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COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO ENERGÉTICO ENTRE LA MOLIENDA
MECÁNICA Y LA MOLIENDA CRIOGÉNICA APLICADA A LOS NEUMÁTICOS
FUERA DE USO (NFU)
SEBASTIÁN DAVID SAAVEDRA CRISTANCHO
JUAN DAVID GUILOMBO CRUZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C. 2017
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COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO ENERGÉTICO ENTRE LA MOLIENDA
MECÁNICA Y LA MOLIENDA CRIOGÉNICA APLICADA A LOS NEUMÁTICOS FUERA
DE USO (NFU)
SEBASTIÁN DAVID SAAVEDRA CRISTANCHO
JUAN DAVID GUILOMBO CRUZ
PARA OPTAR AL TÌTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO
PROYECTO DE GRADO
PhD. CAMILO ARIAS HENAO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
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Contenido
Resumen .......................................................................................................................................... 8
1. Generalidades ........................................................................................................................ 10
1.1. Introducción ................................................................................................................... 10
1.2 Definición Del Problema ..................................................................................................... 11
1.2.1 Problemática social y ambiental ................................................................................... 11
1.2.2 Alternativa ambiental: Tratamiento de NFU ................................................................ 13
1.2.3 Formulación del problema ............................................................................................ 17
1.3 Objetivos ............................................................................................................................. 18
1.3.1 Objetivo general ........................................................................................................... 18
1.3.2 Objetivos específicos .................................................................................................... 18
1.4 Justificación ......................................................................................................................... 18
2. Marco Teórico ....................................................................................................................... 20
2.1 Composición Del Neumático .............................................................................................. 20
2.1.1 Características de Construcción. ................................................................................... 24
2.2 Procesos De Tratamiento De NFU ...................................................................................... 25
2.2.1 Tratamientos mecánicos ............................................................................................... 28
2.2.2 Tecnologías de reducción de tamaño. ........................................................................... 28
2.3 Fundamentos Termodinámicos ........................................................................................... 31
2.4 Temperatura de transición vítrea ( 𝑻𝒈 ) ......................................................................... 32
2.4.1 Medición transición vítrea ............................................................................................ 33
2.5 Leyes de molienda ............................................................................................................... 35
3. Determinación De Las Condiciones Actuales De Proceso En La Industria .......................... 39
3.1 Proceso. ............................................................................................................................... 41
3.1.1 Retiro de estructura metálica ........................................................................................ 42
3.1.2 Raspado ........................................................................................................................ 43
3.1.3 Trituración primaria ...................................................................................................... 43
3.1.4 Separación magnética ................................................................................................... 44
3.1.5 Granulación .................................................................................................................. 45
3.1.6 Granulación secundaria ................................................................................................ 46
4
4. Medición de eficiencias: Método Mecánico .......................................................................... 48
4.1 Consideraciones Generales ................................................................................................. 48
4.2 Descripción General. ........................................................................................................... 49
4.3 Eficiencia Del Granulado. ................................................................................................... 49
4.4 Eficiencia del pulverizado. .................................................................................................. 54
5. Medición de eficiencia Método Criogénico .......................................................................... 57
5.2 Experimento para determinar el Tg ..................................................................................... 57
5.2.1 Paramentos generales ................................................................................................... 57
5.2.2 Materiales empleados para el experimento: ................................................................. 58
5.2.3 Procedimiento: .............................................................................................................. 60
5.2.4 Análisis de Resultados .................................................................................................. 62
5.3.1. Experimento para determinar el cp del caucho de neumático: .................................... 64
5.4.2 Masa necesaria de nitrógeno ......................................................................................... 70
5.5 Eficiencia Del Pulverizado. ................................................................................................. 74
5.5.1 Aporte energético en pulverizado. ................................................................................ 75
6. Análisis de resultados ............................................................................................................ 78
6.1. Rendimientos ...................................................................................................................... 78
7. Conclusiones .......................................................................................................................... 81
8. Referencias ............................................................................................................................ 85
5
Índice de Ilustraciones
Ilustración 1. Mapa de Bogotá con las localidades más afectadas ............................................... 13
Ilustración 2. Proceso de reciclado de neumáticos ....................................................................... 15
Ilustración 3. Diagrama de bloque del proceso "trituración mecánica" ........................................ 16
Ilustración 4. Pulverizador criogénico .......................................................................................... 17
Ilustración 5. Composición del neumático para vehículos de pasajeros/camionetas ligeras y
camiones según la RMA. .............................................................................................................. 23
Ilustración 6. Partes estructurales de un neumático ...................................................................... 25
Ilustración 7. Producto de la trituración (a la izquierda) y trituradora de dos ejes (a la derecha) 28
Ilustración 8. Niveles de tratamiento de los NFU ......................................................................... 29
Ilustración 9. Proceso de molienda criogénica ............................................................................. 31
Ilustración 10. Gráfica de Cp vs Temperatura .............................................................................. 34
Ilustración 11. Gráfica del Módulo Vs Temperatura de un polímero amorfo .............................. 35
Ilustración 12. Trozos de neumático triturados ............................................................................ 39
Ilustración 13. Munch de caucho utilizado en jardinería .............................................................. 40
Ilustración 14. Cadena de proceso de reciclaje de llantas. Empresa: Reciclair S.A.S .................. 41
Ilustración 15. Extracción del alambre radial mediante la Destalonadora ................................... 42
Ilustración 16. Trituradora primaria de dos ejes ........................................................................... 43
Ilustración 17. Material resultante de primer triturado ................................................................. 44
Ilustración 18. Separación del alambre de acero mediante una magneto de rodillo ..................... 45
Ilustración 19. ECO Crumbler Granulator. Granulador primario ................................................. 46
Ilustración 20. Sistema ECO Rubber Powder ............................................................................... 47
6
Ilustración 21. Pulverizador ECO Krumbuster ............................................................................. 47
Ilustración 22. Caucho de neumatico ............................................................................................ 58
Ilustración 23. Nitrógeno líquido .................................................................................................. 58
Ilustración 24. Acero de 3Kg ........................................................................................................ 59
Ilustración 25. Termo aislado ....................................................................................................... 59
Ilustración 26. Termopar tipo J ..................................................................................................... 59
Ilustración 27. Producto a -50 C ................................................................................................... 60
Ilustración 28. Producto a -60 C ................................................................................................... 61
Ilustración 29. Producto a -70 C ................................................................................................... 61
Ilustración 30. Producto a -80 C ................................................................................................... 62
Ilustración 31. Producto a -90 C ................................................................................................... 62
Ilustración 32. Trozo de neumático usado .................................................................................... 65
Ilustración 33. Calorímetro ........................................................................................................... 65
Ilustración 34. Gramera ................................................................................................................ 65
Ilustración 35. Calentador ............................................................................................................. 66
Ilustración 36. Agua líquida en recipiente .................................................................................... 66
Ilustración 37. Máquina Contraplex 800CWpara pulverizado criogénico ................................... 74
Ilustración 38. Representación gráfica de la eficiencia en función del proceso utilizado ............ 78
Ilustración 39. Gráfica comparativa dela energía especifica según tipo de proceso .................... 79
7
Índice de Tablas
Tabla 1.Composición del neumático ............................................................................................ 23
Tabla 2. Presentación del neumático ............................................................................................ 26
Tabla 3. Conversión de mallas (mesh). ......................................................................................... 27
Tabla 4. Escala de dureza de Mohs .............................................................................................. 50
Tabla 5. Índice de trabajo. ............................................................................................................ 51
Tabla 6. Rangos de Work index .................................................................................................... 52
Tabla 7. Especificaciones Técnicas ECO Crumbler Granulator ................................................... 53
Tabla 8. Especificaciones técnicas ECO Rubber Powder System. ............................................... 55
Tabla 9. Resultados del laboratorio de Calorimetría. ................................................................... 68
Tabla 10. Valores de Cp del caucho ............................................................................................. 69
Tabla 11. Ficha técnicos de HTG – 450 ....................................................................................... 73
Tabla 12. Ficha técnica de Contraplex 800CW. ........................................................................... 74
Tabla 13. Temperatura de trabajo ................................................................................................. 75
Tabla 14. Comparación de energía especifica .............................................................................. 79
8
Resumen
En la búsqueda de un tratamiento de reciclaje para los neumáticos fuera de uso (NFU) se postulan
varios métodos para dicho proceso, entre ellos sobresalen por su utilización en el mercado el
método mecánico y el método criogénico, donde el método mecánico se utilizan una serie de
molinos que hacen la trituración a temperatura ambiente y el método criogénico que utiliza
nitrógeno líquido para enfriar y fragilizar el caucho para posteriormente ser triturado por un molino
de impacto que pulverizará el material.
Dada la existencia de los dos procesos se creó la necesidad de saber que método sería el más
eficiente en términos energéticos y se planteó un procedimiento estándar en cada caso para así
poder compararse. El método mecánico se definió gracias a una visita realizada a la planta de la
empresa Reciclair S.A cuyo proceso se compone básicamente por un destalonamiento, un
triturado, una granulación primaria y una granulación secundaria. El método criogénico fue
planteado con los dos primeros procesos del mecánico es decir el destalonamieto y el triturado,
seguido a esto se aplica de una forma directa el nitrógeno líquido y por último el material se pasa
al molino de impacto donde se obtiene el granulado y el polvo del neumático.
En términos generales las dos primeras etapas de los procesos de destalonado y trituración son
iguales en ambas técnicas, ahora bien, continuamos por definir que las comparaciones de
eficiencias se harían en estos últimos procesos, en el caso del mecánico con las dos fases de
granulación y en el criogénico con la aplicación directa del nitrógeno y la granulación por impacto.
En el caso del mecánico se tomó como base de la comparación la información suministrada
directamente de la empresa Reciclair S.A tanto de la visita técnica como de su página de internet.
9
Por otra parte, en el método criogénico se analizó la cantidad de nitrógeno por kg de material y
también se analizó la eficiencia del proceso por los datos técnicos de una máquina que se encuentra
en el mercado.
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1. Generalidades
1.1.Introducción
Los Neumáticos fuera de uso (NFU) representan una de las mayores problemáticas ambientales de
la actualidad, aunque en los últimos años el problema ha sido más evidente puesto que la cantidad
NFU han aumentado exponencialmente en una ciudad tan poblada como lo es Bogotá DC. Uno de
sus principales problemas radica en el gran volumen que utilizan y la proliferación de
enfermedades como el dengue entre otras. Atenuar este problema va más allá de solo deshacerse
de los NFU ya que la mejor alternativa es convertirlo en materia prima para diversos productos
como la elaboración de pisos, canchas de juegos, como componente en la mezcla de aditivos para
automóvil, en mezclas asfálticas y demás productos. En un radio próximo a la ciudad de Bogotá
D.C se encuentran localizadas varias plantas dedicadas a la recolección y trasformación de este
material, dichas plantas de transformación utilizan una serie de molinos para lograr este triturado
llamado convencionalmente como método mecánico. En países como Estados unidos, China y
algunos otros ubicados en Europa, además de adoptar esta técnica también utilizan un método
alternativo que se basa en la criogenia, el cual puede explicar sencillamente como la aplicación
directa de nitrógeno líquido al caucho antes de pasar a los molinos, esto que provoca fragilidad en
el material haciéndolo quebradizo y susceptible al impacto.
El siguiente proyecto pretende hacer una comparación de eficiencias entre el método tradicional
de molienda mecánica y el método de molienda criogénica para así determinar que método es más
eficiente en términos de energía, valiéndose de los recursos disponibles en la universidad Distrital
para dicha investigación. Para iniciar se debe tener claro la estructura y composición del
11
neumático, el mismo está compuesto de una estructura metálica recubierta con fibras textiles y
caucho.
El proceso mecánico está constituido por tres molinos en serie además de una destalonadora
encargada de retirar el alambre radial de la llanta. En el proceso criogénico se utiliza el primer
molino del proceso mecánico para dejar los trozos entre un tamaño de 10 a 15 cm a los cuales se
procede a aplicar el nitrógeno de una forma directa y después a impactar por medio de un molino
de martillos que tritura el material por completo.
Para realizar esta comparación se hará uso de la tercera ley de la molienda planteada por el
ingeniero Fred C. Bond con el fin de suministrar una energía teórica y así genera un parámetro de
comparación más objetivo para lograr conocer qué proceso resulta con la mejor eficiencia
energética.
1.2 Definición Del Problema
1.2.1 Problemática social y ambiental
El neumático tuvo su origen en 1887 cuando el veterinario escocés John Boyd Dunlop, diseñó una
‘cámara de aire’ envuelta en una tela de algodón tejido, que pegó y clavó en un aro de madera,
pero no fue hasta mediados de 1891 cuando los hermanos André y Edouard Michelin inventaron
el neumático desmontable, lo que revolucionó la rueda y permitió su adopción por la industria del
automóvil (“Historia de la llanta”, 2012). Desde entonces la producción de neumáticos no ha
dejado de detenerse y ha crecido exponencialmente en directa proporcionalidad a la demanda de
medios de transporte tales como automóviles y motocicletas.
12
Sin embargo, existe una problemática ambiental ignorada en su mayoría y tiene que ver con los
Neumáticos Fuera de Uso (NFU). Esto ocurre cuando el ciclo de uso del neumático acaba ya sea
por eventualidades, desgaste o tiempo de rodada. Los NFU son residuos sólidos que impacta la
vida cotidiana de las personas, ya sea como contaminación visual o problemas de salud, sanidad y
demás como por ejemplo la rápida propagación de enfermedades tales como el dengue que es
causada por la acumulación indebida de agua de lluvia, a todo esto, es sumado el alto volumen
ocupado por los NFU a tal punto que es necesaria la ocupación de lotes enteros únicamente para
su almacenamiento; terminando en instalaciones de almacenamiento dispuestas por los fabricantes
o en vertederos ilegales tales como los popularmente denominados monta llantas que utilizan
espacio público para almacenar llantas usadas. De igual forma es alarmante el hecho de que estas
llantas son recomercializadas causando un problema de seguridad para los dueños de vehículos
que acceden a utilizar estas llantas ya que es segura su utilización.
En Bogotá, según la Secretaría Distrital de Ambiente (SDA), cada año vienen produciéndose
alrededor de 2,5 millones de llantas usadas de las cuales 1’200.000 llantas no se recogen
debidamente y estas serían las que hoy se ven amontonadas en vías públicas, separadores, parques
y lotes (Bogotá sigue en riesgo ambiental, 2015). Según el mismo artículo, los puntos críticos
identificados son más de 20, además se ha detectado los puntos de almacenamiento clandestino
como en Fontibón, Barrios Unidos, Antonio Nariño, Mártires, Puente Aranda y Suba (véase
ilustración 1). De ahí el temor de la autoridad ambiental, porque se podría causar otro desastre
ambiental como el registrado en noviembre del año 2014, cuando se quemaron 600.000 llantas mal
depositadas, en un lote arrendado de Fontibón (Gómez, 2014).
13
Ilustración 1. Mapa de Bogotá con las localidades más afectadas. En “Bogotá Mapa 2”, por A. Cabrera, 2016,
http://www.radiosantafe.com/2016/01/26/procuraduria-hara-seguimiento-a-proceso-de-escogencia-de-alcaldes-
locales-en-la-capital/bogota-mapa-2-2/. Adaptación autorizada.
Cabe señalar que el almacenamiento de NFU no representa una solución a largo plazo ya que,
debido a su composición química, su degradación es extremadamente lenta y peligrosa para el ser
humano puesto que entre su composición se encuentran materiales como caucho, humo negro,
metal, textiles, azufre entre otros. Igualmente, por contener materiales en su mayoría sintéticos,
hace que la combustión de los mismos sea altamente tóxica.
1.2.2 Alternativa ambiental: Tratamiento de NFU
Como se observa, para la ciudad de Bogotá es una problemática notable el tratamiento de este tipo
de residuos ya que no existe un control sólido que le haga frente. Para atenuar el impacto generado
en el año 2010 el ministerio de ambiente publico la resolución 1457 que marca unas pautas para
el proceso de desecho de los NFU, y la misma resolución se responsabiliza directamente al
fabricante de los neumáticos para su posterior reciclaje, También se prohíbe la quema de llantas,
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enterrarlas, abandonarlas y utilizarlas como combustible de una forma indebida, planteada en la
resolución 1488 del año 200. No obstante, y a pesar del marco legal, el problema aún persiste.
Una de las alternativas más viables y que presenta mayor acogida es el tratamiento de NFU. Este
proceso consiste en la separación de los componentes del neumático para su posterior trituración
o molienda de caucho para obtener el granulado convirtiéndose en la alternativa a la que apuesta
el gobierno nacional. En algunos casos de extremada contaminación el gobierno ha optado por
hacer puntos de recolección de los neumáticos recibiendo gran cantidad de los mismos para ser
reciclados en diversas empresas y de esta forma ayuda a mitigar el impacto ambiental. De hecho,
una de sus múltiples aplicaciones consiste en la de mejorar la pavimentación, tal y como lo ha
hecho la empresa chilena Pavitex que se especializa en optimizar sus productos con granulado de
caucho; cabe resaltar que para utilizar el reciclado de llanta en esta aplicación es necesario dejar
el granulo de caucho entre 0.5 y 1 mm.
El granulado de caucho también tiene aplicaciones que no necesitan de una pulverización tan
precisa como lo son la transformación en césped artificial, fabricación de elementos de protección
en carreteras, suela de calzado y combustible de sustitución, además, en un artículo publicado en
el año 2016 se hace un análisis que demuestra que al mezclar combustible diésel con el aceite de
desperdicio de los neumáticos da como resultante una menor producción de óxido nitroso y puede
ser utilizado como un combustible futuro.
En la actualidad hay empresas como Renova en Bogotá, GCR soluciones en Madrid o Reciclair
S.A.S. en Mosquera (ambas del departamento de Cundinamarca), entre otras, cuya actividad se
centra en el tratamiento de neumáticos incluyendo la obtención del granulado y la fabricación de
productos derivados del mismo.
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De una forma ideal los neumáticos deberían ser reciclados en su totalidad lo que generaría una
gran cantidad de materia prima para diversas utilidades. El proceso de reciclaje de llantas se divide
en tres etapas; la recolección, la selección y la transformación. En la Ilustración 2 se presenta un
esquema que muestra en parámetros generales el proceso general del reciclaje del neumático y su
implementación.
Ilustración 2. Procesado de neumáticos usados. En “¿Qué pasa con los neumáticos usados?”, por J. A. Pérez, s.f.,
https://www.buscadordetalleres.com/blog/que-pasa-con-los-neumaticos-usados/
En este caso el objetivo está basado únicamente en la tercera parte la “transformación” de este
neumático desechado en granulado de caucho que cuenta con varios métodos de los cuales el
interés está en la molienda mecánica y la criogénica.
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En el proceso general de la molienda mecánica, los neumáticos recolectados se transportan a los
centros de almacenamiento para su posterior trituración y granulación. Una vez descargado los
neumáticos se proceden a triturarlos hasta conseguir trozos entre 50 y 350mm. Seguidamente, los
trozos obtenidos pasan por una serie de prensas donde se reduce el tamaño hasta producir el
granulado. Después pasa por unos separados magnéticos para separar el acero del granulado y
posteriormente se transporta por una serie de aspiraciones y mesas densimétricas para liberar el
textil del granulado (SIGNUS Ecovalor, 2013). La Ilustración 3 muestra un esquema general del
proceso de la molienda mecánica.
Ilustración 3. Diagrama de bloque del proceso "trituración mecánica". En “Estudio de la aplicación potencial de
compuestos obtenidos con residuos de caucho reciclado provenientes de Continental Tire Andina como materiales
estructurales”, por P. M. Luna, 2013, https: //www.dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/5150/1/UPS-
CT002730.pdf. Reimpresión autorizada.
Por otro lado, se tiene la trituración o molienda criogénica. Este proceso cuenta con una etapa
adicional en la que los trozos del neumático son enfriados mediante un agente congelante con el
objetivo de facilitar la molienda. En la Ilustración 4 podemos apreciar un pulverizador criogénico,
usado en el proceso de reciclaje de neumáticos.
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Ilustración 4. Pulverizador criogénico. En “Criogénica pulverizador de Plástico”, por Bogda Machinary, s.f.,
https://spanish.alibaba.com/product-detail/cryogenic-plastic-pulverizer-60212920377.html. Reimpresión autorizada.
1.2.3 Formulación del problema
Si bien es cierto que la molienda mecánica es la más utilizada con respecto a la criogénica en la
actualidad, no existe un registro técnico que haya utilizado el método científico para determinar
cuál de los dos representa mayor eficiencia energética. De este modo, este trabajo proveerá una
primera aproximación científica para la comparación energética de dichos procesos en la que se
presente un soporte técnico a las futuras investigaciones que permita realizar un paralelo entre los
distintos tipos de tratamiento de NFU más objetiva y concisa.
18
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Determinar la viabilidad, en cuanto a la eficiencia energética, que respecta a los procesos de
molienda criogénica y mecánica para el reciclaje de llantas mediante la comparación de sus
respectivos coeficientes de rendimiento energético.
1.3.2 Objetivos específicos
- Determinar los sistemas termodinámicos de tanto el proceso de molienda mecánica como
criogénica.
- Contextualizar el proceso real de molienda de llantas criogénica mediante la
experimentación a escala.
- Calcular el rendimiento energético de la molienda mecánica mediante la obtención de datos
técnicos acerca de la maquinaria empleada en dicho proceso.
1.4 Justificación
En ciudades principales como lo es Bogotá, los neumáticos fuera de uso representan un asunto
ambiental de especial atención ya que este problema no deja de crecer exponencialmente y no deja
de ser un riesgo ambiental con consecuencias inconmensurables. Por lo tanto, cualquier idea que
ayude a contrarrestar esta problemática y además demuestre su viabilidad, será siempre
considerada y apreciada.
El estudio acerca de la evaluación de los rendimientos energéticos tanto de la trituración criogénica
como la mecánica, puede permitir establecer la viabilidad de un proceso con respecto al otro, en
consecuencia, el documento serviría como soporte de investigación para fundamentar la
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implementación de un proceso de tratamiento de NFU mediante de molienda criogénica. De igual
forma actualmente no existe un documento que contraste los procesos mencionados desde un
enfoque técnico limitando el problema a variables económicas y de accesibilidad, esto a su vez
limita la investigación acerca de este método e impide un análisis profundo y preciso del mismo.
La molienda criogénica, entonces, podría tener el potencial como idea de negocio rentable, ya que
la materia prima es gratis y en una ciudad como Bogotá que, como lo hemos mencionado,
aproximadamente cada año a 1’200.000 llantas no les hace el tratamiento debido y se acumulan
generando un serio problema de contaminación.
En este proyecto se hará un planteamiento cuantitativo con el que se espera determinar qué método
resulta más eficiente con el fin de argumentar, desde un foco técnico, la viabilidad de instalar una
planta de tratamiento de NFU mediante la molienda criogénica en la locación específica de Bogotá.
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2. Marco Teórico
En este capítulo se plasmarán todos los conceptos necesarios para lograr entender la comparación
de eficiencias entre los métodos mecánico y criogénico para los NFU, iniciando desde la
composición del neumático, para saber que producto se obtiene de dicho proceso y, de igual forma
para poder conocer su estructura y tener una mejor comprensión de los procesos.
El método mecánico y el criogénico comparten su proceso inicial donde un molino hace el primer
triturado, después el método mecánico pasa el material por otra serie de molinos, en cambio el
criogénico baja la temperatura del caucho resultante mediante nitrógeno líquido hasta alcanzar un
punto de transición vítrea (Tg) definido por ser la temperatura más adecuada por el proceso, para
esto necesitamos aplicar la primera ley de la termodinámica, así como conceptos de calor
especifico (Cp) y el enunciado de Clausius. De igual forma se define la ley de la molienda de
Bond con el cual se pretende calcular la energía teórica necesaria para triturar el neumático.
2.1 Composición Del Neumático
El neumático es básicamente una cubierta la cual en su mayor parte está constituida principalmente
de caucho y cuya función es permitir el desplazamiento del vehículo. Guillermo (2008) menciona:
“La fabricación de neumáticos concentra un gran porcentaje de la industria del caucho
constituyendo el 60 % de la producción anual del mismo” (p. 2).
En esencia los elastómeros o cauchos son materiales poliméricos con la capacidad de volver a su
forma al aplicarse una fuerza sobre este. Podemos diferenciar dos tipos básicos de cauchos;
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naturales y sintéticos, estos últimos se componen principalmente de hidrocarburos y ocupan
aproximadamente el 70% de la industria.
Para Guillermo (2008) afirma en la fabricación de los neumáticos se emplea en su mayoría los
siguientes cauchos:
- Cauchos naturales (NR)
- Polibutadienos (BR)
- Estireno – Butadieno (SBR)
- Polisoprenossintéticos (IR)
De igual forma “la matriz de caucho más utilizada es el copolímero estireno-butadieno (SBR), en
el que la proporción es de aproximadamente un 25 % en peso de estireno, o una mezcla de caucho
natural y SBR” (Guillermo, 2008, p. 2). Además, la matriz resulta de la combinación de cauchos
naturales que proporcionan elasticidad y los sintéticos que proveen la estabilidad térmica.
Aunque existe una gran variedad de cauchos en el mercado con diferentes propiedades entre sí
todos, una vez vulcanizados, necesitan una gran cantidad de tiempo para su degradación. Es por
ello que su desuso se convierte en problemática medioambiental.
Adicionalmente, además del caucho, el neumático se compone de los siguientes compuestos:
- Rellenos reforzantes: Con el fin de aumenta la tenacidad y la resistencia a la tracción,
torsión y al desgaste, se adiciona humo negro. Este es un material inorgánico producido
por la combustión incompleta de gas natural u otros productos del petróleo.
- Fibras reforzantes: En el neumático podemos encontrar fibras textiles y de acero las
cuales aumentan la resistencia a los neumáticos y constituyen el armazón del mismo.
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- Plastificantes: Los plastificantes se agregan con el fin de facilitar la incorporación de los
demás ingredientes y las operaciones de conformado. La plastificación puede realizarse
de forma física o química, inclusive, puede llevarse a cabo ambos métodos
simultáneamente. Estos compuestos reducen la viscosidad y por tanto facilita el
procesado.
- Agentes vulcanizantes: Los agentes vulcanizantes son compuestos que forman los
enlaces entre las cadenas poliméricas del caucho. Entre los más comunes encontramos el
azufre; se usa para entrecruzar las cadenas de polímero en el caucho y los peróxidos.
- Acelerantes: Son productos cuya finalidad es incrementar la rapidez de vulcanización del
caucho. De esta forma, permiten controlar factores como la vulcanización prematura, el
número y la rapidez de formación de enlaces entre las cadenas poliméricas, y el tiempo
óptimo de vulcanización.
- Otros componentes (antioxidantes o antiozonizantes, adhesivos).
De esta manera la composición del neumático para vehículos pesados y de turismo (particulares)
se resume en la Tabla 1.
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Tabla 1.Composición del neumático
NOTA:Composición de neumáticos para vehículos pesados y de turismo (particulares) . (Lopez, 2009)
Se observa que en efecto el caucho y los elastómeros representan la mayor parte en porcentaje de
peso del neumático.
No obstante, la Rubber Manufacturers Association (RMA); la cual es una asociación comercial
nacional para los fabricantes de neumáticos, presenta otra versión sobre la composición porcentual
del neumático la cual se muestra en la Ilustración 5.
Ilustración 5. Composición del neumático para vehículos de pasajeros/camionetas ligeras y camiones según la
RMA. En “What’s in a Tire?” por U. S Tire Manufactures Association, s.f, https://www.ustires.org/whats-tire-0.
Reimpresión autorizada.
24
2.1.1 Características de Construcción.
En cuanto a la estructura del neumático, en general, la RMA distingue los siguientes componentes:
- Capas o telas de cuerpo: Las capas del cuerpo funcionan como la estructura del neumático
y proporcionan la fuerza para contener la presión de inflado. También da la fuerza y
flexibilidad del neumático.
- Talón o pestañas: El talón del neumático asegura un ajuste apretado entre el neumático y
la llanta.
- Cinturones estabilizadores: Los cinturones proporcionan estabilidad y resistencia a la zona
de rodadura del neumático e igualmente otorgan rigidez a la banda de rodamiento. En los
neumáticos por lo general se cuenta con dos capas de cinturones para asegurar dicha
estabilidad tal y como lo muestra la Ilustración 6.
- Innerliner: El innerliner es un compuesto de caucho usado para retener la presión del aire
contenido dentro del neumático.
- Paredes laterales: Las paredes laterales constan de un compuesto de caucho que se utiliza
para cubrir las capas del cuerpo en los lados de los neumáticos, con ello, se busca
proporciona protección contra daños en las carreteras y en las aceras.
- Banda de Rodamiento: El compuesto de goma de la banda de rodadura y el patrón de la
misma proporcionan agarre, tracción y resistencia a la fricción.
25
Ilustración 6. Partes estructurales de un neumático. En “What’s in a Tire”, por U. S Tire Manufactures Association,
s.f, https://www.ustires.org/whats-tire-0. Reimpresión autorizada.
2.2 Procesos De Tratamiento De NFU
A causa de la ya expuesta problemática que genera los neumáticos fuera de uso, se han
implementado programas de reciclaje que permiten mitigar el impacto ambiental que genera
dichos neumáticos. Así, una de las alternativas imperantes en la actualidad consiste en la
transformación de los NFU en gránulo de caucho.
El granulado de caucho abarca una gama alta de aplicaciones tanto en construcción; como por
ejemplo; rellenos de césped artificial, betunes, suelos de seguridad, parques infantiles etc. Así
como en fabricación de productos de uso cotidiano; tal es el caso de suelas de calzado, piezas de
caucho o aplicaciones ornamentales.
Existen diferentes tamaños de granulado ya que estos dependen de la aplicación en específico. En
general, se puede clasificar el granulado según su granulometría como se muestra en la Tabla 2.
26
De esta forma, por ejemplo, para mezclas bituminosas se puede incorporar polvo de neumático y
cuyo tamaño oscila entre 0 y 0.8 mm.
Tabla 2. Presentación del neumático
Rango de tamaños para distintas presentaciones de los neumáticos fuera de uso.
No obstante, para el caso del granulado y del pulverizado, generalmente no se habla de medidas
en milímetros sino de mallas (mesh), la cual es una medida de la finura que consiste en un sistema
de mallas. En este caso, si un determinado material pasa por una malla, como el gránulo o el polvo
de neumático, significa que dicho material es de menor medida que la malla, si por el contrario, el
material no pasa esta medida, significa que el producto no cumple con los requisitos de medida.
Entre mayor número de malla, más pequeña es la medida (véase Tabla 3).
Presentación de NFU
Triturado
Gránulo
Polvo
50 a 350
1 a 10
menor a 1
Rango de Tamaño (mm)
27
Tabla 3. Conversión de mallas (mesh).
NOTA: Equivalencia de las mallas para milímetros, micrones y pulgadas
Según Serrano (2007) es factible clasificar los procesos de obtención del granulado para las
distintas presentaciones de la Tabla 2. Estos son; los tratamientos mecánicos y las tecnologías de
reducción de tamaño.
28
2.2.1 Tratamientos mecánicos
En los tratamientos mecánicos se procede a la trituración del neumático de forma burda. En este
nivel el neumático se introduce completo en la máquina trituradora que generalmente es de dos
ejes como se muestra en la Ilustración 7.
Esta primera trituración cumple con varios objetivos; primero, reduce el volumen de los
neumáticos lo cual facilita su almacenamiento, segundo, en algunas aplicaciones se utiliza los
trozos de neumáticos derivados de esta trituración y, por último, esta moledura es necesaria para
obtener granulado de menor tamaño.
Ilustración 7. Producto de la trituración (a la izquierda) y trituradora de dos ejes (a la derecha). En “Utilización de
áridos reciclados para la fabricación de hormigón hidráulico”, por M. A. Lesday, 2013,
http://www.monografias.com/trabajos98/utilizacion-aridos-reciclados-fabricacion-hormigon-hidraulico/utilizacion-
aridos-reciclados-fabricacion-hormigon-hidraulico3.shtml. Reimpresión autorizada.
2.2.2 Tecnologías de reducción de tamaño.
Si la aplicación requerida demanda un tamaño menor, el material triturado pasa por otras
subestaciones de molienda hasta alcanzar el tamaño deseado. A su vez, dentro de la etapa de
reducción de tamaño Serrano, Cerezo y Fraile (2007) subdivide le proceso en tres tipos de
moliendas; a temperatura ambiente, criogénicas o húmedas.
29
De igual forma se expone las tecnologías de regeneración en donde encontramos la recuperación
o la desvulcanización del caucho y otras tecnologías que involucran la pirolisis y la termólisis. En
la Ilustración 8 encontramos un mapa conceptual en el que se consignan los diferentes niveles de
tratamiento de los diferentes niveles de tratamiento.
Ilustración 8. Niveles de tratamiento de los NFU. En “Valorización material y energética de neumáticos fuera de
uso”, por E. Serrano y L. Cerezo y M. U. Fraile, 2007,
https://www.madrimasd.org/uploads/informacionidi/biblioteca/publicacion/doc/VT/VT10_valorizacion-energetica-
neumaticos.pdf. Reimpresión autorizada.
De la Ilustración 8 el área de interés son las tecnologías de reducción de tamaño, en específico, la
molienda mecánica a temperatura ambiente y la molienda criogénica
2.2.2.1 Molienda Mecánica a temperatura ambiente.
La molienda mecánica a temperatura ambiente consiste en la disposición de molinos por los cuales
pasa el neumático troceado (producto de la trituración primaria) que reducen paulatinamente el
tamaño hasta obtener bien sea el granulado o el polvo de neumático dependiendo de la aplicación
destinada.
30
A lo largo de la cadena del proceso se van separando los componentes metálicos mediante bandas
magnéticas para evitar de esta forma daños en los molinos. Así mismo, la disposición de los
molinos depende del producto requerido, de esta forma, entre más fino se requiera el granulado,
más maquinaria es necesaria para conseguirlo.
2.2.2.2Molienda Criogénica
La molienda criogénica consiste en la fragilización del caucho a través de la aplicación de un
agente congelante, como lo es el nitrógeno líquido, para facilitar su desintegración por medio de
un molino de martillos.
Según la información suministrada por Carpio y Medina (2013), el molino de martillo reduce por
impacto el tamaño de las partículas, además, se afirma que el tamaño de las partículas dependerá
del tamaño de la malla dispuesta debajo del molino y de las RPM del motor.
El proceso de molienda criogénica comienza con el depósito del neumático previamente triturado
en trozos y a los cuales se les separa la mayor cantidad de metal posible en la cinta transportadora,
tal y como se muestra en la Ilustración 9. Durante el transporte de los trozos, se aplica el agente
congelante a lo largo del recorrido y finalmente es triturado por un molino. Tanto la temperatura
como el tamaño del granulado es controlada y sea ajusta a las aplicaciones requeridas.
31
Ilustración 9. Proceso de molienda criogénica. En “A Cool Aproach to Size Reduction”, por J. Trembley, 2010,
http://www.airproducts.com/~/media/downloads/c/cryogenic-grinding-systems/articles/en-cryogenic-grinding-
system-cool-approach-331-10-005.pdf. Reimpresión autorizada.
2.3 Fundamentos Termodinámicos
En teoría la termodinámica clásica se divide en dos leyes fundamentales llamadas respectivamente
primera y segunda ley de la termodinámica; donde la primera es un balance de energías en la que
el calor es proporcional al trabajo neto y la segunda ley es un complemento de la primera y sirve
para restringir la ecuación haciéndola más aplicable a la vida cotidiana.
En nuestro caso en específico tenemos dos procesos, el mecánico y el criogénico. En el mecánico
se aplica una cantidad de trabajo con el fin de pulverizar el caucho y el criogénico en el cual se
extrae toda la energía del caucho, por medio de nitrógeno líquido, haciéndolo frágil y susceptible
al impacto y mucho más fácil de pulverizar.
La termodinámica nos indica claramente que el calor fluye en la dirección de las temperaturas
decrecientes, es decir, del cuerpo más caliente al más frio. Partiendo de esta noción entendemos
32
que al aplicar el nitrógeno líquido a los trozos de neumático estos entregaran toda su energía al
tener una temperatura mucho más alta.
La segunda ley de la termodinámica soporta totalmente el argumento de que el nitrógeno va a
extraer el calor del caucho. Esto esta enunciado en uno de los manifiestos de la segunda ley los
cuales son:
Enunciado Kelvin – Planck. En síntesis, este enunciado argumenta que no es posible un proceso
que convierta todo el calor absorbido en trabajo.
Enunciado de Clausius. Según el razonamiento de Julius Clausius, no es posible ningún proceso
cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.
Estos enunciados serán fundamentales para desarrollar las eficiencias de cada proceso al igual que
para entender de una forma clara el mismo.
Ahora bien, teniendo presente cómo se comporta el calor en el sistema podemos entrar a desarrollar
el tema de interés el cual es la eficiencia (η) de cada proceso, para entender este concepto es
fundamental entender que la energía puede ser convertida y las maquinas son dispositivos de
conversión de energía, este cambio es consecuencia de pasar de calor a trabajo en el caso de los
motores o viceversa en el caso de los refrigeradores y bombas de calor. Para evaluar el rendimiento
de una maquina se debe tener claro su propósito y así mismo analizarlo.
2.4 Temperatura de transición vítrea ( 𝑻𝒈 )
La temperatura de transición vítrea es característica de las sustancias amorfas, como lo son
sustancias gomosas y vidriosa, donde el material por debajo de esta temperatura muestra un
comportamiento de dureza y fragilidad y por encima muestran un comportamiento de ductilidad y
33
elasticidad de igual manera las moléculas a temperatura ambiente pueden moverse libremente pero
por debajo de la Tg solo pueden haber movimientos vibraciones parecidos a los que pueden
soportar los materiales vidriosos para no romperse. Es necesario bajar la temperatura del caucho a
su Tg para poder quebrarlo por impactos ya que de hacerlo temperatura ambiente este absorberá
la energía y recuperará rápidamente su forma original.
Básicamente definimos La Tg como un intervalo de temperaturas donde se presenta un cambio
brusco en las propiedades del material, Para nuestro estudio es fundamental determinar el valor
más bajo en este rango puesto que será el que menos nitrógeno gaste con el mismo resultado de
trituración.
2.4.1 Medición transición vítrea
El comportamiento posee varios métodos de medición algunos más precisos que otros todo
depende de la aplicación a la cual va dispuesta la medición del Tg en este caso se mostraran los
más comunes.
- El Tg puede ser medido a través de un instrumento llamado calorímetro de exploración
diferencial (DSC) el cual tiene la función de identificar la temperatura donde el material
tiene comportamiento frágil y quebradizo, básicamente el instrumento mide la capacidad
calorífica de la muestra y analiza el intervalo donde este valor cambia bruscamente tal y
como se muestra en el ejemplo de la Ilustración 10.
34
Ilustración 10. Gráfica de Cp vs Temperatura. En “Estudio de la eficiencia de sistemas químicos del curado de
resinas de poliéster insaturado”, por X. Ramis, 1994,
http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6686/06Txrj6de14.pdf;jsessionid=891320AA8094530BF552E2DDFB1
F0B2F?sequence=6. Reimpresión autorizada.
- En el Análisis termomecánico (TMA) del material se somete la muestra a una carga
periódica y el incremento en la amplitud de las oscilaciones muestra que el material está
llegando a su Tg, se puede medir así ya que el cambio en la amplitud de las ondas cambia
de una forma drástica.
- El análisis experimental consiste en enfriar las muestras he ir partiendo cada una por
impacto y el Tg se determinará cuando se encuentre una secuencia muy parecida en la
trituración del material el valor mínimo dentro de este rango será el Tg necesario para llevar
el material a su punto de transición vítrea.
- Midiendo los módulos de elasticidad vs la temperatura donde nuestra variable es la
temperatura y lo hacemos empezando en temperatura ambiente y descendemos hasta
encontrar la curva característica del Tg donde encontramos una pendiente prolongada que
indica el cambio drástico en las propiedades del material en este caso se toma el valor en
medio del intervalo para ser definido como el Tg, como se pude ver en la Ilustración 11.
35
Ilustración 11. Gráfica del Módulo Vs Temperatura de un polímero amorfo. En “Materiales poliméricos y
compuestos. Lección 3.- Efectos de la temperatura. Temperatura de transición vítrea”, por F. Blanco, s.f,
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/AP.T3.1-MPyC.Tema3.EfectosTemperatura.TransicionVitrea.pdf
Para el caso de los neumáticos, la temperatura vítrea es condicionada por la matriz compuesta del
caucho natural y polímeros sintéticos. Para el caso del caucho natural (poliisopreno) este valor
ronda alrededor de -75ºC, (Taylor, 1985). En el caso de los polímeros sintéticos tales como los
copolímeros de estireno-butadieno, esta temperatura está dada aproximadamente a -70℃
(Blanco, s.f). Esto afirma que necesitamos manejar el caucho hasta estas temperaturas para poder
reducir su tamaño a partículas, para ello se realiza la aplicación directa del nitrógeno líquido en un
sistema totalmente aislado por vacío para minimizar las pérdidas de energía.
2.5 Leyes de molienda:
Para la medición de las eficiencias se utilizará el método utilizado por Osorio, Martín y Restrepo
(2012). En el cual se calcula una energía teórica mediante la tercera ley de la molienda que se
describe en esta sección y se compara con la energía real que gasta el proceso.
Las leyes de la molienda son usadas para la estimación teórica del consumo energético específico
necesario para moler un material. El consumo total de energía para la molienda de un material se
36
ve influido por varios parámetros que, por una parte, vienen dados por las propiedades específicas
del material a moler y, por otra, por los datos de servicio y la construcción del molino, así como
también por el tamaño y el tipo de los cuerpos molturadores.
Son tres las leyes energéticas con las que cuenta el proceso de molienda y que resume:
- Ley de Kick: Esta ley postula que la energía necesaria para reducir el tamaño del material
resulta proporcional a la relación entre el tamaño de alimentación de una dimensión
determinada; usualmente el diámetro, y el diámetro de producto al final del proceso. Esta
ley tiene buenas aproximaciones para la molienda gruesa.
Ecuación 1 Ley de Kick
En donde:
𝐾𝑅 = Constante de Kick.
𝐷𝑃𝑃= Diámetro medio de partículas del producto
𝐷𝑃𝑎= Diámetro medio de partículas de alimentación
- Ley de Rittinnger: A diferencia de Kick, Rittinger postula que la energía necesaria para
reducir el tamaño del material es proporcional a la modificación en el área superficial. Del
mismo modo, este postulado resulta más eficiente para la molienda fina-ultrafina.
Ecuación 2 Ley de Rittinnger
37
En donde:
𝐾𝑅 = Constante de Rottinger.
𝐷𝑃𝑃= Diámetro medio de partículas del producto
𝐷𝑃𝑎= Diámetro medio de partículas de alimentación
La tercera ley de la molienda es la que usaremos en esta investigación y se trata de la ley de
Bond.
Ley de Bond: Fred C. Bond fue Ingeniero de minas que en 1961 publicó su artículo “Crushing and
grinding calculations, Part I-II” en el cual expone la tercera ley de la molienda. Esta ley se trata de
una interpretación de la ley de Rittinger que en resumen para Espinosa y Lopez (1984): “La energía
requerida es proporcional al tamaño de la partícula producida e igual a la diferencia de energías
representadas por la descarga (P) y Alimentación (F)” (p. 73).
La ecuación que gestó Bond fue la siguiente:
𝑊 =10𝑊𝑖
√𝑃−
10𝑊𝑖
√𝐹 (
𝑘𝑊ℎ
𝑡)
Ecuación 3 Ley de Bond
En donde
W= Trabajo de la molienda (kWh/t)
P = Tamaño del producto (μm)
F = Tamaño de alimentación (μm)
𝑊𝑖 = Work index, Índice de trabajo de Bond. (kWh/t)
En donde (𝑊𝑖) representa el índice de trabajo medido en kWh/ t (toneladas métrica). Dicho
parámetro expresa entre otras cosas la resistencia del material en las operaciones de trituración y
molienda. Así mismo es importante decir que este factor se relaciona directamente con la dureza,
38
puesto que entre mayor grado de dureza posea el material, mayor energía se requerirá para su
fractura o molienda (Delgado, 2013).
Por efectos de cálculo, generalmente se toma el 80% del tamaño del producto (P₈₀) y (F₈₀). Así
numéricamente el índice de trabajo (Wi) representa la energía requerida para reducir el material
de cualquier tamaño, al 80% del producto.
Finalmente se debe tener que las unidades son aportadas por el índice de trabajo ya que el diez de
la ecuación conlleva unidades por lo que implícitamente se cancela con las unidades del tamaño
del particulado que usualmente se proporciona en micras (μm).
El índice de trabajo sólo se logra determinar bajo una estricta experimentación, pudiéndose utilizar
algunos métodos tales como: El ensayo de molienda de Bond, el método de Mittigag o el análisis
de Hardgrove. No obstante, para una gran variedad de minerales y rocas, este parámetro ya está
definido.
39
3. Determinación De Las Condiciones Actuales De Proceso En La Industria
Con el fin de conocer el proceso de obtención de granulo de caucho se realizó una visita técnica a
la empresa Reciclair S.A.S. Esta visita será fundamental en el análisis de los procesos tanto
mecánico como criogénico, puesto que, la etapa inicial específicamente el destalonado y la primera
molienda es exactamente igual debido a que la molienda criogénica necesita una pre molienda para
poder aplicar el nitrógeno.
Reciclair S.A.S es una empresa ubicada en el municipio de Mosquera - Cundinamarca destacada
por el procesamiento de NFU mediante el método mecánico. Entre sus productos se pueden
encontrar:
- Asfalto: Se trata del “Concreto de Asfalto de Goma” o CAG. Es un material alternativo
del pavimento de carreteras tradicional fabricado a partir de llantas recicladas y consiste
en trozos de neumáticos (véase Ilustración 12) de 5.08 cm de espesor.
Ilustración 12. Trozos de neumático triturados. En “Productos – Asfalto”, por Reciclair S.A.S, 2014,
http://www.reciclair.com/#!/index.php/projects/83-asfalto-de-goma/74-asfalto-de-goma
40
- Mulch de Caucho: Es una presentación del granulo de caucho (véase Ilustración 13) que
posee gran variedad de usos como; superficies de seguridad de campos de juego, mantillo
para jardines o cimentación de arena.
Ilustración 13. Mulch de caucho utilizado en jardinería. En “Productos – Mulch de caucho”, por Reciclair S.A.S,
2014, http://www.reciclair.com/index.php/projects/84-mulch-de-caucho/72-mulch-de-caucho. Reimpresión
autotizada.
- Granulo de Caucho: Reciclair realiza la producción de hasta 20 mallas de partículas de
caucho distintas destinadas a una gran variedad de aplicaciones en el campo del reciclaje.
Inclusive, entre esta variedad de mallas encontramos el polvo de neumático que es
utilizado en mezclas asfálticas, suelas de zapatos entre otros.
Además de los productos descritos anteriormente, Reciclair ofrece subproductos derivados del
proceso tales como la fibra textil y el acero que se encuentran en el neumático
41
3.1 Proceso.
La cadena de proceso del reciclaje de neumáticos se puede apreciar en la Ilustración 14.
Ilustración 14. Cadena de proceso de reciclaje de llantas a partir de datos suministrados en la planta. Empresa:
Reciclair S.A.S. Elaboración propia.
A continuación, se describe el proceso teniendo en cuenta la visita realizada y la información
observada de [Reciclair Colombia] (2015)
El proceso empieza con la recepción de llantas de 22.5 y 13 pulgadas algunas partes de Colombia
como son Boyacá, Cúcuta y Bogotá. En promedio se gestionan ente 25.000 llantas pequeñas y
8.000 grandes.
42
A continuación, se describirá el proceso empleado para el reciclaje de llantas, explicando las fases
que se aprecian en la Ilustración 14.
3.1.1 Retiro de estructura metálica
El retiro del acero se logra a través de la Destalonadora que se muestra en la Ilustración 15.
Mediante esta máquina se extrae el anillo de alambres de acero que se encuentra en el interior;
precisamente en el talón o pestaña del neumático. Teniendo en cuenta que cada llanta cuenta con
dos anillos, es pertinente su extracción ya que de no hacerlo podría comprometer seriamente la
eficiencia de las fases sucesivas de la línea, debido a la dureza de los alambres de acero. Además,
dicho alambre, puede dañar las cuchillas de las máquinas subsiguientes ya que sufrirían un
desgaste abrasivo prematuro.
Ilustración 15. Extracción del alambre radial mediante la Destalonadora. En “Reciclaje de llantas usadas: la nueva
economía ecológica en Mexico”, por E. Sanders, 2009, http://www.vivoenitalia.com/linea-de-reciclaje-de-llantas-
usadas/. Reimpresión autorizada.
43
3.1.2 Raspado
El raspado es una etapa adicional que realiza la empresa para retirar fibras de acero que se
encuentra en las paredes laterales del neumático. De esta manera retiran otro porcentaje de acero
y garantizan una mejor eficiencia de las etapas posteriores.
3.1.3 Trituración primaria.
Las llantas son transportadas mediante una banda transportadora hacia la primera trituración en la
cual los neumáticos son reducidos por una trituradora de dos ejes que se muestra en la Ilustración
16. El resultado de esta etapa son pedazos de neumáticos cuyo rango oscila entre tres y cinco
pulgadas (véase Ilustración 17). Los trozos que superan esta medida hacen un reproceso hasta
conseguir la medida establecida.
Ilustración 16. Trituradora primaria de dos ejes. En “Acerca de Nosotros”, por Reciclair S.A.S, 2014,
http://www.reciclair.com/#_, Adaptación autorizada.
44
Ilustración 17. Material resultante de primer triturado. En “Plan nacional para neumáticos fuera de uso”, por
Ambientum, 2002, https://www.ambientum.com/revista/2002_22/NFU2.asp. Reimpresión autorizada.
3.1.4 Separación magnética
Los trozos obtenidos de la etapa anterior pasar por el Rasper en el cual se separan los componentes
tales como el acero y el textil. El Rasper cuenta con un imán en forma de rodillo potente, que se
muestra en la Ilustración 18 con el que se logra separar la mayor cantidad de acero. Los pedazos
de neumáticos a los que se les ha retirado el acero se les denomina TDS el cual es usado como un
aditivo de combustible o inclusive en aplicaciones de ingeniería civil. En especial, los fragmentos
utilizados para la combustión y la producción de energía se les denomina propiamente TDF o
“Combustible Derivado de neumático” debido a su alto valor BTU de calefacción.
45
Ilustración 18. Separación del alambre de acero mediante una magneto de rodillo. En “Reciclair ha llegado a
Colombia!”, por Reciclair Colombia, 2015, https://www.youtube.com/watch?v=hQwPaS8GwJw. Adaptación
autorizada.
3.1.5 Granulación
A continuación, se disminuye el tamaño de los trozos de neumáticos obtenidos previamente hasta
alcanzar la granulometría requerida hasta un máximo de malla 10. Del granulador primario, (véase
Ilustración 19) se obtiene entonces el producto final llamado GCR (grano de caucho reciclado).
46
Ilustración 19. ECO Crumbler Granulator. Granulador primario. En “ECO CR-CB-4-16 - CAUCHO
GRANULADO”, por ECO Green Equipment, s.f., http://ecogreenequipment.com/es/equip/eco-cr-cb-4-16/.
Reimpresión autorizada.
3.1.6 Granulación secundaria
La empresa ofrece para el mercado de asfaltos alternativos polvo de neumático, el cual se consigue
mediante la granulación secundaria, siendo esta a su vez la etapa final del reciclaje de neumáticos.
La etapa inicia a continuación de la granulación primaria y en donde se procede a reducir el tamaño
del GCR hasta pulverizarlo. A través de esta etapa la empresa logra un producto desde maya 20
hasta un máximo de malla 80.
La etapa de pulverizado se logra mediante el sistema ECO Rubber Powder; que se muestra en la
Ilustración 20 diseñado para procesar caucho granulado libre de acero con un máximo de 19 mm
(3/4 pulgada) o menor en tamaño hasta pulverizar. En el sistema ECO RP exhibe el ECO
Krumbuster, (véase Ilustración 21), un molino exclusivo de molienda fina cuyo fin es cortar,
moler, cribar y re-circular el material hasta que se alcanza el tamaño deseado.
47
Ilustración 20. Sistema ECO Rubber Powder. En “ECO RP-KB-1.5-850 - CAUCHO PULVERIZADO”, por ECO
Green Equipment, s.f., http://ecogreenequipment.com/es/equip/eco-rp-kb-1-5-850/. Reimpresión autorizada.
Ilustración 21. Pulverizador ECO Krumbuster. En “ECO KRUMBUSTER ® - MILLING EQUIPMENT”, por ECO
Green Equipment, s.f., http://ecogreenequipment.com/equip/eco-krumbuster/. Reimpresión autorizada.
48
4. Medición de eficiencias: Método Mecánico
4.1 Consideraciones Generales
Con la información recopilada del proceso de molienda de caucho tanto para el método mecánico
como para el criogénico, se procederá a determinar la eficiencia de los procesos en mención
teniendo en cuenta las siguientes consideraciones.
Las eficiencias se calcularán tomando como modelo el trabajo investigativo de Osorio, Martín y
Restrepo (2012). Es decir, calcularemos un consumo específico teórico mediante la ley de Bond y
seguidamente lo compararemos con el consumo real del proceso.
Teniendo en cuenta lo anterior se debe tener las siguientes consideraciones generales:
- Nuestro proceso modelo será el empleado por la empresa Reciclair S.A.S y que
describimos en la sección 3.
- Debido a que las etapas de destalonamiento, raspado, trituración primaria y separación
magnética son exactamente iguales en los procesos tanto mecánico como criogénico, no se
tomarán a consideración en la medición de sus respectivas eficiencias. De modo que solo
tomaremos las etapas de granulación y pulverización del material ya que en estas fases es
donde se encuentra la diferencia entre ambos procesos.
- Se medirá las eficiencias de los procesos tanto para la obtención del GCR como el polvo
de neumático para determinar qué proceso es más eficiente en término energéticos en cada
producto.
49
- Para cada tratamiento de neumático supondremos una eficiencia teórica ya que nuestra base
de estimación se sustenta a partir de las especificaciones técnicas obtenidas de las máquinas
empleadas en los susodichos procesos.
4.2 Descripción General.
En la molienda mecánica se calculará la energía requerida para llevar dicho proceso haciendo uso
de la Ley de la molienda formulada por el Ingeniero Fred Bond. Posteriormente, evaluaremos la
eficiencia teniendo en cuenta los datos técnicos de las máquinas principales que intervienen en el
proceso.
4.3 Eficiencia Del Granulado.
Tomando en cuenta la Ecuación 3 que describe la energía teórica necesaria para la molienda:
𝑊 =10𝑊𝑖
√𝑃−
10𝑊𝑖
√𝐹 (
𝑘𝑊ℎ
𝑡)
Ecuación 4 Ley de Bond
A continuación, se realizan las siguientes estimaciones teniendo como base el proceso de la
empresa Reciclair S.A.S:
- F₈₀: La alimentación como vimos en la sección 3.1.3, consta de trozos de neumáticos
entre tres y cinco pulgadas. Para efectos del cálculo tomaremos una alimentación media
de cuatro pulgadas de modo que
4𝑖𝑛𝑐ℎ = 101600𝜇𝑚
𝐹80 = 101600𝜇𝑚 × 0.80 = 81280 𝜇𝑚
- P₈₀: El producto que se tomará será el máximo que puede obtenerse de la etapa del
granulado de la empresa, es decir, malla 10. La malla 10 según la Tabla 3 es igual a 2000
micrones.
50
- Entonces
𝑃80 = 2000𝜇𝑚 × 0.80 = 1600 𝜇𝑚
- Work Index (Wi): Ya que la energía calculada será una referencia para el planteamiento de
las eficiencias, se decidió aproximar este índice teniendo en cuenta la siguiente
información:
1. Según el comportamiento del caucho, observamos la escala de dureza de las rocas
medida en la escala de Mohs, la cual, vemos consignada en la Tabla 4.
Tabla 4. Escala de dureza de Mohs
NOTA: Escala que muestra el grado de dureza según Mohs con el que puede clasificarse los minerales obtenido de
(https://mineralopedia.es.tl, 2017)
De esta manera, se advierte que el comportamiento del caucho puede semejarse con la
dureza cuatro a cinco de la escala de Mohs.
2. Si tomamos por ejemplo la Fluorita, logramos apreciar en la Tabla 5 que su índice de
trabajo es de 9.82 kWh/t.
51
Tabla 5. Índice de trabajo.
NOTA:Valores del Índice de trabajo (Wi) para diferentes minerales, en particular, se observa la Fluorita (Fluorspar)
(Tsakalakis, 2017)
3. Para ofrecer un dato discreto, a continuación, en la Tabla 6, se presentan los rangos de
Work index categorizados según su dureza. Como logra apreciarse en la tabla 5, la
Fluorita se encuentra en el rango de materiales blandos cuyo rango va de 7.26 a 10.89
(kWh/t).
52
Tabla 6. Rangos de Work index
Valores del Wi categorizados según su dureza FUENTE: (Ocampo, 2015)
De modo que nuestro índice teórico se encontrara entre este rango. Para efectos del cálculo, se
tomará el límite máximo.
𝑊𝑖 = 10.89 (𝑘𝑊ℎ/𝑡)
Esta estimación es válida para la granulación, la pulverización e incluso para el proceso de
trituración.
NOTA. El método utilizado solo es una referencia para estimar la energía necesaria, ya que el
método de Bond es utilizado en la industria minera y de alimentos. Además, este procedimiento
es netamente experimental por lo que los valores tomados son aproximaciones. No obstante la ley
de la molienda brindará una adecuada aproximación para nuestros intereses.
Finalmente la energía necesaria para la granulación es la siguiente.
𝑊𝐵 = 10 × 10.89 (𝑘𝑊ℎ/𝑡) [1
√1600 𝜇𝑚−
1
√ 81280 𝜇𝑚]
𝑊 = 2.34 𝑘𝑊ℎ/𝑡
53
Para el cálculo del trabajo real se tiene en cuenta la Tabla 7 donde se ve consignada las
especificaciones técnicas de la máquina Eco Crumbler Granulator, la cual es la encargada de
granular el producto derivado de la etapa de trituración previa.
Tabla 7. Especificaciones Técnicas de la máquina empleada para la trituración mecánica ECO
Crumbler Granulator
NOTA: En esta tabla se observa en detalle las especificaciones técnicas principales de la máquina incluido los rangos
de operación. Obtenido de (http://ecogreenequipment.com, 2017)
No obstante si se desea un producto hasta malla 10, la capacidad tiene que descender. Por
recomendación de la empresa, la capacidad para obtener 4mm de producto, malla 5, debe ser de
0.75 TPH. De ahí el producto se recircula hasta obtener la malla 10.
De modo que la energía específica real (𝑊𝑟) esta definida por:
54
𝑊𝑟 =90𝑘𝑊
0.75𝑡/ℎ= 120𝑘𝑊ℎ/𝑡
La eficiencia de la molienda de caucho (ɳ) está dada porla ecuación 4:
ɳ =𝑊𝐵
𝑊𝑟× 100
Ecuación 5. Eficiencia de la molienda de caucho
Donde
𝑊𝐵= Energía teórica calculada con ley de Bond
𝑊𝑟= Energía real del proceso
Según la ecuacion 4 obtenemos:
ɳ =2.34
120× 100 = 1.95%
4.4 Eficiencia del pulverizado.
Se utilizará nuevamente la ley de Bond (Ecuación 3) para el cálculo de la energía necesaria para
la pulverización del caucho tomando los siguientes parámetros.
- F₈₀: En el caso de la alimentación se trata del producto de la granulación, es decir, el
gránulo de malla diez.
𝐹80 = 1600 𝜇𝑚
- P₈₀: Para el producto se debe tener en cuenta que la máxima capacidad de pulverizado de
la empresa Reciclair es la malla 80, la cual según la Tabla 3 se tiene que es igual a 177
micrones:
𝑃80 = 177 𝜇𝑚 × 0.80 = 141.6 𝜇𝑚
55
El trabajo requerido entonces es:
𝑊 = 10 × 10.89 (𝑘𝑊ℎ/𝑡) [1
√141.6 𝜇𝑚−
1
√ 1600 𝜇𝑚]
𝑊 = 6.43 𝑘𝑊ℎ/𝑡
El sistema utilizado para la pulverización del material es el ECO Rubber Powder System, el cual
cuenta con el molino Krumbuster utilizado por la empresa Reciclair y cuyas especificaciones
técnicas se muestran en la Tabla 8.
Tabla 8. Especificaciones técnicas ECO Rubber Powder System.
FUENTE: (http://ecogreenequipment.com, 2017) Se puede apreciar algunas especificaciones técnicas donde se incluye
además sus rangos de operación.
56
La energía real que usa la máquina está dada por:
𝑊 =295 𝑘𝑊
1.5 𝑡/ℎ= 196.67 𝑘𝑊ℎ/𝑡
Nuevamente la eficiencia (ɳ) está dada por:
ɳ =𝑊𝐵
𝑊𝑟× 100
Ecuación 6.Eficiencia de la molienda de caucho
Entonces:
ɳ =6.43
196.67× 100 = 3.27%
57
5. Medición de eficiencia Método Criogénico
5.1. Descripción General
Como se describió en la sección 2.4 el proceso de trituración criogénica es básicamente la
aplicación directa de nitrógeno líquido a los trozos de caucho, estos trozos ya criogenizados son
sometidos a impactos para poder pulverizarlos, esto debido a que mediante el nitrógeno se llega a
la temperatura vítrea del material.
Para el cálculo de la eficiencia se tomará como referencia las energías calculadas en la sección
anterior mediante la ley de Bond, tanto para el granulado como para el pulverizado de caucho. De
igual forma se pretende calcular el aporte energético del nitrógeno y del molino criogénico como
tal; esto mediante las especificaciones técnicas obtenidas.
Finalmente se hallará un coeficiente de rendimiento de la misma forma que la molienda mecánica
para así tener un parámetro de comparación más objetivo.
5.2 Experimento para determinar el Tg
5.2.1 Paramentos generales
En busca la temperatura de transición vítrea del caucho de llanta se puede contar con varias
posibilidades para poder medirla, como se mencionan en la sección 2.4.1, entre ellas el uso de un
instrumento de calorimetría diferencial (DSC) y el análisis termomecánico (TMA) en ambos casos
es necesario una instrumentación que no está disponible en la Universidad Distrital.
58
Debido a las anteriores limitaciones, se ha decidido hacer un análisis experimental cuyo objetivo
es conocer a que temperatura se logra la mayor cantidad de material particulado.
El experimento consta de dos partes fundamentales; la primera, reside en tomar cinco trozos de
caucho de llanta usada previamente cortados. En seguida, se procede a enfriar cada trozo a
diferentes temperaturas, después de llegar a la temperatura deseada en cada caso se pasa a la
segunda fase que consiste en aplicar un impacto directo con una masa metálica de 3Kg a una altura
de 1.8 m, a continuación, se observa el estado del caucho después del golpe. La temperatura
seleccionada será la que nos proporcione un granulado uniforme.
5.2.2 Materiales empleados para el experimento:
- Caucho de neumático usado:
Ilustración 22. Caucho de neumatico. Elaboración propia
- Nitrógeno líquido:
Ilustración 23. Nitrógeno líquido. Elaboración propia.
59
- Masa de Acero:
Ilustración 24. Acero de 3Kg. Elaboración propia.
- Recipiente aislado:
Ilustración 25. Termo aislado. Elaboración propia.
- Un termopar
Ilustración 26. Termopar tipo J. En “Tipos de Termopares”, por Grupo InstruMet, 2011,
http://humedad.calibracion.com.mx/2011/05/tipos-de-termopares.html#. Reimpresión autorizada.
60
5.2.3 Procedimiento:
Se cortan cinco trozos de neumático entre 2 x 2.5 pulgadas aproximadamente y se sumerge cada
uno en el recipiente con nitrógeno líquido (véase Ilustración 25) llevándolos a una temperatura
diferente medida con el termopar tipo J, teniendo presente que la Tg del caucho de neumático
teórico es de -70℃. Los trozos son puestos en el termo aislado en donde se aplica directamente el
nitrógeno líquido puesto que es necesario que todas las superficies de la muestra tengan contacto
con el mismo para poder asegurar que la temperatura será homogénea en toda la muestra,
consecutivo a esto se pasa la muestra a la temperatura indicada a una base donde se tiene una masa
metálica que impactara la misma.
- Temperatura de - 50℃
Ilustración 27. Producto a -50 C. Elaboración propia
- Temperatura de - 60℃
61
Ilustración 28. Producto a -60 C. Elaboración propia
- Temperatura de - 70℃
Ilustración 29. Producto a -70 C. Elaboración propia
- Temperatura de - 80℃
62
Ilustración 30. Producto a -80 C. Elaboración propia
- Temperatura de -90℃
Ilustración 31. Producto a -90 C. Elaboración propia
5.2.4 Análisis de Resultados
Como se puede observar existe un marcado comportamiento a partir de la temperatura de -70ºC
(véase Ilustración 29) donde obtenemos mayor cantidad de granulado que en las muestras a -50 y
63
-60ºC. También cabe resaltar que las temperaturas consecuentes de -70ºC no muestran mayor
diferencia en cuanto al granulado.
De esta forma se logra concluir que a partir de la temperatura de -70ºC se puede asumir un
comportamiento vítreo del material por lo que esta será la temperatura utilizada para las
estimaciones pertinentes.
5.3. Aporte Energético Del Nitrógeno Líquido.
Para encontrar este valor inicialmente se debe definir la cantidad de nitrógeno que se necesita para
bajar la temperatura del caucho a -70 ºC, valor previamente definido en la sección 5.2 como la
temperatura necesaria para lograr el proceso.
Durante el proceso de molienda criogénica el nitrógeno líquido retira energía a los trozos de
neumático hasta que estos lleguen a un comportamiento vítreo y así facilitar su molienda. La
energía aportada por el nitrógeno es igual a la pérdida por el trozo de neumático, esto lo podemos
relacionar en la siguiente ecuación:
𝐶𝑝 𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜𝑚𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜(𝑇2 − 𝑇1)𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 = 𝐶𝑝 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜𝑚𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜(𝑇2 − 𝑇1)𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
Ecuación 7. Balance de energías
De la ecuación anterior se asume un kilogramo de caucho, de esta forma se pretende encontrar el
valor energético aportado por el nitrógeno por kilogramo de caucho.
Ya que el objetivo es determinar la masa necesaria del nitrógeno líquido, es indispensable obtener
el valor del cp del neumático. Dicho dato se obtendrá mediante la experimentación que a
continuación se describe.
64
5.3.1. Experimento para determinar el cp del caucho de neumático:
5.3.1.1. Consideraciones Generales
Para el experimento se utiliza un trozo de neumático estándar regular del cual se espera una
aceptable aproximación sobre el comportamiento del cp del neumático.
Se despreciará los factores externos que puedan alterar el resultado como lo es la trasferencia de
calor al exterior. Para poder despreciar esta variable fue pertinente minimizar las posibles fugas de
energía al exterior durante las mediciones, aislando el sistema.
5.3.1.2. Descripción general del experimento
El experimento se realiza en las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
- Facultad tecnológica, laboratorio de ciencias térmicas, con el objetivo de encontrar el calor
especifico (Cp) del caucho, para esto se maneja un proceso común haciendo uso de un calorímetro,
el cual consiste de un recipiente asilado térmicamente donde se introduce agua a determinada
temperatura junto con el material que se desea medir, en este caso el trozo de caucho.
Posteriormente se toma la temperatura donde se estabilizan ambas masas, es decir donde la
temperatura se mantiene y es la máxima capacidad que tiene el caucho para absorber energía
calorífica, el proceso se repite varias veces para así poder minimizar el margen de error.
5.3.1.3 Materiales empleados
- Un trozo de caucho de neumático usado
65
Ilustración 32. Trozo de neumático usado. Elaboración propia.
- Un calorímetro
Ilustración 33. Calorímetro. Elaboración propia
- Gramera
Ilustración 34. Gramera. Elaboración propia
66
- Calentador
Ilustración 35. Calentador. Elaboración propia
- Recipiente con agua
Ilustración 36. Agua líquida en recipiente. Elaboración propia
- Un termopar tipo J (véase Ilustración 26)
5.3.1.4. Procedimiento
Se calienta una masa de agua conocida, en este caso 0,8097 Kg de Agua a una temperatura
determinada y se vierte dentro del recipiente del calorímetro, donde previamente se introdujo un
trozo de 0,1756 Kg de caucho de neumático el cual se encuentra a temperatura ambiente inicial.
67
Inmediatamente se cierra el recipiente del calorímetro y se introduce el termopar cuya
temperatura se estabiliza después de determinado tiempo. La estabilización indica que los dos
cuerpos están a la misma temperatura lo que significa que el caucho ha cedido energía para el
equilibrio térmico. Al despreciar la transferencia externa al medio ambiente el termopar indica
una temperatura, esta última temperatura arrojada por el dispositivo, ayudará a determinar el Cp
de la ecuación 5 que determina una igualdad en el calor de ambos cuerpos, cuando estos están en
un recipiente totalmente aislado.
El Cp será calculado según la ecuación 6.
𝑄 = 𝐶𝑝 𝑚 ( 𝑇2 − 𝑇1)
Ecuación 8. Energía en forma de calor
El proceso se repite un total de ocho veces para realizar un promedio de las mismas con el fin de
encontrar una mayor exactitud en el dato obtenido, es decir, se calcula un cp para cada una de las
repeticiones y se halla un Cp promedio con su respectivo error.
5.3.1.5. Análisis de los resultados
Los datos obtenidos del experimento se organizaron en la Tabla 9.
68
Tabla 9. Resultados del laboratorio de Calorimetría.
FUENTE: (propia) Datos obtenidos en las pruebas del laboratorio de Calorimetría donde se encuentra consignadas las
temperaturas del estado 1 (T1) y el estado final (T2) tanto para el caucho como para el agua.
En el laboratorio se determina un valor de temperatura final para el caucho y el agua, esto será
utilizado posteriormente para calcular el delta de temperaturas inmerso en la ecuación que
establecerá el 𝐶𝑝.
Entonces, tenemos presente que en el experimento las masas estan aisladas del exterior, y
únicamente pueden interactuar entre sí. Teniendo claro lo anterior iguala el calor del caucho y el
agua como lo muestra la ecuación 7.
𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 ( 𝑇2 − 𝑇1)𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 = 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ( 𝑇2 − 𝑇1)𝑎𝑔𝑢𝑎
Ecuación 9. Igualación de calores entre el caucho y el agua
De la Ecuación 7 se despeja el 𝐶𝑝 𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 como se presenta en la ecuación 8.
𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 =𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ( 𝑇2 − 𝑇1)𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑚𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 ( 𝑇2 − 𝑇1)𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜
Ecuación 10.despeje de Cp caucho de la ecuación 3
Experimento
1 22,4 63 71,3 63
2 22,2 63,3 71,5 63,3
3 21 63,4 71,3 63,4
4 19,2 64 71,2 64
5 19,6 62,8 70,4 62,8
6 21,1 63,9 71,3 63,9
7 19,6 80,1 88,6 80,1
8 20,2 45,1 49,6 45,1
Caucho Agua
69
Ahora bien, organizando los valores constantes que se aplicaran en la ecuación 8
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 = 0,1756 𝑘𝑔
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑔𝑢𝑎 = 0,8097 𝑘𝑔
𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4.2179 𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾
Al reemplazar los valores anteriores en la ecuación 8 se obtiene los datos del Cp presentados en
la Tabla 10.
Tabla 10. Valores de Cp del caucho.
Experimento Cp Caucho(kJ/(kg K))
1 3,976014555
2 3,88032353
3 3,623740931
4 3,125722286
5 3,421572543
6 3,362666966
7 2,732495515
8 3,514868434
Se muestra el cálculo del Cp del caucho obtenidos a partir de la Ecuación 8.
5.3.1.6. Resultados:
El valor experimental del 𝐶𝑝 𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 se calcula determinando la mediana de los datos de la tabla 8.
Con el fin de reducir las posibles variables que puedan afectar la exactitud del laboratorio:
𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 = 3,468220489𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾
70
El porcentaje de error obtenido en el proceso se calcula con la ecuación 9.
(𝑉𝑎𝑙𝑚𝑎𝑥 − 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛𝑎) ∗ 100%
𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛𝑎= % 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟
Ecuación 11. Porcentaje de error del laboratorio según los datos obtenidos
Reemplazando en los valores de la ecuación 9 se obtiene:
% 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 14,64134325 %
En conclusión, se determina un 𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 estimado experimentalmente para el caucho de
neumático usado. Este será tomado como valor absoluto a lo largo del documento para los cálculos
requeridos.
5.4.2 Masa necesaria de nitrógeno
Retomando la igualación de calores ecuación 5. Ahora se procede a definir sus valores teniendo
claro que es posible hacer esta igualación porque al mezclar ambas masas estas van a tender a
igualar sus calores por la transferencia entre los dos cuerpos.
1. 𝐶𝑝 del nitrógeno:
𝐶𝑝 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 = 1.04𝑘𝐽
𝑘𝐺 𝐾
2. Temperatura de criogenización del caucho o 𝑇𝑔: Este valor corresponde a la temperatura
del estado dos.
𝑇𝑔 = −70 ℃ = 203,15 𝐾
3. Temperatura ambiente: Correspondiente a la temperatura uno del caucho
𝑇𝑎 = 20 ℃ = 293.15 𝐾
71
4. Temperatura teórica del nitrógeno líquido: Es la temperatura correspondiente al estado
uno del nitrógeno
𝑇𝑛𝑙 = – 195,8 °C = 77.35 K
Ahora bien, al despejar de la igualación dada de la ecuación 5 la masa de nitrógeno nos queda de
la siguiente manera.
𝐶𝑝 𝐶𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 ( 𝑇2 − 𝑇1)𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜
𝐶𝑝 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 ( 𝑇2 − 𝑇1)𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜= 𝑚𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
Ecuación 12. Despeje de masa por igualación de calores.
Y reemplazando por los datos reales obtenemos:
3.47𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾 1 𝑘𝑔 ( 20℃ + 70℃)𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜
1.04𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾(−70℃ + 195.8℃)𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
= 𝑚𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑚𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 = 2.387 𝑘𝑔
Como observación se tiene que para 1 Kg de llanta usada necesitamos 2.4 Kg de nitrógeno líquido
para lograr la temperatura ideal para el pulverizado.
Para el cálculo del aporte teórico se parte de la ecuación 6 y reemplazamos los valores ya conocidos
de este modo:
𝑄 = 𝐶𝑝 𝑚 ( 𝑇2 − 𝑇1) = 1.04𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾× 2.387𝑘𝑔 × (203,15 − 77.35 )𝐾
𝑄 = 312.3 𝑘𝐽
72
Para proceder con el cálculo, se investigó el tiempo que requiere el nitrógeno líquido llevar al Tg
al trozo de neumático, Para ello, se hizo uso de la información suministrada por las empresas
Hosokawa Alpine (USA) y Haotai Machine (CHN) las cuales afirman que el tiempo necesario es
de 2-3 min aproximadamente, por lo cual si se toma el tiempo máximo estimado:
𝑊𝑁 =𝑄
𝑡=
312.3 𝑘𝐽
0.05ℎ= 6246
𝑘𝐽
ℎ
𝑊𝑁 = 6246 𝑘𝐽
ℎ= 1.735 𝑘𝑊
Donde:
𝑊𝑁 = Tasa de transferencia de calor del nitrógeno líquido
Q = Energía en forma de calor
t = Tiempo gastado para el enfriamiento
5.4. Eficiencia del granulado.
En el caso del granulado se debe mencionar que no es seguro encontrar en el mercado un molino
criogénico que permita obtener un producto hasta malla 10 y con una alimentación de 3-5 pulgadas.
No obstante, la empresa Haotai Machine nos ha presentado la opción de un granulador, la HTG –
450 en el cual para obtener la malla 10 basta con realizar un reproceso. Su ficha técnica se
encuentra en la Tabla 11.
73
Tabla 11. Ficha técnicos de HTG – 450
FUENTE: (http://www.haotaimachine.com, s.f.) Se aprecia los datos suministrados por la empresa Haotaimachine de
su máquina de granulado criogénico.
Ahora bien, la energía específica real es:
𝑊𝑟 =𝑊𝑀+𝑊𝑁
1.8𝑡/ℎ
Ecuación 13 Energía especifica real
En dónde;
𝑊𝑀 = Es el trabajo que realiza la máquina
𝑊𝑁 = Es el trabajo en forma de calor aportado por el nitrógeno
𝑊𝑟 =56 𝑘𝑊 + 1.735 𝑘𝑊
1.8𝑡/ℎ = 32.075 𝑘𝑊ℎ/𝑡
Finalmente la eficiencia del granulado, teniendo encuenta el parámetro de Bond calculado en la
sección 4.3, se tiene que:
ɳ =𝑊𝐵
𝑊𝑟× 100 =
2.34
32.075× 100
Entonces:
ɳ =2.34
32.075× 100 = 7.3%
74
5.5 Eficiencia Del Pulverizado.
Para el pulverizado se selección la máquina Contraplex 800CW, Ilustración 37, la cual su ficha
técnica, ofrecida por su proveedor la empresa Hosokawa Alpine, se encuentra en la Tabla 12.
Ilustración 37. Máquina Contraplex 800CW para pulverizado criogénico. En “Contraplex Wide Chamber Mill -
Contraplex CW”, por Hosokawa Alpine, s.f., https://www.hosokawa-alpine.com/powder-particle-
processing/machines/fine-impact-mills-and-classifier-mills/cw-wide-chamber-mill/. Reimpresión autorizada.
Tabla 12. Ficha técnica de Contraplex 800CW.
FUENTE: (https://www.hosokawa-alpine.com/, 2017) Especificaciones Técnicas suministradas por la
empresa Hosokawa Alpine
75
5.5.1 Aporte energético en pulverizado.
En primera instancia se calculó en la sección 5.3 el aporte energético del nitrógeno necesario para
la molienda del caucho. No obstante, en la etapa de pulverizado, dicho aporte es reducido ya que
el caucho en condiciones de granulado requiere menos energía para llegar a su temperatura vítrea.
Esto puede observarse en el experimento del Tg de la sección 5.2. Donde en las muestras obtenidas
pudimos ver particulado pulverizado (tamaño menor que malla 10) incluso a la temperatura de
-50ºC.
La empresa Hosokawa Alpine además ha proporcionado la siguiente ficha técnica, Tabla 13, donde
se observa la temperatura requerida para moler distintos materiales entre los que se encuentra el
granulado de caucho (rubber granules):
Tabla 13. Temperatura de trabajo
NOTA:La empresa Hosokawa Alpine proporcionó las siguientes tempreaturas de trabajo para algunos materiales.
(https://www.hosokawa-alpine.com/, 2017)
Se recalcula de la ecuación 6, entonces obtenemos:
76
3.47𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾 1 𝑘𝑔 ( 20℃ + 30℃)𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜
1.04𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾(−30℃ + 195.8℃)𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
= 𝑚𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜
𝑚𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 = 1.006 𝑘𝑔
Así el aporte del nitrógeno es:
= 𝐶𝑝 𝑚 ( 𝑇2 − 𝑇1) = 1.04𝑘𝐽
𝑘𝑔 𝐾1.006𝑘𝑔 × (243,15 − 77.35 )𝐾
𝑄 = 173.467 𝑘𝐽
En este caso se tomará dos min para llegar al Tg, por recomendación del proveedor
𝑊𝑁 =173.467 𝑘𝐽
0.033ℎ= 5256.58
𝑘𝐽
ℎ
𝑊𝑁 = 5256.58 𝑘𝐽
ℎ= 1.460 𝑘𝑊
La capacidad de la máquina es de 1400 kg/h, es decir, 1.4 TMH, dato suministrado por la
empresa.
Así el trabajo real del proceso es:
𝑊𝑟 =𝑊𝑀+𝑊𝑁
1.4𝑡/ℎ=
132 𝑘𝑊 + 1.46 𝑘𝑊
1.4𝑡/ℎ = 95.33 𝑘𝑊ℎ/𝑡
En tanto la eficiencia del proceso, retomando la energía teórica calculada para el pulverizado de
la sección 4.4, es:
ɳ =𝑊𝐵
𝑊𝑟× 100 =
6.43
95.33× 100
77
Entonces:
ɳ =6.43
95.33× 100 = 6.74%
78
6. Análisis de resultados
6.1. Rendimientos
Con el fin de observar de manera mas clara los rangos de eficiencia obtenidos de la sección
anterior, se presenta a continuación el siguiente gráfico
Ilustración 38. Representación gráfica de la eficiencia en función del proceso utilizado. (Autores, 2017)
Se puede observar que en ambas etapas, granulación y pulverizado, el método criogénico
resultam más eficiente. En efecto, las relaciones correspondientes son las siguientes
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐺𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 =7.3
1.95= 3.74
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑃𝑢𝑙𝑣𝑒𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 =6.74
3.27= 2.06
1,95
3,27
7,36,74
0
1
2
3
4
5
6
7
8
10 80
Efic
ien
cia
en %
tipo de malla
comparación de eficiencias
mecanica criogenica
79
6.2. Energía requerida
En esta sección se analizará la cantidad requerida en cada etapa, con este fin, se presenta la
ilustración 40 que tiene su base en la tabla 13 En la que podemos encontrar un resumen de los
cálculos obtenidos a lo largo de la sección 4 y 5.
Tabla 14. Comparación de energía especifica
Comparación del consumo de energía por tonelada entre la molienda criogénica y la mecánica para las etapas de
granulación y pulverizado. (Autores, 2017)
Así mismo se presenta en la Ilustración 39 una gráfica que muestra con mayor claridad la
información consignada en la Tabla 14.
Ilustración 39. Gráfica comparativa dela energía especifica según tipo de proceso. (Autores, 2017)
TIPO DE MOLIENDA GRANULADO PULVERIZADO
Mecánica 120 196,67
Criogénica 32,075 95,33
ENERGÍA ESPECÍFICA (kWh/t)
120
196,67
32,075
95,33
0
50
100
150
200
250
granulado pulverizado
Ener
gia
esp
ecif
ica
(Kw
h/t
)
Tipo de molienda
Comparación energia especifica
mecanica criogenica
80
Se puede apreciar que en ambos métodos se requiere mayor energía en la pulverización que en la
granulación. Este comportamiento fue el esperado ya que en las leyes de la molienda se expone
que la energía necesaria para el proceso es inversamente proporcional al tamaño. Lo aterior indica
que entre más fino se requiera el producto, mas enegía se necesita.
81
7. Conclusiones
Para determinar la eficiencia energética de ambos procesos fue necesario llevar a cabo varias
etapas a lo largo del presente trabajo de grado, las cuales se muestran a continuación.
En primera instancia se determinó los sistemas termodinámico de ambos procesos mediante la
aplicación de la leyes termodinámicas (sección 2.3) y la ley de la molienda de Bond expuesta en
la sección 2.5. De igual forma, se recurrió a los datos técnicos de las máquinas empleadas en cada
proceso los cuales fueron suministrados por sus respectivos proveedores. Esto con el fin de
utilizarlos en el cálculo de la eficiencia de cada proceso. Además, en el proceso criogénico, fue
necesario emplear la teoría acerca del estado de la Tg (sección 2.4) siendo este el principio por el
cual se basa la molienda criogénica.
Respecto a la Tg, en la sección 5.2 se lleva a cabo un experimento con el que se pretende observar
el comportamiento del material en el estado vítreo. Con dicha experimentación se logró deducir
que la Tg del neumático es aproximadamente -70°C ya que a partir de esta temperatura se observa
un comportamiento constante en las muestras tal y como lo expone la teoría.
Con relación al método empleado para el cálculo de las eficiencias mediante las leyes de molienda,
se concluye que dicho método nos permitió aproximar satisfactoriamente a los resultados en la
medida que nos posibilitó comparar ambos procesos partiendo de aproximaciones teóricas
respaldadas en métodos prácticos. Por otra parte, se sabe que esta energía corresponde al
comportamiento de materiales como los minerales, las rocas y los alimentos y no de neumáticos
propiamente dichos. Sin embargo, las suposiciones se sustentan en uno de los factores que
determina la energía requerida para la molienda, se trata del Work Index (Wi), del cual se explica
82
en la sección 2.5. En esta sección se dice que el Wi se relaciona directamente con la dureza del
mineral, por ello, entre mayor dureza posea el material a fracturar o moler mayor será la energía
requerida para dichas operaciones tal y como puede observarse en la Tabla 5 donde se aprecia el
comportamiento expuesto. Así, al adjudicar una dureza utilizando la Tabla de Mohs, Tabla 3, y
posteriormente ofrecer un valor discreto usando la Tabla 5, se logra calcular una energía teórica
(Wi) basada en la propiedad mecánica del neumático cuyo valor es de 10.89 (kWh/t). De igual
forma, se concluye que independientemente de la existencia de un método o valor teórico más
asertivo, las eficiencias calculadas mantendrán la misma diferencia proporcionalmente.
El principal objetivo era determinar la viabilidad del proceso criogénico con respecto al mecánico
respecto a sus consumos energéticos. En el capítulo 6 se compararan los resultados obtenidos de
los capítulos 4 y 5, dichos resultados, pueden observarse en la ilustración 39 en donde se realiza
una clara comparación entre ambos procesos tanto para la etapa de granulación como la de
pulverización de las que, a continuación, se expondrá las principales conclusiones.
En la granulación se puede detallar que la molienda criogénica es casi cuatro veces más eficiente
que la mecánica; esto se debe a que la molienda mecánica requiere 120 kWh por tonelada de
caucho, a comparación con la molienda criogénica que requiere 32.075 kWh por tonelada. No
obstante cabe remarcar que en el mercado dificilmente se pueda encontrar un granulador
criogénico que admita una alimentación entre 3-5 pulgadas y entregue un producto hasta malla 10
como si lo hace el sistema ECO Crumbler Granulator. Esto con base en la investigación que se
realizó vía electrónica en empresas especializadas en máquinas criogénicas tales como: Wanrooe
Machinery CO.,LTD, Retsch, Haotai Machine, Hosokawa Alpine, Weifang ALPA Powder
Technology & Equipment Co., Ltd entre otras. Se encontró que generalmente se requiere una
pregranulación para disminuir su tamaño por lo menos a 15mm para así utilizar eficientemente el
83
molino criogénico y usar toda su capacidad; en los cálculos realizados en el presente proyecto
solo se uso el producto hasta malla 10 pese a que tiene mayor capacidad de producción
(dependiendo del producto a granular). Lo aterior se elaboró con el objetivo de lograr una
comparación más objetiva, de este modo, se equipararían ambos sistemas bajo las mismas
condiciones, en este caso, los tamaños tanto de alimentación como de producto.
Con respecto a la pulverización se puede apreciar mejor la eficiencia de la molienda criogénica,
(que es del 6.74%) ya que esta es aproximadamente dos veces más eficiente que el sitemea ECO
Rubber Powder System de la molienda mecánica (con una eficiencia de 3.27%). Es importante
señalar que esta eficiencia se calculó con base en un tamaño de particulado de malla 80 en el
producto, puesto que esta es la dimensión capaz de alcanzar el molino Krumbuster. No obstante,
si se desea un producto más fino es obligatorio hacer un reproceso y aun así se alcanzaría una
medida máxima de malla 100 ya que es la medida máxima que se puede alcanzar mediante el
sistema ECO Rubber Powder System. Lo anterior se sustenta con la información obtenida en
nuestra visita técnica y en la página web de la empresa Reciclair S.A.S.
En contraposición el molino Contraplex 800CW puede ofrecer un producto aún más fino que malla
80, inclusive que malla 100; según el proveedor, puede ofrecer un producto hasta malla 120 por lo
que se puede suponer que, si se desea un producto más fino en la molienda mecánica comparable
con lo producido por el criogénico, es necesario o bien sea una etapa adicional en el que se tome
una alimentación de malla 80 y se entregue un producto mayor que malla 100, o un molino de
mayor potencia. En cualquiera de los dos casos el bache de eficiencia que hay entre ambos
procesos aumentará significativamente a medida que se requiere un resultado más fino debido a
que el proceso mecánico requeriría o bien un reproceso, una nueva etapa o maquinarias de mayor
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potencia, entonces, en definitiva, requerirá un mayor gasto energético de entrada para lograr los
mismos resultados que el proceso criogénico lo que afectaría directamente su eficiencia.
En definitiva, como resultado de esta investigación, se puede concluir que el método de la
molienda criogénica para neumático es más eficiente, en términos energéticos, que la molienda
mecánica; tanto en la etapa de granulación (con un valor del 7.3%) como de pulverización del
material (cuyo valor es del 6.74%). Esto se debe gracias a que el principio de la molienda
criogénica se sustenta en el aprovechamiento de las propiedades mecánicas del caucho en su estado
vítreo.
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