Ingeniería Mecánica · 2025
EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR DE PIRÓLISIS DESTINADO AL PROCESAMIENTO DE LLANTAS RESIDUALES DE TIPO VEHICULAR.
Descripción: El problema global relacionado con la gestión de residuos sólidos se ha convertido en un desafío cada vez más complejo debido a la naturaleza no biodegradable de muchos de estos materiales. Entre ellos, los neumáticos fuera de uso representan una preocupación ambiental significativa, ya que su acumulación genera impactos negativos en el entorno y dificulta su disposición final. En este contexto, la búsqueda de soluciones tecnológicas eficientes ha impulsado el desarrollo e implementación de métodos avanzados de degradación térmica, como la pirólisis, que permiten transformar estos residuos en productos de valor agregado y reducir su impacto ambiental. El presente documento presenta el diseño, construcción y puesta en marcha de un reactor de pirólisis de lecho fijo, destinado al procesamiento de caucho residual derivado de llantas vehiculares. Este reactor está equipado con un sistema de generación de energía integrado y cuenta con capacidad operativa de 10 kg/h por lotes, funcionando dentro de un rango de temperatura que oscila entre los 450 y 650°C. El diseño de este sistema es el resultado de un proceso de evaluación y selección de alternativas, en el cual se emplearon matrices de selección basadas en criterios técnicos y operativos y es fundamentado en los cálculos de requerimiento calórico del proceso y la interacción de los distintos mecanismos de transferencia de calor involucrados en la degradación térmica del caucho. Asimismo, tras la construcción, ensamblaje y puesta en marcha del reactor, se realiza una evaluación de la eficiencia energética del proceso, obteniendo un valor de 56.76%, lo que evidencia el potencial de la pirólisis como una solución viable y sostenible para la gestión de residuos sólidos
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Contenido
- Introducciónp. 15
- Objetivosp. 17
- 1.1 Objetivo Generalp. 17
- 1.2 Objetivos Específicosp. 17
- Marco teóricop. 18
- 2.1 Pirólisis como proceso de degradación térmicap. 18
- 2.1.1 Pirólisis lentap. 19
- 2.1.2 Pirólisis rápidap. 19
- Tipos de reactores de pirólisisp. 21
- 2.2.1 Reactores de lecho fijop. 21
- 2.2.2 Reactores de lecho móvilp. 21
- 2.2.3 Reactores de lecho fluidizadop. 21
- 2.2.4 Reactores semi discontinuosp. 22
- 2.2.5 Reactores continuosp. 22
- Cálculos y análisis del diseño preliminarp. 23
- 3.1 Caracterización de la muestrap. 23
- 3.1.1 Prueba de humedadp. 23
- 3.1.2 Prueba de material volátilp. 24
- 3.1.3 Prueba de cenizasp. 26
- 3.2 Requerimiento de energíap. 27
- 3.2.1 Energía de calentamientop. 28
- 3.2.2 Energía de pirólisisp. 30
- 3.2.3 Energía requeridap. 31
- 3.3 Análisis calórico de alternativasp. 31
- 3.3.1 Gas propanop. 32
- 3.3.2 Bagazo de cañap. 33
- 3.4 Energía presente en el procesop. 33
- 3.4.1 Energía sensiblep. 34
- 3.4.2 Energía de descomposiciónp. 37
- 3.4.3 Energía de pirólisisp. 30
- 3.4.4 Energía de pérdidasp. 40
- 3.5 Mecanismos de transferencia de calorp. 40
- 3.5.1 Calor por conducciónp. 40
- 3.5.2 Calor por convecciónp. 40
- 3.5.3 Calor por radiaciónp. 44
- 3.5.4 Modelo de resistencias térmicasp. 45
- Diseño conceptualp. 47
- 4.1 Requerimientos de la máquinap. 47
- 4.2 Generación de alternativasp. 47
- 4.2.1 Suministros de energíap. 48
- 4.2.2 Reactorp. 51
- 4.3 Evaluación de alternativasp. 55
- 4.3.1 Suministro de energíap. 55
- 4.3.2 Reactorp. 51
- 4.4 Dimensionamiento del sistemap. 56
- 4.4.1 Dimensionamiento del reactorp. 56
- 4.4.2 Dimensionamiento de las flautas de gasp. 58
- 4.4.3 Dimensionamiento de la carcasap. 59
- 5. Diseño en detallep. 60
- 5.1 Suministro de energíap. 55
- 5.1.1 Análisis del fenómeno de combustiónp. 60
- 5.1.2 Cálculo del consumo de combustiblep. 63
- 5.1.3 Relación aire-combustiblep. 63
- 5.1.4 Selección de materialp. 64
- 5.1.5 Calculo diámetro del inyector de gasp. 64
- 5.1.6 Sistema de distribución de gasp. 65
- 5.2 Reactorp. 51
- 5.2.1 Análisis de transferencia de calorp. 66
- 5.2.2 Análisis por convecciónp. 69
- 5.2.3 Análisis de radiaciónp. 73
- 5.2.4 Análisis y selección de materialesp. 85
- 5.3 Selección elementos de la junta tapa/reactorp. 86
- 5.4 Selección elementos estructuralesp. 95
- 6. Sistema de seguridadp. 101
- 6.1 Cálculo de aislamiento térmicop. 101
- 6.2 Sistema de encendidop. 102
- 6.2.1 Accionamiento manualp. 103
- 6.2.2 Accionamiento automáticop. 103
- Lista de materialesp. 105
- 7.1 Suministro de energíap. 55
- 7.2 Reactorp. 51
- 7.3 Panel de controlp. 107
- Proceso de construcciónp. 108
- 8.1 Construcción de elementos basep. 109
- 8.2 Pruebas y construcción de flautas de gasp. 111
- 8.3 Desarrollo de elementos estructuralesp. 117
- 8.4 Implementación del sistema de seguridad (aislamiento y control)p. 118
- 8.5 Implementación y ajuste del sistema de condensaciónp. 120
- Puesta en marcha y resultadosp. 122
- 9.1 Apreciaciones a partir de la puesta en marchap. 122
- 9.2 Cálculo energético de los elementosp. 124
- 9.3 Cálculo del desempeño del reactorp. 128
- 10 Conclusionesp. 130
- 11 Recomendacionesp. 131
- Referenciasp. 132
- Apéndicesp. 135
- Tabla 1. Pruebas de humedad realizadasp. 24
- Tabla 2. Registro de pruebas de volátilesp. 26
- Tabla 3. Resumen de pruebas de cenizasp. 27
- específicop. 36
- Tabla 5. Matriz de selección de suministro de energíap. 55
- Tabla 6. Matriz de selección del reactorp. 56
- Tabla 7. Pruebas de masa y volumen de muestras de neumático fuera de uso a pirolizarp. 57
- Tabla 8. Resultados iniciales proceso de iteraciónp. 75
- Tabla 9. Variación de las variables principales con la temperatura de llamap. 76
- Tabla 10. Valores finales cilindros concéntricos sin tapasp. 76
- tapasp. 82
- Tabla 12. Resumen de los valores de radiosidadp. 83
- Tabla 13. Resumen de los valores de calorp. 84
- asumida inicialmentep. 84
- Tabla 15. Resultados finales recalculadosp. 84
- Tabla 16. Resultados análisis estático del bastidorp. 100
- Tabla 17. Caudal ventiladoresp. 124
- Tabla 18. Resumen de composición de compuestos de pirólisisp. 129
- Figura 1. Características de algunos procesos de pirolisisp. 20
- Figura 2. Muestra del caucho después de la prueba de humedad. Autoría: Propiap. 24
- Figura 3. Muestras en crisoles después de prueba de material volátil. Autoría: Propiap. 25
- Figura 4. Recolección de cenizas de los crisoles después de la prueba Autoría: Propiap. 26
- para los primeros 10 segundos. Autoría: Propiap. 29
- ocurren las primeras variaciones. Autoría: Propiap. 30
- constante. Autoría: Propiap. 31
- gradientes de calentamiento. Autoría: Ochoa A, Mahecha D. Pag 53p. 35
- Figura 9. Representación del modelo de placas verticalesp. 42
- Figura 11. Quemador de bagazo de caña Autoría: Proyecto de grado UISp. 49
- Figura 12.Quemador de gas propano ubicado al interior del reactorp. 50
- Figura 13. Quemador de gas propano exterior al reactorp. 51
- Figura 14. Representación de alternativa de reactor tubular extraíble. Autoría: Propiap. 52
- Figura 15. Alternativa de cilindro fijo como reactor fijop. 53
- Figura 16. Reactor cónico extraíblep. 54
- Figura 17. Representación sistema distribución de gasp. 66
- Figura 18. Esquema de resistencias térmicas del procesop. 67
- Figura 19. Proceso de iteración, cálculo de temperatura de llamap. 69
- Figura 20. Configuración geométricap. 71
- Figura 21. Esquema representativo análisis de radiación 1p. 74
- Figura 22. Representación de calor por radiación 1p. 74
- Figura 23. Superficies en interacciónp. 77
- Cengelp. 78
- Figura 25. Gráfica de factor de visión entre dos discos paralelos coaxialesp. 80
- Figura 26. Ilustración de juntap. 86
- Figura 27. Ilustración de junta en secciónp. 86
- Figura 28. Parámetro 𝑝𝑖p. 88
- Figura 29. Parámetro 𝑞𝑖p. 89
- Figura 30. Configuración de la junta en tensiónp. 90
- Figura 31. Dimensiones tornillos estándar nacional unificadop. 91
- Figura 32. Representación empaquep. 92
- Figura 33. Especificación y resistencia de la SAE pernos de acerop. 94
- Figura 34. Estructura soporte del sistemap. 95
- Figura 35. Masa cascaronp. 96
- Figura 36. Masa reactorp. 97
- Figura 37. Masa tapa reactorp. 98
- Figura 38. Esfuerzos de tensión y flexiónp. 99
- Figura 39. Deformación máxima del bastidorp. 99
- Figura 40. Factor de seguridad mínimop. 100
- Figura 41. Código de Arduino para accionamiento de chispap. 104
- Figura 42. Reactor de acero inoxidable 304p. 109
- Figura 43. Camisa externa del reactor de acero al carbono HRp. 109
- Figura 44. Brida del reactorp. 110
- Figura 45. Brida del cascarónp. 110
- Figura 46. Primera configuración para la salida de los gases de combustiónp. 111
- Figura 47. Configuración final para la salida de los gases de combustiónp. 111
- Figura 48. Configuración de bridasp. 111
- Figura 49. Prototipo de flautasp. 113
- Figura 50. Flautas finales con sus correspondientes bujíasp. 114
- Figura 51. Sistema flexible de distribución de gasp. 115
- Figura 53. Prueba de calentamiento en vacío del reactor #2p. 117
- Figura 54. Prueba de calentamiento en vacío del reactor #1p. 117
- Figura 55. Bastidor construidop. 118
- Figura 56. Implementación del sistema de aislamientop. 119
- Figura 57. Sistema completop. 121
- Figura 58. Aceite pirolíticop. 123
- Figura 59. Quema de gases no condensablesp. 123
- Figura 60. Ficha técnica bomba de la torre de enfriamientop. 125
- Figura 61. Ficha técnica ventilador de la torre de enfriamientop. 125
- Figura 62. Motor del turbocompresorp. 126
- Figura 63. Segundo ventilador utilizadop. 126
- Figura 64. Ventilador centrífugo ubicado a la salida del condensadorp. 127
- Figura 65. Ficha técnica módulo de bujíasp. 128