocidas se incluyen bolsas de basura, bolsas para. Bi bl. verduras, tuberías industriales, tanques de gas y contenedores para envíos. 1.2.3.4. Polietileno de peso molecular ultraalto – UHMWPE Los polietilenos de peso molecular ultraalto tienen pesos moleculares comprendidos entre 3 y 6 millones, que dan cuenta de su alta resistencia al desgaste, su inercia química, su bajo coeficiente de fricción, resistencia al impacto y a la abrasión.. Figura 5. Molécula de UHMWPE. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En general, el UHMWPE se produce en sistemas a bajas presiones y con catalizadores tipo Ziegler. Entre las aplicaciones de estos materiales se incluyen recubrimientos para carros de ferrocarril, naves de autodescarga, sellos, implantes quirúrgicos, puntas de pluma y tablas para cortar carne. Las líneas de procesamiento para alimentos y bebidas, los componentes para bombas, los empaques, filtros, tornillos de alimentación, rieles de. de. In. g.. Q uí. m. ica. guía, rodillos, engranajes y abrazaderas están hechos de UHMWPE. (Rubin, 1998).. ca. Figura 6. Diferencias entre moléculas de a) LDPE, b) LLDPE, c) HDPE. te. 1.2.4. Polimerización del etileno para la obtención del polietileno.. Bi bl. io. La ecuación general de la polimerización del etileno es la siguiente:. ……..…(2) Dependiendo de las variables de operación como son la temperatura T, presión P y el catalizador a utilizar, se obtendrán diferentes tipos de polietileno. El uso de los catalizadores en las reacciones supuso uno de los avances más importantes de la química de los polímeros en el siglo XX. Hasta 1953, el etileno se polimerizaba a altas presiones y temperaturas moderadas mediante un proceso radical. El polímero resultante es de cadena lineal muy ramificada, baja cristalinidad y presente. 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. propiedades mecánicas y térmicas aceptables. Así se obtiene el polietileno de baja densidad (LDPE, Low Density PolyEthylene). En 1953, Ziegler descubrió que en presencia de un catalizar de titanio y aluminio, la polimerización del etileno se puede llevar a cabo a temperatura ambiente y presiones bajas. El polímero obtenido es cristalino y posee pocas ramificaciones, es el llamado. ica. polietileno de alta densidad (HDPE, High Density PolyEthylene).. 1.3. EL PROCESO DE PIROLISIS. m. El incesante aumento de los residuos, ya sean de procedencia doméstica como. Q uí. industrial, abre nuevas posibilidades de aplicación a tecnologías que hasta hace pocos años parecían condenadas al ostracismo. Una de ellas es la pirolisis.. g.. En el caso de los residuos sólidos urbanos, los nuevos sistemas de recogida. In. selectiva, dan lugar en las plantas de clasificación a un tipo de rechazo difícil de tratar. de. por los medios convencionales de tratamiento, a no ser que vaya a parar al vertedero. En los últimos años se han desarrollado una serie de sistemas de tratamiento. ca. térmico de residuos, una parte para cumplir con la Directiva Europea de 1999, relativa. te. a la prohibición de vertido de materia orgánica y de materiales reciclables y también. io. para limitar el sistema de incineración en masa, y así han surgido otras alternativas. Bi bl. como la pirolisis y la gasificación. 1.3.1. Principios del proceso de pirolisis La pirolisis es la descomposición térmica de la materia en ausencia de oxígeno. Los compuestos basados en carbono contenidos en el residuo se descomponen dando gases, hidrocarburos condensables y un residuo carbonoso o char (palabra que se emplea en esta tecnología para designar el coque). Si bien este fenómeno fisicoquímico constituye una etapa previa a la combustión o a la gasificación, también se encuentra como proceso industrial. Los productos de pirolisis se aprovechan de muy diferentes maneras.. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.2. Naturaleza de los productos de la pirolisis Las características de las tres principales fracciones componentes que resultan de la pirolisis son: -. La corriente de gas que puede contener distintos compuestos gaseosos dependiendo de las características orgánicas del material que es pirolizado y de las condiciones de operación.. -. La fracción condensable, líquida a temperatura ambiente, integrada por un conjunto heterogéneo de vapores. Un coque o char residual consiste en carbono casi puro mezclado con el. ica. -. m. material inerte que entra en el proceso.. Q uí. Se ha encontrado que la distribución de las fracciones producto de la pirolisis, varía con la temperatura a la que se lleva a cabo la pirolisis.. g.. 1.3.3. La pirolisis de plásticos. In. Castells (2005) refiere que la pirolisis es otra posibilidad además de la combustión o incineración, en las que de una forma u otra se aprovecha el contenido energético de. de. los residuos plásticos en general y, naturalmente, de los contenidos en los desechos. ca. urbanos.. En los últimos tiempos se han llevado a cabo un sinfín de investigaciones y pruebas. te. sobre la pirolisis de plásticas. El punto de partida de todas ellas es el hecho de que los. io. plásticos, todos ellos sólidos están compuestos por largas cadenas poliméricas que por. Bi bl. acción de la temperatura se descomponen y se obtienen compuestos de cadena más corta. Estos suelen ser líquidos y gases. Los plásticos, como sustancias de alto peso molecular no permiten ser purificados mediante procesos como la destilación, extracción, o cristalización. Solamente pueden ser aprovechados mediante ruptura de las macromoléculas en fragmentos más pequeños. En vistas al aprovechamiento energético, cuanto mayor sea la cantidad de gas en detrimento de la fracción líquida y, sobre todo sólida, tanto mejor. En líneas generales se procura que la temperatura sea elevada para lograr la máxima cantidad de gases si lo que se desea es obtener gases combustibles o también se procura que la temperatura. 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de pirolisis sea baja para lograr la máxima cantidad de líquidos si lo que se desea es obtener combustible líquido. La Tabla 7, reproduce el estado del arte de la técnica, haciendo hincapié en el polietileno (PE) ya que es el plástico más ensayado por ser el más usado. Los ensayos se han realizado utilizando reactores de lecho fluidizado, con diversos tipos de medio fluidizante. Como muestra la Tabla 7, la tasa de transformación es siempre superior al 95% y la oxidación de los productos de síntesis no ha de suponer, en principio grandes. ica. problemas. Sin embargo, desde el punto de vista ambiental, la formación de cantidades notables de benceno, tolueno, xileno e hidrocarburos aromáticos de cadena alta. Q uí. del reciclaje de los plásticos por esta vía.. m. demuestra que la pirolisis a muy altas temperaturas tiene sus inconvenientes a la hora. Una parte del propio gas de síntesis puede ser usado para el calentamiento del proceso.. g.. Para llevar a cabo estos ensayos se han usado, preferentemente, reactores de lecho. In. fluidizado ya que para esta utilización permiten unas prestaciones superiores. de. principalmente por lo que hace referencia a la isotermia del reactor, lo que redunda en una homogeneidad en los productos de síntesis.. ca. Algunos procesos se han diseñado para ser utilizados como residuos mezclados,. te. mientras otros se diseñan para acomodarlos a un tipo de plásticos a una corriente que. io. contenga solamente ciertos tipos de plásticos. Dependiendo de la alimentación y de las. Bi bl. condiciones de pirolisis, especialmente sobre el polímero particular o polímero implicado, se obtiene un espectro de diferentes productos. Algunos polímeros pirolizan en un porcentaje muy elevado a monómeros, mientras que otros no dan virtualmente ninguna proporción de monómero. En general, como criterio, se puede decir, que a una corriente de producto más o menos pura en la alimentación, será más probable que el producto de pirolisis pueda ser utilizado como materia prima para la industria química. La pirolisis de las poliolefinas tales como el polietileno generalmente da una mezcla de productos muy compleja, incluyendo alquenos, olefinas y dienos. Estos son adecuados para su empleo como combustible a causa del alto costo de purificación y del relativamente bajo valor de las especies que se han generado. Pequeñas unidades 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. para el recuperado de diisocianatos mediante pirolisis están operando en Francia y Japón. (Castells, 2005). PE. PE. PE. PS. PVC. Medio fluidizante. N2. Crak-gas. C-gas. Crak-gas. Crak-gas. Temperatura °C. 735. 735. 785. 735. 735. Hidrógeno. 0.3. 0.5. 1.9. 0.03. 0.7. Metano. 7.0. 16.2. 16.7. 0.3. 2.8. Etileno. 35.1. 25.5. 10.3. 0.5. 2.1. Etano. 3.6. 5.4. 4.1. Propano. 22.6. 9.4. 6.4. Isobuteno. 8.7. 1.1. 2.3. -. -. 1,3 Butadieno. 10.3. 2.8. 2.5. -. Pentano-Hexano. 0.01. 2.0. Q uí. -. 6.1. 0.01. -. Benceno. 0.01. 12.2. 7.4. 2.1. 3.5. Tolueno. 0.05. 3.6. 5.1. 4.5. 1.1. 1.1. 3.3. 1.0. 0.2. ica. Material. de. Tabla 7. Productos de pirólisis para diferentes tipos de plásticos.. 0.4. 0.02. 0.4. Xileno. -. Estireno. -. 1.1. 0.6. 71.0. -. Naftaleno. -. 0.3. 0.8. 0.8. 3.1. ca. In. g.. m. 0.04. 0.53. 17.3. 12.1. 15.0. 19.3. 0.4. 0.9. 18.3. 0.3. 8.8. -. -. -. -. 56.3. 98.6. 99.4. 97.9. 95.6. 98.7. Aromáticos. io. HCl. te. Char. Bi bl. TOTAL (%). Fuente: Tratamiento y valoración energética de residuos (Castells, 2005). 1.3.4. Simulación del proceso de pirolisis del polietileno y otros polímeros. Según el estudio de Mohamed Magzoub Gariaballa (2015) el diseño realizado con el programa de computadora Aspen HYSYS para convertir residuos plásticos en hidrocarbonos está basado en las siguientes tres reacciones: 1. ECUACIÓN 1: PIRÓLISIS DEL ESTIRENO 19C8 H8 → H2 + CH4 + C2 H6 + C2 H4 + C3 H6 + C3H8 + C4 H10 + C8 H16 + C16 H32 + C28 H56 + 85C……………………………………………………..(3) 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2. ECUACIÓN 2: PIRÓLISIS DEL PROPILENO 29C3 H5 → 3H2 + CH4 + C2 H6 + C2 H4 + C3 H6 + C3H8 + C4 H10 + C8 H16 + C16 H32 + C28 H56 + 20C……………………………………………………...(4) 3. ECUACIÓN 3: PIRÓLISIS DEL ETILENO 36C2 H4 → H2 + CH4 + C2 H6 + C2 H4 + C3 H6 + C3H8 + C4 H10 + C8 H16 + C16 H32 + C28 H56 + 5C……………………………………………………....(5). te. ca. de. In. g.. Q uí. m. ica. El proceso de pirolisis de residuos plásticos puede ser descrito siguiendo la Figura 7:. Bi bl. io. Figura 7. Conversión de Residuos Plásticos a Combustible Líquido Fuente: Simulación y diseño del proceso para convertir residuos plásticos en combustible líquido usando el programa Aspen Hysys (Mohamed Magzoub Garleballa, 2015). -. El flujo de entrada de la mezcla de polímeros ingresa a una unidad de precalentamiento, después, a un reactor de conversión, donde la corriente de arriba del reactor va a un condensador de vapor. La corriente de abajo es la corriente residual la cual contiene carbón negro (sólido).. -. Después del primer condensador, la corriente ingresa a un separador para separar el líquido (petróleo) del vapor. El líquido va a un tanque de producto final.. -. El vapor es enfriado aún más para productor más combustible en el segundo condensador, el cual condensa la corriente de vapor que viene del primer separador. Después la corriente ingresa a un segundo separador, para separar 24. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. el líquido (petróleo) del vapor. La corriente líquida de este segundo separador va al tanque de producto final. -. Los gases no condensados son usados en la unidad de precalentamiento del inicio del sistema para calentar el flujo de entrada de la mezcla de polímeros.. El diseño fue realizado de la siguiente manera: -. La corriente de entrada contiene polipropileno, poliestireno y polietileno con una fracción molar de 0,3; 0,4 y 0,3 respectivamente (basados en una muestra aleatorio del residuo sólido municipal) con las siguientes condiciones:. ica. 1. Temperatura = 30°C. 2. Presión = 101,324997 kPa. Esta corriente es precalentada a 220°C, usando los gases no condensados del. Q uí. -. m. 3. Flujo másico = 100kg/h. proceso mediante un intercambiador de calor.. Posteriormente la mezcla de polímeros ingresa a un reactor de conversión, la. g.. -. In. mezcla de polímero es calentada hasta 450°C en el reactor. La corriente de fondo del reactor es sólido residual (carbón negro), la corriente de tope es una. -. de. mezcla de hidrocarburos.. La corriente de tope ingresa al primer condensador, después del enfriamiento,. La corriente de tope del primer separador que es enfriada en un segundo. te. -. ca. la corriente es separada en un separador.. io. condensador, ingresa a un segundo separador para condensar los vapores. Bi bl. faltantes, para producir petróleo y gases no condensados. -. Los hidrocarburos líquidos de la corriente de fondo del primer y segundo separador son recolectados en el tanque principal.. Algunos vapores del tanque principal son recolectados y luego mezclados con la corriente de petróleo líquido de fondo del mismo, para producir el producto final. 1.3.5. Productos del proceso experimental de pirólisis del polietileno Según el estudio experimental de Conesa Ferrer (1996), los productos de una pirólisis, realizada en un reactor de lecho fluidizado, del polietileno a las condiciones aproximadas (Temperatura nominal del lecho = 500°C) se pueden apreciar en la Tabla 8:. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla 8. Rendimientos expresados en tanto por ciento en peso de la pirolisis de polietileno de Repsol en un reactor de lecho fluidizado.. PE(g). r1 100 r2 300 r3 300 r4 300 r5 300 r6 300 r7 1500 r8 1500 - Pyroprobe. 0.2660 1.5030 0.2440 1.5200 1.5020 0.3580 0.2360 0.3027 -. Porcentaje en peso (%) Metano Etano Etileno Propano Propileno 0.43 0.55 1.50 0.55 1.30 0.25 0.45 0.84 0.51 0.81 0.35 0.48 1.14 0.55 0.92 0.29 0.55 0.98 0.34 1.00 0.24 0.44 0.73 0.51 0.73 0.21 0.37 0.71 0.47 0.66 0.23 0.26 1.00 0.28 0.81 0.37 0.61 1.32 0.36 1.10 0.09 0.13 0.64 0.19 0.37. ica. arena(g). m. N. g.. Q uí. Fuente: Estudio de la pirólisis de residuos plásticos de polietileno y neumáticos usados (Conesa Ferrer, 1996). In. Tabla 8 (cont.). Rendimientos expresados en tanto por ciento en peso de la pirolisis de polietileno de Repsol en un reactor de lecho fluidizado.. Porcentaje en peso (%) Penta Bence Tolue no no no 0.95 1.74 0.67 0.65 0.84 0.00 0.65 1.34 2.01 0.72 0.92 0.00 0.47 0.10 0.00 0.51 0.51 1.29 0.30 0.28 0.86 0.28 1.00 0.52 0.21 0.09 0.3. de. Butan o 0.43 0.41 0.42 0.50 0.39 0.35 0.22 0.48 0.04. te. ca. Butie no 1.16 0.88 0.93 1.06 0.78 0.68 0.64 1.14 0.35. io. r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 -. Acetile no 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00. Bi bl. N. Xilen os 6.67 0.00 2.50 0.00 0.00 2.09 1.83 0.93 0.00. Estir eno 0.61 0.00 2.03 0.00 0.00 0.47 0.03 0.22 0.00. Total gas 16.57 5.66 13.32 6.37 4.40 8.32 6.72 8.33 2.42. Fuente: Estudio de la pirólisis de residuos plásticos de polietileno y neumáticos usados (Conesa Ferrer, 1996). 1.3.6. Reactor de Conversión El reactor de conversión, es un reactor de tanque agitado continuo, en el que se realizan reacciones únicamente de conversión, no se pueden dar reacciones de equilibrio ni cinéticas ni de ningún otro tipo. Opera sobre una base estequiométrica y la reacción se ejecutará hasta que se agote el reactivo limitante o hasta que se alcance la conversión. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.