Neumaticos.docx

Universidad Nacional Autónoma de México. Facultad de Estudios Superiores Zaragoza.

Diseño de un reactor heterogéneo para la degradación de neumáticos fuera de uso. Laboratorio y Taller de Proyectos. Módulo: Diseño de Procesos.

Introducción Actualmente en nuestro país los neumáticos de automóviles son desechados en forma continua, sin registrarse en general ningún sistema formal de deposición selecta o lugares especialmente destinados al efecto. En la actualidad hay pocas empresas en el país que reciclan el caucho de los neumáticos, dado el gran parque automotor con que se cuenta, y por ende la gran cantidad de neumáticos desechados, se hace imprescindible reutilizar los desechos de este material. Por esta razón se hace necesario comenzar a conocer este tipo de residuo que se esta generando, para determinar la posibilidad de intervenir en la selección y contar con una valoración del volumen del mismo.

ANTECEDENTES 1.0 Los Neumáticos El neumático, también denominado cubierta, goma o llanta en América, es una pieza fabricada con un compuesto basado en el caucho que se coloca en la rueda de un vehículo para conferirle adherencia, estabilidad y confort. Constituye el único punto de contacto del vehículo con el suelo y, por tanto, del neumático depende en buena medida el comportamiento dinámico del vehículo: es decir, cómo se mueve el vehículo sobre el terreno. 1.1 Composición de los neumáticos La complejidad de la forma y de las funciones que cada parte del neumático tiene que cumplir se traduce también en una complejidad de los materiales que lo componen. El principal componente del neumático es el caucho: casi la mitad de su peso. Los elastómeros o cauchos son materiales poliméricos cuyas dimensiones pueden variar según sea el tipo de esfuerzo al que son sometidos, volviendo a su forma cuando el esfuerzo se retira. El caucho natural se extrae a partir del árbol Hevea Brasiliensis que es un látex con partículas de caucho en suspensión. Después de un proceso de secado y de ahumado se utilizan diferentes productos. Hoy en día alcanza el 30 % del mercado de los cauchos, el resto lo ocupan los cauchos sintéticos, todos basados en hidrocarburos. Los tipos de caucho más empleados en la fabricación de los neumáticos son: Cauchos naturales (NR), Polibutadienos (BR), Estireno – Butadieno (SBR) y Polisoprenos sintéticos (IR) Todos los tipos de cauchos poseen diferentes propiedades, pero también con algo en común: todos, una vez vulcanizados, pueden ser muy duraderos, por lo que necesitarían una gran cantidad de tiempo para su degradación. La combinación se realiza de modo que los cauchos naturales proporcionen elasticidad y los sintéticos, estabilidad térmica. Esta combinación de efectos favorece la durabilidad y la capacidad de adaptarse a las nuevas exigencias del tránsito. La estructura de los cauchos naturales esta formada por cis-1,4 polisopreno mezclado con pequeñas cantidades de proteínas, lípidos y sales inorgánicas, entre otros.

En el proceso de vulcanización el caucho pasa de ser un material termoplástico a ser uno elastomérico. La adición de cargas hace abaratar el valor del neumático, dándole cuerpo y rigidez, se utilizan negro de humo y arcillas modificadas. Se agregan además, otros materiales al caucho para mejorar sus propiedades, tales como: suavizantes, que aumentan la trabajabilidad del caucho, antes de la vulcanización; óxido de Zinc y de Magnesio, comúnmente denominados activadores, pues son mezclados para reducir el tiempo de vulcanización de varias a horas a pocos minutos; antioxidantes, para dar mayor vida al caucho sin que se degrade por la acción del oxígeno y el ozono; y finalmente negro de humo, especie de humo negro obtenido por combustión incompleta de gases naturales, que entrega mayor resistencia a la abrasión y a la tensión. Además de caucho, los neumáticos están compuestos por: - Rellenos reforzantes: el negro de humo, formado de partículas muy pequeñas de carbono, que aumenta la tenacidad y la resistencia a la tracción, a la torsión y al desgaste. - Fibras reforzantes: textiles y de acero, usualmente en forma de hilos, que aportan resistencia a los neumáticos: algodón, nylon y poliéster. La cantidad de acero y fibras sintéticas reforzantes en los neumáticos varía según el fabricante. - Plastificantes: se adicionan para facilitar la preparación y elaboración de las mezclas, utilizándose para el control de la viscosidad. Reducen la fricción interna durante el procesado y mejoran la flexibilidad a bajas temperaturas del producto: aceites minerales (aromáticos, nafténicos y parafínicos) y de de tipo éster. - Agentes vulcanizantes: el azufre se usa para entrecruzar las cadenas de polímero en el caucho: - Acelerantes: compuestos órgano - sulfurados, benzotiazol y derivados, óxido de zinc y ácido esteárico. Retardantes: N-nitroso difenil amina. - Otros componentes (antioxidantes o antiozonizantes, adhesivos). En forma general el neumático esta compuesto por los siguientes componentes:

1.2 Estructura de los neumáticos Un neumático se compone de varios elementos que hacen que cumpla correctamente con su función.

Revestimiento de goma interior Es la capa de goma más interna y sirve para retener el aire en el interior del neumático facilitando la estanqueidad. Zona baja Es la parte inferior de la cara del neumático, justo por encima del talón Aro de talón

Parte interior del neumático que se ajusta a las llantas, está compuesto por alambres de acero de alta tecnología formando un cable trenzado y circular, esto facilita el ajuste del neumático y las llantas evitando que patine en ella. Hombro La goma del hombro es la más gruesa, debido a que es la parte más expuesta a los bordillos y otros golpes, además permite distribuir fácilmente el calor producido por el neumático durante sus movimientos sobre la carretera. Flanco Está constituido por goma flexible para adaptarse a las deformaciones del neumático en fase de rodadura. Protege al neumático de golpes laterales. Lona De Carcasa Son cables de fibras textiles en arcos dispuestos en ángulos rectos y pegados al caucho de las cubiertas. Permiten al neumático resistir la presión. En una lona de neumático de un turismo hay aproximadamente unos 1400 cables. Lonas de cima Son cables de acero muy finos y resistentes, cruzados oblicuamente y pegados unos a otros de manera que formen triángulos indeformables. Esta estructura garantiza al mismo tiempo robustez y flexibilidad. Valorización de residuos Los Neumáticos fuera de uso (NFU) son aquellos neumáticos que se han convertido en residuos, es decir, que su poseedor haya desechado o tenga la intención u obligación de desechar. Los neumáticos fuera de uso son neumáticos que han sido utilizados y de los que sus poseedores se han desprendido, bien porque por esa utilización su superficie de caucho se haya desgastado o su estructura interna haya perdido total o parcialmente sus características de resistencia mecánica y ya no cumplan los requisitos de la normativa aplicable, o bien porque sus propietarios los hayan sustituido por otros nuevos. Algunos de ellos pueden ser recauchutados y utilizados de nuevo; otros no pueden recauchutarse y se destinan a su valorización material o se utilizan como combustible en fábricas de cemento, centrales térmicas, etc. La masiva fabricación de neumáticos y las dificultades para hacerlos desaparecer una vez usados, constituye uno de los más graves problemas medioambientales de los últimos años en todo el mundo. Un neumático necesita grandes cantidades

de energía para ser fabricado (aproximadamente el equivalente a medio barril de petróleo crudo para generar un neumático de camión) y también provoca, si no es convenientemente tratado, contaminación ambiental al formar parte, generalmente, de vertederos incontrolados. Para eliminar estos residuos se usa con frecuencia la quema directa que provoca graves problemas medioambientales ya que produce emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno, aunque no es menos problemático el almacenamiento, ya que genera problemas de estabilidad por la degradación química parcial que éstos sufren y provocan efectos negativos en cuanto a seguridad en el vertedero. Además, las montañas de neumáticos forman arrecifes donde la proliferación de roedores, insectos y otros animales dañinos constituye un problema añadido. Existen métodos para conseguir un reciclado coherente de estos productos pero faltan políticas que favorezcan la recogida y la implantación de industrias dedicadas a la tarea de recuperar o eliminar, de forma limpia, los componentes peligrosos de las gomas de los vehículos y maquinarias.

Técnicas de valorización de neumáticos fuera de uso

• TERMÓLISIS

Este método consigue la recuperación total de los componentes del neumático. Se trata de un sistema basado en el calentamiento de los materiales de residuos de neumáticos en un medio en el que no existe oxígeno. De él se obtienen metales, carbones e hidrocarburos gaseosos que pueden volver a las cadenas industriales, ya sea de producción de neumáticos o de otras actividades. • PIROLISIS Es la descomposición térmica de materiales con contenido en carbono. (goma, plástico, etc. ) en ausencia de oxígeno. Este método, aun está poco extendido, debido a problemas de separación de compuestos carbonados que ya están siendo superados. Este procedimiento (fabrica piloto) está operativo en Taiwán desde 2002 y es capaz de tratar 28.000 toneladas de neumáticos usados/año, a través de una sola línea. Los productos obtenidos después del proceso de pirolisis son principalmente: GAZ, similar al propano que se puede emplear para uso industrial y Aceite industrial liquido que se puede refinar en Diesel, Coke y Acero. • INCINERACION Proceso por el que se produce la combustión de los compuestos orgánicos del neumático a altas temperaturas en hornos con materiales refractarios de alta calidad. Es un método costoso y además presenta el inconveniente de la diferente velocidad de combustión de los distintos componentes y la necesidad de depuración de los residuos por lo que no resulta fácil de controlar y además es contaminante. Genera calor que puede ser usado como energía, ya que se trata de un proceso exotérmico. Los productos contaminantes que se producen en la combustión, a través de este tipo de tratamiento, son muy perjudiciales para la salud humana, entre ellos: el Monóxido de carbono, el Xileno, el Hollín, los Óxidos de nitrógeno, el Dióxido de carbono, los Óxidos de zinc , los Fenoles, el Dióxido de azufre, los Óxidos de plomo, el Tolueno. Además el hollín contiene cantidades importantes de hidrocarburos aromáticos policíclicos, altamente cancerígenos. El zinc, en concreto, es particularmente tóxico para la fauna acuática. Además estos compuestos son peligros debido a que son solubles en el agua, por lo que pasan a la cadena trófica y de ahí a los seres humanos. • TRITURACION CRIOGÉNICA Este método necesita unas instalaciones muy complejas lo que hace que no rentable económicamente y que el mantenimiento de la maquinaria y del proceso

sea difícil. La baja calidad de los productos obtenidos y la dificultad material y económica para purificar y separar el caucho y el metal entre sí y de los materiales textiles que forman el neumático, provoca que este sistema sea poco recomendable. • TRITURACIÓN MECÁNICA La trituración con sistemas mecánicos consiste en dividir, mezclar y homogeneizar la basura y es, casi siempre, el paso previo en los diferentes métodos de recuperación y rentabilización de los residuos de neumáticos. Es un proceso puramente mecánico y por tanto los productos resultantes son de alta calidad limpios de todo tipo de impurezas, lo que facilita la utilización de estos materiales en nuevos procesos y aplicaciones.

Tipos de pirolisis La pirólisis es un proceso complejo; que se lleva a cabo por medio de una serie de reacciones químicas que están influenciadas por varios factores: naturaleza de la materia prima, la velocidad de calentamiento, tiempo de residencia, velocidad de enfriamiento, la temperatura del proceso, así como también el tipo de reactor usado.

Factores que influyen en la pirolisis Durante el proceso, la cantidad de componentes tantos gaseosos como líquidos puede variar desde un 25 a un 70% en peso aproximadamente. Esta cantidad depende de una serie de factores y variables que se mencionan a continuación: Temperatura y velocidad de calentamiento El carbón sufre una gran variedad de cambios tanto físicos como químicos cuando se incrementa la temperatura desde la ambiente hasta el final de la última fase, 1000 ºC aproximadamente. Si la temperatura de reacción es demasiado baja, las reacciones de descomposición no se producirán con la extensión debida y la obtención de gases y alquitranes será incompleta y, por tanto, el rendimiento en estos productos será bajo. A temperaturas de reacción altas, se producirán rupturas térmicas de los alquitranes y será por tanto pequeño el rendimiento en líquidos. Así pues, existe una temperatura idónea a la cual se produce el máximo rendimiento. Tipo de carbón El tipo de carbón influye fuertemente en el comportamiento de la pirólisis. Los carbones de bajo rango (lignitos) contienen oxígeno que durante el proceso de pirólisis se desprenden como agua y óxidos de carbono. Los carbones con alto rango (bituminosos) contienen una menor cantidad de oxígeno y, por tanto, producen un menor volumen de agua y de óxidos de carbono que hidrocarburos gaseosos cuando se pirolizan. Tipo de reactor El tipo de reactor es otro de los parámetros más influyentes en el proceso. Su importancia se basa en aspectos claves como los tiempos de residencia y la transferencia de calor, influyendo en los mecanismos que pueden controlar la velocidad de pirólisis. En reactores de lecho fijo, la etapa controlante de la velocidad es la transferencia de calor. Esto supone una limitación en la velocidad de calentamiento y un tiempo de residencia elevado. Los reactores de lecho fluidizado se adaptan mejor a los procesos continuos. En ellos la transferencia de calor a las partículas de carbón es muy rápida y pueden alcanzase altas velocidades de calentamiento. Presión La pirólisis en atmósfera inerte a presión reducida aumenta el rendimiento en alquitranes. Tamaño de la partícula Influye sobre los mecanismos de transferencia de calor. A mayor tamaño de la partícula, menor velocidad de reacción y menor rendimiento en gases y líquidos.

Otros Otros factores que pueden influir son la presencia de materiales inorgánicos y reacciones secundarias.

Productos de la pirolisis Char. Puede utilizarse como negro de humo de baja calidad, como combustible sólido, puede ser mejorado a carbón activado o puede utilizarse como fuente de energía para el reactor pirolizador (Ismail et al., 2016). La mayor parte del azufre se conserva en el carbón sólido, mientras que algunos compuestos de azufre se encuentran en la fracción de nafta ligera. En cuanto a los compuestos nitrogenados, son los siguientes: aminas alifáticas, amidas y nitrilos, piridina y derivados de alquilo, anilina y sus derivados de alquilo, quinonas y benzotiazoles. Gas .La descomposición primaria de la biomasa produce gases condensables y gases no condensables. Los gases condensables tienen moléculas más pesadas, y condensan al enfriarse, dando lugar al producto líquido de la pirólisis o bio-oil (1). La mayoría de los sistemas pirolíticos usan ciclones para eliminar los sólidos y partículas en la corriente de los gases y vapores del producto, e incluso se pueden emplear ciclones en serie. Las cenizas más finas no se pueden separar de la corriente gaseosa a pesar de los ciclones. El carbón contribuye al craqueo en fase de vapor, es decir, a la rotura de largas cadenas orgánicas gaseosas haciendo que el gas condensable pase a no condensable. Por lo tanto, es deseable una separación rápida y completa del char. El perfil de temperatura y tiempo asociado entre la aparición de gases en el proceso de pirólisis y su condensación afecta a la composición y calidad del producto líquido. Las altas temperaturas continúan rompiendo las moléculas de los vapores, y cuanto mayor sea el tiempo que los vapores estén a temperaturas altas, mayor será el grado de craqueo. La mayoría de las reacciones secundarias se vuelven lentas por debajo de los 350 °C, y algunas reacciones secundarias continúan hasta la temperatura ambiente en los líquidos, lo que contribuye a la inestabilidad en la composición del líquido de pirólisis (10). La mezcla de gases no condensables contiene gases de menor peso molecular como dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano, etano y etileno, que no condensan a pesar del enfriamiento (1). La temperatura de operación influirá en la liberación de gases durante el proceso pirolítico. La pirólisis rápida tiene como fin maximizar la producción de líquido, minimizando las fracciones de sólido y gas, es decir, se obtendrá menor proporción de gases no condensables

Usos del char Las condiciones de pirólisis se optimizan usualmente para maximizar los productos líquidos y de gas. Sin embargo, también se produce una fracción sólida denominada char o carbón pirolítico. Consiste principalmente en una matriz rica en carbono que contiene casi todos los compuestos inorgánicos presentes en los desechos crudos y una cantidad significativa de subproductos condensados formados durante el proceso de pirólisis y dispersados a través de la estructura porosa sólida. El valor de calentamiento del carbón obtenido de la co-pirólisis de residuos (mezcla de biodegradable y no biodegradable) es de aproximadamente 34 MJ / kg, comparable con el carbón típico. Ciertos metales pesados y otros elementos peligrosos, como S, Cl y N, también pueden retenerse en los productos sólidos. Por lo tanto, es importante evaluar su impacto en el medio ambiente y los seres humanos. En general, este producto puede ser quemado para proporcionar energía para el proceso de pirólisis u otros propósitos. El carbón obtenido en pirólisis no sólo es un buen combustible, sino que también puede procesarse y convertirse en carbón activado. En efecto, una interesante aplicación de carbón de la pirólisis de mezclas de residuos es su valorización como adsorbente de contaminantes. Normalmente, los carbones de pirólisis tienen estructuras porosas compatibles con propósitos de adsorción. Otra aplicación de carbón de la pirólisis es su uso como fertilizante orgánico, porque aumenta la retención de nutrientes y agua en el suelo, incrementando los rendimientos de los cultivo

Etapas del proceso de la pirolisis El proceso consta de 3 etapas claramente diferenciadas: 1. En esta primera etapa se produce una descomposición lenta con producción de pequeñas cantidades de agua, óxidos de carbono, hidrógeno y metano. Esto es consecuencia de la ruptura de enlaces debido a alta temperatura a la que se lleva el proceso y consecuencia también de la liberación de gases retenidos en el carbón. 2. Esta segunda etapa se conoce como descomposición térmica activa. La temperatura aumenta y se produce una fragmentación más profunda de la molécula de carbón con la formación de hidrocarburos condensables y alquitranes. Esta etapa comienza alrededor de los 360 ºC y finaliza cuando se han alcanzado temperaturas alrededor de los 560 ºC aproximadamente. 3. La última etapa, que transcurre a temperaturas superiores a los 600 ºC, se caracteriza por la eliminación gradual de hidrógeno y otros heteroátomos.

De acuerdo a datos registrados por la Subsecretaría de Fomento y Normatividad Ambiental se