DISEÑO Y PUESTA A PUNTO DE UN PROTOCOLO PARA …

Curso Académico:

TRABAJO FIN DE GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

DISEÑO Y PUESTA A PUNTO DE UN PROTOCOLO PARA DETERMINAR EL PODER CALORÍFICO DE SÓLIDOS.

APLICACIÓN A RESIDUOS PLÁSTICOS.

AUTOR:

TUTOR:

ALBERTO CÁMARA MEROÑO

MARÍA TERESA MONTAÑÉS SANJUAN

2016-17

1

DISEÑOYPUESTAAPUNTODEUNPROTOCOLOPARADETERMINARELPODERCALORÍFICODESÓLIDOS.APLICACIÓNARESIDUOSPLÁSTICOS.

RESUMEN

Elestudiorealizadotienecomoobjetoestablecerunprotocolodetrabajonormalizadoparala utilización de una bomba calorimétrica, recientemente adquirida, que permita conocer lasposibilidadesdevalorizaciónenergéticadesólidosplásticosmedianteladeterminacióndesupodercalorífico.Seestablecenlascondicionesoperativasdelabombacalorimétricautilizada,concretandocantidadesdemuestras(400mg), longituddelhilodeignición(10cm)cantidaddeaguaenelvasoDewar(850g)ypresióndeO2enlabomba(8bar)conobjetodeasegurarunacombustióncompleta.Lacapacidadcaloríficadel sistemasehaestablecidoutilizandocomosustanciadereferenciaácidobenzoico, obteniéndose un valor de 4965,54 ± 240,65 J/ºC y se ha comprobado el correctofuncionamientodelcalorímetrocalculandoelcalordecombustióndelnaftaleno(38,34±0,38kJ/g),quepresentaunapequeñadesviaciónconrespectoasuvalorteórico(error<5%).Finalmente,sehaaplicado el protocolo de trabajo para calcular el poder calorífico de tresmuestras de plástico depolietilenodealtadensidad(unapuroydosrecicladas)obteniendovaloressimilaresparatodasellas(45,93±0,48,45,74±0,29y46,57±0,19kJ/g)ysuperioresaalgunoscombustiblesfósiles(46,0kJ/gpetróleo), lo que indica que la valorización energética de residuos plásticos es adecuada ya quepermitiríareducirelconsumodeloscombustiblestradicionalesderivadosdelpetróleo.

PalabrasClave:calorimetría,bombacalorimétrica,residuosplásticos,valorizaciónenergética

2


ABSTRACT

This study aims tomake a standardizedworking protocol for the use of a newly acquiredcalorimeter,whichallowsknowingthepossibilitiesofenergyrecoveryofplasticsolidsbydeterminingtheircalorificvalue.Theoperatingconditionsofthecalorimeterusedareestablished;specifyingtheamountofwater in theDewarvessel (850g)andO2pressure (8bar) inorder toensurecompletecombustion.Theheatcapacityofthesystemhasbeensettleddownusingbenzoicacidasthereferencesubstance,obtainingavalueof4965,54±240,65J/ºC.Thecorrectfunctioningofthecalorimeterhasbeenverifiedbycalculatingthecombustionheatofthenaphthalene(38,34±0,38kJ/g)whichshowsa small deviation from its theoretical value (error <5%). Finally, thework protocolwas applied tocalculate the calorific value of three samples of high density polyethylene plastic (pure and tworecycled)obtainingsimilarvaluesforallofthem(45,93±0,48,45,74±0,29y46,57±0,19kJ/g)andhigher than some fossil fuels (46.0kJ/gpetroleum),which indicates that theenergetic recoveryofplastic waste is suitable since it would reduce the consumption of traditional fuels derived frompetroleum.

Keywords:calorimetry,calorimeter,plasticwaste,energyrecovery

3


RESUM

L'estudirealitzattécomobjecteestablirunprotocoldetreballnormalitzatperalautilitzaciód'una bomba calorimètrica, recentment adquirida, que permeta conèixer les possibilitats devalorització energètica de sòlids plàstics mitjançant la determinació del seu poder calorífic.S'estableixenlescondicionsoperativesdelabombacalorimètricautilitzada,concretantquantitatsdemostres(400mg),longituddelfild'ignició(10cm),quantitatd'aiguaenelvasDewar(850g)ipressiód'O2enlabomba(8bar)ambobjected'assegurarunacombustiócompleta.Lacapacitatcaloríficadelsistemas'haestablertutilitzantcomsubstànciadereferènciaàcidbenzoic,obtenint-seunvalorde4965,54±240,65J/ºCis'hacomprovatelcorrectefuncionamentdelcalorímetrecalculantlacalordecombustiódelnaftalè(38,34±0,38kJ/g),quepresentaunaxicotetadesviaciórespectealvalorteòric(error <5%). Finalment, s'ha aplicat el protocol de treball per a calcular el poder calorífic de tresmostresdeplàsticdepolietilèd'altadensitat(unapuraiduesreciclades),obtenint-sevalorssimilarsperatoteselles(45,93±0,48,45,74±0,29y46,57±0,19kJ/g)isuperiorsaalgunscombustiblesfòssils(46,0KJ/gdelpetroli),laqualcosaindicaquelavaloritzacióenergèticaderesidusplàsticsésadequadajaquepermetriareduirelconsumdelscombustiblestradicionalsderivatsdelpetroli.

ParaulesClau:calorimetria,bombacalorimètrica,residusplàstics,valoritzacióenergètica

4


DOCUMENTOSCONTENIDOSENELTFG:

• MEMORIADESCRIPTIVA

• PRESUPUESTO

DOCUMENTOI:MEMORIADESCRIPTIVA

1.OBJETOYJUSTIFICACIÓNDELTRABAJO..........................................................................92.INTRODUCCIÓN............................................................................................................11

2.1CALORIMETRÍA.......................................................................................................132.2.COMBUSTIBLES.....................................................................................................152.2.1.Podercaloríficosuperior(PCS)ypodercaloríficoinferior(PCI)............................162.2.2Combustiblessólidosrecuperados(CSR)ycombustiblesderivadosderesiduos(CDR)...............................................................................................................................16

2.3.RESIDUOSPLÁSTICOS.............................................................................................182.3.1.Tiposdeaprovechamientotérmicoderesiduosplásticos...................................20

2.4.ECONOMÍACIRCULAR............................................................................................232.4.1.Principiosycaracterísticasdelaeconomíacircular.............................................252.4.2.Economíacirculardelosresiduosplásticos..........................................................27

2.5.NORMATIVA..........................................................................................................27

3.PARTEEXPERIMENTAL..................................................................................................30

3.1.EQUIPOSYAPARATOS...........................................................................................303.1.1.Bombadecombustión..........................................................................................303.1.2.Vasodelcalorímetro.............................................................................................313.1.3.Agitador.................................................................................................................323.1.4.Sensordetemperatura.........................................................................................333.1.5.Circuitodeignición................................................................................................343.1.6.Prensa....................................................................................................................343.1.7.Balanzaanalítica....................................................................................................353.1.8.Equipoauxiliardepresióndeoxígeno..................................................................363.1.9.Campanadeextraccióndegases..........................................................................36

3.2.MATERIALES..........................................................................................................373.2.1.Hilodeignición......................................................................................................373.2.2.Muestrasdeplásticos............................................................................................38

3.3.REACTIVOS.............................................................................................................393.3.1.Ácidobenzoico......................................................................................................39

5


3.3.2.Naftaleno...............................................................................................................403.3.3.Oxígeno.................................................................................................................40

3.4.METODOLOGÍADETRABAJO..................................................................................413.4.1.Calibraciónbombacalorimétrica..........................................................................423.4.2.Determinaciónpodercaloríficodelnaftaleno......................................................443.4.3.Determinacióndelpodercaloríficodeplásticos...................................................443.4.4.Protocolodetrabajo.............................................................................................44

4.RESULTADOSYDISCUSIÓN...........................................................................................48

4.1.MONTAJEDELSISTEMACALORIMÉTRICO...............................................................484.2.CAPACIDADCALORÍFICADELCALORÍMETRO..........................................................514.3.DETERMINACIÓNDELPODERCALORÍFICODELNAFTALENO..................................594.3.DETERMINACIÓNDELPODERCALORÍFICODEPLASTICOS.......................................67

5.CONCLUSIONES............................................................................................................736.BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................................74ANEXOI:ÍNDICETABLAS..................................................................................................77ANEXOII:ÍNDICEFIGURAS...............................................................................................78

DOCUMENTOII:PRESUPUESTO

1.PRESUPUESTOPARCIAL…………………….……………………………………….…………….………………….82

1.1REACTIVOSYMUESTRAS…………………………………………………………….….………..…….821.2MATERIALES……………………………………………………………………………….….………………831.3EQUIPOSAUXILIARES………………………………………………………………….………………….831.4MANODEOBRA…………………………………………………………………………..…………..….…84

2.PRESUPUESTOTOTAL…………………………………………………………………………………………………..85

6


DOCUMENTOIMEMORIADESCRIPTIVA

7


DOCUMENTOI:MEMORIADESCRIPTIVA

1.OBJETOYJUSTIFICACIÓNDELTRABAJO..........................................................................92.INTRODUCCIÓN............................................................................................................11

2.1CALORIMETRÍA.......................................................................................................132.2.COMBUSTIBLES.....................................................................................................152.2.1.Podercaloríficosuperior(PCS)ypodercaloríficoinferior(PCI)............................162.2.2Combustiblessólidosrecuperados(CSR)ycombustiblesderivadosderesiduos(CDR)...............................................................................................................................16

2.3.RESIDUOSPLÁSTICOS.............................................................................................182.3.1.Tiposdeaprovechamientotérmicoderesiduosplásticos...................................20

2.4.ECONOMÍACIRCULAR............................................................................................232.4.1.Principiosycaracterísticasdelaeconomíacircular.............................................252.4.2.Economíacirculardelosresiduosplásticos..........................................................27

2.5.NORMATIVA..........................................................................................................27

3.PARTEEXPERIMENTAL..................................................................................................30

3.1.EQUIPOSYAPARATOS...........................................................................................303.1.1.Bombadecombustión..........................................................................................303.1.2.Vasodelcalorímetro.............................................................................................313.1.3.Agitador.................................................................................................................323.1.4.Sensordetemperatura.........................................................................................333.1.5.Circuitodeignición................................................................................................343.1.6.Prensa....................................................................................................................343.1.7.Balanzaanalítica....................................................................................................353.1.8.Equipoauxiliardepresióndeoxígeno..................................................................363.1.9.Campanadeextraccióndegases..........................................................................36

3.2.MATERIALES..........................................................................................................373.2.1.Hilodeignición......................................................................................................373.2.2.Muestrasdeplásticos............................................................................................38

3.3.REACTIVOS.............................................................................................................393.3.1.Ácidobenzoico......................................................................................................393.3.2.Naftaleno...............................................................................................................403.3.3.Oxígeno.................................................................................................................40

3.4.METODOLOGÍADETRABAJO..................................................................................413.4.1.Calibraciónbombacalorimétrica..........................................................................423.4.2.Determinaciónpodercaloríficodelnaftaleno......................................................443.4.3.Determinacióndelpodercaloríficodeplásticos...................................................443.4.4.Protocolodetrabajo.............................................................................................44

4.RESULTADOSYDISCUSIÓN...........................................................................................48

4.1.MONTAJEDELSISTEMACALORIMÉTRICO...............................................................484.2.CAPACIDADCALORÍFICADELCALORÍMETRO..........................................................514.3.DETERMINACIÓNDELPODERCALORÍFICODELNAFTALENO..................................59

8


4.3.DETERMINACIÓNDELPODERCALORÍFICODEPLASTICOS.......................................67

5.CONCLUSIONES............................................................................................................736.BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................................74ANEXOI:ÍNDICETABLAS..................................................................................................77ANEXOII:ÍNDICEFIGURAS...............................................................................................78

9


1.OBJETOYJUSTIFICACIÓNDELTRABAJO

LaobtencióndeenergíaapartirdecompuestossólidosesunodeloselementosesencialesdelagestiónsostenibledelosresiduosenelámbitodelaUniónEuropeayelcomplementoindispensablepara losambiciososobjetivosderecicladoyvalorizacióndentrode laculturade laprevenciónyelmáximo aprovechamiento de los recursos, de acuerdo con la Directiva de la Unión Europea2008/98/CEderesiduos,porlaquesepostergaelvertidoalaúltimadelasopcionesdelagestiónderesiduos.

Enestesentido,hayqueseñalarquedespuésde la reutilizaciónoreciclajede los residuosgeneradosporlaactividadhumana(industrial,agrícolaodoméstica),lavalorizaciónenergéticaesunade las prioridades establecidas. La creciente demanda energética y la cada vez más necesariautilización de fuentes de energía renovables implican conocer la posible utilización de otroscombustiblesqueporsucapacidadcaloríficaseancapacesdesustituiraloscombustiblesfósiles.

Para diseñar estrategias que permitan obtener combustibles alternativos apropiados esnecesario llevar a cabo previamente una caracterización de los mismos atendiendo entre otrascuestionesasucapacidadcalorífica,verdaderofactorlimitantedesdeelpuntodevistaeconómico,asícomogarantizarquenotenganimpactoambientalensucombustión

Por ello, en este trabajo se propone el establecimiento de un protocolo de trabajonormalizadoparalautilizacióndeunabombacalorimétricaenelDepartamentodeIngenieríaQuímicay Nuclear de la Universitat Politècnica de València que permita conocer las posibilidades devalorizaciónenergéticadesólidosmedianteladeterminacióndesupodercalorífico.

Por dicho motivo, en este Trabajo Fin de Grado se ha realizado un estudio con el fin deconseguirlossiguientesobjetivos:

1. Montaje y calibración de una bomba calorimétrica, determinando su capacidad caloríficamediantelacalibraciónconácidobenzoico.

2. Establecerunametodologíadetrabajoválidapara ladeterminacióndelpodercaloríficodematerialessólidos,medianteelusodeunabombacalorimétrica.

3. Estudiodelpodercaloríficodeunmaterialplástico(polietileno)desíntesisyreciclado,conelfindeevaluarlaidoneidaddeestosresiduosparaquesepuedallevaracabounavalorizaciónenergéticadelosmismosevitandoasíelcasomásdesfavorableenlapirámidedelagestiónderesiduos:laeliminaciónporentierroenvertedero.

Eltrabajodesarrolladosepuederesumirenelesquemadelafigura1.1.

10


Figura1.1.EsquemadelplandetrabajodeesteTFG.

11


2.INTRODUCCIÓN

Enlaactualidadlasnecesidadesdesuministrodeenergíasoncadavezmáselevadas,nosóloparaatender lasnecesidadesdomesticasde lapoblación,sinotambiénparamantener lacrecientedemandadeproducciónindustrial.Portantosedebeconseguirincrementarlaproduccióndenergíadeformaconstantesinocasionardañosirreversiblesalmedioambiente.

Hoydía, nadiediscute lanecesidadde incrementar lautilizaciónde fuentes renovablesdeenergía para completar el balance energético mundial. Hace unas décadas cuando el coste decombustibles fósiles como el fuel oil no era elevado y por ello la producción de energía eléctricatampocoloera,elusodeotrasfuentesenergéticasrenovables,comolacombustiónderesiduos,noeraeconómicamenterentablenijustificableenlamayorpartedeloscasos.

Lasituaciónactualesbastantediferente.Hahabidouncontinuoincrementoenelcostedelaenergía,yenparticularelfuel-oil,conuncrecimientoaceleradoenlosúltimosañosylasperspectivasfuturasnoindicanningunadisminución.Además,lacadavezmayorconcienciaciónmedioambientalexistenteenlasociedadobligaareconsiderarladependenciadelageneracióndeenergíaapartirdeestetipodecombustibles.

Estasituaciónhadadolugaralaideadeutilizardeterminadoscompuestosparaaprovecharsucapacidadcalorífica,yasí,generarenergíadeunamaneramáseconómicaymedioambientalmenteaceptable.

LostiposdeenergíarenovablesquelamayoríadelapoblaciónconocesonlosqueprovienendelSolyelviento,perodesconocenquehayotrotipodefuentesrenovablescomolabiomasaolosresiduosplásticos,quecontienenunaltopodercaloríficoyaportanunaltoporcentajedelaenergíaconsumidaenelmundo.

Eltérminobiomasa,serefiereatodalamateriaorgánicaqueprovienedeárboles,plantasydesechos de animales que pueden ser convertidos en energía o la proveniente de la agricultura(residuos vegetales), del aserradero (podas, ramas, aserrín, cortezas) y de los residuos urbanos(basurasorgánicas,plásticosyotros)(Biomasasomar,2015).Paraobtenerlaenergíadelabiomasa,yadesdelaantigüedad,utilizabanlacombustióndirecta.Estahasidolaformamáscomún,convirtiendotodoelpodercaloríficoenenergíaparasuplirlasnecesidades.

Elaprovechamientodelosresiduosysutransformaciónencalor,sedebeprincipalmentealsupodercaloríficoqueenalgunoscasosesmuysimilaraldeloscombustiblesfósilescomogasnatural,fuel-oil,etc.ysuperioresalcarbóno lamadera(Ramírez,2011;Castells,2000).En laFigura2.1.seexponenlosvaloresdelpodercaloríficodealgunoscompuestosycombustibles.

12


Figura2.1.Podercaloríficodealgunosmateriales(fuenteBOE2004).

Lacadavezmayorcalidaddevidayelincrementodelconsumoestáprovocandounincesanteincrementoenlageneraciónderesiduos,locualseestáconvirtiendoenungraveproblemaparalasociedad, por lo que las políticas públicas de gestión de residuos están dirigidas a conseguir lavalorizacióndedichosresiduos,bienmediantesureutilización,recicladoovalorizaciónenergética.

LaobtencióndeenergíaapartirderesiduosesunodeloselementosesencialesdelagestiónsostenibledelosresiduosenelámbitodelaUniónEuropeayelcomplementoindispensableparalosambiciososobjetivosderecicladodentrodelaculturadelaprevenciónyelmáximoaprovechamientodelosrecursostalcomoestablecelaDirectiva2008/98/CEdegestiónderesiduosquefuetraspuestaalordenamientojurídicoespañolmediantelaLey22/2011,yquedejaelvertidoavertederocomolaúltimadelasopcionesdegestiónderesiduos(BOE,2011a).

Lavalorizaciónenergéticade los residuosconsisteen lasustitucióndecombustibles fósilescomoporcombustiblesderivadosderesiduosconaltopodercalorífico.Enestesentidosedebeseñalarla utilizaciónde la valorizaciónenergéticade residuos enhornosde cementeras es unaoperaciónsegura,limpiayeficientequeseinicióhaceyavariasdécadasyqueseestádesarrollandoconéxitoenlamayoríadelospaísesdelaUniónEuropea,EstadosUnidosyJapón(AFCE,2011).

Enlospaíseseuropeosmásconcienciadosenprotecciónmedioambiental,comoporejemploAlemania,NoruegaoAustria,losporcentajesdesustitucióndecombustiblesfósilesporresiduossonbastanteelevados,oscilanentreel50yel65%.EnEspañaesteporcentajenosuperael35%,conloquetodavíaquedamuchocaminoporrecorrer(Figura2.2.).

48

46

46

44

44

33

23

20

18,9

16

8

0 10 20 30 40 50 60

GasNatural

Polietileno

Poliestireno

Fuel-oil

Polipropileno

Carbon

PET

Lignito

PVC

Madera

Basuradoméstica

13


Figura2.2.Tratamientosdelosresiduosplásticosen2014enEuropa(PlasticsEurope,2015).

2.1CALORIMETRÍA

Laprimeradistinciónentrecalor(cantidaddeenergía)ytemperatura(rangotérmico)sedebea JosephBlacken1776,queademás introdujo losconceptosdecalorespecificoycalor latentedecambiodeestado,observandoquecadasustanciaaumentalatemperaturaendiferentemagnitudalsuministrarlamismacantidaddecalor.Así,comprobóqueparaaumentarlatemperaturadelaguade15°Ca25°Chacíafaltaaplicar1,7vecesmáscalorqueparaproducirelmismocambiodetemperaturaen unamasa igual de alcohol. También observó que en los procesos de cambio de estado de lossustancias,el suministrodecalornocausaunaumentode temperatura sinouncambiodeestadofísico. En resumen, observó que cada sustancia aumenta la temperatura en diferentemagnitud alsuministrarlamismacantidaddecalor.

Estosexperimentoslosrealizóapresiónconstantecuandosetratabadelíquidos,yavolumenconstante cuandoerangases, por loqueel calor intercambiadoporel sistema conel exterior erasiempredespreciable,dandoorigenalacreenciaerróneadequeelcalorseconservabaenlosprocesostérmicos,loquesereflejabaenlafamosateoríadelcalórico.

14


Elcalórico,segúnLavoisier,justificabaelequilibriodelasmoléculasdetodosloscuerposdelanaturalezamedianteunaatracciónquetiendeaaproximarlasyelcalórico,quetiendeasepararlas.

Entermodinámica,hastaeldescubrimientodeJosephBlack,predominabanlasteoríasdelosfluidos sutiles basadas en hechos experimentales que entre otros postulados mantenían que elcalóricoseconservaencualquiertransformación,comodemuestralacalorimetría.

Fueasícomodefiniólosconceptosdecalorlatenteycalorespecífico:

• La capacidad calorífica específica, calor específico o capacidad térmica específica es unamagnitudfísicaquesedefinecomolacantidaddecalorquehayquesuministraraunaunidaddemasadeunasustanciaparaelevarsutemperaturaenunaunidad;semideenJ/ºC

• Elcalorlatenteesunamagnitudfísicaquesedefinecomolacantidaddeenergíarequeridaporunasustanciaparacambiardefase,yaseadesólidoalíquidocomodelíquidoagaseoso.Estaenergíasoloseutilizaparacambiarunafaseaotra,ynoaumentarlatemperatura.

El calorímetro es el instrumento con el que se mide la cantidad de energía generada en losprocesosdeintercambiodecalor,ylacalorimetríaeslaramadelatermodinámicaquelaestudia.

Elprimercalorímetro(Figura2.3.)fuediseñadoporLavoisieryLaplace,queestabaformadoporunvasocilíndricosujetadoalsuelomediantetresbarrasysuinteriorteníaformadeembudoconunasalidaalexterior.Dentrosecolocabaotrovasosemejanteconuntuboconllavequeatravesabaelvasoexterior.Enunaespeciederejillametálicasecolocabaelcuerpocuyocalorespecíficosequieredeterminar.

En 1780 realizó el primer experimento utilizando un conejillo de indias para medir laproducción de calor. Este primer calorímetro se diseñó para determinar el calor específico de uncuerpoporelmétododelafusióndehielo,yaqueelcalorproducidoporlarespiracióndelconejillofundíalanievequerodeabaelcalorímetro.Así,elcalorquecedíaelcuerpofundíaunaciertacantidaddehielo,quesemedíaabriendolallavedeldepósitointernoyrecogiendoelaguafundida,lacualsepesaba.

15


Figura2.3.CalorímetrodeLavoisieryLaplace(FeliúyPérez,1886).

Los calorímetros que se utilizan en la actualidad para evaluar el poder calorífico de unasustanciapuedenserdevariostipos,segúnserealiceelexperimentoapresiónconstanteoavolumenconstante, pero tienen una característica común que es el contenedor adiabático que poseen. Elcalorímetroengeneral,sebasaenlautilizacióndeunrecipientecerradoyperfectamenteaisladoquesecolocaenunbañodeagua,undispositivoparaagitaryuntermómetro.Seconectaunafuentedeenergía, se agita el agua hasta lograr el equilibrio térmico, y semide el aumento de temperaturadurantelacombustión,parafinalmentedeterminarelpodercaloríficodelcompuesto.

2.2.COMBUSTIBLES

Entérminosgenerales,podemosconsiderareltérminodecombustibleindustrialacualquiermateriaquesuministrecaloralarde,siemprequeesteseasuficientementeeconómico.

Comoejemplo,elcalorsuministradoporuncombustiblesepuedeaprovechardirectamenteparagenerarenergíaenunaturbinapormediodelvapordeaguaproducidoenunacaldera.Asimismo,el calordesarrolladopor el combustible también sepuedeaprovechar en losmotores industrialesllamadosdecombustióninternaoenlasturbinasdegas.

Loscombustiblespuedenpresentarseensusdistintasnaturalezas:sólidos,líquidosogaseosos,como el carbón, el gasoil y el gas natural, respectivamente entre otros. Para decidir la posibleutilizacióndeuncombustibleenunaaplicaciónparticularhayquetenerencuentalascaracterísticasprincipalesylasespecíficasquerequieraesaaplicación.

Engenerallacaracterísticaprincipaldeloscombustibleseselcalordesprendidodurantesucombustión, es decir su poder calorífico; no obstante también conviene tener en cuenta otras

16


características que pueden ser de utilidad para ciertas aplicaciones como son la temperatura deigniciónylanaturalezaylacantidaddelosresiduosgeneradosdurantelacombustión.

2.2.1.Podercaloríficosuperior(PCS)ypodercaloríficoinferior(PCI)

Laprincipalcaracterísticadeuncombustible,comoyaindicamos,essupodercalorífico,elcualsedefinecomolacantidaddeenergía(kJokcal)queproducelacombustiónde1kilogramodelmismo.El poder calorífico de unmismo combustible no cambia de valor; sin embargo, existen diferentesformasdemedirelcalorgeneradoalarder.Enlaprácticasehandefinidodosvalores:podercaloríficosuperior (abreviadamente, PCS o GCV por sus siglas en inglés) y poder calorífico inferior(abreviadamente,PCIoNCVporsussiglaseninglés).

• La potencia calorífica superior (PCS) es la cantidad de calor producido en el proceso decombustión,enelqueseincluyeelcalordelacondensacióndelvapordeaguaoriginadoenlacombustión,esdecir,tieneencuentaelcalorlatente.

• Lapotenciacaloríficainferioroneta(PCI)eslacantidaddecalorproducidoenelprocesodecombustiónelcualseobtienerestandodelaPCSelcalordecondensaciónocalorlatente.Estaúltima potencia tiene mayor interés práctico, pues en las condiciones ordinarias de lacombustiónelvapordeaguanocondensa.

Enelusohabitualdeloscombustiblesenlosprocesosindustriales,losgasesseexpulsanaaltastemperatura,conloquesehaceimposibleelenfriamientodelosproductosdelacombustión.Estosignificaqueelvapordeaguano llegaacondensary,porello,nosepuedeaprovecharelcalordecondensacióndelvapordebidoalcambiodeestado,poresoesnecesariodistinguirentrelosdostiposdepotencia.Enlaprácticaseusaelpodercaloríficoinferior,elcualnotieneencuentaelcalorlatentedevaporizacióndelaguaformada.

En resumen, se utiliza la denominación poder calorífico superior (PCS) para el calorverdaderamenteproducidoenlareaccióndecombustiónypodercaloríficoinferior(PCI)paraelcalorrealmenteaprovechable,esdecir,elproducidosintenerencuenta laenergíadecondensacióndelaguayotroprocesosdepequeña importancia.Asípues, lapotencia calorífica inferioroneta (PCI)siempreserámenorquelapotenciacaloríficasuperior(PCS).Entodosloscasos,latemperaturadecombustiónaumentaconlapotenciacaloríficaydisminuyelacantidaddeproductosyresiduosdelacombustión.

2.2.2Combustiblessólidosrecuperados(CSR)ycombustiblesderivadosderesiduos(CDR)

Existentiposdecombustiblesalternativos,llamadoscombustiblesderivadosderesiduos(CDR)ycombustiblessólidosrecuperados(CSR).Loscombustiblessólidosrecuperados(CSR)sonaquellos

17


queseobtienenapartirderesiduosnopeligrososparasuvalorizaciónenergéticayloscombustiblesderivadosderesiduos(CDR)sonlospreparadosapartirderesiduospeligrososonopeligrosos.

El poder caloríficode losdos tiposde combustiblesde residuos se calculadeacuerdoa lanormaUNE15400(AENOR,2011a)ytienenquecumplirlaclasificaciónyespecificacióndelanormativaCEN/TS15359delComité́EuropeodeNormalización(AENOR,2011b),lacualestábasadaenlosvaloreslímitedetrespropiedadesdelcombustible:

• Elvalormediodelpodercaloríficoinferior(PCI)

• Elvalormediodelcontenidodecloroenbaseseca

• Elvalormediodelcontenidoenmercurioenrelaciónalpodercaloríficoinferior(PCI)

Garcés(2014)planteaquelautilizaciónderesiduosenlageneracióndecombustiblespresentauntripleimpactopositivosobrelasostenibilidadambiental,socialyeconómica.Algunasdelasventajasdelautilizacióndeloscombustiblessólidosrecuperados(CSR)son:

• Evitaeldepósitoderesiduosenvertederoyreducelasinversionesnecesariasalaprovecharinstalacionesyaexistentes.

• Recupera la energía que contienen los residuos que van a parar al vertedero por laimposibilidaddereutilizaciónoreciclaje.

• Reducelasemisionesdegasesdeefectoinvernaderograciasalasustitucióndecombustiblesfósiles,conloquereduceelconsumodecombustiblesfósiles.

• Garantiza la destrucción de los compuestos orgánicos existentes en el residuotransformándolosenenergía.

Los materiales que componen los CSR y CDR son muy variables, aunque suelen tener uncontenido medio del 50-60% de elementos biogénicos,. La composición típica de un CSR/CDR semuestraenlaTabla2.1.

18


Tabla2.1.ComposicióntípicadelosCSR/CDR(Yaque,2013).

Material Porcentajeenpeso

Plásticos 15–40%

Papelycartón 15–40%

Maderas 5–15%

Inertes 2–15%

Otros 5–40%

LosresiduosindustrialesgeneradostienenunpapelimportanteenlafuenteparalaobtencióndeCSRyCDRy,dentrodeéstos,destacanfundamentalmentelosplásticosydesechosbiodegradables.PartedeestosresiduosprovienendelrechazodelasplantasdetratamientodeResiduoUrbano(RU)ydelasplantasdeclasificacióndeenvasesligeroslascualesprocedendelcontenedoramarillo.

Estos combustibles alternativoshan sido ampliamenteutilizadosen la industria cementeraespañola,queapuestaporlavaloraciónenergéticadelosresiduos“comounaherramientaválidaparareducirelconsumodemateriasprimasydisminuirlasemisionesdedióxidodecarbonoensuprocesoproductivo”, según señalanalgunos representantesdel sectoren lapresentacióndeunestudioenBarcelonadelaFundaciónLaboraldelCementoyelMedioAmbiente(CEMA,2014).

2.3.RESIDUOSPLÁSTICOS

Enlaactualidadesindispensableelusodelosplásticosparadesarrollarlaactividadhumana,ya que son materiales altamente versátiles, ligeros, mejoran nuestra calidad de vida, ayudan aminimizarlosefectosdelcambioclimáticoycontribuyenalahorroderecursosdemateriasprimasquepuedensermásdifícilesdeobtenerymáscostosas.

Así,enunaviviendaactualsepuedeencontrarmásde130aplicacionesdistintas,fabricadasconplástico,queestánpresentesentodoslosámbitosdeunaviviendaaportandocalidadyconfort.También es notable el ahorro energético debido a los plásticos, por ser elementos presentes enaislamientosyventanasquecontribuyenareducirdeformasignificativalademandaenergéticadelasviviendas.Hayquetenerencuentaqueelaislamientotérmicoahorra233veceslaenergíaquefuenecesariaparafabricarlo.

19


Otrosejemplospodríanser loscomponentesdeplásticodeunavión,quereducensupesosignificativamente,locualhacequenecesitemenospotenciaelmotorparadespegarloolosenvasesdealimentosqueconsiguenquesóloseestropeeel3%delosalimentosconservados(EPRO,2017).

Elproblemaesquecadavezsefabricanmásproductosdeplásticoylaeconomíacircularnoescapazdeproveertodosesosplásticosreutilizados,porloquelanecesidadderecursoscrecerá,pesealaeconomíacircular,enunaproporciónnadadespreciable.

ElconsumodeplásticoenEspañasuperalos2,8millonesdetoneladassegúnlainvestigacióndeCiclopast(2017),siendodestinadosaembalajesyenvasesmásdeun50%delosplásticos.Mientrasqueenotrospaíseseuropeossólosereciclanlasbotellas,enEspañasereciclatodotipodeenvasesplásticos,garantizandoqueel100%delosplásticosquesedepositenenelcontenedoramarilloseránreciclados.

Noobstante,hayqueseñalarquealcontenedoramarillodestinadoalrecicladosólollegaun35%delageneracióntotaldeplásticos,conunconstanteincrementoanual(Figura2.4.),mientrasqueelrestodeenvasesplásticosseentierranenvertederos,siendoresponsablesdel3%delosgasesdeefectoinvernadero(GEI)(Cicloplast,2017).’

Figura2.4.EvolucióndelosplásticosdepositadosencontenedoramarilloenEspaña(Cicloplast,2017).

El reciclado mecánico de los residuos plásticos no es infinito, ya que al ir perdiendopropiedades por cada ciclo de reciclado, alcanza un punto en el que ya no es viable técnica nieconómicamente y, por tanto, es necesario optar por otras vías de recuperación del valor de losresiduosplásticos.Otraopciónderecuperacióneselrecicladoquímico,perohoyendíatodavíaesunatécnicaquenoestádemasiadoavanzadayloscostessondemasiadoelevadosparavolverarecuperarlasmateriasprimasdelplástico.

Alfinaldesuvidaútil,losplásticospuedenservalorizadosenergéticamenteypuedenactuarcomocombustiblesalternativos,yaquetienenuninteresantepodercaloríficomuysimilaraldelgasnaturalysuperioracombustiblestradicionalescomoelfuel-oil,lamaderaoelcarbón(Hilado,1998).

KT

20


Porello,hayqueusarelpensamientodeeconomíacircularyredirigiresosplásticosquenopueden ser reciclados de forma material y fomentar su valorización energética. Promover lavalorización energética no supone abandonar el recicladomaterial. Hay que tener en cuenta quemientrasenelrecicladomecánicodeplásticosEspañamuestrauníndicesimilaralamediaeuropea(29,4frenteal33%),enelcasodelavalorizaciónenergéticaseencuentraaunnivelmuyinferior(16,8frenteal39,2%)respectoa lamediaeuropea(Figura2.5.),especialmentesisecomparaconpaísespunterosenmedioambientecomoAlemania(66%),Dinamarca(71%)oBélgica(66%)enmateriadeaprovechamientoenergético(PlasticsEurope,2015).

Figura2.5.TratamientoderesiduosplásticosenEspañayEuropaen2014(PlasticsEurope,2015).

2.3.1.Tiposdeaprovechamientotérmicoderesiduosplásticos

Existen diferentes tipos de tecnologías de aprovechamiento térmico (Castells, 2005),dependiendodeltipodeatmósferaenlaqueseefectúaelproceso:pirolisis,combustión,reduccióncon𝐻"ooxidaciónparcial.Lasreaccionesasociadasaestosprocesostienencomoobjetivoconseguirenergía,obteniéndosebienenergíaeléctrica/químicaycarburanteomateriasprimasparalaindustriaquímica.Acontinuaciónseexponeunbreveresumendelosdistintosprocesosparalaobtencióndeenergíaapartirderesiduosplásticos(GarcésAlonso,2014):

a) Gasificación

La gasificación es un proceso termoquímico en el que el residuo es transformado en un gascombustiblemedianteunagentegasificante.Presenta las siguientesventajas: lacantidaddegasesgeneradosesmuyinferioralosdelaincineración;losgasessonlavadosyfácilmentetransformados;yelrendimientotérmicoesmuysuperior.

33,1

16,8

0

50,1

España

reciclado mecanico recuperacion energeticareciclado quimico vertedero

29,4

39,20,6

30,4

Europa

reciclado mecanico recuperacion energeticareciclado quimico vertedero

21


b) Craqueo

En el craqueo, las moléculas orgánicas complejas (residuos) se descomponen en moléculas mássimples (hidrocarburos ligeros) por rupturade los enlaces carbono-carbono.Dependiendode si seutilizan o no catalizadores se habla de craqueo térmico o craqueo catalítico. La temperatura delcraqueo térmico es mayor que la temperatura del craqueo catalítico, mientras que el volumennecesarioesmenorenesteúltimo.

c) Pirólisis

Lapirólisisconsisteenladegradacióntérmicadecompuestosorgánicos(400 − 800º𝐶)enausenciade oxígeno para producir gas combustible y otros productos. Este proceso presenta una serie deventajaseinconvenientes,loscualesseresumenenlatabla2.2.

Tabla2.2.Ventajaseinconvenientesdelapirólisis.

VENTAJAS INCONVENIENTES

Obtencióndemateriasprimasygeneracióndeenergía

Eficaciadelprocesonomuyalta

Menoscontaminantesqueenlaincineración(𝒏𝒐𝑶𝟐)

Procesoendodérmico

Conplásticos:

bajaconductividadtérmica

Diversidaddeproductos:

serequierepurificación

d) Hidrogenacióncatalítica

Lahidrogenacióncatalíticaconsisteenladegradacióntérmicadelresiduoenpresenciadehidrógeno.Enesteproceso lasmacromoléculas se rompeny los fragmentos se saturan conhidrógeno.Comoresultado se obtienen sólidos con PCI alto. Las principales ventajas e inconvenientes de esteprocedimientoseresumenenlatabla2.3.

22


Tabla2.3.Ventajaseinconvenientesdelahidrogenacióncatalítica.


NoplanteaproblemaslapresenciadeCl,NoS

ProblemasdecorrosiónporHClyotroscompuestosgenerados

Temperaturasrelativamentebajas(400-500ºC)

Elevadaspresiones(100bares)

Elevadosrendimientosparahidrocarburoslíquidos(85%)

Metalesyhalógenossehidrogenan

e) Valorizaciónenergética

Otraalternativaes lavalorizaciónenergética,siguiendo laformadeactuaciónde lospaíseseuropeos más avanzados y comprometidos con la gestión de residuos y la protección del medioambiente,yquetieneporobjetoaprovecharlaenergíacontenidaenlosplásticos.

Lavalorizaciónenergéticaconsisteenunprocesodecombustióncontroladaconexcesodeaireenelquesetransformanlosresiduosencenizas,escoriasygasesyquepresentalasventajaseinconvenientesindicadosenlatabla2.4.

Tabla2.4.Ventajaseinconvenientesdelavalorizaciónenergética.


Reduccióndelpesodelosresiduos Rigidezdeldimensionamiento

PocaocupacióndeespacioBajaflexibilidadparaadaptarsea

temporalidad

Posibleaprovechamientoenergético Produccióndeescoriasycenizas

Controvertidosocialmente

23


2.4.ECONOMÍACIRCULAR

Enprimerlugar,eltérmino"economíacircular"apareceporprimeravezalrelacionarlaeconomíayelmedioambiente(PearceyTurner,1990)yfuedurantelacelebracióndelacumbredeRíode1992cuandocomenzóaexpandirsesuaplicacióncomounmodelodedesarrolloeconómicosostenible. Se trataba de hacer y pensar las cosas de distintamanera, de conseguir el desarrolloeconómicoteniendoencuentalasimplicacionesqueteníasobreelecosistemaysobretodoplanteabalanecesidaddeestablecerunmodelodedesarrollocompatibleconelmáximoaprovechamientodelosrecursosyconlamínimaincidenciaambiental.

Unodelosprincipalespropulsoresdelmodelodeeconomíacircular,EzioManzini,planteóeldiseñosostenibleconunenfoqueenelquesetieneencuentaelambiente,lacultura,losprocesosdeproducción, losmateriales, suusoy losaspectosposterioresasuvidaútil.Planteóelpapeldeldiseñador no sólo como creador de materiales, sino también de espacios, así como de nuevasiniciativasquecontribuyeranamejorarelbienestardelaspersonas(ManziniyBigues,2000).

Elecodiseño,seconviertiódeestaformaenunaherramientanecesariaparalafabricacióndeproductosyserviciossostenibles,eficientesysocialmenteresponsables. Elecodiseñoseplanteabacomo un modelo circular integral donde confluyen las diversas ideas sobre las que se asienta laeconomíacircular,desdelasprimerasdelosaños70comola“permacultura”hastalasmásrecientescomola“economíaazul”:Alolargodelosañossehanidoplanteandodiferentesformasyfilosofíasdeaplicacióndelosconceptosbásicosdedesarrollosostenibleentornoalaeconomíacircular:Diseñoregenerativo,economíadelrendimiento,Cradletocradle,ecologíaindustrial,biomímesisyeconomíaazul.

a) Diseñoregenerativo

Elconcepto“regeneración”,seaplicaalosprocesosquerestauran,renuevanorevitalizansuspropias fuentes de energía y materiales. Inicialmente se aplicó en agricultura, pero John T. Lyle,arquitectodeEEUU,comenzóadesarrollar ideassobrediseñoregenerativoquepodíanaplicarseatodos lossistemas,esdecir,másalláde laagricultura.Enestesentidopodríadecirsequepuso lasbasesdelaeconomíacircular,queposteriormenteMcDonoughyBraungartdesarrollaron.

b) Economíadelrendimiento

WalterStahelyGenevieveReday (1981)propusieronunnuevoplanteamientoa lahoradeestudiarlaeconomíaysuimpactoenlacreacióndeempleo,lacompetitividadeconómica,elahorroderecursosylaprevenciónderesiduos,deformaquesuvisióneraladeunaeconomíacircularenformadebucle.Enestesentidohayqueseñalarqueelenfoquedebuclecerradoenlosprocesosdeproducción tiene en cuenta entre otros la vida útil del producto, los bienes de larga duración, lasactividades de mantenimiento y reacondicionamiento y finalmente la prevención de los residuosgenerados.

24


Además, resalta la idea de que son más importante los servicios que los productos,considerandolaeconomíamásquecomoproductoradebienescomosuministradoradeservicios,loqueesconocidocomo“economíadeserviciosfuncional”yqueactualmenteseincluyedemásgeneralenelconceptode“economíadelrendimiento”.

c) Cradletocradle

McDonoughyBraungart(2005)escribieronellibro“Delacunaalacuna.rediseñandolaformaen laquehacemos las cosas”,enelquedesarrollaronsus ideasacercade laeficiencia respectoaldiseñodeproductosconimpactopositivoenuncomercioeficiente.Planteanquelosmaterialesdelosprocesosindustrialessondedostipos:técnicosybiológicos,ysuprimenelconceptoderesiduo.

Porello,consideranquesedebendiseñarproductosconperiodosdeutilidadqueseansegurospara la saludhumanayelmedioambienteyquepuedan reutilizarsepermanentemente,así comodiseñar sistemasque sean capacesde recuperar el valor de losproductos tras suuso, evitando lageneraciónderesiduos.

Tambiénproponeunusoextensivodedelasenergíasrenovables,aprovechandolaenergíasolar y una gestión eficaz del agua paramantener ecosistemas saludables, garantizar su calidad yaccesibilidadyevitarimpactosnegativosanivellocal,loquedefinencomo“Celebrarladiversidad”,conelobjetivodegarantizareldesarrolloycohesiónsocial.

d) Ecologíaindustrial

Se podría definir la ecología industrial como el estudio de los flujos demateriales y de laenergíaatravésdesistemasindustrialesenlaquelaactividadindustrialseplanteacomosifueraunecosistema biológico. Trata de dar respuesta a quienes pretenden alcanzar aplicar los criterios desostenibilidadalamparode lasdiferentes legislacionesnacionaleso internacionales,Esta formadeplantear laactividad tienecomoobjetivoque los residuosgeneradospuedanserel iniciodeotroproceso y no el final de un producto, suprimiendo de estamanera el término de subproducto noaprovechable.

La ecología industrial diseña los procesos productivos teniendo en cuenta las limitacionesecológicas y el impacto global desdeel principio, centrándose tambiénenel bienestar social. Estaespecial visión interdisciplinar de los procesos de producción a veces recibe la denominación de“cienciadelasostenibilidad”,yaquepuedeaplicarsetambiénenelsectorservicios.Sinembargo,laecologíaindustrialtambiénesmuycriticadaporquenoatiendesuficientementelareduccióndelascargasambientales.

e) Biomímesis

JanineBenyus,escribióellibroBiomímesis(2012)ydefinióesteconceptocomo“unanuevadisciplinaqueestudialasmejoresideasdelanaturalezayluegoimitaestosdiseñosyprocesospara

25


resolverproblemashumanos”.Tratadeexaminarlanaturalezaparaimitarlaoinspirarseenellapararesolverproblemas,porejemplo,estudiarunahojaparadiseñarunacélulafotovoltaica.

Piensa que es la innovación inspirada por la Naturaleza y se basa en tres principiosfundamentalesquetienencomobaselanaturaleza:

• LaNaturalezacomomodeloplanteanmodelosdeestudiode laNaturalezaemular formas,procesos,sistemasyestrategiasalahoraderesolverlosproblemashumanos.

• La Naturaleza comomedida: utiliza un estándar ecológico para juzgar la sostenibilidad denuestrasinnovaciones.

• LaNaturalezacomomentorsetratadeveryvalorarquelaNaturalezanosebasaenloquesepuedeextraerdeella,sinoenloquesepuedeaprenderdelmundonatural.

f) Economíaazul

Gunter Pauli (2010) escribió un libro “Economía azul”, en el que se describemétodos deinnovaciónsosteniblesobrelaenergía,elagua,laconstrucciónylosalimentos.Haceespecialhincapiéenlanecesidaddeplantearsolucionesantelanecesidaddegarantizarelabastecimientodeenergíaoalimentosmediantenuevaseinnovadorasideas.Consideraquegranpartedelassolucionessedebenplantearenelentornolocalydescribe100innovacionesquepuedencrear100millonesdepuestosdetrabajodurantelospróximos10años.

Suplanteamientosebasaenlaideadequeelusodelosrecursosdisponiblesenlossistemasproductivossepuedenaprovecharalmáximohaciendoposiblequelosresiduosquegeneraelempleodeundeterminadoproductosepuedeconvertirenunanuevafuentedeproduccióndeotroproductonecesario,creandounnuevoflujodeaprovechamiento

2.4.1.Principiosycaracterísticasdelaeconomíacircular

Hoy en día, la actividad productiva se basa en unmodelo económico lineal (tomar, hacer,desechar) cuyoobjetivoesdisponerde lamayorcantidaddeenergíayrecursosposiblesalmenorprecioyconfacilidaddeaccesoaellos.

Laeconomíacircularsurgecomosoluciónalproblemaqueseplanteaporlacapacidadimitadade acceso a los recursos (Stahel, 2016). Conceptualmente, la economía circular es reparadora yregenerativa,ypretendeconseguirquelosproductos,componentesyrecursosengeneralmantengansu utilidad y valor en todo momento. Se basa en el principio de optimizar sistemas más quecomponentes,esdecirlaideadeldiseñoamedidaunnuevomodeloquepretendedarrespuestaalfinaldelaeradematerialesycombustiblesbaratosylimitados.Esteconceptodistingueentreciclostécnicosybiológicos.

26


Laeconomíacircularproporcionamúltiplesvariantesparalacreacióndevalorquenoestánvinculadasconelconsumoderecursosagotables.Enlaeconomíacircular,elusosustituyealconsumoylosrecursosseregenerandentrodelciclobiológicooserecuperanyrestaurangraciasalciclotécnico.Dentrodelciclobiológico,diversosprocedimientospermitenregenerar losmaterialesdescartados,conosinlaintervenciónhumana.Enelciclotécnico,laintervenciónhumanarecuperalosdistintosrecursosyreproducesuscaracterísticas.

SegúnlaFundaciónEllenMacArthur(2010),creadaparaacelerarlatransiciónalaeconomíacircula,laeconomíacircularsebasaentresaspectosfundamentales:

• Preservarymejorarelcapitalnaturalcontrolandoexistenciasfinitasyequilibrandolosflujosderecursosrenovables.

• Optimizarelusodelosrecursosrotandoproductos,componentesymaterialesconlamáximautilidadentodomomento,tantoenlosciclostécnicoscomoenlosbiológicos.

• Fomentarlaeficaciadelsistemarevelandoyeliminandoexternalidadesnegativas.

En base a ello también justifica las características fundamentales que definirían lo que seentiendecomounaeconomíacircular:

- Diseñarsinresiduos:Diseñartodosloscomponentesbiológicosytécnicosdeunproductoconobjetodeadaptarsedentrodeuncicloconstantedefabricaciónygeneraciónderesiduos,demaneraquenosegeneranresiduos.

- Aumentarlaresistenciapormediodeladiversidad:Incrementarlasconexionesyescalasdelos sistemas ya que así serán más resistentes a los impactos externos que los sistemasconstruidos simplemente para maximizar la eficiencia y el rendimiento con resultados defragilidadextremos.

- Trabajarhaciaunusodeenergíade fuentesrenovables:El funcionamientode lossistemasproductivosodeserviciosdebeacometersemedianteelsuministrodeenergíasrenovablesyunconsumoreducidodelamisma.

- Pensar en “sistemas”: Los elementos se consideran en relación con sus entornosmedioambientalesy sociales.Elpensamientode sistemas se refierenormalmenteaque lainmensa mayoría de los sistemas del mundo real no son lineales, tienen una granretroalimentaciónysoninterdependientes.

27


- Pensar en cascadas: Se entiende que la creación de valor de productos ymateriales es laoportunidaddesacarunvaloradicional,mediantesupasoporotrasaplicacionesencascada.

2.4.2.Economíacirculardelosresiduosplásticos

Losresiduossonlosrecursosclavedelaeconomíacircular,yaquetodoslosrecursosdebenaprovecharse. Losproductosplásticos sonun claroejemplode recursosquepueden serutilizadoscomoverdaderosrecursos.

Ser sostenible es particularmente un reto para las grandes empresas y para las complejascadenasdesuministro;elproblemaestáenqueenmuchospaíses,elvertederosiguesiendolaopciónmásbarata,siendoEspañaunclaroejemplodeello.Sehan fomentadosolucionesrestringiendo lacapacidadlegaldeenviarlosresiduosalvertedero,peroaúnasímásdel50%delosresiduosenEspañasellevanaestosvertederossinpoderaprovecharsucapacidadenergética.

En relación a esta situación, Irene Mora, responsable de sostenibilidad de la AsociaciónEuropea de Fabricantes de Materias Primas Plásticas, ha afirmado (ABC, 2015) que “sólo unaprohibicióndeentradaavertederoaniveleuropeopuedeproporcionarlaseguridadquerequierenlasinversionesenlainfraestructuranecesariaparaunagestióneficienteysostenibledelosresiduos”.

Otro dato importante a tener en cuenta es el potencial energético de los residuos noreciclablesquepodríangenerarunos330Twhdeenergíaalaño,equivalenteacasiun23%delgasqueEuropa importadeRusia.Porello, esdegran interésevaluar la capacidadcalóricade los residuosplásticosconobjetodesuvalorizaciónenergéticaparaunposibleusocomocombustible.

2.5.NORMATIVA

Los procedimientos a desarrollar para la determinación de la potencia calorífica de uncompuestoestánnormalizadosconobjetodeestandarizar suaplicacióny sobre todogarantizar lafiabilidaddelosresultados;porello,sehanelaboradounasnormasqueaseguranquelosmétodosanalíticosutilizadosseanlosadecuadosy,además,seanfiablesyreproducibles.Paraladeterminaciónde la potencia calorífico se dispone de la norma UNE-EN 14918 – Biocombustibles Sólidos.DeterminaciónDelPoderCalorífico,versiónoficial,enespañol,delaNormaEuropeaEN14918:2009yaprobadaporlaDirecciónGeneraldeIndustriadelMinisteriodeIndustria,TurismoyComercio(BOE,2011b,AENOR,2011c).

Estanormaeuropeaespecificaunmétodoparaladeterminacióndelpodercaloríficobrutodeunbiocombustiblesólidoavolumenconstanteyaunatemperaturadereferenciade25ºC,usandounabombacalorimétricacalibradamediantelacombustióndeácidobenzoicocertificado.

28


Elresultadoobtenidoeselpodercaloríficobrutoavolumenconstante,contodaelaguadelosproductosdecombustióncomoagualíquida.Enlapráctica,losbiocombustiblessequemanapresiónconstante (atmosférica) y el aguaobienno se condensa (seelimina comovapor con los gasesdeescape)osecondensa.Enambascondiciones,elcalordecombustiónclavequeseusaeselpodercaloríficonetodelcombustibleapresiónconstante.Tambiénsepuedeusarelpodercaloríficonetomedido del combustible a volumen constante. En la norma se dan fórmulas para calcular ambosvalores.

Losprincipiosgeneralesy losprocedimientospara lascalibracionesy losexperimentosconbiocombustiblessepresentaneneltextoprincipal,mientrasqueaquellosconcernientesalusodeuntipoparticulardeinstrumentocalorimétricosedescribenenlosanexosdeAaC.ElanexoDcontienelistasdecomprobaciónparallevaracabolacalibraciónylosexperimentosdecombustiblesusandotipos de calorímetros especificados. El anexo E proporciona ejemplos para ilustrar alguno de loscálculos.

ElseguimientoestrictodetodaslasmedidasprescritasenlanormaUNE-EN14918:2011esdeobligatoriocumplimientoparaaseguraraltécnicoquemanipuleelequipofrentealaroturaexplosivadelabombasiemprequelabombatengaeldiseñoylaconstrucciónadecuadasinningúndefectodefábrica.

Asimismo,sehanestablecidounaseriedeprotocolosindispensablesparalaaplicacióndeestanorma, relacionados con los métodos de muestreo, preparación de la muestra y conversión deresultados: EN 14774-3 biocombustibles sólidos.Determinacióndel contenido de humedad; prEN14778-1 biocombustibles sólidos. Muestreo. Parte 1: métodos de muestreo; prE N 14780biocombustiblessólidos.Métodosparalapreparacióndemuestras;yprEN15296biocombustiblessólidos.Conversióndelosresultadosanalíticosdeunabaseaotra.

LaDirectiva2008/98/CE (UE, 2008) estableceunmarco jurídicoparael tratamientode losresiduos en la UE. Su objetivo es proteger el medio ambiente y la salud humana enfatizando laimportanciadeutilizarunastécnicasadecuadasdegestión,recuperaciónyrecicladoderesiduosparareducir la presión sobre los recursos ymejorar su uso. Esta Directiva refunde en un solo texto laanteriorDirectivaMarcodeResiduos(06/12/CE),laDirectivasobreresiduospeligrosos(94/31/CE)ylaDirectivadeaceitesusados(87/101/CE).Además,incorporalaobligacióndeestablecerplanesdeprevenciónygestiónderesiduosencadaorganismo,quedebenintegrarensumétododeoperaciónlatomaenconsideracióndelosimpactosmedioambientales.

En España, la Ley 22/2011 (BOE, 2011a) que traspone la anterior Directiva Comunitariaestablececomonormaquelascomunidadesautónomastienenlaobligacióndelaelaboracióndelosprogramasdeprevenciónderesiduosylosplanesdegestiónderesiduos.Estanormativaestableceuna jerarquía de gestión de residuos, según el siguiente orden de prioridad, de mayor a menor:prevención, minimización de residuos, reutilización, reciclaje, algún método de recuperaciónenergética,ycomoúltimaopción,laeliminación.

Esta idea se centra en tratar de reutilizar, reciclar o valorizar energéticamente antes deconsiderar la eliminación de residuos. La ley establece la necesidad de proceder a la valorizaciónenergética. Por tanto, ésta será́ aplicable a aquellos residuos no reutilizables ni reciclables porinviabilidadtécnica,ambientaloeconómicaperoquereúnencondicionesqueloshacenaptospara

29


aprovecharlaenergíaquecontienen.Además,confirmaelprincipio“quiencontaminapaga”,porelqueelproductororiginaldelosresiduosdebepagarloscostesdelagestióndedichosresiduos.

En el caso que nos ocupa, los plásticos utilizados corresponden a pequeñas porciones delmaterialempleadoparalafabricacióndedistintosobjetos.Setratadeplásticospurososometidosavariosciclosderecicladoyqueunavezagotadasuvidaútilpodríanterminarenvertedero.

Porello,elobjetivodeestetrabajoesmontaruncalorímetroyponerapuntounprotocolodetrabajo que permita evaluar la idoneidad de estos residuos para que se pueda llevar a cabo unavalorización energética de losmismos evitando así el casomás desfavorable en la pirámide de lagestiónderesiduos:laeliminaciónporentierroenvertedero.

30


3.PARTEEXPERIMENTAL

Enesteapartadosedescribenlosequipos,aparatos,materialesyreactivosempleadosenlas

experienciasllevadasacaboenellaboratorio,asícomolametodologíaseguidaparapoderdeterminarelpodercaloríficodematerialessólidos.

3.1.EQUIPOSYAPARATOS

A continuación se describen todos los equipos que han sido necesarios para efectuar unamedicióncompletadelpodercaloríficodeunasustanciacualquieraenunabombacalorimétrica.

3.1.1.Bombadecombustión

LabombacalorimétricaPHYWE04403-00utilizadaenladeterminacióncuantitativadelcalordecombustióndematerialessólidosbajoaltapresióndeoxígenosemuestraenlaFigura3.1.

Figura3.1.Bombacalorimétricautilizada.

La bomba de combustión cuyo esquema se presenta en la Figura 3.2., consiste en uncontenedor resistentea lapresión (1)yunatapa (3)paracerrarel interiordondehabrágasaaltapresión.Enlapartesuperiordelatapahaydosconectoresde4mm(4)conectadosaloselectrodosdeníquel(8)situadosenlaparteinferiordelatapa.Entreestosdoselectrodospuedeconectarseunhilodeignición.Entrelosconductoresdeníquelseubicaunporta-muestras(12)quesirveparamanteneruncrisol(11)dondesecolocalamuestradelmaterialaensayar.Undisco(7)hechodecerámicaactúa

31


comounaislantedecalor.Unaválvuladeregulación(5)yunconectorrápido(6)permitenlaconexióndelabombacalorimétricaalabaladeoxígenoparallenarladedichogas.Labombadecombustiónylatapasecierranfuertementemedianteunaabrazadera(2)(PHYWE,2017).

Figura3.2.Esquemadelasdistintoscomponentesdelabombacalorimétricautilizada.

3.1.2.Vasodelcalorímetro

ElvasodelcalorímetroPHYWE04402-00consisteenunvasodecristalDewar(Figura3.3.)deaproximadamente1,2Lconunabaseyunatapa.Losagujerosenlatapasirvenparainsertarlabombacalorimétrica,lasondadetemperaturayunagitadormecánico.Elvasodelcalorímetroestransparenteparapoderobservarlasreaccionesquímicasocambiosdecolorsiseusaparamezclarsustanciasytieneunabasediseñadaconelfindepermanecerfirmeenlaplacadebasedelagitadormagnético.EstevasoDewaresunaccesoriosuministradoparaelequipodelabombacalorimétricaanteriormentedescritaporPHYWE.

Figura3.3.VasoDewarutilizado.

32


3.1.3.Agitador

Enesteensayo sehausadounagitadorelectromagnético, con calefacción y regulacióndevelocidadde60a1600r.p.m.(Figura3.4.),elsistemadecalefacciónnosehautilizadoenningúnmomento para evitar interacciones no deseadas que pudieran producir errores en las medidas.Aunquenoseuseelcalefactor,sehaelegidoestetipodeagitadoryaqueposeeunabasequenospermiteencasodequeelensayollegueaaltastemperaturas, laseguridaddequenosedañaráelagitador.

Figura3.4.Agitadormagnéticoutilizado.

Elagitadorelectromagnéticoseusaparapoderagitarelaguaenlaqueestarásumergidalabombacalorimétrica.Lavelocidaddeagitacióndebeserlosuficientementealtaparaasegurarquenosedesarrollenpuntoscalientesdurantelaparterápidadelcambiodetemperaturadelcalorímetro.

Sinembargo,unapotenciadeagitaciónexcesivadaríalugaraunincrementoindeseadoenelniveldeagitaciónlocualderivaríaendificultadesparamantenerloconstante.Asimismo,lapotenciadeagitaciónsedebemantenerconstantealolargodetodoelensayo.

Lasventajasdeusarunagitadorelectromagnéticofrenteaunagitadormecánicosonlapocageneraciónderuidoalestarenfuncionamiento,ladificultadparaaveriarsegraciasalafaltadepartesmóviles,facilidaddelimpiezadelabarramagnéticayelnorequerimientodeningúntipodelubricante,haciéndolamáseconómico.Elfuncionamientodelagitadormagnéticoeselsiguiente:

- Una vez que se ha depositado la sustancia a agitar dentro de un contenedor, la barramagnéticaesintroducidaendichocontenedor.

- Elcontenedorsecolocasobrelaplacaqueseencuentrasobrelosmagnetos.

- Al accionarel agitadormagnético, losmagnetos comienzana formarun campomagnéticorotatorioqueatraealabarramagnéticaquesemueveenformacircular.

33


- Durantesumovimiento,labarramagnéticaseencargadeagitarlasustanciaquesedepositódentrodelcontenedor.

3.1.4.Sensordetemperatura

Sehausadounequipopara lamedidade latemperaturaconelfindetenerunasuficienteprecisión. El sensor de temperatura consiste en un termopar de tipo K. El termopar usado es unmultímetrointeligentedigitalIEC1010-1Lendher,enlaFigura3.5.semuestraunaimagendelsensorutilizado.

Untermoparsecomponedeunaunióndedoshilosconductorescondiferentecomposiciónmetalúrgica,unidosenunextremo.El termopardependiendode ladiferenciadetemperaturaquehayaentrelosdosmetalesgeneraunafuerzaelectromotriz.Unodelosextremossedenomina“puntocaliente”o“unióncaliente”ode“medida”yelotroextremodedenomina“puntofrío”o“uniónfría”o de “referencia”. Los termopares están disponibles en diferentes combinaciones de metales ocalibracionesparaadaptarseadiferentesaplicaciones.LostresmáscomunessonlascalibracionestipoJ,KyT,deloscualeseltermopartipoKeselmáspopulardebidoasuampliorangodetemperaturasybajocosto.

Paraelensayosedebeconocerlatemperaturaabsolutaconunaaproximaciónde±0,01ºCenlatemperaturadereferenciadelasmedicionescalorimétricas.

Figura3.5.MultímetrointeligentedigitalIEC1010-1Lendher.

34


3.1.5.Circuitodeignición

Elsuministroeléctricoseencargadetransformarlacorrientealternadelalíneaeléctricaquese recibe en corriente continua o directa, que es la que utilizan los dispositivos electrónicos. Esnecesariounsuministroeléctricoenelensayodelabombacalorimétricayaqueestafuenteaportarálaenergíaparainiciarlacombustión.

Lafuentedealimentaciónestaráconectadaalacorrienteeléctricayalosbornesdelabombacalorimétricaqueseencuentranenlapartesuperiordelatapa,detalmaneraqueconectandoelpolopositivo y el negativo en las conexiones (en cualquier polaridad), también estarán conectados loselectrodosdeníquelquelleganhastadondeestálamuestraaensayar.Enlosextremosfinalesestarácolocadoelfinohilodehierroqueharádeiniciadordelacombustión.

Unavezqueseapliqueunatensión,quenopuedesermenorque15V/1A,elfinohilodehierroseconsumiráiniciandounacombustiónydandolugaraunareacciónencadenaenlaquesegeneraráunacombustiónentodoelinteriordelabombacalorimétrica.SehaescogidounsuministroeléctricoLENDHERMACKDCPOWERSUPPLYHY30030D(Figura3.6.)cuyosvaloreslímitesquepuedeofrecerson30Vy5A.

Figura3.6.Fuentedealimentaciónutilizada.

3.1.6.Prensa

Elprensadodelassustancias(Figura3.7.)quesehandeponerenlabombacalorimétricatieneporobjetivoayudaraqueseamásfácillacombustióncompletadelamuestray,portanto,facilitarlaadquisicióndelosdatosreales.Porello,enelcasodesustanciassólidassedebegarantizarelmínimotamañodepartícula,yunavezconseguidoprensarparaobtenerunapastilladelamuestraquepermitaquelamayorpartedelamismaesteencontactoconelfinohilodehierro,yaqueconunasustanciaprensadavaasermásfácillacombustióncompletadelasustanciaaensayar.Paraqueelprensadode

35


unasustanciaenpolvopuedaformarunapastillacompactada,sehaañadidolaayudadeuntornodemesa para ejercer una fuerza mayor y permitir que todos los compuestos en polvo puedancompactarsebien.

Figura3.7.Prensaparaobtenerlaspastillasdelcompuestoaanalizar.

3.1.7.Balanzaanalítica

Paralamedicióndelamasadelassustanciasapesarparaelposteriorprensadosehausadoun equipo demedida que consiste en una balanza de precisión SARTORIUS con una precisión de0,0001g. Se ha usado adicionalmente y unmortero para triturar las sustancias en polvo fino paraintroducirloenlaprensayunvidrioderelojparafacilitarlapesadadelpolvo(Figura3.8.).

Figura3.8.Equipoymaterialutilizadosparalapreparacióndemuestrasysupesada.

a)Mortero. b)Vidriodereloj. c)Balanzaanalítica.

36


3.1.8.Equipoauxiliardepresióndeoxígeno

Para que en el interior de la cámara interna del calorímetro se produzca una combustióncompleta,tienequehabereloxígenonecesarioparaquesedéestareacción.Poresto,esnecesarioinyectarsuficienteoxígenomedianteunaválvulaqueestáacopladaalabombacalorimétrica.

Paraelllenadoserequieredeunabaladeoxígeno,untubodepresión,unreguladordepresiónomanorreductorparacontrolarelllenadodelabombaconoxígenoyunmanómetrodepresiónparaindicarlapresiónenlabomba.Sehausadounabaladeoxígeno,asícomomanorreductoresacoplablesmarcaAIRLIQUID(Figura3.9).

Figura3.9.Equipodepresióndeoxígenoutilizado.

3.1.9.Campanadeextraccióndegases.

Elusodelacampanadeextraccióndehumossehaceindispensableendosmomentosclavedel ensayo de la bomba calorimétrica. El primero es a la hora de manipular las sustancias decalibración,enestecaso,elácidobenzoicoyelnaftaleno.Elsegundoesalfinalizarelensayo,unavezterminadalacombustión,yaqueenlosgasesdecombustiónpuedenaparecerresiduosnoquemadosdebidoaquenoseharealizadounacombustióncompleta.

Estosresiduosnoquemadospuedensernocivosy,poreso,alahoradelvaciadodelosgasesde combustión hay que tomar ciertas precauciones, tal como se establece en las instrucciones deseguridadparaelmanejode labombacalorimétrica“Al finaldelensayoseadviertequecuando lareacciónhayaterminado,hayquecomprobarquelabombacalorimétricasehaenfriado.Sólocuandosehayaenfriadoseabrelaválvula.Nosepermitequelosgasespeligrososescapenalmedioambiente.

37


Serecomiendaqueeldespresurizadooevacuacióndegasesdecombustióndelabombacalorimétricasearealizadoenunacampanadeextraccióndegases”(PHYWE,2017).

Lascampanasdeextraccióndegases(Figura3.10.)sonelmétodoprincipaldecontroldelaexposiciónenellaboratorio.Sonuntipodesistemadeventilacióncuyafunciónprincipalescontrolarlaexposiciónahumos,vapores,gases,polvoyaerosolestóxicos,ofensivosoinflamables.

Figura3.10.Campanadeextracciónutilizada.

3.2.MATERIALES

Acontinuaciónsedescribenlosmaterialesutilizadosparaefectuarunamedicióncompletadeunasustanciacualquieraenunabombacalorimétrica.

3.2.1.Hilodeignición

Elhilode igniciónconsisteenundehilodehierroPHYWE06104-00 (Diámetro=0,2mm,Longitud=100myResistencia:4Ω/m),elcualhasidoadquiridojuntoconelvasodelcalorímetroylabomba calorimétrica delmismo fabricante (Figura 3.11.). Este hilo es calentado por una corrienteelevadahastaquellegaafundirse;estohacequesedenlascondicionesnecesariasparadesatarunareacciónencadenadandolugaraunacombustiónenelinteriordelabombacalorimétrica.

38


DeacuerdoconloestablecidoenlanormaUNE-EN14918:2011,elhilodeignicióndebeserdeníquel-cromo,platinouotromaterialconductoradecuadoconuncomportamientotérmicodurantelacombustiónybiencaracterizado.

Figura3.11.Hilodehierrousadoparalaignición.

3.2.2.Muestrasdeplásticos

Las muestras de plástico que se ha utilizado son de polietileno de alta densidad (HDPE)fabricadoporJVUz-KorGasChemicalUGCC(Akchalak,KungradRegión,RepublicofKarakalpakstan,Uzbekistan).AsimismosehaempleadotambiénpolietilenodealtadensidadrecicladosuministradoporiCLEANChemicalSLU(Murcia,España)preparadoparasuutilizaciónenlafabricacióndebotellasdestinadasadetergentesyfriegasuelos(Figura3.12.).EncuantoalasmuestrasdeHDPErecicladohayde2tipos:unassehansometidoaunúnicocicloderecicladoyotrasprovienendeunsegundociclodereciclado.

Figura3.12.Muestrasutilizadasdepolietileno(HDPE)puroyreciclado.

39


3.3.REACTIVOS

A continuación se describen los reactivos empleados para poner a punto el método dedeterminacióndelpodercaloríficodesólidosylasmuestrasdeplásticoempleadasparadeterminarsupodercalorífico.

3.3.1.Ácidobenzoico

Elácidobenzoico(C7H6O2)esunácidocarboxílicoaromáticoqueencondicionesnormalesesun sólido incoloro con un ligero olor característico, poco soluble en agua fría pero tiene buenasolubilidadenaguacalienteodisolventesorgánicos.

Esta sustancia, utilizada para calibrar la bomba calorífica y suministrada por PANREAC(Barcelona,España),tienecomomisiónestablecerlacapacidadcaloríficadelabombacalorimétricade acuerdo a la norma UNE-EN 14918:2011 que establece este compuesto como referencia encalibracionesyaqueseconocesuentalpía(Castellán,1998)yestáformadoúnicamenteporC,HyO.

LasprincipalescaracterísticasdeesteproductosehanresumidodelafichaoficialdelINSHT:

NºCAS65-85-0,NºRTECSDG0875000,NºICSC0103,CódigoNFPA:H2;F1;R0;

• Pesomolecular:122,1g/mol

• Entalpíadecombustión:-3231,5KJ/mol

• Puntodeebullición:249°C

• Puntodefusión:122°C

• Densidadrelativa(agua=1/𝑐𝑚3):1,3

• Solubilidadenaguaa20°C:0,29(g/100ml)

• Presióndevapora96°C:133Pa

• Puntodeinflamación:121°C

• Temperaturadeautoignición:570°C

• Víasyefectosdeexposición:Lasustanciasepuedeabsorberporinhalaciónyporingestión.Puedeirritarlosojos,lapielyeltractorespiratorio.Elcontactoprolongadoorepetidopuedeproducirsensibilizacióndelapiel

Setratadeuncompuestoquepuedeserfácilmentemanipuladoyconpocosriesgostóxicossisehacecorrectamente.

40


3.3.2.Naftaleno

El naftaleno (C10H8) es un hidrocarburo aromático, formado exclusivamente por C e H, enforma de cristales incoloros que tienen un olor peculiar. Es insoluble en agua, pero se disuelvefácilmenteenlamayoríadelosdisolventesorgánicos.Alquemarloproduceluminosidadyunagranllamadehumo.

Fue suministrado por PANREAC (Barcelona, España) calidad reactivo y las principalescaracterísticasdeesteproductosehanresumidodelafichaoficialdelINSHT:

NºCAS91-20-3,NºRTECSQJ0525000,NºICSC0667,CódigoNFPA:H2;F2;R0;


• Entalpíadecombustiónteórica:5157KJ/mol

• Puntodeebullición:218°C

• Puntodefusión:80°C

• Densidad:1,16g/cm3

• Solubilidadenagua,g/100mla25°C:ninguna

• Presióndevapora25°C:11Pa

• Puntodeinflamación:80°C

• Temperaturadeautoignición:540°C

• Límitesdeexplosividad,%envolumenenelaire:0,9-5,9

• Víasyefectosdeexposición:Lasustanciasepuedeabsorberporinhalación,atravésdelapiely por ingestión. Por evaporación a 20°C se puede alcanzar bastante lentamente unaconcentraciónnocivaenelaire.Lasustanciapuedeafectaralasangre,dandolugaralesionesenlascélulassanguíneas(hemólisis).Losefectospuedenaparecerdeformanoinmediataysuingestión puede producir la muerte. Puede dar lugar a anemia hemolítica crónica o aldesarrollodecataratas.Estasustanciaesposiblementecarcinógenaparalossereshumanos

3.3.3.Oxígeno

Eloxígeno𝑂"seencuentracontenidoenunabaladegasaaltaspresionesdesdedondesepuedeabastecercualquierequipoconayudadeunmanorreductor.Eloxígenoesnecesarioparapoderrealizarunacombustióncompletaenunaatmósferadeoxígenoaaltapresión.Enlacombustión,loscomponentes se oxidan completamente formando dióxido de carbono (CO2) y agua (H20). En laprácticasehausadounabaladeAIRLIQUIDde200bardecapacidad(Figura3.13.)

41


Figura3.13.Equipoutilizadoparaelsuministrodeoxígeno.

LasprincipalescaracterísticasdeloxígenosehanresumidodelafichaoficialdelINSHT:

Nº7782-44-7,NºRTECSRS2060000,NºICSC0138,CódigoNFPA:H2;F1;R0;


• Puntodeebullición:-183°C

• Puntodefusión:-218,4°C

• Solubilidadenagua,ml/100mla20°C:3,1

• Vías y efectos de exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación. A altasconcentraciones irrita el tracto respiratorio y puede afectar al sistema nervioso central,pulmón y ojos. Los pulmones pueden resultar afectados por la inhalación de altasconcentraciones.

3.4.METODOLOGÍADETRABAJO

Labombacalorimétricaseusaparadeterminarelpodercaloríficodeuncombustiblecuandosequemaavolumenconstante,yaquesebasaenunrecipientecerradodondeseinyectaráoxígenoaaltapresiónparaobtenerunacombustióncompleta.

La determinación calorimétrica que se va a realizar en este trabajo consiste en dosexperimentosseparados:lacombustióndelmaterialdecalibración(ácidobenzoico)ylacombustióndelasustanciadelaquesequierecalcularsupodercalorífico,ambosbajolasmismascondiciones.

Elcompuestocuyopodercaloríficosedeseadeterminarsecolocaenuncrisol;siessólido,deberácolocarseenformadepastillamedianteprensadoprevio.Dentrodelabombacalorimétricase

42


agregará el oxígeno necesario para la combustión. La bomba calorimétrica está sumergida en unrecipienteconaguadestiladaqueabsorberáelcalorliberadoporelcombustible.

Sinembargo,elcalorqueabsorbeelaguanoeselpodercaloríficodelcombustible,debidoadiversosfactoresquesecomentaránmásadelanteentrelosquepuedennombrarselaabsorcióndecalorporlapropiabomba,laliberacióndecalordelhiloqueprovocaelencendidodelcombustibleylaliberacióndecalorporlaformacióndeácidonítricoysulfúrico,entreotros.

Al aplicar la ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica al proceso de combustión avolumenconstante,yteniendoencuentatodosestosfactores,seobtienelasiguienteecuaciónquepermitecalcularelpodercaloríficodelcompuesto(H):

𝐻 =𝐶𝑣7∆𝑇 − 𝑒; − 𝑒"

𝑀=

𝑒" = 𝑚 · ℎ

donde𝐶𝑣7eselcalorespecíficopromediodelabombacalorimétrica,susaccesoriosyelaguautilizada(calor específico del sistema) en J/ºC; ∆𝑇 es el cambio de temperatura registrado durante laexperiencia;𝐻eselpodercaloríficodelcompuestoenJ/g;𝑒;eslacorrecciónporelcalorqueliberalaformacióndeácidosdenitrógenoyazufre;𝑒"eslacorrecccionporelcalorgeneradoporlacombustióndel filamentode ignición;𝑚es lamasao longituddel filamentode ignicióneng;ℎ es el calordecombustióndelhierroenJ.

3.4.1.Calibraciónbombacalorimétrica

Lacombustióndeácidobenzoicopurodelcualseconocesuentalpía,permiteestablecerlacapacidad calorífica del calorímetro, mediante la medida de la evolución del incremento detemperaturadelaguasituadaenelvasoDewardantes,duranteydespuésdesucombustiónen labomba.Estacaracterísticasedefinecomocapacidadcaloríficadelcalorímetro.

Ennuestrosistemacalorimétrico,paralacalibraciónsehadepesarconexactitudunos400mgdeácidobenzoicoy850grdeaguadestilada.Yseusacomodatoelvalorteóricodelpodercaloríficodelácidobenzoico26435,8kJ/kg(Haynes,2016).

Comoyasehamencionado,lacapacidadcaloríficadelcalorímetroserálamismasiemprequeseuselamismacantidaddeaguaenelvasodelcalorímetro.Estaconstantedecalibraciónnodeberíacambiar de modo significativo a lo largo del tiempo, con lo que permite que la calibración delinstrumentosepuedallevaracaboconseguridadyprecisión.Elprocedimientodelacalibracióndelabombacalorimétricaserealiza3vecesparaestablecersurepetibilidadyasígarantizarunaexcelentecalibración,yaquedeellodependelaexactitudenlasdeterminacionesrealizadasposteriormenteenlabomba.

[1]

[2]

43


Primerosepesaelácidobenzoicoysecortan10cmdehilodeignicióndehierro.Sepreparacon laprensaunapastillade lasustanciayseatraviesaconelhilode ignición. Acontinuación, seprocedealllenadodelcalorímetrodelabombaconoxígenohastaquealcancelapresióncomomáximode10bar.Unavezobtenidalapresiónrequeridaenlabombacalorimétricaserepitelaoperaciónconobjetodeasegurarlamenorcantidaddeairedentrodelamisma,yaquenuestroequiponocuentacon válvula de purga. Después, se llena el vaso del calorímetro con 850 g de agua destilada, seintroducelabombaenelvasoconaguadelcalorímetro,seconectanloscablesdelcircuitodeignición,seintroducelasondadetemperaturayseconectaelagitadormagnético.

Al final del periodo previo (5min), cuando ya se ha establecido la temperatura inicial sepresiona el interruptor de la fuente de alimentación para comenzar la combustión. Se anota latemperaturaqueindicalasondaaintervalosde30s.Eltiempocorrespondientealtiempoinicialmarcael comienzodelperiodoprincipal.Cuandoseaconstante la temperaturamásaltaalcanzadayéstaempieceadisminuir,sedaporfinalizadalacombustión.

Unavezsehananotadotodaslaslecturasdetemperaturanecesarias,sesacalabombadelcalorímetro,seliberalentamentedelapresiónysedesarmalabomba.Seexaminacuidadosamenteel interior de la bomba, el crisol y cualquier residuo sólido en busca de signos de combustiónincompleta.Serechazaelensayoencasodequeseavisiblecualquierrestodemuestranoquemadaoabundantesrestosdehollín(Figura3.14).

Enelejemplodelamuestraconcombustiónincompletasepuedeapreciarunagrancantidadderestosenlosquesepuedeidentificarelácidobenzoicodecolorgrisáceoensuestadooriginal.Encambio,enelejemplodelamuestraconcombustióncompletasepuedeobservarqueenelinteriordelcrisolsolohayunospocosrestosdehollín.

Figura3.14.Ejemplodemuestraconcombustiónincompleta(izquierda)ycombustióncompleta(derecha).

Tras tomar todas lasmedidasdel incrementode temperaturaconel tiempo,seprocedealcálculodelacapacidadcalorífica,segúnlafórmulaanteriormenteexpuesta.

44


3.4.2.Determinaciónpodercaloríficodelnaftaleno

Conobjetodecomprobaryverificarelfuncionamientodelabombacalorimétrica,yunavezcalibradaconelácidobenzoico,seprocedeadeterminarelpodercaloríficodelnaftaleno,elcualestáformadoúnicamenteporcarbonoehidrógenoycuyaentalpíadecombustiónesconocidaaltratarsedeuncompuestopuro.Losresultadosobtenidospermitiránestablecerlafiabilidaddelmétodo,asícomosumargendeerror.

El procedimiento experimental seguido para la obtención del poder calorífico es similar aldescritoenlasecciónanteriorparaelácidobenzoico,tantoenlacantidaddemuestrautilizadacomoenlaoperativaadesarrollar.

3.4.3.Determinacióndelpodercaloríficodeplásticos

Para preparar las muestras de plástico para determinar su poder calorífico con la bombacalorimétrica,enprimerlugarsedebeprocurarqueeltamañodepartículadelamuestrasealomáspequeño posible con el objetivo de lograr una porción de ensayo homogénea y representativa yfacilitar la completa combustión de la misma. En este sentido, cabe señalar que los materialesempleadoshansidogranzasopequeñospelletsdeHDPEpuroorecicladoconuntamañoadecuadoparalacompletacombustióndelmismoenlabombacalorimétrica.

3.4.4.Protocolodetrabajo

Amododeresumen,elprocedimientoseguidoparaladeterminacióndelpodercaloríficodesustanciassólidasenestetrabajohasidoelsiguiente:

o Sepesanaproximadamente400mgdelasustanciaaensayarysecortanexactamente10cmdehilodeignicióndehierro.

o Sepreparaunapastillaconlasustanciayseatraviesaconelhilodeignición.Paraello,seutilizaunaprensaponiendoespecialcuidadoenquelapastillanoquedenimuyduranimuyblanda,pues la sustancia puede saltar al quemarse y la combustión entonces sería incompleta. Laprensadepelletsseusadelasiguientemanera:

- Colocar la prensa de pellets en posición vertical con las ranuras de guía en posiciónsuperioreintroducirlapequeñabarradeaceroporelorificiohastaelfondodelaprensa.

- Introducirusandounembudolaporcióndesustanciaaensayarpesadaanteriormente.

45


- Colocarelhilodeigniciónenlasranurasdeguíadelaprensadepelletsdetalmaneraquese forme un pequeño bucle o “loop” en medio de la sustancia a ensayar para queproporcioneunbuencontactoconlapastilla.

- Acontinuación,insertarlabarradeacerograndeycomprimirlasustanciaunpoco.

- Lasustanciasólidasehabrácompactadoenformadepastilla.

- Tenercuidadodenocortarelextremodelfinocabledehierroohilodeignición.

- Presionarlapastillacompactadafueradelprensadordepelletsconlabarradeacerolargaypesarloobtenidoconunaprecisiónde1mg.

- Restarlamasadelhilodeignicióndehierroparaobtenerlamasadelasustanciaaensayar.

- Elcalordecombustióndelhilodehierronopuedeserdescartadoporqueestápresentetantodurantelacalibracióncomodurantelamedidareal.

o Ahorasedebeajustarlapastillacomprimidaconlosdosextremosdeloshilosenlosorificiosque tienen los contactos de níquel (Figura 3.15.) bajando los pasadores hasta que sujetenlevementeelhiloydebiendosituarlapastillaenelcentrodelcrisolparaquepuedaquemarseunavezqueelcabledeencendidosehayaconsumido.

Figura3.15.Crisolconlamuestradeácidobenzoicoyalambredeigniciónconectadoaloselectrodos.

o Acontinuaciónseprocedealllenadodelcalorímetrodelabombaconoxígeno:

- Seconectaeltubodepresiónalaválvulamanorreductoradelabaladeoxígeno.Setendráqueasegurarconunaabrazaderaporseguridad.

- Colocarelacoplamientorápido(quick-connect)delcalorímetroenelextremodeltubodepresión de la bala de oxígeno. Una vez unido se debe asegurar con una abrazadera yconectarloconlabombacalorimétrica.

46


- Despuésderealizarlaconexiónbaladeoxígeno-bombacalorimétricasecompruebaquesehacerradoperfectamentelatapadelabombacalorimétricaconlaabrazaderaespecialquetieneantesdeempezarallenarlo.

- Seabrelaválvuladelabombacalorimétricayacontinuaciónlaválvuladecontroldelabaladeoxígeno.

- Abrirpocoapocoelmanorreductoracopladoalabalayllevarlapresióncomomáximoa10bar.

- Unavezalcanzadalapresión,cerrarlaválvuladelabombacalorimétricaylaválvuladecontroldelabaladeoxígeno.

- Conprecaución,lentamenteretirarelacoplamientorápidodelcalorímetrodelaconexiónconlabombacalorimétrica.

- Unavezobtenidalapresiónrequeridaenlabombacalorimétrica,sepodríaincrementarlasposibilidadesdeunacombustióncompletarealizandounavezmáslapresurización,yaquelabombanosepuedepurgar.Estoimplicaquecontendráunapequeñapartedeaire,elnitrógenoelcualnoayudaráaquesecompletelacombustión.Realizandodosllenadosdelabombaseaseguraunamenorcantidaddeairedentrodelabombacalorimétrica.

- Porúltimo,señalarlasprecaucionesatenerencuentaalahoradeoperarconlabombacalorimétrica.Losequiposparaoxígenoaaltapresiónsedebenmantenerlibresdeaceitesygrasas (sepuedeusargrasaparaaltovacío recomendadaporel fabricante según lasinstrucciones de manejo del instrumento). No se ensaya o calibra el manómetro conhidrocarburos.

o Sellenaelvasodelcalorímetroconlacantidadnecesariadeaguadestilada,queenesteensayoseráde850gr.Lacantidaddeaguaenelvasodelcalorímetrodebeserlamismaentodoslosensayosdentrodeunadesviaciónde±0,5gomenossegúnloestablecidoenlanormaUNE-EN14918:2009.

o Semontalabombaenelvasodelcalorímetro.Secompruebaquenohayfugasdegasenlabombatanprontocomoquedasumergidaenelaguamedianteunagotadeaguaalrededordelaaberturaexpuesta.Seconectanloscablesdelcircuitodeigniciónyseintroducelasondadetemperatura.

o Sihayescapesdegasen labomba, sedesechaelensayo, seelimina la causade fugay secomienza de nuevo. Además de suponer un riesgo, las fugas conllevan inevitablementeresultadoserróneos.

o El agitador electromagnético, la sonda de temperatura y la fuente de alimentación seenciendenyseajustansegúnloestablecidoenelmanualdelinstrumento.Normalmentesenecesita unperiododeunos cincominutos paraqueel agitador electromagnético consigahomogeneidadysealcanceunatemperaturaconstanteenelinteriordelvasocalorimétrico.

o Tanprontocomoelcalorímetroalcanzaelestadoestacionario,secomienzaatomarlecturade la temperatura. Normalmente, es suficiente con lecturas a intervalos de 1 min paraestablecer lavelocidaddedesviacióndelperiodopreviooparaverificarel funcionamientoadecuadodeunsistemaadiabático.

47


o Alfinaldelperiodoprevio,cuandosehaestablecidolatemperaturainicial(5min),seinicialacombustión.Sepresionaelinterruptordelafuentedealimentaciónparaempezar;lacorrienteseinterrumpeautomáticamentecuandoelhiloconductorcomienzaaquemarseoafundirseparcialmente.Mientras semantenga la resistencia del circuitode igniciónde la bombadecombustiónensuvalornormalbajo,laenergíaeléctricaparainiciarlareacciónestanbajaquenoesnecesariomedirlaycontabilizarlaporseparado.

o Se continúa tomando lecturas de la temperatura a intervalos de 30 seg. El tiempocorrespondiente al tiempo inicial marca el comienzo del periodo principal. Una vez seaconstantelatemperaturamásaltaalcanzadasedaráporfinalizadalacombustión.

o Alfinal,cuandosehancompletadotodaslaslecturasdetemperaturanecesarias,sesacalabombadel calorímetro, se libera lentamentede la presión (siguiendo las instrucciones delfabricantePHYWE)ysedesarmalabomba.

o Seexaminacuidadosamenteel interiorde labomba,el crisolycualquier residuosólidoenbuscadesignosdecombustiónincompleta.Serechazaelensayocuandoseobservenrestosdehollínopartedemuestrasinquemar.

o Unaveztomadastodaslasmedidasdelincrementodetemperaturaconeltiempo,seprocedealcálculodelpodercalorífico.Comoyasehavisto,alaplicarlaecuación[1]y[2]delaPrimeraLey de la Termodinámica, al proceso de combustión a volumen constante, se obtiene laecuaciónquepermitecalcularelpodercalorífico.

48


4.RESULTADOSYDISCUSIÓN

4.1.MONTAJEDELSISTEMACALORIMÉTRICO

Antes de realizar los diferentes ensayos se procedió a efectuar el montaje del sistemacalorimétrico (bomba, vaso, agitador, sondade temperatura, etc.) conobjetodeponerapuntoelcalorímetro.Enestesentido,yantesdepasarapresentarlosresultadosobtenidosenlacalibracióndel sistema, es necesario comentar algunos aspectos a tener en cuenta durante la operación delmontajedelsistemaconobjetodeevitarerroresoincidenciasdurantelaoperativa,biendebidosaloperadoradedeficienciasenelmontajedelequipoyqueduranteestetrabajodepuestaapuntodelcalorímetrosepudocomprobar:

a) Combustiónincompleta

Elprimererrorsurgiócon lasprimerasmuestrasdeensayo.Alconectar todos losequipos,prensar correctamente el ácido benzoico y realizar la combustión en la bomba, se obteníanincrementos de temperaturamuy bajos. Esto se debía a que la combustión que se poducía en elinterior de la bomba calorimétrica no era una combustión completa ya que no se había llenadocompletamentecon𝑂"yseguramentetodavíateníaaireensuinterior.Así,seapreciabanrestosdemuestra no quemados y bastante cantidad de hollín (Figura 4.1), señal de mala o incompletacombustión.

Figura4.1.Muestrasdeácidobenzoicotrasunacombustiónincompleta,conabundantesrestoshollín.

49


Analizandoelcomportamientodelequiposeconsideróconvenienteaumentarlapresióndeoxígenodentrodelabombacalorimétricaparaasegurarlacantidadsuficientequepermitasaturarelinteriordelamismay,portanto,queseproduzcaunacombustióntotal(elmanualdeinstruccionesestipulaunmáximode10bar).Hastaesemomentoseestabatrabajandoconunapresiónde4barporimpedimentodelmanorreductordelabalasuministradoradeoxígeno,elcualsólollegabahastaesapresión.Seacoplóunnuevomanorreductoryseconsiguióllegarhastaunapresiónde8bar,conloquealelevar lapresiónseconsiguiócrearunaatmósferamásricaenoxígenoydeestamanera lacombustión pudo completarse. En la Figura 4.2. se observa la muestra de ácido benzoicocompletamentequemadaenestasnuevascondiciones.

Figura4.2.Muestradeácidobenzoicotrasunacombustióncompleta.

b) Desplazamientodelamuestra

Otro de los errores que se cometieron, y que fue difícil de averiguar fue cuando una vezmontadotodoelequipo,preparadalapastilladeácidobenzoicoyllenadoconoxígenoelinteriordelabombacalorimétrica,alconectarlafuentedealimentaciónparaprocederalacombustión,nosellegabaaobtenerningúnincrementodetemperaturaenelsistema.

Además, el hilo de hierro para la ignición unas veces aparecía fuera de los orificios de loselectrodosdeníquelyotrassehabíadesplazadoynoestabaencontactoconlasustancia.Despuésdevarias pruebas se pudieron determinar los diversos factores que hacían que el hilo de hierro sedesplazaseanulandolamedición.

Elprimermotivoeraalahoradelllenadodelabombaconoxígeno.Siseabríalaválvuladelmanorreductorparaelllenadodemasiadorápido,lacorrientedeoxígenopodíamoverlamuestraydesplazar a la vez el hilo de hierro de su sitio. Por ello, una vez realizadas diferentes pruebas, seconsideróquesehadehacerelpresurizadoconoxígenomuypocoapoco.

Elotromotivofuealahoradeconectarelhilodehierroalosorificiosdeloselectrodosdeníquel.Enlasprimeraspruebas,seprensabalasustanciaysecolocabaenelcrisoly,enparalelo,secortabauntrozodehiloyseconectabaentrelosdoselectrodosdejándolocaercercadelasustanciaperosinestarencontacto.

50


Tras diferentes ensayos se estableció que si el hilo de ignición estaba en contacto con lasustancia prensada, la combustión se facilitaría y podría producir una mejor y más completacombustión.Deestamanera,sellegóalaconclusióndequesielhilodehierrosecolocabaenmediodelapastilladeácidobenzoicosepodríaproducirlacombustióntotal.Enestesentido,yparaasegurarelcontactodelhiloconlamuestra,sedoblóenformade“loop”yseintroducíaenmediodelapastilladelamuestra,talcomosepuedeapreciarenlaFigura4.3.

Figura4.3.Hilodehierrointegradoenlapastilladelamuestra.

c) Seguridadenlasconexiones

Laconexióndelequipodepresiónquesuministraoxígenoalabombacalorimétricasehadehacercontotalseguridadparaqueelequipopuedaaguantarlapresióndetrabajo.Laprimeravezquesemontóelequiposeusóuntubogruesodeplásticoparaconectarlabaladeoxígenoconlabombacalorimétrica.Aesetuboseleacoplabaenunextremolapiezadeconexiónrápidaparalaentradaalaválvuladelabombacalorimétrica.

Sinembargo,noseconsideróqueesetubodeplásticonecesitabaestarmuybienaseguradoensuuniónconlapiezadeconexiónrápidaalabombacalorimétricayelacopleseefectuóconunasimplebridadeplástico(Figura4.4.).

Figura4.4.SujeciónprimitivadeltubodesuministrodeO2alaconexióndelabombacalorimétrica.

51


Estedeficientemontajetuvounasconsecuenciasgravesyaque,realizandounensayo,alllegaralapresióndetrabajolasujeciónnoconsiguióevitarlaseparaciónespontáneadeltuboylabombacalorimétricay,al soltarse,empujó labombacalorimétricaquecayóal suelo llegandoa romper laválvulaanti-retorno(Figura4.5.).Esteproblemasupusounciertoretrasoenlaexperimentación,hastalasustitucióndelaválvuladañadayobligóaasegurarlasconexionesconabrazaderasmetálicasparaconseguirunauniónmássegura.

Figura4.5.Imagendelaválvulaanti-retornorotadelabombacalorimétrica.

4.2.CAPACIDADCALORÍFICADELCALORÍMETRO.

Unavezmontadocorrectamenteelequipo,seprecedióarealizarelcálculodelacapacidad

caloríficadelsistemacalorimétricocompleto(bomba,agua,sondadetemperatura,vaso,etc.),loquesedenominacalibracióndelcalorímetro.Paraello,lasustanciapurahabitualmenteutilizadaenestetipo de bombas calorimétricas es el ácido benzoico del que se conoce su entalpia de combustiónestándar(26435,8J/g),siendosureaccióndecombustiónlasiguiente:

C7H6O2+;A"O2→7CO2+3H2O

La combustión se lleva a cabo dentro de la bomba y el calor liberado por la reacción esabsorbidoporelsistema,paraunavezmedidoenelaguapodercalcularlaentalpiadereacción.Así,elcalorliberadovienedadopor:

𝑞CDCEF = 𝐶=EF ∗ ∆𝑇

[3]

[4]

52


yoperandoseobtienelacapacidadcaloríficadelcalorímetro𝐶=EF enJ/ºC:

𝐶𝑐𝑎𝑙 = 𝑞CDCEF∆𝑇

Donde 𝑞CDCEF es la cantidad total de calor liberado en el calorímetro de la combustión;∆𝑇 es ladiferenciadetemperaturasenºC.

Conestaúltimaecuaciónconociendo lacapacidadcaloríficadelcalorímetroyelcambiodetemperaturatotalquesufre,sepuededeterminarlacantidaddecalorliberadoporlareacciónquímicadelacombustión.Estaecuaciónproporcionalarelaciónentreelcambiodetemperaturamedidoyelcalorquecausaeseaumentodetemperaturaenelcalorímetro.Lamasadelabombayelpesodelagua que rodea la bomba en el vaso del calorímetro son los componentes más significativos delcalorímetroalahoradecalcularsucapacidadcalorífica.

Elcalorliberadoporlacombustióndelhilodehierroyelcalorasociadoconlaformacióndelproducto deben ser considerados términos de corrección experimental. En una reacción decombustiónelcálculodelflujodecalortambiénesimportante,yseexpresacomo:

𝑞CDCEF = (𝑞K ∗ 𝑚) +𝑞; + 𝑞"

donde(𝑞K ∗ 𝑚)eselcalorliberadoporlacombustióndelamuestray𝑞;+𝑞"sonlostérminosdecorrecciónexperimentalmencionadosanteriormente.𝑞;seobtienepesandolacantidaddehilodehierroantesydespuésdelaigniciónymultiplicandoestevalorporunfactordeconversión,queesproporcionadoporelfabricante(5858J/g);porlotanto:

𝑞; = 5858 ∗ 𝑚OP

Durante el proceso la bomba calorimétrica se llena completamente de 𝑂" antes de lacombustión, eliminando prácticamente en su totalidad el aire. Esto elimina el segundo términocorreccional(𝑞"),conloquelaecuaciónquedaríadelasiguienteforma:.

𝐶=EF = 𝑞CDCEF∆𝑇

= (𝑞K ∗ 𝑚) + 𝑞;

∆𝑇

[5]

[6]

[7]

[8]

53


Resolviendopara el término (𝑞K ∗ 𝑚) se puedeobtener la cantidad total de calor liberadopor lareaccióndecombustión:

(𝑞K ∗ 𝑚) = 𝐶=EF ∗ ∆𝑇 −𝑞;

Enlacalibracióndelabombacalorimétricaconelácidobenzoicolaecuaciónquedeterminalacapacidadcaloríficadelsistema,comoanteriormentehemosindicado,eslasiguiente:

𝑞CDCEF = (𝑚QPRSDT=D ∗ 𝑞QPRSDT=D) + (𝑚OP ∗ 𝑞OP)

𝐶=EF =𝑞CDCEF∆𝑇

= (𝑚QPRSDT=D ∗ 𝑞QPRSDT=D) + (𝑚OP ∗ 𝑞OP)

∆𝑇

Donde,

𝑞CDCEF =Calortotaldelareacción(J)

𝑚QPRSDT=D=Masadelácidobenzoicoutilizadoparalacombustión(g)

𝑞QPRSDT=D=Calordecombustióndelácidobenzoico(26435,8J/g)

𝑚OP =Masadelhilodeignicióndehierroutilizadoparalacombustión(g)

𝑞OP =Calordecombustióndelhierro(5858J/g)

∆𝑇=Incrementodetemperaturadelcalorímetro(ºC)

𝐶=EF =Capacidadcaloríficadelcalorímetro(J/ºC)

En este trabajo se han realizado tres repeticiones para establecer el valor medio de lacapacidadcaloríficadelsistema,enlaTabla4.1.seexponenlosresultadosobtenidosencadaunodelostresensayos.Enlastablas4.2.a4.4.seexponelavariacióndelatemperaturaalolargodeltiempopara cada uno de los ensayos realizados y en las Figuras 4.6. a 4.8., se muestra gráficamente laevolucióndelatemperaturaduranteelprocesodecombustiónencadaunodelosensayosrealizadosconelácidobenzoico.

[9]

[10]

[11]

54


Tabla4.1.Pesodemuestradehilodehierro,ytemperaturasinicialyfinaldelproceso,ycapacidadcaloríficadelcalorímetrocalculadaencadaunodelosensayosrealizados.

Muestra Ácidobenzoico(g)

Hiloignición(g)

Temperaturainicial(ºC)

Temperaturafinal(ºC)

Capacidadcalorífica

(J/ºC)

m1 0,3606 0,0247 21,90 23,93 4767,32

m2 0,4142 0,0247 21,23 23,35 5233,31

m3 0,3427 0,0247 22,45 24,33 4895,99

Tabla4.2.Evolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestram1deácidobenzoicoenlacalibracióndelcalorímetro.

t(min) Tª(ºC) t(min) Tª(ºC) t(min) Tª(ºC)

0 21,88 8,33 23,58 13,33 23,931 21,88 8,67 23,67 13,67 23,932 21,89 9 23,73 14 23,933 21,89 9,33 23,79 14,5 23,934 21,90 9,67 23,83 15 23,935 21,90 10 23,86 15,5 23,92

5,33 21,95 10,33 23,88 16 23,925,67 22,02 10,67 23,90 16,5 23,926 22,16 11 23,90 17 23,91

6,33 22,35 11,33 23,91 17,5 23,916,67 22,56 11,67 23,91 18 23,917 22,84 12 23,91 19 23,91

7,33 23,08 12,33 23,91 20 23,907,67 23,32 12,67 23,92 21 23,908 23,50 13 23,93 22 23,90

55


21,50

22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

24,50

0 5 10 15 20 25

Temperatura(ºC)

tiempo(min)

Figura4.6.Evolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelácidobenzoicoparalamuestram1.

Losresultadosparalamuestram1permitencalcularlacapacidadcaloríficadelcalorímetrodelsiguientemodo:

𝑄 = 0,3606 ∗ 26435,8 + 0,0247 ∗ 5858 = 9677,66J

𝐶=EF =𝑄∆𝑇

= 9677,662,03

= 4767,32𝐽º𝐶

56




0 21,22 8,33 22,92 13,33 23,331 21,22 8,67 23,01 13,67 23,342 21,23 9 23,07 14 23,353 21,23 9,33 23,13 14,5 23,354 21,23 9,67 23,17 15 23,345 21,23 10 23,20 15,5 23,34

5,33 21,29 10,33 23,22 16 23,345,67 21,35 10,67 23,24 16,5 23,336 21,48 11 23,25 17 23,33

6,33 21,69 11,33 23,26 17,5 23,336,67 21,90 11,67 23,27 18 23,337 22,18 12 23,29 19 23,32

7,33 22,42 12,33 23,30 20 23,327,67 22,66 12,67 23,31 21 23,328 22,84 13 23,32 22 23,32

21,00

21,50

22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

24,50

0 5 10 15 20 25

Temp

eratura(ºC)

tiempo(min)

Figura4.7.Evolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelácidobenzoicoparalamuestram2

57


Losresultadosparalamuestram2proporcionanelsiguientevalorparalacapacidadcaloríficadelcalorímetro:

𝑄 = 0,4142 ∗ 26435,8 + 0,0247 ∗ 5858 = 11094,62J


= 11094,622,12

= 5233,31𝐽º𝐶



0 22,45 8,33 23,71 13,33 24,321 22,45 8,67 23,82 13,67 24,332 22,45 9 23,90 14 24,333 22,45 9,33 23,97 14,5 24,324 22,45 9,67 24,03 15 24,325 22,45 10 24,10 15,5 24,32

5,33 22,56 10,33 24,15 16 24,315,67 22,68 10,67 24,21 16,5 24,316 22,80 11 24,24 17 24,32

6,33 22,97 11,33 24,28 17,5 24,316,67 23,10 11,67 24,30 18 24,307 23,24 12 24,31 19 24,30

7,33 23,37 12,33 24,32 20 24,307,67 23,50 12,67 24,33 21 24,308 23,60 13 24,33 22 24,29

58


22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

24,50

0 5 10 15 20 25

Temp

eratura(ºC)

tiempo(min)

Figura4.8.Evolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelácidobenzoicoparalamuestram3.

Losresultadosparalamuestram3proporcionanlasiguientecapacidadcaloríficadelcalorímetro:

𝑄 = 0,3427 ∗ 26435,8 + 0,0247 ∗ 5858 = 9204,46J


= 9204,561,88

= 4895,99𝐽º𝐶

Unavezrealizadoslosensayosdecalibraciónportriplicadosehaprocedidoacalcularelvalormediodelacapacidadcaloríficaysudesviaciónestándardeacuerdoalassiguientesecuaciones:

𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑥 = 1𝑁 𝑥T

f

Tg;

𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝑒𝑥 = 𝑁(𝑥T − 𝑥 )"Tg;

𝑁(𝑁 − 1)

[12]

[13]

59


Donde𝑥T sonlosdatosde𝐶=EF y𝑁sonelnúmerodeensayos.Hayqueseñalarquealserreducidoelnúmerodeensayoselerrorestimadopuedenosermuypreciso.

𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑥 = 13 4767,32 + 5223,31 + 4895,99 = 4965,54

𝐽º𝐶

Ladesviaciónestándarporconsiguientees:

𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝑒𝑥

= 3(4767,32 − 4965,54 )" + 3(5223,31 − 54965,54 )" + 3(4895,99 − 4965,54 )"

3(3 − 1)

= 240,65𝐽º𝐶

Luego el valor que vamos a utilizar como referencia de la capacidad calorífica de nuestro

sistemacalorimétricoserá:𝐶=EF = 4965,54 ± 240,65 mºn

Este valor es la cantidad de calor necesaria para incrementar en 1 ºC la temperatura delsistemademedidadelcalorímetro.

4.3.DETERMINACIÓNDELPODERCALORÍFICODELNAFTALENO

Con objeto de comprobar la correcta calibración del calorímetro realizada con el ácidobenzoico,asícomoelposibleerrorexistenteenlamedida,sehaprocedidoacalcularelpodercaloríficodeunasustanciapuraformadaúnicamenteporcarbonoehidrógeno:naftaleno(C10H8).Paraello,conociendolacapacidadcaloríficadelsistemaseprocederáadeterminarlaentalpíadecombustióndelnaftalenoysecompararáelvalorexperimentalconel teórico ( -5153kJ/mol)establecidoen labibliografía(Haynes,2016).

Elnaftalenocombustionatotalmenteenatmósferasaturadaconoxigenoformandodióxidodecarbonoyvapordeaguasegúnlasiguientereacción:

C10H8+12O2→10CO2+4H2O

[14]

60


Laecuaciónquedeterminalaentalpíadecombustiónopodercaloríficodelnaftalenoessimilaralaanteriormenteutilizada:

𝑞CDCEF = (𝑚fEoCEFPRD ∗ 𝑞fEoCEFPRD) + (𝑚OP ∗ 𝑞OP)

(𝑚fEoCEFPRD ∗ 𝑞fEoCEFPRD) = 𝐶=EF ∗ ∆𝑇 −(𝑚OP ∗ 𝑞OP)

𝑞fEoCEFPRD =𝐶=EF ∗ ∆𝑇 −(𝑚OP ∗ 𝑞OP)

𝑚fEoCEFPRD

Donde,

𝑞CDCEF =Calortotaldelareacción(J)

𝑚fEoCEFPRD=Masadelnaftalenoutilizadoparalacombustión(g)

𝑞fEoCEFPRD=Calordecombustióndelnaftaleno(J/g)

𝑚OP =Masadelhilodeignicióndehierroutilizadoparalacombustión(g)

𝑞OP =Calordecombustióndelhierro(5858J/g)

∆𝑇=Incrementodetemperaturadelcalorímetro(ºC)

𝐶=EF =Capacidadcaloríficadelcalorímetro(J/ºC)

Enlatabla4.5seexponenlosresultadosobtenidosenladeterminacióndelpodercaloríficodelnaftaleno.Enlastablas4.6.a4.8.seexponelavariacióndelatemperaturaalolargodeltiempoparacadaunodelostresensayosrealizadosyenlasFiguras4.9a4.11semuestragráficamentelaevolucióndelatemperaturasduranteelprocesodecombustiónencadaunodelosensayosrealizadosconelnaftaleno.

[15]

[16]

[17]

61


Tabla4.5.Pesodemuestraydehilodehierro,ytemperaturasinicialyfinaldelprocesoypodercaloríficoencadaunodelosensayosrealizadosparanaftaleno.

Muestra Naftaleno(g)

Hiloignición(g)

Temperaturainicial(ºC)

Temperaturafinal(ºC)

Calordecombustión

naftaleno(J/g)

N1 0,3256 0,0247 21,40 23,92 37986,03

N2 0,3153 0,0247 21,80 24,29 38754,48

N3 0,3205 0,0247 22,07 24,57 38280,63

Tabla4.6.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestraN1denaftaleno.


0 21,36 8,33 23,60 13,33 23,911 21,37 8,67 23,69 13,67 23,912 21,38 9 23,75 14 23,923 21,39 9,33 23,79 14,5 23,924 21,39 9,67 23,83 15 23,925 21,40 10 23,86 15,5 23,92

5,33 21,44 10,33 23,87 16 23,915,67 21,57 10,67 23,88 16,5 23,916 21,94 11 23,88 17 23,90

6,33 22,33 11,33 23,88 17,5 23,906,67 22,67 11,67 23,89 18 23,907 23,00 12 23,90 19 23,89

7,33 23,22 12,33 23,90 20 23,897,67 23,37 12,67 23,90 21 23,888 23,49 13 23,91 22 23,88

62


21,00

21,50

22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

24,50

0 5 10 15 20 25

Temperatura(ºC)

tiempo(min)

Figura4.9.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelnaftalenoparalamuestraN1.

LosresultadosparalamuestraN1,permitencalcularelpodercaloríficodelnaftaleno:

𝑞fEoCEFPRD = 4965,54 ∗ 2,52 − (0,0247 ∗ 5858)

0,3256= 37986,03

𝐽𝑔

63




0 21,76 8,33 23,97 13,33 24,281 21,77 8,67 24,06 13,67 24,282 21,78 9 24,12 14 24,293 21,79 9,33 24,16 14,5 24,294 21,80 9,67 24,20 15 24,295 21,80 10 24,23 15,5 24,29

5,33 21,81 10,33 24,24 16 24,285,67 21,92 10,67 24,25 16,5 24,286 22,29 11 24,25 17 24,27

6,33 22,64 11,33 24,25 17,5 24,276,67 23,04 11,67 24,26 18 24,277 23,37 12 24,27 19 24,26

7,33 23,59 12,33 24,27 20 24,267,67 23,74 12,67 24,27 21 24,258 23,86 13 24,28 22 24,25

21,50

22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

24,50

0 5 10 15 20 25

Temp

eratura(ºC)

tiempo(min)


64


ConlosresultadosdelamuestraN2,secalculaelpodercaloríficodelnaftaleno:

𝑞fEoCEFPRD = 4965,54 ∗ 2,49 − (0,0247 ∗ 5858)

0,3153= 38754,48

𝐽𝑔



0 22,03 8,33 24,25 13,33 24,561 22,04 8,67 24,34 13,67 24,562 22,05 9 24,40 14 24,573 22,06 9,33 24,44 14,5 24,574 22,06 9,67 24,48 15 24,575 22,07 10 24,51 15,5 24,57

5,33 22,09 10,33 24,52 16 24,565,67 22,22 10,67 24,53 16,5 24,566 22,59 11 24,53 17 24,55

6,33 22,98 11,33 24,53 17,5 24,556,67 23,32 11,67 24,54 18 24,557 23,65 12 24,55 19 24,54

7,33 23,87 12,33 24,55 20 24,547,67 24,02 12,67 24,55 21 24,538 24,14 13 24,56 22 24,53

65


21,50

22,00

22,50

23,00

23,50

24,00

24,50

25,00

0 5 10 15 20 25

Temperatura(ºC)

tiempo(min)


ElpodercaloríficodelnaftalenocalculadoconlosresultadosparalamuestraN3eselsiguiente:

𝑞fEoCEFPRD = 4965,54 ∗ 2,50 − (0,0247 ∗ 5858)

0,3205= 38280,63

𝐽𝑔

Unavezrealizadoslosensayosportriplicadosehaprocedidoacalcularelvalormediodelpodercaloríficodelnaftalenoysudesviaciónestándardeacuerdoalasecuaciones()y()vistasconanterioridad.

𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑥 = 13 37986,03 + 38754,48 + 38280,63 = 38340,38

𝐽𝑔

66


Ladesviaciónestándarporconsiguientees:

𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝑒𝑥

= 3(37986,03 − 38340,38 )" + 3(38754,48 − 38340,38 )" + 3(38280,63 − 38340,38 )"

3(3 − 1)

= 387,69J/g

Luegoelvalormediodelpodercaloríficoocalordecombustióndelnaftalenoestablecidoconnuestrosistemacalorimétricoserá:𝑞fEoCEFPRD = 38340,38 ± 387,69J/g

Finalmente,sehacalculadoelerrorexperimentaldeladeterminacióndelpodercaloríficodelnaftalenomediantesucomparaciónconelvalorteóricodebibliografía(-5153kJ/mol)deacuerdoalasiguienteexpresión:

%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑞fEoCEFPRD − 𝑞fEoCEFPRDCPóCT=D

𝑞fEoCEFPRDCPóCT=D∗ 100

Obteniendoelsiguienteresultado:

%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 38340,38 − 40235,46

40235,46∗ 100 = 4,71%

Elvalorobtenidoenlamedidadelcalordecombustióndelnaftalenoparanuestrocalorímetropresentaunerror frente al valor teórico < 5%, lo que indicaquenuestro sistema calorimétrico esadecuadoparadeterminar calores de combustióndedistintas sustancias, ya que susmedidas sonaceptablesen los rangosde temperaturaa losquese trabaja. Sepuedeseñalarqueelerroren lamedidaestáenelrangoqueotrosautoreshanencontradoensussistemascalorimétricosmásomenossimilaresalnuestroy,enconcreto,unpocomenoralestablecidoenunsistemasimilarparanaftalenoyantracenoporFernández(2016),queobtieneconunabombatipoPHYWEerroresenelcálculodeloscaloresdecombustiónconelcalorímetrorespectoalosvaloresteóricosdel6,07%y5,11%paranaftalenoyantraceno,respectivamente.

[18]

67


4.3.DETERMINACIÓNDELPODERCALORÍFICODEPLASTICOS

Unavezcalibradalabombacalorimétricayestablecidasucapacidadcaloríficasehaaplicadolametodologíadetrabajoalcálculodelpodercaloríficodetrestiposdepolietilenodealtadensidad(HDPE):Unopuroutilizadoparalafabricacióndebotellascomoyasehaexplicadoenelapartado3.3.4,sintetizadomediantelapolimerizacióndeletileno;yotrosdosprocedentesdesurecicladodespuésdeunusoprevio(unocorrespondienteaunprimercicloderecicladoyelotroaunsegundociclodereciclado).Elprocedimientodel recicladoHDPEeselhabitualde lavadoy trituraciónparaobtenerpequeños pellets que pueden ser utilizados de nuevo en la fabricación de botellas destinadas adetergentesomaterialdelimpieza.

Enlastablas4.10.a4.12.seexponenlosvaloresdelavariacióndelatemperaturaalolargodeltiempoparacadaunadelastresmuestrasestudiadasyenlasfiguras4.12.a4.14.semuestraelgráficocorrespondientedelincrementodetemperaturaduranteelprocesodecombustión.Losdatoscorrespondenaunodelos3ensayosefectuadosconcadaunodelosplásticosensayados.

Tabla4.9.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndepolietilenoHDPEpuro.


0 21,68 9,25 25,63 17 26,071 21,69 9,5 25,70 17,5 26,062 21,70 9,75 25,75 18 26,063 21,70 10 25,79 18,5 26,064 21,71 10,25 25,83 19 26,065 21,71 10,5 25,86 19,5 26,06

5,25 21,71 10,75 25,89 20 26,065,5 21,78 11 25,92 21 26,055,75 21,89 11,5 25,95 22 26,056 22,16 12 25,99 23 26,04

6,25 22,55 12,5 26,01 24 26,046,5 23,12 13 26,03 25 26,036,75 23,66 13,5 26,04 26 26,037 24,06 14 26,05 27 26,02

7,25 24,46 14,5 26,05 28 26,017,5 24,72 15 26,06 29 26,017,75 24,95 15,5 26,06 30 26,008 25,10 16 26,06 9 25,26 16,5 26,07

68


21,00

22,00

23,00

24,00

25,00

26,00

27,00

0 5 10 15 20 25 30 35

TemperaturaºC

tiempo(min)

Figura4.12.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelHDPEpuro.

Tabla4.10.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelHDPEreciclado-1.


0 20,47 9,33 24,27 16 24,881 20,49 9,67 24,39 16,5 24,882 20,50 10 24,48 17 24,893 20,51 10,33 24,56 17,5 24,894 20,52 10,67 24,60 18 24,895 20,52 11 24,66 18,5 24,88

5,33 20,52 11,33 24,69 19 24,885,67 20,57 11,67 24,73 19,5 24,886 20,80 12 24,76 20 24,88

6,33 21,12 12,33 24,78 21 24,886,67 21,60 12,67 24,80 22 24,877 22,16 13 24,81 23 24,86

7,33 22,61 13,33 24,83 24 24,867,67 23,10 13,67 24,84 25 24,858 23,47 14 24,85 26 24,85

8,33 23,73 14,5 24,86 27 24,848,67 23,98 15 24,87 28 24,839 24,13 15,5 24,88

69


20,00

21,00

22,00

23,00

24,00

25,00

26,00

0 5 10 15 20 25 30

Temperatura(ºC)

tiempo(min)

Figura4.13.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelHDPEreciclado-1.

Tabla4.11.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelHDPEreciclado-2.


0 21,16 8,67 24,86 14 25,621 21,17 9 25,06 14,5 25,622 21,18 9,33 25,15 15 25,633 21,19 9,67 25,25 15,5 25,634 21,19 10 25,32 16 25,635 21,20 10,33 25,38 16,5 25,63

5,33 21,25 10,67 25,43 17 25,635,67 21,31 11 25,47 17,5 25,636 21,57 11,33 25,50 18 25,63

6,33 21,97 11,67 25,53 19 25,636,67 22,46 12 25,55 20 25,627 23,08 12,33 25,57 21 25,61

7,33 23,67 12,67 25,58 22 25,617,67 24,06 13 25,59 23 25,608 24,45 13,33 25,61 24 25,59

8,33 24,67 13,67 25,61 25 25,59

70


20,00

21,00

22,00

23,00

24,00

25,00

26,00

0 5 10 15 20 25 30

Temperatura(ºC)

tiempo(min)

Figura4.14.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelHDPEreciclado-2.

Deacuerdoconlosvaloresdepesodelamuestra,elincrementodetemperaturaalcanzadoylacapacidadcaloríficadelsistemaquesehadiseñadoymontado,yaplicandolasecuaciones[16]y[17]descrita enel apartado4.2 sepueden calcular los valoresdel poder caloríficode lasdistintasmuestras.

Enlatabla4.12.semuestranlospesosdemuestrautilizados,losincrementosdetemperaturasobservadosduranteelprocesodelacombustiónylospoderescaloríficosmedioscalculadosparacadaunadelasmuestrasdepolietilenoanalizadas.

71


Tabla4.12.Pesodemuestradehilodehierro,variacióndetemperaturadurantelacombustiónypodercaloríficomediodelosplásticosanalizados(n=3±desviaciónestándar).

MuestraPeso

muestra(g)

Hilodeignición(g)

∆𝑇(ºC) Podercalorífico(tu)

Podercaloríficomedio

(vtu)

HDPE

0,46844

0,0247369

4,36 45907,36

45,93±0,480,46093 4,34 46439,88

0,47293 4,36 45471,52

HDPEreciclado-

1

0,47460

0,0247369

4,37 45416,14

45,74±0,290,46972 4,38 45993,69

0,47266 4,39 45812,66

HDPEreciclado-

2

0,46877

0,0247369

4,43 46616,54

46,57±0,190,46526 4,41 46754,77

0,47131 4,43 46365,31

A la vista de los resultados obtenidos, se puede afirmar que los tres tipos de plásticosanalizados presentan valores de poder calorífico del mismo orden de magnitud. Las pequeñasdiferenciasencontradasanteelHDPEpuroylasmuestrasrealizadaspuedeatribuirsealhechodequeenlosplásticosrecicladossiempreexisteunpequeñoporcentajedeotrosmaterialesdebidoaqueenlasplantasdeclasificacióndeenvaseslapurezadelasfraccionesseparadasnoesdel100%.

En cuanto al valor obtenido, éste es deunordendemagnitud similar al encontradoen labibliografíaparaelHDPE,convaloresalgosuperioresalpodercaloríficodelpetróleoycercanosalpodercaloríficodelmetano (verTabla4.13.).Porello, lavalorizaciónenergéticadeestosplásticospodríaconsiderarsecomounaopciónfactible.

Porotrolado,cabeindicarquenoseobservangrandesdiferenciasentreelHDPEprovenientedeuncicloderecicladoyelprovenientedeunsegundociclodereciclado.

72


Tabla4.13.PotenciacaloríficadelasmuestrasdeHDPEanalizadasydeotroscompuestos.

Muestra Podercalorífico(𝑘𝐽𝑔 ) Referencia

Metano 50,2 INSHT,2004

Petróleo 42,0 INSHT,2004

HDPE 46,0 TallerEcologista,1999

HDPEpuro 46,56 obtenidodelcalorímetro

HDPEreciclado-1 46,36 obtenidodelcalorímetro

HDPEreciclado-2 47,21 obtenidodelcalorímetro

Estosdatosindicanqueelusodeplásticosdepolietilenocomocombustible,unavezfinalizadasu vida útil, es muy apropiado y produce beneficios ambientales al reducir la dependencia decombustiblesfósilesyreducirsuusoenlageneracióndeenergía.

73


5.CONCLUSIONES

Elestudiodesarrolladoeneste trabajoyexpuestoenestamemoriapermiteextraer las siguientesconclusiones:

• Sehaestablecidounprotocolonormalizadodetrabajoconelsistemacalorimétricoquesehadiseñadoenellaboratorioparamedirelpodercaloríficodesustanciassólidas.SehaaplicadoloestablecidoenlanormaUNE-EN14918:2011encuantoametodologíadetrabajoycálculosdelosvaloresdelasmedidas.

• Se han establecido las condiciones operativas de la bomba calorimétrica utilizada,concretandocantidadesdemuestras(400mg),longituddelhilodeignición(10cm),cantidaddeaguaenelvasoDewar(850g)ypresióndeO2enlabomba(8bar)conobjetodeasegurarunacombustióncompleta.

• Se ha calibrado el sistema calorimétrico utilizando ácido benzoico como sustancia dereferencia,conobjetodeestablecerlacapacidadcaloríficadelsistemaobteniendoelvalorde4965,54±240,65(J/ºC)queseráutilizadoenlasdeterminacionesdelcalorímetroparaotrassustancias.

• Sehacomprobadoelbuenfuncionamientodelcalorímetromidiendoelcalordecombustióndel naftaleno, encontrandoqueel poder caloríficomedido conel calorímetropresentaunerror<5%respectoalvalorestablecidoenlabibliografíaparaestasustanciapura.

• Sehadeterminadoelpodercaloríficodemuestrasdeplásticodepolietilenodealtadensidadpuroyreciclado,encontrandoentodosloscasosquesusvalores(45,93±0,48,45,74±0,29y46,57±0,19kJ/g)sonsimilaresalosencontradosenbibliografía(46,0kJ/g)parapolietilenoeinclusoparaotroscombustibles.Porello,seconstatalaidoneidaddelavalorizaciónenergéticadeestosplásticosunavezfinalicesuvidaútil.

• Como trabajos futuros seplantea realizarel estudio conotros tiposdeplásticos, así comoincrementar el número de ciclos de reciclado mecánico de los plásticos ensayados paraanalizarposiblesdiferencias.

74


6.BIBLIOGRAFÍA

AENOR. 2011a.NormaUNE-EN 15400:2011. Combustibles sólidos recuperados. Determinación delpodercalorífico.AENOR.España.

AENOR.2011b. Norma UNE-EN 15359.2011. Combustibles sólidos recuperados. Especificaciones yclasesdecombustiblessólidosrecuperados,.AENOR.España

AENOR. 2011c. Norma UNE-EN 14918, febrero 2011. Biocombustibles sólidos. Determinación delpodercalorífico.AENOR.España

AFCE (Agrupación de Fabricantes de Cemento de España). 2011. Recuperación de combustibles.https://oficemen.com/reportajePag.asp?id_rep=1112.(accesomayo2017).

Benyus,J.M.2012.Biomímesis.Comolacienciainnovainspirándoseenlanaturaleza.Tusquetsed.376p.

BOE.2011a.Ley22/2011,de28dejulio,deresiduosysueloscontaminados.BOEde29dejulio,85650-85705

BOE,2011b.Resoluciónde16demarzode2011,delaDirecciónGeneraldeIndustria,porlaquesepublicalarelacióndenormasUNEaprobadasporAENORduranteelmesdefebrerode2011.BOEde5abril,35139-35144.

BOE 2004. RD 2267/2004 de 3 diciembre por el que aprueba el reglamento de seguridad contraincendiosenlosestablecimientosindustriales.41194-41255.(tabla1.4PC)

CASTELLAN,TG.W.1998.Fisio-Química.Pearson-AddisonWesleyInteramericanaS.A.Mexico

CASTELLS, E.X. 2005. Tratamiento y valorización energética de residuos, Ed. Díaz de Santos, S.A,Madrid.

CASTELLS,E.X.2000.Reciclajederesiduosindustriales,Ed.DíazdeSantos,S.A.,Madrid.

CEMA (Fundación Laboral del Cemento y el medio Ambiente). 2014. Reciclado y Valorización deResiduosenlaIndustriaCementeraenEspaña(actualizaciónaño2014).

CICLOPLAST. 2017. Evolución del reciclado del plástico en España.http://cicloplast.com/index.php?accion=actividades&subAccion=estudios-estadisticos&actopc=45.(accesomayo2017).

ELLENMACARTHURFOUNDATION.2016.TheNewPlasticsEconomy:RethinkingtheFutureofPlastics.https://www.ellenmacarthurfoundation.org/es/economia-circular/caracteristicas (acceso mayo2017).

EPRO. 2017. European Association of Plastics Recycling and Recovery Organisations. www.epro-plasticsrecycling.org.(accesomayo2017).

FELIU y PÉREZ, B. 1886. Curso elemental de Física experimental y aplicada nociones de químicainorgánica.Imp.J.Jpus,6ªed.Barcelona,236p

FERNÁNDEZ C. 2016. Estandarización del método calorimétrico para la determinación del podercalorífico de alimentos para la escuela de tecnología química. .Trabajo de Grado. Facultad deTecnología.EscueladeQuímica.UniversidadTecnológicadePereira.Colombia.

75


GARCÉS,R.V.yVIVIANAP.S.2007.Estudiodelpodercaloríficodelbagazodecañadeazúcaren laindustriaazucarerade la zonadeRisaralda.TrabajodeGrado. FacultaddeTecnología.EscueladeQuímica.UniversidadTecnológicadePereira.Colombia

GARCÉS ALONSO, D. 2014. Análisis del aprovechamiento de diferentes fracciones de residuosgeneradosenAsturiascomoCSR.TrabajoFindeMáster“MásterUniversitarioenCienciayTecnologíadelosMateriales”.UniversidaddeOviedo.

HAYNES,W.M.2016.HandbookChemistryandPhysics2016-17..CRCPress.97ed.

HILADO, C.J. 1998. Flammability Handbook of Plastics. 5ª ed. Technomic Publ. Co.Inc. Lancaster,Pennsylvania.USA

INSHT(InstitutoNacionaldeSeguridadeHigieneenelTrabajodeEspaña).2004.MinisteriodeTrabajoy Asuntos Sociales. Tabla 1.4. Poder calorífico (q) de diversas sustancias.www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Normativa/TextosLegales/RD/.../tabla1_4.pdf

INSHT(InstitutoNacionaldeSeguridadeHigieneenelTrabajodeEspaña).2004.MinisteriodeTrabajoyAsuntosSociales.FichasInternacionalesdeSeguridadQuímica.Ácidobenzoico.

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/.../nspn0103.pdf

INSHT(InstitutoNacionaldeSeguridadeHigieneenelTrabajodeEspaña).2004.MinisteriodeTrabajoyAsuntosSociales.FichasInternacionalesdeSeguridadQuímica.Naftaleno.

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/.../nspn0667.pdf

INSHT(InstitutoNacionaldeSeguridadeHigieneenelTrabajodeEspaña).2004.MinisteriodeTrabajoyAsuntosSociales.FichasInternacionalesdeSeguridadQuímica.Oxígeno.

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ//nspn0138.pdf

MANZINI, E. y BIGUES, J. 2000. Ecología y democracia: de la injusticia ecológica a la democraciaambiental.Icariaed.

MCDONOUGH,W.yBRAUNGART,M.2005.Cradle tocradle (de lacunaa lacuna): rediseñando laformaenlaquehacemoslascosas.McGraw-Hill.186p

MORA, I. 2015. Los plásticos una oportunidad para la economía circular. Diario ABCNatural-Vivir.http://www.abc.es/natural-vivirenverde/.../abci-plasticos-economia-circular-201509091156.html.

PAULI,G.2015.LaEconomíaAzul.Ed.Tusquets,336p

PEARCE,D.W.yTURNER,R.K.1990.Economicsofnaturalresourcesandtheenvironment.HarvesterWheatsheaf,London378pp

PHYWE.2017.Determinationoftheenthalpyofcombustionusingabombcalorimeter.TESSExpert.-P3021401.PHYWESystemeGmbH&Co.HG.Alemania

PLASTICS EUROPE. 2016. Plastics – the Facts 2015. An analysis of European plastics, production,demand and waste data, 30 p. Association of Plastics Manufacturers in Europe. Bruselas,www.plasticseurope.org

76


RAMÍREZ,J.2011.EvaluaciónenergéticadelosrestosvegetalesgeneradosporlaagriculturaintensivabajoplásticoenAlmería.TrabajoFinGradoIngenieríaTécnicaAgrícola.EspecialidadMecanizaciónyConstruccionesRurales.UniversidaddeAlmería

STAHEL,W.R.yREDAY-MULVEY,G.1981.JobsforTomorrow:ThePotentialforSubstitutingManpowerforEnergy.VantagePress

STAHEL,W.R.2016.Thecirculareconomy.Nature,531.http://www.nature.com/news/the-circular-economy-1.19594

UE,2008.DIRECTIVA2008/98/CEDELPARLAMENTOEUROPEOYDELCONSEJOde19denoviembrede2008sobrelosresiduosyporlaquesederogandeterminadasDirectivas.

YAQUE, A. 2013. Combustibles sólidos recuperados y combustibles derivados de residuos. TrabajoFinaldeMasterTecnologíaQuímicayAmbiental.ETSI.UniversidaddeSevilla,121p

77


ANEXOI:ÍNDICETABLAS

Tabla2.1.Composicióndeelementosbiogénicosdedeterminadosmateriales………………………….….…19

Tabla2.2.Ventajaseinconvenientesdelapirolisis……………………………………………………………………………22

Tabla2.3.Ventajaseinconvenientesdelahidrogenacióncatalítica…………………………………………………..23

Tabla2.4.Ventajaseinconvenientesdelavalorizaciónenergética……………………………………………………23

Tabla 4.1. Peso demuestra de hilo hierro, y temperaturas inicial y final del proceso, y capacidadcaloríficacalculadadelcalorímetroencadaunodelosensayosrealizados…………………..……………………55

Tabla4.2.Evolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestram1deácidobenzoicoenlacalibracióndelcalorímetro……………………………………………………………………………………………………………55

Tabla4.3.Evolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestram2deácidobenzoicoenlacalibracióndelcalorímetro..……………………………………………………………………………………………………….…57

Tabla4.4.Evolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestram3deácidobenzoicoenlacalibracióndelcalorímetro.………………………………………………………………………………….……………….………58

Tabla4.5.Pesodemuestraydehilohierro,ytemperaturasinicialyfinaldelprocesoypodercaloríficoencadaunodelosensayosrealizadosparanaftaleno…………………………………………………………………….…62

Tabla4.6.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestraN1denaftaleno……….….62

Tabla4.7.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestraN2denaftaleno.…….……64

Tabla4.8.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndelamuestraN3denaftaleno….…….…65

Tabla4.9.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndepolietilenoHDPEpuro……………….…68

Tabla4.10.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndepolietilenoHDPEreciclado-1………69

Tabla4.11.EvolucióndelatemperaturadurantelacombustióndepolietilenoHDPEreciclado-2………70

Tabla4.12.Pesodemuestradehilohierro,variacióndetemperaturasdurantelacombustiónypodercaloríficodelosplásticosanalizados(n=3±desviaciónestándar).…………………………………………..…………72

Tabla4.13.PotenciacaloríficadelasmuestrasdeHDPEanalizadasydeotroscompuestos.………………73

78


ANEXOII:ÍNDICEFIGURAS

Figura1.1.EsquemadelplandetrabajodeesteTFG……..……..……..……..……..……..……..……..……..………..11

Figura2.1.Podercaloríficodealgunosmateriales(fuenteBOE2004).…………………………………….…………13

Figura2.2.Tratamientosdelosresiduosplásticosen2014enEuropa(PlasticsEurope,2015)….…………14

Figura2.3.CalorímetrodeLavoisieryLaplace(FeliúyPérez,1886)……………………………………………….…..16

Figura2.4.Evolucióndelosplásticosdepositadosencontenedoramarillo(Cicloplast,2017)……….……20

Figura2.5.TratamientoderesiduosplásticosenEspañayEuropaen2014(PlasticsEurope,2005)…….21

Figura3.1.Bombacalorimétricautilizada…………………………………………………………………………………....……31

Figura3.2.Esquemadelasdistintoscomponentesdelabombacalorimétricautilizada…………….……….32

Figura3.3.VasoDewarutilizado……………………………………………………………………………………………………….32

Figura3.4.Agitadormagnéticoutilizado……………………………………………………………………………………….….33

Figura3.5.MultímetrointeligentedigitalIEC1010-1Lendher..………………………………………………….….…..34

Figura3.6.Fuentedealimentaciónutilizada……………………………………………………………………………………..35

Figura3.7.Prensaparaobtenerlaspastillasdelcompuestoaanalizar.………………………….……….………….36

Figura3.8.Equipoymaterialutilizadosparalapreparacióndemuestrasydepesada.…………….…………36

Figura3.9.Equipodepresióndeoxígenoutilizado…………………………………………………………………….………37

Figura3.10.Campanadeextracciónutilizada…………………………………………………………………………..…..…..38

Figura3.11.Hilodehierrousadoparalaignición…………………………………………………..……………………..……39

Figura3.12.Muestrasutilizadasdepoliuretano(HDPE)puroyreciclado………………………………….…....…39

Figura3.13.Equipoutilizadoparaelsuministrodeoxigeno……………………………………………………………….42

Figura 3.14 Ejemplo de muestra con combustión incompleta (izquierda) y combustión completa(derecha)……………………….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….……..44

Figura 3.15. Crisol con la muestra de acido benzoico y alambre de ignición conectado a loselectrodos……….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…46

Figura4.1.Muestrasdeácidobenzoicotrasunacombustiónincompleta,conabundantesrestosdehollín..…………………….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….……..…….……..49

Figura4.2.Muestradeácidobenzoicotrasunacombustióncompleta.………………………………….………….50

Figura4.3.Hilodehierrointegradoenlapastilladelamuestra.…………………………………………...………..…51

Figura 4.4. Sujeción primitiva del tubo de suministro O2 a la conexión de la bombacalorimétrica………………………………………………………………………………………………………………………….…..……51

Figura4.5.Imagendelaválvulaanti-retornorotadelabombacalorimétrica…………………………….………52

79


Figura4.6.Evolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelácidobenzoicoparalamuestram1…………………………………………………………………………………………………………………………..………56

Figura4.7.Evolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelácidobenzoicoparalamuestram2……………………………………………………………………………………………………………………………..……57

Figura4.8.Evolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelácidobenzoicoparalamuestram3…………………………………………………………………………………………………………………………..……...59

Figura4.9.Evoluciónde la temperaturaconel tiempodurante lacombustióndelnaftalenopara lamuestraN1……………………………………………………………………………………………………………………………..…….…63

Figura4.10.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelnaftalenoparalamuestraN2………………………………………………………………………………………………………………………………..…….64

Figura4.11.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelnaftalenoparalamuestraN3……………………………………………………………………………………………………………………………..……….66

Figura4.12.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelpolietilenoHDPEpuro………………………………………………………………………………………………………………………………….………………69

Figura4.13.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelpolietilenoHDPEreciclado-1……………………………………………………………………………………………………………………...…….…………70

Figura4.14.EvolucióndelatemperaturaconeltiempodurantelacombustióndelpolietilenoHDPEreciclado-2…………………………………………………………………………………………………………………..………..…………71

80


DOCUMENTOIIPRESUPUESTO

81


DOCUMENTOII:PRESUPUESTO

1.PRESUPUESTOPARCIAL…………………….……………………………………….…………….………………….82

1.1REACTIVOSYMUESTRAS…………………………………………………………….….………..…….821.2MATERIALES……………………………………………………………………………….….………………831.3EQUIPOSAUXILIARES………………………………………………………………….………………….831.4MANODEOBRA…………………………………………………………………………..…………..….…84

2.PRESUPUESTOTOTAL…………………………………………………………………………………………………..85

82


1.PRESUPUESTOPARCIAL:

ElpresupuestodeesteTFGsehadivididoendiferentespartidas: reactivosymuestras,materiales,equiposauxiliaresymanodeobra.

Sehantenidoencuentalassiguientesconsideraciones:

• SehaincluidoelIVA(21%)atodoslospreciosdelastablas.• Sehaincluidoeltransportedetodaslaspiezas.• Losartículosconunpreciode0€fueronsuministradosgratuitamenteporlosfabricantespara

larealizacióndeltrabajo.

1.1REACTIVOSYMUESTRAS

CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD PRECIO(€) IMPORTE(€)

Ácidobenzoico Kg 0,8 64,80 64,80Naftaleno Kg 0,8 53,40 53,40HDPEPuro Kg 0,8 0,00 0,00

HDPEReciclado1 Kg 1 0,00 0,00HDPEReciclado2 Kg 1 0,00 0,00Baladeoxígeno Ud 1 130,00 130,00Aguadestilada l 8 0,63 5,04

TOTAL 253,24

83


1.2MATERIALES

CONCEPTO Ud CANTIDAD PRECIO(€) IMPORTE(€)

Vasocalorímetro ud 1 405,33 405,33Bombacalorimétrica ud 1 2146,67 2146,67

Hiloignición ud 1 9,20 9,20Prensadepellets ud 1 66,53 66,53

Crisol ud 1 35,87 35,87Vidriodereloj ud 1 2,59 2,59

Mortero ud 1 16,88 16,88Espátula ud 1 1,73 1,73

Tubodegoma m 1 1,50 1,50Abrazaderas ud 2 3,05 5,05

TOTAL 2691,35

1.3EQUIPOAUXILIAR


Agitadorelectromagnético ud 1 95,99 95,99

MultímetrointeligenteLendher ud 1 22,24 22,24LendhermackDCPowerSupply

HY3003D ud 1 90,97 90,97

BalanzaanalíticaSARTORIUS ud 1 1250,00 1250,00Tornodemesa ud 1 23,40 23,40Manorreductor ud 1 87,03 87,03

TOTAL 1569,63

84


1.4MANODEOBRA

Loscostesdemanodeobracuantificanlashorasenlasqueseharealizadotodoeltrabajo.Sehandescompuestoenlasdiferentesetapasdeoperación.


Preparacióndemuestras h 20 30,00 600,00Puestaapuntodel

método h 20 30,00 600,00

Calibracióndelabomba h 25 30,00 750,00Ensayosaplásticos h 45 30,00 1350,00Revisiónbibliográfica h 20 30,00 600,00

RedacciónTFG h 170 30,00 5100,00

TOTAL 9000,00

85


2.PRESUPUESTOTOTAL

Acontinuaciónsepresentaelpresupuestototalqueenglobatodoeltrabajorealizado:

CAPITULO DENOMINACIÓN TOTAL

1.1 REACTIVOSYMUESTRAS 253,24

1.2 MATERIALES 2691,351.3 EQUIPOSAUXILIARES 1569,631.4 MANODEOBRA 9000,00

TOTAL 13514,22

LasumadetodoslospresupuestosparcialesasciendeaTRECEMILQUINIENTOSCATORCEEUROSCONVEINTIDOSCÉNTIMOS.

Aestosgastosseleshandeincluirtambiénlosgastosgeneralesdeagua,luzyelectricidad.

Presupuesto13514,22€

Gastosgenerales638,83€

PRESUPUESTOTOTAL14153,05€

Asciende el presupuesto total a: CATORCE MIL CIENTO CINCUENTA Y TRES EUROS CON CINCOCÉNTIMOS.

DISEÑO Y PUESTA A PUNTO DE UN PROTOCOLO PARA …

Documents

Transcript of DISEÑO Y PUESTA A PUNTO DE UN PROTOCOLO PARA …